GPS 소개

1. GPS 소개 자동항법 시스템

2. Ⅰ자동항법시스템의 구현 방법

3. 1. GPS의 개념 • "범 지구 측위시스템 (Global Positioning System; GPS)은 미국 정부가 1970년대초반부터 개발에 착수하여 약 60억불의 예산을 투자하여 구축한 항법지원시스템으로 "지상, 해상, 공중 등 지구상의 어느곳에서나 시간 제약 없이 인공위성에서 발신하는 정보를 수신하여 정지 또는 이동체의 위치를 측정할 수 있도록 인공위성군, 지상제어국, 사용자의 3부분으로 구성되어 있는 전천후 위성 측정 시스템" 이라고 정의할 수 있다. GPS(Global Positioning System)는 최기에는 군사목적으로 개발을 시작하였으나 GPS신호의 일부를 민간인이 사용할 수 있도록 하는 것을 전제로 미의회가 예산을 승인 하게 되어 GPS신호중 L1, C/A 코드는 민간인에게도 개방되었다. GPS 위성에서 방송하는 C/A 코드를 이용하면 전 세계 어디에서나 전천후로 24시간 측위가 가능하며, 그 정확도는 약 100m 정도이다.

4. 2. GPS의 역사 • 1950년대 후반과 1960년대 초기에 걸쳐 미 해군은 위성에 기초한 두 종류의 측량 및 항해 체계를 마련하였다. : 트랜짓(Transit)이라고 불리워진 시스템은 1964년부터 가동되기 시작하였고 1969년에 일반에게 공개되었다. 한편 티메이션(Timation)은 위성에 기초한 측량 및 항해 체계의 원형으로만 자리잡았을뿐 실행에 옮겨지지 못하였다. • 때를 같이하여 시스템 621B 라고 일컬어지는 계획을 미 공군에서 착수하였는데 1973년에 미 국방차관이 해군에서 계획했던 티메이션(Timation)과 시스템 621B를 동합할것을 지시하였고 이것이 DNSS(Defense Navigation Satellite System)으로 명명되었으며. 후에 Navstar(Navigation System with Timing And Ranging) GPS로 발전되었다. • 위성 항해 개념의 검증을 위한 1단계가 1970년대에 착수되었는데 최초로 위성이 제작되고 여러 실험이 행해졌다. 1977년 6월에 최초로 기능을 수행할 수 있는 Navstar 위성이 발사되었고 NTS-2(Navigation Technology Satellite 2)라고 불 리워졌다.

5. 2. GPS의 역사 • NTS-2는 단지 7달 동안만 운영되었으나 위성에 기초한 항해 이론이 타당함을 입증하였고 1978년 2월 최초의 Block I 위성이 발사되었다. 1979년에 2 단계로 전체 규모의 설계와 검층이 행해졌는데 9개의 Block I 위성이 이후 6년 동안 추가로 발사되었다. 3 단계는 1985년 말에 2 세대의 Block II 위성이 제작되면서 시작하였다. • GPS 신호의 민간 수신은 1983년 소련에 의한 한국 항공기 KAL-007기의 격추 사건을 계기로 1984년 레이건 대통령이 공식 선언하였다.

6. Ⅱ 자동항법시스템의 구현 원리

7. 1. 기본 개념 • GPS(Global Positioning System) 가 어떠한 원리로 작동되는가를 이해하는 것은 개념적으로 매우 단순하다.근본적으로 GPS는 삼각측량의 원리를 사용하는데 전형적인 삼각측량에서는알려지지 않은 지점의 위치가 그 점을 제외한 두 각의 크기와 그 사이 변의 길이를측정함으로 결정되는데 반해 GPS에서는 알고싶은 점을 사이에 두고있는 두 변의길이를 측정함으로 미지의 점의 위치를 결정한다는 것이 고전적인 삼각측량과의차이점이라 할 수 있겠다. • 인공위성으로부터 수신기까지의 거리는 각 위성에서 발생시키는 부호 신호의 발생시점과 수신 시점의 시간 차이를 측정한 다음 여기에 빛의 속도를 곱하여 계산한다. • 거리 = 빛의속도 * 경과시간 • 실제로 위성의 위치를 기준으로 수신기의 위치를 결정하기 위해서는 이 거리 자료 이외에도 위성의 정확한 위치를 알아야 하는데 이 위성의 위치를 계산하는데는 GPS위성으로부터 전송되는 궤도력을 사용한다.

