[논문]지역 위성항법시스템 항법메시지 및 광역 보정정보 성능 분석을 위한 MATLAB GUI 기반 소프트웨어 개발

박재욱; 김부겸; 기창돈; 김동욱

doi:10.12673/jant.2023.27.5.510

지역 위성항법시스템 항법메시지 및 광역 보정정보 성능 분석을 위한 MATLAB GUI 기반 소프트웨어 개발
Development of MATLAB GUI-based Software for Performance Analysis of RNSS Navigation Message and WAD-RNSS Correction 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.27 no.5, 2023년, pp.510 - 518

박재욱 (서울대학교 항공우주공학과, 정밀기계설계공동연구소) , 김부겸 (서울대학교 항공우주공학과, 정밀기계설계공동연구소) , 기창돈 (서울대학교 항공우주공학과, 정밀기계설계공동연구소) , 김동욱 (국방과학연구소)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 지역 위성항법시스템의 항법메시지와 광역 보정정보 성능 분석을 위해 MATLAB GUI (graphic user interface) 기반으로 개발된 소프트웨어에 대해 소개한다. 본 소프트웨어는 한반도 및 주변 지역에 서비스를 제공하는 가상의 지역 위성항법시스템의 감시국 및 기준국 배치에 따른 항법메시지와 광역 보정정보의 위성 궤도/시각 관련 성능을 분석하기 위해 개발되었다. 본 소프트웨어 구동 시 항법메시지 및 광역 보정정보가 MATLAB 파일 형식으로 출력된다. 개발된 소프트웨어의 출력을 검증한 결과, 궤도 및 시계 예측 오차가 통계적 예측에 부합하며, 파라미터 피팅 오차가 cm 수준임을 확인하였다. 또한, 광역 보정정보가 측정치 차원의 오차를 81.9% 개선함을 확인하여 유효한 항법메시지 및 광역 보정정보 성능 분석이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduces a MATLAB graphical user interface (GUI) based software for performance analysis of navigation message and wide area differential correction of regional navigation satellite system (RNSS). This software was developed to analyze satellite orbit/clock-related performance of navigation message and wide area differential correction simulating RNSS for regions near Korea based on different distributions of monitor and reference stations. As a result of software operation, navigation message and wide area differential correction are given as output in MATLAB file format. From the analysis of output, it was confirmed that valid navigation message and wide area differential correction could be generated from the results about statistical feature of orbit and clock prediction errors, cm-level fitting errors for navigation message parameters, and 81.9% enhancement in range error for wide area differential correction.

주제어

표/그림 (20)

