10 장 GPS(Global Positioning System) GPS 위성 공식명칭 : NAVSTAR NAVigation Satellite Time And Ranging 고도 : 10,900 mile 20,000 km 회전주기 : 12 시간
GPS 의개요 GPS 는미국정부 (U.S. Department of Defense) 가 1970 년 대초반부터개발에착수하여약 60 억불의예산을투자하 여구축한항법지원시스템 원래는군사목적으로개발을시작하였지만, GPS 신호의일 부를민간인이사용할수있도록하는것을전제로미의회 가예산을승인하게되어 GPS 신호중 L1, C/A 코드는민 간에개방 GPS 위성에서방송하는 C/A 코드를이용하면전세계어디에서나전천후,24시간측위가가능하며, 그정확도는약 100m 정도 ( 단독 )
GPS 의역사 GPS의개발에앞서 1959년미해군에서 Transit계획에의하여 NNSS(U.S. Navy Navigation Satellite System; 미해군항법위성체 계 ) 가시작되었다. 이는 1961년 Transit 인공위성이발사되고, 이어서여러개의시험위성이발사됨으로써 1964년에실용화되었으며, 1967 년일반에게공개된인공위성을이용한선박항법시스템이었다. NNSS 는인공위성에서발신하는전자파의도플러효과를관측하여 위치를측정하는시스템으로서비교적위치정확도가낮아도무관한 선박항법시스템으로출발하였으나, 그성능이우수하여시통이안되 는낙도의위치결정이나개발도상국의지도작성에필요한기준점측 량등에까지활용되었다. 그러나, NNSS는위성이관측자의상공을통과하는시간에만관측이가능하고, 위치오차가비교적큰수미터에 서수백미터까지발생하는문제점이있었다.
계속 WGS72 WGS84
계속 이러한문제점을보완하고저속의선박외에도고속의항공기나미사일에대하여도위치를측정할수있는기술에관한연구개발이 1960 년대중반에착수되었다. 이러한부분적인연구개발은 1973년에미해군의 TIMATION 프로그램과미공군의 621B 프로젝트가미국방성프로젝트로통합되면서 NAVSTAR (NAVigation Satellite Time And Ranging) 로명명됨으로써본격적인 GPS계획이추진되기시작하였다. GPS의위성은1978년 2월부터시험위성인 Block-I위성이발사되었으며, 1989년 2월부터실용위성인 Block-II 위성이발사되기시작하였다. 현재는총 24 개의위성이가동되고있으며, 전세계적으로항상 4개이상의위성으로부터전파를수신함으로써시간제약없이 3차원적인위치측정이가능하도록되어있다.
위성운용 명칭 내용 Block-I Block-II Block-IIA 1978-1985, 11개위성일반공개, 5년수명, 63도배열평명 1989, 민간 & 군용신호, 무게 1500kg 6년수명 1990, 위성간상호통신 Block-IIR Block-IIF 1995 완료, 총 24+2개의위성운용, 10년수명무게 2000kg, 스스로위성자세제어 2001-2010, 차세대위성
GPS 의정의 지상, 해상, 공중등지구상의어느곳에서나시간제약없이인공위성에서발신하는정보를수신하여정지또는이동하는물체의위치를측정할수있도록인공위성군 ( 우주부문 ), 지상제어국 ( 관제부문 ), 사용자부문 ( 수신장비 ) 등의 3부문으로구성되어있는전천후위치측정시스템
우주부문 사용자부문 모니터링관측소 Diego Garcia Ascension Is. Kwajalein Hawaii 관제부문 Colorado Springs
우주부문 GPS 위성은 24+2 개가배치 21 개의항해위성과 3 개의예비위성이지구를 12 시간마다 궤도를따라선회 궤도는매일동일한지상궤적을따라선회 궤도의고도는약 20,000km 이며, 6 개의궤도 ( 각궤도에 4 개의위성 ) 가, 동일한간격 (60 도떨어짐 ) 으로배치 적도면에대하여약 55 도의경사각 이배치는지구상어느곳에서나사용자에게항상 5 개에 서 8 개의위성을제공하기위한것
GPS 의위성의배치