8. GPS의 3가지 영역가) 우주 부문(Space Segment) • GPS 우주 부문은 모두 24개의 위성으로 구성되는데 이 중 21개가 항법에 사용되며 3개의 위성은 예비용으로 배치된다. 모든 위성은 고도 20,200 km 상공에서 12시간을 주기로 지구 주위를 돌고 있으며 궤도면은 지구의 적도면과 55의 각도를 이루고 있다. 모두 6개의 궤도은 60도씩 떨어져 있고 한 궤도면에는 4개의 위성이 위치한다. • 이와 같이 GPS 위성을 지구 궤도상에 배치하는 것은 지구상 어느 지점에서나 동시에 5개에서 최대 8개까지 위성을 볼 수 있게 하기 위함이다. • 현재의 GPS 위성들은 미국의 Rockwell 사에서 제작되고 있으며 가격은 위성 한 대 당 약 4천말 달러이다. 한편 위성을 궤도에 진입시키는데 드는 발사비용은 위성 한 대 가격의 약 1/4인 1천말 달러로써 지금까지 GPS 체계를 유지하는데 미 국방성에서 투자한 금액은 100억 달러 이상이다. 각 위성의 무게 900kg 정도로 태양 전지판을 완전히 펼쳤을 경우 폭이 약 5m 로 아래의 사진에서 SV3 의 모습을 볼 수 있다.

9. 나) 관제 부문(Control Segment) • GPS의 관제는 하나의 주 관제국(MCS: Master Control Station)과 무인으로 운영되는 다섯개의 부 관제국(Monitor Station)으로 구성된다. 주 관제국은 미국 콜로라도 스프링의 팰콘 공군기지에 위치해있고 부 관제국들은 전세계에 나뉘어져 배치되어있다. 한편 이들 관제국 이외에 적도면을 따라 일정한 간격으로 위치하고 있는 3개의 지상 안테나를 운영하고 있으며 유사시 주 관제국을 대신할수 있는 두개의 예비 주 관제국을 하나는 캘리포니아의 써니베일, 다른 하나는 메릴랜드의 락빌에 두고 있다. • 무인으로 운영되는 부 관제국들은 주어진 시간에 관측할 수 있는 모든.GPS 위성의 신호를 추적, 신호를 저장한 다음 주 관제국으로 전송하게 되는데 이 통신 시설을 DSCS(Defense Satellite Communication System)이라고 부른다. 이렇게 여러 부 관제국에서 보내온 자료를 주 관제국에서는 방송궤도력(Broadcast Ephemerides)과 위성에 있는 원자시계 오차(Clock-bias)를 추정하는데 사용하며 결과를 주기적으로 GPS 위성으로 전송하게 된다.

10. 다) 사용자 부문(User Segment) • GPS의 사용자 부문은 GPS 수신기와 사용자 단체로 이루어진다. GPS 수신기는 위성으로부터 수신 받은 신호를 처리하여 수신기의 위치와 속도, 시간을 계산하는데 4개 이상 위성의 동시관측을 필요로 한다. 이것은 3차원 좌표와 시간이 합쳐져 4개의 미지수를 결정해야 하기 때문이다. GPS 수신기는 현재 항해와, 위치 측량, 시간 보정 등 다양한 분야에 이용되고있다.

