KR100597857B1

KR100597857B1 - Ｇｐｓ 위성 측량계획 시스템

Info

Publication number: KR100597857B1
Application number: KR1020060007788A
Authority: KR
Inventors: 성천경; 성천복
Original assignee: (주)한양
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2006-07-06

Abstract

본 발명은 GPS 위성 측량계획 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동일시간 대에, 다수의 동일위성으로부터 전파를 수신하여 적정 수신 시간을 계산하는 GPS 위성 측량계획 시스템에 있어서, 측량의 기준이 되는 기준 GPS 수신기 및 대상지점을 이동하면서 관측하는 이동 GPS 수신기를 이용하여 GPS 위성으로부터 위성신호를 수신하는 수신부; 지형의 기복, 주요 건물과 시설물들의 기복 및 3차원 공간상에서의 위치를 수치화한 3차원 지리정보데이터와 GPS 위성의 위치변화를 추적하는데 이용되는 GPS 위성 궤도 데이터를 이용하여 동시관측이 가능한 위성 자료를 분석하는 제어부; 및 GPS 기준점, 대상지점 및 기준 GPS 수신기를 설치할 수 있는 국가 기준점이나 도시기준점 정보를 입력하고, 상기 제어부에서 계산한 각 대상지점의 안정적인 데이터 수신 정보를 출력할 수 있는 입·출력부를 포함하는 GPS 위성 측량계획 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 GPS 위성 측량계획 시스템은 매우 정확한 GPS 수신환경의 예측을 통하여, GPS 위성 궤도 데이터를 수신하여 데이터 처리를 통한 위치 측정의 정확도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 시간의 낭비가 없는 효율적인 현장 데이터 처리가 가능한 효과가 있다.

GPS, 3차원 지리정보 데이터, 위성 궤도 데이터

Description

ＧＰＳ 위성 측량계획 시스템 {GPS Satellite Survey Plan System}

도 1은 3차원 지리 정보와 GPS 위성 운행 예상정보 데이터를 이용한 GPS 데이터 수신환경의 예측을 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 시스템의 구성 요소를 도시한 것이다.

도 3은 위성전파수신 지연 분석을 위한 최소한의 3차원 지리 정보 모델의 예를 도시한 것이다.

도 4는 GPS Almanac 데이터의 형식를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 GPS 위성 측량계획 시스템을 나타내는 흐름도를 도시한 것이다.

도 6은 기준 GPS 수신기가 위치한 지점 및 이동 GPS 수신기가 위치한 지점에서의 GPS 위성 전파 수신 현황을 예측한 위성 데이터 분석을 도시한 것이다.

도 7은 GPS 위성을 이용한 기준점 측량 작업 설계 결과를 도시한 것이다.

발명의 분야

발명의 배경

GPS 위성 궤도 데이터 수신에 의한 정밀 측지측량 분야에서, 서로 다른 두 지점에 위치한 GPS 데이터 수신기를 이용하여, 동일 시간대에 동일한 GPS 위성들이 전송한 전파를 수신하여 함께 처리할 경우, 수 mm 오차범위 내에서 두 수신지점 사이의 매우 정밀한 상대 거리를 계산할 수 있다. 이러한 위치측정방법을 GPS를 이용한 정적측위라 하는데, GPS를 이용한 정적측위 결과가 신뢰성을 지니기 위해서는, 동일시간대에 일정 수 이상의 동일한 GPS 위성으로부터 전파를 수신해야 한다는 조 건을 만족시켜야 한다. 상기 조건을 만족시키면서, 현장관측을 수행하기 위해서 GPS 위성의 운영 주체가 GPS 위성의 이동정보를 미리 예측하여 배포하는 정보를 받아서 특정 지점에서의 전파 수신상황을 예측할 수 있도록 해주는 GPS 측량 계획 시스템이 사용되어왔다. 종래 GPS를 이용한 기준점 측량 작업은 현장 측량비의 소요가 크고, 데이터를 수신하는 동안 측위 환경에 대한 평가가 어려워 정확도를 확보할 만큼의 충분한 데이터 수신 시간을 지키지 못하거나, 정확도 확보를 위해 과도한 시간을 소요하였다.

위성 측위 정보 수집에 관련된 종래 특허로는 '위성측위 환경정보 수집용 장치'(한국특허출원 등록번호 10-2004-0456041, 2004.10.28)가 있다. 그러나 상기 특허는 카메라의 어안렌즈를 통해 하나의 이미지 데이터에 종합적으로 수신환경 정보데이터를 표시할 수 있으나, 지형지물의 장애물에 의한 전파 수신환경 저해 요인을 분석하기 어려운 문제점을 갖고 있다.

