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Comparison of Network-RTK Surveying Methods at Unified Control Stations in Incheon Area
Comparison of Network-RTK Surveying Methods at Unified Control Stations in Incheon Area
Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography. 2014. Sep, 32(5): 469-479
Copyright © 2014, Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : October 10, 2014
  • Accepted : October 10, 2014
  • Published : September 30, 2014
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용창 이
Member, Division of Urban and Environmental Engineering, Incheon National University (E-mail:yclee@incheon.ac.kr)
Abstract
네트워크 RTK 기술은 전리층 및 대류층 지연, 위성 궤도력 오차 등과 같은 거리에 종속된 오차의 보정모델링을 통해 GNSS 측위 정확도를 향상할 수 있는 기법이다. 본 연구에서는 전리층 교란의 극대화 시기인 Cycle24 기간 중, 인천지역 내 20점의 통합기준점을 대상으로 N-RTK (VRS 및 FKP) 측량을 실시하고 초기화시간, 성분별 측위정확도 및 좌표 교차를 비교 분석하였다. 연구결과, 측위정확도는 VRS가 FKP에 비해 우수하였고 두 기법 모두, 고도성분은 수평성분에 비해 2배 이상의 표준편차를 보였는데 이는 전자밀도 변동에 따른 전리층교란과 굴절지수의 변동으로 발생되는 대류층의 요동에 따른 것으로 보인다. 각 통합기준점에서 기법별 초기화는 VRS가 FKP에 비해 빠르게 수렴되었다. 이는 N-RTK를 위한 표준화된 고압축 전송형식의 활용과 국내 이동 통신 인프라에 의한 기준국 보정신호의 신호지연이 최소라는 고려 하에서 두 기법간의 기본원리의 차이, 서로 다른 보정 기준망에 따른 상이한 오차특성 및 FKP 보정값의 비선형 특성에 기인된 것으로 분석된다. 특히, 태양흑점폭발과 플레어로 인하여 우주전파환경의 변화가 발생되는 동안에 정확도의 저하, 초기화시간의 연장, 관측도중 재초기화, 심한 경우 초기화 실패 등의 현상이 발생됨을 확인할 수 있었다.
Keywords
1. 서 론
최근 GNSS(Global Navigation Satellite System)측량의 동향은 단일 기준국 RTK(S-RTK : Single-based RTK), 다중 기준국 RTK(N-RTK : Network-based RTK), 정밀단독측위(PPP : Precise Point Positioning) 등 실시간 측위기술이 주류를 이루고 있다. S-RTK기법은 거리에 종속한 분산성(주파수에 종속, 전리층지연) 및 비분산성(대류층 지연) 오차의 '공간 비 상관'특성 때문에 기준국으로 부터 제한된 거리(5km, 환경에 따라서는 10∼20km)내에서 사용되었다. N-RTK 측량기법은 지역 또는 국가가 운용하는 GNSS 상시관측망(CORS : Continuously Operating Reference Station, 상시관측소간 거리 20∼100km)를 활용, CORS 영역 내 이용자에게 S-RTK 거리종속오차의 영향을 최소화하여 사용 범위를 확대(100km 내외)한 기술로 그 동안 다양한 응용을 통해 국내 · 외적으로 효용성이 입증되었다. N-RTK측량기법의 기본이론 및 특징에 대한 종합적 비교연구로는 Fortopoulos and Cannon(2001), Leica geosystems(2008), Volker(2009), El-Mowafy(2012), Lee(2014) 등이 있다. N-RTK 오차 보정 모델링의 기법별 비교 연구로는 Erhu et al .(2006), Suqin et al .(2009), Al-Shaery et al .(2011) 등이 있고 Heo et al .(2009), Eldar et al .(2012) 등은 실시간 자료전송을 위한 통신프로토콜 및 자료형식에 대한 비교연구를 종합적으로 수행한 바 있다. 또한, 상시관측망을 활용한 N-RTK기법 별 수행능력에 대한 최근의 비교연구결과를 Ma et al .(2011), Kutalmış et al .(2013), Mustafa and Niyazi(2013) 등에서 참고할 수 있다.