11. 2) GPS의 신호 • 각 위성은 두 가지의 다른 주파수의 신호를 동시에 발생시키는데 L1 반송파라고 알려진 1.57542 GHz 주파수와 와 L2 반송파라고 불리워지는 1.2276 GHz 주파수의 신호로 구성되어있다. 이러한 반송파에 중첩되는 정보는 PRN (Pseudo-Random Noise)부호와 항법메세지로(Navigation Message) 이루어진다. PRN 부호는 각 위성마다 유일하도록 서로 다르며 이진 부호로 구성되는데 매우 길고 복잡하기 때문에 신호 자체만 보았을 때는 의미를 파악할 수 없다. 사실상 PRN 부호는 어떠한 정보를 담고 있는 것이 아니라 이름에서 알 수 있듯이(Random Noise) 어떠한 규칙에 의해 만들어지는 불규칙한 이진 수열로써 위성까지를 거리를 측정하는데 사용되어지기 위한 것이다. • 이 PRN 부호는 다시 두 종류의 부호로 나누어 지는데 Coasrse Acquisition 이라고 불리워지는 C/A 부호는 민간 신호라고도 이야기 되며 특별히 허락 받지않은 개인이나 단체도 이용할 수 있으나 P 부호(Precise code) 는 신호의 암호화가 이루어 지므로 이용을 위해서는 허가가 필요하다.

12. 3) GPS의 정밀도 • GPS에 의해 제공되는 측량과 항법의 정밀도는 사용하는 신호와 자료 처리 방법에따라 천차 만별이다. 정밀도가 낮은 단독측위 방법은 주로 항법에 쓰이며, DGPS, 후처리 상대측위 기법 그리고 실시각 이동측위(RTK) 기법은 정밀도가 높아 측량에 이용된다.

13. 가) 단독 측위 • GPS 수신기 1대를 사용해서 위치를 측정하는 단독측위 방법은 코드를 이용하며 C/A 코드와 P 코드 중 어느것을 사용하느냐에 따라 다음과 같이 두 가지로 나누어 생각할 수 있으며 가장 낮은 정밀도를 보인다.

14. ① Standard Positioning System(SPS) • 민간 이용자들은 SPS 를 무료로 제한없이 수신받을 수 있다. 대부분의 수신기는 SPS 신호를 받을 수 있도록 되어있으며 SPS 의 정밀도는 미 국방성의 정책에 의해 고의적으로 제한된다. SPS 의 예상되는 정밀도는 다음과 같다. • 수평 100 m • 수직 156 m • 시간 167 nanosecond • 이 수치들은 95% 정밀도내의 오차를 말하는 것이다.

15. ② Precise Positioning System(PPS) • 암호 해독 장치를 갖춘 허가된 사용자만이 특별히 고안된 수신기를 이용하여 PPS를 수신할 수 있다. 미 군과 연합군, 일부 미국 정부 기관, 기타 미 정부로부터 선택된 민간 사용자들이 대상이 되며 PPS를 사용할 경우 정밀도는 • 수평 17.8 m • 수직 27.7 m • 시간 100 nanosecond 이다.

16. 나) GPS 측위기법의 정밀도 비교 • 단독측위와 DGPS에 비해서 후처리 상대측위나 실시각 이동측위(RTK) 방법은 훨씬 높은 정밀도를 보여준다. 상대측위의 방법은 실시각 감시가 불가능한 반면에 1년 이상의 장기적인 측정을 할 경우 수 mm의 정밀도로 측정할 수 있다. 실시각 이동측위의 경우에는 실시각으로 1cm - 2cm의 정밀도로 측정이 가능하다.

17. 다) DGPS(Differential GPS) • C/A 코드 하나만 사용할 경우 10-30 meter 이상의 정밀도로 위치를 결정하는 것은 현실적으로 불가능 한데 이것은 수신기가 결정하는 위성까지의 거리자료에 여러가지 오차 요인이 복합적으로 영향을 미치기 때문이다. 특히 미 국방성에서 고의로 민간 GPS 이용의 정밀도를 저하시키기 위한 SA(Selective Availability) 가 시행중일때는 이보다 더욱 정밀도가 떨어지게 되는데 단독으로 작동되는 수신기가 자신이 계산하고 있는 위치 정보가 틀린지 맞는지를 판단 할 수 있는 방법이 없다. 만약 어떤 제 2의 장치가 수신기 근처에 존재하여 지금 현재 수신받는 자료가 얼마만큼 빗나간 양이라는것을 수신기에게 알려줄 수 만 있다면 위치결정의 오차를 극소화 시킬수 있는데 바로 이 방법이 Differential GPS 또는 DGPS 라고 불리워지는 기술이다.