이에, 본 발명자들은 종래기술의 단점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 3차원 지리 정보데이터와 위성 궤도 데이터를 이용하여 매우 정확한 GPS 수신환경을 예측하고, GPS 위성 궤도 데이터를 수신하여 데이터 처리를 통한 위치 측정의 정확도를 확보할 수 있으며, 시간 낭비가 없는 효율적인 현장 데이터 처리가 가능함을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 주된 목적은 3차원 지리 정보데이터와 위성 궤도 데이터를 이용하 고, 두 지점에서 동시 수신 가능한 위성수의 정밀한 분석 기능을 추가하여 보다 완전한 현장관측 작업을 수행할 수 있는 GPS 위성 측량계획 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 동일시간 대에, 다수의 동일위성으로부터 수신하는 위성 신호의 적정 수신 시간을 계산하는 GPS 위성 측량계획 시스템에 있어서, 측량의 기준이 되는 기준 GPS 수신기 및 대상지점을 이동하면서 관측하는 이동 GPS 수신기를 이용하여 GPS 위성으로부터 위성신호를 수신하는 수신부; 지형의 기복, 주요 건물과 시설물들의 기복 및 3차원 공간상에서의 위치를 수치화한 3차원 지리정보데이터와 GPS 위성의 위치변화를 추적하는데 이용되는 GPS 위성 궤도 데이터를 이용하여 동시관측이 가능한 위성 자료를 분석하는 제어부; 및GPS 기준점, 대상지점 및 기준 GPS 수신기를 설치할 수 있는 국가 기준점 또는 도시기준점 정보를 입력하고, 상기 제어부에서 계산한 각 대상지점의 안정적인 데이터 수신 정보를 출력할 수 있는 입·출력부를 포함하는 GPS 위성 측량계획 시스템을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는 Almanac 데이터를 통해 지구중심 기준좌표계에 준거한 좌표로 변환하는 좌표변환 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 기준점과 관측 대상 미지점 사이의 정확한 상대거리를 측 정하기 위해 세워진 서로 다른 두 지점의 수신기에서 동일 시간대에 4대 이상의 동일한 위성들에서 발신한 전파를 소정 시간 이상 수신해야하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 3차원 지리 정보와 GPS 위성 운행 예상정보 데이터를 이용한 GPS 데이터 수신환경의 예측을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 시스템의 구성 요소를 도시한 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 GPS 정적측위용 측량 계획 시스템에 관한 것으로, 지형, GPS 위성의 위치, GPS 수신기의 위치 및 건물과 같은 주요 전파 방해 지형지물의 위치를 고려하여 GPS 데이터의 수신환경을 예측하는 것이다. 또한, GPS 정적측위 환경 예측용 시스템을 구성하기 위해서는 기준점과 측정대상 미지점 사이의 정확한 상대거리를 측정하기 위해 세워진 두 지점의 수신기에서 반드시 일정 시간 이상 동안 일정 수 이상의 동일한 위성에서 발신한 전파를 수신해야 한다. 측량의 기준이 되는 기준 GPS 수신기의 측위 환경과 위치결정 대상 측점들을 이동하면서 관측하는 이동 GPS 수신기의 측위 환경을 현장 측량 전에 미리 계산한 다음, 동일시간대에 다수의 동일위성으로부터 전파를 수신하여 측량작업을 계획하도록 하는 GPS 위성측량설계 자동화 시스템에 관한 것이다.

도 3은 위성전파수신 지연 분석을 위한 최소한의 3차원 지리 정보 모델의 예를 도시한 것으로, 지형지물의 차폐에 의한 전파 수신환경 저해 요인을 분석하기 위해서는 지형의 기복과 주요 건물과 시설물들의 기복 및 3차원 공간상에서의 위치를 수치화해 놓은 데이터인 3차원 지형 지리정보 데이터와 3차원 건물 지리정보 데이터가 필요하다. 이러한 데이터들은 측량대상지역의 수치지형도를 제작할 때에 중간 산출물로 제작된 벡터 데이터 형태의 3차원 맵핑 데이터나, 3차원 등고선 데이터, 혹은 항공 레이저 측량 데이터를 이용할 수 있다. 3차원 지리정보데이터의 제작 과정은 본 발명에서는 다루지 않으며, 어떠한 형태이던지 간에 지형의 기복을 수치화한 형태의 지리정보 시스템 데이터가 지형지물의 기복으로 인한 전파수신 방해 환경을 계산하기 위해 사용된다는 점만을 고려한다. 상기 3차원 지리정보 데이터는 모든 데이터를 신규로 구축할 경우 많은 비용이 소요되기 때문에 본 시스템에 적용한다는 것이 비효과적이라고 판단되기 쉬우나, 본 발명의 본격적인 활용예상 시기는 현재 국가적으로 활발하게 진행되고 있는 3차원 지리정보시스템의 구축 및 정비가 완료되는 시기이다. 따라서, 국가 차원에서의 3차원 지리정보 시스템 구축이 완료된 이후, 구축된 데이터의 일부를 활용하거나, 자동화된 데이터 처리 방식을 이용하여 기 구축데이터로부터 전파방해환경 분석에 필요한 최소한의 데이터를 추출하여 3차원 지리정보데이터를 구축함을 통하여 활용하는 방안을 사용한다. 3차원 지리정보는 건물과 주요 시설물, 지형 데이터로 구성되며, 각각의 사양을 정리하면 <표 1>과 같다.