국토지리정보원에서는 전국에 분포한 GNSS 상시 관측소의 자료를 활용하여 2007년 11월 21일부터 VRS(Virtual Reference Station) 서비스를 실시하고 있고 2012년 10월 31일부터는 FKP(Flächen Korrektur Parameter) 서비스도 시작하였다. 또한, 년차별로 GNSS상시관측소의 증설이 추진되었고 2013년 8월, VRS 서버의 설비 교체와 동시접속자수 확대 및 RTCM 3.* 버전의 확장성에 힘입어 전국 상시관측소(53개소, 2014년 11월 기준)를 활용한 GNSS N-RTK 측위 서비스를 활용할 수 있게 되었다. 국내에서 수행한 VRS와 FKP의 비교연구로는 Kim and Bae(2013) 등이 옥상에 설치된 GNSS 상시관측소와 유선인터넷 망을 활용하여 FKP 시스템의 안정성을 VRS 측량결과와 비교 분석한바 있다. 현재 국내에서 GNSS N-RTK 측량기법은 토목/건설/지적 분야의 세부측량에 널리 활용되고 있고 2008년부터 전국에 설치중인 통합기준점(UCS : Unified Control Station, 약 3,650점, 2013년 말 기준), 지자체의 도시기준점 등과 연계하여 지적재 조사사업에도 널리 활용될 전망이다.
본 연구는 인천지역 내 분포한 통합기준점에서 국토지리정보원의 VRS 및 FKP N-RTK 측위 정확도에 대한 비교 평가를 목적으로 한다. 이를 위해 N-RTK기법의 기본 이론을 고찰하고 인천지역 관내 · 외에 설치 운용중인 GNSS 상시관측소로 보정망을 구성하고 통합기준점 20점을 대상으로 N-RTK 측량을 수행한다. 두 가지 N-RTK 기법의 수행 평가를 위한 기준으로 모호정수의 초기화 소요시간(TTFF : Time-To-Fix-First ambiguity), 좌표성분별 측위정확도, 좌표교차를 선정하고 Cycle 24 태양흑점 폭발 극대기 기간 중, 전리층의 전자총량(TEC : Total Electron Content)의 변화, 이동국의 N-RTK 보정망 내 · 외 위치, 기준국과 이동국간 거리등을 고려한 오차 특성을 종합적으로 비교 고찰하여 N-RTK 기법을 활용한 다양한 현장 실무의 정확도 향상에 기여 한다.
2. N-RTK 기법의 개요
그동안 발표된 N-RTK기법에는 VRS, PRS(Pseudo-Reference Station or MGRS ; Multi Grid Reference Station), i-MAX (Individualized Master-Auxiliary Corrections), FKP, MAC(Master- Auxiliary Corrections) 등이 있다. 각 기법별 제안자(시기), 기준국 자료원, 이동국용 보정값의 계산위치(AC : Analysis Center, 또는 rover), 통신방식 및 자료전송형식, 최소(실제)상시관측소 수, 이용자수의 제한 및 기법별 특징 등을 요약하면 Table 1 과 같다. 4가지 N-RTK 기법의 공통사항으로 AC에서는 CORS 망 내 모든 상시관측소의 기본정보(좌표, 기준점간 거리 등), epoch별 모든 위성과 상시관측소 간 이중차분(DD : Double Difference) 관측자료의 분산 및 비분산 오차를 모형화하고 이동국의 위치에 대해 보간한다. 이때 CORS 망 내 모호정수의 수준(ambiguity level)은 동일해야 하는데 ‘동일수준’이란 특정 위성에 대한 두 상시관측소 위상자료의 단일차분(SD : Single Difference) 자료에 포함된 ‘실수형 모호정수 bias의 크기(모호정수에 대한 참값 – 계산값)’가 동일하다는 의미이다.
Comparison of N-RTK methods
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Comparison of N-RTK methods
Fig. 1 은 N-RTK기법에서 서로 다른 수준의 오차면을 갖는 3개 상시관측소 관측망에서 특정점의 실제오차와 모델화한 거리종속오차 간의 관계를 나타낸 것으로 3점을 연결한 삼각형은 N-RTK기법에서 산출한 오차 보정면이다(El-Mowafy, 2012; Takac and Lienhart, 2008). 이동국이 기준국에서 멀어지면 실제오차(곡선)와 선형보정값(좌측그림의 삼각면/우측그림의 점선)간의 편차가 발생된다. 기호 𝛿는 차분방정식의 기선해석오차, ε 는 관측망 내 모델오차를 나타낸다. AC에서는 다주파 GNSS 수신기로 구성된 CORS 망 내, 각 기준국으로 부터 전송된 기준국 자료의 품질관리(과대오차 및 Cycle slip 검출 등), 안테나 위상중심보정, 모호정수 해석, 관측망 조정, 오차모델링을 수행하며 또한, 사후처리 사용자를 위해 관측 자료를 DB화 한다. 특히, AC에서 이동국에 제공하는 전송정보는 N-RTK 운용기법에 따라 약간 차이는 있지만 VRS, PRS, i-MAX의 경우, 임의 기준국의 관측자료(가상 또는 실존)와 오차 보간계수, FKP 및 MAX는 CORS망 내 최단거리의 실존 기준국의 관측자료, 오차 보정면 계수 및 임의 기준국 군(Cluster)내 주국/보조국간 오차의 SD값 등이다.
