[논문]Quality Assessment of GPS L2C Signals and Measurements

Yun, Seonghyeon; Lee, Hungkyu

doi:10.11003/jpnt.2021.10.1.13

Quality Assessment of GPS L2C Signals and Measurements 원문보기

Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.10 no.1, 2021년, pp.13 - 20

Yun, Seonghyeon (Department of Eco-Friendly Offshore Plant FEED Engineering, Changwon National University) , Lee, Hungkyu (School of Civil, Environmental and Chemical Engineering, Changwon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

A series of numerical experiments with measurements observed at continuously operating reference stations (CORS) of the international GNSS services (IGS) and the national geographical information institute of Korea (NGII) have been intensively carried out to evaluate the quality of pseudo-ranges and carrier-phases of GPS L2C signal obtained by various receiver types, benign and harsh operational environment. In this analysis, some quality measures, such as signal-to-noise ratio (SNR), the magnitude of multipath, and the number of cycle slips, the pseudo-range and carrier phase obtaining rate were computed and compared. The SNR analysis revealed an impressive result that the trend in the SNR of C/A and the L2C comparably depends upon type of receivers. The result of multipath analysis also showed clearly different tendency depending on the receiver types. The reason for this inconsistent tendency was seemed to be that the different multipath mitigation algorithm built-in each receiver. The number of L2C cycle slip was less than P2(Y), and L2C measurements obtaining rate was higher than that of P2(Y) in three receiver types. In the harsh observational environment, L2C quality was not only superior to P2(Y) in all aspects such as SNR, multipath magnitude, the number of cycle slips, and measurement obtaining rate, but also it could maintain a level of quality equivalent to C/A. According to the results of this analysis, it's expected that improved positioning performance like accuracy and continuity can be got through the use of L2C instead of existing P2(Y).

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1. Status of GPS satellites in operation as of January 2021.
표 Table 2. Characteristics of C/A and L2C code (Fontana et al. 2001, Cho et al. 2004).
표 Table 3. Testing cases about receiver types and observation environment.
그림 Fig. 1. SNR and satellite elevation angles of GPS legacy SVs.
그림 Fig. 2. SNR and satellite elevation angles of GPS modernized SVs.
그림 Fig. 3. SNR statistics of three receiver types at different elevation angles.
그림 Fig. 4. SNR statistics of the three IGS stations equipped with PolaRx5TR, NetR9, and NET-G3A receivers.
표 Table 4. The number of cycle slips and data acquisition rates at IGS stations.
그림 Fig. 5. Multipath and satellite elevation angles of GPS modernized SVs.
그림 Fig. 6. Multipath of three receiver types at different elevation angles.
그림 Fig. 7. Multipath statistics of the three IGS stations equipped with PolaRx5TR, NetR9, and NET-G3A receivers.
그림 Fig. 8. SNR of each observational environment at different elevation angle.
그림 Fig. 9. Multipath of each observational environment at different elevation angle.
표 Table 5. Cycle slip and rate of the number of measurements for each NGII station.

AI 본문요약
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문제 정의

뿐만 아니라, 기존 연구에 추가해 상이한 다중경로 환경에서 L2C 의사거리는 물론 이로부터 취득한 반송파에 대한 품질 점검이 고정밀 측위 응용분야를 위해 필요하다. 따라서, 본 연구 목적은 GPS 현대화 위성 23기가 송출하는 L2C 신호로부터 취득한 관측데이터의 품질을 분석하는 것이다. 이를 위해 3가지 수신기 Trimble NetR9, Septentrio PolaRx5TR, Topcon NET-G3A가 취득한 데이터를 International GNSS Services (IGS)와 국토지리정보원으로부터 확보해 SNR, 의사거리 다중경로 크기, 사이클 슬립 발생 빈도, 데이터 취득율을 계산·비교하였다.

제안 방법

이를 위해 3가지 수신기 Trimble NetR9, Septentrio PolaRx5TR, Topcon NET-G3A가 취득한 데이터를 International GNSS Services (IGS)와 국토지리정보원으로부터 확보해 SNR, 의사거리 다중경로 크기, 사이클 슬립 발생 빈도, 데이터 취득율을 계산·비교하였다
이를 위해 본 연구에서는 서로 다른 종류의 수신기와 관측환경에서 취득한 L2C의 SNR, 의사거리 다중경로, 사이클슬립 발생 빈도, 그리고 데이터 취득율을 계산·분석하였고, 그 결과는 다음과 같다.
이를 위해 3가지 수신기 Trimble NetR9, Septentrio PolaRx5TR, Topcon NET-G3A가 취득한 데이터를 International GNSS Services (IGS)와 국토지리정보원으로부터 확보해 SNR, 의사거리 다중경로 크기, 사이클 슬립 발생 빈도, 데이터 취득율을 계산·비교하였다. 특히 국토지리정보원 데이터는 관측환경을 양호와 불량으로 구분했으며, 그 차이를 정량적으로 분석했다.

