2012-10-29

1

다중신호원(GPS/GLONASS) 기반

전리층 지연, 주파수간 편이, 채널간 편이, 그리고 미지정수의 분리 추정

2012년 10월

한국항공대학교 항공전자및정보통신공학부

최광호, 김희성, 이제영, 임준후, 이형근*

참고문헌 (references)

2

[1] 이형근, "GNSS 수신기 망 개발 동향", 제어자동화시스템공학회지, Vol. 12, No. 1, pp. 47-51, 2006

[2] K. H. Choi, J. Y. Lee, H. S. Kim, J. R. Kim, and H. K. Lee, "Simultaneous Estimation of Ionospheric Delays and Receiver Differential Code Bias by a Single GPS Station," Measurement Science and Technology, Vol. 23, No. 6, Article # 065002, 2012

[3] H. S. Kim, J. Y. Lee, and H. K. Lee, "Estimation of Inter-Channel Bias and Ambiguity Resolution Strategy in GPS/GLONASS Combined RTK Positioning," Proceedings of IAIN World Congress, Oct. 1-3, Cairo, 2012

[4] H.S. Kim, J.Y. Lee, and H.K. Lee,"A Differential Reference Station Algorithm for Modular Decentralized GPS/GNSS Master Station Architecture," Proceedings of International Symposium on GPS/GNSS, Oct. 26-28, Taipei, 2010

[5] K. H. Choi, H. S. Kim, J. Y. Lee, J. H. Lim, and H. K. Lee, "Real-time Monitoring of Detailed Regional Ionospheric Activities by GPS CORS Networks," Proceedings of IAIN World Congress, Oct. 1-3, Cairo, 2012

[6] 이형근, "GAFAS: 정확성과 안전성을 위한 GPS 알고리즘", 2004 항공전자 심포지엄 논문집, Nov. 11, 2004

[7] GAFAS : GNSS Processing Software Modules for Accuracy and Safety, Attachment A, Report, APEC GNSS Implementation Team Meating, Seoul, Oct. 31- Nov. 3, 2005

[8] 이형근, 심주영,"실시간 동적 차분 GPS/GNSS를 위한 소프트웨어 GAFAS의 성능 분석", 2006 한국항행학회 논문집, Oct. 19-20, pp. 273-278.

[9] H.S. Kim, J.Y. Shim, H.K. Lee,"Designing a GPS Receiver Network with GNSS Algorithm for Accuracy and Safety," Paper #135, Proceedings of IGNSS 2007, 4-6 Dec., Sydney, Australia, 2007

[10] 김희성, 이제영, 이형근, "u-Transportation을 위한 저가 단일 주파수 기반 위성항법시스템의 성능 평가," 한국통신학회 하계종합학술발표회, 2009

[11] 김희성, 이형근, "차선별 교통 모니터링을 위한 위성항법 수신기망 설계 및 성능 평가", 한국항행학회 논문집, Vol 14, No. 2, pp. 151-160, 2010

[12] 김희성, 이제영, 박제두, 최광호, 이영준, 최종준, 김민우, 이형근,"국내 GPS/GNSS 상시 관측소 데이터의 실시간 통합 활용 방안 연구", 제17차 GNSS 워크샾 논문집, Nov. 4-5, 제주, 2010

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2

GPS GLONASS Beidou 위성 1 위성 2

Uplink 안테나 1

Uplink 안테나 2

정보융합센터 1

정보융합센터 2

기준국 수신기 망 1 (GPS/Galileo, L1, L2, L5, 10 Hz)

기준국 수신기 망 2 (GPS L1, L2, 1 Hz)

주처리국 1

주처리국 2

VHF 안테나 1

VHF 안테나 2

사용자 수신기 유형 1

사용자 수신기 유형 2

무결성/ 보정정보 2

무결성/ 보정정보 1

Galileo

미래 위성항법 인프라의 개형 [1]

3

GPS 주파수간 편이와 전리층 지연 [2]

GLONASS 채널간 편이의 특성 [3]

실시간 정밀 전리층 지도 생성 기법 [2,4,5]

GAFAS 를 활용한 미지정수 결정 [6-12]

