GNSS 단독측위와 시각동기, 상대측위 3

1. 상대측위 (DGNSS(differential GNSS))

DGNSS(differential GNSS)는 상대 GPS라는 의미이다. 한때 트랜스 로케이션 방식이라 불리기도 했다. 트랜스 로케이션이란, 제1세대 위성항법시스템 NNSS를 측지에 이용할 경우와 비슷한 방법이라는 점에서 통용된 명칭이다. 이 명칭은 영어이기는 하지만 외국에서는 거의 통용되지 않는 용어로써, 일본식 용어가 우리나라에 도입된 듯하다. 최근 DGPS라는 명칭은 거의 정착되어 있는데 아직 DGNSS라는 명칭은 생소한 것 같다. 단, 일부 문헌에서는 GPS 측량에서 이용하는 간섭 측위 방식도 DGPS의 하나로 취급하는 경우가 있다. 간섭 측위 방식이라는 것을 구분하기 위해 일부에서는 carrier phase DGPS(반송파 위상 DGPS)라고 하는 명칭을 사용하고 있다. 이 경우 본 장에서 다루는 DGPS를 code DGPS(코드 DGPS)라고 부르기도 한다.

 

DGNSS는 상대측위의 일종으로 참조점(reference point)과 미지점에서 동시에 단독 측위를 수행하여 공통 오차를 상쇄함으로써 측위 정확도를 수 m 정도까지 높이는 방식이다. 참조점은 측량 용어인 기지점(旣知點) 혹은 기준점이라고 생각해도 큰 차이는 없지만, 약간 의미가 다르므로 이 명칭을 사용하기로 한다.

 

DGNSS는 실시간 측위가 가능하다. DGNSS는 원칙적으로 단독측위 수신기를 그대로 사용할 수 있지만, 측위 데이터 또는 의사 거리를 출력할 수 있는 단자가 필요하다. 소형 수신기에는 이러한 단자가 없지만, 측위 결과를 사람이 직접 읽어서 기록하고 이를 무전기를 통해 연락하는 방식을 사용하면 DGNSS방식으로 활용할 수 있다.

 

특히 고정밀 위치결정이 필요한 경우, P코드나 반송파 위상을 이용하는 DGPS방식이 시도되기도 하였다. 그러나 시스템이 번잡하고 수요가 많지 않아 거의 보급되지 않았다.

 

다소 오해를 일으킬 수도 있지만, 최근 SA가 제거됨으로써 단독 측위 정확도가 개선되고, 특히 정밀 단독 측위와 실시간 GPS 측량기술이 발전함에 따라 DGPS만의 장점이 위협받고 있다. 향후 DGPS가 그 존재가치를 발휘할 수 있으려면 GPS 위성의 근대화 그리고 GNSS 위성계의 전개에 의한 확실한 데시미터급 정확도가 확보되어야 할 것이다.

 

단독 측위와 DGNSS의 차이점과 유사점은 다음과 같다.

- 참조점과 미지점에서 동시에 단독 측위 방식으로 관측한다.

- 기본적으로 단독측위방식이므로 최소한 4개의 위성이 필요하다.

- 관측소요시간은 단독 측위와 같다. 즉 1초 정도면 충분(실시간)

- 참조점의 좌표(예를 들면 경위도와 타원체고)는 미리 알고 있어야 한다.

- 사용하는 수신기의 기본동작은 단독 측위용 수신기와 동일하나 보정정보를 처리하는 소프트웨어가 필요하다 - 하나의 참조점을 여러 개의 미지점에서 이용할 수 있다.

- 기지점과 미지점의 거리는 최대 1,000km이다.

- 거리가 짧아도 관계는 없지만 상식적으로 한계가 있다.

DGNSS에서는 참조점의 좌표를 알고 있으므로, 수신기에서 계산한 좌표와 비교하여 오차를 알 수 있다.

 

이론적으로 이 오차를 미지점의 수신기에 보내어 그 측정 결과를 보정함으로써 정확도를 개선한다. 미지점의 측위 정확도는 1 주파수 관측의 경우 수 m 정도가 된다. 장시간 관측을 통하여 평균 작업을 수행할 경우 1m 수준도 가능하다. 심지어는 GPS 관측에서 P코드나 반송파의 도플러 효과를 이용함으로써 10cm 수준까지 정확도를 올린 실험 결과도 있다.

