위성항법시스템 (GNSS: Global Navigation Satellite System)으로 계산되는 위치 정확도는 위성 의사거리 (Pseudo-Range) 측정값 정확도와 DOP (Dilution of Precision) 으로 표현되는 위성의 배치관계를 통해 결정된다. 위성의 의사거리 측정값은 위성 시계, 궤도, 전리층, 대류층, 다중경로 등 여러 요인에 의해 오차가 발생하게 되며, 사용자 의사거리정확도를 향상을 위해서는 정확한 의사거리 측정값이 필요하다. 반면, 위성의 배치의 경우, 사용자의 수신환경에 따라 위치 정확도가 달라진다. 예를 들어, 고층 빌딩이 많은 도심의 경우에는 위성전파 차단의 위험이 많아 가시위성의 수가 감소하고 개활지에 비해 상대적으로 양호한 DOP을 가지기 어렵다. 본 논문은 가상위성 (Virtual Satellite)을 통해 DOP 성능 개선과 의미있는 가상거리측정값 (VRM: Virtual Range Measurement) 정확도를 확보하여, 위치 정확도 향상 시키는 방법에 대해 연구하였다. 그 결과 적절한 가상위성배치와 정확한 가상 거리측정값을 이용하면 수직위치 정확도의 개선 효과를 얻을 수 있었다.
위성항법시스템 (GNSS: Global Navigation Satellite System)으로 계산되는 위치 정확도는 위성 의사거리 (Pseudo-Range) 측정값 정확도와 DOP (Dilution of Precision) 으로 표현되는 위성의 배치관계를 통해 결정된다. 위성의 의사거리 측정값은 위성 시계, 궤도, 전리층, 대류층, 다중경로 등 여러 요인에 의해 오차가 발생하게 되며, 사용자 의사거리정확도를 향상을 위해서는 정확한 의사거리 측정값이 필요하다. 반면, 위성의 배치의 경우, 사용자의 수신환경에 따라 위치 정확도가 달라진다. 예를 들어, 고층 빌딩이 많은 도심의 경우에는 위성전파 차단의 위험이 많아 가시위성의 수가 감소하고 개활지에 비해 상대적으로 양호한 DOP을 가지기 어렵다. 본 논문은 가상위성 (Virtual Satellite)을 통해 DOP 성능 개선과 의미있는 가상거리측정값 (VRM: Virtual Range Measurement) 정확도를 확보하여, 위치 정확도 향상 시키는 방법에 대해 연구하였다. 그 결과 적절한 가상위성배치와 정확한 가상 거리측정값을 이용하면 수직위치 정확도의 개선 효과를 얻을 수 있었다.
GNSS (Global Navigation Satellite System) Position Accuracy depends on pseudo-range measurement and DOP (Dilution Of Precision) which indicates about navigation satellite geometry. Pseudo-Range has many error sources such as satellite clock, orbit, ionosphere, troposphere, multipath and so on. For t...
GNSS (Global Navigation Satellite System) Position Accuracy depends on pseudo-range measurement and DOP (Dilution Of Precision) which indicates about navigation satellite geometry. Pseudo-Range has many error sources such as satellite clock, orbit, ionosphere, troposphere, multipath and so on. For the improvement of the accuracy, user can use corrected pseudo-range in DGPS (Differential Global Positioning System), which is one of the relative positioning methods. But, stationary station is needed in relative positioning. In case of DOP, Signal reception environment is important. If receiver sets in the center of city, it could be interrupted reception by buildings. This environment leads to decrease the number of visible satellites and to increase DOP. This paper proposes the concept of GNSS positioning with virtual satellites which have usable VRM (Virtual Range Measurement). Via virtual satellites and VRM, users could get an accurate position. Especially referred virtual satellites constellation has an effect on vertical error.
GNSS (Global Navigation Satellite System) Position Accuracy depends on pseudo-range measurement and DOP (Dilution Of Precision) which indicates about navigation satellite geometry. Pseudo-Range has many error sources such as satellite clock, orbit, ionosphere, troposphere, multipath and so on. For the improvement of the accuracy, user can use corrected pseudo-range in DGPS (Differential Global Positioning System), which is one of the relative positioning methods. But, stationary station is needed in relative positioning. In case of DOP, Signal reception environment is important. If receiver sets in the center of city, it could be interrupted reception by buildings. This environment leads to decrease the number of visible satellites and to increase DOP. This paper proposes the concept of GNSS positioning with virtual satellites which have usable VRM (Virtual Range Measurement). Via virtual satellites and VRM, users could get an accurate position. Especially referred virtual satellites constellation has an effect on vertical error.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본문에서는 위치해 정확도 향상을 위한 가상위성의 배치 및 가상거리측정값 생성방법을 제시하였다. 또한 가상위성 적용시 계산되는위치해의 특성에 대해 분석하였으며, 제안한 가상위성 배치를 통해 수직위치 정확도가 개선되는결과를 확인하였다.
