GNSS 간섭측위 3(feat. 지적기술사 GPS)

1. 키네마틱 측위

스태틱 측위에서 장시간 관측이 필요한 이유가 대부분 정수 바이어스를 결정하기 위한 것이므로 이 시간을 단축시키기 위한 목적으로 키네마틱 측위가 개발되었다. 키네마틱 측위는 스태틱 측위 다음으로 역사가 깊지만 가장 효율적인 측량 방식으로서 장래 측량의 중심 기술이 될 것이다. 초기화 문제를 OTF(on the fly) 방식으로 해결할 수 있게 됨에 따라 이 방식의 단점인, 즉 수신 단절에 의해 데이터가 사용할 수 없게 되는 문제가 거의 해결되었다. 현재 동적 측위라고 하면 OTF-RTK, 즉 고속 초기화 실시간 동적 측위와 같은 뜻으로 간주될 정도이다.

 

사용하는 수신기는 동적측위용이 별도로 존재하는 것이 아니라 정적 측위 등에 사용하는 것과 동일한 것을 사용하면 되고 다만 내부의 프로그램만 교체하면 된다.

 

GNSS 측량에서는 이론적으로 순간의 측정으로도 측위가 가능해진다. 키네마틱 측위에서는 정수 바이어스가 사전에 결정되므로 이론적으로 일순간의 측정만으로도 측위해를 구할 수 있다는 것이다. 즉, 1 에포크마다의 순간적인 위치를 모두 알 수 있다.

 

키네마틱 측위란 참조점에 1조의 안테나와 수신기를 설치하고 다른 수신기는 여러 측점을 수초씩 측정하여 순차적으로 이동해 가는 측량 방식이다. OTF 작동을 위해서는 원칙적으로 다주파수 수신기를 이용한다. 1 주파수에서의 OTF도 가능하나 초기화에 다소 많은 시간이 걸린다.

 

이동하는 수신기를 영어로는 rover라고 하며, 하나의 참조점에 대해 여러 대의 rover를 사용할 수 있다. 1개 측점에 대한 관측시간이 짧기 때문에 일반적으로 에포크(데이터 간격)는 짧게 설정한다. 보통 1초 정도로 설정하지만 수신기에 따라서는 좀 더 짧은 간격으로 설정할 수도 있다.

 

키네마틱 측위에서 중요한 조건은 모든 측량이 종료될 때까지 모든 수신기에서 계속적으로 위성을 수신해야 한다는 점이다. 측점에서 관측하고 있을 때는 물론이고 rover가 이동하고 있는 동안에도 계속 수신을 하여야 한다. 에포크가 짧고 연속적으로 수신하므로 데이터 양이 커질 가능성이 높다. 수 시간 동안 키네마틱 측위 관측을 실시하면 1개 수신기당 1MB가 넘는 경우도 있다. 구 모델 수신기의 경우 기록용량이 적어서 관측시간에 제약을 받기도 하였다. 최근의 수신기에는 대용량 기억소자를 내장하고 있으므로 거의 문제가 되지 않는다.

 

만일 어떤 이유로든 수신이 중단될 경우, 실시간 관측에서는 수신기의 측위해 표시에 명확한 이상이 나타나므로 OTF 조작단계에서 초기 설정을 다시 해야 한다. 반면 후처리 동적 측위에서는 수신기의 경보음 등에 의존하여 신호의 단절 상황을 감지해야 하나 이를 알아차리지 못하면 그 후의 데이터는 전혀 사용할 수가 없게 된다. 고정 수신기의 경우 신호 단절이 거의 발생하지 않지만 이동수신기에서는 수목이나 가옥 등 장애물을 통과하게 되면 순간적으로 신호가 단절되기 쉽다. 이러한 문제로 인해 일본과 같이 과밀한 국가에서는 키네마틱 측위가 상당히 까다로웠으며, 비행장이나 광대한 택지조성현장 등 넓은 장소 이외에는 사용하기 곤란하였다. 이러한 문제는 OTF-RTK가 등장한 후 크게 개선되었다.

