KR101184043B1 - 측정치 보정정보의 위치영역 매핑을 이용한 위성항법 보강방법 - Google Patents

측정치 보정정보의 위치영역 매핑을 이용한 위성항법 보강방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 위성항법의 정확도 향상을 위한 위성항법 보강방법에 관한 것으로서, 항법 위성(501)의 궤도정보를 수신하여 항법 위성의 위치를 구하고, 사용자의 위성항법 단독 측위 모듈(602)를 통하여 사용자 위치를 결정하는 제10단계; 항법 위성의 위치 및 사용자 위치의 기하학적 관계에 근거하여 항법 위성의 시선벡터를 산출하여 관측 행렬을 구성하는 제20단계; 관측 행렬이 포함된 측정치 보정정보와 위치기반 보정정보의 상관식으로부터 위치기반 보정정보를 생성하는 제30단계; 사용자의 위성항법 단독 측위 모듈(602)에서 결정된 사용자 위치에서 위치기반 보정정보를 차분하여 오차가 제거된 사용자 위치를 결정하는 제40단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

측정치 보정정보의 위치영역 매핑을 이용한 위성항법 보강방법{Differential GPS using Range Correction Mapping}
본 발명은 위성항법의 정확도 향상을 위해 사용되는 측정치 보정정보를 위치영역으로 투영하여 차분하는 위치영역의 위성항법 보강방법에 관한 것이다.
일반적으로 GPS(Global Positioning System)로 알려진 위성항법(GNSS, Global Navigation Satellite System)은 인공위성에 기반한 전지구적 무선항법시스템으로서, 위성에서 송출된 신호를 수신할 수 있는 모듈을 지닌 사용자가 언제 어디서나 기상상태와 관계없이 약 수~십여m 정도의 높은 위치 정확도로 자신의 위치를 결정할 수 있는 이상적인 시스템이다.
위성항법을 이용한 위치 결정을 위해서는 [수학식 1]의 항법 방정식을 이용한다. 항법 데이터에 포함된 위성 위치 관련 정보를 해석하여 위성의 위치 벡터를 결정하고, 가시위성 측정치를 대상으로 관측방정식을 구성하여 위치해를 산출한다.
[수학식 1]
Figure 112010066728497-pat00001
위성항법 측정치에 포함된 오차성분으로는 위성궤도 및 시간 추정에 포함된 오차, 전리층 및 대류층을 통과할 때 생기는 오차, 그리고 다중 경로 및 수신기 잡음 오차가 있다. 이 중 다중 경로 및 수신기 잡음 오차는 수신기의 특성 및 환경에 의해 결정되나, 나머지 오차 성분들은 동시간 대에 근거리 내에서는 그 영향이 유사하여 공통 오차라고 불린다.
위성항법 보강시스템(DGNSS/DGPS, Differential GNSS/GPS)은 동시간 대 근거리 내 지점들 간 공통 오차의 상관성이 크다는 특성을 이용하여, 정확한 위치가 측정된 기준국에서 생성한 보정정보를 사용자 수신기에 적용, 정확도를 1~3m 수준으로 향상시키는 기법이다. 일반적으로 위성항법시스템의 정확도를 향상시키는 방법으로는 가시 위성의 측정치별로 거리보정정보(Range Correction)를 적용하는 측정치영역 위성항법 보강방식(도 1)과 Block Shift Technique이라고 불리는 위치영역 보강방식(도 3)의 두 가지로 나뉜다.
거리보정정보를 활용한 기법은 정확하게 위치가 알려진 기준국(102)과 위성(101)간의 거리를 계산한 후, 기준국에서 수신한 측정치와의 차분을 통해 위성별 오차성분을 추정하고, 이를 데이터 통신(105)을 통해 보정정보(104)로 전달하여 사용자(103)가 수신한 모든 측정치에서 거리기반으로 차분함으로써 오차를 제거하는 방식이다. 보정정보를 생성하는 방식으로는 오차 요인과 관계없이 오차량을 한꺼번에 계산하는 스칼라 방식과 오차 요인 별로 성분을 분해하는 벡터방식이 있으나, 두 방식 모두 사용자에 적용하기 위해서는 [수학식 2]과 같이 거리 영역에서 차분하는 과정을 거친다.
[수학식 2]
Figure 112010066728497-pat00002
거리보정정보를 활용한 보강시스템의 사용자(103)는 측정치 보정정보를 수신(201)한 이후, 원시데이터 추출 모듈(202)에서 획득한 측정치에 [수학식 2]와 같이 차분을 통해(203) 거리 영역의 오차를 제거하고, 오차가 제거된 측정치를 [수학식 1]의 관측 방정식에 대입(204)하여 향상된 위치 결과를 획득(205)할 수 있다.
위치보정정보 기법은 현재 수신한 항법 위성(301) 신호를 조합하여 기준국(302)에서 위치(
Figure 112010066728497-pat00003
)를 구한 후, 기존에 정확히 측량된 위치(
Figure 112010066728497-pat00004
)와의 차분을 통해 위치영역에서의 오차 벡터(
Figure 112010066728497-pat00005
)(304)를 계산하여 이를 보정정보로 적용하는 방식이다. 근거리 내에 배치된 기준국과 사용자(303)의 경우 동시간에 동일 위성 조합이라면 측정치 오차가 위치에 투영되는 오차 벡터 상관성이 높으므로, 기준국에서 생성된 위치 오차 벡터를 사용자에서 산출한 위치(402)에서 차분함(403)으로써 [수학식 4]와 같이 정확도가 향상된 위치 결과를 산출(404)한다.
[수학식 3]
Figure 112010066728497-pat00006
[수학식 4]
Figure 112010066728497-pat00007
