GNSS 간섭측위 1(feat. 지적기술사 GPS)

1. 간섭 측위 방식

최근의 GNSS 간섭 측위는 주의 깊게 관측, 해석할 경우 수 mm 수준의 정확도를 확보할 수 있다. 1,000km급 장거리 기선의 경우 10－7을 넘어서 10－8, 심지어는 10－9 수준의 상대정확도도 확보할 수 있다. 따라서 GNSS 간섭 측위는 지구 자전 관측, 지각변동 측정, 지진 예측 등 지구과학, 측지 분야에 중요한 역할을 담당하고 있다. 이미 국제적인 GNSS 관측망이 구축되어 있어 활발한 활동이 이루어지고 있다. 이와 같은 목적에는 스태틱(static) 측위라는 장시간 관측 방식만 사용된다.

 

표 1. 은 간섭 측위와 DGNSS의 차이점을 간단히 정리한 것이다.

	DGNSS	간섭측위
측위방식	단독측위를 이용한다.	위성의 거리를 측정한다. 해석단계에서 거리차를 구하여 처리
의사거리 반송파	중심적인 데이터 대부분 이용하지 않는다.	보조적인 데이터 중심적인 데이터 위상각을 측정함.
수신주파수 해석계산	일반적으로 1주파수만 사용 비교적 간단 소형 소프트웨어	복수주파수를 이용 극히 복잡 대형 소프트웨어
실시간 측위	원칙적으로 실시간	최정밀측량은 후처리 일반측량은 실시간도 가능
측위정도	실용 최고 정확도는 1m 정도	실용 최고 정확도는 1cm

 

GNSS 간섭 측위는 이와 같은 학술적인 목적뿐만 아니라, 일반측량에서도 1cm급 정확도를 확실히 보장한다. 갈릴레오 등의 GNSS 위성의 배치가 완료되고, 수신기와 소프트웨어가 진보됨에 따라 스태틱 측위 관측시간이 더욱더 짧아졌다는 사실도 큰 희소식이다. 10km 정도 이내의 단거리의 경우 수십 분만 관측하여도 양호한 결과를 얻을 수 있다. 키네마틱 측위 등 고속 간섭 측위 기술도 현저하게 진보되어 GNSS 측량의 응용범위가 급속히 넓어지고 있다.

 

특히 키네마틱 측위의 경우 실시간 측위가 가능함에 따라 측량기술자뿐만 아니라 일반인도 GNSS 측량을 쉽게 이용할 수 있는 가능성이 열리게 되었다. GNSS를 이용함으로써 간섭 측위에 있어 난제 중 하나인 정수 바이어스 결정과 동적(kinematic) 측위 초기화의 소요시간 단축 및 신뢰성을 대폭 개선하는 효과를 얻을 수 있다. 단, 이러한 정확도(1cm 내지는 수 mm)는 측량 거리가 짧아지더라도 그다지 변하지는 않는다. 예를 들어, 1m 거리에서 GNSS 측량을 하더라도 1cm 정도의 정확도 밖에 얻을 수 없다는 것이다. 이는 줄자로 재는 것보다 못한 정확도이다. 앞 절에서 GPS 측량이 결코 만능은 아니며 측량대 상의 지역, 환경, 거리 등에 따라 재래식 측량기술을 적절히 혼용해야 한다고 언급한 것은 바로 이와 같은 이유 때문이다. 또한 제3장에서 설명한 바와 같이 지오이드와 타원체 차이로 인한 문제도 발생한다.

