KR20160030644A - 다중경로 오차 보정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중경로 오차 보정 방법에 관한 것으로서, GNSS(Global Navigation Satellite System) 수신기로 수신되는 GNSS 신호를 수신하는 제1단계; 상기 제1단계에서 수신된 GNSS 신호를 분석부에서 주파수 분석(FFT Analysis)을 통해 분석하는 제2단계; 상기 제2단계에서 분석된 결과에 따라 보정부에서 GNSS 신호에 포함된 다중경로 오차 보정을 수행하는 제3단계; 및 GNSS 신호 또는 보정 GNSS 신호를 제어부에서 적용시키는 제4단계; 를 포함하며, 상기 제2단계에서 주파수 분석 결과값이 허용오차 범위 이내일 경우, 제1단계에서 수신된 GNSS 신호가 제4단계에서 적용되며, 상기 제2단계에서 주파수 분석 결과값이 허용오차 범위를 벗어날 경우, 제3단계에서 보정된 보정 GNSS 신호가 제4단계에서 적용되는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, GNSS 위치해 정확도 향상을 통해 GNSS 기반 교량 모니터링 시스템의 신뢰도가 향상될 수 있다.

Description

다중경로 오차 보정 방법{Method for Multipath Error Correction}

본 발명은 다중경로 오차 보정 방법에 관한 것이다.

교량은 도로네트워크 구성의 코어 인프라로서 국가 경제 차원에서 아주 중요한 구조물 중에 하나이다. 뿐만 아니라 경제적 발전과 더불어 증가하는 교통량과 물자수송으로 인해 규모 면에서 더욱 크고 사용하기 편리한 장대교량의 건설에 대한 요구가 나날이 증가하고 있는 추세이다. 이는 우리나라를 포함한 전 세계적 트랜드이며 장대교량의 시공 기술은 국가 기술력의 또 다른 지표로 고려된다. 따라서 장소의 구분없이 다수의 장대교량이 시공중이거나 계획에 있다.

그러나, 지금까지의 건설위주 정책으로 인해 시공 중, 공용중인 교량의 유지관리에 대해서는 현재까지는 상당히 미흡했던 것이 사실이다. 이로 인한 교량 붕괴사고는 전 세계에 걸쳐 장소에 상관없이 빈번히 발생하였다. 최근으로는 2012년 8월 중국 하얼빈에서 발생한 Yangmintan Bridge 가 붕괴사고로 인해 3명의 사상자와 5명의 부상자가 발생하였다. 우리나라 역시 지난 1990년대 신행주대교와 성수대교 등 일련의 교량붕괴사고를 경험한 이후 장대교량의 안정성을 지속적으로 확보할 수 있도록 유지 관리 분야에 유례없던 사회적 관심과 기대가 집중되었다. 하지만 국내 유지관리기술의 낙후로 인해 장대교량과 같이 복잡한 거동양상을 나타내는 구조물에 대한 유지관리 기법이 초기단계에 머물고 있는 실정이다. 따라서 시공된 구조물의 안정성과 사용성을 합리적으로 확보하고 유지관리하기 위해서는 구조 반응들을 주기적으로 평가할 필요가 있으며, 이러한 이유로 최근 토목 분야에서 구조물의 안정성과 사용성을 객관적으로 평가하기 위한 거동 모니터링 기법에 관한 연구가 진행 중이다. 현재 구조물의 계측이나 모니터링은, 소규모 구조물의 경우 재하시험을 수행하거나, 특수교량 및 초고층 빌딩과 같은 대형 구조물의 경우 시공 시 교량 내부에 가속도계, 응력계, 침하계, 변위계 등 다수의 계측 장비를 내부에 삽입하여 설치함으로써 유선으로 직접 데이터를 입력받는 방법 등이 사용되고 있다. 그러나, 재하시험의 경우 많은 인력과 비용이 소요되어 수시 계측작업을 수행하기 어렵고 계측 시 교통 통제 등이 필요하기 때문에 교량의 사용성을 제약해야 하며, 다수의 계측장비를 삽입하여 계측하는 경우 장비의 손상이나 환경조건에 따른 데이터 훼손 등의 문제로 인한 어려움이 있다.

