[Positioning] 위성항법시스템(GNSS) 정리(2): 오차 및 오차보정 측위 기법(GPS, DGPS, RTK 등)

💡 본 문서는 '위성항법시스템(GNSS) 정리(2): 오차 및 오차보정 측위 기법(GPS, DGPS, RTK 등)'에 대해 정리해 놓은 글입니다.
이전 내용에서는 '위성항법시스템(GNSS)'의 이론에 대해 정리해 보았으며, 여기서 다룬 측위기법을 기반으로 오차보정하는 방법 및 실제 사용에 대해 정리하였으니 참고하시기 바랍니다.

1. GPS 신호

1.1. 반송파 신호

반송파(搬送波, carrier wave)란 정보를 전달하려 신호(주파수)를 변조해 전자기파로 바꾼 것이다. 변조는 반송파에 정보를 나타내는 모양을 부여하며, 수신자가 모양을 이해하고 정보를 복구한다.

각 위성은 서로 다른 주파수의 신호를 동시에 생성하며, 민간용 GPS 위성은 L1, L2, L5의 세 가지 주파수 대역을 사용한다. 예를 들어, L1 주파수는 GPS 위성 위치를 추적하는 데 사용되고, L2 주파수는 GPS 위성의 상태를 추적하는 데 사용되며, L5 주파수는 항공기 정밀 접근 안내와 같은 민간 용도의 정확도를 향상시키는 데 사용된다. L1, L2, L5에 대한 더욱 자세한 내용은 'Everything You Need To Know About GPS L1, L2, and L5 Frequencies' 를 참고하도록 하자

그 외에도 L1 ~ L5까지 있는데, 아래와 같이 구성되어 있다.

신호	주파수	내용
L1	10.23 MHz × 154 = 1575.42 MHz	항법메시지, C/A 코드, P(Y) 코드
L2	10.23 MHz × 120 = 1227.60 MHz	L2C 코드(C/A), P(Y) 코드
L3	10.23 MHz × 135 = 1381.05 MHz	방위 지원 프로그램에 이용됨
L4	1379.913 MHz	추가적 전리층 보정
L5	10.23 MHz × 115 = 1176.45 MHz	ARNS(Aeronautical Radio Navigation System)에 할당해 항공기 안전 운항에 사용

• 여기서 항법 메시지(Navigation Message)와 C/A 코드, P코드에 대해서는 향후 설명할 예정이며, L2C 코드는 최신 GPS 위성에서 L2 대역의 항법메시지를 민간인에게 공개하기 위해 사용하는 코드로 C/A 코드라 봐도 무방하다.

그렇다면? 왜 서로 다른 GPS 주파수 대역을 사용할까?

• 장애물: 낮은 주파수일수록, 구름 나무 건물과 같은 장애물을 보다 효과적으로 통과(날씨의 영향 최소화)
• 안테나 설계 단순화: 큰 주파수일수록, 수신 안테나 설계가 더욱 복잡해짐
• 전리층 지연: 낮은 주파수일수록, 전리층 지연이 더 두드러짐

그렇다면 L1, L2 반송파는 어떻게 만들어서 송신하는 걸까?

1.2. GPS 신호의 생성

GPS 위성에서 송신하는 반송파 신호는 다음과 같이 생성된다. 항법 메시지(Navigation Message)와 C/A 코드, P코드를 Modulo 연산을 통해 L1/L2 반송파를 생성하게 된다. 

GPS는 Code Division Multiple Access(CDMA)라고 하는 전송 방식을 사용합니다.

GPS 위성 신호는 동일한 주파수를 사용하지만 별개의 의사 난수 디지털 시퀀스 또는 코드로 변조됩니다. 각 위성에는 고유한 의사 난수 코드가 있습니다. Pseudorandom은 신호가 단순히 무작위로 나타난다는 것을 의미합니다. 실제로는 일정 시간이 지나면 반복됩니다. 각 위성의 의사 난수 코드는 수신기에 알려져 있습니다. 이를 통해 수신기는 특정 위성의 CDMA 신호와 상관(동기화)할 수 있습니다. CDMA 신호는 매우 낮은 수준이지만 수신기는 코드 상관 덕분에 신호와 신호가 전달하는 정보를 검색할 수 있습니다.

1.3. GPS 메시지 규격: 항법 메시지 규격

항법 메시지(Navigation Message)는 GPS 위성에서 송출하는 반송파에 실리는 메시지이며, 50 bps의 속도로 지속적으로 방송된다. 항법 메시지에는 위성 탑재 시계의 시각 및 오차, 위성의 상태 정보, 모든 위성과 관련된 궤도 정보 및 상태(satelite almanac), 각 궤도 정보와 이력(satelite ephemeris), 오차 보정을 위한 계수 등을 포함한다.

이러한 위성 항법 시스템에서 사용하는 메시지는 여러 메시지 형식(규격)을 가지고 있으며, 대표적으로는 RINEX, RTCM, NMEA가 있습니다.

