[논문]C1P1 DCB를 추정하는 광역보강항법 시스템

부성춘; 소형민; 김갑진; 이철수; 김도경; 고요한

doi:10.12673/jant.2018.22.5.400

C1P1 DCB를 추정하는 광역보강항법 시스템
Wide Area Augmentation System Estimating C1P1 DCB 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.22 no.5 = no.92, 2018년, pp.400 - 408

부성춘 (LIG넥스원 통신) , 소형민 (국방과학연구소) , 김갑진 (국방과학연구소) , 이철수 (LIG넥스원 통신) , 김도경 (LIG넥스원 통신) , 고요한 (LIG넥스원 통신)

초록
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광역보강항법 시스템은 광역 지역에서 사용할 수 있는 보정 데이터(이온층 지연, 위성 및 시계 오차) 및 무결성 정보를 생성하여 전송하는 시스템으로 대표적으로 위성기반 보강항법 시스템인 SBAS가 있다. 미국에서는 WAAS라는 명칭으로 운용하고 있고 유럽에서는 EGNOS, 일본에서는 MSAS, 러시아는 SDCM, 인도는 GAGAN이라는 명칭으로 광역보강항법 시스템을 운용 하고 있다. 한국에서도 KASS명칭으로 2022년 목표로 개발을 진행하고 있다. SBAS 시스템은 국제민간항공기구 ICAO에서 국제 표준으로 정한 시스템으로 민간 서비스를 위해 운영된다. 따라서 보정 데이터도 민간 SPS 수신기용으로만 사용되고 있다. 본 논문에서는 SPS용 보정항법 시스템을 PPS 수신기에 사용하기 위해 필요한 C1P1 DCB 추정 방법에 대해 논의한다. 추정된 C1P1 DCB 결과를 바탕으로 단일 위성항법에서의 C1P1 DCB영향을 분석 후 SPS용 차분위성항법 시스템을 PPS 수신기에 적용한 결과를 분석하였다. 마지막으로 SPS용 광역보강항법 시스템을 PPS 수신기에 적용하여 결과를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wide area augmentation system is a system that generates and transmits correction and Integrity information for use in wide area. Typical system is SBAS. In the United States, it operates under the name WAAS, EGNOS in Europe, MSAS in Japan, SDCM in Russia, GAGAN in India. it is developing Korean SBAS which named KASS by 2022 in Korea. SBAS is a standard System that is operated as civil aviation service base and set as international standards by ICAO. So the correction data can only is used for civil SPS receiver. In this paper, we discuss C1P1 DCB estimation which need to use SPS correction service for PPS receiver. Then we analyze C1P1 DCB correction effect under standalone Satellite Navigation and method to use PPS receiver under SPS DGPS. Finally we organize wide area augmentation system for PPS receiver and analysis performance.

주제어

표/그림 (17)

그림 그림 1. GPS 위성에서 신호간 지연 Fig. 1. Equipment delay between signal in GPS satellite.
그림 그림 2. GPS 위성의 C1P1 DCB Fig. 2. C1P1 DCB in GPS satellite.
그림 그림 3. 2017년 1년간 전체 GPS 위성의 C1P1 DCB Fig. 3. C1P1 DCB in All GPS Satellite during 2017 year.
그림 그림 4. 추정된 C1P1 DCB 와 CDDIS의 C1P1 DCB Fig. 4. Estimated C1P1 DCB Vs. CDDIS C1P1 DCB.
그림 그림 5. 추정된 C1P1 DCB와 CDDIS C1P1 DCB 차이 Fig. 5. Difference between estimated C1P1 DCB and CDDIS C1P1 DCB.
그림 그림 6. 수평 오차(C1P1 DCB 보정 전) Fig. 6. Horizontal error(before C1P1 DCB correction).
그림 그림 7. 수평 오차(C1P1 DCB 보정 후 ) Fig. 7. Horizontal error(after C1P1 DCB correction).
그림 그림 8. 단일 위성항법 수평 오차(C1P1 DCB 보정 전) Fig. 8. Standalone horizontal error(before C1P1 DCB correction).
그림 그림 9. 단일 위성 항법 수평 오차(C1P1 DCB 보정 후) Fig. 9. Standalone horizontal error(after C1P1 DCB correction).
표 표 1. C1P1 DCB 보정 전/후 수평/수직 오차 시뮬레이션 Table 1. Horizontal & vertical error simulation on C1P1 DCB.
표 표 2. C1P1 DCB 보정 전/후 수평/수직 오차 Table. 2. Horizontal & vertical error on C1P1 DCB.
표 표 3. C1P1 DCB 적용 전 대비 적용 후 위치해 개선율 (차분위성항법) Table 3. Improvement rate after C1P1 DCB correction (DGPS).
그림 그림 11. GPS 관측기준국 모의기 소프트웨어 Fig. 11. GPS reference station simulation SW.
그림 그림 12. 중앙 처리국 모의기 소프트웨어 Fig. 12. Central processing simulation SW.
그림 그림 13. PPS 광역보강항법 시스템 모의기 구성 블럭도 Fig. 13. PPS wide area augmentation system simulation configuration block diagram.
그림 그림 10. C1P1 DCB 메시지 포맷 예시 Fig. 10. C1P1 DCB message format example.
표 표 4. C1P1 DCB 적용 전 대비 적용 후 위치해 개선율 (광역보강항법 시스템) Table 4. Improvement rate after C1P1 DCB correction (Wide area augmentation system).

