KR100305714B1 - Development of DGPS positioning accuracy improvement system via local area ionospheric time delay model - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지역적 전리층 지연 모델을 이용하여 전리층 지연으로 인한 위치 오차를 보정하는 보정위성항법시스템(DGPS : Differential GPS)에 관한 것으로서, 전리층 지연으로 인한 위치 오차를 지역적 전리층 지연 모델을 이용하여 최소화함으로써, 정확한 위치 추정이 가능하도록 한 보정위성항법시스템의 위치 보정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention relates to a correction satellite navigation system (DGPS: Differential GPS) for correcting a position error due to an ionospheric delay using a local ionospheric delay model. By minimizing a position error due to an ionospheric delay using a local ionospheric delay model, It is an object of the present invention to provide a position correction method of a calibrated satellite navigation system that enables accurate position estimation.
이러한 본 발명은, 각 가시 GPS위성에 대하여 경사 전리층 지연값을 측정하는 제1단계와; 상기 각 GPS위성의 경사 전리층 지연값을 이용하여, GPS수신기 및 각 GPS위성의 L1/L2 주파수간 바이어스와 기본 모델 파라미터를 구하는 제2단계; 상기 기본 모델 파라미터를 이용하여 상기 기본 전리층 지연 모델을 구하는 제3단계; 상기 L1/L2 주파수간 바이어스를 이용하여 L1/L2 주파수간 바이어스가 제거된 수직 전리층 지연값을 구하는 제4단계; 상기 L1/L2 주파수간 바이어스가 제거된 수직 전리층 지연값을 이용하여 섭동 모델 파라미터를 구하는 제5단계; 상기 섭동 모델 파라미터를 이용하여 섭동 전리층 지연 모델을 구하는 제6단계; 및 상기 기본 전리층 지연 모델과 섭동 전리층 지연 모델을 합하여 지역적 전리층 지연 모델을 구하는 제7단계를 포함한 것을 특징으로 하는 지역적 전리층 지연 모델을 이용한다.The present invention includes a first step of measuring an inclination ionospheric delay value for each visible GPS satellite; Obtaining a bias between the GPS receiver and the L1 / L2 frequencies of each GPS satellite and a basic model parameter using the gradient ionospheric delay values of the GPS satellites; Obtaining a basic ionospheric delay model using the basic model parameters; A fourth step of obtaining a vertical ionospheric delay value from which the L1 / L2 inter-frequency bias is removed using the L1 / L2 inter-frequency bias; Obtaining a perturbation model parameter using the vertical ionospheric delay value from which the L1 / L2 inter-frequency bias is removed; Obtaining a perturbed ionospheric delay model using the perturbation model parameter; And a seventh step of obtaining a regional ionospheric delay model by combining the basic ionospheric delay model and the perturbed ionospheric delay model.
Description
본 발명은 인공위성을 이용하여 사용자의 위치를 구하는 위성항법시스템(GPS :Global Positioning System)에 관한 것으로서, 특히 지역적 전리층 지연 모델을 이용하여 전리층 지연으로 인한 위치 오차를 보정하는 보정위성항법시스템(DGPS : Differential GPS)에 관한 것이다.The present invention relates to a satellite positioning system (GPS) for calculating a user's position using satellites, and in particular, a satellite positioning system (DGPS) for correcting a position error caused by an ionospheric delay using a local ionospheric delay model. Differential GPS).
위성항법시스템(GPS)이란, 지구 주위를 돌고 있는 24개의 인공위성을 이용하여 지구상에 있는 사용자의 위치를 계산하는 항법시스템이다. 이러한 위성항법시스템은 미 국방성에서 구성한 시스템으로 민간용 서비스와 군사용 서비스로 나뉘어져 있다. 그런데, 민간용 서비스에는 S/A라는 일종의 고의잡음을 각 위성마다 임의적으로 첨가하여 송출하기 때문에 민간용 서비스는 비교적 큰 위치 오차를 가진다. 뿐만 아니라, 인공위성으로부터 송출된 신호가 전리층을 통과하면서 발생하는 전리층 지연으로 인하여 민간용 서비스의 위치 오차는 대략 수백 미터에 이른다. 따라서, 차량항법 등과 같은 정밀한 위치계산을 요하는 시스템에서는 보정위성항법시스템(DGPS : Differential GPS)을 사용해야 하며, 이는 도 1에 도시된 바와 같다.Satellite navigation system (GPS) is a navigation system that calculates the position of a user on the earth using 24 satellites orbiting the earth. This satellite navigation system is constructed by the US Department of Defense and is divided into civil service and military service. However, the civil service has a relatively large position error because it sends out a kind of deliberate noise called S / A to each satellite. In addition, due to ionospheric delays caused by signals from satellites passing through the ionosphere, the positional error of civilian services is approximately several hundred meters. Therefore, in a system requiring precise position calculation such as vehicle navigation, a correction satellite navigation system (DGPS: Differential GPS) should be used, as shown in FIG. 1.
