BeiDou를 이용한 도심 및 임야 지역에서의 Network RTK 측위 개선 방안 연구

1-1 연구배경 및 목적

오늘날 GPS(Global Positioning System, 미국), GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System, 러시아), BeiDou(중국), Galileo(유럽) 등 다양한 GNSS(Global Navigation Satellite System)기반 위성측위기술의 발달로 다양한 분야에서 향상된 측지 및 측량기술을 통해 정밀하고 신속하게 위치를 결정할 수 있게 되었으며, 데이터의 획득 및 처리시간 단축 등 측량의 정확성과 효율성이 크게 향상되었다.

하지만 GNSS는 주변 수신환경과 위성 수 등에 따라 위치정확도가 달라지기 때문에 시간 경과에 따른 주변 지형·지물의 변화가 적고 위성신호 수신 조건이 양호한 지역에 설치되어야 한다. 그리고 도심 및 임야 지역에서는 개활지(open-sky)에 비해 다중경로 오차를 유발할 수 있는 반사체들이 관측 환경 주변에 많이 위치하고 있어 이를 고려한 측위 시스템 개선이 필요하다[1].

그리고 GNSS를 활용하여 안정성 및 정확도 확보와 활용 범위를 확대하기 위해서는 충분한 수의 가시 위성을 확보하는 것이 무엇보다 중요하다. 가시 위성 개수가 부족한 경우 측위 성능 저하를 초래할 뿐만 아니라 정상적으로 측위를 수행할 수 없는 상황이 발생할 수 있기 때문이다. 이러한 문제점은 여러 위성항법시스템을 통합 활용하는 다중 위성항법시스템(Multi-GNSS) 기반의 측위를 통해 보완할 수 있다. 이러한 시스템을 통합하여 측위에 적용할 경우 단일 시스템을 활용하는 것과 비교하여 많은 수의 가용 위성이 확보되므로, 주변 지형지물에 의해 일부 위성 신호의 차폐가 발생하는 환경에서도 안정적인 측위 수행이 가능하다. GNSS 단독측위와 비교할 때 다중 위성항법시스템의 가장 큰 이점은 위성 수의 증가로 인한 위성과 수신기 사이의 기하강도 향상에 따른 위치결정의 불확실성 감소와 장애물 등에 의한 위성신호의 차폐로 야기되는 측위 불가능을 해결할 수 있다는 것이다[2].

또한 최근 국토지리정보원에서는 기존의 GPS와 GLONASS 시스템에서 BeiDou, Galileo을 추가하여 전국 위성기준점을 새로운 위성항법 신호가 수신되는 안테나와 수신기로 교체하기로 밝혔다. 따라서 수신기 교체에 따른 Network-RTK 서비스의 안정성 점검 및 정확도 검증이 필요한 시점이 되었다.

이에 본 연구에서는 도심 및 임야 지역(음영 지역)에서 발생되는 GNSS 신호의 성능 저하를 보완하기 위하여 보조 센서 이외에 GPS, GLONASS 위성에 BeiDou 위성을 결합한 다중위성 위성항법시스템을 이용하여 음영지역에서의 위치정확도를 향상시키기 위한 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 도심 및 임야 지역에서 Network-RTK 측량을 통해 위치데이터를 취득하고 Total Station(T/S)을 이용하여 취득한 뒤치데이터와 비교하여 측량의 정확도를 분석하였다.

1-2 연구 동향

문헌 [3]에서는 BeiDou 항법시스템을 이용하여 육상 교통 및 자율 주행 기술에 필요한 위치 정확도 확보 가능성에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 GNSS 기준국에서 관측한 데이터를 이용하여 BeiDou 항법시스템의 가용 위성수, 위성배치, 신호잡음비(SNR), 정밀도저하율(DOP), 위치정확도에 대한 분석을 수행하였으며, 차량 주행시험을 통해 위치정확도를 검증하였다. 주행실험은 위성수신환경에 제약이 없는 개활지와 고층건물 밀집지역이 포함된 주거지를 포함한 구간으로 구분하여 수행하였으며, 차량의 위치정확도는 네트워크 RTK 기법과 코드기반 DGNSS 후처리 결과를 비교하였다. BeiDou 항법시스템을 GPS와 동시에 사용하는 경우, GPS만 이용한 위치정확도를 20% 정도 향상시키는 것을 확인하였다.

