연구 2011-01 GPS 측량효율성향상방안연구 Network-RTK 사용확대를위한인프라확장및측량장비통합 박병운, 차득기, 이종민, 이현숙
연구요약 연구요약 Ⅰ. 개요 1. 배경 GPS 측량 : 현전자평판을대체할수있는기술로제안. 정적측위방식이주로사용 측량 수로조사및지적에관한법률 제 6조에따라 2010 년부터세계측지계사용이시작. 2021 년이후전분야에의무화 GPS-RTK 기술은기존측량방식의정확도를유지하면서예산을 20-30% 절감할수있을것으로전망 (KDI 2010 보고서 ) 2. 범위및목적 연구범위 - GPS 측량기술중가장효율적인 Network RTK 분야로한정 - Network RTK 구성요소중기준국인프라와사용자장비로나누어연구수행 - Network RTK 인프라 : 네트워크내보정정보생성, 사용자수 - 사용자장비 : Network RTK용장비구성, 임야측량시스템 연구목적 - 보정정보생성가용지역확대 - 단방향 Network RTK 구현을통한동시접속자수확대 - Tablet PC 기반 Network RTK 장비통합 - 스마트폴을이용한임야측량시스템고도화 i
GPS 측량효율성향상방안연구 Ⅱ. Network RTK 측량작업현황 1. GPS 를이용한측량작업현황및장애요인 2001년 GPS에의한지적측량규정 제정을통해기초측량에도입하여활용 위성신호의한계로여러가지제약조건들로인해어려움이동반됨 현재지적삼각점과삼각보조점측량등대부분의 GNSS 측량은정지측량방법에의하며, 위성측위환경이양호한경지정리및일부확정측량수행시 RTK에의한도근측량이수행되고있음 세부측량에위성측위활용이미비한요인으로는낮은 GPS 장비보급률, 장비구성의복잡성, 보정정보전송용통신매체의한계, 전용 S/W와세부규정부재로인한성과결정방식의상이함등이있음 2. Network RTK GPS 측량현황 기초측량 : 일반적인 RTK 측량은정지측량에비해정확도가떨어져주로현황측량에만이용되었으나, 최근지적기준점에이용하기위한다양한연구가수행되고있음 세부측량 : 기술적인한계보다는좌표변환문제, 작업규정의부재등제도적문제로인해활용도가거의없는실정이나, 2010년개정된 공공측량작업규정 에 Network RTK 가추가되어활용가능성이열렸으며향후연구및규정제정을통해도입될것으로예상됨. ii
연구요약 Ⅲ. GPS 측량장비통합시스템 1. 기존 Network RTK 측량장비구성 Network RTK 측량을위해서는 RTK용 GPS 수신기, 휴대통신, 컨트롤러, 팬컴퓨터총 4개의장비가필요함 휴대폰등통신매체 : Network RTK 서버접속및보정정보수신 컨트롤러 : RTK 수신기와휴대폰의연결및제어, 성과입력기능 팬컴퓨터 : 측량성과입력용 2. Tablet PC 기반측량장비통합 장비운용을위해서는 4개장비의각각의특성과사용법에대한이해, 운반, 유지 / 관리가필요함. Network RTK 측량을위해작업자는 4개장비의전원을각각인가하고, 장비간유선혹은무선으로결속한후, 연결명령을내리는준비과정이필요. Network RTK의 4기장비중어느하나의장비라도베터리방전, 장비간결속해제의문제발생시측량자체가불가능하므로, 세심한주의가필요. 장비별로컨트롤러사용방법이다르므로, 새로운장비또는새로운회사의장비도입시재교육필요. Tablet PC의경우외부장비와의무선연결이용이하고, 연산기능이있어데이터처리가가능, 터치패드와같은사용자친화 UI 보유, 휴대통신기능으로실시간보정정보수신가능 따라서 Network RTK 측량에필요한주변장비인컨트롤러, 휴대전화, 현장용팬컴퓨터를태블릿 PC로통합가능. iii
GPS 측량효율성향상방안연구 Ⅳ. Network RTK 보정정보 1. Network RTK 구성 단일기준국 RTK의사용범위가기준국을중심으로약 10km 이내로한정된단점을극복하기위하여기준국간 Network 를통해인프라를효율적으로구성. VRS(Virtual Reference Station), FKP(Flächen-Korrektur-Parameter), MAC(Master-Auxiliary Concept) 등이대표적인 Network RTK 방식. GNSS 기준국, 네트워크용소프트웨어, 보정정보전송용통신매체, 이동국으로구성됨. 2. Network RTK 보정정보현황및특성 VRS : 사용자의대략적인위치를서버로전송하면, 서버에서해당위치에적합한보정정보를생성하여사용자에전달함. 양방향통신이필수적이며, RTCM v2 MT18/19, 20/21, RTCM v3 MT1001-1004가대표적인보정정보프로토콜 FKP : 일정지역내의오차성분의경향을면으로가정하여전리층과비전리층오차의위 경도구배를보정정보에포함시켜사용자에전달함. 단방향통신에적합하나측위정확도가서비스제공자에의해결정되며, 표준화검토중인프로토콜 MAC : 주기준국과부기준국간전리층 비전리층오차성분의차이를사용자에게전달함. 단방향통신에적합하고사용자가주도적으로자신의정확도를결정할수있으나, 기준국수가많아지면데이터전송량이늘어남. RTCM v3의 MT 1015-1017로표준화되어사용됨. 3. Network RTK 보정정보대체프로토콜개요및특성 측정치기반형의 RTK 보정정보와달리보정치기반형의 RTK 보정정보는그변화량이작고선형적이므로시간지연보상이용이 iv
연구요약 2002년제안된 SNUR-2000 v2.2는 2011년 RTCM SC-104 Committee에서 Proprietary Message인 MT 4081로할당되어테스트할수있도록승인 2005년연구에따르면 SNUR-2000은 500bps 저속통신환경에서도추가적인시간지연오차가 1cm 수준으로보상성능이우수한것으로확인됨 Ⅴ. 단방향 Network RTK 인프라구축 1. Network RTK 국내인프라현황 현재국토지리정보원은전국을대상으로, 서울시는서울을대상으로인프라를구축하여 VRS 기반의 Network RTK 서비스를실시중. 두기관모두양방향통신이필요한 VRS 기반의서비스를운영중이므로동시접속자수에한계가있음. 현재대한지적공사에서보유중인 Network RTK 가용장비는약 150대수준으로 GPS 와 GLONASS 를동시에측위할수있는기종임 현재운영중인인프라로는대한지적공사전체가용수신기의동시측량이어렵고, 향후지적재조사로인해그수가증대될것에대한고려가필요함. 2. Network RTK 테스트베드구축 Network RTK 인프라에대한다양한시험평가시접근성을고려하여서울경기인근을테스트베드로선정 해당지역에서 Network RTK 성능을극대화시킬수있는지점을다각도로선점 ( 기준국구축조건검토, 해당지점방문을통한가시성등조건확인 ) 인천강화지사, 경기포천지사, 경기용인지사, 인천영흥도수자원연구소를 GPS 관측소로선정하여구축함 v
GPS 측량효율성향상방안연구 사용된장비는 Trimble NetR9 수신기와 Zephyer Geodetic II antenna 이며, 선정된관측소건물의벽면에부착형으로구축함. 기준국간 Network, Network RTK 보정정보생성, 기준국감시용소프트웨어로 Leica SpiderNet 구축 VRS, FKP, MAC, i-max 등다양한보정정보생성 Mount Point 를구현하여서비스함. 특히 Ntrip 방식이아닌 TCP/IP 기반으로 MAC 보정정보를전송할수있도록구현하여, 단방향통신기반의 Network RTK 서비스를제공함. Stream Transcoder 모듈을포함시켜기존 RTCM 보정메시지뿐아니라, Proprietary message인 MT4081도변환가능함. Ⅵ. 임야측량장비성능고도화 인코더는기계적인이동량또는변위를검출하여전기적신호로변환시키는광센서로이를 GPS 측량용폴에삽입함으로써폴의회전각측정가능 GPS 측량용폴에거리측거가가능한디스토를부착하여폴과타겟사이의거리측정가능 인코더와디스토를결합함으로써간이형토탈인스마트폴을제작하여임야측량활용가능성을테스트함. Ⅶ. Network RTK 측량용 S/W 개발 GNSS 파트와스마트폴파트로나뉘어인터페이스제공, CAD 등의통일된결과물제공 GNSS 수신기와인코더는시리얼통신으로연결. NtripCaster 로부터 TCP/IP 로보정정보수신 CIF 형태의도면불러오기와측량결과의도면상도시, 결과의텍스트출력가능 vi
연구요약 Ⅷ. Network RTK 성능평가 1. 기준국인프라성능평가 TEQC 를이용한데이터품질분석결과 4 개의모든사이트에서데이터취득률이 99% 이상, cycle slip 수도하루 4 회이하의우수한성능이확인됨 2. 보정정보및사용자성능평가 실내정적측위결과기존인프라와초기화시간, 좌표산출성능면에서동등한성능이도출됨을확인함. 여의도샛강공원내실외현장테스트결과, 타인프라와의수평성과차이가최대 3cm, 평균 0.4cm, 표준편차 2.1cm 수준으로성능이동등함을증명함. 양방향 VRS와단방향 MAC 의비교결과수평평가좌표차이가최대 5cm, 평균 0.7cm, 표준편차 2.8cm 수준으로단방향 MAC 이양방향 VRS를대체가능함. 기존인프라의망외지역인영종도측량결과, 해당시간에정확도의큰차이를찾기는어려웠으나, 초기고정해산출속도면에서지적연구원의인프라는 20초, 타인프라는 15분이상이소요되는등본연구를통해보정정보음영지역을효과적으로해소함을확인함. 3. Smart Pole 을이용한임야측량시스템성능평가 스마트폴과기존토탈스테이션의현장성능을비교한결과, 두시스템이약 50m 내에서 10cm 이내의오차를나타냄을확인함. 시준의어려움과디스토거리측정범위증대등의문제해결시임야측량시스템으로효과적일것으로기대됨. vii
GPS 측량효율성향상방안연구 Ⅸ. 결론 지적분야에서 Network RTK의적용을위해본연구에서는 Network RTK 인프라보완, 단방향 Network RTK 서비스, Tablet PC 기반의장비간소화, 스마트폴을이용한임야측량시스템고도화를제시함. 단방향 Network RTK 서비스를통해무한대의동시사용자에서비스를제공함으로써효과적인지적측량인프라로서역할을수행할수있고, 교통 위치기반서비스등새로운분야에의적용도가능하여미래사업창출에기여할것으로기대됨. Tablet PC 기반의장비간소화를통해측량업무의효율성과신뢰성을크게향상시킬수있으며, 장비구매비용을약 20~30% 절감할수있을것으로기대됨. 제작한스마트폴이용시위성가시성미확보지역에서 GNSS 측량보조수단으로활용가치가있으며임야측량시스템고도화에기여할것으로기대됨. 기존 Network RTK 인프라보유기관과대한지적공사가협업시, GNSS 실시간데이터와지사, 인력공유를통해인프라구축비용과유지관리비용을절감할수있고, 대한지적공사의현업적용가능성도높일수있으므로적극검토하여야함. viii
제 1 장 서론 제 1 절연구의목적 3 1. 연구배경 3 2. 연구범위와목적 4 제 2 장 Network RTK 측량작업현황 제1절 GPS 측량작업의국외현황 9 1. 유럽의 Network-RTK 구축및활용현황 9 2. 북미의 Network-RTK 구축및활용현황 10 제2절 GPS를이용한측량작업현황및장애요인 12 1. 지적측량적용현황 12 2. GPS에의한지적세부측량장애요인 13 제3절 Network-RTK GPS 측량현황 17 1. 기초측량 17 2. 세부측량 18 제 3 장 Network RTK 측량장비통합시스템 제 1 절기존 Network RTK 측량장비구성 21
제2절 Tablet PC 기반측량장비통합 22 1. Tablet PC 개요 23 2. I-pad 26 3. Android 기반 27 4. Window Phone 7 29 제 4 장 Network RTK 보정정보 제1절 Network RTK 개요 35 1. 단일기준국 RTK의한계 35 2. Network RTK의도래및개요 36 제2절 Network RTK 시스템구성 38 1. Network RTK 구성 38 2. Network RTK data 처리과정 39 제3절 Network RTK 보정정보현황및특성 42 1. VRS (Virtual Reference Station) 42 2. FKP (Flächen-Korrektur-Parameter) 46 3. MAC (Master-Auxiliary Correction) 50 제4절 Network RTK 보정정보대체프로토콜개요및특성 59 1. RTCM 보정정보개요 59 2. 반송파위상보정메시지 62 3. 코드위상보정메시지 64 4. Compact RTK 성능 65
제 5 장 단방향 Network RTK 인프라구축 제1절 Network RTK 국내인프라현황 71 1. 국토지리정보원 VRS 서비스 71 2. 서울시 Network-RTK 서비스 73 제2절 Network RTK 테스트베드지역선정 74 제3절기준국장비구성 76 1. 기준국장비구성 76 제4절 GPS 기준국구축 78 1. 기준국구축을위한준비연구 78 2. GPS 기준국설계 88 3. GPS 안테나마운트및기준국구축 91 제5절 Network RTK 서버구축 99 1. Network RTK 보정정보생성및감시 S/W 99 2. Network RTK S/W 시스템설정및운영 105 3. 보정정보생성용모듈개발 114 4. Network RTK 서비스구현 115
제 6 장 임야측량장비성능고도화 제1절인코더를이용한각측정개요 121 1. 인코더를이용한각측정개요 121 제2절인코더를이용한 Smart Pole 개발및제작 123 1. Smart Pole 123 2. 장비구성 124 3. 스마트폴의위치결정원리 128 제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 제1절 Network RTK 측량용 S/W 개요 135 제2절 Network RTK 측량용 S/W 구조 138 1. 프로그램파트구조 138 2. 연결부 139 3. 파싱부 140 4. 관리부 140 5. 인터페이스 141 제3절 Network RTK 측량용 S/W 기능별구현 142 1. NTRIP Client 142 2. RTK 출력 149
제4절 Network RTK 측량용 S/W 사용자인터페이스 154 1. 장비연결 154 2. GPS 측량관련 155 3. GPS 출력관련 156 4. CAD 관련 158 5. 기타 158 제 8 장 Network RTK 성능평가 제1절기준국인프라성능평가 161 1. 기준국사이트품질분석 161 2. 지적연구원데이터품질분석 166 제2절보정정보및사용자성능평가 168 1. 실내정점테스트 168 2. 실외현장테스트 170 제3절 Smart Pole을이용한임야측량시스템성능평가 178 1. 실내실험 178 2. 실외실험 179
제 9 장결론 제1절연구결과 185 제2절기대효과및활용방안 187 제3절향후과제 188 제4절제언 189 [ 참고문헌 ] 191 [ 부록 ] [ 부록 1] Trimble NetR9 사용매뉴얼 195 [ 부록 2] GPS 상시관측소평가항목 219
표목차 < 표 1-1> Total Station 과 GPS 의정확도효용성비교 (KDI, 2010: 118) 4 < 표 2-1> Network-RTK 구축현황 9 < 표 3-1> Apple I-pad 세부규격 27 < 표 3-2> Galaxy Tab 세부규격 28 < 표 4-1> VRS 보정정보메시지크기 46 < 표 4-2> MT 1014 메시지프로토콜 57 < 표 4-3> MT 1015,1016,1017 메시지헤더 58 < 표 4-4> MAC 전리층관련오차 (MT 1015) 프로토콜 58 < 표 4-5> MAC 기하학적오차 (MT 1016) 프로토콜 58 < 표 4-6> 혼합형 MAC 보정정보 (MT 1017) 프로토콜 59 < 표 4-7> SNUR-2000 v2.2 MT131 header 62 < 표 4-8> SNUR-2000 v2.2 MT 131 (L1부분) 63 < 표 4-9> SNUR-2000 v2.2 MT 131 (L2부분) 63 < 표 4-10> SNUR-2000 v2.2 MT 131 (Extended) 64 < 표 4-11> SNUR-2000 v2.2 MT 132 65 < 표 4-12> SNUR-2000 v2.2 MT 132 (Extended) 65 < 표 4-13> 보정정보별통신매체요구사항 66 < 표 4-14> SNUR-2000 수평, 수직오차 (RMS) ( 김정한, 2005) 67 < 표 5-1> 국토지리정보원 VRS 보정정보 Type 및사용자배분 72
< 표 5-2> 서울시 Network RTK 보정정보별최대접속자수 74 < 표 5-3> 기준국관련용어정의 79 < 표 5-4> 설치건물안정성점검표 85 < 표 5-5> 영흥도기준국후보지 87 < 표 5-6> 기준국설치기준점검표 89 < 표 5-7> 주요공사내역 92 < 표 5-8> 기준국공사상세과정 ( 예 : 포천지사 ) 93 < 표 5-9> 기준국구축완료전경 94 < 표 5-10> 지적연구원설치전경 95 < 표 5-11> 기준국별수신기설치랙 95 < 표 5-12> 기준국별원격접속사이트 96 < 표 5-13> 기준국설치공사검수 97 < 표 5-14> SpiderNet을이용한다양한서버구현방법 102 < 표 5-15> 안테나설정 (Trimble Zephyr Geodtic2) 106 < 표 5-16> 기준국의위치 106 < 표 5-17> SpiderNet RT Product 116 < 표 6-1> Encoder 규격 125 < 표 6-2> 디스토세부규격 126 < 표 6-3> RTK-GPS (Trimble R6) 126 < 표 6-4> 타블렛 PC 세부사양 127 < 표 6-5> TM 투영식 129 < 표 6-6> Affine 변환식 131 < 표 7-1> 지적측량소프트웨어기능 137 < 표 7-2> GPS 스마트폴측량프로그램의주요기능 138 < 표 7-3> Ntrip 소스테이블상세항목 145
< 표 7-4> GPGGA 메시지구조및내용 150 < 표 7-5> GPGSV 메시지구조및내용 152 < 표 7-6> GPGSA 메시지구조및내용 153 < 표 8-1> QC 결과 (2011년 7월 13일 ) 162 < 표 8-2> QC 결과 (2011년 8월 8일 ) 162 < 표 8-3> QC2SKY 결과 ( 용인, 포천 ) 164 < 표 8-4> QC2SKY 결과 ( 강화, 영흥도 ) 165 < 표 8-5> 지적연구원품질평가 166 < 표 8-6> 지적연구원 QC2SKY 결과 167 < 표 8-7> 보정정보수신인프라별 RTK 좌표산출결과 169 < 표 8-8> 보정정보인프라및방식별 Network RTK 측량결과 ( 여의도 ) 172 < 표 8-9> 보정정보인프라및방식간결과차이 ( 여의도 ) 173 < 표 8-10> 보정정보인프라및방식별 Network RTK 측량결과 ( 영종도 ) 174 오전 11:30-오후2:00 174 < 표 8-11> 보정정보인프라및방식간결과차이 ( 영종도 ) 오전 11:30-오후2:00 175 < 표 8-12> 보정정보인프라및방식별 Network RTK 측량결과 ( 영종도 ) 176 오후 2:00-오후4:00 176 < 표 8-13> 보정정보인프라및방식간결과차이 ( 영종도 ) 오전 2:00-오후 4:00 177 < 표 8-14> 스마트폴실내실험관측부 179 < 표 8-15> 스마트폴실내실험결과 179 < 표 8-16> 스마트폴실외실험관측부 181 < 표 8-17> 스마트폴실외실험계산부 181
그림목차 < 그림 1-1> GPS 측량효율성향상방안연구범위및목표 5 < 그림 2-1> 라이카의 MAC 방식 ( 좌 ) 과트림블의 VRS( 우 ) 서비스영역 10 < 그림 2-2> GPS측량의정확도규정 11 < 그림 2-3> 다중경로오차 ( 좌 ) 와불리한상공시계 ( 우 ) 12 < 그림 2-4> 아이폰도입이후데이터트래픽증가 15 < 그림 3-1> 기존 Network RTK rover 측량장비구성 22 < 그림 3-2> Tablet PC 기반측량장비통합개념도 23 < 그림 3-3> 삼성전자가 2006년에선보인 UMPC 24 < 그림 3-4> 태블릿 PC의기능 25 < 그림 3-5> I-pad와타기종간의 Tablet PC 시장배분예상 26 < 그림 3-6> I-pad 외관 26 < 그림 3-7> Galaxy Tab 외관 28 < 그림 3-8> 윈도우 7이적용된삼성옴니아 7의모습 30 < 그림 4-1> RTK-GPS 구성도 36 < 그림 4-2> Network RTK 개념 37 < 그림 4-3> Network RTK 시스템구성도 38 < 그림 4-4> Network RTK 데이터프로세스과정 40 < 그림 4-5> 각 Network RTK 방식별처리단계 41 < 그림 4-6> VRS 데이터처리흐름도 43 < 그림 4-7> RTCM v2.3 MT18( 좌 )/ 19( 우 ) 44 xviii
< 그림 4-8> RTCM v2.3 MT20( 좌 )/ 21( 우 ) 45 < 그림 4-9> RTCM v3 MT 1003( 좌 )/1004( 우 ) 45 < 그림 4-10> FKP 면보정방식 46 < 그림 4-11> RTCM v 2.x MT 59에서활용가능한 FKP 프로토콜 49 < 그림 4-12> RTCM v3.x MT 1034에서검토중인 FKP 프로토콜 49 < 그림 4-13> MAC 방식기본개념도 50 < 그림 4-14> MAC 방식보정정보모델링 51 < 그림 4-15> 기준국수및전송주기에따른 MAC 보정정보 bandwidth 57 < 그림 4-16> 보정치의선형성정도에따른시간지연오차 60 < 그림 4-17> RTCM Proprietary message 승인서신 61 < 그림 4-18> SNUR-2000 적용결과 ( 좌 : 수평오차, 우 : 수직오차 ) ( 김정한, 2005) 67 < 그림 5-1> 국토지리정보원 VRS 상시관측소및분포 71 < 그림 5-2> 서울시 Network RTK 상시관측소및분포 73 < 그림 5-3> Network-RTK 기준국위치선정을위한절차도 75 < 그림 5-4> Zephyr Geodetic II 안테나 ( 좌 ) 와 Radoome ( 우 ) 78 < 그림 5-5> Network-RTK 기준국위치선정을위한절차 80 < 그림 5-6> 각각의상시관측소설치상황 ( 측면부착형타입 : 상단우측 ) 82 < 그림 5-7> 설치후보지고려 84 < 그림 5-8> 옥상조망 ( 경기포천시지사 ) 85 < 그림 5-9> 주변건물에의한수직고도 ( 규정 15도이상 ) 장애유무확인 86 < 그림 5-10> 기준국네트워크구성최종도출 88 < 그림 5-11> 기준국필라설계도면 90 < 그림 5-12> 측면에부착할사다리설계도면 90 < 그림 5-13> 영흥도외 3곳에설치된 Trimble Net R9과 Zephyr안테나 91 < 그림 5-14> 좌측 : GNSS 안테나, 우측 : GNSS 수신기및통신장비랙 97 < 그림 5-15> 검수조서 ( 예 : 포천 ) 99
< 그림 5-16> GPS SpiderNet 구성 100 < 그림 5-17> Leica SpiderQC 품질리포트 103 < 그림 5-18> SNR 분석 ( 좌 : 앙각과의상관관계, 우 : sky plot) 104 < 그림 5-19> Multipath 분석 ( 좌 : 위성앙각과의상관관계, 중 : 시간경향성, 우 : sky plot) 104 < 그림 5-20> TEC 분포 105 < 그림 5-21> 수신기웹인터페이스 (Trimble NetR9) 105 < 그림 5-22> 기준국과의통신설정 107 < 그림 5-23> 기준국의명칭및코드설정 107 < 그림 5-24> 기준국의좌표설정 108 < 그림 5-25> Rinex 파일헤더설정 108 < 그림 5-26> 기준국연결및데이터송수신 109 < 그림 5-27> GPS기준국의위성배치현황 109 < 그림 5-28> 저장파일의속성설정 110 < 그림 5-29> Observation 파일설정 110 < 그림 5-30> 로컬네트워크서버 (Map View) 111 < 그림 5-31> 로컬네트워크서버설정 (Net Configuration) 111 < 그림 5-32> 보정정보프로세싱리스트 (RT Product) 112 < 그림 5-33> 보정정보세부설정 112 < 그림 5-34> 보정정보생성 113 < 그림 5-35> TranscodeStream의작업 114 < 그림 6-1> 로터리인코더의형식 121 < 그림 6-2> 인코더의측정부및구조 122 < 그림 6-3> 인코더출력파형 122 < 그림 6-4> 스마트폴개념도 123 < 그림 6-5> 스마트폴의인코더부분 124 < 그림 6-6> 타블렛 PC(Getac E100) 127
< 그림 6-7> 평면직각좌표계와극좌표계 128 < 그림 6-8> 좌표계변환 128 < 그림 6-9> GPS측위지적세부측량적용모델 130 < 그림 6-10> 2차원변환 131 < 그림 7-1> RTK/Smart-Pole 측량용 S/W 동작화면 (GPS 부분 ) 135 < 그림 7-2> GPS 스마트폴측량프로그램 136 < 그림 7-3> RTK/Smart-pole 측량용 S/W 프로그램구조 139 < 그림 7-4> Ntrip 서비스구성도 143 < 그림 7-5> 장비연결 Dialog 154 < 그림 7-6> GPS측량본화면메뉴 155 < 그림 7-7> 위성위치그래프 156 < 그림 7-8> 위성감도그래프 157 < 그림 7-9> GPS 궤적그래프 ( 좌 : 수평, 우 : 수직 ) 157 < 그림 7-10> CAD 관련아이콘 158 < 그림 7-11> 사용자인증입력및저장대화상자 158 < 그림 8-1> GNSS Repeater를이용한실시간성능비교 168 < 그림 8-2> Network RTK 성능평가현장 ( 좌 : 여의도샛강, 우 : 영종도레저복합단지 ) 170 < 그림 8-3> 스마트폴실내실험장면 178 < 그림 8-4> 스마트폴실내실험구성도 178 < 그림 8-5> 스마트폴실외실험장면 180 < 그림 8-6> 스마트폴실외실험측정점 180 < 그림 8-7> 거리에따른오차량 182
서론 제 1 장
제 1 장서론 제 1 장서론 제 1 절 연구의목적 1. 연구배경 과거지적측량은일부지역수치측량을제외하고는대부분종이도면에필지의위치정보를제도하는평판측량이주를이루었다. 그러나 2005년지적도면의전산화작업이이루어지고, 전산화환경에걸맞게지적세부측량방법역시기존아날로그식의평판측량방법에서디지털화된전자평판측량방법으로모두전환하였다. 기술의고도화와함께전자평판을대체할수있는기술이제안되고있는데, 대표적인측량방식이 GPS(Global Positioning System) 이다. GPS 측량은이미그정확성이입증되어정지 (static) 측량을활용한기초측량에서는이미실용화되어지적실무에이용되고있다. 그러나정지측량의경우장시간데이터를수신하고 4-5기 1조로운영되므로전자평판과는성격이다르다고할수있고, 이를대체하기에는비효율적이다. 기존기초측량뿐아니라최근세부측량에서도 GPS를활용한연구가활발하게진행중이다. 특히 측량 수로조사및지적에관한법률 제 6조에따라 2010년부터세계측지계가적용되고있으며, 2021년이후에는지적측량전분야에서의무화됨에따라, 직접적인세계측지계성과도출이가능한 GPS의활용은점차확대될전망이다. 현재의전자평판시스템을보완혹은대체할수있는 GPS 기술로는 RTK-GPS 가가장현실적이며, KDI 보고서에따르면 GPS-RTK 시스템이정확도는유지하면서기존방식의예산은 20-30% 로줄일수있을것으로전망했다. 3
GPS 측량효율성향상방안연구 정확도 효율성 < 표 1-1> Total Station 과 GPS 의정확도효용성비교 (KDI, 2010: 118) 구분 Total Station GPS-RTK 비교 차원 1,2차원 3차원 좌표계 장비중심상대좌표계 세계좌표계 관측기선 상호관측기선이가시구역내위치 상공으로위성을추적할수있는공간 측량조건 기상조건에좌우기상영향상대적작음일광시간으로제약 24시간관측가능 관측시간 60분 30분 소요인원 2~4인 1조 1인시스템가능 소요예산 현행방식의 20~30% 고도각 10~15 도 이상과같이측지계등의세계적인흐름과경제성면에서 RTK-GPS 방식의기술의현실화가시급한실정이나, 이를현장에적용하기위해서는법제도와현장적용가능성, 실제작업자의효율성등이고려되어야한다. 이에본연구에서는 GPS 측량의효율성을향상시킬수있는방안에대한모색을하고자하며특히기술적인부분에집중하여연구하고자한다. 2. 연구범위와목적 앞서언급한바와같이본연구는 GPS 측량의효율성을향상시킬수있는기술적인방안모색을그목표로한다. 일반적으로 GPS-RTK 측량의대부분의업무는측량자에부여되므로현장의업무로드를줄이는것이가장시급하다고할수있다. GPS-RTK 에흔히활용되는단일기준국 RTK에서필수적인기준국구축의경우추가적인장비가필요하고정확한좌표를알고있는점을선점해야하는등작업준비절차가실제작업량에비해과도하다. 따라서본연구에서는이러한준비과정을생략할수있는효율적인 Network RTK 시스템으로연구범위를한정하도록한다. 또한측량자의작업업무로드는인프라에따라결정되는경우가많으므로본연구에서는측량자의작업뿐아니라 Network RTK 인프라의효율성향상에관한연구도연구범위에포함하도록한다. 본연구에서효율성을향상시키고자하는 Network RTK 서비스로는현재국토지리정보 4
제 1 장서론 원과서울시의 VRS 서비스가대표적이며, 대부분원활한서비스가제공되나일부보고되는문제로보정정보신호가수신되지못하거나동시접속자수가많아서측량작업이불가혹은지연되는사례가있었다. 그리고기준국망구성에의하면기준국네트워크내에포함되지않는지역에서의 RTK 성과는기타지역에비해떨어지는문제가있을수있다. 또한모든 GPS 측량의고유한문제인임야측량시스템의부재역시기존인프라에서해결해야하는과제이다. 측량자의측면에서는장비의복잡함과친숙하지않음, 접속의용이하지못함이가장큰장애요소로판단되었다. 따라서본연구는보정정보생성 / 전송지역의확대, 임야측량시스템활용기반제공을 Network RTK 인프라강화의세부목표로하고, 동시작업자확대를통한보정정보수신원활, 측량장비간소화및 smart work 를측량작업자의효율적인작업수행의세부목표로규정하였다. 보정정보생성지역확대를위해기준국구축을통해기존 VRS 미지원지역을해소하고, GPS 작업지역확대를위해임야측량시스템을고도화하는것을 Network RTK 인프라강화의연구범위로삼는다. 측량작업자의효율적인작업수행을위한연구범위에는동시접속자수확대를위해 Network RTK 인프라와연계하여단방향통신에적합한소프트웨어및알고리즘구현과장비간소화와 smart work 와의연계를위한 Smart Pad 기반의장비통합이포함된다. < 그림 1-1> GPS 측량효율성향상방안연구범위및목표 5
Network RTK 측량작업현황 제 2 장
제 2 장 Network RTK 측량작업현황 제 2 장 Network RTK 측량작업현황 제 1 절 GPS 측량작업의국외현황 1. 유럽의 Network-RTK 구축및활용현황 1) 구축현황 많은유럽국가에서는이미 Network-RTK 시스템이구축되어운영되고있으며 GPS 후처 리서비스와인터넷을이용한데이터다운로드등의사용자서비스를제공하고있다. < 표 2-1> Network-RTK 구축현황 국가별좌표계상시관측소 MAC i-mac FKP VRS 후처리서비스 Web Service 영국 OSGB36 130 독일 ETRS89 200 이탈리아 ETRF89 149 스웨덴 ETRS89 233 노르웨이 Euref89 71 네덜란드 RDNAP 40 슬로바키아 JTSK 19 그리스 GGRS87 44 덴마크 UTM 46 스위스 LV95 7 9
GPS 측량효율성향상방안연구 2. 북미의 Network-RTK 구축및활용현황 1) 구축현황미국은 CORS(Continuously Operation Reference System) 를이용하여일부주에서 Network-RTK 시스템을도입하여운영하고있다. 라이카사의 MAC/iMAC 방식과트림블사의 VRS 방식이공존하고있다. CORS 는우리나라의국가 GPS 상시관측소와같은개념이지만대륙국가의특성상 Netw ork-rtk 서비스를구축할수있을만큼의밀도로기준국을설치하고있지는못하다. 최근은일부의도시에서는자체적인 Netowk-RTK 를구축하여활용하고있으며라이카 (Leica) 사의 MAC방식과트림블 (Trimble) 사의 VRS방식이주로사용되고있다. < 그림 2-1> < 그림 2-1> 라이카의 MAC 방식 ( 좌 ) 과트림블의 VRS( 우 ) 서비스영역 2) 지적측량활용현황미국의지적측량은 PLSS(Public Land Survey System) 라는좌표계를기준으로수행된다. PLSS 시스템은미국의행정구역에해당하는타운십 (Township) 또는섹션 (Section) 단위로구분하여사용되는좌표계로정방형으로구분된타운십의모서리와종 횡선을기준으로필지의위치와방향이결정되어진다. 미국의지적측량은 1780년부터사용되어온거리와각을이용하는측량방법이 200년간 10
제 2 장 Network RTK 측량작업현황 사용되었으며 GPS측량이지적측량에도입된시기는 1980년대이다. 하지만다른좌표체계를사용하고있어지적측량을담당하고있는미토지관리국 (BLM : Bureau of Land Management) 과 PLSS좌표계를사용하고있는농무부 (U.S. Department of Agriculture) 에서는 GPS를사용하기위한표준작업규정을작성하였다. 1990년대후반에는 Fast Static방법과 RTK-GPS 측량이콜로라도, 와이오밍, 사우스다코다, 네브라스카주에도입되었으며 GPS측량을이용한지적측량의작업규정이주정부차원으로작성되었다. 2002년에서는 NGS(National Geodetic Survey) 와 U.S. Federal Geodetic Control Committee(FGDC) 의자문을거친작업규정이연방정부의승인을얻어 RTK-GPS 측량을미국공공지적측량에도입하였다. GPS측량의허용오차는 < 그림 2-2> 과같으며지역정확도 (Local Accuracy) 와네트워크정확도 (Network Accuracy) 로구분된다. 지역정확도는인접기준점또는관측점으로부터의상대적인오차이며네트워크정확도는연방지리정보원회 (FGDC) 의정확도표준과국가공간표준시스템 (NSRS : National Spatial Reference System) 과의관계를보이기위한정확도이다. < 그림 2-2> GPS 측량의정확도규정 11
GPS 측량효율성향상방안연구 제 2 절 GPS 를이용한측량작업현황및장애요인 1. 지적측량적용현황 위성측위기술은과거에비해그정확성과효율성이높아져측지 항법 건설 지구물리학 기상학등넓은분야에서중요한연구자료로이용되고있다. 지적분야의경우 2001년 GPS에의한지적측량규정 이제정되면서기초측량에위성측량방법을도입하여활용하고있다. 위성측량방법을이용하여기준점의위치를정확하게산출하기위해서는위성신호를안정적으로수신할수있는환경과오차를제거를위한 DGPS 기법이필수적이다. 따라서위의 2가지조건을만족시키지못하는경우에위성측량방법을적용할수없거나사용에제한이따르게된다. 지적측량의특성상인구가밀집되어있는도심지가농경지나삼림지역에비해상대적으로많은지적측량이수반되며이러한도심지는높은건물에의한상공시야확보의어려움과다중경로 (Multi-Path) 오차, 전파방해, 사이클슬립 (Cycle Slip) 등의이유로위성측량방법에어려움이따른다. < 그림 2-3> 다중경로오차 ( 좌 ) 와불리한상공시계 ( 우 ) 12
