GPS

GPS는 Global Positioning System의 약자로서, 전 지구적 차원에서 특정한 사람이나 사물의 위치를 파악하여 알려주는 시스템이다. 위성항법시스템 또는 범지구적 위치결정 시스템이라고도 한다. 미국에서 군사적 목적으로 처음 개발되었으나, GPS 신호 '일부'를 민간인이 사용할 수 있도록 하는 것을 전제로 미 의회가 승인을 하면서, 현재처럼 GPS 사용이 일반화되었다. GPS는 주로 항공기, 선박, 자동차 등 내비게이션 장치에 주로 쓰이며, 최근에는 스마트폰, 태블릿 PC에도 기본 탑재되어 있다.

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개요

GPS는 GPS 수신기가 최소 3개 이상의 GPS 위성의 신호를 받아서 수신기에 수신된 신호의 시간차를 측정하여 위성과 수신기 사이의 거리를 구할 수 있다. 3개의 위성과의 거리와 각각의 위성의 위치를 알면 삼변측량에서와 같은 방법을 이용하여 수신기의 위치를 계산할 수 있다. 그러나 위성에 장착된 시계와 수신기에 장착된 시계는 일치하지 않아서 오차가 발생할 수 있기 때문에 4개 이상의 위성에서 전파를 수신을 받아야 정확한 위치를 파악할 수 있다.

역사

• 1960년 미 해군 위성에 기초한 두 종류의 측량, 체계 마련
• 1964년 트랜짓(Transit) 시스템 가동 시작
• 1969년 티메이션(Timation)과 시스템 621B를 통합
• 1970년 6월 최초로 기능을 수행할 수 있는 Navstar(NTS-2) 위성 발사
• 1978년 2월 최초의 Block I 위성 발사
• 1979년 2단계로 전체 규모의 설계와 검증이 행해졌는데, 9개의 Block I 위성이 이후 6년 동안 추가로 발사됨
• 1985년 2세대 Block II 위성 제작
• 1989년 Block II 위성 발사
• 1994년 총합 24개 위성 발사
• 1996년 미국 빌 클린턴 대통령은 민간인 용도의 GPS 허가
• 2000년 SA 기능 중단
• 2004년 미국-유럽간 GPS/Galileo 협력

특징

1. 전파의 수신에 의한 위치결정 방식이므로 관찰자의 위치를 드러내지 않는다.
2. 수백 km 이내에도 관측이 가능하다.
3. 높은 확률의 정확도를 얻을 수 있다.
4. 현재 위치 정보를 바로 바로 측정할 수 있다.
5. 수신기에 의한 위성전파 수신이 대부분이기 때문에 고도의 기술이 필요하지 않다.
6. 정확한 시간 계측이 가능하다.

구성

GPS는 위성 우주 부분(space segment), 제어 부분(control segment), 사용자 부분(user segment)의 3가지로 구성되어 있다.

위성 우주 부분

위성 우주 부분(space segment)은 궤도를 돌고 있는 GPS 위성을 의미한다. GPS는 30개의 인공위성이 6개의 궤도면 상에 분포하도록 설계되어 있다. GPS 위성의 평균 수명은 대략 8년 정도이다. 궤도면의 중심은 지구의 중심과 일치하며 각 궤도면은 지구 적도면으로부터 55°만큼 기울어져 있다. 이 배치는 지구상 어느 곳에서나 사용자에게 항상 5개에서 8개의 위성을 제공하기 위한 것이다. GPS 위성의 고도는 약 20,183km이다. 또한 항성일마다 궤도를 2번 일주하며, 각각의 GPS 위성은 지상의 한 점을 하루에 1번씩 통과한다.

GPS 궤도는 지상의 대부분의 위치에서 최소 6개의 GPS 위성을 관측할 수 있도록 배열되어 있다. 현재 총 30개의 GPS 위성이 운용 중이다.

제어 부분

GPS 위성을 추적하고 관리하는 제어 부분(control segment)은 지상의 5개의 제어국으로 이루어져 있다.

주 제어국은 미국 콜로나도 팰콘(Falcon) 공군기지에 위치하고 있다. 5군데의 제어국에서 위성을 추적하여 얻은 추적 자료는 이곳으로 보내진다. 주 제어국은 수집된 최신 정보들을 분석하여 각 추적 제어국의 안테나를 통해 GPS 위성으로 새로운 궤도 정보를 송신함으로써 위성의 시각을 동기함과 동시에 천문력(ephemeris, 달력)을 조정한다.