데이터처리

둘째, 관측데이터 취득 성능 분석을 위해 사이클슬립 발생 빈도와 데이터 취득율을 비교했다. 양호한 환경에서 C2L, C2X, C2W, L2L, L2X, 그리고 L2W 모두 98% 이상 높은 데이터 취득율을 보였으나, C2L, C2X, L2L, L2X가 C2W와 L2W 보다 약간 높았고, 전자의 경우 C1C와 L1C보다 많은 데이터를 취득하는 경우가 있었다.

성능/효과

이와 같은 내용을 종합할 때 Fig. 3의 결과로부터 C/A 신호강도는 L2CL, L2X의 그것에 비해 높거나 유사하며, 신호분석에 사용한 수신기 모두는 낮은 고도각에서 L2CL, L2CX 신호강도가 P2(Y)에 비해 높은 것을 알 수 있다.
관측환경이 불량해짐에 따라 모든 데이터의 취득율이 감소했으나 C2X, L2X가 C1C, L1C와 유사한 수준을 유지하는 것과 달리 C2W, L2W는 현저히 낮아졌다. L2C 신호 특징 고찰을 통해 예상한 바와 달리 불량한 환경에서 C2X, L2X 취득 수가 C1C, L1C 보다 낮았으며, 그 이유는 C2X 코드 길이가 C1C에 비해 길어 데이터 취득까지 오랜 시간이 걸린 점, 수신기에 구현되어 있는 위성 신호 추적 알고리즘 등의 영향이라 판단된다. 사이클슬립은 L2L, L2X가 L2W에 비해 적게 발생했으며, 관측환경이 불량해짐에 따라 그 차이가 커졌다.
첫째, Trimble NetR9으로 취득한 L2CX와 C/A의 SNR이 유사한 반면, Septentrio PolaRx5TR과 Topcon NET-G3A 경우 L2CL의 SNR이 C/A에 비해 약간 작았다. P2(Y)의 SNR은 수신기에 따라 고도각 80˚ 이상에서 다른 두 신호에 비해 높은 경우가 있었으나 전반적으로 세 신호 중 가장 낮았다. 장애물 영향이 작은 고고도에서는 양호·불량한 환경의 SNR이 유사했으나, 불량한 환경에서는 연직각 감소에 따른 SNR 하락폭이 커, 양호한 환경의 신호강도와 비교할 때 10˚에서 약 5 dbHz 낮았다.
셋째, 다중경로는 수신기 종류에 따라 뚜렷이 다른 양상을 보였다. PolaRx5TR 취득 C2L과 C1C 다중경로는 동등한 수준이었으나, NetR9의 경우에는 C2X가 C1C보다 작게, NET-G3A는 반대로 C2L이 더 크게 계산되었다. 이는 각 수신기에 내장된 다중경로 저감 알고리즘 차이에 따른 결과로 보인다.
양호한 환경에서 C2L, C2X, C2W, L2L, L2X, 그리고 L2W 모두 98% 이상 높은 데이터 취득율을 보였으나, C2L, C2X, L2L, L2X가 C2W와 L2W 보다 약간 높았고, 전자의 경우 C1C와 L1C보다 많은 데이터를 취득하는 경우가 있었다. 관측환경이 불량해짐에 따라 모든 데이터의 취득율이 감소했으나 C2X, L2X가 C1C, L1C와 유사한 수준을 유지하는 것과 달리 C2W, L2W는 현저히 낮아졌다. L2C 신호 특징 고찰을 통해 예상한 바와 달리 불량한 환경에서 C2X, L2X 취득 수가 C1C, L1C 보다 낮았으며, 그 이유는 C2X 코드 길이가 C1C에 비해 길어 데이터 취득까지 오랜 시간이 걸린 점, 수신기에 구현되어 있는 위성 신호 추적 알고리즘 등의 영향이라 판단된다.
8의 저고도에서 L2CX와 P2(Y)의 SNR 감소를 통해 예상한 바와 같이 관측환경이 불량해짐에 따라 증가하는 장애물 등의 영향이 그 원인이라 판단된다. 본 연구의 관측 환경에 따른 데이터 취득 성능을 비교한 결과에 따르면 L2C는 C/A와 유사한 성능을 보일 뿐만 아니라 P2(Y)에 비해 우수했다. 따라서 P2(Y) 대신 L2C 사용은 이중 주파 측위 연속성 향상에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
L2C 신호 특징 고찰을 통해 예상한 바와 달리 불량한 환경에서 C2X, L2X 취득 수가 C1C, L1C 보다 낮았으며, 그 이유는 C2X 코드 길이가 C1C에 비해 길어 데이터 취득까지 오랜 시간이 걸린 점, 수신기에 구현되어 있는 위성 신호 추적 알고리즘 등의 영향이라 판단된다. 사이클슬립은 L2L, L2X가 L2W에 비해 적게 발생했으며, 관측환경이 불량해짐에 따라 그 차이가 커졌다.
