[논문]GNSS 망조정에 종속기선이 미치는 영향

윤성현; 이흥규; 박종경

doi:10.5762/kais.2018.19.4.593

GNSS 망조정에 종속기선이 미치는 영향
Impact of Trivial Baseline into GNSS Network Adjustment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.4, 2018년, pp.593 - 602

윤성현 (창원대학교 대학원 친환경해양플랜트 FEED 공학) , 이흥규 (창원대학교 토목환경화공융합공학부) , 박종경 (창원대학교 산업대학원 토목공학과)

초록
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본 논문에서는 GNSS 단일기선해석과 망조정을 통한 측량기준점 성과 산정에서 종속기선 포함여부가 미치는 영향을 분석하기 위해 망조정 이론을 바탕으로 실험적인 연구를 수행하였다. 이를 위해 국토지리정보원 운영 위성기준점 50 개소의 관측데이터를 이용하여 종속기선 포함여부에 따라 3가지 형태의 기준점 측량망 구성 및 조정실험을 수행하고, 그 결과를 정확도 표현과 산정성과의 차이 측면에서 분석 하였다. GNSS 망조정에 종속기선을 포함하는 경우 조정성과 차이는 밀리미터 수준으로 매우 제한적이었으나, 망의 자유도와 기하강도 왜곡으로 그 정확도가 과대평가되는 결과를 얻었다. 3가지 경우에 대한 조정성과를 국토지리정보원 고시좌표와 비교했으며, 그 결과 독립기선으로만 이루어진 망의 성과가 가장 높은 일치성을 보였다. 그러나 종속기선을 포함한 조정결과는 상대적으로 큰 차이를 나타내어 성과의 정확도 표현에 왜곡이 있음을 확인할 수 있었다. 이와 같은 분석결과에 따라 GNSS 단일기선해석으로 얻어진 기선벡터의 망조정에서는 기존 성과와의 일치성, 현실적인 정확도 표현 그리고 과대한 데이터 처리에 따른 시간 및 비용 부담을 고려할 때 종속기선을 제외하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the impact of trivial baselines obtained from GNSS single-baseline processing into a network adjustment in terms of accuracy and estimated coordinates sets. To this end, depending on the inclusion of the dependent baselines, three different types of experimental GNSS networks were composed and adjusted. The results showed that the networks including the trivial baselines are generally overestimated, but differences in the derived coordinates are limited at the millimeter level. A comparison of the adjusted coordinates with those published by the national geodetic agency showed that results of the network consisting of only the independent baselines are more constant than those of the networks with trivial baselines. Finally, a trivial baseline should be excluded from the GNSS network adjustment with a consideration of the realistic accuracy presentation and data processing burden.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 GNSS 기준점 측량 시 종속기선의 포함여부가 망조정 결과에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 위해 국토지리정보원 상시관측소 50 개소 관측데이터를 취득하여 독립기선망, 일부 종속기선을 포함한 삼각형망, 가용한 모든 기선을 사용해 형성한 종속기선망으로 분류한 후 단일기선해석과 망조정을 수행하고 그 결과를 사후분산, 정확도 표현 그리고 조정좌표로 구분하여 분석하였다.
본 논문에서는 종속기선이 GNSS 망조정에 미치는 영향을 성과 산정과 정확도 표현의 측면에서 분석하였다. 이를 위해 국토지리정보원 위성기준점 관측데이터를 이용한 실험망을 종속기선 포함여부에 따라 3가지로 구분하였고 조정을 통해 분석한 결과를 다음과 같이 요약하였다.

