GPS 개요

개요

위성 위치 확인 시스템 (GPS)은 미국 국방부에서 구축하고 유지하는 전파 탐지 표준입니다. 본 시스템은 초기에 국방 어플리케이션을 위해 제작되었으나 차츰 민간용으로 확대되고 있습니다. 본 문서는 GPS 위성 신호를 네비게이션에 사용하는 방법을 살펴봅니다.

본 문서는 무선 표준 기술 백서 시리즈의 일부입니다.

1. GPS 신호

각 GPS 위성은 두 개의 주파수 대역인 L1 (1575.42 MHz)과 L2 (1227.60 MHz)에 대한 신호를 전송합니다. L1 대역에는 모든 사용자들에게 사용가능한 SP (standard positioning) 코드가 있으며, C/A 코드 (사인 코드로 사용됨)와 Precision (P) 코드가 통합되어 있습니다. L2 대역에는 변조된 P 코드가 있으며, 전리층 (ionospheric) 지연을 측정하는 데 사용되며 이 때 정밀 위치 서비스가 사용가능하면 정확도가 증대됩니다. 현대식 상업 GPS 신호에는 L2 신호가 있어 L2 대역에서 필요로 하는 기기 없이도 전리층 지연을 측정할 수 있습니다.

GPS 데이터

GPS 데이터 신호는 각 1500 비트 길이 (프레임)이며, 초당 50 비트로 전송됩니다. 총 12.5분 후에 전체 데이터 세트가 전송됩니다. 본 프레임은 서브프레임 (300 비트)과 워드 (30 비트)로 나뉘어집니다. 각 서브프레임에는 정확한 위치 정보를 제공하기 위해 수신기에 유용한 네비게이션 정보가 있습니다.

위성 시간 정보는 위성 전송 시간과 시간 정정에 필요한 데이터로 구성됩니다. 각 위성 신호의 지연이 알려져 있는지 보장하기 위해 평균 전리층 데이터가 제공되어 위성 신호의 대략적인 위상 지연이 모든 위치/시각에서 수신기에 전달됩니다.

또한 각 위성은 위치 정보 (ephemeris) 또는 정밀한 궤도 데이터를 전송합니다. 컨트롤 스테이션에서 수신한 본 데이터는 매시간 업데이트됩니다. 본 데이터는 중요한 에러 없이 최고 4시간 동안 유효합니다. 본 데이터는 특정 시간에 위성의 위치를 계산하는 데 사용됩니다. 모든 궤도 위성의 궤도 정보 (almanac) 데이터는 신속하게 수신기를 시작할 때 유용합니다. 본 데이터는 모든 GPS 위성의 대략적인 궤도 데이터입니다. 본 데이터와 위치 정보 (ephemeris)간의 차이는 데이터의 정확도입니다. LabVIEW용 NI GPS Simulation Toolkit을 사용하여 GPS 신호를 시뮬레이션할 수 있다는 것을 참고하십시오. 더욱 자세한 정보는 GPS 수신기 테스트를 참조하십시오.

신호 구조

각 위성에는 밀리초마다 반복하는 1023 PRN (pseudorandom noise) 비트로 구성되는 고유 식별자 (C/A 코드)가 있습니다. 본 사인 코드는 배타 논리합 연산 (exclusive-or operation)을 사용하여 데이터 신호를 변조합니다. 그 후 신호는 2진 위상 편이 방식 (BPSK)을 사용하여 L1 대역으로 변조됩니다. 본 사인 코드는 사용자의 위치를 계산하기 위해 수신기가 사용합니다.

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2. 위치 계산

각 GPS 수신기는 특정 위성을 위한 C/A를 생성하며 수신되는 신호의 본 데이터를 상호연계합니다. 특정 위성과 수신기간의 상호연계가 발견되면 신호의 지연이 계산됩니다. (약 67 ms) 본 시간을 빛의 속도와 곱하여 수신기와 위성간의 위치를 파악합니다.

t_measured는 수신기가 측정하는 지연이고, t_actual는 실제 신호 전환 시간이며, t_error는 클럭의 결함으로부터 유도된 에러입니다.

위성 온보드 원자 시계는 정밀하고 동기화된 신호를 생성하며 수신기에는 정확도가 떨어지는 클럭이 있습니다. 위성 클럭과 수신기 클럭의 속도간에 작은 에러가 존재하기 때문에 수신기가 측정한 시간 지연은 실제 이동 시간과 수신기에 의해 생긴 시간 에러로 구성됩니다. 빛의 속도 (c)를 곱한 전체 시간은 PSR (pseudorange)로 알려져있습니다. 각 PSR (pseudorange)에는 사용자로부터 위성까지의 실제 거리와 수신기 클럭에서 생긴 일부 에러가 있습니다.

4개의 위치에 대한 PSR을 찾고 X, Y, Z 및 시간 에러에 대한 4개의 개별 등식을 풀면 사용자의 위치 (X, Y, Z)를 알 수 있습니다. 위성의 위치는 수신기의 가시 영역 내에서 각 위성에 대한 기록된 위치 정보 (ephemeris)와 궤도 정보 (almanac) 데이터를 통해 알 수 있습니다.

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3. GPS 테스트

수신기의 비이상적인 클럭에서 발생한 에러 이외에도 다른 소스의 에러가 발생하여 GPS 측정의 정밀도에 영향을 줄 수 있습니다. GPS를 테스트할 때 여러 요소가 신호의 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.

대기 영향

GPS 신호가 빛의 속도로 이동한다고 생각할 수 있습니다. 신호는 반드시 대기 (전리층)를 통해 이동하므로, 속도는 빗나가고 더 큰 시간 지연이 유발됩니다. 데이터 코드 내에서 전송된 전리층의 데이터 대기 지연의 약 70 ns에 해당하므로, 잔여 에러의 10 m이 남게됩니다. 정확한 전리층 정보가 없으면 위치의 정확도는 감퇴됩니다.

가시성

가시성이 떨어지면 수신된 GPS 신호의 감도 또한 대폭 줄어듭니다. L1 대역의 경우 그라운드 레벨에서 위성이 제공한 최소의 신호 세기는 -130 dBm입니다. 플라스틱과 같은 물질은 신호를 저하시킵니다.

다중 경로 에러 (multipath error)

수신기 근처의 표면으로부터 반사된 신호는 위성으로부터 직선 경로로 오는 신호를 방해하거나 착각을 일으킬 수도 있습니다. 여러 경로는 감지하기 어렵고 피하기 어려울 때가 있습니다. 보통 약 0.5 m의 정확도가 줄어듭니다.

선택적 사용성 (Selective Availability)

선택적 사용성은 그라운드의 모니터링 스테이션에서 컨트롤됩니다. C/A 코드는 시변 신호 (매우 낮은 주파수)로 의도적으로 편향되므로, 수신기 생성된 C/A 코드와 수신된 C/A 코드간 상호연계를 줄입니다. 신호 주파수를 낮게 유지하면 의도적인 에러는 여러 시간 동안 측정을 평균화하지 않고서는 평균화되지 않습니다.

휴먼 에러 (human error)

컨트롤 부분과 수신기에서 보내진 적절치 않은 데이터 (하드웨어 및 소프트웨어 에러 모두)는 위치 에러를 유발합니다. 이 같은 실수는 몇 미터에서 수 백 킬로미터에 달하는 정도의 정확도를 감퇴시킵니다.