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2010-02-06 19:04 |
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[공지] [GPS관한 모든것] |
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차량 위치 추적 시스템 [ AVLS, automatic vehicle location system, 車輛位置追跡- ]
위성 위치 확인 시스템(GPS)과 무선 통신망 및 차량용 단말기를 이용, 차량의 현재 위치와 진행 방향 등 운행 현황을 중앙 관제 센터를 통해 실시간으로 음성과 문자로 운전자에게 전달하는 시스템. 지능형 교통 시스템의 물류 운영 시스템(CVO)의 핵심 분야로 축척별 전자 지도 제공과 GPS 위성의 위치 정보를 보정하는 맵 매칭(Map Matching) 기능을 지원함으로써 정확한 위치 측정이 가능하다. 대중 교통 시스템, 소방 지령 시스템, 물류 차량 통제 시스템, 버스 도착 시간 안내 시스템, 차량 긴급 출동 시스템, 군 지령 시스템, 차량 도난방지 시스템, 현금, 고가품, 차량 도난방지 시스템, 해양 선박 운행 시스템(위도.경도.고도), 헬기.비행기 원격제어 시스템, VIP차량위치추적시스국가 주요), 법인 차량운행관리 시스템 등에서 활용된다.
GPS신호
GPS 위성에서 신호를 보낼 때는 L1, L2 두 Microwave 반송파에 신호를 실어보내게 되는데, 어느 반송파에 실리느냐에 따라 PPS, SPS의 특성이 결정되게 된다.
L1(1575.42㎒)반송파는 Navigation Message 와 SA를 적용하는 C/A Code Signal을 싣고,
L2(1227.60㎒)의 반송파는 전리층에서 생기는 Delay를 측정하는데 쓰이게 된다.
두 반송파에 담겨져서 보내지는 정보는 C/A Code, P-Code, Navigation Message 등으로 아래의 그림(클릭)에서와 같이 나타내어 진다.
GPS 신호의 구성
i) C/A Code
C/A Code는 L1반송파에 담겨지는 Data 이다. 이 Code는 대역폭이 1㎒인 Pseudo Random Noise (PRN)를 반복하게 되는데, PRN은 Noise같이 보이지만, 실제로는 일
정한 규칙성을 나타내는 사람이 만들어낸 Signal으로서 1㎒의 대역폭내에 분포하고 있다. 이 PRN은 각 위성마다 달라서 각각의 위성의 고유한 Code Number로서 위성을 식별할 수 있는 지표가 된다. C/A Code는 L1 반송파에 변조되어 일반 SPS에게 제공된다.
ii) P-Code.
P-Code(Precise)는 L1 과 L2에 모두 변조되는 주기가 매우 긴(7일) 10㎒ PRN Code이다. 이 Code는 특정한 사람에게만 쓰일 수 있게 Anti-Spoofing (AS) Mode로 동작하기 위해서 Y-Code로 Encode되어 보내진다. Encode 된 Y-Code는 사용자의 Receiver Channel에서 AS Module을 분류하여 암호해독이 된다. 따라서 이 Code는 PPS에서
사용되게된다.
iii) Navigation Massage.
Navigation Massage는 C/A Code와 함께 L1에 변조된다. 이 Message는 50㎐의 신호로 GPS 위성의 궤도, 시간 그리고 다른 System Parameter들을 포함하는 Dara Bit이다.
GPS오차
GPS 위치측정의 정확성을 떨어뜨리는 요소들은 크게 3부분으로 나눌 수 있다. 첫째 구조적 요인으로 생기는 오차로는 인공위성 시간 오차, 인공위성 위치 오차, 전리층과 대류층의 굴절, 잡음(Noise), 다중 경로(Multipath)등이 있다. 두번째로는 위성의 배치상황에 따른 기하학적 오차가 있으며 마지막으로 가장 큰 오차 원인인 SA (Selective Availability) 가 있다. 이 요소들이 모두 잠재적으로 합쳐져서 매우 큰 오차 결과를 낳는데 이것을 UERE(User Equivalent Range Error)라고 한다. 각 오차들은 시간과 장소에 따라서 매우 크게 변한다. 다음은 각 오차들의 크기를 나타낸 것이다.
인공위성 시간 오차 0-1.5 m
인공위성 위치 오차 1- 5 m
전리층의 굴절 0-30 m
대류층의 굴절 0-30 m
수신기 잡음 0-10 m
다중 경로(Multipath) 0-1 m
SA(Selective Availability) 0-70 m
C/A 코드 경우 모든 오차가 합쳐진 수평 오차는 SA가 작동하지 않는 경우는 28m 이고 작동하는 경우에는 100m 이다.
1. 구조적 오차
위치 오차와 시간 오차
시간 오차와 위치 오차는 미 공군에서 계속 감시하고 오차를 매 시간마다 보정해주기 때문에 다른 오차들에 비해 상대적으로 적은 편이다. 그러나 인공위성이 본 궤도에서 약간이라도 이탈하는 경우가 생긴다면 그리고 오차 보정이 되지 않은 자료를 사용했다면 큰 오차를 가질 수도 있다.
전리층과 대류층의 굴절
우주 공간에서 라디오 파의 속도는 빛의 속도인 300,000 km/s 이다. 그러나 인공위성에서 오는 신호는 약 300 km 정도의 지구 대기를 통과해야만 한다. 전리층은 전기적으로 하전된 입자를 가지고 있는 층으로 약 50-200 km 사이에 위치하고 대류층은 우리가 일반적으로 대기라고 생각하는 층으로 8-16 km 고도에 위치하고 있다. 이 층들은 라디오파를 밑으로 잡아 끌어서 굴절시키는데 약간의 굴절도 상당한 영향을 줄 수 있고 더구나 각 층의 굴절률이 다르기 때문에 양상은 더욱 복잡해진다.
전리층에서는 하전된 입자들이 들어오는 신호를 끌어당겨서 굴절시키고 대류층에서는 다른 비율로 물방울들이 같은 역할을 한다. 이러한 문제들은 인공위성이 지평선으로 고도가 낮아질 때 더욱 심해진다. 왜냐하면 인공위성에서 오는 신호는 더 두꺼운 대기층을 통과해서 들어와야 하기 때문이다.
