[논문]QZSS SLAS 보정정보 정확도의 장기간 성능분석

김용래; 김희섭; 김정래

doi:10.11003/jpnt.2024.13.4.457

[국내논문] QZSS SLAS 보정정보 정확도의 장기간 성능분석
Long-term Evaluation of QZSS SLAS Correction Accuracy 원문보기

Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.13 no.4, 2024년, pp.457 - 466

김용래 (Department of Aeronautical and Astronautical Engineering, Korea Aerospace University) , 김희섭 (Satellite Application Division at Korea Aerospace Research Institute (KARI)) , 김정래 (Department of Aeronautical and Astronautical Engineering, Korea Aerospace University)

Abstract ▼ AI-Helper

The quasi-zenith satellite system (QZSS) provides sub-meter level augmentation service (SLAS) to improve the positioning accuracy of single-frequency GPS L1 receiver users. The SLAS correction consists of differential GPS information (DGPS) and the corrections are transmitted via quasi-zenith satellites (QZS). The DGPS correction reduces the effect of pseudo-range errors due to satellite orbit, clock and atmospheric delay errors. Thirteen SLAS reference stations in Japan generate the correction data. The performance of the DGPS correction depends on several factors, including location of reference stations, distance between the user and reference station, etc. The long-term performance of the SLAS corrections was evaluated by processing data over a five-year period (2019-2023). The SLAS corrections were applied to GPS observations at the IGS stations in Japan and the positioning accuracy was evaluated. The correlation with the ionospheric activity and the latitude of the SLAS reference stations was also evaluated.

Keyword

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. QZSS 7SV constellation ground track.
그림 Fig. 2. Location of SLAS reference stations.
그림 Fig. 3. Service area of the SLAS (Japan Cabinet Office 2022).
표 Table 1. QZSS signal and service according to satellite (Sakai 2024).
표 Table 2. SLAS message type information (Japan Cabinet Office 2024b).
그림 Fig. 4. SLAS correction magnitude skyplot at Hitachiota station (unit: m).
그림 Fig. 5. Daily variation of SLAS correction magnitude and GPS ionospheric delay at Hitachiota station (2019-2023).
그림 Fig. 6. The correlation between GPS ionospheric delay and SLAS correction at Hitachiota station (2019-2023).
그림 Fig. 7. Daily variation of SLAS correction magnitude at three reference stations.
그림 Fig. 8. Five year mean of SLAS correction magnitude along latitude (2019-2023).
그림 Fig. 9. Locations of SLAS reference stations and IGS ground stations.
표 Table 3. Distance between SLAS reference stations and IGS ground stations (unit: km).
그림 Fig. 10. Horizontal positioning error at ISHI ground station on January 1, 2023.
그림 Fig. 11. Vertical positioning error at ISHI ground station on January 1, 2023.
그림 Fig. 12. Horizontal positioning error RMS with GPS-only operation at four ground stations.
그림 Fig. 13. Horizontal positioning error RMS with SLAS corrections at four ground stations.
그림 Fig. 14. Vertical positioning error RMS with GPS-only operation at four ground stations.
그림 Fig. 15. Vertical positioning error RMS with SLAS corrections at four ground stations.
그림 Fig. 16. Horizontal positioning error RMS with GPS-only operation at three ground stations.
그림 Fig. 17. Horizontal positioning error RMS with SLAS corrections at three ground stations.
그림 Fig. 18. Vertical positioning error RMS with GPS-only operation at three ground stations.
그림 Fig. 19. Vertical positioning error RMS with SLAS corrections at three ground stations.
표 Table 4. Positioning error reduction rate by SLAS corrections.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 QZSS SLAS 보정정보가 장기간에 걸쳐 일본 내 GPS 위치정확도 향상에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 5년간의 SLAS 및 GPS 데이터를 이용하여 위치추정 성능을 평가하였다. SLAS 보정정보를 후처리 방식으로 적용하여 일본 내 IGS 지상국에서 수집된 GPS 데이터를 처리하였으며, 위치정확도 향상 효과를 체계적으로 분석하였다.
2019년 1월 1일부터 2023년 12월 31일까지 총 5년간 GPS 단독 운영과 SLAS 보정정보 사용 시 위치정확도를 비교하기 위해 위치추정 시험을 진행하였다. 이 시험은 GPS를 단독으로 사용할 때와 SLAS 보정정보를 추가로 활용할 때의 위치정확도를 비교하고, SLAS 보정정보의 성능을 체계적으로 분석하고자 하는 목적을 가지고 있다. 이번 시험에서는 위성항법시스템으로 GPS를 사용하였으며, 총 32기의 위성 데이터를 활용하였다.
본 연구에서는 QZSS SLAS 보정정보가 GPS L1 코드 의사거리의 차분 보정정보를 제공하여 위치정확도를 향상시키는 효과를 분석하였다. 일본 내 3개 SLAS 기준국과 6개 IGS 지상국의 5년간 데이터를 이용하였다.