그림 그림 1. 소프트웨어 구성도 Fig. 1. Block diagram of software
그림 그림 2. 소프트웨어 메인 화면 Fig. 2. Main window of software
그림 그림 3. 감시국 구성 선택 창 Fig. 3. Window for monitor station selection
그림 그림 4. RNSS 궤도 결정 및 예측 결과 창 Fig. 4. Window for RNSS orbit determination and prediction results
그림 그림 5. RNSS 항법메시지 생성 시 피팅 결과 창 Fig. 5. Window for fitting results in RNSS navigation message generation
그림 그림 6. Standalone RNSS와 WAD-RNSS 위치 오차 결과 창 Fig. 6. Window for positioning error results of standalone RNSS and WAD-RNSS
표 표 1. 검증 및 성능 평가 시나리오 상세 설정 Table. 1. Configurations for performance assessment
그림 그림 7. 검증 및 성능 평가 시나리오 (좌: 감시국 및 기준국, 우: 사용자) Fig. 7. Performance evaluation scenario (Left: Stations, Right: Users)
그림 그림 8. RNSS 궤도 결정 및 예측 결과 (좌: 결정, 우: 예측) Fig. 8. RNSS orbit determination and prediction results (Left: Determination, Right: Prediction)
그림 그림 9. RNSS 시각 결정 및 예측 결과 (좌: 결정, 우: 예측) Fig. 9. RNSS clock determination and prediction results (Left : Determination, Right: Prediction)
표 표 2. 궤도 동역학 모델 설정 Table. 2. Orbit dynamics model configurations
표 표 3. 측정치 모델 설정 Table. 3. Measurements model configurations
표 표 4. 항법메시지 생성 관련 설정 Table. 4. Navigation message generation configurations
표 표 5. RNSS 궤도/시각 결정 및 예측 결과 통계 (RMS) Table. 5. Statistics for RNSS orbit/clock determination and prediction results (RMS)
그림 그림 10. RNSS 항법메시지 피팅 오차 (좌: 방송궤도력, 우: 위성 시계 보정정보) Fig. 10. Fitting errors of RNSS navigation message (Left : Ephemeris, Right: SV clock correction)
그림 그림 11. Standalone RNSS와 WAD-RNSS의 SIS URE (좌: 사용자 위치, 우: SIS URE) Fig. 11. SIS URE of standalone RNSS and WAD-RNSS (Left: Location of users, Right: SIS URE)
표 표 6. RNSS 항법메시지 피팅 오차 (24시간 RMS) Table. 6. RNSS navigation message fitting error (24 hour RMS)
표 표 7. Standalone RNSS와 WAD-RNSS의 SIS URE (24시간 RMS) Table. 7. SIS URE of standalone RNSS and WAD-RNSS (24 hour RMS)
표 표 8. Standalone RNSS와 WAD-RNSS의 위치 오차 (24시간 RMS) Table. 8. Position error of standalone RNSS and WAD-RNSS (24 hour RMS)
그림 그림 12. Standalone RNSS와 WAD-RNSS의 위치 오차 등고선 지도 (24시간 RMS) (상: Standalone RNSS, 하: WAD-RNSS) Fig. 12. Contour map of position error of standalone RNSS and WAD-RNSS (24 hour RMS) (Top: Standlaone RNSS, Bottom: WAD-RNSS)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 한반도 및 주변 지역에 서비스를 제공하는 가상의 RNSS의 위성 궤도/시각 정보 관련 항법메시지와 광역보정정보의 성능을 분석하는 소프트웨어를 소개하였다. 시뮬레이션 기반으로 RNSS 항법위성, 감시국 및 기준국을 모사하여 참값 궤도 및시계, 측정치를 생성하였고, 이를 기반으로 궤도/시각 예측을 통한 항법메시지 생성, 항법메시지의 오차에 대한 광역 보정정보 생성을 수행하였다.
본 소프트웨어로 생성한 항법메시지 및 광역 보정정보의 성능 평가하기 위해 이를 활용한 사용자의 측위 결과를 확인하였다. 해당 분석에서는 궤도 및 시계 정보의 측위 정확도의 영향만을 평가하기 위해 사용자의 전리층 지연 오차는 참값으로 제거되며 대류층 지연 오차는 모델로 제거됨을 가정하였으며, 별도의 평활화를 거치지 않은 측정치를 활용하였다.

가설 설정

본 소프트웨어로 생성한 항법메시지 및 광역 보정정보의 성능 평가하기 위해 이를 활용한 사용자의 측위 결과를 확인하였다. 해당 분석에서는 궤도 및 시계 정보의 측위 정확도의 영향만을 평가하기 위해 사용자의 전리층 지연 오차는 참값으로 제거되며 대류층 지연 오차는 모델로 제거됨을 가정하였으며, 별도의 평활화를 거치지 않은 측정치를 활용하였다. 그림 12는 시나리오에 상정한 사용자들의 24시간 RMS 위치 오차 등고선 지도를 나타낸 것으로, 상단 좌측과 우측 그래프는 각각 Standalone RNSS의 수평과 수직 측위 오차를, 하단 좌측과 우측 그래프는 각각 WAD-RNSS의 수평과 수직 측위 오차를 나타낸다.

