KR101480902B1 - Ｇｐｓ 위치오차 감소를 위한 ｇｐｓ 전리권 총전자수 지도 작성방법 - Google Patents

Ｇｐｓ 위치오차 감소를 위한 ｇｐｓ 전리권 총전자수 지도 작성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전 지구 위치파악 시스템(Global Positioning System ; GPS)의 위치오차를 감소하기 위한 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, GPS의 위치오차 발생원인 중 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소하기 위해, 기존의 GPS 전리권 총전자수 지도를 공간적으로 보다 정밀하게 계산하여 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법이 제공되며, 또한, 상기한 바와 같이 기존의 GPS 전리권 총전자수 지도를 공간적으로 보다 정밀하게 계산하여 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법을 이용하여, 종래에 비해 위치정보 오차가 감소되고 보다 정확한 위치정보를 제공할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소방법 및 GPS 장치가 제공된다.

Description

ＧＰＳ 위치오차 감소를 위한 ＧＰＳ 전리권 총전자수 지도 작성방법 {Interpolation method for preparing GPS ionospheric total electron content map in order to reduce GPS positioning error}
본 발명은 전 지구 위치파악 시스템(Global Positioning System, 이하 'GPS'라 함)의 위치오차를 감소하기 위한 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, GPS의 위치오차 발생원인 중 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소하기 위해, 기존의 GPS 전리권 총전자수 지도를 공간적으로 보다 정밀하게 계산하여 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 기존의 GPS 전리권 총전자수 지도를 공간적으로 보다 정밀하게 계산하여 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법을 이용하여, 종래에 비해 위치정보 오차가 감소되고 보다 정확한 위치정보를 제공할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소방법 및 GPS 장치에 관한 것이다.
최근, 군사적 목적뿐만 아니라, 자동차 네비게이션이나 휴대전화 등과 같은 개인 사용자의 영역까지 많은 경우에 있어서, 특정 대상의 위치를 확인하기 위한 방법으로 전 지구 위치파악 시스템, 즉, GPS를 탑재한 장치들이 널리 사용되고 있다.
이러한 GPS를 이용한 장치들은 GPS 위성을 이용하여 비교적 정확한 위치를 파악하는 것이 가능하나, 위성을 이용하는 특성상 실내나 지하와 같은 공간 내에서는 정확한 위치를 파악하기 어려운 단점이 있다.
또한, 이에 더하여, GPS는, GPS 위성으로부터의 신호를 수신하여 현재위치를 파악하는 과정 동안 다양한 요인에 의해 위치파악 결과에 오차가 발생하게 된다.
여기서, GPS의 오차를 감소하기 위한 방법으로, 종래, 예를 들면, 한국 등록특허 제10-0712237호에 제시된 바와 같은 "지역적 전리층 오차 모델링 방법 및 그를 이용한 오차 보정방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-0712237호에 제시된 지역적 전리층 오차 모델링 방법 및 그를 이용한 오차 보정방법은, 단일 주파수를 사용하는 사용자에게 가장 큰 오차 원인이 되고 있는 전리층 오차를 보정할 수 있도록 하기 위해, 지역적 전리층 오차 모델을 만들어 실시간으로 관측치 오차 보정이 가능하도록 함으로써, 정밀한 위치 결정이 이루어지도록 하는 기술내용이 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 GPS의 오차를 감소하기 위한 종래기술의 다른 예로서, 예를 들면, 한국 등록특허 제10-0685780호에 제시된 바와 같은 "이온층 오차 보정 방법과 그를 이용한 정밀 궤도 결정시스템 및 그 방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-0685780호에 제시된 이온층 오차 보정 방법과 그를 이용한 정밀 궤도 결정시스템 및 그 방법은, 관측 데이터로부터 직접 계산한 이온층 오차와 기존의 이온층 모델의 오차를 조합함으로써, 이온층 오차를 보정하기 위한 이온층 오차 보정 방법에 관한 것이다.
더욱이, 상기한 바와 같은 GPS의 오차를 감소하기 위한 종래기술의 또 다른 예로서는, 예를 들면, 한국 등록특허 제10-0540713호에 제시된 "환경정보를 이용한 GPS 위치정보 오차 보정 DB의 구축방법"과, 한국 등록특허 제10-0452498호에 제시된 "고의잡음이 제거된 지피에스 환경에서의 오차 보상 및항법해 산출 방법" 및 한국 등록특허 제10-0444380호에 제시된 "위성항법-정밀측위를 위한 보정정보 생성 및 송수신 방법" 등과 같은 방법들이 제시된 바 있다.
