[논문]Analyzing Characteristics of GPS Dual-frequency SPP Techniques by Introducing the L2C Signal

Seonghyeon Yun; Hungkyu Lee

doi:10.11003/jpnt.2023.12.2.157

Analyzing Characteristics of GPS Dual-frequency SPP Techniques by Introducing the L2C Signal 원문보기

Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.12 no.2, 2023년, pp.157 - 166

Seonghyeon Yun (Ocean and Maritime Digital Technology Research Division, Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering (KRISO)) , Hungkyu Lee (Department of Civil Engineering, Changwon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Several experiments were carried out to analyze the impact of the modernized Global Positioning System (GPS) L2C signal on pseudorange-based point positioning. Three dual-frequency positioning algorithms, ionosphere-free linear combination, ionospheric error estimation, and simple integration, were used, and the results were compared with those of Standard Point Positioning (SPP). An analysis was conducted to determine the characteristics of each dual-frequency positioning method, the impact of the magnitude of ionospheric error, and receiver grade. Ionosphere-free and ionospheric error estimation methods can provide improved positioning accuracy relative to SPP because they are able to significantly reduce the ionospheric error. However, this result was possible only when the ionospheric error reduction effect was greater than the disadvantage of these dual-frequency positioning algorithms such as the increment of multipath and noise, impact of uncertainty of unknown parameter estimation. The RMSE of the simple integration algorithm was larger than that of SPP, because of the remaining ionospheric error. Even though the receiver grade was different, similar results were observed.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Positioning algorithms used for the experiment.
표 Table 2. Observation data sets for experiment.
그림 Fig. 1. Layout of permanent stations to obtain data set A.
그림 Fig. 2. Set up of temporary station with diferent grades of receiver to obtain data set B.
그림 Fig. 3. DOF and DOP of four positioning algorithms with DOND station in data set A (year 2020).
그림 Fig. 4. Coordinate time series of four positioning algorithms with DOND station in data set A (year 2020).
그림 Fig. 5. Averaged values of standard deviation and RMSE of four positioning algorithms for data set A (year 2020).
그림 Fig. 6. Monthly averaged number of sunspot (SWPC 2023).
그림 Fig. 7. Daily averaged VTEC from IONEX for the date in data set A.
표 Table 3. Averaged values of DOF and PDOP for data set A.
그림 Fig. 8. Coordinate time series of northing for four positioning algorithms with DOND station in data set A.
그림 Fig. 9. Averaged values of standard deviation and RMSE of four positioning algorithms for data set A.
그림 Fig. 10. Standard deviation and RMSE of four positioning algorithms for data set B.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 L2C를 활용한 이중주파수 의사거리 기반 절대측위 방법 3가지에 대해 고찰하고, 이를 적용한 측위 결과를 Degree Of Freedom (DOF), Dilution Of Precision (DOP), 좌표 시계열 형상, 측위 정밀도와 정확도 측면에서 SPP에 대한 것과 비교 분석하였다. 이와 함께 관측데이터에 포함된 전리층 오차 크기, 수신기 등급에 따른 측위 결과를 살펴보고자 하였다.

