[논문]Performance Analysis of BDSBAS and MSAS in Korea

Noh, Jae Hee; Lim, Deok Won; Lee, Ju Hyun; Jo, Gwang Hee; Lee, Sang Jeong

doi:10.11003/jpnt.2020.9.3.249

Performance Analysis of BDSBAS and MSAS in Korea 원문보기

Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.9 no.3, 2020년, pp.249 - 259

Noh, Jae Hee (Department of Electronics Engineering, Chungnam National University) , Lim, Deok Won (Satellite Navigation Team, Korea Aerospace Research Institute) , Lee, Ju Hyun (Navcours Co., Ltd.) , Jo, Gwang Hee (Department of Electronics Engineering, Chungnam National University) , Lee, Sang Jeong (Department of Electronics Engineering, Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

China has deployed BDS along with the service of SBAS by 2020. Currently, the correction information for testing BDSBAS is provided through the BDS B1I signal. Many research on SBAS other than BDSBAS has been conducted in Korea. However, studies on BDSBAS are insufficient although Korea is included in both the coverage area of MSAS and BDSBAS. Therefore, it is necessary to continuously analyze the performance of MSAS and BDSBAS. In this paper, the performance of MSAS and BDSBAS in Korea, China, and Japan is analyzed in the aspect of positioning accuracy using the GNSS RINEX data provided by IGS. A Software platform is designed to analyze the performance of GPS-only, BDS-only, GPS/MSAS and BDS/BDSBAS. From the result, it can be concluded that the accuracy enhancement can be hardly seen when using the correction information of MSAS and BDSBAS in Korea

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. The coverage area of MSAS and BDSBAS.
표 Table 1. SBAS message types.
그림 Fig. 2. Positioning procedure using MSAS correction information.
그림 Fig. 3. Positioning procedure using BDSBAS correction information.
그림 Fig. 4. The IGP of BDSBAS.
그림 Fig. 5. The position of the IGS station.
그림 Fig. 6. The structure of collecting data.
그림 Fig. 7. Block diagram of the test platform.
표 Table 2. The accuracy of the pseudorange at DAEJ00KOR and STK200JPN - GPS, GPS/MSAS.
그림 Fig. 8. MSAS correction data for PRN 14 (DAEJ00KOR).
그림 Fig. 9. MSAS correction data for PRN 14 (STK200JPN).
표 Table 3. Results of the positioning for 24 hours at DAEJ00KOR and STK200JPN.
표 Table 4. Performance requirements in ICAO SARPs.
그림 Fig. 10. The accuracy of the positioning (DAEJ00KOR) – GPS only, GPS/MSAS.
그림 Fig. 11. The accuracy of the positioning (STK200JPN) – GPS only, GPS/MSAS.
그림 Fig. 12. BDSBAS correction data for PRN 3 (DAEJ00KOR)
그림 Fig. 13. BDSBAS correction data for PRN 3 (JFNG00CHN)
표 Table 5. The accuracy of the pseudorange at DAEJ00KOR and JFNG00CHN - BDS, BDS/BDSBAS.
표 Table 6. Results of the positioning for 24 hours at DAEJ00KOR and JFNG00CHN.
그림 Fig. 14. The accuracy of the positioning (DAEJ00KOR) – BDS only, BDS/BDSBAS.
그림 Fig. 15. The accuracy of the positioning (JFNG00CHN) – BDS only, BDS/BDSBAS.

AI 본문요약
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문제 정의

중국의 BDSBAS는 2012년부터 BDSBAS의 개발, 시험 및 검증을 위해 B1I 신호에 대한 보정 정보를 GEO 위성을 통해 송출 중이다. BDSBAS는 총 3 기의 GEO 위성을 이용하여 BDS B1C, BDS B2a 신호와 타 위성항법시스템에 대한 보정 정보를 제공하고, 일본의 MSAS보다 높은 수준의 CAT-1 급 서비스를 제공하는 것을 목표로 구축 중이다. 2020년에 공개서비스를 제공하는 것을 목표로 하며, 2030년부터는 CAT-1급의 BDSBAS 서비스를 제공할 계획이다 (Li 2019).
그러나, 2020년에 MTSAT-2 위성의 수명마저 종료되기 때문에 2020년 이후에는 QZSS의 GEO 위성을 이용하여 보정 정보를 제공할 계획이다 (Tashiro 2016). 또한, 기준국을 확장하고 전리층 모델 관련 알고리즘을 개선하여 현재보다 한단계 높은 APV-1급 서비스를 제공하는 것을 목표로 하고 있다. MSAS에서 제공하고 있는 메시지 타입별 보정정보 내용은 Table 1에 정리하였다 (RTCA 2006).
본 논문에서는 GPS 단독 항법과 GPS/MSAS 통합 항법의 위치 추정 성능 분석에 앞서 의사거리 정확도를 분석했다. 보강시스템에서 제공해주는 보정 정보는 대부분 의사거리를 보정하기 위한 정보이기 때문에 보정 전/후에 대한 의사거리 정확도를 통해 보정 정보의 성능을 분석할 수 있다.
본 논문에서는 한국 내에서 MSAS와 BDSBAS 보정 정보 활용 시에 의사거리 및 위치 정확도 성능 분석을 수행했다. 중국, 한국, 일본 내에서의 정확도를 비교를 위해 위성의 방송 궤도력 정보 및 의사거리 정보는 각 국의 International GNSS Service (IGS) 사이트에서 제공하는 데이터를 활용했다.