제안 방법

RNSS의 항법메시지는 다른 GNSS와 마찬가지로 항법위성의 궤도/시각 예측 결과를 기반으로 생성된다, 이를 위해 RNSS의 지상 부분에서는 예측에 앞서 측정치와 동역학 정보를 결합하여 현재 시점까지의 궤도/시각 정보를 결정한 뒤, 그 결정 결과로부터의 동역학 정보를 활용하여 미래 시점의 예측을 수행한다. 본 소프트웨어에서는 이러한 지상 부분의 궤도/시각 결정 및 예측 필터를 확장칼만필터 기반으로 구현하였다.
개발된 소프트웨어의 항법메시지 및 광역 보정정보 생성 결과를 검증하기 위해 앞선 설정으로 처리한 궤도 결정, 항법메시지 피팅, 광역 보정정보 결과를 확인하였다. 2장에서 언급한 바와 같이 측정치 정보를 활용한 궤도/시각 결정 후, 그 결과로부터 측정치 정보가 없는 미래의 시간 구간에 대한 궤도/시각 예측을 수행하였다.
따라서, 본 논문에서는 한반도 및 그 주변을 대상으로 하는 가상의 RNSS 및 WAD-RNSS 설계 시 활용할 수 있도록 감시국 및 기준국 배치에 따른 항법위성의 궤도/시각 정보 관련 항법메시지 및 광역 보정정보의 성능 분석이 가능한 시뮬레이션 소프트웨어를 제작하였고, 이를 MATLAB GUI로 구현하였다.
RNSS의 항법메시지는 다른 GNSS와 마찬가지로 항법위성의 궤도/시각 예측 결과를 기반으로 생성된다, 이를 위해 RNSS의 지상 부분에서는 예측에 앞서 측정치와 동역학 정보를 결합하여 현재 시점까지의 궤도/시각 정보를 결정한 뒤, 그 결정 결과로부터의 동역학 정보를 활용하여 미래 시점의 예측을 수행한다. 본 소프트웨어에서는 이러한 지상 부분의 궤도/시각 결정 및 예측 필터를 확장칼만필터 기반으로 구현하였다. 해당 필터에서 추정되는 상태 벡터는 식 (1)과 같이 모든 위성 위치와 시계 오프셋, 모든 감시국 시계 오프셋 정보를 포함하도록 구성된다.
본 논문에서는 한반도 및 주변 지역에 서비스를 제공하는 가상의 RNSS의 위성 궤도/시각 정보 관련 항법메시지와 광역보정정보의 성능을 분석하는 소프트웨어를 소개하였다. 시뮬레이션 기반으로 RNSS 항법위성, 감시국 및 기준국을 모사하여 참값 궤도 및시계, 측정치를 생성하였고, 이를 기반으로 궤도/시각 예측을 통한 항법메시지 생성, 항법메시지의 오차에 대한 광역 보정정보 생성을 수행하였다. 생성 결과에 대한 검증 결과, 24시간 궤도/시각 예측의 오차가 표준편차 내에 유지됨을 확인하여 궤도/시각 결정 및 예측 필터를 검증하였고, 항법메시지 피팅 오차가 cm 수준임을 확인하여 항법메시지 생성 과정을 검증할 수 있었다.
항법메시지 생성 결과를 검증하기 위해, 24시간의 궤도/시각 예측 결과를 항법메시지의 형태인 방송궤도력 및 위성 시계 보정정보로 피팅하였을 때의 피팅 오차를 확인하였다. 피팅 오차는 항법메시지와 사용자 알고리듬으로 궤도/시각 정보를 계산한 결과와 항법메시지를 생성하는데 사용된 예측 결과의 차이를 의미한다.