향후 연구 방향

4

발표 내용

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3

GPS 주파수간 편이와 전리층 지연 [2]

GPS의 주파수간 편이, 코드바이어스, 군지연

6

주파수간 편이 (Inter-Frequency Bias; IFB) 송신 및 수신회로 하드웨어 설계 및 구현에 의하여 발생함 코드와 반송파에 각각 나타남 주파수에 크게 의존적임 GPS의 경우 크게 4가지 종류로 분류됨

위성 코드 IFB 수신기 코드 IFB 위성 반송파 IFB 수신기 반송파 IFB

코드바이어스 (Differential Code Bias; DCB) 코드 IFB를 달리 표현하는 용어임 위성 DCB와 수신기 DCB로 분류됨

군지연 (Group Delay; Tgd) GPS 위성에서 방송하는 항법메시지에 포함되어 있음 L1/L2 두 주파수에 달리 적용되는 전리층 지연을 보상하기 위한 목적임 Scaling과 shift에 의하여 위성 DCB와 등가한 관계를 가짐

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4

단일 기준국을 활용한

수직 전리층지연과 주파수간 편이의 분리 추정

7

real-time parts

post-processing parts for performance evaluation

단일 기준국 기반 수직 전리층지연 추정의 정확도

8

RMS differences of vertical ionospheric delay estimates between the proposed method and the interpolated IGS IONEX information (unit : TECU) from DoY 151 to 155 in 2011

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5

단일 기준국 기반 수직 전리층 지연의 시간 변화 특성

9

IPP별 전리층 변화에 대한 추정 정확도 비교

10

Comparison of the trends of the ionospheric delay estimates with respect to a satellite by the proposed method, the leveled carrier phase combination and the interpolated IGS IONEX information for (a) PRN 16 and (b) PRN 3, and their differences from leveled carrier phase combinations for (c) PRN 2 and (d) PRN 3 at the DAEJ station, DoY 155, 2011.

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6

수신기 /코드 주파수간 편이의 추정 정확도

11

Comparison of the receiver DCB estimated by IGS, CODE, ESA, JPL and the proposed method at DAEJ (left) and SUWN (right) stations on days from DoY 151 to 155 in 2011.

수신기/코드 주파수편이 추정의 수렴성

12

Comparison of the receiver DCB estimates starting from three different initial values at DAEJ station (left, DoY 151 in 2011) and SUWN station (right, DoY 155 in 2011)

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7

수신기/코드 주파수간 편이 추정의 정확도

13

Receiver DCBs’ estimates by the proposed method for five successive days from the DoY 151 to 155 in 2011 (unit: nanoseconds)

GLONASS 채널간 편이의 특성 [3]

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8

다중신호원 활용의 장점

15

정확성, 가용성, 연속성, 신뢰성

가시위성의 개수에 의존함

특히 가용성 관점에서 가시위성의 개수 증대가 요구됨

GPS/GLONASS 다중 신호원의 활용

가시위성의 개수 증대에 효과적임

다중신호원 활용시 고려사항

16

GPS/GLONASS 결합에 있어서 고려해야 할 사항 GPS와 GLONASS의 중요한 차이점

단독 측위시 기준 시간 및 좌표계의 차이를 고려하지 않을 경우 정확도의 열화를 가져옴

이중차분에 의한 정밀 측위에 있어서 채널간 편이가 고려되지 않을 경우 미지정수 결정에 영향을 미침

GPS GLONASS

Reference Time UTC (USNO) UTC (SU)

Reference Coordinate WGS-84 PZ-90

Generation of Signal CDMA FDMA

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9

GLONASS 채널간 편이

17

채널간 편이 (Inter-Channel Bias; ICB)