즉, 보정위성항법시스템(DGPS)은 자신의 위치를 정확하게 알고 있는 기준국(15)을 이용하는데, 기준국(15)은 위치 오차 유발 요인인 각 GPS위성(10)에 포함된 고의잡음(S/A)과, 전리층 지연의 합을 이용하여 의사거리(pseudorange) 보정치를 계산하고, 의사거리(pseudorange) 보정치에서 기준국(15)과 GPS위성(10) 사이의 거리를 뺌으로써 위치 오차를 계산한다. 그 후, 그 위치 오차를 사용자(17)에게 RTCM-SC 104라는 프로토콜(16)을 사용하여 송출한다.That is, the corrected satellite navigation system (DGPS) uses a reference station 15 that knows its position accurately, and the reference station 15 includes intentional noise (S) included in each GPS satellite 10 which is a cause of position error. / A) and the sum of the ionospheric delays to calculate the pseudorange correction value and calculate the position error by subtracting the distance between the reference station 15 and the GPS satellite 10 from the pseudorange correction value. do. Thereafter, the position error is sent to the user 17 using the protocol 16 called RTCM-SC 104.
이 때, 기준국(15)과 사용자(17) 사이의 거리가 비교적 가까울 때에는 기준국(15)과 사용자(17)에 해당하는 전리층 지연(11,12) 및 대류층 지연(13,14)이 서로 비슷하기 때문에 기준국(15)에서 계산된 의사거리 보정치를 이용한 위치 보정이 가능하다. 그러나, 기준국(15)과 사용자(17) 사이의 거리가 멀어지면, 기준국(15)과 사용자(17)에 해당하는 전리층 지연(11,12) 및 대류층 지연(13,14)이 달라지게 되므로 기준국(15)에서 계산된 의사거리 보정치를 이용한 위치 보정만을 할 경우 위치 오차가 많이 발생된다. 따라서, 보정위성항법시스템에서는 기준국(15)과 사용자(17) 사이의 거리(baseline,18)를 통상 100km 이내로 제한해야 한다. 즉, 사용자(17)가 기준국(15)으로부터 100km 이상 떨어지게 되면, 사용자와 기준국의 전리층 지연(11,12) 및 대류층 지연(13,14)이 달라지게 되므로 보정위성항법시스템의 오차 보정성능이 저하된다.At this time, when the distance between the reference station 15 and the user 17 is relatively close, the ionospheric delays 11 and 12 and the convective delays 13 and 14 corresponding to the reference station 15 and the user 17 are determined. Since they are similar to each other, position correction using the pseudorange correction value calculated by the reference station 15 is possible. However, when the distance between the reference station 15 and the user 17 increases, the ionospheric delays 11 and 12 and the convective delays 13 and 14 corresponding to the reference station 15 and the user 17 are different. Since the position correction using only the pseudo distance correction value calculated by the reference station 15, a lot of position error is generated. Therefore, in the calibrated satellite navigation system, the distance (baseline) 18 between the reference station 15 and the user 17 should be limited to within 100 km. That is, if the user 17 is 100km or more away from the reference station 15, the ionospheric delays 11 and 12 and the convective delays 13 and 14 of the user and the reference station are changed, thereby correcting the error of the satellite navigation system. Performance is degraded.
이때, 위치 오차의 주요한 원인이 전리층 지연의 차이이기 때문에, 기준국과 사용자 사이의 거리가 멀 경우에는 전리층 지연에 대한 위치 보정이 별로도 이루어져야 한다.At this time, since the main cause of the position error is the difference in the ionospheric delay, if the distance between the reference station and the user is far, the position correction for the ionospheric delay must be separately performed.
본 발명은 설명한 바와 같은 종래 기술의 필요성을 충족시키기 위하여 안출된 것으로서, 전리층 지연으로 인한 위치 오차를 지역적 전리층 지연 모델을 이용하여 최소화함으로써, 정확한 위치 추정이 가능하도록 한 보정위성항법시스템의 위치 보정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to meet the necessity of the prior art as described, the position correction method of the corrected satellite navigation system to enable accurate position estimation by minimizing the position error due to the ionospheric delay using a local ionospheric delay model The purpose is to provide.
도 1은 종래의 보정위성항법시스템(DGPS)의 문제점을 도출하기 위하여 도시한 도면,1 is a diagram illustrating a problem of a conventional corrected satellite navigation system (DGPS).