성능/효과

그림 12는 시나리오에 상정한 사용자들의 24시간 RMS 위치 오차 등고선 지도를 나타낸 것으로, 상단 좌측과 우측 그래프는 각각 Standalone RNSS의 수평과 수직 측위 오차를, 하단 좌측과 우측 그래프는 각각 WAD-RNSS의 수평과 수직 측위 오차를 나타낸다. RNSS 항법메시지만을 사용하는 Standalone RNSS의 경우보다 WAD-RNSS 광역 보정정보까지 적용하였을 때 위치 오차가 전반적으로 개선됨을 확인할 수 있다. 표 8은 사용자가 분포하는 전체 영역 측위 오차에 대한 RMS 값을 제시한 것으로, RNSS 항법메시지만을 사용할 때 5 m 수준의 수평 및 수직 오차가 WAD-RNSS 광역 보정정보를 적용하면 1 m 수준으로 81.
생성 결과에 대한 검증 결과, 24시간 궤도/시각 예측의 오차가 표준편차 내에 유지됨을 확인하여 궤도/시각 결정 및 예측 필터를 검증하였고, 항법메시지 피팅 오차가 cm 수준임을 확인하여 항법메시지 생성 과정을 검증할 수 있었다. 또한, 광역 보정정보 적용 시 궤도/시각 오차에 의한 측정치 차원의 오차인 SIS URE가 81.9% 개선됨을 확인함으로써 광역 보정정보 생성도 검증할 수 있다. 생성한 RNSS 항법메시지와 광역 보정정보의 성능을 비교한 결과, 항법메시지를 통해선 24시간 RMS 5 m 수준의 수평 및 수직 측위 오차를 얻었고 광역 보정정보 추가 적용 시 이를 1 m 수준으로개선할 수 있음을 확인하였다.
다음으로 광역 보정정보 생성 모듈에서는 앞서 생성한 항법메시지의 궤도 및 시계 오차를 추정한다. 본 프로그램은 결과로서 궤도 및 시계 결정 및 예측 정확도와 이를 기반으로 한 항법메시지 및 광역 보정정보 활용 시사용자 측위 정확도 결과를 제공한다.
시뮬레이션 기반으로 RNSS 항법위성, 감시국 및 기준국을 모사하여 참값 궤도 및시계, 측정치를 생성하였고, 이를 기반으로 궤도/시각 예측을 통한 항법메시지 생성, 항법메시지의 오차에 대한 광역 보정정보 생성을 수행하였다. 생성 결과에 대한 검증 결과, 24시간 궤도/시각 예측의 오차가 표준편차 내에 유지됨을 확인하여 궤도/시각 결정 및 예측 필터를 검증하였고, 항법메시지 피팅 오차가 cm 수준임을 확인하여 항법메시지 생성 과정을 검증할 수 있었다. 또한, 광역 보정정보 적용 시 궤도/시각 오차에 의한 측정치 차원의 오차인 SIS URE가 81.
9% 개선됨을 확인함으로써 광역 보정정보 생성도 검증할 수 있다. 생성한 RNSS 항법메시지와 광역 보정정보의 성능을 비교한 결과, 항법메시지를 통해선 24시간 RMS 5 m 수준의 수평 및 수직 측위 오차를 얻었고 광역 보정정보 추가 적용 시 이를 1 m 수준으로개선할 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서 소개한 소프트웨어를 추가적으로 활용한다면, 항법메시지 생성 시 요구성능을 만족할 수 있는 예측 시간 선정 등도 수행할 수 있을 것으로 보인다.
RNSS 항법메시지만을 사용하는 Standalone RNSS의 경우보다 WAD-RNSS 광역 보정정보까지 적용하였을 때 위치 오차가 전반적으로 개선됨을 확인할 수 있다. 표 8은 사용자가 분포하는 전체 영역 측위 오차에 대한 RMS 값을 제시한 것으로, RNSS 항법메시지만을 사용할 때 5 m 수준의 수평 및 수직 오차가 WAD-RNSS 광역 보정정보를 적용하면 1 m 수준으로 81.9% 개선됨을 확인할 수 있다.
표 7은 24시간 RMS 값을 나타낸다. 해당 표와 그래프를 통해 본 소프트웨어로 생성한 항법메시지 활용 시 SIS URE가 WAD-RNSS보정정보도 적용하면 81% 개선됨을 확인할 수 있다.