종래의 위성항법 보강시스템 방식 중 위치보정정보를 활용한 방식은 항법 알고리즘에 대해 전문적인 이해가 부족한 일반 사용자도 직관적으로 활용이 가능하고, 원시 데이터 접근이 불가능한 수신기에서도 적용 가능하여 구현이 매우 용이하다. 그러나 기준국과 사용자의 가시 위성이 상이할 경우 위성 조합의 오차 성분이 위치에 투영되는 영향이 서로 다르므로 사용자가 기준국에 매우 근접하고 동일한 위성 가시성이 확보되어야만 사용 가능하다. 이는 현실적으로 충족시키기 매우 어려운 조건이므로, 위치영역 보강시스템은 개념적으로 기술될 뿐, 일반적으로는 거의 사용되지 않는다.
반면, 거리보정정보를 활용한 위성항법 보강시스템은 사용자가 기준국에서 생성한 보정정보를 자신의 상황에 맞게 선별적으로 적용할 수 있어 시스템 운용 범위가 상대적으로 넓고 활용도가 다양하다는 장점 때문에 현재 사용되고 있는 대부분의 보강시스템에서 이를 사용하고 있다. 그러나 이 방법 역시 원시데이터를 제공하거나 보강시스템용 수신기에만 구현이 가능하므로 사용이 제한적이고, 기결정된 위치 정보만으로는 정확도 향상이 불가능하다는 제약이 있다. 특히, 칩 단위의 저가 위성항법 수신 모듈을 사용하는 경우 NMEA(National Marine Electronics Association)의 GPGGA 등과 같은 위치 결과만을 제공하기 때문에 기 산출된 위치 결과에 포함된 오차 제거가 불가능하였다.
본 발명에서는 원시데이터를 제공하지 않는 위성항법 수신 모듈에 대해서도 위치 정확도를 향상시킬 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원시데이터를 제공하지 않는 위성항법 수신 모듈에 대해서도 약 15m의 위치 출력 정확도를 1~3m 이내 수준으로 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것으로, 기존 거리기반 위성항법 보정정보를 위치기반 보정정보로 맵핑하는 것이 본 발명의 핵심이다.
제안하는 발명의 구현을 위한 시스템은 거리기반 위성항법 보정정보와 위성궤도정보의 수신이 가능한 데이터통신과 위치기반 위성항법 보정정보 생성을 위한 소프트웨어, 그리고 기준국과 사용자 수신 모듈을 포함하는 관련 하드웨어로 구성된다. 데이터 통신을 통해 위성궤도정보를 획득하여 위성의 위치를 산출하고, 수신모듈에서 제공하는 사용자 위치와의 관계를 통해 관측 행렬을 구성한다. 기준국에서 생성되어 데이터 통신을 통해 수신한 거리기반 보정정보(측정치 보정정보)에 산출된 관측 행렬의 의사역행렬을 곱함으로써 위치기반으로의 투영이 가능하며 이를 통해 위치기반 보정정보를 생성한다. 이를 수신 모듈에서 제공하는 사용자 위치에 벡터 형태로 차분함으로써 사용자 오차를 제거한다.
즉 본 발명은 본 발명은 위성항법의 정확도 향상을 위한 위성항법 보강방법에 관한 것으로서, 항법 위성(501)의 궤도정보를 수신하여 항법 위성의 위치를 구하고, 사용자의 위성항법 단독 측위 모듈(602)를 통하여 사용자 위치를 결정하는 제10단계; 항법 위성의 위치 및 사용자 위치의 기하학적 관계에 근거하여 항법 위성의 시선벡터를 산출하여 관측 행렬을 구성하는 제20단계; 관측 행렬이 포함된 측정치 보정정보와 위치기반 보정정보의 상관식으로부터 위치기반 보정정보를 생성하는 제30단계; 사용자의 위성항법 단독 측위 모듈(602)에서 결정된 사용자 위치에서 위치기반 보정정보를 차분하여 오차가 제거된 사용자 위치를 결정하는 제40단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 도출된 위치기반 보정정보 맵핑을 통한 위치영역 위성항법 보강 방식을 적용할 경우, 사용자들이 기구입한 저가형 위성항법 모듈의 효과적인 오차 제거가 가능하므로, 성능향상을 위해 새로운 모듈 구매에 소요되는 비용 감소에 기여할 수 있다. 그리고 고가의 장비로만 가능하였던 측량을 비롯한 위치 기반의 고급 서비스 장비의 경비 절감 및 대중화가 가능하다. 또한 저가형 위성항법 모듈의 성능을 효율적으로 고가 수신기급까지 향상시킬 수 있으므로, 전반적인 LBS(Location Based Service) 및 IT(Information Technology), ITS(Intelligent Transportation System) 분야의 산업 성장이 기대된다.
도 1은 종래의 위성항법 보정 방식인 측정치기반 위성항법 보강시스템의 구성 개념도.
도 2는 종래의 위성항법 보정 방식인 측정치기반 위성항법 보강시스템의 알고리즘 개념도.
도 3은 종래의 위성항법 보정 방식인 위치기반 위성항법 보강시스템의 구성 개념도.
도 4는 종래의 위성항법 보정 방식인 위치기반 위성항법 보강시스템의 알고리즘 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 측정치기반 보정정보를 활용한 위치기반 위성항법 보강시스템의 구성도
도 6은 본 발명의 측정치 보정정보 위치영역 맵핑 모듈의 상세 알고리즘 개념도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 측정치 보정정보의 위치영역 투영 및 차분을 이용한 위성항법 보강 시스템을 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 5는 본 발명의 구체적 실시예로서, 측정치 기반 위성항법 보정정보를 위치기반 위성항법 보정정보로 맵핑 후 오차를 차분한 위치영역 위성항법 보강시스템의 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명을 구현하기 위한 보강시스템은 항법 신호를 송출하는 항법 위성(501), 측정치기반 위성항법 보강시스템 기준국(502), 보정정보 전송용 데이터 통신(505), 위성궤도 정보 전송용 서버(508), 위성궤도 정보 전송용 데이터 통신(509), 사용자(503)을 포함하여 구성된다.
