[논문]기선 거리에 따른 VRS와 FKP 방식의 Network RTK 사용자 성능 비교

임철순; 박병운

doi:10.12673/jant.2020.24.6.540

기선 거리에 따른 VRS와 FKP 방식의 Network RTK 사용자 성능 비교
Performance Comparison of VRS and FKP Network RTK User According to Baseline Length 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.24 no.6, 2020년, pp.540 - 548

임철순 (세종대학교 항공우주공학과) , 박병운 (세종대학교 항공우주공학과)

초록
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본 논문에서는 기선 거리에 따른 VRS (virtual reference station)와 FKP (flächen korrektur parameter) 방식의 Network RTK (real time kinematics) 사용자 성능을 비교 분석하였다. 이를 위해 현재 국토지리정보원에서 운영 중인 VRS 및 FKP 서비스를 통해 기선 거리 별 보정정보를 취득하여 상용 수신기에 적용한 후, RTK 수행 결과를 측정치 영역과 위치 영역에서 각각 분석하였다. VRS의 경우, 사용자가 기선 거리가 증가함에 따라 발생하는 공간이격 오차를 보상하지 못하므로 전반적인 RTK 성능이 저하되는 것을 확인하였다. 반면, FKP는 VRS와 달리 전리층 및 비전리층 오차의 구배를 이용하여 사용자와 기준국 간 측정치의 공간이격 오차를 보상하므로 기선 거리 약 130 km 수준까지는 기선 거리 증가하더라도 VRS에 비해 안정적인 RTK 성능을 보여주었지만, 150 km이상의 장기저선의 경우에는 FKP 보정정보의 성능 감소로 인해 미지정수 오결정 등의 문제가 발생하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the performances of virtual reference station (VRS) and flächen korrektur parameter (FKP) based Network real time kinematics (RTK) according to baseline length were compared and analyzed. We applied the VRS and FKP corrections for each baseline length obtained from National Geographic Information Institute Network RTK services to an FKP-supported commercial receiver and analyzed the RTK results in the range and position domains. In the case of VRS, RTK performance was degraded due to the spatial error, which increase in proportion of the baseline length. On the other hand, FKP compensates for spatial errors by using the gradients of dispersive and non-dispersive errors, so it showed stable RTK performance compared to VRS even if the baseline length increases up to 130 km. However, in the case of long baseline of 150 km or more, integer ambiguities were incorrectly fixed due to the decrease in the performance of the FKP corrections.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. VRS의 기본 개념 [6] Fig. 1. The concept of VRS [6].
그림 그림 2. FKP 보정정보 평면 [7] Fig. 2. FKP correction plane [7].
표 표 1. 기준국 별 좌표 및 기선 거리 Table 1. Geodetic coordinates and baseline length for reference stations.
그림 그림 3. 기준국과 사용자 간 기하학적 배치 Fig. 3. Geometry between reference stations and user.
그림 그림 4. 정적 실험 구성 [9] Fig. 4. Static test configurations [9].
그림 그림 5. 반송파 측정치 이중차분 잔차 시계열 (좌: 40 km, 우: 350 km) Fig. 5. Time history of double difference phase residuals (left: 40 km, right: 350 km).
그림 그림 6. 기선 거리에 따른 반송파 측정치 이중차분 잔차 통계치 Fig. 6. Statistics of double difference phase residuals according to baseline length.
그림 그림 7. 기선 거리에 따른 앙각 별 이중차분 잔차 RMS (좌: VRS, 우: FKP) Fig. 7. RMS of double difference phase residuals by elevation angle according to baseline length (left: VRS, right: FKP).
그림 그림 8. RTK 측위 오차 시계열 (좌: 기선 거리 40 km, 우: 기선 거리 350 km ) Fig. 8. Time history of RTK positioning errors (left: baseline length – 40 km, right: baseline length – 350 km).
그림 그림 9. 기선 거리에 따른 RTK 측위 오차 통계치 Fig. 9. Statistics of RTK positioning errors.

