Standardization of Data Quality and Management Regulation for Korean CORS

국내 GNSS 상시관측소 데이터 품질 및 관리규정 표준화에 관한 연구

Abstract

This study aimed to conduct the standardization of various specifications for determining the proper construction and operation of domestic CORS (Continuously Operating Reference Station). To achieve the plan, the standardization was proposed for various compositions of CORS, such as the data quality, structure, and equipment. Also, we have studied the method for empirically determining the reference values of QC (Quality Check) of CORS data. Those large amounts of samples for each QC index values were built to approach in empirical and statistical methods. In fact, those general and recommended reference values were determined from analyzing the sample distributions, using the empirical and statistical approaches. The result is expected to be utilized for a variety of research fields for standardization, accurate data acquisitions and service operations for the domestic CORS

본 논문에서는 국내 GNSS 상시관측소의 올바른 구축과 운영을 위해 결정되어야 할 다양한 규격들의 표준화에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 GNSS 상시관측소를 구성하는 구조와 장비 및 데이터 품질 등 다양한 부분에 대한 표준 규격을 제시하였다. 이와 더불어, 국내 GNSS 상시관측소의 표준화 항목 중 데이터 품질평가 기준을 경험적으로 결정하는 방법을 다루었다. 경험적이고 통계적인 접근방법을 통해 GNSS 상시관측소 데이터의 품질평가 기준값을 결정하기 위하여 전 지구상에 분포된 다수의 GNSS 상시관측소에서 취득한 데이터에 대한 품질평가를 수행하였으며, 이를 통계적으로 분석하여 GNSS 데이터가 갖추어야 하는 품질기준을 시범적으로 결정하였다. 이를 위해 각 품질평가 지수에 대한 방대한 크기의 표본을 형성하고, 각 표본의 분포를 고려하여 GNSS 상시관측소의 데이터 품질평가에 적용할 수 있는 일반기준과 권고기준을 결정하였다. 본 연구의 결과는 국내 GNSS 상시관측소의 표준적이고 정밀한 데이터의 취득과 서비스 운영을 위한 다양한 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다

1. 서 론

GNSS(Global Navigation Satellite System) 상시관측소(이하 CORS, Continuously Operation Reference Station)는 여러 종류의 GNSS 위성으로부터 상시적으로 신호를 수신하여 측위, 항법, 기상 등의 분야에서 활용되는 다양한 종류의 데이터를 생성하는 시설이다. CORS는 정밀 GNSS 측지측량과 네트워크 RTK(Real Time Kinematic) 측위 서비스의 기준국으로 사용될 뿐만 아니라 상층대기연구, 기상모델링용 매개변수 추정, 지각 변동량 분석 등의 분야에서 사용되는 중요한 인프라 시설로서 국내의 경우 8개 기관에서 170여개의 CORS를 설치 및 운영하고 있다. 1990년대 후반부터 설치되기 시작한 국내 CORS는 여러 과학기술 분야에서 활용되며 안정적으로 운영되고 있으나, CORS가 갖추어야 하는 엄밀한 규격이 사전에 결정되지 않은 상태에서 구축되기 시작하였기 때문에 그 구조와 취득 데이터의 품질, 운영방법 등이 일관되지 못하다는 문제를 가지고 있다. 표준적이고 정밀한 데이터의 취득과 서비스 운영을 위해서는 CORS의 구조와 장비구성 및 데이터 품질 등 다양한 부분에 대한 엄밀한 규격의 결정과 적용이 필요한 실정이다.

본 연구에서는 이러한 배경가운데 CORS의 올바른 구축과 운영을 위해 결정되어야 할 다양한 규격들의 표준화에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해, IGS(International GNSS Service)와 NGS(National Geodetic Survey)의 CORS 가이드라인 분석을 통해 국내 CORS의 기반구조물과 구성장비 및 데이터 품질 등에 적용 가능한 표준화 항목을 분석하였다. IGS와 NGS의 CORS 가이드라인은 GNSS 안테나, 수신기, 데이터 품질 및 기반구조물 관련 규격과 함께 CORS가 설치된 지반의 특성 및 신호 수신환경 등에 관련한 엄밀한 조건들을 제시하고 있다. Park et al.(2007) 등은 국내 14개의 CORS을 대상으로 IGS와 NGS의 CORS 가이드라인에서 제시하는 규정을 기준으로 CORS의 관측환경을 평가 및 분석하는 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 IGS와 NGS에서 제시하는 CORS 가이드라인 항목을 기반으로 정밀 측지측량 목적으로 활용되는 국내 CORS 구축과 운영에 필요한 제반시설 및 데이터 품질의 표준화 항목을 제시하고자 하였다. 본 연구에서 제시하는 표준화 항목은 CORS 설치기준 및 구축환경, CORS 구성장비, CORS 관측데이터, CORS 관련 기본정보 등으로 구분된다.

이와 더불어, 본 연구에서는 CORS를 구성하는 다양한 규격들 중에서 데이터의 품질기준을 제시하기 위한 경험적인 결정방법에 대하여 연구하고자 하였다. 현재까지 국내 CORS 데이터의 품질에 대한 여러 연구가 수행되어 왔으나 엄밀한 품질기준 결정방법에 대하여 연구된 사례는 드물다. Kim and Lee(2013) 등은 종합적인 GNSS 데이터 품질평가 기법을 이용하여 국내 CORS의 품질을 상대적으로 비교하고, 낮은 품질의 데이터가 전리층 지연오차 및 기울기의 계산에 좋지 않은 영향을 미친다는 사실을 제시하였다. Park et al.(2007) 등은 14개소의 국토지리정보원 CORS 데이터의 품질을 TEQC(Estey and Meertens, 1999) 프로그램으로 평가하여 문제가 있는 CORS를 검출하였다. 이 외에도 GNSS 데이터의 품질평가에 대한 연구가 다수 수행되었다(Park et al., 2004; Yun et al., 2006). 이러한 기존 연구에서는 몇 가지 평가지표에 의해 CORS 데이터의 품질을 상대적으로 비교하여 평가할 수 있다는 사실이 실험적으로 제시되었으나, 관련 규정과 표준 결정에 사용될 수 있는 엄밀한 기준 결정에 관한 연구 수행 사례는 찾아보기 어렵다.