더 상세하게는, 먼저, 상기한 등록특허 제10-0540713호에는, 다양한 기상정보에 따라 다르게 발생되는 GPS 위치정보의 오차를 각각의 기상정보에 따라 즉각적으로 보정할 수 있도록 하기 위하여 GPS 위치정보의 보정을 위한 오차 DB를 구축하는 방법에 관한 기술내용이 제시되어 있고, 또한, 상기한 등록특허 제10-0452498호에는, 위성별 앙각에 대한 함수인 가중행렬을 이용한 가중 최소자승법 및/또는 무결성 검정 기법(최대 유수 기법)을 이용함으로써 DGPS에 근접하는 정밀도의 GPS 항법해를 제공하는 방법에 관한 기술내용이 제시되어 있으며, 아울러, 상기한 등록특허 제10-0444380호에는, 위성항법시스템(global positioning system, GPS)을 이용하여 실시간 정밀측위(Real Time Kinematic, RTK)를 구현하기 위한 RTK-GPS 보정 데이터 생성, 송수신 방법에 관한 기술내용이 제시되어 있다.
상기한 바와 같이, 종래, GPS의 오차를 감소하기 위한 여러 가지 방법들이 제시된 바 있으나, 종래의 방법들은 다음과 같은 문제가 있는 것이었다.
즉, 더 상세하게는, 일반적으로, GPS 위치오차 발생 요소는, 크게 나누어, 전리권 오차, 대류권 오차, 위성궤도 오차, 위성시계 오차, 수신기 시계 오차, 다중경로 오차 등이 있다.
먼저, 대류권 오차는 대류권에 존재하는 수증기에 의해 GPS 신호가 굴절되면서 발생하며, 따라서 기상의 영향을 많이 받는다.
아울러, 위성궤도 오차는 GPS 위성에 대한 위치 결정 부정확성에 의해 발생하며, 위성 및 수신기 시계 오차는 GPS 위성 및 수신기에 내장되어 있는 각 시계의 부정확성에 의해 발생한다.
더욱이, 다중경로 오차는 위성에서 송신되는 GPS 신호가 건물 등의 구조물에 반사되면서 발생한다.
또한, 전리권 오차는 시간과 공간 변화가 다른 오차에 비해 상대적으로 크고 빠르기 때문에 GPS 위치오차에 가장 큰 영향을 미친다.
더 상세하게는, 전리권 오차는 전리층을 통과한 신호 지연에 의해 발생하는 오차이며, 이러한 신호지연 오차를 없애기 위한 방법으로 이중 주파수를 사용하는 시스템을 사용하는 방법이 있으나, 이러한 이중 주파수 시스템은 매우 고가인 관계로 현재 보급되고 있는 대부분의 GPS 수신기는 단일 주파수를 사용하고 있다.
아울러, 이론적으로는 정밀한 전리층 오차값을 계산할 수 있으나, 아직까지 이를 실시간으로 처리할 수 있는 시스템이 구현되지 못하여, 실제 전리층 오차의 보정은 대부분 후처리 과정에 의해 수행되고 있다.
이와 같이 GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차 감소하기 위해, 종래, 2차원의 GPS 전리권 총전자수 지도를 생성하여 시간, 위도, 경도에 대한 GPS 전리권 총전자수 정보를 생성하고 있다.
즉, 총전자수 값을 계산하여 전지구적인 전리층 모델을 만들기 위해, 예를 들면, "JPL"이나 유럽의 "CODE" 등에서는, 100여 개가 넘는 상시 관측소의 데이터를 모두 수집하여 태양 좌표계(Solar-fixed) 또는 태양-지자기 좌표계(Solar-geomagnetic system)에서 바이큐빅(bi-cubic) 내삽(interpolation)을 이용하여 총전자수를 정밀하게 결정하여 전리층 모델링을 행한다.
여기서, 상기한 JPL은 의사거리 데이터와 반송파 위상데이터의 조합된 데이터를 이용하여 칼만 필터(Kalman Filter)를 적용하여 전리층 모델을 만드는 반면, "CODE"의 경우는 반송파 위상 데이터를 사용하여 칼만 필터(Kalman Filter)를 적용하여 전리층 모델을 생성한다.
아울러, 전리층 모델은 2차원의 껍질을 가진 얇은 구를 가정하고 대략적으로 350 ~ 600km 고도에 모든 총전자가 집중적으로 분포되어 있다는 가정하에 만들어지며, 이때, IPP(Ionospheric Pierce Point)를 정의하여 시선 방향으로 사용자에게 전달되는 신호가 IPP와 만나는 점과 지표에 수직인 지점의 총전자수 값을 정해 놓은 격자점이나 기타의 베이스(basis) 함수에 의해 각 격자점에 대해 칼만 필터(Kalman Filter)로 총전자수 값을 결정한다.
더욱이, 태양의 활동이 활발하여 태양폭풍으로 인해 전리층의 총전자수가 매우 높아져 전자파 방해가 발생하는 것과 같은 우주 환경의 변화에 대응하고, GPS 장치의 정밀 위치결정을 위해서는, 보다 정밀한 전리층 모델링이 필요하다.