제안 방법

본 연구에서는 QZSS SLAS 보정정보가 장기간에 걸쳐 일본 내 GPS 위치정확도 향상에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 5년간의 SLAS 및 GPS 데이터를 이용하여 위치추정 성능을 평가하였다. SLAS 보정정보를 후처리 방식으로 적용하여 일본 내 IGS 지상국에서 수집된 GPS 데이터를 처리하였으며, 위치정확도 향상 효과를 체계적으로 분석하였다. 2장에서는 SLAS 보정정보와 적용 방법에 대해 설명하고, 3장에서는 위치추정에 사용된 SLAS 기준국과 IGS 지상국에 대해 설명한다.
2023년 1월 1일에 일본의 Hitachiota 기준국에서 수신된 SLAS 의사거리 보정정보를 분석하여, 경사각과 방위각에 따른 보정값의 분포 특성을 파악하였다. SLAS는 사용자 위치에 따른 전리층과 대류층의 신호 지연을 보정하여 높은 위치정확도를 제공하는데, 본 분석에서는 한반도와 비슷한 위도에 위치한 기준국에서 이러한 보정값이 경사각에 따라 어떻게 변하는지, 특히 낮은 경사각에서의 보정값이 커지는 경향을 확인하였다. 분석을 위해 경사각 제한을 10°로 설정하여 그 이상의 경사각을 갖는 신호만을 평가 대상으로 하였으며, skyplot을 활용하여 방위각과 경사각에 따른 보정값의 분포를 시각화하였다.
2019년 1월 1일부터 2023년 12월 31일까지 총 5년간 GPS 단독 운영과 SLAS 보정정보 사용 시 위치정확도를 비교하기 위해 위치추정 시험을 진행하였다. 이 시험은 GPS를 단독으로 사용할 때와 SLAS 보정정보를 추가로 활용할 때의 위치정확도를 비교하고, SLAS 보정정보의 성능을 체계적으로 분석하고자 하는 목적을 가지고 있다.
Sapporo 기준국은 인근 STK2 지상국 데이터를 사용하였고, Hitachiota 기준국은 주변의 ISHI, USUD, MTKA와 SMST 지상국 데이터를 사용하였다. 저위도의 Chichijima 기준국은 가장 가까운 CCJ2 지상국의 데이터를 사용하여, 위도 및 기준국과의 거리 차이에 따른 보정 성능의 변화를 확인할 수 있도록 하였다. IGS 지상국 위치의 참값으로는 SINEX 형식의 IGS 지상국 위치솔루션 데이터를 사용하였다.