위성 신호의 구분을 위하여 CDMA(Code Division Multiple Access) 원리를 활용

하는 GPS에 비하여 GLONASS는 FDMA(Frequency Division Multiple Access) 원

리를 활용함

따라서 GLONASS는 L1/L2 두 개의 주파수를 활용하는 GPS에 비하여 보다 더

다양한 주파수를 구분하여 활용함

각 위성과 수신기 내의 각 채널별 회로는 각기 다른 주파수를 송수신해야 함

따라서, 주파수에 크게 의존적인 송수신 회로의 특성에 의하여 각 채널 별로 각

기 다른 지연값이 발생하게 됨

GPS에서 발생하는 주파수간 편이는 이중차분 기법에 의하여 효과적으로 제거

될 수 있음

반면, GLONASS에서 발생하는 채널간 편이는 이중차분 기법을 적용하여도 제

거할 수 없는 특성을 가짐

동종 수신기 채널간 편이의 특성

18

영기저선(zero Baseline) 실험

NovAtel DL-V3

잉여값이 매우 작음

채널간 편이가 효과적으로 제거됨

Carrie-phase residuals & GLONSS frequency number (NovAtel & NovAtel)

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10

이종 수신기 채널간 편이의 차이점

19

영기저선(zero Baseline) 실험

NovAtel DL-V3 & Trimble NetR5

잉여값을 크게 발생시킴

최대 잉여값이 한 파장의 길이보다 크게 나타남

미지정수 결정의 성공률이 크게 열화됨

Carrie-phase residuals & GLONSS frequency number (NovAtel & Trimble)

채널간 편이를 고려하지 않을 경우 미지정수의 결정

20

영기저선(Zero Baseline) 실험

NovAtel DL-V3 & Trimble NetR5 receivers

시점별 미지정수 결정 (Single Epoch AR)

적절하게 모델링 되지 않은 오차에 의하여 미지정수의 결정이 어려움

Fix Rate: 99.7 % Fix Rate: 11.4 %

GPS only vs GPS/GLONASS RTK Result

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11

채널간 편이의 시간영역 변화 특성

21

단일기준국 GLONASS만을 활용한 수직 전리층 지연의 추정

22

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12

실시간 정밀 전리층 지도 생성 기법 [2,4,5]

연구의 필요성

24

전리층 지연의 추출에는 주파수편이가 불가피하게 수반됨

전리층 지연/주파수 편이의 분리를 위하여 기존의 기술은 중앙

집중형 시스템 구조를 활용함 (IGS IONEX, SBAS)

전리층 지도의 정확도는 전리층 정보가 추출된 기준점인

IPP(Ionospheric Pierce Point)의 개수에 비례함

IPP의 개수는 참여 기준국의 개수에 비례함

연산량 부담으로 인하여 현행 기술로는 IPP 및 기준국 개수를 증

가시키는데 한계가 있음

분산화된 구조로 정밀 전리층 지도를 실시간에 생성하는 새로운

방안이 필요함

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13

설계 방향

25

각 기준국이 독립적으로 전리층 지연의 절대값을 추출할 수 있는 방안의 모색이 필요함 전리층 지연의 상대값 추출과는 달리 절대값 추출에는 주파수편이

가 수반됨

전리층 지연과 주파수편이의 분리 추정이 필요함

고장검출 및 분리의 용이성

각 기준국/IPP에 대하여 추출된 전리층 지연값을 효율적으로 융합할 수 있는 방안의 모색이 필요함 100 개 이상의 기준국 활용 가능함

다중 신호원에 대한 확장성 고려

5 TECU 내외의 정확도/ 1 Hz 정도의 출력 주기 / 1초 이내의 지연

전리층 분포의 이동을 세밀하게 관측/예측 가능해야 함

SD ionospheric delay, receiver differential code/carrier bias, tropospheric delay, and cycle ambiguity

Absolute ionospheric delay, receiver/satellite differential code/carrier bias, cycle ambiguity, phase wind-up error, tropospheric delay, timing and ephemeris information

SD tropospheric delay (master satellite)

SD ionospheric delay (master satellite)

SD integer ambiguity (master satellite)

SD receiver inter-frequency bias

DD ionospheric delay, tropospheric delay, and integer ambiguity

modeling statistics references for absolute values

RTK : VRS, FKP, MAC (상대값 필요, 정밀함)

PPP, GPS Master Station (절대값 필요)