해외의 경우, CORS 데이터의 품질기준을 결정하기 위한 일부 연구사례를 찾아볼 수 있다. NGS와 IGS는 CORS 데이터를 분석하여 계산되는 멀티패스오차, 데이터 취득률, 사이클 슬립의 비율에 대한 정량적인 권장기준을 제시하고 있다(NGS, 2013; IGS, 2013). Bruyninx et al.(2003) 등의 연구에서는 EPN(EUREF Permanent Network)을 구성하는 CORS 들에서 취득한 데이터의 품질을 평가하기 위하여 통계적인 방법을 사용하였다. EPN을 구성하는 전체 CORS에서 취득한 데이터별로 품질평가지수를 계산하고 크기별로 지수를 정렬한 후 특정 수량의 표본 개체가 포함되는 경계에서의 값을 기준으로 하여 CORS 데이터 품질의 적합성을 평가하는 방법을 제시하였다.

본 연구에서는 Bruyninx et al.(2003) 등의 연구사례를 참조하여 경험적이고 통계적인 방법으로 CORS 데이터의 품질 기준을 결정하는 방법을 연구하였다. 현재 높은 신뢰도로 운영되고 있는 전 세계의 CORS 데이터들을 분석하여 데이터별 품질평가 지수값들을 계산하였으며, 이를 이용하여 품질평가 지수별 표본을 구성하였다. 다음으로는 각 표본을 대표하는 통계값들을 추정하고 이를 이용하여 품질평가 기준값을 결정함으로써 각종 우주측지 분야에서 정상적으로 활용되고 있는 CORS 데이터들의 품질을 반영한 경험적인 기준값들을 제시하고자 하였다.

 

2. CORS 데이터 품질평가 기준의 결정

2.1 CORS 데이터의 품질평가 방법

CORS 데이터의 품질은 일반적으로 GNSS 데이터의 품질평가 방법과 같이 멀티패스오차의 크기, 사이클 슬립의 개수, 데이터 취득률, 신호 대 잡음비(SNR, Signal to Noise Ratio) 평균 등의 품질평가 지수를 계산하는 방법으로 평가할 수 있다.

멀티패스오차는 GNSS 데이터의 품질에 가장 많은 영향을 미치며 Eq. (1)을 사용하여 데이터를 처리함으로써 관측 에포크(epoch)별 발생 크기를 계산할 수 있다(Calais, 2009).

Eq. (1)에서 L1은 거리로 환산된 L1 위상 측정값(m), L2는 거리로 환산된 L2 위상 측정값(m), P1은 L1 의사거리의 측정값(m), P2는 L2의사거리의 측정값(m), α는 L1파와 L2파의 주파수 비, const.는 L1과 L2 위상의 ambiguity에 의해 계산되는 상수항을 나타낸다.

Eq. (1)에서 MP1과 MP2는 각각 L1파와 L2파를 이용하여 측정한 의사거리에 포함되어 있는 멀티패스오차와 상수항으로 나타낼 수 있는 기타 오차들의 합을 나타내는 수치이다. 순수한 멀티패스오차만을 계산하기 위해서는 상수항의 영향을 제거하여야 한다. 따라서, Eq. (1)을 이용하여 계산한 개별값들에서 평균값을 차감하는 과정을 수행한다.

사이클 슬립은 반송파를 이용한 GNSS 데이터 처리의 정확도와 시간에 많은 영향을 미치는 오차이며 발생횟수가 적을수록 오차의 영향이 감소한다. 사이클 슬립의 발생여부를 검출하기 위한 대표적인 방법은 Eq. (2)를 이용하여 계산한 전리층지연오차의 차분값인 IOD(Derivative of Ionospheric Delay)를 이용하는 방법이다(Estey and Meertens, 1999).

Eq. (2)에서 t는 관측시간(minute), j는 관측순서(2 이상의 정수)를 나타낸다. IOD가 슬립 한계값(일반적으로 1분당 4m)을 초과하는 경우와 RINEX 데이터에 포함된 LLI(Loss of Lock Indicator)정보에 신호 놓침이 표시되는 경우, 그리고 RINEX 데이터의 코드와 반송파 관측값 부분이 모두 공백인 경우에 사이클 슬립이 발생한 것으로 판단할 수 있다.

이 외에도 GNSS 데이터의 품질과 관련된 다양한 지수들을 계산할 수 있다. SNR 정보는 RINEX 데이터의 관측값 표시부와 함께 표기되며 이를 이용하여 수신된 신호의 전자적인 건전도를 평가할 수 있다. 취득률은 관측 가능한 데이터의 개수와 실제 관측된 데이터 개수의 비율을 의미하며, GNSS 위성신호 관측환경과 GNSS 수신기의 성능을 평가할 수 있는 지표로 사용할 수 있다. 이러한 지표들 외에도 다양한 방법으로 계산된 지표들이 GNSS 데이터의 품질평가에 사용될 수 있다.

2.2 전 지구 CORS 데이터의 품질 분석

본 연구에서는 CORS 데이터의 품질과 관련된 평가지수들인 멀티패스오차, 사이클 슬립 빈도, 데이터 취득률에 대한 기준값을 통계적인 방법으로 결정하고자 하였다. 이를 위하여 미국 SOPAC(Scripps Orbit and Permanent Array Center)에서 상시적으로 취득하는 CORS 데이터들 중에서 2014년 7월 14일(UTC 기준)에 취득한 2163개의 데이터를 분석하여 평가지수들을 계산함으로써 기준값 결정을 위한 대규모의 표본을 생성하였다.

