GNSS 신호강도 기반 가중치 모델 개발을 통한 난수신환경에서의 실시간 측위 정확도 향상
저자
발행사항
인천 : 인하대학교 대학원 일반대학원, 2015
학위논문사항
학위논문(박사)-- 인하대학교 대학원 일반대학원 : 지리정보공학과 2015. 2
발행연도
2015
작성언어
한국어
주제어
DDC
623.893 판사항(21)
발행국(도시)
인천
기타서명
Improvement of the Real-Time Positioning Accuracy in Urban Canyons through Development of a New Weight Model based on GNSS Signal Strength
형태사항
145 p. ; 26cm
일반주기명
인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
지도교수:박관동
참고문헌 : p.135-145
소장기관
The GNSS based location information used as core information in various fields is very useful in the urban environments with a large floating population or residential areas. However, a narrow side street in the urban environments or residential areas has poor reception environments since GNSS signals are blocked by a building so that it is difficult to secure visible satellites, so positioning becomes impossible or less accurate accuracy. In this study, a new GNSS signal strength based weighted model was developed in order to improve real-time positioning accuracy in urban canyons without additional sensors. The contents of this study are classified into the development of new GNSS signal strength based weighted model, study on additional data processing strategies for improving accuracy and study on the 3-D building model-based positioning.
The measuring point for test was selected in open land environments, middle level environments and urban canyons each first and the number and geometry of visible satellites at the relevant measuring point were analyzed to identify GNSS utilization problems occurred due to signal blockage factors. Real-time GNSS data processing algorithm was implemented using the Extended Kalman Filter so that data processing could be done even if more than 4 visible satellites were not secured. For typical GNSS error factors generated in GNSS data processing, the Klobuchar model was used for the correction of ionospheric error and GPT model-based meteorological information, empirical model and GMF mapping function were used for the correction of tropospheric error. Ephemeris error and satellite clock error which were satellite-related errors were calculated using the broadcast ephemeris provided in real time from GNSS satellite, and group delay and relativistic effects were corrected using each standard model. In order to improve real-time positioning accuracy in urban canyons, characteristics of GNSS signal strength were analyzed and a new GNSS signal strength-based weighted model was developed based on the analysis result. The performance of developed model was verified through the comparison of accuracy with other weighted models, and observation environment, hourly accuracy and convergence time were analyzed specifically. As a result, it was confirmed that using new weighted model developed through this study improved accuracy more significantly than using of previous weighted models.
Also, as an additional strategy for improving positioning accuracy in urban canyons, the Differential-GPS and the integrated positioning using the multi-GNSS was presented and its effectiveness was examined. As a result, it was confirmed that the Differential-GPS was not highly effective in urban canyons, and in case of integrated positioning using both GPS and GLONASS together, its effectiveness was very high in the aspect of accuracy and convergence time. Lastly, shadow-matching which could improve positioning accuracy using 3-D building models was applied, and at this time, the accuracy in initial value which was not considered in the previous shadow-matching technique and the assignment method of scoring map were improved and the candidate point search range and grid size were optimized to improve its performance. As a result, it was confirmed that using the shadow-matching technique could secure more accurate and stable location information than the case of not using it. The GNSS signal strength based weighted model and data processing strategy developed and suggested in this study are considered to be efficient methods for overcoming GNSS limitations in urban canyons and it is expected that these results could be used valuably in various fields where location information is necessary.
다양한 분야에서 핵심정보로 활용되고 있는 GNSS 기반의 위치정보는 특히 유동인구가 많은 도심환경이나 주택가에서 활용도가 높다. 그런데 이러한 도심환경이나 주택가와 같이 좁은 골목길의 경우 건물 등에 의해 GNSS 신호가 차폐되어 가시위성의 확보가 어려운 난수신환경이기 때문에 측위가 불가능하거나 측위정확도가 저하되는 문제가 발생한다. 이 연구에서는 별도의 추가적인 센서 없이 난수신환경에서의 실시간 측위 정확도를 향상시키기 위하여 GNSS 신호강도 기반의 가중치 모델을 새롭게 개발하였다. 연구의 내용은 크게 GNSS 신호강도 기반의 가중치 신모델 개발, 정확도 향상을 위한 자료처리 추가 전략 연구, 3차원 건물 모델 기반의 위치결정 연구로 구분된다.
먼저 개활지환경, 중급환경, 난수신환경에 각각 테스트 측점을 선정하고 해당 측점에서의 가시위성 개수와 기하학적 배치를 분석함으로써 신호차폐요소로 인해 발생하는 GNSS 활용의 문제점을 확인하였다. 실시간 GNSS 자료처리 알고리즘은 난수신환경에서 4개 이상의 가시위성이 확보되지 않더라도 자료처리가 가능하도록 확장형 칼만필터를 이용하여 구현하였다. 자료처리 과정에서 발생하는 대표적인 GNSS 오차요인인 전리층 오차 보정에는 Klobuchar 모델을, 대류권 오차 보정에는 GPT 모델 기반의 기상정보와 경험적 모델, 그리고 GMF 사상함수를 이용하였다. 위성관련 오차인 위성궤도오차와 위성시계오차는 GNSS 위성에서 실시간 제공되는 방송궤도력을 사용하여 계산하였으며 그룹 딜레이, 상대성 효과 등은 각각 표준 모델을 이용하여 보정하였다. 난수신환경에서의 실시간 측위 정확도를 향상시키기 위하여 GNSS 신호강도의 특성을 분석하고 분석 결과를 기반으로 GNSS 신호강도 기반의 새로운 가중치 모델을 개발하였다. 개발 모델은 다른 가중치 모델들과의 정확도 비교를 통해 성능을 검증하였는데 관측환경과 시간대별 정확도와 수렴시간 등을 구체적으로 분석하였다. 그 결과 이 연구를 통해 개발된 새로운 가중치 모델을 이용할 경우 기존의 가중치 모델을 사용하는 경우보다 정확도가 크게 향상되는 것을 확인하였다.
또한 난수신환경에서의 측위 정확도 향상을 위한 추가전략으로 위성항법보정시스템을 이용하는 것과 다중 위성항법시스템을 이용한 통합측위를 제시하고 효용성을 검토하였다. 그 결과 난수신환경에서는 위성항법보정시스템의 효용성이 크지 않은 것을 확인하였으며 GPS, GLONASS를 함께 활용한 통합측위의 경우 정확도와 수렴시간 측면에서 그 효용성이 매우 큰 것으로 나타났다. 마지막으로 3차원 건물 모델을 이용하여 위치 정확도를 향상시킬 수 있는 그림자 맞춤 기법(Shadow-Matching)을 적용하였으며, 이 때 기존의 그림자 맞춤 기법에는 고려되지 않았던 초기값 정확도 향상, 득점지도 부여 방식 개선, 후보점 검색범위 및 격자간격 최적화, 세 가지 사항을 개선함으로써 성능을 향상시킬 수 있도록 하였다. 그 결과 그림자 맞춤 기법을 이용할 경우 그렇지 않은 경우보다 위치정보를 보다 정확하고 안정적으로 확보할 수 있는 것을 확인하였다. 이 연구에서 개발 및 제안한 GNSS 신호강도 기반 가중치 모델과 자료처리 전략은 난수신환경에서의 GNSS 한계를 극복하기 위한 효율적인 방법이 될 수 있을 것으로 판단되며 위치정보를 필요로 하는 다양한 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
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