문헌 [4]에서는 GPS, GLONASS 그리고 BeiDou 통합측위 시 좌표계, 시간계 등 고려해야 할 사항에 대해 고찰하였다. 그리고 개활지와 난수신환경을 구분하여 저가형 수신기를 이용한 의사거리 기반 절대측위 정확도를 평가하였다. 개활지에서 각 위성시스템 단독 측위는 GPS의 성능이 가장 우수하였고 조합을 통해 정확도의 증가를 확인하였다. 난수신환경에서 결합 측위는 정확도 향상뿐만 아니라 위치해의 연속성 확보에 영향을 미치는 것을 인지할 수 있었다.

문헌 [5]에서는 국토지리정보원 상시관측소의 다중 위성시스템 관련 현황을 파악하고 GPS와 GLONASS의 조합과 GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou 그리고 QZSS를 조합한 반송파 기반 상대측위를 수행하였다. 모든 GNSS 시스템 결합은 5대 이상의 가용 위성 증가, PDOP는 2 감소, 0.5 ~ 1.0 m 수준의 측위 정밀도 향상 그리고 위치해 취득 가능 지역이 확장되는 것으로 실험 결과를 평가하였다. 이를 바탕으로 측위 성능 개선을 위한 위성측량 국가 인프라의 고도화 방향과 기대효과를 제시하였다.

문헌 [6]에서는 BeiDou 시스템의 신호 구조, 신호 특성, 항법 메시지 특성을 토대로 BeiDou 신호 체계를 분석하고 BeiDou 위성에서 방송하는 파라미터들을 이용하여 위치를 추정하는 BeiDou 항법 알고리즘을 분석하였다. 동적 환경 테스트를 수행한 결과 숲 및 건물에 의한 신호단절과 왜곡 현상이 GPS보다 BeiDou 단독 항법에서 적게 나타났으며, GPS/BeiDou 통합항법 수행 시 기존 GPS 단일 항법을 수행할 때보다 더 높은 성능을 기대할 수 있다고 판단하였다.

이러한 선행연구를 분석한 결과 기존 GPS와 GLONASS에 BeiDou 위성을 결합한 논문은 다수 있었지만 대부분 네트워크 RTK끼리 비교하였다. 따라서 본 연구에서는 T/S로 측량을 하여 각 점의 위치를 산출하여 참값으로 가정하고 이를 GPS, GLONASS 조합과 GPS, GLONASS, BeiDou 조합을 이용하여 측량한 Network-RTK 측량결과와 비교하여 연구결과를 산출하고 BeiDou를 포함한 다중 위성항법시스템이 얼마나 더 정확한지 알아보고자 하였다.

2-1 BeiDou 위성 시스템(BDS, BeiDou Navigation Satellite System)

중국은 1994년 독자적인 위성항법시스템 개발을 위한 전략을 수립하였으며, 2000년~2020년까지 3단계로 BDS를 구축 중에 있다. 1단계는 3기의 정지위성을 배치하고, 지상 제어국 및 기준국을 구축하여 시험운영을 마쳤다[7]. 2단계는 14기의 위성으로 아시아 지역에 서비스를 제공하고, 3단계는 35기 이상의 위성을 배치하여 지구 전역에 위치, 속도, 시각정보 서비스를 계획하고 있으며 자세한 내용은 표 1과 같다.

Table 1.

Development plan of BeiDou Navigation Satellite System

GPS와 GLONASS가 동일한 중궤도 위성으로 구성된 것과는 다르게 BeiDou 항법시스템은 정지궤도위성(GEO, IGSO)과 중궤도위성(MEO)을 조합하여 위성의 기하학적 배치를 최적화하였다. 5기의 정지궤도위성은 적도상공에서 경도 58.75°, 80°, 110.5°, 140°, 160°에 각각 위치하고 있으며 고도는 35,786 km이다. 경사정지궤도위성은 지상에서 매일 동일한 궤적을 관측할 수 있도록 설계되어 있으며, 55°의 궤도경사면을 가지고 있다[8].

그리고 BeiDou는 위성위치 계산에 필요한 파라미터를 GPS와 동일하게 제공하고 있어 GLONASS에 비해 Multi-GNSS 구현이 용이하다[9].