 

참조점에서 오차(보정량)를 구하는 방식에 따라 DGPS는 이론적으로 다음과 같은 방식으로 구분된다.

- 참조점에서 경위도, 높이 또는 3차원 좌표의 차이를 구하고 이를 전송하여 미지점에서 구한 좌표를 보정하는 방식 - 참조점에서 구한 좌표를 그대로 전송하여 미지점에서 구한 좌표와 차이를 구함으로써 상대위치만 구하는 방식 - 참조점의 좌표 오차를 의사 거리 오차로 환산하고 이를 전송하여 미지점에서 측정한 의사 거리를 보정, 위치를 계산하는 방식 이러한 3가지 방식 중에서 현재 정상적인 서비스에 사용되고 있는 방식은 세 번째 방식이다. 이 외에도 간섭 측위에 가까운 방식으로 다음과 같은 방식이 시도된 적도 있었지만 보급되지는 않았다.

- 의사거리에 대한 이중차(二重差)이용

- 반송파의 도플러 효과 이용

참조점의 좌표는 VLBI나 GPS 측량 등 고정밀 측량기술을 사용하여, 1m 정도의 정확도로 결정하여 두는 것이 바람직하다. 단거리 DGPS일 경우, 사전에 GPS 단독 측위를 반복 작업하여 결정할 수도 있다. GNSS의 좌표계에서 최대한 m 이내의 정확도로 결정해 두어야 한다.

 

표고와 타원체고와의 관계(지오이드의 문제)에 있어서 단독 측위에서는 정확도가 낮으므로 간단한 보정으로 충분하지만, DGNSS에서는 좀 더 조심스럽게 처리해야 한다. 특히 100km 이상 장거리의 경우 참조점과 미지점에 대한 지오이드고 차이를 별도의 데이터로부터 구하여 DGNSS측위 결과에 보정해야 한다.

 

별도 데이터란, 예를 들어 국토지리정보원의 지오이드도이다.

미국에서는 비교적 단거리 DGPS를 LADGPS(local area DGPS), 장거리 DGPS를 WADGPS(wide area DGPS)라고 구분하기도 하지만 별다른 큰 차이는 없다. 차이점을 굳이 말하자면 보정 데이터 전송방법의 차이 또는 위에서 설명한 좌표변환과 지오이드 처리방법의 차이 정도이다. DGNSS에서는 대류권이나 전리층의 영향이 상대적으로 작으므로 간섭 측위와 달리 장거리용이라고 해도 차이가 크지 않다.

 

 

2. 상대측위 정확도 개선 원리

DGNSS를 적용하면 정확도가 좋아지는 이유는 기지점과 미지점에서 측정한 결과로부터 공통 오차를 상쇄시킬 수 있기 때문이다. 상쇄되는 오차 요인은 다음과 같다.

- GNSS 위성의 궤도 정보 오차

- SA에 의해 코드에 부여된 오차(2000년 이전)

- 전리층 신호 지연

- 대류권 신호 지연

이러한 오차 요인 중에서 전리층과 대류권에 의한 오차는 단독 측위 소프트웨어에서 근사적으로 보정된다. 그러나 근사 보정할 때 가정한 전리층 조건과 실제의 조건에 차이가 있으므로, 특히 태양활동 극대기에는 전리층 보정이 불완전하여 어느 정도의 오차가 남게 된다. DGNSS에서는 이렇게 보정하고 남은 나머지 오차도 상쇄된다. 대류권은 원래 지연 오차가 적으므로 DGNSS에서는 거의 문제가 되지 않는다.

 

GPS에서 예전 SA에 의한 코드 타이밍의 오차도 DGPS에서는 모두 상쇄된다는 점이 매우 중요한 특징이었다. 그 결과 SA가 존재하던 시절 100m였던 단독측위 정확도가 DGPS에서는 수 m 수준으로 개선됨으로써 다양한 분야에서 활용될 수 있었다. DGPS는 원래 SA의 영향을 받지 않았으므로 SA가 정지된 후에도 결과적으로는 아무런 변화도 없다. 즉 단독 측위에 대한 DGPS의 장점은 SA정지에 따라 상대적으로 크게 저하되었다.