도 2는 지역적 전리층 지연 모델에 사용되는 경사 전리층 지연, 수직 전리층 지연 및 전리층 통과점을 설명하기 위하여 도시한 도면,2 is a diagram for explaining the gradient ionospheric delay, the vertical ionospheric delay, and the ionospheric pass point used in the regional ionospheric delay model;
도 3은 본 발명에 따른 지역적 전리층 지연 모델의 개념을 도시한 그래프도,3 is a graph illustrating the concept of a local ionospheric delay model according to the present invention;
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 보정위성항법시스템의 GPS기준국의 개략 구성도,4 is a schematic structural diagram of a GPS reference station of a calibrated satellite navigation system according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 보정위성항법시스템의 GPS사용자의 개략 구성도이다.5 is a schematic structural diagram of a GPS user of a calibrated satellite navigation system according to an embodiment of the present invention.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠♠ Explanation of symbols on the main parts of the drawing ♠
20: 수직 전리층 지연21: 경사 전리층 지연20: vertical ionospheric delay 21: sloped ionospheric delay
23: 전리층 통과점30: 지역적 전리층 지연 모델23: ionospheric transit point 30: regional ionospheric delay model
31: 기본 전리층 지연 모델32: 섭동 전리층 지연 모델31: default ionospheric delay model 32: perturbation ionospheric delay model
50: GPS안테나51: 안테나50: GPS antenna 51: antenna
54: 이중 주파수 수신기55: 기준국 컴퓨터54: dual frequency receiver 55: reference station computer
58: GPS위성60: GPS안테나58: GPS satellites 60: GPS antenna
61: 안테나63: GPS수신기61: antenna 63: GPS receiver
66: GPS위성66: GPS satellites
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, GPS수신기가 하루 동안의 전리층 지연을 표현하는 기본 전리층 지연 모델과 수시간동안 발생되는 급격한 전리층 지연을 표현하는 섭동 전리층 지연 모델을 이용하여 지역적 전리층 지연 모델을 모델링하는 방법에 있어서, 각 가시 GPS위성에 대하여 경사 전리층 지연값을 측정하는 제1단계와; 상기 각 GPS위성의 경사 전리층 지연값을 이용하여, GPS수신기 및 각 GPS위성의 L1/L2 주파수간 바이어스와 기본 모델 파라미터를 구하는 제2단계; 상기 기본 모델 파라미터를 이용하여 상기 기본 전리층 지연 모델을 구하는 제3단계; 상기 L1/L2 주파수간 바이어스를 이용하여 L1/L2 주파수간 바이어스가 제거된 수직 전리층 지연값을 구하는 제4단계; 상기 L1/L2 주파수간 바이어스가 제거된 수직 전리층 지연값을 이용하여 섭동 모델 파라미터를 구하는 제5단계; 상기 섭동 모델 파라미터를 이용하여 섭동 전리층 지연 모델을 구하는 제6단계; 및 상기 기본 전리층 지연 모델과 섭동 전리층 지연 모델을 합하여 지역적 전리층 지연 모델을 구하는 제7단계를 포함한 것을 특징으로 하는 지역적 전리층 지연 모델의 모델링방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a local ionospheric delay model using a basic ionospheric delay model representing the ionospheric delay during the day and a perturbed ionospheric delay model representing the sudden ionospheric delay occurring for several hours. A method of modeling the method comprising: a first step of measuring an inclination ionospheric delay value for each visible GPS satellite; Obtaining a bias between the GPS receiver and the L1 / L2 frequencies of each GPS satellite and a basic model parameter using the gradient ionospheric delay values of the GPS satellites; Obtaining a basic ionospheric delay model using the basic model parameters; A fourth step of obtaining a vertical ionospheric delay value from which the L1 / L2 inter-frequency bias is removed using the L1 / L2 inter-frequency bias; Obtaining a perturbation model parameter using the vertical ionospheric delay value from which the L1 / L2 inter-frequency bias is removed; Obtaining a perturbed ionospheric delay model using the perturbation model parameter; And a seventh step of obtaining a local ionospheric delay model by combining the basic ionospheric delay model and the perturbed ionospheric delay model.