후속연구

본 논문에서 소개한 소프트웨어를 추가적으로 활용한다면, 항법메시지 생성 시 요구성능을 만족할 수 있는 예측 시간 선정 등도 수행할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 항법메시지 및 광역 보정정보에 위성궤도/시각 정보 이외에도 전리층 관련 정보 등을 추가하거나 데이터 규격에 대해서도 고려한다면 보다 현실적인 분석을 수행할수 있을 것으로기대한다.
생성한 RNSS 항법메시지와 광역 보정정보의 성능을 비교한 결과, 항법메시지를 통해선 24시간 RMS 5 m 수준의 수평 및 수직 측위 오차를 얻었고 광역 보정정보 추가 적용 시 이를 1 m 수준으로개선할 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서 소개한 소프트웨어를 추가적으로 활용한다면, 항법메시지 생성 시 요구성능을 만족할 수 있는 예측 시간 선정 등도 수행할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 항법메시지 및 광역 보정정보에 위성궤도/시각 정보 이외에도 전리층 관련 정보 등을 추가하거나 데이터 규격에 대해서도 고려한다면 보다 현실적인 분석을 수행할수 있을 것으로기대한다.

참고문헌 (14)

E. D. Kaplan, and C. J. Hegarty, Understanding GPS/GNSS:？Principles and Applications, 3rd ed. Boston, MA: Artech？House, 2017.
J. M. Joo, and M. B. Heo, "Korean Positioning System？Development Plan," in Proceeding of 2020 IPNT？Conference, Yeosu, Korea, pp. 29-30, 2020.
Global Positioning System Standard Positioning Service？Performance Standard, Department of Defense, GPS SPS？PS, Apr. 2020.
C. D. Kee, B. W. Parkinson, and P. Axelrad, "Wide area？differential GPS," NAVIGATION: Journal of the Institute of？Navigation, Vol. 38, No. 2, pp. 123-146, 1991.
D. U. Kim, H. M. So, and J. P. Park, "Performance Analysis？of Wide-Area Differential Positioning Based on Regional？Navigation Satellite System," Journal of Positioning,？Navigation, and Timing, Vol. 10, No. 1, pp. 35-42, Mar.？2021.

원문보기 상세보기
J. U. Park, B. G. Kim, C. D. Kee, and D. U. Kim, "Performance？Analysis of Real-time Orbit Determination and Prediction for？Navigation Message of Regional Navigation Satellite System,"？Journal of Positioning, Navigation, and Timing, Vol. 12,？No. 2, pp. 167-176, Jun. 2023.

원문보기 상세보기
Quasi-Zenith Satellite System Interface Specification？Satellite Positioning, Navigation, and Timing Service,？Cabinet Office, IS-QZSS-PNT-004, Jan. 2021.
BeiDou Navigation Satellite System Signal In Space？Interface Control Document: Open Service Signal B1I,？China Satellite Navigation Office, BDS-SIS-ICD-B1I-3.0,？Feb. 2019.
X. Fu, and M. Wu, "Optimal design of broadcast ephemeris？parameters for a navigation satellite system," GPS Solutions,？Vol. 16, No. 4, pp. 439-448, Oct. 2012.

상세보기
D. Y. Kim, A Study on Correction Generation Algorithms for？Wide Area Differential GNSS, Ph.D. dissertation, Seoul？National University, Seoul, Korea, 2007.
S. B. Chun, and M. B. Heo, "Conceptual Design of Ground？Infrastructure for the Korean Satellite Navigation System," in Proceeding of the Society for Aerospace System Engineering？2019 Fall Conference, Changwon, Korea, 2019.
S. L. Cho, H. J. Jang, H. H. Jeong, B. S. Lee, and G. W. Nam,？"The Development for KASS Reference Station Site," The？Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 24, No.？4, pp. 273-279, Aug. 2020.
G. M. Kim, H. J. Oh, C. D. Park, and S. M. Seo, "Real-Time？Orbit Determination of Korean Navigation Satellite System？based on Multi-GNSS Precise Point Positioning," in？Proceeding of the International Symposium on Global？Navigation Satellite System 2018 (ISGNSS 2018), Bali,？Indonesia, 2019.
Quasi-Zenith Satellite System Service Performance Report？for 1stH FY2021: Satellite Positioning, Navigation, and？Timing Service (PNT), Quasi-Zenith Satellite System？Services Inc., Feb. 2022.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증