상시관측소 자료 내삽에 의한 GPS/INS 항공삼각측량 = GPS/INS Aerotriangulation Using Interpolated CORS Observations

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 GPS/INS를 이용한 항공사진측량을 수행하는 데 있어 촬영지역 중앙에 설치하는 GPS 지상기준국의 운영상의 곤란함을 해결하기 위하여 국가기관에서 운영하는 상시관측소에서 수신한 GPS 자료를 내삽하여 효율적으로 GPS/INS 항공삼각측량에 적용하는 방법을 제시하고자 하였다.
연구의 목적을 달성하기 위하여, 기존의 항공삼각측량부터 현재의 GPS/INS를 이용한 항공삼각측량에 대한 연구를 고찰하고, GPS/INS 자료 처리에 사용하기 위하여 30초 간격으로 수신하는 상시관측소 자료 내삽방법에 대한 정확도를 평가하였다. 또한 상시관측소 자료를 내삽하여 결정한 외부표정요소와 촬영지역에 수신한 지상기준국 자료로 결정한 외부표정요소를 GPS/INS 항공삼각측량에 적용하여 정확도를 비교하였다. 그 결과 상시관측소 자료로 지상기준국을 대체할 수 있는 충분한 정확도를 얻을 수 있다. 연구 결과를 요약하여 다음과 같다.
첫째, 고정된 위치에서 1초 간격으로 수신한 GPS 자료를 이용하여 GPS 자료 내삽을 위한 모의실험을 수행한 결과 1초 간격으로 내삽할 때 발생하는 오차는 자료처리과정에서 발생하는 잡음 수준이었음을 알 수 있었다. 내삽오차는 GPS 수신간격에 비례하여 증가하였고, GPS 특성으로 높이오차가 가장 크게 발생하였으며, 130km 범위 내에서 내삽방법에 의한 차이는 보이지 않았다.
둘째, 지상기준국 자료를 이용하여 GPS/INS 자료를 처리할 때 정표고 계산을 위해 EGM-96 모델을 사용하였는데, 이를 지상기준점을 이용한 GPS/INS 항공삼각측량 결과와 비교하여 높이에 대한 평행이동 오차가 1/1000 수치지도의 등고선 정확도보다 큰 것을 알 수 있었다. 따라서 상시관측소 안테나에 대한 정표고와 국내 지형에 맞는 정확한 지오이드 모델이 개발되어야 GPS/INS를 이용한 효율적인 지도 제작이 가능함을 알 수 있었다.
셋째, 1초 간격으로 수신한 자료와 내삽한 상시관측소 자료를 이용하여 항공기 안테나의 위치를 결정하여 분석한 결과 GPS 신호의 수신 상태에 의한 오차가 내삽오차보다 커지는 현상이 나타났다. 또한 과도한 cycle slip은 항공삼각측량으로 조정하기 곤란한 순간적인 위치오차의 원인이 될 수 있음이 밝혀졌다. 이를 통하여 내삽한 상시관측소 자료로 지상기준국 자료를 점검할 수 있음을 알게 되었다.
넷째, 내삽한 상시관측소 자료로 외부표정요소를 결정하여 항공삼각측량을 수행한 결과, 항공삼각측량 과정에서 적용한 조정변수에 의해서 상시관측소 위치에 따른 투영중심의 변이가 제거되어 내삽오차보다 작은 차이를 보임을 알 수 있었다. 따라서 상시관측소 자료로 지상기준국 운영상의 문제점을 해결할 수 있고, 지상기준국을 운영하기 곤란한 도서 지역에 대한 항공사진측량에도 적용할 수 있다. 그러나 내삽과정에서 발생하는 최대오차를 점검하기 위해서 두 개의 상시관측소 자료를 비교하여 사용하는 것이 바람직하다고 판단된다.