따라서, 수직오차가 작은 NP를 찾는 것이 위치해 개선에 있어 중요하다. 본 논문에서는 Fig. 3과 같이 VDOP을 개선시킬 수 있는 가상위성 배치 방법을 제안하였다. 가상거리측정값초기 NP (이하 \(NP_{initial}\))는 실제 위성들을 통해 추정된 위치해를 그 초기 지점으로 선정 하였다.
측정값오차모델을 이용하여 판단한 결과 NP3를 이용한 가상거리측정값이 더 정확한 값을 지닌다는 결과를 얻었다. 실제 데이터를 통해 위 결과가 합당한지 확인해 보았다. 아래 Fig.
본 논문에서는 위성항법시스템의 기존 항법알고리즘의 위치 정확도 향상을 위해, 가상위성과 가상거리측정값을 이용하는 새로운 방식을 제안하였다. 가상위성의 배치방법과 그에 따른 이점을 확인하고 가상거리측정값을 생성하는 법에 대해 제시하였다.
본 논문에서는 위성항법시스템의 기존 항법알고리즘의 위치 정확도 향상을 위해, 가상위성과 가상거리측정값을 이용하는 새로운 방식을 제안하였다. 가상위성의 배치방법과 그에 따른 이점을 확인하고 가상거리측정값을 생성하는 법에 대해 제시하였다. 기존의 연구에서 가상위성은 측정값이 존재하지 않으므로 실제위성을 이용하여 생성된 이전 시점의 위치해를 기준으로 가상의사거리를 만들게 된다.
따라서 수신기의 속도가 빠르거나 수신기 위치오차가 클수록 가상위성측정값의 정확도도 감소하게 되어 위치해 개선의 효과가 떨어지게 된다. 따라서 이를 보완하기 위한 새로운 가상거리측정값 생성방법을 제시하였다. 또한, 위성앙각에 따른 거리오차모델을 이용하여 생성된 가상거리측정값의 오차를 추정, 비교하여 제안하는 가상거리측정값 사용이합당함을 확인하였다.
제안 방법
제안하는 배치 방법의 경우 \(NP_{initial}\)를 기준으로 중심선상에 위치하는 가상위성들의 시선각 벡터는 모두 동일하므로 관측행렬을 구성하여도 같은 정보를 나타내게 된다. 따라서, 중심선 양 끝 단에 하나씩 가상위성을 배치하는 구조를 적용하였다. 이러한 구조로 가상위성을 배치한 뒤 정확한 가상거리 측정값의 생성을 위해 중심선상에서 NP를 이동해가며 가상거리 측정값 오차를 감소시키는 특정 조건을 만족하는 좌표를 갖는 최종 NP (\(NP_{end}\))를 결정하였다.
따라서, 중심선 양 끝 단에 하나씩 가상위성을 배치하는 구조를 적용하였다. 이러한 구조로 가상위성을 배치한 뒤 정확한 가상거리 측정값의 생성을 위해 중심선상에서 NP를 이동해가며 가상거리 측정값 오차를 감소시키는 특정 조건을 만족하는 좌표를 갖는 최종 NP (\(NP_{end}\))를 결정하였다. 다음절에서는 가상거리측정값 생성을 위한 NP 결정방법에 대해서 다루었다
즉, NP의 수직위치가 부정확한 경우 그 오차가 가상거리측정값에 투영된다. 따라서, 수직오차가 작은 NP를 찾아내는 것이 중요한데, 본 논문에서는 NP의 후보군에 대해 다음 네 가지로 분류하였다. 여기서 θ : VS-AP-NP 사이 각, ΔXn : AP-NP 거리를 말한다.
2절에서 설명한 \(NP_{initial}\)를 의미하며, NP3은 특정 조건\((ρ^V_e = \widehat{ρ^V} )\)을 만족하는 \(NP_{end}\)를 의미한다. 가상거리측정값오차에 대한 분석은 실제 적용 가능한 NP3, NP4에 대해서 다루었다.
때문에 본 논문에서는 일반적인 오차수준을 상정하기 위해 실제위성의 측정값오차모델을 생성, \(Δρ^V_{n3} , \ Δρ^V_{n4} \) 를 계산하고, NP 선정의 근거로 삼았다.
