[논문]GNSS 안테나 위상중심변동에 레이돔이 미치는 영향

윤성현; 이흥규

doi:10.7848/ksgpc.2020.38.1.11

GNSS 안테나 위상중심변동에 레이돔이 미치는 영향
Influence of Radome Types on GNSS Antenna Phase Center Variation 원문보기

한국측량학회지 = Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, v.38 no.1, 2020년, pp.11 - 21

윤성현 (Department Eco-Friendly Offshore Plant FEED Engineering, Graduate School of Changwon National University) , 이흥규 (School of Civil, Environmental and Chemical Engineering, Changwon National University)

초록
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본 연구는 위성기준점 안테나 보호를 위해 설치한 레이돔이 GNSS (Global Navigation Satellite System) 안테나 위상중심변동과 정밀 기선해석으로 추정한 동적 좌표에 미치는 영향을 분석하였다. 국내 위성기준점에 설치된 Trimble과 Leica 계열 안테나를 대상으로 레이돔 미설치(NONE)를 포함해 SCIS, SCIT, TZGD에 대한 IGS(International GNSS Services) 변동모형으로부터 위성 신호 입사 방향에 따른 위상중심 변동 보정량을 계산해 그 차이를 비교하였다. 그 결과 NONE을 기준으로 레이돔을 적용한 변동 보정량 차이는 수평 방향에서는 1mm 내외로 제한적이었지만 높이 방향은 수 밀리미터에서부터 최대 7mm까지 나타났다. 비교 대상 레이돔 중 SCIT가 높이 방향 위상중심 변동에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 레이돔 미설치와 비교한 GPS (Global Positioning System) L1과 L2 신호의 보정량 차이 방향이 반대되는 특징을 보였다. 위성기준점 7개소 관측데이터의 기선해석에 각기 다른 레이돔 변동모형 적용으로 동적 좌표를 추정·비교한 결과 최근 위성기준점에 설치한 SCIS가 비교 대상 레이돔 중 가장 큰 영향인 평균 3.4mm 편의를 나타내었다. 반면, IGS 모형 비교에서 레이돔 미설치 대비 높이 방향에 가장 큰 보정량 차이를 나타낸 SCIT 모형은 타원체고 추정에 상대적으로 낮은 평균 1.4mm 편의 경향을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the impact of a GNSS (Global Navigation Satellite System) antenna radome on the PCV (Phase Center Variations) and the estimated kinematic coordinates. For the Trimble and Leica antennas, specially set up CORS (Continuously Operation Reference Stations) in Korea, the PCC (Phase Center Corrections) were calculated and compared for NONE, SCIS, SCIT, and TZGD radome from the PCV model published by the IGS (International GNSS Services). The results revealed that the PCC differences compared to the NONE were limited to about 1mm in the horizontal component while those of the vertical direction ranged from a few millimeters to a maximum of 7mm. Among the radomes of which PCV were compared, the SCIT had the most significant influence on the vertical component, and its GPS (Global Positioning System) L2 and L2 PCC (Phase Center Corrections) had opposite direction. As a result of comparing the kinematic coordinates estimated by the baseline processing of 7 CORSs with an application of the PCV models of the various radomes, the SCIS which was actually installed at CORS in Korea showed 3.4mm bias, the most substantial impact on the ellipsoidal height estimation whereas the SCIT model resulted in relatively small biases.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. The geometric relationship among ARP, IPC, PCO and PCV
그림 Fig. 2. The geometric relationship among ARP, IPC and PCV on the local level coordinate frame
그림 Fig. 3. Types of GNSS antennas installed on NGII CORS in December, 2019
그림 Fig. 4. 3 dimensional PCC diﬀerences of TRM59800.00 NONE and SCIT (GPS L1-frequency)
표 Table 1. The types of antennas and radomes equipped on NGII CORS in December, 2019
표 Table 2. Types of GNSS antennas and radomes to be compared in this study
그림 Fig. 5. Averages and standard deviations of Trimble antenna's PCC
그림 Fig. 6. 3 dimensional PCC diﬀerences of LEIAR25.R4 LEIT and SCIT (GPS L2-frequency)
표 Table 3. Statistical summary of 3 dimensional PCC diﬀerences of Trimble GNSS antenna (unit: mm)
그림 Fig. 7. Averages and standard deviations of Leica antenna's PCC
표 Table 4. Statistical summary of 3 dimensional PCC diﬀerences of Leica GNSS antenna (unit: mm)
그림 Fig. 8. An experimental GNSS network of baseline processing
그림 Fig. 9. A general procedure of GNSS baseline processing
그림 Fig. 10. Estimated coordinate differences of PUSN about TRM59800.00 antenna (i.e., TEGN) with NONE, SCIS, SCIT radome
표 Table 5. GNSS antennas and radomes considered in baseline processing
표 Table 6. Statistical summary of the coordinate differences estimated by applying the TRM59800.00 models with SCIS and NONE radome (unit: mm)
표 Table 7. Statistical summary of the coordinate difference estimated by applying the TRM59800.00 models with SCIT and NONE radome (unit: mm)
표 Table 8. Statistical summary of the coordinate difference estimated by applying the TRM59800.00 models with SCIT and SCIS radome (unit: mm)
그림 Fig. 11. Averages and standard deviations of the coordinate differences estimated by applying the TRM59800.00 models with NONE, SCIS, and SCIT radome
그림 Fig. 12. Averages and standard deviation of the coordinate differences estimated by applying the TRM55971.00 PCV models with TZGD and NONE radome
표 Table 9. Statistical summary of the coordinate difference estimated by applying the TRM55971.00 models with TZGD and NONE radome (unit: mm)

