정확도 마스터하기: DGPS에서 PPK로 차등 보정하기

2024년 5월 10일

일상적인 시나리오에서는 독립형 위성항법시스템(GNSS)의 정확도만으로도 길을 찾는 데 충분하지만, 많은 애플리케이션에서는 더 높은 정확도를 필요로 합니다. GNSS의 정확도를 1cm 이내로 개선하기 위해 많은 기술이 개발되어 다양한 새로운 애플리케이션이 가능해졌습니다.

이러한 정확도를 달성하려면 이 문서의 범위를 벗어나는 측지 및 데이텀 변환에서 다루는 주제인 계산 및 위치 지정 결과에 사용되는 기준 프레임에 주의를 기울여야 합니다.

 

GNSS 보정

GNSS 정확도를 개선하려면 이전 문서인 정확도 마스터하기에서 설명한 다양한 오류를 수정해야 합니다: GNSS와 그 오류 소스.

다양한 수준의 적용 범위와 성능을 제공하는 여러 유형의 보정 기능이 있습니다. 주요 보정 유형은 아래 표에 자세히 설명되어 있습니다. 이 글에서는 가장 일반적인 보정의 기본 사항인 DGNSS에 대한 간략한 설명과 SBAS 및 RTK에 대한 심층적인 설명, 그리고 PPK의 이점에 대해 설명합니다.

다음 글( series )에서는 더 자세히 살펴볼 예정입니다. Ionoshield 와 PPP에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

차동 GNSS(DGNSS)

기존의 코드 기반 DGNSS는위성 오차와 지역 대기 오차가 좁은 지역에서는 동일하다고 가정합니다. 그런 다음 한 쌍의 GPS 수신기를 사용하여 대기(전리층 및 대류권) 및 위성 오차를 모두 상쇄하여 내비게이션 성능을 개선할 수 있습니다.

이 작동 모드에서는 로버의 GNSS 수신 기 작동 범위에서 몇 킬로미터 내에 기지국 GNSS 수신기가 설치됩니다. 기지국은 RF 또는 GSM 모뎀을 사용하여 일련의 보정값을 로버 수신기로 전송합니다. 그러면 로버 수신기는 이러한 보정을 사용하여 차동 위치(기지국 기준)를 계산할 수 있습니다.

이 기술은 내비게이션 정확도를 미터 이하 수준까지 향상시킬 수 있지만, RTK가 고정밀 위치 측위의 표준으로 자리 잡으면서 이제는 더 이상 사용되지 않습니다.

 

SBAS(위성 기반 증강 시스템)

SBAS는 민간 항공기의 안전한 운항을 위해 개발되었습니다. 이후 독립형 GNSS 수신기보다 더 높은 정확도를 필요로 하는 다른 많은 최종 사용자 애플리케이션에 사용되었습니다.

 

SBAS의 개념은 기준국 네트워크를 사용하여 넓은 지역(대륙 커버리지)에서 GPS 성능을 향상시킬 수 있는 보정을 계산하는 것입니다.

이러한 보정은 전용 SBAS 정지 위성에 의해 전송됩니다. 최신 GNSS 수신기는 일반 GNSS 안테나를 통해 이러한 보정을 직접 추적하여 1미터의 정확도를 제공하는 SBAS와 같은 위치 엔진에 사용할 수 있습니다.

모든 SBAS 구성의 주요 목표는 최대 정확도를 달성하는 것이 아니라 무결성(위치 오류의 정확한 측정) 개념을 추가하여 GNSS가 의도한 애플리케이션(항공기 항법 및 착륙)에 대해 최소 정확도를 달성할 수 있도록 하는 것입니다.

 

 

현재 사용 중인 SBAS는 다음과 같습니다:

  • 북미 국가용 WAAS
  • 유럽용 EGNOS
  • 인도용 GAGAN
  • 일본용 MSAS

하지만 현재 대부분의 SBAS는 GPS 별자리에 대한 보정만 제공하기 때문에 육상 내비게이션에는 적합하지 않습니다. 향후 SBAS 솔루션(예: EGNOS V2)은 다중 별자리 보정을 제공할 예정입니다.

 

SBAS를 뒷받침하는 기술

다양한 SBAS 솔루션은 동일한 기반 기술을 사용하여 보정 기능을 제공합니다. 보정 기능을 제공하는 대상은 다음과 같습니다:

  • 위성 시계 오류
  • 위성 궤도 편차
  • 대기 오류

SBAS는 또한 오작동하는 위성의 데이터를 거부하는 데 사용할 수 있는 위성 무결성 정보를 제공합니다.

대기 보정 또한 기지국 네트워크를 사용하여 계산되어 대기 오차의 패턴을 제공합니다. 전송된 오차 값은 IGP(전리층 그리드 포인트)라고 하는 특정 지점에서 대기에 의해 도입된 수직 지연에 해당합니다. 그러면 수신기는 각 위성의 다른 신호에 대한 지연을 보정할 수 있습니다.

 

수신기는 SBAS에서 제공하는 정보를 사용하여 의사 범위 기반 측정의 오류를 보정하여 위치 정확도를 수평 약 1.2m RMS, 수직 약 1.6m RMS로 개선할 수 있습니다. 이는 특히 수직 구성 요소의 경우 독립형 GNSS에 비해 크게 개선된 것입니다.

 

실시간 키네마틱(RTK) 및 포스트 프로세스 키네마틱(PPK)

RTK 기술은 1990년대 중반에 매핑 애플리케이션에 처음 도입되었습니다. 기존의 차동 위성 위치 확인 시스템(DGPS)과 마찬가지로 RTK는 정밀하게 위치한 기지국과 로버 GNSS 수신기에 의존합니다.