<표 1> 전파수신 저해환경 시뮬레이션을 위한 3차원 지리정보의 구성

건물	3차원 도형데이터, 가로, 세로, 최저면 표고, 최고면 표고의 네 가지 수치데이터로 구성함
나무	형태(원뿔, 세로방향 타원, 가로방향 타원 등), 높이, 최장 반경의 수치데이터로 구성
선형 시설	높이, 최장 반경의 수치데이터로 구성함
전파수신방해 시설물	송전탑, 무선망 기지국 등의 GPS 전파 수신 방해 시설물, 높이, 수신 저해 비율, 최장 반경의 수치데이터로 구성
지형	수평좌표, 수직좌표, 표고의 세 가지 수치데이터로 구성

이러한 3차원 수치데이터의 경우 기존의 국가수치지형도 제작의 중간 산출물인 3차원 지도데이터를 주로 활용하여 제작하며, 항공레이저측량데이터나 입체항공사진데이터가 있을 경우 이를 활용하여 구축한다.

도 4는 GPS Almanac 데이터의 형식를 도시한 것으로, GPS 위성의 운영 주체가 배포하고 있는 Almanac 데이터를 이용하여 GPS 위성의 궤도를 모델링하고, 시간의 변화에 따른 GPS 위성의 위치변화를 추적한다. 상기 위성 궤도의 고유한 좌표계 수치로 제시되는 값들을 이용하여 위성궤도를 모델링 한 후 궤도상의 위성의 위치를 지구중심 기준좌표계에 준거한 좌표로 변환하여, 위성전파 수신환경의 계산시 이를 활용한다.

상기 Almanac 데이터를 이용하여 위성의 위치를 계산하는 절차는 하기와 같다. 먼저, 평균이상값(M)과 이심율(e)을 이용하여 하기 수학식 1에 의해 편심이상값(E(t))을 계산한다.

[수학식 1]

여기서, 시간(t)의 값은 입력된 역법데이터의 생성시간과 관측시간을 비교하여 계산한다. 다음으로는 상기 계산된 평심이상값을 이용하여 하기 수학식 2에 의 해 위성 궤도상의 위치벡터(r)와 시간에 따른 변동벡터(

)를 결정한다.

[수학식 2]

여기서,

이다.

상기 결정된 위성 궤도상의 위치벡터를 하기 수학식 3에 의해 지구 중심의 천구기준 좌표계의 좌표로 변환(R)한 후, 상기 천구기준 좌표계의 좌표를 그리니치자오선과 춘분점을 통과하는 자오선 사이의 각을 적용하여 지구기준 좌표계의 좌표(R′)로 변환한다.

[수학식 3]

여기서, R ₃{Θ}는 그리니치 자오선과 춘분점을 통과하는 자오선 사이의 각이다.

상기 위성 궤도타원 상의 위치벡터(r)를 기존의 (e ¹, e ²) 성분을 사용하고 타원체 연지방향 성분의 값으로 0을 추가하여 1행 3열의 벡터로 변환한 후, 하기 수학식 4의 회전 변환식을 적용하여 지구중심 좌표계에 준거한 위성의 궤적(ρ)을 획득한다.

[수학식 4]

여기서, 지구중심 좌표계에 준거한 위성의 궤적(ρ)은 3차원 지각좌표계 형태의 좌표이다.

