GPS

1. 개요

2. GPS 원리

3. GPS 시스템 구성

 3.1 위성 부문 

 3.2 지상 관제 부문 

 3.3 사용자 부문 

4. GPS를 이용한 위치측정법

 4.1 단일위성항법시스템

 4.2 DGPS(Differential Glabal Positioning System)

       4.2.1 지역보정위성항(Local Area DGPS, LADGPS)

       4.2.2 광역보정위성항법(Wide Area DGPS, WADGPS)

 4.3  반송파보정위성항법 시스템(CDGPS, Carrier Differential Global Positioning System)

5. GPS의 이용 분야

 

1. 개요

  - GNSS(Global Navigation Satellite System)는 위성을 이용해서 위치를 결정하는 항법시스템입니다

  - 이러한 위성항법시스템으로는 전세계를 대상으로 서비스하는 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, EU의 GALILEO, 중국의 COMPASS가 있으며, 자국에게 서비스하는 중국의 BEIDOU, 일본의 QZSS, 인도의 IRNSS가 있습니다.

  - 이 중 GPS는 현재 완전하게 운용되고 있는 유일한 범 지구위성항법시스템

  - 1960년대 미국 국방부에서 사용하기 시작하여 1983년 민간에 개방(L1 주파수밴드, C/A(Coarse/Acquisition code))

  - 총 24개의 위성(32대의 위성 존재)으로 운영되며, 사용자는 4개 이상의 위성신호를 받아 위치를 결정

  - 위성이 보낸 신호의 도달시간차를 이용하여 현재 위치를 결정

<참조> http://gunsan.mof.go.kr/USR/WPGE0201/m_17090/DTL.jsp

 

2. GPS 원리

  2.1 GPS 측정 원리

     - 지구궤도를 돌고 있는 GPS 위성들은 현재 위치와 시간이 담긴 전파신호를 지상으로 쏘아준다

     - 지상수신기는 GPS 신호를 받아 전파가 도달하기까지 걸린 시간을 계산해 자신의 현재 위치를 파악하게 된다(거리=빛의 속도*경과시간)

     - 경도와, 위도, 높이를 동시에 파악하기 위해서는 3개의 위성신호가 필요하며, 위성간 시간 오차를 제거하기 위한 신호용 위성이 필요하기 때문에 4개의 위성이 사용, 즉 정확한 위치를 계산하기 위해서는 4개의 위성이 필요

<참조> http://blog.daum.net/cpebach3/49

 

  2.2 GPS 위성

     - 실제로 지구 어디서나 최소 4개의 위성이 보이도록 하기위해 GPS 위성은 적도와 55도로 경사를 이루는 6개의 궤도면에 각 궤도마다 4~5개씩의 위성을 배치, 지구 표면으로부터 약 20,200km의 상공에 위성을 배치

     - 공전주기를 11시간 58분으로 하여 위성이 하루에 지구를 2번씩 돌도록 함으로써, 지구상 어디에서나 항상 4개 이상의 위성을 추적할 수 있도록 하고 있음

 

 

  3. GPS 시스템 구성

<참조> http://www.howhow.co.kr/html/gps_03.htm

 

구분	내용
위성 부문	- 위성 수 24개(3개는 예비)  - 위성고도: 20,200km  - 주기: 12시간  - 궤도: 지구 적도면과 55도의 기울기를 갖는 6개 궤도면에 4개씩 배치
지상국 부문	- 주관제소 1개 및 5개의 부관제소 및 4개의 Uplink 안테나  - 역할: GPS 위성 신호 관찰, 위성시계 점검 및 동기
사용자 부문	- 안테나+수신기  - GPS 위성으로부터 신호를 수신하여 안테나의 위치와 속도 및 시각을 판단