제안 방법

BDS 단독 항법과 BDS/BDSBAS 통합 항법 위치 추정 성능 분석에 앞서 의사거리 정확도를 분석하였다. 의사거리 정확도 분석을 위해 앞서 언급한 GFZ에서 제공하는 SP3 형식의 정밀 궤도 정보, Clock RINEX 형식의 IGS 사이트 클럭 바이어스 정보, 각 사이트의 위치 좌표를 이용하여 실제 의사거리를 계산했고, 이 거리를 기준으로 DAEJ00KOR과 JFNG00CHN에서 BDSBAS 보정 정보 적용 전과 후에 대한 의사거리 정확도를 분석했다.
BDSBAS 보정 정보는 공개서비스가 제공되지 않은 상황이기 때문에 USRP N210과 LabView를 이용해 RF Front-end를 구성하여 BDS B1I 신호를 수집하고, 수집한 신호로부터 BDSBAS 보정 정보를 추출하여 사용하였다. MSAS 데이터는 일본의 Electronic Navigation Research Institute (ENRI)에서 제공하는 것을 사용했다.
3은 BDSBAS로부터 제공받은 보정 정보를 이용하여 위치를 추정하는 과정을 나타낸다. BDSBAS에서 제공하는 Equivalent Clock correction과 Ionospheric correction을 이용하여 의사거리를 보정하고, 보정된 의사거리를 이용하여 수신기의 위치를 추정한다.
중국, 한국, 일본 내에서의 정확도를 비교를 위해 위성의 방송 궤도력 정보 및 의사거리 정보는 각 국의 International GNSS Service (IGS) 사이트에서 제공하는 데이터를 활용했다. MSAS 보정 정보와 BDSBAS 보정 정보 정확도 분석을 위해 GPS 단독, BDS 단독, GPS/MSAS 통합, BDS/BDSBAS 통합 항법의 의사거리 및 위치 정확도를 비교하였다. 본 논문은 2장에서 MSAS와 BDSBAS의 보정 정보 및 보정 절차를 서술하고, 3장에서 IGS 데이터를 활용하여 의사거리 및 위치 정확도를 분석하고, 4장에서 논문의 결론을 제시하였다.
2에 정리하였다. MSAS에서 제공하는 Long-term correction을 이용하여 위성 위치 및 시각을 보정하고, Fast correction과 Ionospheric correction을 이용하여 의사거리를 보정한다. 보정된 위성 위치와 의사거리를 이용하여 사용자의 위치를 추정한다.
그리고 한국 내에서 MSAS와 BDSBAS의 성능 분석을 위해 GPS 단독, BDS 단독, GPS/MSAS 통합, BDS/BDSBAS통합 항법에 대한 의사거리 및 위치 정확도를 분석하기 위한 플랫폼을 설계하였다. Fig.
본 논문에서는 IGS 사이트에서 제공하는 GNSS 데이터와 MSAS, BDSBAS 보정 정보를 활용하여 한국, 중국, 일본 내에서의 의사거리 및 위치 정확도를 비교 및 분석하였다. 실험을 통해 BDSBAS는 현재 ICAO 표준을 기반으로 하는 보강시스템의 형태를 갖추고 있지 않기 때문에 한국과 중국에서 모두 위치 정확도 개선에 큰 효과가 없다는 것을 확인했다.
