KR101160957B1 - 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 ｇｐｓ 상대위치 결정방법 - Google Patents

연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 ｇｐｓ 상대위치 결정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법에 관한 것으로, 고정기준국(110)과 목표이동국(130) 사이의 임의의 위치에 하나 이상의 이동국(131, 132, 133, …, n)을 설정하는 이동국 설정단계(S100)와; 상기 고정기준국(110)과의 상대측위를 통해 상기 고정기준국(110)에 가장 가까운 이동국1(131)의 상대위치(RP1)를 획득하는 이동국1(131)의 상대 위치정보(RP1) 획득단계(S200)와; 상기 이동국1(131)을 이동기준국1(121)로 정한 다음, 순차적으로 이동국2(132)에서 이동기준국n(n)까지의 상대 위치정보(RP2, RP3, …, RPn)와 목표이동국(130)의 상대 위치정보(RPn+1)를 획득하는 이동국 상대 위치정보 획득단계(S300) 및; 상기 고정기준국(110)의 절대 위치에 상기 고정기준국(110)에서부터 목표이동국(130)까지의 상대 위치정보(RP1, RP2, …, RPn, RPn+1)를 모두 합산하여 목표이동국(130)의 절대 위치를 산출하는 목표이동국(130) 위치정보 산출단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 그 기술적 특징으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 고정기준국(110)으로부터 목표이동국(130)까지의 기선거리가 먼 경우에 있어서 의사위성 등을 이용하지 않고도 정확하게 위치를 측정할 수 있다.

Description

연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 ＧＰＳ 상대위치 결정방법{GPS Relative Positioning Method Using Chained Moving Base Stations}
본 발명은 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동적기준국을 기반으로 한 상대항법을 이용하여 위치정보를 획득할 수 있는 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법에 관한 것이다.
미국의 GPS(Global Positioning System)로 대표되는 위성항법시스템은 정보통신산업의 급속한 확대와 더불어 항법, 측지, 측량, 우주, 통신, 국방, 기상 및 지구과학 등에 이르기까지 폭넓은 분야에서 활용되고 있으며, 이러한 위성항법시스템은 미국을 비롯한 러시아, 유럽연합, 중국 및 일본에서 다양한 형태로 개발되고 있다.
GPS 측위 방식으로는 단독측위(single point positioning) 방식과 상대측위(relative positioning) 방식이 있다.
그 중 단독측위 방식은 기준국(Reference Station)과 무관하게 이동국(Rover)에서 수집된 관측테이터만을 이용하여 이동국의 위치를 결정하는 방식이다. 이러한 단독측위 방식은 주변 기준국의 유무, 즉 기선거리에 관계없이 활용할 수 있다는 장점이 있으나, GPS 위성신호에 존재하는 이온층 및 대류층 오차, 시계오차 등을 보정하는데 어려움이 있어 위치정확도가 낮아지게 됨으로써 ㎝ 수준의 정확한 위치결정에는 적용이 어렵다.
상대측위 방식은 이동국과 인접한 지역에 위치한 적어도 하나의 기준국을 이용하여 상대항법을 실시하는 방식이다. 이러한 상대측위 방식은 주변 기준국의 관측데이터와 이동국에서 수집된 관측데이터를 동시에 활용함으로써 GPS 위성신호의 오차 성분, 즉 이온층 및 대류층 오차, 시계오차 등을 공통 오차 성분으로 가정하여 상쇄할 수 있어 위치정확도가 단독측위에 비해 상대적으로 높다는 장점이 있으나, 이동국과 인접한 지역에 기준국이 없거나 기준국과 이동국 사이의 기선거리가 수십 ㎞ 수준으로 멀 경우 위치정확도가 낮아지거나 위치결정이 이루어지지 않을 수 있다는 문제점이 있다.
그리고 이러한 상대항법 기술 역시 정확도 향상을 위하여 DGPS(Differential GPS)나 RTK(Real-Time-Kinematic) 방법과 같이 기준국에서 생성된 보정정보를 활용하여 위치를 결정하기 때문에 기준국으로부터의 거리가 멀 경우 획득된 위치정보의 정확도에 한계가 있으며, 이러한 장기선에 따른 문제점을 극복하기 위하여 의사위성(Pseudolite)을 이용하기도 하지만 기선의 길이가 길어질수록 의사위성의 수도 증가시켜야 할 뿐만 아니라 관련 인프라가 설치되어 있지 않거나 설치가 어려운 지역에서는 사용이 어려우며, 아울러 위치산출 성능이 저하된다는 문제점이 있다. 이에 더하여 GPS 관측데이터와 의사위성 관측데이터를 함께 수집하기 위해서는 특수한 수신 장비 및 자료처리 모듈이 추가적으로 필요하다.
