GNSS 모듈 조합에 따른 스마트 지적 공간정보 활용성 개선방안 연구 = A Study on the Improvement of Smart Cadastral Spatial Information Utilization by GNSS Module Combination

국문 초록 (Abstract)

최근 GNSS 동향은 GPS, GLONASS, GALILEO, BDS 위성수가 증가하면서 동시에 운영하는 위성 성능의 현대화가 계속 진행되고 있다. 국내에서도 국토지리정보원이 N-RTK 보정값을 2024년 2월 26일부터 GALILEO, BDS 까지 포함해서 RTK 측위의 모호정수 초기화 소요시간을 단축함과 더불어 실시간 측위 정확도 향상이 기대되고 있다. GNSS 칩셋(chipset) 기술의 발전과 저가형이면서 모듈형 안테나, 수신기, 모뎀 등의 다양한 종류가 출시되고 있고 이를 활용한 다양한 응용이 시도되고 있다. 다채널 위성신호를 지원하는 GNSS 칩셋(chipset)을 내장한 저가형 제품군의 저변 이 확대되고 사용자가 점차 늘어나고 있는 추세로 성능 또한 개선되어 효용성이 증 가하고 있다. 특히 디지털트윈, 자율주행, 지적측량, 국토조사모니터링 등 스마트 국 토정보를 구축하려는 다양한 분야에서 소형화되고 경량화된 GNSS 측위 모듈 제품 의 사용이 늘어나고 있다. 지적측량 분야는 디지털트윈 재현 기술에 기반한 입체지 적정보 구축에 수요가 점차 확대 되어가고 있으며, 이를 위해 고정밀 GNSS 측위장 비의 수요가 늘어나고 있다. 반면에 고정밀 GNSS 측위장비는 대부분 고가의 상용장 비가 많은 비중을 차지하며 구입 및 유지관리에 다수의 비용이 발생한다. 특히 배 터리, 펌웨어 업데이트 등에 많은 예산이 소요되고 있다. 지적측량 현업분야는 내륙과 도서지역으로 구분할 수 있으며 대부분 내륙을 중 심으로 스마트 지적정보 취득과 관련된 실증사업이 진행되고 있다. 도서지역의 경 우 가상기준점 방식의 Network-RTK 보정값 수신이 열악한 경우도 존재하여 스마트 지적정보 취득을 위한 대체 방법이 필요하다. 본 연구는 GNSS 모듈 조합 시스템을 저가형 모듈 조합 기반으로 구성하고 다양 한 지적측량 현장에 활용할 수 있는 경제적이고 생산성 높은 스마트 지적측량 측위 시스템을 구성하고자 한다. 이를 위해 다양한 종류의 수신기, 안테나 및 모뎀 등 측위 모듈의 특성을 비교 고찰하고 스마트폰에 연계한 기준국 및 이동국 측위시스템을 조합 구성하였다. 본 시스템의 지적측량 분야 적용시 정확성 및 활용성을 고찰하기 위해 대표적 현업 직무를 반영한 테스트베드 5가지 유형을 선정한 후, 상업용 시스템의 적용 결과와 비교 검토하고 그 효용성을 검증하였다. 연구결과 스마트 지적 공간정보 활용성 적용을 위한 저가형 GNSS 측위 시스템을 GNSS 수신기, Hand Held 안테나, FT232R 2주파·3주파 안테나 및 ANN-MB-00 패치 형 안테나 등 각 모듈의 성능을 최적화하는 조합을 구현하고자 테스트 베드별 정적측 위 및 동적측위 실험장을 구성하였다. 상용수신기, UAS 영상의 검사점을 적용하여 각 모듈 조합의 측위성능을 비교분석 하고자 ZED-F9P 칩셋이 내장된 전용 수신기 모듈 과 공개해석 앱(App), 안테나 모듈 조합을 구성하여 통합기준점과 비교 고찰했다. FT232R 2주파 모듈 조합이 RMSE 평균값 X: 2.4cm, Y: 2.6cm, Z: 5.5cm의 결과값을 나타내어 정적측위에서 가장 안정적인 결과를 확인하였다. 동적측위의 성능 실험에서 FT232R 2주파·3주파 모듈 조합이 상용장비 R8과 유사한 성능을 나타냈다. 선행실험 결과를 기반으로 기준국(Base)·이동국(Rover) 모듈 조합 RTK 측위, NTRIP 지원 모듈 조합 RTK 측위를 지적측량분야 및 주소정보분야에 적용하여 지적도근점과 경계점표 지에 대한 연결오차 평균값을 취득하였다. 또한 주소정보시설물 조사분야에서 등록위 치와 관측위치의 오차를 입증하여 활용성을 도출하였다. 본 연구 결과로부터 스마트 지적공간정보 현장에 효율성과 생산성이 높은 저가형 다채널 측위시스템을 개발하였으며 지적현장의 업무 향상에 기여할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, as the number of GPS, GLONASS, GALILEO, and BDS satellites increases, the modernization of satellite performance operating at the same time is continuing. In Korea, the National Geographic Information Institute is expected to improve the real-time positioning accuracy as well as shorten the time required to initialize the ambiguity of RTK positioning by including N-RTK correction values from February 26, 2024 to GALILEO and BDS. With the development of GNSS chipset technology, various types of low-cost modular antennas, receivers, and modems are being released, and various applications using them are being attempted. As the base of low-cost product lines with built-in GNSS chipsets supporting multi-channel satellite signals is expanding and the number of users is gradually increasing, the performance is also improving and the utility is increasing. In particular, the use of compact and lightweight GNSS positioning module products is increasing in various fields to build smart land information such as digital twin, autonomous navigation, cadastral survey, and land survey monitoring. In the field of cadastral surveying, the demand for three-dimensional cadastral information based on digital twin reproduction technology is gradually expanding, and the demand for high-precision GNSS positioning equipment is increasing. On the other hand, high-precision GNSS positioning equipment occupies a large portion of expensive commercial equipment, and it costs a lot of money to purchase and maintain, especially battery and firmware update.
