KR101092914B1 - 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법 - Google Patents

항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법 Download PDF

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Abstract

GPS 위성 항법 이상 요인 및 증상 분석은 GPS 수명의 노후화에 따른 오차 발생 증가에 따라 이미 그 절차와 방법들이 연구 수행 되었다. GPS 이상 원인 중 가장 큰 오차를 일으키는 GPS 위성에 의한 이상 발생시 나머지 위성들에 영향을 주어 의사거리에 큰 오차를 유발하며, 고의적 이상의 경우 방송을 함에도 불구하고 사용자 측에서 이상발생 위성을 추적함으로 인해 장시간 큰 오차를 포함한 의사거리를 그대로 사용하는 경우도 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 의사거리 계산을 위해 사용되는 주요 파라미터들의 시간차 및 IGS(International GPS Service) Products 비교를 통해 급격한 변화를 감지하여 이상 발생 위성을 제거함으로써 의사거리를 보정하는 방법에 관한 것이며, 특히 관측점이 known position인 경우 기준국 개념의 보정정보 생성이 가능하고 비교적 적은 절차로 이상 발생 위성 추적 및 효과적으로 의사거리를 보정할 수 있는 특징을 가지고 있다.

Description

항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법{Pseudorange Correction Method by Elimination of Anomalous GPS Satellite}
본 발명은 GPS 위성에 의한 이상 발생시 야기되는 항법 오차를 의사거리 계산을 위해 사용되는 핵심 파라미터들의 시간차 및 IGS Products 비교를 통해 급격한 변화를 감지하여 이상 발생 위성을 제거함으로써 의사거리를 보정하는 방법에 관한 것이다.
GPS(Global Positioning System)로 대표되는 위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)은 위치와 시각 분야 인프라로 그 중요성이 매우 커지고 있다. 위성항법시스템에 대한 의존도는 해양, 항공분야의 국제적인 추세와 관련 산업의 발전 속도로 비추어 볼 때 매우 빠른 속도로 증가할 것이라 예상된다. 국내에서도 위성항법시스템의 적용 및 성능 향상을 위한 연구가 각 분야에서 진행 중이다.
전 세계적으로 미국의 GPS 중심의 위성항법시스템에서 벗어나 독자적인 위성항법시스템을 구축하려는 움직임이 활발하지만 아직까지는 GPS의 영향력은 계속 될 것으로 예상된다.
위성항법시스템을 사용하고자 하는 분야에서는 시스템 관련 시장의 확대를 통한 경제적 이득 또는 교통 체계 등의 공공 시스템에 적용하여 얻게 되는 사회적 이득을 증가시키기 위한 활동 외에도 위성항법시스템의 예기치 못한 고장으로 인한 피해를 방지하거나 최소화하기 위한 노력도 하고 있다. 유럽 연합에 따르면 2015년에 이틀 동안 위성항법시스템의 운영이 중단되면 유럽 내 관련 분야에서만 약 10억 유로의 경제적 손실이 발생할 것으로 예상하고 있다. 위성항법시스템의 고장은 경제적인 손실뿐만 아니라 사회적으로도 큰 영향을 미칠 수 있다. 특히 해양, 항공과 같은 엄밀한 안전 조건을 요구하는 분야에서의 영향은 단순한 금전적인 손실뿐만 아니라 이용자의 생명과 직결되는 심각한 문제로서 사회적 혼란을 발생시킬 수 있고 이로 인한 위성항법시스템의 인프라로써의 신뢰도 저하는 교통 정책, 관련 분야 산업 정책 등에도 영향을 미칠 수 있다.
GPS의 역할이 인프라로써 중요성을 더해감에 따라 세계각국은 상대적으로 적은 비중을 차지했던 GPS 무결성 보장에 관한 연구를 활발히 수행하고 있다. 향후 미국의 GPS 현대화와 유럽의 Galileo가 서비스를 시작하면 GNSS의 응용기술은 더욱 늘어날 것이며, 이 경우 무결성 감시 기법에 대한 요구가 더욱더 증가할 것이다. 러시아에서 구축한 위성항법시스템인 GLONASS는 러시아의 경제난으로 인하여 불완전 운용 중이었으나, 현재 GLONASS 위성배치를 복원하기 위한 프로그램을 추진 중에 있다.