최근 고정기준국을 이용하기 어려운 환경 하에서도 이동체의 위치정보를 획득하기 위해 동적기준국(Moving Base Station)을 기반으로 하는 상대항법 기술이 개발되었으며, 이러한 동적기준국을 이용할 경우에는 기준국을 이용할 때에 비해 상대적으로 기선거리에 대한 제약조건은 비교적 완화되지만 이동중인 동적 기준국과 이동체 사이의 상대 좌표만 얻을 수 있다는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 GPS RTK 방법과 동적기준국(Moving Base Station) 기반의 상대항법 기술이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기선거리가 먼 경우에 있어서 의사위성 등을 이용하지 않고도 정확하게 위치를 측정할 수 있는 연쇄연결방식 동적기준국(CMB, Chained Moving Base Station)을 이용한 GPS 상대위치 결정방법을 제공하고자 하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 고정기준국과 목표이동국 사이의 임의의 위치에 하나 이상의 이동국을 설정하는 이동국 설정단계와; 상기 고정기준국과의 상대측위를 통해 상기 고정기준국에 가장 가까운 이동국1의 상대위치를 획득하는 이동국1의 상대 위치정보 획득단계와; 상기 이동국1을 이동기준국1로 정한 다음, 상기 이동기준국1과의 상대측위를 통해 이동국2의 상대 위치정보를 획득하고, 다시 이동국2를 이동기준국2로 정한 후 이동국3의 상대 위치정보를 획득하는 과정을 순차적으로 수행하여 이동국2에서 이동기준국n까지의 상대 위치정보와 목표이동국의 상대 위치정보를 획득하는 이동국 상대 위치정보 획득단계 및; 상기 고정기준국의 절대 위치에 상기 고정기준국에서부터 목표이동국까지의 상대위치를 모두 합산하여 목표이동국의 절대 위치를 산출하는 목표이동국 위치정보 산출단계를 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 이동국과 목표이동국의 위치를 결정하는 데에 사용되는 GPS는 CDGPS를 사용하고, 상기 이동국과 목표이동국의 상대위치 정보는 L1 GPS 단일주파수를 사용하여 획득하는 것으로 실시될 수도 있다.
또한 상기 이동국과 목표이동국의 상대 위치정보 획득 시 발생하는 이온층 오차는 Klobuchar 모델을 적용하고, 대류층 오차는 수정 Hopfield 모델을 적용하며, 미지정수는 LAMBDA 기법을 적용하는 것으로 실시될 수도 있다.
본 발명에 따르면 1개 이상의 이동국을 이동기준국으로 연쇄적으로 설치 이용함으로써 수십 ㎞의 장기선에서도 높은 정확도로 위치정보를 획득할 수 있다.
또한 본 발명은 고정기준국의 보정정보와 무관하게 적용 가능하며, 이동국을 동적기준국(이동기준국)으로 활용함으로써 의사위성 등의 상위 인프라가 구축되지 않은 환경에서도 적용 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법을 도시한 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법을 도시한 순서도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법의 기준국, 동적기준국, 이동국의 배치상태를 도시한 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법을 도시한 모식도,
도 6은 본 발명에 따른 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법과 종래의 상대항법 기술을 적용하여 구한 좌표오차를 도시한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법과 종래의 상대항법 기술을 적용하여 구한 평균오차를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법은 도 1 및 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 기준국(110)과 이동국(130) 사이의 임의의 위치에 1개 이상의 이동국을 설치하고, 고정기준국(110)과의 상대측위를 통해 고정기준국(110)에 가장 가까운 첫 번째 이동국(131)의 위치를 결정한 후, 위치가 결정된 첫 번째 이동국(131)을 동적기준국(이하 '이동기준국'이라 한다)으로 정한 다음 이 이동기준국1과(121)의 상대측위를 통해 다시 그와 이웃하는 이동국의 위치를 결정하는 방식으로서 이하에서는 이러한 본 발명에 따른 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법에 대해 각각의 단계별로 나누어 상세히 설명한다.
(1) 이동국 설정단계(S100)
이 단계는 도 3에 도시된 바와 같이 고정기준국(110)과 측위 하고자 하는 이동국(130, 이하 "목표이동국"이라 한다.) 사이의 임의의 위치에 하나 이상의 이동국(131, 132, 133, …, n)을 설정하는 단계로서 이러한 이동국(131, 132, 133, …, n)은 선박, 해수면상의 고정구조물, 항공기, 자동차 등일 수 있다.
이하에서는 이들 이동국(131, 132, 133, …, n)에 대해 고정기준국(110)에서 가장 가까운 것에서부터 순차적으로 '이동국1(131)', '이동국2(132)', '이동국3(133)', …, '이동국n(n)'이라 부른다.
