[국내논문]GPS 기선해석에 의한 타원체고 추정에서 대류권 오차 보정기법이 정확도에 미치는 영향에 관한 실험적 분석 Impact of Tropospheric Modeling Schemes into Accuracy of Estimated Ellipsoidal Heights by GPS Baseline Processing: Experimental Analysis and Results원문보기
본 논문에서는 GPS 높이측량의 정확도 제고 측면에서 대류권오차 보정방법이 기선해석을 통한 타원체고 추정 정확도와 정밀도에 미치는 영향을 실험적 방법에 의해 연구하였다. 이를 위해 국내 상시관측소 88점을 이용해 기선장과 표고차에 따라 247개 기선을 구성하고, GNSS 통합 데이터센터로부터 7일 분량의 관측 데이터를 취득한 후 2가지 기선해석 소프트웨어에 의해 Hopfield, 수정 Hopfield 그리고 Saastamoinen와 같은 경험식과 이중차분 및 정밀절대측위 대류권 오차 추정기법을 적용해 총 8,645개 실험기선을 처리하였다. 산정한 각 관측점 타원체고의 정확도와 정밀도를 오차 보정기법 따라 계산하고 기선장과 표고차와 같은 기선 구성 조건에 대해 분석하였다. 이를 통해 대류권오차 보정방식의 특징을 정확도와 정밀도 측면에서 고찰하고 GPS 높이측량의 기선해석에서 기선장과 표고차에 대해 적합한 대류권오차 모형화 기법선정을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
본 논문에서는 GPS 높이측량의 정확도 제고 측면에서 대류권오차 보정방법이 기선해석을 통한 타원체고 추정 정확도와 정밀도에 미치는 영향을 실험적 방법에 의해 연구하였다. 이를 위해 국내 상시관측소 88점을 이용해 기선장과 표고차에 따라 247개 기선을 구성하고, GNSS 통합 데이터센터로부터 7일 분량의 관측 데이터를 취득한 후 2가지 기선해석 소프트웨어에 의해 Hopfield, 수정 Hopfield 그리고 Saastamoinen와 같은 경험식과 이중차분 및 정밀절대측위 대류권 오차 추정기법을 적용해 총 8,645개 실험기선을 처리하였다. 산정한 각 관측점 타원체고의 정확도와 정밀도를 오차 보정기법 따라 계산하고 기선장과 표고차와 같은 기선 구성 조건에 대해 분석하였다. 이를 통해 대류권오차 보정방식의 특징을 정확도와 정밀도 측면에서 고찰하고 GPS 높이측량의 기선해석에서 기선장과 표고차에 대해 적합한 대류권오차 모형화 기법선정을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
Impact of tropospheric correction techniques on accuracy of the GPS (Global Positioning System) derived ellipsoidal heights has been experimentally assessed in this paper. To this end, 247 baselines were constructed from a total of 88 CORS (Continuously Operating Reference Stations) in Korea. The GP...
Impact of tropospheric correction techniques on accuracy of the GPS (Global Positioning System) derived ellipsoidal heights has been experimentally assessed in this paper. To this end, 247 baselines were constructed from a total of 88 CORS (Continuously Operating Reference Stations) in Korea. The GPS measurements for seven days, acquired from the so-called integrated GNSS (Global Navigation Satellite Systems) data center via internet connection, have been processed by two baseline processing software packages with an application of the empirical models, such as Hopfield, modified Hopfield and Saastamoinen, and the estimation techniques based on the DD (Double-Differenced) measurements and the PPP (Precise Point Positioning) technique; hence a total number of the baseline processed and tested was 8,645. Accuracy and precision of the estimated heights from the various correction schemes were analyzed about baseline lengths and height differences of the testing baselines. Details of these results are summarized with a view to hopefully providing an overall guideline of a suitable selection of the modeling scheme with respect to processing conditions, such as the baseline length and the height differences.
