[Positioning] 위성항법시스템(GNSS) 정리(4): 측위 기법 상세(GPS, DGPS, RTK 등)

💡 본 문서는 '위성항법시스템(GNSS) 측위 기법 상세: GPS, DGPS, RTK 등'에 대해 정리해놓은 글입니다.
이전 내용에서는 '위성항법시스템(GNSS)'의 이론에 대해 정리해보았으며, 여기서 다룬 측위기법을 기반으로 오차보정하는 방법 및 실제 사용에 대해 정리하였으니 참고하시기 바랍니다.

1. RTK GPS 활용(feat. RTKLIB)

1.1. RTK GPS 후처리 기술

위성항법시스템을 이용한 위치결정은 초기의 군사적 목적을 벗어나 민간분야에도 활용 범위가 확대되고 있으며, 이를 위한 다양한 종류의 자료처리 프로그램이 개발되고 있습니다. 특히 GPS 수신기를 제작하거나 공급하는 기업에서는 개발 수신기의 특성에 적합한 자료처리 프로그램을 개발해 상용 서비스 하고 있으며, 대표적으로 Trimble의 TBC(Trimble Business Center)와 Leica의 LGO(Leica Geo Office)를 들 수 있습니다. 이 프로그램은 좌표 산출 뿐만 아니라, 기선처리나 좌표 변환 등 사용자의 편의를 위한 다양한 기능를 포함하고 있습니다.

비상업용 자료처리 프로그램으로는 최근 활발하게 사용되고 있는 RTKLIB (www.rtklib.com)가 있습니다. 이 프로그램은 일본 동경대학교 연구팀에서 개발한 오픈소스 프로그램 패키지로, 2006년부터 개발이 시작되어 계속해서 업데이트되고 있습니다. RTKLIB는 대부분의 위성항법시스템의 자료처리가 가능하고 RTK(real time kinematic)와 DGPS(differential GPS), 정지측위와 이동측위, PPP(precise point positioning)등 관측방법에 따라 자료처리가 가능하기 때문에 다양한 연구 분야에 활용되고 있습니다.

이외에 고정밀 데이터 처리 프로그램인 GIPSY-OASIS와 Bernese는 과학기술연구를 목적으로 개발된 프로그램으로, NASA JPL (jet propulsion laboratory)과 스위스의 Berne대학에서 각각 개발하였습니다. 이 프로그램은 전문 위성 측위 분야뿐만 아니라 지각변동, 기후변화, 해양조석 등 GNSS 데이터 분석과 관련한 다양한 학술 연구에 사용되고 있으며, 국내에서도 연구기관과 대학교 등 여러 기관에서 고정밀 자료처리 프로그램을 이용한 연구를 수행하고 있습니다.

최근에는 위치결정을 위한 솔루션 중 하나로, 인터넷을 이용한 온라인 자료처리 시스템이 개발되고 있습니다. 이 시스템은 보통 정부기관이나 연구기관에서 개발하며, 대부분 사용자에게 무료로 제공됩니다. 온라인 기반의 자료처리 시스템은 웹페이지를 통해 RINEX(receiver independent exchange format)형태의 관측 파일을 받아 자료처리를 수행한 뒤 이메일로 결과를 전송하는 방식으로 운영됩니다. 대표적인 온라인 자료처리 서비스로는 호주의 AUSPOS와 NASA JPL의 APPS(automatic precise positioning service), NGS(national geodetic survey)의 OPUS(online positioining user service)가 있으며, 이는 전 세계 사용자를 대상으로 지역적 제한 없이 운영하고 있습니다.

1.2. RTK GPS 오픈소스 활용

1.2.1. RTKLIB

RTKLIB

RTKLIB(An Open Source Program Package for GNSS Positioning)는 일본 동경대학교(T.TAKASU)에서 2006년에 릴리즈를 하였고, 지금까지 지속적으로 보완 및 수정하여 오픈소스를 공개하고 있습니다. 

• Global Positioning System (GPS), GLObal Navigation Satellite System (GLONASS) 등을 포함하는 대부분의 GNSS 위성군을 지원
• GPS 측위 방식: 다양한 방식의 위치 결정 방법을 제공
  • 실시간 위치 결정 방식: Single, DGPS(DGNSS), RTK(Kinematic) 등
  • 후처리 위치 결정 방식: PPP-Kinematic, PPP-Static 등
• Receiver Independent Exchange (RINEX), Radio Technical Commission for Maritime Services (RTCM)과 같은 GNSS 형식과 프로토콜을 지원
• RTKLIB 내부 통신이 아닌 Serial이나 USB 포트, TCP/IP 및 NTRIP과 같은 외부 통신으로도 데이터를 송수신 가능
• RTKLIB는 NovAtle, Eclipse, u-blox(NEO-M8P, ZED-F9P) 등 여러 GNSS 수신기의 메시지 형식을 지원하여 호환성이 높을 뿐만 아니라 오픈소스 프로그램이기에 많은 라이브러리 함수와 API를 지원하기 때문에 다양한 측위 관련 연구에서 사용
• SW 라이센스의 경우 BSD 2-clause license로 2차 창작물에 대한 SW 공개 의무가 없음

참고

• [Official] RTKLIB: http://www.rtklib.com/
• [Yotube] RTKLIB: https://github.com/tomojitakasu/RTKLIB/tree/rtklib_2.4.3

1.2.2. rtkexplorer

rtkexploorer

rtkexplorer(Exploring high precision GPS/GNSS with low-cost hardware and software solutions)는 RTKLIB와 저비용 정밀 GNSS 솔루션 등을 이용한 다양한 연구를 진행하고 있습니다. 또한, 그 결과와 보완 및 수정된 RTKLIB를 본인 사이트에 포스팅하고 있습니다.