RINEX(Receiver Independent Exchange Format): For static data processing and archive

• GNSS 수신기에서 측정한 정보는 수신기의 종류와 제조사에 따라 다른 형식으로 저장되기 때문에, 이러한 다양한 형식의 정보를 효율적으로 관리하고 처리하기 위해서 'RINEX'라는 공통된 형식으로 변환
• GPS 측정값과 위성 정보를 다른 소프트웨어나 수학적 모델링에 사용할 수 있도록 구조화된 형식으로, Version 3은 Galileo, QZS, BeiDou와 같은 추가 GNSS 지원을 위해 개선됨

NMEA(National Marine Electronics Association): For Real-time positioning

• GPS 수신기에서 생성된 위치, 속도, 시간 등의 정보를 표준화된 형식으로 전달
• 이 메시지는 항해, 수상 스포츠 및 기타 GPS 사용 분야에서 널리 사용됨
• Most GPS receivers understand the most popular NMEA format -> NMEA 0183

RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Services): For Real time DGPS/RTK corrections

• GPS 수신기의 DGPS(Differential GPS) 구성을 보완하고 보정 정보를 전달
• Binary file (more compact but difficult to understand)
• Most GPS receivers understand the most popular RTCM format -> RTCM SC-104

일반적으로 NMEA 메시지는 Rover의 Real Time Position를 전달하는 데 사용하며, RTCM 메시지는 NMEA 메시지를 바탕으로 Base Station에서 보정한 DGPS/RTK corrections 정보를 전달하는 데 사용한다. 추가로 RINEX는 GPS 측정치의 실시간이 아닌 오프라인 처리를 위해 사용한다. 

• 메시지 규격에 대한 더욱 자세한 내용은 '[Robotics] 위성항법시스템(GNSS) 정리(3): 메시지 규격 및 프로토콜(NTRIP, RTCM, NMEA 등)'를 참고하기 바란다.

1.4. 의사랜덤(Pseudo Random) 코드: C/A, P(Y) 코드

GPS는 의사랜덤 코드(Pseudo Random Noise, PRN) 신호라는 *Ranging Code를 사용한다. 위성은 반송파에 의사랜덤코드를 실어 지상의 수신기에게 송신하고, 수신기는 이를 바탕으로 계산을 수행한다. 여기서 Ranging Code는 noise와 같이 ± 1 사이의 수가 랜덤하게 나오는 긴 주기의 코드로, 한 주기동안 반복(중복)되는 패턴이 없다. 

의사랜덤 코드에는 C/A 코드(Coarse/Acquisition code 또는 Standard code) 및 P 코드(Precision code) 등이 있다. C/A 코드는 1.023 Mbps의 속도, P코드는 10.23 Mbps의 속도를 가진다. P 코드는 C/A 코드보다 10배 빠른 속도로 전송되며, 더욱 긴 메시지를 담고 있기에 정확도가 높다.

여기서 C/A 코드는 민간에 개방되어 있으나, P 코드는 군사 전용으로 공개되지 않은 W 코드로 암호화되어 있다. 암호화된 P 코드를 Y 코드 혹은 P(Y) 코드라고 한다. 이를 해독하려면 특별한 장비와 키가 필요하다.

2. GPS 측량

삼변 측량 (Trilateration Surveying)

GPS는 삼변 측량(三邊測量, Trilateration)을 사용해 측량을 진행한다. 삼변측량은 물체의 상대 위치를 구하기 위해 삼각형 기하학을 사용한다. 여기엔 두 개 이상의 기준점과, 각 기준점으로부터 물체까지의 거리가 필요하다. 2차원 상에서 정확하고 유일한 위치를 특정하고 싶다면 기준점은 최소 3개가 필요하다. (실제로는 4개의 위성을 사용한다.)

+ 삼각 측량(Triangulation Surveying)

삼변 측량처럼 삼각형 기하학을 사용해 물체의 위치를 구하는 방법이다. 삼각형 중 미지점을 제외한 두 각과 그 사이의 변 하나의 길이를 측량한다. 반면 삼변측량은 기지점 두 개로부터 미지점(알고자 하는 점)을 사이에 둔 두 변의 길이를 측정한다.

3. GPS 오차

GPS의 오차는 위치정확도에 영향을 끼칩니다. 이런 오차는 소거 또는 모델링을 통해서 해당 측위 오차를 최소화하여 GNSS 측위 사용자의 정확도를 향상할 수 있습니다.

이러한 GPS 오차는 '구조적 오차'와 '기하학적 오차'로 나눌 수 있으며, '구조적 오차'는 위성 위치 및 시간 / 전리층 및 대류층 / 잡음 / 다중경로 오차 등이 있고, '기하학적 오차'는 위성의 배치와 관련이 있다.

3.1. 구조적 오차

GNSS *위성 위치(궤도) 및 시간 오차 (~2.5m)

• GNSS 위성이 가지고 있는 오차는 위성 신호의 지연과 바이어스, 위성 시각 오차, 위성 궤도 오차, 위성 안테나의 위상 변이 등이 있을 수 있다.
  • 위성의 궤도오차: 수학적 표현인 Ephemeris에 오차를 포함하며, 항법해를 계산할 때 오차가 발생할 수 있다.
  • 위성 시계오차: 원자시계가 탑재되어 매우 정밀하지만, 아주 작은 오차나 상대성 원리에 의해 오차를 가질 수 있다.
• 5m 이내의 오차로, 제어국(Control Segment)에서 해당 오차를 추적하며 보정 중이다.

전리층 및 대류층 오차 (~5m)

• 인공위성에서 라디오파를 전송하는데, 전리층에서는 *하전입자들이 이 신호를 끌어당겨 굴절시키고, 대류층에서는 물방울들이 굴절시킨다. 이러한 신호의 지연은 GNSS 위성이 낮은 고도에 있을 때, 더욱 심해진다.
  • 하전입자(荷電粒子, charged particle): 수중에서 입자의 표면에 전기화학적 힘의 균형으로 전하를 띄는 입자
• 0~15m의 오차를 가지며, 대기 굴절 모델 및 dual-frequency 수신기를 사용하는 등으로 보정한다.