현재까지 GPS의 이상을 검사하는 기법들에는 GPS 항법 메시지에 포함되어 있는 위성의 상태 정보를 이용하여 이상 여부를 판별하는 방법이 있다. 이 상태 정보는 지상 운영국(OCS, Operational Control Segment)에서 모니터링된 정보를 GPS 항법 메시지의 Health bit에 반영하여 사용자에게 알려주는 방법이다. 그렇지만 이 방법은 지상 운영국이 위성에 갱신하는 주기가 적어도 10분에서 20분 정도 소요되고 한 비트를 이용하여 정보를 전달하기 때문에 정확한 상태를 빨리 파악하기 어려운 단점을 가지고 있다.
GPS 이상을 검사하는 다른 방법으로는 수신기 내부에서 여러 채널의 신호를 이용하여 이상 여부를 판별하는 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)이 있다. RAIM 기법은 별도의 장비없이 수신기 자체에서 검사를 수행할 수 있는 장점을 가지지만 최소 5개 이상의 가시 위성을 확보해야만 검사가 가능하고 여러 개의 위성에서 이상이 발생한 경우에는 잘못된 판단을 할 가능성이 높아진다. 또 다른 기법으로는 DGPS와 같은 보정위성항법시스템의 기준국에서 이상을 검사하고 이상 발생시 이를 보정치와 함께 방송하는 기법이 있다. 이 기법에서는 기준국의 위치를 이미 알고 있으므로 다른 기법들에 비하여 이상 검출이 용이하고 검출성능이 나은 것으로 알려져 있어 기준국에서의 무결성 검사 기법들이 많이 연구되고 있고 항공용 DGPS와 같이 무결성이 매우 중요하게 작용하는 분야에서는 이미 그 절차와 방법들이 정의되어 있다.
상기의 방법들은 GPS의 이상을 검사하는 기법들로써 실제 이상이 발생 했음에도 불구하고 Healthy Set으로 설정된 경우 즉, 사용자에게 사전 공지 없이 오차가 발생한 경우 이를 신속하게 감지할 수 있어야 하며 사용자에게 공지 및 의사거리 보정치를 제공해줄 필요가 있다. 따라서 RAIM 기법과 같이 수신기 자체에서 검사를 수행할 수 있는 장점과 DGPS 기준국 개념의 보정정보 생성 및 방송을 포함한 기법의 연구가 요구된다.
본 발명의 목적은 GPS 위성에 의한 이상 발생시 야기되는 항법 오차를 의사거리 계산을 위해 사용되는 핵심 파라미터들의 시간차 및 IGS(International GNSS Service) Products 비교를 통해 급격한 변화를 감지하여 이상 발생 위성을 제거함으로써 의사거리를 보정하는 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정 방법을 제공하는 데 있다.
또한 이상 발생시 단독 안테나 사용자 측에 의사거리 보정치를 제공해 주는 것을 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, GPS 수신기의 측정값을 기초로 산출된 상기 GPS 수신기와 GPS 위성들과의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율이 설정 임계값 이하이면 의사거리를 추정하고, 설정 임계값을 초과하면 항법신호 이상 발생 위성을 추출하여 제거한 후 의사거리를 보정하여 의사거리를 추정하는 것을 특징으로 하는 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 GPS 수신기와 GPS 위성들과의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율은 GPS 수신기의 측정값과 대응되는 IGS 산출값의 비교를 통해서도 구해지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 목적은,
GPS 수신기의 측정값을 수집하는 자료수집 단계(S100)와;
상기 자료수집 단계의 측정값을 기초로 GPS 수신기와 GPS 위성들과의 시간차에 의한 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율을 계산하는 단계(S200)와;
상기 (S200)단계의 계산값을 기초로 각각의 GPS 위성들의 의사거리 변화율 및 파라미터 변화율을 순차적으로 분석하는 단계(S300)와;
상기 (S300)단계의 분석을 통한 각각의 GPS 위성들의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율이 설정 임계값 이하이면 의사거리를 추정하고, 설정 임계값을 초과하는 GPS 위성이 감지되면 해당 GPS 위성은 항법신호 이상 발생 위성으로 판단하여 제거하고 의사거리를 보정한 후 의사거리를 추정하는 단계(S400);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법에 의해서도 달성된다.