전리층과 대류층의 굴절
이 문제를 해결하는데는 여러가지 방법이 있다. 첫째로 인공위성의 항법 메세지는 대기 굴절 모델을 포함하고 있어서 50-70% 의 오차를 해결할 수 있다. 더 효과적인 두번째 방법은 dual-frequency 수신기를 사용해서 동시에 L1 과 L2 반송파에 신호를 모으는 것이다. 굴절의 크기는 진동수에 반비례함으로 같은 대기를 같은 시간에 통과한 두 다른 진동수를 이용하면 굴절의 크기를 더 쉽게 계산할 수 있다. 그러나 이 방법은 대류층의 굴절률이 진동수에 무관함으로 전리층에만 적용될 수 있다. 그러나 dual-frequency 수신기는 너무 비싸다는 단점이 있다.
수신기 하나만으로 더 적은 비용을 가지고 할 수 있는 방법이 있다. 대부분 수신기는 사용자 입력으로 수평선 위로 어느 각도 밑에 있는 인공위성으로부터 오는 신호는 무시하도록 되어있다. 이 각도를 "Mask Angle" 이라고 한다. 이것의 단점은 mask angle이 너무 높게 입력된 경우에는 최소 필요한 4개의 위성에 미달될 수도 있다. 대부분 mask angle 은 15-20도 정도로 유지되게 설정되어 있다.
Mask Angle
잡음(Noise)
매우 약한 신호와 간섭을 일으켜서 수신기 자체에서 발생한다. 잡음은 각 신호기마다 다르지만 대부분 수신기는 잡음을 최소화하기 위한 내부 필터링 장치를 가지고 있다. PRN 코드 잡음과 수신기 잡음이 합쳐져서 전체 잡음이 된다.
다중 경로(Multi-Path) 오차
Multi-Path 신호는 인공위성에서 바로 오는 신호가 아니 반사되어 들어오는 신호를 받아들이는 것이다. 반사된 신호는 더 길어진 경로를 통해 인공위성에 들어옴으로 결과적으로 틀린 위치를 측정하게 된다. 그리고 신호의 세기도 약해짐으로 대부분 수신기는 신호의 세기를 비교해서 약한 신호를 제거함으로써 오차를 줄인다.
Multi-Path
2. 기하학적 오차
측위 시 이용되는 위성들의 배치상황에 따라 오차가 증가하게 되는데, 이는 육상에서 독도법으로 위치를 낼 때 적당 한 간격의 물표를 선택하여 독도법을 실시하면 오차삼각형이 적어져 서 위치가 정확해지고, 몰려있는 물표를 이용하는 경우 오차삼각형이 커져서 위치가 부정확해지는 것과 마찬가지로 수신기 주위로 위성이 적당히 고르게 배치되어 있는 경우에 위치의 오차가 작아진다. 보이는 위성의 배치의 고른 정도를 DOP(Dilution of Precision) 이라고 한다. DOP의 값은 2보다 적은 경우는 매우 우수한 경우이고 2-3 값을 가지면 우수 4-5 값을 가지면 보통이고 6 이상이 되는 경우의 자료는 효용가치가 없다.
기하학적 오차
DOP의 종류는 여러가지가 있지만 가장 많이 사용되는 것은 PDOP(Positional DOP)라고 한다. GPS 수신기는 관측된 데이타를 이용하여 PDOP를 계산하고, 이를 거리오차에 곱하면 측위 오차가 된다.
즉, (거리오차;Range Error) x (PDOP) = (측위오차)가 된다.
따라서 대부분의 수신기는 PDOP가 작은 위성의 조합을 선택하여 측위 계산을 하고 이를 표시하도록 설계되어 있다. 최근 수신기의 성 능이 좋아서 PDOP가 3인 경우 위치오차는 대략 15m CEP (Circular Error Probability), 즉, 50% 오차확률의 범위에서 평면으로 약15m정도이다.
3. SA(Selective Availability)
SA는 오차요소중 가장 큰 오차의 원인이다. 허가되지 않은 일반 사용자들이 일정한도내로 정확성을 얻지 못하게 하기 위해 고의적으로 인공위성의 시간에다 오차를 집어 넣어서 95% 확률로 최대 100m 까지 오차가 나게 만든 것을 말한다.
걸프전 때 많은 수의 민간 수신기들이 군에서 사용되어졌을 때 전쟁이 끝날 때까지만 미 국방부는 SA의 작동을 중지했었다. 1996년 3월 29일 클린턴 대통령은 4년이내에 SA 의 작동은 영원히 중지될거라고 발표했었다. 그 시기는 아직 언제가 될지 정확히 말할 수 없지만 GPS 사업 종사자들은 조만간 그 말이 실현될거라고 믿고 있다.
GPS측량
측지분야에 종사하는 사람들은 수년 전부터 GPS를 이용하여 극히 정밀한 측정을 해오고 있었다. 이것은 한점의 위치를 mm까지의 정밀도로 상대 측지하는 것으로 간섭계(Interferometry)의 원리를 GPS에 적용하므로 가능하다. DGPS에서처럼 여러 수신기를 사용하는데 일반 사용자들이 이용하는 것과는 다른 매우 고가의 수신장비를 이용하여 장시간 동안의 측량을 통해서 이루어질 수 있다. 측지가들이 이용하는 이러한 기술들은 일반사용자들이 구현하기에는 다소 너무 전문적이었지만 현재는 보통 GPS 수신기에도 이러한 기술들이 서서히 적용되고 있다. 반송파의 경우 수신된 파가 언제 위성으로부터 출발하였는지 알 수 없으므로 2개이상의 측량용 수신기로 GPS 위성이 방송하는 C/A 코드 및 L1, L2 전파의 위상(Carrier Phase)을 관측하여, 상대 측위를 행함으로서 관측점 간의 기선 벡터를 구할 수 있게 된다.
1. 상대 측위
GPS 위상관측식을 이용하여 GPS 수신기로 수신된 반송파 위상의 개수를 기록한 자료로 측량계산을 실시한다. 측량개시시 위성과 GPS수신기 사이에 존재했던 반송파의 정 현파수, 즉 위상수를 모호정수치(Integer Number)라고 부르는데, 이를 알면 상대 측위에 의하여 두 점 간의 기선 벡터의 계산이 가능하게 된다. 문제는 반송파는 모든 파장의 파형이 고르기 때문에 파장의 갯수를 세기가 까다롭다는 것인데 따라서 GPS 측량계산의 기본은 모호정수치를 빨리 또는 적은량의 데이타로 구하느냐 하는데 있다. 모호정수치를 구하기 위한 상대측위 방법에는 Single Difference, Double Difference, Triple Difference 가 있다.