 

여기에서 말하는 신호단절이란 동시 관측하는 GNSS 위성의 수가 순간적이나마 최저 개수인 4개를 충족하지 못하는 경우를 말한다. 이 경우 수신기에서는 경보를 울리게 되며, 실시간 수신기의 표시 또한 크게 벗어난다. 측량에 필요한 최저 소요 위성수는 통상 4개이나, OTF 동작을 위해서는 최저 5개의 위성이 필요하다. 예를 들어, 8개 정도의 위성을 동시 수신하고 있었다면 그중 1개 위성의 신호가 단절되더라도 문제가 되지 않는다. 이러한 경우 당연히 경보도 발생하지 않으며, 측위해도 정상일 것이다.

 

키네마틱 측위는 원칙적으로 측량을 시작하기 전에 정수 바이어스 결정을 위하여 OTF 조작을 통해 초기화를 시행해야 한다. 후처리 방식의 동적측위에서 초기화하는 방법은,

- 안테나 교환(swapping)

- 기지점 출발

- 최초 스태틱 측위방식으로 정수 바이어스 결정

등이 있지만, 현재는 거의 사용되지 않고 있다. 안테나 교환(antenna swapping) 방법은 참조 지점 근방(수 m부터 수십 m)에 임시로 점을 설치하고, 고정 안테나와 이동 안테나를 교차로 수초씩 관측하는 방법이다.

 

OTF에서는 GNSS위성으로부터 얻어지는 모든 정보를 총동원하여 바이어스 결정 속도를 향상한다. 따라서 지금까지 단거리 측량에서 불필요했었던 복수 주파수대도 이용하고 있다. GPS에서도 좋은 조건에서는 20초 정도에 초기화가 가능했다. 단, 조건이 나쁘면 몇 분이 지나도 초기화가 곤란했던 경우도 있다.

 

모든 GNSS가 완비되고 3주파수를 사용할 수 있게 되면 OTF의 속도도 한층 개선되어 초기화가 곤란해지는 상황은 거의 사라질 것으로 예상된다.

 

1주파 수신기용 OTF도 있지만 초기화 시간이 많이 소요된다.

 

OTF를 사용하면 측량 도중에 수신이 일시적으로 단절되더라도 잠깐 쉬는 정도의 시간이면 초기화 상태를 회복할 수 있다. OTF기술이 사용되기 이전에는 신호가 단절될 경우 한 단계 전에 관측한 측점으로 되돌아가서 다시 측량을 해야 했다. 일시 단절 이전까지의 측량이 정상적으로 이루어져 있다면, 한 단계전 측점은 정확한 좌표를 구할 수 있으므로 기지점과 동등하게 되는 것이다. 이와 같은 방식을 적용하면 초기화 상태는 회복할 수 있지만, 문제가 된 다음 점으로 같은 경로를 따라 이동할 경우 동일한 지형지물의 영향을 받아서 또 수신이 단절될 것이 분명하다. 이를 방지하기 위해서는 우회경로를 찾아 이동하여야 한다. 이러한 문제로 인해 키네마틱 측위의 능률이 떨어지는 경우가 많이 발생하였다. OTF기술이 등장하면서 이와 같은 문제가 거의 해결되었다. 신호가 단절되더라도 다음 측점에서 조금 오래 관측하면 다시 초기화할 수 있게 된 것이다.

 

키네마틱 측위는 참조점과 이동안테나(수신기, rover)의 기선만 측정할 수 있다. 각 측점간 벡터는 별도로 계산하여 구하여야 한다. 여러 대의 rover를 사용하는 것은 상관없지만, rover와 rover 사이의 기선은 직접 측량되지 않는다.