또한, 본 발명은, GPS기준국이 각 가시 GPS위성의 의사거리보정치와 지역적 전리층 지연 모델을 구하여 GPS사용자에게 출력하는 제1단계와; GPS사용자가 상기 GPS기준국으로부터 입력받은 지역적 전리층 지연 모델을 이용하여 GPS기준국과 GPS사용자의 전리층 지연 차이를 계산하는 제2단계; GPS사용자가 GPS기준국과 GPS사용자의 대류층 지연 차이를 계산하는 제3단계; 및 GPS사용자가 GPS기준국으로부터 입력받은 의사거리보정치를 상기 전리층 지연 차이 및 대류층 지연 차이를 이용하여 보정하고, 보정된 의사거리보정치를 이용하여 위치를 계산하는 제4단계를 포함한 것을 특징으로 하는 지역적 전리층 지연 모델을 이용한 보정위성항법시스템의 위치 보정방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises a first step of the GPS reference station obtains the pseudo-range correction value and the local ionospheric delay model of each visible GPS satellite and outputs it to the GPS user; A second step of calculating, by a GPS user, an ionospheric delay difference between the GPS reference station and the GPS user using a local ionospheric delay model received from the GPS reference station; A third step of the GPS user calculating a difference in convective delay between the GPS reference station and the GPS user; And a fourth step of the GPS user correcting the pseudorange correction received from the GPS reference station using the ionospheric delay difference and the convective delay difference, and calculating a position using the corrected pseudorange correction. Provides a method for calibrating the position of a calibrated satellite navigation system using a local ionospheric delay model.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
일반적으로, 전리층 지연은 대기 속의 총전자양(TEC)의 영향을 받는다. 즉, 전자의 밀도가 큰 대기속을 통과하면 전리층 지연은 많이 증가하고, 밀도가 작은 대기속을 통과하면 전리층 지연은 적게 증가한다. 이러한 전자의 밀도는 지구자기위도와 지방시, 그리고 고도에 따라 변한다. 통상 고도는 350km로 가정한다. 따라서, 전리층 지연 모델은 지구자기위도와 지방시의 함수로 표현된다.In general, ionospheric delay is affected by the total electron quantity (TEC) in the atmosphere. In other words, the ionospheric delay increases greatly when passing through the high density of electrons, and the ionospheric delay increases less when passing through the low density of air. The density of these electrons varies with global magnetic latitude, Givenchy, and altitude. Normal altitude is assumed to be 350 km. Thus, the ionospheric delay model is expressed as a function of geomagnetic latitude and Givenchy.
도 2는 전리층 통과점(22)과 전리층 지연을 도시한다.2 shows the ionospheric pass point 22 and the ionospheric delay.
전리층 지연은, 경사 전리층 지연(21)과 수직 전리층 지연(20)으로 구분된다. 여기서, 경사 전리층 지연(21)이란, GPS위성(23)으로부터 송출된 신호가 사용자(24)에게 도달하는 동안 겪는 전리층 지연을 의미하며, 수직 전리층 지연(20)이란, 경사 전리층 지연(21)의 전리층 통과점(22)을 지나면서 지구중심을 향하는 신호에 발생되는 전리층 지연을 의미한다. 즉, 수직 전리층 지연(20)은 전리층 통과점(22)에서의 전리층 활동을 가늠하는 척도가 된다. 이때, 전리층 통과점(22)은 사용자(24)의 GPS위성(23)에 대한 시선과 전리층 고도(26)와의 교점이다.The ionospheric delay is divided into a gradient ionospheric delay 21 and a vertical ionospheric delay 20. Here, the gradient ionospheric delay 21 means an ionospheric delay experienced while the signal transmitted from the GPS satellite 23 reaches the user 24, and the vertical ionospheric delay 20 refers to the gradient ionospheric delay 21. It means the ionospheric delay generated in the signal toward the earth center while passing through the ionospheric pass point 22. That is, the vertical ionospheric delay 20 is a measure of the ionospheric activity at the ionospheric pass point 22. At this time, the ionospheric pass point 22 is an intersection of the eye of the user 24 with respect to the GPS satellite 23 and the ionospheric altitude 26.
약 20,000km 상공에 위치하며 24개의 GPS위성으로 구성된 GPS(Grobal Positioning System)는 무제한 수의 사용자가 지구상 어느 위치에서나 4개 이상의 위성을 관측할 수 있도록 구성되어 있다. GPS서비스를 제공받는 사용자는 95%의 확률로 약 100m 정도의 평면오차(2drms : distance root mean square) 범위에서 자신의 위치를 계산할 수 있다. 이렇게 GPS를 이용하여 위치를 계산하기 위해서는, 사용자가 소유한 GPS수신기의 3차원 위치와 GPS수신기의 시계 오차, 즉 모두 4개의 정보를 기본적으로 구해야 한다.The Global Positioning System (GPS), which consists of 24 GPS satellites and is located approximately 20,000 km above sea, is designed to allow an unlimited number of users to observe four or more satellites from any location on Earth. The user who receives the GPS service has a 95% probability of calculating his position in the range of about 100m plane root mean distance (2drms). In order to calculate the location using GPS, four pieces of information must be basically obtained, namely, three-dimensional position of the GPS receiver owned by the user and clock error of the GPS receiver.