125 m 간격으로 표현되며, Grid Ionospheric Vertical Error (GIVE)는 0부터 14까지 15 단계로 나누어 제공된다. 사용자는 전리층 통과점 주변의 격자점을 찾고, 그 격자점들이 유효한 값을 갖는지 GIVE를 통해 확인한다. 유효한 격자점이 3개 이상이면 주변의 유효한 격자점을 이용하여 사용자 의사거리 보정 값 및 무결성 정보 계산을 수행한다 (RTCA 2006).
의사거리 정확도 분석에 이어 BDSBAS 보정 정보를 활용했을 때의 한국과 중국 내에서 위치 추정 정확도를 분석을 위해 DAEJ00KOR과 JFNG00CHN에서의 BDS 단독 항법의 위치 추정 정확도와 BDS/BDSBAS 통합 항법의 위치 추정 정확도를 비교 및 분석하였다. Figs.
의사거리 정확도 분석에 이어 MSAS 보정 정보를 활용했을 때의 한국과 일본 내에서 위치 추정 정확도를 분석을 위해 DAEJ00KOR과 STK200JPN 에서의 GPS 단독 항법의 위치 추정 정확도와 GPS/MSAS 통합 항법의 위치 추정 정확도를 비교 및 분석하였다. Figs.
보강시스템에서 제공해주는 보정 정보는 대부분 의사거리를 보정하기 위한 정보이기 때문에 보정 전/후에 대한 의사거리 정확도를 통해 보정 정보의 성능을 분석할 수 있다. 의사거리 정확도 분석을 위해 GPS, BDS 위성의 정밀 궤도 정보를 제공하고 있는 기관인 GeoForschungsZentrum (GFZ)에서 SP3 형식으로 제공하는 정밀 궤도 정보와 Clock RINEX 형식(*.CLK)으로 제공하는 각 사이트의 수신기 클럭 바이어스 정보, IGS 사이트의 위치 좌표를 이용하여 실제 의사거리를 계산했다. 이 거리를 기준으로 DAEJ00KOR과 STK200JPN에서 MSAS 보정 정보 적용 전과 후에 대한 의사거리 정확도를 분석하였다.
BDS 단독 항법과 BDS/BDSBAS 통합 항법 위치 추정 성능 분석에 앞서 의사거리 정확도를 분석하였다. 의사거리 정확도 분석을 위해 앞서 언급한 GFZ에서 제공하는 SP3 형식의 정밀 궤도 정보, Clock RINEX 형식의 IGS 사이트 클럭 바이어스 정보, 각 사이트의 위치 좌표를 이용하여 실제 의사거리를 계산했고, 이 거리를 기준으로 DAEJ00KOR과 JFNG00CHN에서 BDSBAS 보정 정보 적용 전과 후에 대한 의사거리 정확도를 분석했다. BDSBAS는 아직 공개 서비스를 시작하지 않았기 때문에 활용 가능한 보정 정보가 MSAS와 조금 다르다.
CLK)으로 제공하는 각 사이트의 수신기 클럭 바이어스 정보, IGS 사이트의 위치 좌표를 이용하여 실제 의사거리를 계산했다. 이 거리를 기준으로 DAEJ00KOR과 STK200JPN에서 MSAS 보정 정보 적용 전과 후에 대한 의사거리 정확도를 분석하였다. 식 (1)은 GPS 신호의 의사거리 측정치를 나타낸다.