취득된 2163개의 관측데이터를 처리하여 계산한 멀티패스 오차들의 분포를 정리한 결과는 Fig. 1과 Fig. 2에서 제시되었다. Fig. 1은 관측소별 멀티패스오차를 크기별로 정렬하여 표시한 것으로 멀티패스오차의 발생경향을 확인할 수 있다. Fig. 2는 멀티패스오차의 크기별 발생 빈도를 정리한 히스토그램이다. Fig. 2를 통해 40cm 수준의 멀티패스오차가 발생하는 CORS의 빈도가 가장 높으며, 절반 정도의 CORS에서 40cm 이하의 멀티패스오차가 발생한다는 사실을 확인할 수 있다.

Fig. 1.Distribution of the multipath error

Fig. 2.Frequency by size of the multipath error

사이클 슬립 발생률의 분포와 빈도를 정리한 결과는 Fig. 3과 Fig. 4와 같다. Fig. 3에서 대부분의 CORS에서 사이클 슬립이 1% 미만의 비율로 발생한다는 사실을 확인할 수 있다. Fig. 5에서는 0.01% 수준의 사이클 슬립이 발생하는 CORS의 수가 가장 많으며, 사이클 슬립 발생률이 클수록 해당 CORS의 수가 적다는 사실을 확인할 수 있다.

Fig. 3.Distribution of the cycle slip incidence

Fig. 4.The number of CORS by size of the cycle slip incidence

Fig. 5.Distribution of the acquisition rate for GNSS data

CORS별 데이터 취득률의 분포를 정리한 결과는 Fig. 5와 Fig. 6에서 제시되었다. Fig. 5에서 대부분의 CORS에서 80% 이상의 취득률로 GNSS 데이터를 수신하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 6에서는 100%의 취득률을 나타내는 CORS의 수가 가장 많으며, 95% 이하의 취득률을 나타내는 관측소의 수가 매우 적은 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 대부분의 CORS에 설치된 GNSS 수신기의 성능이 양호하다는 사실을 알 수 있다.

Fig. 6.Frequency corresponding to the size of the acquisition rate

전 지구 CORS에 대한 품질분석을 수행하여 생성한 품질평가 지수별 표본에 대한 통계지수를 정리하면 Table 1과 같다.

Table 1.Statistical indicator of the GNSS data quality check

2.3 품질평가 기준값의 결정

CORS 데이터에 적용할 품질기준을 결정하기 위해서 평가 지수 표본을 크기별로 정렬한 후, Table 2와 같이 일정한 수의 표본개체를 포괄하는 경계에서의 지수값을 계산하였다. Table 2에서 전체 CORS 데이터 중에서 양호한 품질을 나타내는 상위 30%의 데이터들은 L1 및 L2 코드데이터의 의사거리 측정값에 포함된 멀티패스오차의 크기가 각각 33cm와 29cm 이내임을 알 수 있다.

Table 2.Boundary value of the CORS data evaluation indicator by the comprehensive range

어떠한 포괄경계에서의 지수값을 기준값으로 사용할 것인가는 관리대상 CORS 데이터 품질에 대한 기대수준에 따라 결정할 수 있다. 일반적인 수준으로 CORS 데이터의 품질을 관리하려면 80% 이하의 포괄범위에 해당하는 경계값을 기준값으로 사용할 수 있다. 이는 Fig. 1과 Fig. 3 및 Fig. 5에서 확인할 수 있듯이, 포괄범위 80% 이상에 해당하는 CORS 데이터에서 품질이 급격하게 낮아지며 나머지 부분에서는 유사한 품질을 나타내기 때문이다.

높은 품질의 CORS 데이터를 기대한다면, 양질의 데이터들로 구성된 상위 30% 포괄범위의 경계값을 기준값으로 결정하는 것이 적합하다고 판단된다. 이러한 기준은 Table 2의 최하단에 표기한 IGS 권장 기준에도 부합한다. IGS 권장 기준은 IGS 관측망을 구성하는 CORS들 중에서도 높은 품질의 데이터를 취득하고자 하는 CORS들을 위한 품질기준이다.

전 지구 CORS 데이터를 분석한 결과인 Table 2에 근거하여 통계적으로 결정한 CORS 데이터의 품질기준을 정리하면 Table 3과 같다. 보편적으로 적용할 수 있는 일반기준과 높은 품질의 데이터를 기대할 수 있는 권장기준으로 구분하였으며, 국내 CORS 데이터 품질에 이러한 기준을 적용함으로써 국제적인 수준에 부합하는 CORS를 구축 및 운영할 수 있을 것으로 판단된다.

Table 3.CORS data quality standards determined by statistical analysis

 

3. 국내 CORS 데이터의 품질평가

국내에서 운영 중인 CORS에서 취득한 데이터의 품질이 본 연구에서 시범적으로 결정한 CORS 데이터 품질기준에 부합하는지에 대한 여부를 평가하였다. 국내의 전체 CORS 중 국토지리정보원에서 운영하는 50개소의 CORS를 임의로 선정하고, 20일간 동일한 날짜에 CORS별로 취득한 데이터를 처리하여 품질평가지수를 계산하였다.

Fig. 7과 Fig. 8은 선정된 50개 CORS의 L1 멀티패스오차(MP1)와 L2 멀티패스오차(MP2)를 각각 크기별로 정렬하여 도시한 것이다. Fig. 7과 Fig. 8에 표시된 선형 그래프 상의 점은 CORS별 20일 관측데이터의 평균 멀티패스오차이고, 점의 상하부에 표시된 오차 막대는 해당 데이터의 표준편차를 나타낸다.