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Relationship between errors in a small Network-RTK coverage area(N-RTK correction errors)
AC에서 기준국의 오차가 계산되면 이동국에 적합한 거리종속오차를 보간하는데 다양한 모델(LCM : Linear Combination Method, LIM : Linear Interpolation Method, DIM : Distance-based Linear Interpolation Method, LSM : Low-order Surface Model, LSCM : Least Square Collocation 등)을 적용할 수 있다. 이중 LIM 및 LSM이 수학적으로 유사한 함수식, 실시간 응용에 적합하고 현재 N-RTK에 공통적으로 사용되고 있지만, Suqin et al .(2009)에 의하면 보정망의 형상, 기준국과 이동국간 거리, 위성조건(위성대수, PDOP) 및 다중경로 오차 등의 복합적 변수에 따라 LIM이 LSM에 비해 양호한 보간 결과가 제공됨을 발표한 바 있으며 Al-Shaery et al .(2011)의 연구에서도 유사한 결과가 제시되었다. VRS, PRS 및 i-MAX는 RTK 해석을 위해 이동국 주변(VRS ; 수m, PRS ; 수km)에 가상의 기준국을 사용하므로 사용자입장에선 오차의 크기와 거동특성에 관한정보가 없다. 반면 FKP와 MAC개념에 의한 MAX기법은 실제 기준국 관측 자료와 개별적인 오차(분산 및 비분산)의 크기 및 거동특성을 AC로부터 전송받아 사용자의 해석 SW가 이들을 어떻게 적용할지를 결정한다. FKP기법은 N-RTK 보정값을 LSM를 활용하여 각각의 위성에 대해 임의 기준국에 중심을 둔 2개의 보정평면(분산 및 비 분산 보정)과 평면의 경사를 매개변수로 나타낸다. 특히, 상시관측소간 고도차가 500m이하인 경우는 고도차에 의한 보간 영향이 미소하여 1차 선형 면보정 모델을 활용한다(Suqin et al ., 2009). 반면, VRS기법에서는 LIM 또는 LCM 모델이 보정에 주로 활용되고 있다. FKP기법은 일 방향 통신 방식으로도 N-RTK실현이 가능하며 사용자수에 이론적으로는 제약이 없지만, 운영 서버와 통신망의 조건에 따라 동시 이용자수에 재한이 있게 된다. 현재 국토지리정보원에서는 양방향 통신방식을 활용하여 이동국에 가장 근접한 상시관측소를 자동 선별하고 기준국의 원 관측 자료와 산출된 면 보정계수를 이동국 사용자에게 실시간 제공하고 있다. 본 연구에서는 VRS, FKP, MAX, i-MAX, 및 통신프로토콜, 전송자료형식, 통신매체 등에 관한 상세이론은 생략하고 참고문헌으로 대신한다(Lee, 2014).
3. Network-RTK 관측실험
- 3.1 관측개요
인천지역은 도서지역이 많은 지리적 특성이 있고 Fig. 2 와 같이 인천관내 국토지리정보원이 운용하는 GNSS 상시관측소는 최근 2개소가 운영 중이며 서울, 경기, 충남 인접지역에 5점이 분포, 평균거리 약 54km의 중규모 N-RTK 관측망이 구성되어 있다. 2014년 1월 이전의 경우, 인천 관내 도서지역에 설치 된 통합기준점 대부분이 기존 상시관측소를 직선 연결(‘PAJU’-‘INCH’- ‘SEOS’)한 경계선에서 벗어나 있었으나 ‘강화(GANH)’ 상시관측소의 증설(2012년 12월 24일 준공, 1년간 시범 운영 후, 2014년 1월 27일 고시)로 강화군, 옹진군 일부 도서 지역이 GNSS 상시관측망 영역 내에 포함되었다.
