[논문]Accuracy Evaluation of KASS Augmented Navigation by Utilizing Commercial Receivers

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

doi:10.11003/jpnt.2023.12.4.349

Accuracy Evaluation of KASS Augmented Navigation by Utilizing Commercial Receivers 원문보기

Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.12 no.4, 2023년, pp.349 - 358

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

Abstract ▼ AI-Helper

The Satellite-Based Augmentation System (SBAS) plays a significant role in the fields of aviation and navigation: it corrects signal errors of the Global Navigation Satellite System (GNSS) and provides integrity information to facilitate precise positioning. These SBAS systems have been adopted as international standards by the International Civil Aviation Organization (ICAO). In recent SBAS system design, the Minimum Operational Performance Standards (MOPS) defined by the Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA) must be followed. In October 2014, South Korea embarked on the development of a Korean GPS precision position correction system, referred to as Korea Augmentation Satellite System (KASS). The goal is to achieve APV-1 Standard of Service Level (SoL) service level and acquisition of CAT-1 test operating technology. The first satellite of KASS, KASS Prototype 1, was successfully launched from the Guiana Space Centre in South America on June 23, 2020. In December 2022 and June 2023, the first and second service signals of KASS were broadcasted, and full-scale KASS correction signal broadcasting is scheduled to start at the end of 2023. The aim of this study is to analyze the precision of both the GNSS system and KASS system by comparing them. KASS is also compared with Japan's Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS), which is available in Korea. The final objective of this work is to validate the usefulness of KASS correction navigation in the South Korean operational environment.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Test environment configuration.
그림 Fig. 2. GNSS & SBAS (KASS) signal test bed setup using commercial receiver.
표 Table 1. Comparison of receivable frequencies.
표 Table 2. SBAS & using KASS message type.
표 Table 3. Meteorological parameters for tropospheric delay.
표 Table 4. Novatel single frequency solution error (m).
그림 Fig. 3. Single & Integrated navigation East-North-Up error.
그림 Fig. 4. KASS PRN 134 tracking information
표 Table 5. Four different commercial receivers KASS (SBAS) solution error (m).
그림 Fig. 5. Four different commercial receivers KASS (SBAS) East-North-Up error.
그림 Fig. 6. GNSS receiver tracking satellite.
표 Table 6. Improvement ratio of KASS and GNSS single navigation (%).
표 Table 7. KASS & MSAS navigation test result (m).
그림 Fig. 7. KASS & MSASS navigation East-North-up error.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

KASS는 2023년 6월 기준으로 1개의 위성을 통하여 테스트 메시지에 항공용 무결성 정보를 제외한 보정 메시지를 송출하는 시험 방송을 하고 있다. 본 연구에서는 GNSS 및 KASS 보정정보를 이용한 Differential GNSS (DGNSS) 항법의 위치 정확도를 비교 분석하고, 일본의 Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS)와 한국의 KASS 보정 성능을 비교하여 국내 환경에서의 유용성을 검토하고자 한다.
본 연구에서는 KASS 보정정보를 활용하여 다양한 상용 수신기의 위치 정확도에 미치는 영향을 평가하였다. 실험 결과, 모든 상용 수신기는 KASS 보정정보를 활용한 결과가 단일 주파수를 사용한 위치 오차와 비교해 2DRMS는 32%, 3D 정확도(90%)는 약 56%의 개선 효과를 보여주었다.

제안 방법

고가의 수신기는 저가 수신기에 비해 정확한 위치 정보를 제공할 수 있으며 DGNSS 및 Real Time Kinematic 보정정보를 활용할 때 이 효과는 보다 더 커질 수 있다. 본 연구에서는 국내 시험 서비스 중인 KASS 보정정보를 활용하여, 고가의 수신기부터 저가의 수신기까지 다양한 유형의 수신기에 대한 실험을 통해 수신기의 성능에 따른 위치 정확도 성능을 비교 평가하였다. SBAS 보정정보를 이용한 DGNSS 성능평가를 위하여, Novatel사의 OEM 7700, Trimble사의 BD-990, Ublox사의 ZED-F9P 및 Neo-M9N 수신기를 사용하였다.
또한, Ublox사의 Neo-M9N 수신기의 경우 GLONASS, Galileo, BeiDou 등 다양한 위성 신호 수신이 가능한 모델이나, 저렴한 가격대의 수신기로, 신호 추적 채널 부족으로 인하여 KASS 신호의 추적이 불규칙하게 이루어지는 문제가 발생하였다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 Neo-M9N 수신기의 설정에서 GLONASS 위성의 신호 추적을 비활성화하여 연속적으로 KASS 위성 신호를 안정적으로 추적할 수 있도록 설정을 변경하였다.
이 정보는 일반적으로 다른 보정치 중에서 가장 늦게 제공된다. 정의된 격자점에 대한 Ionospheric Grid Point Vertical Delay Estimator (IGP VDE)와, Grid Ionospheric Vertical Error Indicator (GIVEI)의 사용 가능 여부를 확인한다. 이 과정에서 600초 이상 된 정보는 유효 기간이 지났으므로 사용할 수 없으며, GIVEI 값이 15인 경우 해당 격자점에 대한 IGP VDE 값은 관측되지 않은 값으로 간주되므로 제외해야 한다.
한국형 SBAS인 KASS를 이용한 보정항법 위치 정확도를 평가하기 위하여 테스트 서비스 중인 KASS 보정메시지를 수신하도록 설정하였다. 각 수신기 별 KASS SBAS 위치 정확도 평가를 위하여 수신기를 테스트모드로 전환하여 Fig.
마지막으로 일본의 MSAS와 한국의 KASS를 비교하고 평가하였다. 현재 국내에서는 MSAS를 이용하여 항법 보정을 수행할 수 있으나, 국내 환경에 더 적합한 위치 서비스의 제공 여부를 판단하기 위해 두 시스템에 대한 정확도를 비교하였다. 이를 위하여 2023년 6월 27일 UTC 00시 00분부터 2023년 6월 27일 23시 59분까지 24시간 동안 시험을 수행하였다.