(2) 이동국1의 상대 위치정보 획득단계(S200)
이 단계는 고정기준국(110)에서 가장 가까운 이동국1(131)의 상대위치(RP1)를 고정기준국(110)과의 상대측위를 통해 결정하는 단계이다.
(3) 나머지 이동국의 상대 위치정보 획득단계(S300)
이 단계는 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 상기 이동국1(121)의 위치정보 획득단계(S200)에 의해 이동국1(131)의 상대위치가 획득되고 나면, 상기 이동국1(131)을 이동기준국1(121)로 정한 다음, 상기 이동기준국1(121)과의 상대측위를 통해 이동국2(132)의 상대 위치정보(RP2)를 획득하고, 다시 이동국2(132)를 이동기준국2(122)로 정한 후 이동국3(133)의 상대 위치정보(RP3)를 획득하는 일련의 과정을 순차적으로 수행하여 이동국2(132)에서 이동국n(n)까지의 상대 위치정보(RP2, RP3, …, RPn)와 목표이동국(130)의 상대 위치정보(RPn+1)를 획득하는 단계이다.
이때 이동국(131, 132, 133, …, n)과 목표이동국(130)의 위치를 결정하는 데에 사용되는 GPS는 측정정밀도를 향상시키기 위해 CDGPS(Carrier Phase Differential GPS)를 사용하는 것이 바람직하다.
(4) 목표이동국 위치정보 산출단계(S400)
이 단계는 상기 단계들을 통해 이동국1(131)부터 목표이동국(130)까지의 상대 위치가 모두 결정되고 나면 고정기준국(110)의 절대 위치에 고정기준국(110)에서부터 목표이동국(130)까지의 상대 위치(RP1, RP2, RP3, …, RPn, RPn+1)를 모두 합산하여 목표이동국(130)의 절대 위치를 산출하는 단계이다.
상기와 같은 단계들로 이루어진 본 발명의 연쇄연결방식 이동기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법의 유효성을 확인하기 위해 본 발명자들은 실제의 실험을 행하였으며 이하에서는 이를 하나의 실시예로 하여 설명한다.
<실시예>
먼저 본 발명에 따른 연쇄연결방식 이동기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법의 성능 분석을 위해 기선거리에 따른 L1 GPS 단일주파수 관측치를 아래의 <표 1>과 같이 생성하였다.
GPS 관측데이터는 Spirent사의 GSS8000 시뮬레이터를 이용하였으며, 경도 방향으로 0.1° 간격으로 기선거리를 증가시키면서 10개 지점에서 데이터를 생성하였다.
이때 관측데이터 생성 지점은 고정기준국 1개와 이동국 9개로 구성하였으며, 고정기준국과 첫 번째 이동국(이동국1)까지의 기선거리는 약 20km, 이동국과 이동국 사이의 기선거리는 약 10km 간격이다.
각각의 이동국은 그 위치에 고정된 상태로 위치하는 것이 아니라 0.1초 간격(epoch)으로 30분간 반경 2.5m의 원 궤적을 시계방향으로 회전하도록 하여 인위적으로 이동시켰다.
X(m) Y(m) Z(m)
기준국 3292193.182 3984295.198 3724779.692
이동국1 3301477.856 3976649.287 3724800.929
이동국2 3308413.385 3970881.066 3724800.928
이동국3 3315338.838 3965100.75 3724800.928
이동국4 3322254.206 3959308.373 3724800.944
이동국5 3329159.426 3953503.904 3724800.93
이동국6 3336054.515 3947687.402 3724800.927
이동국7 3342939.449 3941858.884 3724800.942
이동국8 3349814.202 3936018.361 3724800.939
이동국9 3356678.749 3930165.845 3724800.943
본 발명의 위치결정의 정확도를 비교 확인하기 위해 종래의 상대항법 기술(CDGPS)과 본 발명의 연쇄연결방식 이동기준국 기반 상대항법(CMD CDGPS)을 각각 적용하여 실험해 보았다.
이때 종래의 상대항법 기술의 경우에는 고정기준국-이동국1, 고정기준국-이동국2, 고정기준국-이동국3, …, 고정기준국-이동국9 사이의 상대항법을 실시하여 위치를 결정하였고, 연쇄연결방식 동적기준국 기반 상대항법의 경우에는 고정기준국-이동국1의 상대측위를 통해 이동국1의 위치를 결정한 후, 이동국1을 이동기준국1로 정하여 이동기준국1-이동국2의 상대항법을 통해 이동국2의 좌표를 결정하였다.