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Distribution of UCS(□) and CORS(*) around the Incheon area
관측점으로 Table 2 와 같이 인천 내륙 및 도서지역에 분포한 통합기준점 20점을 선점하고 시간대의 제약 없이 다음조건에 따라 총 9일 간에 N-RTK 측량을 수행하였다. 통합기준점 주변 건물 및 이동 장해물에 의한 다중신호의 영향을 최소화하기 위해 Trimble R8, GNSS/SPS88x 안테나 내장 일체형 1급 GNSS수신기를 2m range pole 상단에 거치, 연직성을 유지하면서 임계앙각 10°, 임계 PDOP(6)의 GPS와 GLONASS 위성신호를 활용하였다. 초기화 방식은 두 기법 모두 OTF(On the Fly)기법을 적용하였고 초기화 이후, 1초 간격으로 허용정확도 수평(1cm), 수직(1.5cm)인 측량결과만을 저장하면서 1개 epoch의 관측 시간을 3초로 설정하고 기법별로 각각 30epochs의 실시간 측량을 교대로 2회 수행하였다.
Observation campaign of UCS in Incheon area (ID, date, time, 2013 year)
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Observation campaign of UCS in Incheon area (ID, date, time, 2013 year)
본 연구에서는 1개 port에 다종 언어 및 측점 연동이 가능한 NTRIP(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol) 표준 Protocol, 자료형식은 VRS(트림블사의 CMR+), FKP(RTCM v3.1)를 활용하였다. 또한, 기준국과 이동국간의 통신매체는 3G 이동통신기술(테더링)을 활용하여 국토지리정보원 GNSS 서비스 서버에 접속, 이동국에 가장 가까운 상시관측소를 기준국으로 자동 선정한 후, 기준국의 원 관측자료 및 N-RTK 보정정보를 취득하여 2분∼3분의 시간차로 VRS 및 FKP 측량을 수행하였다. N-RTK의 DD 오차보정모델링을 위한 보정망의 구성은 두 기법 모두 4점의 상시관측소를 활용하였다. 또한, 실제 이동국에 수신된 해석센터의 보정값은 N-RTK 운용상의 총체적 지연으로 기준국 자료의 경과시간(BDA : Base Data Age)이 발생되는데 동일수준의 모호정수 해석에 사용하는 보정값의 경과시간 제한은 통상, 제조사가 설정(GPS World staff, 2013)한 임계 신호지연 설정값(DGPS 1분, RTK 10초)에 따른다. 총 9일간의 관측 기간 중, 특이사항은 일부측점(U0213 : 4분, U0211 : 9분)에서 통신 접속직후, 초기화 시간이 4분 이상 소요되거나 초기화 이후 측량 중, GPS위성만 관측되었다. 또한, 통신문제로 U0210는 VRS 1회, U0148는 FKP 1회, U0139는 각각 1회의 관측만 수행하였다. 이 외의 통합기준점에서는 PDOP(평균 2.0)인 양호한 위성시계조건에서 관측을 수행할 수 있었다.
- 3.2 관측기간 중 전리층 교란 분석
2013년∼2014년은 태양흑점폭발 주기 24(sunspot number cycle 24)의 극대기로 본 연구의 관측기간 중, 전리층 교란 상태를 파악하고 전리층 교란시기에서 N-RTK 기법별 측위 정확도를 비교 고찰하기 위해 국내 인천 상시관측소와 이천 우주전파센터 관측소의 GPS 관측자료를 활용하여 분석하였다. 수직 또는 경사방향 전리층 총 전자량(vTEC or sTEC vertical or slant Total Electron Content)은 태양활동이나 지자기폭풍이 있는 경우 일시적으로 값이 증가한다. GPS 관측 자료로 부터 TEC을 산출하기 위해서는 2주파 신호(L1, L2)에 변조된 P1(또는 C/A), P2 코드의 선형조합(GFLC : Geometry Free Linear Combination)을 차감(P1-P2)시켜 전리층의 각 위성에 대한 IPP(Ionospheric Pierce Point)에서 sTEC를 구한 후, 사상함수(mapping function)를 적용하여 IPP의 vTEC를 구하게 된다. 이때, 코드는 반송파와는 달리 큰 noise를 포함하므로 신뢰성 있는 vTEC를 산출하기 위해서는 위성과 수신기의 기기 상태(수신기 type, 작동온도 등)에 따른 bias (DCB : Differential Code Bias ) 영향을 필히 보정해야 한다. 특히, 임의 관측점 상공의 절대 vTEC은 각 위성에 대한 IPP의 vTEC를 보간 모델링하여 산출하게 된다.
2주파 GPS 신호 L1, L2에 변조된 P1(또는 C/A) 및 P2 코드의 기본 식 Eqs. (1) and (2)로부터 ‘P1-P2’ GFLC를 구성하고 Eq. (3)를 대입하여 정리하면 sTEC과 vTEC를 Eqs. (4) and (5)로부터 산정할 수 있다. Choi et al .(2013)은 국내 상시관측소를 대상으로 수행한 DCBs 연구에서 수신기의 DCBs 영향에 대한 보정 유무에 따라 전리층 교란이 없는 환경에서도 50vTECu 이상의 편차가 있음을 확인한바 있다.
