야외를 하이킹하든 번잡한 도심 거리를 운전하든, GNSS는 최고의 정확도로 길을 안내해 주는 신뢰할 수 있는 동반자입니다. 전리층 활동의 영향, 즉 전리층 오차를 크게 받기는 하지만요. 당사는 이를 해결하기 위한 새로운 솔루션인 Ionoshield 모드가 탑재된 Qinertia를 제공합니다.
GNSS 소개
위성항법시스템(GNSS)은 GNSS 수신기에 위치 및 타이밍 데이터를 전송하는 우주 신호를 제공하는 위성군을 의미합니다. 농업, 매핑, 운송, 항법 등 GNSS 기술은 다양한 산업과 일상생활에서 폭넓게 활용되고 있습니다.
현재 운용 중인 대표적인 GNSS 시스템은 다음과 같습니다.
- 미국 국방부가 개발한 위성항법시스템(GPS)은 지구 궤도를 도는 위성 네트워크입니다. 현재 30개의 운영 중인 GPS 위성이 있습니다. 이 위성들은 정밀한 위치와 시간 정보가 담긴 신호를 지속적으로 송신합니다.
- 글로벌 항법 위성 시스템(GLONASS)은 러시아가 개발한 위성 기반 항법 시스템입니다. 이 시스템은 초기 24개의 위성 콘스텔레이션으로 구성되었습니다.
- 갈릴레오는 유럽연합(EU)의 글로벌 항법 위성 시스템입니다. 이 시스템은 유럽 및 기타 지역에 독립적인 위치 확인 시스템을 제공하는 것을 목표로 합니다.
- 베이두 항법 위성 시스템(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)은 중국의 GNSS입니다. 초기에는 지역 커버리지를 제공했으나, 베이두-3(BeiDou-3) 위성군이 완성되면서 현재는 전 지구 항법 서비스를 제공하고 있습니다.
대기 오류
GNSS 측위에서 가장 중요한 오차 원인 중 하나는 대기에 기인합니다. 위성과 GNSS 신호 수신기가 멀리 떨어져 있기 때문에, GNSS 신호는 위성과 수신기 사이를 수천 킬로미터 이동합니다. 이러한 이동 중에 신호는 대기층을 통과합니다.
전리층은 지구 상공 50km에서 1000km 사이에 위치한 대기층입니다. 이 지구의 외층에는 이온이라고 불리는 전하를 띤 입자들이 포함되어 있습니다. 이들은 GNSS 신호의 전송에 상당한 영향을 미쳐 신호의 왜곡과 지연을 유발합니다.
대기 오차는 그 변화하는 특성 때문에 예측하기 어렵기 때문에, 계산된 위치에 미치는 정확한 영향을 파악하기 어렵습니다.
전离层(전리층) 활동으로 인한 지연은 다음에 따라 달라질 수 있습니다.
- 하루 중 시간
- 한 해의 계절
- 지리적 위치
- 태양 활동
기준선
대기 오차는 기준 기준국(base station)과 이동국(rover) 수신기 사이의 거리에도 영향을 받습니다. 기준국과 이동국 사이의 거리를 기선(baseline)이라고 합니다. 기선 오차를 고려하지 않으면, 특히 긴 기선을 사용하는 응용 분야에서 상당한 위치 결정을 야기합니다.
기준국은 정확히 알려진 위치에 설치됩니다. 이 장치는 GNSS 오차를 추정하고 이동국 수신기에 보정값을 지속적으로 전송합니다.
이후 이동국 수신기는 이 데이터를 사용하여 모든 오차를 보정하고 정확한 위치를 계산합니다. 이는 기준국과 이동국이 서로 가까이 있을 때 잘 작동합니다.
개방된 장소에 여러 수신기를 나란히 설치하면 유사한 오차가 발생하는 경향이 있습니다. 기준국과 이동국 수신기 모두 전리층으로 인해 동일한 지연을 겪으므로 동일한 오차가 발생합니다. 이를 표준 GNSS 오차라고 합니다.
이러한 고유한 특성 덕분에 수신기 간의 상대 거리를 더욱 정확하게 계산할 수 있습니다. 이를 통해 시스템이 대기 오차를 더 쉽게 보정할 수 있습니다.
왜 하필 지금 장거리 기준선이 주목받고 있는 것일까요?
기선(baseline)이 길어지면 전리층 활동으로 인해 기준국(base station)과 이동국(rover) 사이에 상당한 오차가 발생합니다. 태양 활동이 증가함에 따라 전리층의 변동도 증가합니다.
11년마다 태양의 자기장은 완전히 뒤바뀝니다.
이로 인해 태양 활동이 증가합니다(2023년과 2025년 사이에 정점). 많은 최신 보정 소프트웨어 패키지는 긴 기선과 태양 활동을 고려할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
GNSS 사용자는 전리층 활동 증가로 인한 영향을 어떻게 최소화할 수 있습니까?
전리층 활동 증가가 GNSS 운영에 미치는 영향을 줄이려면:
- GNSS 추적 및 측위에서 최고의 성능을 얻으려면 GNSS 센서의 소프트웨어를 최신 버전으로 유지하십시오.