Impact of tropospheric correction techniques on accuracy of the GPS (Global Positioning System) derived ellipsoidal heights has been experimentally assessed in this paper. To this end, 247 baselines were constructed from a total of 88 CORS (Continuously Operating Reference Stations) in Korea. The GPS measurements for seven days, acquired from the so-called integrated GNSS (Global Navigation Satellite Systems) data center via internet connection, have been processed by two baseline processing software packages with an application of the empirical models, such as Hopfield, modified Hopfield and Saastamoinen, and the estimation techniques based on the DD (Double-Differenced) measurements and the PPP (Precise Point Positioning) technique; hence a total number of the baseline processed and tested was 8,645. Accuracy and precision of the estimated heights from the various correction schemes were analyzed about baseline lengths and height differences of the testing baselines. Details of these results are summarized with a view to hopefully providing an overall guideline of a suitable selection of the modeling scheme with respect to processing conditions, such as the baseline length and the height differences.
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문제 정의
본 논문에서는 GPS 높이측량의 기선해석에서 대류권 오차 보정방식이 타원체고 추정 정확도에 미치는 영향을 고찰하였다. 88개 상시관측소를 이용해 247개 실험기선을 구성한 후 GNSS 통합 데이터센터로부터 7일 동안 관측 데이터를 확보하여 총 8,645회 기선해석 및 정확도 분석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 논문은 GPS 높이측량의 기선해석에서 대류권 오차 보정기법이 타원체고 정확도와 정밀도에 미치는 영향을 분석하여 관측 조건에 부합하는 보정방식 선정에 필요한 기초자료 제공 하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 효율적으로 달성하기 위해 GPS 기선해석에서 대류권 오차와 정확도의 관계 그리고 보정방식을 이론적으로 고찰하고 실제 관측 데이터를 처리·분석 하였다.
7과 같이 오차막대 그래프로 도시하였다. 이는 관측점 사이 표고차가 기선해석의 대류권 오차 보정방식에 따라 잔존하는 타원체고 추정 오차에 미치는 영향을 고찰 하고자 함이었다. 전체적인 정확도는 표고차 증가에 따라 경험식을 적용한 결과가 대류권 오차를 추정한 것에 비해 낮아지는 경향을 보인다.
제안 방법
본 논문에서는 GPS 높이측량의 기선해석에서 대류권 오차 보정방식이 타원체고 추정 정확도에 미치는 영향을 고찰하였다. 88개 상시관측소를 이용해 247개 실험기선을 구성한 후 GNSS 통합 데이터센터로부터 7일 동안 관측 데이터를 확보하여 총 8,645회 기선해석 및 정확도 분석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이를 효율적으로 달성하기 위해 GPS 기선해석에서 대류권 오차와 정확도의 관계 그리고 보정방식을 이론적으로 고찰하고 실제 관측 데이터를 처리·분석 하였다. 본 연구의 실험에서는 국내에 위치한 88개 GPS 상시 관측소 위치에 기초해 구성한 247개 기선을 대상으로 7일 관측 데이터를 3가지 대류권 오차 경험식과 2가지 추정기법을 적용해 기선해석을 수행하고 그 결과를 정확도와 정밀도 측면에서 분석 하였다.
캐나다 NovAtel은 자사의 GNSS 고정밀 후처리 소프트웨어 GrafNet/Nav의 기선해석에 PPP 방식의 대류권 오차의 추정 기능을 통합 구현하였다(Waypoint, 2017). 이 기술은 PPP 엔진에 의해 기준국 대류권 오차를 추정한 후 미지점 관측 데이터에 적용해 기선을 처리한다.
그러나 일부 관측소의 좌표 혹은 안테나 설치 오프셋이 웹페이지에 누락되어 있으며, 고시좌표 또한 운영기관이 독립적으로 산정함으로 인해 정확도 평가를 위한 기준으로 사용하는데 무리가 있는 것으로 판단하였다. 이로 인해 본연구에서는 Javad社의 고정밀 GNSS 데이터 처리 소프트웨어 GIODIS 버전 2.2에 의해 7일 관측 데이터의 처리와 망조 정을 통해 실험 대상관측소 88점의 측지좌표를 재산정 하였다. GIODIS는 약 2,000km 기선장에 대해서도 센티미터 수준 정확도로 기선해석이 가능한 측지측량용 초고정밀 소프 트웨어임에 주목할 필요가 있다(Javad, 2011).
이를 효율적으로 달성하기 위해 GPS 기선해석에서 대류권 오차와 정확도의 관계 그리고 보정방식을 이론적으로 고찰하고 실제 관측 데이터를 처리·분석 하였다.