대상 데이터

분석을 위해 경사각 제한을 10°로 설정하여 그 이상의 경사각을 갖는 신호만을 평가 대상으로 하였으며, skyplot을 활용하여 방위각과 경사각에 따른 보정값의 분포를 시각화하였다.
보정정보는 2초 간격으로 전송되며, 기준국별 정보는 30초마다 갱신된다. SLAS 데이터는 week number, time of week, L1S 메시지 등의 정보를 포함한 16진수 바이너리 형식으로 제공되며, 이를 해석하여 보정정보를 추출할 수 있다.
2023년 1월 1일에 일본의 Hitachiota 기준국에서 수신된 SLAS 의사거리 보정정보를 분석하여, 경사각과 방위각에 따른 보정값의 분포 특성을 파악하였다. SLAS는 사용자 위치에 따른 전리층과 대류층의 신호 지연을 보정하여 높은 위치정확도를 제공하는데, 본 분석에서는 한반도와 비슷한 위도에 위치한 기준국에서 이러한 보정값이 경사각에 따라 어떻게 변하는지, 특히 낮은 경사각에서의 보정값이 커지는 경향을 확인하였다.
이번 분석에는 일본 내 경도는 유사하지만 서로 다른 위도에 위치한 세 개의 기준국, 즉 북위 43.2°의 Sapporo, 북위 36.6°의 Hitachiota, 그리고 북위 27.1°의 Chichijima 기준국의 보정값 데이터를 사용하였다
이 시험은 GPS를 단독으로 사용할 때와 SLAS 보정정보를 추가로 활용할 때의 위치정확도를 비교하고, SLAS 보정정보의 성능을 체계적으로 분석하고자 하는 목적을 가지고 있다. 이번 시험에서는 위성항법시스템으로 GPS를 사용하였으며, 총 32기의 위성 데이터를 활용하였다. 또한 SLAS 보정정보의 품질과 성능을 평가하기 위해 Fig.
또한 SLAS 보정정보의 품질과 성능을 평가하기 위해 Fig. 9와 같이 SLAS 기준국 3곳과 IGS 지상국 6곳이 함께 사용되었다. 경사각 제한을 10°로 설정하였으며, L1 C/A 코드 의사거리를 통해 위치추정을 수행하였다.
SLAS 기준국은 일본 내 위도에 따라 서로 다른 환경에서 보정정보를 수집할 수 있도록 Sapporo, Hitachiota, Chichijima의 3곳이 선정되었다. Sapporo는 일본의 고위도 지역에, Hitachiota는 중위도 지역에, Chichijima는 저위도 지역에 위치해 있어 위도별 보정 성능 차이를 평가하는 데 적합하다.
IGS 지상국은 SLAS 기준국과의 거리 차이를 고려하여 총 6곳이 선정되었다. Sapporo 기준국은 인근 STK2 지상국 데이터를 사용하였고, Hitachiota 기준국은 주변의 ISHI, USUD, MTKA와 SMST 지상국 데이터를 사용하였다.
IGS 지상국은 SLAS 기준국과의 거리 차이를 고려하여 총 6곳이 선정되었다. Sapporo 기준국은 인근 STK2 지상국 데이터를 사용하였고, Hitachiota 기준국은 주변의 ISHI, USUD, MTKA와 SMST 지상국 데이터를 사용하였다. 저위도의 Chichijima 기준국은 가장 가까운 CCJ2 지상국의 데이터를 사용하여, 위도 및 기준국과의 거리 차이에 따른 보정 성능의 변화를 확인할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 QZSS SLAS 보정정보가 GPS L1 코드 의사거리의 차분 보정정보를 제공하여 위치정확도를 향상시키는 효과를 분석하였다. 일본 내 3개 SLAS 기준국과 6개 IGS 지상국의 5년간 데이터를 이용하였다. 다양한 거리 및 위도 조건에서 성능을 평가한 결과, SLAS 보정정보 적용 시 GPS 단독 운용 대비 수평위치오차가 최대 58.
저위도의 Chichijima 기준국은 가장 가까운 CCJ2 지상국의 데이터를 사용하여, 위도 및 기준국과의 거리 차이에 따른 보정 성능의 변화를 확인할 수 있도록 하였다. IGS 지상국 위치의 참값으로는 SINEX 형식의 IGS 지상국 위치솔루션 데이터를 사용하였다. Table 3은 일본 내 13개 SLAS 기준국과 15개 IGS 지상국 사이의 거리를 계산한 결과이다.

데이터처리

2023년 1월 1일, ISHI 지상국의 위치추정 결과를 분석한 결과, SLAS 보정정보의 적용이 위치정확도 향상에 기여하는 것으로 나타났다. 이번 실험에서는 ISHI 지상국에서 약 50.8 km 떨어진 Hitachiota 기준국의 보정정보를 사용하여 GPS 단독 운영과 비교하였다. Fig.