한편, 위성기반의 위치 결정 시스템인 GNSS(Global Navigation Satellite System)가 다양한 분야에 성공적으로 적용됨에 따라 사용성이 증가하였고 이는 최근 교량이나 주요 구조물에 대한 모니터링 적용으로 확대되어 활발히 연구가 진행 중이다. 최근 토목건설에서의 GNSS를 이용한 활용분야는 기존 측량뿐만 아니라 주요구조물에 대한 계측으로까지 적용이 시도되고 있다. 이미 해외 선진국에서는 GNSS를 이용해 교량, 댐을 포함한 대형 주요 구조물에 대한 계측사례들이 지속적으로 보고되고 있으며 효용성을 인정받고 있다.

그러나 GNSS는 지구 밖 우주공간에서부터 신호를 전송하고 지상에서 수신하는 과정에서 여러 가지의 오차를 수반하게 되고 이러한 오차는 관측데이터의 정확도에 영향을 미치게 된다.

따라서 계측분야에서 GNSS의 사용범위를 증가시키기 위해서는 데이터 품질 분석과 측위 환경에 의해서 오염되는 오차항목들에 대해서 이들의 영향을 완벽소거 또는 최소화 시킬 수 있는 오차 모델링 알고리즘 개발이 필요하다. 특히 교량의 경우 GNSS 측위에 있어서 케이블, 주탑, 차량이동으로 인하여 다중경로 발생이 빈번하며 이들은 전체 모니터링 시스템의 신뢰도를 저하시킬 수 있는 위험요소이다.

이에 관련된 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1218354호(2013.1.3. 공고)가 있었다.

여기서, 상기 선행문헌은 다중경로 오차를 보정하는 과정과 과대오차를 제거하는 품질 제어과정을 포함하는 교량 모니터링 과대오차 처리 방법에 관한 것이다.

그러나, 선행문헌의 경우, 알고리즘의 목적 및 적용이 상이한 두 알고리즘(다중경로 오차 보정 알고리즘과 과대오차 보정 알고리즘)이 혼합되어 다중경로 오차 보정에 대한 신뢰성을 담보하지 못한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위하여 창작된 것으로써, 본 발명의 목적은, GNSS 측위를 통해 취득되는 GNSS 위치해(위치좌표값) 정확도 향상을 극대화시키는 기술을 제공하는 데 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, GNSS(Global Navigation Satellite System) 수신기로 수신되는 GNSS 신호를 수신하는 제1단계; 상기 제1단계에서 수신된 GNSS 신호를 분석부에서 주파수 분석(FFT Analysis)을 통해 분석하는 제2단계; 상기 제2단계에서 분석된 결과에 따라 보정부에서 GNSS 신호에 포함된 다중경로 오차 보정을 수행하는 제3단계; 및 GNSS 신호 또는 보정 GNSS 신호를 제어부에서 적용시키는 제4단계; 를 포함하며, 상기 제2단계에서 주파수 분석 결과값이 허용오차 범위 이내일 경우, 제1단계에서 수신된 GNSS 신호가 제4단계에서 적용되며, 상기 제2단계에서 주파수 분석 결과값이 허용오차 범위를 벗어날 경우, 제3단계에서 보정된 보정 GNSS 신호가 제4단계에서 적용되는 다중경로 오차 보정 방법에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 제3단계는 MRA(Multi resolution analysis) 기법을 통해 GNSS 신호에 포함된 다중경로 주파수를 분리 및 제거하는 단계이다.

또한, 상기 MRA 기법은, GNSS 신호의 전 주파수 또는 선택 주파수를 대역별로 분리시켜 다중경로가 포함된 주파수 대역을 찾는 제3-1단계; 상기 제3-1단계에서 찾은 다중경로가 포함된 주파수 대역에 웨이브릿 변환(wavelet transformation)을 적용하여 주파수 대역 내 포함된 다중경로 주파수를 제거하는 제3-2단계; 및 상기 제3-2단계에서 다중경로 주파수가 제거된 주파수 대역을 재결합시켜 보정 GNSS 신호를 획득하는 제3-3단계; 로 이루어진다.

여기서, 상기 제3-1단계의 주파수 대역별 분리의 기준은 경험적 탐색 기법(heuristic search)에 의해 선정된다.

또한, 상기 제3-2단계는 Threshold 와 mother wavelet 를 선정하고, 선정된 Threshold 및 mother wavelet 옵션을 해당 주파수 대역에 적용하여 다중경로 주파수를 제거하는 단계이다.

