GPS 위성 궤도력에 따른 단독측위 정확도 비교 분석
Comparative Analysis of Point Positioning Accuracy Based on GPS Satellite Ephemeris
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초록
본 연구는 GPS 위성 궤도력의 종류에 따른 단독측위 정확도를 비교·분석하여, 순간 단일에포크(one-epoch) 측위의 유효성과 한계를 정량적으로 검토하는 것을 목적으로 한다. 연구 대상은 통합기준점, 수준점, 상시관측소 등 총 6개 지점이며, 위성좌표 산출에서는 방송궤도력의 경우 항법메시지 파라미터를 이용하고, 정밀궤도력의 경우 IGS에서 제공하는 sp3 파일의 좌표를 Lagrange 9차 다항식 보간법으로 처리하여 동일 조건에서 비교할 수 있도록 하였다. 이 과정에서 위성시계 보정, 궤도이심률에 따른 상대론적 보정, Klobuchar 모델을 이용한 전리층 보정, 이중주파수 전리층보정, Hopfield 모델(간략식)에 의한 대류권 보정, Sagnac 효과 보정 등 동일한 기본 보정을 적용하였다. 위성-수신기간 관측방정식에 대해서는 Multivariate Newton-Rapson 알고리즘을 적용하여 반복 계산을 통해 수신기 위치를 결정하였다. 분석 결과, 방송력 기반 순수 1에포크 좌표 정확도는 2006년 Chitrakut Station과 2023–2025년 국내 측량기준점 모두에서 대체로 4~5 m 수준으로 나타나 시기별 차이가 거의 없었다. 반면 정밀력 기반 좌표 정확도는 2006년에는 방송력 대비 약 0.5 m 정도의 개선에 그쳤으나, 2023–2025년에는 대부분의 지점에서 2 m 이상 오차가 감소하여 평균 1.5 m 수준에 도달하였다. 이러한 개선은 지난 20여 년간 IGS 등 국제 GNSS 분석센터에서 제공하는 정밀 궤도·시계 산출 기법의 발전, 추적망 확대, 다GNSS 통합처리, 지구자전 및 조석 모델 보정의 고도화에 기인한 것으로 해석된다. 따라서 본 연구는 단일에포크 좌표 수준에서 방송력과 정밀력의 차이를 실증적으로 비교한 사례로서, 향후 실시간 정밀측위 기법의 적용 가능성과 보정 모델 개선, 그리고 내비게이션 및 측량 분야에서의 활용성을 제시하는 중요한 기초 자료가 될 수 있을 것이다.
Abstract
This study aims to quantitatively examine the validity and limitations of instantaneous single-epoch positioning by comparing and analyzing the standalone positioning accuracy according to the type of GPS satellite ephemeris. The study targets six geodetic sites, including a Unified Control Point, a Benchmark, and Continuously Operating Reference Stations (CORS). For satellite coordinates, broadcast ephemeris were derived using navigation message parameters, while precise ephemeris were obtained from IGS-provided sp3 files and interpolated by a 9th-order Lagrange polynomial, allowing comparison under identical conditions. The same basic corrections were applied throughout the study, including satellite clock correction, relativistic corrections based on orbital eccentricity, ionospheric corrections using the Klobuchar model, dual-frequency ionospheric corrections, tropospheric corrections using the Hopfield model (simplified), and Sagnac corrections. The multivariate Newton-Rapson algorithm was applied to the satellite-receiver observation equations, and the receiver position was determined through iterative calculations. The analysis results showed that the pure 1-epoch coordinate accuracy based on broadcast ephemeris was generally around 4-5 m at both the Chitrakut Station in 2006 and the domestic surveying control points from 2023 to 2025, with little difference between periods. On the other hand, the coordinate accuracy based on precision ephemeris only improved by about 0.5 m compared to the broadcast ephemeris in 2006, but between 2023 and 2025, the error decreased by more than 2 m at most points, reaching an average of 1.5 m. This improvement is interpreted as due to the advancement of precision orbit and clock calculation techniques provided by international GNSS analysis centers such as IGS over the past 20 years, the expansion of tracking networks, integrated multi-GNSS processing, and the advancement of Earth rotation and tidal model corrections. Therefore, this study is an empirical comparison of the difference between broadcast ephemeris and precision ephemeris at the single-epoch coordinate level, and can serve as important basic data for suggesting the applicability of real-time precision positioning techniques, improvement of correction models, and usability in the fields of navigation and surveying in the future.