대상 데이터
GPS 기선해석의 타원체고 추정 정확도와 정밀도에 대류권 오차 보정기법의 영향에 대한 실험적 고찰을 위해 GNSS 통합데이터센터(http://gnssdata.or.kr)로 부터 상시관측소 88점의 2018년 1월 15일부터 21일 까지 총 7일 동안의 관측 데이터를 확보하였다. Table 1과 같이 관측소 사이 거리에 대해 10km 이내, 약 15km, 약 20km, 약 30km 등을 기준으로 13 가지 실험의 경우(case)로 구분하여 기준에 부합하는 모든 기선을 구성 하고자 했으며, 그 결과 총 247개가 되었다.
kr)로 부터 상시관측소 88점의 2018년 1월 15일부터 21일 까지 총 7일 동안의 관측 데이터를 확보하였다. Table 1과 같이 관측소 사이 거리에 대해 10km 이내, 약 15km, 약 20km, 약 30km 등을 기준으로 13 가지 실험의 경우(case)로 구분하여 기준에 부합하는 모든 기선을 구성 하고자 했으며, 그 결과 총 247개가 되었다. 엄밀한 분석을 위해 각실험 경우에 대해 동일 개수 기선을 포함하도록 하는 것이 바람직했으나, 위성기준점 분포 특성으로 인해 충분한 수의 단기선 구성에 어려움이 있었다.
여기서 경험식에 의한 대류권 오차 보정량 계산에는 소프트웨어 고유의 표준 기상요소가 적용되었음에 주목할 필요가 있다. 결과적으로 실험에서는 5가지 보정기법을 적용해 247개 실험기선의 7일관측 데이터를 사용해 총 8,645회 기선해석을 수행하였다. 이후 일별 추정한 7개 타원체고의 기준좌표에 대한 RMSE (Root Mean Square Error) 그리고 표준편차를 계산해 오차보정 방식에 따른 각 기선의 정확도와 정밀도를 결정하여 분석하였다.
기선해석은 타원체고 정확도 평가 자체보다 본 연구의 목적인 대류권 오차 보정기법이 정확도에 미치는 영향 분석 측면 에서 GNSS 통합데이터센터의 1일(24시간) 단위 데이터를 편집 없이 사용하였다. Leica LGO (Leica Geo Office) 버전 8.
데이터처리
결과적으로 실험에서는 5가지 보정기법을 적용해 247개 실험기선의 7일관측 데이터를 사용해 총 8,645회 기선해석을 수행하였다. 이후 일별 추정한 7개 타원체고의 기준좌표에 대한 RMSE (Root Mean Square Error) 그리고 표준편차를 계산해 오차보정 방식에 따른 각 기선의 정확도와 정밀도를 결정하여 분석하였다.
이론/모형
Leica LGO (Leica Geo Office) 버전 8.4와 Novatel GrafNet/Nav 버전 7.8을 실험 기선해석에 사용했으며, 전자는 Hopfiled(이하 HOP), 수정 Hopfield(이하 mHOP), Saastamoinen(이하 SAAS)을 포함하여 3가지 경험식과 이중차분 추정(이하 COMP) 방식을 그리고 후자는 정밀절대측위 기법에 의한 추정·보정(이하 PPP) 기법을 적용하였다.
성능/효과
HOP와 SAAS의 타원체고 추정 정확도의 경향이 매우 유사 하다는 것에 주목할 필요가 있으며, 이는 표준 기상요소에 대한 대류권 오차 보정 효과는 두식이 동일하다고 분석한 Wang and Li (2016)의 결과와 일치한다. mHOP의 정확도는 나머지 두 가지 모형식의 그것에 비해 상대적으로 낮아 국내에서도 경험식에 의한 대류권 오차 보정은 HOP 혹은 SAAS를 사용하는 것이 효과적임을 확인할 수있다. HOP와 SAAS와 비교해 살펴보면 COMP에 의한 정확도는 단기선에서의 약 6∼10cm 편의를 제외하면 평균적으로 높은 정확도로 타원체고를 결정할 수 있다는 것이 특징이다.
이와 같은 타원체고 편의는 표고차가 상대적으로 작은 기선에 대한 것으로 이후에 보다 자세히 논의할 것이다. 그림의 결과는 5가지 보정기법 중 COMP가 기선장 80km 이상일 때는 표고차와 무관하게 가장 정확히 타원체고를 산정했음을 보여준다. 한편 PPP는 기선장과 표고차 조건에 관계없이 약 2.
