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단비 장곡
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1 GPS 측량 1. 위성측량개요 - GPS : Global Positioning System의약자, 우리말로번역하여 범지구적위치결정체계 라고불리어진다. - 위치결정방법 : 단독측위 ( 또는절대측위 ) 방법과상대측위방법이있으며, 일반적으로상대측위방법의정밀도가높다. - 장점 : 현지에서 3차원위치를직접결정할수있다. 두측점간의시통여부에상관하지않는다. 2. GPS 위성 NNSS((Navy Navigation Satellite System) - 개발 : 1959년미국해군에의해개발되었으며, 트랜싯위성또는도플러위성이라한다. 1964년에실용화되었으며, 1967년민간에개방되었다. 초기 6대로운용 - 목적 : 본래는항해시위치결정이목적이었으나정확도향상에의한측량에도이용 - 기본원리 : 위성의운동에따른위성전파의도플러편위 (Doppler Shift) 를측정한후, 위치결정 - 위성에서발사되는주파수 : - 위성에서 P 방향의시선속도 : - 전파속도 : - 관측되는주파수 : - 도플러효과 (Doppler Effect) 의기본식 : 위성이관측점으로접근할때는, 가장가까울때, 멀어질때 - 도플러편위 (Doppler Shift; ): = - 1 -

2 - 도플러카운터 (Doppler Count; ): 위성의송신주파수 ( ) 와거의같은수신기기준주 파수 ( ) 와수신된주파수 ( ) 간의차즉, 비트주파수 (= - ( ); beat frequency ) 를시간간격으로적분한것이다. 앞의그림에서시간 과 사이의도플러카운터는다 음과같이표현된다. = - 위성과수신기간의기하학적관계 : 앞의식은관측점의위치 ( ) 를구하기위해서최소 3 개의방정식이필요하다. 따라 서시간변화에따른위성의위치 에왔을때도관측하여 에대한방정식을 세워결정한다. 도플러카운터측정을위하여전리층에의한오차를제거하기위하여두개의주파수 (150MHz와 400MHz) 를이용하고있으며, 앞의식은위성궤도의변동에의한오차, 대류권과전리층에의한 주파수굴절에의한오차, 전리층의불안정과신호전달지연시간의변화등으로인한수신시간 의오차, 발진기이동에의한오차등을포함하고있다. 1) 단독측위법 (point positioning): 미지점에설치된수신장치에서여러번의통과위성으로부터얻어진자료들을분석하여관측점의위치를독립적으로결정하는방법으로, 위성의궤도정보가정확하다고가정하여위치를계산한다. 즉, 측정된자료로부터결정된거리에근거하여위성의위치를기준으로측점의위치를지심좌표로계산한후, 측지좌표로환산한다. 이방법으로 회의위성통과자료를사용하면약 1m의정확도를얻을수있으나, 여러번의통과자료를얻기위해선상당한관측기간 (2 8일) 이필요하다. 2) 상대측위법 (relative positioning, translocation): 두개이상의측점에수신기를설치하고위성을동시에추적하는방법으로, 이때여러개의측점중에서적어도한개이상은기지점이어야한다. 단독측위시오차의주된요인은천문력의오차및대기의굴절이며, 상대측위법은이러한오차요인이관측점간거리가너무멀지않는한거의같게발생한다는것을이용하는개념이다. 즉, 기지점을포함한모든관측점에서단독측위법과같은방법으로좌표를결정하고, 기지점에대해측정된좌표와기지좌표의차를이시스템의공통된오차로간주하여, 미지점에대하여이오차를보정하여각지점의최종위치를결정한다. 이방법을사용하여약 25-30회의통과자료를이용 - 2 -

