[논문]GPS의 현장 Calibration과 Monitoring System을 이용한 위치결정 정확도 향상

안원태; 문용현; 최석근; 이재기

문제 정의

따라서, 본 연구는 현장에서 GPS Calibration을 수행하여 적합한 Parameter를 보정함으로써 정확도를 향상시키고, 측정장비와 항타선을 유도할 수 있는 프로그램을 개발하여 상시 Monitoring함으로서 해상 위치결정의 정확도 및 효용성을 향상할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
본 연구는 GPS 측량을 이용하여 해상 Pile 항타공사의 정확도 및 효용성 향상을 위하여 GPS Calibration과 항타선을 유도할 수 있는 프로그램을 개발하므로써 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

개발 프로그램은 이동국에서 연속으로 송신되는 데이터를 처리하여 항타선이 정지할 위치좌표를 계산하고, 직항 및 사항의 두부 레벨값과 리더의 힌지 부분에 대한 레벨값 차이 계산하며, 현재 항타선 위치 및 항타 위치 까지의 이동해야 할 거리 계산한다. 본 연구의 대상지역에 대한 현황도는 그림 5와 같다.
기선해석에 사용된 S/W는 Trimble사에서 제공된 Trimble Geomatic Office를 사용하여 기선해석 후기설삼각점 세 점(수원 405, 성동 461, 서울 478)과 수준점 1점(BM12)을 이용하여 망조정을 실시하였다. GPS 측량방법은 Static 방법을 이용하였고, 사용장비는 1급 GPS 수신기를 이용하였다.
지상기준점은 인접 지역 내에 설치된 삼각점 총 9점에 대하여 GPS의 Static Survey 방식으로 관측하였으며, 수신기는 5700 rover, 무전기는 TrimMark 3를 사용하였다. 기준좌표는 TM좌표로 No. 13번을 입력하여 TSCe 컨트롤러를 이용하였고, 이동국형 5700rover 수신기를 이용하여 인천대교를 둘러쌓는 형태로 기준점 및 기계점을 측정하였으며, 이 때는 WGS 84좌표계에서 고정된 좌표를 측정하였다.
본 연구대상지역인 서해안 지역은 하루 4회씩 조위가 시간당 1.7m, 최대 10.4m까지 변화하는 '조위차가 심한 지역으로 시공 시 단시간에 항타위치를 결정해야 한다. 본 측량기법은 항타선 리더를 직항 및 사항의 두부점에 일치시키는 방법이므로 GPS와 리더와의 상호 위치관계를 실시간으로 연속 계산하여 항타선을 유도한다.
4m까지 변화하는 '조위차가 심한 지역으로 시공 시 단시간에 항타위치를 결정해야 한다. 본 측량기법은 항타선 리더를 직항 및 사항의 두부점에 일치시키는 방법이므로 GPS와 리더와의 상호 위치관계를 실시간으로 연속 계산하여 항타선을 유도한다. 입력된 데이터는 프로그램에서 3차원 좌표로 자동 환산되어 이용되며, 단 한번의 셋팅과 입력으로 공사 종료까지 작업을 수행된다.
육상의 고정점에 GPS 기지국을 설치하고, 항타선에 2개의 GPS 이동국을 설치하여 이동하는 항타선의 위치를 Telemetry 장비를 이용하여 Notebook PC에 1초단위로 전송되도록 하였다. 항타선 운항실에 설치된 Notebook에서 수집된 위치정보의 계산과 분석에 의해 Monitor에 Display되는 DS-Pile 항타 전용 프로그램의 항타선 형상을 따라 시공자가 직접 유도하여 항타선의 유도시간을 단축시킨다.
이동국형 5700 rover 수신기를 이용하여 인천대교 부근의 기준점을 측정하였으며, WGS 84좌표계에서 고정된 좌표를 관측하였다. 이 관측값은 GPS 관측값을 절대값으로 하고, Calibration 값을 보정하여 관측한 값과 보정전의 값을 비교함으로서 표 5와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
이러한 결과값을 가지고 현장에서의 정확한 해상 Pile 위치결정을 위하여 Calibration을 수행하였고, RTK-GPS 측량은 정지측량방식으로 5mm+ 0.5ppm의 정밀도로 관측되었으며, 이 관측값을 TM좌표로 변환한 결과값은 표 3과 같다.
지상기준점은 인접 지역 내에 설치된 삼각점 총 9점에 대하여 GPS의 Static Survey 방식으로 관측하였으며, 수신기는 5700 rover, 무전기는 TrimMark 3를 사용하였다. 기준좌표는 TM좌표로 No.

