[ 교육용 ] GPS 기본개념 2016. 12. 22 Unmanned Solution Co., Ltd.
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Unmanned Solution 1. GPS 기본원리 3
1-1 GPS(Global Positioning System) 기본원리 GPS 란? - GPS 위성에서보내는신호를수신해사용자의현재위치를계산하는위성항법시스템 - GPS 는 1973년미국국방부에서폭격의정확성을높이기위해군사용으로개발시작 - 1995년 21개의주위성과 3개의보조위성으로구성된총 24개의위성으로민간서비스시작 GPS 위성의궤도배치 - 모든위성의고도는 20,200km, 12시간을주기로지구를돌며 - 궤도면은지구의적도면과 55의각도를이룬다. - 총궤도는 6개이며, 각도는 60도씩, 1개의궤도면당 4개의위성이위치한다. - 이배치로인해지구상어느지점에서나동시에 5개에서 8개까지위성을볼수있다. 4
1-2 GPS(Global Positioning System) 기본원리 GPS 원리 - 삼각측량원리이용. 구하고자하는 P점을사이에두고있는두변의길이를측정하여 P점의위치결정 - 인공위성에서부터수신기까지의거리는 : 거리 = 빛의속도 * 경과시간 ( 경과시간 : 부호신호발생시점과수신시점의시간차이측정 ) 5
1-3 GPS(Global Positioning System) 기본원리 GPS 신호 - GPS 위성은위성에탑재된시계의시각및오차와위성의상태정보, 모든위성과관련된궤도정보와상태 (almanac), 각각의궤도정보와이력 (ephemeris), 오차보정을위한계수등이포함된항법메시지 (navigation message) 를 50 bps 의속도로지속적으로방송한다. - 각위성은두가지의다른주파수의신호를동시에생성, L1 반송파 (1.57542 GHz), L2 반송파 (1.2276 GHz) 신호로구성된다. - 항법메시지는 C/A 코드 (Coarse/Acquisition code 또는 Standard code) 와 P 코드 (Precision code) 와함께반송파 ( 搬送波, carrier wave) 에실려송신된다. C/A 코드와 P 코드는각각비트율 1.023 Mbps, 10.23 Mbps 로위성마다고유한의사잡음부호 (PRN, Pseudo-Random Noise) 가담긴다. C/A 코드는민간에개방되어있으나 P 코드는군사목적으로전용하기위해공개되지않은 W 코드를이용해암호화되는데, 암호화된 P 코드를 Y 코드또는 P(Y) 코드라고한다. P(Y) 코드를해독하기위해서는특별한장비가필요하다.( 뿐만아니라, 암호화되는키가 1주일단위로갱신되므로키를모른다면해독할수없음.) 6
1-4 GPS(Global Positioning System) 기본원리 GPS 신호종류 - L1 (10.23 MHz 154 = 1575.42 MHz) : 항법메시지, C/A 코드, P(Y) 코드. - L2 (10.23 MHz 120 = 1227.60 MHz) : P(Y) 코드, Block-IIR-M 이후부터는 L2C 코드도포함. - L3 (10.23 MHz 135 = 1381.05 MHz) : 방위지원프로그램에서사용. - L4 (1379.913 MHz) : 추가적인전리층보정을위해연구중. - L5 (10.23 MHz 115 = 1176.45 MHz) : ARNS (Aeronautical Radio Navigation System) 에할당된주파수대역. 항공기의안전한운항을위하여사용된다. 7
2-1 GPS(Global Positioning System) 측량 GPS 측량 - 단독측위 (Standard Positioning System(SPS)) 수신기 1대를사용해서위치를측정 - 상대측위 (Differential GPS) : DGPS 는서로가까운거리에위치한두수신기가가지는공통오차상쇄하여정밀한데이터얻는기술. 일반적으로기준국 (Base Station) 에서오차의범위등을포함한보정신호를이동국 (Rover) 에전송한다. - 실시간이동측위 ((Real-Time Kinematic) : RTK 의기본개념은오차보정을위해기준국에서전송되는데이터가반송파수신자료라는것을제외하고는 DGPS 의개념과같다. 기법내용정밀도 단독측위 GPS 수신기 1 대로위치측정 100 m DGPS 후처리상대측위 실시간이동측위 측량용과항법용수신기를결합하여이동체의후처리및실시각정밀위치측정 2 대이상의측량용 GPS 수신기를이용하여고정밀상대위치측정하나실시각간계산이불가능 2 대이상의측량용수신기를이용하여실시간고정밀위치측정 1 m - 5 m 수 mm 1 cm - 2 c m 8