그러나 시간과 공간의 변화가 빠른 GPS 전리권 총전자수 지도를 생성하기 위해 GPS 관측 데이터 수집주기를 낮게 할수록 공간상에 분포하는 전리권 관측지점의 개수는 줄어들게 되어 GPS 전리권 총전자수 지도의 공간 정밀도가 떨어지고, 이는 결국 GPS 위치오차 증가로 이어지는 문제점이 있다.
즉, 상기한 바와 같이, GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차 감소하기 위해서는, 기존의 GPS 전리권 총전자수 지도를 공간적으로 보다 정밀하게 계산하여 GPS의 위치정보 오차 보정에 활용하도록 하는 것에 의해 GPS 사용자의 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 새로운 GPS 전리권 총전자수 지도의 작성방법 및 그러한 방법을 이용한 GPS 시스템을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허 제10-0712237호(2007.04.20.)
2. 한국 등록특허 제10-0685780호(2007.02.15.)
3. 한국 등록특허 제10-0540713호(2005.12.27.)
4. 한국 등록특허 제10-0452498호(2004.10.02.)
5. 한국 등록특허 제10-0444380호(2004.08.04.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 기존의 GPS 전리권 총전자수 지도를 공간적으로 보다 정밀하게 계산하여 GPS의 위치정보 오차 보정에 활용함으로써, GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소하고, 그것에 의해, GPS 사용자의 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같은 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법을 이용하여, GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소함으로써 GPS 사용자의 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소방법 및 그러한 방법을 이용하여 위치오차가 감소된 GPS 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, GPS(Global Positioning System)의 위치오차 발생원인 중 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소하기 위해, 기존의 GPS 전리권 총전자수 지도를 공간적으로 보다 정밀하게 계산하여 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법에 있어서, GPS 상시관측망의 각각의 GPS 수신기로부터 바이너리 자료를 실시간 스트리밍으로 수집하고 GPS 국제표준 포맷인 라이넥스(Receiver Independent Exchange ; RINEX) 포맷으로 변환하여 데이터 서버에 저장하는 자료수집단계; 상기 자료수집단계에서 상기 라이넥스(RINEX) 포맷으로 변환된 파일을 관측시각에 대한 GPS 관측파일로 변환하는 파일변환단계; 상기 파일변환단계에서 변환된 파일과 GPS 위성궤도 데이터베이스에 저장된 GPS 위성궤도 데이터를 이용하여 각각의 GPS 위성의 위치를 각각 계산하는 위성위치 계산단계; 상기 파일변환단계에서 변환된 파일과 GPS 관측소 위치 데이터베이스에 저장된 GPS 관측소 위치 데이터를 이용하여 각각의 GPS 관측소의 위치를 계산하는 관측소위치 계산단계; 상기 위성위치 계산단계 및 상기 관측소위치 계산단계에서 얻어진 정보를 이용하여 GPS 전리권 총전자수를 계산하는 전리권 총전자수 계산단계; 및 상기 전리권 총전자수 계산단계의 계산 결과에 근거하여 GPS 전리권 총전자수 지도를 작성하는 지도작성단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법이 제공된다.
여기서, 상기 파일변환단계는, 상기 GPS 라이넥스 포맷으로 변환된 파일에 포함되어 있는 정보 중에서 GPS 전리권 총전자수 계산에 필요한 정보를 추출하여 관측시각 및 관측위성별로 재배열하고 관측소별로 파일로 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지도작성단계는, 전리권을 위도와 경도를 기준으로 하여 격자로 구성하는 단계; 각각의 GPS 수신기와 GPS 위성 사이에서 항법신호가 전리권 최대전자밀도 고도와 만나는 전리권 통과지점(Ionospheric Pierce Point ; IPP)을 계산하는 단계; 상기 GPS 수신기와 상기 GPS 위성 사이의 전리권 경로 총전자수(Slant Total Electron Content ; STEC)를 계산하는 단계; 각각의 계산 결과에 전리권 사상함수를 적용하여 상기 전리권 통과지점(IPP)에서의 수직 총전자수(Vertical Total Electron Content ; VTEC)를 계산하는 단계; 상기 전리권 통과지점(IPP)의 수직 총전자수(VTEC)를 평균하여 각 상기 격자의 GPS 총전자수에 해당하는 전리권 격자 총전자수(Grid TEC ; GTEC)를 산출하는 단계; 및 상기 전리권 격자 총전자수(GTEC)를 산출하는 단계에서 산출된 전리권 격자 총전자수(GTEC)에 근거하여 격자 TEC 파일을 생성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 전리권 격자 총전자수(GTEC)를 산출하는 단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 격자 주변 3도 이내 상기 전리권 통과지점(IPP)의 상기 수직 총전자수(VTEC)를 평균하여 상기 전리권 격자 총전자수(GTEC)를 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 특징으로 한다.