GPS 위상관측식은 다음과 같이 표현된다.
위상관측치 = (수신된 위상관측치 - 발신된 위상치)
- (수신기 시계의 지연오차량 - 위성 시계의 지연오차량)
+ (전리층의 전파지연량 - 대류권 전파지연량)
+ (최초 위상관측시 위성과 수신기간의 파장수)
+ (불규칙 오차항)
Single difference는 1위성/2수신기 간의 위상관측식을 계산함으로서 위성시계의 오차항을 제거하거나, 또는 2위성/1수신기간의 위상관측식을 계산함으로서 수신기 시계의 오차항을 제거한다. GPS 위성의 고도에 비해 두 수신기 사이의 거리가 짧다면 궤도 오차와 대기권 지연오차를 줄일 수 있다.
Double difference는 2개 이상의 single difference를 계산하여 수신기 및 위성시계의 오차항을 모두 제거하고, 미지항은 모호정수항 만을 남기게 된다. 따라서 4개의 위성에 대한 관측식으로 3개의 double difference를 이용하여 측량 계산을 실시한다.
Triple difference는 double difference를 연속된 시간에 따라 빼주는 것으로 정보의 내용이 빈약해서 double difference를 이용하는 것보다 덜 정확하다. 관측도중 발생하는 사이클 슬립(Cycle Slip)을 보정하는데 이용한다. 사이클 슬립은 관측도중 나무와 같은 장애물을 통과하거나, 전리층의 활발한 활동 또는 전파가 많이 발사되는 지역에서 전자파 장애로 인하여 생긴다.
2. 측량방법
후처리 상대측위 기법
한 대의 GPS 수신기를 이용하여 위치측정을 수행할 경우, 위치 결정 정밀도는 수신기의 능력에 의해 좌우된다. GPS 신호의 부호체계중 C/A코드를 이용하여 수신자의 위치를 결정하는 저가의 상용 수신기는 그 정밀도가 수십 미터에서 수백미터에 이르며, 암호화된 P코드를 사용하는 수신기의 경우에도 1m 이하의 정밀도를 갖기가 어렵다. 측지 및 측량, 지각 변동의 감시등과 같이 수 cm 이하의 고정밀 위치결정이 요구되는 분야에서는 단독측위에 따른 GPS의 위치결정 한계를 극복하기 위하여 후처리 상대측위 기법을 이용한다. 이 기법은 단독측위와는 달리 정밀한 위치를 알고 있는 지점과 위치측정이 요구되는 지점에서 동시에 GPS 관측을 수행하고, 두 수신기에 수신된 고주파 확산 스펙트럼 형식인 반송파를 이용한 자료처리로 정밀도를 현저하게 증가시키는 방법이다.
후처리 상대측위 기법
두 지점에서 동시에 관측된 GPS 위성의 반송파 자료는 관측종료 후 반송파를 이용한 상대측위 결정 능력을 갖는 프로그램에 의해 계산되어져야 하며, 이때 기준점의 위치오차가 결정하고자 하는 지점의 위치에 영향을 미치게 된다. 따라서 IGS 관측소와 같은 매우 정밀한 기준점이 요구된다. 또한 정밀 위치결정에 있어서 GPS 위성의 정확한 궤도정보도 필수적이므로, IGS에서 제공하는 고정밀 궤도력도 요구된다.
반송파를 이용한 후처리 상대측위 기법은 정밀도를 향상시키기 위하여 자료처리와 관련하여 발생할 수 있는 여러 오차원인을 제거할 수 있는 능력을 갖추어야 하며, 이 때 필요한 각종 환경변수들의 적절한 모델을 갖고 있는 고정밀 자료처리 프로그램이 필요한다
일반적으로 상용화된 고정밀 GPS 자료처리 프로그램은 기선거리에 대하여 백만분의 일(1ppm: 1 part per million) 또는 천만분의 일 정도의 정밀도를 가지며, 스위스 베른대학의 천문 연구소에서 개발한 Bernese GPS S/W와 같은 연구용 프로그램의 경우, 두 수신기간의 직선거리에 대해 1억분의 2(20 ppb: part per billion)의 정밀도로 위치를 측정할 수 있는 능력을 갖고 있다.
실시각 이동측위(RTK) 기법
GPS의 신호체계상 반송파에 의한 위치결정 방법이 코드에 의한 위치결정보다 정밀도면에서 큰 이득을 주지만, 반송파에 의한 단독측위 역시 후처리 상대측위 기법보다는 정밀도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 광범위한 관측점의 정밀 좌표들을 빠른 시간내에 획득하기 위해서는 이동측량을 수행하는 동시에 후처리 자료처리 기법이 갖는 정밀도에 근접한 결과를 산출할 수 있는 방법이 요구된다.
이러한 목적을 위해 개발된 것이 고정밀 이동측량 기법인 RTK (Real Time Kinematic)로서, 기본개념은 정밀한 위치를 확보한 기준점의 반송파 오차 보정치를 이용하여 사용자가 실시각으로 수 cm의 정밀도를 유지하는 관측치를 얻을 수 있게 하는 것이다. RTK의 기본개념은 오차보정을 위해 기준국에서 전송되는 데이터가 반송파 수신자료라는 것을 제외하고는 DGPS의 개념과 거의 유사하다. 다만 RTK가 각 위성에 대한 반송파 측정치를 지속적으로 제공하여야 하고, 정보의 전송장애로 발생할 수 있는 오차의 한계가 DGPS보다 상대적으로 크기 때문에 보다 안정적이고도 신속한 정보전달 통신 시스템이 요구된다. 현재 GPS를 응용하는 여러 분야에서 DGPS와 RTK가 주로 사용되고 있으며, GIS나 측량, 항법등 모든 응용분야가 RTK 기법의 사용에 초점을 맞추어 실용화되고 있다.