셋째, 다중경로는 수신기 종류에 따라 뚜렷이 다른 양상을 보였다. PolaRx5TR 취득 C2L과 C1C 다중경로는 동등한 수준이었으나, NetR9의 경우에는 C2X가 C1C보다 작게, NET-G3A는 반대로 C2L이 더 크게 계산되었다.
수신기 종류와 관측환경에 따른 C/A, P2(Y), L2C 품질을 분석한 본 연구 결과에 따르면, 양호한 관측환경에서 L2C 품질은 NET-G3A로 취득한 경우를 제외하고 다중경로, 데이터 취득 성능이 C/A와 유사 혹은 우수하였다. 이뿐만 아니라 불량한 관측환경에서 P2(Y) 품질에 비해 뛰어났으며 특히 데이터 취득 측면에서 향상된 성능을 보였다.
불량한 관측환경에 대한 데이터 취득 성능을 평가하기 위해 사용한 국내 6개 관측소 데이터 취득율과 사이클슬립 발생 빈도를 Table 5에 요약하였다. 양호한 환경에 대한 결과를 보면 세 관측점의 C2X, C2W, L2X, 그리고 L2W 취득율이 약 98% 이상으로 매우 높았다. 여기서 주목할 만한 점은 C2X, L2X가 C2W, L2W에 비해 취득율이 높았을 뿐만 아니라 일부 관측소에서는C1C, L1C 보다 그 수가 많다는 것이다.
둘째, 관측데이터 취득 성능 분석을 위해 사이클슬립 발생 빈도와 데이터 취득율을 비교했다. 양호한 환경에서 C2L, C2X, C2W, L2L, L2X, 그리고 L2W 모두 98% 이상 높은 데이터 취득율을 보였으나, C2L, C2X, L2L, L2X가 C2W와 L2W 보다 약간 높았고, 전자의 경우 C1C와 L1C보다 많은 데이터를 취득하는 경우가 있었다. 관측환경이 불량해짐에 따라 모든 데이터의 취득율이 감소했으나 C2X, L2X가 C1C, L1C와 유사한 수준을 유지하는 것과 달리 C2W, L2W는 현저히 낮아졌다.
이는 각 수신기에 내장된 다중경로 저감 알고리즘 차이에 따른 결과로 보인다. 연직각 70˚ 이상에서는 위성 신호가 장애물에 영향을 적게 받아 관측환경이 불량하더라도 양호한 환경의 다중경로와 그 크기가 유사했으나 고도각 감소에 따라 불량한 환경에서의 다중경로가 크게 증가했다. 특히, C2W 다중경로 상승 폭이 다른 두 의사거리에 비해 커 50˚ 이하에서는 가장 큰 다중경로 값을 가졌다.
PolaRx5TR의 C1C와 C2L 다중경로 크기가 유사한 수준인 반면, NetR9 취득 C2X는 C1C보다 작게, NET-G3A의 C2L는 반대로 C1C 보다 컸고, C2W 다중경로 크기는 모든 기준점에서 가장 작게 계산되었다. 이러한 결과를 종합했을 때, 수신기 내장 다중경로 저감 알고리즘에 따라 의사거리 기반 측위 정밀도가 달라질 수 있어, L2C 의사거리(C2L, C2X)를 사용 시 주의가 필요할 것을 알 수 있다.
수신기 종류와 관측환경에 따른 C/A, P2(Y), L2C 품질을 분석한 본 연구 결과에 따르면, 양호한 관측환경에서 L2C 품질은 NET-G3A로 취득한 경우를 제외하고 다중경로, 데이터 취득 성능이 C/A와 유사 혹은 우수하였다. 이뿐만 아니라 불량한 관측환경에서 P2(Y) 품질에 비해 뛰어났으며 특히 데이터 취득 측면에서 향상된 성능을 보였다. 따라서 이중 주파 수신기를 사용하는 경우 P2(Y) 대신 L2C를 측위에 적용한다면 향상된 위치 결정 정확도와 연속성을 확보할 수 있을 것이다.
장애물 영향이 작은 고고도에서는 양호·불량한 환경의 SNR이 유사했으나, 불량한 환경에서는 연직각 감소에 따른 SNR 하락폭이 커, 양호한 환경의 신호강도와 비교할 때 10˚에서 약 5 dbHz 낮았다.
첫째, Trimble NetR9으로 취득한 L2CX와 C/A의 SNR이 유사한 반면, Septentrio PolaRx5TR과 Topcon NET-G3A 경우 L2CL의 SNR이 C/A에 비해 약간 작았다. P2(Y)의 SNR은 수신기에 따라 고도각 80˚ 이상에서 다른 두 신호에 비해 높은 경우가 있었으나 전반적으로 세 신호 중 가장 낮았다.
연직각 70˚ 이상에서는 위성 신호가 장애물에 영향을 적게 받아 관측환경이 불량하더라도 양호한 환경의 다중경로와 그 크기가 유사했으나 고도각 감소에 따라 불량한 환경에서의 다중경로가 크게 증가했다. 특히, C2W 다중경로 상승 폭이 다른 두 의사거리에 비해 커 50˚ 이하에서는 가장 큰 다중경로 값을 가졌다.

