아래 내용은 개인적으로 공부한 내용을 정리하기 위해 작성하였습니다. 혹시 보완해야할 점이나 잘못된 내용있을 경우 메일이나 댓글로 알려주시면 감사하겠습니다. 위성항법의 오차위성항법은 전 세계 어디에 있던지 위치와 시간에 대한 정보를 제공하는 장점이 있지만, 여러 요인으로 인해 오차가 발생합니다. 위성항법에서 발생하는 오차를 크게 나누면 위성항법 시스템 자체 요인에 의한 오차, 수신기 주변 환경에 의한 오차, 수신기 자체의 오차 마지막으로 의도적인 오차가 있습니다. 1) 위성항법 시스템에 의한 오차 먼저 위성항법 시스템 자체에서 발생할 수 있는 오차에 대해 알아보겠습니다. 첫 번째로 위성의 궤도오차로 인해 발생하는 오차가 있습니다. 항법용 위성의 궤도는 제어국(Control Segment)에서 정밀하게 관리하지만 약간의 궤도오차는 발생합니다. 위성이 잘못 알고있는 현재 자신의 위치를 바탕으로 신호를 송신하면, 위성과의 거리를 정확하게 측정한다고 해도 항법해를 계산할 때 오차가 발생합니다. 두 번째 로 위성 시계오차에 의해 수신기와 위성사이의 거리오차가 발생할 수 있습니다. 위성항법용 위성에는 원자시계가 탑재되어 매우 정밀하지만 필연적으로 오차를 가지고 있습니다. 하지만 빛이 매우 빠르기 때문에 아주 작은 시간오차만 있더라도 수신기와 위성사이 거리를 측정할 땐 큰 거리오차가 발생하게 됩니다. 세 번째로 신호 지연 오차가 있습니다. 위성이 현재 시간을 확인하고, 항법 메시지를 생성한 뒤 신호를 송신하는 과정을 거치는데 생성된 항법 메시지의 기록된 시간과 실제 신호를 송신한 시간사이의 차이가 발생합니다. 이러한 차이는 수신기에서 측정된 위성과의 거리오차의 원인이 되며 최종적으로 측위 결과의 오차원인이 됩니다. 마지막으로 위성의 기하학적 배치에 따른 오차가 있습니다. 위성항법의 여러 요차 요인은 위성의 기하학적 배치에 따라 그 크기가 변합니다. 오차를 포함하는 수신기와 위성간 의사거리를 활용하여 함변 측량을 할 때 각각의 위성과의 의사거리를 반지름으로 갖는 구의 접점이 수신기의 위치가 됩니다. 이 때, 위성의 기하학적 배치가 좋은 경우 작은 오차가 발생하지만, 배치가 좋지 않으면 각각의 구가 갖는 오차가 중첩되어 상대적으로 큰 오차가 발생합니다. 이러한 위성의 기하학적 배치를 확인하는 척도를 DOP(Dilution of precision)이라 합니다. 이 DOP값이 작을수록 위성의 기하학적 배치가 좋은 상태(수신기 하늘의 전 방향에 위성이 배치)이며, DOP값이 크면 위성의 기하학적 배치가 나쁜 상태(수신기 하늘 일부지역에만 위성이 배치)입니다. DOP는 측정치 종류에 따라 아래와 같이 나눌 수 있습니다.
