[논문]Evaluation of Navigation System Performance of GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou/QZSS System using High Performance GNSS Receiver

Park, Yong-Hui; Jeong, Jin-Ho; Park, Jin-Mo; Park, Sung-Hyun

doi:10.11003/jpnt.2022.11.4.333

Evaluation of Navigation System Performance of GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou/QZSS System using High Performance GNSS Receiver 원문보기

Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.11 no.4, 2022년, pp.333 - 339

Park, Yong-Hui (Research and Development Center, Dusitech, Inc.) , Jeong, Jin-Ho (Research and Development Center, Dusitech, Inc.) , Park, Jin-Mo (Research and Development Center, Dusitech, Inc.) , Park, Sung-Hyun (Research and Development Center, Dusitech, Inc.)

Abstract ▼ AI-Helper

The satellite navigation system was developed for the purpose of calculating the location of local users, starting with the Global Positioning System (GPS) in the 1980s. Advanced countries in the space industry are operating Global Navigation Satellite System (GNSS) that covers the entire earth, such as GPS, GLONASS, Galileo, and BeiDou, by establishing satellite navigation systems for each country. Regional Navigation Satellite Systems (RNSS) such as QZSS and NavIC are also in operation. In the early 2010s, only GPS and GLONASS could calculate location using a single system for location determination. After 2016, the EU and China also completed the establishment of GNSS such as Galileo and BeiDou. As a result, satellite navigation users can benefit from improved availability of GNSS. In addition, before Galileo and BeiDou's Full Operational Capability (FOC) declaration, they used combined navigation algorithms to calculate the user's location by adding another satellite navigation system to the GPS satellites. Recently, it may be possible to calculate a user's location for each navigation system using the resources of a single system. In this paper, we evaluated the performance of single system navigation and combined navigation solutions of GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou and QZSS individual navigation systems using high-performance GNSS receivers.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1. GNSS constellation status.
그림 Fig. 1. GNSS receiver (Novatel OEM-7700) & antenna (Trimble Zephyr 3).
표 Table 2. GNSS single point positioning & combined positioning accuracy (09-06-2022).
그림 Fig. 2. Number of SV's (SPP).
그림 Fig. 4. Number of SV's (dual combined solution).
그림 Fig. 3. Positioning accuracy (SPP).
그림 Fig. 5. Positioning accuracy (dual combined solution).
표 Table 3. GNSS single point positioning accuracy (11-11-2022 ~ 11-13-2022).
그림 Fig. 6. Number of SV's (triple combined solution).
그림 Fig. 7. Positioning accuracy (triple combined solution).
표 Table 4. Dual-GNSS combined positioning accuracy (11-11-2022 ~ 11-13-2022).
표 Table 5. Triple-GNSS combined positioning accuracy (11-11-2022 ~ 11-13-2022).