AI 본문요약
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문제 정의

N0002431). This research was a part of the project titled 'Development of Ground-based Centimeter-level Maritime Precise PNT Technologies', funded by the Ministry of Oceans and Fisheries, Korea. This research was supported by Unmanned Vehicles Core Technology Research and Development Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) and Unmanned Vehicle Advanced Research Center(UVARC) funded by the Ministry of Science and ICT, the Republic of Korea(No.
성능을 파악하는 것이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 기선 거리에 따른 Network RTK 성능을 분석함으로써 원거리 이동체에 대한 고정밀 측위 사용자 성능을 예측하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 현재 국토지리정보원에서 운영 중인 VRS 및 FKP 서비스를 통해 Network RTK 사용자로부터의 기선 거리별(약 40~350 km) Network RTK 보정정보를 취득하고, 이를 GNSS 상용 수신기에 적용함으로써 기선 거리에 따른 VRS와 FKP 방식의 Network RTK 사용자 성능을 비교 분석하였다.

제안 방법

이와 동시에 표 1의 기준국 좌표를 국토지리정보원 VRS 및 FKP NTRIP (networked transport for RTCM via internet protocol) [11] 서버에 업로드 한 후, 각 기준국 좌표를 기반으로 생성된 RTCM 포맷의 Network RTK 보정정보를 저장한다. 그다음, 실험 2에서는 실험 1을 통해 LabSat 3 Wideband에 저장된 RF 신호와 Network RTK 보정정보를 GNSS 수신기에 입력하여 RTK 측위를 수행한다.
기선 거리 별 반송파 측정치 이 중 차분 잔차 산출 시, VRS의경우에는 사용자와 기준국 간 고도 차이에 의한 대류층 오차 보상을 수행하였고, FKP의 경우에는 고도 차이에 의한 대류층오차 보상 외에 FKP 시스템에서 제공하는 면보정 파라미터, 즉 동서 및 남북 방향의 오차 평면 구배 값을 이용하여 FKP 보정치를 계산하여 반송파 측정치 이 중 차분 잔차를 보상하였다.
것 매우 중요하다. 따라서 본 논문에서는 그림 4와 같이 사용자 관측 데이터와 기선 거리별 Network RTK 보정 정보를 저장하기 위한 실험(실험 1)과 저장된 관측 데이터 및 Network RTK 보정정보를 GNSS 수신기에 재방사하는 실험(실험 2), 총 2단계로 구성된 실험 환경을 구축하였다. 먼저, 실험 1에서는 GNSS RF (radio frequency) 신호 저장 및 재생이 가능한 LabSat 3 Wideband [10] 장비를 이용하여 사용자 관측 데이터를 저장한다.
따라서 본 논문에서는 그림 4와 같이 사용자 관측 데이터와 기선 거리별 Network RTK 보정 정보를 저장하기 위한 실험(실험 1)과 저장된 관측 데이터 및 Network RTK 보정정보를 GNSS 수신기에 재방사하는 실험(실험 2), 총 2단계로 구성된 실험 환경을 구축하였다. 먼저, 실험 1에서는 GNSS RF (radio frequency) 신호 저장 및 재생이 가능한 LabSat 3 Wideband [10] 장비를 이용하여 사용자 관측 데이터를 저장한다. 이와 동시에 표 1의 기준국 좌표를 국토지리정보원 VRS 및 FKP NTRIP (networked transport for RTCM via internet protocol) [11] 서버에 업로드 한 후, 각 기준국 좌표를 기반으로 생성된 RTCM 포맷의 Network RTK 보정정보를 저장한다.