사용자 부분

GPS의 사용자 부분(user segment)은 GPS 수신기로서, 위성에서 송신하는 주파수에 동조된 안테나, 수정 발진기 등을 이용한 정밀한 시계, 수신된 신호를 처리하고 수신기 위치의 좌표와 속도 벡터 등을 계산하는 처리 장치, 계산된 결과를 출력하는 출력장치 등으로 이루어져 있다. 모든 GPS 위성이 같은 주파수를 사용하여 신호를 보내지만, 각 위성마다 고유의 의사 잡음 부호를 PSK로 변조를 통해 스펙트럼 확산하여 송신하기 때문에 수신기는 각 GPS의 위성의 신호를 구별할 수 있다.

수신기의 종류

GPS 수신기는 관측값의 형태와 코드의 형태에 따라서 4가지의 종류로 구분할 수 있다.

C/A코드 의사거리 수신기

C/A코드를 이용한 코드 의사거리만을 측정한다.

P코드 수신기

L1 반송파와 L2 반송파 모두 포착 가능하다.

Y코드 수신기

P코드 상관 기술을 적용하여 L1과 L2 반송파 신호에서 코드 의사 거리와 위상을 얻을 수 있다.

위성신호

각각의 GPS 위성은 위성에 탑재된 시계의 시각 및 오차와 위성의 상태 정보, 모든 위성과 관련된 궤도 정보와 상태(almanac), 각각의 궤도정보와 이력(ephemeris), 오차 보정을 위한 계수 등이 포함된 항법 메시지를 50bps의 속도로 지속적으로 방송한다. GPS가 사용하는 반송파의 송신 주파수와 각 채널에 위상 변조를 거쳐 담기는 정보이다.

• L1 (10.23MHz×154＝1575.42MHz) : 항법메시지, C/A 코드, P(Y) 코드.
• L2 (10.23MHz×120＝1227.60MHz) : P(Y) 코드, Block-IIR-M 이후부터는 L2C 코드를 포함한다.
• L3 (10.23MHz×135＝1381.05MHz) : 미사일 발사, 핵폭발 등의 고에너지 적외선 감지를 위해 방위 프로그램에서 사용한다.
• L4 (1379.913MHz) : 추가적인 전리층 보정을 위해 연구 중.
• L5 (10.23MHz×115＝1176.45MHz) : Block-IIF 위성 이후로 사용될 예정이다.

오차 원인

GPS 위치측정 정확성을 떨어뜨리는 요소는 크게 보자면 3가지로 나눈다

• 1. 구조적 요인 : 인공위성 시간 오차, 인공위성 위치 오차, 전리층과 대류층의 굴절, 잡음(Noise), 다중 경로 등이 있다.
• 2. 기하학적 오차 : 위성의 배치상황에 따른 오차이다.
• 3. SA : Selective Availability의 약자이다. 미 국방부가 GPS의 정확성을 떨어뜨리기 위해 의도적으로 넣은 오차이다. 가장 큰 오차의 원인이다.

이 3가지 요소들이 모두 잠재적으로 합쳐져서 매우 큰 오차 결과를 낳는다. 이것을 UERE(User Equivalent Range Error)라고 한다.

각 오차는 시간, 장소에 따라서 크고 작게 변한다.

• 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
• 다중경로(Multipath) : 0 ~ 1 m
• SA (Selective Availability) : 0 ~ 70 m

구조적 오차

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위치오차 시간오차

시간오차와 위치오차는 미 공군에서 계속 주시하고 시간마다 계속 수정해 주기 때문에 다른 오차들에 비해 상대적으로 적다. 그러나 인공위성이 본 궤도에서 약간이라도 이탈할 경우가 생기거나 오차를 수정하지 않은 자료를 사용하면 큰 오차를 발생시킬 수 있다.

전리층과 대류층의 굴절

우주 공간에서 라디오파의 속도는 빛의 속도인 300.000 km/s 이다. 그러나 인공위성에서 오는 신호는 약 300 km 정도는 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 층들이 라디오파를 굴절시키는데, 약간의 굴절도 또한 상당한 영향을 줄 수 있다. 또한 각 층의 굴절률이 다르기 때문에 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.

이 문제의 해결 방법은 여러 가지가 있다.

• 1. 인공위성의 항법 메세지는 대기 굴절 모델을 포함하고 있어서 50-70% 의 오차를 해결할 수 있다.
• 2. dual-frequency 수신기를 사용해서 동시에 L1 과 L2 반송파에 신호를 모으는 방법이 있다. 굴절의 크기는 진동수에 반비례하므로 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. 하지만 dual-frequency 수신기는 너무 비싸다는 단점이 존재한다.
• 3. 수신기 하나로 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 10-20도 정도로 유지되게 설정되어 있다.