2-2 Network-RTK

GPS에 의한 이동 측량의 위치결정은 정지측량과 같이 후처리에 의한 방법과 실시간에 의한 처리방법이 있다. 이중 실시간으로 관측데이터를 처리하여 위치를 결정하는 방법을 GPS-RTK 라고 한다. 그러나 RTK는 기준국과의 거리에 비하여 정확도가 떨어지는 거리 의존 오차를 가지고 있으며 이를 보정, 모델링하여 광범위한 지역에서도 정밀한 위치결정을 할 수 있도록 도입된 개념이 바로 Network-RTK 측위기법이다.

Network-RTK는 GNSS 수신기를 영구적으로 설치하여 24시간 연속적으로 관측한 위성데이터를 중앙처리컴퓨터(서버)에 송신하는 수신기들로 구성된 망을 망한다. 중앙서버에서는 이들 RTK 망에서 송신된 위성 관측자료를 근거로 하여 RTK 보정값을 생성하고 이들을 이동국에 송신하여 정밀한 이동국의 위치를 실시간으로 결정하도록 한다[10].

그리고 기준국과 사용자 간의 거리가 가까울 경우, 즉 기선거리가 짧은 경우에는 기준국에 대한 주요 측위 오차 요인 대부분이 사용자 위치에서도 각 성분별로 유사한 크기를 갖는다. 이 경우 이론상 정수(integer)의 참값을 갖는 모호정수를 정확하게 결정할 수 있으며, 이를 통해 기준국 주변의 사용자에게 고성능의 측위 결과를 제공할 수 있다. 그러나 기선거리가 길어질수록 기준국 및 사용자 위치에서의 오차 요소 간 상관성이 상실되며, 그로 인해 관측치 차분 과정 이후 발생하는 잔여 오차에 의한 측위 정확도 저하가 발생한다. 따라서 일정 수준 이상의 측위 정확도 확보를 위한 사용자의 위치는 단일기준국에 대해 대략 10 ~ 20 km 이내로 제한된다[11, 12].

3-1 실험개요

GNSS 데이터의 획득 및 처리시간 단축 등 측량의 정확성과 효율성이 크게 향상되었으며, GNSS 측위 정확도를 향상시키기 위해서는 충분한 수의 가시 위성을 확보하는 것이 중요하다. 이에 본 연구에서는 GPS, GLONASS 및 BeiDou 위성을 결합한 다중위성군을 이용한다면 도심 및 임야 지역에서 측위정확도가 얼마나 개선되는가를 살펴보고자 그림 1과 같이 실험을 진행하였다.

Fig. 1.

Flow Chart

이를 위하여 다음 그림 2와 같이 임야지역과 도심지역으로 볼 수 있는 등산로와 건물이 공존하는 지역으로 선정하였다. 이 지역은 개활지가 아닌 수목이나 건물 등으로 인한 멀티패스가 일어나서 위치정확도가 떨어지는 지역이므로 본 연구에 적합하다고 판단하였다.

Fig. 2.

Study Area(University of Seoul)

그리고 T/S로 측량하기 위해 기준점 2개를 선점하여 8시간 동안 Static 측량을 수행하고 학술용 소프트웨어인 Bernese로 위치를 산출하였다. 그리고 T/S와 3개의 서로 다른 제조사의 RTK 장비(R8S, GR1, GG04) 를 이용하여 위치를 산출하여 정확도를 분석하는 실험을 수행하였다. 이때 Network-RTK 관측은 GPS, GLONASS 조합과 GPS, GLONASS, BeiDou 조합으로 동일 지점을 2번 측량하였으며 그 결과를 참값이라고 가정할 수 있는 T/S 결과값과 비교하였다. 또한 위치정확도 비교 뿐 아니라 위성 수가 많아짐에 따라 위치정확도가 얼마나 향상되는지 알아보았다.

실험경로는 다음과 같이 두 가지로 나누어 수행하였는데 경로 1은 기준점으로부터 등산로 중반부까지로 수목이 많아 멀티패스가 많으며, 경로 2는 건물 주변으로 건물과 가로수 등으로 인한 멀티패스가 개활지에 비해 많다. 이렇게 설정된 경로에 대해 기준점으로부터 T/S 측량과 Network-RTK 측량을 수행하였다.

3-2 실험

본 연구는 임야지역과 도심지역에 대해 BeiDou를 결합한 다중 위성항법시스템이 기존의 GPS, GLONASS 조합에 비해 얼마나 측위방법이 얼마나 더 개선되는가에 대해 알아보기 위한 연구로 임야지역 18점(경로 1), 도심지역 27점(경로 2)을 T/S와 Network-RTK 측량을 수행하였다.