2) 주변 환경에 의한 오차위성에서 송신된 신호는 지상까지 도달하는 동안 전리층을 통과합니다. 전리층에서는 하전된 입자들에 의해 GNSS신호가 굴절되고, 이로 인해 전파 속도가 느려지며 오차가 발생합니다. 이러한 오차를 전리층 오차(Ionosphere delay)라 합니다. 위성에서 송신된 신호가 지상 근처까지 다가오면 두터운 대기가 존재하며, 대기의 굴절률이 진공보다 크기 때문에 신호 전파가 지연됩니다. 이 때 발생되는 오차를 대류층 오차(Tropospheric delay)라고 합니다. 전리층은 계절, 시간, 태양의 활동, 국지적인 지역의 특성 등 여러 요소로 인해 상태가 변화하여 모델링 하기가 매우 어렵습니다. 대류층 또한 날씨, 온도, 습도, 대기압 등에 영향을 받기 때문에 모델링 하기 매우 어렵습니다. 하지만 가까운 지역에서는 전리층/대류층 오차 모두 공통 오차이기 때문에 가까운 기준국 정보를 활용하여 오차를 보상할 수 있습니다. 최근의 위성항법용 신호의 경우 1575.42MHz의 L1신호, 1227.6MHz대 L2신호 뿐만 아니라 1175.45MHz의 L5신호까지 포함된 다중 주파수 신호를 송신하고 있습니다. 그리고 전리층에 의한 오차는 주파수의 제곱에 반비례합니다. 이러한 특성을 활용해 두 개 이상의 주파수에서 위성신호를 수신하여 전리층 지연량을 직접 추정한 뒤 제거할 수 있습니다. 주변 환경에 의해 발생할 수 있는 또다른 오차는 다중 경로(Multi-Path) 오차 입니다. GNSS 위성 신호가 수신기 까지 도달할 때 구조물에 반사된 후 수신되는 경우가 있습니다. 이렇게 직접 수신이 아닌 반사된 신호로 측정된 수신기와 위성 사이의 거리는 실제 거리와 차이가 발생합니다. 이러한 다중 경로 오차는 특히 벽면이 유리로된 빌딩이 많은 도심지에서 큰 악영향을 줍니다. 다중 경로 오차를 감소시키기 위해서 물리적으로 차단하는 초크링 안테나를 사용하는 방법이 많이 활용됩니다. 3) 수신기에 의한 오차위성항법 시스템은 위성에서 송신된 신호가 수신기에 도달할 때 까지의 시간을 측정하여 수신기와 각 위성 사이의 거리를 알아냅니다. 원자시계를 사용하는 GNSS 위성과는 달리 수신기의 시계는 경제적인 이유로 성능이 낮은 시계가 사용됩니다. 따라서 수신기 시계에 의한 오차가 발생합니다. 그 외에도 GNSS 위성의 신호 세기가 매우 약하기 때문에 잡음 등에 의한 오차, 신호를 수신하는 과정에서 발생하는 신호지연 등의 여러 요인으로 오차 발생합니다. 4) 의도적인 오차미국의 GPS는 미군을 위해 개발된 군용 장비였지만 1983년 KAL007기 피격사건을 계기로 민간에 개방되었습니다. 민간에 개방 당시 적대국가의 사용을 방지하기 위해서 GPS신호에 의도적인 오차인 SA(Selective Availability)를 추가했습니다. 하지만 민간에서 DGPS(Differential GPS)등의 보정방법이 발전되고 기타 여러가지 이유로 2000년에 제거되었습니다. 정리
오차 보강시스템1) Differential GNSSDGNSS라 불리는 Differential GNSS는 차분(differential) 방법을 활용해 위치 정확도를 높여주는 기술입니다. 위성에서 지수로 신호가 전파되는 동안 많은 요소들로 인해 에러가 발생합니다. 어느정도 가까운 위치에 있는 두 수신기는 전리층 오차, 대류층 오차 등 외부 환경에 의한 오차가 동일할 것 입니다. 만약 A라는 한 GNSS 수신기가 정확한 위치를 알고있다면, 현재 위치에서 발생하는 오차를 알 수 있습니다. 그리고 A수신기의 오차를 근처에 있는 B 수신기의 측정치에서 빼주면, B수신기의 오차를 제거할 수 있습니다. 이렇게 DGNSS의 기본 아이디어는 주변 수신기에서 측정한 오차를 나의 측정치에서 빼주어 보다 정확한 측위 결과를 얻는 것 입니다. DGNSS는 오차정보를 DGNSS를 사용하기 위해서는 정확한 위치를 알고있으며 오차를 주변 수신기에 전파해주는 시스템이 필요합니다. 