Fig. 7.MP1 error distribution of domestic CORS data

Fig. 8.MP2 error distribution of domestic CORS data

Fig. 7과 Fig. 8에서 확인할 수 있듯이, Table 3에서 제시한 MP1과 MP2의 일반기준(Fig. 7~Fig. 10에 점선으로 표시)을 만족하는 CORS 개수가 전체의 절반에 못미치는 것을 확인할 수 있다. 또한 권장기준을 만족하는 CORS는 1개소 정도임을 알 수 있다.

Fig. 9.Cycle slip error distribution of domestic CORS data

Fig. 10.Acquisition rate distribution of domestic CORS data

Fig. 9는 국내 CORS 데이터의 사이클 슬립 발생률을 크기별로 표시한 것이다. 일반기준에 부합하는 CORS의 수가 매우 적은 것을 고려할 때, 국내에서 운영 중인 CORS가 해외 CORS에 비해 사이클 슬립 오차에 매우 취약한 구조를 가지고 있다는 사실을 확인할 수 있다. Fig. 10에서 표현된 데이터 취득률의 분포를 살펴보면, 50% 이상의 CORS가 일반기준에 부합하고 권장기준에 부합하는 CORS는 3개소임을 알 수 있다.

상기 연구결과를 통해, Table 3에서 제시한 GNSS 데이터 품질기준 중 일반기준이 국내 CORS의 데이터 품질을 보다 현실적으로 반영할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 국내 CORS 데이터 품질기준은 Table 3에서 제시한 일반기준을 고려하여 결정하는 것이 합리적이라 판단하였다.

본 연구에서는 국내 CORS 데이터 품질기준의 평가항목으로써 멀티패스오차, 사이클 슬립의 발생률, 데이터 취득률을 선정하였다. 총 3가지의 평가항목 중 사이클 슬립의 발생률과 데이터 취득률은 Table 3의 일반기준에서 각각 0.056%와 96%의 기준값이 제시된 반면, IGS에서 CORS 데이터 품질의 권장기준으로 각각 0.1%와 95%의 기준값이 제시되었다. 상기 기준값들의 비교결과, IGS에서 제시한 권장기준이 Table 3에서 제시된 일반 품질기준보다 보편적인 기준값을 나타냄을 확인할 수 있었으며, IGS 권장기준을 국내 CORS 현황에 적용하면 보다 많은 수의 CORS가 제시된 품질기준에 수용될 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 국내 사이클 슬립의 발생률과 데이터 취득률에 대한 기준값으로써 IGS에서 제시한 0.1%와 95%의 기준값을 선정하였다.

한편, CORS 데이터 품질기준의 평가항목 중 멀티패스오차는 Table 3의 일반기준에서 0.45m 이내의 기준값이 제시된 반면, IGS 권장기준으로 0.3m 이내의 기준값이 제시되었다. 상기 평가항목의 기준결정 과정과 동일하게, Table 3의 일반기준에서 제시한 0.45m 이내의 보편적인 기준값을 국내 CORS 멀티패스오차 기준값으로 적용 시, 더욱 많은 수의 국내 CORS가 품질기준을 만족함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 최종적으로 제시하는 국내 CORS 데이터 품질기준은 다음과 같다.

- 데이터 취득률은 95% 이상 - 멀티패스오차는 평균 0.45m 이하 - 사이클 슬립의 발생률은 0.1% 이하

 

4. CORS 제반시설 및 데이터의 표준화

본 연구에서는 효과적인 국내 CORS의 제반시설과 구성장비 및 데이터의 표준화를 연구하기 위하여 IGS와 NGS의 CORS 가이드라인을 분석하였다. 상기 2가지 외국 사례를 기초자료로 활용하여 국내에 적용 가능한 CORS 제반시설 및 데이터의 표준화 항목을 연구하고자 하였다. 약 70여개 국가가 참여하고 현재 약 400여개 이상의 CORS를 보유한 국제기구인 IGS는 CORS의 구성장비 및 설치·운영 등에 관한 규정을 담은 가이드라인을 작성하고 모든 IGS 관측소가 이를 준수하도록 요구하고 있다. 따라서 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 CORS 가이드라인은 IGS 가이드라인이라 할 수 있다(Park et al., 2007). 본 연구에서 참고한 IGS의 CORS 가이드라인은 2013년 4월 판이다. 그리고 미국의 측지·측량 분야 대표기관인 NGS도 자체 CORS 가이드라인을 보유하고 있다. NGS의 CORS 가이드라인의 정칙명칭은 “Guidelines for New and Existing Continuously Operating Reference Stations”이다(Park et al., 2007). 본 연구에서 참고한 NGS의 CORS 가이드라인은 2013년 1월 판이다. 다음은 IGS와 NGS의 CORS 가이드라인에서 제시하고 있는 CORS의 제반시설과 구성장비 및 데이터의 표준화 관련 항목을 요약한 것이다.