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where ρ : Geometry range from the satellite to receiver, d T : Satellite clock error, dt : Receiver clock error, I i(i=1,2) : Ionosphere error, f i(i=1,2) : Frequency of GPS signal,
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and
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: Satellite hardware bias,
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and
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: Multipath error,
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and
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: System noise.
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where b r : DCB of receiver, b s : DCB of satellite, mf ( z ) : Mapping function, z : Elevation angle of the GPS satellite, R E : Earth radius(6,371km), h IPP : Height of the assumed thin shell of ionosphere(350km).
국립전파연구원 우주전파연구센터(Korean Space Weather Center) 에서는 실시간으로 수집된 국내 80여개 GNSS 상시관측소 자료를 이용하여 매 5분 주기로 우리나라 전리층의 시·공간 변화를 감시하고 있다.
Fig. 3 은 KSWC에서 INCH 상시관측소의 GPS 자료로 부터 산출한 vTEC 평균값(주기 30초)의 시간대별 변동 분포로 위성 및 수신기의 기기 bias를 보정하지 않는 상태의 vTEC를 나타낸 것이지만, INCH 지역 상공의 관측일자 별 전리층 TEC 변동경향을 간접적으로 확인할 수 있었다. 본 연구의 관측 일 중에서 가장 큰 TEC 변동은 6월 1일 6∼9시(UTC)에 발생되었다. 부분적인 변동 또한, 관측 일과 관측시간대에 따라 다양한 양상으로 나타났다.
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The estimated daily vertical TEC at INCH GNSS station on May 24-26, and June 1, 3, 5, 7-9, 2013. (vTECs data provided by KSWC)
또한, Fig. 3 의 분포는 NOAA SPIDR 및 Kyoto 대학 지자기해석센터가 분석한 광역적 전리층 및 지자기 교란 상태 지수(indices) 분포와도 대부분 일치하였다.
KSWC에서는 국내 전리층의 vTEC 변동을 감시하기 위해 GPS 관측 자료로 부터 sTEC를 산출하고 DCB를 보정한 다음, 사상함수를 적용, 산출한 한반도의 절대 TECs 변동 알림서비스를 KSWC 홈페이지를 통해 제공하고 있다.
Fig. 4 는 국내 중위도권역에 위치한 KSWC 이천(ICHEON) 분원의 관측일자 별, GPS vTEC 변동분포로 Fig. 3 과 동일한 경향으로 나타났다. 본 연구에서는 각 통합기준점의 관측일에 대한 관측시간대별 vTEC 변동 편차( Table 3 의 vTEC_ dev.)를 산출하여 분석에 활용하였다.
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The estimated daily vertical TEC at Icheon GPS station on May 24-26, and June 1, 3, 5, 7-9, 2013. (TECs data provided by KSWC)
The deviation of vertical TEC at UCS, and baseline between base station and UCS, base station's ID and rover's position
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The deviation of vertical TEC at UCS, and baseline between base station and UCS, base station's ID and rover's position
4. 비교분석
본 연구에서는 통합기준점의 좌표성과[직각좌표(N, E)와 타원체고(h)]를 기준으로 VRS와 FKP 측량결과를 비교 분석하였다.
Table 3 은 인천관내 20개 통합기준점에서 수행된 VRS 및 FKP 측량의 주요 항목별 산출성과를 정리한 것이다. Table 3 에서 vTEC_dev.은 이천관측소의 관측시간대별 vTEC 변동편차, 기선장(Baseline)은 CORS망 내 기준국과 이동국(통합기준점)간 거리, 기준국(Base station)은 N-RTK 보정 망에서 자동 선정된 DD 형성을 위한 상시관측소, 비고(Remarks)란의 I, O, 및 B는 N-RTK 보정망 영역에서 이동국 위치가 내부, 외부 및 경계부에 있음을 각각 의미한다.
- 4.1 VRS, FKP 기법별 초기화 소요시간
Fig. 5 는 각 통합기준점에서 주변 상시관측소 4점을 자동선점하여 N-RTK 보정 망을 구성하고 수행된 VRS, FKP 기법별 초기화 소요시간(TTFF), 관측세션 동안 전리층의 수직방향 전자총량(vTEC) 편차 및 GNSS 위성대수와 PDOP 평균값을 도시한 것이다.
