이전의 '정확도 마스터하기(Mastering Accuracy)' 기사에서 우리는 GNSS, 그 오차 원인, 그리고 기준국과 이동국이 이중 차분(double-difference) 계산을 통해 대기 오차가 제거될 만큼 충분히 가깝다고 가정함으로써 RTK가 이러한 오차를 어떻게 완화하는지 논의했습니다. 그러나 대기층은 종종 불균일하므로, 이 방법이 오차를 완전히 제거하지 못해 정확도가 저하될 수 있습니다.
전离层(ionosphere)이란 무엇이며 GNSS에 미치는 영향
전离층은 지구 상공 약 50km에서 1,000km 사이에 위치한 지구 상층 대기의 핵심 구성 요소입니다.
태양 복사 에너지가 이 대기층의 입자와 충돌하면서 자유 전자와 이온(전자를 얻거나 잃은 원자)이 생성됩니다. 이온화 정도는 고도, 태양 활동, 그리고 시간대에 따라 달라집니다.
오로라는 이 고고도 대기 전리 현상의 가시적 결과입니다. 무선 주파수(RF) 통신, 특히 GNSS 신호 전송과 관련하여, 이러한 하전 입자는 전리층을 통과할 때 신호에 지연을 발생시킵니다. GNSS는 근본적으로 신호가 이동하는 시간을 고려하는 데 의존하므로, 이러한 지연은 GNSS 정확도에 큰 영향을 미칩니다.
태양 활동이 활발한 경우 그 영향은 더욱 심각할 수 있습니다. 전리층 요란(ionospheric scintillation)으로 인해 신호가 저하되어 항법에 사용할 수 없게 될 수 있습니다. 또한 태양 폭풍은 인프라에 영구적 또는 일시적인 장애를 유발할 수 있습니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다.
- 1989년 3월: 태양 폭풍으로 인한 주요 전력망 고장 관측
- 2000년 7월: 무선 통신 두절 및 위성 고장
- 2022년 2월: 태양 폭풍으로 인해 스타링크(Starlink) 위성 40기 파괴
이온권 주기 및 주기성
전리층의 전하 수준은 태양 활동, 계절적 변화, 일일 변화의 영향을 받아 주기적인 패턴을 나타냅니다.
태양 주기
태양 활동 주기는 태양 활동이 변화하는 약 11년 주기를 의미합니다. 이 주기는 태양 표면의 흑점 수가 증감하는 것으로 나타납니다. 흑점은 태양 표면에 어두운 점으로 나타나는 일시적인 현상이며, 강한 자기 활동과 연관되어 있습니다.
태양 주기는 태양 극소기와 태양 극대기의 두 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다. 태양 극소기 동안 태양은 흑점이 적고 전반적인 활동이 상대적으로 낮습니다. 주기가 태양 극대기를 향해 진행됨에 따라 태양 활동의 증가와 함께 흑점 수가 증가합니다.
태양 활동이 활발한 시기에는 전리층의 전자 밀도가 증가하여 GNSS 신호에 미치는 전리층 지연 효과가 증폭됩니다.
2020년부터 태양 활동이 증가하고 있으며, 2022년 하반기 이후 높은 활동성이 기록되었고 2025년에 정점에 이를 것으로 예상됩니다. 이러한 높은 활동성은 전반적인 GNSS 성능 저하를 야기하며 RTK 고정을 획득하기 더욱 어렵게 만듭니다.
계절적 주기
계절적 변화는 전리층의 거동에 중요한 역할을 합니다. 북위도 지역에서는 태양 복사 증가로 인해 봄과 가을철에 일반적으로 이온화 수준이 높아지는 반면, 여름과 겨울철에는 이온화 수준이 낮아집니다.
이러한 계절적 변동은 GNSS 신호에 서로 다른 방식으로 영향을 미치며, 측위 정확도의 전반적인 가변성에 기여합니다.
일일 변동
전리층의 일일 변동은 지구의 자전과 태양의 위치에 영향을 받습니다. 지구가 자전함에 따라 지역별로 전리화 수준이 달라집니다. 아래 그래프에서 TECU는 총 전자 수(Total Electron Content Unit)를 의미하며, 이는 전리층 활동을 나타내고 신호가 겪는 Extra 지연과도 관련이 있습니다.