 3.1 위성 부문

    - 위성 부분은 24개의 GPS 위성으로 구성되어 있으며, 21개의 동작위성과 3개의 예비위성이 11시간 58분 주기로 지구를 공전함

    - 적도면에 등 간격으로 분포된 6개의 궤도면에 각각 4개씩 할당됨

    - 각각의 GPS위성에는 정밀한 시계(세슘원자시계와 루비듐 시계)가 각각 2개씩 장착되어 정밀한 시간을 유지함

 

 3.2 지상 관제 부문

     - 지상 관제 부문은 주통제소와 감시소, 데이터 송신소로 구성

     - 감시소는 모든 GPS 위성으로부터 데이터를 수집하여 각 위성의 위치를 나타내는 궤도정보와 위성에 탑자된 시간 데이터를 평가하고 위성의 항로를 예측하며 이 정보를 주통제소에 보냄

      - 주통제소에서는 보정된 위치와 시간데이터를 주기적으로 데이터 송신소를 통하여 각 위성으로 전송

      - 주통제소는 미국 Colorado Springs의 공군기지에 있으며, 감시소는 전세계 5곳에, 데이터 송신소는 4곳에 설치되어 있음

 3.3 사용자 부문

     - 사용자 부문은 GPS 수신기와 안테나 그리고 자료 처리 소프트웨어로 구성됨

     - GPS 위성으로부터 신호를 수신하여 안테나의 위치와 속도 및 시각을 판단

 

 

4. GPS를 이용한 위치 측정법

  - 위성 항법 시스템은 30 ~ 40 m 수준의 위치 정확도를 지니는 단일 위성 항법 시스템(Stand-alone GPS, SA 제거 이후),  m 수준의 위치 정확도를 지니는 보정 위성 항법 시스템(Differential GPS : DGPS), 그리고 cm 수준의 위치 정확도를 지니는 반송파 보정 위성 항법 시스템(Carrier phase Differental GPS : CDGPS)으로 분류된다.

 4.1 단일위성항법시스템

    - 4개 이상의 GPS위성 신호를 수신할 수 있는 하나의 GPS 수신기로 지구 어느 곳에서든지 약 100m의 위치 정확도로 사용자의 위치를 구할 수 있음

 

   - 단일항법시스템 제공 서비스 종류

구분	표준위치 측정 서비스	정밀위치 측정 서비스
반송파주파수	L1(1575.42MHz)	L1/L2(1227.60MHz)
Code	C/A code	C/A code, P code(precise code)
오차	수평: 100m  수직: 156m	수평: 22m  수직: 28m
응용	일반사용자	군사용

 

<참조> http://ko.wikipedia.org/wiki/GPS#mediaviewer/%ED%8C%8C%EC%9D%BC:GPS_signal_modulation_scheme.svg

 

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=likejulls&logNo=220348428136

  4.2 DGPS(보정위성항법 시스템)

     - GPS 오차 요인은 위성궤도오차, 위성시계오차, 대류층 지연 오차, 전리층 지연 오차등이 있음

     -  각 오차 요인들로 인해 사용자의 위치 정확도 저하

     - GPS의 오차를 줄이기 위해 보정항법 이용(보정항법이라는 것은 말그대 항법 시 보정신호를 이용해 보정하는 것을 의미)

http://tjworld.tistory.com/?page=5

   4.2.1 LADGPS(Local Area DGPS) 

     - 단독측위기법의 정밀도을 향상시키기 위해 개발된 것으로 2대 이상의 수신기(기준국 수신기와 이용자 수신기)와 통신매체가 필요

     - 기준국에 설치된 1대의 수신기에서 이미 알고 있는 기준점의 위치 정보를 이용하여 각 위성의 거리 오차 계산, 보정치로 환산해서 이동체에 전달

     - 이동체에서는 저가의 항법용 수신기를 가지고도 이동 시 수m, 정지 시 1m 이내의 실시간 위치 측정 가능

<참조> http://what-isthe.blogspot.kr/2010/04/what-is-accuracy-of-dgps.html

      - DGPS 측정 방법

         ○ 위치가 미리 측정된 기준국(고정국)과 사용자(이동국)으로 구성

         ○ 기준국에서 GPS 위성 신호를 수신하여 계산한 위치 값과 이미 알고 있는 위치 값을 비교하여 오차 보정값을 계산->사용자는 자신의 위치계산에 반영