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TTFF at each UCS according to N-RTK approach used
각 통합기준점에서 관측된 평균 위성대수와 PDOP은 13대, 1.5∼2.6로 최소위성대수 : GPS(5대) 또는 GPS(4대)+GLONASS(3대), 초기화 유지 위성대수 GPS(4대), GPS(4, 3, 2대)+GLONASS(2, 3, 4대), PDOP(2∼3)에 충족하였다. GNSS 위상신호의 모호정수 초기화 소요시간은 공통적으로 VRS 기법이 FKP 기법에 비해 약 5배 이상 빠르게 수행되었다. 특히, U0131 통합기준점의 경우, 주변에 다중신호 발생 오차원이 거의 없고 전리층의 vTEC 변동도 적은 상태이나 초기화 소요시간은 VRS가 16초인 반면, FKP는 309초가 소요되었다. 이는 21.1km 떨어진 ‘GANH’ 상시관측소를 가장 근접한 기준국으로 자동 선정하여 FKP 측량을 수행하였으나 ‘INCH’-‘PAJU’ -‘GANH’-‘SEOS’(‘IPGS’)의 4개 상시관측소로 구성된 N-RTK 보정망에서 기선거리 105km의 ‘GANH’-‘SEOS’ 측변 외측에 위치하여 기하학적 외삽보간 오차의 영향이 크고 특히, FKP기법에서 LSM 보정 모델로부터 산출된 N-RTK 보정값(평면보정계수)의 적합성 저하에 따른 것으로 분석된다. 그러나 ‘INCH’를 기준국으로 각각 38.3km, 55.2km 떨어진 U0210, U0206의 경우는 ‘IPGS’ 보정망 외측에 위치하고 기준국에서 더 멀리 있으며 전리층의 교란편차도 U0131 관측 일에 비해 크지만, U0131에 비해 초기화가 빠르게 수행되었다. 본 연구의 실험에 따르면 이것은 ‘IPGS’ 보정망에서 LSM 모델로부터 산출된 평면보정계수의 적합성이 U0131 경우에 비해 양호함에 따른 것으로 분석된다. 또한, 전리층 교란이 가장 심한 6월 1일(Kp=7) 관측된 U0220, U0222 통합기준점의 경우, 초기화가 매우 빠르게 수행되었는데 이는 ‘INCH’-‘SOUL’-‘SUWN’-‘CHEN’ 상시관측소 내측 영역에 위치하며 N-RTK 보정값의 적합도가 양호하고 ‘INCH’ 기준국에 근접 위치한 결과로 분석할 수 있다. 특히, ‘IPGS’ 보정망의 ‘GANH’-‘SEOS’ 측변 중앙부에 위치한 ‘U0211’ 측점의 경우, vTEC 변동이 큰 조건에서 관측이 수행되었으나 U0210, U0206의 경우와 유사한 경향을 보였다. 따라서, U0131 통합기준점을 제외하면 동일한 전리층 및 지자기 교란 환경에서 수행된 N-RTK 측량결과, 비록 VRS 기법이 각 세션에서 부분적으로 1∼10초 범위의 BDA가 있었지만, 1∼3초인 FKP 기법에 비해 초기화 시간은 물론 초기화 시간의 변동 편차도 작게 나타났다. 이것은 FKP 기법에서 N-RTK 보정값 산정 시, 활용된 LSM모델에 의한 평면보정계수의 적합성이 보정값 산정 시점의 실제 분산 및 비 분산 오차의 거동특성을 충분히 보정하지 못한 결과로 분석할 수 있다. 또한, VRS기법에서 10초 이하의 BDA는 대부분의 수신기 제조사에서 RTK용 보정신호지연의 임계값으로 기본설정한 바와 같이 일반 환경에서는 초기화 시간에 미치는 영향이 적음을 확인할 수 있었다.
- 4.2 VRS, FKP 기법의 좌표성분별 측위정확도
Figs. 6 , 7 and 8 은 각각 VRS, FKP 기법별로 산출한 GRS80 타원체 기준, 지도좌표(N, E) 및 타원체고(h)에 대한 고시성과와의 ‘평면좌표편차 절대평균값’을 통합기준점 별로 도시한 것이다.