관제부문 관제부문은전세계에배치되어있는관제 ( 추적 ) 소와추적망으로구성 중앙관제소 (MC) 는미국콜로라도 Falcon 공군기지에위치하고있다. 이들추적소는각위성들의궤도모델과관련있는위성들의신호를측정 모델은각위성에대한정밀궤도데이터 ( 력 ; ephemeris) 와시계의보정량을계산한다. 관제소는위성들의궤도력데이터와시계데이터를위성에게전송 (upload). 그러면위성들은라디오신호를통하여 GPS 수신기에궤도력데이터를전송
GPS 의관제소와추적망
사용자부문 GPS 사용자부문은 GPS 수신기와사용자집단으로 구성 GPS 수신기는위성의신호를추정위치, 속도와시간 으로변환한다.X,Y,Z( 위치 ) 와시간의 4차원계산에는 4대의위성이필요하다.GPS수신기는항법, 측위, 시간전파와기타연구에이용 3 차원의항법이 GPS 의제 1 의기능 항법용수신기는비행기, 선박, 지상차량과개인을위 한휴대용으로제작
GPS 항법과사용자시스템
GPS 의장점 전세계어디서나실시간위치측정이가능 24 시간 3 차원위치측정과시간측정 날씨와무관한측정가능 시야가확보되지않아도측정가능 고도의정확성및신속성 GIS 데이터를실시간작성가능 고도의관측기술이필요하지않음
GPS 의원리 ( 원자시계탑재 ) t1 t3 c(t 0 -t 1 ) = l 1 t2 t4 c(t 0 -t 1 ) = l 2 c(t 0 -t 1 ) = l 3 x,y,z,t (x,y,z) c(t 0 -t 1 ) = l 4 위성 ~ 수신기거리 = 광속도 x 시간차 (time difference) j j j R ( t) ( t) c ( t ) i i i j j i j i j i () t ( X () t X ) ( Y () t Y ) ( Z () t Z ) i 2 2 2
계속 위성탑재시계 세슘시계 원자시계 - 고가 수신기탑재시계 - 저가
계속
GPS 의좌표계산 4대의위성 ( 일반적인항법 ) 이 3차원위치와시간을결정하는데이용된다. 위치결정은수신기에의하여지구중심, 지구고정 X,Y,Z (ECEF XYZ) 좌표로계산 시간은수신기의시계를보정하는데에이용되며, 이것은값싼시계의사용을가능케하여줌 XYZ 내에서위성의위치는 4 개의위성의사거리와시계보정량, ephemeris( 정밀궤도자료 ; 력 ) 데이터를가지고계산 수신기의위치는위성의위치, 측정된의사거리와수신기의위치추정값 ( 보통마지막으로계산된수신기위치 ) 으로부터계산
GPS 의신호구조 각 GPS위성에서발신되는신호는 2개의반송파, 3개의코드및위성메시지등이있다. 반송파와코드는기준주파수라불리는 10.23 MHz의정배수의주파수를사용하고있으며, 위성메시지는저주파인 50 Hz 를사용하고있다. GPS위성에서발신하는반송파는기준주파수의 154배인 1575.42 MHz(L1, 파장은 19cm) 와 120배인 1,227.60 MHz(L2, 파장은 24.4cm) 가있음 코드는 pseudo-random noise(prn) 코드인 C/A 코드,P코드및 Y코드가있다.C/A코드는 L1 반송파에실리며, 주파수의기준주파수의 0.1배인 1,023 MHz로서 1/1,000초 (1ms) 마다반복된다. P코드는 L1, L2 두개의반송파에실리며, 주파수는기준주파수의 10 배인 102.3 MHz로 267 일의주기를갖고있다. Y코드는 P코드와유사한코드로서 P코드를대신할수있으며, P코드의공식은공개되어있지않지만Y코드의공식은공개되어있음 위성메시지는위성의위치와상태를담고있으며, real-time의위치결정에사용된다.c/a코드는일반에게공개되어자유롭게사용할수있는반면에,p 코드는군사용으로정부간의협정에의해서한정된범위안에서사용이허용
계속 반송파 L1, L2 PRN(pseudo random noise); 위성식별, 의사거리측정 C/A (coarse /acquisition code) 일반사용자 = SPS(standard positioning service) P code(precision code) 군용신호 = PPS(precision i position service) 항법신호 (Navigation Message) 위성시계및전리층지연보상계수, 기준시각, 위성궤도변수 ( 력 ), 전체위성배치 (almanac), 위성상태 (health)