18. ① DGPS 가 필요한 이유 • GPS 는 현재까지 개발된 전파에 기반을 둔 항법 체계중 가장 정확한 정보를 제공한다. 현재 실제로 많은 응용분야에 있어서도 기본적인 GPS만으로 충분한 정밀도를 제공하기는 하지만 좀더 향상된 정확도를 가지는 체계를 마련하기위해서 Differential GPS 라는 방법이 고안되었다. DGPS 체계는 기본 GPS에 수반하는 여러 오차요인을 제거함으로써 움직이는 물체 에 있어서는 수 m, 정지한 대상에 대해서는 1 m 이내의 위치 측정을 가능하게 만들어준다. 기본 GPS 에 비해 괄목할만한 정밀도를 제공하는 DGPS 는 GPS 가 배나 비행기의 항법에만 사용될수 있을 뿐만아니라 자동차 및 정밀성이 요구되는 측지등에 까지 응용될수 있는 길을 마련하였다.

19. ② 작동 원리 • DGPS는 두 개의 GPS 수신기를 필요로 한다. 하나의 수신기는 정지해있고(Stationary) 다른 하나는 이동을(roving) 하면서 위치측정을 시행한다. 정지한 수신기가 바로 DGPS 개념의 핵심이 되는것으로 이 정지된 수신기는 실제 위성을 이용한 측정값과 이미 정밀하게 결정된 실제 값과의 차이를 계산한다.

20. ③ DGPS의 종류 ㉮ 후처리(Post Processing) DGPS • 모든 DGPS 응용분야에 있어서 실시간으로 정밀한 위치측정을 수행해야 하는 것은 아니다. 이를테면 새로 건설한 도로를 지도에 삽입하고자 할때는 관측이 먼저 행해지고 이때 저장했던 측량자료를 후처리 하여 위치를 계산할 경우도 있다. 이때 이동하는 수신기는 위성 신호의 수신 자료와 시간만 저장하며 기준국은 동시에 보정값들을 계산하여 저장한다. 측량이 종료된 후 자료를 보정값을 이용하여 후처리하면 정밀한 위치정보를 획득할 수 있다. 이럴경우 기준 수신기와 이동 수신기간의 전파를 이용한 연결(Radio Link)은 필요하지않으며 근처에 직접 보정값을 받을수 있는 기지국이 없어도 가능하다. 현재 인터넷을 이용한 보정값 전송방법이 활발한 연구 가운데 있다. • 2개의 수신기는 같은 시간에 같은 인공위성으로 부터 자료를 수신 받아야 한다. 이동 수신기에서 자료가 다 모아지면 기준 수신기는 작동을 멈추고 두 수신기에서 모아진 자료는 컴퓨터로 다운로드 된다. 이때 다운로드 된 자료는 수신기 제작 회사별로 형식이 다름으로 각 회사의 다른 형식에 상관없이 이용할수 있는 RINEX(Receiver INdependent EXchange) 표준형식으로 바꿔서 전송된다. 후처리를 하여야만 DGPS위치를 얻을 수 있기 때문에 GIS용 데이타 취득에 이용되며, 수도관, 가스관, 전신주조사등에도 손쉽게 이용할 수 있다

21. ㉯ 실시각(Real-Time) DGPS • 때때로 실시각으로 보정되어진 자료들은 그 즉시 이용해야 될 경우가 있다. 현장에서 정확한 위치를 구할 수 있기 때문에 해양측 량, 도로보수공사, 지하매설물 보수공사등의 분야에 응용된다 기본적 개념은 후처리 DGPS와 같지만 차이점은 후처리에서 2개의 수신기에서 수신된 데이타가 나중에 프로세싱을 위해 다운로드 되는것과 달리 수신기가 수신을 받는 즉시 기준 수신기는 보정값을 계산해서 바로 이동 수신기로 전송을 한다. • 이때 기준 수신기에서 이동 수신기로 전송방법은 라디오 수신기를 통하거나 전송시간은 빠르나 비용이 많이드는 셀룰라 전화선을 통해서 전송하는 방법이 있다. • 실시각 DGPS에서 가장 널리 사용되는 표준형식을 RTCM SC-104((Maritime Service Special Committee 104) 또는 간단히 RTCM 이라고 한다.