그리고 좌표가 결정된 이동국2는 이동기준국2로 정하여 이동국3과의 상대항법을 실시하였으며, 이러한 연쇄연결방식으로 이동기준국8-이동국9까지 상대항법을 실시하였다. 즉, 이동국1~8은 이동국이자 이동기준국으로서 역할을 하며, 이동국9의 위치정보는 8개의 이동기준국을 연쇄적으로 이용하여 결정하는 것이다.
그리고 상대 위치정보를 획득하는 과정에서 발생된 이온층 오차는 Klobuchar 모델, 대류층 오차는 수정 Hopfield 모델, 미지정수(integer ambiguity)는 LAMBDA(Least Square Ambiguity Decorrelation Adjustment)기법을 적용하여 처리하였으며, 칼만 필터를 적용하여 위치를 산출하였다.
실험 결과, 도 6 및 도 7의 그래프에 도시된 바와 같이 본 발명의 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법의 남-북, 동-서, 수직, 그리고 3차원 방향의 평균오차는 각각 -3.0~0.8cm, 2.7~10.7cm, -41.8~-13.5cm 범위에서 나타났고, 이동국1~9의 평균 RMSE(Root Mean Square Error)는 남-북 방향으로 1.0cm, 동-서 방향으로 2.7cm, 수직방향으로 11.2cm로 나타나는 반면, 종래의 상대항법(CDGPS)의 남-북, 동-서, 수직 방향 평균오차는 각각 -10.0~0.8cm, 2.7~23.8cm, -84.3~-13.5cm 범위에서 나타났으며, 이동국1~9의 평균 RMSE는 3.5cm, 7.3cm, 25.7cm로 나타나 본 발명에 따른 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법이 종래의 상대항법에 의한 것보다 측위 정확도가 우수할 뿐만 아니라 기선거리에 의한 영향도 비교적 적게 받는다는 것을 알 수 있었다.
110: 고정기준국 120, 121, 122, 123: 이동기준국
n: n번째 이동기준국 130, 131, 132, 133: 이동국
n: n번째 이동국
RP1: 고정기준국과 첫 번째 이동국 사이의 상대항법
RP2: 첫 번째 이동기준국과 두 번째 이동국 사이의 상대항법
RP3: 두 번째 이동기준국과 세 번째 이동국 사이의 상대항법
RPn: n-1 번째 이동기준국과 n 번째 이동국 사이의 상대항법
RPn+1: n 번째 이동기준국과 목표이동국 사이의 상대항법

Claims (4)

  1. 고정기준국(110)과 목표이동국(130) 사이의 임의의 위치에 하나 이상의 이동국(131, 132, 133, …, n)을 설정하는 이동국 설정단계(S100)와;
    상기 고정기준국(110)과의 상대측위를 통해 상기 고정기준국(110)에 가장 가까운 이동국1(131)의 상대위치(RP1)를 획득하는 이동국1(131)의 상대 위치정보(RP1) 획득단계(S200)와;
    상기 이동국1(131)을 이동기준국1(121)로 정한 다음, 상기 이동기준국1(121)과의 상대측위를 통해 이동국2(132)의 상대 위치정보(RP2)를 획득하고, 다시 이동국2(132)를 이동기준국2(122)로 정한 후 이동국3(133)의 상대 위치정보(RP3)를 획득하는 과정을 순차적으로 수행하여 이동국2(132)에서 이동기준국n(n)까지의 상대 위치정보(RP2, RP3, …, RPn)와 목표이동국(130)의 상대 위치정보(RPn+1)를 획득하는 나머지 이동국의 상대 위치정보 획득단계(S300) 및;
    상기 고정기준국(110)의 절대 위치에 상기 고정기준국(110)에서부터 목표이동국(130)까지의 상대 위치정보(RP1, RP2, …, RPn, RPn+1)를 모두 합산하여 목표이동국(130)의 절대 위치를 산출하는 목표이동국(130) 위치정보 산출단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동국(131, 132, 133, …, n)과 목표이동국(130)의 위치를 결정하는 데에 사용되는 GPS는 CDGPS인 것을 특징으로 하는 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 이동국(131, 132, 133, …, n)과 목표이동국(130)의 상대 위치정보(RP1, RP2, …, RPn, RPn+1)는 L1 GPS 단일주파수를 사용하여 획득하는 것을 특징으로 하는 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 이동국(131, 132, 133, …, n)과 목표이동국(130)의 상대 위치정보(RP1, RP2, …, RPn, RPn+1) 획득 시 발생하는 이온층 오차는 Klobuchar 모델을 적용하고, 대류층 오차는 수정 Hopfield 모델을 적용하며, 미지정수는 LAMBDA 기법을 적용하는 것을 특징으로 하는 연쇄연결방식 동적기준국을 이용한 GPS 상대위치 결정방법.
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