성능/효과

위도에 따른 GPS 단독 운용과 SLAS 보정정보 사용 시의 성능 분석 결과, 저위도 지역에서 SLAS 보정정보 적용 시 수평위치오차 감소율이 높게 나타났다. 예를 들어, 저위도 지역의 CCJ2 지상국은 전리층의 영향을 크게 받아 GPS 단독 운용 시 수평위치오차가 크게 나타났으나, SLAS 보정정보를 적용한 후 위치오차 감소율이 58.
6%로 계산되었다. 결과적으로 보정정보 적용 시 세 지상국은 모두 동일한 수준의 오차 수준을 보여주었고, 이는 SLAS 보정정보가 저위도에서는 수평위치오차를 보정하는 데 더 효과적임을 시사한다. SLAS 기준국과 IGS 지상국 사이의 거리 및 수평, 수직위치오차 감소율을 Table 4에 정리하였다.
일본 내 3개 SLAS 기준국과 6개 IGS 지상국의 5년간 데이터를 이용하였다. 다양한 거리 및 위도 조건에서 성능을 평가한 결과, SLAS 보정정보 적용 시 GPS 단독 운용 대비 수평위치오차가 최대 58.6%까지, 수직위치오차가 최대 53.2%까지 감소하였다. 기준국과 지상국 간의 거리가 가까울수록 수직위치오차의 감소 효과가 두드러졌으며, 수평위치오차 또한 동일한 양상을 나타내었다.
2%까지 감소하였다. 기준국과 지상국 간의 거리가 가까울수록 수직위치오차의 감소 효과가 두드러졌으며, 수평위치오차 또한 동일한 양상을 나타내었다. 이는 근거리에서 SLAS 보정정보가 위치정확도를 효과적으로 향상시킬 수 있음을 시사한다.
기준국과 지상국 간의 거리가 가까울수록 수직위치오차의 감소 효과가 두드러졌으며, 수평위치오차 또한 동일한 양상을 나타내었다. 이는 근거리에서 SLAS 보정정보가 위치정확도를 효과적으로 향상시킬 수 있음을 시사한다. 또한, 저위도 지역에서는 전리층 지연의 영향을 효과적으로 보정하여 수평위치오차가 크게 감소하였고, 특히 전리층 지연이 큰 CCJ2 지상국에서도 안정적인 위치정확도를 제공하였다.
이는 근거리에서 SLAS 보정정보가 위치정확도를 효과적으로 향상시킬 수 있음을 시사한다. 또한, 저위도 지역에서는 전리층 지연의 영향을 효과적으로 보정하여 수평위치오차가 크게 감소하였고, 특히 전리층 지연이 큰 CCJ2 지상국에서도 안정적인 위치정확도를 제공하였다. 이러한 결과는 SLAS 보정정보가 위성항법의 위치정확도를 높이는 데 중요한 역할을 할 수 있으며, 특히 전리층의 영향을 많이 받는 저위도 지역이나 기준국과 가까운 지역에서 그 효과가 극대화될 수 있음을 시사한다.
또한, 저위도 지역에서는 전리층 지연의 영향을 효과적으로 보정하여 수평위치오차가 크게 감소하였고, 특히 전리층 지연이 큰 CCJ2 지상국에서도 안정적인 위치정확도를 제공하였다. 이러한 결과는 SLAS 보정정보가 위성항법의 위치정확도를 높이는 데 중요한 역할을 할 수 있으며, 특히 전리층의 영향을 많이 받는 저위도 지역이나 기준국과 가까운 지역에서 그 효과가 극대화될 수 있음을 시사한다.
2023년 1월 1일, ISHI 지상국의 위치추정 결과를 분석한 결과, SLAS 보정정보의 적용이 위치정확도 향상에 기여하는 것으로 나타났다. 이번 실험에서는 ISHI 지상국에서 약 50.
1 m로 감소하여, 위치오차가 크게 줄어든 것으로 확인되었다. 이는 SLAS 보정정보가 GPS 신호의 오차 요소를 보정하여 위치정확도를 높이는 데 효과적임을 보여준다.