다중 경로 오차 (~1m)

• 인공위성에서 송신한 신호가 다른 곳에 반사되거나 산란되어 수신기에 도달하는 경우, 신호의 경로가 길어지고 이는 시간의 지연(delay)을 발생시킨다. 이러한 시간지연은 위치 오차를 발생시키며 이를 '다중 경로 오차(Multipath)'라고 한다.
• 특히 도심의 경우 Urban Canyon(건물 협곡)에 수신기가 위치할 경우 가시 위성의 수가 1~3개 정도로 적어지고, 높은 건물에 반사 및 회절 되며 신호가 전달될 수 있다.
• 도심의 경우 ~400m까지도 오차가 날 수 있으며, 다중 경로로 들어오는 위성 신호에 대해서 물리적으로 차단하는 방식 (Choke Ring)또는 Phase Center로 가면서 에너지(신호 세기)를 감소하는 방식을 사용하여 멀티패스를 최소화하는 기법을 사용할 수 있다.

GNSS 수신기에서의 오차 (잡음)

• GNSS 신호는 지상 약 20,000 km 상공의 GNSS 위성에서 발사된 GNSS 신호를 수신하므로, GNSS 수신기에서 수신된 위성신호의 강도는 매우 약합니다. 
• 이로 인해 매우 약한 강도로 수신된 신호와 간섭을 일으켜 발생하는 GPS 수신기 자체에서의 오차로, PRN 코드 잡음과 수신기 잡음이 합쳐 전체 잡음이 된다.
• 0~3m의 오차를 가지며, 수신기 대부분이 내부 필터링 장치를 가지고 보정한다.

3.2. 기하학적 오차

위성의 배치

• 측위에 이용되는 위성들의 배치로 인해 발생하는 오차로, 위성의 배치가 고르면 작은 오차를 가지지만 고르지 않으면 오차가 중첩되어 큰 오차가 발생한다.
• 위성의 기하학적 배치를 확인하는 척도를 DOP(Dilution of precision)이라 한다.
  • DOP값이 작을수록 위성의 기하학적 배치가 좋은 상태(수신기 하늘의 전 방향에 위성이 배치)이며, 
  • DOP값이 크면 위성의 기하학적 배치가 나쁜 상태(수신기 하늘 일부지역에만 위성이 배치)입니다.
• DOP는 측정치 종류에 따라 아래와 같이 나눌 수 있다.
  • HDOP : Horizontal DOP
  • VDOP : Vertical DOP
  • PDOP : Position(3D) DOP
  • TDOP : Time DOP
  • GDOP : Geometric DOP, GDOP= √(PDOP^2+TDOP^2)

+ 의도적인 오차(~70m)

미국의 GPS는 미군을 위해 개발된 군용 장비였지만 1983년 KAL007기 피격사건을 계기로 민간에 개방되었다. 민간에 개방 당시 적대국가의 사용을 방지하기 위해서 GPS신호에 의도적인 오차인 SA(Selective Availability)를 추가했다. 하지만 민간에서 DGPS(Differential GPS)등의 보정방법이 발전되고 기타 여러 가지 이유로 2000년에 제거되었다.​

물론 오차도 보정할 수 있다. 위치 및 시간 오차와 전리층 및 대류층 오차의 경우, 정확한 위치를 알고 있는 또 다른 수신기가 GPS 신호를 받아 역으로 각 오차를 계산한 뒤, 현 위치를 구해야 하는 수신기(이동국)에 전달한다. 그렇다면 해당 수신기는 오차 성분을 고려해 위치를 특정할 수 있다.

4. GPS 측위법: 측위 기법

4.1. 측위 기법

GPS 측위 기법에는 수신기에 따라 아래와 같은 것들이 있다.

• 표준 측위 서비스(SPS, Standard Positioning System/Service)
  • 단독 측위로, 수신기 1대로 위치 측정
  • C/A 대역확산코드를 사용하며, 일반인(스마트폰, 네비게이션 등)도 사용할 수 있음
  • 정밀도: 10~30 m
• 정밀 측위 서비스(PPS, Precise Positioning Service)
  • 단독 측위로, 수신기 1대로 위치 측정
  • SPS보다 *chip rate가 높은 P 대역확산코드를 사용해, 군사용 신호 기반임
    • chip: 빠르게 변화하는 파형 변화의 한 부분
  • 정밀도: 1~3 m
• 상대 측위(DGPS, Differential GPS)
  
  • 서로 가까운 거리에 위치한 두 대 이상의 측량용 GPS 수신기가 있을 때, 이 둘이 가지는 공통 오차를 상쇄해 정밀한 데이터를 얻음. 의사 거리를 보정(differential)함
  • 일반적으로 기준국(Base Station)(측량용 수신기)에서 오차 범위 등을 포함한 보정신호를 이동국(Rover)(항법용 수신기)에게 전송
  • 정밀도: 1~3 m
• 후처리 상대 측위
  • 두 대 이상의 측량용 GPS 수신기를 이용해 높은 정밀도의 상대 위치를 측정함
  • 실시간 계산은 불가능함
  • 정밀도: 수 mm
• 실시간 이동 측위(RTK, Real-Time Kinematic)
  • 두 대 이상의 측량용 수신기를 이용하며, DGPS와 거의 유사
  • 기준국에서 전송되는 데이터가 반송파의 수신자료를 기반으로 측정을 진행하면서 정밀 의사 거리 보정을 진행.
  • 정밀도: 1~2 cm

이 중 GPS 오차 보정을 위해 많이 사용되는 'DGPS', 'RTK'에 대해 더욱 자세히 알아보도록 하겠습니다.