그러나 PPP 정밀도 평균은 기선장 100km 이상에서는 오히려 감소하였다. 그림의 모든 결과를 고려할 때 정밀도 측면에서는 COMP를 적용한 결과가 가장 우수할 뿐만 아니라 기선장에 민감하지 않음을 알 수 있다.
넷째, 기선장과 표고차가 각각 약 20km와 250m 이내인 경우는 HOP와 SAAS 경험식 그러나 동일한 기선장에 대해 표고차가 약 400m 이상일 때는 COMP를 적용에 의해 가장 우수한 타원체고 정확도를 확보할 수 있었다.
다섯째, 기선장 약 30∼70km에 해당하는 타원체고 추정에서는 COMP가 평균적으로 가장 높은 정확도를 보였으나, 상대적으로 표고차가 낮을 때 편의가 발생하였다.
둘째, 3가지 경험식에 의한 타원체고 추정 정확도와 정밀도를 비교한 결과 HOP와 SAAS는 동등한 수준이었으나, mHOP는 표고차와 기선장의 증가에 매우 민감하였다. 따라서 표준 기상요소를 적용한 경험식에 의한 대류권 오차의 보정은 HOP 혹은 SAAS를 적용하는 것이 타당함을 확인하였다.
둘째, 3가지 경험식에 의한 타원체고 추정 정확도와 정밀도를 비교한 결과 HOP와 SAAS는 동등한 수준이었으나, mHOP는 표고차와 기선장의 증가에 매우 민감하였다. 따라서 표준 기상요소를 적용한 경험식에 의한 대류권 오차의 보정은 HOP 혹은 SAAS를 적용하는 것이 타당함을 확인하였다.
마지막으로 본 연구는 GPS 기선해석을 통한 타원체고 산정에서 대류권 오차 보정기법의 영향을 분석하기 위해 24시간 관측 데이터를 처리한 결과이기 때문에 실제 확보 가능한 정확도와 정밀도는 관측 기간 및 망 구성 방법과 조정 방식에 따라 차이가 있을 수 있음을 밝힌다. 또한 상시관측소를 사용한 실험으로 인해 단기선에 대한 표본의 수가 충분하지 못하여 향후 추가 분석이 필요할 것이다
6로 표현하였다. 상대적 대류권 오차가 클 것으로 의심되는 기선의 제외로 전체적으로 정확도가 개선되었으며, 특히 경험식을 적용한 경우들에서 높은 정확도 증가율을 보였다. 이와 같은 결과는 관측점 사이 표고차가 GPS 기선해석의 잔존 대류권 오차(상대오차)와 매우 밀접한 관계가 있음을 보여주는 것이다.
셋째, 기선장과 표고차가 상대적으로 작은 경우에 대한 COMP의 적용은 빈번한 편의 발생으로 전체적으로 정확도가 저하되는 결과를 보였다. 한편 PPP 대류권 오차 추정 · 보정한 경우의 정밀도는 기선장과 표고차에 종속하는 경향을 보였으나, 그 정확도는 이들에 대한 종속성이 개선되어 가장 균질하였다.
여섯째, 기선장이 약 80km 이상인 기선해석에서는 모든 경우에서 COMP 방식으로 가장 정확한 타원체고 산정할 수 있었다.
이는 관측점 사이 표고차가 기선해석의 대류권 오차 보정방식에 따라 잔존하는 타원체고 추정 오차에 미치는 영향을 고찰 하고자 함이었다. 전체적인 정확도는 표고차 증가에 따라 경험식을 적용한 결과가 대류권 오차를 추정한 것에 비해 낮아지는 경향을 보인다. 이것은 표고차에 따라 상대 대류권 오차가 커짐에도 불구하고 경험식 자체의 불확실성으로 적절하게 보정하지 못하기 때문인 것으로 판단된다.
첫째, 타원체고 추정 정밀도는 정확도에 비해 높았으며, 이는 동일한 방법을 적용해 대류권 오차를 보정하는 경우 잔존 오차가 편의 형태로 나타나기 때문이다. 특히 이중차분으로부터 대류권 오차를 추정할 때 기선장이 상대적으로 짧고 표고차가 작은 경우 약 8cm 내외의 편의가 빈번하게 발생하였다.