계속 Pseudo-random code
GPS 의신호
GPS 의정확도 GPS에의한위치결정의오차원인에는위성의원자시계의안정도, 위성궤도의예측치의정확도, 전리층의전파지연, 대류권의전파지연, 수신장치의잡음, 수신장치의 Channel 수등이있다. 일반적으로알려져있는정확도는 1대의수신기로측정되는절대위치의경우에 C/A코드사용시 100m, P코드사용시 10m 정도이다. 반면에 2대이상의수신기로측정되는상대위치의경우에는수십 Km 이상의거리에서 cm 단위의오차가발생되므로 10-6 의높은정확도를갖음 GPS를이용한위치결정에있어서정확도향상을위하여많은연구가진행되고있다. 특히, L1 과 L2 의두개의반송파를동시에수신하여도플러관측법을이용함으로써전리층과대류층에의한영향을제거시키고, VLBI(Very Long Baseline Interferometry) 과 GPS를결합함으로써정확도를향상시킬수있다. 이러한연구는지각변동, 지질구조등을연구하는지구물리학및측지학분야에서많은발전이기대됨
GPS 의측위방법별정확도비교 기법내용정밀도 단독측위 GPS 수신기 1 대로위치측정 30m DGPS 측량용과항법용수신기를결합하여이동체의후 1m ~ 5m 처리및실시각정밀위치측정 후처리상대측위 2 대이상의측량용 GPS 수신기를이용하여고정 수 mm (desktop) 밀상대위치측정 실시각이동측위 (notebook) 2 대이상의측량용수신기를이용하여실시각고정밀위치측정 1cm ~ 2cm
GPS 의정확도의현재와미래 Basic Civil Positioning: Today Basic Civil Positioning: Tomorrow 25-100 m C/A Code on L Selective Availability 1-3 m C/A Code on L1 C/A Code on L2 New Code on L5 No SA Advanced Positioning: Today Advanced Positioning: Tomorrow L1 Code and Carrier L2 Carrier Data Link 2 cm accuracy Faster recovery following signal interruptions (ex., under bridges) 10 km 100 km 2 cm accuracy L1 Code and Carrier L2 Carrier, L5 Carrier Data Link
GPS 의오차요인 철구조물고압선전파탑무선방송국공항경철구조물, 고압선, 전파탑, 무선방송국, 공항, 경찰서, 군부대 전파의간섭현상
GPS 측량정확도에영향을미치는요소 시스템오차 1. Satellite Clock Error(0-1.5m) 2. SV Ephemeris Error(1-5 M) 3. Ionospheric Refraction(0-30m) 4. Tropospheric Refraction(0-30m) 5. Selective Availability(S/A) (0-70m) 6. 수신기오차 2주파수신기를사용하여 Mask Angle : 10, 15
Mask angle
수신기오차 Receiver Noise(0-10m) Multipath(0-1m) 수신기내의 Multi-Path Rejection 프로그램수신기내의 Multi-Path Rejection 프로그램안테나에 Ground-Plane 을장착
위성의배치에따른오차 DOP(Dilution of Precision) i 독립측위시 : GDOP, PDOP, HDOP, VDOP, TDOP 상대측위시 :RDOP GDOP(Geometric Dilution of Precision)= PDOP(Position Dilution of Precision) = HDOP(Horizontal Dilution of Precision) = VDOP(Vertical Dilution of Precision) = TDOP(Time Dilution of Preision) =