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 SPS용 보정항법 시스템을 PPS 수신기에서 사용하기 위해서는 C1P1 DCB(differential code bias)에 대한 추가적인 정보가 필요하다. 본 논문에서는 PPS 수신기를 위한 고려해야 할 사항에 대해 논의 하고 시스템을 구성하여 성능을 분석하였다.
본 논문에서는 PPS 수신기에 광역보강항법 성능을 분석하기 위해 광역보강항법 시스템 모의 소프트웨어를 구성하였다. 광역보강항법 시스템 모의 소프트웨어는 그림 11와 그림 12와 같이 GPS 관측기준국 모의기 소프트웨어와 중앙 처리국 모의기 소프트웨어로 구성되어 있다.
본 논문에서는 SPS용 보정 항법 시스템(차분위성항법 시스템, 광역보강항법 시스템)을 PPS 수신기에 적용하기 위해 필요한 C1P1 DCB 추정 방법과 추정된 결과를 이용해 단일 위성 항법 및 보정 항법에서의 C1P1 DCB에 대한 영향을 분석하였다. 단일위성항법 같은 경우 C1P1 DCB의 오차성분 보다 다른 오차 성분(이온층, 대류층, 위성 및 시계 오차)이 더 크게 영향을 미치기때문에 보정을 해도 개선정도가 크지 않는 것을 확인하였다.

가설 설정

시뮬레이션을 위해 수신기 노이즈 오차를 0.6 m(1σ)로 가정하였다[9].