3-1 GPS(Global Positioning System) 오차의원인 GPS 오차의종류 구분종류내용오차크기비고 위치, 시간오차 인공위성의시간및위치에따른오차 시간오차위치오차 0-1.5m 1-5m 미국에서시간및위치오차를계속감시및오차보정중 구조적오차 전리층, 대류층굴절 인공위성에서보내는라디오파를전리층에서 * 하전입자들이들어오는신호를끌어당겨서굴절시키고대류층에서는다른비율로물방울들이신호를굴절시킴 전리층굴절대류층굴절 0-30m 0-30m 대기굴정모델적용에따른 50~70 오차상쇄및현재에는 dual-frequency 수신기를사용해보정가능 ( 단전리층만해당 ) 잡음 GPS 수신기자체에서발생. 신호기마다다르지만대부분수신기는잡음에대한내부필터링장치를가짐 0-10m PRN 코드잡음과수신기잡음이합쳐져서전체잡음이된다. 다중경로 인공위성에서반사되어들어오는신호를받아들이는경우틀린위치를제공함 0-1m 신호세기에따른다중경로오차상쇄가능 * 하전입자 : 수중에서입자의표면에전기화학적힘의균형으로어떤전하를띄는입자 *GPS 위성으로부터발신되는위치결정용전파신호로서, 유사거리를관측하기위한 Time Mark( 시간신호 ) 역할과 24 개 GPS 위성의식별부호역할을병행한다. 9
3-2 GPS(Global Positioning System) 오차의원인 GPS 오차의종류 구분종류내용오차크기비고 기하학적오차 PDOP 측위시이용되는위성들의배치상황에따라오차가증가. 위성의배치의고른정도를 DOP(Dilution of Precision) 라고함. DOP 는종류가많으며, 그중 PDOP(Positional DOP) 를사용하며, PDOP 에거리오차를곱하면측위오차가된다. DOP < 2 DOP = 2-3 DOP = 4-5 매우우수우수보통 PDOP 가 3 인경우대략 15m 의오차를갖음 ( 거리오차 ;Range Error) x (PDOP) = ( 측위오차 ) DOP>=6 불가능 10
4-1 DGPS(Differential GPS), RTK(Real-Time Kinematic) DGPS 와 RTK 비교 11
4-2 DGPS(Differential GPS), RTK(Real-Time Kinematic) DGPS 와 RTK 비교 12
4-3 DGPS(Differential GPS), RTK(Real-Time Kinematic) DGPS 와 RTK 비교 구분 DGPS RTK 원리 일정지역에서하나의수신기는정지상태로, 다른하나는이동을하면서위치측정을시행한다. 정지상태의수신기는위성으로부터수신받은데이터들의위치오차를계산및보정데이터를생선한다. 생성된데이터는이동측위를하는수신기측에전송한다. 전송된데이터를가지고이동측위를하는수신기는보정값을이용하여위치결정오차를줄인다. 차이점 4개이상의위성사용 C/A코드해석 반송파를사용하지않는다 장거리사용 100 to 200km 오차 1m~5m 5개이상의위성사용 반송파를사용한다 : 반송파의오차보정치를이용한다. 10~20km 거리내외로사용된다 오차 1cm~1m 13
4-4 DGPS(Differential GPS), RTK(Real-Time Kinematic) DGPS, RTK 에필요한보정신호 - 기준국 (Base Station) 에서생성되는보정신호는 RTCM 규격을따른다 - RTCM SC-104((Maritime Service Special Committee 104) - Radio Technical Commission for Maritime Service 의특별위원회 - 종류 : RTCM( 선박 ), RTCA( 항공 ) 등 구분명칭버전요약 RTCM 10402.3 Recommended Standards for Differential GNSS (G lobal Navigation Satellite Systems) Service 2.3 This standard is used a round the world for dif ferential satellite navig ation systems, both ma ritime and terrestrial. RTCM 10403.1 Differential GNSS (Global Navigation Satellite Syst ems) Services 3.1 A more efficient alterna tive to RTCM 10402.3 14
