정확도 마스터하기 GNSS 및 오류 원인

2024년 3월 10일

"정확도 마스터하기"( series)의 첫 번째 기사에서는 다양한 오류를 고려한 글로벌 내비게이션 위성 시스템(GNSS)과 독립형 정확도에 대해 살펴봅니다.

GNSS 시스템이란 무엇인가요?

GPS와 같은 위성 기반 위치 확인 시스템은 자동차 여행과 트레킹을 안내하는 등 어디에나 존재합니다. 또한 자율 주행 차량, 농업, 매핑 와 같은 다양한 애플리케이션에서 중요한 역할을 담당하고 있습니다.

그러나 'GPS'라는 용어에서 GPS를 넘어 모든 위성 별자리를 포괄하는 보다 포괄적인 'GNSS(글로벌 항법 위성 시스템)'라는 용어로 전환하는 것이 중요합니다.

현재 운영 중인 글로벌 위성 별자리는 네 가지입니다(GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU). 또한 인도의 IRNSS와 같이 특정 지역에 서비스를 제공하거나 일본의 QZSS와 같이 글로벌 위성을 보완하는 보조 별자리가 있습니다.

위성 외에도 GNSS 시스템은 다른 필수 요소로 구성됩니다:

위성 별자리를 구성하는 위성 세그먼트입니다.
지상 관제소와 장비로 구성된 관제 부문. 이들은 별자리를 모니터링하고 위성의 위치를 결정하며 위성의 지속적이고 정확한 작동을 보장하는 역할을 담당합니다.
사용자 세그먼트는 위성으로부터 수신한 신호를 기반으로 위치를 계산하는 데 사용되는 장비를 포함합니다.

GNSS 기본 원칙: 삼자화

GNSS는 여러 위성의 신호를 사용하여 수신기의 위치와 시간을 결정하는 삼원화 방식으로 작동합니다. 위치를 결정하려면 위도, 경도, 고도, 시간이라는 네 가지 변수를 해결해야 합니다.

따라서 최소 4개의 위성이 필요하지만, 위성이 많을수록 정확도와 신뢰도가 향상됩니다.

다음 이미지는 삼각 측위가 어떻게 작동하는지 보여줍니다. 위성 사이의 거리는 위성을 둘러싼 구체로 볼 수 있습니다.

수신기의 위치는 이 구의 어딘가에 위치합니다. 두 번째 위성은 이 두 구의 교차점에 대한 가능한 솔루션을 줄일 수 있습니다.

세 번째 위성을 사용하면 방정식에 대한 단일 솔루션을 찾을 수 있습니다. 실제 애플리케이션에서는 시간도 평가해야 하므로 네 번째 위성이 필요합니다.

위성이 방출하는 신호

GNSS 위성은 L1, L2, L5 등 다양한 주파수 대역에서 신호를 전송합니다. GNSS 신호에는 세 가지 기본 구성 요소가 있습니다:

내비게이션 데이터(저주파): 제어 세그먼트에서 계산되는 이 데이터에는 천문 데이터(위성 위치 계산에 필요한 케플러 궤도 파라미터), 시계 보정 데이터 및 보충 정보와 같은 필수 정보가 포함됩니다. 이 데이터는 위성에 업로드되어 전 세계 GNSS 수신기로 전송됩니다.
의사 랜덤 잡음 코드 또는 PRN 코드(고주파): 수신기에서 복제할 수 있도록 예측 가능한 패턴으로 설계된 0과 1의 결정론적 시퀀스입니다. 각 위성에는 고유한 PRN 코드가 있습니다. PRN 코드 추가의 주요 장점은 여러 위성이 동일한 주파수로 동시에 신호를 전송하여 수신기에서 인식할 수 있다는 것입니다. 이 기술을 CDMA(코드 분할 다중 액세스)라고 하며, 각 위성은 고유한 의사 랜덤 코드를 소유합니다. Glonass만이 각 위성마다 주파수가 약간 다른 FDMA(주파수 분할 다중 액세스)를 사용합니다.
RF 반송파: 원래 내비게이션 데이터와 PRN 코드의 결합 신호를 전송하도록 설계된 사인파 신호입니다. 이 구성 요소가 어떻게 발전하여 센티미터 수준의 위치 정확도를 구현하는 GNSS 신호의 기반이 되는지 나중에 살펴보겠습니다.

위성까지의 거리 측정: 코드 및 반송파 위상

원래 GPS 시스템은 수신기가 PRN 코드 복제본과 자동 상관 관계 기술을 활용하여 위성-수신기 간 범위를 서브미터 단위의 정확도로 계산하도록 설계되었습니다.

그러나 처음에는 PRN 코드 전송을 위해 고안된 반송파는 귀중한 자산임이 입증되었습니다.