4.2. DGPS(DGNSS)

DGNSS는 C/A 코드를 해석해 얻은 GNSS 관측값을 차분(Differential) 방법을 활용해 처리하는 측위법이다. 어느 정도 가까운 위치에 있는 두 수신기는 전리층 오차, 대류층 오차 등 외부 환경에 의한 오차가 동일하다는 아이디어를 바탕으로 주변 수신기에서 측정한 오차를 나의 측정치에서 빼주어 보다 정확한 측위 결과를 얻는 것이다.

DGNSS 신호 내부에는 아래와 같은 값을 포함하고 있으며, 반송파 위상에 대한 보정값은 포함하고 있지 않다.

• GNSS 코드 관측에 대한 보정값(PRC, Pseudo-range Correction)
• 기준국 위치 정보: RTCM message Type1(Differential GPS Corrections), Type3(GPS Reference Station Parameters)

여기서 '코드 관측에 대한 보정값'은 의사 거리(GNSS 위성과 Base Station 안테나 간 거리의 추정값)를 보정한 값이며, 이는 이동국과 기지국 사이의 거리를 고려해 이동국의 위치에서 보정값을 산술적으로 계산합니다. 여기서 지상에 있는 기지국을 통해 보정정보를 받는 방식을 OSR(Observation Space Representation) 방식의 *GBAS 보정신호라고 하며, 다음과 같습니다.

GBAS(Ground Based Agumentation System): 기지국에서 보정정보 전송

• 지상에 보강시스템을 구축하는 방법을 GBAS(Ground Based Agumentation System)이라고 한다.
• GBAS는 주로 공항에서 한정된 영역(약 50km)의 위치한 항공기 이착륙 유도를 위해 사용된다.
• 대표적인 GBAS로는 미국의 LAAS, 호주의 GRAS시스템이 있다.

일반적으로는 기지국이 지상에 위치한 GBAS 방식은 기지국이 설치된 한정된 영역에서 사용가능하며 기지국과 이동국 간의 거리가 멀면 부정확해진다. 이러한 '거리가 멀면 부정확해지는 문제점'을 위치에 따라 기지국을 선택해서 개선할 수도 있겠지만, 이를 극복하기 위해 보정방식 자체를 개선한 방법은 두 가지가 있다.

• 첫 번째 방법은 기준국의 위치에 종속되지 않는 새로운 종류의 보정신호를 개발하는 것이었으며 그 결과로써 개발된 보정신호가 SSR(State Space Representation) 방식의 *SBAS 보정신호입니다.
• 두 번째 방법은 네트워크 방식의 보정신호 계산 방법으로서 이동국 주변의 여러 기준국 정보를 모두 사용하여 이동국에 적합한 보정신호를 계산하는 것입니다.

SBAS(Satellite Based Augmentation System): 위성에서 보정정보 전송

• GBAS는 지상에 설치되어 있기 때문에 서비스를 제공할 수 있는 영역이 한정되어 있다. GBAS의 한계를 극복하기 위해 나온 시스템이 인공위성에서 보정신호를 전송하는 SBAS(Satellite Based Augmentation System)이다. 
• SBAS는 정지궤도에 위치한 위성을 활용해 보정정보와 무결성 정보(모든 GPS위성의 보정정보, GPS신호감시, GPS신호 상태 등)를 송신한다. SBAS는 ①지상에 위치한 기준국에서 수집한 신호를 ②중앙 처리국에서 처리하고 ③생성된 보정정보를 정지궤도에 위치한 SBAS위성에 전달한 뒤 지상으로 송신하는 과정을 거친다.
• 대표적인 SBAS시스템으로 미국의 WAAS, 유럽의 EGNOS, 일본의 MASA, 인도의 GAGAN 등이 있다. 최근에는 대부분의 상업용 GNSS 수신기가 SBAS 시스템을 지원한다.

4.3. RTK

GNSS 위성 항법용 신호는 위성의 궤도나 시간 등 항법정보가 담겨있는 항법메시지, 위성의 신호 검출을 위한 C/A 코드(Coarse acquisition), 위성에서 지상으로 신호를 전달하기 위한 반송파(Carrier)로 이루어져 있다. 세 가지 신호 중 반송파의 위상차이를 활용해 위치를 측정하는 방법을 RTK(Real Time Kinematics)라고 한다.

일반적으로 위성과 수신기 사이의 의사거리를 계산하는 방법은 다음과 같다.

GNSS에서 의사거리는 위성에서 신호를 송신한 시간과 수신기에서 신호를 수신한 시간 차이에 빛의 속도를 곱하여 거리를 계산한다. 이렇게 측정한 의사거리는 여러 요인에 의해 오차가 발생한다. 이에 반하여 RTK에서는 반송파의 위상차이를 활용하는 방식으로 거리를 계산하며, 관측 시 발생하는 오차에 대한 보정정보를 제공하는 방식에 따라 OSR과 SSR 방식으로 분류한다. 일반적으로 사용하는 각 오차요인을 하나의 보정정보로 제공하는 방식을 OSR 방식의 RTK라 하며, 하단에서 자세히 설명하도록 하겠다.