제안 방법

따라서 SPS용 광역보강항법 시스템에 적용하기 위해서는 추가 메시지를 구성해서 스케줄러를 통해 일정 주기 마다 전송해야 한다. C1P1 DCB의 경우 거의 변하지 않으므로 전송 주기가 늦어도 되지만 PPS 수신기가 광역보강정보를 이용해 정확한 위치를 보다 빨리 계산하기 위해서는 가장 주기가 긴 이온층 보정정보와 동일한 주기로 보내주도록 구성하였다. 이온층 정보가 모두 수신되기 전까지 광역보강정보를 이용해 위치해를 계산할 수 없기 때문이다.
SPS용 보정 데이터 시스템에서 C1P1 DCB를 보낼 수 있는지 차분위성항법 표준 포맷인 RTCM(radio technical commission for maritime services)을 살펴보았다.
SPS용 차분위성항법 시스템에서 생성된 보정 데이터를 PPS 수신기에 적용하는 경우에 대해 분석하였다. 차분위성항법 시스템에서는 기준국 수신기와 사용자 수신기간의 공통 오차 성분이 아닌 성분은 제거될 수 없으므로 C1P1 DCB 추정 때와는 다르게 C1 및 P1 의사거리를 각각 식 (9)과 식 (10)으로 모델링 하였다.
추정된 결과값은 NASA의 CDDIS (crustal dynamics data information system)에서 제공하는 위성 C1P1 DCB 값과 비교하여 결과를 분석한다. Ⅲ장 에서는 추정된 C1P1 DCB 결과를 바탕으로 L1 CA 단일 위성항법 (standalone satellite navigation) 위치해에 대한 영향을 분석하고 SPS용 차분위성항법 시스템에서 PPS 수신기 사용 시 C1P1 DCB의 영향을 분석한다. 마지막으로 SPS용 광역보강항법 시스템에 PPS 수신기를 사용하기 위한 시스템을 구성하고 성능을 분석한다.
Ⅱ장에서는 위성의 DCB에 대해 설명하였다. 또한 SPS용 차분위성항법 시스템이나 광역보강항법 시스템을 PPS 수신기에서 사용하기 위해 필요한 C1P1 DCB에 대해 추정한다. 추정된 결과값은 NASA의 CDDIS (crustal dynamics data information system)에서 제공하는 위성 C1P1 DCB 값과 비교하여 결과를 분석한다.
GPS 관측기준국 모의기 소프트웨어는 관측기준국의 RINEX(receiver independent exchange format) 파일을 입력 받아서 전처리 후 중앙 처리국으로 원시데이터를 전송 해주는 역할을 수행한다. 또한 중앙처리국에서 생성된 보정 데이터를 이용해 기준국 원시 데이터에 적용해 기준국에서의 보정 항법을 수행하고 결과를 도시하는 역할을 수행한다. 추가적으로 별도의 사용자 수신기의 RINEX를 입력받아 사용자 수신기에서의 보정 항법도 수행 가능하게 구현하였다.
Ⅲ장 에서는 추정된 C1P1 DCB 결과를 바탕으로 L1 CA 단일 위성항법 (standalone satellite navigation) 위치해에 대한 영향을 분석하고 SPS용 차분위성항법 시스템에서 PPS 수신기 사용 시 C1P1 DCB의 영향을 분석한다. 마지막으로 SPS용 광역보강항법 시스템에 PPS 수신기를 사용하기 위한 시스템을 구성하고 성능을 분석한다. Ⅳ장에서는 결론을 맺는다.
본 논문에서는 2장에서 추정된 C1P1 DCB를 중앙 처리국 모의기 소프트웨어에 장입하여 보강 메시지를 생성 후 관측기준국 모의기로 전송하고 관측기준국 모의기에서 PPS 측정값에 SPS용 보정 값과 C1P1 DCB를 모두 적용하여 24시간 동안의 광역보강항법 시스템의 성능을 분석하였다. 수평/수직오차 개선정도는 표4에 정리하였다.
본 장에서는 단일 위성항법에 C1P1 DCB를 적용한 결과를 분석하고 SPS용 보정항법 서비스(차분위성항법 시스템, 광역 보강항법 시스템)를 PPS 수신기에 적용하여 그 결과를 분석하였다.
실제 야외 신호 데이터를 수집후 C1P1 DCB를 계산해보았다. 2018년 4월 16일에 수집된 24시간 데이터를 이용하였고 결과 분석을 위해 NASA가 운용중인 CDDIS 사이트를 통해서 제공되는 해당 날짜의 DCB 값을 기준으로 비교 분석하였다.
실제 야외 신호 환경에서 미치는 영향을 알아보기 위해 C1P1 DCB를 L1 CA 측정값에 보정하여 위치해를 계산해 보았다. 그림 8과 그림 9는 노바텔 수신기를 통해 수집한 24시간 데이터를 이용해 위치해를 계산시 C1P1 DCB를 반영하지 않은 경우와 추정된 C1P1 DCB를 반영한 경우에 대한 수평 오차 결과이다.
전송 되는 메시지구조는 RTCA MOPS DO-229D 표준 포맷을 따르도록 구성하였다[11].
추정된 C1P1 DCB가 위치해에 어떻게 영향을 미치는지 확인하기 위해 의사거리의 수신기 노이즈 오차 성분을 제외한 모든 오차가 없다고 가정하고 위치해를 구한 결과와 C1P1 DCB 오차만 추가 하여 위치 오차를 구한 경우에 대해 24시간 동안의 위성배치에 따른 위치 오차를 도시하였다. 시뮬레이션을 위해 수신기 노이즈 오차를 0.