GPS미래
아무도 정확히 GPS의 미래가 어떠할지는 알 수 없다. 10년 전 만해도 GPS가 현재와 같이 도약할 줄 아무도 예상 못했다. GPS의 미래가 어떡해 될지는 아무도 모르지만 추측해 볼 수은 있다. 몇 년 전 만해도 거의 모두 GPS 수신기는 미국에서 제조되었지만 현재 일본에서도 대량생산을 하고 있으며 그 시스템은 날마다 적어지고 가격도 저렴해지고 있다. 멀지 않아 다른 나라에서도 곧 생산이 가능하게 될 것이다. 차에 장착된 자동차 항법 시스템은 우리가 어디에 있고 어디로 가로 있으며 어떻게 우리가 가고자 하는 방향으로 가야하는지를 알려주고 있다. 머지않아 손목에 찰 수 있는 수신기도 곧 나올 전망이다. 가까운 미래에는 길을 잃는다는 자체가 시대착오적인 말로 받아들여질 것이다.
GPS 보편화 미래 예상 사진
SA(Selective Availability)의 문제
미국
2003년 까지 SA (Selective Availability)가 계속 작동된다면 GPS 장치는 미국에서만 1년에 100억 달러씩 팔릴거라고 예상된다. 만일 SA가 작동을 멈춘다면 140억 달러가 초과 될거라고 예상되며 그와 관련된 수많은 업종들이 생겨날 것이다. 현재 민간 사용자와 군과의 가장 큰 갈등은 SA의 문제이다. 1995년에 National Research Council(NRC)는 SA는 조만간 작동이 멈춰야 되며 국가 위기 상황이 아닌 한 그 상태는 계속 유지되어야 한다고 보고 했었다. 그러나 군당국은 만일 이렇게 된다면 평화시에 비행기 같은 대중교통이 SA가 작동되지 않는 시스템에 의존하다가 국가 위기 상황이 도래해 다시 SA가 작동된다면 어떻게 대처할 것인가 우려를 표명하고 있다. 반면에 NRC는 군당국이 GPS 시스템의 성능을 향상이 아닌 떨어뜨리기 위해 수백만 달러씩 쓴다는 것은 불합리한 일이라고 반박했지만 군은 어떤 다른 시스템이 대체되지 않는 한 SA는 계속 유지될거라는 입장을 취하고 있다.
유럽
1995년에 전 세계적으로 GPS 수신기는 23억 달러(미국 9억 달러)가 팔렸다. 2005년 쯤이면 그 수치는 310억 달러까지 상승할것이며 대부분은 미국이 아닌 다른 곳에서 상당 부분의 수요가 요구 될 것이다. 미국이 아닌 다른 곳에서도 주 관심사는 언제까지 SA 가 유지될 것인가 이다. 유럽 공동체 경우는 SA 때문에 자신들만의 GPS 시스템(European "EconoSat")을 세울거라고 미국을 위협하고 있다. 그 시스템은 군사적 목적이 아니기 때문에 가격면에서 더 저렴하고 더 높은 정확성을 제공할 거라고 한다.
GPS구성
GPS 는 우주 부문(Space Segment) , 관제 부문(Control Segment) , 사용자 부문(User Segment) 3가지 영역이 있다 ..
1. 우주 부문 (Space Segment)
GPS 우주 부문은 모두 24개의 위성으로 구성되는데 이 중 21개가 항법에 사용되며 3개의 위성은 예비용으로 배치된다. 모든 위성은 고도 20,200 km 상공에서 12시간을 주기로 지구 주위를 돌고 있으며 궤도면은 지구의 적도면과 55의 각도를 이루고 있다. 모두 6개의 궤도은 60도씩 떨어져 있고 한 궤도면에는 4개의 위성이 위치한다. 이와 같이 GPS 위성을 지구 궤도상에 배치하는 것은 지구상 어느 지점에서나 동시에 5개에서 최대 8개까지 위성을 볼수있게 하기 위함이다.
현재의 GPS 위성들은 미국의 Rockwell 사에서 제작되고 있으며 가격은 위성 한대당 약 4천말 달러이다. 한편 위성을 궤도에 진입시키는데 드는 발사비용은 위성 한 대 가격의 약 1/4인 1천말 달러로써 지금까지 GPS 체계를 유지하는데 미국방성에서 투자한 금액은 100억 달러 이상이다. 각 위성의 무게 900kg 정도로 태양 전지판을 완전히 펼쳤을 경우 폭이 약 5m 로 아래의 사진에서 SV3 의 모습을 볼 수 있다.
GPS 위성사진 GPS 위성 괘도면 도해사진 GPS 위성 지상 궤적사진
2. 관제 부문 (Control Segment)
GPS의 관제는 하나의 주 관제국(MCS: Master Control Station)과 무인으로 운영되는 다섯개의 부 관제국(Monitor Station)으로 구성된다. 주 관제국은 미국 콜로라도 스프링의 팰콘 공군기지에 위치해있고 부 관제국들은 전세계에 나뉘어져 배치되어있다. 한편 이들 관제국 이외에 적도면을 따라 일정한 간격으로 위치하고 있는 3개의 지상 안테나를 운영하고 있으며 유사시 주 관제국을 대신할수 있는 두개의 예비 주 관제국을 하나는 캘리포니아의 써니베일, 다른 하나는 메릴랜드의 락빌에 두고 있다.
무인으로 운영되는 부 관제국들은 주어진 시간에 관측할 수 있는 모든.GPS 위성의 신호를 추적, 신호를 저장한 다음 주 관제국으로 전송하게 되는데 이 통신 시설을 DSCS(Defense Satellite Communication System)이라고 부른다. 이렇게 여러 부 관제국에서 보내온 자료를 주 관제국에서는 방송궤도력(Broadcast Ephemerides)과 위성에 있는 원자시계 오차(Clock-bias)를 추정하는데 사용하며 결과를 주기적으로 GPS 위성으로 전송하게 된다.
3. 사용자 부문 (User Segment)
GPS의 사용자 부문은 GPS 수신기와 사용자 단체로 이루어진다. GPS 수신기는 위성으로 부터 수신받은 신호를 처리하여 수신기의 위치와 속도, 시간을 계산하는데 4개 이상 위성의 동시관측을 필요로 한다. 이것은 3차원 좌표와 시간이 합쳐져 4개의 미지수를 결정해야 하기 때문이다. GPS 수신기는 현재 항해와, 위치 측량, 시간보정등 다양한 분야에 이용되고 있다.
