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GPS개요

GPS개요

우주에 있는 위성이 신호를 발사하여 지상에 있는 모니터 스테이션, GPS주 관제국, 사용자가 위성신호를 받는 이미지

GPS는 처음 군사목적으로 사용되어 왔으나, 1983년 민간부분으로 확대되어 현재 여러 분야에서 활용되고 있으며, 지구상 어디에서나 24시간 이용할 수 있는 것은 물론, 기상조건· 외부의 간섭 및 방해에 강하고 전세계적으로 공통좌표계(WGS-84 : World Geodetic System)를 사용한다는 점에 측위정보의 신뢰성 및 정확성이 우수하며, GPS는 6개의 궤도에 24개 위성을 배치하여 서비스를 제공하며, 위성으로부터의 신호는 원자발진기 (세슘, 루비듐 각2대)의 기본주파수 10.23MHz 의 154배 및 120배 인 2개의 반송파 L1 (1575.42MHz)과 L2(1227.6MHz)로 송신하고 있다. 이 두 개의 주파수는 C/A코드와 P코드로 불규칙코드로 위상변조(PSK)된다. 항법정보는 표준측위서비스 (SPS : Standard Positioning System) 와 고정도측위서비스(PPS: Precise Positioning System)로 구분되어 서비스를 제공하고 있다.

SPS는 측위와 시각전송의 업무로서 민간용으로 이용되고 있고, L1주파수의 C/A코드만 사용할 수 있고, PPS는 주로 군용으로 설계되어 측위, 타이밍, 속도 기능을 가지고 L1, L2의 P (Y)코드가 사용되고 있다. 일부 PPS는 별도 승인된 경우에 한하여 민간에게도 허용하고 있다.

GPS와 GLONASS를 비교 구분
구 분 GPS GLONASS
위성수 24개,4개×6궤도 24개,8개×3궤도
주기 11시간 58분 11시간 15분
고도 약 20,200Km 약 19,300Km
데이터속도 50bps 50bps
경사각 55° 64.8°
주파수 1575.42MHz 1602.5625MHz-1615.5MHz
PN코드클럭 1.023MHz 0.511MHz
측지계 WGS-84 SGS-90

GPS 구성 및 관제

GPS 구성은 있어 크게 우주, 지상국, 사용자로 구분되어 지고, 지상국관제는 GPS위성에 대한 궤도수정 및 예비위성 작동에 대한 전반적인 지휘를 담당하는 MCS(Master Control Station)1개소 (Colorado springs Palcon AIR ARMY) 와 GPS위성 신호 점검 및 궤도추적·예측과 전리층·대류권 지연에 대한 관찰등 업무를 하고있는 MS(Monitor Station) 5개소(Diego Garcia, Ascension Island, Kwajalein Hawaii, Colorado Springs) 및 위성에 대한정보 (시계, 보정치, 궤도 보정치, 사용자에 대한 메시지)를 전송 할 수 있는 안테나 관리를 하는 GCS(Ground Control Station)3개소(Diego Garcia, Ascension Island, Kwajalein)로 나누어 GPS를 관제하고 있다.

GPS 측위원리

GPS측위 원리는 삼각측량의 원리를 사용하는데 토목 및 지적 측량에서 사용되는 측량방법은 알려지지 않은 지점의 위치가 그 점을 제외한 두 각의 크기와 변의 길이를 측정하여 위치를 결정하는 반면 GPS 측위는 두 변의 길이를 측정함으로 미지의 점의 위치를 결정한다는 것이 삼각측량과의 차이점이라 할 수 있겠다. 즉 전형적인 측량방법은 두변의 각과 길이로, GPS측량은 두변의 길이로서 측위를 할 수 있다.

측위를 위해서는 위 측량방법을 기초로 삼각법을 이용한 GPS위성위치와 GPS수신기간의 거리를 알아야 한다. 아래 그림[위성신확인방법]과 같이 위성에서 L1(1575.42MHz)주파수에 C/A코드를 실어 반송하고, 수신기에서도 위성의 신호와 똑같은 코드를 발생하여 수신된 위성코드와 비교 후 위성의 신호가 수신기에 도착되는 소요 시간을 측정한다. 위성신호의 속도(빛 속도)로 위성과 수신기간의 의사거리 (Pseudo Range)를 측정하게 되면 i번의 위성과 수신기와의 거리가 계산되며, 4개의 위성을 관측하여 거리를 계산하면 수신기의 위치를 측정할 수 있다.

위성에서 발사하는 신호의 코드와 수신기에서 생성하는 코드가 같은 부분에 대하여 시간차를 계산하여 수신기에서 위성신호 도달 시간을 구하는 이미지 Pri = pi + c-ΔTb 여기서 Pri = i번째 위성과 수신기의 의사거리, pi = 실제거리 c = 빛의속도, ΔTb = 수신기 시계 바이어스 오차, Rj = 의사거리 위성신호 확인방법 : 위서의 코드와 수신기의 코드의 같은 부분에 대하여 시간차를 계산

4개의 위성에서 발사하는 신호에 코드가 포함되어 지상의 한 점에서 이 신호가 도달하는 이미지

GPS 측위오차

GPS 측위오차는 다음 3가지로 구별되는데, 거리오차, 위성의 배치상황에 따른 기하학적인 오차 증가 그리고 미국방성이 실시하는 선택적 이용성에 의한 오차이다.