위성항법의 주요변수

26

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14

Reference Station

Vertical Iono. Delay for Each IPP

IPP

Interpolated Iono. Delay Surface

Master Station

SV/REC IFB Reference Station

IPP에서 측정된 전리층 지연의 공간보간 개형

27

Ionospheric Pierce Point (IPP)

Ionospheric Grid Point (IGP)

IGP(Ionospheric Grid Point)의 분포 개형

28

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15

제안된 방식과 IGS의 기준점 비교

29

proposed IGS TEC

전리층 정보의 기준점

기준국/위성 분리 DCB

Kalman Filter

Dual Frequency

GPS Receiver

Dual Frequency

GPS Receiver

Kalman Filter

방송궤도력 의사거리 누적위상

Kriging

IPP별 수직전리층

지연

기준국/위성 결합 DCB

Dual Frequency

GPS Receiver

Kalman Filter

상시관측소별 기준국 수신기

IPP 별 전리층 추정

Fusion Filter

실시간 전리층 지도

제공

GBAS/SBAS Maritime DGPS

Land App. Space Weather

A-GPS

IGP별 수직전리층

지연 지역 전리층 지도

기준국/위성 DCB 분리 추정

IGP 별 실시간

전리층 추정

DCB : Differential Code Bias

IPP : Ionospheric Pierce Point

IGP : Ionospheric Grid Point

정밀 전리층지도의 실시간 생성을 위한 시스템 구조

Master Station

보조 정보

30

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16

SM

Fusion

SM

SM

SM

…

DM

DM

DM

…

DM

Fusion

SM

SM

…

…

…

PSC

PSC

PSC

…

PSC

PSC

RIM

RIM

RIM

…

…

…

SM- leveled

estimates

DM- leveled

estimates

local state

estimates

regional IPP and

VID estimates

differential integer

ambiguities

IM

SM : Standalone Module DM : Differential Module FM : Fusion Module PSC : Partial State Correction

RIM : Regional Ionospheric Map IPP : Ionospheric Pierce Point VID : Vertical Ionospheric Delay IM : interface module

Master Station

마스터스테이션의 상세 구조

31

제안된 방식과 IGS 전리층 정보의 특성 비교 (1/6)

32

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17

제안된 방식과 IGS 전리층 정보의 특성 비교 (2/6)

33

제안된 방식과 IGS 전리층 정보의 특성 비교 (3/6)

34

2012-10-29

18

제안된 방식과 IGS 전리층 정보의 특성 비교 (4/6)

35

제안된 방식과 IGS 전리층 정보의 특성 비교 (5/6)

36

2012-10-29

19

제안된 방식과 IGS 전리층 정보의 특성 비교 (6/6)

37

GAFAS (GNSS Algorithm For Accuracy

and Safety)를 활용한 미지정수 결정 [6-12]

2012-10-29

20

정밀 측위를 위한 SW 패키지 GAFAS 의 구성

39

핵심 모듈

GUI

• 통신 모듈 Serial TCP/IP File • 메시지 모듈 RTCM 2.3/3.0 NMEA GAFAS Ntrip UBX Trimble (RT17) NovAtel SBF RINEX 2.1 • 측위 모듈

• 통신 설정 • 메시지 설정 • 측위 모드 설정

인터페이스 모드

• Serial Interface Stream Receiver • TCP/IP Interface Stream Server Stream Client Ntrip Client GAFAS Client GAFAS Server P2P Server P2P Client VRS • File Interface RINEX Solution

측위 모듈

• Real-Time Input: stream • Post-Processing Input: RINEX • Processing Mode Single Differential RTK float RTK Integer • Position Mode Static Kinematic Kinematic Urban Correction Moving Base • Filter Type RD Hatch Filter PD Hatch Filter Hybrid Filter Long Baseline

Msg. Converter

• Real-Time Input: stream • Post Processing Input: FILE • RINEX RTCM to RINEX Receiver to RINEX • RTCM 3.0 Receiver to RTCM RTCM to RTCM

이동체를 위한 GAFAS 의 초기화 메뉴

40

File Setting (Open/Create)

Communication Setting

Serial Port Setting

TCP/IP Setting (with Ntrip Client)