GPS역사
1950년대 후반과 1960년대 초기에 걸쳐 미 해군은 위성에 기초한 두 종류의 측량
및 항해 체계를 마련하였다. 트랜짓(Transit)이라고 불리워진 시스템은 1964년부터
가동되기 시작하였고 1969년에 일반에게 공개되었다. 한편 티메이션(Timation)은
위성에 기초한 측량 및 항해 체계의 원형으로만 자리잡았을뿐 실행에 옮겨지지 못
하였다. 때를 같이하여 시스템 621B 라고 일컬어지는 계획을 미 공군에서 착수하였
는데 1973년에 미 국방차관이 해군에서 계획했던 티메이션(Timation)과 시스템
621B를 동합할것을 지시하였고 이것이 DNSS(Defense Navigation Satellite
System)으로 명명되었으며. 후에 Navstar(Navigation System with Timing And
Ranging) GPS로 발전되었다. 위성 항해 개념의 검증을 위한 1단게가 1970년대에
착수되었는데 최초로 위성이 제작되고 여러 실험이 행해졌다. 1977년 6월에 최초로
기능을 수행할 수 있는 Navstar 위성이 발사되었고 NTS-2(Navigation Technology
Satellite 2)라고 불리워졌다.
NTS-2는 단지 7달 동안만 운영되었으나 위성에 기초한 항해 이론이 타당함을 입증
하였고 1978년 2월 최초의 Block I 위성이 발사되었다. 1979년에 2 단계로 전체 규
모의 설계와 검층이 행해졌는데 9개의 Block I 위성이 이후 6년 동안 추가로 발사되
었다. 3 단계는 1985년 말에 2 세대의 Block II 위성이 제작되면서 시작하였다.
GPS 신호의 민간 수신은 1983년 소련에 의한 한국 항공기 KAL-007기의 격추 사
건을 계기로 1984년 레이건 대통령이 공식 선언하였다.
GPS용어
Almanac : GPS 위성의 항법메세지에 포함되어 있는 일련의 변수묶음으로, 수신기가 위성들의 대략 적인 위치를 계산하는 데에 쓰인다. 여기에는 모든 GPS 위성의 위치에 대한 정보가 들어있다.
Ambiguity : 임의의 Cycle수로 관측된 반송파 위상의 초기 Bias. 초기의 위상 관측치는 GPS 수신기가 GPS 신호를 처음 잡았을 때 만들어지는데, 이때 위성과 수신기간에 정확한 cycle수를 알 수가 없으므로 cycle정수에 대한 모호성분이 생긴다. 수신기가 위성의 신호를 잡고 있는 동안 상수로 유지되는 이 모호성분은 반송파 위상자료처리를 할 때 만들어진다.
Antispoofing(AS) : P 코드를 암호화하는 방법으로 2개의 변조된 코드를 합성한다. 즉, P 코드에 암호화된 W 코드를 합성하는 방식이다. 그 결과로 Y 코드가 만들어진다. AS는 암호를 풀 수 있는 수신기를 적들이 만들어낸 엉터리 P 코드의 영향으로부터 보호하는 기능이다.
Binary Biphase Modulation : GPS 신호를 송신할 때 쓰이는 위상변조기술로써 코드나 메세지가 2진수 레벨로 송신될 때, 반송파의 위상을 180도 shift시키는 기술이다. 예를들면, 0이 1로 변한다던지 1이 0으로 바뀌어 송신된다.
Coarse Acquisition (C/A)-Code : GPS 위성에서 송신되는 코드로 PRN 코드와 같은 계열의 코드이다. 각각의 위성은 32개의 고유한 코드를 한개씩 나누어 가지고 있다. 각각의 코드는 1023 chips로 구성되어 초당, 1.023 메가비트의 속도로 전송된다. 이 코드의 순서는 1/1000초마다 반복된다. C/A 코드는 Gold 코드와 PRN 코드로 나뉘는데, 이들은 두 코드간에 매우 낮은 상관관계를 갖고 있어 구분된다.(즉, 두 코드는 Orthogonal하다.) C/A 코드는 현재 L1 주파수로 송신된다.
Carrier : 어떤 변조된 신호를 실어 나르는 라디오파.
Carrier Phase : GPS 수신기가 신호를 잡은 L1 이나 L2 Carrier로 축적된 위상으로 Integraed Doppler 라고도 불리움.
Carrier to Noise Power Density (C/No) : 1Hz 밴드폭에서의 신호대 잡음 강도비로 GPS 수신기의 수행능력을 분석하는 데 있어 중요한 지표이다. GPS 수신기의 공칭 신호대잡음비는 40-50 dB-Hz정도이다.
Carrier-Tracking Loop : GPS 수신기내에 있는 모듈로 수신기의 발진기 신호가 주파수 shift되어 수신된 carrier와 공조되는 신호를 찾아서 위성의 메세지를 변조하고 끄집어낸다. 수신기의 발진기 신호가 carrier와 공조되면 반송파 위상 관측치를 만들기 위해 carrier의 위상이 측정된다.
Chip : bit 형식과 달리 binary 또는 digit 형식으로 정보를 실어나르지 않는다. PRN 코드는 일련의 Chips로 구성되어 있다.
Circular Error Probable(CEP) : 항해시의 위치정밀도 측정치로, 실제 수평좌표에서 오차타원에서 그 반경을 나타낸다. 이 값은 현재 위치가 실제 위치에 있을 확률이 50%임을 나타낸다.
Code-Tracking Loop : 위성과 수신기의 PRN 코드와 공조시키는 수신기내의 모듈로 수신기에서 발생된 PRN 코드를 shift시켜 위성의 PRN 코드와 맞춘다.
Costas Loop : GPS에서와 같이 압축된 반송파 신호를 보낼 때 사용되는 2중 sideband demodulating하는데에, 쓰이는 일종의 Carrier Tracking Loop로 I-Q(for inphase and quadrature)Loop라 불리운다.
Cycle Slip : 반송파 위상 관측치의 끊김현상으로 일시적인 신호 loss에 의함. 만일 어떤 장애물에 의해 일시적으로 신호가 끊긴다면 수신한 신호에는 jump가 생긴다.
Delay-Lock Loop : Code-tracking Loop의 다른 용어.
Differential GPS (DGPS) : GPS에 의해 결정한 위치 오차를 줄이는 기술. 이미 위치를 정확하게 알고 있는 수신기의 위치를 기준으로 사용한다. 대게 DGPS는 기준국에서의 항법메세지, 항법력 그리고 위성의 시계오차를 포함한 효과를 결정하는 것과, 일반 사용자에게 실시간으로 보정된 의사거리를 송신하는 일이 포함된다.