제안 방법

GPS 현대화 신호 L2C를 위치 결정에 활용함에 따라 수행 가능한 이중주파수 의사거리 기반 절대측위 방식 3가지 (무전리층 선형결합, 전리층 오차 추정, 단순통합)에 대해 고찰하고, 그 특징을 DOF, DOP, 시계열, 측위 정밀도와 정확도 측면에서 기존 SPP에 대한 결과와 비교 분석하였다. 이와 함께 관측데이터에 포함된 전리층 오차 크기, 수신기 등급이 이들 측위 결과에 미치는 영향을 살펴보았고, 그 결과를 아래와 같이 요약하였다.
이는 L2C를 측위에 활용할 수 있을 정도로 충분히 확보할 수 있게 된 시점이 얼마되지 않았기 때문으로 보인다. 따라서, 본 연구에서는 L2C를 활용한 이중주파수 의사거리 기반 절대측위 방법 3가지에 대해 고찰하고, 이를 적용한 측위 결과를 Degree Of Freedom (DOF), Dilution Of Precision (DOP), 좌표 시계열 형상, 측위 정밀도와 정확도 측면에서 SPP에 대한 것과 비교 분석하였다. 이와 함께 관측데이터에 포함된 전리층 오차 크기, 수신기 등급에 따른 측위 결과를 살펴보고자 하였다.
수신기 등급이 이중주파수 절대측위 결과에 미치는 영향을 살펴보고자 고성능 수신기 Leica GS10, Javad Alpha, 그리고 저가형 U-blox ZED-F9P를 활용한 실험을 수행하였다. 무전리층 선형결합과 전리층 오차 추정 방식의 수평방향 RMSE가 SPP에 비해 작은 것이 모든 등급의 수신기에 대해 동일하게 나타난 반면, 높이 방향에서는 수신기에 따라 다른 경향을 보였다.
전리층 오차 크기에 따른 이중주파수 절대측위 방식의 특징을 살펴보고자 동일 관측점에 대한 연도별 위치 결정 결과를 비교하였다. 무전리층 선형결합과 전리층 오차 추정 방식은 관측데이터에 포함된 전리층 오차 크기 증가에 따라 이를 축소하여 편의를 제거하는 효과가 잡음과 다중경로 증가, 미지수 추정 불확실성의 영향보다 커져 RMSE가 SPP에 비해 작았으며, 특히, 수평방향 정확도 향상이 뚜렷이 나타났다.

대상 데이터

세트 B는 Fig. 2와 같이 양호한 다중경로 환경 아래에 임시 설치한 각기 다른 등급의 수신기 (이하 임시관측점)로 취득한 데이터이며, 이를 활용하여 수신기 등급에 따른 영향을 분석하고자 하였다. 임시관측점의 수신기는 Leica GS10, Javad Alpha, 그리고 U-blox의 ZED-F9P 모듈을 부착한 C099-F9P 어플리케이션 보드 (이하 ZED-F9P)이며, 전자 두 가지는 측지측량용, 마지막은 저가의 항법용으로 그 등급을 구분할 수 있다.
L2C 현대화 신호를 활용한 세가지 이중주파수 의사거리 기반 절대측위 방식의 특징을 살펴보고자 Table 2와 같이 두 가지 관측데이터 세트를 확보하였다. 세트 A는 국토지리정보원 상시관측점으로부터 취득한 GPS 신호로 수신기 Trimble NETR9, Leica GR50이 설치된 관측점 각각 4개소에 대한 것이며, 이들 상시관측점 위치는 Fig.
L2C 확보로 수행할 수 있게 된 이중주파수 절대측위 알고리즘 종류에 따른 위치 결정 결과를 비교하고자 데이터 세트 A의 2020년 관측데이터를 활용하였다. Fig.
본 연구에서의 측위 실험은 L2C 신호의 최대 사용자일 것으로 예상되는 스마트폰, 차량 등의 실시간 위치결정 상황을 고려해 수행하였다. 해당 사용자들은 다중경로와 잡음을 감소시킬 수 있는 Hatch Filter Smoothing 등의 처리를 수행하지 않을 것으로 사료되는 바, 이러한 전처리 기법을 적용하지 않은 원 관측데이터로 측위를 수행하였다.
L2C 현대화 신호를 활용한 세가지 이중주파수 의사거리 기반 절대측위 방식의 특징을 살펴보고자 Table 2와 같이 두 가지 관측데이터 세트를 확보하였다. 세트 A는 국토지리정보원 상시관측점으로부터 취득한 GPS 신호로 수신기 Trimble NETR9, Leica GR50이 설치된 관측점 각각 4개소에 대한 것이며, 이들 상시관측점 위치는 Fig. 1에 나타내었다.
1에 나타내었다. 이중주파수 측위 알고리즘 종류의 특징과 더불어 전리층 오차 크기에 따른 영향을 살펴보고자 동일 관측점에 대하여 2020 ~ 2022년 각 연도의 5월 5일 관측데이터를 확보하였고, 이들은 1초 간격으로 24시간 분량이다.

