GNSS 측량의 오차와 정확도 2

1. 전리층과 대류권의 영향

전리층의 영향은 2 주파수 데이터의 선형 결합 전리층 보정 관측량(LC)을 이용하면 거의 완벽하게 소거할 수 있다. 기선이 짧을 경우 상쇄효과가 작용하므로 오차가 발생하지 않는다. LC를 이용할 경우 위성의 고도가 극단적으로 낮다면 복수 주파수대의 전파경로가 조금 다르게 되어 보정이 불완전하게 된다.

 

그러나 보정이 안 될 정도의 고도는 매우 낮은 경우로서 일반적인 측량에서는 이러한 위성을 이용하지 않는다.

 

수직방향으로 약 2m 정도인 대류권 지연은 태양 활동 극대기의 전리층 지연 15m와 비교할 때 아주 작은 값에 불과하지만, 최대 40cm 정도밖에 되지 않는 수증기의 영향이 마지막까지 문제를 일으킨다. 이것은 GNSS뿐만 아니라 VLBI에서도 문제가 된다. 여러 가지 보정 방법과 평균 작업을 적용하더라도 5mm에서 1cm 정도의 오차는 남게 된다. 수증기를 포함한 기상 조건이 매우 빨리 변하는 것도 반송파 위상의 분산을 크게 하는 요인이다.

 

전리층과 대류권의 변동에 따른 반송파 위상의 분산은 기선해석에 대한 표준편차로 나타난다. 전리층과 대류권이 비교적 느리게(에포크 간격보다는 길게) 변화하므로 단시간 관측에서는 외견상 데이터에 큰 변화가 나타나지 않게 된다. 그러나 장시간 관측에서는 전체적인 변동이 나타나게 된다. 이것이 키네마틱 측위에 대한 표준편차가 스태틱 측위보다 작아지게 되는 이유이다. 더욱 중요한 것은 단시간 관측의 경우 전리층과 대류권의 변동이 어느 한쪽 방향으로 치우쳐진 데이터만 사용하여 해석하게 될 수도 있다는 점이다. 이렇게 얻어진 기선 해(解)도 어느 한쪽으로 치우치게 된다. 그 양은 최대 수 cm 정도로서 이것이 단시간 간섭 측위의 정확도를 떨어뜨리는 주요한 원인이다.

 

 

2. 안테나의 영향

GNSS 안테나는 외관이 간단하다는 이유로 인해 무시하기 쉽지만, 설계 및 제작에 상당한 경험과 기술이 필요한 부분이다. GNSS 측량에 사용되는 소형이면서도 복잡한 안테나를 설계하려면 첨단기술이 필요하다. 현재 GNSS 측량에서 개선 또는 개발해야할 과제 중의 하나가 고성능 안테나이다.

 

GNSS에서 사용되는 광(廣)지향성 안테나(여러 가지의 방향으로부터 오는 전파를 균등하게 받아들이는 안테나)는 전파의 입사 방향에 따라 안테나 단자에 나타나는 신호의 위상이 달라진다. 구체적으로 설명하면, 일정한 전파가 들어오는 상태에서 안테나를 제자리에서 회전시키면 출력 위상은 회전각만큼 위상이 변하는 성질이 있다. 당연히 안테나를 고정한 상태로 전파의 입사 방향을 바꾸어도 동일한 현상이 발생한다. 그 이유는 다음 그림 7.2에 나타낸 바와 같이 dipole antenna의 특성 때문이다. 고주파 안테나에서 플러스, 마이너스를 언급하는 것은 조금 이상하지만, 이해하기 쉽도록 dipole 중 한쪽 소자를 플러스라고 두는 것이다. 그림의 상태에서 안테나를 180° 회전시키면, 전파 입사 방향에 대한 안테나의 플러스 소자는 마이너스로 바뀌게 된다.

 

따라서 안테나단자 출력의 위상도 반전하게 된다. 실제의 dipole antenna는 축의 방향이 전파방향과 일치할 경우(그림에서는 90° 회전했을 경우) 감도가 0이 되지만, 여기에서는 무시한다.

 

또한 일부 GNSS 측량 수신기에서는 이와 같은 dipole antenna 2개를 상호 직각방향으로 설치함으로써 방향에 의한 감도를 일정하게 유지하는 방식도 있다. 이것을 직교 dipole(crossed dipole)이라고 한다. 이 경우 2개를 단순히 병렬로 접속하는 것이 아니라, 한쪽에 λ / 4 만큼 위상 이동기(phase shifter)를 넣어서 접속해야 한다. 그림의 상태에서 전파가 고도만 달라질 경우 직선 구조인 dipole antenna와 전파의 방향 관계는 변하지 않는다. 따라서 위상은 일정하다.

 

이상과 같이 이상적인 안테나의 경우 방위각과 위상은 완전히 직선관계가 되고, 고도와는 무관하게 된다. 이와 같은 안테나를 간섭 측위에 사용하게 되면, 반송파 위상에 안테나 입사각에 따른 위상 지연량도 고려해야 할 것이다. 그러나 간섭 측위에서는 대부분 같은 종류의 안테나를 사용한다. 따라서 양쪽 위상 지연량이 동일하게 되어 상쇄된다.

 

취급설명서에 주의사항이 있든 없든, 측점에서는 안테나의 방향을 동일하게 하는 것이 중요하다. 동일 기종 안테나의 위상 특성은 나쁘면 나쁜 대로 동일한 형태로 되어 있으므로, 방향만 동일하게 설치하면 상쇄효과가 나타나게 된다. 단, 일부 안테나는 제작과정에서 관리 부실 등의 원인으로 안테나 별로 특성이 다른 기종도 몇몇 있는 것 같다. 그렇다고 하더라도 일반 측량의 정확도에는 큰 영향을 미치지 않는다. 여러 위성을 관측하므로 평균화되기 때문이다.

 

지금까지는 하나의 측량작업에서는 동일한 기종을 사용하여 측량하는 것이 원칙이었다. 데이터의 형식이 제조사별로 다르고 안테나의 위상특성도 다를 수 있기 때문이다. 그러나 이제 GNSS 측량이 널리 보급됨에 따라 여러 기종을 섞어서 측량하는 것이 시대적인 흐름이 되었다. 데이터 형식의 경우 공통 데이터 포맷이 제정되어 크게 문제가 없게 되었다. 그러나 위상 특성이 다른 안테나를 조합할 경우 좋지 않은 결과를 일으킬 가능성이 있다. 아마 정확도가 현저하게 저하되지는 않겠지만, 표준편차가 커지거나 정수 바이어스를 결정하기 힘들어지는 등의 문제는 충분히 발생할 가능성이 있다. 그러나 특성이 좋은 안테나에서는 이와 같은 문제가 거의 발생하지 않으며, 대부분의 안테나가 이 정도의 성능을 갖추고 있는 것으로 판단된다. 따라서 여러 기종을 혼합하여 측량하더라도 안심하고 작업할 수 있다.

 

안테나 문제는 이와 같이 다른 기종의 안테나를 조합함에 따라 표면화되었다고 할 수 있는데 기술적으로 어려운 문제이긴 하지만, 수신기 제작사는 특성이 보다 좋은 안테나를 공급할 수 있도록 노력해야 할 것이다. 현 상태에서는 최악의 경우 높이 방향에 10cm가 넘는 정오차가 발생한 예도 있다고 한다. 또한 같은 기종의 안테나를 사용하는 경우에도 기종에 따라서는 위상 중심이 기계적인 중심으로부터 수 mm 정도 어긋난 경우도 있으므로, 전체 관측점에서 안테나를 같은 방향으로 향하도록 주의해야 한다.