GPS 이론 GPS(Global Positioning System) 는인공위성을이용한범세계적위치결정체계로, 정확한위치를알고있는위성에서발사한전파를수신하여관측점까지의소요시간을관측함으로써관측점의위치를구하는체계이다. 즉, GPS 측량은위치가알려진다수의위성을기지점으로하여수신기를설치한미지점의위치를결정하는후방교회법 (Resection method) 에의한측량방법이다. GPS 신호는 C/A 코드, P 코드및항법메시지등의신호가 L1 및 L2 파의 2 개밴드에실려지상으로방송이되며 L1/L2 파는각코드신호및항법메시지를운반한다고하여반송파 (Carrier wave) 라한다. 반송파신호 코드신호 C/A 코드 : 위성의식별정보 L1 파 ( 1,575.42MHz) P 코드 : 위성의식별정보 항법메시지 : 위성의궤도정보 L2 파 (1,227.60MHz ) P 코드 항법메시지 : 원칙적으로군용임 궤도정보는 GPS 측위정확도를좌우하는중요한사항으로서방송력과정밀력으로 구분되며 Almanac 과같은뜻이다. 방송력정밀력 Broadcast ephemeris Precise ephemeris 사전에계산되어위성에입력한 예보궤도로서실제운행궤도보다 정확도낮음 실제위성의궤적으로서지상추적국에서 위성전파를수신하여계산된궤도정보 위성전파를수신하지않고도획득 가능하다 정밀궤도정보로서후처리방식의 정밀기준점측량시적용된다. GPS 는기본적으로위성과수신기간의거리를측정한후미지점의좌표를계산해내는측량장비인데, 이거리를측정하는방식에는코드신호측정방식과반송파신호측정방식이있다.
구분코드신호측정방식 ( 코드측위 ) 반송파신호측정방식 ( 간섭측위 ) 위성에서발사한코드와수신기에서미리복사된코드를비교하여, 두코드가완전히일치할때까지걸리는시간을관측하여여기에전파속도를곱하여거리를구하는데이때오차가포함되어있으므로의사거리 (Pseudo range) 라한다. 코드신호를운반하는반송파는그자체가정현파로서 L1 파의경우약 19cm, L2 파의경우약 24cm 의파장으로위성과수신기간의파장개수를측정함으로써거리를계산할수있는데이와같이위상차에의해간섭법으로거리를측정하는방법이다 원리 특징 ㆍ동시에 4 개이상의위성신호를수신해야함ㆍ코드신호가 2 진법체계이므로측위계산이간단하고신속하나정확도가다소떨어진다 ㆍ동시에 5 개이상의위성신호를수신해야함ㆍ수신기에마지막으로수신되는파장의위성을정확히알수없으므로이를모호정수 (Ambiguity) 라하며수신기 1 대만으로는정확한 Ambiguity 를결정할수없기때문에최소 2 대이상의수신기로부터정확한위상차를구한다. 용도 ㆍ단독측위 (1 점측위, 절대측위 ) : 허용오차약 5~15m ㆍ 2 대이상의 GPS 를사용하는상대측위중코드신호만을해석하여측정하는 DGPS 측위 : 허용오차약 1m ㆍ후처리정치측량 ( 스태틱측량 ) : 허용오차 5mm+1ppm ㆍ의후처리이동측량 ( 키네마틱측량 ) : 허용오차수 cm ㆍ실시간이동측량 (RTK 측량 ) : 허용오차 1cm~3cm
구조적요인에의한 GPS 오차 원 리 1. 위성에탑재된원자시계의오차 2. 위성궤도의오차 3. 전리층과대류권에의한위성신호의전파지연에따른오차 4. 전파의다중경로 (Multipath), 즉건물따위의벽면등에부딪혀반사되어수신되는부정확한전파의의한오차 오차의소거 DGPS 나 RTK 등의상대측량방식으로오차를소거할수있다. 위성의배치상황에따른 GPS 오차 원 리 1. DOP(Dilution of Precision) 라하여지구를공전하는위성이측량지역에얼마나고르게분포하는지의여부에따라 GPS 측량의정확도에영향을미치게되는데이를계수로표시하며수치가작을수록정확하다 2. DOP( 정밀도저하율 ) 는 1 이가장정확하며 5 까지는실용상지장이없다 오차의소거 측량지역의상공을지나는위성의기하학적배치상태가좋을때까지 기다려야한다. SA 에의한 GPS 오차 원 리 1.SA(Selective Availability) 는선택적가용성에의한오차로서미국방성이정책적판단에의하여위성의각종데이터를고의로조작하여오차를증가시킨것을말한다 2. SA 는 2000 년 5 월 1 일부로해제되어 SA 작동시 100m 의오차에서현재는 10m 의오차로줄어들었으나향후 SA 작동여부는계속미국측의의지에달려있다 오차의소거 DGPS 나 RTK 등의상대측량방식으로오차를소거할수있다