양호한 PDOP 불량한 PDOP
Mission planning 위성의대수와 PDOP 을고려한측량계획
GPS 측위방법 데이터처리방식에따른분류 후처리 (Post-Processing) 방식 정지측량 (Static Survey) 신속정지측량 (Fast-Static Survey) 이동측량 (Kinematic Survey) 실시간 (Real-Time) 처리방식 실시간이동측량 (Real-Time Kinematic Survey)
측량방식에따른분류 절대측위 C/A code 또는 P code 에의한의사거리측량방식 현장에서관측, 계산 항해, 운전, 항법용으로사용 상대측위 기지점으로부터공간벡터를이용좌표계산방식
절대측위 단독위치측정법이라고도하며, 1대의 GPS 수신기로위성들의전파와코드를분석하여 real time으로지구상의위치를나타내는절대위치를측정하는방법이다. 이는주로자동차, 항공기및인공위성과같은고속운동체의위치결정과등산, 해상위치등과같이비교적낮은위치정확도를필요로하는경우에사용
GPS 의절대 ( 단독 ) 측위
상대측위방식 위성에서발신하는반송파를여러개의수신기에서수신하여반송파또는코드의위상을측정함으로써전파도달시각의차를측정하는방식. 일반적으로이방법을많이사용하고있으며, 근거리측량의오차는수m에서수mm이며, 원거리경우에는 10-6 에이르는정확도가얻어짐 정지측량 (Static) 신속정지측량 (Fast- Static surveying) 이동측량 (Kinematic i Survey) -Stop-and-Go Kinematic -연속이동측량(Continuous Kinematic surveying) -실시간이동측량 RTK(Real-time Kinematic) DGPS(Differential GPS) - 후처리방식 (Post processing) -실시간방식(Real-time)
상대위치측정법
정지측량 (static surveying) 장시간의관측시간을필요관측시간이길으므로 SA 나 Multi Path 등의영향을소거 Post-processing에서일반적으로방송궤도력을사용하고고정확도를요구할때는정밀궤도력사용 N 37 o 23 27.2258 E127 o 02 15.1553 현장에서취득한데이타를사무실에서 PC 로계산처리
신속정지측량 (Fast- Static surveying) 하나의기준국 (Reference Station) 으로여러미지점을한꺼번에관측하는방법 (20km 이내 ) 후처리 (Postprocessing), 동일시간대에관측 낮은정확도의기준점측량, 지도제작용기준점측량, 경계측량, 지형측량등에활용 필요에따라망구성 (Trilateration, Traverse) 가능하며정확도는 ±(10mm+1ppm) 1ppm) 정도
이동측량 (Kinematic Survey) 1 대의수신기는기지점에고정하고다른수신기들은미지점을옮겨가며방사형으로측량하는기법. 정확도는 2cm + 1ppm 이내정도
1)Stop and Go 연속적인미지점의관측시에이용하는방법으로도로및대단위시설물의위치관측시에이용 라디오모뎀을통한실시간처리및후처리를선택 4 개이상의위성에대해 Cycle Slip 발생이없어야함. 정확도는 2cm + 1ppm 이내 안테나스왑
2) 연속이동측량 Continuous Kinematic surveyig 도로나수로의중심선관측시에이용하는방법으로최소한 4기이상의위성관측이가능하여야한다. 새로완공된도로선형의수치지도갱신시에도활용할수있다. 동체의궤적등을추적할경우에도편리
3) 실시간이동측량 RTK(Real-time Kinematic) 라디오모뎀을통해고정점의보정자료를전송하여현장에서바로측량결과를획득 실시간현황측량, 구조물의결합, 절토위치확인등의건설측량에효과적
RTK - Real Time Kinematic Survey 라디오모뎀으로 GPS 데이타를전송하여현장에서측량성과취득