3 하면약 20 30cm의정확도를얻을수있으나앞에서언급한바와같이많은관측기간이필요하다. 이러한도플러위성측위법은현재 GPS의위치결정에도활용되고있으며, 프랑스의 DORIS(Doppler Orbitography and Radio positioning Integrated by Satellite) 시스템의기본개념이기도하다. GPS 위성 - 개발 : NNSS의발전형으로미국방성에서 1973년개발착수 ( 관측소요시간단축, 정확도향상등이목적 ), 현재합동계획본부 (JPO; Joint Program Office) 에서계획및통제되고있음 - 위성발사 : NAVSTAR(Navigation Satellite Time and Ranging) 위성이라고도하며, 1978 년첫위성발사후약 2 개월단위로발사, 1993 년 24 개위성배치완료 - 위치정확도 : NNSS는소수의위성체계로위성이상공을통과하는경우에만 (16회이하 / 일 ) 관측이가능하고, 3일정도관측해야상대위치오차를수m 정도로얻을수있지만 GPS는 24시간내내관측이가능하고상대위치오차를수cm( 후처리상대측위의경우수 mm) 로얻을수있으며 code 추정방식을이용할경우, real-time으로위치계산이가능하여비행기등의항법장치로도이용된다. - 구성 : 지상, 해상, 공중등지구상의어느곳에서나시간제약없이인공위성에서발신하 는정보를수신하여정지또는이동하는물체의위치를측정할수있도록우주, 제어, 사 용자의 3 부분으로구성되어있는전천후위치측정시스템 - 목적 : 군사적목적의항해용으로개발되었으나, 위상관측에의하여위치정밀도를수 mm 로결정할수있음을발견한후측량용으로사용되기시작 (MIT 연구그룹에서 GPS 신호의 phase difference" 에의한신호처리가능성을소개, 짧은기선의경우 mm 정밀도로측정가능 ) - 배치상황 : 21 개의기본위성으로배치되어있으나시간대에따라위성신호수신불능지 역이발생하는데이때를대비한예비위성 3 개를추가로배치 ( 실질적으로운용되고있 지는않음 ), 6 개의궤도면으로이루어져있으며, 매궤도마다 4 개의위성이배치 - 3 -

4 1) 기존측량방식과비교하여 GPS 측량방식의특징 : + 장거리기선측량이가능하다 ( 수백 km이내 ). + 높은정밀도의 3차원위치결정이가능하다 ( 기선거리의 10-6 정도 ) + 위성을기준점으로사용하므로전세계적으로균일한정확도를얻을수있다. + 실시간위치결정이가능하므로자동차, 항공기, 선박및고속운동체 ( 예 ; 미사일 ) 의항법장치에유용 + 관측점간의시계확보가불필요하다. 따라서안개와같은기상장애를받지않는다. 단, 위성과수신기간의시통은확보되어야한다. + 경제적이다 ( 비노동집약적, 디지털성과 ). 2) NNSS 와 GPS 의제원비교 구분 NNSS GPS 개발시기 및실용화 1959 년개발, 1967 년민간개방, 1994 년폐지 1973 년개발, 1993 년위성배치완료 사용위성 TRANSIT 6 개 NAVSTAR 24 개 사용목적선박의항법지원각종이동체의항법지원 위성고도 및주기 이용시간대 고도약 1,075km 주기약 107분 1일 16회이하, 1회 10~20분 고도약 20,183km 주기약 11 시간 58 분 24 시간상시 절대위치오차 100 m 이상 100m 이하 상대위치오차수 m 수 cm 위치결정법 사용주파수 ( 반송파 ) 전파의 Doppler 효과이용 150 MHz 400 MHz code 측정법 ( 전파도달시간측정 ) 위상측정법 (EDM과같은원리 ) Doppler 효과이용 1, MHz (L1) 1, MHz (L2) 이용좌표계 WGS-72 WGS

- GPS 위성배치도 - NAVSTAR-1(1978 020A 모델 ) 과 NAVSTAR-2(1989 013A 모델 ) GNSS(Global Navigation Satellite System) 개요 : 미국의 GPS와러시아의