         ○ 기준국과 사용자와의 거리 제한

   4.2.2 광역보정위성항법(Wide Area DGPS, WADGPS)

       - LADGPS 기준국과 사용자와의 거리 제한이라는 단점이 있음

       - 보통 기지국의 보정치를 사용자가 제대로 이용하기 위해서는 기지국과 사용자 간의 거리가 약 100km 를 넘지 않아야 한다. 이는 기지국의 전리층 보정치를 사용자에게 적용하기 위해서는 두 수신기가 받는 신호가 대략 비슷한 전리층을 지나야 하기 때문이다.

       - 두 수신기 간의 거리가 멀어지면, 각 수신기가 수신한 신호가 지나는 전리층 지연치가 달라질 가능성이 높다. 우리나라처럼 좁은 나라에서는 가능할지 모르나, 넓은 지역에서는 시스템 설치 및 운용 시, 많은 비용과 문제가 발생할 수 밖에 없다. 

       - 이를 보완하기 위해 등장한 것이 바로 광역보정항법시스템

http://tjworld.tistory.com/?page=5

 

http://hompi.sogang.ac.kr/@bb/bboard.asp?db=hwaniii_aero&mode=read&num=3&page=1

http://gps.snu.ac.kr/bbs/board.php?bo_table=sub2_5

       - 기지국에서 생성한 데이터를 주국에서 취합하여 이를 벡터 형태의 보정치로 만들어 주는 것이다. 사용자는 이렇게 생성된 벡터 형태의 보정치를 적용하여 자신의 위치를 계산하게 되는데, 이렇게 되면 적은 수의 기지국으로 DGPS와 거의 같은 수준의 위치 정확도를 유지하는 것이 가능  

        - 이때 보정치를 주는 방식에 따라 GBAS(Ground Based Augmentation System)와 SBAS(Satellite Based Augmentation System)으로 나뉜다. 즉 보정치를 지상 기반 기준국에서 방송하게 되면, GBAS이고, 위성에서 방송하게 되면, SBAS가 된다. 그 커버리지 등 여러 편리성으로 인해 요즘은 SBAS로 가고 있는 추세이다 

     4.3  반송파보정위성항법 시스템(CDGPS, Carrier Differential Global Positioning System)

         - 반송파는 코드보다 해상도(resolution)가 훨씬 높으므로 이를 이용하여 위치를 계산할 경우 cm 정도의 위치 정확도를 기대할 수 있음

         - 그러나 위치 계산을 위해 반송파를 사용할 경우, 코드를 사용한 위치 계산에 비해 계산량이 많고 시스템의 무결성이 저하된다. 

         - 반송파 보정 위성 항법 시스템은 좁은 영역에서 고도의 위치 정확도를 요구하는 시스템이나 측지 분야에서 널리 이용된다.

5. GPS의 이용 분야

 - 항법장치: 선박, 자동차, 항공기, 인공위성 등

 - 측지분야: 기준점 측량, 항공사진 측량 등

 - GIS(Geographic Information System) 분야: 주요 지물의 위치 측정

  - 해양분야: 정기노선항해, 해상탐색 및 구조등

 - 지구물리학:지질구조해석

 - 군사분야

 - 레져분야

 - GPS 서비스의 종류: 차량항법시스템, 차량위치정보 서비스, 텔레매틱스 등

 

 

<참조> http://tjworld.tistory.com/?page=5

http://gps.snu.ac.kr/bbs/board.php?bo_table=sub2_5

http://ettrends.etri.re.kr/ettrends/paper.do?paperno=0905001954

http://tjworld.tistory.com/35