성능/효과

따라서, 이들 두 측위 방식은 전리층 오차 축소에 의한 편의 제거 효과가 다중경로와 잡음 증가, 미지수 추정 불확실성 영향보다 작을 때, 오히려 정확도가 SPP (PA I)에 비해 낮을 수 있음을 확인하였다. 단순통합 측위 (PA IV)의 경우 관측데이터 수가 상대적으로 많으나 Klobuchar 모형으로 보정한 후 잔존하는 전리층 오차의 영향으로 정밀도와 정확도가 SPP에 비해 낮았다.
무전리층 선형결합과 전리층 오차 추정 방식의 수평방향 RMSE가 SPP에 비해 작은 것이 모든 등급의 수신기에 대해 동일하게 나타난 반면, 높이 방향에서는 수신기에 따라 다른 경향을 보였다. 단순통합 측위의 경우에는 서로 다른 세 수신기 모두 그 정확도가 SPP에 비해 낮은 공통점을 확인할 수 있었다.
무전리층 선형결합 (PA II)과 전리층 오차 추정 (PA III) 방식은 관측데이터에 포함된 전리층 오차를 대폭 축소시킬 수 있으나, 전자는 선형결합에 따른 잡음과 다중경로 크기 증가, 후자의 경우에는 추가된 미지수 추정 불확실성이 측위 정밀도 하락을 유발하였다. 따라서, 이들 두 측위 방식은 전리층 오차 축소에 의한 편의 제거 효과가 다중경로와 잡음 증가, 미지수 추정 불확실성 영향보다 작을 때, 오히려 정확도가 SPP (PA I)에 비해 낮을 수 있음을 확인하였다. 단순통합 측위 (PA IV)의 경우 관측데이터 수가 상대적으로 많으나 Klobuchar 모형으로 보정한 후 잔존하는 전리층 오차의 영향으로 정밀도와 정확도가 SPP에 비해 낮았다.
반면, 단순통합 측위 정확도는 SPP에 비해 낮은 것을 관찰할 수 있었으며, 이는 Klobuchar 모형에 의한 보정 후 잔존하는 전리층 오차 영향 때문으로 이해할 수 있다. 또 하나 주목할 점은 SPP와 단순통합측위의 정확도는 전리층 오차 크기 증가에 따라 정확도 하락이 뚜렷한 반면, 무전리층 선형결합과 전리층 오차 추정 방식의 경우 전리층 오차를 대폭 축소할 수 있기 때문에 일정 수준의 정확도를 유지한다는 것이다.
무전리층 선형결합 (PA II)과 전리층 오차 추정 (PA III) 방식은 관측데이터에 포함된 전리층 오차를 대폭 축소시킬 수 있으나, 전자는 선형결합에 따른 잡음과 다중경로 크기 증가, 후자의 경우에는 추가된 미지수 추정 불확실성이 측위 정밀도 하락을 유발하였다. 따라서, 이들 두 측위 방식은 전리층 오차 축소에 의한 편의 제거 효과가 다중경로와 잡음 증가, 미지수 추정 불확실성 영향보다 작을 때, 오히려 정확도가 SPP (PA I)에 비해 낮을 수 있음을 확인하였다.
전리층 오차 크기에 따른 이중주파수 절대측위 방식의 특징을 살펴보고자 동일 관측점에 대한 연도별 위치 결정 결과를 비교하였다. 무전리층 선형결합과 전리층 오차 추정 방식은 관측데이터에 포함된 전리층 오차 크기 증가에 따라 이를 축소하여 편의를 제거하는 효과가 잡음과 다중경로 증가, 미지수 추정 불확실성의 영향보다 커져 RMSE가 SPP에 비해 작았으며, 특히, 수평방향 정확도 향상이 뚜렷이 나타났다. 반면, 단순통합 측위 정확도는 SPP에 비해 낮은 것을 관찰할 수 있었으며, 이는 Klobuchar 모형에 의한 보정 후 잔존하는 전리층 오차 영향 때문으로 이해할 수 있다.
수신기 등급이 이중주파수 절대측위 결과에 미치는 영향을 살펴보고자 고성능 수신기 Leica GS10, Javad Alpha, 그리고 저가형 U-blox ZED-F9P를 활용한 실험을 수행하였다. 무전리층 선형결합과 전리층 오차 추정 방식의 수평방향 RMSE가 SPP에 비해 작은 것이 모든 등급의 수신기에 대해 동일하게 나타난 반면, 높이 방향에서는 수신기에 따라 다른 경향을 보였다. 단순통합 측위의 경우에는 서로 다른 세 수신기 모두 그 정확도가 SPP에 비해 낮은 공통점을 확인할 수 있었다.
무전리층 선형결합과 전리층 오차 추정 방식은 관측데이터에 포함된 전리층 오차 크기 증가에 따라 이를 축소하여 편의를 제거하는 효과가 잡음과 다중경로 증가, 미지수 추정 불확실성의 영향보다 커져 RMSE가 SPP에 비해 작았으며, 특히, 수평방향 정확도 향상이 뚜렷이 나타났다. 반면, 단순통합 측위 정확도는 SPP에 비해 낮은 것을 관찰할 수 있었으며, 이는 Klobuchar 모형에 의한 보정 후 잔존하는 전리층 오차 영향 때문으로 이해할 수 있다. 또 하나 주목할 점은 SPP와 단순통합측위의 정확도는 전리층 오차 크기 증가에 따라 정확도 하락이 뚜렷한 반면, 무전리층 선형결합과 전리층 오차 추정 방식의 경우 전리층 오차를 대폭 축소할 수 있기 때문에 일정 수준의 정확도를 유지한다는 것이다.
본 논문에서 전리층 오차 추정 방식은 개별 위성에 대한 STEC를 추정한 것으로 SPP에 비해 많은 위성 신호를 취득함에도 불구하고 DOF가 SPP와 이론적으로 동일하다. 하지만 VTEC를 추정한 후 사상함수를 적용하여 개별 위성에 대한 것으로 변환하면, 전리층 오차 보정과 함께 많은 관측데이터를 활용하는 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대되는 바 추후 연구에서는 이에 대한 실험을 추가로 수행해볼 필요가 있다.