상기 절차를 통하여 Almanac 데이터를 통해 입력된 궤도정보를 이용하여 지구기준 좌표계에 준거한 위성의 위치를 계산할 수 있으며, 시간을 변화시켜 가면서 위성의 이동에 따라 매시 바뀌는 위치를 계산할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 GPS 위성 측량계획 시스템을 나타내는 흐름도를 도시한 것으로, 사용자가 시스템에 위치측정의 기준이 되는 기준점의 정보와 미리 선점한 관측 대상 지점의 개략적인 좌표를 입력하면, 시스템이 3차원 지리정보데이터와 GPS 위성 궤도 데이터를 이용하여, 각 지점에서의 관측가능 위성의 종류와 수신시간을 계산하여, 기준점에 세워진 GPS 수신기와의 동시관측 위성 수 및 수신 시간이 안정적이 되는 최소 관측시간을 계산하는 단계를 포함하고 있다.

본 발명은 예상 위성이동경로 데이터와 측위대상 지점 자료를 이용하고, 한 지점에서의 위성전파 수신상황을 점검하던 것을 보완하여 건물 및 지형 데이터의 적용과 두 지점에서 동시 수신 가능한 위성수의 정밀한 분석 기능을 추가하여 보다 완전한 현장관측 작업을 수행할 수 있도록 한 것으로, 두 지점 사이의 정확한 상대거리를 계산해야 하는 GPS 상대측위를 수행함에 있어서 현장관측시 감안해야 할 필수요소는 서로 다른 두 지점에서 동일 시간대에 4대 이상의 동일한 위성들에서 발 신한 전파를 소정 시간 이상 수신해야 한다는 것이다. 이러한 조건을 충족시키는 현장 데이터 관측 작업을 수행하기 위해서는 위치측정의 기준이 되는 지점과 위치측정 대상 지점, GPS 위성들의 위치관계를 미리 파악하고, 관측대상 지점에서 얼마만큼의 시간 동안 GPS 위성 전파를 수신해야 정확한 위치측정 작업에 부합하는 현장측량작업이 수행될 수 있는가를 미리 점검하여, 실제 현장 관측시 이를 반영하는 데이터 수신 작업을 수행해야 한다. 즉, 본 발명은 어떠한 지점에서 GPS 위성데이터를 수신한다면, 어느 정도 시간 동안 받아야 하는가를 현장 작업자에게 미리 안내해 줌을 통하여, GPS 위성 측량계획 작업을 수행하도록 안내하는 것이다.

도 6은 기준 GPS 수신기가 위치한 지점 및 이동 GPS 수신기가 위치한 지점에서의 GPS 위성 전파 수신 현황을 예측한 위성 데이터 분석을 도시한 것으로, 두 지점에서 동시에 전파를 수신하게 될 경우, 동일 관측 위성전파를 어느 정도의 시간 동안 수신할 수 있는 지를 계산함을 통하여, 나중에 수신된 데이터를 처리할 때에 안정적인 정확도가 확보되기 위한 조건을 만족시킬 수 있는 총 데이터 수신 시간을 계산할 수 있다. 동시 관측 위성의 수가 최소 4개가 확보되는 가운데 수행되는 동시관측이 소정 시간 이상 지속되어야 GPS 위치 측정의 정확도가 확보되는데, 본 발명을 이용할 경우, 이러한 조건을 모두 만족시키기 위한 최소 관측시간을 3차원 지리정보 데이터와 위성 궤도 데이터를 이용하여 계산하여 줌으로써, 측량작업의 정확도를 충분히 확보할 수 있게 된다. GPS 측량의 정확도는 기준점과 관측대상지점 사이의 거리에 따라서 달라지며, 일반적으로 거리가 멀어질수록 데이터 관측 시간도 증가한다. 관측시간에 대한 규정은 각종 측량 작업의 규정에 따라 달라지는데, 본 발명에서는 아래에 나타낸 바와 같이 관측시간대를 결정한다. 사용자가 측량작업의 목적과 국가규정에 따라, 최소 관측시간을 입력하면, 그 관측시간에다가 최소 위성수 5를 곱하여 총 관측 시간을 계산한다. 예를 들어, 측량 작업이 항공사진기준점 측량이면, 일반적으로 사용되는 데이터 최소 관측 시간은 30분인데, 이 시간대에 연속적으로 동시관측되는 위성의 수가 최소 5개 이상은 되어야만 정확도가 확보된다. 이러한 경우, 최소관측시간에 위성의 수를 곱하면, 총 관측 시간은 "30분 × 5개 위성 = 150분"이 된다. 따라서 본 발명에 따른 GPS 위성 측량계획 시스템은 위성궤도데이터와 3차원 지형공간데이터를 분석하여 관측가능한 GPS 위성의 종류 및 시간대를 계산하여, 각각의 위성에 대한 동시관측시간을 계산하고, 계산결과들을 합하여 총 관측 시간을 계산하는데, 이렇게 계산된 총관측시간이“최소관측시간 × 5”보다 크면, 사용자가 미리 입력한 최소 관측시간을 그대로 사용하고, 만약 모자란다면, 기준이 충족될 때까지 최소관측시간을 증가시킨다. 조건을 만족시키기까지 증가된 최소관측시간을 현장측량 작업시 적용해야 할 최소관측시간으로 사용한다.