상기의 구성 요소들은 기존에 활용 중인 인프라뿐 아니라, 동일한 기능을 수행하는 새로운 형태의 구성요소도 포함한다. 특히 항법 위성(501)에는 기존 GPS, GLONASS, Galileo, QZSS, COMPASS, Beidou 등 인공위성뿐 아니라, 항법 위성과 동일 혹은 유사한 신호를 송출하는 의사위성(Pseudolite), 양방향 의사위성(Two-way Pseudolite), 그리고 거리 기반의 측위 시스템 신호원을 모두 포함된다.
측정치기반 위성항법 보강시스템 기준국(502)에서 생성된 측정치기반 위성항법 보정정보(504)는 Local DGNSS의 PRC(Pseudo-Range Correction)나 CPC(Carrier Phase Correction)와 같은 스칼라 형태, 미국의 SBAS(Satellite-Based Augmentation System) WAAS(Wide Area Augmentation System)와 같은 벡터 형태, 모델식에 의한 형태 등 사용자 적용시 거리영역의 보정정보로 환산 가능한 모든 형태의 보정정보를 포함한다.
도 5는 측정치 보정정보 위치영역 맵핑 모듈(506)이 사용자(503)에 포함된 경우만 도시하였으나, 사용자(503)와 분리된 경우, 기준국(502) 혹은 서버(508)에 포함되는 경우 등 기술적 통념상 동일한 형태의 실시예는 모두 본 발명에 포함된다.
본 실시예에서는 측정치기반 위성항법 보강시스템 기준국(502)에서 통신 채널(505, 509)을 통해 전달된 측정치기반 위성항법 보정정보(504)와 위성궤도정보에 대해서만 도시하였으나, 입력 혹은 전달 방법과 무관하게 사용자에 부여된 측정치 기반 위성항법 보정정보와 위성궤도정보에 대해서도 적용한다. 또한 위성궤도정보는 위성의 절대 또는 상대 위치, 그리고 이러한 위치를 산출할 수 있는 각종 파라미터 등을 모두 포함한다.
사용자에 부여된 측정치기반 위성항법 보정정보(504)와 위성궤도정보는 측정치 보정정보 위치영역 맵핑 모듈(506)을 통해 위치기반 위성항법 보정정보(507)로 변환된 후, 사용자(503)의 위치 오차를 제거함으로써 정확도를 향상시킨다.
여기서 측정치기반 위성항법보정정보는 간단히 측정치 보정정보라고도 한다.
도 6은 측정치 보정정보 위치영역 맵핑 모듈(506)에 의해 생성된 위치기반 보정정보의 사용자(503) 적용 방식에 대한 개념도이다. 항법위성 궤도 정보 수신 모듈(601)에 의해 위성궤도정보를 수신하여 가시 위성의 위치를 구한다. 구해진 위성의 위치와 사용자(503)의 위성항법 단독 측위 모듈(602)에 의해 결정된 위치를 바탕으로 사용자와 위성간 기하학적 관계에 근거한 [수학식 1]의 시선 벡터(
Figure 112010066728497-pat00008
)를 산출하여 관측 행렬 H를 구성한다(603).
종래의 위성항법 보강시스템에서 [수학식 2]를 통해 측정치 오차를 제거한 후 [수학식 1]에 대입하는 과정을 [수학식 5]와 같이 기술할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112010066728497-pat00009
[수학식 6]
Figure 112010066728497-pat00010
상기의 [수학식 6]에 의해 측정치 보정정보(
Figure 112010066728497-pat00011
)와 위치기반 보정정보(
Figure 112010066728497-pat00012
)간의 상관식이 구성되고 이에 근거하여 측정치 보정정보의 위치영역 투영 모듈(605)이 구성된다.
다음의 [수학식 7] 또는 [수학식 8]과 같은 최소자승법을 이용하여, [수학식 6]에서 위치기반 보정정보(
Figure 112010066728497-pat00013
)를 구할 수 있다. 아래의 수식은 위치기반 보정정보(
Figure 112010066728497-pat00014
)를 도출하기 위한 일부 예로써, [수학식 6]의 식에 근거한 모든 도출 방법을 포함한다.
[수학식 7]
Figure 112010066728497-pat00015
[수학식 8]
Figure 112010066728497-pat00016
상기의 과정을 통해 위치기반 보정정보(
Figure 112010066728497-pat00017
)를 생성(606)한 이후, [수학식 4]에 사용자의 위성항법 단독 측위 모듈(602)의 결과값(
Figure 112010066728497-pat00018
)을 대입하여, 차분을 통한 위치오차 제거 모듈(607)을 통해 오차가 제거된 사용자 위치(
Figure 112010066728497-pat00019
)를 결정(608)한다.
501:항법위성
502:측정치기반 위성항법 보강시스템 기준국
503:사용자
504:측정치기반 위성항법 보정정보
505:보정정보 전송용 데이터 통신
506:측정치 보정정보 위치영역 맵핑모듈
507:위치기반 위성항법 보정정보
508:위성궤도 정보 전송 서버
509:위성궤도 정보 전송용 데이터 통신
601:항법 위성 궤도 정보 수신 모듈
602:위성항법 단독 측위 모듈
603:관측 행렬 구성 모듈
604:위성항법 측정치 기반 보정정보 수신 모듈
605:측정치 보정정보의 위치 영역 투영 모듈
606:위치기반 보정정보 생성 모듈
607:차분을 통한 위치오차 제거 모듈
608:위치 결정 모듈