- 수신기와 안테나 지원 주파수 : 최소한 L1과 L2 신호를 수신 가능 - 수신기의 신호 추적 기능 : 0도 이상의 고도에서 최소한 10개의 신호 추적 - 수신기의 출력 자료(코드) : 최소한 C/A 코드 혹은 P코드 상의 의사거리 - 수신기의 출력 자료(반송파) : 최소한 L1 및 L2 코드의 반송파 위상 - 장비 고유번호 : 국제적으로 통용되는 고유한 모델 번호 부여 - 안테나의 수평 조율 : 위치와 방향을 조정할 수 있는 정준장치 부착 - 안테나 방향 : 자침편차를 계산하여 진북방향으로 조정 - 안테나 위상중심 관련 자료 : 위상중심 변동모델 지원 - 장비 메타데이터 : 장비 사진과 이력을 포함하는 메타데이터 지원 - 데이터 취득 간격 : 30초 이하의 간격으로 취득 - 통신 : 인터넷 접속 가능 - 장비관리 : 장비에 대한 지속적인 유지 및 보수 - 성과고시 : 성과에 대한 고시는 IGS 및 NGS 담당

상기 해외 사례 분석을 통해 IGS와 NGS에서 위성기준점 전반에 대한 엄격한 규격과 표준을 제시하고 있음을 확인할 수 있었다. 하지만, 현재 국내의 CORS 구축현황을 미루어봤을 때, 이러한 엄격한 규격과 표준을 가이드라인으로 제시하기에는 어려움이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 해외 사례 조사결과를 기반으로 현행 국내 CORS 현황을 분석하고, 국내에 수용 가능한 일반적인 CORS의 표준화 항목을 제시하고자 하였다. 해외 사례 조사·분석 결과를 통해 국내 CORS에 수용될 수 있는 표준화 항목을 정리하면 다음과 같다.

4.1 CORS 설치기준 및 구축환경

CORS의 설치 위치는 국가 또는 지방자치단체·공공기관·학교·공원 등과 같이 보존 및 유지관리가 용이하고, 연속적으로 영구적 활용이 가능한 부지 내에 선정하여야 한다. 시간 경과에 따른 주변 지형·지물의 변화가 적고, 현재 및 향후의 위성신호 수신 조건이 양호한 지역에 CORS가 설치되어야 한다. 예를 들어, 수목이 자라는 지역, 건물 혹은 구조물의 신축과 증축이 빈번한 지역, 이동체의 출입이 빈번한 주차장 등에 인접한 지역에는 CORS의 설치를 지양하여야 한다. 또한 기 설치된 CORS와 인접하지 않는 지역에 설치하여야 한다.

4.1.1 위성신호 수신환경

CORS 및 GNSS 안테나는 GNSS 위성신호의 수신환경이 매우 중요한 요소이다. 이에 따라, 위성신호 수신을 저해하는 지장물이 적은 지점에 CORS를 설치하여야 하며, 다음과 같은 조건을 만족하여야 한다. 여기서, 안테나참조점(ARP, Antenna Reference Point)은 GNSS 측위기술에서 위치결정의 대상으로 사용되는 GNSS 안테나의 특정한 물리적인 지점을 의미한다.

- 안테나참조점을 포함하는 수평선 위로 고도 10도 이상의 범위에 지장물이 없어야 한다. - 안테나참조점을 포함하는 수평선 위로 고도 0∼10도 사이의 범위에 위치한 지장물의 수가 적어야 한다. - 피뢰침, RTK 보정신호 방송 안테나를 비롯하여 어떠한 시설물도 GNSS 안테나 보다 높은 위치에 설치되어서는 안된다. - 안테나참조점을 중심으로 한 반경 3m 이내에 어떠한 시설물도 위치해서는 안된다.

추가적으로 CORS 및 GNSS 안테나는 위성신호의 무선 주파수 특성에 영향을 미치는 시설물이 없는 지역에 설치되어야 하며, 다음과 같은 조건을 만족하여야 한다. 또한 원활한 GNSS 위성신호의 수신을 위해서 관측소 주변 수목을 주기적으로 제거하여야 한다.

- TV, 마이크로파, FM 라디오국, 휴대폰, 초단파(VHF, Very High Frequency) 및 극초단파(UHF, Ultra High Frequency) 중계기, RADAR, 고압선 등 GNSS 위성신호에 영향을 미치는 시설물이 주변에 위치해서는 안된다. - 무선 주파수 환경이 존재하는 지역에 부득이하게 CORS 및 안테나를 설치하는 경우는 사전에 환경영향평가를 수행하여야 한다.

4.1.2 지반의 구조

CORS가 설치되는 지반은 적절한 보완 시공이 수행되어야 하며, 시공결과의 적합성에 대한 평가가 이루어져야 한다. CORS가 설치되는 지반의 구조는 다음과 같은 지역을 피하여 설치되어야 한다.

- 지중에 동굴, 싱크홀, 광산이 위치한 지역 - 활성화된 유체 혹은 기체의 상승이 발생하는 지역 - 동상현상, 수분의 흡수로 인한 토양과 암석의 수축 및 팽창이 크게 발생하는 지역 - 건조한 상태에서 토양의 수축과 팽창이 크게 발생하는 지역 - 불안정한 사면지역 - 토양 압밀이 크게 발생하는 지역

4.1.3 CORS 기반구조물의 설치 기준

CORS의 기반구조물은 GNSS 안테나를 지표면에 견고하게 고정하기 위한 목적으로 구성된 다양한 형태의 시설물로서 철근콘크리트, 스테인레스 스틸 등을 이용하여 제작한 기둥부, 기초부 등을 의미한다. CORS의 기반구조물은 태풍, 지진 등과 같은 다양한 외부환경의 영향을 극복하고, 공간상의 고정된 위치를 최대한 유지할 수 있는 안정적인 구조로 시공되어야 한다. 따라서 동상현상, 수면포화, 흙의 풍화작용 등의 다양한 물리적 현상으로 인하여 지표면에 발생하는 수축 혹은 팽창 등의 물리적인 변동이 관측값에 영향을 미치지 않도록 시공되어야 한다. CORS의 기반구조물은 Table 4에서 제시된 형태 중 하나로 지상이나 다른 구조물에 시공할 수 있다.

Table 4.Construction type and location of the CORS monument

(1) 독립형 기반구조물 설치 방법

지상에 직접 설치하는 독립형 기반구조물의 경우 3축 지지 대형이나 기둥형으로 설치하여야 하며, 시공 시 다음과 같은 사항을 준수하여야 한다. 또한, 이미 설치된 독립형 기반구조물의 보완 및 이전 등을 시행하는 경우에도 아래와 같은 설치방법이 권장되어야 한다.