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The absolute offset average from the UCS’s coordinates in local topocentric coordinates(N, E), according to N-RTK approach used
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The absolute offset average from the UCS’s coordinates in ellipsoidal height(h) according to N-RTK approach used
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The absolute offset average from the UCS’s coordinates in local topocentric coordinates(N, E), and ellipsoidal height(h) according to N-RTK approach used
Fig. 6 은 지도좌표(N, E)성분의 편차
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분포로 VRS 기법의 경우, 수평좌표성분편차의 절대값에 대한 평균과 표준편차는 0.054m±0.011m, FKP 기법은 0.061m±0.014m로 두 기법은 평균 1cm내외의 편차로 유사한 정확도를 보였다. 일부 통합기준점의 경우 표준편차보다 크거나 정확도가 역전된 경우도 있지만, 전체적으로는 VRS기법이 좀 더 양호한 결과를 보였다. 또한, 일부측점(U0220, U0222, U0139, U0284, U0131)를 제외하면 VRS, FKP 기법별 편차분포가 전리층의 vTEC 변동과 유사한 상관성을 보였다. U0220, U0222 측점의 경우는 전리층과 지자기의 교란이 상대적으로 심한 관측 일에 수행되었으나 보정 망 내부영역에 위치하고 있고 산정된 N-RTK 보정값의 거리종속오차 보정효과가 매우 적합한 결과로 분석된다. 반면, 전리층 교란이 작고 멀티패스, 위성대수 및 PDOP에서 특이사항이 없음에도 큰 편차를 보인 통합기준점(U0139, U0284, U0131, U0206, U0210)의 경우는 상시관측소로 구성된 보정 망의 형상, 통합기준점의 영역 내부 또는 외부 위치에 따른 N-RTK 보정값의 내삽 및 외삽 편차와 보정값의 적합성 수준, 기준국과 통합기준점 간 기선거의 증가 등의 종합적 원인에 기인한 것으로 분석된다. 특히, U0211의 경우는 전리층의 교란정도가 크고 보정 망 영역 가장자리에 위치하며 N-RTK 보정값의 적합성 저하로 인하여 두 기법에서 공통적으로 큰 편차가 나타난 것으로 분석된다.
Fig. 7 은 VRS, FKP 관측을 통해 산출한 GRS80 타원체 기준, 타원체고(h)와 고시성과간의 ‘고도좌표편차 절대평균값’을 20개 통합기준점 별로 도시한 것이다. 일부 측점(U0218, U0208)을 제외하고 VRS와 FKP 두 기법 간 고도 성분만의 평균과 표준편차는 각각 0.025m±0.019m, 0.056m±0.048m로 VRS가 FKP에 비해 2배 이상 양호한 정확도를 나타냈다. 특히 측량 중, 전리층 교란 수준에 따른 고도좌표 성분의 편차가 수평좌표성분에 비해 크게 나타나 전리층 교란이 고도성분에 좀 더 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 8 은 20개소 통합기준점의 3차원 좌표성분에 대한 좌표 성분종합편차
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, 평균 위성대수, PDOP 및 vTEC 분포를 기법 별로 나타낸 것이다 . VRS의 경우, 좌표성분종합편차의 평균과 표준편차는 0.061m±0.013m, FKP 기법은 0.081m±0.028m로 두 기법은 평균 편차 2cm내외의 유사한 분포를 나타내었다. 일부 통합기준점에서 기법 간 정확도가 역전된 경우도 있지만, 전체적으로는 VRS가 FKP에 비해 양호한 결과를 보였다. 특히, 전리층 교란이 큰 관측 일에 수행된 통합기준점(U0222, U0207, U0284, U0211)의 경우 VRS와 FKP 기법 간 좌표편차가 평균치 보다 크게 나타났는데 이는 전자밀도 변동에 따른 전리층교란과 굴절지수의 변동으로 발생되는 대류층의 요동에 따른 것으로 보인다(Ahn, et al ., 2006). 또한, U0131, U0211, U0210, U0206 측점은 대부분 보정 망 영역 외부에 위치하며 기준국(INCH)으로 부터의 거리가 점차 멀어질수록 VRS와 FKP 기법간의 편차도 크게 나타났다.
- 4.3 VRS, FKP 기법별 3차원 측위성분 교차
Fig. 9 는 통합기준점 17개소에서 30개 세션의 VRS 관측을 수행한 후, 다시 30개 세션의 FKP 관측을 수행하는 방식으로 2회 관측을 수행하고 관측 시차 및 전리층의 vTEC 분포에 따른 VRS, FKP 기법별 ‘좌표성분 교차’ 분포를 나타낸 것이다. 통신문제로 두 기법 중, 한 기법에서 1회 관측 또는 각각 1회 관측이 수행된 U0148, U0210 및 U0139 통합기준점은 좌표성분의 교차분석에서 제외하였다. 동일 기법간의 각 성분별 좌표값의 교차 분포 또한 앞서 분석한 기법별 수평성분, 수직성분의 편차 분포와 유사한 결과를 보였는데 수평좌표성분에서 VRS의 경우 0.013m±0.007m, FKP는 0.018m±0.013m의 작은 교차차로 VRS기법이 양호하였다.