22. ㉰ 후처리와 실시각의 비교

23. ㉱ Inverted DGPS • 버스회사를 운영하고 있고 매 순간마다 각 버스들이 어디에 위치해 있는지를 비교적 정확하게 알고 싶은 경우 가장 쉬운 방법은 각 버스마다 DGPS 수신기를 장착하고 매순간 자신의 정확한 위치정보를 관리국에 전송하는것이다. 그러나 DGPS 가 가능한 수신기의 단가가 매우 비싸기 때문에 전 차량에 설치하는데는 많은 비용이 소요될것이다. 좀더 저렴한 방법으로 이런 체계를 가능하게 하기 위해 고안된 방법이 Inverted DGPS 이다. • 각차량에는 일반 GPS 수신기를 장착하되 매 순간 각 차량은 자신의 위치정보를 관리국에 전송하게 된다. 이때 관리국에 DGPS 의 기준이 되는 수신기가 설치되어 있다면 각 버스에서 전송한 위치자료를 보정할수있고 보정된 정확한 각 버스들의 위치정보를 지도에 표현할수 있다. 이런 체계를 구축하는데는 차량 수만큼의 일반 수신기와 차량에서 관리국까지의 전송시스템, 1 대의 기준 수신기와 보정값을 계산하는데 필요한 컴퓨터가 필요하므로 모든 차량에 DGPS 수신기를 장착하는 것 보다는 훨씬 저렴할수 있다.

24. 2. 오차의 발생 • GPS 수신기는 4개 이상의 위성으로부터 시각정보를 담은 신호를 수신받아 위치측정에 이용한다. 신호가 위성에서 수신기까지 이르는 동안 거치는 여러 오차 요인으로 인하여 이 신호는 정확도가 떨어지게 되는데 각 위성의 신호가 이런식으로 오차를 포함하고 있으므로 이들을 이용하여 계산한 위치 정보도 어쩔수 없이 오차를 수반하기 마련이다.

25. 1) 동일한 오차 조건 • 인공위성은 지표면으로부터 상당히 먼거리에 위치하므로 지표상에서 우리가 이동하는 거리는 상대적으로 작은 길이가 된다. • 그림에서 보는 바와 같이 두 수신기가 수백 km 이내의 거리에 있다면 위성의 신호는 거의 같은 경로로 수신기까지 도달하게 되고 동일한 오차를 수반하게 된다. 결국 두 개의 수신기는 같은 조건하에 놓인다고 볼수있다.

26. 2) 기준점에서의 오차측정 • 만약 자신의 정확한 위치를 알고 있는 수신기로 하여금 위성으로 부터 계산한 값과 비교하여 오차를 계산하도록 만들고 이것을 움직이고 있는 다른 수신기에 전달할수만 있다면 결과적으로 신호경로에 수반되는 오차를 제거하는것이된다. 이러한 오차 상쇄 효과는 비단 신호 경로에서 비롯하는 오차뿐만 아니라 미 국방성에서 정밀도의 저하를 위해 고의로 실시하는 SA(Selective Availability)까지도 극복할수 있도록 만들어 준다.

27. 3) 기준점에서 오차측정의 원리 • 여러차례의 측지를 통하여 위치가 정확히 알려진 지점에 기준 수신기를 배치시킨다. 이 수신기는 움직이는 수신기와 동일한 위성신호를 받지만 일반 수신기와는 다른 방식의 계산(역으로 방정식을 거슬러 올라가는)을 수행한다. 즉 위성의 신호로부터 위치를 계산하는 대신에 이미 정확하게 알려진 그 지점의 위치를 이용하여 신호의 값을 추정하고 이것을 수신받은 신호와 비교한다. 바로 이 차이가 보정값이 된다. 이러한 보정값을 기준계에서 움직이는 수신기에 전송하며 이동하는 수신기는 이 보정값을 이용하여 자신의 위치 측정값을 수정한다.