Claims (6)

  1. 위성항법의 정확도 향상을 위한 위성항법 보강방법에 관한 것으로서,
    위성궤도 정보 전송 서버(508)가 위성궤도 정보 전송용 데이터 통신(509)를 이용하여 전송한 항법위성(501)의 궤도정보를 수신한 사용자(503)가 항법위성의 위치를 구하고, 사용자(503)에 내장된 위성항법 단독 측위 모듈(602)이 항법위성(501)의 신호를 수신하여 사용자 위치를 결정하는 제10단계;
    측정치 보정정보 위치영역 맵핑모듈(506)이 항법위성과 사용자 위치의 기하학적 관계에 근거하여 항법위성(501)의 시선 벡터를 산출하여 관측 행렬을 구성하는 제20단계;
    측정치기반 위성항법 보강시스템 기준국(502)이 보정정보 전송용 데이터 통신(505)를 이용하여 전송한 측정치 보정정보를 수신한 측정치 보정정보 위치영역 맵핑모듈(506)이 측정치 보정정보와 위치기반 보정정보 사이의 관측 행렬이 포함된 상관식을 이용하여 측정치 보정정보를 위치 영역에 투영하여 위치기반 보정정보를 생성하는 제30단계; 및,
    측정치 보정정보 위치영역 맵핑모듈(506)이 사용자(503)의 위성항법 단독 측위 모듈(602)에서 결정된 사용자 위치에서 위치기반 보정정보를 차분하여 오차가 제거된 사용자 위치를 결정하는 제40단계;
    로 구성되고,
    상기 제30단계의 측정치 보정정보와 위치기반 보정정보의 상관식은,
    Figure 112012026230112-pat00040

    여기서
    Figure 112012026230112-pat00041
    : 측정치 보정정보
    H : 관측 행렬
    Figure 112012026230112-pat00042
    : 위치기반 보정정보
    인 것을 특징으로 하는 측정치 보정정보의 위치영역 매핑을 이용한 위성항법 보강방법.
  2. 제1항에서,
    상기 제20단계의 관측 행렬은,
    Figure 112010066728497-pat00020

    여기서
    H:관측 행렬
    Figure 112010066728497-pat00021
    : i 번째 위성의 시선 벡터
    인 것을 특징으로 하는 측정치 보정정보의 위치영역 매핑을 이용한 위성항법 보강방법.
  3. 제2항에서,
    위치기반 보정정보(
    Figure 112012026230112-pat00043
    )는 최소자승법에 의하여
    Figure 112012026230112-pat00044

    라는 식으로 측정치 보정정보를 위치영역으로 투영하여 구해지는 것을 특징으로 하는 측정치 보정정보의 위치영역 매핑을 이용한 위성항법 보강방법.
  4. 제2항에서,
    위치기반 보정정보(
    Figure 112012026230112-pat00045
    )는 최소자승법에 의하여
    Figure 112012026230112-pat00046

    여기서
    R ; 측정치 보정정보(
    Figure 112012026230112-pat00047
    )의 공분산 행렬
    인 것을 특징으로 하는 측정치 보정정보의 위치영역 매핑을 이용한 위성항법 보강방법.
  5. 제3항 또는 제4항에서,
    오차가 제거된 사용자 위치는,
    Figure 112012026230112-pat00048

    여기서
    Figure 112012026230112-pat00049
    : 오차가 제거된 사용자 위치
    Figure 112012026230112-pat00050
    : 위성항법 단독 측위 모듈(602)에서 결정된 사용자 위치
    Figure 112012026230112-pat00051
    : 위치기반 보정정보
    라는 상관식에서 구해지는 것을 특징으로 하는 측정치 보정정보의 위치영역 매핑을 이용한 위성항법 보강방법.
  6. 삭제
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