OSR(Observation Space Representation) 방식: 각 오차요인을 '하나의 보정정보'로 생성하여 제공

따라서 RTK에서는 반송파의 위상 차이를 활용해 거리를 측정한다. GPS의 L1신호의 경우 약 1.5 GHz의 반송파 신호를 사용하는데, 1.5GHz의 반송파신호의 파장은 약 20cm 다. 위성에서 송신한 신호가 수신기 안테나에 도달할 때까지의 위상차 (몇 개의 파장이 있는지)를 계산하면, 오차가 20cm보다 작은 센티미터급임을 측정할 수 있습니다. 물론, 기지국과 멀어질수록 정밀도는 낮아진다.

RTK를 사용하기 위해서는 먼저 위도, 경도, 고도 등 정확한 위치를 알고 있는 기지국(Base station)이 필요하다. 기지국에서 계산한 오차 및 위성정보를 수신기(Rover)에 RTCM 또는 RTCA 등의 포맷으로 기준국 정보(위치, 장비, 고유식별자), 반송파 데이터, 코드 데이터 등의 보정정보를 전달하면, 수신기에서 반송파의 위상차이를 계산한다.

• 코드 기반, 반송파 위상 기반의 의사거리 계산하는 자세한 방법은 [Robotics] 위성항법시스템(GNSS) 정리(5): GPS 의사거리 측정 - 코드 기반(시간), 위상 기반(위치)을 참고하도록 한다.

RTK 보정신호는 높은 정확도로 사용자 수신기의 위치결정 작업을 지원할 수 있으나, OSR 방식으로 계산된 보정신호의 한계로 인하여 사용자의 위치가 기준국으로부터 멀어질수록 정확도가 저하되는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 개발된 보정신호가 네트워크 방식으로 RTK 보정신호를 계산하여 생성할 수 있는 네트워크 RTK 보정신호이다. 자세한 RTK 보정 기법은 아래와 같다.

네트워크 RTK 방식 

https://novatel.com/industries/autonomous-vehicles

GNSS 네트워크 방식으로 계산한 RTK 보정신호인 네트워크 RTK 보정신호는 사용자가 위치한 지점의 인근에 배치된 다수의 기준국들로부터 RTK 보정신호를 수집한 후 이를 종합적으로 활용하여 사용자 위치에 적합한 RTK 보정신호를 계산하는 방식으로 생성된다. 여러 기준국에서 계산한 정보들을 활용하여 사용자 위치에 적합한 RTK 보정신호를 계산하기 때문에 일반적인 OSR 방식의 RTK에 비하여 보다 넓은 지역에 적용할 수 있는 보정신호를 생성할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

VRS(Vertual Reference Station) 기법

VRS(Virtual Reference System) 방식의 네트워크 RTK 보정신호는 네트워크 RTK 시스템이 다수 기준국에서 관측한 정보를 이용하여 사용자 위치에 적합한 RTK 신호를 계산하는 방식으로 계산되며, 그 형식은 RTK 보정신호와 동일하다. 여러 곳에 설치된 상시관측소의 정보를 연결하여 수신기 근처에 가상의 기준국을 생성하고, 이 가상기준점과 이동국의 RTK를 통해 정밀한 이동국의 위치를 결정한다. 

https://gnss.eseoul.go.kr/system_sub2_02

• 기준국이 GNSS 관측소의 데이터를 실시간으로 데이터를 VRS 서버로 전송하면, VRS 서버는 그 데이터로 오차 모델링을 수행하여 보정치를 만든다.
  • 여기서 VRS 서버는? 주변의 데이터를 수신하여 보정치를 계산하는 가상의 서버(NTRIP server).
• 이동국은 VRS 서버로 현재 위치(NMEA GGA 형식)를 전송하면, VRS 서버는 이동국이 요청한 위치에 해당하는 보정치를 RTCM으로 전송한다.
  • 여기서 NMEA GGA 형식은 이용자의 위치, 시간 등의 정보를 담고 있으며, '[Robotics] 위성항법시스템(GNSS) 정리(3): 메시지 규격 및 프로토콜(NTRIP, RTCM, NMEA 등)'를 참고하기 바란다.
• 이동국은 해당 보정치를 통해 정밀 좌표를 획득할 수 있다. 즉, 가상의 기준국을 이용해 이동국의 오차를 제거하는 것이다.

이러한 방식은 네트워크 RTK 시스템이 보정신호 계산 작업을 서버서 수행하고 사용자의 위치 정보를 지속적으로 서버에 전송하기에, 양방향 통신환경 하에서만 활용할 수 있으며 사용자의 수가 증가할수록 서버의 연산 부담이 크게 증가할 수밖에 없다. 이로 인해 사용자가 증가할수록 서버의 용량을 증가시켜야 하는 부담이 따르게 된다. 하지만 이러한 제약조건에도 불구하고 VRS 방식의 네트워크 RTK 보정신호 제공체계는 보정신호의 정확도를 안정적으로 유지할 수 있기 때문에 여러 국가에서 활용되고 있으며, 현재 국토지리정보원, 서울특별시 등에서 VRS 서비스를 제공하고 있다.