먼저 비교를 위해 각 측량 지점에 대해 T/S로 관측 후 N(X), E(Y), H(높이) 값을 취득하였으며 다음 표 2와 같은 결과를 얻을 수 있었다.

Table 2.

T/S Survey Result (Unit : m)

다음 표 3에서 5까지는 서로 다른 제조사의 RTK 장비를 이용하여 취득된 결과값이다. 이 때 RTK 측량은 GPS, GLONASS 조합과 GPS, GLONASS, BeiDou 조합으로 동일 지점을 2번 측량하였으며, N(X), E(Y), H(높이) 값 외에 위성 수 정보를 추가로 취득하였다. 이를 통해 충분한 수의 가시 위성을 확보하는 것이 얼마나 GNSS 측위 정확도를 향상시키는지에 대해 살펴보았다.

Table 4.

RTK Survey Result(R8S) (Unit : m)

Table 5.

RTK Survey Result(GG04) (Unit : m)

표 3에서 5까지 알 수 있듯이 GPS, GLONASS 조합은 임야지역에서 나무로 인해 GNSS 위성 신호를 받지 못해 위치정보 취득이 어려웠으나, GPS, GLONASS, BeiDou 조합은 위성 수가 많아서 개활지에 비해 정확하지는 않았지만 어느 정도의 정확도를 가진 위치정보를 획득할 수 있었다.

3-3 측위정확도 분석

측위정확도 분석을 위해 각각의 측량 지점마다 T/S로 취득한 값과 Network-RTK 측량으로부터 취득한 값의 차이를 구하고 RMSE(Root Mean Square Error, 평균 제곱근 오차)를 도출하였다.

먼저 GR1 장비를 이용한 측량 결과는 다음 표 6과 같다. BeiDou를 이용했을 때 전체적으로 N, E, H에 대한 RMSE가 각각 0.296 cm, 0.384 cm, 1.389 cm 향상되었으며, 임야지역에서는 각각 0.804 cm, 0.2.396, 2.551 cm 향상되었고 도심지에서는 각각 0.215 cm, 0.527 cm, 1.858 cm 향상되었다.

Table 6.

RMSE about GR1 (Unit : cm)

다음으로 R8S 장비를 이용한 측량 결과는 다음 표 7과 같다. BeiDou를 이용했을 때 전체적으로 N, E, H에 대한 RMSE가 각각 9.415 cm, 5.924 cm, 5.008 cm 향상되었으며, 임야지역에서는 각각 0.397 cm, 10.077 cm, 11.510 cm 향상되었고 도심지에서는 각각 16.676 cm, 4.160 cm, 4.086 cm 향상되었다. R8S 장비를 이용할 경우 특히 정확도가 낮게 나왔는데 그 이유로 다른 장비에 비해 임야지역에서 더 많은 지점이 취득되었으나 그만큼 부정확한 값이 취득된 것으로 판단된다.

Table 7.

RMSE about R8S (Unit : cm)

마지막으로 GG04 장비를 이용한 측량 결과는 다음 표 8과 같다. BeiDou를 이용했을 때 전체적으로 N, E, H에 대한 RMSE가 각각 1.277 cm, 2.451 cm, 10.882 cm 향상되었으며, 임야지역에서는 각각 6.645 cm, 14.265 cm, 13.225 cm 향상되었고 도심지에서는 각각 4.2436 cm, 0.708 cm, 19.817 cm 향상되었다.

Table 8.

RMSE about GG04 (Unit : cm)

현재 공공측량 작업규정에서 GNSS 측량을 통한 위치정확도는 수평위치 ±10 cm, 수직위치 ±20 cm로 규정하고 있어 일부 성과는 신뢰할 수 없다고 판단된다. 하지만 BeiDou와 결합 위성의 경우 정확도는 모든 지점에서 신뢰할 수는 없지만, GPS, GLONASS 조합에 비해 측위 정확도가 향상되었다. 그 이유는 BeiDou 위성의 신호강도가 GPS 보다 안정적이고 연속적인 신호를 받을 수 있기 때문이며 BeiDou 투과율이 GPS나 GLONASS에 비해 좋기 때문으로 판단된다[13].

따라서 향후 측위 개선방안 연구를 통해 자율주행자동차, 스마트건설 등 고정밀 위치정보가 필요한 다양한 분야에서 Beidou, Galileo 등의 위성을 결합한 다중 위성항법시스템이 필요할 것으로 판단된다.