두 가지 주요 계산 단계를 통해 센티미터 단위의 정밀한 포지셔닝이 가능합니다:

  • 두 배의 차이
  • 반송파 위상 측정 및 모호성 수정

 

두 배의 차이

DGPS는 일반적으로 단일 차이와 코드 측정만 사용합니다. 반면에 RTK는 위상 측정을 추가하고 "이중 차이" 방식을 사용합니다. 이 방법에서는 기본 측정값이 로버 측정값에서 차감되고 모든 내비게이션 위성 측정값이 피벗 위성에서 차감됩니다.

이 접근 방식은 기지국 근처에서 일정하다고 가정되는 대기 오차뿐만 아니라 모든 위성 유도 오차, 수신기 유도 오차를 보정할 수 있습니다.

대기 오류
대기 오류

 

 

이 계산을 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다:

  • 기지국 데이텀에서 로버의 위치(위도/경도/고도)입니다.
  • 로버의 시간

기지국과 로버 사이의 거리를 기준선이라고 하며 RTK의 핵심 요소입니다. 기준선이 증가하면 일반적인 대기 오차와 일반적인 위성 궤도 오차가 완전히 상쇄되지 않기 때문에 오차 범위가 약간 증가합니다. 이는 RTK 위치 정확도 사양에서 볼 수 있는 일반적인 "+1ppm"입니다.

 

반송파 위상 측정 및 모호성 수정

이전 글에서 소개한 반송파 위상 측정은 오차를 센티미터 수준으로 줄이기 위해 필요합니다.

반송파 위상 측정의 문제점은 본질적으로 모호하거나 불완전하다는 것입니다. 측정에서 누락된 반송파 위상 주기가 정수로 존재합니다. 이 누락된 부분을 "모호성"이라고도 합니다.

실시간 키네마틱(RTK) 포지셔닝 프로세스는 이러한 모호성을 추정하는 것으로 시작됩니다. 이 프로세스를 "RTK 플로트" 모드라고도 합니다. 이 모드에서는 모호성이 천천히 수렴하지만 정수 값이 아닙니다. 이를 통해 수신기는 위치를 평활화하고 대략 데시미터 수준의 정확도를 달성할 수 있습니다.

정확성과 견고성을 극대화하기 위해 다음 단계는 이러한 모호성 각각에 대한 정수 값을 실시간으로 식별하는 것입니다. 이 프로세스를 정수 모호성 해결이라고 합니다.

모호성 해상도의 결과는 RTK 정확도를 극대화하고 더 강력한 안정성을 제공합니다. 이를 일반적으로 "RTK 고정" 모드라고 합니다.

특정 위성에 대한 위상 추적이 중단되면 '사이클 슬립' 이벤트가 발생하고 해당 위성에 대한 정수 모호성을 다시 해결해야 합니다. 이러한 이유로 사이클 슬립이 너무 많으면(특히 모든 위성에 동시에 사이클 슬립이 발생하면) RTK 성능에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 이벤트를 제한하려면 좋은 안테나와 안테나 배치, 깨끗한 RF 환경이 필수적입니다.

 

포스트 프로세싱 키네마틱

앞서 살펴본 바와 같이 RTK는 이러한 보정을 "실시간으로" 적용하는 것으로, 현장에서 RTK 처리를 계산하려면 로버가 기지국에 데이터 링크 연결이 있어야 합니다.

일부 애플리케이션은 궤적이 실시간으로 필요하지 않지만 더 높은 정확도 또는 더 간단한 설정으로 이점을 얻을 수 있습니다. 포스트 프로세싱 키네마틱(PPK)은 이러한 요구 사항을 충족할 수 있습니다. PPK를 사용하면 로버가 데이터를 수집하는 동안 실시간 보정을 받지 않고 자체적으로 원시 GNSS 데이터를 수집합니다. 나중에 이 데이터는 기지국 또는 기준국 네트워크의 정밀한 정보를 사용하여 후처리됩니다.

PPK는 실시간 수정에 의존하지 않기 때문에 데이터 수집의 유연성을 높일 수 있습니다. 항공 매핑, 드론 매핑 또는 과학 연구와 같이 실시간 통신이 어렵거나 불필요한 시나리오에서 자주 사용됩니다.

PPK는 GNSS를 처리할 때 다음과 같은 주요 이점을 제공합니다:

  • 현장 워크플로 개선: RTK 기반 임무의 주요 비용은 기지국이 근처에 있는지 확인하고, 필요한 경우 기지국을 설치하며, 안정적인 데이터 연결을 보장하는 것 등입니다. Qinertia 에는 많은 수의 CORS 네트워크가 내장되어 있으며, 타사 네트워크에 직접 액세스할 수 있습니다. 따라서 기지국의 가용성을 보장하고 안정적인 데이터 연결을 설정하는 데 따르는 복잡성을 제거할 수 있습니다.
  • 품질 관리 개선: 많은 품질 지표가 처리의 실제 성능을 평가하는 데 도움이 됩니다. 여기에는 고급 통계, 분리(전진 처리와 후진 처리 중에 계산된 위치/궤도 간의 차이), GNSS 신호 지표가 포함됩니다.
  • 전반적으로 성능이 향상되었습니다: RTK 모호성 해상도는 기지국까지의 거리와 대기 조건에 따라 몇 초에서 몇 분까지 다소 시간이 걸릴 수 있습니다. 이는 획득을 시작할 때나 까다로운 GNSS 조건에서 상당한 시간이 소요될 수 있습니다. PPK는 고정 속도를 최대화하기 위해 전방향과 후방향 모두에서 처리하여 이러한 영향을 완화합니다. 또한 고급 알고리즘을 사용하거나 정확한 위성 궤도를 사용하여 성능을 개선할 수도 있습니다.

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