 

간섭 측위는 관측 방식에 따라 여러 가지 방법이 있으며, 특히 개발 초기는 정적(static) 측위와 동적 측위 외에,

 

- 래피드 정적 측위(단축 정 적측 위)

- 의사정적측위

- 스톱 앤 고(stop and go)

- 의사동적측위

- 리-어큐페이션(re-occupation)

- 연속동적측위

- 진(眞)동적측위

 

등과 같은 다양한 명칭의 측위 방식이 발표되었다. 동적 측위도 초기에는 후처리 방식이었다. 이들 각각의 방식에 대응하는 수신기와 소프트웨어가 시장에 출시된 적도 있다. 이러한 방식들은 각각 세부적으로는 뚜렷한 차이가 있으나 대략적으로 볼 때는 유사점도 많아 현재에 이르러서는

 

- 정적 측위

- (실시간) 동적 측위

 

2가지로 집약되었다. 그리고

후처리정적측위 →  단기선용 1주파수형

                                장기선용 복수주파수형

 

고속초기화 기능을 가지는 실시간 동적 측위(OTF-RTK : on the fly-real time kinematic positioning)→ 원칙적으로 복수 주파수형의 형태로 정리되었다. 다른 구분방식으로 분류를 하자면 후처리형과 실시간형의 2가지로 분류할 수도 있다. 후처리형의 동적 측위는 실험적인 경우를 제외하고는 실제로 이용되지 않는다. 이와 같은 분류를 가지게 된 배경에는 단순히 단어적인 문제만이 아니라 간섭 측위의 중요한 기술인 정수 바이어스 결정의 진보와 확실성 및 고속화의 요인이 있다.

 

초기(1980년대 말부터 1990년대 초반)에는 수신기 구성의 복잡화를 최대한 피하고자 했던 점, 기선 해석 계산기의 능력, 소프트웨어의 미숙 등으로 인하여 정수 바이어스 결정에 상당히 많은 시간이 걸렸고 이 또한 불확실했다. 따라서 이를 개선하고자 하는 목적에서 위에 열거한 다양한 방식이 제안되었던 것이다.

 

GPS의 전개가 진행됨과 함께 고밀도 집적회로 LSI를 쉽게 이용할 수 있게 되어 복잡한 수신기도 소형화되고 저렴하게 제조할 수 있게 되었다. 그리고 PC의 능력도 대폭 향상되었다. 초기의 GPS측량기에는 순수하게 반송파 데이터만을 이용하여 모든 처리를 수행하는 것도 있었으나 이제는 위성으로부터 얻어지는 모든 데이터를 이용할 수 있게 되었다.

 

GNSS가 전개됨에 따라 위성수, 복수 주파수, 다양한 측위 부호 등과 같은 많은 관련 데이터를 취득할 수 있게 되었다. 지금까지의 GPS의 L2대는 원칙적으로 암호화되어 있기 때문에 측량 이용에 있어서는 세미 코드리스(Semi-codeless, 5.3.3항)로 불리는 감도가 나쁜 수신방식에 의존할 수밖에 없었다. 그러나 앞으로의 모든 GNSS계에서는(북두/컴퍼스는 미정) 일반용으로 3 주파수를 제공한다. 그리고 현재의 수신기와 계산기를 비롯하여 데이터 보존 및 전송 시스템 모두가 새로운 위성계의 대량 데이터를 처리할 수 있다.

 

이로 인해 정수 바이어스 결정 능력은 비약적으로 개선된다.

2000년대에 들어와서는 GPS 위성계만 이용하더라도,

 

- 고속 초기화(OTF)

- 동적 측위의 실시간화(RTK)

- 정적 측위의 정수 바이어스 결정시간 단축

 

이 실현되었다. GNSS가 전개됨에 따라 위성의 가시성(可視性)은 물론이고 간섭 측위에서 가장 어려운 문제였던 정수 바이어스 결정이 크게 개선된다. 또한 GNSS의 전개가 측량에 미치는 기여를 살펴보면

 

- 정수 바이어스 결정(초기화)의 개선

- 장기선 측량(≥10km)의 정밀도 개선과 관측시간 단축

 

으로 요약할 수 있다. 그러나

 

- 단기선 측량(≤10km)에서는 약간의 정확도 개선

 

에 머무른다. 이 점을 다르게 해석하면, 고속 초기화 실시간 장기선(전리층 보정) 동적 측위의 실용화가 도래하였다는 것을 알 수 있다.