Dilution of Precision (DOP) : 위성들의 상대적인 기하학이 위치결정에 미치는 오차를 나타내는 무차원의 수. DOP는 UERE에 대해 매우 복잡한 효과를 보인다. 일반적으로 위성들간의 공간이 더 많으면 많을수록 수신기에서 결정하는 위치정밀도는 높다. 가장 일반적인 DOP는 Position DOP (PDOP)이다. PDOP에 rms UERE를 곱하면 rms 위치오차가 된다. 또 다른 DOP로는 Geometric DOP (GDOP), Horizintal DOP (HDOP), 그리고 Vertical DOP (VDOP)등이 있다.
Doppler Effect : 수신된 전파신호가 송수신기간의 상대적인 운동에 의해 주파수 shift되는 현상.
Double Difference : 두 수신기가 같은 두 위성을 동시에 추적하여 측정한 반송파 위상의 수학적인 차이를 이용하는 GPS 관측. 첫번째 위성으로부터 각각의 수신기가 수신한 위상의 차이. 두번째 위성으로부터 각각의 수신가가 수신한 위상의 차이. 이 차이들을 빼줌으로서 위성과 수신기의 시계오차를 제거할 수 있다. 주로 위상관측치에 사용되는 방법이지만, 의사거리관측치에도 사용 할 수 있다.
Ephemeris : 시간에 따른 천체의 궤적을 기록한 것.(라틴어로 Diary라는 뜻) 각각의 GPS 위성으로부터 송신되는 항법 메세지에는 앞으로의 궤도에 대한 예측치가 들어있다. 형식은 매 30초마다 기록되어 있으며, 16개의 keplerian element로 구성되어 있다.
Geodetic Datum : 특별히 고안된 기준 타원체로 대게 8개의 매개변수가 필요하다. 타원체의 차원을 결정하는 변수 2개, 지구질량중심에 대한 타원체의 중심의 위치를 결정하는 변수 3개, 그리니치 기준자오선과 지구의 평균 자전축에 대한 타원체의 방향을 결정하는 변수 3개.
Geodetic Height : 타원체 기준면에서의 높이로 ellipsoidal height로도 알려져 있다. geodetic height와 orthometric height간의 차가 Geoidal height이다.
Geoid : 기복이 있지만 완만하며, 지구 중력장의 등포텐샬면을 나타내고, 평균 해수면과 거의 일치한다. 지오이드는 높이를 구할 때 기준이 되는 면이다.
Geoidal Height : 타원체 기준면 위의 지오이드으로부터 높이.
GLONASS : GPS와 유사한 기능을 갖은 러시아의 Global Navigation Satellite System (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema).
GPS (System) Time : GPS 신호가 기준이 되는 시간으로 지상의 관측소와 위성의 원자시계로 유지된다. 이 시간은 세계표준시와 1마이크로초 이내에서 일치하도록 미 해군 천문대에서 유지하고 있으며, 세계표준시에서 적용되는 윤초는 적용되지 않는다. GPS Time은 1980년의 세계표준시와 일치했지만, 현재는 10초 빠르다.
GPS Week : 1980년 1월 6일 이후 경과한 주일수로 매주 토요일과 일요일 사이의 자정을 기준으로 증가한다.
Hand-Over Word (HOW) : 항법메세지의 서브프레임에서 두번째 word로 다음 서브프레임 앞부분에서 Z-Count를 포함한다. Z-Count는 수신기에서 P 코드를 발생할 때 그 상관관계를 알아내어 결정할 때 쓰인다.
Kalman Filter : 잡음이 섞여있는 관측치로부터 역학적으로 변하는 변수를 연속적으로 추정해내는 최적의 수학적 과정.
Keplerian Elements : 타원궤도를 돌고 있는 위성을 위치(3)와 속도(3)성분으로 나타낼 수 있는 불변량으로 여기에는 궤도장반경, 궤도이심률, 궤도경사각, 승교점의 적경, 근지점인수, 근지점 통과시각등이 있다.
L-Band : 1-2 GHz 사이의 주파수대.
Local Area DGPS (LADGPS) : DGPS의 한 형태로 대게 시선방향에 보이는 기준 수신기로부터 의사거리와 위상의 보정치를 사용자 수신기로 수신한다. 보정치에는 기준점에서의 항법메세지 ephemeris에 의한 영향과 위성의 시계오차(SA도 포함) 그리고, 대기에 의한 전파지연효과가 포함되어 있다. 이 방법은 국부적인 지역에 존재하는 사용자의 수신기에서도 같은 오차를 보인다는 가정하에 사용된다.
Microstrip Antenna : GPS 수신기에 일반적으로 사용되는 안테나의 한 종류로, 대게 직사각형 모양으로 여러개의 안테나가 설치된다. 이 안테나는 종종 patch 안테나로 불리운다.
Multipath : GPS 위성으로부터의 신호는 두세가지 경로로 수신기에 들어오는데, 한가지는 실제로오는 것이고, 다른 한가지는 시선방향으로 오는 것이며, 마지막으로 주위의 장애물에 의해 반사되어 오는 것이다. 이러한 경로길이의 차이로 의사거리와 위상관측치에 영향을 줄 수 있다.
Multiplexing : 위성추적채널을 통해 2개 이상의 위성신호를 신속히 sequencing하는 기술로 일부 수신기에 사용된다. 이렇게 추적된 위성으로부터 얻은 항법메세지들은 근본적으로 동시에 관측된 것이다.
Narrow Correlator : code tracking loop에 사용되는 correlator로서, 수신기에서 만들어지는 기준 code의 초기와 나중의 것간의 간격이 1 chip보다 작다. 이것을 사용하면 의사거리 관측치의 noise가 낮게 유지된다.
Narrow Lane : GPS 관측치는 L1, L2 주파수에서 동시에 관측된 반송파 위상 관측치를 합하여 얻어진다. 협대역 관측치의 유효파장은 10.7 Cm이고 협대역 관측치로 반송파 위상의 모호성분을 분해할 수 있다.
Navigation Message : GPS 신호에 포함된 37,500 비트의 메세지로 초당 50 비트로 송신된다. 여기에는 위성의 ephemeris와 clock 자료, almanac, 그리고 위성들과 그 신호에 대한 정보들이 포함된다.