또한, 상기 제3-2단계는 선정된 Threshold 및 mother wavelet 옵션을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 GNSS 위치해 정확도 향상을 통해 GNSS 기반 교량 모니터링 시스템의 신뢰도가 향상될 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 다중경로 오차 보정 방법의 진행 과정을 나타낸 흐름도이며,
도 2 는 본 발명에 따른 다중경로 오차 보정 방법에서 MRA 기법의 진행 과정을 나타낸 흐름도이며,
도 3 및 도 4 는 soft Threshold 와 hard Threshold의 비교를 나타낸 그래프이며,
도 5 및 도 6 은 선정된 옵션을 실제 GNSS 데이터에 적용한 결과에 대한 그래프이며,
도 7 및 도 8 은 실제 교량에서 취득된 GNSS 데이터에 대해 다중경로 오차 보정 기법을 적용하여 적용 전후를 비교한 그래프이며,
도 9 및 도 10 은 GNSS 위치해에 대해 다중경로 오차 보정 기법 적용 전후의 오차 타원 비교를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하기로 한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 다중경로 오차 보정 방법의 진행 과정을 나타낸 흐름도이며, 도 2 는 본 발명에 따른 다중경로 오차 보정 방법에서 MRA 기법의 진행 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 1 내지 도 2 를 참조하면, 본 발명에 따른 다중경로 오차 보정 방법은, GNSS 신호 수신 단계(S10), 주파수 분석 단계(S20), 다중경로 오차 보정 단계(S30) 및 적용단계(S40)로 이루어진다.

1. GNSS 신호 수신 단계(S10)

GNSS(Global Navigation Satellite System) 수신기로 수신되는 GNSS 신호를 수신하는 단계이다.

2. 주파수 분석 단계(S20)

GNSS 기반 교량 모니터링 시스템이 포함하는 분석부가 S10단계에서 수신된 GNSS 신호를 주파수 분석(FFT Analysis)을 통해 분석한다.

여기서, 주파수 분석 결과값이 허용오차(Tolerance) 범위 이내일 경우, S10단계에서 수신된 GNSS 신호가 보정없이 제어부로 전달되어 후술할 S40단계에서 적용되며, 주파수 분석 결과값이 허용오차 범위를 벗어날 경우, GNSS 신호를 보정부로 전달하여 후술할 제3단계에서 다중경로 주파수가 보정된다.

3. 다중경로 오차 보정 단계(S30)

S20단계로부터 보정이 요구되는 GNSS 신호를 보정부에서 전달받아 다중경로 오차 보정을 수행한다.

본 단계는 MRA(Multi resolution analysis) 기법을 통해 GNSS 신호에 포함된 다중경로 주파수를 분리 및 제거하는 단계로서, 크게 주파수 분리를 통한 다중경로 주파수 서칭 단계(S32), 다중경로 주파수 제거 단계(S34) 및 주파수 재결합을 통한 보정 GNSS 신호 획득 단계(S36)로 이루어진다.

GNSS 다중경로 오차 보정 단계는 웨이브릿 변환을 이용하여 구현되고, 주파수 분리를 위한 레벨을 선택하고 선택된 레벨까지 분해를 수행하는 단계와, 각 레벨에 대하여 threshold 및 mother wavelet 선정, 수축(shrinkage)함수를 적용하는 단계 및 보정치와 근사(approximation) 계수를 이용하여 GNSS 신호를 역변환하여 재결합하는 단계로 이루어진다.

3-1. 주파수 분리 및 다중경로 주파수 서칭 단계(S32)

GNSS 신호의 전 주파수 또는 선택 주파수를 대역별로 분리시켜 다중경로가 포함된 주파수 대역을 찾는 단계이다.

GNSS 신호 내에 포함되어 있는 다중경로의 주파수 대역을 찾기 위해서 GNSS 신호를 레벨별로 분리하고, 여기서, 적정 레벨 선정을 위한 주파수 대역별 분리의 기준은 경험적 탐색 기법(heuristic search)에 의해 선정되며, 바람직하게는 Best-Tree 기법을 사용하여 다중경로 주파수 대역의 레벨을 선정하고 해당 다중경로를 포함하는 주파수 대역을 찾는다.

3-2. 다중경로 주파수 제거 단계(S34)

제3-1단계(S32)에서 찾은 다중경로가 포함된 주파수 대역에 웨이브릿 변환(wavelet transformation)을 적용하여 주파수 대역 내 포함된 다중경로 주파수를 제거한다.

웨이브릿 변환은 기본 웨이브릿의 스케일과 이동 과정에 의해 다양한 기저함수를 생성하기 때문에 시간과 주파수 정보를 동시에 적절하게 표현할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

연속 웨이브릿 함수(Continuous wavelet transformation: CWT)는 아래 식과 같이 정의된다.

여기서, s는 스케일 매개변수이며, τ는 이동 매개변수이다. 또한 x(t)는 해석하고자 하는 신호이며, ψ(t)는 mother wavelet 함수이다.