- 기반구조물의 기초부는 지표면 변동현상의 영향을 최소화하도록 동결심도 이하의 지반에 고정되어야 한다. - 주변에 신호 수신 지장물이 다수 위치하는 경우, 긴 높이로 기둥을 설치할 수 있으나 바람 등의 외력으로 인한 진동과 변위가 발생하지 않는 구조로 설치되어야 한다. - 설치의 안정성과 지각과의 일치된 거동을 위하여 견고하게 시공된 3축 지지대 형태의 기반구조물의 설치가 우선시 되어야 한다. - 기둥형 기반구조물의 기초부는 동결심도 이하 최소 4m까지 연장 시공된 깊은 기초이어야 한다. - 별도의 깊은 기초를 사용하지 않는 기둥형 기반구조물은 무게중심이 동결심도에 위치하도록 시공하여야 한다. - 멀티패스를 방지하기 위하여 기반구조물 상단의 단면은 GNSS 안테나의 최대 반경보다 작아야 하며 최소한의 면적을 가지도록 시공하여야 한다. - 멀티패스를 방지하기 위하여 기반구조물 상단의 단면과 GNSS 안테나 사이의 간격은 5cm보다 작거나 GNSS 신호의 1개 파장 길이인 20cm보다 커야 한다.

Fig. 11은 상기 독립형 기반구조물 설치 준수사항에 따른 기초부의 설계 예시를 표현하고 있다.

Fig. 11.Example of foundation design

(2) 부착형 기반구조물 설치 방법

건물옥상 등 인공구조물에 부착하여 시공하는 부착형 기반구조물은 다음과 같은 사항에 부합하는 구조물이 설치되어야 한다.

- 강화 콘크리트나 돌 혹은 벽돌로 건설된 석조건물 - 지반 침하의 영향이 적도록 최소한 5년 전에 지어진 구조물 - 부등침하와 불안전성으로 인한 내·외부에 균열이 없는 구조물 - 금속으로 된 벽으로 둘러싸이지 않고 금속 재질의 지붕을 가지고 있지 않은 구조물 - 풍하중에 의한 진동이 발생하지 않는 구조물

인공구조물의 상단에 기반구조물을 부착하는 경우에는 다음과 같은 사항을 준수하여야 한다.

- 기둥형 기반구조물은 대리석 혹은 강화 콘크리트 재질의 기초부를 사용하여 구조물에 견고하게 매설되어야 한다. - 3축 지지대형 기반구조물은 별도의 기초부를 사용하여 구조물에 견고하게 설치되어야 한다. - 깃대형 기반구조물은 지름 3cm 이상의 것을 사용하여야 하며 에폭시, 콘크리트 등의 기초부를 사용하여 구조물에 견고하게 부착되어야 한다.

인공구조물의 측면에 기반구조물을 부착하는 경우에는 다음과 같은 사항을 준수하여야 한다.

- 안테나가 부착대상 인공구조물의 상단면 위에 위치하도록 시공하여야 한다. - 인공구조물의 측면과 안테나 사이의 수평거리가 1m 수준이 되도록 시공하여야 한다. - 기반구조물은 높은 안정성을 확보할 수 있도록 부착대상 인공구조물에 최소한 3개 이상의 앵커나 볼트로 직접 부착되어야 한다.

4.2 CORS 구성장비

4.2.1 GNSS 안테나

CORS를 구성하는 GNSS 안테나는 L1파와 L2파 등 최소한 2개 주파수 이상의 GNSS 위성신호를 수신할 수 있어야 한다. 사용되는 GNSS 안테나는 제조업체에 의해 지속적인 유지·보수가 가능한 제품이어야 하며, 다음과 같은 안테나 정보가 제공되어야 한다.

- NGS, BKG 등 공신력 있는 국제기관에서 계산한 안테나 위상중심 변동모델 정보 - 안테나참조점과 위치기준 및 안테나 하단 사이의 위치관계를 정의하기 위하여 1mm 이하의 오차범위로 결정된 편심 정보 - 절대 안테나 캘리브레이션 계산 정보

(1) GNSS 안테나의 설치

GNSS 안테나는 0.15도의 오차 범위 내에서 정준된 상태로 진북 방향을 향하도록 설치되어야 한다. 이를 위해 방위각 측정 장비를 이용하여 자북 방향을 결정하고, 수치적으로 계산된 자편각을 반영하여 진북을 계산하여야 한다.

(2) 안테나고정대

CORS의 안테나 지지부와 안테나 사이에는 별도의 고정대가 장착되어야 하며, 안테나의 수평 방향과 진북 방향으로의 정준이 수행되어야 한다. 또한 안테나 교체시, 새로운 안테나 참조점이 이전 안테나참조점과 3차원 공간상에서 정확하게 일치하도록 조정되어야 한다. 이러한 기능을 구현하기 위하여 GNSS 안테나는 별도의 안테나고정대를 활용하여 기반구조물에 부착되어야 한다. 여기서 안테나고정대는 GNSS 안테나를 기반구조물에 부착할 때 사용하는 장치로서 수평 및 진북 방향의 정밀한 조정을 통해 GNSS 안테나를 원하는 위치에 고정할 수 있는 장치를 의미한다. 이러한 기능을 구현한 안테나고정대 제품의 예는 Table 5와 같다.