AI 본문요약
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문제 정의

IGS PCV 모형 자체를 비교해 적용하는 모형에 따라 높이 방향에서 수 밀리미터에서 센티미터 수준의 차이가 발생할 수 있음을 확인하였다. 이러한 차이는 GNSS 정밀 기선해석에서 타원체고 추정 정확도를 저하시키는 요인으로 작용할 수 있어 PCV 모형이 실제 정밀기선해석에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.

제안 방법

IGS PCV 모형으로부터 추출한 PCO와 PCV를 Eq. (1)에 적용해 위성 신호종류와 입사 방향에 따른 PCC 산출 후 동일 안테나의 각기 다른 레이돔 사이 차이를 계산하였다.
GNSS 정밀 측위에서 PCV 모형이 타원체고 추정에 미치는 영향 분석에 앞서 IGS PCV 모형 자체를 비교해 레이돔에 따른 PCC 차이를 고찰하였다. PCC 비교에 활용한 PCV 모형은 국토지리정보원 위성기준점 안테나 5종 중에서 최근 설치된 위성기준점 경주(GYJU)와 포항(POHG)의 안테나 HXCCGX601A를 제외한 4종과 이들에 대해 IGS에서 제공 하는 레이돔별 모형으로 Table 2에 나타낸 것과 같다.
PCV 모형이 동적 측위에 미치는 영향을 살펴보기 위해서는 높이 방향 고정밀 결과 산출이 필요했으며, 이에 따라 정적모드 처리로 대류권 지연 추정 후 동적모드에서 이를 적용한 초기좌표 구속 재처리를 통해 좌표를 추정하였다(Cho and Lee, 2016). 동적 좌표 추정에서는 TEGN과 CHWN을 각각 기지점으로 고려했 으며, Table 5와 같이 동일 안테나에 대해 각기 다른 레이돔의 PCV 모형을 적용해 미지점 좌표 6세트를 추정하고 그 차이를 계산하였다.
둘째, 레이돔 미설치(NONE)를 포함해 Trimble 계열 안테나의 3가지(SCIS, SCIT, TZGD) 그리고 Leica 계열에 대해 2가지(LEIT, SCIT) 레이돔을 대상으로 IGS PCV 모형으로부터 PCC를 계산·비교하였다.
따라서, 본 연구에서는 국토지리정보원 위성기준점 안테나 설치 현황을 조사한 후 레이돔이 GNSS 안테나 PCV에 미치는 영향 고찰을 위한 IGS 모형의 신호 방향별 PCC를 계산·비교했으며, 특히 위성기준점 대부분에 설치된 Trimble 계열 안테나를 운용하는 위성기준점을 대상으로 정밀기선해석을 수행해 추정 좌표 차이를 분석하였다.
특히, 국토지리정보원은 이에 대한 중요성을 인식하여 최근 Trimble 계열에 설치한 비캘리브레이션 레이돔을 캘리 브레이션한 것으로 대부분 교체했으며, 이에 따라 GNSS 높이 측량에서 위성기준점을 포함한 기선해석 시 실제 하드웨어에 부합하는 PCV 모형 적용이 중요해졌다. 본 연구에서는 국토 지리정보원 설치 레이돔이 GNSS 안테나 PCV에 미치는 영향을 파악하기 위해 IGS(International GNSS Services) PCV 모형을 이용해 위성신호 취득 방향에 대한 위상중심 변동 보정량(PCC: Phase Center Correction)을 계산해 그 차이를 비교 하였다. 이와 함께, 위성기준점 설치 레이돔을 반영하지 못한 PCV 모형 적용이 정밀기선해석의 타원체고 추정에 미치는 영향을 고찰하기 위해 동남권 지역 7개 위성기준점 관측데이터를 처리·분석하였다.
셋째, 기선해석에서 위성기준점에 실제 설치되지 않은 레이돔의 PCV 모형을 적용했을 때 추정 동적 좌표에 미치는 영향을 살펴보기 위해 동남권 지역에 있는 7개 위성기준점을 대상으로 관측데이터 처리 실험을 수행하였다. 레이돔을 반영한 PCV 모형 적용 여부에 따라 수평 방향 추정좌표에는 평균적으로 0.
이와 함께, 위성기준점 설치 레이돔을 반영하지 못한 PCV 모형 적용이 정밀기선해석의 타원체고 추정에 미치는 영향을 고찰하기 위해 동남권 지역 7개 위성기준점 관측데이터를 처리·분석하였다.
00이였다. 취득 데이터는 과학기술용 GNSS 자료처리 소프트웨어 Bernese를 활용해 Fig. 9에 나타낸 절차에 따라 처리하였으며, 이때 동일 안테나에 대해 레이돔 형식에 따른 PCV 모형을 각기 다르게 적용하였다. PCV 모형이 동적 측위에 미치는 영향을 살펴보기 위해서는 높이 방향 고정밀 결과 산출이 필요했으며, 이에 따라 정적모드 처리로 대류권 지연 추정 후 동적모드에서 이를 적용한 초기좌표 구속 재처리를 통해 좌표를 추정하였다(Cho and Lee, 2016).