제 2 장 Network RTK 측량작업현황 지적삼각점및지적삼각보조점측량은대부분 GPS 를이용한정지측량방법으로수행되 며위성측위환경이양호한경지정리및일부확정측량수행시 RTK-GPS 를이용한도근측 량이수행되고있다. 2. GPS 에의한지적세부측량장애요인 지적측량중기초측량부분은 GPS를이용한정지측위 (Static Survey) 또는 RTK-GPS가보편화되어있으나세부측량에서의위성측위활용은아직까지미비한상황이다. 세부측량에서 GPS의활용이적은이유는일선현장에 GPS장비보급률이낮으며, 해당필지주변현황의확인및성과결정이어려움, 관계법령이체계적으로정비되지않고있음을들수있다. 1) 낮은 GPS 장비보급률 2009년기준대한지적공사의 GPS장비보유는약 280대이며이중기초측량의위한정지측량전용장비를제외하면세부측량에활용할수있는 RTK-GPS 또는 Network-RTK 장비는약 150여대에불과하다. 경지정리지역및도로분할과같은특수업무는상당부분 GPS를이용한측량의효율성이높기때문에현장수요에맞는장비보급이필요하다. 2) 장비구성의복잡성지상에서 20,000km 떨어진위성으로부터신호를수신하여위치를결정하는 GPS 측위원리의특성상위성가시성확보및보존을위해안테나를높이설치하는것이일반적이다. 또한정확도의향상을위해외부로부터보정정보를수신하여야하며지적측량에적합한소프트웨어를별도로사용하여야한다. 이때문에 GPS-RTK 또는 Network RTK를이용한지적측량을위해서는수신기와컨트롤러, 휴대폰또는모뎀과측량용노트북등의장비가필요하다. 이는기존토탈스테이션을이용한측량에비해장비의수가많고, 결속및조작방법이다소복잡하여그사용에어려움이있다. 13
GPS 측량효율성향상방안연구 3) 보정정보전송용통신매체의한계네트워크기술을포함한단말기등정보통신분야가빠르게발전하면서방송통신인프라에대한중요성은더욱커져가고있다. 특히, 스마트폰의보급 확산으로기존단순이메일전송이나음성통화등통신서비스에서벗어나유 무선인터넷을활용한생활정보검색, 전자결재, 온라인쇼핑및은행업무등우리일상생활곳곳에서활용되고있다. 2010년 7월한국인터넷진흥원이발표한 스마트폰이용실태조사결과 에서도사람들은스마트폰으로하루평균 1시간가량인터넷을이용하고있는것으로나타났고, KCC 보고자료에서는가정이나회사에서 2시간가량초고속인터넷을이용하여정보검색, 웹쇼핑, 생활정보검색, 금융거래및블로거등다양한서비스를이용하고있는것으로조사됐다. 한예로서, 이용자의관심이급증한우리생활에서인프라의중요성은더욱커질것으로예측했다. ( 김진철, 2010, pp 38-47) 가 ) 휴대폰인터넷국내에서 2006년경부터본격적으로 3G가보급되기시작함으로써이전의음성통신위주의시장에서데이터통신위주로시장이재편될가능성이열렸다. 하지만킬러앱의부족으로인해한동한데이터통신시장의확대가부진하다가비로소 2009년말부터스마트폰및앱시장의폭발과함께급속도로데이터통신정액요금제가입자가증가하게됐다. 현재국내에서주로사용하고있는 3G 방식은 WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) 계열의 HSPA (High Speed Packet Access) 인데, 업로드최대 384Kbps, 다운로드최대 14.4Mbps 의속도로데이터통신이가능하다. 올해하반기부터 HSPA+ 방식이보급됨에따라, 다운로드최대 21Mbps 의전송속도로데이터통신을할수있게됐다. 2G에서는데이터통신속도가느려서인터넷을하는데무리가있었지만, 3G부터는데이터통신속도가크게개선되면서과거 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 정도의속도로인터넷을할수있게되었다. 지금까지 VRS를이용한 RTK 측량에는대부분 2G CDMA 기반의데이터통신을사용하고있다. 본연구에서장비통합에고려하고있는태블릿기기들은기본적으로 3G와 wifi를지원 14
제 2 장 Network RTK 측량작업현황 하고있다. 와이파이지원에있어서, 대부분의태블릿들은 802.11n 방식을지원할것으로예상된다. 전송속도가 54Mbps 인 802.11g 방식에비해 802.11n 방식은표준상으로는최대 600Mbp를지원하고일반적으로 150~300Mbps의전송속도를제공한다. 이외에도와이브로망을사용하는태블릿의경우다운로드최대 37.44Mbps 의전송속도를지원하는데, 현시점에서와이파이 802.11g 방식보다는속도가느리지만 3G보다는빠른속도를제공한다. 그러나이상의 wifi와 wibro 는그서비스영역이매우제한적이며, 특히이동중안정적인서비스의제공은현실적으로어렵다. 본연구에서제시하는통합장비용태블릿 PC에서보편적으로활용이가능한 3G 무선데이터의경우, 언제어디서나이동중에도사용이가능하다는장점이있다. 그러나아이폰 (KT) 출시이후 2개월만에그트래픽이기존대비약 122 배가급증할만큼사용빈도가증가했고 ( 오마이뉴스, 2010), 2010 년도 CISCO 의글로벌 IP 트래픽보고서에따르면모바일데이터트래픽은매년 2배씩증가하여 2014 년에는약 39배로급증할것으로예측하고있다. < 그림 2-4> 아이폰도입이후데이터트래픽증가 이처럼 VRS 현장측량에서가장기본적으로활용이가능한 3G 데이터통신은그트래픽의증가를기존인프라가감당하지못하여생기는데이터지연과끊김현상을보완할필요가있다. 또한기존 CDMA 방식기반의 VRS 서비스와동일하게휴대통신음영지역에서의서비스도해결해야하는과제이다. 15
GPS 측량효율성향상방안연구 나 ) RF Modem RF Modem 송신기는전송하는자료를무선신호로변환하는라디오변조기, 이동국까지신호전달을위해세기를증폭시키는증폭기, 그리고안테나로구성된다. ( 이민석, 2006: 41-42) 일반적으로신호의세기가강하면신호를멀리까지보낼수있으나, 이를위해서는전파관리국의승인이필요하므로그사용이제한적이다. 현재지적측량을위해서는 450MHz~470MHz대의 4개 channel에대하여 2.35W 의송출력으로라디오모뎀이용이가능하나, 인근지역에서동일주파수사용시간섭현상으로사용이불가능하므로이에대한보완이필요하다. 4) 성과결정방식의상이함우리나라지적공부는 90% 이상도해지적으로등록되어있어해당필지의주변현황을측정하고이를전산파일형태의지적도면과비교하여 1필지의경계와면적을결정하는방식을취하고있다. GPS측량의경우세계측지계기반의좌표를지역측지계좌표로변환하여야하는불편함이있으며측량수행중변환계수의실시간결정과적용등지적세부측량에적합한기능을탑재한전용 S/W가없기때문에내업으로일필지의경계을확정할수있는일부지역에서만활용할수있는한계를가지고있다. 5) 세부규정부재지적측량은법에서정한절차와방법에따라행하여지는기속측량 ( 羈束測量 ) 으로측량사의자유의사개입이배제된측량이다. 따라서관계법령의존재와명확한규정이지적측량의수행에필수적인요소이다. 지적측량시행규칙 [2009. 12. 14] 제7조는 세부측량의방법으로위성기준점, 통합기준점, 지적기준점및경계점을기초로하여경위의측량방법, 평판측량방법, 위성측량방법및전자평판측량방법에따른다 라고규정되어있으나작업방법, 검사방법및성과품에관한세부사항이부재하여업무혼란및성과의일관성문제로인하여세부측량에는활용되고있지못한실정이다. 16
제 2 장 Network RTK 측량작업현황 제 3 절 Network-RTK GPS 측량현황 1. 기초측량 기초측량이란지적기준점을정하기위한측량으로지적측량시행규칙 [ 시행 2009. 12. 14] 에다음과같이규정하고있다. 제7조 ( 지적측량의방법등 ) 1 법제23조제 2항에따른지적측량의방법은다음각호의어느하나에따른다. 1. 지적삼각점측량 : 위성기준점, 통합기준점, 삼각점및지적삼각점을기초로하여경위의측량방법, 전파기또는광파기측량방법, 위성측량방법및국토해양부장관이승인한측량방법에따르되, 그계산은평균계산법이나망평균계산법에따를것 2. 지적삼각보조점측량 : 위성기준점, 통합기준점, 삼각점, 지적삼각점및지적삼각보조점을기초로하여경위의측량방법, 전파기또는광파기측량방법, 위성측량방법및국토해양부장관이승인한측량방법에따르되, 그계산은교회법 ( 交會法 ) 또는다각망도선법에따를것 3. 지적도근점측량 : 위성기준점, 통합기준점, 삼각점및지적기준점을기초로하여경위의측량방법, 전파기또는광파기측량방법, 위성측량방법및국토해양부장관이승인한측량방법에따르되, 그계산은도선법, 교회법및다각망도선법에따를것 측량방법은경위위를사용하는삼각측량법 (Triangulation) 과전파기 / 광파기, 위성측량을사용하는삼변측량법으로구분된다. 측량장비의발달은정확하고신속하게장거리측정을가능하게하였으며삼각측량에비해정확도가높고작업효율성이높은삼변측량이기준점의측량방법으로활성화되었다. RTK 측량은정지측량 (Static Survey) 에비해정확도가떨어져주로현황측량에주로이용되어왔으나지적기준점에 RTK-GPS 측량을이용하기위한다양한연구가수행되어왔다. RTK-GPS 측량방법으로 2대의기준국을사용하여교차측량으로성과가불량한점을제거하면정지측량성과와의편차가 dx=0.004m, dy=0.007m의정확도를얻을수있으며, 정지측량에비해서장비와인력의효율적인운영이가능하다 ( 박민호, 2007). 17
GPS 측량효율성향상방안연구 2. 세부측량 Netowrk-RTK 측량을이용한지적세부측량은아직까지활용되고있지않다. 그이유는작업규정의부재와서로다른좌표계의사용, 도해지적인가지고있는근원적인문제에기인한다. 서로다른측지계의적용은좌표변환작업을거쳐야하는불편함과좌표변환과정에서오차를포함하기때문에변환절차와방법에주의를기울여야한다. 또한도해지적은해당필지주변의현황을관측하고지적도면을현장기지점과부합되도록이동, 회전을하는방식취하고있다. 종전의측량방법에절대위치를산출하는 GPS측량을도입하는것은좌표변환, 데이터의호환성, 토탈스테이션과의병행사용문제등이있어이에대한규정과절차가마련된후에야도입할수있을것으로판단된다. 2010년에개정된 공공측량작업규정 에는 Netowork-RTK 측량부분이추가되어공공측량에활용할수있도록하고있으나지적부분은아직까지시범사업에적용하고있는수준으로그활용도가거의없는실정이다. 2010년 지적재조사에관한특별법 이제정되면서첨단측량장비를사용하는기본계획이수립되고있고세계측지계를기준으로하는지적측량에관한연구가계속되고있어 Network-RTK 측량방법이지적분야에도입될것으로보여진다. 18
Network RTK 측량장비통합시스템 제 3 장
제 3 장 Network RTK 측량장비통합시스템 제 3 장 Network RTK 측량장비통합시스템 제 1 절 기존 Network RTK 측량장비구성 Network RTK를이용한측량을위해서는 GPS 수신기의구비와실시간보정정보의수신이필수적이다. RTK가가능한대부분의 GPS 수신기는 RTCM 국제표준에근거한보정정보의해석및적용을통한정밀측위결과산출이가능하다. 이를위해 RF 모뎀, FM 주파수, 휴대폰통신등이주로사용되고있으며, 최근 3G 등휴대폰을이용한인터넷통신의활용도가높아지고사용의편의성이증대됨에따라휴대폰통신을이용한 Network RTK 장비들이많이출시되고있다. RTK 수신기와휴대폰의직접연결은여러제약이있으므로, 일반적으로수신기를제어하는컨트롤러에두기기를연결하는기능을내장시키고있다. 각장비들간의연결은유선과무선모두가능하나, 블루투스등무선의경우연결명령을내려야하고, 일시적인끊김현상또는장애가발생하는등일부문제들이있음에도불구하고장비구성이편리하여현재사용비중이매우높다. GNSS 수신기제조사에서제공하는컨트롤러의경우, 측량, 측설등관련프로세싱기능이내장되어있는경우도많으나, 모두담당하기에는한계가있고, 지적공사의업무는수신기제조사와무관한독립성을유지해야하므로컨트롤러에서출력된성과를지적공사측량용컴퓨터에서해석해서사용하여야한다. 이상을종합할때, Network RTK 측량을위해서는아래그림과같이휴대폰, 컨트롤러, GNSS 수신기, 노트북의 4개장비가한세트가되어구성되고, 각장비는유선혹은무선으로결합되어야한다. 21
GPS 측량효율성향상방안연구 < 그림 3-1> 기존 Network RTK rover 측량장비구성 제 2 절 Tablet PC 기반측량장비통합 본연구에서는이상과같이 4개의장비가한세트로구성되어업무를수행할경우, 매작업시작마다각장비간유 / 무선결속이필요하고, 4개의장비중하나의장비라도베터리방전또는데이터통신등의문제가생기더라도성과산출이불가능하다. 무선통신의특성상연속적으로데이터송수신을보장하기어렵다는것을고려할때, 결속이필요한장비의수가많은것은성과산출의위험도와작업의비효율성을증대시키고것이라고판단된다. 이처럼현재 4개의장비로구성되는 Network RTK 측량장비세트는장비의구성상비효율적이므로본연구에서는이들을통합하는연구를수행하고자한다. 특히 Tablet PC의경우, 블루투스나시리얼포트가내장되어있어 GPS 수신기와의연결이용이하고, 연산 22
제 3 장 Network RTK 측량장비통합시스템 기능이있어데이터처리도가능하며, 터치패드와같은사용자친화적인 UI를보유하고있어현장작업자친화적인구성을구현하기용이하다. 뿐만아니라휴대통신기능도포함시킬수있으므로실시간보정정보의수신이가능하다. 이와같은개념으로본연구에서 Tablet PC 기반으로통합하고자하는 Network RTK 장비의개념도는아래그림과같다. 휴대통신을통해수신한보정정보를블루투스또는시리얼통신을통해 GNSS 수신기에전달하면수신기는 RTK 성과를산출하여다시 Tablet PC에전송한다. Tablet PC는터치기반의사용자의간략화된명령을통해동작하고, 좌표변환등연산을수행한후에 LCD를통해성과를디스플레이한다. 다음절에서는이러한장비통합의중심이되는 Tablet PC에대해좀더자세히알아보도록한다. < 그림 3-2> Tablet PC 기반측량장비통합개념도 1. Tablet PC 개요 태블릿 PC(Tablet PC) 란터치스크린을주입력장치로장착한휴대용 PC 이며 (Beck, 2009, p402), 문자나그림을워드파일이나오피스에입력할수있으며무선랜을통해어 23
GPS 측량효율성향상방안연구 느곳에서나인터넷접속이가능하도록한새로운플랫폼의모바일 PC이다. 1992년마이크로소프트사에서 window for pen 컴퓨팅 이라는필기체인식윈도우 OS 를내놓았으나실패로돌아간것을시작으로, 2000년 태블릿 PC 라는 A4용지크기의신형휴대용 PC를선보이며컴덱스개막연설을함으로재조명받았으며, 2002년 윈도XP 태블릿 PC 에디션 을선보임과동시에주요 PC 제조업체들과함께태블릿 PC의본격적인홍보및마케팅에돌입했다. 이후기능을개선한 windows XP Tablet PC Edition 2005와태블릿기능을기본적으로지원하는비스타, 윈도우 7을바탕으로삼성전자, HP 등여러제조사에서윈도우를탑재한태블릿을출시했지만, 소비자로부터좋은반응을얻지는못했다. ( 통신연합, 2010: 6-12) < 그림 3-3> 삼성전자가 2006 년에선보인 UMPC 하지만최근스마트폰의인기와함께동일플랫폼인애플의 ios와앱스토어, 구글의안드로이드와안드로이드마켓의폭발적인성장에따라이제는태블릿기기가대중화될조짐을보이고있다. 2010년 4월애플의아이패드가발표될당시, 전문가들과소비자들은많은관심을보였으나과거태블릿 PC의실패를거론하며이번에는애플이실패할것이라는의견이만만치않았다. 그러나출시 3개월만에 300만대가판매됐고물량이부족하여공급국가를대폭늘리지못할정도로성공을거두었다. 업계에서는태블릿을스마트폰과 PC, 특히넷북의장점을고루갖춘단말로평가하고 24
제 3 장 Network RTK 측량장비통합시스템 있으며, 이러한단말의유형을스마트북으로정의하고있다. 이처럼태블릿은스마트폰에서확장된장치 (Device) 로무선환경기반의실시간정보와콘텐츠사용이가능한포터블멀티미디어디바이스로, 무엇보다스마트폰이해소시켜주지못하는약점인문서편집기능과큰화면을이용한멀티미디어콘텐츠사용성, 그리고 e-book 리더로서의기능을모두제공하는대화면, 다기능디바이스로평가되고있다. < 그림 3-4> 태블릿 PC 의기능 태블릿은 PC와스마트폰, 그리고 TV와스마트폰의틈새를차지하려고하고있다. 시장조사업체 IDC에따르면태블릿시장은 2010년 1,500만대규모에서 2011년 5,300만대, 2012년에는 9,200만대로급속히성장할것으로전망됐다. 이러한태블릿은탑재하고있는 OS에따라크게 ios, Android, Window mobile 로분류가된다. ios의경우애플이자사의제품에만탑재를하고있을뿐외부업체에는라이센 25
GPS 측량효율성향상방안연구 스를주지않고있고, 윈도우는 PC 기반의 OS 라는한계로인해 Window mobile 이본격화 되기전까지는그활용을크게기대하기는어렵다. Android 의경우 google 사의기본정책 인오픈소스에따라국내외태블릿제조사들이주력하고있다. 2. I-pad 현재태블릿시장을선도하는업체는단연코애플이다. 애플은세계 1위의콘텐츠 앱마켓플레이스인아이튠즈스토어와앱스토어를소유하고있는데, 이를통해신규기기를성공적으로데뷔시키고있다. 아이패드또한애플이기존에만들어놓은생태계를발판으로놀라운성공을거두고있다. 현시점에서아이패드를출시한애플을제외하고태블릿분야에서주목할만한실적을낸업체는아직존재하지않는다. < 그림 3-5> I-pad 와타기종간의 Tablet PC 시장배분예상 < 그림 3-6> I-pad 외관 26
제 3 장 Network RTK 측량장비통합시스템 < 표 3-1> Apple I-pad 세부규격 디스플레이 9.7인치, Led-backlit IPS LCD 해상도 1024*768 프로세서 1GHz Apple A4 그래픽 PowerVR SGX 535 메모리 256MB RAM 스토리지 16GB / 32GB /64GB 전면카메라 none 후면카메라 none 셀룰러라디오 EDGE plus triband HSPA wifi 802.11a/b/g/n 블루투스 2.1+ERD 가속도계 3-axis 자이로스코프 none 두께 13.4mm 무게 730g (wifi+3g) 높은시장점유율과사용자편의를고려한설계, 장시간및장기간사용에도검증된시스템안정성은본연구에서기기통합에필요한요소로매우높게평가된다. 그러나애플의기본정책인폐쇄성으로인해타기종과의통신또는연결이어렵다는점은본연구를통해해결해야하는과제로분류된다. 3. Android 기반 안드로이드는구글사에서개발한휴대전화를포함한휴대장치를위한운영체제와미 들웨어, 사용자인터페이스그리고표준응용프로그램 ( 웹브라우저, 이메일클라이언트, SMS, MMS 등 ) 을포함하고있는소프트웨어이다.(wikipedia) 개발자들이자바언어로응용 27
GPS 측량효율성향상방안연구 프로그램을작성할수있게하였고, 컴파일된바이트코드를구동할수있는런타임라이브러리를제공하며, 소프트웨어개발키트를통해응용프로그램을개발하기위해필요한도구와인터페이스를제공한다. 안드로이드기반의대표적인태블릿 PC는삼성갤럭시탭이며외관과상세스펙은아래그림과표와같다. < 그림 3-7> Galaxy Tab 외관 < 표 3-2> Galaxy Tab 세부규격 디스플레이 7인치, TFT LCD 해상도 1024*600 프로세서 ARM Cortex-A8 1GHz 메모리 512MB RAM 스토리지 16GB ( 내장 ) SD 메모리확장가능 전면카메라 130만화소 후면카메라 300만화소 wifi 802.11 b/g/n 블루투스 3.0 두께 11.98mm 무게 380g 28
제 3 장 Network RTK 측량장비통합시스템 갤럭시탭은크기와무게에있어서아이패드에비해큰장점을갖고있다. 아이패드의경우스크린크기가 9.7인치이기에 7인치인갤럭시탭과같은조건에서비교하기는힘들지만, 아이패드의무게가 680g인반면갤럭시탭의무게는 380g에불과하기에휴대성에있어서갤럭시탭이유리하다. 또한갤럭시탭은 PowerVR SGX540 프로세서를통해강력한그래픽능력을제공하며어도비플래시 10.1 도지원한다. 그리고다양한동영상코덱을지원할뿐만아니라풀HD(1080p) 동영상의재생이가능하며, 내장카메라를통해 720x480의비디오녹화도가능하다. 또한 google 의정책인개방성을바탕으로안드로이드가설계되어, Android 기반의 Galaxy Tab이외부기기와의호환이가능하다는점은본연구에서고려해야할요소중매우큰장점이라고할수있다. 그러나 OS의불안정성과매끄럽지못한 UI 등은사용자가활용하는데있어단점으로고려되며, Ipad 에비해작은화면이작업에지장을주지않는지여부를판단할필요가있다. 4. Window Phone 7 Window Phone 7은마이크로소프트의스마트폰을위한임베디드모바일운영체제이다. 기존포켓PC 운영체제인 window mobile 시리즈를계승하는운영체제이나, 커널부터 UI 까지많은부분이바뀌었다. 커널은윈도 CE를계승한윈도임베디드컴팩트 7 기반으로알려져있으며, UI는마이크로소프트 UI 중하나인메트로를사용하였다. 음악 / 동영상서비스로는준을채용하였으며, 마이크로소프트의검색엔진인빙과엑스박스라이브등이기본적으로탑재되어있다. 또한주소록은패이스북같은 SNS와연동이되도록설계하였다. window phone 7에서는이전 window mobile 6.5와는달리가이드라인과최소사양을제시하고있으며다음과같다. - ARMv7 기반의프로세서 - 다이랙트X API를지원하는하드웨어가속기 - 정전식멀티터치스크린 - 5백만화소이상의디지털카메라 29
GPS 측량효율성향상방안연구 - 블루투스지원 - 와이파이 - FM 라디오수신기 - A-GPS - 가속도측정기, 지자기센서, 조도센서, 소형조명 상기조건을만족하는폰에대하여개발환경은 C# 과 VB.Net 에기반한다. 또한 visual studio 2010에서는 window phone 7 시리즈의개발을위한기능이탑재될예정이다. 최근인 2011년 2월마이크로소프트는 MWC11 에서앞으로있을업데이트에대한간략한사항을알린후, 4월공개컨퍼런스인 MIX11 을통해대규모업데이트인 망고 를자세히공개했다. 기존의기능들을더욱확장하는한편, 모바일브라우저를 IE9 계열로업그레이드하였으며, 소켓통신, 자이로스코프등많은내용을추가로공개하였다. 출시후델, HTC, LG, 삼성등 4개제조사가참여하였으며, 2011년 2월런던에서노키아와의협약을발표하였다. < 그림 3-8> 윈도우 7 이적용된삼성옴니아 7 의모습 출시이후윈도폰 7의개발도구는 150만회다운로드되었으며, 36,000 명의개발자가윈도폰의앱스토어인마켓플레이스에등록하여최단시간안에 1만개의애플리케이션이등록되었다. 가트너에따르면 2011년급격한성장에의해 2015년에는두번째로높은시 30
제 3 장 Network RTK 측량장비통합시스템 장점유율을가지게될것이라고전망하였고, 시장점유율의차이에도불구하고윈도폰이안드로이드에비해더많은수익을개발자에게창출하는것으로조사되었다. 대한민국을포함한아시아지역출시는 2011년하반기로예정되어있으며, 애플리케이션개발을위한마켓플레이스의한국개발은 2011년 8월로예정되어있다. 한국마이크로소프트는 2011년 2월미디어브리핑을통해 망고 가탑재된스마트폰을통신 3사를통해출시할것이라고밝혔다. window phone 7은기존개발자들이친숙한 window 기반의개발이가능하다는점이가장큰장점으로, 기존에개인용 PC에서베타테스트용으로개발된프로그램의이식이용이하고, 장비간호환성이좋다는점에서본연구에서활용성이높게평가된다. 그러나대한민국내출시시기가명확하지않다는점과초기불안정한시스템이얼마나빠른기간내에안정화되느냐가단점으로예상된다. 31
Network RTK 보정정보 제 4 장
제 4 장 Network RTK 보정정보 제 4 장 Network RTK 보정정보 제 1 절 Network RTK 개요 1. 단일기준국 RTK 의한계 RTK(Real Time Kinematics)-GPS 는기준국을중심으로데이터통신장치를이용하여이동국에보정정보를전송함으로써이동국의위치정확도를향상시키는실시간동적 GPS 측량방식이다. 시스템구성을위해서는정확한위치를알고있는기준국과실시간이동측량을하는이동국, 그리고기준국에서생성된보정정보를전송하는데이터통신으로구성된다. 기준국은기산출한위치와위성간거리를이용하여보정정보를생성하고이를데이터통신으로이동국에전달함으로써실시간으로위치를결정하는방식이므로, 종래에사용하던 4기 1set 로운영되는 static 방식에비해 cm 수준의정확도는유지하면서도장비와인력, 작업시간을획기적으로단축시키는기술이다. 다만, 미지정수결정성공률을높이기위해서는기준국과이동국간 GPS 측정치에존재하는공통오차의차이를최소화해야한다. 일반적으로 GPS-RTK 기준국으로부터수 km 이내에있고기준국과사용자간의고도차가크지않으면공통오차는무시할수있으므로, 단시간내의높은성공률로미지정수를결정할수있다. 그러나기준국과이동국간의거리가약 10km 이상으로멀어질수록양수신기간전리층과대류층지연효과와같은공통오차가적절히제거되지않아오차가크게발생하고, 미지정수결정성능도떨어진다. 35
GPS 측량효율성향상방안연구 < 그림 4-1> RTK-GPS 구성도 그리고 RTK 성과가 1개의기준국상태에좌우되므로기준국의정상적인운용이매우중요한데, 단일기준국데이터이용시타기준국과의비교가불가능하므로품질모니터링, 경보기능과같은무결성정보제공기능이존재하지않는다. 또한위치 ( 좌표 ) 를알고있는점이면어떤점이라도기준국이될수있지만, 이를위해서는기지점에기준국장비를매작업마다설치해야한다는점도작업의비효율성을증가시킨다. 최근측량분야의새로운패러다임인 1인측량의구현을위해서 GPS 상시관측소에장비를갖추어상시기준국 (CORS) 으로이용하는추세인데 ( 최원준, 2004). 단일기준국기반의 RTK 수행시작업지역마다각각의개별전화번호혹은마운트포인트를사용하므로그운용에불편함이있다. 2. Network RTK 의도래및개요 기준국과이동국간의거리가멀어짐에따라궤도오차, 대류층및전리층오차의상관성이떨어져정확도가저하되기때문에기선거리가짧아야한다는 RTK-GPS 의단점을해결하기위해서네트워크 RTK 시스템이제안되었다. 현재까지개발된네트워크 RTK 시스템은 MultiRef, FKP(Flachen Korrektur Parameter), VRS(Virtual Reference Station), MAC(Master-Auxiliary Concept) 등이있으며, 이들방식들은계산알고리즘, 데이터전송 36
제 4 장 Network RTK 보정정보 방법등의기술이조금씩다르다. 현재국토지리정보원에서는 VRS 방식의네트워크 RTK 시스템을채택하여 2007년 11월부터 실시간정밀 GPS 측량서비스 라는이름으로본격적인서비스를개시하였다 ( 김혜인, 2008: 139-147). VRS 시스템은크게중앙제어국, GPS 상시관측소, 이동국으로나눌수있으며, 중앙제어국에서는네트워크내의상시관측소자료를통합한후정수바이어스, 전리층과대류권지연에의한신호지연등이포함되어있는오차를분리해낸다. 오차들을제거한후, 선형보간법을통해가상기준국의가상관측치를생성하게되며, 분리된오차들은가상기준점에서의보정치를생성하는데이용된다. 각기준국은중앙제어국과연결되어있으며, 이를위해중앙제어국과사용자사이에는송수신이가능한통신수단이필요하며, 데이터는 RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Service) 형식으로전송된다. < 그림 4-2> Network RTK 개념 그동안은일반적으로한나라혹은한도시전체에서 RTK 서비스가가능하도록시스템을구축하려면, 약 10km 반경의영역마다최소 1개의기준국이배치되어야하므로굉장히많은수의기준국이필요하였다. 그러나이러한 Network RTK 개발을통해그수를현저히줄일수있어서, 기존의방식으로는 10,000km 2 당 30개이상필요하였던 RTK 기준국을약 15~30% 수준인 5-10 개로줄일수있을것으로예상된다. 37
GPS 측량효율성향상방안연구 제 2 절 Network RTK 시스템구성 1. Network RTK 구성 Network RTK의구성도 Single RTK의구성과기본적으로는동일하게기준국, 이동국, 데이터통신으로구성된다. 그러나보정정보의생성및적용방식에있어기존 Single RTK 와차이가나므로기준국의구성과역할에차이가크고, 적용하는알고리즘에따라이동국의구성도다를수있다. < 그림 4-3> Network RTK 시스템구성도 Network RTK의기준국의주된역할은산재한기준국으로부터중앙으로전송된데이터의수집과, 수집된정보를활용한보정정보생성과무결성감시, 생성된보정정보를데이터통신으로전송등이다. 이상의임무들은단일소프트웨어패키지혹은복수의소프트웨 38
제 4 장 Network RTK 보정정보 어에서처리되는데, 방화벽등으로시스템을보완하거나인증절차를포함시켜특화된사용자에게만서비스를제공하기도한다. 이동국의구성은기본적으로 Single RTK 이동국과동일하게 GPS 수신기, 컨트롤러, 펜컴퓨터, 모뎀 ( 이동전화 ) 로구성된다. 하드웨어적으로는 Network RTK와 Single RTK 이동국의구성에차이가없으나, 적용하는알고리즘에따라 VRS 등의방식을사용할경우에는수신기내부알고리즘이완벽히동일하다. 다만, MAC 나 FKP의방식을사용할경우그알고리즘이 Single RTK와다르므로해당수신기가적용하는 Network RTK 방식을지원하는지여부를확인하여야한다. 2. Network RTK data 처리과정 Network RTK 데이터처리는크게세가지단계로구분되는데, 기준국의미지정수고정, 공간이격보정정보생성, 최적의보정치조합설정의순이다. 각기준국의측정치는미지정수가고정된이후에만오차의보정치생성또는모델링이가능하므로기준국의미지정수고정과정이가장우선적으로해결되어야한다.(Dai, 2001) 기준국에서추정하는미지정수의고정을위해서는 IGS 센터의정밀위성측위정보, 네트워크를이용한전리층대류층오차추정, 최근네트워크데이터를이용한다중경로오차제거, 안테나페이즈센터보정및캘리브레이션등이필요하다. 두번째단계인공간이격보정정보생성및가중치설정을위하여오차성분을전리층이주된요인인전리층관련 (dispersive) 오차와나머지성분들의합인비전리층 (non-dispersive) 성분으로분리하여접근하고추정하는방식을주로사용한다. (Euler, 2004) 이들성분중전리층지연은나머지오차들, 즉궤도, 대류층오차에비해시간에따른변화가크므로, 전리층오차는 10초에한번씩, 비전리층오차들은 30초또는 60초에한번씩전송해주는것이일반적이다. 또한전리층과위성궤도오차는각위성에대한오차이므로각기준국의데이터를종합하여각위성에대하여각각모델링되거나추정되어야하지만, 대류층오차의경우는기준국관련오차이므로기준국별로추정혹은모델링되어도무방하다. 39
GPS 측량효율성향상방안연구 이상의여러가지방식으로추정된보정정보혹은모델이사용자에게전달된후적용되기위해서는마지막단계인최적의보정치의조합및산출단계가필요하다. 일반적으로사용자와가장가까이에있는주기준국에서최적의부기준국측정치나보정치들을선별하여각오차성분들이추정되며, 주기준국으로부터의수평거리와대략의사용자위치등을기반으로최종보정치혹은추정치가보간되어결정된다. 사용자단위의이러한보간법의예로는 LCM(Linear Combination Model), DIM(Distance-based linear Interpolation Method), LIM(Linear Interpolation Method), LSM(Low-order Surface Model), LSC(Least-Square Collocation) 등이있다. < 그림 4-4> Network RTK 데이터프로세스과정 이상의 Network RTK 적용방식은생성하여방송하는보정정보에따라 VRS (Virtual Reference Station, Trimble), FKP (Flaechenkorrekturparameter Flaechen은 flat 또는 plane을의미함, Geo++), MAC (Master-Auxiliary Concept, Leica) 등이있는데, 상세알고리즘에서는다소차이가있을뿐전반적인처리과정은동일하다. 다만, 각프로세스가처리되는쪽이기준국과이동국중어느쪽인지에따라구분이된다. 아래그림에서표현한 40
제 4 장 Network RTK 보정정보 바와같이이동국인근좌표의가상측정치를생성하여이동국에게전달하는단계까지기준국에서담담할경우 VRS, 주기준국과의차이값을생성하고이를이동국에전달하여이동국에서가상측정치를생성하면 MAC, 주기준국과의차이값대신구배상수를전달하면 FKP라고할수있으며, 이들에대해서는뒤에서언급하도록한다. < 그림 4-5> 각 Network RTK 방식별처리단계 41
GPS 측량효율성향상방안연구 제 3 절 Network RTK 보정정보현황및특성 1. VRS (Virtual Reference Station) 1) 개요 VRS(Virtual Reference Station) 기법은사용자근처에가상의기준국이있다고가정하고, 네트워크상다수의기준국측정치혹은보정정보를기반으로가상기준국의보정정보를생성하여사용자에게전달해줌으로써, 마치사용자근처에기준국이있는것과동일한효과로보정을하는방식이다. 이기법은가상의기준국설정을통하여기존의단일기준국 RTK (Single based RTK) 알고리즘을그대로활용하는방식이다. 모든 Network RTK방식이그러하듯이 VRS를이용한 Network RTK 시스템을구축하기위해서는우선최소 3개이상의모든기준국이데이터링크로관제국의네트워크에연결되어끊임없이데이터를전송하여야한다. 관제국의서버컴퓨터는모든기준국의측정치를수집하여실시간지역별보정정보를데이터베이스화한후사용자의요청에대기한다. 사용자는휴대전화등과같은이동통신을사용하여기준국망에연결되어있어야하며, NMEA (National Marine Electronics Association) 등과같은프로토콜로현재의대략적인위치를관제국에전달한다. 관제국은사용자의위치를수신한후, 해당위치에적합한 RTCM 보정정보를제공하고사용자는이를수신하여양질의 DGPS 위치해를산출한후이를다시관제국에업데이트한다. DGPS 결과는약 1m의정확도를보장하므로, 중앙관제국에서는사용자위치에적합한가상기준국을설정하고대기권오차와궤도오차를보정하기에충분한보정치를생성한다. (Herbert, 2002) VRS를활용한 Network RTK 적용의과정은아래그림과같이간략화하여설명할수있다. 우선기준국의데이터가 LAN/WAN, 통신을통해수신기고유의포맷혹은 RTCM 메시지의형태로서버로전달되고, 이동국은자신의대략적인위치를 NMEA 형식으로서버에전달한다. 기준국에구축된서버는이동국이전달한대략적인위치를가상기준점으로정 42