대상 데이터

BDSBAS 보정 정보는 공개서비스가 제공되지 않은 상황이기 때문에 USRP N210과 LabView를 이용해 RF Front-end를 구성하여 BDS B1I 신호를 수집하고, 수집한 신호로부터 BDSBAS 보정 정보를 추출하여 사용하였다. MSAS 데이터는 일본의 Electronic Navigation Research Institute (ENRI)에서 제공하는 것을 사용했다. Fig.
본 논문에서는 한국, 중국, 일본에서의 MSAS 및 BDSBAS 보정 정보 성능 분석을 위해 IGS에서 제공하는 GNSS 신호 데이터, 위성의 방송 궤도력 데이터 및 위성의 정밀 궤도 정보를 활용했다. NASA에서 개발한 Crustal Dynamics Data Information System (CDDIS)의 FTP 서버 (ftp://cddis.nasa.gov/gnss/data/daily/)를 통해 전세계의 IGS 사이트에서 관측한 30초 간격의 24시간 GNSS 신호 데이터를 제공받을 수 있다. 논문에서 사용한 GNSS 신호 데이터는 한국의 대전(DAEJ00OR), 중국의 우한(JFNG00CHN), 일본의 훗카이도(STK200JPN) 내에 설치된 IGS 사이트에서 UTC 기준 2019년 10월 8일 오전 1시부터 2019년 10월 9일 오전 1시까지 수신된 신호이다.
gov/gnss/data/daily/)를 통해 전세계의 IGS 사이트에서 관측한 30초 간격의 24시간 GNSS 신호 데이터를 제공받을 수 있다. 논문에서 사용한 GNSS 신호 데이터는 한국의 대전(DAEJ00OR), 중국의 우한(JFNG00CHN), 일본의 훗카이도(STK200JPN) 내에 설치된 IGS 사이트에서 UTC 기준 2019년 10월 8일 오전 1시부터 2019년 10월 9일 오전 1시까지 수신된 신호이다. 각 사이트의 위치는 Fig.
본 논문에서는 한국, 중국, 일본에서의 MSAS 및 BDSBAS 보정 정보 성능 분석을 위해 IGS에서 제공하는 GNSS 신호 데이터, 위성의 방송 궤도력 데이터 및 위성의 정밀 궤도 정보를 활용했다. NASA에서 개발한 Crustal Dynamics Data Information System (CDDIS)의 FTP 서버 (ftp://cddis.
125m의 분해능을 가진다. 사용자는 제공받은 PRC와 PRC의 변화율 정보인 Range-Rate Correction (RRC)를 이용하여 의사거리를 보정한다 (RTCA 2006).
BDS B1I의 ICD에서는 BDSBAS 보정 정보를 “Augmentation Service Information”으로 언급하고 있다. 제공하는 보정 정보는 중국 상공에 대한 전리층 수직 지연 오차 및 무결성 정보, 의사거리 보정 정보 무결성 정보이다 (BeiDou ICD 2016). Fig.
본 논문에서는 한국 내에서 MSAS와 BDSBAS 보정 정보 활용 시에 의사거리 및 위치 정확도 성능 분석을 수행했다. 중국, 한국, 일본 내에서의 정확도를 비교를 위해 위성의 방송 궤도력 정보 및 의사거리 정보는 각 국의 International GNSS Service (IGS) 사이트에서 제공하는 데이터를 활용했다. MSAS 보정 정보와 BDSBAS 보정 정보 정확도 분석을 위해 GPS 단독, BDS 단독, GPS/MSAS 통합, BDS/BDSBAS 통합 항법의 의사거리 및 위치 정확도를 비교하였다.
2020년에 공개서비스를 제공하는 것을 목표로 하며, 2030년부터는 CAT-1급의 BDSBAS 서비스를 제공할 계획이다 (Li 2019). 현재 시험용으로 제공되고 있는 BDSBAS 보정 정보는 BDS B1I 신호의 D2 항법메시지를 통해 제공된다. BDS B1I의 ICD에서는 BDSBAS 보정 정보를 “Augmentation Service Information”으로 언급하고 있다.

데이터처리

플랫폼 내에서 기본적으로 사용자 위치를 추정할 때 Least Square Estimation (LSE)을 이용한다. 하지만, GPS/MSAS 통합 항법 모드를 사용할 때는 MSAS에서 제공하는 정보를 이용해 가중치를 계산하여 Weighted Least Square Estimation (WLSE)을 이용한다. 현재 활용 가능한 BDSBAS의 경우 ICD 내에 가중치를 계산하는 방법이 언급이 되어 있지 않기 때문에 LSE를 이용하여 사용자 위치를 추정하도록 설계했다.

이론/모형

Table 5는 DAEJ00KOR과 JFNG00CHN에서 BDSBAS 보정 정보 적용 전과 후에 대한 24시간동안의 PRN 별 의사거리 RMS 오차를 보여준다. BDSBAS 보정 정보 적용을 하지 않은 BDS 단독 항법에서는 전리층 보정을 Klobuchar 모델을 이용하였고 대류층 오차는 BDS 단독, BDS/BDSBAS 통합 항법에서 모두 Saastamoinen 모델을 이용하였다.
Table 2에 DAEJ00KOR과 STK200JPN에서 MSAS 보정 정보 적용 전과 후에 대한 24시간 동안의 PRN 별 의사거리 Root Mean Square (RMS) 오차를 보였다. MSAS 보정 정보 적용을 하지 않은 GPS 단독 항법에서는 전리층 보정을 Klobuchar 모델을 이용하였고 대류층 오차는 GPS 단독, GPS/MSAS 통합 항법에서 모두 Saastamoinen 모델을 이용하였다.
사용자는 전리층 통과점 주변의 격자점을 찾고, 그 격자점들이 유효한 값을 갖는지 GIVE를 통해 확인한다. 유효한 격자점이 3개 이상이면 주변의 유효한 격자점을 이용하여 사용자 의사거리 보정 값 및 무결성 정보 계산을 수행한다 (RTCA 2006).
7은 의사거리 및 위치 정확도 분석을 위해 GNSS 신호 데이터와 보정 정보를 이용하여 사용자 위치 추정을 수행하는 플랫폼의 구성도이다. 플랫폼 내에서 기본적으로 사용자 위치를 추정할 때 Least Square Estimation (LSE)을 이용한다. 하지만, GPS/MSAS 통합 항법 모드를 사용할 때는 MSAS에서 제공하는 정보를 이용해 가중치를 계산하여 Weighted Least Square Estimation (WLSE)을 이용한다.