대상 데이터

실험에는 Fig. 2와 같이 Novatel사의 OEM 7700, Ublox사의 ZED-F9P 및 Neo-M9N 수신기를 포함한 세 개의 다른 제조사 4종류의 수신기 모델을 활용하여 보정정보의 정밀도 시험을 진행하였다. 이 중 Novatel사의 OEM 7700, Ublox사의 ZED-F9P, 그리고 Neo-M9N 수신기는 SBAS 테스트 모드 활성화 설정을 통해 KASS 보정을 수행이 가능하였다.
본 연구에서는 국내 시험 서비스 중인 KASS 보정정보를 활용하여, 고가의 수신기부터 저가의 수신기까지 다양한 유형의 수신기에 대한 실험을 통해 수신기의 성능에 따른 위치 정확도 성능을 비교 평가하였다. SBAS 보정정보를 이용한 DGNSS 성능평가를 위하여, Novatel사의 OEM 7700, Trimble사의 BD-990, Ublox사의 ZED-F9P 및 Neo-M9N 수신기를 사용하였다. Novatel사와 Trimble사의 수신기는 고가(약 1500만원 ~ 2000만원) 수신기에 속하며, Ublox 수신기는 상대적으로 저가(약 5만원 ~ 20만원) 수신기로 분류된다.
2와 같이 Novatel사의 OEM 7700, Ublox사의 ZED-F9P 및 Neo-M9N 수신기를 포함한 세 개의 다른 제조사 4종류의 수신기 모델을 활용하여 보정정보의 정밀도 시험을 진행하였다. 이 중 Novatel사의 OEM 7700, Ublox사의 ZED-F9P, 그리고 Neo-M9N 수신기는 SBAS 테스트 모드 활성화 설정을 통해 KASS 보정을 수행이 가능하였다. 반면, Trimble사의 BD-990 수신기는 SBAS 테스트 모드 활성화가 불가능하여 수신기 자체에서 KASS 보정을 수행할 수 없었다.

데이터처리

Table 2의 메시지 중 두 시스템의 서비스에 따라 MSAS는 0, 1, 3, 4, 7, 9, 10, 17, 18, 25, 26, 27, 63의 메시지를 사용하였고, KASS는 0, 1, 2, 3, 4, 7, 9, 10, 17, 18, 25, 26, 28, 63의 메시지를 활용하였다. KASS 및 MSAS의 보정항법 성능 비교는 Novatel OEM-7700 모델을 이용하여 수행하였으며 결과는 Table 7과 같다.
마지막으로 일본의 MSAS와 한국의 KASS를 비교하고 평가하였다. 현재 국내에서는 MSAS를 이용하여 항법 보정을 수행할 수 있으나, 국내 환경에 더 적합한 위치 서비스의 제공 여부를 판단하기 위해 두 시스템에 대한 정확도를 비교하였다.
이번 시험을 통해 Table 4와 같이 KASS의 정확도 비교를 위한 단일 항법 및 복합 항법의 정확도를 도출하였다. GPS only 조건에서 2DRMS 2.

