이전 "정확도 마스터하기" 기사에서 우리는 GNSS, 그 오차 원인, 그리고 RTK가 기지국과 로버가 대기 오차를 이중 차분 계산을 통해 제거할 수 있을 만큼 충분히 가깝다고 가정하여 오차를 완화하는 방법에 대해 논의했습니다. 그러나 대기층은 종종 이질적이므로 이 방법으로는 오차를 완전히 제거하지 못하여 정확도가 저하될 수 있습니다.
전리층이란 무엇이며 GNSS에 미치는 영향은 무엇입니까?
전리층은 지구 표면 위 약 50~1,000km에 위치한 지구 대기권의 중요한 구성 요소입니다.
태양 복사열이 이 대기층의 입자에 부딪히면 자유 전자와 이온(전자를 얻거나 잃은 원자)이 생성됩니다. 이온화 정도는 고도, 태양 활동 및 시간에 따라 달라집니다.
극지방 오로라는 이 상층 대기 이온화의 가시적인 결과입니다. RF 통신, 특히 GNSS 신호 전송과 관련하여 이러한 전하 입자는 전리층을 통과할 때 신호에 지연을 발생시킵니다. 그리고 GNSS는 기본적으로 신호 이동 시간을 고려할 수 있어야 하므로 이러한 지연은 GNSS 정확도에 큰 영향을 미칩니다.
태양 활동이 활발한 경우 그 영향은 훨씬 더 심각할 수 있습니다. 전리층 섬광은 신호를 저하시켜 항법에 사용할 수 없게 만들 수 있습니다. 태양 폭풍은 또한 인프라에 영구적 또는 일시적인 장애를 일으킬 수 있습니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다.
- 1989년 3월: 태양 폭풍으로 인해 주요 전력 장애가 관찰됨
- 2000년 7월: 무선 통신 두절 및 위성 장애 발생
- 2022년 2월: 태양 폭풍으로 인해 Starlink 위성 40기가 파괴됨
전리층 주기 및 주기성
전리층의 전하 수준은 태양 활동, 계절적 변화 및 일일 변화에 영향을 받는 주기적인 패턴을 나타냅니다.
태양 주기
태양 주기는 태양 활동의 약 11년 주기의 변화를 나타냅니다. 이 주기는 태양 표면의 흑점 수의 증가와 감소로 표시됩니다. 흑점은 태양의 일시적인 현상으로 어두운 점으로 나타나며 강렬한 자기 활동과 관련이 있습니다.
태양 주기는 태양 최소기와 태양 최대기의 두 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다. 태양 최소기 동안 태양은 흑점이 적고 전반적인 활동이 비교적 낮습니다. 주기가 태양 최대기로 진행됨에 따라 흑점의 수가 증가하고 태양 활동도 증가합니다.
태양 활동이 활발한 기간 동안 전리층은 전자 밀도가 증가하여 GNSS 신호에 대한 전리층 지연 효과가 증폭됩니다.
2020년부터 태양 활동이 증가하여 2022년 하반기부터 높은 활동이 기록되었으며, 2025년에 정점에 달할 것으로 예상됩니다. 이러한 높은 활동은 전반적인 GNSS 성능 저하를 초래하고 RTK fix를 획득하기 더 어렵게 만듭니다.
계절 주기
계절적 변화는 전리층 활동에 중요한 역할을 합니다. 북위 지역에서는 봄과 가을에 태양 복사열 증가로 인해 일반적으로 이온화 수준이 더 높고, 여름과 겨울에는 이온화 수준이 더 낮습니다.
이러한 계절적 변화는 GNSS 신호에 다르게 영향을 미쳐 위치 정확도의 전체적인 변동성에 기여합니다.
일일 변동
전리층의 일일 변동은 지구의 자전과 태양의 위치에 영향을 받습니다. 지구가 자전함에 따라 여러 지역에서 다양한 수준의 이온화가 발생합니다. 아래 그림에서 TECU는 총 전자 함량 단위(Total Electron Content Unit)를 나타내며, 이는 전리층 활동을 특징짓고 신호에서 발생하는 추가 지연과 관련됩니다.
위치
위에서 언급한 주기적, 계절적 및 일일 변동 외에도 지구상의 위치는 전리층 활동에 큰 영향을 미칩니다. 평균 전리층 활동은 지자기 적도 부근에서 더 높습니다.
두 날짜에 따른 일반적인 일일 전리층 활동의 예
RTK에 대한 대기 오류의 영향: 최신 기술
GNSS 수신기에 사용된 기술에 따라 대기 오류의 영향이 다릅니다.
보급형 RTK 수신기는 일반적으로 이러한 영향에 제대로 대처하지 못하여 RTK 고정률이 낮아지거나 수렴 시간이 길어질 수 있습니다.
고급(측지) GNSS 수신기 또는 후처리 엔진은 다음과 같은 두 가지 주요 기술을 기반으로 하는 특정 수준의 전리층 완화를 내장할 수 있습니다.
- Iono Free라고 하는 특정 측정 조합은 일부 과학 출판물에서 L3라고도 합니다.
- 내비게이션 필터에서 전용 상태를 사용하여 전리층 오차 추정
두 방법 모두 장단점이 있지만 일반적으로 훨씬 더 높은 노이즈 및/또는 수렴 시간이 소요됩니다.
Ionoshield 기술로 이러한 영향을 완화합니다.
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 fix에 도달하고 센티미터 수준의 정확도를 나타내는 탁월한 능력
- IonoFree 조합과 같은 다른 iono 처리 기술과는 달리 노이즈가 추가되지 않았습니다.
- 최신 다중 주파수 수신기를 최대한 활용하여 3개 주파수 전체 위성군 PPK를 사용하여 정밀도와 견고성을 높입니다
- 육상 어플리케이션(경량~중형 도시 환경)에서도 작동합니다.
Ionoshield를 최대한 사용하기 쉽게 만들기 위해 Qinertia는 자동 선택 옵션도 통합합니다. 이 자동 옵션은 처리 모드(단일 기지국 PPK, Ionoshield PPK 또는 VBS)를 선택하기 전에 전리층 활동을 평가합니다. 고급 사용자의 경우 처리 모드를 수동으로 선택하는 것도 가능합니다.
Ionoshield는 엄청난 이점을 제공하지만 몇 가지 전제 조건이 있습니다.
– 모든 SBG Systems 제품에 기본적으로 제공되는 최소한 이중 주파수 GNSS 수신기(L1/L2 선호). Ionoshield는 또한 정확도 향상을 위해 삼중 대역(L1/L2/L5) GNSS 수신기의 가용성을 최대한 활용합니다!
– 로그 지속 시간 및 개방형 하늘: Ionoshield는 빠르게 수렴할 수 있습니다. 그러나 전리층 활동이 높고 기지국과 로버가 관측한 오차 간에 큰 차이가 있는 극한 조건에서는 Ionoshield에 더 긴 수렴 시간이 필요할 수 있습니다.
Ionoshield가 데이터를 어떻게 개선하는지 테스트하는 데 관심이 있다면 당사에 문의하십시오.