대상 데이터

GPS 수신기를 이용해 24시간동안 같은 안테나를 통해 수신된 SPS 수신기 데이터와 PPS 수신기 데이터를 수집하였다. SPS용 보정데이터를 PPS 측정값에 보정하여 위치해 계산 후 수평/수직 오차 개선 정도에 대해 표3에 정리하였다.
추가적으로 별도의 사용자 수신기의 RINEX를 입력받아 사용자 수신기에서의 보정 항법도 수행 가능하게 구현하였다. 본 논문에서는 관측기 준국 RINEX는 국토 지리원 5개소 데이터(강화, 진도, 제주, 부산, 저진)를 이용하였다. 사용자 수신기는 대전지역에 SPS/PPS 수신기는 설치하여 성능 검증을 위해 사용하였다.
본 논문에서는 관측기 준국 RINEX는 국토 지리원 5개소 데이터(강화, 진도, 제주, 부산, 저진)를 이용하였다. 사용자 수신기는 대전지역에 SPS/PPS 수신기는 설치하여 성능 검증을 위해 사용하였다.

데이터처리

실제 야외 신호 데이터를 수집후 C1P1 DCB를 계산해보았다. 2018년 4월 16일에 수집된 24시간 데이터를 이용하였고 결과 분석을 위해 NASA가 운용중인 CDDIS 사이트를 통해서 제공되는 해당 날짜의 DCB 값을 기준으로 비교 분석하였다. CDDIS에서는 GPS 위성의 각 신호간의 모든 DCB를 일 단위 및 일주일 단위로 계산하여 제공하고 있다.
또한 SPS용 차분위성항법 시스템이나 광역보강항법 시스템을 PPS 수신기에서 사용하기 위해 필요한 C1P1 DCB에 대해 추정한다. 추정된 결과값은 NASA의 CDDIS (crustal dynamics data information system)에서 제공하는 위성 C1P1 DCB 값과 비교하여 결과를 분석한다. Ⅲ장 에서는 추정된 C1P1 DCB 결과를 바탕으로 L1 CA 단일 위성항법 (standalone satellite navigation) 위치해에 대한 영향을 분석하고 SPS용 차분위성항법 시스템에서 PPS 수신기 사용 시 C1P1 DCB의 영향을 분석한다.

성능/효과

그림 3의 경우 2017년 1년간의 위성별 DCB 변화량을 도시하였다. 4번 위성을 제외하고 1년간 크게 변하지 않는 것을 확인하였다. 해당 년도에서 4번 위성은 2017년 122일부터 서비스 가용 상태가 아님을 확인하였다[4].
표 1에 C1P1 DCB 적용 전/후의 수평 오차와 수직 오차 결과 값을 정리하였다. C1P1 DCB 오차가 있는 경우 수평 오차 CEP(circular error probable) 0.5233 m, 수직오차 PE(probable error) 0.6101 m 정도이고 C1P1 DCB를 보정하였을 경우 수평 오차 CEP 0.4641 m, 수직 오차 PE 0.5620 m 개선되는 것을 확인할 수 있다. 비율로 보면 수평 11.
SPS용 보정데이터를 PPS 측정값에 보정하여 위치해 계산 후 수평/수직 오차 개선 정도에 대해 표3에 정리하였다. 결과에서 보듯이 C1P1 DCB를 보정안한 경우 대비 보정한 경우 수평/수직 오차는 각각 45.79%, 42.17% 개선되는 것을 확인하였다.
반면 SPS용 차분 위성 항법 시스템과 광역보강항법 시스템을 PPS 수신기에 적용 시 C1P1 DCB 보정하는 경우 상대적인 위치해 개선정도가 크게 발생하는 것을 확인하였다. 기저선 (기준국과 사용자 사이의 거리) 이 0인 경우의 차분 위성항법 시스템의 경우 오차가 다 제거되고 C1P1 DCB에 대한 오차와 수신기 노이즈만 반영이 되기 때문에 광역보강항법 시스템보다 상대적인 위치해 개선 정도가 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 또한 광역보강항법 시스템에서 C1P1 DCB의 전송을 위한 추가 메시지를 구성하여 전송함으로써 별도의 PPS용 보정 항법 시스템을 구성할 필요가 없음을 확인하였다.
기저선 (기준국과 사용자 사이의 거리) 이 0인 경우의 차분 위성항법 시스템의 경우 오차가 다 제거되고 C1P1 DCB에 대한 오차와 수신기 노이즈만 반영이 되기 때문에 광역보강항법 시스템보다 상대적인 위치해 개선 정도가 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 또한 광역보강항법 시스템에서 C1P1 DCB의 전송을 위한 추가 메시지를 구성하여 전송함으로써 별도의 PPS용 보정 항법 시스템을 구성할 필요가 없음을 확인하였다. 즉 SPS용 보강메시지는 그대로 전송하여 SPS 사용자가 사용하고, PPS 사용자의 경우 추가된 C1P1 DCB 메시지 수신을 통해 PPS 사용자도 SPS용 보강 항법 시스템을 활용할 수 있다.
단일위성항법 같은 경우 C1P1 DCB의 오차성분 보다 다른 오차 성분(이온층, 대류층, 위성 및 시계 오차)이 더 크게 영향을 미치기때문에 보정을 해도 개선정도가 크지 않는 것을 확인하였다. 반면 SPS용 차분 위성 항법 시스템과 광역보강항법 시스템을 PPS 수신기에 적용 시 C1P1 DCB 보정하는 경우 상대적인 위치해 개선정도가 크게 발생하는 것을 확인하였다. 기저선 (기준국과 사용자 사이의 거리) 이 0인 경우의 차분 위성항법 시스템의 경우 오차가 다 제거되고 C1P1 DCB에 대한 오차와 수신기 노이즈만 반영이 되기 때문에 광역보강항법 시스템보다 상대적인 위치해 개선 정도가 더 큰 것을 확인할 수 있었다.
앞에서 언급했듯이 단일 위성항법 결과보다 차분위성항법 시스템에서 C1P1 DCB 오차의 영향이 분명하게 나타나는 것을 확인하였다. 이는 다른 오차 성분이 제거됨에 따라 C1P1 DCB의 오차성분이 주된 오차 요인으로 작용하기 때문이다.
표 2에서 보듯이 모의시험 결과와 달리 실제 신호에서는 수평 오차의 경우 C1P1 DCB를 보정안한 결과 대비 보정한 결과는 약 7.58% 정도 개선되었고 수직 오차는 1.34% 열화되는 것을 확인하였다. 모의시험 결과와 다른 이유는 C1P1 DCB 오차 성분보다 다른 오차 성분에 의한 바이어스가 위치 오차에 더 영향을 주기 때문이다.
수평/수직오차 개선정도는 표4에 정리하였다. 표4에서 보듯이 C1P1 DCB를 보정 안한 경우 대비 보정한 경우 수평/수직 오차는 각각 35.20%, 27.43% 정도 개선되는 것을 확인하였다.