성능/효과

24시간 동안의 의사거리 RMS 오차를 정리한 Table 2를 보면 총 32개의 GPS 위성 중 한국에서는 8개 위성(PRN 1, PRN 11, PRN 12, PRN 14, PRN 18, PRN 19, PRN 25, PRN 32)의 RMS 오차가 감소하였다. 반면, 일본에서는 16개 위성(PRN 2, PRN 5, PRN 6, PRN 7, PRN 10, PRN 14, PRN 15, PRN 17, PRN 19, PRN 20, PRN 21, PRN 24, PRN 25, PRN 29, PRN 30, PRN 32)의 RMS 오차가 감소하는 것을 확인했다.
24시간동안의 RMS 오차를 정리한 Table 5를 통해 한국과 중국 모두에서 GEO 위성인 PRN 1~5의 의사거리 RMS 오차를 제외하고 대부분의 의사거리 RMS 오차가 증가하는 것을 알 수 있다. Figs.
그러나 현재 한국 주변의 MSAS 전리층 격자점을 통해 제공되는 전리층 보정 정보의 무결성 정보가 24시간동안 평균 14 수준의 값을 유지하며, 이는 ICAO 표준에서 보정 정보 사용을 권장하지 않는 수치이다. BDSBAS도 중국과 가까운 격자점을 제외한 동쪽의 2개의 격자점에서는 24시간동안 평균 14 수준의 무결성 정보를 제공하고 있으며, 이러한 사실을 통해 현재 MSAS와 BDSBAS를 통해 한국 주변 IGP에 제공되는 전리층 보정 정보의 신뢰 수준이 매우 낮음을 알 수 있다. 그렇기에 현재 한국에서 구축 중인 Korea Augmentation Satellite System (KASS)는 구축 시에 격자점 기반의 전리층 수직 오차에 대한 정확한 정보가 제공될 수 있도록 설계 단계에서 충분히 고려가 되어야 한다.
MSAS는 현재 보정 정보를 제공하는 위성이 하나 밖에 운용되지 않고 수명도 끝나가는 상황이고, 제공하는 있는 서비스 수준이 NPA 급이기 때문에 요구 정확도를 충분히 만족하는 상황에서는 위치 정확도에 대한 향상 효과가 나타나지 않았다. 각 시스템의 의사거리 정확도를 분석하면서 MSAS, BDSBAS 각각의 보정 정보들에 대해 함께 분석한 결과를 통해 보정된 의사거리 정확도에 가장 큰 영향을 주는 보정 정보는 전리층 보정 정보라고 판단할 수 있었다. 그러나 현재 한국 주변의 MSAS 전리층 격자점을 통해 제공되는 전리층 보정 정보의 무결성 정보가 24시간동안 평균 14 수준의 값을 유지하며, 이는 ICAO 표준에서 보정 정보 사용을 권장하지 않는 수치이다.
본 논문에서는 IGS 사이트에서 제공하는 GNSS 데이터와 MSAS, BDSBAS 보정 정보를 활용하여 한국, 중국, 일본 내에서의 의사거리 및 위치 정확도를 비교 및 분석하였다. 실험을 통해 BDSBAS는 현재 ICAO 표준을 기반으로 하는 보강시스템의 형태를 갖추고 있지 않기 때문에 한국과 중국에서 모두 위치 정확도 개선에 큰 효과가 없다는 것을 확인했다. MSAS는 현재 보정 정보를 제공하는 위성이 하나 밖에 운용되지 않고 수명도 끝나가는 상황이고, 제공하는 있는 서비스 수준이 NPA 급이기 때문에 요구 정확도를 충분히 만족하는 상황에서는 위치 정확도에 대한 향상 효과가 나타나지 않았다.

후속연구

무결성 정보는 항공기 운항에 특정 보정 정보 또는 전체 보정 정보가 사용할 수 없는 상태일 때 경보를 제공하는 것이기 때문에 항공기 안전운항에 가장 중요한 정보이다. 그렇기에 추후 BDSBAS가 공개서비스를 시작하면 한국 내에서 관측할 수 있는 모든 SBAS에 대한 보정 정보 및 무결성 정보에 대한 분석을 함께 수행할 예정이다.

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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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