Figure 112013119438385-pat00001

(여기서, n은 위도 격자개수, m은 경도 격자개수, φ는 위도, λ는 경도, VTECij는 격자범위 내의 IPP 위경도 지점에서의 VTEC 값임)
더욱이, 상기 방법은, 상기 지도작성단계에서 작성된 상기 GPS 전리권 총전자수 지도를 별도의 모니터나 디스플레이에 시각적으로 표시하는 표시단계를 더 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 표시단계는, 지리적 위도 및 경도로 표현된 지도 위에 상기 격자 총전자수(GTEC)를 겹쳐서 표시하고, 표시결과를 그림파일 및 데이터 파일로 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법을 적용하여 위치추적을 수행하기 위한 GPS 위치추적 시스템에 있어서, GPS 위성으로부터 신호를 수신하는 복수의 GPS 관측소를 포함하여 이루어지는 GPS 상시 관측망; 상기 GPS 상시관측망의 각각의 GPS 수신기로부터 데이터를 수집하여 저장하는 데이터 서버; 상기 데이터 서버에 저장된 데이터 중에서 상기 GPS 전리권 총전자수 지도를 작성하기 위해 필요한 정보를 추출하는 GPS 관측파일 관리 프로세서; 각각의 GPS 관측소의 위치에 대한 정보를 저장하고 있는 GPS 관측소 위치정보 데이터베이스; GPS 위성의 궤도 정보를 저장하고 있는 GPS 위성궤도 정보 데이터베이스; 상기 GPS 수신기와 상기 GPS 위성 사이의 경로 총전자수(STEC)를 산출하는 것에 의해 상기 GPS 전리권 총전자수를 산출하고 상기 전리권 총전자수 지도를 작성하기 위한 전리권 총전자수 지도 프로세서; 및 상기 전리권 총전자수 지도 프로세서에 의해 작성된 상기 전리권 총전자수 지도를 별도의 모니터나 디스플레이에 시각적으로 표시하기 위한 전리권 총전자수 정보 서비스 프로세서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치추적 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 데이터 서버는, 상기 GPS 상시관측망의 각각의 GPS 수신기로부터 바이너리 자료를 실시간 스트리밍)으로 수집하고, GPS 국제표준 포맷인 라이넥스(RINEX) 포맷으로 변환하여, 연도 및 날짜별로 구분된 서버 내의 디렉토리에 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 GPS 관측파일 관리 프로세서는, GPS 라이넥스 파일에 포함되어 있는 정보 중에서 GPS 전리권 총전자수 계산에 필요한 정보를 추출하여 관측시각 및 관측위성 번호별로 재배열하여 관측소별 파일로 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 전리권 총전자수 지도 프로세서는, 상기 GPS 관측파일 관리 프로세서에 의해 저장된 파일과 상기 GPS 관측소 위치정보 데이터베이스 및 상기 GPS 위성궤도 정보 데이터베이스에 저장된 GPS 관측소 위치정보 데이터 및 GPS 위성궤도 데이터를 이용하여 GPS 전리권 총전자수를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전리권 총전자수 지도 프로세서는, 위도와 경도를 기준으로 하여 전리권을 격자로 구성하고, GPS 수신기와 GPS 위성 사이의 경로가 전리권 최대전자밀도 고도와 만나는 점을 전리권 통과지점(IPP)이라 하고, 각 격자의 GPS 총전자수를 격자 총전자수(GTEC)라 할 때, 사상함수를 이용하여 상기 경로 총전자수(STEC)를 상기 전리권 통과지점(IPP)에서의 수직 총전자수(VTEC)로 변환하고, 이하의 수학식을 이용하여, 상기 격자 주변 3도 이내 상기 전리권 통과지점(IPP)의 상기 수직 총전자수(VTEC)를 평균하여 상기 격자 총전자수(GTEC)를 계산하며, 계산 결과를 별도의 저장공간에 저장하는 처리를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112013119438385-pat00002

(여기서, n은 위도 격자개수, m은 경도 격자개수, φ는 위도, λ는 경도, VTECij는 격자범위 내의 IPP 위경도 지점에서의 VTEC 값임)
더욱이, 상기 전리권 TEC 정보 서비스 프로세서는, 지리적 위도 및 경도로 표현된 지도 위에 상기 격자 총전자수(GTEC)를 겹쳐서 표시하고, 그림파일 및 데이터 파일로 저장하는 처리를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법이 제공됨으로써, 기존의 GPS 전리권 총전자수 지도를 공간적으로 보다 정밀하게 계산하여 GPS의 위치정보 오차 보정에 활용하는 것에 의해 GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소하고, GPS 사용자의 위치정보 오차를 감소할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법을 이용하여, GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소함으로써 GPS 사용자의 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소방법 및 그러한 방법을 이용하여 위치오차가 감소된 GPS 시스템을 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법과, 이를 이용하여 GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소하는 것에 의해 GPS 사용자의 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소방법 및 그러한 방법을 이용하여 위치오차가 감소된 GPS 시스템이 제공됨으로써, 전리권 오차를 정밀하게 계산하여 GPS 사용자의 위치정보 오차를 줄일 수 있는 동시에, 태양과 지구 자기권이 전리권에 미치는 영향을 지속적으로 감시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법을 적용하여 위치추적을 수행하기 위한 GPS 위치추적 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 GPS 위치추적 시스템의 전리권 총전자수 지도 프로세서에 의해 수행되는 일련의 처리 과정을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 기존의 GPS 전리권 총전자수 지도를 공간적으로 보다 정밀하게 계산하여 GPS의 위치정보 오차 보정에 활용함으로써, GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소하고, 그것에 의해, GPS 사용자의 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 상기한 바와 같이 구성되는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법을 이용하여, GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소함으로써 GPS 사용자의 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소방법 및 그러한 방법을 이용하여 위치오차가 감소된 GPS 시스템에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법을 적용하여 위치추적을 수행하기 위한 GPS 위치추적 시스템(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법이 적용된 GPS 위치추적 시스템(10)은, 크게 나누어, GPS 상시 관측망(11), 데이터 서버(12), GPS 관측파일 관리 프로세서(13), 전리권 TEC 지도 프로세서(14), 전리권 TEC 정보 서비스 프로세서(15), GPS 하드웨어 정보 데이터베이스(16) 및 GPS 위성궤도 정보 데이터베이스(17)를 포함하여 이루어진다.
더 상세하게는, 상기한 GPS 상시 관측망(11)은, 우리나라의 경우, 한국천문연구원과 국토지리정보원 및 위성항법 중앙사무소에 의해 운영되는 80여 개소의 측지용 GPS 상시관측소에 의해 우리나라 전역을 포함하도록 이루어져 있다.
여기서, 이러한 GPS 상시 관측망(11)을 구성하고 있는 각각의 GPS 관측소는, GPS 위성으로부터 L1(1575.42 MHz)과 L2(1227.60 MHz) 신호를 수신하고 있다.
또한, 상기한 데이터 서버(12)는, GPS 상시관측망(11)의 각각의 GPS 수신기로부터 바이너리 자료를 실시간(스트리밍)으로 수집하고, GPS 국제표준 포맷인 라이넥스(RINEX ; Receiver Independent Exchange) 포맷으로 변환하여, 연도 및 날짜별로 구분된 서버 내의 디렉토리에 저장한다.
아울러, GPS 관측파일 관리 프로세서(13)는, GPS 라이넥스 파일에 포함되어 있는 정보 중에서 GPS 전리권 총전자수 계산에 필요한 정보인 L1, L2, C1, P2를 추출하여 관측시각 및 관측위성 번호별로 재배열하여 관측소별로 파일로 저장한다.
여기서, 상기한 L1은 1575.42 MHz 주파수 반송파이고, L2는 1227.60 MHz 주파수 반송파이며, C1은 L1 반송파의 의사거리 코드이고, P2는 L2 반송파의 의사거리 코드를 각각 의미한다.
더욱이, 전리권 총전자수 지도 프로세서(14)는, GPS 관측파일 관리 프로세서(13)에 의해 저장된 파일과 GPS 하드웨어 정보 데이터베이스(16) 및 GPS 위성궤도 정보 데이터베이스(17)에 저장된 GPS 위성궤도 및 관측소 위치정보를 활용하여 GPS 전리권 총전자수를 계산한다.
여기서, GPS 전리권 총전자수는, GPS 수신기와 GPS 위성 사이의 경로 총전자수(STEC, Slant Total Electron Content)를 산출하는 것에 의해 산출된다.
이때, GPS 수신기와 GPS 위성 사이의 경로가 전리권 최대전자밀도 고도와 만나는 점을 전리권 통과지점(Ionospheric Pierce Point ; IPP)이라 하고, 경로 TEC는 사상함수를 이용하여 IPP에서의 수직 총전자수(Vertical Total Electron Content ; VTEC)로 변환되며, IPP는 VTEC 관측지점으로, 위도와 경도로 계산된다.
또한, 우리나라 전리권을 위도와 경도를 기준으로 하여 격자로 구성하고, 각 격자의 GPS 총전자수를 격자 총전자수(GTEC, Grid TEC)로 정의하며, 이하의 [수학식 1]을 이용하여, 격자 주변 3도 이내 IPP 지점의 VTEC을 평균하여 계산한다.
여기서, 격자 주변 3도 이내 VTEC 값을 평균하는 이유는, 전리권 변화는 적도를 대하고 있는 남쪽과 극지방을 대하는 북쪽, 태양이 이동하는 동쪽에서 서쪽 방향의 전자밀도 생성이 물리적으로 다르기 때문에 격자 주변 VTEC을 평균한 값을 해당 격자의 TEC로 한다.