본 논문에서는 국토지리정보원의 VRS 및 FKP Network RTK 서비스를 이용하여 기선 거리에 따른 VRS와 FKP 방식의 Network RTK 사용자 성능을 비교 분석하였다. 그 결과, VRS는기선 거리에 비례하여 측정치 이중차분 잔차가 증가하는 반면에 FKP는 면보정 파라미터를 이용한 공간이격 오차 보상을 통해 기선 거리가 증가하더라도 이중차분 잔차 값이 VRS에 비해 상대적으로 작게 나타났다.
위치 영역에서의 RTK 측위 결과 분석에 앞서, 사용자 반송파 측정치와 각 기준국 위치를 기반으로 생성된 반송파 측 정치간 이 중 차분 잔차(double difference residuals)를 산출하고, 이를 바탕으로 VRS와 FKP 간 성능 비교 분석을 수행하였다.
따라서 본 논문에서는 기선 거리에 따른 Network RTK 성능을 분석함으로써 원거리 이동체에 대한 고정밀 측위 사용자 성능을 예측하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 현재 국토지리정보원에서 운영 중인 VRS 및 FKP 서비스를 통해 Network RTK 사용자로부터의 기선 거리별(약 40~350 km) Network RTK 보정정보를 취득하고, 이를 GNSS 상용 수신기에 적용함으로써 기선 거리에 따른 VRS와 FKP 방식의 Network RTK 사용자 성능을 비교 분석하였다.
안테나를 사용하였다. 재방사 실험은 총 20회 수행하였으며, 실험 과정에서는 매 10분마다 RTK 프로세스가 초기화되도록 수신기에 reset 명령(hot start)을 입력하였다.
저장된 GNSS RF 신호와 VRS, FKP 보정정보를 상용 수신기에 재방사하여 RTK 측위를 수행하고, 수신기에서 출력된 결과를 바탕으로 위치 영역에서의 기선 거리에 따른 Network RTK 사용자 성능 비교 분석을 수행하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 기선 거리에 따른 국토지리정보원 VRS 및 FKP 서비스의 성능을 비교 분석하기 위해 사용자는 세종대학교 충무관에 설치된 NovAtel FlexPak6 (FKP 지원) 수신기로 설정하였고, 국토지리정보원 상시관측소 중에서 사용자와의 기선 거리를 고려하여 강화(GANH), 양평(YANP), 원주(WNJU), 영월(YOWL), 울진(WULJ), 철원(CHLW), 괴산(GSAN), 군산 (KUSN), 영광(YONK), 진도(JIND), 총 10개소의 기준국을 선정하였다. 선정된 기준국과 사용자 간 기하학적 배치는 그림 3 과 같으며, 표 1은 기준국 좌표와 기선 거리를 정리한 것이다.
사용자로부터 위치 정보를 수신한 중앙 처리국은 해당 위치를 기반으로 가상의 기준국을 설정하고, 가상기준국에 대한 VRS 보정정보를 생성한 후, RTCM (radio technical commission for marine) [5] 메시지 형태로 사용자에게 제공한다. 사용자는 중앙 처리국 서버로부터 수신한 VRS 보정 정보를 수신기에 적용함으로써 cm 수준의 고정밀 위치 해를 산출할 수 있다.
정적 데이터 취득 실험은 2020년 8월 17일 12시부터 13시까지 약 1시간동안 진행하였으며, 사용자 관측 데이터 취득 및 RTK 측위 수행을 위해 NovAtel FlexPak6 수신기와 NovAtel GPS-703-GGG 안테나를 사용하였다. 재방사 실험은 총 20회 수행하였으며, 실험 과정에서는 매 10분마다 RTK 프로세스가 초기화되도록 수신기에 reset 명령(hot start)을 입력하였다.