키네마틱 측위는 아무리 많은 측점을 연속적으로 측량해도 결코 오차가 누적되지 않는 장점이 있다. 즉 오차 또는 정확도는 모든 측점에 대하여 완전히 독립적이다. 이는 트래버스 등 재래식 측량에서는 전혀 생각할 수도 없는 장점이다. 물론 이것은 도중에 수신 단절이 발생하지 않았을 때의 이야기이다.

 

키네마틱 측위로 구한 측점 상호 간의 벡터 또는 수평거리에 대한 폐합은 스태틱 측위와는 달리 의미가 있다. 상호 독립적인 측정이기 때문이다.

 

 

2. 연속 키네마틱 측위

앞 절에서 키네마틱 측위의 경우 1 에포크만 관측하여도 측위 결과를 얻을 수 있다고 설명하였다. 따라서 이동수신기가 계속 이동하여도 매 순간 측정할 수 있다. 이것이 연속 키네마틱 측위이다. 이 경우에도 참조점과 이동점간 기선 벡터를 측정한다는 점은 동일하다.

 

또한 정확도, 초기화, 신호단절, 참조점 위치를 구하는 방법, 오차가 누적되지 않는다는 점, 폐합 등 앞절에서 언급한 모든 사항이 여기에서도 그대로 적용된다.

 

단, 정확도가 이동가속도와 데이터 취득 간격과 관계있다는 점을 고려하여야 한다. 현재의 측량용 수신기는 에포크를 임의로 설정할 수 있지만, 아무리 짧게 설정하더라도 0.05초 정도가 한계이다. 이 이상으로 단축하게 되면 기록 데이터가 너무 많아지고, 수신기의 계산속도가 따르지 못하는 등의 문제가 발생할 수 있다.

 

연속 키네마틱 측위에서 rover(이동수신기)의 속도가 빠르다는 것 자체는 문제가 되지 않는다. 가속도가 0이라면 한 에포크의 최초 또는 중간 위치를 측정 결과로 취급하여 정확하게 구할 수 있다. 그러나 하나의 에포크에 속도 변화, 즉 가속도가 있으면 기록된 반송파 위상에 가속도를 적분한 결과는 기록되지만, 속도 변화의 이력은 알 수가 없다. 이것이 측정오차가 된다. 가속도를 a라고 할 때, 측정 정확도 ε는 에포크 T와 대략 다음과 같은 관계가 있다.

 

ε ～ a T ² / 2

 

물론 가속도가 현저하게 변화하는 경우에는 위와 같은 간단한 식으로는 표현할 수 없다. 또한 이 식에는 키네마틱 측위 자체의 정확도는 포함되어 있지 않으므로, 키네마틱 측위 정확도를 εk 라고 하면 전체적인 측위 정확도 εt 는 다음과 같게 된다.

 

ε ～ ( ε 2 + ε 2 ) 1/2

 

예를 들어 εk = 3 cm, a = 10 cm/s2, T = 1s 라고 하면 최종 정확도는 εt = 5.8 cm가 된다. 이 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 가속도가 클수록 정확도는 나빠지고 에포크가 짧을수록 정확도가 좋아진다. 가속도에 따른 오차가 규정된 정확도를 초과할 경우, GNSS만으로는 측량할 수 없다. 별도로 정밀한 가속도계를 사용하여 보정해야 한다.

 

빠른 속도 또는 가속도로 인하여 수신이 불가능하게 될 가능성은 거의 없다. 단, 지상용 수신기를 제트기나 로켓에 그대로 탑재할 경우 수신기 데이터 처리부에서 도플러 효과 처리 루틴의 허용범위를 초과함으로써 동작이 불가능해질 수 있다. 이는 소프트웨어 또는 하드웨어에 대해 적합한 대응책을 세우면 해결할 수 있다. 가속도가 극히 클 경우 수신기나 안테나가 기계적으로 고장을 일으킬 수 있다. 이러한 경우에도 수신기에서 기록하고 있는 반송파 위상은 빛의 속도에 필적할 정도가 아니라면 충분히 대응 처리할 수 있다.