구분후처리방법실시간처리방법 원리측량방법위성신호처리방식위성신호수신시간정확도 1. 다수의 GPS 수신기를기지점과미지점간에망을구성하여설치하고동시관측 ( 세션관측실시 ) 2. 각수신기는단지위성신호만을수신하여데이터저장 ( 측량방법에따라수십초 ~ 수시간 ) 3. 수집된관측데이터는소정의간섭측위용처리소프트웨어에의해각수신기간의기선벡터량을구함 4. 최초기선을고정으로하고최소제곱법에의한망조정계산을통해미지점의좌표를결정함 1. 스태틱 (static) 측량 : 정지측량 ( 정밀정지측량 ) 2. 키네마틱 (kinematic) 측량 : 이동측량 ( 신속정지측량 ) 1. 스태틱측량 : 반송파신호처리 2. 키네마틱측량 : 반송파신호처리 1. 스태틱측량 : 최소 30 분 ~ 최대 4 시간이상 2. 키네마틱측량 : 최소 15 초 ~30 초이상 1. 스태틱측량 : 5mm+1ppm 내외 2. 키네마틱측량 : 10mm+3ppm 내외 1. 최소 2 대이상의수신기필요함 ( 기지국 GPS 및이동국 GPS) 2. 기지국 GPS 는위성에의해측정된좌표와기지점좌표와의차이값을계산하여위치보정데이터를생성하고이를무선모뎀등을통해이동국 GPS 로송신 3. 이동국 GPS 는위성에의해측정되는좌표와기지국 GPS 에서송신된위치보정량을수신하여미지점의좌표를실시간으로계산, 결정 1. DGPS (Differential GPS) 측량 : 실시간코드측위 2. RTK (Realtime Kinematic) 측량 : 실시간간섭측위 1. DGPS : 코드신호처리 2. RTK : 반송파신호처리위성신호수신즉시매 1 초간격으로측위수행됨 1. DGPS : 0.2m~1m 2. RTK : 1cm ~3cm
(1) 사이클슬립 ( Cycle Slip : 주파단절 ) 사이클슬립은어떠한이유에서사용가능한위성신호가 GPS 본체에충분히전달되지않음으로써측위정확도에영향을미치거나측위가되지않는현상을말한다. 즉, GPS 반송파위상추척회로에서반송파위상치의값을순간적으로놓침으로인해발생하는오차를뜻한다. 1 사이클슬립의원인ㆍ GPS 안테나주위의장애물에의한신호단절 ( 상공시계미확보 ) ㆍ높은신호잡음 (Noise) ㆍ낮은신호강도 (GPS 안테나와본체를연결하는케이블이너무길거나저항이큰경우 ) ㆍ낮은위성고도각 ( 임계고도각인 15 상공이하에존재하는위성의신호수신시 ) 2 사이클슬립의처리ㆍ후처리시소정의소프트웨어상에서수동또는자동으로발견, 편집한다ㆍ실시간측량시에는 RTK GPS 장비자체에서검출되어스스로재초기화를시도한다 (2) RINEX ( Receiver Independent Exchange Format ) 정적간섭측위시기종이서로다른 GPS 수신기를혼합하여관측하였을경우어떤종류의후처리소프트웨어를사용하더라도수집된 GPS 데이터의기선해석이용이하도록고안된세계표준의 GPS 데이터포맷 ( 자료형식 ) 이다 (3) RTCM SC-104 Radio Technical Commission for Maritime 의약어로서 DGPS 측량시기지국 GPS 에서생성한위치보정신호 (Correction data) 를이동국 GPS 로전송할때사용하는세계표준의위치보정데이터포맷이다현재우리나라해양수산부에서설치한비콘 DGPS 기지국에서도 RTCM SC-104 포맷에의한위치보정신호를방송서비스하고있다