데이터처리

총 20회의 재방사 실험을 통해 취득한 RTK 측위 결과를 바탕으로 수평 및 수직 오차의 통계치(mean, standard deviation, max, 95th percentile) 및 미지정수 결정율(ambiguity fixed rate) 을 산출하였다. 기선 거리 40 km와 350 km 경우에 대한 VRS 및 FKP 측위 오차의 시계열은 그림 8과 같다.

성능/효과

5 m 수준의 평균 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. FKP의 경우, 기선 거리 130 km까지는 위치 정확도와 미지정수 결정율이 VRS에 비해 상대적으로 안정적으로 유지되지만, 기선 거리 170 km 이상부터는 미지정수결정율이 약 60% 수준으로 대폭 감소하였고, 오차의 평균은 최대 약 0.2 m 수준으로 나타났다. 특히, 장기저선의 경우, FKP는 VRS에 비해 높은 수준의 미지정수 결정율을 보여주고 있음에도 불구하고, RTK 측위 오차의 평균이 수평 및 수직 방향으로 각각 약 0.
RTK 사용자 성능을 비교 분석하였다. 그 결과, VRS는기선 거리에 비례하여 측정치 이중차분 잔차가 증가하는 반면에 FKP는 면보정 파라미터를 이용한 공간이격 오차 보상을 통해 기선 거리가 증가하더라도 이중차분 잔차 값이 VRS에 비해 상대적으로 작게 나타났다. 하지만, 기선 거리가 100 km 이상인 경우에는 FKP 면보정 방식에 의한 공간이격 오차 보상 효과가 급격하게 감소함을 확인하였다.
기선 거리 100 km 이상부터는 VRS의 미지정수 결정율이 20% 이하로 대폭 감소하였으며, 측위 오차 또한 기선 거리에 비례하여 증가하여 최대 약 0.5 m 수준의 평균 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. FKP의 경우, 기선 거리 130 km까지는 위치 정확도와 미지정수 결정율이 VRS에 비해 상대적으로 안정적으로 유지되지만, 기선 거리 170 km 이상부터는 미지정수결정율이 약 60% 수준으로 대폭 감소하였고, 오차의 평균은 최대 약 0.
반면 FKP의 경우. 기선 거리 130 km까지는 VRS에 비해 상당히 안정적인 측위 정확도, 미지 정수 결정 성능을 나타내었지만, 기선 거리 170 km부터는 측 위 오차의 평균이 약 0.2 m, 미지정수 결정율은 60%로 대폭 감소함을 확인하였다.
본 논문에서 정의한 미지정수 결정율은실험 시간동안 수신기에서 출력된 해 중에서 미지정수가 정수영역에서 결정된 해, 즉 고정해(fixed solution)의 비율을 의미하며, 일반적으로 고정해는 cm 수준의 정확도를 갖는다. 기선 거리 40 km에서는 VRS와 FKP 모두 95% 이상의 높은 미지정수결정율을 보여주고 있지만, VRS는 기선 거리가 증가함에 따라 미지 정수 결정율이 감소하여 기선 거리 80 km에서 미지정수결정율이 약 60%로 기선거리 40 km 대비 2/3 수준이었다. 반면, FKP는 기선 거리 80 km에서 미지정수 결정율이 약 90%로 기선 거리가 증가하였음에도 불구하고, 미지정수 결정율의 감소 폭이 VRS에 비해 작은 것으로 나타났다.
반면, FKP는 기선 거리 80 km에서 미지정수 결정율이 약 90%로 기선 거리가 증가하였음에도 불구하고, 미지정수 결정율의 감소 폭이 VRS에 비해 작은 것으로 나타났다. 기선 거리 80 km의 결과를 보면, 평균 오차는 FKP가 VRS에 비해 다소 작았지만, 표준 편차는 FKP가 VRS에 비해 큰 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는, 국토지리정보원 FKP 기준국 수가 VRS에 비해 적고, FKP 면보정 파라미터가 GNSS 오차를 평면으로 가정하여 모델링 된 것이므로 FKP 보정정보가 VRS 보정정보보다 잡음 수준이 높은 것이 주요 원인인 것으로 판단된다.
하지만, 기선 거리가 길어질수록 동일한 위성에 대한 측정치 대기 오차의 공간적 비상관성이 증가하므로 측정치 간 이중차분을 통해 제거되지 않는 공간이격 오차가 발생하며, 그림 7의 VRS 결과에서 확인할 수 있듯이 그 영향은 고 앙각 위성보다 저앙각 위성에서 더 두드러진다. 또한, VRS 결과를 보면, 고앙각 위성의 경우, 기선 거리에 관계없이 이중차분잔차가 거의 유사하게 나타나지만, 위성 앙각이 낮아질수록 기선 거리에 비례하여 이중차분 잔차가 증가함을 확인할 수 있다. 반면, FKP의 경우, VRS와 달리 기준국 네트워크를 통해 추정된 오차 평면의 구배 정보를 이용하여 전리층 및 비전리층 오차에 대한 공간이격 오차를 보상하므로 저앙각 위성에 대하여 기선 거리가 증가하더라도 이중차분 잔차가 크게 증가하지 않음을 확인할 수 있다.