[수학식 1]
Figure 112013119438385-pat00003

아울러, 상기한 [수학식 1]에 있어서, n은 위도 격자개수, m은 경도 격자개수, φ는 위도, λ는 경도, VTECij는 격자범위 내의 IPP 위경도 지점에서의 VTEC 값이다.
더욱이, 도 2를 참조하면, 도 2는 상기한 바와 같이 하여 전리권 총전자수 지도 프로세서(14)에 의해 수행되는 일련의 처리 과정을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전리권 총전자수 지도 프로세서(14)에서는, 위도 및 경도 격자를 생성하고(단계 S21), 전리권 수직 TEC를 산출하며(단계 S22), 평균 TEC 계산을 위한 위도 및 경도 범위를 설정하여(단계 S23), 격자별로 평균 TEC를 계산하고(단계 S24), 계산 결과를 별도의 저장공간에 저장하는(단계 S25) 일련의 처리과정이 수행되도록 구성된다.
다음으로, 전리권 TEC 정보 서비스 프로세서(15)는, 상기한 바와 같은 처리결과를 웹페이지 등과 같이 시각적으로 표시하기 위한 것으로, 여기서, GTEC는 지리적 위도 및 경도로 표현된 지도 위에 겹쳐져 그림파일 및 데이터 파일로 저장된다.
또한, GPS 위성궤도 정보를 이용한 위성위치 계산은, GPS 위성궤도 정보 데이터베이스(17)에 저장된 GPS 위성궤도 정보를 GPS 관측소에서 수집된 데이터의 시각 및 시간 해상도에 맞추어 GPS 위성의 위치를 계산한다.
아울러, 상기한 전리권 사상함수를 적용하는 처리과정에서는, 전리권 최대전자높이가 지역마다 다르기 때문에 우리나라 최대전자밀도 높이를 350km로 가정하여 적용한다.
더욱이, 평균 TEC 계산을 위한 위도 및 경도 범위 결정은, 전리권 GPS 총전자수 지도 작성을 위한 위도 및 경도 범위는 IPP 지점 위도 및 경도 크기보다 작게 설정하는 것이 바람직하며, 그렇지 않으면 지도 경계에서 부정확한 값이 산출될 수 있다.
계속해서, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법은, 먼저, GPS 상시관측망(11)의 각각의 GPS 수신기로부터 바이너리 자료를 실시간 스트리밍으로 수집하고 GPS 국제표준 포맷인 라이넥스(RINEX) 포맷으로 변환하여 데이터 서버(12)에 저장한다(단계 S31).
이어서, 상기 단계에서 라이넥스(RINEX) 포맷으로 변환된 파일을, 예를 들면, 연도 및 날짜별 등으로 구분하여, 관측시각에 대한 GPS 관측파일로 변환한다(단계 S32).
즉, 이 단계에서는, 상기한 바와 같이, GPS 관측파일 관리 프로세서(13)에 의해 GPS 라이넥스 파일에 포함되어 있는 정보 중에서 GPS 전리권 총전자수 계산에 필요한 정보인 L1, L2, C1, P2를 추출하여 관측시각 및 관측위성 번호별로 재배열하고 관측소별로 파일로 저장한다.
계속해서, 전리권 총전자수 지도 프로세서(14)는, 상기 단계에서 GPS 관측파일 관리 프로세서(13)에 의해 저장된 파일과 GPS 하드웨어 정보 데이터베이스(16) 및 GPS 위성궤도 정보 데이터베이스(17)에 저장된 GPS 관측소 위치데이터 및 GPS 위성궤도 정보를 이용하여, GPS 위성의 위치 및 GPS 관측소의 위치를 각각 계산한다(단계 S33, S34).
다음으로, 전리권 총전자수 지도 프로세서(14)는, 상기 단계에서 얻어진 정보를 이용하여 GPS 전리권 총전자수를 계산하며, 더 상세하게는, 먼저, GPS 수신기와 GPS 위성 사이에서 항법신호가 전리권 최대전자밀도 고도와 만나는 전리권 통과지점(IPP)을 계산하고(단계 S35), GPS 수신기와 GPS 위성 사이의 전리권 경로 총전자수(STEC)를 계산하며(단계 S36), 계산 결과에 전리권 사상함수를 적용하여(단계 S37) IPP에서의 수직 총전자수(VTEC)를 계산한 후(단계 S38), 상기한 [수학식 1]을 이용하여, 격자 주변 3도 이내 IPP 지점의 VTEC를 평균하여 전리권 격자 총전자수(GTEC)를 산출하고(단계 S39), 격자 TEC 파일을 생성한다(단계 S40).
