정보통신공학과 통신학과, 정보처리기사 등 정보통신시스템 요약정리 88. GPS 시스템

88. GPS 시스템

 

가. 개요
한 지점에서 다른 지점으로 가기 위해 사용자의 위치를 파악할 수 있는 어떤 기준
제공 수단을 이용해 이동하는 행위를 항법이라고 하는데, 이러한 항법 장치, 즉 위치
를 측정하는 기술을 이용하여 다양한 위치기반 서비스가 개발되고 있으며, 이동체의
위치 확인을 비롯해서 경로 안내 및 추적, 관리 및 제어 등이 가능하다.
인공위성을 이용한 자동 위치추적 항법 장치로서 미국에서 군사목적으로 개발된
GPS 시스템은 인공위성으로서의 GPS 위성, 위성을 관제하는 지상관제장치, 그리고
사용자가 관제하는 GPS 수신기로 구성된다. GPS 위성은 적도와 55도의 경사를 이루
는 6개의 궤도면에 각 궤도마다 4~5개씩의 위성을 배치하고 있으며, 지구 표면으로부
터 약 20,200Km의 상공에 위치하고 있다. 또한 공전주기를 11시간 58분으로 하여 위
성이 하루에 지구를 2번씩 돌도록 함으로써, 지구상에 어디에서나 항상 4개 이상의 위
성을 추적할 수 있도록 하고 있다.
GPS 시스템은 위성 신호를 수신할 수 있는 수신기만 있으면, 언제 어디서나 위치와
시간정보를 얻을 수 있고, 측정치의 정확도와 수신기의 소형화, 그리고 가격의 저렴화
등으로 여러 분야에서 활용되고 있으며, 컴퓨터와 연결해 다양한 서비스가 가능하기
때문에 비행기나 선박 및 자동차 등의 다양한 항법장치로도 활용되고 있다.

나. GPS 위치 계산
GPS를 이용한 거리측정은 삼각법(triangulation)응 이용하는데, C/A(Coasrse) 코
드를 이용하여 GPS 위성과 GPS 수신기 안테나 간의 거리를 구한다. 위성으로부터 송
신된 신호를 이용해 좌표를 계산하기 위해서는 정밀한 시계가 필요한데, GPS 위성에는 고정밀의 원자시계가 탑재되어 있으며, GPS 수신기는 필요한 정밀도에 따라 원자
시계 또는 수정발진기를 이용한 시계 등이 구성되어 있다.
보통 3개의 GPS 위성이 이용될 경우, 위성에 탑재된 시계와 수신기의 시계가 정확
히 일치한다면, 3개의 위성과의 거리만으로도 3차원적인 위치를 알 수 있다. 그러나
위성에 탑재된 원자시계는 매우 고가이므로 일반인이 사용하기에는 부적합하여, 수신
기에는 비교적 정밀도가 낮은 저가의 시계를 사용하고 있다. 이러한 문제를 해결하기
위해 4개의 위성에서 전파를 수신하여 위성 시각과 수신기 시각에서 발생하는 미지의
시간차를 제거하게 된다.
GPS 위성에서 발생되는 신호는 2개의 반송파와 3개의 코드 및 항법메시지가 있다.
반송파에 실려 보내오는 정보는 PRN(Pseudo-Random Noise) 코드와 항법메시지인
데, PRN 코드는 불규칙한 2진 코드로서 위성까지의 거리를 측정하는데 사용된다.
PRN 코드는 누구나 이용할 수 있는 C/A 코드와 사용허가를 필요로 하는 P(Precise)
코드 및 Y 코드가 있다. 그리고 항법메시지는 위성의 위치와 상태 정보를 담고 있으
며, 실시간으로 위치를 결정할 때 사용된다.
위성으로부터 수신한 항법 메시지를 통해 GPS 수신기의 시계와 GPS 위성의 시계
를 비교한다. 수신기로부터 여러 위성까지의 의사거리(pseudo-range)를 동시에 오
차 보정해 중첩하면 수신기 위치의 최근값이 구해진다. 또한, 위성으로부터 반송파에
실려 보내진 C/A 코드를 GPS 수신기가 감지하면, GPS 수신기에서 똑같은 코드를 생
성해 두 코드의 시간차를 측정한다. [그림 7-17]과 같이 측정된 두 코드의 시간차에
전파의 속도를 곱하면 GPS 위성과 수신기 간의 거리가 구해진다.