대상 데이터

kr)로부터 이들의 2017년 9월 11 일 GPS 시간 기준 24시간 관측데이터(저장 간격 30초)를 RINEX(Receiver Independent Exchange Format) 형식으로 취득하였다. 대상 안테나는 Table 1과 같이 국토지리정보원 위성 기준점 대부분을 차지하는 Trimble 계열의 TRM59800.00 와 TRM55971.00이였다. 취득 데이터는 과학기술용 GNSS 자료처리 소프트웨어 Bernese를 활용해 Fig.
본 연구의 대상 기준점은 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 부산, 경남·북 일원에 위치한 국토지리정보원 5개소, 한국천문연구 원과 국립해양측위정보원 각각 1개소이며, GNSS 데이터 통합센터(http://gnssdata.or.kr)로부터 이들의 2017년 9월 11 일 GPS 시간 기준 24시간 관측데이터(저장 간격 30초)를 RINEX(Receiver Independent Exchange Format) 형식으로 취득하였다.

성능/효과

IGS PCV 모형 자체를 비교해 적용하는 모형에 따라 높이 방향에서 수 밀리미터에서 센티미터 수준의 차이가 발생할 수 있음을 확인하였다. 이러한 차이는 GNSS 정밀 기선해석에서 타원체고 추정 정확도를 저하시키는 요인으로 작용할 수 있어 PCV 모형이 실제 정밀기선해석에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
11은 평균과 표준편차를 오차막대로 도시한 것이다. PCV 모형에 따른 수평 방향 좌표 차는 평균적으로 0.5mm 이내로 무시 가능한 수준이나, 높이 방향에서는 1.3~3.4mm 범위에서 편의가 나타는 것을 확인할 수 있다. 레이돔을 설치하지 않은 안테나에 대해 부적합한 PCV 모형을 적용하거나 혹은 그 반대 상황에서 기선 해석을 수행한 경우에 해당하는 NONE과 SCIS 그리고 SCIT를 각각 적용해 추정한 타원체고를 비교할 때(Tables 6 and 7), SCIS가 PCV에 보다 큰 영향을 미치는 것을 볼 수 있다.
Leica 계열 안테나에서 LEIAR24.R4의 NONE-LEIT를 제외하고는 레이돔 형식에 따른 GPS L1과 L2의 높이 방향 PCC 차이의 부호가 서로 반대이며, 두 안테나에 관한 결과에서 동일한 레이돔(LEIT)를 적용하더라도 안테나에 따라 PCV에 미치는 영향은 미소하게 달라지는 경향을 보였다.
이는 해당 레이돔이 설치되어 있음에도 불구하고 기선해석에 반영하지 않을 때는 이 정도 수준의 오차가 높이 방향에 발생할 수 있음을 의미한다. SCIT는 IGS PCV 모형 PCC 비교에서 GPS L1 주파수 높이 성분에 가장 큰 영향을 미쳤으나, 실제 기선해석 결과에는 이보다 작은 차이를 나타내었다. 이는 해당 레이돔이 L1과 L2에 주파수에 대해 상이한 방향으로 PCV를 유발해 실제 기선해석에서 일부 상쇄된 효과에 기인하는 것으로 보인다.
표준편차 역시 높이 방향에서 크게 나타난 것을 확인할 수 있으며, GPS L1과 L2 반송파에 대한 통계량을 비교할때 전자의 표준편차가 크게 계산되어 해당 데이터가 레이돔에 상대적으로 큰 영향을 받는 것을 알 수 있다. TRM59800.00에 대한 결과 중 SCIS와 SCIT 비교에 비해 NONE과 이들을 비교할 때 높이 방향에서 상대적으로 큰 PCC 차이를 보여 레이돔을 설치한 위성기준점을 기선해석에 사용할 때 이를 반영한 PCV 모델 적용의 중요성을 인식할 수 있다. 이와 함께, 레이돔 NONE-SCIT와 SCIS-SCIT의 GPS L1과 L2의 높이 방향 PCC 차이 부호가 서로 상반됨에 주목할 필요가 있다.
IGS 모형 차이 분석에 의해 예상한 바와 같이 높이 방향에 큰 편의를 확인할 수 있다. 또한, SCIS와 SCIT 적용 결과 차이보다 SCIS와 NONE에 대한 것이 큰 것으로 나타났다. 하지만 SCIT와 NONE 모형을 적용한 추정좌표 차이는 IGS 모형 자체 비교 결과와 달리 SCIT와 SCIS 차이와 유사한 크기로 발생했으며, 이는 GPS L1과 L2 높이 성분 PCC 차이의 부호가 달라 그 영향이 일부 상쇄됨에 의한 것으로 보여진다(Table 3).
이는 실제 PCV 모형 비교에서와 다소 차이가 있는 것으로 SCIT의 L1과 L2 주파수 높이 방향 PCC 부호가 상이함에 따른 상쇄 효과로 보인다. 또한, 레이돔을 설치한 안테나에 대해 해당 레이돔을 반영하지 않은 PCV 모형 적용 상황(Table 8)을 고려한 SCIS와 SCIT에 의한 추정 타원체고 차이는 약 2mm 수준이었다.