(4) Ambiguity ( 불명확상수또는모호정수 ) 간섭측위시수신기에마지막으로수신되는파장의위상이불명확하므로이를불명확상수, 모호정수, 정수치편기 (bias) 라고하며반드시 2 대이상의 GPS 수신기를사용하여위상차를구한다 (5) 세션 ( Session ) 관측정적간섭측위에의한정밀기준점측량시적용되는 GPS 관측기법으로서최소 4 대이상의 GPS 를 1 개관측그룹으로하여일정시간동안동시에관측 ( 측량 ) 하는것을세션관측이라한다 1 세션간에는반드시중복기선을취해야한다 2 1 세션의연속관측시간은최소 2 시간 ( 기본측량은 4 시간 ) 이상으로한다 3 각세션의관측간격은 4 시간이상으로한다 4 관측데이터취득간격 ( 에포크 :Epoch) 은 30" 이내로한다 5 관측시 GPS 안테나는동일한방향 ( 통상북방향 ) 으로향한다 6 관측시 GPS 안테나고는 mm 단위까지측정하여입력한다 (6) Static 과 Kinematic 후처리간섭측위법에는 Static 방식과 Kinematic 방식이있으며그차이점은다음과같다 1 정적간섭측위 ( Static Survey ) ㆍ기선을포함한복수의지점에같은종류의수신기를설치, 최소 30 분에서수시간동안연속관측하여불명확상수를소거함으로써각지점간의기선벡터를구하는방법이다ㆍ정밀기준점측량에적용된다ㆍ 3 차원적으로 cm 의정확도가구해진다 2 키네마틱측위 ( Kinematic Survey ) ㆍ정적간섭측위와달리사전에미리불명확한상수를소거한후기지점에한대의수신기를고정시키고다른한대의수신기로미지점을이동하면서수초또는수분간씩관측하여기선벡터를구하는방법이다ㆍ정확도가수 cm 내외로서기본설계측량등의비교적정밀도가낮은기준점측량이나지형측량등에활용된다ㆍ불명확상수를소거 ( 정수치바이어스를확정 ) 하기위하여일반적으로기지점으로부터출발하는데우선위치를정확히알고있는 2 점에서수신을개시함으로서거리차의불명확상수를결정하여정수치바이어스를확정한다
(7) WGS 84 좌표계 ( World Geodetic System 84 ) GPS 에의해측정되는좌표는 WGS84 좌표계에의한지심좌표계로서현재우리가사용하고있는벳셀타원체에준거한경위도좌표계와는지역에따라약 750m 정도의차이가발생한다따라서 GPS 측량시는 WGS84 좌표계를우리나라측지계로의변환이필요하다 1 후처리측량시ㆍ최초의고정점 ( 기지점 ) 은국가삼각점을사용하며 WGS 84 좌표계로변환시킨것이어야한다ㆍ우리나라좌표계를 WGS84 좌표계로변환시 VLBI 를이용한우리나라의원점이동량은 dx=-114.2565m, dy=+459.8065m, dz=+646.9485m 이다 2 실시간측량시ㆍ 7parameter, MRE, Molodensky 법등여러가지좌표변환방식이있으며주로 7parameter 법에의한실시간좌표변환프로그램이사용되고있다
GPS 수신기는크게나누어 1 주파형과 2 주파형으로구분되며무선모뎀및 RTK 프로그램 장착여부에따라후처리용과실시간처리용으로세분할수있다. 구 분 1 주파형 GPS 후처리용 DGPS RTK / DGPS 용 사용위성신호 L1 반송파 C/A 코드 L1 반송파 초기화시간 즉식 즉시 15 분 무선모뎀 불필요 필수 필수 정 확 도 1) 후처리시 5mm + 1ppm 불가 5mm + 1ppm 2) 실시간처리시 20cm ~ 1m 1 ~ 3cm 측량가능범위 1) 후처리시 10km 이내 10km 이내 10km 이내 2) 실시간처리시 특 징 1. 위성신호중 L1 파만사용 2. 10km 이상의거리측정시위성신호가전리층을통과할때의전파지연으로인해오차가커지므로일반적으로 10km 이내에서의측량에적용한다 3. RTK 측량시초기화시간이길다 (15 분 ) 4. 