웨이브릿 변환을 이용한 다중경로 오차 보정은 일반적으로 고속 이산 웨이브릿(Fast decrete wavelet) 알고리즘인 다해상도 분석(Multi resolution analysis: MRA)이 사용된다.

다해상도 분석에서는 2^n 개의 데이터 조작인 이산 웨이브릿 변환 필터를 이용하며, 이는 필터들의 직교성을 이용하여 계산 양을 현격히 줄인 방법이다.

필터의 형태는 사용하는 기저함수에 따라 결정되며, 서로 직교하는 저역 필터역할을 하는 스케일 함수와 고역필터 역할을 하는 웨이브릿 함수는 아래 식과 같이 정의된다.

: 저역필터

: 고역필터

여기서, h(m)은 저역필터 계수이고 g(m)은 고역필터 계수이다.

이들은 레벨에 따라서 전술한 분해 과정(S32)과 후술할 재결합 과정(S36)을 거치게 되며, 분해 과정에서 저역 필터에 의해 분해된 신호를 척도구성계수(cA)라 하고, 고역 필터에 의해서 분해된 신호는 웨이브릿계수(cD)라 한다.

이때, 분해된 각 계수는 개수를 절반으로 줄여주는 다운샘플링 과정을 거치며, 분해된 척도구성계수는 다음 레벨을 수행하는데 이용된다. 재결합 과정은 분해된 계수들을 결합하는 과정으로 분해과정에서 절반으로 줄어든 개수를 원래 상태로 환원하는 업샘플링 과정을 거쳐서 신호를 복원한다.

한편, 본 단계는 Threshold 와 mother wavelet 를 선정하고, 선정된 Threshold 및 mother wavelet 옵션을 해당 주파수 대역에 적용하여 다중경로 주파수를 제거하는 단계이며, 선정된 Threshold 및 mother wavelet 옵션을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.

웨이브릿 변환이 GNSS 신호에 적용될 경우에는 Threshold 와 Mother wavelet 은 아래와 같이 한정된다.

Threshold

여기서, cD는 웨이브릿계수이며, λ는 임계매개변수이다.

Mother wavelet(Daubechies와 Symlets wavelet)

DB 4, 8, 12 SYM 4, 8, 12

웨이브릿 변환을 이용하여 GNSS 다중경로 오차를 보정하기 위해 Threshold 와 Mother wavelet의 선정은 최적의 결과 값을 취득하기 위해서 중요한 과정으로 Threshold 와 Mother wavelet 을 달리하여 비교 분석을 선행함이 타당하다.

상기와 같이 선정된 Threshold와 Mother wavelet 옵션에 의하여, 분리된 GNSS 신호의 해당 주파수 대역 내 포함되어 있는 다중경로 주파수가 제거된다.

3-3. 주파수 재결합을 통한 보정 GNSS 신호 획득 단계(S36)

S34단계를 통해 제거된 다중경로 주파수를 레벨별로 재결합시켜 보정 GNSS 신호를 획득한다.

4. 적용단계(S40)

S20단계로부터 전달된 GNSS 신호 또는 S30단계로부터 전달된 보정 GNSS 신호를 제어부에서 적용시켜 GNSS 위채해를 모니터링 시스템에 적용시킨다.

5. 검증

전술한 Threshold 와 Mother wavelet 옵션을 실제 GNSS 데이터에 적용시켜 다음과 같은 Ratio로 나타내어 가장 적합한 옵션을 선정하였다. 선정 이후에 이들에 대한 검증 작업을 수행하였다.

도 3 내지 도 4 는 soft Threshold 와 hard Threshold의 비교를 나타낸 그래프로서, 가시선의 확보가 충분한 곳을 선택하여 실시된 GNSS 측위 결과에 대해서 soft Threshold 와 hard Threshold 의 결과를 나타내고 있다.

wavelet raito 는 낮을수록 안정된 값을 나타내기 때문에 본 실험 비교에서는 hard Threshold의 Sym4 와 Sym12 가 가장 좋은 결과를 보여주었다.

도 5 및 도 6 은 선정된 옵션을 실제 GNSS 데이터에 적용한 결과에 대한 그래프이다. 도 5 에서 보여주는 검은 실선은 원 GNSS 데이터(raw data)를 표시하고 빨간 실선은 GNSS 신호 내 포함되어 있던 다중경로에 대한 크기를 보여주고 있다. 도 6 은 다중 경로 오차 보정이 수행된 결과를 나타내고 있으며, 다중 경로 오차 보정에 적용 여부에 대한 통계치는 아래의 표 1 의 결과와 같다.