장기간에 걸쳐 수평위치오차를 기준국과의 거리별로 분석한 결과, SLAS 보정정보가 기준국과 지상국 간의 거리 차이에 따라 위치정확도에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. Hitachiota 기준국을 기준으로 다양한 거리에 위치한 4개의 IGS 지상국 (ISHI, USUD, MTKA, SMST)을 대상으로 위치를 추정한 결과, 기준국과의 거리가 가까운 지상국인 ISHI, USUD, MTKA에서는 Fig.
기준국과의 거리에 따른 수직위치오차를 분석한 결과, GPS 단독 운영 시 수직위치오차가 수평위치오차보다 2배가량 큰 수준을 보였으며, SLAS 보정정보를 적용하면 수직오차가 현저히 감소하는 경향이 나타났다. Hitachiota 기준국에 가까운 ISHI, USUD, MTKA 지상국의 경우, GPS 단독 운영 시의 일일 수직위치오차 RMS 값이 Fig.
15에 나타난 것과 같이 GPS 단독 운영 시 대비 절반 수준으로 오차가 감소하였다. 이러한 결과는 SLAS 보정정보가 기준국과의 거리가 가까운 지역에서 매우 효과적으로 작용하여 수직위치오차를 줄이는 데 기여했음을 보여준다. 반면, 기준국으로부터의 거리가 536.
48 m로 약 40%가량 증가하는 현상을 보였다. 이는 먼 거리에서 SLAS 보정 효과가 약화될 수 있음을 시사하며, 특히 수직 위치정확도가 기준국으로부터의 거리가 증가할수록 낮아질 가능성을 보여준다.
17에서 확인할 수 있다. 이는 SLAS 보정정보가 전리층의 영향을 효과적으로 보정하여 저위도에서도 안정적인 위치정확도를 제공할 수 있음을 나타낸다.
위도에 따른 수직위치오차를 분석한 결과, GPS 단독 운영 시 STK2, ISHI, CCJ2 지상국의 5년간 수직위치오차 RMS의 평균 값은 각각 2.72 m, 2.84 m, 2.85 m로 측정되었으며, 위도에 따른 차이는 크지 않은 것을 Fig. 18을 통해 확인할 수 있다.
19에 나타난 것과 같이 모든 지상국에서 일일 수직위치오차 RMS가 대부분 2 m 이하로 감소하였다. STK2, ISHI, CCJ2 지상국의 5년간 수직위치오차 RMS의 평균 값은 각각 1.25 m, 1.23 m, 1.40 m로 줄어들었으며, 이는 SLAS 보정정보가 의사거리 오차를 효과적으로 보정하여, 기준국의 위도에 상관없이 일관된 수직 위치정확도 개선을 제공함을 보여준다.
거리에 따른 GPS 단독 운용과 SLAS 보정정보 사용 시의 성능 분석 결과, SLAS 보정정보가 기준국과의 거리가 가까운 지상국에서 수평 및 수직위치오차 감소 효과가 두드러진 것으로 나타났다. Hitachiota 기준국과의 거리가 가까운 4개의 IGS 지상국의 위치추정 시 SLAS 보정정보를 적용한 경우 수평위치오차 감소율이 최대 44.
거리에 따른 GPS 단독 운용과 SLAS 보정정보 사용 시의 성능 분석 결과, SLAS 보정정보가 기준국과의 거리가 가까운 지상국에서 수평 및 수직위치오차 감소 효과가 두드러진 것으로 나타났다. Hitachiota 기준국과의 거리가 가까운 4개의 IGS 지상국의 위치추정 시 SLAS 보정정보를 적용한 경우 수평위치오차 감소율이 최대 44.6%로 나타났으며, 기준국에서 멀어진 지상국에서는 감소율이 상대적으로 감소하였다. 또한, 수직위치오차는 거리와의 상관성이 수평위치오차보다 강하게 나타났으며, 기준국과의 거리가 가까운 지상국에서 수직위치오차 감소율이 53.

참고문헌 (10)

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상세보기
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