The current cadastral surveying field can be broadly categorized into inland and island areas. Currently, demonstration projects related to smart cadastral information are predominantly implemented in inland regions. However, some islands face challenges in receiving Network-RTK correction values based on virtual reference stations(VRS). Consequently, these island areas require alternative methods to acquire smart cadastral information accurately and efficiently. The purpose of this study is to construct an economical and highly productive smart cadastral surveying system that can be used in various cadastral surveying sites by constructing the GNSS module combination system based on low-cost module combination. For this purpose, the module characteristics of the positioning configuration were compared and considered, and a base station and a rover station positioning system connecting an antenna, a receiver, a modem and a smartphone were constructed. In order to consider the accuracy and usability of this system when applied to the field of cadastral surveying, five types of test beds reflecting representative field jobs were selected, then compared and reviewed with the application results of commercial systems, and their effectiveness was verified. As a result of the study, a static positioning and kinematic positioning experiment site for each test bed was constructed to implement a combination that optimizes the performance of each module, such as a GNSS receiver, Hand Held antenna, FT232R two-frequency and three-frequency antenna, and ANN-MB-00 patch-type antenna for the application of smart cadastral spatial information. In order to compare and analyze the positioning performance of each module combination by applying the checkpoint of commercial receiver and UAS image, a dedicated receiver module with a built-in ZED-F9P chipset, an open analysis app, and an antenna module combination were constructed and compared with the integrated reference point. The FT232R two-frequency module combination showed the RMSE average values of X: 2.4 cm, Y: 2.6 cm, and Z: 5.5 cm, which was the most stable result in static positioning. In the performance test of kinematic positioning, the combination of FT232R two-frequency and three-frequency modules showed similar performance to commercial equipment R8.
Based on the results of the preliminary experiment, the RTK positioning using the combination of the base station and rover module and the RTK positioning using the combination of the NTRIP support module were applied to the fields of cadastral surveying and address information, and the average connection error for the cadastral surveying reference point and boundary point marker was obtained. In addition, in the field of address information facility survey, the error between the registration position and the observation position was verified and the usability was derived. From the results of this study, we have developed a low-cost multi-channel positioning system with high efficiency and productivity in smart cadastral spatial information sites and are expected to contribute to improving the work of cadastral sites.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 ⅰ
• 목 차 ⅲ
• 표 목 차 ⅵ
• 그림목차 ⅶ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 동향 5
• 1.2.1 국내 연구 동향 5
• 1.2.2 국외 연구 동향 7
• 1.2.3 선행연구와 차별성 8
• 1.3 연구 방법 10
• 제 2 장 스마트 지적공간정보 재현 기술의 이론적 고찰 12
• 2.1 GNSS 측위 기술 12
• 2.1.1 GNSS 측위 방식에 따른 오차 종류 및 보정 16
• 2.1.2 오차보정에 따른 GNSS 측위 기술 17
• 2.1.3 국내 Network-RTK GNSS 정밀측위 18
• 2.2 GNSS 모듈 조합 및 재현 방법 20
• 2.2.1 측위 모듈 종류 20
• 2.2.2 RTK 측위 모듈 구성 22
• 2.2.3 Network RTK 측위 모듈 조합 25
• 2.2.4 GNSS 모듈 조합 시스템 운영 27
• 2.3 UAS 및 영상해석기술 30
• 제 3 장 GNSS 모듈 조합 시스템 적용 실험 32
• 3.1 연구대상지 선정 32
• 3.2 GNSS 모듈 조합의 실험 구현 33
• 3.2.1 GNSS 모듈 조합 RTK 실험 34
• 3.2.2 NTRIP 지원 측위 모듈 조합 RTK 실험 39
• 3.3 UAS 기반 영상 처리 40
• 3.4 실험대상지역의 데이터 취득 43
• 3.4.1 통합기준점 43
• 3.4.2 인천 아시아드 경기장 46
• 3.4.3 인천대학교 28호관 48
• 제 4 장 GNSS 모듈 조합 시스템의 성능 해석 52
• 4.1 스마트 지적공간정보 적용을 위한 테스트 조건별 실험 52
• 4.2 통합기준점 U05 54
• 4.2.1 NTRIP 보정방식 구성에 따른 모듈 조합 54
• 4.2.2 NTRIP 지원 모듈 조합 취득 좌표 비교분석 57
• 4.3 인천아시아드 경기장 70
• 4.3.1 복합구조물의 형상 분석 70
• 4.3.2 NTRIP 지원 모듈 조합과 상용 수신기 성능 검증 72
• 4.4 인천대학교 28호관 77
• 4.4.1 GNSS 모듈 조합 RTK 측위 구성 77
• 4.4.2 GNSS 모듈 조합 RTK 실험의 취득 좌표 분석 79
• 4.5 스마트 지적 공간정보 적용 및 평가 86
• 4.5.1 지적 경계측량 적용 평가 86
• 4.5.2 주소정보 적용 평가 98
• 4.5.3 GNSS 모듈 조합 시스템의 보완사항 및 기대효과 109
• 제 5 장 결 론 111
• 참고문헌 113
• ABSTRACT 123
• 감사의 글 126