- 가능한 경우 GPS, GLONASS, Galileo, Baidu 등 다양한 GNSS 시스템을 활용하십시오. 이를 통해 측위에 사용되는 관측값이 늘어나고 더 다양한 추적 GNSS 신호를 확보할 수 있습니다. 데이터가 많아질수록 신뢰성이 높아집니다.
- 고정밀 측량 작업에서는 서로 다른 시점과 다양한 전리층 조건 하에서 두 번 이상의 측정을 수행해야 합니다.
- 다양한 GNSS 보정 서비스 업체를 통해 해당 지역의 전리층에 의한 현재 영향을 확인하십시오.
- 요구 사항에 맞는 GNSS 보정 방식을 선택하십시오.
GNSS 오차 보정: RTK 대 PPK
모든 것이 완벽한 세계를 상상해 보세요. 신호를 수신하는 기기의 오차도 없고, 위성으로 인한 문제도 없으며, 대기로 인한 간섭도 없습니다. 이 이상적인 세상에서 GNSS는 놀라운 정밀도로 위치를 정확히 찾아낼 수 있습니다.
하지만 현실에서는 오차가 발생할 수 있습니다. 이러한 오차를 줄일 수 있는 방법이 있습니다. 이것이 바로 다양한 차분 GPS(DGPS)가 하는 일입니다. DGPS는 여러 수신기의 정보를 사용하여 오차를 추정하고 제거하는 방식으로 작동합니다.
측량과 같은 응용 분야에는 더 높은 정밀도가 요구됩니다. 이는 수신기의 기술과 보정 기능에 따라 달라집니다.
수신기 측의 오차를 처리하기 위해 다양한 보정 방법을 적용할 수 있습니다:
- 실시간 이동 측위(RTK)
- 후처리 동적 측위(PPK)
RTK 보정
RTK는 위치를 파악하려는 GPS 장치(로버라고 함)와 가까운 기준점(예: 기준국)을 사용합니다.
기준국의 위치를 파악하고 알고리즘을 사용함으로써, RTK는 기준국과 로버가 공유하는 오차를 제거할 수 있습니다. 이러한 오차는 위성 및/또는 대기에서 비롯될 수 있습니다.
대기로 인한 오차를 수정하려면 로버와 기준국이 동일한 오차에 직면해야 합니다. 이것이 두 장치가 서로 가까이 있어야 하는 이유입니다.
RTK 덕분에 GPS는 최대 1센티미터의 정확도를 달성할 수 있습니다. 이 RTK 방식은 정밀한 GPS 솔루션, 특히 토지 측량에 매우 효과적입니다.
PPK 보정
PPK를 사용하면 GNSS 데이터를 정확하게 후처리하여 위치 정보의 품질을 향상시킬 수 있습니다. 특히 GNSS 신호 환경이 까다로운 시나리오에서 유용하며, 더 안정적이고 정밀한 결과를 제공합니다.
이 방식은 드론 매핑, 측지 측량, 자산 관리 등의 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
그렇다면 가장 좋은 보정 방법은 무엇일까요? 이는 위치, 기선 길이, 전리층 활동, 정확도 요구 사항, 신뢰성, 예산 등 여러 요인에 따라 달라집니다.
RTK 및 PPK GNSS 오차 보정 방식
가장 널리 사용되는 두 가지 보정 방법을 비교해 보겠습니다:
| 기준 | RTK | PPK |
|---|---|---|
| 데이터 보정 | 수집된 위치 데이터에 실시간 보정을 제공합니다. | 위치 데이터를 먼저 전체 수집한 후 오프사이드에서 보정을 제공합니다. |
| 후처리 | 데이터 후처리가 필요하지 않으며, 따라서 별도의 후처리 소프트웨어를 사용할 필요가 없습니다. | 전용 소프트웨어가 필요합니다. |
| 기지국과 로버 간의 신호 강도 | 기준국과 이동국 수신기 간에 지속적인 연결이 유지되어야 합니다. 신호 손실은 데이터 손실로 이어져 더 많은 오차를 유발합니다. | 기준국과 이동국 수신기 간에 강력한 신호 강도가 필요하지 않습니다. |
| 작업 환경 | 나무, 건물, 산 등의 장애물이 없는 탁 트인 하늘 환경에서 가장 잘 작동합니다. 무언가 GNSS 신호를 차단하면 신뢰할 수 있는 정확도를 유지하기 어렵습니다. | 장애물이 있는 장소(터널, 교량, 계곡)에서도 데시미터 수준의 정확도를 유지합니다. 이는 역방향-정방향(Backward-Forward) 처리와 같은 알고리즘적 아티팩트를 사용하여 가능합니다. |
| 기준선 | 최대 30km 길이의 기준선에 적용됩니다. | 기선 거리가 긴 경우, 전리층에 의한 오차를 평가하고 보정합니다. |
| 손상된 로그 복구 | 해당 없음 | "사후 장기 기준선(long baseline a posteriori)"을 사용하여 강한 태양 활동으로 인해 손상된 로그를 복구할 수 있습니다. |
| 태양 활동 | 데이터를 계산할 때 태양 활동을 고려하지 않습니다. | 장기 및 단기 기준선 모드 중 하나를 결정할 때 태양 활동을 고려합니다. |