Table 5.Construction type and location of the CORS monument

(3) 안테나레이돔

GNSS 안테나를 외부환경으로부터 보호하고 과대한 강설 시의 설층 형성, 결빙 등에 의한 신호 교란을 방지하기 위하여 안테나레이돔을 설치할 수 있다. 이때, 안테나레이돔이란 GNSS 안테나를 주변환경으로부터 보호하기 위하여 장착하는 덮개형태의 시설물을 의미한다. GNSS 안테나에 설치되는 안테나레이돔은 균질한 두께가 보장되는 표준 레이돔 제품이어야 하며, 비표준 안테나레이돔을 사용하는 경우에는 안테나레이돔과 GNSS 안테나 모두를 고려한 안테나 캘리브레이션을 수행하여 해당 안테나 위상중심 변동모델 정보를 생성하여야 한다.

4.2.2 GNSS 수신기

CORS에 설치되는 GNSS 수신기는 제조업체에 의한 지속적인 유지관리가 가능한 제품이어야 한다. GNSS 수신기는 최소한 L1파와 L2파 GNSS 위성신호를 추적할 수 있어야 하며 고도 0도 이상에서 10개 이상의 위성을 추적할 수 있어야 한다. 또한 최소한 C1, P1, P2 코드데이터와 L1, L2 반송파 위상 데이터를 생성할 수 있어야 한다. GNSS 기술 현황의 변화를 반영할 수 있도록 GNSS 수신기의 펌웨어 소프트웨어는 지속적으로 갱신되어야 하며, 관측데이터를 실시간으로 외부에 전송하거나 자체 메모리에 파일 단위로 집적할 수 있는 제품을 선택하여야 한다. GNSS 수신기는 다음과 같은 소프트웨어적인 동작이 가능하여야 한다.

- 샘플링 간격 설정 - 세션 간격 설정 - 신호 대 잡음비 정보 생성

4.2.3 CORS 전력 및 통신 시설

CORS의 상시적인 동작을 위하여 전력을 지속적으로 공급할 수 있는 주전력 시설이 설치되어야 한다. 또한, 정전 시 GNSS 수신기에 지속적으로 전력을 공급하기 위한 보조전력 시설도 추가적으로 설치되어야 한다. 이때, 보조전력시설은 최소 30분 이상 전력을 제공할 수 있는 성능이 요구된다.

CORS에는 24시간 이하의 주기로 관측 파일을 외부에 전송할 수 있는 통신시설이 갖추어져야 한다. 또한, GNSS 관측데이터의 실시간 전송을 위해 1초 이상의 간격으로 취득된 데이터를 외부에 전송할 수 있는 성능이 요구된다.

4.3 CORS 관측데이터

4.3.1 관측데이터의 취득

CORS에서는 다양한 종류의 GNSS 위성들로부터 추적 가능한 최대한의 GNSS 위성데이터가 연속적으로 취득되어야 한다. 이를 위해, 최소한 2주파 수신기를 이용하여 GPS 위성으로부터 C1, P1, P2 코드데이터와 L1, L2 반송파 위상 데이터가 취득되어야 한다. 또한 관측데이터의 취득 간격은 해당 CORS의 목적에 따라 1초, 5초, 15초, 30초 중 하나로 설정이 가능하여야 한다.

4.3.2 관측데이터의 품질

GNSS 관측데이터의 품질은 엄밀하게 관리되어야 하며, 해당 CORS는 관측데이터의 품질을 지속적으로 모니터링하여 문제 발생 시 적합한 대처 방안을 수립하여야 한다. CORS의 관측데이터가 충족하여야 하는 품질 기준은 다음과 같다.

- 데이터 취득률은 95% 이상 - 멀티패스오차는 평균 0.45m 이하 - 사이클 슬립의 발생률은 0.1% 이하

4.3.3 관측데이터의 저장

GNSS 관측데이터는 해당 CORS 관리기관이 운영하는 시스템에 원시데이터파일과 RINEX(Receiver Independent Exchange Format)파일로 저장되어야 한다. RINEX는 GNSS 관측데이터의 저장과 교환에 사용되는 파일의 표준적인 포맷을 의미한다. 원시데이터파일의 저장 및 관리는 다음과 같은 사항에 따라 수행되어야 한다.

- 수신기 제작사가 개발한 파일 포맷으로 저장하되 파일 포맷에 대한 문서가 공개되어야 한다. - 24시간 단위의 파일 저장을 권장하나 관리기관의 용도에 따라 저장 단위를 결정할 수 있다. - 원시데이터의 파일명은 RINEX파일 명명체계를 따르되 별도의 확장자를 사용하여 RINEX파일과 구분되어야 한다. - 시간정보는 GPS 시를 기준으로 하여 저장되어야 한다. - 헤더정보의 내용은 관측소 메타데이터 정보와 일치하여야 한다.

RINEX파일의 명칭은 표준화된 규격에 맞게 설정되어야 하며, 관련 세부사항을 정리한 내용은 Table 6과 같다.

Table 6.Regulation of RINEX file name

4.4 CORS 기본정보

4.4.1 기본정보의 종류와 관리

정밀 측지측량을 위한 기준점 역할을 수행하기 위하여 다음과 같은 CORS별 기본정보가 제작 및 관리되어야 한다. 이때, 생성되는 기본정보는 CORS의 수명이 끝날 때까지 관리되어야 하며, 수정되는 경우에는 갱신된 정보가 반드시 저장 및 보관되어야 한다.

- CORS 제원과 이력정보를 포함하고 있는 메타데이터를 제작하고 관리하여야 한다. - CORS 외관 사진과 구조도로 구성된 이미지데이터를 제작하고 관리하여야 한다. - 관측소의 좌표변동이력을 포함하고 있는 시계열좌표데이터를 제작하고 관리하여야 한다.

4.4.2 메타데이터 및 이미지데이터

메타데이터에는 CORS의 기반구조물, 구성장비, 데이터 취득 및 전송 사양 등에 대한 상세한 정보가 기록되어야 한다. 또한 CORS의 구성 장비의 교체, 이설, 급격한 지각변동 등으로 인한 이력변화 정보 등이 포함되어야 한다. 메타데이터파일 내의 공란을 임의로 삭제해서는 안되며 공백, 줄바꿈, 기호 등에 관한 형식을 엄밀하게 유지한 ASCII 포맷으로 저장하여야 한다.