본 논문에서는 \(f(\theta)\)를 계산하기 위해 앞서 사용된 2014년 7월 7일 국토지리정보원 수원기준국의 하루 데이터를 이용하여 실제 위성의 측정값오차를 계산하였다. Fig.
앞의 결과들을 토대로 실제위성을 이용한 위치해와 가상위성을 사용한 위치해의 결과를 서로비교 하였다. NP는 NP3를 선택 하였으며 그로 인해 생성된 가상거리측정값을 사용하였다.
또한, 위성앙각에 따른 거리오차모델을 이용하여 생성된 가상거리측정값의 오차를 추정, 비교하여 제안하는 가상거리측정값 사용이합당함을 확인하였다. 마지막으로, 제안한 항법알고리즘을 적용하여 실제 위치해의 개선효과를확인하였다. 제시된 가상위성의 배치를 사용하게 되면, 수직 위치해 정확도의 향상을 도모할 수 있으며, 이러한 효과는 도심지역과 같이 수신기 위치오차가 증가하는 제한적 가시 환경에서 극대화 된다는 것을 확인 하였다.
정확도가 높은 가상거리측정값 확보를 위해 실제 수신기 위치 (Actual Position: 이하 AP), VS, NP를 Fig. 1과 같이 배치한 후 가상거리측정값 오차 (\(Δρ^V\))에 대해 수식으로 나타내었다.
측정값 오차모델을 이용하여 계산되는 \(Δρ^V_{n3} , \ Δρ^V_{n4} \) 를 \(\tilde{Δρ^V_{n3}} , \ \tilde{Δρ^V_{n4} }\) 라고 할 때, 두 값의 비교를 통해 NP 선정이 타당한지 확인해 보았다. Fig.
추가적으로 제한적인 가시환경에서 효용성을 확인하기 위해 임의의 Epoch, 임의의 PRN을 선정하여 {Case A: Epoch (310~600), PRN (3, 16,19, 23)} 그때의 위치해와 가상위성추가를 통한 위치해 기여를 확인 하였다. Fig.
이론/모형
본 논문에서는 (I. Kim, 1994)에서 사용한 가상위성 (Virtual Satellite: 이하 VS) 개념을 이용하여 위치해를 개선하는데 가상위성을 사용하는 연구를 수행하였다. 가상위성은 실제위성과 달리우주상 어느 지점에라도 자유롭게 배치 할 수 있다는 장점이 있어 위성의 DOP을 개선할 수 있다.
Won, 2012) 논문에서는 위성의 배치를 나타내는 척도인 DOP에 앙각에 따른weight를 적용한 WDOP (Weighted DOP)을 제시하였는데, 이때 weight값의 생성을 위해 위성의 의사거리 오차 수준인 \(σ_{UERE}\)(UERE: User Equivalent Range Error)를 앙각에 따른 변화를 적용한 새로운 값인 \(σ_{\theta}\)를 제안 하였다. 본 논문에서도 이를 적용하여 앙각에 따른 측정값 모델을 사용하였다. 식(16)는 \(σ_{\theta}\)과 \(σ_{UERE}\)의 관계를 나타내는데 \(f(\theta)\)는 앙각에 따른 의사거리의 변화를 나타내는 함수로 항상 0보다 크거나 같으며, \(f(90°)=0\) 인 값을 갖는다.
성능/효과
특히, 실제 위성의 경우 물리적 한계로 앙각이 0° 이하인 위성의 정보를 사용 할 수 없지만 가상위성은 그 와 달리 실제 관측이 불가능한 위치에도 배치시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 가상의사거리 대신 사용자 속도에 따른 영향이 없는 가상거리측정값 (Virtual Range Measurement: 이하 VRM)을 생성하여 위치해를 추정하였으며, 만약 실제 의사거리에 준하는 가상거리측정값을 생성할 수 있으면 위치해 정확도의 향상을 기대할 수 있다.
따라서 본문에서는 위치해 정확도 향상을 위한 가상위성의 배치 및 가상거리측정값 생성방법을 제시하였다. 또한 가상위성 적용시 계산되는위치해의 특성에 대해 분석하였으며, 제안한 가상위성 배치를 통해 수직위치 정확도가 개선되는결과를 확인하였다.
가상위성은 사용자 위치해 추정에 있어서 실제 위성과 동일한 역할을 하게 되며, 이를 통해 가시성이 향상된 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 가상위성의 배치를 통해 DOP을 향상 시킬 수 있으며, 만약 실제 위성의 의사거리측정값과 유사한 수준의 정확도를 갖는 가상거리측정값을 생성할 수 있다면 위치해 향상에 기여 할 수 있다.