28. 4) 기준점은 이용할수있는 모든 위성에 대하여 보정값을 계산 • 이동중인 수신기가 이용할수 있는 위성중 어느것을 위치계산에 사용할지를 기준국에서는 알수가 없으므로 기준점 수신기는 가능한 모든 위성신호를 받아 각 위성의 보정값을 계산한다. 이 보정값을 표준 형식으로 전환한다음 이동중인 수신기로 전송한다.

29. 3. 오차의 원인과 크기 • GPS 위치측정의 정확성을 떨어뜨리는 요소들은 크게 3부분으로 나눌수 있다. 첫째 구조적 요인으로 생기는 오차로는 인공위성 시간 오차, 인공위성 위치 오차, 전리층과 대류층의 굴절, 잡음(Noise), 다중 경로(Multipath)등이 있다. 두 번째로는 위성의 배치상황에 따른 기하학적 오차가 있으며 마지막으로 가장 큰 오차 원인인 SA(Selective Availability) 가 있다. 이 요소들이 모두 잠재적으로 합쳐져서 매우 큰 오차 결과를 낳는데 이것을 UERE(User Equivalent Range Error) 라고 한다. 각 오차들은 시간과 장소에 따라서 매우 크게 변한다. 다음은 각 오차들의 크기를 나타낸 것이다. • 인공위성 시간 오차 0-1.5 m • 인공위성 위치 오차 1- 5 m • 전리층의 굴절 0-30 m • 대류층의 굴절 0-30 m • 수신기 잡음 0-10 m • 다중 경로(Multipath) 0-1 m • SA(Selective Availability) 0-70 m • C/A 코드 경우 모든 오차가 합쳐진 수평 오차는 SA 가 작동하지 않는 경우는 28 m 이고 작동하는 경우에는 100 m 이다.

30. 1) 구조적 오차 가) 위치 오차와 시간 오차 • 시간 오차와 위치 오차는 미 공군에서 계속 감시하고 오차를 매 시간마다 보정해주기 때문에 다른 오차들에 비해 상대적으로 적은 편이다. 그러나 인공위성이 본 궤도에서 약간이라도 이탈하는 경우가 생긴다면 그리고 오차 보정이 되지 않은 자료를 사용했다면 큰 오차를 가질 수도 있다.

31. 나) 전리층과 대류층의 굴절 • 우주 공간에서 라디오 파의 속도는 빛의 속도인 300,000 km/s 이다. 그러나 인공위성에서 오는 신호는 약 300 km 정도의 지구 대기를 통과해야만 한다. 전리층은 전기적으로 하전된 입자를 가지고 있는 층으로 약 50-200 km 사이에 위치하고 대류층은 우리가 일반적으로 대기라고 생각하는 층으로 8-16 km 고도에 위치하고 있다. 이 층들은 라디오파를 밑으로 잡아 끌어서 굴절시키는데 약간의 굴절도 상당한 영향을 줄수 있고 더구나 각 층의 굴절률이 다르기 때문에 양상은 더욱 복잡해진다. • 전리층에서는 하전된 입자들이 들어오는 신호를 끌어당겨서 굴절시키고 대류층에서는 다른 비율로 물방울들이 같은 역활을 한다. 이러한 문제들은 인공위성이 지평선으로 고도가 낮아질때 더욱 심해진다. 왜냐하면 인공위성에서 오는 신호은 더 두꺼운 대기층을 통과해서 들어와야 하기 때문이다.