여기서, 상기 자료수집 단계(S100)는 IGS 산출값의 수집이 더 포함되는 것이 바람직하고, 상기 GPS 위성들의 수는 [(가시 위성 수) - (최소 필요 위성 수:4) - (1)]인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 목적은,
GPS 수신기의 측정값을 수집하는 자료수집 단계(S10)와;
상기 자료수집 단계(S10)의 측정값을 기초로 시간차에 의한 GPS 수신기와 GPS 위성들과의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율을 계산하는 단계(S20)와;
상기 (S20)단계의 계산값을 기초로 각각의 GPS 위성들의 의사거리 변화율 및 파라미터 변화율을 순차적으로 분석하는 단계(S30)와;
상기 (S30)단계의 분석을 통한 각각의 GPS 위성들의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율이 설정 임계값 이하이면 의사거리를 추정하는 단계(S40)와;
상기 (S30)단계의 분석을 통한 각각의 GPS 위성들 중 어느 하나의 GPS 위성의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율이 설정 임계값을 초과하면 해당 GPS 위성은 항법신호 이상 발생 위성으로 판단하여 제거한 후 나머지 GPS 위성들과 GPS 수신기의 측정값을 기초로 의사거리를 추정하는 단계(S50);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법에 의해서도 달성될 수 있다.
여기서도 상기와 동일하게, 상기 자료수집 단계(S10)는 IGS 산출값의 수집이 더 포함되는 것이 바람직하고, 상기 GPS 위성들의 수는 [(가시 위성 수) - (최소 필요 위성 수:4) - (1)]인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, GPS 위성 이상에 의한 의사거리 오차를 신속하고 효과적으로 보정 할 수 있어 응답속도가 빠르다. 따라서, 종래의 이상발생 위성 오차 영향으로부터 데시미터 이하의 오차정도를 기대할 수 있다.
또한, 기존의 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)에서 수행하는 무결성 감시 기능에 본 발명을 추가하면 보다 안정적인 항법 서비스를 사용자에게 제공하여 사용자의 만족도 향상을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법의 개략적인 순서도,
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법의 구체적인 순서도 및 세부 순서도.
본 발명은, 항법 계산에 필요한 주요 파라미터들(전리층의 영향: ± 5 미터, 천체력 오차: ± 2.5 미터, 위성의 시계 오차: ± 2 미터, 전파 경로에 따른 오차: ± 1 미터, 대류권의 영향: ± 0.5 미터, 수치 오차: ± 1 미터 등)의 시간차 및 IGS(International GNSS Service) Products 비교를 통해 급격한 변화를 감지하여 이상발생 위성을 제거해 줌으로써 이상 발생 위성에 의한 오차의 영향으로부터 의사거리를 효과적으로 보정해주는 것을 특징으로 한다.
이를 위해 본 발명에 따른 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법은, GPS 수신기의 측정값을 기초로 산출된 상기 GPS 수신기와 GPS 위성들과의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율이 설정 임계값 이하이면 의사거리를 추정하고, 설정 임계값을 초과하면 항법신호 이상 발생 위성을 추출하여 제거한 후 의사거리를 보정하여 의사거리를 추정한다. 이와 같이 본 발명은 의사거리 시간차를 이용하여 이상 발생 위성을 추출하고 이를 제거함으로써 보다 신뢰성 있는 의사거리를 추정할 수 있다.
또한, 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해서 상기 GPS 수신기와 GPS 위성들과의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율은 GPS 수신기의 측정값과 대응되는 국제위성항법서비스(IGS)의 산출값과의 비교가 요구된다.