Plot

Main Window

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21

수신기망 구현을 위한 GAFAS 모듈

41

(a) 수신기 망 방송국 + 주 처리국 프로그램 프로그램 흐름도

RTK 측위

42

Filter Parameter 설정 Processing Mode

Single/Differential/Float/Integer

Positioning Mode Static/Kinematic/Urban/Correction

Filter Type Hatch / Hybrid / Long baseline Filter

Tropospheric Delay Model/TZD/TZD+Gradient

Rate

Ionospheric Delay Model/Vertical Iono. Delay

Rate

GLONASS Inter-Channel-Bias On/Off

Stochastic Model (Measurement) Constant/CFTS/Empirical(elevation/baseline dependent)/adaptive

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22

RTK 측위

43

Stochastic Model (Process Noise) 설정 Modeling

Constant

• Inter-channel-Bias

Random-Walk

• Tropospheric Delay

• Ionospheric Delay

• Inter-channel-Bias

Gauss-Markov(1st )

• Tropospheric Delay

• Ionospheric Delay

RTK 측위

44

미지정수 결정 주파수 조합(Frequency Combination)

L1 only

Widelane

Ionofree(Narrowlane)

Glonass 미지정수 결정 여부

Off (GPS Only)

On

• GPS/GLONASS 미지정수 결정

• GPS first GLONASS later

» GPS 미지정수 결정

» GLONASS Inter-channel-bias 결정

» GPS/GLONASS 미지정수 결정

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23

Correction Data 생성

45

기본 설정 (Default Setting) Processing Mode

Integer

Positioning Mode Correction

Filter Type Long Baseline

Tropospheric Delay TZD

Inter-Chnnel-Bias On (Constant)

Stochastic Model (Measurement) Empirical

Reference(Rover) Position 설정

General Option

Rover Option

실험 : 중기선(Medium Baseline) 측위

46

39 km Baseline 테스트

1 2 3 4 5 6 7 8

x 104

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

time (sec)

RT

ZD

(m

)

RTZD Estimate (39km baseline)

Float

Integer

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

x 104

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

time (sec)

# o

f S

at.

Number of Satellites

Total

Widelane

L1

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24

실험 : 중기선(Medium Baseline) 측위

47

87km Baseline 테스트

1 2 3 4 5 6 7 8

x 104

-1

-0.5

0

0.5

1ECEF XYZ Error & Standard deviation

GPS Time (sec)

Err

or (m

)

X

Y

Z

std X

std Y

std Z

실험 : 대류권 및 전리층 지연 보정데이터 생성

48

파주 (국지원) – 수원 (국지원)

(59km)

수원 (국지원) – 춘천 (NDGPS)

(98km)

춘천 (NDGPS) – 파주 (국지원)

(90km)

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25

채널간 편이를 고려한 미지정수 결정 전략

49

Baseline, DCB, ICB, N

EKF

Fixed/Float Solution

RTK Procedure

Float N (G/R) ICB

Residual Based ICB Search

GPS/GLONASS Measurements

Ref. Rov.

Fixed N (G/R)

AR (GPS/GLONASS)

Float N (R) ICB

Residual Based ICB Search

Fixed N (G) Baseline Float N (R)

AR (GPS only)

Fixed N (G/R)

AR (GPS/GLONASS)

No

No

Yes

Yes

채널간 편이를 고려한 영기저선 정적 실험 (1/3)

50

실험 개형

Trimble NetR5

NovAtel DL-V3

Splitter

Choke Ring Antenna

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26

채널간 편이를 고려한 영기저선 정적 실험 (2/3)

51

실험 조건 Sampling rate : 10 sec.

Mask Angle : 10 deg.

Processing Mode : Kinematic mode

Measurements : L1 Code & Phase

Ambiguity Resolution : Threshold=3, Single-epoch AR

Zero Baseline Experiment Results (Float Solution)

채널간 편이를 고려한 영기저선 정적 실험 (3/3)

52

Zero Baseline Experiment Results (Fixed Solution)

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27

채널간 편이를 고려한 단기저선 동적 실험 (1/2)

53

실험 조건 Reference Receiver

Trimble NetR5 : Dual-Frequency

Rover Receiver

NovAtel DL-V3 : Dual-Frequency

Mask angle : 10 deg.