5 and 6 그리고 Table 2에서 기선장 약 30∼70km 구간은 단기선에 비해 다소 복잡한 양상을 보인다. 표에서 RMSE 평균은 COMP가 가장 작은 값을 보이나, Fig. 5의 왼쪽 그래 프에 존재하는 편의로 인해 표준편차는 상대적으로 높은 값을 보이고 있다. 또한 경험식과 PPP를 비교할 때 평균은 전자가 다소 작은 값을 보이나 표준편차는 기선장에 따라 증가하여 후자와 다른 경향이 있다.
한편 PPP 대류권 오차 추정 · 보정한 경우의 정밀도는 기선장과 표고차에 종속하는 경향을 보였으나, 그 정확도는 이들에 대한 종속성이 개선되어 가장 균질하였다.
후속연구
마지막으로 본 연구는 GPS 기선해석을 통한 타원체고 산정에서 대류권 오차 보정기법의 영향을 분석하기 위해 24시간 관측 데이터를 처리한 결과이기 때문에 실제 확보 가능한 정확도와 정밀도는 관측 기간 및 망 구성 방법과 조정 방식에 따라 차이가 있을 수 있음을 밝힌다. 또한 상시관측소를 사용한 실험으로 인해 단기선에 대한 표본의 수가 충분하지 못하여 향후 추가 분석이 필요할 것이다
만약 GrafNet/Nav에서와 같이 PPP 엔진에 의해 대류권 오차를 추정·보정 할 수 있다고 한다면 이 기법을 적용 하는 것이 균질한 정확도의 타원체고 추정 방안이 될 수 있을 것이다.
다섯째, 기선장 약 30∼70km에 해당하는 타원체고 추정에서는 COMP가 평균적으로 가장 높은 정확도를 보였으나, 상대적으로 표고차가 낮을 때 편의가 발생하였다. 만약 사용 소프트웨어에 따라 PPP 방식에 의해 대류권 오차를 보정할 수 있다면 이 기법이 가장 균질한 정확도의 타원체고 추정 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
7(d)에 250m 이상으로 구분하였으나 실제 표본의 표고차가 모두 400m 이상인 점을 고려할 때 이때는 추정기법을 적용해야 할 것으로 사료된다. 본 연구의 실험기선 표본은 표고차 약 300m 내외에 해당하는 것을 포함하고 있지 못해 향후 이 구간에 대한 추가 분석이 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GPS (Global Positioning System) 높이측량이란 무엇인가?
GPS (Global Positioning System) 높이측량은 기선해석에 의해 추정한 관측 지점의 타원체고에 지오이드고를 차감하여 표고를 결정하는 간접수준측량이다. 레벨에 의한 직접수준측량과 비교할 때 GPS 높이측량의 특징은 관측점 시통이 불필요하기 때문에 신속한 관측이 가능함은 물론 거리에 따른 오차 증가율이 상대적으로 낮아 특히 장거리 관측에 유리하다는 것이다(Shin et al.
GPS 타원체고 추정 정확도가 수평성분에 비해 2~3배 낮은 이유는 무엇인가?
, 2015). 이것은 위성배치의 기하구조 특성으로 높이성분 기하강도가 상대적으로 낮으며, 관측오차 중 수신기 시계오차와 대류권 오차가 타원체고와 상관성이 높기 때문이다 (Rothacher, 2002). 전자는 의사위성 설치에 의해 높이성분 기하강도 개선을 통해 일부 해결 가능하나, 이 기술은 상대적으로 낮은 측위 정확도를 필요로 하는 항법 및 이동측위 응용분 야에 적합한 것으로 기준점측량에 적용하는 것은 현실성이 낮다(Lee et al.
레벨에 의한 직접수준측량과 비교할 때 GPS 높이측량의 특징은?
GPS (Global Positioning System) 높이측량은 기선해석에 의해 추정한 관측 지점의 타원체고에 지오이드고를 차감하여 표고를 결정하는 간접수준측량이다. 레벨에 의한 직접수준측량과 비교할 때 GPS 높이측량의 특징은 관측점 시통이 불필요하기 때문에 신속한 관측이 가능함은 물론 거리에 따른 오차 증가율이 상대적으로 낮아 특히 장거리 관측에 유리하다는 것이다(Shin et al., 2014).
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