후속연구

즉 SPS용 보강메시지는 그대로 전송하여 SPS 사용자가 사용하고, PPS 사용자의 경우 추가된 C1P1 DCB 메시지 수신을 통해 PPS 사용자도 SPS용 보강 항법 시스템을 활용할 수 있다. 향후 SPS용 보정 항법 시스템에 PPS 수신기를 적용 시 본 연구 결과가 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광역보강항법 시스템이란?	광역보강항법 시스템은 광역 지역에서 사용할 수 있는 보정 데이터(이온층 지연, 위성 및 시계 오차) 및 무결성 정보를 생성하여 전송하는 시스템으로 대표적으로 위성기반 보강항법 시스템인 SBAS가 있다. 미국에서는 WAAS라는 명칭으로 운용하고 있고 유럽에서는 EGNOS, 일본에서는 MSAS, 러시아는 SDCM, 인도는 GAGAN이라는 명칭으로 광역보강항법 시스템을 운용 하고 있다.
	GPS 시스템이란?	GPS(global positioning system) 시스템은 GPS 항법위성에서 발신하는 전파 신호를 GPS 수신기가 수신하여 수신기의 위치 를 계산하는 시스템이다. GPS 시스템은 여러 가지 환경적인 오차 요소로 인해 위치 오차가 발생할 수가 있다.
	차분위성항법시스템의 단점은?	차분위성항법시스템은 위치를 정확히 알고 있는 지점인 기 준국에 항법 수신기를 설치 후 수신기를 통해 수신된 데이터를 이용하여 기준국에서의 각 위성별 의사거리 오차를 단일성분으로 계산하고 사용자에게 전송하는 시스템이다. 차분위성항법 시스템의 경우 시스템이 간단한 반면 기준국과 사용자 사이의 이격 거리가 증가하면 보정 정보의 상관성이 떨어져 보정 정보의 정확도가 떨어진다는 단점을 가지고 있다. 따라서 보정 정보 적용범위가 100km 이내로 제한된다.

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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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