반송파 위상 측정은 더 정확하지만 위성과 수신기 사이의 거리를 결정하는 데 모호함이 있습니다. 두 측정값에 대한 자세한 설명은 아래에 나와 있습니다.

PRN 코드를 사용한 위성-수신기 범위 계산

GNSS 수신기는 "지연 잠금 루프"라는 프로세스를 사용하여 전송된 코드와 수신된 코드 사이의 시간 지연을 결정합니다. 그런 다음 신호 전파 시간에 해당하는 이 시간 지연에 광속을 곱하여 거리로 변환합니다.

그러나 수신기와 위성 시계가 동기화되지 않아서 발생하는 거리를 의사 범위라고 합니다. 시계 동기화 오류 외에도 의사 범위는 전파 환경(대기, 하드웨어 등)과 관련된 몇 가지 다른 오류의 영향을 받는데, 이에 대해서는 이 글의 뒷부분에서 설명합니다.

위성-수신기 간 범위 개선: 반송파 위상 측정

위성과 수신기 사이의 거리는 신호 방출과 수신 사이에 경과한 위상 사이클 수를 세고 여기에 반송파 파장을 곱하여 결정할 수도 있습니다.

이 측정은 코드보다 두 배 정도 더 정확하지만, 알 수 없는 일정한 정수 주기(모호성이라고도 함)가 절대 정확도에 영향을 미칩니다.

반송파 위상의 정확한 진화를 결정하기 위해 GNSS 수신기는 위성 대 수신기 상대 운동으로 인한 반송파의 도플러 주파수 변이를 축적합니다.

신호가 중단되는 경우, 이 누적 프로세스는 실제 동작을 설명할 수 없으며 '사이클 슬립'이라고도 하는 측정값의 갑작스러운 점프가 관찰될 수 있습니다.

사이클 슬립과 모호성을 올바르게 처리하는 것은 실시간 운동학(RTK) 및 정밀 포인트 포지셔닝(PPP)과 같은 정밀 포지셔닝 기술의 까다롭고 핵심적인 측면입니다.

다음 다이어그램은 신호 반송파, 코드 및 각각의 해상도를 보여줍니다.

GNSS 오류의 원인

의 초기 일반 대중 (비군사용 ) GPS의 초기 정확도는 약 100m였습니다. 수년간의 진화를 거치면서s (선택적 a가용성, 새로운 별자리 배치s 및 SBAS 시스템, 새로운 위성, 새로운 주파수,) 의 정확도 독립형 엔트리 레벨 GNSS 수신기의 경우 이제 5m 사이입니다., 고급형 수신기의 경우 1m까지1m까지.

GNSS 위치의 정확도는 누적되는 다양한 오류의 원인에 영향을 받습니다:

위성 오류

시계 오류: GNSS 위성의 원자 시계는 매우 정밀하지만 약간의 드리프트가 발생합니다. 안타깝게도 위성 시계에 약간의 오차가 있어도 수신기에서 계산된 위치가 크게 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 단 10나노초의 시계 오차는 거리 측정에서 3미터의 위치 오차로 이어집니다!
궤도 오류: GNSS 위성은 매우 정밀하고 잘 문서화된 궤도를 따르지만, 이러한 궤도는 위성 시계와 유사하게 약간의 변화를 겪습니다. 시계의 부정확성과 마찬가지로 위성 궤도가 약간만 변경되어도 계산된 위치에 상당한 오차가 발생할 수 있습니다. 궤도의 잔여 오차는 지속되어 최대 ±2.5m의 잠재적 위치 오차가 발생할 수 있습니다.

대기 오류

전리층 지연: 지구 상공 50~1,000km 상공에 위치한 전리층에는 무선 신호 전송에 영향을 미치는 하전된 이온이 포함되어 있어 위치 오차(일반적으로 ±5미터, 전리층 활동이 활발할 때는 더 높음)를 유발합니다. 전리층 지연은 태양 활동, 낮 시간, 계절, 위치에 따라 달라지므로 예측이 어렵습니다.
대류권 지연: 지구의 가장 가까운 대기층인 대류권에서는 습도, 온도, 대기압의 변화로 인해 지연 시간이 달라집니다.

수신기 오류

위성의 원자 시계와 비교할 때 정확도가 떨어지는 수신기의 내부 시계는 다른 하드웨어 및 소프트웨어 오류와 함께 측정에 잡음과 편향을 더합니다.

지연	원산지	크기
위치 오류	위성	5 m
시계 오프셋	위성	0-300km
악기 지연	위성	1-10 m
상대주의 효과	위성	10 m
전리층 지연	경로(50-1000km)	2-50 m
대류권 지연	경로(0~12km)	2-10 m
악기 지연	수신기	1-10 m
시계 오프셋	수신기	0-300km