후속연구

높이방향 RMSE에서는 PA II, III의 전리층 오차 축소 효과가 크게 나타나지 않았는데, 이는 높이방향 불확실성이 수평방향에 비해 크기 때문에 잡음 증가 및 미지수 추정 불확실성의 영향이 전리층 오차 축소 효과를 상쇄하였기 때문으로 이해할 수 있을 것이다. 그러나 태양 활동이 더 활발해져 관측데이터에 포함된 전리층 오차 크기가 더 증가한다면, 높이방향에서도 PA II, III에 의한 정확도 향상 효과를 취할 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구 결과는 특정 조건에서 수행한 실험에 기반한 것이므로 관측 위치, 수신기 종류, 태양 활동 정도, 현대화 위성 추가 발사에 의한 수신 L2C 신호 개수 증가 등에 따라 차이가 있을 수 있음에 유의할 필요가 있다.
본 논문에서 전리층 오차 추정 방식은 개별 위성에 대한 STEC를 추정한 것으로 SPP에 비해 많은 위성 신호를 취득함에도 불구하고 DOF가 SPP와 이론적으로 동일하다. 하지만 VTEC를 추정한 후 사상함수를 적용하여 개별 위성에 대한 것으로 변환하면, 전리층 오차 보정과 함께 많은 관측데이터를 활용하는 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대되는 바 추후 연구에서는 이에 대한 실험을 추가로 수행해볼 필요가 있다.

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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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