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

두 번째로 각 항법시스템의 clock bias 부분을 따로 계산하도록 항법식을 변형하여 계산하는 방법이 있는데, 이는 GPS 시간을 기준으로 시스템간 시간 offset 부분을 별도로 보정하지 않고 항법 계산을 수행할 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 두 번째 방식을 사용하여 항법식을 구성하였다.
본 논문에서는 외부 오차요인을 최대한 배제하고 동시에 가용한 모든 GNSS 관측 데이터를 이용한 GNSS 위치 정확도 성능 평가를 위하여, 고성능 GNSS 수신기로 동일 시간대의 관측치 정보를 저장하고 GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS의 72시간 동안 단독항법 정확도 및 dual-GNSS, triple-GNSS의 조합을 통한 복합항법 정확도, 가용성 및 GDOP을 산출하여 성능을 평가하였다. GPS, Galileo, BeiDou 시스템은 24시간 동안 단일항법을 수행하는 데에 필요한 위성의 수가 충족되었으나 GLONASS는 항법계산이 불가능한 음영 시간 구간이 많이 발생하여 현재까지는 국내에서 GLONASS 신호만을 수신하여 단독 항법에 사용하기엔 적합하지 않다고 판단되었다.
본 연구에서는 GPS L1 C/A, GLONASS L1, Galileo E1, BeiDou B1 코드를 사용하여 GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou 관측데이터를 이용한 항법 위치 계산을 수행하였다. 위성부터 수신기 간의 거리는 수신기 시간과 위성 시간의 차이에 빛의 속도를 곱한 것과 같고 이를 의사거리라고 하며 의사거리 측정치 방정식은 Eq.
본 연구에서는 단일항법과 복합항법 위치 정확도 평가를 위하여 1차시험으로 2022년 9월 6일 UTC 13시 50분부터 2022년 9월 7일 13시 50분까지 24시간 동안 시험을 수행하였다. 1차 시험에서는 GNSS 안테나의 위치에 건물 한쪽 부분이 가려져 GLONASS의 추적위성 수가 다른 항법시스템에 비하여 충분하지 않았기 때문에 위치오차 결과를 신뢰할 수 없었다.
본 연구에서는 항법 성능평가를 위하여 단일 시스템 항법 위치 계산뿐만 아니라 복합 항법 위치 계산을 수행하여야 한다. 복합항법 위치계산을 위하여는 GPS 시간을 기준으로 시스템간 시간 offset 부분을 다른 관측치 (GLONASS, Galileo, BeiDou)에 보상하여 항법식을 구성하여야 한다.
GNSS 복합항법은 도심지에서 GPS 위성의 가용성이 좋지 않아 사용자 위치오차가 증가하거나 항법 위치계산을 수행할 수 없을 경우 다른 항법시스템의 관측치를 함께 사용하여 항법해를 산출할 수 있고 사용자 위치오차를 개선할 수 있는 유용한 방법으로 알려져 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 GPS를 기준으로 GLONASS, Galileo, BeiDou 위성군을 조합하여 dual-GNSS 위성군으로 복합항법 정확도를 평가하였다. 2개 이상의 복합 시스템 위치 정확도 시험에서는 충분한 GNSS 위성의 가용성 확보가 가능하여 Elevation mask angle은 15 degree, Minimum C/No 값은 35 dBHz 이상으로 제한하였다.

대상 데이터

1과 같이 양호한 LOS를 확보할 수 있는 장소에 GNSS 안테나를 설치하였다. 또한 모든 GNSS 항법신호를 동시에 수신하고 수신기의 하드웨어 오차를 최소화하여 외부 오차성분을 배제한 각 항법 시스템의 순수 항법 위치 정확도를 평가하기 위하여 최신의 고성능 GNSS 수신기를 사용하여 보다 정밀한 관측치 데이터를 수집하였다.

데이터처리

마지막으로 triple-GNSS 위성군을 조합하여 복합항법 정확도를 평가하였다. Dual-GNSS 위성군을 사용한 복합항법 위치 정확도 시험과 같이 Elevation mask angle은 15 degree, Minimum C/No 값은 35 dBHz 이상으로 제한하였다.
GNSS 안테나는 GNSS의 모든 주파수를 수신할 수 있고 Multi-path rejection 기능이 있는 Trimble Zephyr 3 Rover 안테나를 사용하였다. 수신기는 GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS를 수신할 수 있고 GPS L1, L2, L5 및 대부분의 항법신호를 동시에 처리할 수 있는 Novatel OEM-7700 모델을 이용하여, 시험용 기준점에서 원시 관측치 및 방송 궤도력 데이터를 수신하여 30초 간격으로 항법 위치오차를 산출하였다. 기준점에 대한 정보는 고정밀 GNSS 후처리 소프트웨어로 계산된 좌표를 참값으로 사용하였다.

이론/모형

Klobuchar 모델의 8개 계수는 GPS 위성의 항법 메시지에 포함되어 있다. 대류층 지연오차는 Saastamoinen 모델을 사용하였다.
본 연구에서 전리층 지연 오차는 Klobuchar 모델을 사용하여 계산하였다. Klobuchar 모델은 GPS 전리층 오차를 GPS 위성과 GPS 수신기 사이의 TEC (자유전자밀도)를 계산하여 전리층 지연을 추정하는 방식이며 이 모델을 적용시 대략 50% 정도의 전리층 오차를 제거할 수 있다.