반면, FKP의 경우, VRS와 달리 면 보정 파라미터를 이용하여 공간이격 오차를 보상하므로 기선 거리가 증가하더라도 반송파 측정치 이 중 차분 잔차 값이 VRS 에 비해 상대적으로 작은 것을 확인할 수 있다. 또한, 기선 거리 약 100 km까지는 잔차의 95th percentile 값이 약 0.05 m 수준으로 유지되는 것으로 보아 FKP의 면보정 방식이 공간이격 오차에 완화에 효과적이지만, 기선 거리 100 km 이상인 경우에는 오차 보상 효과가 대폭 감소하는 것을 확인하였다.
하지만, 기선 거리가 100 km 이상인 경우에는 FKP 면보정 방식에 의한 공간이격 오차 보상 효과가 급격하게 감소함을 확인하였다. 또한, 위성 앙각 별 반송파측정치 이중차분 잔차의 RMS 값을 산출하여 분석한 결과, 사용자와 기준국 측정치 간 GNSS 오차 성분의 시공간 상관성이 작은 장기저선의 경우, FKP 보정정보가 저앙각 위성의 전리층 및 비전리층 오차에 대한 공간이격 오차를 효과적으로 보상함을 확인하였다. 마지막으로 정적 실험을 통해 취득한 사용자 관측 데이터와 Network RTK 보정정보를 상용 수신기에 재방사하여 RTK 사용자 성능을 분석한 결과, 측위 정확도 측면에서는 기선 거리 약 80 km까지 VRS와 FKP가 비슷한 성능을 보여주었지만, VRS의 미지정수 결정율은 기선 거리가 증가함에 따라 감소하여 기선 거리 100 km 이상부터는 20% 이하 수준의 미지 정수 결정 성능을 나타내었다.
또한, 위성 앙각 별 반송파측정치 이중차분 잔차의 RMS 값을 산출하여 분석한 결과, 사용자와 기준국 측정치 간 GNSS 오차 성분의 시공간 상관성이 작은 장기저선의 경우, FKP 보정정보가 저앙각 위성의 전리층 및 비전리층 오차에 대한 공간이격 오차를 효과적으로 보상함을 확인하였다. 마지막으로 정적 실험을 통해 취득한 사용자 관측 데이터와 Network RTK 보정정보를 상용 수신기에 재방사하여 RTK 사용자 성능을 분석한 결과, 측위 정확도 측면에서는 기선 거리 약 80 km까지 VRS와 FKP가 비슷한 성능을 보여주었지만, VRS의 미지정수 결정율은 기선 거리가 증가함에 따라 감소하여 기선 거리 100 km 이상부터는 20% 이하 수준의 미지 정수 결정 성능을 나타내었다. 반면 FKP의 경우.
기선 거리 40 km에서는 VRS와 FKP 모두 95% 이상의 높은 미지정수결정율을 보여주고 있지만, VRS는 기선 거리가 증가함에 따라 미지 정수 결정율이 감소하여 기선 거리 80 km에서 미지정수결정율이 약 60%로 기선거리 40 km 대비 2/3 수준이었다. 반면, FKP는 기선 거리 80 km에서 미지정수 결정율이 약 90%로 기선 거리가 증가하였음에도 불구하고, 미지정수 결정율의 감소 폭이 VRS에 비해 작은 것으로 나타났다. 기선 거리 80 km의 결과를 보면, 평균 오차는 FKP가 VRS에 비해 다소 작았지만, 표준 편차는 FKP가 VRS에 비해 큰 것을 확인할 수 있다.
또한, VRS 결과를 보면, 고앙각 위성의 경우, 기선 거리에 관계없이 이중차분잔차가 거의 유사하게 나타나지만, 위성 앙각이 낮아질수록 기선 거리에 비례하여 이중차분 잔차가 증가함을 확인할 수 있다. 반면, FKP의 경우, VRS와 달리 기준국 네트워크를 통해 추정된 오차 평면의 구배 정보를 이용하여 전리층 및 비전리층 오차에 대한 공간이격 오차를 보상하므로 저앙각 위성에 대하여 기선 거리가 증가하더라도 이중차분 잔차가 크게 증가하지 않음을 확인할 수 있다.
그 결과, VRS는기선 거리에 비례하여 측정치 이중차분 잔차가 증가하는 반면에 FKP는 면보정 파라미터를 이용한 공간이격 오차 보상을 통해 기선 거리가 증가하더라도 이중차분 잔차 값이 VRS에 비해 상대적으로 작게 나타났다. 하지만, 기선 거리가 100 km 이상인 경우에는 FKP 면보정 방식에 의한 공간이격 오차 보상 효과가 급격하게 감소함을 확인하였다. 또한, 위성 앙각 별 반송파측정치 이중차분 잔차의 RMS 값을 산출하여 분석한 결과, 사용자와 기준국 측정치 간 GNSS 오차 성분의 시공간 상관성이 작은 장기저선의 경우, FKP 보정정보가 저앙각 위성의 전리층 및 비전리층 오차에 대한 공간이격 오차를 효과적으로 보상함을 확인하였다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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