위성과 수신기 간의 거리 측정 원리

리가 아닌 의사거리가 된다. GPS로부터 수신한 신호에는 항법메시지도 들어 있는데,
의사거리는 항법메시지에 담겨 있는 각종 계수를 이용해서 보정한다.
GPS 수신기는 4개의 위성을 관측하여 거리를 측정하고, 이를 이용하여 위치를 계
산하는데, 이는 4개의 미지수로서 좌표 Ux, Uy, Uz 및 시계오차 Cb를 구하기 위해 4
개의 관측치가 필요하기 때문이다. 이들 미지수 값을 구하면서 위치를 측정하는 단계
는 [그림 7-18]과 같다.

다. GPS의 특징 및 응용 분야
GPS 시스템은 전파의 수신에 의한 위치결정 방식으로 관측자의 위치가 노출되지
않으며, 위성 고도가 높아 수백 Km의 넓은 지역에서도 관측이 가능하고, 실시간으로
위치를 측정할 수 있어 고속 이동체의 항법장치에도 유용하게 사용된다. 또한, 관측점
주변의 기상 환경에 영향을 받지 않고, 시간과 장소에 관계없이 위도와 경도 및 고도
등 3차원 위치 결정이 가능하며, 이동체의 절대방위와 절대속도 및 정확한 시간을 계측할 수 있다.
그러나, 3개 이상의 위성으로부터 전파를 수신할 수 있도록 관측점의 수평방향 15
도 이내에 존재하는 장애물이 제거되어야 하며, 관측점 주변에 방해되는 반사 전파가
없어야 한다.
GPS 시스템을 이용한 응용 분야로는 위치 파악이 필요한 분야에 모두 가능하며, 이
동체의 위치 파악과 원격 감시, 교통상황 및 도로상태 파악, 교정시설인 교량과 댐 및
수원지 등의 감시 등에 사용되고 있다. 현재, 대표적인 응용 분야로는 지능형교통 시
스템(ITS : Intelligent Transportation System), 위치기반 서비스(LBS : Location
Based Service), 지리정보 시스템(GIS : Geographic Information System), 항공
항법, 해양 항법, 측량 및 과학분야, 레저분야, 국방 분야 등이 있으며, 이들을 정리하
면 <표 7-5>와 같다.

<GPS 시스템의 주요 응용 분야>

구 분	주요 응용 분야
항법 장치	선박, 자동차, 항공기, 인공위성 등
측지 분야	기준점 측량, 중력 측량, 항공 사진 측량, 노선 측량, 수심 측량 등
GIS 분야	답사, 지도 제작, 주요 지물(매설물)의 위치점 측정 등
해양 분야	정기노선 항해, 시추공 위치결정, 해상중력 측량, 해상탐색 및 구조, 어군 추적 등
지구 물리학	지각 변동 관측, 지질구조 해석 등
군사 분야	각종 장비의 항법장치, 목표물 위치 결정, 사전 답사, 지원 및 통신, 무기 유도 등
레저 분야	등산, 탐사, 하이킹, 차량여행, 사냥 등
유적 조사	유적의 위치 측정
기타	시간 동기, 전자요금 징수, 과학 등

여기서, ITS는 전자와 정보통신 및 제어 등의 기술을 교통체계에 접목시킨 지능형
교통 시스템으로서, 신속하고 안전하며 쾌적한 차세대 교통체계를 만드는데 목적을 두
고 있다. LBS는 무선 인터넷 사용자에게 사용자의 변경되는 위치를 검출하고, 이에
따른 특정의 무선 콘텐츠를 제공하는 서비스이다. 그리고 GIS는 지리 공간 데이터를
분석 및 가공하여 교통과 통신 등과 같은 지형 관련 분야에 활용할 수 있는 시스템으
로서, 토지 정보시스템, 도시 정보시스템, 도면 자동화, 시설물 관리 분야로 나누어지
지만, 환경과 군사 및 해양 등 광범위한 분야에서 이용되고 있다.