- GPS: 미국에서운용하는위치결정시스템, 구체적사항은앞에서언급한내용을참조 - GLONASS: + 1982년에발사한러시아에서운용하는위치결정시스템 + GLONASS 위성에의해송신된시간측정과도플러효과에기초한 3차원위치결정 + 위성부문은 24개의위성들 (

5 - GPS 위성배치도 - NAVSTAR-1( A 모델 ) 과 NAVSTAR-2( A 모델 ) GNSS(Global Navigation Satellite System) 개요 : 미국의 GPS와러시아의 GLONASS등과같은측위체계를전세계적으로통합하여위치정보서비스시스템이며, 두시스템은다음과같다. - GPS: 미국에서운용하는위치결정시스템, 구체적사항은앞에서언급한내용을참조 - GLONASS: 년에발사한러시아에서운용하는위치결정시스템 + GLONASS 위성에의해송신된시간측정과도플러효과에기초한 3차원위치결정 + 위성부문은 24개의위성들 ( 현재 17기운용 ) 로구성 + 19,100Km의고도, 11시간15분의공전주기궤도 - GALILEO( 유럽위성항법시스템 ) + 미국이사실상독점하는위치추적시스템시장에대한미국의기술의존도를줄이기위한대안으로유럽연합 (EU) 에서추진하고있는독자위치추적시스템 년에사업착수하여초기 3개의궤도에 1개의여분위성을포함 9개의위성으로구성, 현재 30개위성 + 고도 23,616km, 공전주기는 14시간 22분 + 민간용도를우선시하고있음 - 5 -

6 3) GPS 구성 : GPS 는우주부분 (Satellite Segment), 지상제어부분 (Control Segment), 사용 자부분 (User Segment) 의 3 개부문으로구성된다. 우주부분 : - 위성배치 :6 개의원형궤도면에 4 개의위성배치 (18 개의운용위성, 3 개예비위성, 3 개 순수예비위성으로구성 ) - 고도 : 20,183km, 공전주기 : 12 시간, 위성의궤도경사각 : 55, 중량 : 약 845kg - 위성탑재시계 : 세슘 (Cs) 원자시계 2 대, 루비듐 (Rb) 원자시계 2 대탑재, 정확도 : 위성군 : Block I(1978 년부터배치, 현재운용되지않음 ), Block II(1989 년부터배치, 현 재운용되고있지않음 ), Block IIA( 현재 15 대운용 ), Block IIR(1996 년이후배치 ), Block IIF(12 개위성으로구성 ; 2007 년이후배치 ) - 관측 : 전세계어디에서도최소한 4 개이상의위성이관측되도록설계했으며최대 12 개까지도관측가능 - GPS 신호 : Cs 원자시계의 10.23MHz 를기본주파수로하며, 두개의주파수신호 (L1, L2) 와 2 개의코드 (C/A, P), 하나의항법메시지 (Navigation Code) 로구성되어있다. - 반송파 (Carrier): +L1= MHz(10.23MHz 154, λ 19cm( m/ ghz)), C/A code 와 P code를방송 +L2= Mhz(10.23MHz 120, λ 24cm( m/1.2276ghz)), P code만방송 - 6 -

- 반송파에실리는정보 : 항법메시지와 PRN(Pseudo Random Noise) code + 항법메시지 : 위성시계보정치, 전리층모델, 위성궤도정보, 위성상태정보등 +PRN code: 민간용인 C/A(Clear/Acquisition or Coarse/Acquisition)code와군사용인

GPS 위성의신호 구분기준신호 L1 신호 L2 신호 P 코드 C/A 코드 주파수 (MHz) 항해메시지 제어부분 - 주관제국 : 미국 Colorado Springs의 Falcon 공군기지, 위성의궤도를수정할뿐만아니라사용불능위성을예비위성으로교체하는업무담당 - 모니터국 : 4개소 ( 적도부근 ),