GNSS 시스템이 발전함에 따라 네트워크 RTK 시스템 역시 발전하였다. GNSS 위성수가 많아지고, 위성기준점이 많아질수록 차분방식을 사용할 경우, 위성기준점감 기선해석을 위한 모호 정수 결정을 위해 더 고사향의 전산자원이 필요하다. 따라서 멀티 GNSS 환경, 늘어나는 위성기준점을 이용한 멀티 GNSS 네트워크 RTK 솔루션의 제공을 위해서는 차분방식이 아닌 정밀단독측위 방식을 사용한 GNSS 네트워크 RTK 솔루션 생성이 필요하다. 정밀단독측위 방식(PPP-RTK)에 대해서는 하단에서 자세히 설명하도록 하겠다.

FKP(Flachen-Korrektur-Parameter) 기법

VRS 방식이 특정 지점에 대한 보정신호를 제공하는 반면에, FKP((독) Flachen Korrektur Parameter; (영) Area Correction Parameter) 방식은 기준국들이 형성하는 관측망 전체에 적용할 수 있는 보정신호를 제공합니다.

• 네트워크 모델링을 통해 네트워크 내부의 각 '면 보정파라미터(FKP)'를 생성
• '면 보정파라미터'를 이동국에 전송해 RTK의 거리에 따른 오차를 보정해 정밀한 이동국의 위치를 결정

MAC(Master Auxiliary Concept) 기법

MAC(Master Auxiliary Concept) 방식의 보정신호는 주기준국(master station)과 인접한 다수의 보조기준국(auxiliary)들로 구성되는 셀 단위의 보정신호이다. MAC 방식의 보정신호를 제공하는 네트워크 RTK 서버는 다수의 셀에 대한 보정신호를 통합하여 제공합니다. 사용자 수신기는 통합된 정보를 수신한 이후 자신의 개략적인 위치를 기준으로 특정 셀에 대한 정보를 선택한 후 셀로부터 RTK 보정신호를 추산하여 위치결정 작업에 활용합니다.

서비스 범위 내의 모든 셀들에 대한 보정정보를 통합하여 제공할 수 있기 때문에 단방향 통신 환경에서 운영할 수 있으며, 사용자 수신기에 적합한 보정신호의 계산을 수신기가 부담하는 구조이기 때문에 일정 규모의 서버 용량으로도 많은 수의 사용자들을 지원할 수 있다.

SSR(State Space Representation) 방식: '각 오차요인 별로 보정정보를 생성'하여 제공

각 오차 요인별 보정 정보를 생성하여 제공하는 방식으로 기존 고가형 장비 측지 측량 목적 외에 드론, 자율차 등의 이동체와 저가형 수신기에서 고정밀 위치 정보를 서비스할 수 있다.

• Satellite Clocks
• Satellite Orbits
• Satellite Signal Biases
• Ionospheric Delay/Advance
• Tropospheric Delay

정밀단독측위 방식

PPP(precise point positioning)-RTK 기법

https://novatel.com/industries/autonomous-vehicles

PPP(precise point positioning) 측위방식과 RTK 측위방식을 결합한 PPP-RTK 측위 기술은 기존의 네트워크 RTK에 비하여 시스템 구축비용이 저렴하고 사용자 수의 제한 없이 1~2cm의 정확도를 확보할 수 있는 측량기술이다.

PPP-RTK 측위기술은 중앙 제어국에서 기준국 네트워크의 관측 자료를 이용하여 GNSS 측위 관련 다양한 오차 성분(전리층∙대류권 오차, 위성시계∙궤도 오차 등)을 계산한 후 사용자에게 보정정보를 제공함으로써 RTK 기준국을 별도로 설치할 필요 없이 정밀하게 위치를 결정할 수 있는 새로운 측위기술이다. 오차소거와 관련하여 기준국 원시자료를 수신하여 이중 차분을 통해 오차를 소거하는 RTK 방식과 달리 PPP-RTK 방식은 중앙제어국에서 기준국 네트워크 원시자료를 활용하여 위성 관련 오차, 이온층 및 대류권 오차를 산출하여 사용자에게 제공함으로 사용자는 단독으로 정밀한 위치결정을 할 수 있게 되었습니다.

현재는 PPP-RTK 측위 작업에서 필요로 전체 오차정보들 중 일부분에 대해서만 표준화가 되었습니다. 제공되는 오차정보의 종류가 적은 경우 PPP-RTK 측위보다 정확도와 성능이 낮은 DF-RT-PPP / SF-RT-PPP측위를 수행할 수 있습니다.

<표> 제공되는 오차정보의 종류에 따른 구현 가능 PPP 측위법의 종류

단계	제공되는 오차정보의 종류	구현 가능 측위	성능
1	위성 궤도오차, 위성 시계오차, 코드데이터 바이어스	DF-RT-PPP - DF: Dual Frequency(2주파 수신기) - RT:Real Time	고가의 2주파 수신기를 이용한 약 30cm(1σ) 오차 범위 위치 결정
2	1단계의 오차, 이온층 연직 지연량(VTEC), 반송파데이터 바이어스	SF-RT-PPP - SF: Single Frequency(1주파 수신기) - RT:Real Time	저가의 1주파 수신기를 이용한 약 30cm(1σ) 오차 범위 위치 결정
3	1단계의 오차, 2단계의 오차, 이온층 연직 지연량(VTEC), 대류층 지연량	PPP-RTK	저가의 1주파 수신기를 이용한 수 cm(1σ) 오차 범위 위치 결정

2007년 중반까지만 해도 PPP 해석은 대부분 GPS 위성만으로 수행되었지만 오늘날 다양한 GNSS 위성들의 사용으로 조합에 의한 PPP 해석 연구가 활발히 진행되고 있다.

