GPS 의 이해

GPS의 이해 <024450 이진옥>

목 차 • 위성통신 기초 • GPS란? • GPS 구성 • GPS 원리 • GPS 서비스 • 위치측정기법 • GPS의 응용 • CNS( Car Navigation System) 기술 소개

1. 위성통신의 기초 ◈ 인공위성을 지구 상공의 일정한 고도에 발사시켜 통신이나 방송업무를 수행하는 것을 말함 ◈ 도서, 벽지, 이동체간의 통신에 매우 유리하고, 위성방송의 경우 산간벽지나 도심 빌딩 지역의 TV 난신 청을 해소할 수 있으며, 고품질의 다양한 서비스를 제공이 가능

◈ 위성통신의 장단점 ① 장점 - 동보성 : 다수 수신자가 동시에 동일한 내용의 정보전송 - 광역성 : 하나의 위성으로 정보전송 지역 넓음 - 대용량 : 대부분 마이크로 대의 전파이용 - 이동성 : 이동형 지구 국 구현 가능 - 재해에 안전함, 통신 비용의 균일 성 ② 단점 - 신호지연 : 36,000Km 상공의 위성과 데이터를 주고받음으로 시간적인 지연현상이 발생 - 정보전달의 원활을 위해 안테나의 크기가 커짐 - 정보의 보안 성 없다

◈ 위성통신의 분류 ① 용도별 서비스 - 정지위성 서비스(FSS:Fixed Satellite Service) - 이동위성 서비스(MSS:Mobile Satellite Service) - 방송위성 서비스(BSS:Broadcast Satellite Service) ② 영역별 서비스 - 국제위성 서비스 (INTELSAT, INMARSAT) - 지역위성 서비스(EUTELSAT, PANAMSAT) - 국내위성 서비스(KOREASAT, BS) ③ 응용 시스템 별 서비스 - 광대 역 전송 : 국제전화 중계망, SNG, 원격진료 - 방송 : DBS, DAB, ISDB - 이동통신 : 개인휴대통신, 지상이동통신, 항공이동통신, 해사통신 - 원격감시 및 제어 : 홍수통제, 하천감시, 기상관측 및 대기환경 측정 - GPS : 측 위, 자동항행

2.GPS란? ◈ GPS는 미국방성에서 개발한 위성을 이용한 범 세계적인 무선 항법시스템이다. 이는GPS위성의 위치 및 속도를 제공 함으로서, 사용자가 위치, 속도 및 시간을 정확하게 계산할 수 있도록 해준다.GPS는 93년도에 초도 운용을 시작하여, 95년도부터 정식 운용시작 ◈ GPS의 특성- 3차원위치, 고도 및 시간의 정확한 측정 - 전세계적으로 24시간 연속적인 서비스 제공 - 기상조건, 간섭 및 방해에 강함 - 수동적이며 무제한 사용 가능 - 전세계적인 공통 좌표 계 사용 : WGS-84(World Geodetic System of 1984

◈ GPS의 역사 • 50-60년대 미 해군 공군에서 각자 위성기반 항법장치 개발 • 1973 DNSS(Defense Navigation Satellite System)으로 통합, 이후 Navstar (Navigation System with Timing And Ranging) GPS 로 발전 • 1978~1985 Navstar GPS 용 BLOCK 위성 발사 • 1984 KAL 기 격추사건을 계기로 GPS 신호의 민간 수신 허용 • 1993 24 위성군 완성, SPS 서비스 시작 • 1994 향후 10년 이내 GPS 서비스 무료 제공 선언 • 1996 향후 10년 이내 SA 중단 선언 (2000년에 SA 중단됨)

위성항법장치(GPS)

3.GPS 구성 • 관제 부문(Control Segment) • 주관제국 (1) • 부관제국 (5) • 지상안테나 (3) • 사용자 부문(User Segment) • 항공, 항해, 육상 • 위성 부문(Space Segment)

(1) 관제 부문(Control Segment) ◈ 구성 - 주 관제국(1개) : 미국 콜로라도 스프링의 팰콘 공군기지에 위치 - 부 관제국(5개 - 무인운영) : 전세계에 5개소에 나뉘어져 배치 - 지상 안테나(3개) : 적도 면을 따라 일정한 간격으로 위치 ◈ 역할 무인으로 운영되는 부 관제 국들은 주어진 시간에 관측할 수 있는 모든 GPS 위성의 신호를 추적, 저장한 다음 주 관제국으로 전송한다. 여러 부 관제국에서 보내온 자료를 주 관제국에서는 방송 궤도력과 위성에 있는 원자시계 오차를 추정하는데 사용하며 결과를 주기적으로 GPS 위성으로 전송.