따라서, 풀어야 할 미지수가 모두 4개이므로, 최소한 4개의 GPS위성에서 보내온 데이터를 기초로 하여 사용자의 위치를 계산해야 한다. 이러한 24개의 GPS위성은 모두 위성마다 고유의 의사랜덤잡음(PRN : Pseudo Random Noise) 코드를 GPS위성의 위치 좌표 등의 정보(항법메세지)를 반송파에 실어 GPS수신기에 전달한다. 이 때, GPS위성에서 사용되는 반송파에는 L1과 L2의 두 반송파가 있는데, 그 주파수는 각각 1.575GHz와 1.227GHz이다. 이 중 민간용 서비스를 위해서는 L1만 수신하고, 군사용 서비스를 위해서는 L1과 L2를 모두 수신할 수 있도록 되어 있다. 그러나, 보다 정확한 민간용 서비스를 제공하기 위하여, 기준국에는 두반송파(L1,L2)를 모두 수신하여 L1/L2 바이어스를 추정하는 이중 주파수 수신기가 설치되기도 한다.Therefore, since there are four unknowns to be solved, the user's location should be calculated based on data from at least four GPS satellites. All 24 GPS satellites transmit a Pseudo Random Noise (PRN) code unique to each satellite to the GPS receiver by carrying information (navigation messages) such as GPS satellite position coordinates. At this time, there are two carriers, L1 and L2, used in the GPS satellites, and the frequencies are 1.575 GHz and 1.227 GHz, respectively. Among them, only L1 can be received for civilian services, and both L1 and L2 can be received for military services. However, in order to provide more accurate civil service, a reference frequency station may be provided with a dual frequency receiver that receives both carriers (L1, L2) and estimates the L1 / L2 bias.
본 발명의 실시예에서는 이와 같이 이중 주파수 수신기가 설치된 기준국에서 추정한 실시간 L1/L2 주파수간 바이어스를 이용한다.The embodiment of the present invention uses the real-time L1 / L2 frequency bias estimated by the reference station provided with the dual frequency receiver.
본 발명에 따른 위치 보정방법을 위하여, 먼저 지역적 전리층 지연모델을 획득해야 하며, 그 과정은 다음과 같다.For the position correction method according to the present invention, a local ionospheric delay model must first be obtained, and the process is as follows.
전리층의 활동은 지방시(local time)와 지구자기위도(geomagnetic latitude)에 의해서 영향을 받는다. 따라서, 지역적 전리층 지연모델은 지방시와 지구자기위도의 좌표계에서 수직 전리층 지연(20)으로 표현된다. 이때, 본 발명의 실시예는 세가지 가정 하에서 이루어지며, 이 세가지 가정은 다음과 같다. 첫째, 전리층 지연은 지상 350km에서 집중적으로 일어난다(22,26). 둘째, 경사 전리층 지연(21)과 수직 전리층 지연(20)은 경사도에 의해서만 관계된다. 세째, 경사도(F(θ))는 오직 인공위성 고도각(θ)만의 함수이다.The ionosphere activity is affected by local time and geomagnetic latitude. Therefore, the local ionospheric delay model is represented by the vertical ionospheric delay 20 in the coordinate system of local time and geomagnetic latitude. At this time, the embodiment of the present invention is made under three assumptions, and these three assumptions are as follows. First, ionospheric delay occurs intensively at 350 km above ground (22, 26). Second, the sloped ionospheric retardation 21 and the vertical ionospheric retardation 20 are related only by the slope. Third, the slope F (θ) is only a function of the satellite elevation angle θ.
이러한 가정 하에서 지역적 전리층 지연모델을 구하는 과정을 설명한다.Under these assumptions, we explain the process of obtaining a regional ionospheric delay model.
도 3을 참조하면, 지역적 전리층 지연 모델(30)은 한반도와 같은 크기의 영역에서 사용하기 적합하도록 개발한 전리층 지연 모델로서, 24시간 동안의 전리층 지연 경향을 나타내기 위한 기본 전리층 지연 모델(31)과 한 두 시간 동안에 발생되는 급격한 전리층 활동의 변화를 표현하기 위한 섭동 전리층 지연 모델(32)의 합으로 이루어진다. 즉, 섭동 전리층 지연 모델(32)을 사용함으로써 전리층 지연의 변화를 실시간으로 표현한다.Referring to FIG. 3, the local ionospheric delay model 30 is an ionospheric delay model developed to be suitable for use in an area of the same size as the Korean peninsula, and includes a basic ionospheric delay model 31 for indicating an ionospheric delay tendency for 24 hours. And a perturbation ionospheric delay model 32 to represent the rapid change in ionospheric activity occurring over an hour or two. That is, the change in the ionospheric delay is expressed in real time by using the perturbation ionospheric delay model 32.
상기한 기본 전리층 지연 모델(31)을 구하기 위해서는 기본 모델 파라미터(C0, C1, …, S22) 값들을 알아야 하고, 섭동 전리층 지연 모델을 구하기 위해서는 섭동 모델 파라미터(a0, a11, …, a23) 값들을 알아야 한다. 이러한 기본 모델 파라미터 값들은 측정된 경사 전리층 지연값()을 칼만(Kalman) 필터를 통과시킴으로 얻을 수 있다.In order to obtain the basic ionospheric delay model 31, the basic model parameters C 0 , C 1 ,..., S 22 must be known, and in order to obtain the perturbation ionospheric delay model, the perturbation model parameters a 0 , a 11 ,. , a 23 ) You must know the values. These basic model parameter values represent the measured gradient ionospheric delay values ( ) Can be obtained by passing a Kalman filter.