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법은, 상기한 바와 같은 전리권 총전자수 지도 프로세서(14)에 의한 처리 결과를 전리권 TEC 정보 서비스 프로세서(15)에 의해 별도의 모니터나 디스플레이 등에 시각적으로 표시하는 단계를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법 및 이를 이용한 GPS 위치추적 시스템을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 전리권 오차를 정밀하게 계산하여 GPS 사용자의 위치 정보 오차를 줄일 수 있는 동시에, 태양과 지구 자기권이 전리권에 미치는 영향을 감시할 수 있다.
즉, 상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법이 제공됨으로써, 기존의 GPS 전리권 총전자수 지도를 공간적으로 보다 정밀하게 계산하여 GPS의 위치정보 오차 보정에 활용하는 것에 의해 GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소하고, GPS 사용자의 위치정보 오차를 감소할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법을 이용하여, GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소함으로써 GPS 사용자의 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소방법 및 그러한 방법을 이용하여 위치오차가 감소된 GPS 시스템을 제공할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법과, 이를 이용하여 GPS의 오차 원인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소하는 것에 의해 GPS 사용자의 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소방법 및 그러한 방법을 이용하여 위치오차가 감소된 GPS 시스템이 제공됨으로써, 전리권 오차를 정밀하게 계산하여 GPS 사용자의 위치정보 오차를 줄일 수 있는 동시에, 태양과 지구 자기권이 전리권에 미치는 영향을 지속적으로 감시할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. GPS 위치추적 시스템 11. GPS 상시 관측망
12. 데이터 서버 13. GPS 관측파일 관리 프로세서
14. 전리권 TEC 지도 프로세서 15. 전리권 TEC 정보 서비스 프로세서
16. GPS 하드웨어 정보 데이터베이스
17. GPS 위성궤도 정보 데이터베이스

Claims (12)

  1. GPS(Global Positioning System)의 위치오차 발생원인 중 가장 큰 영향을 미치는 전리권 오차를 감소하기 위해, 기존의 GPS 전리권 총전자수 지도를 공간적으로 보다 정밀하게 계산하여 위치정보 오차를 감소할 수 있도록 구성되는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법에 있어서,
    GPS 상시관측망의 각각의 GPS 수신기로부터 바이너리 자료를 실시간 스트리밍으로 수집하고 GPS 국제표준 포맷인 라이넥스(Receiver Independent Exchange ; RINEX) 포맷으로 변환하여 데이터 서버에 저장하는 자료수집단계;
    상기 자료수집단계에서 상기 라이넥스(RINEX) 포맷으로 변환된 파일을 관측시각에 대한 GPS 관측파일로 변환하는 파일변환단계;
    상기 파일변환단계에서 변환된 파일과 GPS 위성궤도 데이터베이스에 저장된 GPS 위성궤도 데이터를 이용하여 각각의 GPS 위성의 위치를 각각 계산하는 위성위치 계산단계;
    상기 파일변환단계에서 변환된 파일과 GPS 관측소 위치 데이터베이스에 저장된 GPS 관측소 위치 데이터를 이용하여 각각의 GPS 관측소의 위치를 계산하는 관측소위치 계산단계;
    상기 위성위치 계산단계 및 상기 관측소위치 계산단계에서 얻어진 정보를 이용하여 GPS 전리권 총전자수를 계산하는 전리권 총전자수 계산단계; 및
    상기 전리권 총전자수 계산단계의 계산 결과에 근거하여 GPS 전리권 총전자수 지도를 작성하는 지도작성단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 파일변환단계는,
    상기 GPS 라이넥스 포맷으로 변환된 파일에 포함되어 있는 정보 중에서 GPS 전리권 총전자수 계산에 필요한 정보를 추출하여 관측시각 및 관측위성별로 재배열하고 관측소별로 파일로 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 지도작성단계는,
    전리권을 위도와 경도를 기준으로 하여 격자로 구성하는 단계;
    각각의 GPS 수신기와 GPS 위성 사이에서 항법신호가 전리권 최대전자밀도 고도와 만나는 전리권 통과지점(Ionospheric Pierce Point ; IPP)을 계산하는 단계;
    상기 GPS 수신기와 상기 GPS 위성 사이의 전리권 경로 총전자수(Slant Total Electron Content ; STEC)를 계산하는 단계;
    각각의 계산 결과에 전리권 사상함수를 적용하여 상기 전리권 통과지점(IPP)에서의 수직 총전자수(Vertical Total Electron Content ; VTEC)를 계산하는 단계;
    상기 전리권 통과지점(IPP)의 수직 총전자수(VTEC)를 평균하여 각 상기 격자의 GPS 총전자수에 해당하는 전리권 격자 총전자수(Grid TEC ; GTEC)를 산출하는 단계;
    상기 전리권 격자 총전자수(GTEC)를 산출하는 단계에서 산출된 전리권 격자 총전자수(GTEC)에 근거하여 격자 TEC 파일을 생성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전리권 격자 총전자수(GTEC)를 산출하는 단계는,
    이하의 수학식을 이용하여, 격자 주변 3도 이내 상기 전리권 통과지점(IPP)의 상기 수직 총전자수(VTEC)를 평균하여 상기 전리권 격자 총전자수(GTEC)를 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법.