제안 방법

LGO 해석 기선벡터를 Leica ASCII 형식으로 출력한 후 별도의 Matlab 스크립트를 이용하여 GeolabPX5의 입력파일 형식으로 일괄 변환하였다. SUWN을 고정한 최소제약조정, 그리고 2003년 세계측지계 구현에 사용한 내륙의 13개 위성기준점 중 관측소 이동과 안테나 교체가 없고 비교적 안정점으로 알려진 9점을 가중제약하는 조정을 수행하여 그 결과를 분석하였다.
LGO 해석 기선벡터를 Leica ASCII 형식으로 출력한 후 별도의 Matlab 스크립트를 이용하여 GeolabPX5의 입력파일 형식으로 일괄 변환하였다. SUWN을 고정한 최소제약조정, 그리고 2003년 세계측지계 구현에 사용한 내륙의 13개 위성기준점 중 관측소 이동과 안테나 교체가 없고 비교적 안정점으로 알려진 9점을 가중제약하는 조정을 수행하여 그 결과를 분석하였다.
기선해석 후 동일 소프트웨어에 의해 기지점 SUWN을 고정하는 최소제약조정을 반복 수행하고 표준화잔차에 대한 통계검정을 통해 총 6개 기선을 과대오차로 판정하여 망에서 제외하였다. 이 절차를 통해 최종적으로 GNSS 망조정 실험에 사용할 CASE 1 ~ 3을 각각 313,131, 63개의 기선으로 구성하였다.
본 연구의 3가지 경우에 대해 사후분산을 수정한 후 최소제약조정을 실시하고 신뢰수준 95%의 상대오차 타원과 막대를 관측망도와 함께 Fig. 4에 도시하였다.
본 논문에서는 GNSS 기준점 측량 시 종속기선의 포함여부가 망조정 결과에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 위해 국토지리정보원 상시관측소 50 개소 관측데이터를 취득하여 독립기선망, 일부 종속기선을 포함한 삼각형망, 가용한 모든 기선을 사용해 형성한 종속기선망으로 분류한 후 단일기선해석과 망조정을 수행하고 그 결과를 사후분산, 정확도 표현 그리고 조정좌표로 구분하여 분석하였다.
종속기선 포함여부에 따른 망의 기하강도를 고찰하기 위해 GNSS 위성배치가 측위정밀도에 미치는 영향을 나타내는 지표인 DOP(Dilution of Precision) 계산과 동일하게 관측데이터의 분산-공분산 행렬을 단위행렬로 수정하여 최소제약조정을 실시하였다. 이를 통해 얻은 추정 기선벡터의 분산-공분산 행렬 대각선 요소의 제곱근에 대한 통계값을 Table 2에 요약하였다.

대상 데이터

GNSS 측량망 조정에 종속기선이 미치는 영향을 고찰하기 위해 국토지리정보원 상시관측소 중 도서지역에 위치한 것을 제외한 총 50개의 관측소를 이용하여 실험망을 구성하였다. 1일 관측세션은 중복점 포함 약 20점으로 하여 2017년 1월 1일 ~ 4일 관측자료를 취득하였고 LGO (Leica Geomatics Officer) 버전 8.
기선해석 후 동일 소프트웨어에 의해 기지점 SUWN을 고정하는 최소제약조정을 반복 수행하고 표준화잔차에 대한 통계검정을 통해 총 6개 기선을 과대오차로 판정하여 망에서 제외하였다. 이 절차를 통해 최종적으로 GNSS 망조정 실험에 사용할 CASE 1 ~ 3을 각각 313,131, 63개의 기선으로 구성하였다. 따라서 이후 망조정단계에서는 기선벡터에 대한 별도의 과대오차 규명절차를 수행하지 않았다.

이론/모형

본 연구의 GNSS 망조정 실험은 GeolabPX5 버전 5.6.1로 수행하였다. 해당 소프트웨어는 재래식 관측데이터 및 GNSS의 기선벡터를 이용한 관측망 조정에 폭넓게 사용되고 있으며 최적화 알고리즘을 통해 연산 시간을 단축할 수 있어 대규모 망조정에 적합하여 선정하였다[4,11].