즉, 기준국이나 사용자의 GPS수신기는 경사 전리층 지연값()을 구할 수 있는데, 각 위성별로 측정된 경사 전리층 지연값(,, …,)은 칼만 필터에 적용되고, 이 칼만 필터로부터 L1/L2 주파수간 바이어스()와, 기본 모델 파라미터(C0, C1, …, S22) 값들이 얻어진다.That is, the GPS receiver of the reference station or the user receives the slope ionospheric delay value ( ), Where the sloped ionospheric delay ( , ,… , ) Is applied to the Kalman filter, from which the bias between L1 / L2 frequencies ( ) And the basic model parameters C 0 , C 1 ,..., S 22 are obtained.
상기한 칼만 필터 수식은 수학식 1과 같이 표현된다.The Kalman filter equation is expressed as in Equation (1).
여기서,here,
이다. 초기값으로이다.to be. By default to be.
이때,는 GPS수신기의 L1/L2 주파수간 바이어스이고,는 각각 첫 번째 GPS위성의 L1/L2 주파수간 바이어스 내지 n 번째 GPS위성의 L1/L2 주파수간 바이어스를 의미한다.At this time, Is the bias between the L1 / L2 frequencies of the GPS receiver, Denotes a bias between L1 / L2 frequencies of the first GPS satellite and an L1 / L2 frequency bias of the nth GPS satellite, respectively.
또한,내지는 L1/L2 주파수간 바이어스가 포함되어 있는 측정된 경사 전리층 지연인데,는 GPS수신기에서 측정되는 첫 번째 GPS위성의 경사 전리층 지연이고,는 GPS수신기에서 측정되는 n 번째 GPS위성의 경사 전리층 지연이다.Also, To Is the measured gradient ionospheric delay with the bias between L1 / L2 frequencies, Is the gradient ionospheric delay of the first GPS satellite measured at the GPS receiver, Is the slope ionospheric delay of the nth GPS satellite measured at the GPS receiver.
또한,는 L1/L2 주파수간 바이어스가 제거된 첫 번째GPS위성의 경사 전리층 지연이고,은 L1/L2 주파수간 바이어스가 제거된 n 번째 GPS위성의 경사 전리층 지연이다.Also, Is the gradient ionospheric delay of the first GPS satellite with the L1 / L2 inter-frequency bias removed, Is the sloped ionospheric delay of the nth GPS satellite with the bias between the L1 / L2 frequencies removed.
상기한 수학식 1에서 구해진 기본 모델 파라미터(C0, C1, …, S22) 값들을 수학식 2에 적용하여 기본 전리층 지연모델을 구한다.The basic ionospheric delay model is obtained by applying the basic model parameter values C 0 , C 1 ,..., S 22 obtained in Equation 1 to Equation 2.
여기서,이고,은 전리층 통과점의 지구자기위도이며, t는 전리층 통과점의 지방시를 0∼2π로 정규화한 값이다.here, ego, Is the geomagnetic latitude of the ionosphere pass point, and t is a value obtained by normalizing the local time of the ionosphere pass point to 0 to 2π.
또한, 섭동 모델 파라미터(a0, a11, a12, a21, a22, a23)는 성능지수가 지수적으로 감쇄되는 순차적 최소자승법을 사용하는 필터로 추정된다. 실시간으로 가변되는 섭동 모델 파라미터를 추정하기 위한 최소자승법을 사용한 필터 수식은 수학식 3과 같이 표현된다.In addition, the perturbation model parameters a 0 , a 11 , a 12 , a 21 , a 22 , a 23 are estimated as filters using a sequential least square method in which the figure of merit is exponentially attenuated. The filter equation using the least squares method for estimating the perturbation model parameter that changes in real time is expressed as in Equation 3.
이때,At this time,
이와 같이 구해진 섭동 모델 파라미터를 수학식 4에 적용하여, 섭동 전리층 지연모델을 추정한다.The perturbation ionospheric delay model is estimated by applying the perturbation model parameter thus obtained to Equation 4.
이때,이다.At this time, to be.
수학식 2를 통해 얻어진 기본 전리층 지연모델과 수학식 4를 통해 얻어진 섭동 전리층 지연모델을 수학식 5에 적용하여, 지역적 전리층 지연모델을 추정한다.A local ionospheric delay model is estimated by applying the basic ionospheric delay model obtained through Equation 2 and the perturbed ionospheric delay model obtained through Equation 4 to Equation 5.