(2) 사용자 부문(User Segment) ◈ 구성 - GPS 수신기, 안테나 , 자료처리 소프트웨어 ◈ 역할 - GPS 위성으로부터 신호를 수신하여 안테나의 위치와 속도 및 시각을 알 수 있음. - 2개 이상의 수신기로 동시에 관측할 경우에는 두 안테나 사이의 상대거리와 기선의 방위각 및 고도 각은 물론 거리차이의 3차원 성분까지도 정밀하게 측정가능. - 수신기의 위치와 속도, 시각을 계산하려면 4개 이상의 위성을 동시에 관측필요. ( 3차원 좌표와 시간을 합쳐 4개의 미지수를 결정해야 하기 때문)

(3) 위성부문 (Space Segment)

(3) 위성부문 (Space Segment) ◈ 구성 - 24개의 위성 : 항법에 사용(21개) + 예비용 위성(3개) - 고도 20,000Km 상공에서 12시간 주기로 지구주위 회전 - 궤도면은 지구의 적도 면과 55의 각도 이룸 - 6개의 궤도는 60도씩 떨어졌고 한 궤도면에 4개의 위성 위치함 - GPS 위성을 지구 궤도상에 배치하는 것은 지구상 어느 지점에서나 동시에 5개에서 최대 8개까지 위성을 볼 수 있게 하기 위함이다. - 위성의 무게는 900kg 정도로 태양 전지 판을 완전히 펼쳤을 경우 폭이 약 5 m

21,000km 20,000km 22,000km 4. GPS 원리 : 삼각측량법 • 1단계 : 3 위성을 이용한 삼각 측량법 22,000km 21,000km 20,000km

t 4. GPS 원리 : 거리측정 • 2단계 : 위성으로부터의 거리 측정 • 거리 = 속도 x 시간 (t) • 전파의 속도 : 3 x 108 m • 시간 (t)은 수신기에서 특정 패턴의 도달 시간을 검출하여 측정 • 정확한 시간측정을 위해 각 GPS 위성에 원자시계 장착 • 수신기에는 원자시계 장착이 불가능

4. GPS 원리 : 시간 측정 및 보정 • 3단계 : 시간 측정 (2차원적으로 설명) • 수신기 시각의 부정확 도를 보정하는 방법 • 거리 측정 시에 위성을 하나 더 활용하여 총 4개의 위성을 이용 • 에러 확인되면 수신기의 시계가 자동 보정

4. GPS 원리 : 위치측정 • 4단계 : 위성의 위치 확인 및 보정 • 정확한 거리 측정을 위해서는 위성의 위치정보가 필요 • 지구상에 5군데의 감시국 설치 • 각 위성은 하루에 두 번씩 감시국 상공을 지남 • 감시국은 위성의 고도, 위치, 속도를 측정하고 에러를 보정함

4. GPS 원리 : 오차 • 5단계 : 오차측정 및 보정 • 전리층 (50 - 200 km) 및 대기권 (16km) 에 의한 전파 지연 • 보상 방법 (1) 오차를 미리 모델링 (2) 두 개의 서로 다른 주파수 신호를 이용 (낮은 주파수일수록 속도가 더 감속하는 현상 이용) 전리층 대기권

4. GPS원리 : 신호의 종류 • L1 반송파 (1575.42 MHz) • C/A (Coarse acquisition) code (1MHz) • P (Precise) code (10MHz) • navigation message : 위성의 궤도, 시간 등의 각종 정보 • L2 반송파 (12227.60 MHz) • P code only

5. GPS 원리 : 서비스 ◈ 표준측위서비스 (SPS : Standard Position Service) - 일반인이 사용 가능 - 단일 주파수 (L1) 동작 - 미국방성 사용자 이외는 정확도 감소 (SA : Selective Availability) : 궤도 정보와 원자시계를 의도적으로 조작 -수평거리오차 : 약 100m