제 4 장 Network RTK 보정정보 하고, 해당지점에서측정치를모델링하여 RTCM 실시간데이터를이동국에생성한다. 이 동국은마치근처의기준국 (VRS) 에서보정정보를받는것과동일한효과로 RTCM 보정정 보를수신기에적용함으로써정밀위치를산출할수있다. < 그림 4-6> VRS 데이터처리흐름도 2) 장단점 VRS를활용한 Network RTK의장점은사용자의위치근처에매우근접한가상기준국에서보정정보를제공받으므로사용자의오차를효과적으로제거할수있다는점이다. 기준국은오차요인의모든상태를기술하지않은단순화된모델을사용하여관측공간내상태변수의개별처리가아닌조합형으로보정량을결정한다. 또한가상기준국의보정정보의형식인 RTCM v2.x 18, 19, 20, 21번, 또는 RTCM v3 1003, 1004번과같은기존의 Single RTK용보정데이터와동일하므로사용자수신모듈의변경없이그대로활용가능하다는점또한큰장점이다. 그러나이러한 VRS의경우, 사용자가자신의대략적인위치정보를관제국에제공하고, 해당위치의 VRS 보정정보를수신하기위하여양방향통신이필요하며이로인해동시접속가능한이동국수에제한이있으며, 같은수준의정확도유지를위해서지속적으로현재위치를전송해야한다는단점이있다. 또한 VRS 좌표가바뀌면미지정수추정을다시해야하는등사용자위치해추정이초기화되기때문에, 불가피하게초기 VRS 를계속해서사용해야하고, 초기 VRS 위치에서사용자가멀리이동할경우단일기준국 RTK 와동일한공간이격오차가발생할수있다는것이큰결점으로지적되고있다. ( 박병운, 2008, pp 202-203) 43
GPS 측량효율성향상방안연구 3) 프로토콜 VRS에사용되는프로토콜은기존 Single RTK 보정정보프로토콜과동일하다. Single RTK에사용되는 RTCM 메시지는 version2 의 MT 18/19 또는 20/21 과 version 3의 MT 1003/1004 등이있다 RTCM v2.3 에서사용되는 MT18-21 메시지는측량및고정확도측위와항법용정보를포함하고있으며, 반송파기반측위의미지정수의실시간결정을가능하게함으로써 RTK 구현을지원한다. MT 18/19 는각각 Uncorrected Carrier Phase( 반송파측정치원시데이터 ) 와 Uncorrected Pseudo Range( 코드측정치원시데이터 ) 를제공하고 MT 20/21 은방송된궤도력 (ephemeris) 에의해생성된보정정보 (correction) 을포함하고있고, 특히 MT21 은 MT1에서제공하는 PRC(Pseudo-Range Correction) 와등가이다. RTCM v2.3 의 MT18/19 메시지구조는아래그림과같다. MT 18/19 에는 GNSS Time of Measurement를추가함으로써 Modified Z-count의 resolution을보강하였고, 측정치에너무많은 bit를할당하는것이비효율적이므로사용자가지속적으로 roll-over 를감시하여야한다. < 그림 4-7> RTCM v2.3 MT18( 좌 )/ 19( 우 ) 반면 MT 20/21 은측정치를그대로전달하는대신, 수신한 Ephemeris 를이용하여아래식과같이 Correction 을생성한다. CPC(Carrier Phase Correction)=(Computed Geometric Range) (Adjusted Carrier Range for the GNSS Time of Measurement) 상기수식에남아있는큰편이 ( 바이어스, bias) 를제거하기위하여생성초기에폭에서 44
제 4 장 Network RTK 보정정보 cycle 을작은값으로설정하고생성하여야한다. 본메시지를수신한수신기는아래의식 과같이보정정보를적용하여오차를상쇄한다. (Corrected User Carrier Range)=(Measured User Carrier Range)+CPC < 그림 4-8> RTCM v2.3 MT20( 좌 )/ 21( 우 ) RTCM v3.x 의경우기본적인 RTK 서비스를제공하는 MT 1003과확장된서비스제공을위한 MT 1004를사용한다. 코드와반송파정보전체를별도의메시지에구성하였던 version 2와는달리 version 3에서는반송파정보대신 PhaseRange-Pseudorange 정보를포함시킴으로써데이터비트를효율적으로활용할수있도록설계하였다. 본정보를수신한사용자는아래의식과같이반송파정보를복원하여사용한다. (Full L1 PhaseRange) = (L1 pseudorange) + (L1 PhaseRange-Pseudorange) < 그림 4-9> RTCM v3 MT 1003( 좌 )/1004( 우 ) 45
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 4-1> VRS 보정정보메시지크기 기준국정보 관측치 Message Type 메시지크기 (Bytes) 가시위성수에따른 bits 9 12 전송주기 (sec) 1005 3+19+3 200 200 30 18/19 (RTCM v2.x) 1003 (RTCM v3.x) 1004 (RTCM v3.x) 24+48 Nsv/24+48 Nsv 2340 3060 1 3+(8+12.625 Nsv)+3 1021 1324 1 1237 1612 1 2. FKP(Flächen-Korrektur-Parameter, Area Correction Parameter) 1) 개요 FKP는독일어 Flächen-Korrektur-Parameter, 의약자로 Flaechen 은 flat 또는 plane을의미하는단어이며, 위도와경도에따라오차성분을평면으로산출하여공간이격오차를줄이는방식을의미한다. FKP 방식에따르면오차성분을전리층과비전리층항으로나누고, 각각의위도와경도에대한구배를산출하여아래그림과같이평면함수로모델링한다. 46 < 그림 4-10> FKP 면보정방식
제 4 장 Network RTK 보정정보 FKP 에서는각오차값의절대값을제공하는것이아니라구배와위도, 경도, 고도에대 한함수형태로기준국과사용자간의거리에따른오차변화량을산출하여이를보상하며, 상세한과정은다음과같다. 비전리층오차의공간이격보정치 ( δ r0 [m]) 와전리층오차의공간이격보정치 ( δ rion [m]) 는각각위도 경도별구배를활용하여다음의식과같이평면으로모델링한다. δ r = 6.37( N ( Φ Φ ) + E ( Λ Λ )cos( Φ )) 0 0 R 0 R R δ r = 6.37 H( N ( Φ Φ ) + E ( Λ Λ )cos( Φ )) Ion Ion R Ion R R N 0 : 남북방향으로의비전리층오차의 FKP [ppm] E 0 : 동서방향으로의비전리층오차의 FKP [ppm] N Ion : 남북방향으로의전리층오차의 FKP [ppm] E Ion : 동서방향으로의전리층오차의 FKP [ppm] ΦR, Λ R : 기준국의위도와경도 [rad] H : H = 1+ 16(0.53 El/ π ) 3 El : 위성앙각 [rad] 이상에서모델링한공간이격오차항중전리층항의경우는사용주파수에따라그크기 가달라지므로, 다음식과같이 L1, L2 의공간이격오차량을각각구한다. 120 δ rl 1 = δr0 + δr 154 154 δ rl2 = δr0 + δr 120 Ion Ion 47
GPS 측량효율성향상방안연구 2) 장단점 FKP 방식은양방향통신이아닌방송의형태로파라미터의전송이가능하다는큰장점을가지고있으며, 이를통해서버에서는계산혹은통신에대한부담이적고, 이론적으로무제한의사용자에게서비스를제공할수있다. 고속으로이동하는이동국도초기위치와무관하게공간이격오차없이위치결정이가능하고, 기준국의수와무관하게적은수의 parameter 전송이가능하므로단방향통신에매우적합한알고리즘이라고할수있다. 현재일본과독일등에구축된시스템활용시기준국에서약 30km 떨어진사용자의경우약 30초 ~1분내로미지정수를결정하고 1cm 정도의정확도로위치를산출할수있다고알려져있다. [Wubbena, 2001] 그러나서비스제공자의오차모델의정확도가사용자성능에영향을끼치므로시스템전체의성능이서비스제공자에달려있어그부담이크고, 보정정보에포함된내용이측정치를기반으로가공된값이므로접근이어렵다는점이단점이다. 또한본알고리즘을제안한회사인 Geo++ 가관련된특허를다수보유하고있다는점도그활용에제한적요소이다. 3) 프로토콜 FKP 방식에의한공간이격오차파라미터의전송은 RTCM v 2.3의 59번 proprietary 메시지를통해전달할수있으며, RTCM v3에서도 1034번으로메시지할당을받고검토중으로알려져있다. 각메시지에는아래그림과같이 FKP 인식번호, 위성번호, IOD, 스케일팩터, 위도 경도별전리층 비전리층오차의공간이격구배 (gradient, [ppm]) 를포함하고있다. 48
제 4 장 Network RTK 보정정보 < 그림 4-11> RTCM v 2.x MT 59 에서활용가능한 FKP 프로토콜 < 그림 4-12> RTCM v3.x MT 1034 에서검토중인 FKP 프로토콜 49
GPS 측량효율성향상방안연구 3. MAC (Master-Auxiliary Correction) 1) 개요 FKP와 VRS는각각단방향통신으로서비스를제공할수있는점, 사용자수신부의변경이필요없다는점과같은 Network RTK를구성함에여러가지장점을갖고있으나또한치명적인단점을갖고있다. FKP의경우사용자의성능이보정정보모델의상세정도에대한서비스제공자의결정에달려있고, 사용자가사용자-기준국 Network 사이의기하학적관계에따라측정치혹은보정정보를주도적으로보간할수없다는단점을가지고있다. 그리고 VRS의경우는불가피하게양방향통신이필요하므로사용자측면에서는통신매체의제한이있고, 관제국에서는사용자의수가제한되며초기위치에서멀리떨어질수록성능이저하된다는단점이있다. 이러한기존 Network RTK 방식들의문제점을보완하기위하여 MAC(Master-Auxiliary Concept) 이제안되었다. (Euler, 2001, 2004) MAC 방식의기본개념은기존 RTCM 메시지와같이측정치혹은보정치를그대로활용하되아래그림과같이주 (Master)- 부 (Auxiliary) 기준국간의차이를이용하여데이터크기를줄여서보내는것이다. < 그림 4-13> MAC 방식기본개념도 50
제 4 장 Network RTK 보정정보 < 그림 4-14> MAC 방식보정정보모델링 전체시스템은주기준국과다수의부기준국으로구성되어있고, 주-부기준국이네트워크로연결되어있다. 부기준국들은원시측정치를네트워크를활용하여주기준국혹은시스템관제국에전달하면, 시스템관제국에서는모든기준국의데이터를종합하고이중차분기법을통해각미지정수수준을고르게한다 (leveling). 이후주기준국에서생성된 RTCM version 2.x의 Type 20번메시지와주-부기준국의이메시지의보정치차이로구한공간이격량을포함하는메시지를함께전송한다. 이상의메시지를수신한사용자는사용자와기준국들간의기하학적관계에따라각보정메시지에가중치를두어공간이격오차를보상한다. 주기준국에서생성하여전송되는보정치기반의보정프로토콜인 RTCM Type 20번메시지의반송파보정데이터는다음식과같이구할수있다. δφ = dˆ φ bˆ + Bˆ R i i i i M M M M 여기서 δ R 는 RTCM 20 번보정데이터를, 하첨자 M 은주 (Master) 기준국을상첨자 i 51
GPS 측량효율성향상방안연구 는 i- 번째위성을의미하며, 치를의미한다. ˆi d ˆi M, b, BˆM 는각각 i d M, i b, BM 의추정 위보정치의값은다음식과같이사용단의반송파측정치에서제거해야할공통오차, 즉전리층 ( i I M ), 대류층 ( i T M ), 위성궤도 ( i δ R M ) 및시계 ( i δ b ) 오차항이 포함되어있고, 이외에도수신기시계바이어스추정치의오차 ( δ BM ) 및미지정수 ( i λ N M ) 항들의합으로표현할수있다. δφ = ( I + T δb + δr ) δb λn R i i i i i i M M M M M M 이보정치의주 (M)- 부 (A) 기준국간차분을하면다음식과같이정리할수있다. Δ δ φ i = Δ ( I i + T i b i + δr i ) Δ ( λn i + δb) A M A M A M R A Δ M 을뺌을의미한다. 는주 - 부기준국수신기간차분으로부기준국의값 (A) 에서주기준국의값 (B) 일반적으로이중차분에의하여미지정수가결정되고, 다음식에기술된바와같은이중 차분과단일차분, 미지정수와의관계에의하면각기준국의위성별미지정수를추정할수 있다.(Jäggi, 2001) N = N + Δ N = N + Δ N + Δ N i i i i ref i ref A M A M M A M A M ref 는이중차분에기준이되는위성을의미하며, 성의의값에서 ref 의위성의값을뺌을의미한다. i ref 는 i-ref 위성간차분으로 i- 위 52
제 4 장 Network RTK 보정정보 이러한성질을이용하면위성별주 - 부수신기간미지정수의차이를다음식과같이구할 수있다. ˆ ref ref ref AΔMN AΔ MN + AΔMδ N M M = i ref ref ref ˆ i AΔMN AΔ MN + AΔ MN + AΔMδ N M M 위의식에서기준위성 (ref) 미지정수의주 - 부기준국간단일차분값의추정치는정수성 이확보되는오차항 ( Δ δ N A M 대해서도모두동일하게포함된다. ref ) 을필연적으로포함하게되고, 이는나머지위성들에 이상과같이추정된미지정수항을더하면다음식과같이추정오차를제외한미지정수 는사라지므로변동범위가매우제한된다. 이와같이기준국간공통미지정수수준 (common Integer ambiguity level) 을맞추는과정은 MAC 기법을통한보정치생성에필 수적인전처리단계이다. ˆref ref ˆ ref AΔM δφ AΔ M δφ + AΔMN R R M M = ˆi i ˆ i AΔM δφ AΔ M δφ + AΔMN R R M M 이단계를거친보정치를 ˆi AΔM δ φ R 라하면, 이는다음식과같이공통오차항의기 준국간차분값과추가적인오차항으로구성된다. 53
GPS 측량효율성향상방안연구 ˆref AΔM δφ ref ref ref ref ref R A Δ M ( I + T b + δr ) + A Δ M ( λδn δb) M = M i i i i ref ˆ i A M( I T b δr ) A M( λδn δb) AΔM δφ Δ + + + Δ R M M 이상의오차는주-부기준국간차이를통한공간이격오차에대한정보를포함하고있으므로사용자가주기준국으로부터멀리떨여저있어도주-부기준국망안에포함되어있으면오차의보상이가능하다. 이때수신기시계바이어스오차와기준위성의미지정수추정과정에서부가적으로생겼던오차성분은각채널마다공통적으로포함되는오차이므로사용자가보정정보를적용한후이중차분을통한미지정수추정시모두제거되는항들이다. 이상의 MAC 에의해생성된주-부기준국간차분보정치를사용자는는 RTCM 20번보정데이터와함께수신하고기하학적인관계에따라가중치 (wt) 를주어보정정보로활용한다. Rover에서최종적으로적용하는보정정보는다음과같다. ref ˆref ˆref ref δφm wta 1 A1 M δφ wtan An M δφ δφ + Δ + L+ Δ U R R R M M i = i ˆi ˆi δφ U δφm + wta 1 A1Δ M δφ + L+ wtan AnΔM δφ R R R M M i λn M 이상의사용자보정정보는다음식중우식의첫번째항과같이제거해야할공 통오차외에도부가적인오차가포함된다. 54
제 4 장 Network RTK 보정정보 ref ref ref ref ref ( IU + TU b + δru ) λnm δb M ref ref ref δφ A1 A1 M( ) An An M( ) U + wt Δ λδ N δ B + L+ wt Δ λδ N δ B M M i = i i i i i δφ U ( IU + TU b + δru) λnm δb M ref ref M + wta 1 A1ΔM( λδ N δ B) + L+ wtan AnΔM( λδ N δ B) M 부가적인오차중는정수성이보장되는오차항이므로사용자의미지정수결정과정에 서제거가가능한항이고, 나머지항들은채널과관계없이모두공통이므로공통오차를 라놓으면다음식과같이정리된다. ref ref Θ = δ BM + wta 1 A1 ΔM ( λδ N δ B) + L+ wtan AnΔM ( λδ N δ B) ref ref ref ref ref ref δφ U ( IU + TU b + δ RU ) λnm +Θ M M = i i i i i i δφ U ( IU + TU b + δ RU) λn M +Θ M M 이상의주 - 부기준국간공간오차는전리층 (dispersive) 관련오차와비전리층 (non-dispersive) 관련오차의합으로이루어져있고, 전리층오차와비전리층오차의시간 에따른변화는서로다르므로다음과같이두성분으로분리한다. f 2 2 ˆidisp, 2 ˆi 2 ˆi AΔ M δ φ = 2 2 AΔM δφl 1 2 2 AΔM δφl2 R f R R 2 f1 f2 f1 f 2 2 ˆinon, disp 1 ˆi 2 ˆi AΔ M δ φ = 2 2 AΔM δφl 1 2 2 AΔM δφl2 R f R R 1 f2 f1 f2 f f 이상과같이분리된공간이격오차항들은공통오차에비하여시간에대한변화가작으므 로, 주기준국의보정정보와같은빈도로전송할필요는없다. 다만이들오차항중전리층 55
GPS 측량효율성향상방안연구 관련오차는기하학적오차에비하여상대적으로시간에대한변화가크므로약 10초에한번씩, 비전리층관련오차는시간변화율이매우작으므로약 30초마다한번씩전송한다. 이렇게서로다른전송주기로전송되는전리층관련오차와비전리층관련오차를수신한사용자는 L1, L2 주파수에따라해당주파수에적합하게전리층관련오차를적용하여대입함으로써최종보정정보를생성한다. Δ δφˆ = Δ δφˆ + Δ δφˆ i i, disp i, non disp A1 M L1 A M A M R R R f 2 ˆi L1 ˆi, disp ˆi, non disp A1Δ M δφl2 = 2 AΔ M δφ + AΔM δφ R f R R L2 초기에보정치기반의보정데이터인 RTCM v2.x 의 Type 20 에근거하여제안되었던 MAC 은현재 RTCM v3.0 의공간이격오차보정정보인 1017 번메시지로채택되었으며, 초 기와달리측정치기반의보정데이터인 Type 1004 번과함께사용하도록권고되어있다. 2) 장단점 MAC 방식역시단방향통신에적합한 Network RTK 시스템이므로 VRS의한계였던사용자수의제한을극복하고무제한의사용자에게서비스를제공할수있고고속의이동체에도적용가능하다. 이전에 VRS의한계극복을위하여주로사용되었던 FKP 방식의사용자성능은서비스제공자에의존적이었으나, MAC 방식에따르면사용자가단일기준국 RTK를사용할지, 기준국 network 를일부혹은전체를사용할지등을능동적으로결정하고다양한보간방식을적용할수도있으므로사용자주도적으로공간이격오차를보상할수있다. 뿐만아니라, 가공되지않은정보를제공하므로 RTCM 철학과일치하여현재 RTCM 표준에포함되어있으며, 컴팩트하고오픈된포맷으로활용가치가크다. 그러나모든부기준국에대하여보정정보를각각제공하고보정정보가매에폭마다생성되므로기준국수, MAC 전송주기에따라통신대역폭 (bandwidth) 이결정된다. 일반적으로기준국수가많을수록, 전송주기가빠를수록시스템성능이향상되는것을고려할때, 시스템의성능과대역폭사이의관계를연구하여적절한시스템설계를할필요가있다. 56
제 4 장 Network RTK 보정정보 < 그림 4-15> 기준국수및전송주기에따른 MAC 보정정보 bandwidth 3) 프로토콜 RTCM v3.1 에표준으로채택된 MAC 보정정보의전송을위해서사용되는메시지는 MT1014, 1015, 1016, 1017 메시지이다. 이중 MT1014는 Network RTK 보정정보사용에필요한기준국정보를포함하는메시지로각기준국이포함된네트워크와서브네트워크 ID, 주기준국의 ID와좌표정보, 부기준국의개수, ID와좌표값이포함되어있다. < 표 4-2> MT 1014 메시지프로토콜 Data Field No. of Bits Notes Message Number 12 1014 Network ID 8 Subnetwork ID 4 Number of Auxiliary Stations 5 0-31 Master Reference Station ID 12 Auxiliary Reference Station ID 12 Aux-Master Delta Latitude 20 Aux-Master Delta Longitude 21 Aux-Master Delta Height 23 Total 117 57
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 4-3> MT 1015,1016,1017 메시지헤더 Data Field No. of Bits Notes Message Number 12 1015,1016, 1017 Network ID 8 Subnetwork ID 4 GPS Epoch Time 23 GPS Multiple Message Indicator 1 Master Reference Station ID 12 Auxiliary Reference Station ID 12 # of GPS Sats 4 Total 76 < 표 4-4> MAC 전리층관련오차 (MT 1015) 프로토콜 Data Field No. of Bits Notes GPS Satellite ID 6 GPS Ambiguity Status Flag 2 GPS Non Sync Count 3 GPS Ionospheric Carrier Phase Correction Difference 17 Total 28 < 표 4-5> MAC 기하학적오차 (MT 1016) 프로토콜 Data Field No. of Bits Notes GPS Satellite ID 6 GPS Ambiguity Status Flag 2 GPS Non Sync Count 3 GPS Geometric Carrier Phase Correction Difference 17 GPS IODE 8 Total 36 58
제 4 장 Network RTK 보정정보 < 표 4-6> 혼합형 MAC 보정정보 (MT 1017) 프로토콜 Data Field No. of Bits Notes GPS Satellite ID 6 GPS Ambiguity Status Flag 2 GPS Non Sync Count 3 GPS Geometric Carrier Phase Correction Difference 17 GPS IODE 8 GPS Ionospheric Carrier Phase Correction Difference 17 Total 53 제 4 절 Network RTK 보정정보대체프로토콜 (MT 4081) 개요및특성 1. RTCM 보정정보개요 일반적으로 GPS-RTK 에서는코드와반송파의보정정보를모두수신하여야미지정수결정을통한정밀좌표산출이가능하다. 대부분의보정정보는코드와반송파의측정치혹은보정치를하나의메시지에담아전송하는데, 데이터통신매체의전송속도가충분히높을경우동일헤더를사용하므로효율적이다. 그러나 RTK에서그성능에영향을끼치는성분은반송파정보이므로, 반송파정보는시간지연을수초이내로최대한자주전송해야하는반면코드정보는수십초혹은수분마다갱신되어도무방하다. 따라서저속통신매체에서 RTK 운용시두정보를별도의메시지로구성하여전송주기를달리하는것이효과적이다. RTK의보정정보는그유형에따라측정치기반형과보정치기반형으로나뉠수있다. 측정치기반형은 RTCM v2의 18/19, RTCM v3의 1003/1004와같이기준국수신기가수신한데이터를그대로사용자에전달하는방식이다. 이경우기준국과사용자간위성궤도 59
GPS 측량효율성향상방안연구 정보의일치여부의확인, 위성위치와시계오차계산방식의일치등이불필요하여그구현과기준국운용이용이하다. 그러나측정치의변화율이높고비선형적이므로, 지속적인 roll-over 감시가필요하고시간지연오차보상이어렵다. 반면보정치기반형의프로토콜은 RTCM v2의 20/21 이있다. 보정치기반형프로토콜에포함되는 PRC와 CPC의경우, 기준국에서측정치와위성으로부터의거리를이용하여 GPS 오차성분으로추출한성분이므로, 과거 GPS에포함되어있던고의잡음의해제로위성항법신호에포함된오차의시간변화율은매우낮으며비선형성도작아져그활용가치가높아졌다. 즉, PRC와 CPC에는위성시계오차, 위성-수신기간거리, 수신기시계오차등의크기가크고비선형적으로급격히변화하는항들이사라지고, 오직궤도및대기오차와잡음등이포함되어있어변동범위가측정치에비해훨씬적고그변화율도매우작다. 특히이값들은단시간에선형적으로변화한다고볼수있으므로, 보정메시지에변화율을함께포함시키면단순한 1차외삽법으로시간지연오차의보상이쉽게가능하다. 특히아래그림에서와같이비선형성에따라시간지연오차가상이하게발생할수있으므로, 비선형성이큰보정치는자주전송하고, 작은보정치는전송주기를길게함으로써제한된통신 Bandwidth 를효율적으로사용할수있다. 보정치 φ(k) 보정치 φ(k) φ predicted φ predicted i i m k m k 시간 시간 < 그림 4-16> 보정치의선형성정도에따른시간지연오차 이상과같은개념에따라저속데이터통신매체를통한 GPS-RTK 보정치를이용한 SNUR-2000 v2.2 프로토콜이제안되었다.(Kee and Kim,2002) SNUR-2000 v2.2는 RTCM SC-104 v3.0의제 15차개정안에기반하여개발되었으며저속데이터통신매체에적합하 60
제 4 장 Network RTK 보정정보 도록설계되어있지만, 내부에다양한 flag를포함시켜운영자의환경에따라그선택의폭을넓힐수있도록하였다. SNUR-2000 v2.2는이후 Compact RTK로불리며, 수차례 RTCM SC-104 회의에서 50~500bps 등저속데이터통신테스트, Network-RTK 와의호환성테스트등다양한방식으로검토되었으며, 2011년 Proprietary Message로 MT4081에할당되어테스트할수있도록승인되었다. < 그림 4-17> RTCM Proprietary message 승인서신 61
GPS 측량효율성향상방안연구 2. 반송파위상보정메시지 RTK 구현을위하여기준국이전송해야하는반송파와코드보정정보중반송파보정정보는 MT 131에포함되어있다. 다음표는 SNUR-2000 v2.2의 MT 131의 header로기본적으로 RTCM v3의 MT 1001-1004의 header와유사하지만기준국시각의변동범위를한시간으로제한하여데이터양을줄였다. < 표 4-7> SNUR-2000 v2.2 MT131 header 구성요소 비트수 정밀도 변동범위및내용 메시지번호 12 1 131 RTK 기준국 ID 12 1 0 ~ 4095 기준국시각 16 0.1초 0 ~ 3599.9초 CNR 추가여부 1 -- 0 : 확장부분에 CNR 없음 1 : 확장부분에 CNR 추가 보류 2 -- 0 가시 GPS 위성수 5 1 0 ~ 31 개 총합 48 다음표는 SNUR-2000 v2.2의 131 L1부분이다. L1 부분의핵심요소는 CPC로 1mm 의해상도로약 262meter의변동범위까지표현이가능하다. L1 CPRC(Carrier-Phase Rate Correction) 는데이터통신시간지연이발생할때 1차외삽법에의해이를보상하기위하여필요하다. L2 데이터추가여부 flag는 L1 부분다음에 L2 부분이추가되는지여부를미리알려주며 L2 데이터가추가되지않는경우, 확장부분에추가되는정보가있으면 L1 부분뒤에바로확장부분이뒤따르며확장부분에추가되는정보가없으면해당되는 GPS 위성에대해서는 L1 부분만이제공된다. 62
제 4 장 Network RTK 보정정보 < 표 4-8> SNUR-2000 v2.2 MT 131 (L1 부분 ) 구성요소비트수정밀도변동범위및내용 GPS 위성 PRN 6 1 0 ~ 63 상대시간추가여부 1 -- L1 CPRC 추가여부 1 -- 0 : 확장부분에상대시간없음 1 : 확장부분에상대시간추가 0 : 확장부분에 L1 CPRC 없음 1 : 확장부분에 L1 CPRC 추가 IOD 8 -- 0 ~ 255 L1 CPC 19 1mm -262.143~262.143m L1 신호유지시간 3 1 L2 데이터추가여부 1 -- 0 : 1초미만 4 : 16초미만 1 : 2초미만 5 : 32초미만 2 : 4초미만 6 : 64초미만 3 : 8초미만 7 : 64초이상 0 : L2 데이터없음 1:L2 데이터있음 보류 1 -- 총합 40 < 표 4-9> SNUR-2000 v2.2 MT 131 (L2 부분 ) 구성요소비트수정밀도변동범위및내용 L2 CPC 19 0.001m -262.143~262.143m L2 CPRC 추가여부 1 -- 0 : 확장부분에 L2 CPRC 없음 1 : 확장부분에 L2 CPRC 추가 보류 1 -- L2 신호유지시간 3 1 L1 부분참고 총합 24 63
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 4-10> SNUR-2000 v2.2 MT 131 (Extended) 구성요소 비트수 정밀도 변동범위및내용 상대시간 8 0.1초 0.0 ~ 25.5 초 L1 CPRC 12 0.1mm/s -0.2047~0.2047 m/s * 보류 (1) 4 -- L2 CPRC 12 0.1mm/s -0.2047~0.2047 m/s ** 보류 (2) 4 -- L1 CNR 8 0.25 db-hz 0~63.75 db-hz L2 CNR 8 0.25 db-hz 0~63.75 db-hz 총합 8~48 3. 코드위상보정메시지 코드보정정보가포함된 SNUR-2000 버전 2.2 메시지 132번의 L1/L2 부분은다음표에정리되어있다. L1 부분에포함된핵심요소는 L1 PRC로서 2cm의해상도로약 -328m ~ 328m 변동범위까지표현할수있도록설정하였다. CPC와는달리 PRC에는미지정수가존재하지않으므로 PRC의변동범위를너무좁게설정하면 PRC가극심한전리층활동으로인해설정된변동범위를초과할수있다. 그리고, PRC는낮은갱신주기로전송되므로매주기마다요구되는실제적인요구전송속도가매우낮아 PRC의데이터량을최소로줄일필요가없다. 따라서, PRC의데이터량은 S/A가있을때에비해 1비트만이줄어들었다. 메시지 132번중확장부분에는상대시간, L1/L2 PRRC 로구성되어있다. 변동범위는 -25cm/s ~ 25cm/s 로설정되었고, 1분의데이터통신시간지연이발생하더라도 6cm의정밀도로 PRC 시간지연오차보상이가능하도록 PRRC 의해상도를 2mm/s 로설정하였다. 그러나고의잡음제거이후 RRC가불필요함에따라 (Park, 2006) 본확장부분은더이상불필요하다. 64
제 4 장 Network RTK 보정정보 < 표 4-11> SNUR-2000 v2.2 MT 132 주파수 구성요소 비트수 정밀도 변동범위및내용 GPS 위성 PRN 6 1 0 ~ 63 P/CA 코드여부 1 -- 0 : CA 코드, 1 : P 코드 보류 1 -- L1 IOD 8 -- 0 ~ 255 L1 PRC 15 0.02m -327.66~327.66m L2 데이터추가여부 1 -- 0 : L2 데이터없음 1:L2 데이터있음 총합 32 P/CA 코드여부 1 -- 0 : CA 코드, 1 : P 코드 L2 L2 PRC 15 0.02m -327.66~327.66m 총합 16 < 표 4-12> SNUR-2000 v2.2 MT 132 (Extended) 구성요소 비트수 정밀도 변동범위및내용 상대시간 8 0.1초 0.0 ~ 25.5 초 L1 PRRC 8 2mm/s -0.254~0.254 m/s L2 PRRC 8 2mm/s -0.254~0.254 m/s 총합 0~24 4. Compact RTK 성능 이상의 SNUR-2000과상용프로토콜의비교를위하여다음표과같이데이터양, 허용가능시간지연량, 통신요구속도등의정량적인비교를아래표에명시하였다. CMR 메시지 0번및 1번과 RTCM SC-104 버전 3.0의메시지 1001~1006번은데이터량이최소화되어 65
GPS 측량효율성향상방안연구 있어시간지연오차보상기와병용될경우, 1200bps 데이터통신매체로고성능 GPS-RTK 구현이가능하다. RTCM SC-104 버전 2.x의경우메시지구조의비효율성으로인해데이터량이많아 2400bps 이상의데이터통신매체가필요하다. SNUR-2000 버전 2.2는 RTCM SC-104 버전 3.0 개정안 15의기본구조에맞춰설계하였으므로 600bps의데이터통신매체를사용하더라도고성능 GPS-RTK 구현이가능하다. < 표 4-13> 보정정보별통신매체요구사항 평균데이터량 CPC 시간지연허용범위통신요구속도 Trimble CMR 1180 bit 0 ~ 1 sec 1200bps RTCM SC-104 v. 2.x (18+19) RTCM SC-104 v. 2.x (20+21) RTCM SC-104 v. 3.0 SNUR-2000 v. 2.2 2350 bit 0 ~ 1 sec 2400bps 1290 bit 0 ~ 1 sec 2400bps 1240 bit 0 ~ 1 sec 1200bps 590 bit 0 ~ 3 sec 600bps 이상의 SNUR-2000을이용하여 500bps 데이터통신환경에서의정적측위 RMS 위치오차와데이터통신시간지연이없는후처리결과를비교한결과는다음그림및표와같다. 데이터통신시간지연으로인한부가적인수평, 수직위치 RMS 오차는각각 0.1mm, 0.2mm이다. 정적측위실험결과, 500bps 데이터통신환경에서의정적측위결과와후처리결과는거의동일하며정적위치에바이어스오차가포함되지아니하므로 500bps 저속데이터통신환경에서의 CPC 시간지연오차는정적측위성능에거의영향을미치지아니함을알수있다. 66
제 4 장 Network RTK 보정정보 < 그림 4-18> SNUR-2000 적용결과 ( 좌 : 수평오차, 우 : 수직오차 ) ( 김정한, 2005) < 표 4-14> SNUR-2000 수평, 수직오차 (RMS) ( 김정한, 2005) 후처리 500bps 시간지연오차 동-서 0.265cm 0.272cm 0.007cm 남-북 0.390cm 0.398cm 0.008cm 수직 0.966cm 0.984cm 0.018cm 67
단방향 Network RTK 인프라구축 제 5 장
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 제 1 절 Network RTK 국내인프라현황 1. 국토지리정보원 VRS 서비스 국토지리정보원 (NGII, National Geographic Information Institute) VRS 서비스는대표적인국내 Network RTK 서비스이다. 2011년 10월현재국토지리정보원보유의 45개기준국과 NDGPS 와공동운영하는 6개의기준국을이용하여전국을대상으로 Network RTK 서비스를제공중이다. 상시관측소 (CORS, Continuously Operating Reference Station) 는아래그림과같이지상매립형필라형태로구축되어있고, 이를구성하는수신기와안테나는단계적으로업그레이드를하고있다. 현재국토지리정보원 VRS 인프라를구성하는수신기는 Trimble 社의 NetRS, NetR5, NetR8 등이며안테나는 Trimble Micro-Centered ANT, Zephyer Geodetic II - RoHS compliant, GNSS Choke Ring 이혼재되어있다. < 그림 5-1> 국토지리정보원 VRS 상시관측소및분포 71
GPS 측량효율성향상방안연구 국토지리정보원에서제공하는 Network RTK은 VRS 방식에기초하고있다. 앞장에서살펴본바와같이 VRS는보정정보수신을위해서사용자의위치를서버로전송해야하므로, 양방향통신이필수적이고, 현장측량에서는적용의편의성을높이기위해일반적으로휴대폰통신을사용한다. VRS 서버에서는서버에연결된사용자의보정정보를각각생성해야하므로동시접속자수는제한되어있는데, 현재국토지리정보원의동시접속자수는최대 200명이며, 보정정보별로사용자수는 2011년현재아래표와같이분배되어있다. 이외에도각기준국별로 RTK 보정정보를송신중이므로, 해당기준국에서근거리에위치한사용자는 single-baseline RTK 서비스를사용할수있다. < 표 5-1> 국토지리정보원 VRS 보정정보 Type 및사용자배분 보정정보 Type 최대접속자수 ( 명 ) RTCM 2.3 35 RTCM 3.1 60 CMR 35 CMR+ 60 DGPS Net 5 SAPOS 5 국토지리정보원에서제공하는 VRS 보정정보중 CMR 과 CMR+ 는 Trimble 수신기에최적화된보정정보이므로타수신기에서는그사용이제한적이고, SAPOS 역시 RTCM v2에기초한 FKP 보정정보를사용하므로 RTCM 2.3/3.1 과같이모든수신기에서사용이보장된사용자의수는약 100명정도라고할수있다. 72
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 2. 서울시 Network-RTK 서비스 서울시는 2009년초부터 5개의기준국을이용하여서울시를대상으로 Network RTK 서비스를제공하고있다. 주민센터 / 문화센터등에매립형필라를구축하였으며, 사용되는수신기는 Trimble NetR5 와 NetR9, 안테나는 Trimble Zephyer Geodetic II- RoHS compliant 와 GNSS Choke Ring 이다. 국토지리정보원과동일한 VRS에기초한서비스를최대 50명의동시사용자에게제공중이고, 보정정보타입별최대접속자수는아래표와같다. < 그림 5-2> 서울시 Network RTK 상시관측소및분포 서울시역시 VRS 보정정보생성을위해 Trimble 社의소프트웨어를사용하고있으므로 < 표 5-2> 와같은구성으로보정정보를제공하고있다. 국토지리정보원과마찬가지로총 50명의허용가능접속자수중모든수신기에서사용이보장된 RTCM 2.3/3.1 에배분된사용자는 15명으로제한적이다. 73
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 5-2> 서울시 Network RTK 보정정보별최대접속자수 보정정보 Type 최대접속자수 ( 명 ) RTCM 2.3 10 RTCM 3.1 5 CMR 15 CMR+ 15 DGPSNet 5 제 2 절 Network RTK 테스트베드지역선정 현재국내에서많은측량사용자를확보하고있는국토지리정보원과서울시의서비스는모두양방향통신에기초한 VRS에근간을두고있어, 동시접속자수가많을경우측량이불가하다. 특히지난 8월 23일관련법안통과로시행이가시화된지적재조사사업으로인해그업무량이크게증가할것으로예상되는대한지적공사는 2011년현재 VRS 가능장비를 160대보유중이고, 추가구매를통해현업으로확산시킬예정이므로현재의인프라로향후측량수요를감당하기는어렵다. 또한지역에따라기준국간거리가 100km 이상되는지역도존재하는등기준국밀도가일부불균등하고, 해안 도서지역등네트워크밖의측량은정확도를보장하기어려우므로전국토에대해재조사사업을시작하는현시점에서인프라보완에대한고려가필요하다. 특히대한지적공사는전국에 185개지사와 12개본부를보유하고있으므로, 상기조건을만족하는기준국배치구성이용이하고다양한배치후보군을생성할수있다. 뿐만아니라, 기존인프라와협업을할경우상시관측소과소지역의지사건물에추가관측소를설치함으로써해당지역의정확도를효율적으로향상시킬수있다. 특히지사와본부대부분자가건물을사용하고있어부지선점비용을절감할수있고관리가용이하며, 특히본부 / 지사직원이인프라관리인력으로활용될수있으므로수신기이상시신속한조치가 74
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 가능하다는부차적인효과도기대할수있다. 이렇듯대한지적공사의자산인전국망을이용할경우경비절감및관리의용이성등의면에서국가적으로큰효과가있을수있으므로, 지사 / 본부를후보군으로기준국을선정하도록한다. 지적연구원에서는 Network RTK 인프라에대한다양한연구와시험평가시접근성을고려하여서울 경기인근을그테스트베드로삼고, 해당지역에서 Network RTK 성능을극대화시킬수있는지점을다각도로선점하였다. 기준국선정을위한절차는아래의그림과같이첫째로기준국구성및구축조건에대한검토, 둘째로는후보지선정및구성안도출, 셋째로현지답사를통한최종후보지선정, 그리고마지막으로네트워크최종안도출로이루어졌다. < 그림 5-3> Network-RTK 기준국위치선정을위한절차도 75
GPS 측량효율성향상방안연구 제 3 절 기준국장비구성 1. 기준국장비구성 1) NetR9 수신기 NetR9 GNSS 수신기는최다의측위위성을추적할수있는 GNSS 업계최고의 440 채널라인수신기로서하나의수신기에서최대의성능과기능을갖춘네트워크시스템운영에사용되기위해설계되었다. 또한, 그것은후처리를위한기준국으로사용할수있는지속적인운영용 CORS, 실시간 RTK 방송을위한휴대용기지국, 그리고과학연구용으로사용된다. 가 ) 주요기능 GNSS 용 440 채널다중위성추적성능 블루투스, 이더넷, 시리얼및 USB지원 대용량내부메모리 + 외장형 Mini 5pin USB장치지원 편리한전면패널디스플레이및구성 견고한외형및취약한환경구조에대한성능 나 ) Netr9 사양 76 Trimble NetR9 기준국수신기 440 채널위성 GPS L1/L2C/L2E/L5 및 GLONASS 1/L2 Galileo GIOVE-A /GIOVE-B 1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz 및최대 50Hz 측위값출력 블루투스무선기술적용 ( 블루투스 3 개동시연결 ) 내장메모리 8GB 로수신기원시데이터저장 USB 외장메모리지원 내장배터리 15 시간운용
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 구분 NetR9 구분 NetR9 특징 데이터입 출력 통신 주파수 지원 입 출력 출력 관측치측위상태입 출력 포트 블루투스 GPS L1/L5 L2C/L2E/L2P GLONASS L1, L2 Galileo GIOVE-A,B 이더넷, 이더넷연결 (NTRIP) 지원멀티세션지원웹에서수신기컨트롤가능 CMR, CMR+, CMRx, RTCM2.1 RTCM2.2, RTCM2.3, RTCM3.0 RTCM3.1 1Hz, 2Hz, 5Hz, 10Hz, 20Hz, 및최대 50Hz 측위값 RT17, RT27, BINEX, RTCM3.x NMEA-0183 v2.30, GSOF LAN1, RS232-3, USB1 NTRIP Source/Server/Caster 3 시스템 전원 운용 위성추적 메모리 외부 내부 내부 외부 440 채널 8GB USB 대용량지원 9.5 ~ 28V DC 15 시간연속사용 평균전력 3.8W 작동온도 보관온도 -40 ~+65 (-40 ~+149 ) -40 ~+80 (-40 ~+176 ) 습도 100% Condensing 충격보호및방수 진 동 1m 낙하장비보호 1m 생활방수및방진 7.5Hz~350Hz 0.015g2/Hz 350Hz~500Hz 0.006g2/Hz -60dB/Octave 무게 1.55Kg 77
GPS 측량효율성향상방안연구 2) Zephyr Geodetic II 안테나기준국구축에사용된안테나는 Trimble Zephyer Geodetic II- RoHS compliant 로 GPS L1/L2(C)/L5, GLONASS L1/L2/L3, SBAS, OmniStar 등의수신이가능하고, Antenna Gain 은 50 db ± 2 db이며, Phase Center : ± 2 mm 수준이다. 또한눈과이물질등제거및관리의용이성을고려하여 Radome 을구성하였다. 이상의안테나정보는 Trimble Zephyr GNSS Geodetic II w/radome. (TRM55971.00 TZGD) 이다. < 그림 5-4> Zephyr Geodetic II 안테나 ( 좌 ) 와 Radoome ( 우 ) 제 4 절 GPS 기준국구축 1. 기준국구축을위한준비연구 1) 기준국구성및구축조건에대한검토미국국립해양대기청 (NOAA) 에서나온 GPS 상시관측소설치및유지관리가이드라인 이이번상시기준국설치에사용되었다. 본자료는국립지리정보원의지침으로사용될뿐만아니라 GPS 상시관측소와관련하여표준이나다름없이전세계에서사용되고있어이번설치와관련된주요내용을소개한다. (NOAA) 78
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 가 ) 용어정의 < 표 5-3> 기준국관련용어정의 핵심용어 표지 (Monument) 마운트 (Mount) 금속표 (Mark) 안테나조점 (ARP: Antenna Reference Point) 안테나위상중심 (Antenna Phase Center) 안테나편심거리 관측소운영자 관측소이력 설명 GPS 안테나를지표면에부착시키기위한마운트를포함한구조물 ( 예 : 필라, 건물등 ) 안테나를표지에부착시키는데사용되는장치 표지에유일하고영구적인점으로안테나참조점 (ARP) 이관측되는점이다. 이금속표는표지에대해서변동이없어야만한다. 안테나위상중심의기준으로여기는안테나의외부점 안테나의내부또는외부의전기적인점이며 GPS 신호가관측되는점이다. 위상중심은방위각과고도의함수로서이상적이지않은전기반응을설명하기위해미국국가측지국 (NGS) 또는국제위성항법서비스 (IGS) 에의해정의 채택된안테나위상중심변이보정 (Phase Center Variation) 모델로결정된다. 금속표로부터참조점 (ARP) 까지의수직및수평거리 GPS 상시관측소운영자의연락처 사용된표지와장비에대한세부사항과관측소에대한모든이력정보를포함한명료한아스키 (ascii) 파일 다음의용어정의규칙을아래표와같이적용한다. 나 ) 관측소운영자요구조건관측소운영자는모든 GPS 상시관측소장비를제공하고유지, 관리한다. 미국국립측지국의경우는그관측소를운영하지않고관측소의데이터품질에대한일차적인검증자가아니기때문에관측소운영자들은그들의데이터무결성검사를해야만한다. 이때관측소운영자는모든정전일정, 장비나펌웨어의변경, 특히안테나, 레이돔, 안테나주변의물리 79
GPS 측량효율성향상방안연구 적인공간의변화를알게된즉시이를국립측지국에통지해야만한다. 통상 GPS 상시관측소는높은데이터품질과최소 15년의수명을가질것으로기대된다. 따라서안테나주위환경은 GPS상시관측소의수명내내방해받지않고전력과인터넷끊김은자주발생하지않고단시간이어야만한다. 다 ) 표지 (Monument) 완벽한표지는없기때문에, 이가이드라인의목적은과거 12년동안의 IGS( 국제 GNSS 서비스 ) 에사용된설계에기초해서데이터품질문제를일으키거나야기할우려가있는설계를피하기위한것이다. 이를위해, 첫째, 단지안테나만이아니라관측소의위치및속도가관측소가설치된지각의위치및속도와결합되도록하기위해서는안테나를지면에단단히고정시키는것이필수적이다. 둘째, 멀티패스와데이터분석에사용되는모델에비교한안테나위상중심위치의차이를최소로해야한다. < 그림 5-5> Network-RTK 기준국위치선정을위한절차 80
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 라 ) 위치정하기와건물부착앞서말한 GPS 상시기준국의긴수명을위해스텐레스를권장한다. 이때의재료는각을이룬철재또는원형파이프이다. 여기서알루미늄은철 / 콘크리트의약두배의열팽창계수를가지므로권장하지않는다. 설계부분중마운트는건물의주요부분에볼트로조여져야만하고코너부근에옹벽이권장된다. 흔들림을방지하기위해에폭시의사용과접착제를먹인나사선이있는조임재 ( 볼트 / 앵커 / 막대 ) 를강력하게추천한다. 만약굴뚝이콘크리트로차있지않거나특별히튼튼하지않으면굴뚝위의마운팅은권장하지않는다. 마운트는건물이지붕을교체할때지장을주지말아야한다. 이것은지붕이교체될때마운트가방해받는것을최소로한다. 마 ) 옹벽측면에부착마운트는지붕선위로약 50cm 까지연장해야만하고최소 1m 길이로최소 3개의앵커 / 볼트로건물에부착해야만한다. 볼트가조여진부분에대한독립해있는부분의비율은약 1 : 3이어야만한다. 볼트 / 앵커는마운트를직접관통해야만한다. 예를들어 U자형볼트또는금속끈 / 잠금쇠를가진단일지주는안된다. 간격을띄우는장치또는재료가벽을건드리지않는데이용될수있다. 주벽에수직으로부착시는볼트또는막대가옹벽에고착되어야만한다. 이때, 지붕이부서지지않도록주의하고난간벽에금속조명은피한다. 바 ) 안테나부착, 마운트, 표지장치는표지와안테나사이에있어야만하고다음조건을만족해야한다. 첫째, 안테나는수평을이루고북방으로맞춘다. 둘째, 만약안테나가변경되면새로운참조점 (ARP, Antenna Reference Point) 는전의참조점 (ARP) 과 3차원적으로동일한바로그자리에원위치되어야만한다. 또는금속표 ( 용어정의참고 ) 와그참조점간의위치변화는 1mm 이내로측정되어야만한다. 왜냐하면만약안테나가단순히볼트에부착되었다면그것이새로운안테나로대체될때에는동일한 3차원위치에원위치되지않거나또는방위가틀려질수도있기때문이다. 방위가틀려진경우는위상중심변이 81
GPS 측량효율성향상방안연구 모델이완벽하게대칭일때에만문제가되지않는다. 두경우모두새로운위치계산이 필요하고바람직하지않다. 안테나는반드시 0.15 도이내또는 2.5mm/m 이내에서수평이 되어야만한다. < 그림 5-6> 각각의상시관측소설치상황 ( 측면부착형타입 : 상단우측 ) 사 ) 안테나방위맞추기만약안테나가따로새겨진북쪽표시가없으면안테나케이블연결점을북쪽으로하기로한관례를이용해서안테나는반드시진북을향해야만한다. 자북과진북간의자침편차가있는것에주의한다. 남한지역서편 5 ~8 범위, 자침편차량에유의한다. 또한사용된자침편차는관측소이력파일에기록되야만한다. 기록의이유는모든안테나위상중심패턴은동일한방위를가진안테나를가정했고위상중심은북쪽과동쪽간에 1cm까지차이가날수있기때문이다. 82
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 아 ) 수신기, 세팅, 전원공급수신기는반드시다음조건을만족해야만한다. 1 최소 L1, L2를관측 2 최소고도각 0도위로 10개의위성을관측 3 AS(antispoofing) 신호가켜져있을때는완전한 L2파를얻기위한작동모드간의자동전환 4 L1 C/A코드의사거리또는 P코드의사거리와 L1과 L2 완전한반송파위상을제공 5 최소 30초로데이터기록 6 인공위성으로부터의관측치에어떠한변경, 보정을가하지않음 7 고도 0도에서 5도사이의위성신호도관측가능한것을특히선호 8 30초, 15초, 10초, 5초또는 1초샘플링가능 9 시간대별로블록으로기록하거나 24시간의 GPS시간블록 10 국토지리정보원에실시간으로데이터를전달하기위한최적구성 11 위성상태에상관없이모든위성을기록 좋은상태가아닌위성을나타내기위한미국방부의기준이어떤 GPS 상시관측소사용 자에게는항상적용되지않기때문에수신기는반드시최소한 5 분의백업전원을가지고 있고전원이계속공급되어야만한다. 30 분이상이선호된다. 자 ) 통신과데이터보관 NGS 와운영관측소간의모든데이터전달은반드시인터넷을이용하며매시간또는 24:00h GPS시간후에접속한다면그시간후즉시반드시데이터를검색하고다운로드해야만한다. 관측소운영자는웹과 ftp서버를반드시하루 24시간운영한다. 2) 후보지선정및구성안도출최초후보지를선정하기전에용인, 강화등지의기준점정비가시급하다는일선지사 ( 강화및인천옹진군일대 ) 의요구가있었고향후기준점망정비와일반측량시 83
GPS 측량효율성향상방안연구 Network RTK 사용이도움이될것으로판단, 이지역의음영해소에연구의초점을맞추게되었다. 또한기존 VRS 서비스를보완하기위하여현재국토지리정보원의서울지역네트워크외곽지역을선정하였다. 지적연구원의 2004년 GPS 상시관측소의다목적활용방안연구에따르면이상적인 Network RTK망의사례로서호주퀸즐랜드의기준점망인 SunPoz 시스템을들고있는데기준국간간격이 60 70km 에달하며후처리데이터는물론 RTK를위한보정정보송신서비스를겸하고있다. < 그림 5-7> 설치후보지고려 상단의그림에서와같이기준국간거리는 60-70km, 향후유지관리및부지활용차원에서자가건물보유지사를우선적으로선정하였으며, 인근지역위성가시성확인을위해수차답사를진행하였다. 먼저강화지역은일선지사의 VRS 서비스보완요구가있었고지적공사강화지사건물에대한현지답사결과주변에장애물이없고입지가선정기준에적합하여용이하게결정하였다. 이후파주와연천, 화성에대한지면조사결과, 거리가너무멀거나너무가까웠고, 화성시지사의경우는공사소유의건물이아닌경우로기준국설치기준에흡족하지않다는결론을내렸다. 이후포천지사와용인구지사의확인답사결과는강화와마찬가지로입지조건에부합하였고 10도이상의장애건물이주변에없는점때문에후보지로등록하였다. 다만후보고려지중서남쪽의선정대상지역에지적공사의지사가없어서외부기관을대상으로조사를진행하였다. 84
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 3) 현지답사를통한최종후보지선정 현지답사를통한최종후보지를선정시점검내용은설치예상건물의안정성이최우선 으로고려되고, 단시일내에이주계획이있는건물이나지역의경우일차적으로배제하였다 ( 기준최소 10년이상 ). 이주계획이없는건물들중주위에수직고도 15도이상의건물유무 를파악하였는데이번연구에서 10도이상의건물이있을경우는탈락시켜서진행하였다. < 표 5-4> 설치건물안정성점검표 연번 점검내용 상 중 하 점수 1 설치예상건물안정성 ( 이주계획등 ) 2 인근부지개발및변화예상정도 3 수직고도 15도이상의건물유무 4 전파방해물유무 : 고압선 5 " : UHF, VHF repeaters 6 " : TV, FM radio station 7 석조건물 ( 벽돌, 콘크리트 ) 8 건축 5년이상 9 건물내외벽의가시적균열 10 옥상금속구조유무 11 마운트설치적당한자리유무 12 지붕교체나수리예정여부 < 그림 5-8> 옥상조망 ( 경기포천시지사 ) 85
GPS 측량효율성향상방안연구 위그림에서포천시지사의옥상에서의조망을보면주변건물중골프연습장 ( 사진상단 중앙 ) 의고도가문제의소지가있어각관측을실시하였다. < 그림 5-9> 주변건물에의한수직고도 ( 규정 15 도이상 ) 장애유무확인 위그림과같이각관측을실시하여장애물에문제가없음을확인후지사를후보지로결정하였다. 다만포천의경우기존에기준점용으로설치한철골마운트 (1.5m 높이 ) 가존재하여제작한기둥 ( 스테인레스필라 ) 의대체로적합한지견고함, 정준대설치여부등을검토하였다. 인천영흥도의경우, 지사건물활용이불가하여수자원연구소의협조를받아진행하여야하고구축후변경이용이하지않으므로, 다양한지점을검토하여신중히결정하였다. 아래그림의 1 지역은빨강색안이처음의설치예정지로서항공분석결과적지로나타났던장소이나현장답사결과위치상으로설치가용이하지않고주위에 KTF 중계기가 2개존재하여신호교란의장애가예상되었다. 또한시공시안전사고가발생할우려및유지보수시애로사항예상되었다. 단, 인터넷및전기는문제없다는진단이다. 2 지역은첫번째위치와대략 120미터정도떨어진곳으로서건물옥상이며기존시설에의한전기공급이가능하나통신시설이미비하여첫번째건물에서 120미터정도끌고와야한다는단점이존재하였다. 단, 차량이자주왕래하는곳으로서통신케이블연결문제가발생될우려가있다 ( 대안으로무선브릿지이용시데이터손실위험큼 ) 3안은군대시설인기존철탑을활용하는방안이며, 철탑구조가견실하지않아토양침하가우려되는상황이다. 위의 2안과같이통신케이블문제발생이우려되고여름및장마대비통신장애빈도가높을것 86
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 으로예상되었다. 4 총2번의답사에의한최종결정지로서기숙사동으로사용되는건물의옥상으로주위환경이양호하였다. 또한통신및전기는설치가용이하고 GPS 안테나는위의빨간선안에위치, 아래입구쪽에장비박스설치 ( 통신장비및 GPS 수신기 ) 하려는설계에도용이하였다. 단, 지적공사의소유건물이아닌만큼도난등에대비한 CCTV 를설치하는것이필요하다고판단되었다. < 표 5-5> 영흥도기준국후보지 1 안본관옥상 2 안인근건물옥상 3 안인근군사시설 4 안기숙사동 이상과같이다양한방법으로도출한 GPS 관측소구축최종안은아래그림과같다. 기준국네트워크의가용지역의효율성을높이기위하여사각형으로배치하였고, 기준국간거리는일부대각선방향은 80km 이상이기도하지만, 인근기준국끼리는 70km 선을유지하도록배치되었다. 특히강화, 인천공항, 제부도간척지일대가기준국네트워크내에포함됨으로써, 기존 VRS 불가지역을해소할수있는최종안이도출되었다. 87
GPS 측량효율성향상방안연구 < 그림 5-10> 기준국네트워크구성최종도출 2. GPS 기준국설계사용되는수신기는국토지리정보원의품질과기능등모든면에서동일하나설치위치에서측면부착식을도입하였다. 측면부착식 GPS 상시기준국의일선지사활용도향상을위한해외사례수집과방안연구를병행하였다. 한편, 미국 CORS 설치기준에따른상시관측소설치기준점검을위해 < 표 5-7> 과같이상시관측소설치기준점검표를만들어해당사이트답사시적합성여부판별에사용하였다. 측면거치식설계의몇가지장점중첫째는구축비용의경감을들수있다. 기존의지상필라형기준국설계에는콘크리트타공및벼락등의재해에대비한전기설비등의부대비용이소요되어막대한예산이들었으나이번연구에서는 1기당 500만원선의저렴한예산으로설치가가능하였다. 둘째는연구필요시이설및재설치가용이하다는점을들수있는데측면거치식이라해서안정성에는이상이없고다만용접부위등을재시공하여이동성을높일수있다는점이기존의상시기준국과의차별성이있다. 88
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 < 표 5-6> 기준국설치기준점검표 강화군지사 (1/28) 영흥도 (2/17) 용인구지사 (2/18) 89
GPS 측량효율성향상방안연구 < 그림 5-11> 기준국필라설계도면 < 그림 5-12> 측면에부착할사다리설계도면 90
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 3. GPS 안테나마운트및기준국구축 1) 개요 공사명 : Network-RTK 기준국설치공사 공사기간 : 6/28, 7/1, 7/4~5 ( 우천지연, 총소요기간 4일 ) GNSS 안테나, 수신기, 필라설치 - 대한지적공사용인처인구지사 ( 주소 : 용인시처인구김량장동 344-2) - 대한지적공사포천시지사 ( 주소 : 포천시군내면구읍리 686-3) - 대한지적공사강화군지사 ( 주소 : 강화군강화읍강화대로 372-8) - 수산자원연구소기숙사 ( 주소 : 인천광역시옹진군영흥면외리 248-5) GNSS 안테나, 리피터설치 - 지적연구원 ( 주소 : 영등포구여의도동 36-2 맨하탄빌딩 8층 812호 ) < 그림 5-13> 영흥도외 3 곳에설치된 Trimble Net R9 과 Zephyr 안테나 91
GPS 측량효율성향상방안연구 2) 주요공사내역 < 표 5-7> 주요공사내역 구분내용비고 수신안테나설치 통신및전원시설포함 GNSS 안테나 위성기준국안내판 스테인레스재질 안내판 41 만화소급인터넷통한모니터링 CCTV ( 영흥, 2 식 ) 92
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 3) GNSS 기준국공사상세과정 < 표 5-8> 기준국공사상세과정 ( 예 : 포천지사 ) ( 사진좌측상단부터순서대로 ) 고정 IP 통신공사를사전완료하고원활한옥상작업및안전한이용을위한사다리설치시공을하였다. 옥상의기확보된작업장소에대해구조를재점검하여사전제작된필라의고정대위치와맞는지의여부를살펴보았다. 이후수신기와레이돔을비금속 ( 강화플라스틱 ) 나사를사용하여결합하였다. 필라를고정할측면벽에는고정을위한앵커를설치하기위해최소 4곳이상을타공하였으며, 이후지사에서사 93
GPS 측량효율성향상방안연구 용하고있는지적기준점과연계할수있도록안테나를설치하여고정하였다. 필라고정시타공된점을사용하여앵커로설치한후필라상부에정준대를설치하고수평을조절하였다. 통신케이블을안쪽에설치하고필라우측에스테인레스재질로만든안내문을실리콘처리하여부착하였다. 레이돔이부착된안테나를설치하고 Trimble 수신기및통신모뎀과 VPN 장비가들어간랙을설치및정리한후 GNSS 위성신호가정상적으로들어오는지점검을완료하고구축을마감하였다. 4) 장비최종구축전경 가 ) 기준국 4 개소설치 < 표 5-9> 기준국구축완료전경 용인 강화 포천 영흥도 강화지사에설치된안테나는기존시설물을활용하였으며, 삼각보조점위에정준하여전기용접하여견고하게작업하였다. 강화지사에사용예정이던필라 ( 기둥 ) 은 2단계사업에사용예정임. 94
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 나 ) 지적연구원 GNSS 안테나및리피터설치 < 표 5-10> 지적연구원설치전경 외부 ( 연구원빌딩옥상 ) 내부 5) 기준국장비보관 < 표 5-11> 기준국별수신기설치랙 용인 (4 층 ) 강화 (4 층 ) 포천 (4 층 ) 영흥도 (3 층 ) 95
GPS 측량효율성향상방안연구 6) 기준국구동화면 가 ) GNSS 위성신호수신사이트 < 표 5-12> 기준국별원격접속사이트 용인 강화 포천 영흥도 같은시간대 4 곳의수신중인위성갯수가일치하여신호에방해가없음 96
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 나 ) CCTV 수신화면 ( 인터넷, 모바일감시가능 ) < 그림 5-14> 좌측 : GNSS 안테나, 우측 : GNSS 수신기및통신장비랙 본시스템구축에사용된 CCTV 기종은 Samsung SRD-450, SC0-2080R (2 기 ) 로본기종 은모션캡쳐기능이있어급작스런움직임이있을경우알람이가능하며웹상으로원격 감시가가능한최첨단제품으로설치하였다. 7) Network RTK 기준국설치공사검수현장 (8 월 17 일 ) < 표 5-13> 기준국설치공사검수 강화지사 97
GPS 측량효율성향상방안연구 영흥수산자원연구소 (GPS 기준국 ) 포천지사 (GPS 기준국 ) 용인지사 (GPS 기준국 ) 여의도 (Signal Repeater) 98
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 < 그림 5-15> 검수조서 ( 예 : 포천 ) 제 5 절 Network RTK 서버구축 1. Network RTK 보정정보생성및감시 S/W 1) Network RTK 보정정보생성 S/W (Leica SpiderNet) 가 ) 개요본연구에서사용하는 Network RTK 보정정보생성용 S/W는 Leica 의 SpiderNet 으로 Leica LB2, RTCM 등실시간원시데이터를수신하여 RTCM 3.0, RTCM 2.x, Leica, CMR, CMR+ 등단일기준국과 Network RTK의모든보정정보의송출이가능한소프트웨어이다. Leica SpiderNet 은아래와같이크게사이트서버, 네트워크서버, 클러스터서버, RTK 99
GPS 측량효율성향상방안연구 Proxy 서버, 유저인터페이스의총 5 개의부분으로구성되어있다. < 그림 5-16> GPS SpiderNet 구성 나 ) 부분별기능 SpiderNet 의사이트서버는 GPS 수신기와 Data Stream 수신에대한제어와감시, 수신한 GPS 원시데이터와 Rinex 데이터의관리와검증, 데이터공백검색등의역할을주로수행한다. 특히 FPS(File Product Services) 라는데이터관리서비스를제공하는데, 이는사용자에게 Leica Binary 포맷, Rinex 포맷, Hatanaka(compact Rinex) 포맷의저장데이터전송, Quality Check, Online 원시데이터상태확인등의서비스를제공할수있다. Local 사용자와인터넷이용사용자, FTP 등다양한방법의접근이가능하고, E-mail 전송서비스도가능하다. 후처리용저장데이터뿐아니라실시간데이터전송서비스인 RT(Real-Time products) 도제공하는데, Leica, RTCM v2.x, v3.0, CMR, CMR+, Proprietary 메시지등다양한포맷을지원하며, 시리얼, 모뎀, TCP-IP 등다양한통신매체에서구현가능하다. 네트워크서버의주역할은다수의사이트서버를연결하는것이고, 이를바탕으로네트 100
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 워크연산, 네트워크 / 단일기준국 RTK Product 생성, RTK 사용자관리등의기능을수행한다. 이를위해전체시스템의제어와설정을하고, 시스템및동작상태에대한감시와디스플레이의역할을수행한다. 클러스터서버는최근 RTCM v3으로표준화된 MAC 기반의 Network RTK를지원한다. 기존의이중차분 (Double-Difference) 방식이아닌 Zero difference 방식을사용하여데이터 outage 에강인하고, 네트워크내공통위성만을이용하는한계도일부극복하였다. Leica 의 MAC 보정정보인 MAX 와 i-max 의핵심부분이라고할수있다. 마지막으로 RTK 프록시서버에서는 RTK Data 의분배를주업무로한다. 단일기준국 RTK 뿐아니라 Network RTK 보정정보의전송이가능하다. RTCM v3 표준메시지인 MAC 보정정보를 MAX 라는이름으로단방향방송매체를통해전송할수있을뿐아니라, i-max 보정정보를양방향통신환경에서 RTCM v2.3 과 3의형태로전송한다. Rover 가 NMEA 위치정보를제공하는경우, 가장가까운기준국에서보정정보를수신하는 Auto-Site selection 방식과가장적합한네트워크내에서 Network RTK 보정정보를수신하는 Auto-Cell creation 방식, 그리고전통적인 Ntrip Caster 방식등의구현이가능하다. 인증및권한 (Authentication & Authorisation) 은 GPUID NMEA message, 접속전화번호, IP 주소, NTRIP 인증등다양한방식이가능하다. 다 ) 구성방식이상의 5개의부분은구성의편의성을위하여하나의서버에모두구축할수도있고, 여러대의서버로나누어관리할수도있다. 아래표는이러한구축의실례로여러대의서버로나눌경우, 서버의계산로드를줄이거나분배할수있을뿐아니라, 시스템여분 (redundancy) 를증대시켜시스템신뢰성을향상시키는것도가능하다. 101
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 5-14> SpiderNet 을이용한다양한서버구현방법 I. All in One II. 별도의사이트서버구축 III. 별도의다중사이트서버구축 IV. 방화벽을이용한 RTK Proxy 서버구분 V. III&IV 복합형태 VI. 다중클러스터서버를이용한 V 의변형형태 VII. Advanced RTK VIII. 다중 SpiderNet 구조 102
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 2) Network RTK 인프라감시 S/W(Leica SpiderQC) 가 ) 개요 Leica SpiderNet 은 Network RTK 보정정보생성을위한소프트웨어로자체무결성, 품질관리기능은포함되어있지않다. 그러나안정적인시스템의운영을위해이러한기능은필수적으로필요하며, 이를위해본연구에서도입한 S/W는 SpiderQC 이다. SpiderQC 는다목적으로사용되는데이터분석 tool 로써, GNSS 개별기준국과네트워크의품질관리 (Quality Control), 수신기성능테스트, 데이터분석, 실시간 / 후처리좌표산출분석등의기능을수행하며, RINEX v2.1, IONEX v1.0, NMEA GGA, GGQ, LLQ 등을지원한다. 나 ) 세부프로세싱 SpiderQC 에서는일반적인 QC에서주로다루는성능지수인위성트랙킹, 장애물, multipath, cycle-slip, SNR, 데이터공백여부에대한검사, RINEX 표준준수여부, 항법데이터의헤더누락여부, 데이터무결성등에대한판단등을수행하고, 사용자가설정한기준에적합 / 부합여부를기록하여아래그림과같이 Rich text (RTF) 형식으로출력하고, 치명적인문제에대해서는강조하여표기한다. < 그림 5-17> Leica SpiderQC 품질리포트 103
GPS 측량효율성향상방안연구 품질평가지표중 SNR 에대해서는위성별, 주파수별평균값을산출할수있고, 각고도 각에대해서도평균치를계산하여정렬할수있다. 또한이를아래그림과같이도시화하 여인자간상관관계분석에용이하게사용할수있고, skyplot 으로도시할수도있다. < 그림 5-18> SNR 분석 ( 좌 : 앙각과의상관관계, 우 : sky plot) multipath 에대한분석도이와유사하게 skyplot 에대한잔차체크, 위성앙각에대한변 화, 시간에대한경향성분석등을통해서 MP1 과 MP2 에대하여분석할수있다. < 그림 5-19> Multipath 분석 ( 좌 : 위성앙각과의상관관계, 중 : 시간경향성, 우 : sky plot) 또한 IGS 에서제공받은 IONEX data 를이용하여전리층의 TEC(total electron content) 를 계산하고이를도시하고애니메이션화할수있다. 104
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 < 그림 5-20> TEC 분포 이상의다양한 QC 는 Graph, 리포트, 웹페이지등으로보고가가능하고, 치명적인문제 가생겼을때에는 e-mail 알람도가능하다. 2. Network RTK S/W 시스템설정및운영 1) GPS 기준국정보확인및 Site Server 설정 각기준국의속성정보와위치정보를메인서버에세팅하는작업이다. 4 개의기준국수신 기는고유의 IP 주소를가지고있어웹브라우져로접근이가능하다. < 그림 5-21> 수신기웹인터페이스 (Trimble NetR9) 105
GPS 측량효율성향상방안연구 4개기준국의장비는트림블 (Trimble) 의 Zephyr Geodetic 2 w/dome 안테나와 NetR9 수신기로구성되어있다. 기준국설정시안테나에대한설정은 Network-RTK 시스템의성능과측위정확도에영향을미치므로주의하여야한다. 경기본부강화군, 포천시, 용인시그리고수산자원연구소의안테나설정은아래표와같다. < 표 5-15> 안테나설정 (Trimble Zephyr Geodtic2) 구분설정값비고 안테나타입 (Antenna Type) 라이넥스이름 (RINEX Name) RNG809711.00 w/tzgd Dome RNG80971.00 TZGD 시리얼번호 (Antenna Serial Number) ****-***** 돔시리얼번호 (Radome Serial Number) ****-***** 높이측정기준 (Measurement Method) Bottom of antenna mount 안테나높이 (Antenna Height) 0.000 각기준국의좌표는후처리소프트웨어 (Bernese) 에의해서결정된세계측지계기준의 좌표를사용하며아래표와같다. < 표 5-16> 기준국의위치 구분 ECEF X(m) Y(m) Z(m) 용인시지사 -3074203.10704 4049925.38372 3838034.79630 포천시지사 -3047201.64635 4014485.58929 3895961.68541 강화군지사 -3003051.02558 4059906.26517 3883100.24031 수산자원연구소 -3021260.8655 4089792.78395 3837634.01582 106
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 2) SpiderNET 소프트웨어설정가 ) Sensor comm 탭 : 통신설정공사가구축한 Network-RTK 시스템은 GPS장비와 ( 트림블 ) 와보정정보생성소프트웨어 ( 라이카 ) 의제조사가서로달라 GPS데이터의호환성을확인하여야한다. SpiderNET 소프트웨어가처리할수있는원시테이터는수신기의 Passive RTCM 3.0 형식으로 Sensor 는 "P assive RTCM3.x(Extended)" 로설정한다. < 그림 5-22> 기준국과의통신설정 나 ) General 탭 : 기준국사이트의명칭및코드입력 < 그림 5-23> 기준국의명칭및코드설정 107
GPS 측량효율성향상방안연구 다 ) Coordinate 탭 : 기준국의좌표값입력 < 그림 5-24> 기준국의좌표설정 라 ) Receiver 탭 : RINEX Header 설정 < 그림 5-25> Rinex 파일헤더설정 108
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 마 ) 수신기연결및스트리밍시작 메인화면에서수신기연결버튼과스트리밍시작버튼을클릭하여기준국에서수신하 는데이터를서버로전송한다. < 그림 5-26> 기준국연결및데이터송수신 바 ) 데이터수신확인 사이트 (Site) 메뉴로들어가설치된기준국을클릭하며기준국의위성배치현황을확인 할수있다. < 그림 5-27> GPS 기준국의위성배치현황 109
GPS 측량효율성향상방안연구 사 ) 파일저장설정로컬사이트서버 (Local Site Server) 메뉴의 File Product 탭에서저장파일에관한설정을한다. 파일저장은각각의기준국으로부터수신된데이터를 RINEX 파일로변환하여저장하는기능이다. 파일의저장간격, 에포크 (Epoch) 간격, 저장위치, 압축간격, 자동삭제기간, FTP 자동전송등을설정할수있다. < 그림 5-28> 저장파일의속성설정 새로운저장설정은마우스오른쪽클릭의 NEW" 메뉴로설정이가능하며속성메뉴의 Content 탭에서는 Observation 파일에저장되는반송파, 항법위성의종류등을설정할수 있다. < 그림 5-29> Observation 파일설정 110
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 3) Network Server 설정가 ) 보정정보의생성및관리 Local Network Server 는각기준국에서수집된데이터를이용하여보정정보의생성방식, 전송포맷및전송방식등을결정할수있다. Site는네트워크로구성할수있는 GNSS 수신기를의미하고, Cluster 는네트워크솔루션을제공할수있는 Site 그룹 ( 최대 25 사이트 ) 을의미하며, 동일 Cluster 는동일한앰비규티레벨을의미한다. Cell 은 Master Auxiliary 보정신호를구성하는그룹최소 3 사이트를기본단위로일반적으로5-10 사이트로구성되는네트워크를의미한다. 실제구현시클러스터및셀구성시중복하여구성하여신뢰도를높이는것이중요하다. < 그림 5-30> 로컬네트워크서버 (Map View) < 그림 5-31> 로컬네트워크서버설정 (Net Configuration) 111
GPS 측량효율성향상방안연구 < 그림 5-32> 보정정보프로세싱리스트 (RT Product) 나 ) 메시지타입및전송방식설정 다음그림과같은창을열어여러가지메시지타입과전송방식을설정할수있다. 본 절에서는대표적인항목들에대해설명하도록한다. < 그림 5-33> 보정정보세부설정 Automatic Cell 으로설정할경우, 다음과같은단계를거쳐보정정보의전송이이루어진다. 1. 이동국이연결되면위치정보가서버로전송 2. 이동국에서수신된좌표와연결된모든기준국을거리별로정렬 3. 검색한사이트중가장가까운사이트를시작으로한개이상의클러스터에적용된사 112
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 이트를검색 4. 마스터사이트가적용된각클러스터의보조사이트표시되고최소 3개의보조사이트가클러스터에있으면적당한셀이생성 5. 최소 3개보조사이트가포함된클러스터에 SpiderNetdl 셀을생성하며최대사이트개수는 5개로설정됨 6. 검색된모든셀이동일한마스터사이트를가지므로이동국위치에서가장근접한보조사이트로보정신호를전송하며근접한 5개의사이트가고려된다. 7. 클러스터에서사용할수있는마스터사이트가없으면다음인근사이트를사용하며 2단계로이동 8. 이동국이네트워크내부에있을경우만선택 Maximum Distance to Provide Corrections 을선택하는경우사이트에서이동국이동시설정이상거리이동시보정신호수신되지않고, 거리외에위성의개수도고려한다. Additional Distance for Alternative 의경우, 설정한거리에서는가장근접한사이트보다최소 2개이상의위성을더갖은사이트를사용하고, 사용자측면에서는최적거리내에서최상의위성배치를갖는기준국을선택함으로써미지정수결정성능향상시킨다. 다 ) 보정정보생성 이상과같은설정이마무리되면시작버튼을클릭하여프로세싱을시작한다. < 그림 5-34> 보정정보생성 113
GPS 측량효율성향상방안연구 3. 보정정보생성용모듈개발 본연구에서는현재 RTCM 의 Proprietary Message 4081로검토되고있는 Compact RTK 프로토콜사용에대한고려를하고있다. 그러나 4081 메시지는상용 Network RTK S/W 에서는지원하는정식메시지가아니므로, Stream Transcoder 개발을통해 SpiderNet 과연동할수있는인터페이스를구성하였다. 본연구에서구성한 Stream Transcoder 는 Spider RTK 프록시서버에서실시간데이터스트리밍을편집할수있는기능을수행한다. 본인터페이스를사용하는 Dynamic Linked Library (DLL) 은자체버퍼를생성한후 Spider RTK Proxy 서버출력을저장한후, 이버퍼는 DLL integrator 에서수정한대로변경한후, Spider RTK Proxy 서버에서다시제어되어 GNSS Spider 가수정된스트림을사용자에게전송한다. 아래그림과같이 RT Proxy에서전송되는메시지를 original undecoded input buffer 에임시저장한후 decode 를거쳐 decoded buffer 에저장한다. buffer 에저장된메시지중원시데이터와동일한 RTCM Message 인 MT1004의원시메시지를추출하고, 이를 transcode 에입력하여 4081메시지를생성한후, 1006 등과같은기존메시지와결합하여 transcoded buffer 에저장한다. 이후, 이를 encode 하여 binary 형태로만든후, modified output buffer 에저장하여 RT Proxy 를통해전송한다. 114 < 그림 5-35> TranscodeStream 의작업
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 이상과같은기능을하는 DLL을 Spider 에서사용하기위해서는아래와같은단계에따라통합한다. 1) GNSS Spider 설치디렉토리로이동하여 ( 일반적으로 c: \Program Files \LeicaGeosystems \GNSS Spider \) 신규하위폴더 External 을생성. 2) SpiderNetRtkStreamTranscoder.dll 를신규하위폴더에복사후, StreamTranscoder _MyExample 로이름을변경. Stream Transcoder DLL 의이름은반드시접두사 StreamTranscoder_ 로시작하고, GNSS Spider RT-Product 와동일한이름을사용함. 3) Spider GUI 실행후 Network Server 로이동후, RT Product 탭에서신규 RT-Product 를생성하고, product 이름 MyExample 를선택하여사용 4) DLL 이활성화되고, Loaded StreamTranscoder module 'External \StreamTranscoder_ MyExample.dll', SpiderStreamConverterV1.0', Version: 1과같은와치뷰어메시지가나타남. 이상과같은단계를거쳐서비스를구현할경우, RTCM 2.x 와 3.x 등모든데이터포맷 보정정보와 single base, MAC, VRS 등모든 RTK 보정방식의적용이가능하고, 파일복사 나이름변경만으로도동일한서버에서다른모듈의 RT-Product 를사용할수있다. 4. Network RTK 서비스구현 SpiderNet 는 VRS, FKP, MAC 등다양한방식의 network RTK를 RTCM v2, v3, CMR, CMR+, Leica, Leica 4G 등다양한포맷으로제공할수있다. 현재국제표준포맷인 RTCM v2와 v3를제외한 CMR, CMR+, Leica, Leica 4G는 proprietary message 를사용하고, RTCM 2의 20/21 은 GLONASS 를지원하지않는다. 115
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 5-17> SpiderNet RT Product Message Type Network RTK DGPS GPS-only GPS/GLON ASS RTCM version Sent RTCM messages GLONASS messages FKP RTCM 2.x (18/19) 2.3 3/18/19/22/23/24/59 18/19 FKP RTCM 2.x (20/21) 2.3 3/20/21/22/23/24/59 - i-max CMR - proprietary format proprietary format i-max CMR+ - proprietary format proprietary format i-max Leica - proprietary format proprietary format i-max Leica 4G - proprietary format proprietary format i-max RTCM v2 (1/2) 2.3 1/2/3 - i-max RTCM v2(1/2/18/19) 2.3 1/2/3/18/19/22/23/24 18/19 i-max RTCM v2 (1/2/20/21) 2.3 1/2/3/20/21/22/23/24 - i-max RTCM v2(18/19) 2.3 3/18/19/22/23/24 18/19 i-max RTCM v2(20/21) 2.3 3/20/21/22/23/24 - i-max RTCM v2(9/2) 2.3 2/3/9 - i-max RTCM v3(extended) 3.1 1004/1006/1008/1013/1029/1032/1033 1012 MAX Leica 4G - proprietary format proprietary format MAX RTCM v3 (Extended 1015/1016) 1004/1005/1006/1013/1014/1015/1016/ 1029/1033 1012(Master only) /1037/1038 MAX RTCM v3 (Extended 1017) 1004/1005/1006/1013/1014/1017/1029/ 1012(Master only)/1039 1033 VRS CMR - proprietary format proprietary format VRS CMR+ - proprietary format proprietary format VRS Leica - proprietary format proprietary format VRS Leica 4G - proprietary format proprietary format VRS RTCM v2(1/2) 2.3 1/2/3 VRS RTCM v2(1/2/18/19) 2.3 1/2/3/18/19/22/23/24 18/19 VRS RTCM v2(1/2/20/21) 2.3 1/2/3/20/21/22/23/25 - VRS RTCM v2(18/19) 2.3 3/18/19/22/23/24 18/19 VRS RTCM v2(20/21) 2.3 3/20/21/22/23/25 - VRS RTCM v2(9/2) 2.3 3/9/2 - MAX RTCM v3 (Extended) 3.1 1004/1005/1008/1013/1029/1032/1033 1012 116
제 5 장단방향 Network RTK 인프라구축 이상과같은 RT-product 의케이스별가용서비스와지원체계등은 < 표 5-18> 에정리하였다. 이와같은서비스들중본연구에서는범용수신기적용을고려하여국제표준메시지에근거하여 RTCM 포맷을사용하는 RT-product 만을고려하였으며, NTRIP 인증에의한 Max-RTCM v3외에도 VRS RTCM v3, i-max RTCM, FKP RTCM 2.x(18/19) 를오픈하여사용하였다. 또한단방향 Network RTK 구현가능성을검토하기위하여 NTRIP 이아닌 TCP/IP 에의한 Max-RTCM v3을별도의포트를통해방송하도록설정하였다. 117
임양측량장비성능고도화 제 6 장
제 6 장임야측량장비성능고도화 제 6 장임야측량장비성능고도화 제 1 절 인코더를이용한각측정개요 1. 인코더를이용한각측정개요 인코더 (Encoder) 란기계적인이동량또는변위를검출하여전기적신호로변환시키는광센서로회전축이 1회전함에따라발생하는아날로그신호를내부파형정형회로에의해디지털신호로변환시켜출력함으로써자동제어계의위치, 속도, 각도등을측정하는장치이다. 주로산업용모터제어, 엘리베이터, 로봇, 등의분야에활용되며다양한규격과와해상도를가진제품들이출시되고있다. < 그림 6-1> 로터리인코더의형식 1) 로터리인코더 (Rotary Encoder) 의구성인코더의구조는기본적으로기구부, 수 발광부, 회로부로구분된다. 기구부는샤프트 (Shaft), 프레임 (Frame), 베어링 (Bearing) 으로구성되며수 발광부는발광소자, 디스크, 수 121
GPS 측량효율성향상방안연구 광소자로구성되어있으며, 회로부는수광소자로부터출력되는신호를정형화하는회로로 구성된다.< 그림 6-2> < 그림 6-2> 인코더의측정부및구조 2) 각측정원리인코더의변위량측정원리는발광소자에서나오는빛이디스크의회전술릿과고정슬릿을통과한후, 수광소자를통해빛에너지가전류로변환된위상 (Phase) 이 1/4주기다른 2개의구형파펄스로출력된다. 출력방식이구형파펄스형식이면인크리멘탈 (Incremental) 인코더라고하며출력펄스를디지털코드화하여출력되는방식을앱솔루트 (Absolute) 인코더라고한다. 출력되는펄스신호에는기본적으로 3가지펼스열 (A상, B상, Z상 ) 이있으며 A상과 B상은 90 의위상차로출력되어회전방향을판별할수있으며 Z상은 1회전에 1 개씩출력되는신호를말하며원점신호라고한다 < 그림 6-3> 인코더출력파형 122
제 6 장임야측량장비성능고도화 제 2 절 인코더를이용한 Smart Pole 개발및제작 1. Smart Pole 본연구에서개발한스마트폴은 GPS수신기, 각도측정장치 ( 인코더 ), 거리측정장치 ( 디스토 ) 를타블렛 PC( 스마트패드 ) 기반으로통합한측량장비를말하며세계측지계기반의절대위치를산출하는 GPS측량과상대위치를계산하는토탈스테이션의장점만을선택적으로사용하기위한장비이다. 장비의휴대성을높이고간소화하여현장작업자의편의성을높일수있도록설계및제작되었으며스마트폴의기본개념은 < 그림 6-4> 과같다. < 그림 6-4> 스마트폴개념도 123
GPS 측량효율성향상방안연구 2. 장비구성 스마트폴은기존의 RTK-GPS 장비에인코더모듈을결합한것으로모듈의길이는 35 cm, 무게은약 0.5kg 로간이토탈스테이션의역할을수행하며각장비는소프트웨어에의해서 제어된다. < 그림 6-5> < 그림 6-5> 스마트폴의인코더부분 1) 인코더스마트폴시제품제작에사용된인코더는 IRD19A( 러시아 ) 으로 Rotary 타입이며해상도는 40,000 puls/cycle로각측정의정확도는 0.009 이다. 이를거리로표현하면약 ± 3cm (@ 200m) 정도의정확도를갖는장비로임야지역에서의허용오차인 0.6m( 축척 1/3000 기준 ) 이내이므로임야측량에사용가능한장비로판단되어적용하였다. 인코더는회전량을감지하는축이진동과충격에매우민감하고회전량이위상 (Phase) 을가진펄스로출력되기때문에디지털신호로바꾸기위한별도의처리장치가필요하다. 124
제 6 장임야측량장비성능고도화 시제품은인코더사용에필요한통신장치 ( 블루투스 ), 아날로그신호를디지털신호로바꾸기위한별도의칩을사용하였으며인코더를외부의충격에보호할수있는충격방지장치를일체형으로제작하였다. 토탈스테이션의측각부와동일한역할을하며사용된인코더의세부규격은아래와같다. < 표 6-1> Encoder 규격 구분세부사양비고 타입해상도정확도무게크기전압 Rotary Encoder 40,000pulse/circle ± 150 arc sec 30 g 30.5mm, Ø6 5V DC 2) 디스토디스토는레이져를이용하여거리를관측하는장치로토탈스테이션의측거부와같은역할을한다. 측량프로그램과블루투스로연동되어거리를측정할수있으며측정범위가최대 200m이나 100m 이상의거리는반사판을사용하여야정확한거리를측정할수있다. 디스토의거리측정은송출된레이져가반사되어돌아오는시간을관측하여거리를계산하는방식으로정밀도가 ±1.0mm 로매우정밀하게거리를관측할수있다. 125
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 6-2> 디스토세부규격 구분 세부사양 비고 측정거리 0.05m ~ 200m 정밀도 ±1.0 mm 무게 205 g 디스플레이 2.4(4배줌 ) 크기 143.5 55 30 mm 통신 블루투스 3) RTK-GPS RTK-GPS 장비는 WGS84 타원체와좌표계를기준으로위치를결정하는장비이다. 기준국의보정정보를수신하여 2 3 cm의정확도로측량을수행할수있으며시리얼포트를이용하여보정정보 (RTCM) 의입력과 NMEA 정보를수신할수있다. 트림블 R6 수신기의정확도는 ±2cm이며 GPS 위성과 GLONASS 위성의신호를동시에처리할수있도록 70개의채널을가지고있으며 CMR+, RTCM 2.0, RTCM 3.0, MAC, FKP 보정정보를처리할수있다 < 그림 6-3>. < 표 6-3> RTK-GPS (Trimble R6) 구분세부사양비고 정확도채널수입출력무게 수평 1 cm ±1 ppm 수직 2 cm ±1 ppm 72채널 (GPS+GLONASS) CMR+, RTCM2.1, RTCM3.0, MAC, FKP 1.34 kg 4) 타블렛 PC 타블렛 PC 는기존에사용하고있는현장용펜컴퓨터를대체하기위해사용된타블렛형 태의장비이다. 크기와무게를절반으로줄어장비의휴대성이높으며윈도우기반의운영 126
제 6 장임야측량장비성능고도화 체제로기존의프로그램을수정없이사용할수있는장점이있다. < 그림 6-6> 타블렛 PC(Getac E100) 시제품으로사용된타블렛 PC는 Getac 사의 E100 모델로 8.4인치 TFT 모니터와 3G, Wifi, Bluetooth 등과같은통신모듈을탑재하고있다. E100 모델은다수의통신포트를갖추고있어 GPS 보정정보를수신하기위한휴대폰과인코더모듈과의통신을위한추가통신장비가필요하지않아장비를간소화하는데중요한역할을하고있다. < 표 6-4> 타블렛 PC 세부사양구분세부사양비고운영체제윈도우 7 하드웨어 CPU : Intel Pine View N450 1.66 GHz Memory :2GB DDR2 디스플레이 8.4" TFT LCD SVGA (800 x 600) 통신인터페이스크기전압사용환경 10/100/1000 base-t Ethernet Bluetooth (v2.1+edr class 2) Gobi 2000 mobile broadband 280 x 184 x 32 mm,1.4 kg AC adapter (50W, 100-240VAC, 50 / 60Hz) Li-Ion smart battery (5100mAh) 온도 : 0 C~60 C, 습도 : 95% RH 127
GPS 측량효율성향상방안연구 3. 스마트폴의위치결정원리 1) 좌표계스마트폴은항법위성에의한절대위치와인코더모듈에의한상대적인위치를병행사용하여위치를결정하는시스템이다. 스마트폴의구성장비중 RTK-GPS 는 3차원으로계산된좌표를투영 (Projection) 을거쳐 2차원평면으로표시하며인코더모듈은각과거리를이용하여상대적인위치를평면에표시한다. < 그림 6-7> 평면직각좌표계와극좌표계 2) 절대위치결정 GPS 측위는내부적으로 WGS84 타원체와좌표계를사용하고있으며우리나라에서채택 하고있는가우스 - 크뤼거투영 (T.M) 을거쳐 2 차원평면에표시한다 < 그림 6-8> < 표 6-5>. < 그림 6-8> 좌표계변환 128
제 6 장임야측량장비성능고도화 < 표 6-5> TM 투영식 cos tan cos sin sin sin sin tan tan tan 위도 경도 투영원점위도 투영원점경도 타원체장반경 편평률 타원체단반경 원점축척계수 E Y축 East 원점가산값 축 원점가산값 129
GPS 측량효율성향상방안연구 GPS측량이세계측지계를기준으로하는좌표를산출하는반면지적도면은지역측지계를기준으로하는좌표계를사용하고있어지적측량에사용하기위해서는동일한측지기준계로변환하는작업이필요하다. 현재 GPS를이용한기초측량은세계측지계를기준으로관측하여성과를산출하고이를다시지역측지계로변환하여실무에서사용하고있다. 이방법은좌표변환에의한변환오차를포함하고있으며지적의특성상지역별로다른변환계수를이용하여야하는문제점을가지고있다. 이는지적기준점의성과가낮고불균질하며좌표가아닌그림으로등록된도해지적의한계로나타나는문제점으로판단된다. 기존의도해측량은주변기지현황을측정하여지적도에맞추는형태로작업이이루어졌으나 GPS를이용한지적측량은절대적인위치를정확하게산출할수있으므로기존작업방식의전환이필요하다 < 그림 6-9>. < 그림 6-9> GPS 측위지적세부측량적용모델 GPS 스마트폴측량소프트웨어 는기존방식을적용하여변환계수를산출하고이를지역측지계로변환하여지적측량을수행할수있도록하였으며변환모델은비상사변환인 Affine(6 변환계수 ) 모델을적용하였다. Affine 변환의개념은 < 그림 6-10> 과같으며변환 130
제 6 장임야측량장비성능고도화 식은 < 표 6-6> 과같다. < 그림 6-10> 2 차원변환 < 표 6-6> Affine 변환식 여기서 축축척변화량 축회전량 원점이동량 3) 상대위치결정인코더모듈을이용하여결정되는위치는기지점을기준으로하는상대적인위치이다. 이방법은토탈스테이션을이용하여도근점측량을수행하는방법과동일하며좌표를알고있는 2점을이용하여기계점의위치와방향을결정후각과거리를이용하여미지점의위치를산출하는방법이다. 131
Network RTK 측량용 S/W 개발 제 7 장
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 제 1 절 Network RTK 측량용 S/W 개요 아래그림은본연구에서개발한 RTK-Smart Pole 측량용 S/W의구동화면이다. 본소프트웨어는크게 GPS 파트와인코더파트로나뉘어인터페이스를제공하고, CAD 등은통일된결과물을제시한다. GNSS 수신기와인코더는시리얼통신으로본 S/W에연결되고, TCP/IP 통신을통해 NtripCaster 로부터 GNSS 보정정보를수신하여시리얼통신으로수신기에전달한다. CIF 형식의도면불러오기와 GNSS 측량결과의도면상도시, 결과의텍스트출력이가능하다. 이상의방법을통해휴대폰과컨트롤러의기능을본 S/W에서수행할수있다. < 그림 7-1> < 그림 7-1> RTK/Smart-Pole 측량용 S/W 동작화면 (GPS 부분 ) 135
GPS 측량효율성향상방안연구 아래그림은스마트폴을이용하여지적측량을수행하기위한프로그램부분이다. < 그림 7-2> GPS 스마트폴측량프로그램 프로그램의주요기능은 RTK-GPS, 인코더모듈의통신제어와관측값저장및목표점의 방향설정등의절차를아래표와같이수행하여측량업무를수행한다. 136
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 < 표 7-1> 지적측량소프트웨어기능 (a) CIF 파일열기 (b) 장비통신설정 (c) 기지점설정 (d) 인코더방향성설정 (e) 목표점설정 137
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 7-2> GPS 스마트폴측량프로그램의주요기능 주요기능세부사항비고 사용파일 GPS 연결보정정보인코더모듈연결디스토연결측량기타 CIF, SVY, TXT 파일입출력 RTK-GPS 통신환경설정 NTRIP 을이용한보정정보송수신 인코더모듈통신환경설정, 방향선설정 디스토통신환경설정 GPS 관측값표시, 인코더방향선표시, 목표점의각도표시, 기계점위치및방향설정, 관측값저장 위성배치 (Sky Plot), 수평및수직위치변환량표시 제 2 절 Network RTK 측량용 S/W 구조 1. 프로그램파트구조 프로그램은다음그림과같이크게외부장비와사용자를연결시켜주고내부프로세싱을담당하는구조로구성된다. 본 S/W가연결하는주요장비는 GPS 수신기와 Encoder 이고, CIF 등의파일입출력과 TCP/IP 를이용한 Ntrip 서버등의역할수행을위해사용자와의인터페이스가필요하다. GPS의경우사용자가 GPS 패널을통해입력을내리면 GPSManager 와 NMEA 를거쳐 GPSPort 에서 GPS 에정보를주고, GPS 에서수신한정보를반대의경로로사용자에게전달한다. Encoder 의경우역시 Encoder 패널, EncoderManager, EncoderPort 가 GPS 장비와동일한기능을수행한다. 프로그램내 Ntrip 에서내린명령에따라 Socket 에서 Ntrip 서버에전달하여보정정보를 Socket 을통해수신하고, 이를다시 GPSPort 에넘겨 GPS 수신기로보낸다. 이데이터는 RTCMManager 로보내이를다시파싱하고처리한다. 138
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 < 그림 7-3> RTK/Smart-pole 측량용 S/W 프로그램구조 2. 연결부 연결부는외부기계와연결하기위한계층으로 EncorderPort, GPSPort, Socket 파트로나뉜다. EncorderPort 파트는 Encorder 기기와의연결및데이터를주고받는것을담당하는파트로 HANDLE_PPORTENCORDER 클래스로이루어지며연결설정은 CSurveyDeviceDlg 대화상자클래스에서설정한다. EncorderPort 는받은데이터를 EncorderManager 의 CEncoderManager 클래스로보내데이터를관리하고프로그램내에반영이필요한부분에반영되게한다. GPSPort 파트는 GPS기기와의연결및데이터를주고받는것을담당하는파트로 HANDLE_PPORTGPS 클래스로이루어지며연결설정은 CSurveyDeviceDlg 대화상자클래스에서설정한다. GPSPort 는받은데이터를 NMEA 의 CNMEA 클래스로보내데이터를파싱하여프로그램내에적용시키게하고, Socket 파트는 Ntrip 서버와 TCP/IP 통신을전담하며그에따른이벤트및그것을받아 Ntrip 파트로파싱을의뢰하고그내용을 GPSPort 파트로보내주는파트인 SocketUse 클래스로이루어져있다. 139
GPS 측량효율성향상방안연구 3. 파싱부 파싱부는연결부에서받은데이터를처리하기위해판단하는부분으로 NMEA 파트와, Ntrip 파트가있다. NMEA 파트는 GPS에서들어오는현재위치, 위성위치, 위성정보등을 GGA/GSA/GSV 에서파싱하여 GPSManager 로보내는파트로 CNMEA 클래스로이루어져있다. Ntrip 파트는 Ntrip 서버에서오는보정정보를파싱하여메시지가어떤정보인지를판단하여그처리를하는클래스로 CRTCM_Msg 형태로 CRTCM_Manager 로보내며 CNtrip 클래스와그메시지하나하나의형태가될 CRTCM_Msg 의파생클래스들로이루어져있다. 4. 관리부 관리부는프로그램의전반적인데이터및컨트롤을관리하는부분으로, 데이터를관리하는 EncorderManager, ParcelManager, GPSManager, RTCMManager가있고캐드화면과그에따른이벤트및도형정보를기억할 CadManager 부분으로구성된다. CadManager 는캐드화면을컨트롤하는파트로캐드화면의도형생성및각각의이벤트 / 메뉴등을관리하는파트이다. 이파트는 CCadManager 클래스로이루어져있다. GPS에서오는모든데이터를저장 / 관리및필요로하는곳을위하여그데이터를제공및갱신에따른이벤트를발생하는파트로 CGPSState 클래스로이루어져있으며위치정보로써시간을담을수있는 CGPSPoint 클래스를사용하고, 위성정보는 CSatelliteState 클래스에정보를담아관리한다. EncorderManager 는 Encorder 에서들어오는데이터뿐아니라사용자가설정한후시점, 기계점등을기억및관리하는파트이다. 이파트는 CEncorderManager 클래스로이루어져있다. ParcelManager 는 CIF를읽어필지정보, 도곽정보, 기초점정보등을기억및작업을통해구해낸관측점들을관리하는파트이다. 이파트는 CParcelManager 클래스로이루어져있으며각각의데이터형으로써 CParcel, CMapBound, CBasePoint 등의클래스를사용한다. RTCMManager 는 Ntrip파트에서파싱한 RTCM 메세지를관리하기위한파트로 140
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 써 CRTCM_Manager 클래스로이루어져있으며 RTCM 메세지내용을 RTCM_Msg 의파생 클래스들에담아관리한다. 5. 인터페이스 인터페이스부는사용자가프로그램을사용하고프로그램이사용자에게상황을보여주기위한부로써실질적인캐드화면과 Encoder 패널, GPS패널그리고 GPS에관한여러가지상황을보여줄그래프파트로나뉜다. Cad화면부분은이프로그램의메인화면이지만 Ca dmanager 에서관리하는부분이므로별다른클래스가포함되지는않는다. VeCad 가이에포함되며사용자에게작업의결과혹은그과정을보여주며, 그외에필요한입력을받는화면이다. GPS패널은 GPS와관련된전반적인상황을보여주며측량시작명령등의 GPS 를사용하는기능들을제공하는부분으로 CGPSMainMenuFormView 클래스로이루어져있다. Encorder 패널은 Encorder 에서입력받은각도값뿐만아니라그인코더가제공하는기능을명령할수있고, 그외인코더측량을위한기계점, 후시점설정등을지원하는 CE ncordermenuformview 클래스로이루어져있다. 그래프는 GPS에서받은위치정보의궤적을보여주는수직, 수평궤적이있고 GPS의위성위치를보여주는위성그래프와위성의각각의감도를보여주는위성감도그래프로나뉜다. 이들부분은각각 CViewVMoveDl g, CViewSkyDlg, CViewHMoveDlg, CGPSSNRGraphDlg 클래스로구성되고, 별도의 CVIE W_VMOVE_GRAPH, CVIEW_HMOVE_GRAPH, CVIEW_SKY_GRAPH, CGPSSNRGraph 등의커스텀컨트롤러클래스들로디스플레이하며각각의그래프는 GPSManager 에위성정보및위치정보가갱신될때갱신되도록구성된다. 141
GPS 측량효율성향상방안연구 제 3 절 Network RTK 측량용 S/W 기능별구현 1. NTRIP Client NTRIP 은 Networked Transport of RTCM via Internet Protocol 의약자로 Internet을이용하여 GNSS data stream을방송하는프로토콜이다. NTRIP 은 DGPS/RTK 보정정보를인터넷으로방송하기위하여 BKG 에의해제안되었고, RTCM 은 2004년 11월에 NTRIP을국제표준으로제정하였다.(RTCM Paper234-2004/SC104-PR) 아래내용은 RTCM Paper 054-2008-SC104-499인 RTCM Recommended Standards for Networked Transport of RTCM via Internet Protocol(Ntrip) version 2.0 draft 문서중일부를인용하였다. NTRIP은 HTTP(HyperText Transfer Protocol) 1.1과 RTSP(Real Time Streaming Protocol) 에기반하고있고 NTRIP 서비스는일반적으로 HTTP/TCP/IP, RTSP/TCP/IP, RTP/UDP/IP 의형태로제공된다. 기본포트는 2101로설정되어있으나모든포트가사용가능하며, 인터넷뿐아니라모뎀이나 UDP 통신에도적용가능하다. NTRIP 시스템은아래그림과같이 NTRIP 서버, NTRIP 클라이언트, NTRIP 캐스터, 3개의컴포넌트로구성된다. Ntrip Server 는특정지점 (Ntrip Source, 주로 GNSS 수신장비 ) 에서생성된데이터스트림을 Ntrip Caster 로 upload 하는역할을한다. 모든 Ntrip Source 에는각각 Ntrip Server 가할당되고, 고유의 mountpoint 로 Ntrip Caster 에데이터 stream을 RTCM 또는 raw data 형태로전달한다. Ntrip Caster 는기본적으로 HTTP/RTSP 요청 / 응답메시지를지원하고, 50~500bytes/sec 수준의저속 streaming data 에적용가능한구조이다. 142
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 < 그림 7-4> Ntrip 서비스구성도 Ntrip Client 는적절한요청메시지를보내면 Ntrip Caster 로부터승인을받아 data 를수신할수있다. 메시지포맷과상태코드등 Ntrip Caster 와의커뮤니케이션은 HTTP 1.1을기반으로하고있으며, Ntrip Caster 에서제공하는소스테이블정보에따라 Ntrip 소스를선택한다. Ntrip Client 는 Ntrip Caster 에서인터넷으로제공되는데이터스트림을수신하는모든종류의 S/W에서적용가능하여야하므로, 사용자의단말기나어플리케이션에서통신에사용하는프로토콜은정해져있으며, 다음과같은순서로진행된다. NtripCaster 에서 NtripClient 로시스템정보전송 ( 주로소스테이블의형태 ) NtripClient 에서데이터요청 ( 일반적으로마운트포인트, 사용자명, 비밀번호수반 ) NtripCaster 에서 NtripClient 로요청된데이터전송 오류상태, 잘못된요청등 Handling NtripCaster 의시스템정보를취득하기위하여 NtripClient 는아래와같은 HTTP 구문을 전송하여야한다. 143
GPS 측량효율성향상방안연구 GET / HTTP/1.1<CR><LF> Host: NtripCaster 도메인 <CR><LF> Ntrip-Version: Ntrip/2.0<CR><LF> User-Agent: NTRIP 사용자명 <CR><LF> Connection: close<cr><lf> <CR><LF> 첫번째라인은소스테이블요청에대한문장이고, 마지막라인은요청이끝났음을의미한다. 이요청을받은 NtripCaster 는아래와같은데이터를전송한다. SOURCETABLE 200 OK<CR><LF> Server: NtripCaster 이름 2.0/1.0<CR><LF> Connection: close<cr><lf> Content-Type: text/plain<cr><lf> Content-Length: sourcetable 길이 <CR><LF> <CR><LF> sourcetable data NtripClient 가 NtripCaster 에정상적으로접속할경우 SOURCETABLE 200 OK 로시작되는데이터가전송된다. 수신된소스테이블은 STR로표기되는 Data STReams 과 CAS 로표기되는 CASters, NET로표기되는 NETworks of data streams 에대한정보를제공한다. Client 가수신할데이터의마운트포인트명외에도보정정보형식, 전송주기, 사용되는항법체계, 보정정보생성에사용된소프트웨어, 요금부가여부, 전송속도등에대한정보를 ; 를구분자로제공하고, 제일마지막문장은 ENDSOURCETABLE 로마무리된다. 이상의 SourceTable 의상세항목및설명은다음표와같다. 144
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 # Record Parameter 의미 포맷 예시 1 <type>= STR STR (the only acceptable string) 3문자 STR 2 <mountpoint> Caster mountpoint 최대 100자의문자 ( 영문, 숫자,-. _" 만사용 LEU0 3 <identifier> Source 구분자 문자 ( 최대길이에대한정의는미정의 ) Frankfurt 4 <format> RTCM, Raw 등 Data format 문자 ( 최대길이에대한정의는미정의 ) 5 <format-details> 6 <carrier> RTCM 메시지 /RAW data 포맷, 괄호안전송주기초단위표기 반송파정보포함여부 (0=No / 1=Yes,L1 / 2=Yes,L1&L2) RTCM2.3 / RTCM3 / CMR / RAW 문자 ( 최대길이에대한정의는미정의 ) 1(1), 2(1), 3(30) 정수 0 / 1 / 2 7 <nav-system> 위성항법시스템문자 ( 최대길이에대한정의는미정의 ) 8 <network> Network 문자 ( 최대길이에대한정의는미정의 ) GPS / GPS+GLONASS / GPS+EGNOS EUREF / IGS / IGLOS 9 <country> 국가명 (ISO 3166) 3 글자문자 DEU / ITA / ESP 10 <latitude> 대략적위도 (nmea = 1 인경우 ) 11 <longitude> 대략적경도 (nmea = 1 인경우 ) 12 <nmea> Caster 에 Client 의대략적인 NMEA 위치전송여부 (0= 불필요 / 1= 필요 ) Floating point number( 소수점이하두자리 ) Floating point number( 소수점이하두자리 ) 40.12 / -12.14 10.12 / 357.85 정수 0 / 1 13 <solution> 데이터스트림생성방식 (0= 단일기준국 / 1=Network) 정수 0 / 1 14 <generator> Hard-or software generating data stream 문자 ( 최대길이에대한정의는미정의 ) JPS Legacy E 15 <compr-encryp> 압축 / 암호화알고리즘사용여부문자 ( 최대길이에대한정의는미정의 ) none 16 <authentication> 데이터스트림접근권한 (N=None/ B=Basic/ D=Digest) 1 문자 N / B / D 17 <fee> 데이터스트림사용요금부과 (N= 무료 / Y= 부과 ) 1문자 N / Y 18 <bitrate> 데이터스트림의 bit rate 정수 500 / 5000 < 표 7-3> Ntrip 소스테이블상세항목 n <misc> 부가적인정보문자 ( 최대길이에대한정의는미정의 ) nono / Demo 145
GPS 측량효율성향상방안연구 아래는본과제에서구축한 Network RTK 서버에 NtripClient 가접속시전송받는정보이다. SOURCETABLE 200 OK Server: GNSS Spider 4.1.0.3784/1.0 Date: Fri, 11 Nov 2011 09:01:16 GMT Standard Time Content-Type: text/plain Content-Length: 866 STR;MAX;MAX;RTCM3;1004(1),1005(5),1015(5),1016(5);2;GPS&GLONASS;KoCaNet;K OR;37.89;127.20;1;1;Leica GNSS Spider;none;B;N;9600; STR;VRS_RTCM2.3;VRS_RTCM2.3;RTCM2;18(1),19(1),23(5),24(5);2;GPS&GLONASS; KoCaNet;KOR;37.89;127.20;1;1;Leica GNSS Spider;none;B;N;9600; STR;VRS_RTCM3.x;VRS_RTCM3.x;RTCM3;1004(1),1005(5);2;GPS&GLONASS;KoCaNet; KOR;37.89;127.20;1;1;Leica GNSS Spider;none;B;N;9600; STR;i-MAX;i-MAX;RTCM3;1004(1);2;GPS&GLONASS;KoCaNet;KOR;37.89;127.20;1;1; Leica GNSS Spider;none;B;N;9600; STR;Nearest;Nearest;RTCM3;SingleSite;2;GPS&GLONASS;Spider;Kor;37.89;127.20;1;0;L eica GNSS Spider;none;B;N;9600; STR;YOIN;YOIN;RTCM3;SingleSite;2;GPS&GLONASS;Spider;Kor;37.23;127.20;1;0;Leica GNSS Spider;none;B;N;9600; STR;FKP;FKP;RTCM2;1004(1),1005(5),1015(5),1016(5);2;GPS&GLONASS;KoCaNet;KO R;37.89;127.20;1;1;Leica GNSS Spider;none;B;N;9600; ENDSOURCETABLE 위소스테이블에서확인할수있듯이본연구에서구성한인프라에는 MAX, VRS_ RTCM2.3, VRS_RTCM3.x, i-max, Nearest, YOIN, FKP 등의마운트포인트들이포함되어있다. 위소스테이블해석을위해일부문장을해석하면, MAX 의경우 RTCM 3의형태로매초 1004 메시지형태로 GPS와 GLONASS 2주파보정정보를전송하고있으며 1005, 1015, 1016번메시지는 5초에한번씩전송된다. KoCaRTK Net 네트워크에포함된마운트로한국에소속된네트워크이며사용자는 NMEA 형태로대략적인위치를전송해야한다. 보정정보는 Leica GNSS Spider 소프트웨어에의해 network 기반으로생성되고, 압축 / 암호화기법은사용되지않았고데이터스트림접근권한은기본 (Basic) 이나요금은부과되지않고 9600bps 환경으로사용가능하다. YOIN 의경우 RTCM3 형태로 singlesite 에서 146
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 GPS&GLONASS 이중주파수보정정보를방송한다. 사용자는 NMEA 위치정보를 Caster 에제공하여야하나단일기준국보정정보를사용하고, 압축 / 암호화기법은사용되지않았고데이터스트림접근권한은기본 (Basic) 이나요금은부과되지않으며 9600bps 환경으로사용가능하다. 이상과같이 SourceTable 을통해 Caster 에대한정보를확인하면원하는 Mountpoint 에 접속하여 GNSS 보정정보를수신받는다. GNSS 보정정보수신을위하여 SourceTable 의 수신을위해전송하였던명령과유사한명령을아래와같이전송한다. GET / 마운트포인트명 HTTP/1.1<CR><LF> Host: NtripCaster 이름 <CR><LF> Ntrip-Version: Ntrip/2.0<CR><LF> User-Agent: NTRIP ExampleClient/2.0<CR><LF> Authorization: Basic bnryaxa6c2vjcmv0<cr><lf> Connection: close<cr><lf> <CR><LF> HTTP에서의 Authorization 행은 NtripClient 에서 NtripCaster 로의통신을위해필요하다. 사용제한이없는데이터스트림의경우이행은불필요하나, Ntrip 을위해서는 Basic Authorization 이최소요구조건이다. Basic Authorization 의경우권한획득을위해사용자 ID와비밀번호전달이필요한데, 아이디 (id) 와비밀번호 (password) 를 id:password 와같은형식의 ASCII 문자열로나열한뒤, 이를 Base64 인코딩기법으로바이너리변환하여 Authorization 행에입력한다. 만약아이디나비밀번호의오류로권한획득에실패할경우, 서버는 401번의에러가발생하고, 다음과같은응답을 NtripClient 에게보낸다. HTTP/1.1 401 Unauthorized Server: 서버명 WWW-Authenticate: Basic realm="examplemountpoint" 147
GPS 측량효율성향상방안연구 이와같은 401 에러외에 Ntrip 에서규명하는에러들은아래와같다. 200 OK everything was fine 401 Unauthorized No or wrong authorization 404 Not Found Mountpoint of request not found 409 Conflict Mountpoint already in use by another NtripServer 500 Internal Server Error e. g. some internal errors 501 Not Implemented e. g. Requested function not implemented in NtripCaster 503 Service Unavailable e. g. in case of NtripCaster overload or bandwidth limitations 이상과같은에러가발생하지않으면서버는아래와같이 200 메시지를송출하여 Client 에게알린다. ICY 200 OK<CR><LF> 그리고 401 이외의에러가발생할경우사용자에게 NtripCaster 에대한정확한정보를다시알려주기위하여 SourceTable 을재발송한다. 가상기준국데이터를이용하거나 network 내최적의데이터송출을위해서 NtripCaster 가 NtripClient 에게대략적인위치를 NMEA 형태로요구할경우, 즉 SourceTable 의 <nmea> 가 1인경우, NtripCaster 는보정정보전송을하기에앞서보정정보생성을위해적어도하나의위치문자열을기다린다. 이를위해 NtripClient 도 NtripCaster 에데이터를전송해야하므로이와같은시스템은양방향통신에기반하여야한다. Ntrip 2.0 버전에서 NtripClient 가 NMEA 위치정보를보내는방식으로선호되는방법은 Ntrip-GGA: 와같이추가적인헤더를사용하는방식이고그예는아래와같다. Ntrip-GGA: $GPGGA,040941.00,5034.91174,...47.7,M,,*51<CR><LF> 물론 GNSS 수신기에서수신한 NMEA data 를아래와같이수정하지않고그대로전달하 는것도 Ntrip 1.0 버전에서지원한다. 148
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 $GPGGA,040941.00,5034.91174,... 47.7,M,,*51<CR><LF> NtripClient 는한개이상의 NMEA GGA 문자열을송출하여야하며, 언제든 GGA 외의다른문자열송출도가능하다. 다만, 이와같이지속적으로서버에송출할경우 NtripClient 의위치가 NtripCaster 에게실시간으로추적당할수있음은염두에두어야하고, 이는 NtripClient 가잠재적으로사생활문제에노출될수있음을의미한다. 2. RTK 출력 GNSS 수신기가제공하는정보는 Trimble RT17 메시지와같은 GNSS 원시데이터와원시데이터를처리하여획득한위치정보등이있다. 위치정보의포맷은수신기별로상이하나, 대부분의수신기들은 NMEA(National Marine Electronics Association) 라고불리는 NMEA 0183 포맷을따른다. 따라서본연구에서도수신기와무관하게적용가능한소프트웨어개발을위해 NMEA 포맷에근거하여설계하고구현하였다. NMEA 0183은총 3가지레이어로구성되어있으며, 이것은각각물리계층, 데이터링크계층, 애플리케이션계층이다. 물리계층은 RS-232, RS-422 등의전기적인전송규격을뜻한다. 데이터링크계층은 Baud rate, Data bit, Parity bit, Stop bit 등을정해놓는다. 애플리케이션레이어에서의문장은 '$' 로시작하고, Sentence 의종류는 Talker ID로시작되는데 GPS의경우 GP로, GLONASS 의경우 GL로시작하며, 데이터의구분은 ',' 로하되, '*' 로끝나는데, '$' 와 '*' 사이의모든데이터를 exclusive or 연산을하여체크섬을만들어추가한다. 대표적인 Sentence 의종류는 GPGGA, GPGSV, GPGSA, GPRMC 등이있다. GPGGA 는가장대표적으로사용되는 Sentence 로 Global Positioning System Fix Data 라고한다. 여기에서주로알수있는것은시간, 위도, 경도, 고도등이며, 아래와같은형식으로출력된다. 149
GPS 측량효율성향상방안연구 ---------------------------------------------- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 11 12 13 14 15 $--GGA,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x,xx,x.x,x.x,M,x.x,M,x.x,xxxx*hh <CR><LF> ---------------------------------------------- < 표 7-4> GPGGA 메시지구조및내용 내용 GPS 데이터출력시간. 그리니치표준시를기준으로한 1 Universal Time Coordinated (UTC) 2 위도 3 N or S ( 북반구 or 남반구 ) 4 경도 5 E or W ( 동경 or 서경 ) 6 GPS 품질표시 - 1 : 보정정보를수신하지않은 Stand-alone 상태 - 2 : 코드기반의보정정보를수신한 DGPS 모드 - 3 : PPS( 군용 GPS 신호 ) 를이용하여위치를결정한경우 - 4 : RTK 고정해 (fixed solution) - 5 : Float RTK - 6 : Dead Reckoning 을이용하여위치를추정한경우 - 7 : 인위적인입력 - 8 : 시뮬레이션모드 7 현재가시위성의개수, 00-12 8 HDOP(horizontal dilution of Precision) 9 해수면기준고도, 표고 10 표고단위 11 지오이드고 ( 해수면과타원체면간차이 ) 12 지오이드고의단위 13 DGPS 보정정보 SC-104 MT 1 또는 9 업데이트시간지연. DGPS 가사용되지않을때는 null 150 14 DGPS 기준국 ID, 0000-1023 15 Checksum
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 이상의형식에대한예는아래와같다. $GPGGA,114455.532,3735.0079,N,12701.6446,E,1,03,7.9,48.8,M,19.6,M,0.0,0000*48 상기 Sentence 를해석하면이데이터는 UTC 11시 44분 55.532초 ( 114455.532 ) 에수신된데이터로북위 37도 35.0079분 ( 3735.0079,N ), 동경 127도 1.6446분 ( 12701.6446,E ) 의결과로보정정보를수신하지않은 Stand-alone 상태 ( 1 ) 이다. 현재의위치결정에는총 3개 ('03') 의위성이사용되었고, HDOP 는 7.9('7.9') 이며, 해수면기준고도즉표고는 48.8m('48.8,M') 이고, 지오이드고는 19.6m('19.6,M') 이다. DGPS 를사용하지않는 stand-alone 결과이므로 DGPS 보정정보시간지연과기준국 ID는각각 '0.0', '0000' 이다. 본연구에서는 RTK fix일경우만성과산출에사용하고 DGPS 모드와 RTK float 모드는사용되지않으므로보정정보가적용되었는지여부와그결과가 RTK fix 인지만구분한다. 따라서본 S/W는 GPS 품질표시가 1, 4, 2-3/5 로구분하여 Stand-alone(1) 인경우 S/W의 GPS 상태에서 붉은색 으로표시하여보정정보가수신되지않음을나타내고, 2,3,5 인경우는보정정보가수신되기는하지만 RTK가아니므로성과산출에사용되지않는다는의미로 주황색 으로표시한다. 마지막으로 RTK fix의경우 (4) 는 녹색 으로표시하여작업자가측량업무에활용가능함을알려주도록구성하였다. GPGSV 는 GPS Satellites in View로현재위치와시간에 GPS Module 이수신할수있는모든위성의정보이다. 특이할만한사항은이 Sentence 에서제시하는모든위성정보가위치결정에사용되는것은아니라는것이다. -------------------------------------------------- 1 2 3 4 5 6 7...n $--GSV,x,x,x,x,x,x,x,...*hh<CR><LF> -------------------------------------------------- 151
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 7-5> GPGSV 메시지구조및내용내용 1 현에폭에서전송될 GSV 그룹의메시지총개수 2 현메시지그룹에서현재 GSV Sentence의순번 3 현재현위치에서수신할수있는모든위성의개수 4 위성의 PRN 번호 5 위성고도각 ( 도 ) 6 위성방위각 ( 도 ) 7 위성신호세기 (SNR, db)... 4~7 반복 ( 한 Sentence에최대 4개의위성정보포함 ) n checksum GPGSV Sentence 의예시는아래와같다. $GPGSV,3,1,10,03,86,244,00,19,51,218,38,16,51,057,00,07,40,048,00*77 상기 Sentence Group 은총 3( 3 ) 개의 GPGSV Sentence 로구성되고이중현재메시지는첫번째 ( 1 ) 이다. 현재현위치에서수신가능한위성의개수는총 10( 10 ) 개이고이중 PRN 3( 03 ) 번위성은고도각 86도 ( 86 ), 방위각 244도 ( 244,00 ) 이며신호대잡음비 (SNR) 는 00dB( 00 ) 이다. GPGSA 는현재 GPS 모듈에서위치결정에사용된가용위성에대한정보와 DOP 값에대한내용을포함한다. 위성궤도정보만으로확인된가시위성정보를모두포함시키는 GPGSV 와달리 GPGSA 에는위치결정에사용된위성정보만을포함하며, 아래와같은형식으로구성된다. ------------------------------------------------------------------ 1 2 3 1415161718 $--GSA,a,a,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x.x,x.x,x.x*hh<CR><LF> ------------------------------------------------------------------ 152
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 < 표 7-6> GPGSA 메시지구조및내용내용 1 위치결정세팅 (M= 인위적으로 2D/3D로 Manual Setting, A=3D/2D 자동전환 ) 2 위치결정모드 (1 = no fix, 2 = 2D fix, 3 = 3D fix) 3 첫번째위성 PRN 번호 4 두번째위성 PRN 번호... 15 PDOP (Position Dilution Of Precision) 16 HDOP (Horizontal Dilution Of Precision) 17 VDOP (Vertical Dilution Of Precision) 18 checksum GPGSA Sentence 의예시는아래와같다. $GPGSA,A,3,05,17,22,09,14,04,30,,,,,,1.8,1.2,1.3*32 이를해석하면, 현재자동전환 ( A ) 모드로설정되어있고, 현에폭의 3차원위치결정 ( 3 ) 에사용된위성 PRN은 5,17,22,9,14,3,20 번이다. 이러한위성구성은 PDOP, HDOP, VDOP 가각각 1.8, 1.2. 1.3이다. GPS 수신기에서수신한위성의 sky plot 도시를위해서는현재위치결정에사용된위성번호와각위성의고도, 방위각정보가필요하므로, GPGSA 에서위성번호를추출한후, GPGSV 에포함된해당위성의고도와방위각을취득한다. 153
GPS 측량효율성향상방안연구 제 4 절 Network RTK 측량용 S/W 사용자인터페이스 1. 장비연결 본연구에서개발한 S/W가 GPS, Smart-pole 과연결하기위해서는상단메뉴 측량 -> 장비연결 메뉴를클릭하여다음과같은 Dialog 창을연다. Dialog 창이열리면자동으로 PC 내가용한 Serial 포트를검색하므로, 좌측상단 GPS 장비연결 group 내메뉴중 포트설정 의 Drop-down List 내에자동으로포함된다. 포트번호와전송속도를선택한이후, 열기 버튼을누르면 GPS 장비와연결되었습니다. 라는메시지박스가뜨고 GPS 수신기와의통신이가능해지며, 열기 버튼의이름은 연결끊기 로바뀌어종료를원할때에는동일버튼을다시눌러연결을끊는다. < 그림 7-5> 장비연결 Dialog 좌측하단 인코더장비연결 버튼은그기능상 GPS 장비연결 과거의동일한기능을하나 smart-pole 의연결에사용된다. Ntrip 서버연결 의경우, 서버 의 Drop-down list 버튼을누르면현재 S/W에입력된 NtripCaster 인지적연구원 Network RTK, 국토지리정보원 VRS, 서울시 Network RTK 등의리스트가출력되고, 원하는 NtripCaster 를선택할수있다. 각 NtripCaster 가선택될때마다, 프로그램상에서저장해놓은각 NtripCaster 별아이디 154
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 와비밀번호가자동으로불러지고, 저장 체크박스를누른후 ID와 PW를입력하면프로그램상에저장또는변경도가능하다. 입력 체크를한후위도경도를입력하면 GPS 출력에해당하는위치정보가아닌인위적으로생성한 NMEA 값을전달함으로써해당위치에대한 RTK 보정정보수신이가능하다. MountPoint Drop-down List 역시 NtripCaster 에서전송한 SourceTable 을해석하여생성하며원하는 Mountpoint 를선택하면 Client 는 Caster 에명령을전달하여보정정보를수신한다. 2. GPS 측량관련 GPS 측량부분의본화면좌측메뉴는주로 GPS 측량과관련된명령과정보를제공한다. 작업자가본화면의메뉴만으로측량업무를수행할수있도록메뉴를간소화시키고, 제공하는정보도최소화시키며중요한정보는텍스트가아닌가시적인그래픽으로제공하는것을목표로하였다. < 그림 7-6> GPS 측량본화면메뉴 우선 장비연결 의 GPS연결 버튼은그기능상 1. 절의 GPS장비연결 과 Ntrip서버연결 에서수행하는기능을수행한다. 다만, 1. 절의장비세팅 Dialog 는현장에서입력하기에다소복잡하므로본메뉴를누르면앞서사용했던세팅그대로 GPS 장비와 Ntrip 에연결되 155
GPS 측량효율성향상방안연구 도록하였다. GPS 측량 의 text박스는해당점의명칭을입력하는박스로저장시번호가자동으로카운트하여올라간다. 평균계산시작버튼을누르면 NMEA GGA 에서 GPS 품질이 4인경우에한하여누적하여평균값을계산하고사용자가다시버튼을누르면저장된다. 현재위치이동 버튼을누르면 CAD 화면상현재위치로화면이이동하고, 결선 버튼을누르면이전측정점에서현재측정점으로선이이어진다. GPS 상태 의 GPS 와 NTRIP LED 버튼은평소에는회색이나, GPS 데이터와 TCP/IP 데이터가수신될경우고유의색으로점멸되어데이터의수신상태를실시간으로체크할수있다. 특히 NMEA GGA 의 GPS 품질이 1인경우에는빨간색, 2,3,5 인경우에는주황색, 4 인경우에는녹색으로점멸됨으로써색만으로현재 RTK 상태를구별할수있다. 3. GPS 출력관련 주메뉴 그래프 의하단메뉴인 위성위치그래프, 위성신호감도, 수평궤적그래프, 수직궤적그래프 를선택하면 GPS 관련정보와실시간궤적등을쉽게확인할수있다. 위성위치그래프 의경우 NMEA 의 GPGSA 와 GPGSV 의 PRN, 고도각, 방위각정보를활용하여아래그림과같이현재위치에서의위성배치상태를손쉽게파악할수있다. < 그림 7-7> 위성위치그래프 156
제 7 장 Network RTK 측량용 S/W 개발 또한주메뉴 그래프 의 위성감도 메뉴선택시위성별 SNR 값을확인할수있는데, 이 역시 NMEA 의 GPGSA 와 GPGSV 의 PRN, SNR 정보를이용하여신호강도비교를쉽게할 수있다. < 그림 7-8> 위성감도그래프 마지막으로주메뉴 그래프 의 수평궤적그래프 와 수직궤적그래프 를선택할경우 GPS 위치결과를계속해서그래프상에도시한다. 아래그래프에서 수평궤적그래프 의 x, y축은각각동쪽과북쪽방향을의미하고, 수직궤적그래프 의 x, y축은각각측량시간과타원체고를의미한다. 아래그래프의수직궤적그래프에서초반과중반이후좌표가안정화된것은 RTK float 와 fixed 모드로전환되었기때문이며, 이와같이이그래프에서는 GPS 출력을그대로도시하므로, RTK fixed 결과중측량자가선택한결과만표시하는 CAD 화면과비교하여참고용으로활용할수있다. < 그림 7-9> GPS 궤적그래프 ( 좌 : 수평, 우 : 수직 ) 157
GPS 측량효율성향상방안연구 4. CAD 관련 CAD 관련메뉴는아래와같이본화면에아이콘화되어있다. 아래그림의왼쪽은 CAD 입력과관련된기능으로점입력, 결선, 폐합, 텍스트입력등과같은명령이포함되어있고, 왼쪽메뉴들은도면이동, 줌인 / 줌아웃, 전체도시, 선택윈도우부분도시등확대 / 축소관련메뉴들이포함되어있다. < 그림 7-10> CAD 관련아이콘 5. 기타 기타기능으로는 NtripCaster 별아이디와비밀번호를소프트웨어상에저장하는기능이 있다. 아래와같은 Dialog 창을띄워각 Caster 별 ID 와 PW 를저장하는창을띄우고이를 암호화하여저장한다. < 그림 7-11> 사용자인증입력및저장대화상자 158
Network RTK 성능평가 제 8 장
제 8 장 Network RTK 성능평가 제 8 장 Network RTK 성능평가 제 1 절 기준국인프라성능평가 1. 기준국사이트품질분석 용인, 포천, 강화, 영흥의 4개지점에구축된 Trimble NetR9 GNSS 수신기에저장된 rinex data 를분석하여기준국사이트의측정치품질평가를수행하였다. 우선데이터취득률과 L1/L2 의 multi-path 와 cycle slip 분석을위해 GNSS data 의전처리분석도구로유명한 Unavco 의 TEQC 프로그램을사용하여분석하였다. 1) TEQC 를이용한데이터품질분석 1차데이터품질분석은 2011년 7월 13일 24시간취득데이터에대해서수행하였다. 데이터로깅간격이 15초데이터에대하여최소앙각을 10도로설정하여분석한결과는아래표와같다. 161
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 8-1> QC 결과 (2011 년 7 월 13 일 ) 관측소 예상데이터취득수 실데이터취득수 취득률 (%) MP1 MP2 용인 (YOIN) 49706 49107 99 0.38 0.42 포천 (POCH) 49637 49582 100 0.41 0.50 강화 (KAWH) 49563 49295 99 0.39 0.43 영흥도 (YOGH) 49587 49345 100 0.36 0.42 사이클슬립당관측수 (cycleslip발생횟수) 49107 (0회발생) 49582 (0회발생) 49295 (0회발생) 49345 (0회발생) 이상의결과로볼때, 최소앙각 10도환경에서전관측소데이터취득률 99% 이상이어가시성이매우좋고사이클슬립발생이전혀없어데이터품질이매우양호한것으로확인되었다. 이후 8월 8일동일한조건의환경을구성하되, 최소앙각만 5도로낮추어데이터취득한후이를앞과동일하게분석하고이를다음표에정리하였다. 최소앙각이 5도로낮아졌음에도불구하고, 데이터취득률, MP1, MP2 등대부분의품질은기존 10도와비슷한수준을유지하나, 용인에서 4회, 강화와영흥에서 3회의 cycle-slip 만이발생하였다. 이상의결과를종합하여볼때, 본연구에서수행한기준국의선점은매우양호하다고판단된다. < 표 8-2> QC 결과 (2011년 8월 8일 ) 관측소 예상데이터취득수 실데이터취득수 취득률 (%) MP1 MP2 용인 (YOIN) 49893 49304 99 0.39 0.42 포천 (POCH) 49828 49828 100 0.41 0.50 강화 (KAWH) 49810 49618 100 0.40 0.43 영흥도 (YOGH) 49790 49620 100 0.38 0.43 사이클슬립당관측수 (cycleslip발생횟수 ) 12326 (4회발생) 49828 (0회발생) 16539 (3회발생) 16540 (3회발생) 162
제 8 장 Network RTK 성능평가 2) QC2SKY 처리각기준국별로위성의경로에따라주변지형지물에의한멀티패스를파악하기위하여본연구에서는 QC2Sky 를이용하여 skyplot 을그리고이를분석해보았다. QC2Sky Plot 은위성이움직인경로를방위각과고각으로표시하여 L1과 L2 멀티패스인 MP1/MP2 를적색에서노란색으로단계별표시한그림이다. 적색으로표시된부분은멀티패스의영향이없음을의미하며, 노란색에서흰색으로갈수록멀티패스의영향이많음을의미한다. 초록색원은사이클슬립의발생을표시하는데, 통상앙각이낮은부위에서많이발생하고, 수신되는신호의일시적인단절의경우에도나타난다. 평면시점그래프는위성의궤적을방위각부분을평면으로펼쳐서나타낸그림으로좌측부터 0도 ( 북 ), 90도 ( 동 ), 180도 ( 남 ), 270도 ( 서 ), 360도 ( 북 ) 을의미한다. 이상의분석결과는아래표에도시되어있고, 전반적으로심각한멀티패스가생기지는않으나, 포천의경우그원인이주변장애물로추정되는 MP1 경향성이확인되었다. 또한전반적인환경은섬에위치하여주변지형의영향이적은영흥도의품질이가장안정적인것으로예상된다. 163
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 8-3> QC2SKY 결과 ( 용인, 포천 ) 용인 (YOIN) 포천 (POCH) MP1 MP1 MP2 MP2 평면시점 평면시점 164
제 8 장 Network RTK 성능평가 < 표 8-4> QC2SKY 결과 ( 강화, 영흥도 ) 강화 (KAWH) 영흥도 (YOGH) MP1 MP1 MP2 MP2 평면시점 평면시점 165
GPS 측량효율성향상방안연구 2. 지적연구원데이터품질분석 사용자데이터취득의용이성, 수신기간데이터취득의동질성확보와재현성테스트의필요성에따라지적연구원옥상에 GPS 안테나를설치하고옥상에서수신한 GPS 신호를실내에그대로실내에재전송할수있는 GPS 리피터를구축하였다. 본 GPS 리피터는 GPS, GLONASS 신호를수신후송신할수있고, 신호저감을방지하기위해 Active 방식으로구성되어있다. 또한 GPS Signal Repeater 에사용되는케이블은 RF 전용을사용여야신호가감쇄되지않도록하였다. 1) TEQC 를이용한데이터품질분석기준국의 1차평가와동일한조건 (15초간격, 최소앙각 10도 ) 으로데이터를취득하여 7 월 20일과 21일양일간데이터를처리하였다. 처리결과는아래표와같으며, 주변고층빌딩의영향으로데이터취득률과멀티패스, 사이클슬립수등모든항목에서기준국에비해성능이크게떨어졌다. 그러나이와같은악조건은오히려 GPS 측량현장과유사한환경이라할수있으므로, 이를이용한성과는이론이나학술적인의미보다실제에더가깝다고판단된다. < 표 8-5> 지적연구원품질평가 관측일자 관측시간 예상데이터취득수 실데이터취득수 취득률 (%) MP1 MP2 사이클슬립당관측수 (o/slps) 7 월 20 일 21.79 44136 38842 88 0.67 0.45 279 7 월 21 일 24 48015 42560 89 0.74 0.44 250 2) QC2SKY 처리 지적연구원옥상의 QC2SKY 결과는아래그림과같고 7 월 20 일, 21 일양일간의경향성 은거의유사함을확인할수있다. 기준국품질평가와는달리남동방향의위성가시성이 166
제 8 장 Network RTK 성능평가 확보되지않는데, 이는지적연구원옥상기준으로고층빌딩의배치와일치한다. 또한기준국품질평가에서는확인할수없었던초록색점 (cycle slip을의미 ) 이가시적으로빈번히나타나고있다. 대부분저앙각위성에서발생하고있으나, 가시성확보가어려운남동방향에서는비교적고앙각임에도불구하고 cycle-slip 이일어남을확인할수있다. < 표 8-6> 지적연구원 QC2SKY 결과 7 월 20 일 7 월 21 일 MP1 MP1 MP2 MP2 평면시점 평면시점 167
GPS 측량효율성향상방안연구 제 2 절 보정정보및사용자성능평가 이상과같이구성된지적연구원의 Network RTK 성능을평가하기위하여기존인프라와의성능비교를수행하였다. Network RTK S/W의후처리재현이어렵고실시간성능비교가현업과직결되므로, 후처리성능평가보다실시간성능평가를위주로수행하였다. 실시간성능평가는여의도와삼성동의정점테스트와현장측량결과비교의두가지로수행하였다. 1. 실내정점테스트 정점에서의보정정보성능평가를위하여아래그림과같이건물내에동모델의수신기 (Leica Viva) 를두대를배치하고, GNSS Repeater 를통해건물옥상의신호를동시에수신하여 RTK 성능을비교하였다. Repeater 는실외에설치된 GNSS 안테나에서받은신호를실내에그대로전달하는역할을하므로동일모델의수신기사용시수신기고유잡음을제외한성과는이론적으로동일하다는점에착안하여본테스트를수행하였다. < 그림 8-1> GNSS Repeater 를이용한실시간성능비교 168
제 8 장 Network RTK 성능평가 실험에사용한수신기중한대는지적연구원 Network RTK 서버에, 다른한대는기존인프라서버인국토지리정보원에연결하여보정정보를수신하도록설정하고, RTK 위치정확도와고정해산출시간 (TTF, Time-To-Fix) 을성능비교의지표로정하여비교하였다. 이와같이두수신기는수신하는보정정보만상이할뿐, 동일한기종의수신기로매에폭동일한 GNSS 신호를수신하므로두 Network RTK 보정정보성능을직접적으로실시간비교할수있다. 또한고정된안테나를이용하므로측량자작업에의한오차영향을배제할수있어보정정보의성능평가에적합한구성이다. 이를이용하여 2011년 11월 7일여의도, 11월 11일삼성동지역에서테스트를수행하였고그결과는다음표와같다. 장소일시 system N (m) E (m) 여의도 삼성동 < 표 8-7> 보정정보수신인프라별 RTK 좌표산출결과 11 월 7 일 1 회차 초기화시간 (s) 546823.9512 193526.5337 12 11월7일 2회차국토지리정보원 546823.9438 193526.5448 15 11 월 7 일 3 회차 546823.9567 193526.537 61 11 월 7 일 1 회차 546823.9532 193526.5323 17 11월7일 2회차지적연구원 MAC 546823.9487 193526.5389 19 11 월 7 일 3 회차 546823.9498 193526.5801 44 11 월 11 일 1 회차 545851.097 204822.0321 7 11월11일 2회차국토지리정보원 545851.0975 204822.0331 5 11 월 11 일 3 회차 545851.1001 204822.0298 8 11 월 11 일 1 회차 545851.0977 204822.0263 13 11월11일 2회차지적연구원 MAC 545851.0978 204822.0279 15 11 월 11 일 3 회차 545851.0908 204822.0363 21 이를분석한결과수평위치오차의평균은 N 1.3mm, E 1.1mm 이었고, 그크기도모두 1cm 이하였다. 초기화시간도상호간큰차이를보이지는않았으나, 전반적으로는국토지리정보원보다수초정도더걸리는것으로확인되었는데, 이는두인프라간의성능차이라기보다 169
GPS 측량효율성향상방안연구 는 MAC 기반의 Network RTK 방식은 VRS 방식에서제공받는보정정보외에도주기적 ( 지적 연구원에서는매 5 초로설정 ) 으로전송되는부기준국좌표와 MAC Correction(RTCM 1014, 1015) 을필수적으로수신하여야만하기때문으로추정된다. 2. 실외현장테스트 MAC 기반의 Network RTK 의현장측량가능성에대해검증하기위하여두인프라의공통망내지역인여의도샛강지역과국토지리정보원망외지역인인천영종도레저복합단지를테스트베드로설정하여측량업무를수행하였다. 여의도지역은 11월 16일오후 4시 53분부터 7시 8분까지국토지리정보원 (NGII) VRS RTCM v3, 지적연구원 VRS(CARI_VRS) RTCM v3, 지적연구원 MAC 방식 (CARI_MAC) 에대해서각각 20점의측량업무를수행하였고그결과는 < 표 8-8> 과같다. 또한영종도지역은 11월 16일오전 11:30 분부터오후 2시까지서울시 VRS RTCM v3, 국토지리정보원 VRS RTCM v3, 지적연구원 VRS RTCM v3, 지적연구원 MAC 방식에대해서각 25점씩 1세트를수행하고, 이후오후 4시까지동일한방식으로 26 점에대하여두번째세트를수행하여결과를 < 표 8-10>, < 표 8-12> 과같이도출하였다. 그리고이상의결과를통해인프라및보정정보간성능비교를위해도출된성과와국토지리정보원 VRS 성과간의차이를산출하여각각 < 표 8-9>, < 표 8-11>, < 표 8-13> 에정리하였다. 인천영종도의경우기준국네트워크망외효과의비교를위하여서울시 (SEOUL) Network RTK 성과도함께도출하였다. 170 < 그림 8-2> Network RTK 성능평가현장 ( 좌 : 여의도샛강, 우 : 영종도레저복합단지 )
제 8 장 Network RTK 성능평가 여의도지역내측량수행결과, 지적연구원 VRS와 MAC 간의수평좌표는그차이가최대 5cm, 평균 0.7cm, 표준편차 2.8cm 로두방식간차이는 RTK 수준이며, 작업성과에영향을끼치지않는것으로확인되었다. 국토지리정보원과의상호비교도역시 VRS의경우최대오차 3cm, 평균 0.4cm, 표준편차 2.1cm, MAC 의경우최대오차 5.6cm, 평균 1cm, 표준편차 2.5cm 수준으로기존인프라와의성능도유사한것으로확인되었다. 영종도의경우에도 1차 test의 15번이후에미지정수가잘못결정된것으로보이는서울시결과를제외하고는방식들간에큰성과의차이는나타나지않았다. 다만, 국토지리정보원보정정보를이용하여초기고정해산출에 12:28:58~12:35:45 까지약 7분이소요되고, 7번점지역에서미지정수가풀린이후다시결정되는데 13:00:01~13:14:48 까지약 15분이소요된점이특이점이다. 동시간에이지점에서의타인프라와의미지정수결정성능비교를위하여지적연구원 VRS, MAC, 서울시 VRS 성과를비교하였는데, 지적연구원의경우두방식모두 20초이내에미지정수를결정하였으나, 서울시 VRS의경우 15분을기다려도결정되지않아포기하였다. 이상의결과들을종합할때, 지적연구원이구축한 MAC 기반의단방향 Network RTK의정확도와고정해산출성능이기존인프라의성능과는등가라고판단할수있다. Network RTK 가용지역확대를위해기존인프라의망외지역에서성능평가를수행한결과고정해산출이후의성능에서큰차이를확인할수는없었으나, 미지정수결정속도면에서크게향상됨을확인할수있었다. 171
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 8-8> 보정정보인프라및방식별 Network RTK 측량결과 ( 여의도 ) N0 NGII_VRS CARI_VRS CARI_MAC E(m) N(m) h(m) E(m) N(m) h(m) E(m) N(m) h(m) 1 193694.740 446326.391 30.159 193694.763 446326.414 30.209 193694.753 446326.420 30.231 2 193730.697 446358.575 31.583 193730.720 446358.597 31.625 193730.750 446358.596 31.667 3 193766.797 446358.487 31.621 193766.789 446358.472 31.672 193766.847 446358.489 31.710 4 193865.707 446362.354 31.548 193865.697 446362.346 31.589 193865.696 446362.340 31.576 5 193926.414 446361.528 32.052 193926.406 446361.504 32.094 193926.403 446361.512 32.050 6 194050.748 446358.495 31.328 194050.741 446358.515 31.313 194050.729 446358.498 31.308 7 194115.567 446348.455 31.277 194115.573 446348.473 31.276 194115.589 446348.442 31.351 8 194205.091 446366.763 31.526 194205.100 446366.779 31.521 194205.091 446366.753 31.505 9 194231.690 446371.211 31.488 194231.696 446371.221 31.494 194231.697 446371.213 31.482 10 194235.108 446352.834 28.823 194235.106 446352.842 28.826 194235.110 446352.825 28.824 11 194193.823 446344.205 28.821 194193.816 446344.214 28.837 194193.823 446344.208 28.826 12 194119.313 446325.756 29.065 194119.305 446325.770 29.089 194119.310 446325.753 29.057 13 194052.055 446321.557 30.736 194052.063 446321.550 30.757 194052.061 446321.564 30.746 14 193936.454 446351.764 30.858 193936.470 446351.745 30.877 193936.466 446351.742 30.861 15 193868.110 446347.646 30.847 193868.115 446347.622 30.846 193868.094 446347.610 30.823 16 193811.896 446336.894 30.777 193811.913 446336.865 30.764 193811.923 446336.895 30.835 17 193729.808 446328.821 30.414 193729.807 446328.802 30.405 193729.820 446328.850 30.455 18 193728.895 446286.009 29.805 193728.895 446285.988 29.818 193728.913 446286.024 29.856 19 193717.177 446294.678 29.644 193717.180 446294.650 29.660 193717.197 446294.692 29.694 20 193672.867 446287.589 28.800 193672.880 446287.577 28.824 193672.887 446287.607 28.856 172
제 8 장 Network RTK 성능평가 < 표 8-9> 보정정보인프라및방식간결과차이 ( 여의도 ) No CARI_VRS- NGII_VRS CARI_MAC- NGII_VRS CARI_MAC-CARI_VRS de(m) dn(m) dh(m) de(m) dn(m) dh(m) de(m) dn(m) dh(m) 1 0.023 0.022 0.049 0.013 0.029 0.071-0.010 0.006 0.022 2 0.023 0.023 0.042 0.053 0.022 0.084 0.030-0.001 0.042 3-0.008-0.015 0.050 0.050 0.001 0.089 0.058 0.016 0.039 4-0.010-0.008 0.041-0.011-0.014 0.028-0.001-0.006-0.013 5-0.008-0.024 0.043-0.011-0.016-0.002-0.003 0.008-0.044 6-0.007 0.020-0.015-0.019 0.003-0.020-0.012-0.017-0.004 7 0.006 0.018-0.002 0.021-0.013 0.073 0.015-0.031 0.075 8 0.008 0.016-0.005 0.000-0.010-0.022-0.009-0.026-0.016 9 0.006 0.010 0.005 0.007 0.002-0.007 0.001-0.008-0.012 10-0.003 0.008 0.003 0.001-0.009 0.001 0.004-0.017-0.002 11-0.007 0.009 0.015 0.000 0.003 0.005 0.007-0.007-0.011 12-0.009 0.015 0.024-0.003-0.003-0.008 0.005-0.017-0.032 13 0.007-0.008 0.021 0.006 0.006 0.010-0.001 0.014-0.011 14 0.016-0.019 0.020 0.012-0.022 0.004-0.004-0.003-0.016 15 0.005-0.024-0.001-0.016-0.036-0.024-0.021-0.012-0.023 16 0.017-0.029-0.012 0.027 0.002 0.059 0.010 0.031 0.071 17-0.001-0.019-0.009 0.013 0.029 0.041 0.013 0.048 0.050 18 0.000-0.021 0.013 0.017 0.015 0.051 0.017 0.036 0.038 19 0.002-0.028 0.016 0.020 0.014 0.050 0.017 0.042 0.034 20 0.013-0.011 0.024 0.020 0.019 0.055 0.007 0.030 0.032 평균 0.004-0.003 0.016 0.010 0.001 0.027 0.006 0.004 0.011 표준편차 0.010 0.018 0.020 0.019 0.017 0.036 0.017 0.023 0.034 173
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 8-10> 보정정보인프라및방식별 Network RTK 측량결과 ( 영종도 ) 오전 11:30- 오후 2:00 N0. NGI SEOUL CARI_VRS CARI_MAC E(m) N(m) h(m) E(m) N(m) h(m) E(m) N(m) h(m) E(m) N(m) h(m) 1 157129.100 447583.658 35.869 157129.167 447583.633 36.061 157129.121 447583.637 35.922 157129.129 447583.674 35.916 2 157125.986 447586.420 36.165 157126.060 447586.390 36.319 157125.999 447586.405 36.224 157125.996 447586.433 36.174 3 157120.237 447588.302 36.110 157120.310 447588.278 36.268 157120.251 447588.273 36.173 157120.249 447588.316 36.122 4 157108.321 447586.937 36.045 157108.376 447586.909 36.203 157108.327 447586.885 36.050 157108.317 447586.938 36.067 5 157106.877 447580.907 37.091 157106.917 447580.868 37.230 157106.884 447580.859 37.126 157106.874 447580.894 37.167 6 157088.680 447571.799 38.189 157088.716 447571.776 38.361 157088.695 447571.781 38.265 157088.696 447571.800 38.228 7 157075.558 447561.927 39.185 157075.616 447561.891 39.369 157075.590 447561.902 39.244 157075.579 447561.900 39.205 8 157059.627 447544.389 40.465 157059.661 447544.357 40.632 157059.648 447544.401 40.521 157059.632 447544.373 40.482 9 157053.441 447534.684 40.963 157053.471 447534.626 41.023 157053.470 447534.704 41.053 157053.465 447534.648 40.993 10 157047.436 447534.186 41.274 157047.475 447534.120 41.369 157047.468 447534.215 41.407 157047.431 447534.156 41.336 11 157031.610 447556.308 39.491 157031.666 447556.237 39.597 157031.644 447556.369 39.671 157031.618 447556.260 39.545 12 157015.684 447582.541 37.232 157015.752 447582.485 37.383 157015.720 447582.610 37.424 157015.712 447582.523 37.320 13 157016.888 447588.414 36.721 157016.954 447588.373 36.842 157016.917 447588.502 36.913 157016.919 447588.395 36.807 14 157039.376 447605.872 35.863 157039.444 447605.812 35.982 157039.392 447605.956 36.041 157039.373 447605.848 35.945 15 157061.979 447623.554 35.257 157062.056 447623.485 35.378 157062.012 447623.638 35.424 157061.989 447623.536 35.338 16 157067.928 447623.566 35.400 157067.996 447623.506 35.470 157067.969 447623.631 35.562 157067.948 447623.551 35.468 17 157074.633 447631.144 35.449 157074.509 447631.234 35.381 157074.665 447631.212 35.595 157074.635 447631.155 35.499 18 157073.889 447636.142 35.158 157073.758 447636.231 35.058 157073.892 447636.162 35.177 157073.887 447636.165 35.198 19 157095.330 447666.168 33.403 157095.202 447666.263 33.263 157095.340 447666.175 33.387 157095.327 447666.199 33.447 20 157100.213 447666.912 33.214 157100.078 447667.025 33.080 157100.215 447666.926 33.205 157100.211 447666.936 33.286 21 157110.215 447658.960 33.207 157110.085 447659.089 33.079 157110.231 447658.957 33.223 157110.211 447658.991 33.299 22 157122.086 447648.754 33.117 157121.944 447648.907 32.944 157122.107 447648.749 33.140 157122.087 447648.772 33.212 23 157133.513 447638.154 33.025 157133.339 447638.340 32.771 157133.536 447638.131 33.045 157133.511 447638.159 33.129 24 157144.355 447627.115 32.934 157144.170 447627.309 32.676 157144.380 447627.094 32.954 157144.367 447627.119 33.023 25 157154.777 447615.698 32.835 157154.601 447615.894 32.561 157154.800 447615.681 32.881 157154.781 447615.704 32.924 174
제 8 장 Network RTK 성능평가 < 표 8-11> 보정정보인프라및방식간결과차이 ( 영종도 ) 오전 11:30- 오후 2:00 N0. SEOUL - NGII CARI_VRS - NGII CARI_MAC- NGII CARI_MAC- CARI_VRS de(m) dn(m) dh(m) de(m) dn(m) dh(m) de(m) dn(m) dh(m) de(m) dn(m) dh(m) 1 0.067-0.026 0.193 0.020-0.021 0.053 0.028 0.016 0.047 0.008 0.037-0.005 2 0.074-0.030 0.154 0.014-0.015 0.059 0.010 0.013 0.009-0.003 0.028-0.050 3 0.073-0.024 0.157 0.014-0.029 0.063 0.011 0.014 0.012-0.003 0.042-0.051 4 0.054-0.027 0.158 0.006-0.052 0.005-0.005 0.002 0.022-0.010 0.054 0.017 5 0.040-0.039 0.140 0.007-0.048 0.036-0.003-0.014 0.077-0.010 0.035 0.041 6 0.036-0.023 0.172 0.014-0.018 0.076 0.016 0.001 0.039 0.002 0.018-0.037 7 0.058-0.036 0.184 0.032-0.025 0.059 0.021-0.027 0.020-0.011-0.002-0.039 8 0.035-0.032 0.167 0.022 0.012 0.056 0.006-0.016 0.017-0.016-0.028-0.039 9 0.030-0.058 0.060 0.030 0.020 0.089 0.024-0.036 0.030-0.006-0.056-0.060 10 0.040-0.066 0.094 0.033 0.028 0.132-0.005-0.030 0.061-0.037-0.058-0.071 11 0.056-0.071 0.106 0.034 0.061 0.180 0.008-0.049 0.054-0.025-0.109-0.126 12 0.068-0.056 0.151 0.035 0.069 0.192 0.028-0.018 0.087-0.008-0.087-0.104 13 0.067-0.041 0.121 0.030 0.088 0.192 0.032-0.018 0.086 0.002-0.107-0.106 14 0.068-0.060 0.119 0.016 0.084 0.178-0.003-0.023 0.082-0.019-0.107-0.096 15 0.077-0.069 0.120 0.033 0.084 0.166 0.010-0.018 0.081-0.024-0.102-0.086 16 0.068-0.060 0.070 0.041 0.065 0.162 0.019-0.015 0.068-0.022-0.080-0.094 17-0.124 0.091-0.068 0.032 0.068 0.145 0.002 0.012 0.050-0.030-0.057-0.095 18-0.131 0.089-0.099 0.003 0.020 0.019-0.002 0.023 0.040-0.005 0.003 0.021 19-0.128 0.095-0.140 0.011 0.008-0.016-0.002 0.031 0.044-0.013 0.024 0.060 20-0.135 0.114-0.135 0.002 0.014-0.009-0.002 0.024 0.071-0.004 0.010 0.081 21-0.130 0.129-0.128 0.016-0.003 0.016-0.004 0.031 0.092-0.020 0.033 0.076 22-0.141 0.153-0.173 0.021-0.005 0.023 0.001 0.018 0.095-0.020 0.024 0.072 23-0.174 0.186-0.254 0.023-0.022 0.020-0.003 0.006 0.104-0.026 0.028 0.084 24-0.185 0.194-0.258 0.025-0.021 0.020 0.012 0.005 0.089-0.013 0.026 0.069 25-0.177 0.196-0.274 0.022-0.018 0.046 0.003 0.005 0.089-0.019 0.023 0.043 평균 -0.021 0.024 0.021 0.021 0.014 0.076 0.008-0.003 0.059-0.013-0.016-0.020 표준편차 0.100 0.092 0.154 0.011 0.042 0.067 0.011 0.021 0.029 0.011 0.055 0.069 175
GPS 측량효율성향상방안연구 < 표 8-12> 보정정보인프라및방식별 Network RTK 측량결과 ( 영종도 ) 오후 2:00- 오후 4:00 N0. NGI SEOUL CARI_VRS CARI_MAC E(m) N(m) h(m) E(m) N(m) h(m) E(m) N(m) h(m) E(m) N(m) h(m) 1 157129.101 447583.650 35.963 157129.104 447583.661 35.896 157129.096 447583.641 36.017 157129.126 447583.671 35.986 2 157125.987 447586.418 36.251 157125.989 447586.434 36.170 157125.990 447586.410 36.280 157126.018 447586.426 36.264 3 157120.238 447588.298 36.216 157120.238 447588.324 36.118 157120.236 447588.288 36.239 157120.258 447588.307 36.212 4 157108.317 447586.921 36.157 157108.317 447586.932 36.083 157108.330 447586.914 36.189 157108.338 447586.919 36.149 5 157106.872 447580.882 37.140 157106.861 447580.909 37.085 157106.877 447580.884 37.229 157106.894 447580.888 37.187 6 157088.691 447571.797 38.292 157088.674 447571.812 38.288 157088.679 447571.791 38.357 157088.691 447571.790 38.302 7 157075.593 447561.900 39.234 157075.574 447561.907 39.225 157075.581 447561.910 39.290 157075.573 447561.901 39.245 8 157059.652 447544.381 40.481 157059.621 447544.382 40.486 157059.627 447544.384 40.548 157059.617 447544.379 40.478 9 157053.464 447534.670 40.971 157053.431 447534.650 40.987 157053.445 447534.674 41.027 157053.423 447534.666 40.991 10 157047.462 447534.171 41.315 157047.421 447534.166 41.305 157047.438 447534.177 41.367 157047.414 447534.169 41.319 11 157031.633 447556.284 39.519 157031.609 447556.283 39.505 157031.620 447556.299 39.567 157031.586 447556.304 39.505 12 157015.710 447582.528 37.308 157015.696 447582.521 37.285 157015.697 447582.547 37.351 157015.655 447582.555 37.298 13 157016.921 447588.395 36.762 157016.899 447588.411 36.733 157016.897 447588.432 36.815 157016.876 447588.441 36.742 14 157039.392 447605.843 35.923 157039.383 447605.865 35.865 157039.385 447605.879 35.980 157039.374 447605.904 35.889 15 157061.980 447623.530 35.306 157061.980 447623.556 35.269 157061.989 447623.575 35.355 157061.984 447623.602 35.255 16 157067.935 447623.516 35.421 157067.934 447623.575 35.388 157067.958 447623.564 35.482 157067.945 447623.600 35.368 17 157074.638 447631.125 35.459 157074.630 447631.162 35.455 157074.653 447631.160 35.504 157074.650 447631.194 35.410 18 157073.887 447636.133 35.139 157073.878 447636.170 35.150 157073.897 447636.150 35.181 157073.902 447636.192 35.100 19 157084.583 447651.178 34.272 157084.571 447651.214 34.265 157084.588 447651.183 34.291 157084.593 447651.220 34.234 20 157095.334 447666.177 33.360 157095.327 447666.204 33.365 157095.342 447666.178 33.396 157095.351 447666.216 33.361 21 157100.231 447666.924 33.205 157100.214 447666.956 33.195 157100.234 447666.919 33.229 157100.236 447666.952 33.213 22 157110.236 447658.976 33.207 157110.228 447658.987 33.217 157110.234 447658.979 33.220 157110.243 447659.000 33.233 23 157122.111 447648.763 33.132 157122.103 447648.771 33.137 157122.101 447648.766 33.123 157122.109 447648.784 33.149 24 157133.538 447638.150 33.069 157133.535 447638.151 33.059 157133.530 447638.157 33.041 157133.530 447638.166 33.071 25 157144.388 447627.109 32.978 157144.383 447627.104 32.968 157144.379 447627.113 32.947 157144.369 447627.121 32.997 26 157154.799 447615.693 32.882 157154.792 447615.692 32.873 157154.795 447615.704 32.866 157154.781 447615.700 32.928 176
제 8 장 Network RTK 성능평가 < 표 8-13> 보정정보인프라및방식간결과차이 ( 영종도 ) 오전 2:00- 오후 4:00 N0. SEOUL - NGII CARI_VRS - NGII CARI_MAC- NGII CARI_MAC-CARI_VRS de(m) dn(m) dh(m) de(m) dn(m) dh(m) de(m) dn(m) dh(m) de(m) dn(m) dh(m) 1 0.003 0.011-0.067-0.005-0.010 0.054 0.025 0.021 0.023 0.030 0.031-0.031 2 0.003 0.017-0.081 0.004-0.008 0.029 0.032 0.008 0.013 0.028 0.016-0.017 3 0.000 0.027-0.098-0.002-0.009 0.024 0.020 0.009-0.003 0.022 0.019-0.027 4 0.000 0.011-0.074 0.013-0.007 0.032 0.021-0.001-0.008 0.007 0.006-0.041 5-0.011 0.028-0.055 0.005 0.002 0.090 0.022 0.006 0.047 0.017 0.004-0.042 6-0.017 0.015-0.004-0.012-0.006 0.065 0.000-0.007 0.010 0.012-0.001-0.055 7-0.020 0.007-0.010-0.012 0.009 0.056-0.021 0.001 0.011-0.008-0.009-0.045 8-0.031 0.001 0.006-0.025 0.002 0.067-0.035-0.002-0.002-0.010-0.005-0.069 9-0.033-0.021 0.015-0.019 0.004 0.055-0.041-0.004 0.019-0.022-0.008-0.036 10-0.041-0.005-0.010-0.024 0.006 0.053-0.049-0.002 0.004-0.024-0.008-0.048 11-0.024 0.000-0.015-0.014 0.015 0.047-0.047 0.020-0.015-0.034 0.005-0.062 12-0.014-0.007-0.023-0.013 0.019 0.043-0.054 0.027-0.010-0.042 0.008-0.053 13-0.022 0.017-0.029-0.024 0.037 0.053-0.045 0.047-0.020-0.021 0.010-0.073 14-0.009 0.022-0.057-0.008 0.036 0.057-0.018 0.061-0.034-0.011 0.025-0.091 15-0.001 0.026-0.037 0.009 0.045 0.048 0.003 0.073-0.051-0.005 0.028-0.099 16-0.001 0.058-0.033 0.024 0.048 0.061 0.011 0.083-0.053-0.013 0.035-0.113 17-0.009 0.037-0.004 0.015 0.035 0.045 0.012 0.069-0.048-0.004 0.034-0.094 18-0.009 0.037 0.011 0.010 0.017 0.041 0.015 0.058-0.039 0.005 0.041-0.081 19-0.012 0.037-0.007 0.005 0.006 0.020 0.010 0.042-0.038 0.005 0.037-0.058 20-0.007 0.027 0.005 0.007 0.002 0.036 0.017 0.039 0.001 0.009 0.037-0.035 21-0.017 0.031-0.010 0.002-0.006 0.024 0.004 0.027 0.008 0.002 0.033-0.017 22-0.008 0.011 0.010-0.002 0.003 0.013 0.008 0.024 0.026 0.009 0.021 0.013 23-0.008 0.008 0.004-0.010 0.003-0.009-0.002 0.021 0.017 0.008 0.018 0.027 24-0.003 0.001-0.011-0.008 0.007-0.028-0.008 0.016 0.002 0.000 0.009 0.030 25-0.004-0.004-0.011-0.009 0.004-0.032-0.019 0.013 0.018-0.010 0.008 0.050 26-0.006-0.001-0.009-0.003 0.010-0.016-0.017 0.006 0.045-0.014-0.004 0.061 평균 -0.012 0.015-0.023-0.004 0.010 0.036-0.006 0.025-0.003-0.002 0.015-0.039 표준편차 0.011 0.017 0.031 0.013 0.017 0.029 0.025 0.026 0.027 0.017 0.016 0.044 177
GPS 측량효율성향상방안연구 제 3 절 Smart Pole 을이용한임야측량시스템성능평가 제작된스마트폴의성능을평가하고개선사항을도출하기위해실내와실외실험을수행하였다. 각각의실험은토탈스테이션으로각과거리를관측한후스마트폴을이용하여측정된값과비교하는방법으로하였다. 1. 실내실험 실내실험은지적연구원건물내부에서하였으며실외보다는상대적으로안정적인환경에서장비의성능을테스트할수있었다. 실험결과관측거리가약 5m, 10m인경우오차는 ±2cm의정확도로동일한지점의좌표를산출할수있었다. < 그림 8-3> 스마트폴실내실험장면 < 그림 8-4> 스마트폴실내실험구성도 178
제 8 장 Network RTK 성능평가 실내실험은인코더모듈의성능및 GPS 스마트폴지적측량소프트웨어 의기능이제대로실행되는지여부를확인하기위한테스트로스마트폴의성능은실제현장과비슷한환경의실외실험을통해서도출하였다. < 표 8-14> 스마트폴실내실험관측부 측점 관측점 토탈스테이션 인코더 관측거리관측각관측거리관측각 1 2 13.345 00-00-00 13.324 00-00-00 1 3 4.753 107-12-49 4.732 107-07-40 1 4 9.637 272-08-48 9.623 272-01-12 < 표 8-15> 스마트폴실내실험결과 측점 토탈스테이션인코더 X Y X Y dx dy Error 1 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 2 13.345 0.000 13.324 0.000-0.021 0.000 0.021 3-1.407 4.540-1.394 4.522 0.013-0.018 0.022 4 0.355-9.630 0.339-9.617-0.016 0.013 0.021 2. 실외실험 실외실험은여의도샛강공원에서수행하였으며거리와방향별로 10점을선정하여실내실험과동일하게토탈스테이션의성과와스마트폴의관측성과를비교하였다. 실외실험의결과는총 10점을대상으로하였으나 80m 이상의거리는타겟시준의어려움과디스토의흔들림으로목표점의거리를측정할수없었다. 관측된점의수는모두 8점이며평균거리는 47m, 평균오차는약 17cm로나타났다. 179
GPS 측량효율성향상방안연구 < 그림 8-5> 스마트폴실외실험장면 < 그림 8-6> 스마트폴실외실험측정점 실외실험에서는스마트폴에서발생하는다양한오차원인을확인할수있었으며장비의개선사항과문제점을도출할수있었다. 오차발생원인으로는인코더모듈과디스토의편심오차, 디스토가목표물을정확하게시준하지못해발생하는각오차및거리오차, 측량폴의흔들림등에의한오차가있었으며오차에영향을주는가장큰원인은목표물을정확하게시준하지못해발생하는각오차로분석되었다. 180
제 8 장 Network RTK 성능평가 < 표 8-16> 스마트폴실외실험관측부 측점 전시 토탈스테이션인코더오차관측각관측거리관측각관측거리각오차거리오차 0 1 153-46-24 78.92 153-30-14 78.969-00-16-10 0.049 0 2 149-32-14 59.002 149-11-02 59.056-00-21-12 0.054 0 3 135-56-49 48.301 135-54-00 48.373-00-02-49 0.072 0 4 106-36-03 26.498 106-29-16 26.513-00-06-47 0.015 0 5 55-33-21 26.41 55-22-04 26.429-00-11-17 0.019 0 6 297-10-04 44.574 297-15-07 44.567 00-05-03-0.007 0 7 300-11-47 80.289 300-03-36 X -00-08-11 X 0 8 286-19-48 96.091 286-01-12 X -00-18-36 X < 표 8-17> 스마트폴실외실험계산부 측점 토탈스테이션인코더오차 X Y X Y dx dy 폐합오차 1-70.80 34.88-70.67 35.23 0.12 0.35 0.37 2-50.86 29.91-50.72 30.25 0.14 0.34 0.37 3-34.71 33.58-34.74 33.66-0.02 0.08 0.08 4-7.57 25.39-7.52 25.42 0.05 0.03 0.05 5 14.94 21.78 15.02 21.75 0.08-0.03 0.09 6 20.35-39.66 20.41-39.62 0.05 0.04 0.07 7 40.38-69.39 x x x x x 8 27.02-92.21 x x x x x 평균오차 0.04 0.14 0.17 표준편차 0.09 0.17 0.15 스마트폴의오차는측정거리와상관관계가있으며관측거리가 50m 이상이되면급격 하게증가하는것으로나타났다. 181
GPS 측량효율성향상방안연구 < 그림 8-7> 거리에따른오차량 기계적인문제점및개선사항으로는바람과진동에의한폴의흔들림방지와디스토의 거리측정범위증대그리고정확하게목표물을시준할수있도록보완한다면오차를소거 할수있을것으로판단된다. 182
결론 제 9 장
제 9 장결론 제 9 장결론 목전으로다가온지적재조사사업의효과적인수행과세계측지계좌표의정확한산출을위해서앞으로지적분야에서 GPS 측량의비중은점차증대될전망이다. 과거기준점측량등주로 static 측량으로그적용범위가한정되었던 GPS 측위기술은최근기술의진보로세부측량등아직까지적용되지않았던분야에서의활용가능성이다각도로검토되고있다. 특히 Network RTK의경우 GPS 측량중그효율성을극대화시키는기술로알려져있어, 대한지적공사의미래주요측량기술로활용될전망이다. GPS와 Network RTK 측량기술이기존측량업무의효율성을향상시키는기술이나, 낮은장비보급율, 장비구성의복잡성, 보정정보전송용통신매체의한계, 세부규정부재등의이유로기술의진보성에비해현장적용은아직요원한상태이다. 본연구는지적분야에서 GPS와 Network RTK의본격적인적용에앞서, GPS 측량효율성과가용범위를높일수있는방법으로 Network RTK 인프라보완, 장비의간소화, 임야측량시스템의고도화를제시하고이를개선할수있는방안을제시하였다. 제 1 절 연구결과 본연구에서는 GPS 측량효율성을향상시킬수있는첫번째방안으로단방향 Network RTK 인프라를제시하였다. 현재국내에서서서비스중인국토지리정보원과서울시의 Network RTK는양방향통신을기반으로하는 VRS 서비스를제공하고있고, 현재측량, 측지분야에서주로활용되고있다. 그러나상기의서비스는양방향통신에근거하고있어사용자수제한, 사생활문제, 동적사용제한등의문제를내포하고있다. 이에지적연구원 185
GPS 측량효율성향상방안연구 은현존인프라를보완하여서울, 경기지역을대상으로단방향 Network RTK 서비스를제공할수있는인프라를구성하였다. 각기준국에는 Trimble NetR9 수신기가구축되었으며, 지적연구원서버에는 Leica SpiderNet 이설치되었다. 강화, 포천, 용인과인천영흥도를기준국으로선점함으로써기존네트워크밖에존재하던강화, 인천공항, 서해간척지역을서비스영역내에포함시켰고, 지사에구축함으로써지사인력을활용한실시간관리가가능하게되었다. 구축된시스템을적용후기존인프라와성능비교를위해여의도와삼성동의정점에서반복측량, 망내공통지역인여의도샛강과기존인프라망외지역인인천영종도지역에서측량업무를수행한결과망내에서의정확도와초기화속도는기존인프라와동등한특성을나타냄을확인하였다. 기존인프라망외에서의정확도향상은가시적으로확인할수없었으나, 초기화속도에서큰향상이있음도확인하였다. 뿐만아니라, 단방향통신매체에적합한 MAC 방식의 Network RTK를적용함으로써무제한의동적사용자에게도적합한보정정보를전달할수있음을확인하였다. 본연구에서두번째로제시한제시안은 Tablet PC를이용한 GPS 장비통합이다. 본연구에서사용하는 Tablet PC의경우 3G를이용한인터넷통신과시리얼통신기능이포함되어있으므로 Network RTK용 S/W 개발을통해장비를통합하였다. GNSS 수신기는개발된 S/W에시리얼통신으로연결하고, NtripClient 기능을통해 TCP/IP 통신으로 NtripCaster 의 GNSS 보정정보를수신하여시리얼통신으로수신기에전달한다. 이후수신기에서계산된 RTK 측량결과를 NMEA 형태로 S/W 전달하면이를도시하고저장한다. 또한 CIF 형식의도면불러오기와 GNSS 측량결과의도면상도시, 결과의텍스트출력이가능하다. 이상의방법을통해휴대폰과컨트롤러의기능을본 S/W와 Tablet PC에서수행할수있다. 이를통해휴대폰과컨트롤러, 현장용노트북을 Tablet PC로통합하여 2대의장비만으로 Network RTK 측위가가능함을제시하였다. 마지막으로본연구에서는스마트폴을이용한임야측량시스템을고도화하였다. 상대각도를측정할수있는장비인인코더를측량용폴내에삽입하여장비의간소화및경량화에기여하였으며, 거리측거기를추가로부착함에따라기존토탈스테이션과동일한측량방식을사용할수있는스마트폴을구성하였다. 구성된장비와기존토탈스테이션의성 186
제 9 장결론 능을비교해본결과, 약 50m 반경에서 10cm 이하의차이가발생하므로향후활용가능성 이있음을확인하였다. 제 2 절 기대효과및활용방안 본연구를통해구성한 MAC 기반의단방향 Network RTK는그성능면에서기존 VRS를보완혹은대체할수있으므로향후지적재조사로그수가증대될 Network RTK 사용자를효과적으로지원할것으로보인다. 특히 2011년현재대한지적공사가보유한 Network RTK 가용장비는 150대수준으로, 현재인프라의동시접속자수로는대한지적공사의 GPS&GLONASS 동시측량수요를모두감당하기어렵다. 뿐만아니라대한지적공사는향후장비수량을확대할예정이므로, 본연구에서구성한 MAC 기반의단방향 Network RTK 방식을이용할경우무한대의사용자가접속하고사용할수있어, 효과적인지적측량인프라로서의역할을할수있을것으로보인다. 뿐만아니라, 기존 VRS 방식의경우초기위치에서멀어지면오차가점차커지고초기화시간이수초 ~ 수십초간소요되는재초기화가필요하므로, 동시접속자의무제한성외에도동적사용자적합성, 사생활보호, 위치결정의연속성등의장점을고려할때, 본연구에서구축한단방향 Network RTK 인프라는교통, 위치기반서비스등의새로운분야에의적용도가능하므로미래새로운사업창출에도도움을줄것으로기대된다. 그리고본연구에서수행한 Tablet PC 기반의장비간소화의경우구비와결속의용이성외에도장비의베터리방전과장비간결속해제로인한측량불가개연성을사전에줄임으로써업무의효율성과신뢰성을크게향상시킬것으로보인다. 그리고기존 Network RTK 측량에필수적이었던컨트롤러가통상적으로전체장비구매비용의 20-30% 를차지함을고려할때, 이를생략함으로써장비구매비용을줄일수있을것으로보인다. 또한, 지적공사의업무에활용가능한 S/W를개발함으로써 GNSS 수신기제조사와모델에관게없이일관성있게업무를수행할수있어, 새로운장비에대한학습시간도절약할수있 187
GPS 측량효율성향상방안연구 을것으로보인다. 마지막으로임야측량시스템고도화를위해제작한스마트폴은기존 GPS/Total Station 통합시스템수준의정확도에는미치지못하나장비구성비용절감과장비경량화의관점에서볼때, 작업환경이열악한일부임야경계에서의활용가능성이높을것으로기대된다. 특히임야지역에서는장소에따라위성가시성확보여부가결정이되고, 주변지형지물에의해약 10m만이동하더라도그차이가크므로위성가시성미확보지역에서의 GNSS 측량보조역할을수행할수있을것으로기대된다. 제 3 절 향후과제 본연구는 GPS 측량효율성향상방안으로 Network RTK 인프라고도화와 Tablet PC 기반의장비통합, 스마트폴을이용한임야측량시스템고도화등을제시하고기술적인개선방안도출, 장비와 S/W 개발을수행하였다. 그러나본연구의결과물이현업에적용되기위해서는기술의성숙단계가필요하다. 우선기구축한기준국의안정적인운영을위하여고정밀좌표산출과실시간모니터링을수행하여야한다. 이를위하여 SpiderNet 과 SpiderQC 등보정정보생성및감시소프트웨어에대한운영자훈련이필요하며, 지속적인업무수행을위해매뉴얼화할필요가있다. 그리고본연구에서는망내와망외지역에대하여대표적인 2-3개지역에한하여 RTK 고정해를산출함으로써보정정보생성의적합성을판단하였으나, 차후연구에서는다양한지역에서다양한날짜와시간대에테스트를하여안정적인서비스제공가능성을보장하여야한다. 뿐만아니라, 본연구에서는단방향적용가능성및성능비교를위하여 TCP/IP 기반으로 MAC 보정정보를테스트하였으나, 진정한의미의단방향성을보장하기위해서는 UDP 나모뎀, 또는기타시리얼통신을이용한구성으로현업에적용하여야한다. 마지막으로본연구에서구성인인프라와시스템을특정지사나지적재조사테스트지역에서시범활용함으로써현장작업자의체감업무경감과소요시간등을정량적으로분 188
제 9 장결론 석할필요가있다. 이상의기술적인개선외에도세부지침마련등제도적개선이필요하며, 세부지침에필요한정확도, 업무절차등의주요항목에대한시물레이션과현장작업결과를도출하여야한다. 제 4 절 제언 본연구에서제시하는단방향 Network RTK 서비스는기존 VRS 방식을보완할수있는기술이나이를위해서는 GNSS 상시관측소의원시데이터의실시간전송이필수적이다. 기술적으로는임의의위치에 GNSS 기준국을구축하고, 기준국의정밀위치를계산한후운영함으로써서비스를제공할수있으나, 위성측지기준점을고시, 관리, 운영하는국가기관인국토지리정보원의고시를거치지않은성과는법적효력을발휘하기어렵다. 그리고본연구에서제시하는서비스는기존인프라와별도로운영되는기준국을구축하지않더라도데이터의공유만으로도서비스가가능하므로, 기존인프라의실시간데이터를활용하는것이국가적으로볼때예산절감등의효과가클것으로보인다. 따라서본연구를바탕으로전국으로그서비스를확산하기에앞서, 국토지리정보원, 서울특별시와같이기존 Network RTK 인프라보유기관과의사전협의를통해실시간데이터공유방안을모색할필요가있다. 데이터와서비스를공유할경우, 양기관이얻을수있는시너지효과는다음과같다. 첫째, 인프라보유기관이위성기준국으로필요한지역을선점하기쉽고, 기준국구축비용을절감할수있다. 대한지적공사의지사건물은전국에걸쳐고르게분포하고있으므로위성기준국의다양한후보지역을제시할수있다. 대부분자가건물을보유하고있어지점매입과설치비용절감효과가있으며주변에고층빌딩이없는지역에입지되어있는경우가많아위성가시성등환경조건이우수하여기준국구축에적합하다. 둘째, GNSS 기준국관리비용을절감할수있다. 국토지리정보원의경우현재원내소 189
GPS 측량효율성향상방안연구 수의인원으로전국에분포한 50여개의기준국을모두관리하고, 원격제어장비를기준국내설치하여관리의효율성을도모하고있다. 국토지리정보원과대한지적공사가협업을통해일부지사에기준국을설치하면, 해당지사, 또는인근지사의일부인력이기준국관리에활용될수있고, 고장시신속한대처가가능하다. 그리고원격관리를위해추가된장비비용이절감되므로유지, 관리의비용절감효과도부가적으로얻을수있다. 마지막으로대한지적공사는기준국설치를위한비용을절감할수있고, 기준국용으로설치된 GNSS 수신장비를이용하여지사의 static 측량, single base RTK 측량등의업무에활용할수있다. 190
제 9 장결론 참고문헌 김감래, 강대룡, 송근필 (2009) VRS를활용한 Network RTK의지적측량활용방안, 한국지적정보학회지, pp.89-99. 박병운 (2008), 보정정보의국제표준을고려한위성항법보강시스템의시공간오차감소방안연구, 박사학위논문, 서울대학교 임현철 (2007), 지적측량을위한 GPS의활용방안에관한연구, 한국지형공간정보학회지제 15권, 제 4호, pp41-50 장상규, 김진수, 정공운 (2009), VRS GPS을이용한필계점의정확도평가, 한국지형공간정보학회지, pp.37-42. 한중희외 (2010), 공공기준점측량에적용을위한 VRS( 가상기준점 ) 방식의 Network- RTK 정확도분석, 한국지형공간정보학회지제18권제2호, pp13-20 국토해양부, 2011, 지적재조사기반조성연구 ( 지적재조사비용절감방안 ) 지적연구원 (2004), GPS 상시관측소의다목적활용방안연구, 대한지적공사지적연구원 지적연구원, 2010, 지적측량성과결정에관한연구 KDI 공공투자관리센터 (2010), 2010년도예비타당성조사보고서 : 지적재조사사업, 한국개발연구원 Euler H.J., Keenan C.R., et al(2001), Study of a Simplified Approach in Utilizing Information from Permanent Reference Station Arrays, ION GPS 2001, September 11-14, 2001, Salt Lake City, UT, pp 379-391 Euler, H.J., et al(2004), Improvement of Positioning Performance Using Standardized Network RTK Messages, Proc. of ION NTM 2004, Jan. 26-28, San Diego, CA Han. S.(1997), Carrier phase-based long-range GPS kinematic positioning, Ph.D. thesis, University of New South Wales, Australia Jonge. Paul J. De(1998), A Processing Strategy for the application of the GPS in Networks, Ph.D. Dissertation, TU Delft, Netherlands 191
GPS 측량효율성향상방안연구 Kee, C. and Kim, J. Efficient transmission technique of compact RTK correction messages for low-rate RTK data-link, Proceedings of the ION GPS-2002, Portland Oregon, 2002. Landau, H., et al (2002), Virtual Reference Station Systems, Journal of Global Positioning Systems, Vol.1, No.2, pp137-143. National Geodetic Survey(2006), Guidelines for New and Existing Continuously Operating Reference Stations (CORS) Park, B. et al (2006), RRC Unnecessary for DGPS Messages, IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, 42(3), pp 1149-1160, 2006 Parkinson, B. W., Spilker, J., Jr.,Axelrad,P., (eds.), The Global System: Thory and Applications, Volume1 1, AIAA, Washington, DC, 1996 Raquet. John F.(1998), Development of a Method for Kinematic GPS Carrier-Phase Ambiguity Resolution Using Multiple Reference Receivers, Ph.D. thesis, University of Calgary, Alberta RTCM (2001), RTCM Recommended Standards for Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Service, Version 2.3, RTCM paper 136-2001/SC104-STD. RTCM (2004), RTCM Recommended Standards for Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Service, Version 3.0, RTCM Paper 30-2004/SC104-STD. Wubbena.G., Bagge,A, Schmitz.M.(2001), Network-Based Techniques for RTK Applications, Proc. of GPS JIN 2001, Nov. 14-16, Tokyo Japan Wubbena.G., Bagge,A.(2006), RTCM Message Type 59-FKP for transmission of FKP, Version 1.0, Geo++ White Paper http://tekmon.gr/tag/fkp-gps/ http://kartoweb.itc.nl/ https://www.e-education.psu.edu/ http://lsmecapion.com/index.php 192
부록
부록 부록 1 Trimble NetR9 사용매뉴얼 1. 수신기전면 후면 ( 포트 ) 1) NetR9 수신기전면 기능 설 명 1 전원 LED 수신기전원 ON/OFF 표시 2 버튼 수신기내부설정및설정확인버튼 3 화면 수신기상태및안테나정보표시 4 블루투스 블루투스안테나표시 2) NetR9 수신기후면 기능 설 명 1 TNC TNC 타입의젠더사용하여안테나케이블연결 2 BNC BNC 타입의젠더사용하여 10MHz 외부주파수입력 3 D9 Full 9-wire RS232 시리얼포트연결 ( 기상센서사용시연결가능 ) 4 Lemo (7pin/O-shell) Port2 이벤트입 출력 ( 기상센서및기타 ) 케이블연결 (P/N 36451-02) 트림블 AC/DC 파워입력 3-wire RS232 시리얼연결 7pin/0-shell Lemo cable(p/n 59044) 5 Vent Plug 압력조절을위한외부밴팅플러그 6 USB Mini B 5pin USB 연결외부메모리이용하여데이터로깅가능 7 RJ45 jack 10/100 Base-T 이더넷케이블연결 195
GPS 측량효율성향상방안연구 1.2 패널조작방법 1) 버튼설명 버튼이름기능 전원취소입력상 ( 上 ) 하 ( 下 ) 좌 ( 左 ) 우 ( 右 ) 수신기전원 ON/OFF 이전단계및설정취소 패널버튼을이용하여설정시입력 현화면에서다른화면으로이동하거나변경 현화면에서다른화면으로이동하거나변경 수정가능한입력란문자사이로커서를이동 수정가능한입력란문자사이로커서를이동현재필드에대한모드를편집할수있다. 2) 전원버튼기능설명 196 상태 수신기 OFF 알마낙, 괘도력및위성정보지움 전원버튼누름상태 2 초 15 초 설명 디스플레이카운트다운타이머를보여준다. 디스플레이화면이사라지면전원버튼을뗀다. 디스플레이카운트다운타이머를보여준다. 디스플레이어가사라질때전원버튼을계속길게누른다.
부록 상태 수신기를출고시기본값으로변경 ( 수신기초기화 ) 전원버튼누름상태 35 초 설명 디스플레이카운트다운타이머를보여준다. 디스플레이어가사라질때전원버튼을계속길게누른다. 알마낙과괘도력을지우는동안화면에다른카운트다운타이머를보여준다. 카운터가 0 에도달하면전원버튼을길게계속누른다. 수신기를재설정하는동안화면에다른카운트다운타이머를보여준다. 카운터가 0 에도달하면전원버튼을뗀다. 강제수신기종료 최소 60 초 주의 - 수신기가종료될때수신기에저장된모든정보가사라진다. 만약전방법으로해결이안되면강제로수신기를종료한다. 전원 LED 가꺼질때전원버튼을뗀다. 3) 초기화면 Ⅰ) 수신기부팅이완료되면하단의정보들을 또는 버튼을이용하여 LCD에서확 인할수있다. 위치 CMR, RTCM IDs 기본이름및코드 위도, 경도, 높이값 안테나타입 안테나높이및측정지점 수신기펌웨어버전및날짜 수신기시리얼넘버 IP 주소, 서브넷마스크, 게이트웨이정보등 197
GPS 측량효율성향상방안연구 4) 패널을이용한 IP 설정 Ⅰ) 을누른다음 버튼누름. 화면에 Ethernet Config 보이면다시 누름 Ⅱ) DHCP 설정화면이보이면그상태에서다시 를누름 Ⅲ) IP Address 설정이보이면 버튼을누른다. Ⅳ) 숫자가깜박거리면 버튼을이용하여입력할 IP를넣어준후 누른다. 한번누를시입력완료를나타내며한번을더누르게되면서브넷마스크를입 력할수있는필드로이동된다. Ⅴ) 두번누른후 Subnet Mask 가화면에표시되면 버튼을누른다. Ⅵ) 숫자가깜박거리면 버튼을이용하여입력할 IP를넣어준후 누른다. Ⅶ) 두번누른후 Gateway 가화면에표시되면 버튼을누른다. Ⅷ) 숫자가깜박거리면 버튼을이용하여입력할 IP를넣어준후 누른다. Ⅸ) IP 입력이모두완료되면 버튼을이용하여수신기를재부팅해준다. 1.3 WinFlash 설정 1) 프로그램다운로드경로 Ⅰ) Trimble 홈페이지 (www.trimble.com > Product > NetR9) 에서다운로드 PC와 NetR9 수신기의연결 198
부록 Ⅱ) 해당 PC 의시리얼포트확인후선택 Ⅲ) Configuration Ethernet Setting 선택 Ⅳ) 사용할 IP 정보입력 설정완료후재부팅및 PC 와수신기시리얼연결제거 199
GPS 측량효율성향상방안연구 1.4 Web Page 접속및설정 1) 웹브라우저 (Internet Explorer, Mozilla Firefox...) 주소입력란에 NetR9 수신기의 IP 주소를입력 2) 수신기에보안설정이되어있다면, 사용자이름및암호입력창이나타난다. ( 기본설정에는보안기능이적용되어있지않음.) 제품출고시기본사용자이름및암호 : - 사용자이름 : admin (Default) - 암호 : password (Default) 3) 수신기에접속할수없다면사용자이름또는암호가변경되었을수있으니관리자에게문의하시기바랍니다. 접속에성공시초기화면이나타남. 200
부록 4) 설정변경 - 웹인터페이스는브라우저창의좌측에각메뉴가구성되어있고, 우측에각메뉴에대한설정값이표시된다. 웹인터페이스는다른국가의언어를지원한다. 좌측상단의국기를클릭하면해당언어로변경할수있다. Receiver Status menu - 이메뉴는수신기의사용가능한옵션, 현재펌웨어버전, IP 주소, 온도, 위성의수신정 보, 메모리용량, 위치정보등의현재수신기의일반적인상태를빠르게볼수있다. Identity - 이더넷 MAC 주소, 블루투스 MAC 주소, 현재이더넷 IP 주소, 펌웨어버전등의정보 를보여준다. System Name 을변경할수있다. ( 사용자임의설정가능 ) 201
GPS 측량효율성향상방안연구 Receiver Options - 수신기에현재설치된옵션을확인할수있고, 추가로옵션을설치할수있다. X 표시가되어있는옵션이현재설치되어있는옵션이다. Activity - 현재수신되고있는위성의현황, 파일입력및출력정보, 수신기내부온도, 수신기 의현재까지연속가동시간, 전압등의정보를보여준다. 202
부록 Position - 수신기의위치결정에관련있는정보들을보여준다. 수신기를기준국으로가동시에는최소의정보가출력되지만, 로버로가동시 DGNSS 측위의품질을평가하는데필요한모든정보가출력된다. 203
GPS 측량효율성향상방안연구 Position(Graph) - 수신기의위치및 fix 상태를시각적으로보여준다. Height, East, North, East/North, PDOP/#SVs 등의그래프를선택할수있다. Vector - NetR9 GNSS 수신기와 RTK 기준국간의벡터정보를제공한다. Google Earth - 기준국위치에대한구글어스위치생성파일을만들수있다. 구글어스소프트웨어에생성된파일을입력하여지도또는위성사진상에수신기의위치를표시할수있다. Satellites menu - 위성의트래킹상태를자세히볼수있고 GPS, GLONASS, Galileo, SBAS 등각각의위성에대해수신여부를설정할수있다. 이메뉴는위성의트래킹상태에대한모든정보를표와그래프로보기쉽게보여준다. 204
부록 General - 전체적인위성의트래킹상태를보여준다. Tracking Skyplot and Graph - 아래그림들은 Skyplot 과 Graph 페이지에대한예를보여준다. 205
GPS 측량효율성향상방안연구 다음과같은작업을할수있다. 수동으로위성의트래킹을정지 최신방송궤도력을다운로드 다양한형태로위성의궤적을표현 Data Logging menu - 측정된 GNSS 데이터를저장하도록설정할수있고, 현재모든 logging 설정을보여준다. 측위간격, 측위시간, 오래된파일자동삭제등을설정할수있으며이메뉴는 FTP push 기능을제공한다. 206
부록 Summary - 현재 logging 설정이되어져있는 Session 정보를보여준다. 측위간격, 저장경로및파일이름, 메모리정보등이포함된다. - session 이름을클릭하면수정이가능하다. - 새로운 session 을만들기위해 New Session 을클릭하면데이터 logging 구성화면이 나타난다. 207
GPS 측량효율성향상방안연구 - 이페이지에서모든 logging 설정을할수있다. FTP Push, Email Push 등의기능을통한파일전송, 변환될포맷등을결정할수있다. Data Files - 현재수신기에저장된파일들을 RINEX 파일로변환및다운로드, Position 그래프보기등을할수있다. 208
부록 - 파일이름또는그좌측의아이콘을클릭하면파일을다운로드할수있다. - 파일의우측에있는체크박스에체크한후 Delete Selected Files 를클릭하면파일을 삭제할수있다. 다음과같이파일이름의형태를선택할수있다. 209
GPS 측량효율성향상방안연구 File Protection - 저장된데이터파일중중요한데이터를자동삭제기능으로부터보호한다. 지진감지기와같은외부센서에의해어떤이벤트가발생하였을때이기능을사용하여이벤트발생시점전후일정시간의파일을보호할수있다. - 메모리에서보호설정된데이터를삭제하기위해서는수동으로삭제해야만한다. FTP Push - 수신기에저장된파일들을특정 FTP 서버로자동전송할수있다. FTP Push - FTP Push 기능의작동상태를보여준다. 210
부록 Receiver Configuration menu - 이메뉴에서는 elevation mask, PDOP mask, 안테나종류, 기준국고정좌표, 기준국 이름등과같은설정을할수있다. Summary - 수신기의중요한설정항목을전체적으로보여준다. Antenna - GNSS 안테나와관련된설정을할수있다. 안테나정보는저장되는데이터및방송되는 RTK 보정치정확도에상당한영향을미칠수있으므로정확한값을입력해야한다. 211
GPS 측량효율성향상방안연구 Reference Station - 기준국좌표및방송식별자를입력할수있다. 좌표정보는저장되는데이터및방송되는 RTK 보정치정확도에상당한영향을미칠수있으므로정확한값을입력해야한다. Tracking - 이페이지에서는 Everest technology, clock steering 의사용여부를선택할수있고, 또한수신기에저장되어질위성의특정신호를선택할수있다. 212
부록 Position - Rover Integrity Monitor 로서수신기를사용할때필요한설정을할수있다. General 다음과같은설정을할수있다. - event signal 과외부주파수사용여부의결정 - 1 PPS 출력여부의선택 - UPS로서내장배터리의가동여부선택 - 이더넷을통한전원사용여부선택 - shutdown 전압의설정 - VFD 기능의환경설정 213
GPS 측량효율성향상방안연구 Application Files - 수신기설정값저장할수있으며, 과거에저장했던설정값을불러올수있다. 설정값을저장시에는 Store Current File을선택후 Filename 사용자가원하는저장파일명을지정할수있다. Receiver Reset - 수신기리부팅기능및각각의정보를개별적으로삭제할수있다. 214
부록 I/O Configuration - CMR, RTCM, NMEA, GSOF, RT17, RT27, RINEX 메시지, TCP/IP, UDP, serial, 블루 투스포트설정 - 통신을연결할타입및설정값입력 Bluetooth - NetR9 은블루투스기능을제공하며이동전화및컴퓨터, PDA 등이근거리무선접속 을사용할수있다. 215
GPS 측량효율성향상방안연구 OmniSTAR - OmniSTAR 위성방송기술을사용하여광역차등의 GPS 서비스이다. 위치독립적위성궤도및클럭보정데이터를사용한다. Network Configuration - 이더넷세팅메뉴에서는 PPP, Routing Table, Email Client, Email Alerts, HTTP/HTTPS port, Proxy, FTP port, NTP ports, VFD 등설정할수있다. 216
부록 Security - 모든사용자에대한로그인계정을구성할수있다. - 각계정은사용자이름, 암호및사용권한으로구성되어있다. - 관리자는다른사용자에대한액세스를제한할수있으며, 기본적으로권한이없으면수신기를구성할수없도록보안이되어져있다. - 트림블은원치않는변경을피하기위해관리자모드에서설정하는것을권장한다. Change Password - 사용자가원하는패스워드및이름을변경하여사용할수있다. ( 기본값 Usename : admin Password : password) Firmware - 하단의그림처럼펌웨어버전, 기간, 일자등을확인할수있다. - 최신버전의펌웨어를 PC로다운로드하여해당경로지정후하단을클릭하면최신버전의펌웨어를사용할수있다. ( 참고 : Warranty 확인후업데이트 ) 217
GPS 측량효율성향상방안연구 Programmatic Interface - 인터페이스는브라우저에대한 HTTP 스크립팅을다른웹에사용가능한플랫폼으로 사용할수있습니다. 218