DGPS(Differential GPS) DGPS(Differential GPS) 는이미좌표를알고있는기지점에고정용수신기를설치하여보정자료를생성하고이와동시에미지점에또다른수신기를설치하여고정점에서생성된보정자료를이용해미지점의관측자료를보정함으로써높은정확도를확보하는 GPS 측위기법 일반적으로 DGPS의정확도는고정점과의기선거리에따라많은영향을받으며, 약 2~0.3m 정도의정확도 Mapping Grade Receiver DGPS < 2.0m High Quality Mapping Receiver - SPS DGPS < 1.0m Real-Time Kinematic Surveying DGPS Survey Grade GPS DGPS < 1.0cm < 0.5cm
1) 후처리 (Post-Processing) 방식
2) 실시간 (Real-Time) 방식
DGPS 측량을위한상시관측소운영철원철원팔미도주문진속초서울강릉원주수원영월인천양평홍천인제춘천철원동두천파주삼척팔미도주문진속초서울강릉원주수원영월인천양평홍천인제춘천철원동두천파주삼척팔미도대전소백산원주수원서산울진청송보은청양천안예천괴산영월군위팔미도대전소백산원주수원서산울진청송보은청양천안예천괴산영월군위장기곶어청도영도대전밀양전주대구진주정읍남원하동거창무주논산군위김천창녕부산울산영광경주장기곶어청도영도대전밀양전주대구진주정읍남원하동거창무주논산군위김천창녕부산울산영광경주영거문도목포광주국립지리원천문연구원행정자치부순천장흥영거문도목포광주국립지리원천문연구원행정자치부순천장흥마라도거문도제주자원연구소천문연구원해양수산부마라도거문도제주자원연구소천문연구원해양수산부
9.10 GPS 성과의변환
경위도좌표계와지심좌표계 Z P 측지좌표-> 지심좌표 h Z Y X ; 묘유선의곡반경 ; 타원의장반경, 단반경 X Y
예제 경도 127 25 48, 위도 35 08 12, 표고 500m 인지점을 지심좌표로변환하시오. 단, 지구의장반경 a=6,370km, 단반경 =6,320km,
지심좌표 -> 측지좌표
WGS84 와동경기준계변환 표준 Molodensky 변환 1) WGS84 경위도를지구중심좌표계로바꾼다. 이때 WGS84타원체의장반경, 편평도가사용된다 2) 계산된 WGS84지구중심좌표계를사용자타원체지구중심좌표로변환한다. 이때 Bessel사용자타원체의장반경, 편평도및변환매개변수가사용된다 3) 사용자타원체지구중심좌표를사용자타원체경위도로변환한다. 4) 변환후 1차보정파라미터들 (dphi, dlam, dh) 를가감하여보정한다. 5) 보정점데이터에입력된기지점들의 WGS-사용자경위도관계로부터보정량을구하여증감한다.
GPS 의표고 h = H- N
GPS 의활용분야 항법장치 : 선박, 자동차, 항공기, 인공위성등 측지분야 : 기준점측량, 중력측량, 항공사진측량, 노선측량, 수심측 량등 GIS 분야 : 답사, 주제도제작, 주요지물의위치점측정 해양분야 : 정기노선항해, 시추공위치결정, 해상중력측량, 해상탐 색및구조등 지구물리학 : 지각변동관측, 지질구조해석등 군사분야 : 각종장비의항법장치, 목표물위치결정, 사전답사, 지휘및통신등 레져분야 : 등산, 여행, 탐사등
GPS 의활용 - 지상기준점측량
GPS 의활용 - 영해기점측량
GPS 의활용 - 지각변동
GPS 의활용 -Geoid model 개발
GPS 의활용 - 도로정보획득 ITS 정보수집 수치지도갱신 철도관련시설물정보수집 다양한종류의센서탑재가능 기존 GIS 데이터와의연계 Total 지형정보취득시스템구축의기반조성 DGPS NET WORK GPS 위성 GPS BASE STATION CCD 카메라 GPS 안테나 IMAGE MODULE WHEEL SENSOR GPS INS
GPS 의활용 - 해양측량
GPS의 활용-수심측량 이미지를 표시할 수 없습니다. 컴퓨터 메모리가 부족하여 이미지를 열 수 없거나 이미지가 손상되었습니다. 컴퓨터를 다시 시작한 후 파일을 다시 여십시오. 여전히 빨간색 x가 나타나면 이미지를 삭제한 다음 다시 삽입해야 합니다.