도 7은 GPS 위성을 이용한 기준점 측량 작업 설계 결과를 도시한 것으로, 일반적으로 GPS를 이용한 인공위성 측량에서는 기준점에 위성 데이터 수신기를 설치한 이후, 다른 수신기를 이용하여 관측 대상지점들을 순회하며 데이터를 수신한다. 이렇게 기준점과 관측대상지점들에서 수신한 데이터들을 함께 처리하면, 관측대상지점들에 대한 정확한 좌표가 계산된다. 따라서, 본 발명을 이용할 때에 기준점의 위치를 입력한 이후, 처음 관측점의 위치 및 관측 시작시간을 입력하면, 먼저 첫 번째 관측점에 대한 측위 정확도가 확보될 만큼 충분한 시간인 최소 관측시간을 시스템이 계산하여 사용자에게 알려준다. 다음으로 사용자는 1번 관측점에서의 관측 종료시간에다 2번 관측점까지의 이동시간을 합산하여 2번 지점에서의 관측시작시간을 입력하고, 시스템은 이에 근거하여 2번 지점에서의 최소관측시간을 계산하며, 사용자는 상기와 같은 과정을 통해 모든 관측점에 대한 관측시작시간을 입력하고, 각 지점에서의 최소 관측시간에 대한 정보를 얻게 된다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이, 본 발명은 3차원 지리정보 데이터와 위성 궤도 데이터를 이용하고, 두 지점에서 동시 수신 가능한 위성수의 정밀한 분석 기능 등을 추가하여 보다 완전한 현장관측 작업을 수행할 수 있는 GPS 위성 측량계획 시스템을 제공하는 효과가 있다. 본 발명에 따른 GPS 위성 측량계획 시스템은 높은 정확도의 GPS 상대측위를 수행하기 위해서 사용자가 입력한 관측 시작 시간으로부터 가정 적합한 데이터 관측 시간이 얼마인지에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 각 기준점에서 계산된 최소 관측 시간을 현장 업무에 적용하여 측량 작업의 정확도를 향상시키고, 불필요한 관측 시간을 줄임으로써 전반적인 작업 효과가 향상된다. 뿐만 아니라, 매우 정확한 GPS 수신환경의 예측을 통하여, 정확도 확보에 꼭 필요한 만큼만 GPS 위성 궤도 데이터를 수신하여 데이터 처리를 통한 위치 측정의 정확도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 시간의 낭비가 없는 효율적인 현장 데이터 처리가 가능한 효과가 있다.

Claims

동일시간 대에, 다수의 동일위성으로부터 수신하는 위성 신호의 적정 수신 시간을 계산하는 GPS 위성 측량계획 시스템에 있어서,

측량의 기준이 되는 기준 GPS 수신기 및 대상지점을 이동하면서 관측하는 이동 GPS 수신기를 이용하여 GPS 위성으로부터 위성신호를 수신하는 수신부;

지형의 기복, 주요 건물과 시설물들의 기복 및 3차원 공간상에서의 위치를 수치화한 3차원 지리정보데이터와 GPS 위성의 위치변화를 추적하는데 이용되는 GPS 위성 궤도 데이터를 이용하여 동시관측이 가능한 위성 자료를 분석하는 제어부; 및

GPS 기준점, 대상지점 및 기준 GPS 수신기를 설치할 수 있는 국가 기준점 또는 도시기준점 정보를 입력하고, 상기 제어부에서 계산한 각 대상지점의 안정적인 데이터 수신 정보를 출력할 수 있는 입·출력부를 포함하는 GPS 위성 측량계획 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어부는 Almanac 데이터를 통해 지구중심 기준좌표계에 준거한 좌표로 변환하는 좌표변환 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 위성 측량계획 시스템.
제1항에 있어서, 기준점과 관측 대상 미지점 사이의 정확한 상대거리를 측정하기 위해 세워진 서로 다른 두 지점의 수신기에서 동일 시간대에 4대 이상의 동일한 위성들에서 발신한 전파를 소정 시간 이상 수신해야하는 것을 특징으로 하는 GPS 위성 측량계획 시스템.