GNSS 간섭측위 2(feat. 지적기술사 GPS)

1. 간섭 측위의 특징

간섭 측위는 참조점(기준점)과 미지점의 기선 벡터를 측정하는 기술이다. 보다 구체적으로 표현한다면 참조점의 좌표를 기준으로 미지점의 좌표를 구하는 기술이라고 할 수 있다. 간섭 측위에서는 3개 지점 이상에 수신기를 설치하고, 한꺼번에 각 점을 연결하는 모든 기선을 결정하는 방식도 있지만, 이 경우에도 참조점과 각 미지점의 기선 벡터를 각각 구하여 결과적으로 전체 기선이 결정되는 것이다.

 

모든 간섭 측위 방식은 공통적인 장점 및 문제점이 있다. 여기에서는 이러한 사항을 간략하게 설명하고, 간섭 측위 방식에 대한 이용방법, 문제 해결 방법 등에 대해서는 다음절에서 설명하기로 한다. 간섭 측위는 크게 다음과 같은 3가지 특징이 있다.

 

- 높은 정확도

- 정수 바이어스의 문제

- 참조점(기준점)의 정확한 좌표 필요

 

간섭 측위의 3차원 좌표 결정 정확도는 이미 잘 알려져 있는 바와 같이 cm 단위를 넘어서 mm 수준에 달하고 있다. 반송파 위상을 이용함으로써 높은 정확도를 실현할 수 있지만, 반송파를 이용하는데 따른 곤란한 문제도 발생하게 된다. 즉 위상측정은 이른바 파수 불확정 문제로 인하여 신호를 수신하기 시작한 시점에 대한 위상의 정수 부분(정수 바이어스)을 알 수 없다는 것이다. 따라서 간섭 측위에서는 어떤 방법으로든지 이 정수 바이어스를 해결하여야 한다. 이것은 앞장의 단독 측위에서 설명한 다중해와 내용상으로는 동일하지만, 간섭 측위에서는 파장이 짧은 반송파를 이용하므로 훨씬 더 복잡하다. 다중해, 파수 불확정 그리고 정수 바이어스는 동일한 현상을 의미하는 표현으로서 간섭 측위에서는 이것을 정수 바이어스(integer ambiguity/ bias)라고 부르고 있다.

 

앞 절에서 설명한 스태틱 측위와 키네마틱 측위의 차이는 정수 바이어스를 결정하는 방법의 차이로 주로 해석 소프트웨어의 차이에 따른 것이라는 점에 주의하기 바란다. 위치 결정방법 그 자체는 모든 방식이 원리적으로 완전히 동일하므로 정확도도 이론적으로 동일하다. 관측시간의 차이에 의한 적분 효과가 위치 결정 정확도에 미치는 영향은 극히 적다. 즉 관측시간이 길어진다고 해서 정확도가 높아지는 효과는 미미하다. 단, 실제로는 부차적인 원인으로 인해 스태틱 측위의 정확도가 가장 높다. 이 부차적인 원인이란 고속 간섭 측위에서는 다음과 같은 현상이 발생하기 쉽다는 것을 말한다.

 

- 작업효율 향상을 위해 안테나를 손으로 들고 측량함으로 인해 생기는 흔들림

- 단시간 관측으로 인해 대류권, 전리층 영향이 평균화되지 않는 점

- 측정 중에 위성의 방향 변화가 거의 없으므로 안테나의 위상 특성과 멀티패스의 영향으로 평균화가 이루어지지 않음

 

간섭 측위는 DGNSS와 마찬가지로 상대 측위이다. 상대 측위란, 미리 좌표를 알고 있는 지점과 모르는 지점의 상대적인 위치 관계를 구하는 것을 의미한다. 앞 장의 DGNSS에서 ｢미리 좌표를 알고 있는 지점｣을 ｢참조점｣으로 표현하였다. 일반적인 측량에서 사용하는 기지점과 거의 같은 의미이기는 하지만, 조금 정의가 다르다는 점에 주의하기 바란다. 간섭 측위 참조점(기준점)의 조건은 다음과 같다.

 

- 측위위성계에 준거하는 좌표계에서 수 m 정도의 정확도로 3차원 좌표를 알고 있는 점

 

수m 정도의 정확도는 일반적인 GNSS 측량을 수행할 때 요구되는 기준으로서, 훨씬 높은 정확도가 요구되는 학술목적에서는 당연히 좀 더 정확하게 좌표를 알고 있어야 한다. 당연히 참조점 좌표의 정확도는 미지점 좌표의 정확도에 그대로 반영된다. 그럼에도 불구하고 참조점에 대한 상대 위치는 1cm의 정확도를 가지게 된다. 일부 측량 업무에서 상대 위치만 필요할 경우는 이것으로도 충분하다. 그러나 참조점의 좌표 정확도가 수 m보다 낮을 경우는 상대 측위에서 요구되는 정확도를 확보하기 힘들다.

 

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2. 스태틱 측위

예전에는 스태틱 측위를 정적 간섭 측위라고도 했으나, 최근에는 키네마틱 측위라는 표현과 조화될 수 있도록 스태틱 측위라고 부르고 있다. 일부에서는 정지 측위 또는 정지 측량이라고도 한다.