최근에는 전 지구 GNSS 상시관측망을 운영하는 해석센터에서 계산한 보정정보를 NTRIP(networked transport of RTCM via internet protocol) 방식으로 전송하여 실시간 정밀절대측위의 정확도 향상을 위한 연구와 RTKLib 등과 같은 운용 프로그램의 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, PPP-RTK 측위기술의 대표적인 서비스인 IGS(international GNSS service)에서는 RTS(real-time service)를 위하여 전 세계 GNSS 상시관측망 자료인 위성기준점과 분석센터를 종합 해석하여 정밀 위성궤도력, 위성시계의 보정값 및 전리층 보정모델 등의 품질 향상과 산출 주기 단축 등 지속적인 서비스를 제공하고 지구물리 모니터링, 재해 감지∙경고 및 일기예보 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

4.4 DGPS와 RTK 기법 비교

둘 모두에서, 일정 지역에서 수신기 하나는 정지해 있고(기준국, Base Station) 나머지 하나는 이동하며 위치를 측정한다(이동국, Rover). 기준국은 위성에서 수신한 데이터들의 위치 오차를 계산하고 보정 데이터를 만든다. 이동국이 이 보정값으로 위치 결정 오차를 줄인다. 반면 DGPS와 RTK의 차이는 다음과 같다.

DGPS	RTK
4개 이상 위성 사용	5개 이상 위성 사용
C/A 코드를 해석해 사용	반송파의 오차 보정치를 이용
장거리(100~200km)에서 사용	10~20km 내외에서 사용
1~5m 오차	1cm ~ 1m 오차

5. 자율주행/운항과 GNSS: 오차 보정

5.1. GPS 센서 퓨전

자율주행 혹은 자율운항의 위치 측정에 GNSS는 시간과 위도, 경도, 방위각, 속도 등을 사용할 때 쓸 수 있다.

GNSS로 연속 측정을 할 때 오차의 누적은 없을 수도 있으나, 기상 상태나 주변 환경에 따라 위성 수신이 어려운 지역에서는 신뢰도 등에 영향을 받을 수 있다. 이를 보완하기 위하여 Optical, Vision, IMU 등 다양한 센서를 융합하여 사용할 수 있다.

위치정확도 기반 센서 퓨전: RTK + Ultra Wide Band(UWB)

무인기와 같이 실시간으로 빠르게 위치가 변하는 경우, 저전력 소비를 기반으로 빠른 데이터 전송과 함께 위성신호와는 다른 주파수를 이용하는 UWB 측위 시스템은 좋은 대안이 될 수 있다.

UWB 측정은 Pozyx 사에서 제공하는 App.pozyx.io에 접속하여 Time Difference of Arrival (TDOA)와 TWR 모드로 설정할 수 있다.

• TDOA 모드의 경우, 주기적으로 UWB 데이터를 전송하며 태그는 메시지 전송만 하고 수신하지 않아 전력소모가 적은 강점을 가져 대규모 어플리케이션에서 사용가능 하다.
• TWR 모드의 경우, 앵커와 태그 둘 다 송수신 가능하며, Time of Flight (TOF)와 빛의 속도를 결합하여 각 앵커까지의 태그 거리를 결정할 수 있으며, 매우 높은 정확도를 요구하는 환경에서 사용이 선호된다.

추가로 Freedom of movement 가 강할수록 비행에 따른 위치 측위에 대한 RMS 에러가 낮고 실시간으로 반응하니 참고하기 바란다.

모멘텀 기반 GPS 센서 퓨전: GNSS + Inertial Navigation System(INS)

GNSS의 경우, 건물이나 나무 등 장애물이 있을 경우 위성 신호의 수신이 원활치 않아 데이터의 신뢰도가 떨어진다. 당연히 실내의 경우 신호가 약해진다. 

INS의 경우, 누적 오차를 해결할 방법이 없어 오차의 누적(Drift 현상)이 일어날 수 있다.

따라서 GPS 센서 퓨전(GNSS + INS)을 하면? 

• GNSS 수신 불가 지역에서는 IMU의 연속성으로 데이터의 jumping 현상을 보정하며,
• GNSS 정확성으로 IMU의 오차 누적을 보완할 수 있어, 
• 둘을 융합하면 정확하면서 연속적 위치 데이터를 취득할 수 있다.

자세한 과정을 보자.

일단 GPS가 현 위치를 결정했다 하고, 다음 위치가 계산될 때까지 시간차가 발생한다. 이 시간 동안 IMU를 통해 이 작은 단위로의 위치 및 속도 변화를 예측할 수 있다. 다음 GPS 위치 측위 결과가 나오기 전에 예측하였다 하여 이를 사전 추정이라고 한다.

이렇게 사전 추정된 위치와 속도를 다음 GPS 측위 결과와 비교하여 IMU의 정확도를 칼만 필터(Kalman Filter)로 평가 및 보정한다. 두 측위 결과를 보고 추정한다 하여 사후 추정이라 하며, 이를 통해 더욱 정확한 위치의 변화, 속도의 변화를 파악할 수 있다.

여기서 칼만 필터(Kalman Filter, KF) 란? 잡음이 포함된 선형 역학계의 상태를 추적하는 재귀(recursive) 필터이다. 확장 칼만 필터(Extended KF, EKF)는 비선형 데이터에도 칼만 필터를 적용할 수 있게 하여, GPS 등의 비선형 상태 추정에 사용되고 있다.