NMEA 0183 : National Marine Electronics Association의 위원회 번호. 이 위원회는 해상 전자 장치의 인터페이싱의 표준을 정하는 것을 목적으로 발족되었다. 이 표준은 GPS 수신기의 인터페이싱에도 널리 사용된다.
On-the-Fly (OTF) : GPS 수신기가 어떤 시각에 정지되어 있을 필요없이 움직이면서 differential 반송파 위상의 정수 ambiguity를 분해하는 기술을 일컫는 용어이다.
Orthogonal Height : 지오이드 위의 높이.
Precision (P)-Code : GPS 위성에 의해 송신되는 PRN 코드. 이 코드는 총 2.35 * 1014개의 chip으로 구성되어 있고, 초당 10.23 MB 속도로 보내진다. 이러한 속도로 모두 전송하려면 266일이나 걸린다. 각각의 위성은 고유의 어떤 한 주에 대한 정보를 할당받으며, 이 정보는 매주 토요일과 일요일 사이의 자정에 reset 된다. P-Code는 현재 L1, L2 주파수로 전송된다.
Phase-Lock Loop : Carrier tracking loop의 다른 용어
Precise Positioning Service (PPS) : 한개의 수신기를 이용하여 얻을 수 있는 정밀한 위치 서비스로 미국과 연합 군조직 그리고 허가된 기관에 제공된다. 이 서비스는 암호화되지 않은 P 코드에 대한 접근과 SA 효과를 없앨 수 있게 해 준다.
Pseudorandom Noise (PRN) Code : 잡음과 같은 성질을 지닌 결정적인 2진 sequence로 Pseudonoise codes라고도 불리운다. 이러한 코드는 확산 스펙트럼 방식 통신 시스템과 GPS와 같은 거리계산 시스템에 사용된다. GPS 위성에서는 C/A코드와 P코드로 송신된다.
Pseudorange : C/A 코드나 P 코드를 사용한 수신기의 Delay-loack loop에 의해 측정된 위성과 수신기의 안테나간 위상거리. 이 거리는 위성과 수신기의 시계에 의한 오차와 대기층에 의한 전파지연이 포함되어 있다.
Quadrifilar Helix : 일부 GPS 수신기에 사용되는 원형편광 안테나 이 안테나는 Volute 안테나로도 알려져 있다.
Real-Time Kinematic (RTK) : DGPS에 있어서 반송파 위상에 대한 보정치는 실시간으로 기준 수신기로부터 사용자에게 송신되는데, 이러한 실시간 진행과정을 일컫는다.
RINEX : GPS 관측치를 어떤 수신기로 관측하여도 그에 무관하게 공통적인 양식으로 변환되는 형식. 여기에서 만들어지는 공통적인 자료로는 의사거리와 위상자료 그리고 도플러자료등이다.(Receiver-Indepedent Exchange Format)
RTCM SC-104 : DGPS의 표준을 권장하기 위해서 만들어지 Radio Technical Commission for Maritime Service의 특별 위원회.
Selective Availability (SA) : 대부분의 비군용 GPS 사용자들에게 정밀도를 의도적으로 저하시기는 조치. 이 조치는 위성의 시계를 떨리게 하여 거리 정밀도를 저하시키는 delta 과정과 항법 메세지의 ephemeris의 정밀도를 떨어뜨리는 epsilon 과정이 있다. 최근에는 delta 과정이 주로 쓰인다. 이 조치는 암호를 해독하거나 DGPS 방법을 사용하여 대처할 수 있다.
Single Difference : 위상으로 측정된 GPS 관측치에 포함된 위성과 수신기의 시계오차를 줄이는 방법. 한 위성을 두대의 수신기가 추적하여 위성의 시계오차를 제거하는 것을 수신기간 single Difference라고 하며, 한 수신기가 두 위성을 추적하여 수신기의 시계오차를 제거하는 것을 위성간 Single Difference라고 한다. 대게 이 방법은 위상자료에 대해 사용되지만 의사거리자료에도 사용될 수 있다.
Spherical Error Probable (SEP) : 항해 정밀도를 측정한 것으로, 이 오차타원의 반경안에 3차원 위치좌표가 50% 확률로 존재할 경우를 나타낸다.
Spread-Spectrum : 송신되는 신호는 보통 좁은 송신밴드로 충분하지만, 어떤 경우에는 밴드폭을 확산시켜 송신하는 경우가 있다. 예를 들어, GPS 항법메세지를 송신하는데에는 초당 50비트로 50 Hz 정도의 밴드폭에 실어 전송하지만, 확산방식을 취하면 밴드폭이 1MHz인 C/A 코드로 전송된다.
Standard Positioning Service (SPS) : 한개의 GPS 수신기로 L1밴드의 C/A코드를 이용한 위치결정은 지구상 어떤 사용자에게 가능한 것이다. SA조치가 취해질 경우 95%이내에서 수평정밀도가 100m정도이고 수직정밀도가 156m정도가 된다. 시간으로는 334 nano초이다.
Triple Difference : 이 방법은 Integer Ambiguity를 없애는 방법으로 doubly differenced 위상자료를 이용한다. 이 관측치는 상대측위에 있어서의 위치를 초기의 근사적인 좌표로 결정하는것과 위상자료의 cycle slip을 알아내는데에 유용하다.
UTC (Coordinated Universal Time) : 원자초에 따르는 시간으로 지구의 자전과 맞추기 위해 윤초를 주기적으로 넣어 보정한다. 윤초 조정은 UT1과 0.9초 이내에서 유지되도록 한다.
User Equivalent Range Error (UERE) : GPS 측위에서 오차에 기여하는 어떤 오차원인으로 위성과 수신기간의 거리오차와 같은 의미로 표현한다. 또한 사용자 거리오차(User Range Error ; URE)로 알려져 있다. UERE 오차는 서로 무관한 원인으로부터 발생되는 것이며, 그 원인도 서로 다른 것이다. UERE 는 각각의 오차의 제곱합의 제곱근과 같다. UERE의 최대기대치는 (이온층에 의한 오차는 빼고) 항법메세지의 사용자 거리 정밀도 (User Range Accuracy ; URA)에 있다.
UT1 : 자구자전에 따르는 시간으로, 지구의 자전이 항상 일정하지 않기때문에 UT1도 일정한 시간은 아니다.