 

오차 상쇄효과는 참조점과 미지점의 거리가 짧을수록 좋다. 거리가 멀어질수록 위성 위치오차가 영향을 미치는 방식이 달라지거나 전파가 통과하는 전리층 또는 대류권의 상태도 달라지므로 오차상쇄 효과는 줄어들게 되어 위치오차가 증대한다. DGNSS의 정확도를 2~3m라 할 때 그 한계 거리는 위에서 설명한 바와 같이 수천 km 정도이다. 따라서 정확도 저하를 감수한다면 더욱 장거리에서도 이용할 수 있다.

 

한편 원리적으로 상쇄되지 않는 오차는 다음과 같다.

DGNSS의 측위 정확도 수준(수 m)에서 멀티패스 등 관측지점 고유의 오차는 어지간히 운이 나쁜 경우를 제외하고는 일반적으로 큰 문제가 되지 않는다. DGNSS오차 중 가장 큰 원인은 의사 거리 측정오차이다. 이 오차는 수신기 오차와 전파경로에 따른 오차로 다음과 같다.

{(1～3m)2 + (3～5 m)2 }1/2 = 3.2～5.8 m

 

DGNSS에서는 이 중에서 두 번째 오차가 어느 정도 또는 거의 상쇄된다. 특히 단거리 DGNSS에서는 전파경로 오차가 거의 상쇄된다. DGNSS에서 의사 거리 측정오차의 영향을 개괄적으로 정리해보면 다음과 같다.

 

일반형 DGPS 중에서 가장 뛰어난 의사 거리 방식에서는 거의 수신기에 따른 전자적인 오차(1~3m)만 남고, 4개의 위성을 측정하므로 2～6m, 마지막으로 참조점, 미지점 등 2개의 지점에서 관측하므로 2 배가 되어 3～9m로 된다. 이것이 DGNSS의 정확도 수준이다.

 

 

3. 상대 측위 (DGNSS(differential GNSS))의 조건

DGNSS를 성공적으로 수행하기 위해서는 다음과 같은 몇 가지 사항을 주의해야 한다. 즉 참조점 및 미지점에서 관측할 때 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.

- 동시에 관측해야 한다.

- 반드시 동일한 GPS 위성 그룹을 관측해야만 한다.

- 궤도 정보는 동일한 것을 사용해야 한다.

- 이러한 조건이 충족되면 두 지점에서 다른 기종을 사용해도 상관없다.

참조점, 미지점에서 다른 시간에 관측한 결과를 사용하여 DGNSS를 시행하면 좋은 결과를 얻을 수 없다. 시간이 지나면 GNSS 위성의 위치, 전파가 통과하는 전리층, 대류권의 상태가 변화되므로 오차가 충분히 상쇄되지 않는다는 것은 자명하다. 동시 관측의 정도는 수초에서 1분 이내 정도면 충분하다. 즉 1분 전 보정자료를 사용해도 충분히 오차를 상쇄시킬 수 있다.

 

양쪽 지점에서 관측하는 4개의 GNSS 위성은 동일한 위성이어야 한다. 단독 측위 수신기는 사전에 관측할 수 있는 모든 위성에 대해 PDOP 또는 GDOP를 계산하여 최적인 위성 4개를 조합함으로써 측위를 실행하도록 되어 있다. 따라서 일반적인 경우 양쪽 지점에서 동일한 위성 조합을 사용하게 되지만, 상당한 장거리일 경우나 한쪽 지점에서 지형지물에 의한 차폐가 발생하는 경우 조합이 달라질 수 있다. 이와 같은 경우 오차 상쇄효과가 떨어진다.

 

GNSS 위성의 궤도 정보(ephemeris)는 원칙적으로 단시간마다 갱신된다. 마침 궤도 정보가 갱신되는 순간에 관측하게 될 경우, 한쪽 수신기는 오래된 궤도정보, 다른 한쪽은 새로운 궤도정보로 측위계산을 하게되므로 당연히 궤도정보오차가 달라져 오차가 상쇄되지 않는다.

 

이들의 3가지 조건, 즉 관측의 동시성, 동일 위성, 동일 궤도정보가 참조점에서의 측위 오차를 의사 거리의 오차로 수정하는 방식이라면 동일 궤도 정보를 제외하고는 자동적으로 충족된다. 궤도 정보의 점은 보정정보를 미지점에 전송할 때 소정의 조치가 가능하다. 단, 이들 3가지 조건 모두에 주의를 기울여야 하는 경우는 참조점의 좌표 차를 직접 미지점의 측위 값 보정에 사용하는 소규모 또는 임시로 구축한 DGNSS인 경우에 한정된다.