가시선이 충분히 확보된 환경에서 정확도 증가를 확인하였기 때문에 이들 옵션을 이용하여 실제 교량에서 취득된 데이터에 대해 본 발명에 따른 다중경로 오차 보정 방법의 성능을 분석할 필요가 있다.

도 7 및 도 8 은 실제 교량에서 취득된 GNSS 데이터에 대해 다중경로 오차 보정 기법을 적용하여 적용 전후를 비교한 그래프이다. 빨간 실선은 다중경로 오차 보정 기법 적용 전으로 검은 실선(적용 후)과 비교하여 상당히 큰 변화폭을 확인할 수 있다.

표 2 는 높은 고도각 및 낮은 고도각 위성에서의 다중경로 오차 보정(WT) 기법 전후의 GNSS 위치해에 대한 수치 비교 및 향상율을 나타낸 것이다.

표 2 에 의하면, 다중경로 오차 보정 기법 적용 전후로 하여 RMS에서 약 70%, 그리고 변화폭에서는 400%의 크기 변화가 있음을 확인할 수 있다. 이는 실제 교량의 경간 움직임이 크지 않았지만, 다중경로로 인하여 변위폭이 크게 나타났음을 확인하였다. 이를 다중경로 오차 보정 기법 적용을 통해서 보다 정확한 GNSS 위치해를 확인할 수 있었고 이 정보는 전체 모니터링 시스템의 신뢰도 증가를 의미하는 것이다.

GNSS 위치해의 정밀도를 확인하는 가장 보편적인 방법은 오차 타원 크기와 방향 비교이며, 도 9 및 도 10 은 GNSS 위치해에 대해 다중경로 오차 보정 기법 적용 전후의 오차 타원 비교를 나타낸 그래프이다.

다중경로 오차 보정 기법 적용 후, 오차 타원 장축의 크기에서는 기법 적용 전과 비교하여 약 80% 정도 작아졌음을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술적 사상과 하기 될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능할 것이다.

Claims (6)

1. GNSS(Global Navigation Satellite System) 수신기로 수신되는 GNSS 신호를 수신하는 제1단계;
   상기 제1단계에서 수신된 GNSS 신호를 분석부에서 주파수 분석(FFT Analysis)을 통해 분석하는 제2단계;
   상기 제2단계에서 분석된 결과에 따라 보정부에서 GNSS 신호에 포함된 다중경로 오차 보정을 수행하는 제3단계; 및
   GNSS 신호 또는 보정 GNSS 신호를 제어부에서 적용시키는 제4단계; 를 포함하며,
   상기 제2단계에서 주파수 분석 결과값이 허용오차 범위 이내일 경우, 제1단계에서 수신된 GNSS 신호가 제4단계에서 적용되며, 상기 제2단계에서 주파수 분석 결과값이 허용오차 범위를 벗어날 경우, 제3단계에서 보정된 보정 GNSS 신호가 제4단계에서 적용되는 것을 특징으로 하는
   다중경로 오차 보정 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제3단계는 MRA(Multi resolution analysis) 기법을 통해 GNSS 신호에 포함된 다중경로 주파수를 분리 및 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는
   다중경로 오차 보정 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 MRA 기법은,
   GNSS 신호의 전 주파수 또는 선택 주파수를 대역별로 분리시켜 다중경로가 포함된 주파수 대역을 찾는 제3-1단계;
   상기 제3-1단계에서 찾은 다중경로가 포함된 주파수 대역에 웨이브릿 변환(wavelet transformation)을 적용하여 주파수 대역 내 포함된 다중경로 주파수를 제거하는 제3-2단계; 및
   상기 제3-2단계에서 다중경로 주파수가 제거된 주파수 대역을 재결합시켜 보정 GNSS 신호를 획득하는 제3-3단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는
   다중경로 오차 보정 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제3-1단계의 주파수 대역별 분리의 기준은 경험적 탐색 기법(heuristic search)에 의해 선정되는 것을 특징으로 하는
   다중경로 오차 보정 방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제3-2단계는 Threshold 와 mother wavelet 를 선정하고, 선정된 Threshold 및 mother wavelet 옵션을 해당 주파수 대역에 적용하여 다중경로 주파수를 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는
   다중경로 오차 보정 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제3-2단계는 선정된 Threshold 및 mother wavelet 옵션을 검증하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   다중경로 오차 보정 방법.
   
   
   

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