성능/효과

GPS 방송 궤도력의 정확도는 1 m보다 우수하다고 알려져 있다. GLONASS 방송 궤도력은 안정적인 sub-meter 궤도 정확도를 가진 것으로 나타났다. 또한, BeiDou 시스템의 방송 궤도력 정확도는 GEO 위성보다 MEO 위성에서 더 우수함을 보여주었다고 기술하였다.
본 논문에서는 외부 오차요인을 최대한 배제하고 동시에 가용한 모든 GNSS 관측 데이터를 이용한 GNSS 위치 정확도 성능 평가를 위하여, 고성능 GNSS 수신기로 동일 시간대의 관측치 정보를 저장하고 GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS의 72시간 동안 단독항법 정확도 및 dual-GNSS, triple-GNSS의 조합을 통한 복합항법 정확도, 가용성 및 GDOP을 산출하여 성능을 평가하였다. GPS, Galileo, BeiDou 시스템은 24시간 동안 단일항법을 수행하는 데에 필요한 위성의 수가 충족되었으나 GLONASS는 항법계산이 불가능한 음영 시간 구간이 많이 발생하여 현재까지는 국내에서 GLONASS 신호만을 수신하여 단독 항법에 사용하기엔 적합하지 않다고 판단되었다. 또한 GLONASS의 경우 관측치의 오차 성분 때문에 GLONASS 관측치가 사용된 triple-GNSS 조합의 복합항법 정확도에 영향을 미쳐 오히려 복합항법 위치오차가 커지는 결과를 보였다.
776 m로 산출되었다. Galileo, BeiDou 단독항법의 경우 1차 시험 결과에 비해 수직 방향 위치오차가 증가 하였고, 1차 시험에서 데이터 신뢰성 문제로 제외한 GLONASS는 안테나 위치를 GNSS 신호를 수신하기 용이한 곳으로 이동했음에도 불구하고 가용성 및 정확도 성능이 떨어졌다. 아직까지 국내에서는 GLONASS 관측위성의 개수가 다른 위성에 비해 적어 가용성이 떨어지고 위치오차도 커지는 경향을 보였다.
GPS, Galileo, BeiDou 시스템은 24시간 동안 단일항법을 수행하는 데에 필요한 위성의 수가 충족되었으나 GLONASS는 항법계산이 불가능한 음영 시간 구간이 많이 발생하여 현재까지는 국내에서 GLONASS 신호만을 수신하여 단독 항법에 사용하기엔 적합하지 않다고 판단되었다. 또한 GLONASS의 경우 관측치의 오차 성분 때문에 GLONASS 관측치가 사용된 triple-GNSS 조합의 복합항법 정확도에 영향을 미쳐 오히려 복합항법 위치오차가 커지는 결과를 보였다. 반면에 GLONASS 관측치를 사용하지 않은 GPS, Galileo, BeiDou 조합의 복합항법 정확도는 각 항법시스템의 단일 항법 정확도보다 우수함을 확인하였다.
이는 가시위성의 증가에 따른 위성항법시스템 가용성과 Dilution of Precision (DOP) 향상의 결과로 항법 위치 정확도가 개선된 것으로 판단된다. 또한 triple-GNSS 조합의 결과에서 알 수 있듯이 여러 시스템의 조합으로 항법에 사용된 위성이 많다고 해서 반드시 위치 정확도가 향상된다고 볼 수 없음도 확인되었다.
또한 GLONASS의 경우 관측치의 오차 성분 때문에 GLONASS 관측치가 사용된 triple-GNSS 조합의 복합항법 정확도에 영향을 미쳐 오히려 복합항법 위치오차가 커지는 결과를 보였다. 반면에 GLONASS 관측치를 사용하지 않은 GPS, Galileo, BeiDou 조합의 복합항법 정확도는 각 항법시스템의 단일 항법 정확도보다 우수함을 확인하였다. 이는 가시위성의 증가에 따른 위성항법시스템 가용성과 Dilution of Precision (DOP) 향상의 결과로 항법 위치 정확도가 개선된 것으로 판단된다.
반면에 GLONASS 관측치를 사용하지 않은 GPS, Galileo, BeiDou 조합의 복합항법 정확도는 각 항법시스템의 단일 항법 정확도보다 우수함을 확인하였다. 이는 가시위성의 증가에 따른 위성항법시스템 가용성과 Dilution of Precision (DOP) 향상의 결과로 항법 위치 정확도가 개선된 것으로 판단된다. 또한 triple-GNSS 조합의 결과에서 알 수 있듯이 여러 시스템의 조합으로 항법에 사용된 위성이 많다고 해서 반드시 위치 정확도가 향상된다고 볼 수 없음도 확인되었다.

후속연구

향후 각 위성항법시스템들의 dual-frequency positioning 및 DGNSS에 대한 항법 정확도 평가를 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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