7 - 반송파에실리는정보 : 항법메시지와 PRN(Pseudo Random Noise) code + 항법메시지 : 위성시계보정치, 전리층모델, 위성궤도정보, 위성상태정보등 +PRN code: 민간용인 C/A(Clear/Acquisition or Coarse/Acquisition)code와군사용인 P(Precise or Protected) code가사용 +C/A = 1.023MHz(λ 300m) +P= 10.23MHz(λ 30m), P code를암호화한것을 Y code라한다. GPS 위성의신호 구분기준신호 L1 신호 L2 신호 P 코드 C/A 코드 주파수 (MHz) 항해메시지 제어부분 - 주관제국 : 미국 Colorado Springs의 Falcon 공군기지, 위성의궤도를수정할뿐만아니라사용불능위성을예비위성으로교체하는업무담당 - 모니터국 : 4개소 ( 적도부근 ), 태평양-Hawai, 남태평양-Kwajalein, 대서양-Ascension Is., 인도양-Diego Garcia으로구성, GPS 위성추적으로신호데이터수집하여궤도정보와시각데이터평가에의해항로예측후, 주관제국으로송신 - 추적및관제내용 : 궤도추적, 신호품질점검, 각기기동작상태점검, 궤도방송요소갱신, 궤도수정등 - 정보갱신 : 보정된위치와시각데이터를주기적으로주관제소의지상안테나를이용하여각위성으로전송, 궤도정보는 8시간마다갱신 관제소 : - 7 -

사용자부분 - 항법용수신기 : 선박용, 항공기용, 자동차용 (real-time) - 측량용수신기 : 측지측량용, 일반측량용 - DGPS(Differential

중앙처리장치, 제어및표시장치, 기록및저장장치, 전원장치 - GPS 수신기종류 + L1 신호만사용가능한수신기 : 초기민간용 GPS 수신기, 현재판매되는저가용 GPS

Legacy 계열, Topcon Turbo-SII(C/A 코드및 P 코드모두수신 ), Topcon Legacy 계열 (GPS와 GLONASS 위성동시에수신가능 )

8 사용자부분 - 항법용수신기 : 선박용, 항공기용, 자동차용 (real-time) - 측량용수신기 : 측지측량용, 일반측량용 - DGPS(Differential GPS) 용수신기 : GIS 자료취득용, 해양측량용 - 구성 : 안테나, 수신기, S/W - GPS 수신기구성요소 : 안테나와증폭기, 라디오주파수부분, 중앙처리장치, 제어및표시장치, 기록및저장장치, 전원장치 - GPS 수신기종류 + L1 신호만사용가능한수신기 : 초기민간용 GPS 수신기, 현재판매되는저가용 GPS 수신기 + L1, L2 신호모두사용가능한수신기 : Trimble 5700 & 5800형 (RTK 측량까지가능 ), Leica SR9500 & SR530 & Legacy 계열, Topcon Turbo-SII(C/A 코드및 P 코드모두수신 ), Topcon Legacy 계열 (GPS와 GLONASS 위성동시에수신가능 ) GPS 측지측량용수신기와컨트롤러 (Topcon, Trimble) GPS 안테나종류 (Topcon, Trimble) GPS 수신기 SET(Topcon, Trimble) - 8 -

지형정보공학및실습 (8 장 ) GPS 측량 상지대학교지형정보연구센터

지형정보공학및실습 (8 장 ) GPS 측량 상지대학교지형정보연구센터 http://gis.sangji.ac.kr GPS 의개요 GNSS 의개요 - 미국의 GPS 와러시아의 GLONASS 등과같은전세계적위치정보서비스시스템 - 지상수신소에서는최소한 4 개이상의위성신호를받아 100m 이내의위치정보와나노 - 초단위의시각파악 - 위성의위치와항법정보 ( 위성시계, 전리층모델,