성능/효과

7cm로 결정한 후 벡터들 사이의 상관성을 유지하면서 새로운 분산공분산 행렬을 생성하였다. 동일한 기선벡터들에 대해 경험적 방식으로 모형화한 분산-공분산 행렬을 적용하여 최소제약조정을 수행한 결과 CASE 1~3의 사후분산은 각각 0.323, 0.513, 1.034로 나타났다.
둘째, 독립기선망에 비해 약 2배 혹은 5배 많은 종속 기선을 포함하는 GNSS 망을 구성하여 조정하는 경우라도 산정 성과에 미치는 영향은 밀리미터 수준으로 제한적이다.
이러한 결과로부터 종속기선을 포함하여 상대적으로 높게 평가된 조정결과가 왜곡된 것임을 확인할 수 있었다. 따라서 GNSS 망조정에 의한 기준점 성과 산정에 종속기선을 가급적 제외하는 것이 타당할 것으로 사료된다.
이들 결과는 예상한 바와 같이 종속기선의 포함이 조정망의 기하강도를 증가시키는 것으로 나타났다. 따라서 GNSS 망조정에서 종속기선의 포함은 자유도와 기하강도를 증가시켜 조정망의 상대정확도 표현에 왜곡을 유발하는 것을 확인할 수 있다.
GNSS 기선해석을 통해 구성한 3가지 관측망에 대하여 SUWN을 고정한 최소제약조정을 수행하고 그 결과를 관측데이터와 미지변수의 수, 자유도 및 사후분산으로 구분하여 Table 1에 요약하였다. 모든 종속기선을 포함하는 CASE 1과 독립기선으로만 이루어진 CASE 3를 비교할 때 관측데이터 수는 약 5배 그리고 자유도는 약 19배 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 자유도는 사후분산 계산에서 분모에 해당하므로 이 값이 큰 CASE 1이 3에 비해 약 0.
셋째, 국토지리정보원 고시좌표와 비교해 RMSE를 계산한 결과 독립기선망 조정결과가 높은 일치성을 보였으며, 종속기선 수가 증가할수록 그 차이가 커졌다. 이러한 결과로부터 종속기선을 포함하여 상대적으로 높게 평가된 조정결과가 왜곡된 것임을 확인할 수 있었다.
이들 결과는 종속기선의 포함으로 독립기선망(CASE 3)에 비해 약 5배 혹은 2배 많은 관측데이터를 포함한 GNSS 망조정을 수행하는 경우라도 산정성과 차이는 평균적으로 수 밀리미터 수준이며, 가장 큰 경우라 할지라도 센티미터 수준 이내임을 보여준다. 이러한 결과를 통해 관측망에 종속기선을 포함한 경우, 그것이 GNSS 망조정 성과에 미치는 영향은 제한적인 것을 알 수 있다.
첫째, GNSS 망조정에 종속기선을 포함하는 경우 자유도와 기하강도를 왜곡시키며, 종속기선의 수가 증가할수록 정확도는 높게 나타난다.
7에 오차타원 장축과 오차막대 크기를 나타내었다. 최소제약조정의 상대정확도와 유사하게 종속기선이 포함됨에 따라 산정성과의 절대정확도가 높게 평가되었으며, 이러한 결과는 앞서 언급한 바와 같이 자유도와 망의 기하강도 증가에 기인한 것이다