Sampling rate : 1 sec.

Processing mode : Kinematic mode

Measurements : L1 Code & Phase

Maximum Baseline : 430 m

Ambiguity Resolution Threshold of Ratio: 3

Validation: residual test, ratio-test

Duration of multiple-epoch validation: 5 epochs

채널간 편이를 고려한 단기저선 동적 실험 (2/2)

54

Short Baseline Kinematic Experiment Results (Fixed Solution & ICB)

Fix Rate: 97.8%

Fix Rate: 0.0%

실험 결과

2012-10-29

28

결론 및 향후 연구 방향

Findings (1/3)

56

고려사항

실시간성(real-time capability)

시간지연 없이 전리층, 주파수편이, 채널간 편이을 분리 추정하는 것이 바

람직함

모듈화(modularity) 및 다중화의 편의성(ease of redundancy)

고장을 대비하여 간편하게 다중화할 수 있는 특성이 바람직함

자율성(autonomy)

외부 보조 정보에 의존하지 않고 자체적으로 전리층, 주파수편이, 채널간

편이을 추정하는 것이 바람직함 (ex: IGS 정밀궤도력, IGS 전리층 정보,

MSAS 전리층 정보 등)

자율적으로 생성된 전리층 정보와 외부 보조 정보를 융합할 경우 추가적인

성능의 향상을 얻을 수 있음

2012-10-29

29

Findings (2/3)

57

주파수간 편이, 채널간 편이

전리층지연의 절대값을 추정하고자 할 경우 주파수간 편이와 채널

간 편이의 분리 추정은 필수적임

전리층지연의 상대값과 RTK를 고려할 경우 GPS 주파수간 편이는

이중차분에 의하여 효과적으로 제거 가능

반면, GLONASS 채널간 편이는 이중차분에 의하여 제거되지 않으

므로 별도의 고려 필요

Findings (3/3)

58

거리영역 평활화, 상태변수영역 평활화, Phase-Leveling

단순한 거리영역 평활화는 전리층 지연 추정의 정밀도를 향상시킬

수 있으나 가관측성 향상에 기여하지 않으므로 주파수간/채널간 편

이의 분리 추정에 도움이 되지 않음

Phase-leveling은 거리영역 평활화에 비하여 정밀도를 극대화 할 수

있으나 거리영역 평활화의 경우와 마찬가지로 가관측성 향상과 실

시간 구현에 난점이 있음

상태변수영역 평활화는 정밀도(평활화)와 정확도(가관측성)를 동시

에 향상할 수 있음을 확인함

2012-10-29

30

결론

59

넓은 영역에서의 전리층의 활발한 운동에 의하여 유기되는 비정상적 전리층지연 분

포를 제한된 차수의 기저함수로 모델링 하기에는 난점이 있음

GPS와 GLONASS를 포함한 다중신호원을 활용하여 전리층 지연을 추정하고자 할

경우 전리층 지연, 주파수간 편이, 그리고 채널간 편이 등 분리 추정해야 할 상태변

수가 많음

수신기/위성 혼합 주파수간 편이, 수신기/위성 혼합 채널간 편이, 그리고 수직 전리

층 지연은 단일 수신기 만을 활용하여도 이론적으로 분리 추정이 가능함

상시관측소 인프라를 활용하여 측정점의 개수를 늘리는 경우 전리층지연 추정의 정

확도와 정밀도를 동시에 향상시킬 수 있음

향후 보완 방향

60

기존의 중앙집중형 전리층 추정 방식의 보완 개선

보완 개선된 중앙집중형 방식과 과 분산형 방식의 전리층 추정 성능/특성 비교

전리층 지연 추정 정밀도의 향상과 자율성 보장을 위해서는 IGS 정밀궤도력에

의존하지 않고 100 km 이상 장기저선에 대하여 안정적인 미지정수 결정 필요

실시간 구현 후 장기간의 시험운영을 통하여 신뢰성 있는 통계적 성능지표의

추출이 필요함

2012-10-29

31

경청해 주셔서 감사합니다

61