4-5 DGPS(Differential GPS), RTK(Real-Time Kinematic) RTCM 데이타구조 - 각각의데이터들은구분되어번호가표시 - 번호가표시된데이터들은헤더와데이터를포함한다 RTCM Message Type RTCM2.3 Description 1 Differential GPS Corrections 2 Delta Differential GPS Corrections 3 GPS Reference Station Parameters 4 Reference Station Datum 5 GPS Constellation Health 6 GPS Null Name 7 DGPS Beacon Almanac 8 Pseudolite Almanac 9 GPS Partial Correction Set 10 P-Code Differential Correction 11 C/A Code, L1, L2 Delta Corrections 12 Pseudolite Station Parameter 13 Ground Transmitter Parameter 14 GPS Time of Week 15 Ionospheric Delay Message 15
4-6 DGPS(Differential GPS), RTK(Real-Time Kinematic) RTCM 데이타구조 - 각각의데이터들은구분되어번호가표시 - 번호가표시된데이터들은헤더와데이터를포함한다 RTCM Message Type RTCM3.0 Message Type Message Description Observations 1001 L1-only GPS RTK Observables 1002 Extended L1-Only GPS RTK Observables 1003 L1 & L2 GPS RTK Observables 1004 Extended L1 & L2 GPS RTK Observables 1005 L1 Only GLONASS RTK Observables 1006 ExtendedL1-Only GLONASS RTK Observables 1007 L1 & L2 GLONASS RTK Observables 1008 Extended L1 & L2 GPS RTK Observables Station Coordinates 1009 Stationary RTK Reference Station ARP 1010 Stationary RTK Reference ARP with Antenna Height Antenna Description 1011 Antenna Descriptor 1012 Antenna Descriptor & Serial Number Auxiliary Operation Information 1013 System Parameters 16
4-7 DGPS(Differential GPS), RTK(Real-Time Kinematic) RTCM3.0 - RTCM 3.0 : New data structure developed for network RTK applications. - new signals L2C and L5 - GNSS system data - Compact Data Structure - RTCM 2.0 0.5 kbit / sec. (DGPS) - RTCM 2.1-2.3 requires 5 kbit / sec (DGPS+RTK) - RTCM 3.0.requires 2 kbit / sec 17
5-1 좌표계 (Grid system) 정의 - 지구표면에가상의격자선을그어특정한점의위치를표시 - 여러줄의위도선및자오선을통칭한다 - 위선 (line of latitude) : 지구표면에있는좌표선, 적도로부터매도간격으로거리표시 - 경선 (line of longitude) : 본초자오선으로부터매도일정간격으로거리를표시 18
5-2 좌표계 (Grid system) 지오이드와타원체 - 지오이드 : 평균해수면을이용하여지구의모양을나타낸것 19
5-3 좌표계 (Grid system) 지이드와타원체 - 지구는완전한구 ( 球 ) 가아니라적도반지름이극반지름보다약간긴일그러진타원체이며, 지표면은그형상이매우불규칙하여어떤일정한규칙에따른임의점의위치표시가불가능. - 지오이드또한매우복잡한형태를띄고있어위치를표시하기위해서는복잡한계산과정을거쳐야한다. 이를해결하고자측지학에서는지오이드와가장유사한지구의기하학적형상을편평한회전타원체로재정의하여사용하고있으며, 이를지구타원체 (Earth Ellipsoid) 라고한다. - 지구타원체는장반경과편평률로정의되는데, 부정형한전지구를하나의타원체로오차없이표현하는것은불가능하기때문에각나라에서는해당지역의지오이드면에적합한지구타원체를정의하여그지역의준거타원체 (Reference Ellipsoid) 로이용하고있다. - 각나라마다다른준거타원체를사용해도자국의측지측량및지도제작에는아무런문제가되지않지만, 인공위성과같이전세계를대상으로하는부문에서는변환없이사용이불가능하다는문제가생기게되어전체지구에가장적합한지구타원체를결정하는것이필요하다. 이러한필요에의해결정된것을국제표준타원체라부르고있으며 GRS80 타원체, WGS84 타원체가있다. 20