5.2. 지형지물 기반 상대 측위

다만 IMU와 GPS 각각이 오차를 내포하고 있으므로, 인공지능 및 센서 등을 이용해 주변의 지형지물(표지판, 신호등 등)의 위치로부터 현 위치를 알아내기도 한다. 지형지물은 정확한 위치를 특정하라 수 있으며, 자율주행/운항 차체의 카메라, 라이다, 레이다 등의 센서로 이를 인식하면 지형지물까지의 거리와 각도를 얻을 수 있다. 이렇게 얻은 상대 측위를 활용하면, 주변 고정물의 위치를 센서가 인지하여 차체의 상대 위치를 역으로 파악하여 GNSS의 측위 오차를 보상할 수 있다.

지형지물로부터 떨어진 거리(L)와 각도(θ)는 각각 불확실성 σL​ , σtheta​를 갖고, 거리와 각도를 가우시안(불확실성 함수)으로 표현할 수 있다. 주변의 여러 지형지물에 대해 같은 과정을 반복해 합치면 정밀한 상대 측위가 가능하다.

5.3. V2X 기반 상대 측위

V2X는 Vehicle To Something(Anything)이다. 차와 연결되는 것이 다른 차라면 V2V가 되는 식으로, 다른 무언가와 연결된다는 뜻이다.

주변의 자동차가 V2X 모듈을 보유하고 있다면 이를 기반으로 자동차 간 상태 측위를 할 수 있다. 서로 자신의 위치를 주고받으며 측정 결과를 바탕으로 상대 측위를 진행하는 것이다. 즉, 자차와 상대 차의 위치와 각도, 거리의 측정값과 상대 차가 자신의 위치를 자차에 알려준 값을 사용해 위치를 역으로 계산하는 방식이다.

주변의 자동차를 지형지물이라 생각한다면 인식한 차와 거리와 각도의 불확실성이 있을 것이다. 그러나 주변의 차가 자차의 위치를 V2X로 알려준다면, 자차가 계산한 값과 비교하는 등의 과정을 통해 보다 정확한 위치를 특정할 수 있다. 또한 여러 대의 자동차 간 정보가 전달된다면 정확도는 향상될 것이다.

이러한 협력 항법(Cooperative Positioning)은 GNSS 정보, 오차 정보, 상대차에 대한 정보 등 복합적인 정보를 공유함으로써 더욱 정확한 측위를 가능하게 하는 것이다. 더불어 사이버 공격은 통신 장치보다는 센서 자체에 대한 공격이 대부분이므로, 협력 항법을 사용하면 잘못된 센서 데이터를 보정할 수 있어 사이버 공격에 대한 대응도 어느 정도 가능하다. SPAWN, MRH-SPAWN(2015) 연구 결과를 참고해 보면 좋다.

5.4. 인공지능 기반 다중 경로 오차 완화

위에서 살펴본 바와 같이, 건물이 밀집한 지역의 경우 GPS 신호가 반사, 굴절, 회절 되며 큰 오차를 보일 수 있다. 따라서 이런 다중 경로 오차를 완화시키기 위해 인공지능 신경망이 개발되어 가시 신호인지 Multipath 신호를 구별하는 등이다.

다중 퍼셉트론 신경망(Multi Layer Perceptron)에 의사 거리의 변화율(ρ˙​), 신호의 세기 성분(CN0​), 그리고 신호의 Elevation Angle(EL, 위성 신호가 수평으로부터 얼마나 높이에서 내려오는가)를 입력해 학습시킨다. 그럼 MLP는 상당히 높은 정확도로 해당 신호가 Line of Sight(LOS, 가시 신호)인지 Non-Line of Sight 신호인지 구별한다. 보통 Multipath 신호는 반사되며 에너지를 소실해 LOS 신호보다 신호 세기가 작다.

참고

• [서울특별시] GNSS 오차: https://gnss.eseoul.go.kr/system_sub1_02
• [서울특별시] DGNSS/RTK: https://gnss.eseoul.go.kr/system_sub2_01
• [서울특별시] 네트워크 RTK: https://gnss.eseoul.go.kr/system_sub2_02
• [서울특별시] 정밀단독측위: https://gnss.eseoul.go.kr/system_sub2_03
• [Blog] GPS 이론: GNSS, RTK 등: https://velog.io/@717lumos/GPS-GPS-%EC%9D%B4%EB%A1%A0-GNSS-RTK-%EB%93%B1
• [Blog] 1. 위성항법(GNSS)의 오차 및 보정방법: https://velog.io/@woojinn8/Navigation-1.-%EC%9C%84%EC%84%B1%ED%95%AD%EB%B2%95GNSS%EC%9D%98-%EC%98%A4%EC%B0%A8
• [Blog] 위치보정정보 위치기반서비스 SSR OSR: https://m.blog.naver.com/mhs10755/221642572096
• [HEZAGON] Automotive: https://novatel.com/industries/autonomous-vehicles
• [GIS Resource]Everything You Need To Know About GPS L1, L2, and L5 Frequencies: https://gisresources.com/everything-you-need-to-know-about-gps-l1-l2-and-l5-frequencies/
• [Paper] 실외환경에서의 상용 UWB 제품의 실시간 UAV 측위성능 평가: http://ipnt.or.kr/2020proc/70