4mm 범위에서 편의가 나타는 것을 확인할 수 있다. 레이돔을 설치하지 않은 안테나에 대해 부적합한 PCV 모형을 적용하거나 혹은 그 반대 상황에서 기선 해석을 수행한 경우에 해당하는 NONE과 SCIS 그리고 SCIT를 각각 적용해 추정한 타원체고를 비교할 때(Tables 6 and 7), SCIS가 PCV에 보다 큰 영향을 미치는 것을 볼 수 있다. 이는 실제 PCV 모형 비교에서와 다소 차이가 있는 것으로 SCIT의 L1과 L2 주파수 높이 방향 PCC 부호가 상이함에 따른 상쇄 효과로 보인다.
특히 4가지 레이돔 중 SCIT가 Trimble과 Leica 계열 안테나에서 PCV에 가장 큰 영향이 있으나, GPS L1과 L2를 비교할 때 높이 방향 PCC 차이의 부호가 서로 반대되는 경향을 보였다. 반면, 실제 위성기준 점에 설치한 레이돔인 SCIS와 LEIT는 SCIT와 TZGD에 비해 PCC 차이에 미치는 영향이 상대적으로 낮았으나, Trimble 계열 안테나에 대한 SCIS 포함 PCC 차이는 GPS L1과 L2의 높이 성분에 동일한 방향으로 나타났다.
7mm 달하였으며, 이는 정밀 타원체고 추정에서 정확도에 영향을 미칠 수 있는 수준이다. 앞서 비교한 결과와 같이 높이 방향 표준편차가 수평 방향에 비해 크게 계산되었고, L1 반송파에 대한 PCC 차이의 정밀도가 L2에 비해 낮게 계산되어 해당 관측데이터가 레이돔 타입에 상대적으로 민감한 것을 확인할수 있다. 특히, Trimble 계열 PCC 비교 결과와 달리 SCIT 모형을 PCC 차이 계산에 포함할 때 그 통계량이 비교적 매우 크게 계산되어, LEIAR25.
전체적으로 방위각에 비해 천정각 변화에 PCC 차이가 민감하게 변하는 경향을 보이며, 특히 천정각 30° 주변에서 그 차이가 가장 크다.
전체적으로 방위각에 비해 천정각 변화에 PCC 차이가 민감하게 변하는 경향을 보이며, 특히 천정각 30° 주변에서 그 차이가 가장 크다. 천정각이 커질수록 이에 대한 변화의 폭이 줄어드나 방위각 변화에 의한 영향이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 높은 천정각 즉, 낮은 고도각에서 취득되는 위성 신호가 다중경로, 대류권 지연 등에 상대적으로 큰 영향을 받기 때문으로 판단된다.
첫째, 2020년 1월 현재 국토지리정보원은 위성기준점에 Trimble, Leica, Harxon 계열 안테나를 각각 46, 14, 2개소에 설치·운영 중이다.
Lee and Park (2018)은 상용 및 과학기술용 소프트웨어를 활용해 GNSS 관측 시간과 기선장에 따른 타원체고 추정 정확도를 비교하였다.타원체고 정확도는 관측 시간이 짧고 기선장이 긴 조건에서 상용과 과학기술용 소프트웨어 각각 수십 cm, 수 cm 수준이었으나 8시간 관측자료를 처리해 전자는 2cm, 후자는 1cm 수준으로 향상 가능함을 보였다. Lee (2018)는 위성기준점 88개소에 의한 247개 기선을 구성하고 7일 분량의 데이터를 경험적 모형, 추정 등 대류권 지연 보정 방법별로 처리하여 GNSS 높이측량에서 관측점 사이 표고차와 기선장에 따라 적용할 수있는 대류권지연 보정 방안을 제안하였다.
R4 안테나에 SCIT를 적용할 때 평균적으로 최대 약 7mm까지 차이가 발생하였다. 특히 4가지 레이돔 중 SCIT가 Trimble과 Leica 계열 안테나에서 PCV에 가장 큰 영향이 있으나, GPS L1과 L2를 비교할 때 높이 방향 PCC 차이의 부호가 서로 반대되는 경향을 보였다. 반면, 실제 위성기준 점에 설치한 레이돔인 SCIS와 LEIT는 SCIT와 TZGD에 비해 PCC 차이에 미치는 영향이 상대적으로 낮았으나, Trimble 계열 안테나에 대한 SCIS 포함 PCC 차이는 GPS L1과 L2의 높이 성분에 동일한 방향으로 나타났다.
수평 방향 PCC 차이는 1mm 미만이지만 높이 방향에서 상대적으로 큰 차이를 보이며 때에 따라 5mm 수준에 달하였다. 표준편차 역시 높이 방향에서 크게 나타난 것을 확인할 수 있으며, GPS L1과 L2 반송파에 대한 통계량을 비교할때 전자의 표준편차가 크게 계산되어 해당 데이터가 레이돔에 상대적으로 큰 영향을 받는 것을 알 수 있다. TRM59800.