◈ 정밀측위서비스(PPS :Precise Position Service) -군용 서비스 -두 개의 주파수 (L1, L2) 사용 -전체 시스템의 정확성은 허가를 받은 사용자만이 사용 (미국방성과 특정인) -SPS 보다 정확 (수평거리오차 : 약 18m)

6. 위치측정기법

7. GPS의 응용 ◈ 항로 안내 - 항공, 선박, 자동차 (Car Navigation System) - 미사일 유도 (토마호크 미사일) ◈ 위치 측정 - 군사작전 (걸프전 사막 횡단) - 지도 작성 ◈ 시각 정보 제공 - 셀룰라 이동통신 ◈ 위치 추적 - 긴급 장소 출동, 미아추적, 운송회사 ◈ 위치, 속도, 시각 등의 정보가 필요한 모든 분야

8. CNS( Car Navigation System) 가. CNS 개요 나. CNS 구성요소 다. CNS 주요기술

가. CNS 개요 ◈ 차량 내 단말기를 통하여 운전자의 현재위치, 목적지까지의 최단경로 및 최적경로안내 등을 하는 시스템 ◈ 등장 배경 - 대도시의 자동차 정체현상 연간 교통혼잡 비용 : 95년 기준 11조6천 억원(GNP대비 3.6%) - 전세계적 환경보호의 강조 : 자동차의 효율적 관리 중요 ◈ 목 적 • 운전자의 쾌적한 운전환경 제시 • 도로이용의 효율화를 구현 ◈ 현재 ITS( Intelliget Transfort System)분야 중 가장 먼저 상용화된 분야

나. CNS 구성요소 ◈전자수치지도(DRM:Digital Road Map) • CNS는 지리정보시스템(GIS)에 기반을 둠 • 속성데이터,그래픽 데이터, 위상(Topology)데이터 ◈ 차량위치측정시스템 • GPS(Global Positioning System) • 추측항법(DR : Dead Reckoning) ◈ 차량단말기 • 일체형 : 설치가 간단하고 이동성 뛰어남, 크기 제한 PDA와 같은 휴대단말기로 발전가능 - 분리형 : 컨트롤 유닛의 제한 없음, 차량전용 컴퓨터로 발전

다. CNS 주요 기술(1) ◈ GPS (Global Positioning System) - 삼각측량원리에 기초하여 위성을 이용한 절대 위치측정 ◈ 추측항법 (DM : Dead Reckoning) - 관성항법장치원리를 응용 - 자이로(GYRO)센서,휠(Wheel)센서,스피드센서,가속도센서 - 상대위치 측정 - GPS보다 훨씬 이전부터 항공기와 선박에 이용됨 - 최근에는 GPS와 DM의 장점을 이용한 하이브리드형 위치확인 시스템 도입 ◈ 위상데이터 (Topology Data) - 전자수치지도에 사용되는 데이터 경로탐색(Routing), 지도배합(Map Matching)등의 기능을 수행 • 위상데이터의 설계가 제품의 성공과 직결

다. CNS 주요 기술(2) ◈ North Up • 단말기의 화면 상단을 북쪽으로 고정 하는 기술 • Heading Up 기술과 상반되는 기술 ◈ Heading Up • 단말기에서 자동차의 진행방향을 항상 화면 상단에 고정하는 기능 • 나침반처럼 진행방행에 따라 좌우로 회전 • 운전자의 방향성을 일관성 있게 유지 • North up 보다 진보된 기술 • 일반적으로 Heading Up과 North Up을 함께 지원

참고 문헌 및 사이트 <위치추적시스템(GPS)의 시장기술> 편집부 지음 | 전략기술경영연구원 <GPS 기술, 시장 보고서> 정보조사분석팀 지음 | 한국전자통신연구원 <전파통신기술교육강좌 4:GPS기술> 편집부 지음 | 한국전파진흥협회 http://www.igunsul.com/g_example/g_ex_civil/civil_99012.asp#2 http://blog.naver.com/3sang4.do?Redirect=Log&logNo=40009767216

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