GPS 의활용 -Airborne GPS
INS Frame Camera Frame (Xo, Yo, Zo) Mapping Frame
GPS 의활용 -navigation
GPS 의활용 - 군사정보시스템
향후 GPS 전망 (1) GLONASS - 러시아 구소련에서개발된위성기반항법시스템 미국의 GPS 보다 4년뒤진 1982년에첫위성발사 12기의위성작동 (99 년 10월기준 ) 사용자장비보급저조 ( 이용자극소수 ) 경제불안정, GPS와의경쟁력열세로한계에직면 유럽연합과장래 GLONASS의공동운영의사천명 - 러시아의항법위성운용기술과항법주파수활용방안모색 GLONASS-M 개발계획과 DGLONASS 망구축계획 - 위성수명및궤도특성이현저히증가한 System
(2) Galileo - 유럽 유럽연합의독자항법시스템 - GPS 의존시, 유럽주권의종속우려 ( 사용료, 기술종속등 ) - 21개 or 36개 MEO 위성군 개발계획 - 초기 (1999.10~2000.12) : Galileo System 설계 - 개발 (2001.1~2001.12) : 위성설계검증 - 비준 (2002.1~2004.12) : 3개의 MEO 위성제작발사, 지상국일부개발, 장비와위성의 H/W 증명 - 발전 (2005.1~2007.12) : 궤도결정, 수정위성제작발사, 지상국완성, 위성배치완성및시스템시험운영 - 공급 (~2008) : 유럽및각국가에공급개시
(3) MTSAT - 일본 현재 1200점의 GPS기준국운용 - 지진예지, 지각변동, 측지측량, CNS 등 친 GPS 정책 (96 년이후미 / 일 GPS 협의회개최 ) EU와교류모색 GPS 보정항법시스템 : MSAS 구축 (99 년 11 월발사 ) MTSAT(Multifunction Transport Satellite) 발사 (99년 8월 ) 대체항법시스템구축연구수행 - 시스템핵심기술연구 : 원자시계 / 위성시각관리기술 (CRL) - 지역위성항법시스템구축 : 8자궤도형구축기술연구
속초철원속초철원팔미도주문진속초서울강릉원주수원영월인천양평홍천인제춘천동두천파주삼척팔미도주문진속초서울강릉원주수원영월인천양평홍천인제춘천동두천파주삼척팔미장기곶대전소백산서산울진청송보은청양천안예천괴산논산군위팔미장기곶대전소백산서산울진청송보은청양천안예천괴산논산군위장기곶어청도영도밀양전주대구진주정읍남원순천하동거창무주논산김천창녕부산울산영광경주장기곶어청도영도밀양전주대구진주정읍남원순천하동거창무주논산김천창녕부산울산영광경주거문도목포광주국립지리원천문연구원행정자치부순천장흥거문도목포광주국립지리원천문연구원행정자치부순천장흥마라도거문도제주자원연구소천문연구원해양수산부마라도거문도제주자원연구소천문연구원해양수산부
일본의전자기준점현황
구분 GPS Total Station 1. 측정방식거리관측에의한좌표산출각, 거리관측에의한좌표산출 2. 측량방식삼변측량원리적용삼각, 다각측량원리적용 3. 측정원리 인공위성 ( 기지점 ) 으로부터의 전파수신에의한거리측정 적외선송수신에의한거리측정 및인코더에의한각측정 4. 측량범위 1) 정지측량시 (Static) 약 50km 약 3km 이내 2) 실시간이동측량시 무선모뎀성능에따라 2~ (RTK) 40km 5. 정확도 1) 정지측량시 5mm+1ppm 통상 2mm+2ppm 2) 실시간이동측량시 1~2cm
시준이필요없다 기상조건에관계없다 6. 장점 ( 눈, 비, 안개, 어두움 ) 장거리측량이용이 1 인측량이가능 공간상 ( 지상, 지하 ) 제약이없다 좁은지역의국지적인측량시편리하고정확도가높다 가격이저렴하다. 휴대가용이하다. 인공위성과의시통이나쁜지역에 서는 7. 단점 사용불가 ( 고층건물군, 짙은숲속, 지하공간등 ) 실시간이동측량시무선모뎀의성능의떨어지면측량이어렵다. 휴대가불편하다. 가격이비싸다. 반드시시준선이확보되어야한다. 기상조건에영향이크다. 장거리측량이불가하다.