A Study on Improving the Accuracy of SBAS Ionosphere Correction by Applying Double-difference Carrier Phase Measurements

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계항공공학부, 2018. 2. 기창돈.GPS의 활용도는 점차 많아지고 있으며 최근에는 항공기의 정밀 접근에도 사용되고 있다. 이러한 수요를 만족시키는 높은 항법 성능을 제공하기 위하여 위성항법 보정시스템이 개발되고 있다. 그 중에서 SBAS는 GPS의 오차에 대한 보정정보 및 무결성 정보를 제공함으로써 사용자 항법 성능을 향상 시키는 시스템이다. SBAS 사용자의 항법 성능을 저하시키는 가장 큰 오차 요인은 전리층 지연 오차이며, 전리층이 활발한 환경일수록 영향을 크게 받는다. 전리층 지연에 대한 SBAS의 보정정보를 적용한 후에도 수 m 이상의 잔여 오차를 발생시킬 수 있으므로 SBAS 사용자의 항법 성능을 개선시키기 위해서는 이에 대한 오차를 정확히 보정 하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 SBAS 전리층 보정정보의 성능 향상을 위하여 IFB 추정과 전리층 모델링 성능을 개선시키는 연구를 수행하였다. IFB는 GPS 측정치로부터 전리층 지연 값을 추출할 때 발생하는 바이어스 오차로 정확한 전리층 보정정보 제공을 위해서 필수적으로 제거되어야 한다. IFB는 추정에 활용되는 기준국 네트워크가 넓게 분포할수록 유리하며, 우리나라와 같이 좁은 기준국 네트워크에서는 IFB 추정 정확도가 저하되는 문제가 있다. 본 논문에서는 이에 대해 정확도 저하 원인을 분석하였으며, IFB를 상수로 두는 기간을 확장 시키는 간단한 방법으로 좁은 네트워크에서의 IFB 추정 성능을 향상 시킬 수 있음을 실제 측정치를 활용한 테스트로 검증하였다. 전리층 모델링과정에서 사용되는 기존 의사거리 기반의 모델링 방식에서는 외곽 영역에서 성능 저하가 발생한다. 외곽 영역에서는 측정치수도 적을 뿐만 아니라 큰 측정치 오차가 발생하여 보정정보의 성능을 저하시킨다. 본 연구에서는 이중 차분 반송파 측정치를 활용하는 새로운 전리층 모델링 알고리즘을 개발하여 이러한 문제를 극복할 수 있는 방안을 제시하였다. RTK에서 추정되는 미지정수가 제거된 이중차분 전리층 지연 측정치는 의사거리보다 훨씬 정밀한 측정치 특성을 지니고 있다. 제안된 알고리즘은 의사거리 측정치와 함께 이중차분 반송파 측정치를 전리층 모델링에 활용함으로써 전리층 보정정보의 외곽 영역에서 모델링 성능을 개선시켰다. 제안된 알고리즘의 타당성과 성능을 평가하기 위하여 실제 한국의 기준국들로 SBAS 기준국을 구성하고 전리층 보정정보를 생성하여 테스트를 수행하였다. 5개의 기준국으로부터 측정치를 수집하고, 전처리, IFB 보상, 전리층 모델링, 메시지 생성, SBAS 항법해 계산 과정을 구현하여 제안된 알고리즘의 성능을 평가하였다. 제안된 알고리즘의 성능 향상을 확인하기 위하여 IDW, Kriging과 같은 기존의 SBAS 전리층 보정정보 생성 알고리즘과 비교를 수행했다. 사용자 의사거리 영역 검증 결과에서 제안된 알고리즘이 기존 알고리즘 대비 저앙각 위성에 대한 보정정보 성능을 크게 향상시키는 것을 확인하였고, SBAS 항법해 계산 결과에서도 기존 방법대비 오차를 줄이는 것을 확인하였다.1장. 서 론 1 1. 연구 동기 및 목적 1 2. 연구 동향 3 1) IFB 추정 연구 3 2) 의사거리 측정치 오차로 인한 모델링 성능 저하 개선을 위한 연구 4 3. 연구 내용 및 방법 5 4. 연구 결과의 기여도 6 2장. SBAS 개요 8 1. GNSS 오차 요인 8 1) 위성 궤도 및 시계 오차 8 2) 전리층 지연 오차 9 3) 대류층 지연 오차 11 4) 수신기 관련 오차 및 다중 경로 오차 12 5) DOP 13 6) 오차 요인 종합 15 2. GNSS 항법 성능 15 3. 보정 항법 시스템 개요 18 4. SBAS 시스템 구성 요소 21 3장. SBAS 전리층 보정정보 24 1. 전리층 보정정보생성 알고리즘 24 1) GPS 측정치 25 2) 측정치 전처리 27 3) IFB 추정 및 보상 29 4) 전리층 Map 모델링 33 5) 보정 메시지 생성 40 2. 사용자 알고리즘 47 4장. IFB 추정 알고리즘 50 1. IFB 추정 원리 50 1) IFB 추정의 기본 가정 53 2) IFB 추정 식 54 2. 좁은 네트워크의 IFB 추정 성능 개선 방안 58 1) 좁은 네트워크의 위성 IFB 추정 필요성 58 2) 좁은 네트워크의 위성 IFB 추정 성능 저하 요인 62 3) 위성 IFB 추정 성능 개선 방안 67 3. IFB 추정 테스트 결과 74 1) 테스트 환경 74 2) 검증 방법 76 3) 테스트 결과 79 5장. 이중차분 반송파 측정치를 활용한 전리층 모델링 알고리즘 87 1. 전리층 모델링 측정치 87 1) 의사거리 기반 전리층 지연 측정치 87 2) 반송파 기반 전리층 지연 측정치 92 2. 의사거리와 이중차분 반송파 측정치를 활용한 전리층 모델링 95 1) 의사거리와 반송파 측정치를 활용한 모델링 원리 95 2) 전리층 모델링 알고리즘 99 3) 메시지 생성 109 3. 사용자 적용 알고리즘 115 1) 보정 정보 적용 알고리즘 115 2) 무결성 정보 적용 알고리즘 116 4. 시뮬레이션 테스트 122 1) 테스트 환경 122 2) 테스트 결과 123 5. 실측 데이터 테스트 135 1) 테스트 환경 135 2) 테스트 결과 137 6장. 결론 및 향후 과제 159 1. 결론 159 2. 향후 과제 160Docto