6은, \(\tilde{Δρ^V_{n3}} - \ \tilde{Δρ^V_{n4} }\)의 결과를 나타낸 것이다. 측정값 오차모델을 이용한 가상거리측정값으로 NP를 판단할 경우 모든 경우에서 NP3가 더 적합하다는 결과를 얻을 수 있었다. 다시 말해서, 위성의 거리오차가 앙각에 따라 증가하는 거리오차 모델을 따르는 통상의 경우 NP3을 이용하여 가상거리 측정값을 생성하는 것이 더 정확한 측정값을 만들 수 있다는 것을 알 수 있다.
측정값오차모델을 이용하여 판단한 결과 NP3를 이용한 가상거리측정값이 더 정확한 값을 지닌다는 결과를 얻었다. 실제 데이터를 통해 위 결과가 합당한지 확인해 보았다.
7은 국토지리정보원 수원 기준국의 하루 (2014년 7월7일)동안의 데이터를 이용하여 각 NP를 이용해 생성된 가상거리측정값의 오차크기를 계산한 것이다. 전반적으로 NP3를 이용한 가상거리측정값이 더 정확한 거리정보를 생성하는 것을 알 수 있는데, 전체 Epoch 중 93.19%에서 NP3를 이용한 측정값이 더 정확한 것으로 확인 되었다. Table 2는 NP3, NP4를 통해 생성된 가상거리측정값오차(\(Δρ^V_{n3} , \ Δρ^V_{n4} \))의 오차수준을 나타낸 것으로 통상적으로 \(ρ^V_{n3}\) 이 더 정확한 것을 확인 할 수 있다.
8, 9는 각각 수평, 수직오차의 결과를 나타내고 있다. 이를 통해 가상거리측정값으로 인한 위치해의 기여는 수평오차가 아닌 수직오차에서 그효과가 두드러지는 것을 확인 할 수 가 있다. 이는 배치된 가상위성의 위치와도 관계가 있는데위의 식(3)과 Fig.
Table 4의 결과가 보여주듯 제한적 가시환경의 경우 가상거리 측정값을 통한 위치해 정확도 개선의 효과가 더 큰 것을 알 수 있었는데 특히, 가시위성수가 감소하더라도 수직위치 정확도 수준이 유지되는 것을 확인 하였다. 하지만 NP3를 생성하기 위한 기본 조건이 실제위성 측정값을 통해 추정한 사용자 위치 (NP4)이므로 가시위성수 4개미만의 조건에서는 사용할 수 없다는 한계가 있다.
따라서 이를 보완하기 위한 새로운 가상거리측정값 생성방법을 제시하였다. 또한, 위성앙각에 따른 거리오차모델을 이용하여 생성된 가상거리측정값의 오차를 추정, 비교하여 제안하는 가상거리측정값 사용이합당함을 확인하였다. 마지막으로, 제안한 항법알고리즘을 적용하여 실제 위치해의 개선효과를확인하였다.
마지막으로, 제안한 항법알고리즘을 적용하여 실제 위치해의 개선효과를확인하였다. 제시된 가상위성의 배치를 사용하게 되면, 수직 위치해 정확도의 향상을 도모할 수 있으며, 이러한 효과는 도심지역과 같이 수신기 위치오차가 증가하는 제한적 가시 환경에서 극대화 된다는 것을 확인 하였다. 하지만 본 논문에서 제안한 기법은 실제위성을 통해 수신기 위치 추정이 불가능한 조건에서는 사용이 불가능하다는한계가 있다.
후속연구
제시된 가상위성의 배치를 사용하게 되면, 수직 위치해 정확도의 향상을 도모할 수 있으며, 이러한 효과는 도심지역과 같이 수신기 위치오차가 증가하는 제한적 가시 환경에서 극대화 된다는 것을 확인 하였다. 하지만 본 논문에서 제안한 기법은 실제위성을 통해 수신기 위치 추정이 불가능한 조건에서는 사용이 불가능하다는한계가 있다. 본 기법은 일반적인 보행자 혹은차량보다, 수직 위치해 성능이 중요한 항공기에 적용될 경우 더 큰 기여를 할 것이라 기대된다.
하지만 본 논문에서 제안한 기법은 실제위성을 통해 수신기 위치 추정이 불가능한 조건에서는 사용이 불가능하다는한계가 있다. 본 기법은 일반적인 보행자 혹은차량보다, 수직 위치해 성능이 중요한 항공기에 적용될 경우 더 큰 기여를 할 것이라 기대된다. 특히, 도심과 같은 제한적인 가시 환경에서 비행할 여지가 많은 드론의 경우 가상위성 추가를 통한 수직 위치해 향상은 비행 안전에 큰 기여를 할 것이라 기대할 수 있다.