이와 같은 지역적 전리층 지연 모델은 GPS기준국에서 모델링되며, RTCM-SC 104 프로토콜 형태로 GPS사용자에게 전달된다.This local ionospheric delay model is modeled at the GPS reference station and delivered to GPS users in the form of the RTCM-SC 104 protocol.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 GPS기준국의 개략 구성도인 바, 기존의 GPS기준국에 이중주파수수신기(54)가 추가된다. GPS기준국은 GPS안테나(50)를 통해 GPS위성(58)의 경사 전리층 지연을 입력받아 의사거리보정치를 구하고, 안테나(51)를 이용하여 RTCM-SC 104 프로토콜(52) 형태로 사용자에게 송출한다. 한편, 기준국 컴퓨터(55)는 기본 모델 파라미터와 섭동 모델 파라미터를 사용하여 기본 전리층 지연 모델과 섭동 전리층 지연 모델을 실시간으로 추정하고, 이를 RTCM-SC 104 프로토콜(52)에 포함시켜 사용자에게 출력한다.5 is a schematic configuration diagram of a GPS reference station according to an embodiment of the present invention, in which a dual frequency receiver 54 is added to an existing GPS reference station. The GPS reference station receives the pseudo ionospheric delay of the GPS satellite 58 through the GPS antenna 50 to obtain a pseudo distance correction value, and transmits it to the user in the form of the RTCM-SC 104 protocol 52 using the antenna 51. . On the other hand, the reference station computer 55 estimates the basic ionospheric delay model and the perturbation ionospheric delay model in real time using the basic model parameters and the perturbation model parameters, and includes them in the RTCM-SC 104 protocol 52 for output to the user. .
이때, 기본 전리층 지연 모델은 5분마다 한 번씩 송출하고, 섭동 전리층 지연 모델은 1분마다 한 번씩 송출한다.At this time, the basic ionospheric delay model is sent out every 5 minutes, and the perturbation ionospheric delay model is sent out once every minute.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 GPS사용자의 개략 구성도인 바, GPS사용자는 GPS기준국에서 송출한 지역적 전리층 지연 모델을 사용하여 모든 가시 GPS위성(66)에 대한 GPS기준국과 GPS사용자의 전리층 지연 차이를 계산한다.6 is a schematic configuration diagram of a GPS user according to an embodiment of the present invention, in which the GPS user uses the local ionospheric delay model transmitted from the GPS reference station to the GPS reference station and the GPS for all visible GPS satellites 66. Calculate the user's ionospheric delay difference.
이때, 지역적 전리층 지연 모델을 사용하여 전리층 지연()을 계산하기 위해서 먼저, GPS안테나(60)를 이용하여 각 GPS위성(66)에서 송출되는 GPS데이터를GPS수신기(63)로 입력받아, 각 GPS위성(66)의 방위각과 고도각을 감지한다. 이때, GPS위성의 위치는 항법메시지로부터 계산할 수 있고 GPS기준국의 위치는 정확하게 알 수 있으며, GPS사용자의 위치는 아주 작은 오차로 측정이 가능하다. 따라서, 각 GPS위성의 방위각과 고도각을 이용하여 GPS기준국과 GPS사용자의 전리층 지연 통과점에 대한 지구자기위도, 지방시, 경사도를 구한다. 또한, 이 지구자기위도와 지방시를 GPS기준국으로부터 RTCM-SC 104 프로토콜 형태로 입력되는 지역적 전리층 지연 모델에 적용하여 GPS기준국과 GPS사용자의 전리층 지연값을 계산한다.At this time, the ionospheric delay (using the regional ionospheric delay model) In order to calculate), first, GPS data transmitted from each GPS satellite 66 is input to the GPS receiver 63 using the GPS antenna 60 to detect azimuth and elevation angles of the GPS satellites 66. . At this time, the position of the GPS satellite can be calculated from the navigation message, the position of the GPS reference station can be accurately known, and the position of the GPS user can be measured with a very small error. Therefore, using the azimuth and altitude angles of the GPS satellites, the geomagnetic latitude, Givenchy, and slope for the ionospheric delay passing point of the GPS reference station and GPS user are obtained. In addition, the geomagnetic latitude and local time are applied to the local ionospheric delay model inputted from the GPS reference station in the RTCM-SC 104 protocol format to calculate the ionospheric delay values of the GPS reference station and the GPS user.
이와 더불어, GPS기준국과 GPS사용자와의 대류층 지연 차이로 인한 위치 오차를 보정하기 위하여, GPS기준국과 GPS사용자의 대류층 지연 차이()를 기존 대류층 지연 모델을 이용하여 계산한다. 이러한 대류층 지연 모델은 고도, 온도, 습도 및 기압의 함수이다. 고도는 GPS기준국 및 GPS사용자의 위치로부터 계산이 가능하고 온도, 습도 및 기압은 계절에 따른 일반 대기의 상태를 사용한다.In addition, in order to correct the position error caused by the difference in the convective delay between the GPS reference station and the GPS user, the difference in the convective delay between the GPS reference station and the GPS user ( ) Is calculated using the existing convective delay model. This convective delay model is a function of altitude, temperature, humidity and barometric pressure. The altitude can be calculated from the location of the GPS reference station and the GPS user, and the temperature, humidity and air pressure use the general atmospheric conditions according to the season.