이와 같은 연구결과를 볼 때 상시관측소의 자료를 이용하면 현재의 지상기준국을 대체할 수 있는 충분한 정확도를 확보할 수 있고, 지상기준국의 운영 및 측량이 곤란한 도서지역에 대한 정확한 지도 제작에도 활용할 수 있어 효율성을 제고할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In general, it is necessary to establish the dedicated GPS base station at the central point of the survey area in GPS/INS aerotriangulation. Although this base station is needed to achieve the required survey accuracy, there are some difficulties in practical operation. This degrades the efficiency of the survey in terms of the cost and the time. To tackle these difficulties and to achieve the effective GPS/INS aerotriangulation, the GPS data measured at CORS was interpolated and used in stead of the usual ground base station. Various tests to analyze the impact and accuracy of each step were performed and proper conclusions are drawn.
To achieve the goal of this study, first, the studies for traditional and modern GPS/INS aerotriangulation were reviewed. Then, the GPS data recorded 30 second interval was interpolated to 1 second interval for GPS/INS data processing and the accuracy of interpolation method was evaluated. In next step, GPS/INS aerotriangulation was carried out with both exterior orientation parameter determined by dedicated GPS base station and by interpolated CORS data, in order to compare the accuracy.
Through this study, it was found that the interpolated CORS data is accurate enough to substitute dedicated GPS base station in GPS/INS aerotriangulation based on following analysis.
First, the simulation of GPS data interpolation was implemented with 1 second interval GPS data received at a fixed position. The interpolation error of GPS data is noise level of data processing. The interpolation error is in proportion to GPS data interval and the height error is the largest one by GPS characteristics. But, no differences is found by interpolation method within 130km range.
Second, EGM-96 model was applied to determine the orthometric height of the projection center with GPS/INS data, and the height differences of the projection centers were calculated with GPS/INS aerotriangulation. It was found that the height difference is larger than the contour accuracy of 1/1,000 digital map. For the effective use of GPS/INS, the orthometric height of the CORS antenna and of the dedicated base station should be provided which leads to the accurate geoid model for Korean peninsular.
Third, the positions of airborne GPS antenna for every 1 second were determined with GPS data received by the dedicated base station and by the interpolated CORS data. It was found that the quality of the GPS data has more influence to the positional accuracy than the interpolation error of GPS data. Large cycle slip makes the critical positional error which could not fixed by aerotriangulation. Then, interpolated CORS data may be used for checking the GPS data received by the dedicate base station.