특히, 도심과 같은 제한적인 가시 환경에서 비행할 여지가 많은 드론의 경우 가상위성 추가를 통한 수직 위치해 향상은 비행 안전에 큰 기여를 할 것이라 기대할 수 있다. 반면 수평오차에대한 위치해 보정효과를 기대하기 어렵다는 데에 그 문제가 있으므로 추후 수평 위치해를 개선할 수 있는 새로운 위성배치 및 가상거리측정값 생성 방법에 대한 연구를 진행할 예정이다. 또한, 시뮬레이션이 아니라 실제 도심에서의 제한된 가시 환경의 데이터를 이용하여 위치해 개선 효과 역시 확인 할 예정이다.
반면 수평오차에대한 위치해 보정효과를 기대하기 어렵다는 데에 그 문제가 있으므로 추후 수평 위치해를 개선할 수 있는 새로운 위성배치 및 가상거리측정값 생성 방법에 대한 연구를 진행할 예정이다. 또한, 시뮬레이션이 아니라 실제 도심에서의 제한된 가시 환경의 데이터를 이용하여 위치해 개선 효과 역시 확인 할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
위성의 의사거리 측정값에 오차가 생기는 요인은 무엇인가?
위성항법시스템 (GNSS: Global Navigation Satellite System)으로 계산되는 위치 정확도는 위성 의사거리 (Pseudo-Range) 측정값 정확도와 DOP (Dilution of Precision) 으로 표현되는 위성의 배치관계를 통해 결정된다. 위성의 의사거리 측정값은 위성 시계, 궤도, 전리층, 대류층, 다중경로 등 여러 요인에 의해 오차가 발생하게 되며, 사용자 의사거리정확도를 향상을 위해서는 정확한 의사거리 측정값이 필요하다. 반면, 위성의 배치의 경우, 사용자의 수신환경에 따라 위치 정확도가 달라진다.
위성항법시스템으로 계산되는 위치의 정확도는 무엇을 통해 결정되는가?
위성항법시스템 (GNSS: Global Navigation Satellite System)으로 계산되는 위치 정확도는 위성 의사거리 (Pseudo-Range) 측정값 정확도와 DOP (Dilution of Precision) 으로 표현되는 위성의 배치관계를 통해 결정된다. 위성의 의사거리 측정값은 위성 시계, 궤도, 전리층, 대류층, 다중경로 등 여러 요인에 의해 오차가 발생하게 되며, 사용자 의사거리정확도를 향상을 위해서는 정확한 의사거리 측정값이 필요하다.
사용자의 수신환경에 따라 위치 정확도가 달라지는 예시로 무엇이 있는가?
반면, 위성의 배치의 경우, 사용자의 수신환경에 따라 위치 정확도가 달라진다. 예를 들어, 고층 빌딩이 많은 도심의 경우에는 위성전파 차단의 위험이 많아 가시위성의 수가 감소하고 개활지에 비해 상대적으로 양호한 DOP을 가지기 어렵다. 본 논문은 가상위성 (Virtual Satellite)을 통해 DOP 성능 개선과 의미있는 가상거리측정값 (VRM: Virtual Range Measurement) 정확도를 확보하여, 위치 정확도 향상 시키는 방법에 대해 연구하였다.
참고문헌 (9)
J. Wang, "Pseudolite Applications in Positioning and Navigation: Progress and Problems", Journal of Global Positioning Systems, Vol. 1, No. 1, pp.48-56, 2002
J. Park and J. Suk, "A Study on Navigation Performance Analysis Technique of Pseudolite Navigation Systems", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Vol. 42, No. 11, pp. 947-957, 2014.
DOD, "Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Standard", 4st Edition, September 2008
S. Park, D. Cho, "A Performance improvement on navigation applying measurement estimation in urban weak signal environment", Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 18, No. 11, pp. 2745-2752, Nov 2014
FAA, "Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Analysis Report", Jan 31 2006
D. Won, "Weighted DOP with Consideration on Elevation-Dependent Range Errors of GNSS Satellites", IEE TIM (Transaction on Instrumentation and Measurement), Vol. 61, No. 12, Dec 2012
B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, and E. Wasle, GNSS-global navigation satellite systems : GPS, GLONASS, Galileo, and more. Wien; New York: Springer, 2008.
이 논문을 인용한 문헌
저자의 다른 논문 :
연구과제 타임라인
LOADING...
LOADING...
LOADING...
LOADING...
LOADING...
활용도 분석정보
상세보기
다운로드
내보내기
활용도 Top5 논문
해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다. 더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.