이론/모형

기선해석에 사용된 S/W는 Trimble사에서 제공된 Trimble Geomatic Office를 사용하여 기선해석 후기설삼각점 세 점(수원 405, 성동 461, 서울 478)과 수준점 1점(BM12)을 이용하여 망조정을 실시하였다. GPS 측량방법은 Static 방법을 이용하였고, 사용장비는 1급 GPS 수신기를 이용하였다.
GPS Calibration을 위한 Parameter는 X, Y, Z 축의 회전요소와 각 축을 따라 평행 이동하여야 할 량, 축척계수 등 7개의 Parameter 이다. 이들 값을 결정하기 위하여 Trimble 사에서 제공하는 Site Calibration 기능을 이용하여 그림 4와 같이 수행하였고, TSCe(total survey controller)와 TGO(trimble geodimetic office) 등 두 가지 Calibration 방법을 이용하였다. Trimble 사에서 제공하는 Calibration 방법을 이용하여 지역의 7 Parameter를 구하고자 할 경우에는 수평은 최소 4포인트, 수직은 최소 5포인트의 기준점이 필요하며, 이와 같이 결정된 데이터 변환 매개변수는 표 4와 같다 .

성능/효과

1. 해상 공사의 정확도 향상을 위항여 GPS의 현장 Calibration을 실시함으로서 GPS 평균 관측오차는 X축이 0.94cm, Y축은 1.53cm, Z축은 8.4cm 등의 정확도를 나타냈다.
2. 본 시스템을 이용하여 Pile 총 425본을 시공한 결과 기존 방법에 비해 공사기간이 약 32% 단축하였고, 공사비용도 약 37%를 절감할 수 있었다.
3. GPS 시스템과 본 연구에서 개발한 프로그램을 이용하므로써 안개나, 비, 눈 등의 기상으로 인한 작업중단의 문제점을 해결할 수 있었고, 시공 결과도 별도의 내업 없이 시공과 동시에 Computer에 저장하므로써 효율적인 공사 및 품질관리, 인력관리 등을 할 수 있었다.
해상 Pile 항타 공사를 위한 자동제어 기술을 이용하여 현장의 해상 Pile 총 425본을 시공한 결과 기존에 사용하고 있던 방법은 시방서 기준에 비하여 약 50% 정확도가 떨어졌고, 일본 D사에서 개발한 시스템은 약 30%의 오차가 감소되었으며, 본 연구에서 개발한 GPS에 의한 자동제어 시스템은 시방기준의 시공오차를 64% 감소시키는 시공정밀도를 달성할 수 있었다. 또한, 기존 공법에 비해 해상공사 기간이 32% 단축되었고, 비용은 약 37% 절감하였으므로 막대한 원가절감과 공사기간을 단축할 수 있었다.
GPS 현장 Calibration에서 결정되는 7 파라미터 값은 지역에 따라 모두 상이하므로 측량 전 반드시 현장 CaHbiation을 수행하여야 높은 정확도의 측량성과를 얻을 수 있다. 본 실험에서는 논현동 사옥에 설치한 기준점에 기지국 GPS를 설치하고 인천대교 현장의 현장기준점 4점을 관측한 결과, 현장 Calibration을 하지 않은 상태에서는 X축으로 16cm, Y축으로 41cm, Z축으로 13cm의 오차가 발생하였으나, 현장 Calibration을 실시한 상태에서는 X, Y, Z 축으로 공히 2cm 이내의. 오차가 발생하여 매우 높은 정확도를 확인할 수 있었다.
본 연구는 인천대교 현장의 서울~천안간 RTK-GPS 측량을 수행하였고, 논현동 사옥에 GPS 기지국을 설치한 후 CDMA 휴대폰을 통하여 위치보정데이터를 GPS 이동국으로 연속 전송하면서 천안까지 이동한 결과, 수평성분의 RMSE가 약 2cm, 수직성분의 RMSE는 약 5cm 범위에서 관측되었다. 논현동 사옥에서 기지국까지 약 40Km 떨어진 4개 기준점에 대한 RTK 관측성과는 표2와 같다.
위의 결과에서 나타난 바와 같이 GPS의 현장 Calibration에 의한 GPS 평균 관측오차는 X축이 0.94cm, Y축은 1.53cm, Z축은 8.4cm 등으로 나타났다.
해상 Pile 항타 공사를 위한 자동제어 기술을 이용하여 현장의 해상 Pile 총 425본을 시공한 결과 기존에 사용하고 있던 방법은 시방서 기준에 비하여 약 50% 정확도가 떨어졌고, 일본 D사에서 개발한 시스템은 약 30%의 오차가 감소되었으며, 본 연구에서 개발한 GPS에 의한 자동제어 시스템은 시방기준의 시공오차를 64% 감소시키는 시공정밀도를 달성할 수 있었다. 또한, 기존 공법에 비해 해상공사 기간이 32% 단축되었고, 비용은 약 37% 절감하였으므로 막대한 원가절감과 공사기간을 단축할 수 있었다.

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