고층건물, 가로수와같은장애물이많은지역에서는 RTK 측량시다음과같은사유로 GPS 장비가초기화를다시해야하므로이런현상이잦은도심지측량에는다소불편하다 1 건물가로수등에의해싸이클슬립이발생되어위성신호가단절되는경우 2 무선모뎀신호가방해전파나장애물에의해차단되어위치보정신호의수신이불량한경우 5. 주로장애물이적은해상, 농림지, 소도시지역에서사용된다 ㆍ 10km 이내에서의 ㆍ해상에서의수심측량 ㆍ장애물이비교적 기준점, 도근점, ㆍ허용오차가비교적 적은지역에서의 GCP 측량 큰분야의 GIS 측량 실시간매핑 용 도 ㆍ Car Navigation ㆍ ITS 분야 ㆍ 10km 이내에서의기준점, 도근점, GCP 측량 ( 단, 후처리방식으로 ) ㆍ정밀해상공사측량
구 분 후처리용 2 주파형 GPS RTK / DGPS 용 사용위성신호 L1/L2 반송파 L1/L2 반송파 초기화시간 즉시 30 초 무선모뎀 불필요 필수 정 확 도 1) 후처리시 5mm + 1ppm 5mm + 1ppm 2) 실시간처리시 1 ~ 2cm 측량가능범위 1) 후처리시 10km 이상 10km 이상 2) 실시간처리시 무선모뎀성능에따라 2km~40km 특 징 1. 위성신호중 L1/L2 파를모두사용 2. L2 파에서전리층지연오차를보정하므로 10km 이상의장거리측량에적용한다 3. 초기화시간이매우짧다 (30 초이내 ) 4. 도심지측량, 항타측량과같이주변에장애물이많은경우 GPS 장비가초기화를다시하더라도대기시간이짧아즉시측량작업에임할수있다 5. 도심지에서의측량에주로사용된다 ㆍ도심지에서의실시간매핑및 GIS 측량 ㆍ 10km 이상의장거리기준점측량 ㆍ육상공사측량 용 도 ㆍ후처리구조물변위계측 ㆍ항타등의정밀해상공사측량 ㆍ 10km 이상의장거리기준점측량 ㆍ실시간구조물변위계측 1) 비콘형 DGPS ( Beacon DGPS ) 선박의안전운항을목적으로해양수산부에서설치한비콘기지국에서방송하는위치보정데이타를수신하여이동국 GPS 한대만으로 1~3cm 의정확도로위치를측정할수있는실시간 GPS 장비임 2) 휴대용 GPS ( Hand-Held GPS ) 소형 GPS 로서휴대가간편하며약 5m~15m 정도의위치측정이가능하여주로답사나측량계획용으로사용됨
GIS 분야 지적측량분야 ㆍ실시간매핑ㆍ수치지도제작및갱신ㆍ지하시설물위치측량ㆍ도로시설물위치측량ㆍ각종 GIS 측량농업, 어업, 임업분야 ㆍ경계측량ㆍ경계복원측량ㆍ토지분할측량ㆍ지적현황측량ㆍ수치지적도작성 환경및생태분야 자원및지질분야 문화재, 고고학분야 생물학분야 방재관리분야 공사측량분야 해상공사분야 ㆍ도근점측량 ㆍ수심측량 ㆍ도로, 철도등의선형및구조물측량 ㆍ해상항타측량 ㆍ토공측량 ㆍ우물통거치측량 ㆍ단지측량 ㆍ보링위치측량 ㆍ관로공사측량 ( 후처리방법 ) ㆍ부표설치측량 ㆍ토공장비운전유도 계측분야 ㆍ해안선측량 수치지도제작및갱신분야
ㆍ교량계측 ㆍ실시간매핑기법을이용한 ㆍ대절토부사면계측 수치지도보완및갱신 ㆍ기타구조물변위계측 ㆍ GPS Van 에적용 ㆍ매립지침하계측 ㆍ각종방재시스템 CNS 및 ITS 분야 ㆍ Car Navigation ( 차량항법시스템 ) ㆍ원격탐측분야의 GCP 측량 기타분야 ㆍ Intelligent Transport System ㆍ항만하역크레인위치유도 ( 인공지능교통정보체계 ) ㆍ공사현장차량관리시스템 ㆍ해양조사측량 1998 년 8 월서해안 ( 팔미도, 어청도 ) 지역을시작으로 2002 년 11 월소청도, 소흑산도, 저진지역의기준국이추가적으로설치운영되고있습니다. 이로써현재운영되고있는기준국은 < 팔미도, 어청도, 마라도, 거문도, 영도, 호미곶, 주문진, 울릉도, 소청도, 저진, 소흑산도 > 로총 11 지역입니다.