5-4 좌표계 (Grid system) 데이텀 (Datum) - 타원체를선택후해당지역에가장적합하도록타원체의위치기준을정하게되는데, 이를데이텀 (Datum, 측지계 ) 이라하며, 타원체의종류, 좌표체계의기준점과방향등을정의하게된다. - 좌표체계차이는어떤타원체를사용하며, 어디에기준점을두는지에따라크게다르다. - 대한민국은측지계2002(KGD2002) 에따라세계기준계인 ITRF2000 지구중심좌표계를따르고타원체로는 GRS80 타원체를적용하여경위도를계산한다. * 세계측지계란국제표준타원체를사용하여타원체의중심을지구의질량중심과동일하게정의하여사용하는것을말한다. * 대한민국은측량법을개정하여 2003 년 1 월부터 2009 년 12 월 31 일까지세계측지계 (KGD2002) 와한국측지계 ( 동경데이텀 ) 를 병행사용하였으며, 2010 년 1 월 1 일부터는공공측량성과물에세계측지계사용을의무화하였다. 21
5-5 좌표계 (Grid system) 데이텀 (Datum) - 타원체, 원점과같은좌표계의정의제공 - 위치를 3차원으로나타내기위해서는 3차원의표면필요 - 지구를나타내는방법 지오이드, 해양의평균해수면과일치하는지구중력장등포테셜면 - 중력의변화에따른지오이드변화가문제 - 데이텀과관련된계산을위해정형의수학적모델필요 - 수학적모델인 타원체 사용 - GPS 는 WGS84 측지데이텀을사용한다. 22
5-6 좌표계 (Grid system) 세계주요지구타원체 23
6-1 투영법 (Grid system) 투영도법 - 타원체는삼차원좌표나경위도좌표등으로위치를나타내게된다. 하지만이는타원체상에서의 3차원좌표 ( 곡면 ) 이므로우리가보는 2차원 ( 평면 ) 지도상의좌표와는다르다. 이타원체상의 3차원좌표를평면으로나타내기위해또다시투영이라는과정을거치게된다. 이투영과정에서또다시여러지도체계로세분된다. Bessel 좌표계를사용하는경우주로 TM도법으로투영하며, WGS84 좌표계를사용하는경우주로 UTM 도법을사용하여투영한다. 여기서주의해야할점은 Bessel 타원체를기준으로 UTM 투영이가능하며, 반대로 WGS84 타원체도 TM 투영이가능하다는점이다. UTM 도 TM과같은방법으로투영계산을거치지만그상수만다를뿐이기때문이다. *TM(Transverse Mercator) 좌표 : 임의지역에대한기준지점을좌표원점으로정하고원점을중심으로 TM 투영한평면상에서원점을지나는자오선을 X축, 동서방향의위도선을 Y축으로각지점의위치를 m단위의평면직각좌표계로표시. *TM 좌표또는평면직각좌표계에서의좌표기준점으로서부원점 (125 E, 38 N), 중부원점 (127 E, 38 N), 동부원점 (129 E, 38 N) 의 3개원점을사용 *X축은북쪽방향이양의값을나타내고 Y축은동쪽방향이양의값을나타난다 *X 좌표는 600,000mN이고 Y좌표는 200,000mE * 중부원점인 127 도를기준으로동쪽으로는 1,000m 단위로 201,202,203, 으로표기하고서쪽으로는 199,198,197, 의순으 로표기한다. 또한 38 도를기준으로북쪽일때는 501,502,503,. 이고남쪽일때는 499,498,497 으로표기 24
6-2 투영법 (Grid system) TM(Transverse Meractor) 횡단원통등각투영법 ) - 우리나라의경우평면직각좌표계인 TM(Transverse Meractor) 좌표계를국가기본도의기본체계로하고있으며, 군사지도및단일원점을사용하는일부부처에서부분적으로 UTM(Universal Transverse Mercator) 좌표계를사용하고있다. 국가기본도의경우 GRS80 타원체를기본타원체로적용하고있고, 좌표의수평기준원점은경도방향의위치에따라 125도, 127 도, 129 도, 131 도경도선을기준으로서부, 중부, 동부, 동해원점의 4가지를혼용하고있다. 고도기준원점의경우검조장에서다년간조석관측한결과를평균조정한평균해수면 (MSL, Mean sea level) 을사용하고있는데, 이평균해수면은일종의가상면으로수준측량에직접사용할수없으므로그위치를지상에연결하여영구표석을설치한후수준원점 (OBM, Original bench mark) 으로삼고이것으로부터전국의주요국도를따라수준망을형성하였다. 현재사용하고있는우리나라의수준원점은인하공업전문대학교정내에설치되어있으며, 인천만의평균해면상으로부터 26.6871m 위에존재한다. 25
6-3 투영법 (Grid system) TM(Transverse Meractor) 횡단원통등각투영법 ) - 국가기본좌표체계정리표 좌표계 TM (Transverse Mercator) 지구타원체 GRS 1980 Datum ITRF 2000 서부원점경도경도 : 동경 125 00', 위도 : 북위 38 00' 수평기준원점 중부원점경도경도 : 동경 127 00', 위도 : 북위 38 00' 동부원점경도경도 : 동경 129 00', 위도 : 북위 38 00' 수준기준원점 X 방향가상좌표 Y 방향가상좌표 인하공업전문대학내설치 ( 해발 26.6871m) 200,000 m 500,000 m 26