성능/효과

Fig. 7을 통해 확인할 수 있듯이, 본 시험에서는 KASS를 이용한 보정항법의 오차가 MSAS에 비해 조금 더 향상된 정확성을 나타내었다. 또한 KASS가 국내 환경에서의 보정항법 위치 결정에서 기존 MSAS보다 좋은 위치 정확도를 제공할 가능성을 보여준다.
GPS + MSAS 사용 시 2DRMS 오차와 3D 정확도는 각각 1.844 m, 2.484 m를 얻었고, GPS + KASS를 사용 시 1.136 m, 1.307 m로 KASS가 MSAS에 비해 2DRMS는 38.4%, 3D 정확도 47.4%가 향상되었다. 이러한 결과가 국내 환경에서 MSAS 보다 KASS가 절대적으로 더 정확한 위치 정보를 보장한다고 할 순 없으나 적어도 동등 이상의 성능을 보임을 확인할 수 있었다.
Table 6과 같이 KASS와 단일 및 결합 항법 위치 정확도와 비교했을 때 Neo-M9N은 2DRMS 27.9%, 3D 정확도 54.4%, ZED-F9P는 2DRMS 46.9%, 3D 정확도 60.2%, Novatel OEM-7700 2DRMS 27.9%, 3D 정확도 54.4%, Trimble BD-990은 2DRMS 24.9%, 3D 정확도 56.4%의 위치 정확도가 개선되었으며, 평균적으로 2DRMS 32.7%, 3D 정확도 56.5%의 개선 효과를 확인할 수 있었다.
7을 통해 확인할 수 있듯이, 본 시험에서는 KASS를 이용한 보정항법의 오차가 MSAS에 비해 조금 더 향상된 정확성을 나타내었다. 또한 KASS가 국내 환경에서의 보정항법 위치 결정에서 기존 MSAS보다 좋은 위치 정확도를 제공할 가능성을 보여준다.
또한 MSAS와 KASS 보정항법의 위치 정확도 성능 비교실험 결과 KASS의 2DRMS는 38.4%, 3D 정확도(90%)에서는 47.4% 정도 향상되는 것으로 나타났다. 이번 실험은 정적 상태에서 수행되었으며, 추가적으로 수신환경에 따른 저가/고가의 수신기성능에 따른 멀티패스 영향을 크게 받는 지역에서의 실험이 필요할 것으로 보인다.
본 연구에서는 KASS 보정정보를 활용하여 다양한 상용 수신기의 위치 정확도에 미치는 영향을 평가하였다. 실험 결과, 모든 상용 수신기는 KASS 보정정보를 활용한 결과가 단일 주파수를 사용한 위치 오차와 비교해 2DRMS는 32%, 3D 정확도(90%)는 약 56%의 개선 효과를 보여주었다.
6에서 확인할 수 있는 바와 같이 위성 수를 비교한 결과, ZED-F9P가 OEM-7700 및 BD-990보다 더 많은 위성을 추적하는 것으로 확인되었다. 이로 인해 DOP가 개선되어 항법 정확도 면에서 비교적 우수한 결과를 보였다. 이러한 결과는 24시간 동안의 시험을 기반으로 한 것이며, 추후 다수의 시험을 통해 결과를 분석할 필요가 있을 것으로 판단된다.
이번 연구 결과는 KASS를 활용한 보정항법이 저가 수신기와 고가 수신기 간의 성능 차이를 크게 줄일 수 있음을 시사한다. 따라서 저가의 수신기를 활용하여도 KASS 위성을 이용한 보정항법으로 신뢰할 수 있을만한 위치 정확도를 제공할 수 있으며, 이는 고가 수신기 대체에 따른 비용 절감 및 국내 항법 기술 발전에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.

후속연구

이번 연구 결과는 KASS를 활용한 보정항법이 저가 수신기와 고가 수신기 간의 성능 차이를 크게 줄일 수 있음을 시사한다. 따라서 저가의 수신기를 활용하여도 KASS 위성을 이용한 보정항법으로 신뢰할 수 있을만한 위치 정확도를 제공할 수 있으며, 이는 고가 수신기 대체에 따른 비용 절감 및 국내 항법 기술 발전에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다. 향후 동적 테스트와 다양한 환경에서의 실험을 통해 이러한 결과를 뒷받침하고 확장하는 노력이 필요할 것으로 보인다.
이로 인해 DOP가 개선되어 항법 정확도 면에서 비교적 우수한 결과를 보였다. 이러한 결과는 24시간 동안의 시험을 기반으로 한 것이며, 추후 다수의 시험을 통해 결과를 분석할 필요가 있을 것으로 판단된다.
4% 정도 향상되는 것으로 나타났다. 이번 실험은 정적 상태에서 수행되었으며, 추가적으로 수신환경에 따른 저가/고가의 수신기성능에 따른 멀티패스 영향을 크게 받는 지역에서의 실험이 필요할 것으로 보인다.
따라서 저가의 수신기를 활용하여도 KASS 위성을 이용한 보정항법으로 신뢰할 수 있을만한 위치 정확도를 제공할 수 있으며, 이는 고가 수신기 대체에 따른 비용 절감 및 국내 항법 기술 발전에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다. 향후 동적 테스트와 다양한 환경에서의 실험을 통해 이러한 결과를 뒷받침하고 확장하는 노력이 필요할 것으로 보인다.

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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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