 

스태틱 측위는 GNSS 간섭 측위 중 가장 빨리 실용화된 방식으로서 역사가 가장 깊다. 현재에도 매우 정밀한 기준점 측량이나 학술목적에서는 거의 대부분 이 방식만 사용되고 있다. 따라서 측지 분야의 많은 기술자나 학자의 경우 GNSS 측량이란 곧 스태틱 측위를 의미한다는 선입견도 있다. 향후에도 실용적으로는 키네마틱 측위와 같은 효율적인 측량 방식이 보급되더라도 스태틱 측위는 GNSS 측량의 기본 기술로서 계속 이용될 것이다.

 

스태틱 측위는 복수(2대 이상)의 안테나와 수신기를 측점에 설치하고, 10분에서 수 시간 정도 반송파 위상을 중심으로 한 관측 데이터를 기록한다. 관측시간은 주로 측량하는 기선의 길이와 소요 정밀도에 따라 달라진다. 모든 수신기는 당연히 동일 시간대에서 최소 4개의 GPS 위성을 동시에 관측해야 한다. 측량용 수신기는 대부분 8개 이상의 위성을 동시에 관측, 기록할 수 있다.

 

스태틱 측위는 장시간 동안 관측하게 되므로 안테나를 삼각대 등 고정장치에 설치하게 된다. 수신기는 사전 설정해 둔 바에 따라 완전 자동으로 작동하게 된다. 타이머를 이용하여 자동적으로 시작, 정지할 수 있으므로 한 사람이 여러 안테나와 수신기를 조작할 수 있다. 따라서 사람이 항상 붙어 있을 필요는 없지만, 수신기 계기판에 표시되는 수신 상태를 수시로 확인하는 것이 좋다.

 

일련의 관측을 session이라고 하며, 데이터 간격을 에포크(epoch)라고 한다. 수 시간 이상 관측하는 경우 전반부와 후반부를 별도의 session으로서 취급하여 따로따로 해석하는 경우도 있다. 물론 3개 이상의 session으로 분할하는 경우도 있다. 에포크는 보통 15초부터 60초 정도로 설정하지만, 데이터 취득 간격을 좀 더 길게 할 경우도 있다. 스태틱 측위의 경우 에포크를 너무 길게 설정해도 문제가 되지만, 짧게 한다고 해서 좋아질 것은 없다. 비교적 단시간 관측에서는 에포크를 5초 정도로 짧게 설정하기도 한다.

 

실시간 측량에서는 이보다 훨씬 빠른 1초 전후로 설정하는 것이 보통이다. 참고로 전자 기준점에서는 지각변동 관측 모드는 30초이며 실시간 배포는 1초이다.

 

관측시간이 길어지면 일부 위성이 제한고도 이하로 내려가고, 다른 위성이 올라오기도 하는데 최저 위성수인 4개 이상만 확보된다면 특별한 지장은 없다. 제한고도는 지표 등에 의한 반사파를 피하기 위하여 보통 15~20°로 설정한다. 수신기에서 제한고도를 설정하면, 어떤 위성이 그 고도 이상으로 올라오거나 내려갈 경우 자동적으로 그 위성의 데이터를 새로 기록하거나 기록을 중지시킨다. 어느 방향에 건물 등의 장해물이 있을 경우 그 방향만 한계 고도각을 높게 설정할 수 있는 수신기도 있다.

 

관측이 끝나면 각 수신기에 기록된 데이터를 기선 해석용 컴퓨터에 전송하여 처리하게 된다. 계산시간은 관측점 수, 관측시간 등에 따라 다르지만, 1개의 기선당 수분 정도 소요된다. 각 수신기에서의 데이터 기록은 수신기 내부의 메모리, 외장형 플래시 메모리, 하드디스크 등에 저장되도록 되어 있다. 구형 수신기에서는 플로피디스크, 카세트테이프 등이 사용되었으나 현재는 모두 자취를 감췄다.

 

3대 이상의 수신기를 사용할 경우 각 수신기(안테나)를 연결하는 모든 기선을 구할 수 있다. 예를 들면, 네 대를 사용할 경우 4 변과 2대각선 등 6개 기선, 다섯 대의 경우 10개 기선을 계산할 수 있다. 그러나 여러 수신기에서 전체 기선을 계산하고자 할 경우 계산시간이 너무 많이 걸리며 또한 불필요한 대각선도 있을 수 있으므로 적당히 분할하여 계산하는 것이 일반적이다.

 

스태틱 측위에서 장시간 관측하는 것은 결코 많은 데이터를 평균함으로써 정확도를 향상하는 목적이 아니라는 것을 다시 한번 강조한다. 앞 절에서 언급했듯이 장시간 관측하면 대류권이나 전리층 영향을 평균하는 효과가 있어 어느 정도 정확도가 좋아지지만 이는 부산물에 지나지 않는다. 장시간 관측하는 것은 위성의 위치 변화를 이용하여 정수 바이어스를 결정하는 것이 목적이다.

 

3대 이상의 수신기를 동시 측정하여 계산된 각 변의 폐합 오차는 반드시 0으로 되는 성질이 있다. 즉 동일 session으로 수행된 관측에서 임의의 한 변은 다른 변으로부터 계산한 결과와 동일하다. 따라서 이와 같은 폐합은 무의미(trivial closure)하므로 관측과 계산이 올바르게 행해졌는지 점검할 때는 도움이 될지 모르지만, 정확도의 평가에는 도움이 되지 않는다. 반드시 다른 세션의 결과를 합하여 폐합 오차를 계산하여야만 한다.