이렇게 계산된 GPS기준국과 GPS사용자간의 전리층 지연 차이() 및 대류층 지연 차이()를 사용하여 기존 보정위성항법시스템(DGPS)에서 사용되는 의사거리보정치()를 개선하여 보정된 의사거리보정치()를 만들 수 있으며, 이는 수학식 6과 같이 표현된다.The difference in ionospheric delay between the GPS reference station and the GPS user ) And convective delay differences ( ), The pseudorange correction value used in the existing DGPS To improve the pseudorange correction () ), Which is represented by Equation 6.
여기서,here,
이렇게 구해진 보정된 의사거리 보정치를 사용하여 GPS기준국으로부터 수신된 의사거리를 보정한 후, 사용자의 위치를 계산한다.After calibrating the pseudorange received from the GPS reference station using the calibrated pseudorange correction value, the user's position is calculated.
즉, 본 발명은 기존의 보정위성항법시스템(DGPS)에서 사용하는 의사거리보정치()에서는, 지역적 전리층 지연 모델과 대류층 지연 모델을 사용하여 GPS기준국과 GPS사용자간의 전리층 지연 차이 및 대류층 지연 차이를 구하여, 이를 이용하여 의사거리보정치를 새롭게 보정한다. 따라서, 기존 보정위성항법시스템(DGPS)에서 GPS기준국과 GPS사용자간의 거리가 멀어짐에 따라 전리층 지연 및 대류층 지연의 차이로 인해 발생되었던 사용자의 위치 오차를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 즉, 본 발명을 사용하면 GPS기준국과 GPS사용자간의 거리를 기존 보정위성항법시스템(DGPS)의 거리제한선인 100km 이상으로 연장시킬 수 있다.That is, the present invention is a pseudo-distance correction value (used in a conventional satellite navigation system (DGPS) ), We use the local ionospheric delay model and the convective delay model to find the difference between the ionospheric delay and the difference in the convective delay between the GPS reference station and the GPS user. Therefore, as the distance between the GPS reference station and the GPS user increases in the conventional DGPS, it is possible to effectively reduce the position error of the user caused by the difference between the ionospheric delay and the convective delay. That is, by using the present invention, the distance between the GPS reference station and the GPS user can be extended to 100 km or more, which is the distance limit of the existing GPS system.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 지역적 전리층 지연 모델을 사용하여 기존 보정위성항법시스템(DGPS)의 위치 오차 성능을 개선하였다. 즉, 기존 보정위성항법시스템(DGPS)에서는 GPS기준국과 GPS사용자간이 거리가 멀어짐에 따라 GPS기준국과 GPS사용자간의 전리층 지연 차이 및 대류층 지연 차이로 인해 GPS기준국의 위치오차 보정 성능이 저하되었지만 이 발명은 지역적 전리층 지연 모델을 개발 및 사용함으로써 GPS기준국의 위치오차 보정 성능이 향상되는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention improves the position error performance of the conventional DGPS using a local ionospheric delay model. That is, in the conventional GPS system, the distance between the GPS reference station and the GPS user increases, so that the position error correction performance of the GPS reference station decreases due to the difference in ionospheric delay and the difference in convective delay between the GPS reference station and the GPS user. However, this invention has the effect of improving the position error correction performance of the GPS reference station by developing and using a local ionospheric delay model.
따라서, GPS기준국과 GPS사용자간의 거리가 기존 보정위성항법시스템(DGPS)의 거리 제한인 100km 이상으로 확장될 수 있는데, 이는 동일한 면적에 적은 수의 GPS기준국으로 보정위성항법시스템을 구축할 수 있음을 의미한다. 즉, 지역적 전리층 지연 모델을 사용하는 보정위성항법시스템은 기존의 보정위성항법시스템보다 위치 정확도가 높으며 경제적으로 유리한 시스템이다. 특히, 지역적 전리층 지연 모델은 위성항법시스템(GPS)을 이용한 이동전화 CDMA 기준국의 시각 동기화 시스템 등에 사용되면 전리층 지연으로 인한 오차를 제거할 수 있으므로 보다 더 정밀한 시각 동기화 시스템을 구축할 수 있다.Therefore, the distance between the GPS reference station and the GPS user can be extended to more than 100km, which is the distance limit of the existing DGPS system, which can be used to construct a calibrated satellite navigation system with a small number of GPS reference stations in the same area. It means that there is. In other words, the calibrated satellite navigation system using the local ionospheric delay model is more economically advantageous and has a higher position accuracy than the existing calibrated satellite navigation system. In particular, when the local ionospheric delay model is used for a time synchronization system of a mobile phone CDMA reference station using a satellite navigation system (GPS), an error due to the ionospheric delay can be eliminated, and thus a more precise time synchronization system can be constructed.
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