    Figure 112014121523519-pat00004


    (여기서, n은 위도 격자개수, m은 경도 격자개수, φ는 위도, λ는 경도, VTECij는 격자범위 내의 IPP 위경도 지점에서의 VTEC 값임)
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 지도작성단계에서 작성된 상기 GPS 전리권 총전자수 지도를 별도의 모니터나 디스플레이에 시각적으로 표시하는 표시단계를 더 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 표시단계는,
    지리적 위도 및 경도로 표현된 지도 위에 상기 격자 총전자수(GTEC)를 겹쳐서 표시하고, 표시결과를 그림파일 및 데이터 파일로 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법.
  7. 청구항 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 기재된 GPS 위치오차 감소를 위한 GPS 전리권 총전자수 지도 작성방법을 적용하여 위치추적을 수행하기 위한 GPS 위치추적 시스템에 있어서,
    GPS 위성으로부터 신호를 수신하는 복수의 GPS 관측소를 포함하여 이루어지는 GPS 상시 관측망;
    상기 GPS 상시관측망의 각각의 GPS 수신기로부터 데이터를 수집하여 저장하는 데이터 서버;
    상기 데이터 서버에 저장된 데이터 중에서 상기 GPS 전리권 총전자수 지도를 작성하기 위해 필요한 정보를 추출하는 GPS 관측파일 관리 프로세서;
    각각의 GPS 관측소의 위치에 대한 정보를 저장하고 있는 GPS 관측소 위치정보 데이터베이스;
    GPS 위성의 궤도 정보를 저장하고 있는 GPS 위성궤도 정보 데이터베이스;
    상기 GPS 수신기와 상기 GPS 위성 사이의 경로 총전자수(STEC)를 산출하는 것에 의해 상기 GPS 전리권 총전자수를 산출하고 상기 전리권 총전자수 지도를 작성하기 위한 전리권 총전자수 지도 프로세서; 및
    상기 전리권 총전자수 지도 프로세서에 의해 작성된 상기 전리권 총전자수 지도를 별도의 모니터나 디스플레이에 시각적으로 표시하기 위한 전리권 총전자수 정보 서비스 프로세서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치추적 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 데이터 서버는,
    상기 GPS 상시관측망의 각각의 GPS 수신기로부터 바이너리 자료를 실시간 스트리밍으로 수집하고, GPS 국제표준 포맷인 라이넥스(RINEX) 포맷으로 변환하여, 연도 및 날짜별로 구분된 서버 내의 디렉토리에 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치추적 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 GPS 관측파일 관리 프로세서는,
    GPS 라이넥스 파일에 포함되어 있는 정보 중에서 GPS 전리권 총전자수 계산에 필요한 정보를 추출하여 관측시각 및 관측위성 번호별로 재배열하여 관측소별 파일로 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치추적 시스템.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 전리권 총전자수 지도 프로세서는,
    상기 GPS 관측파일 관리 프로세서에 의해 저장된 파일과 상기 GPS 관측소 위치정보 데이터베이스 및 상기 GPS 위성궤도 정보 데이터베이스에 저장된 GPS 관측소 위치정보 데이터 및 GPS 위성궤도 데이터를 이용하여 GPS 전리권 총전자수를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치추적 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 전리권 총전자수 지도 프로세서는,
    위도와 경도를 기준으로 하여 전리권을 격자로 구성하고,
    GPS 수신기와 GPS 위성 사이의 경로가 전리권 최대전자밀도 고도와 만나는 점을 전리권 통과지점(IPP)이라 하고, 각 격자의 GPS 총전자수를 격자 총전자수(GTEC)라 할 때,
    사상함수를 이용하여 상기 경로 총전자수(STEC)를 상기 전리권 통과지점(IPP)에서의 수직 총전자수(VTEC)로 변환하고,
    이하의 수학식을 이용하여, 상기 격자 주변 3도 이내 상기 전리권 통과지점(IPP)의 상기 수직 총전자수(VTEC)를 평균하여 상기 격자 총전자수(GTEC)를 계산하며, 계산 결과를 별도의 저장공간에 저장하는 처리를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치추적 시스템.

    Figure 112013119438385-pat00005


    (여기서, n은 위도 격자개수, m은 경도 격자개수, φ는 위도, λ는 경도, VTECij는 격자범위 내의 IPP 위경도 지점에서의 VTEC 값임)
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 전리권 TEC 정보 서비스 프로세서는,
    지리적 위도 및 경도로 표현된 지도 위에 상기 격자 총전자수(GTEC)를 겹쳐서 표시하고, 그림파일 및 데이터 파일로 저장하는 처리를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS 위치추적 시스템.
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