사이트에 접속해서 'blog' 목록을 클릭하시면 실험 내용에 대해서 자세히 볼 수 있으며, 릴리즈한 RTKLIB를 다운받아서 리눅스(Linux), 윈도우(Windows)에서 사용하여 다양한 측위 실험(RTK, DGPS, VRS 등)을 진행할 수 있습니다.

2. RTKLIB 오픈소스 적용

2.1. RTKLIB 적용 방안: 정밀 위치 측위 단말기 개발

Global Navigation Satellite System(GNSS)를 이용한 정밀 위치 측위 기술 중 하나인 Real-Time Kinematic(RTK) 오픈소스(RTKLIB)를 이용한 단말기를 개발하기 위한 간단한 시스템 구성도입니다.

RTKLIB를 이용하기 위해서는 GNSS Raw data를 지원하는 GNSS 모듈을 사용해야 합니다. 참고로 ublox, skytraq에서 출시한 GNSS 모듈 같은 경우, Raw data를 지원하여 RTKLIB를 사용하여 RTK를 구현할 수 있습니다. 두 개 중에서는 ublox 제품을 많이 사용하는 것으로 보입니다.

그리고 RTKLIB는 리눅스 기반에서 동작하기 때문에 MCU는 리눅스 기반의 제품을 사용했습니다. RTKNAVI는 윈도우에서 사용할 수 있습니다.

RTKLIB를 이용한 정밀 위치 측위 단말기 구성도

https://bobchul.tistory.com/11

RTK를 이용한 위치 측위를 하기 위해서는 NTRIP 서버로부터 보정정보(RTCM v3)를 주기적으로 받아야 하기 때문에 통신 모듈을 통해 주기적으로 보정정보를 수신받아야 하며, RTK(위성신호 + 보정정보)를 통해 cm급(centimeter-level)의 위치 측위를 할 수 있습니다.

• [Blog] RTKLIB를 이용한 정밀 위치 측위 단말기 개발: https://bobchul.tistory.com/11

2.2. RTKLIB 적용 방안: 스마트폰 GPS 활용

Raw GNSS 데이터 처리

안드로이드 스마트폰에서 Pseudorange, Carrier Phase 및 Doppler 와 같은 원시데이터의 사용이 가능해짐으로써 보다 정확한 위치 추정을 위한 데이터 처리 알고리즘을 개발가능(별도의 수신기를 붙여서도 가능). 물론, 연구 수준의 개발을 해야할 듯.

https://www.ppsoln.com/%EC%8A%A4%EB%A7%88%ED%8A%B8%ED%8F%B0-GPS

• [PP solution] 스마트폰 GPS: https://www.ppsoln.com/%EC%8A%A4%EB%A7%88%ED%8A%B8%ED%8F%B0-GPS

Raw GNSS 데이터 처리: Android

Android 자체에서 제공하는 '원본 GNSS 측정'을 통해 Raw GNSS 데이터를 뽑은 후 RTKLIB에서 처리할 수 있는 RINEX 포멧으로 변환하여 GNSS 데이터를 가공하여 처리하면 되는 것으로 보인다. RINEX 포멧으로 변환하는 과정은 '[Github] Android rinex'를 참고하길 바란다.

• [Android Studio] 원본 GNSS 측정: https://developer.android.com/guide/topics/sensors/gnss?hl=ko
• [Github] Android rinex: https://github.com/rokubun/android_rinex
• [Github] Google gps-measurement-tools: https://github.com/google/gps-measurement-tools

+ 스마트폰 외장 RTK GNSS 모듈 부착

안드로이드에서 외장 RTK지원 GNSS 모듈을 구매한 다음 안드로이드의 mock location 기능을 사용하면 RTK를 사용할 수 있습니다. 물론 NTRIP client 앱이 있어야 합니다.

• android: https://www.ardusimple.com/rtk-mock-location-with-android/
• iOS: https://eos-gnss.com/knowledge-base/articles/want-centimeter-accuracy-gnss-on-your-ipad 

참고

• [Official] RTKLIB: http://www.rtklib.com/
• [Yotube] RTKLIB: https://github.com/tomojitakasu/RTKLIB/tree/rtklib_2.4.3
• [Official] rtkexploorer: http://rtkexplorer.com/
• [Blog] RTKLIB Blog: https://bobchul.tistory.com/category/GNSS%20%EA%B8%B0%EC%88%A0%20%EB%B0%8F%20%EC%8B%A4%ED%97%98/RTKLIB
• [Blog] Real Time Kinematic (고정밀 측위): https://bobchul.tistory.com/14
• [Blog] RTKLIB를 이용한 정밀 위치 측위 단말기 개발: https://bobchul.tistory.com/11
• [Paper] 다양한 전파 수신 환경에서의 RTKLIB 오픈소스 측위 성능 분석: http://ipnt.or.kr/2021proc/172?bo_table=2021proc&wr_id=172&rewrite=1&device=pc