후속연구

L2C 전송 위성 수가 2021년 1월 기준 23대로 FOC에 가까워짐에 따라 L2C 활용 측위 알고리즘 개발을 위해 해당 데이터 품질을 파악하는 기초연구가 필요한 시점이다. 이를 위해 본 연구에서는 서로 다른 종류의 수신기와 관측환경에서 취득한 L2C의 SNR, 의사거리 다중경로, 사이클슬립 발생 빈도, 그리고 데이터 취득율을 계산·분석하였고, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구의 관측 환경에 따른 데이터 취득 성능을 비교한 결과에 따르면 L2C는 C/A와 유사한 성능을 보일 뿐만 아니라 P2(Y)에 비해 우수했다. 따라서 P2(Y) 대신 L2C 사용은 이중 주파 측위 연속성 향상에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 하지만 이 결과는 고성능 수신기와 안테나를 사용해 얻은 것이기 때문에 저가형 수신기의 경우 데이터 취득 성능이 본 연구 결과와 다를 수 있음에 유의할 필요가 있다.
이뿐만 아니라 불량한 관측환경에서 P2(Y) 품질에 비해 뛰어났으며 특히 데이터 취득 측면에서 향상된 성능을 보였다. 따라서 이중 주파 수신기를 사용하는 경우 P2(Y) 대신 L2C를 측위에 적용한다면 향상된 위치 결정 정확도와 연속성을 확보할 수 있을 것이다. 하지만 본 연구에서 확인한 바와 같이 수신기에 따라 데이터 품질이 다를 수 있으며, 앞서 보인 결과들은 고성능 수신기와 안테나로 획득한 데이터 품질이기 때문에 저가형 장비에 대해서는 그 결과가 상이할 수 있음에 유의할 필요가 있다.
따라서 이중 주파 수신기를 사용하는 경우 P2(Y) 대신 L2C를 측위에 적용한다면 향상된 위치 결정 정확도와 연속성을 확보할 수 있을 것이다. 하지만 본 연구에서 확인한 바와 같이 수신기에 따라 데이터 품질이 다를 수 있으며, 앞서 보인 결과들은 고성능 수신기와 안테나로 획득한 데이터 품질이기 때문에 저가형 장비에 대해서는 그 결과가 상이할 수 있음에 유의할 필요가 있다.