이미지데이터에는 CORS 기반구조물과 구성장비 및 주변환경 정보 등과 같은 관측소 외관 사진과 GNSS 안테나 상세사진이 포함되어야 한다. 또한 안테나 위치기준, 안테나 마운트하단, 안테나참조점의 상호 위치 관계를 도식화한 이미지가 포함되어야 한다. 이는 CORS의 현황에 대한 상세한 정보를 사용자들에게 제공 및 공유하기 위함이다. 본 연구에서는 NGS CORS 가이드라인을 기반으로 하여 이미지데이터파일을 제작하기 위한 규격과 표준을 제시하였다. 이미지 파일명 결정을 위한 일반 규칙은 다음과 같다.

- 사진의 날짜 상세사항은 사진 촬영 당시와 일치하여야 한다. - 날짜 정보가 불확실하다면, 문자 x를 사용하여 표현 가능하다. 예) 201206xx 또는 2012xxxx - 방위각 방향을 표현하는 형식은 000-north, 000-east와 같다. - JPEG 파일 포맷이 적합하다. - ssss는 사이트 ID를 표현하는 4자리의 영숫자 부분이다. - yyyymmdd의 yyyy는 사진촬영 날짜의 년(year)을 표현하는 4자리 정수이고, mm은 달(month)을 표현하는 2자리 정수, dd는 일(day)을 표현하는 2자리 정수이다.

CORS의 구성장비를 촬영한 이미지 파일의 표현 형식은 Table 7과 같다.

Table 7.Expression form of image file taken with equipments of CORS

Table 8에서는 방위별로 안테나를 촬영한 이미지 파일의 표현 형식을 제시하고 있다. 안테나의 이미지 파일에는 안테나 참조점 표면의 높이에서 촬영한 4방향의 이미지가 포함되어야 한다. 또한 이미지 촬영시 별도의 방향이 추가로 적용되면 파일 이름에 적절한 방위각을 제시하여야 한다. 이때, 이미지 파일명은 Table 8에서 제시한 형식을 따른다.

Table 8.Expression form of image file taken with a directional antenna

CORS에 부착된 안테나가 지붕 상에 위치하고 있다면, Table 9에서 제시한 이미지 파일의 표현 형식을 준수하여야 한다.

Table 9.Expression form of image file taken with a antenna on the roof

4.4.3 시계열좌표데이터

시계열좌표데이터는 CORS를 구성하는 GNSS 안테나참조점에 대하여 정밀하게 계산된 일별 좌표의 집합을 의미한다. CORS별 지각변동 현황과 기타 요인으로 인한 위치 변화를 파악하기 위해 CORS별 시계열좌표데이터 파일이 제작되어야 한다. 시계열좌표데이터 파일은 시계열 3차원 지심직각좌표 정보와 시계열 평면 및 타원체고 좌표정보가 포함되어야 한다. 시계열좌표데이터의 위치기준은 현재 시간을 기준으로 가장 가까운 시기에 결정된 지구기준좌표계이어야 하며, 이를 위하여 정기적으로 개신 및 변환되어야 한다. CORS의 시계열좌표데이터 중 3차원 지심직각좌표 데이터의 구성은 Table 10에서 제시한 형식을 준수하여야 한다.

Table 10.Configuration of the 3D geocentric rectangular coordinate data

평면 및 타원체고 데이터의 헤더정보 구성을 위한 형식은 Fig. 12와 같고, 데이터정보 구성은 Table 11에서 제시한 형식을 따른다.

Fig. 12.Configuration of the header information

Table 11.Configuration of the data information

 

5. 결 론

본 논문에서는 국내 CORS의 올바른 구축과 운영을 위해 결정되어야 할 다양한 규격들의 표준화에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해, IGS와 NGS의 CORS 가이드라인 분석을 통해 국내 CORS의 기반구조물과 구성장비 및 데이터 품질 등에 적용 가능한 표준화 항목을 분석 및 제시하였다. 이와 더불어, 국내 CORS의 운영과 관련된 다양한 표준화 항목 중 데이터의 엄밀한 품질관리를 위해 설정되어야 할 품질평가 기준값 결정에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해, 총 2163개의 전 지구 CORS 데이터에 대한 품질분석 결과를 이용하여 품질평가 지수별 표본을 구성하였고, 통계적인 방법으로 국제적인 수준에 부합하는 CORS 데이터 취득을 위한 품질평가 기준값을 시범적으로 결정하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과를 정리하면 다음과 같다.

첫째, 전 지구에서 관측되는 CORS 데이터를 처리하여 품질평가 지술별로 방대한 크기의 표본을 생성하고 각 표본의 특성을 분석한 결과, 품질평가 지수의 발생 경향과 분포를 파악할 수 있었다.

둘째, 각 품질평가 지수 표본의 분포를 고려하여 일반적인 품질 수준과 권장되는 품질 수준을 평가할 수 있는 두 가지 종류의 품질평가 기준값을 결정할 수 있었다.

셋째, 임의 선정된 50개의 국내 CORS들의 데이터를 대상으로 시범적인 품질평가 기준을 적용하여 평가한 결과, 멀티패스오차, 사이클 슬립 발생률, 데이터 취득률의 모든 부분에서 개선이 필요함을 확인할 수 있었다.

넷째, 국내 CORS의 구조와 장비구성 및 데이터 품질 등 다양한 부분에 대한 표준 규격을 제시하였으며, 본 연구의 결과는 국내 CORS의 표준적이고 정밀한 데이터의 취득과 서비스 운영을 위한 다양한 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.