Modeling of GPS measurement noise for estimating smoothed pseudorange and ionospheric delay

GPS 신호의 주요 오차 요인 중 전리층 지연 오차는 신호 주파수에 따라 지연량이 달라지는 특성을 가진다. 이중 주파수 사용자는 L1, L2 주파수의 의사거리 측정치의 차이 값을 이용하여 보정하게 되는데, 이렇게 추정된 전리층 지연 추정치에는 의사거리 잡음에 의한 오차가 포함되게 되므로 일반적으로 필터를 통해 의사거리 측정치를 평활화 시킨 후 전리층 지연을 계산하게 된다. Weighted hatch filter는 측정치의 잡음 수준을 고려하여 최적의 평활화 된 의사거리 측정치를 계산해 낼 수 있으나, 이를 이용하기 위해서는 측정치 잡음에 대한 모델링이 필요하다. 본 논문에서는 NDGPS 기준국들에 대하여 측정치 잡음 모델링을 수행하였다. 그리고 모델링 결과를 바탕으로 weighted hatch filter를 구성하여 평활화 된 의사거리 측정치 및 전리층 지연을 추정한 결과 필터를 적용하지 않은 것에 비하여 전리층 지연 오차의 표준편차가 1/25 가량으로 줄어드는 것을 확인하였다.N

Modeling of GPS measurement noise for estimating smoothed pseudorange and ionospheric delay

author's final versionGPS 신호의 주요 오차 요인 중 전리층 지연 오차는 신호 주파수에 따라 지연량이 달라지는 특성을 가진다. 이중 주파수 사용자는 L1, L2 주파수의 의사거리 측정치의 차이 값을 이용하여 보정하게 되는데, 이렇게 추정된 전리층 지연 추정치에는 의사거리 잡음에 의한 오차가 포함되게 되므로 일반적으로 필터를 통해 의사거리 측정치를 평활화 시킨 후 전리층 지연을 계산하게 된다. Weighted hatch filter는 측정치의 잡음 수준을 고려하여 최적의 평활화 된 의사거리 측정치를 계산해 낼 수 있으나, 이를 이용하기 위해서는 측정치 잡음에 대한 모델링이 필요하다. 본 논문에서는 NDGPS 기준국들에 대하여 측정치 잡음 모델링을 수행하였다. 그리고 모델링 결과를 바탕으로 weighted hatch filter를 구성하여 평활화 된 의사거리 측정치 및 전리층 지연을 추정한 결과 필터를 적용하지 않은 것에 비하여 전리층 지연 오차의 표준편차가 1/25 가량으로 줄어드는 것을 확인하였다.OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2012-01/102/0000003405/4SEQ:4PERF_CD:SNU2012-01EVAL_ITEM_CD:102USER_ID:0000003405ADJUST_YN:YEMP_ID:A000360DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:항행학회지논문_한덕화.hwpDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]_YN:NCONFIRM:

Expected Accuracy of LEO Navigation Result Coordinate Transformation Using GPS EOP Data

GPS는 최근 현대화 계획의 일환으로 새로운 civil 신호를 추가하는 작업을 진행하고 있다. 새로운 civil 신호는 기존의 L1 C/A 에 실려 있는 방송 메시지를 대신하여 새로운 CNAV 메시지를 방송할 계획인데 여기에는 정밀 좌표 변환에 필요한 EOP데이터가 포함되어 있다. EOP를 이용하여 좌표 변환을 하기 위해서는 GPS 시간을 UTC와 UT1으로 변환하고 polar motion, precession, nutation, rotation, frame bias 순으로 변환행렬을 계산하여 ECEF 에서 ECI로 좌표변환을 수행해야 한다. 본 논문에서는 정밀 좌표 변환 알고리즘을 살펴보고 이를 저궤도 위성 데이터에 적용하였을 때 그 정확도를 시뮬레이션을 통해서 예측하여 보고 EOP를 이용하였을 때의 유용성을 예측해보았다.OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2012-01/104/0000003405/21SEQ:21PERF_CD:SNU2012-01EVAL_ITEM_CD:104USER_ID:0000003405ADJUST_YN:NEMP_ID:A000360DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:GPS 방송 EOP 데이터를 이용한 저궤도 위성의 항법해 좌표변환 정확도 예상.docDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]: