Improvement of DGPS Positioning Accuracy Using FKP Correction message

Abstract

본 논문은 저가의 단일주파수 GPS (Global Positioning System) 수신기의 위치정확도를 보다 향상시키기 위해 기존 의사거리 측정치 기반의 DGPS (Differential GPS) 보강항법을 이용하고 또한 DGPS 에서 처리할 수 없는 공간이격오차에 의한 잔여 바이어스 오차를 반송파위상 측정치 기반의 CDGPS(Carrierphase Differential GPS)를 위한 FKP 보정정보를 이용하여 처리하는 방법에 대해 연구하였다. 공간이격오차(Spatial decorrelation)는 보정정보를 제공하는 기준국과 사용자의 거리가 멀어짐에 따라 공간상의 상관성이 떨어지게 되고 이로 인하여 측정치 사이에 존재하는 전리층, 대류층, 위성관련 오차와 같은 공통오차 또한 차이가 나게 되는 것을 말한다. 상대적으로 공간이격오차가 유발할 수 있는 오차의 크기가 의사거리 측정치 기반의 시스템에서는 측정치의 잡음수준보다 작기 때문에 중요성 또한 크게 부각되지 않고 있었으며, 이를 보상하는 시스템에 대한 구축은 아직까지 완성된 것은 없으며 광역보정시스템(WADGPS, Wide Area Differential GPS)나 지역적 보강항법시스템(RAAS, Regional Area Augmentation System)와 같은 시스템이 개발 중이거나 구축 중이다. 반면, 상대적으로 반송파위상 측정치 기반의 시스템에서의 공간이격오차는 미지정수를 결정하는데 영향을 줄 수 있고 이에 따라 위치정확도가 크게 영향을 받을 수 있다. 따라서 이를 보상하는 연구가 보다 활발하며 시스템 또한 구축된 것이 많다. 대표적으로 반송파위상 측정치 기반의 CDGPS 보강항법의 공간이격오차를 제거하기 위한 연구는 VRS (Virtual Reference System), MAC (Master-Auxiliary Concept), FKP (Flaechen Korrektur Parameter)와 같은 Network RTK(Real-Time Kinematics)방식이 있으며 현재 국내에서 구축되어 상용 서비스가 진행되고 있는 경우가 많다. 위와 같은 Network RTK 방식 중, FKP 는 이론적으로 의사거리 측정치에 대한 활용이 가능하다고 알려져 있으며 현재 국내에서 2012 년도부터 상용화된 서비스이다. 또한 FKP 보정정보는 단방향 통신으로 사용자 수의 제한이 없다는 단점이 있으며 반송파위상 측정치를 기반으로 하는 보정정보로 낮은 잡음을 가진다는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 기존 DGPS 보강항법의 공간이격오차를 효과적으로 보상하기 위해서 현재 국토지리원에서 인터넷(TCP/IP)를 통해 방송하고 있는 FKP 보정정보를 이용하여 기존 DGPS 보강항법을 단일주파수 GPS 수신기에서 사용하기 위한 방식에서 추가적인 하드웨어 구성이나 인프라 구축 없이 GPS 수신기에 적용할 수 있도록 실시간 FKP-DGPS 알고리즘을 구성하여 실제로 정적, 동적 실험을 통해 성능을 검증하였다. 본 논문의 FKP-DGPS 알고리즘의 결과, 정적 사용자의 경우에 기존 DGPS 에 비해 76% 작은 바이어스 오차와 21% 향상된 1CEP 위치정확도를 가지는 성능을 확인하였으며, 동적 사용자의 경우에 마찬가지로 31% 작은 바이어스 오차와 21% 향상된 1CEP 위치정확도를 가지는 것을 확인하였다. 본 논문의 내용은 현재 일반 사용자들에게 많이 이용되고 있는 스마트폰이나 차량용 네비게이션에 장착된 저가 GPS 수신기에 적용하여 사용자들에 보다 높은 위치 서비스를 제공해 줄 수 있을 것을 기대할 수 있다.

The typical augmentation system for pseudorange measurement is DGPS (Differential GPS). DGPS improves commercial single frequency GPS (Global Positioning System) receivers. However, in the DGPS, bias error remains due to spatial decorrelation. Therefore, in this paper, the method have been researched to eliminate spatial decorrelation in conventional DGPS by using FKP correction message which is correction for CDGPS based on carrierphase measurements. In DGPS, the correlation of the errors experienced at the reference station and the user location is largely dependent on the distance between them. As the separation of the user from the reference station increases so does the probability of significant differing ionospheric and tropospheric conditions at the two sites. Similarly, the increasing separation also means that a different geometrical component of the ephemeris error is seen by the reference station and the user. This is commonly referred to as Spatial Decorrelation of the ephemeris and atmospheric errors. In the DGPS based on pseudorange measurements, positioning error caused by spatial decorrelation is under noise level of pseudorange measurement. That is why it is treated as minor error source and just a few researches to deal with spatial decorrelation are in progress. Up to the present time, on basis of pseudorange measurements, there are typically RAAS (Regional Area Augmentation System) and WADGPS (Wide Area Differential GPS) as research considering spatial decorrelation to improve positioning accuracy. But, they are not complete system, are developing. Thus, in present, there is no way to eliminate spatial decorrelation in Korea. Bias error due to spatial decorrelation is also present in CDGPS which is the augmentation system for carrierphase measurements. Compared to pseudorange measurements, carrierpahse measurements have got much smaller noise about centimeter level which is much smaller than bias error due to spatial decorrelation. It is very important error source which can affect integer ambiguity resolution in CDGPS. Therefore, many research to deal with spatial decorrelation in CDGPS have been carrying out more briskly rather than in DGPS. Typically, there is Network-RTK (Network Real Time Kinematics) method for spatial decorrelation in CDGPS. FKP is Flaechen Korrektur Parameter in German. It is one of Network-RTK (Network-Real Time Kinematic) methods such as VRS (Virtual Reference Station), MAC (Master-Auxiliary Concept) and it means Area Correction Parameters. It is an information to deal with spatial decorrelation in CDGPS based on carrierphase measurements. According to RTCM standard, it can be easily modified to the correction for pseudorange measurements. In Korea, FKP has been being broadcasted since 2012. Thus, to use FKP correction for pseudorange measurement, it is not necessary to add more hardware system and to construct infrastructure. In this paper, with broadcasted FKP correction in real-time, FKP-DGPS algorithm has been designed and the static/dynamic tests have been carried out to verity its feasibility and performance. In the real-time static test, FKP-DGPS has 21% less 1CEP and 76% less bias error rather than DGPS. Also, in the dynamic test, FKP-DGPS has better positioning accuracy than DGPS. It has 19% improved 1CEP and 31% less bias error. Considering these results, FKP correction can eliminate bias error due to spatial decorrelation in DGPS and it can be utilized for commercial single-frequency GPS receivers effectively.

Keywords: DGPS, CDGPS, Spatial Decorrelation, FKP, FKP-DGPS Student Number: 2012-23160