Forth, the exterior orientation parameters were determined with interpolated CORS data and with GPS data received by the dedicated base station, and were used for GPS/INS aerotriangulation. The shift and drift of exposure center was different due to the position of CORS, those were, however, eliminated by the control parameter of GPS/INS aerotriangulation. The remained error of GPS/INS triangulation with interpolated CORS data was smaller than the error due to the interpolation of CORS data.
Therefore, CORS data would be the good alternative to overcome the difficulties of operating the dedicated base station. Furthermore, using CORS data could be effectively applied for the photogrammetric works of islands far from main land. In this case, at least two interpolated CORS data should be compared in order to check and avoid the large error caused by the interpolation.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구 동향 = 3
• 1.3 연구내용 및 방법 = 10
• 제2장 GPS/INS 항공삼각측량 = 13
• 2.1 GPS = 13
• 2.1.1 상시관측소 = 15
• 2.1.2 GPS 현대화 계획 = 18
• 2.1.3 GPS에 의한 위치 결정 = 19
• 2.1.3.1 GPS 관측방정식 = 19
• 2.1.3.2 차분법에 의한 관측방정식 = 20
• 2.1.4 GPS 자료 내삽 = 23
• 2.1.4.1 Neville 알고리듬 = 24
• 2.1.4.2 Chebychev 다항식 = 25
• 2.2 INS = 26
• 2.3 GPS/INS Photogrammetry = 31
• 2.3.1 GPS/INS 통합 = 31
• 2.3.2 GPS/INS에 의한 투영중심 결정 = 36
• 2.3.2.1 좌표체계 = 36
• 2.3.2.2 2차원 영상좌표 = 38
• 2.3.2.3 사진좌표 계산 및 INS 기준의 3차원 좌표 변환 = 39
• 2.3.2.4 INS에 의한 사진좌표를 NED 지역좌표계로 변환 = 40
• 2.3.2.5 사진좌표를 NED 지상좌표로 변환 = 41
• 2.3.2.6 ECEF 좌표 및 계산 = 42
• 2.4 항공삼각측량 = 43
• 2.4.1 관측방정식 = 44
• 2.4.1.1 공선조건식 = 44
• 2.4.1.2 지상기준점 = 47
• 2.4.1.3 외부표정요소 = 48
• 2.4.2 수학적 모델 = 49
• 2.4.3 GPS/INS 공선조건식 = 51
• 2.4.4 GPS/INS 외부표정요소를 이용한 조정 = 53
• 2.4.4.1 이격거리(lever arm) 측정 = 55
• 2.4.4.2 Boresight 조정 = 55
• 2.4.4.3 GPS/INS 공선조건식에 의한 항공삼각측량 = 56
• 제3장 GPS/INS 설치 및 boresight 조정 = 58
• 3.1장비설치 및 촬영 = 58
• 3.2 지상기준국 위치 결정을 위한 GPS 자료처리 = 62
• 3.3 Boresight 조정 = 67
• 3.3.1 항공사진 Scanning = 67
• 3.3.2 지상기준점 측량 = 68
• 3.3.3 GPS/INS 자료 처리 = 70
• 3.3.4 항공삼각측량 = 74
• 3.3.5 Boresight 조정 = 75
• 제4장 내삽오차 분석 = 77
• 4.1 정지관측에 의한 내삽오차 분석 = 77
• 4.1.1 GPS 자료관측 및 기준국 위치 결정 = 77
• 4.1.2 GPS 자료 내삽 및 결과분석 = 79
• 4.1.3 평가 및 내삽법 선택 = 84
• 4.2 이동관측에 의한 내삽오차 분석 = 86
• 4.2.1 이동측위에 의한 위치결정 = 87
• 4.2.2 내삽오차 분석 = 90
• 제5장 상시관측소를 이용한 항공삼각측량 = 97
• 5.1 정확도 평가 기준과 지상기준점 배치 = 97
• 5.1.1 정확도 평가 기준 = 97
• 5.1.2 지상기준점 배치 방법 = 99
• 5.2 GPS/INS 항공삼각측량의 정확도 분석 = 104
• 5.2.1 지상기준점만 사용한 항공삼각측량 = 104
• 5.2.2 아산기준국을 이용한 항공삼각측량 = 108
• 5.2.2.1 정확도 분석 = 108
• 5.2.2.2 외부표정요소에 대한 분석 = 111
• 5.2.2.3 기존의 방법과 GPS/INS 외부표정요소의 비교 분석 = 114
• 5.3 아산기준국 내삽오차 분석 = 118
• 5.4 상시관측소를 이용한 항공삼각측량 = 124
• 5.4.1 GPS/INS 자료 처리 결과 = 124
• 5.4.2 항공삼각측량 결과 = 130
• 제6장 결론 및 제언 = 138
• 참고문헌 = 142
• 부록 = 148
• I GPS/INS 자료 추출 결과 = 148
• II GPS/INS 외부표정요소(Boresight 조정 전) = 151
• III GPS/INS 외부표정요소(Boresight 조정 후) = 153
• IV 지상기준점에 의한 항공삼각측량(각 : grade) = 156
• V 아산기준국에 의한 항공삼각측량(각 : grade) = 157
• VI 천안상시관측소에 의한 GPS/INS 외부표정요소 = 158
• VII 청주상시관측소에 의한 GPS/INS 외부표정요소 = 160
• VIII 서울기준국에 의한 GPS/INS 외부표정요소 = 163
• IX 서울상시관측소에 의한 GPS/INS 외부표정요소 = 165