즉, 본 발명은 GPS 수신기의 측정값을 수집하는 자료수집 단계(S10)와, 상기 자료수집 단계(S10)의 측정값을 기초로 시간차에 의한 GPS 수신기와 GPS 위성들과의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율을 계산하는 단계(S20)와, 상기 (S20)단계의 계산값을 기초로 각각의 GPS 위성들의 의사거리 변화율 및 파라미터 변화율을 순차적으로 분석하는 단계(S30)와, 상기 (S30)단계의 분석을 통한 각각의 GPS 위성들의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율이 설정 임계값 이하이면 의사거리를 추정하는 단계(S40)와, 상기 (S30)단계의 분석을 통한 각각의 GPS 위성들 중 어느 하나의 GPS 위성의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율이 설정 임계값을 초과하면 해당 GPS 위성은 항법신호 이상 발생 위성으로 판단하여 제거한 후 나머지 GPS 위성들과 GPS 수신기의 측정값을 기초로 의사거리를 추정하는 단계(S50)를 포함하여 이루어지는데, 상기 자료수집 단계(S10)는 IGS 산출값의 수집이 더 포함되는 것이 바람직하고, 상기 GPS 위성들의 수는 [(가시 위성 수) - (최소 필요 위성 수:4) - (1)]이다.
구체적으로, 도 2 내지 도 5를 통해 본 발명의 요점을 설명하면,
도 2는 이상 발생 위성 제거 순서도를 나타내며 크게 이상 감시 블록(A), 정상 상태 블록(B), n차 이상 발생 위성 제거 판단 블록(C), n+1차 이상 발생 위성 제거 판단 블록(D)으로 구성되어 있다. 이상 감시 블록(A)에서 별다른 이상이 감지되지 않았을 경우 (C) 및 (D) 블록이 무시되어 (B)블록만 수행되며, 이상이 감지되었을 때 n차 이상 발생 위성 제거 판단을 수행하는 블록(C)으로 이동하고 n+1차 이상 발생 위성 제거 판단을 수행하는 블록(D)으로 순차적으로 이동하게 된다.
도 3은 이상 감시 블록(A)에서 별다른 이상이 감지되지 않았을 경우 즉, 임계값 이상의 변화율이 감지되지 않았을 경우 (C) 및 (D)블록이 무시되어 (B)블록만 수행하게 되며 GPS 수신기에서 수신된 항법신호와 IGS 산출값을 이용하여 의사거리 변화율(PRR)을 계산한다(a1,b1). 의사거리 변화율이 임계값 이하일 경우 (b2-1,b2-2) 즉, 이상발생이 감지되지 않았을 경우 정상상태의 항법신호를 바탕으로 의사거리를 계산한다(a2).
도 4는 이상 감시 블록(A)에서 임계값 이상의 변화율이 감지되었을 경우 (b2-1) n차 이상 발생 위성 제거 판단 블록(C)으로 이동하여 이상발생 위성의 제거 유무를 판단하게 된다(c1,d1).이때 제거된 위성이 있는 것으로 판단되었을 경우 이상발생 위성을 제거한 새로운 계산값을 출력하게 되며(c2,d2), 이상 발생 위성 제거 후의 의사거리 보정치를 생성한다(c3,d3). 이때 이상 감시 판단 가능 횟수 n은 [(가시 위성 수) - (최소 필요 위성 수:4) - (1)]차의 횟수를 가진다.
도 5는 도 4에서 n차 이상 발생 위성 제거 판단을 수행하였을 경우 제거 가능한 n+1차의 제거 가능 이상발생 위성 수를 나타낸다. 따라서, 도 4에서 n차 이상 발생 위성 제거 판단을 수행하였을 경우 최대 n+1개의 이상 발생 위성이 제거될 수 있으며 의사거리 보정치 생성절차는 도 4와 같다.
<참고사항>
RCVR Measurement: Receiver Measurement(수신기 관측값)
IGS Products: International GNSS Service Products(IGS 산출값)
PR Estimation: Rseudo Range Estimation
PRR Cal.: Rseudo Range Rate Calculation(의사거리 변화율 계산)
PRR 1: Pseudo Range Rate 1(의사거리 변화율 1)
PRR 2: Pseudo Range Rate 2(의사거리 변화율 2)
Choose PRN no.?: Choose Pseudo Random Noise number?(PRN번호를 선택)
Excl. Anomaly SV: Exclude Anomaly SV(이상발생위성 제거)
PR Correction: Pseudo Range Correction(의사거리 보정)
RINEX Data(RINEX 데이터)
SV coord. calculation: Space Vehicle Coordinates(위성 좌표 계산)
CLK bias calculation: Clock bias calculation(시계 오차 계산)
Add IGS products to PR: Add IGS products to Pseudo Range(의사거리에 IGS값을 보정)
Iono. delay correction: Ionospheric delay correction(전리층 지연오차 보정)
Tropo. delay correction: Tropospheric delay correction(대류권 지연오차 보정)
ex) SVN40/PRN10: Space Vehicle Number 40은 Pseudo Random Noise 10번임.