Wide Area Augmentation System (WAAS) : 광역에서 GPS SPS를 향상시킬 수 있는 시스템으로 연방항공국에서 개발되었다. 이 시스템은 WADGPS 보정치와 정지위성으로부터 부가적인 거리측정신호를 제공하여 GPS와 정지위성으로부터 받은 신호를 integrate한다.
Wide Area DGPS (WADGPS) : DGPS의 한 형태로 지리적으로 넓은 지역에 걸쳐 분포한 기준국간의 망으로부터 결정된 보정치를 사용자가 수신한다. 분리된 보정치는 각각 특정한 오차원인을 결정할 수 있게 해준다.(위성의 시계오차, 이온층의 전파지연, ephemeris 오차등) 그리고, 사용자로 하여금 그 보정치를 이용하여 좌표를 결정할 수 있도록 한다. 일반적으로 이러한 보정치는 정지통신위성이나 지상의 송신망을 통해 실시간으로 제공된다. Post-processing collected data를 위해 나중 자료에 대한 보정치도 제공된다.
Wide-Lane Observable : L1, L2 반송파 위상을 동시에 측정해서 Differencing을 통해 얻은 GPS 관측치로 유효파장이 86.2 cm이다. 이것은 반송파 위상의 ambiguity를 분해하는데에 유용하다.
World Geodetic System 1984 (WGS 84) : 지구의 지리적 그리고, 물리학적 측지간에 상관관계를 결정하게 위해 미국방 지도국에서 만든 일련의 매개변수들로 정의된 시스템으로 여기에는, 지구중심을 기준으로한 타원체에서의 좌표와 지구중력장 모델에 대한 변수들이 있다. 이 타원체는 1908년 국제 측지학및 지구물리학회 기준이 되었다. 이 좌표계는 국제지구자전협회에서 정의한 바와 같이 전통적인 지구중심 좌표이다. GPS 위성의 항법메세지에 좌표도 이 좌표 기준이다.
Y-Code : P-Code를 암호화한 것.
Z-Count : 기본적인 GPS 시간 단위로 29 비트 2진수이다. 이중 10 비트는 GPS 주를 나타내고 나머지 19 비트는 그주의 시간을 1.5초를 단위로 나타낸다. (Time of Week ; TOW) TOW의 truncated version은 항법메세지의 hand-over word에 포함되어 있다.
GPS구성 시스템 설명
위성 항법 시스템은 여러 기술이 고도로 집약된 시스템이므로 많은 구성 요소로 이루어져 있지만 크게 세 가지 구성 요소인 우주(Space segment), 관제(Control segment), 사용자(User segment)로 구분할 수 있다.
우주 부분 (Space segment)
우주 부분은 위치 계산을 위해 필요한 항법 메시지(navigation message)를 사용자에게 반송파(carrier wave)를 통하여 연속적으로 전송하는 GPS 위성으로 구성되어 있다.
반송파는 L 대역의 두 주파수 L1(1575.42MHz), L2 (1227.6MHz)로 정확히 조정되어 사용자에게 전송된다.
각각의 GPS 위성은 기울임각(inclination angle) 55°인 6개의 원형 궤도면(circular orbit)에 각각 4개씩 배치되어 있다.
GPS 위성은 지구 중심으로부터 26567.5km 상에 배치되어 있고 약 12시간의 주기를 갖는다. 이러한 GPS 위성 배치는 사용자의 3차원 위치 및 수신기 시계 오차(clock error)를 계산하기 위해 지구 전역에서 최소한 4개 이상의 위성이 항상 보이도록 특수하게 설계된 것이다.
각각의 GPS 위성에서 송신되는 위성 데이터는 각 위성 번호에 따라 특수하게 설계된 PRN 코드(Pseudo Random Noise code)를 포함한다.
즉, 코드 다중 분할 방식(Code Division Multiple ccess : CDMA)으로 GPS 위성 데이터가 사용자에게 전송되므로 GPS 수신기에서는 각 위성에 해당하는 항법 데이터를 명확하게 수신할 수 있다. 현재 이루어지는 GPS 현대화 계획에 따르면 지금의 L1,L2 주파수 외에 앞으로 민간용으로 L5 주파수가 추가될 예정이다.
관제 부분 (Control segment)
관제 부분은 세계 각지에 널리 분포해 있는 여러 관제국(control station)을 통해 GPS 위성을 추적하고 감시함으로써 가능한 한 정확하게 위성의 위치를 추정하며 여러 가지 보정(correction) 정보를 위성에 송신한다.
또한 이러한 보정 정보를 항법 데이터의 한 부분으로서 연속적으로 사용자에게 전송한다. GPS 위성 관제국은 5개의 감시 기지국(monitor station), 4개의 지상 안테나 송신국(ground antenna upload station), 그리고 운영 관제국(operational control segment)으로 구성되어 있다.
사용자 부분 (User segment)
사용자 부분은 GPS 위성 신호를 수신하여 위치를 계산하는 GPS 수신기 및 이를 응용하여 각각의 특정한 목적을 달성하기 위해 개발된 다양한 장치(equipment)로 구성된다.
PS 수신기는 위성으로부터 수신한 항법 데이터를 사용하여 사용자의 위치 및 속도를 계산한다.
수신기에 연결되는 GPS 안테나는 자체에 내장된 알고리듬으로 GPS 위성 신호를 추적하며 하나의 위성 신호만 추적하면 그 위성으로부터 다른 위성들의 상대적인 위치에 관한 정보를 얻을 수 있으므로 짧
은 시간 이내에 모든 가시(visible) 위성 신호들을 추적할 수 있다.
GPS 위성 신호를 수신하여 계산한 위치 및 속도 정보는 기본적으로 이동체 항법 및 추적에 이용되며 정도의 정확도로 계산된 수신기의 시계 오차는 이동 통신(mobile communication) 분야에 있어서 매우 중요한 시각 동기화(time synchronization)를 위한 정보로 유용하게 사용된다.
위성 항법 시스템은 또한 일반적인 항법 시스템 이외에 높은 위치 정확도가 요구되는 항공기 자동 착륙 시스템, 측지, 이동체의 자세 결정 및 정밀 측위 (precise survey)에도 적용될 수 있으므로 위성 항법 시스템은 매우 광범위한 응용 범위를 지닌다.
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