후속연구

이는 해당 레이돔이 L1과 L2에 주파수에 대해 상이한 방향으로 PCV를 유발해 실제 기선해석에서 일부 상쇄된 효과에 기인하는 것으로 보인다. 따라서, Leica 계열 안테나에 레이돔이 PCV 높이 성분에 미치는 영향이 Trimble의 그것과 비교할때 상대적으로 크나, L1과 L2 주파수에 대한 방향 차이로 인해 실제 기선해석에서는 제한적일 것으로 기대한다.
마지막으로 국토지리정보원에서는 PCV의 영향을 인식하고 위성기준점에 설치된 레이돔 교체를 추진하였으나, 이에 따른 성과 재계산과 고시는 이루어지지 않고 있다. 본 연구를 통해 PCV 모형 적용에 따라 높이 방향 좌표에 무시할 수 없는 수준의 편의 발생 가능성을 확인했으므로 이를 반영한 성과의 재산정과 향후 위성기준점을 포함한 GNSS 높이측량 기선해석에는 반드시 설치 레이돔을 반영한 PCV 모형을 적용해 타원 체고 추정 정확도를 최대로 확보할 필요가 있을 것이다.

참고문헌 (11)

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Seeber, G. (2003), Satellite Geodesy, Walter de Gruyter GmbH, Berlin.

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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