참고문헌 (19)

al-Fanek, O., Skone, S., Lachapelle, G., & Fenton, P. 2007, Evaluation of L2C observations and limitations, in Proceedings of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2007), Fort Worth, TX, 25-28 Sep 2007, pp.2510-2518
Cho, D. J., Park, C., & Lee, S. J. 2004, An assisted GPS acquisition method using L2 civil signal in weak signal environment, Journal of Global Positioning Systems, 3, 25-31.

상세보기
De Agostino, M., Piras, M., & Porporato, C. 2008, The new L2C GPS code: signal and positioning quality analysis, in Proceedings of the 21st International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2008), Savannah, GA, 16-19 Sep 2008, pp.1649-1657
Esenbuga, O. G. & Hauschild, A. 2020, Impact of flex power on GPS block IIF differential code biases, GPS Solutions, 24, 1-9. https://doi.org/10.1007/s10291-020-00996-x

상세보기
Estey, L. & Wier, S. 2014, Teqc tutorial: basics of teqc use and teqc products (Colorado, CO: UNAVCO Inc.)
Fontana, R. D., Cheung, W., Novak, P. M., & Stansell, T. A. 2001, The new L2 civil signal, in Proceedings of the 14th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GPS 2001), Salt Lake City, UT, 11-14 Sep 2001, pp.617-631
Hegarty, C. J. 2014, The modernized GPS civil signals [Internet], cited 2021 Jan 5, available from: https://www.gps.gov/multimedia/presentations/2014/05/CSNC/hegarty.pdf
Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H., & Collins, J. 2001, Global Positioning System: theory and practice, 5th rev. ed. (New York: Springer-Verlag/Wien)
International GNSS Service (IGS) 2013, RINEX the receiver independent exchange format version 3.02
Jia, Z., Chen, Z., Yu, P., Lin, M., & Liu, X. 2016, Comparison of the multi-path effect between Trimble R7 and Topcon NET-G3A, in 2016 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Beijing, China, 10-15 Jul 2016, pp.7465-7468. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2016.7730947
Lim, D. W., Moon, S. W., Park, C., & Lee, S. J. 2006, The fast signal acquisition scheme for a GPS L1/L2C correlator, Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, 12, 765-772. https://doi.org/10.5302/J.ICROS.2006.12.8.765

원문보기 상세보기
National Geographic Information Institute (NGII), 2019, A basic study on the introduction of new GNSS correction signal by the development of real-time positioning technology, National G eographic Information Institute Report, 11-1613436-000204-01. https://www.ngii.go.kr/kor/contents/view.do-sq1221&board_codecontents_data
National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Space segment [Internet], cited 2021 Jan 20, available from: https://www.gps.gov/systems/gps/space/
Rizos, C., Higgins, M. B., & Hewitson, S. 2005, New GNSS developments and their impact on survey service providers and surveyors, in Proceedings of SSC2005, Spatial Intelligence, Innovation and Praxis: The national biennial conference of the Spatial Sciences Institute, Melbourne, 12-16 Sep 2005, pp.1100-1113
Simsky, A., Sleewaegen, J. M., Nemry, P., & Hees, J. V. 2006, Signal performance and measurement noise assessment of the first L2C signal-in-space, in Proceedings of IEEE/ION PLANS 2006, San Diego, CA, 24-27 Apr 2006, pp.834-839. https://doi.org/10.1109/PLANS.2006.1650682
Song, S. H., Park, J. W., Park, J. H., & Sung, T. K. 2011, Performance analysis of signal acquisition in L2C assisted GPS receivers, Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, 17, 61-67. https://doi.org/10.5302/J.ICROS.2011.17.1.61

원문보기 상세보기
Steigenberger, P., Thoelert, S., Esenbuga, O., Hauschild, A., & Montenbruck, O. 2020, The new flex power mode: from GPS IIR-M and IIF satellites with extended coverage area [Internet] cited 2021 Jan 25, available from: https://insidegnss.com/the-new-flex-power-mode-from-gps-iir-m-and-iif-satellites-with-extended-coverage-area/
Sukeova, L., Santos, M. C., Langley, R. B. Leandro, R. F., Nnani, O., et al. 2007, GPS L2C signal quality analysis, in Proceedings of the 63rd Annual Meeting of The Institute of Navigation (2007), Cambridge, MA, 23-25 Apr 2007, pp. 232-241. https://www.ion.org/publications/abstract.cfm-articleID7253
U.S. Coast Guard Navigation Center (NAVCEN), GPS constellation [Internet], cited 2021 Jan 20, available from: https://www.navcen.uscg.gov/-DoconstellationStatus

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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