후속연구

끝으로 각과 거리측량에 익숙한 측량기술자들은 기선해석 망도에 나타난 종속기선을 독립관측 데이터로 오해할 우려가 있으며, 이들을 망조정에 포함하는 경우 본 연구에서 확인한 바와 같이 결과에 부정적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 무의미한 종속기선해석에 많은 시간과 비용을 필요로 한다. 따라서 향후 상용소프트웨어를 이용한 기준점 측량 시 종속기선 처리와 망조정 방법을 명시하도록 GNSS 기준점 측량 관련 규정의 개정이 필요할 것이다.
끝으로 각과 거리측량에 익숙한 측량기술자들은 기선해석 망도에 나타난 종속기선을 독립관측 데이터로 오해할 우려가 있으며, 이들을 망조정에 포함하는 경우 본 연구에서 확인한 바와 같이 결과에 부정적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 무의미한 종속기선해석에 많은 시간과 비용을 필요로 한다. 따라서 향후 상용소프트웨어를 이용한 기준점 측량 시 종속기선 처리와 망조정 방법을 명시하도록 GNSS 기준점 측량 관련 규정의 개정이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GNSS 정지측량 방식의 기준점 측량에서 기선해석은 무엇인가?	GNSS 정지측량 방식의 기준점 측량에서 기선해석은 인공위성의 전자파 신호로부터 취득한 반송파(carrier-phase)에 대한 차분(differencing)을 통해 기선장 종속오차를 보정하여 미지점의 3차원 좌표를 추정하는 수학적 절차이다. 이 절차는 GNSS 원시 관측데이터에 대한 수학적 모형화 방법에 따라 다중기선해석과 단일기선해석으로 구분할 수 있다[1, 9].
	GNSS 망조정의 제한점은 무엇인가?	이를 위해 국토지리정보원 운영 위성기준점 50 개소의 관측데이터를 이용하여 종속기선 포함여부에 따라 3가지 형태의 기준점 측량망 구성 및 조정실험을 수행하고, 그 결과를 정확도 표현과 산정성과의 차이 측면에서 분석 하였다. GNSS 망조정에 종속기선을 포함하는 경우 조정성과 차이는 밀리미터 수준으로 매우 제한적이었으나, 망의 자유도와 기하강도 왜곡으로 그 정확도가 과대평가되는 결과를 얻었다. 3가지 경우에 대한 조정성과를 국토지리정보원 고시좌표와 비교했으며, 그 결과 독립기선으로만 이루어진 망의 성과가 가장 높은 일치성을 보였다.
	GNSS 망조정의 문제점과 해결방안은 무엇인가?	끝으로 각과 거리측량에 익숙한 측량기술자들은 기선해석 망도에 나타난 종속기선을 독립관측 데이터로 오해할 우려가 있으며, 이들을 망조정에 포함하는 경우 본 연구에서 확인한 바와 같이 결과에 부정적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 무의미한 종속기선해석에 많은 시간과 비용을 필요로 한다. 따라서 향후 상용소프트웨어를 이용한 기준점 측량 시 종속기선 처리와 망조정 방법을 명시하도록 GNSS 기준점 측량 관련 규정의 개정이 필요할 것이다.

참고문헌 (11)

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E. Wei, K. Yang, X. Deng, Q. Zhang, On the method of selecting independent baselines for GPS control network, Proceedings of International Conference on Electronics, Communication and Control (ICECC), Ningbo, China, pp.2162-2165, 9-11 September, 2011. DOI: https://doi.org/10.1109/ICECC.2011.6066403
R. C. Wilkie. Trivial baselines as redundant measurements, Surveying and land Information Systems, vol. 55, no. 2, pp.99-108, 1995.
Y. J. Lee, G. H. Jeong, H. K. Lee, G. O. Kwon, J. H. Song, J. R. Cho, G. B. Nam, S. H. Cha, The 3nd GPS Network Adjustment for Determining of KGD2002 Coordinate Sets, Korean Journal of Geomatics, vol. 25, no. 5, pp. 437-449, October, 2007.
Y. J. Lee, H. K. Lee, G. H. Jeong, J. H. Lee, GPS Network Adjustment for Determining KGD2002 Coordinates of the 2nd Order Geodetic Control Points, Korean Journal of Geomatics, vol. 25, no. 5, pp. 451-463, October, 2007.
J. W. Kim, J. H. Kwon, J. S. Lee, The Analysis of the GPS Data Processing of the NGII CORS by Bernese and TGO, Korean Journal of Geomatics, vol. 26, no. 6, pp. 549-559, December, 2008.
K. H. Jeong, H. K. Lee, A Study on Continuous Management Strategy Published Coordinates of National Geodetic Points using GPS Network Adjustment, Korean Journal of Geomatics, vol. 29, no. 4, pp. 367-380, August, 2011. DOI: https://doi.org/10.7848/ksgpc.2011.29.4.367

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H. K. Lee, W. S. Seo, Impact of Mathematical Modeling Schemes into Accuracy Representation of GPS Control Surveying, Korean Journal of Geomatics, vol. 30, no. 5, pp. 445-568, October, 2012. DOI: https://doi.org/10.7848/ksgpc.2012.30.5.445

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A.Leick, L. Repoport, D. Tatarnikov, GPS satellite surveying, 4th Edition, pp. 656, John Wiley & Sons, Inc., 2015. DOI: https://doi.org/10.1002/9781119018612
R. W. Paul, D. G. Charles, Adjustment and computation: Spatial data analysis, 4th Edition, 611pp, John Wiley & Sons, Inc., 1997.
Microsearch (2001), Microsearch Geolab 2001 field manual, Microsearch, Canada, 197pp.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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