6-4 투영법 (Grid system) UTM 좌표계 (Universal Transverse Mercator) - 기본적으로 TM과같은방법으로투영계산을거치지만그상수가다를뿐이다. UTM 좌표계는횡단 Mercator 투영법을사용하는좌표계중의하나로서전세계를경도 6 간격의영역으로나누고, 이들각각의영역에대해별도의원점과축을지정하여좌표를 Meter 단위로나타내는것이다. 이들 UTM Zone 번호는서경 180 를기준으로경도 6 간격씩동쪽으로이동하며순차적으로증가한다. UTM 좌표계에서기준원점의위치는각 UTM Zone 의중심경도선과적도가만나는위치이며, 이점을기준으로경도방향을 X축, 위도방향을 Y축으로설정한다. 우리나라의경우 52 번째 Zone 에위치하며, 이지역의기준원점인경도 129, 위도 0 를 UTM 좌표계의원점으로사용한다. UTM 좌표계와같이 Meter 단위의좌표를사용하는경우기준원점의위치에따라음의부호를갖는좌표가나타나게되는데일반적으로이러한현상을없애기위해각축의방향으로가상의좌표를더해주게된다. UTM 좌표계의경우 X축으로 500,000m 의값을더하여실제좌표를나타내며, Y축방향으로는남반구의경우에한해 10,000,000m 의값을더해주게된다. 27
6-5 투영법 (Grid system) UTM 좌표계 (Universal Transverse Mercator) - UTM Zone 28
6-6 투영법 (Grid system) 참고자료 - 대한민국에서사용하는좌표계의종류및기본정보 29
6-7 투영법 (Grid system) 투영법 - 3차원좌표는경위도좌표계 (Geodetic Coordinate System), 지심좌표계 (Geocentric Coordinate System,ECEF) 가있다. - 측지계 > 데이텀 > 타원체 > 투영 - ex) 동경측지계 > 도쿄데이텀 > bessel1840 타원체 > TM투영세계측지계 > ITRF2000 데이텀 > GRS80 타원체 > UTM 투영세계측지계 > WGS 데이텀 > WGS84 타원체 > TM 투영 - TM투영법을사용하여나온좌표는 x,y 의 2차원직각좌표계이다. 30
첨부 좌표계변환 31
References RTCM Recommended Standards for Differential NAVSTAR GPS service www.navcen.uscg.gov/pubs/dgps/rctm104/default.htm RTCM Official Website http://www.rtcm.org/ DGPS Data Formats 2.0 www.geopp.de/download/dgps-data-formats2.pdf Reference Station Network Information Distribution http://www.network-rtk.info/euler/euler.html 국토지리정보원자료실 http://www.ngii.go.kr/kor/board/view.do?rbsidx=31&idx=251
3-1 Autonomous Car ADAS 에서자율주행으로 RADAR CAMERA LiDAR Ultrasonic [Global Navigation Satellite System] 위성항법시스템 33
3-2 Autonomous Car GNSS [Global Navigation Satellite System] 34
3-6 GNSS 자율주행자동차 사용데이터 : 시간, 위도, 경도, 방위각, 속도등 특성 : 연속측정의경우오차의누적은없으나기상상태, 환경의영향을받음 - GNSS + INS 결합형태로많이사용함 GNSS Solution 장애물, 건물, 나무등위성신호수신이불량한지역에서는데이터를출력하지못하거나데이터의신뢰도가떨어지게된다. INS Solution 누적되는오차를 Refresh 해줄방법이없기때문에시간의경과에따라오차가계속누적되는드리프트현상의발생하게된다. GNSS + INS Solution IMU의연속성으로 GNSS 의약점인수신불가지역에서의데이터점핑현상을보완하고 GNSS 의정확성이 IMU의오차누적을방지하게하면서연속적이고정확한데이터를취득할수있다. 실제경로 35
3-7 GNSS 자율주행자동차 * RTCM : The Radio Technical Commission for Maritime Services * VRS : Virtual Reference Station DGPS : Differential GPS GNSS 의위치오차를줄이기위한방법 - RTK : 기준국을세워오차정보를만들어이동국의오차를제거 - VRS : 가상의기준국을이용하여이동국의오차를제거 RTCM VRS Server NMEA 자율주행자동차 36
3-8 GNSS 자율주행자동차 37