잡음

매우 약한 신호와 간섭을 일으켜서 수신기 자체에서 잡음(noise)이 발생한다. 잡음은 각 신호기마다 다르지만 대부분 수신기는 잡음을 최소화하기 위한 내부 필터를 가지고 있다. PRN 코드 잡음과 수신기 잡음이 합쳐져서 전체 잡음이 된다.

다중경로 오차

다중경로(Multi-Path) 신호는 인공위성에서 직접적으로 바로 오는 신호가 아닌 어딘가에 반사되어 들어오는 신호를 받아들이는 것이다. 이러한 신호는 더욱 길어진 경로를 통해 인공위성에 들어옴으로서 결과적으로 틀린 위치를 측정한다. 그리고 신호의 세기 또한 약해지기 때문에 대부분의 수신기는 신호의 세기를 비교해서 더욱 약한 신호를 제거해서 오차를 줄인다.

기하학적 오차

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측위 시 이용되는 위성들의 배치 상황에 따라서 오차가 증가하는데 이는 육지에서 독도법으로 위치를 낼 때 적당한 간격의 물표를 선택하여 독도법을 실시하면 오차삼각형이 적어져서 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.

DOP의 종류는 여러가지가 있지만 가장 많이 사용되는 것은 PDOP(Positional DOP)라고 한다. GPS 수신기는 관측된 데이터를 이용하여 PDOP를 계산하고, 이를 거리오차에 곱하면 측위 오차가 된다. 즉, 거리오차(Range Error) x (PDOP) = 측위오차가 된다.

따라서 대부분의 수신기는 PDOP가 작은 위성의 조합을 선택하여 측위 계산을 하고 이를 표시하도록 설계되어 있다. 최근 수신기의 성능이 좋아서 PDOP가 3인 경우 위치오차는 대략 15m CEP(Circular Error Probability), 즉, 50% 오차확률의 범위에서 평면으로 약15m 정도이다.

SA 오차

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SA(=Selective Availability)는 오차 요소 중 가장 많은 부분을 차지하는 오차의 원인이다. 허가가 되지 않은 민간인 사용자들이 일정 한도 이상으로 정확성을 얻지 못하게 하기 위해서 고의적으로 인공위성의 시간 오차를 집어넣어서 95% 확률로 최대 100m까지 오차를 나게 만든 것이다.

걸프전 때 많은 수의 민간 수신기들이 군에서 사용되었을 때, 전쟁이 끝날 때까지만 미 국방부는 SA의 작동을 중지했었다. 1996년 3월 29일 클린턴 대통령은 4년 이내에 SA의 작동은 영원히 중지될 것이라고 발표했다. 그리고 2000년 5월 1일 자정(Washington DC Time, USA)을 기해 미 국방성이 GPS 위성 신호의 궤도와 시계 정보를 고의적으로 조작한 의도적 정밀도 저하 조치 SA(Selective Availability)를 해제함에 따라 위치 정확도가 향상되었다.

활용

과학기술, 산업활동, 일상적인 생활 속에서도 자신의 위치나 대상물의 위치를 알아야 하는 경우가 매우 빈번하게 발생하기 때문에 위치 파악이 필요한 분야는 전부 해당된다.

• 정밀 계측 측지분야: 정밀 기준점 계측, GIS D/B 구축 및 설계
• 유도형 정보 취득 분야: 유도계측, 토목공사 시공 관리, 접안유도 시스템
• AVLS / CNS: 차량의 위치 정보 제공 및 관리 시스템 등
• 항공분야: 항공기 운항, 항공기 감시, 정밀 착륙
• 지상운송: IVHS, AVLN, 화물트럭 관제, 철도차량 관제, 택배 차량 관제, 구급 및 순찰차량 관제
• 해상운송: 선박항해, 수로안내(Pilotage), 운하운송
• 우주분야: 위성 궤도 추적, 위성 자세 결정
• 군사: 유도무기, 정밀폭격, 정찰, 이동관리
• 과학: 기상연구, 해류연구, 대류층연구, 지각운동관찰
• 탐사: 지질탐사, 유전탐사, 유적/유물탐사
• 자원관리: 농업자원관리, 어업자원관리, 토지관리, 산림관리
• 레저용: 등산, 요트항해, 하이킹
• 시각측정: 기준시각동기, 통신시스템 시각동기 (특히 CDMA)

같이 보기

• 스마트폰
• 태블릿 PC
• 자율주행 자동차

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