위치
앞서 언급한 주기적, 계절적, 일일 변동 외에도, 지구상의 위치는 전리층 활동에 큰 영향을 미칩니다. 평균적으로 전리층 활동은 지자기 적도 부근에서 더 활발합니다.
두 날짜에 관측된 일일 전리층 활동의 대표적인 사례
RTK에 미치는 대기 오차의 영향: 최신 기술
GNSS 수신기에 사용되는 기술에 따라 대기 오차가 미치는 영향이 달라집니다.
보급형 RTK 수신기는 일반적으로 이러한 영향을 제대로 처리하지 못하며, RTK 고정률이 낮아지거나 수렴 시간이 길어질 수 있습니다.
더 높은 등급(측지용)의 GNSS 수신기나 후처리 엔진은 다음과 같은 두 가지 주요 기술을 기반으로 하는 일정한 수준의 전리층 완화 기능을 내장할 수 있습니다.
- 일부 과학 문헌에서는 L3라고도 부르는 Iono Free라는 특정 측정 조합입니다.
- 항법 필터의 전용 상태를 이용한 전리층 오차 추정
두 방법 모두 장단점이 있지만, 일반적으로 훨씬 더 높은 노이즈 및/또는 수렴 시간을 동반합니다.
Ionoshield 기술로 이러한 영향을 완화하세요.
고객을 최적으로 지원하기 위해, 당사는 높은 전리층 활동의 영향을 보정하는 획기적인 기술인 Ionoshield를 Qinertia 4를 위해 개발했습니다.
Ionoshield는 PPK의 모든 기능을 활용하여 어려운 GNSS 조건과 높은 전리층 활동에서도 신뢰할 수 있는 센티미터급 RTK 고정 솔루션을 제공합니다. Ionoshield는 대기 오차 완화 알고리즘입니다. 이는 기준국(base)과 이동국(rover)의 관측값을 사용하여 전리층과 대류권에 의해 발생하는 오차를 결정합니다.
이는 사용 가능한 모든 주파수와 위성군을 사용하여 대기 오차를 추정하고 보정합니다. 지능적인 전략은 수렴 시간을 최소화하며, 순방향/역방향/병합 처리(forward / backward / merge processing)는 어려운 조건에서도 제로 수렴 시간을 목표로 프로세스를 완료합니다.
마지막으로 Ionoshield는 내장된 RAIM 알고리즘과 결합하여 스캐빈테이션과 같은 전리층 문제로 인한 결함 위성을 감지하고 제외합니다.
이러한 접근 방식을 통해 Ionoshield는 다음과 같은 상당한 이점을 제공합니다:
- RTK 고정(fix)에 도달하고 센티미터 수준의 정확도를 발휘하는 압도적인 성능
- 이온프리 조합(ionofree combination)과 같은 다른 이오노(iono) 처리 기법과 달리 추가적인 노이즈가 없음
- 3중 주파수 전체 성좌 PPK를 사용하여 현대적인 다중 주파수 수신기의 장점을 최대한 활용하여 정밀도와 견고성을 높입니다.
- 육상 애플리케이션(도심 경~중부 환경)에서도 작동합니다.
Ionoshield를 최대한 쉽게 사용할 수 있도록 Qinertia에는 자동 선택 옵션도 통합되어 있습니다. 이 자동 옵션은 처리 모드(단일 기준국 PPK, Ionoshield PPK 또는 VBS)를 선택하기 전에 전리층 활동을 평가합니다. 고급 사용자의 경우 처리 모드를 수동으로 선택할 수도 있습니다.
Ionoshield는 엄청난 이점을 제공하지만 몇 가지 전제 조건이 있습니다:
– 최소한 듀얼 주파수 GNSS 수신기(L1/L2 선호)가 필요하며, 이는 모든 SBG Systems 제품에 기본으로 탑재되어 있습니다. 또한 Ionoshield는 트라이밴드(L1/L2/L5) GNSS 수신기의 가용성을 최대한 활용하여 정확도를 더욱 높여줍니다!
– 로그 지속 시간 및 탁 트인 하늘: Ionoshield는 빠르게 수렴할 수 있습니다. 그러나 전리층 활동이 활발하고 기준국과 이동국에서 관측된 오차의 차이가 큰 극단적인 조건에서는 Ionoshield에 더 긴 수렴 시간이 필요할 수 있습니다.
Ionoshield가 데이터를 어떻게 개선하는지 테스트해보고 싶다면 당사에 문의해 주세요.