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The absolute offset average of horizontal and vertical discrepancies from the UCS’s coordinates according to N-RTK approach used
고도 성분의 경우는 VRS 기법 0.021m±0.028m, FKP기법 0.044m±0.048로 2배 이상의 교차를 보이면서 VRS가 좀 더 우수한 정밀성을 보였다. 참고로 공공측량작업규정(국토지리정보원 고시 제2013-1887호) 제6장(계산), 제182조(세션평균) 3항에서는 ‘네트워크 RTK 관측의 세션 간 교차 및 허용 정밀도(표준편차 σ)’를 수평위치 5㎝, 수직위치(타원체고)는 10㎝로 제한하고 있다. 따라서, 인천관내에 위치한 통합기준점을 대상으로 수행한 본 연구의 경우, 상대적으로 넓은 측량영역임에도 수평 및 수직위치 모두 공공측량의 허용범위를 만족하는 것으로 확인되었다. 또한, FKP 기법에서 큰 교차를 보인 통합기준점(U0222, U0138, U0215, U0211)의 경우는 전리층 및 지자기 교란에 의한 영향이 크게 나타났다. 특히, 상시관측소 4점으로 구성된 N-RTK 보정 망에서 보간 모델링으로부터 산출한 보정값의 적합성, 보정 망 영역 내·외 통합기준점의 위치, 기준국과 통합기준점 간의 기선거리 등에 기인된 측위오차의 영향이 종합적으로 반영된 결과로 분석된다.
5. 결 론
인천지역 관내에 위치한 통합기준점 20개소에 대한 VRS 및 FKP N-RTK측량을 실시하고 전리층교란, GNSS 위성상태, 멀티패스환경 등을 고찰한 후, N-RTK 기법별 초기화 소요시간, 2D/H/3D 정확도, 동일 N-RTK 기법의 세션 간 좌표성분의 교차 분석 등을 통해 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
  • 첫째, GNSS 위상신호의 모호정수 초기화 소요시간은 인천지역관내 20개 통합기준점의 경우, 공통적으로 VRS 기법이 FKP 기법에 비해 약 5배 이상 빠르게 수행되었다. 이는 통합기준점 설치의 기본요건과 관측시점에서 주변 환경의 멀티패스 영향이 미소한 점을 감안할 때, N-RTK 보정값 산출에 활용된 상시관측소 보정 망의 기하학적 보간 오차 영향으로 분석된다.
  • 둘째, 각 세션의 측량 중, 기준국 보정값의 전송지연시간이 VRS 기법은 1∼10 초, FKP 기법의 경우 1∼3초로 나타났으나 초기화 소요시간은 VRS 기법이 상대적으로 빠르고 편차도 작게 나타났다.
  • 셋째, N-RTK 측량의 3D 좌표성분별 정확도는 평균 2cm 내외의 편차로 VRS 기법이 FKP 기법에 비해 양호한 결과를 제공하였다. 수평성분의 경우, 두 기법 간 편차는 1cm 내외, 수직성분은 VRS가 FKP에 비해 2배 이상 양호한 정확도를 보였다. 또한, 수평성분에 비해 수직성분에서 큰 편차를 보인것은 전자밀도 변동에 따른 전리층교란과 굴절지수의 변동으로 발생되는 대류층의 요동에 따른 것으로 분석할 수 있다.
  • 넷째, N-RTK 기법 간 좌표 교차와 정밀도는 VRS의 경우 0.013m±0.007m, FKP는 0.018m ±0.013m의 근소한 교차차를 보인반면, 수직성분은 VRS, 0.021m±0.028m, FKP는 0.044m±0.048로 VRS 기법이 2배 이상 우수한 결과로 3좌표성분 모두 공공측량 작업규정의 세션 간 교차 및 표준편차(1σ) 허용범위를 만족하였다.
본 연구를 통하여 N-RTK 기법의 오차 영향 원으로 N-RTK 보정망의 형상, 보정 망 영역 내 · 외 이동국의 위치 및 기준국과 이동국간의 거리, 오차보정모델링으로 산출된 보정값의 적합성, 관측시점의 전리층 교란 상태 등을 직접 또는 부분적으로 고찰할 수 있었다. 향후, 지구 이상기후 현상에 따른 대류층 교란이 N-RTK 측량결과에 주는 영향에 관한 연구가 요망된다.
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