이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
A: 이상 감시 블록
a1: 수신기 측정치 수신 및 IGS Products 수집
a2: 의사거리 추정
B: 정상 블록
b1: 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 계산
b2-1: 1(n)차 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율 분석
b2-2: 2(n+1)차 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율 분석
C: n차 이상 발생 위성 감시 판단 블록
c1: 이상 발생 위성 판단 및 선택
c2: 이상 발생 위성 제거
c3: 이상 발생 위성 제거 후 의사거리 보정
D: n+1차 이상 발생 위성 감시 판단 블록
d1: 이상 발생 위성 판단 및 선택
d2: 이상 발생 위성 제거
d3: 이상 발생 위성 제거 후 의사거리 보정

Claims (8)

  1. GPS 수신기의 측정값을 기초로 산출된 상기 GPS 수신기와 GPS 위성들과의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율이 설정 임계값 이하이면 의사거리를 추정하고, 설정 임계값을 초과하면 항법신호 이상 발생 위성을 추출하여 제거한 후 의사거리를 보정하여 의사거리를 추정하되,
    상기 GPS 수신기와 GPS 위성들과의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율은 GPS 수신기의 측정값과 대응되는 IGS 산출값의 비교를 통해서도 구해지는 것을 특징으로 하는 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법.
  2. GPS 수신기의 측정값을 수집하는 자료수집 단계(S100)와;
    상기 자료수집 단계의 측정값을 기초로 GPS 수신기와 GPS 위성들과의 시간차에 의한 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율을 계산하는 단계(S200)와;
    상기 (S200)단계의 계산값을 기초로 각각의 GPS 위성들의 의사거리 변화율 및 파라미터 변화율을 순차적으로 분석하는 단계(S300)와;
    상기 (S300)단계의 분석을 통한 각각의 GPS 위성들의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율이 설정 임계값 이하이면 의사거리를 추정하고, 설정 임계값을 초과하는 GPS 위성이 감지되면 해당 GPS 위성은 항법신호 이상 발생 위성으로 판단하여 제거하고 의사거리를 보정한 후 의사거리를 추정하는 단계(S400);를 포함하며,
    상기 자료수집 단계(S100)는 IGS 산출값의 수집이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 GPS 위성들의 수는 [(가시 위성 수) - (최소 필요 위성 수:4) - (1)]인 것을 특징으로 하는 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법.
  4. GPS 수신기의 측정값을 수집하는 자료수집 단계(S10)와;
    상기 자료수집 단계(S10)의 측정값을 기초로 시간차에 의한 GPS 수신기와 GPS 위성들과의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율을 계산하는 단계(S20)와;
    상기 (S20)단계의 계산값을 기초로 각각의 GPS 위성들의 의사거리 변화율 및 파라미터 변화율을 순차적으로 분석하는 단계(S30)와;
    상기 (S30)단계의 분석을 통한 각각의 GPS 위성들의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율이 설정 임계값 이하이면 의사거리를 추정하는 단계(S40)와;
    상기 (S30)단계의 분석을 통한 각각의 GPS 위성들 중 어느 하나의 GPS 위성의 의사거리 변화율 및 항법 파라미터 변화율이 설정 임계값을 초과하면 해당 GPS 위성은 항법신호 이상 발생 위성으로 판단하여 제거한 후 나머지 GPS 위성들과 GPS 수신기의 측정값을 기초로 의사거리를 추정하는 단계(S50);를 포함하며,
    상기 자료수집 단계(S10)는 IGS 산출값의 수집이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 GPS 위성들의 수는 [(가시 위성 수) - (최소 필요 위성 수:4) - (1)]인 것을 특징으로 하는 항법신호 이상 발생 위성 제거를 통한 의사거리 보정방법.
  6. 삭제
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