구조적인 요인에 의한 거리오차(Range Error)

거리오차는 위성과 수신기간의 측정된 거리의 오차를 의미, 다음과 같은 요인에 의하여 발생하며, 약 5-10m정도이다.

1. 위성시계의 오차
위성에 탑재된 원자시계의 오차로부터 발생하는 오차이나, 다행히 위성시계의 오차는 어느정도 예측이 가능하므로 주 관제국에서 이를 조정함으로서 최소화 시키고 있다.

2. 위성궤도의 오차
위성의 궤도는 모니터국이 취득한 데이타를 바탕으로 예측하여 그 파라메터를 위성이 코드정보와 함께 방송하도록 관제하고 있다. 그러나 예측된 궤도와 실궤도사이에는 차이가 생기며, 이에따라 거리 오차가 발생한다.

3. 대기권의 전파지연
위성의 고도가 20,000km정도가 되므로 신호가 위성을 통과하여 수신기까지 오는 동안 대기권을 이루는 전리층과 대류권을 통과하게 되는데 이때에 생기는 전파지연(Delay)때문에 오차가 생긴다. 특히 전리층에서의 전파지연은 전리층의 전자활동이 활발한 경우에는 커지고, 활동이 미약한 자정무렵에는 작아지며, 그차가 일별, 계절별로 상당한 격차를 보인다. 주관제소에서는 상기 지연량들을 예측하여 코드정보와 함께 방송하므로,수신기는 측위계산시 이를 보정하여 위치오차를 줄이고 있다.

4. 수신기에서 발생하는 오차
수신기에서 발생하는 전자파적 잡음(Noise)이나, 전파의 다중경로(Multipath)등으로 인하여 거리 오차가 발생한다.이와 같은 거리오차는 위성의 배치상황에 따른 기하학적인 요인과 어울려, 최종적으로 위치의 오차로 나타나게 된다.

위성의 배치상황에 따른 기하학적 오차의 증가

측위시 이용되는 위성들의 배치상황에 따라 오차가 증가하게 되는데, 이는 육상에서 독도법으로 위치를 낼때와 마찬가지로 적당한 간격의 물표를 선택하여 독도법을 실시하면 오차삼각형이 적어져서 위치가 정확해지고, 몰려있는 물표를 이용하는 경우 오차삼각형이 커져서 위치가 부정확해진다. 마찬가지로 위성 역시 적당히 배치되어 있는경우에 위치의 오차가 작아진다. 다음 그림과 같이 GPS 수신기는 관측된 데이터를 이용하여 PDOP( Position Dillution of Precision)를 계산하고, 이를 거리오차에 곱하면 측위 오차가 된다. 즉, (거리오차;Range Error) x (PDOP) = (측위오차)가 된다. 따라서 대부분의 수신기는 PDOP가 작은 위성의 조합을 선택하여 측위계산을 하고 이를 표시하도록 설계되어 있다. 최근 수신기의 성능이 좋아서 PDOP가 3인 경우 위치오차는 대략 15m CEP (Circular Error Probability)즉, 50%오차확율의 범위에서 평면으로 약15m정도이다.

선택적 이용성에 의한 오차(Selective Availablillty : SA)

미국방성의 정책적 판단에 의하여 오차를 일부러 증가시킨 것으로, 미국방성이 이를 인위적으로 늘리고 있는데, 이것이 선택적 이용성에 의한 오차이다. 즉, 미국방성이 인가한 사용자만이 선택적으로 사용할 수 있다는 의미로 선택적 이용성 (SelectiveAvailability)인 것이다. SA실시시 오차는 100m 2dRMS가 된다. 미국의 연방항법플랜에 의하면 GPS측위 오차는 여하한 경우든 100m 2dRMS를 넘지 않도록 한다고 공시되어 있어, 항법에 이용하는 한 큰 문제는 없으나, GIS 데이타의 취득이나 측량에서와 같이 수 cm에서 수 mm의 정밀도로 위치를 구해야 하는 경우에는 단독 측위가 아닌 상대측위를 실시한다. 여기서 측위오차가 100m 2dRMS 이내라는 것은 "100m twicethe root mean square horizontal error" 의 약어로 평면에서 95% 오차확율의 범위내에서 위치오차가 100m임을 의미한다.

SA제거이후오차
GPS개요의 선택적 이용성에 의한 오차 내용 중 SA제거이후 오차
오차원인 크기(meters)
위성궤도오차 0.57
위성시계오차 1.43
전리층 지연 7.00
대류층 지연 0.25
수신기 잡음 0.80
GPS개요의 선택적 이용성에 의한 오차 내용 중 수평오차와 수직오차 구분
구분 크기(meters) 2001년 Field test 결과
With SA Without SA ( 보장되지 않음 )
수평오차 (95%) 100 m 13 m 4 m
수직오차 (95%) 156 m 22 m 6 m
만족도 조사

최종수정일 : 2016-05-26

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