이러한 시스템은 어떤 플랫폼에 탑재하는지에 따라 구분할 수 있습니다. 가장 먼저 지상에 오차를 측정하고 전파하는 기준국(Base station)을 설치하는 방법이 있습니다. 이렇게 지상에 보강시스템을 구축하는 방법을 GBAS(Ground Based Agumentation System)이라고 합니다. GBAS는 주로 공항에서 한정된 영역(약 50km)의 위치한 항공기 이착륙 유도를 위해 사용됩니다. 대표적인 GBAS로는 미국의 LAAS, 호주의 GRAS시스템이 있습니다. GBAS는 지상에 설치되어 있기 때문에 서비스를 제공할 수 있는 영역이 한정되어있습니다. GBAS의 한계를 극복하기 위해 나온 시스템이 인공위성을 활용한 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 입니다. SBAS는 위성에서 보정신호를 전송하는 DGNSS기술입니다. SBAS는 정지궤도에 위치한 위성을 활용해 보정정보와 무결성 정보(모든 GPS위성의 보정정보, GPS신호감시, GPS신호 상태 등)를 송신합니다. SBAS는 ①지상에 위치한 기준국에서 수집한 신호를 ②중앙 처리국에서 처리하고 ③생성된 보정정보를 정지궤도에 위치한 SBAS위성에 전달한 뒤 지상으로 송신하는 과정을 거칩니다. 대표적인 GBAS시스템으로 미국의 WAAS, 유럽의 EGNOS, 일본의 MASA, 인도의 GAGAN등이 있습니다. 최근에는 대부분의 상업용 GNSS수신기가 SBAS시스템을 지원합니다. 2) RTK/VRSGNSS 위성 항법용 신호는 위성의 궤도나 시간 등 항법정보가 담겨있는 항법메시지, 위성의 신호 검출을 위한 C/A 코드(Coarse Aquisition), 위성에서 지상으로 신호를 전달하기 위한 반송파(Carrier)로 이루어져있습니다. 세 가지 신호 중 반송파의 위상차이를 활용해 위치를 측정하는 방법을 RTK(Real Time Kinematics)라고 합니다. 아래는 위성과 수신기 사이의 의사거리를 계산하는 일반적인 방법과 RTK에서 반송파를 활용해 거리를 계산하는 방법을 나타낸 그림입니다. GNSS에서 의사거리는 위성에서 신호를 송신한 시간과 수신기에서 신호를 수신한 시간 차이에 빛의 속도를 곱하여 거리를 계산합니다. 이렇게 측정한 의사거리는 여러 요인에 의해 오차가 발생합니다. RTK에서는 반송파의 위상 차이를 활용해 거리를 측정합니다. GPS의 L1신호의 경우 약 1.5GHz의 반송파 신호를 사용합니다. 1.5GHz의 반송파신호의 파장은 약 20cm 입니다. 위성에서 송신한 신호가 수신기 안테나에 도달할 때 까지의 위상차 (몇 개의 파장이 있는지)를 계산하여 오차가 20cm보다 작은 센티미터급의 정확도를 갖는 거리를 측정할 수 있습니다. RTK를 사용하기 위해서는 먼저 정확한 위치를 알고있는 기준국(Base station)이 필요합니다. Base station에서 계산한 오차 및 위성정보를 움직이는 수신기(Rover)에 RTCM 또는 RTCA등의 포맷으로 전달하면 수신기에서 반송파의 위상차이를 계산합니다. RTK를 사용하기 위해서 매번 기준국을 설치하는 불편함을 해소하기 위해서 네트워크 RTK 방식을 많이 사용합니다. 네트워크 RTK 방식 중 여러 곳에 설치된 상시관측소의 정보를 연결하여 수신기 근처에 가상의 기준국을 생성하는 VRS(Virtual Reference Station) 방식이 많이 활용됩니다. VRS는 국토지리정보원, 서울 특별시 등에서 서비스를 제공하고 있습니다. VRS외에도 관측망 전체에 대한 보정정보를 제공하는 FKP(Flachen Korrektur Parameter)방식, 주 기준국과 ㅇ니접한 다수의 보조 기준국들로부터 셀 단위의 보정정보를 생성하는 MAC(Master Auxiliary Concept) 방식의 네트워크 RTK가 있습니다. 참고서울시네트워크 RTK시스템 |
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