32. 다) 전리층과 대류층의 굴절 • 이 문제를 해결하는데는 여러가지 방법이 있다. 첫째로 인공위성의 항법 메시지는 대기 굴절 모델을 포함하고 있어서 50-70% 의 오차를 해결할 수 있다. 더 효과적인 두번째 방법은 dual-frequency 수신기를 사용해서 동시에 L1 과 L2 반송파에 신호를 모으는 것이다. 굴절의 크기는 진동수에 반비례함으로 같은 대기를 같은 시간에 통과한 두 다른 진동수를 이용하면 굴절의 크기를 더 쉽게 계산 할 수 있다. 그러나 이 방법은 대류층의 굴절률이 진동수에 무관함으로 전리층에만 적용될 수 있다. 그러나 dual-frequency 수신기는 너무 비싸다는 단점이 있다. • 수신기 하나만으로 더 적은 비용을 가지고 할 수 있는 방법이 있다. 대부분 수신기는 사용자 입력으로 수평선 위로 어느 각도 밑에 있는 인공위성으로부터 오는 신호는 무시하도록 되어있다. 이 각도를 "Mask Angle" 이라고 한다. 이것의 단점은 mask angle 이 너무 높게 입력된 경우에는 최소 필요한 4개의 위성에 미달 될 수도 있다. 대부분 mask angle 은 15-20도 정도로 유지되게 설정되어 있다.

33. 라) 잡음(Noise) • 매우 약한 신호와 간섭을 일으켜서 수신기 자체에서 발생한다. 잡음은 각 신호기마다 다르지만 대부분 수신기는 잡음을 최소화 하기위한 내부 필터링 장치를 가지고 있다. PRN 코드 노이즈와 수신기 잡음이 합쳐져서 전체 잡음이 된다.

34. 마) 다중 경로(Multi-Path) 오차 • Multi-Path 신호는 인공위성에서 바로 오는 신호가 아니 반사되어 들어오는 신호를 받아들이는 것이다. 반사된 신호는 더 길어진 경로를 통해 인공위성에 들어옴으로 결과적으로 틀린 위치를 측정하게 된다. 그리고 신호의 세기도 약해짐으로 대부분 수신기는 신호의 세기를 비교해서 약한 신호를 제거함으로써 오차를 줄인다.

35. 2) 기하학적 오차 • 측위시 이용되는 위성들의 배치상황에 따라 오차가 증가하게 되는데, 이는 육상에서 독도법으로 위치를 낼때 적당 한 간격의 물표를 선택하여 독도법을 실시하면 오차삼각형이 적어져 서 위치가 정확해지고, 몰려있는 물표를 이용하는 경우 오차삼각형이 커져서 위치가 부정확해지는것과 마찬가지로 수신기 주위로 위성이 적당히 고르게 배치되어 있는 경우에 위치의 오차가 작아진다. 보이는 위성의 배치의 고른 정도를 DOP(Dilution of Precision) 이라고 한다. DOP의 값은 2보다 적은 경우는 매우 우수한 경우이고 2-3 값을 가지면 우수 4-5 값을 가지면 보통이고 6 이상이 되는 경우의 자료는 효용가치가 없다. • DOP의 종류는 여러가지가 있지만 가장 많이 사용되는것은 PDOP(Positional DOP) 라고 한다. GPS수신기는 관측된 데이타를 이용하여 PDOP를 계산하고, 이를 거리오차에 곱하면 측위 오차가 된다. 즉, (거리오차;Range Error) x (PDOP) = (측위오차)가 된다. • 따라서 대부분의 수신기는 PDOP가 작 은 위성의 조합을 선택하여 측위계산을 하고 이를 표시하도록 설계되어 있다. 최근 수신기의 성 능이 좋아서 PDOP가 3인 경우 위치오차는 대략 15m CEP (Circular Error Probability), 즉, 50%오차확율의 범위에서 평면으로 약15m정도이다.

36. 3) SA(Selective Availability) • SA 는 오차요소중 가장 큰 오차의 원인이다. 허가되지 않은 일반 사용자들이 일정 한도내로 정확성을 얻지 못하게 하기위해 고의적으로 인공위성의 시간에다 오차를 집어넣어서 95% 확률로 최대 100 m 까지 오차가 나게 만든 것을 말한다. • 걸프전때 많은 수의 민간 수신기들이 군에서 사용되어졌을때 전쟁이 끝날때까지만 미 국방부는 SA 의 작동을 중지했었다. 1996년 3월 29일 클린턴 대통령은 4년이내에 SA 의 작동은 영원히 중지될거라고 발표했었다. 그 시기는 아직 언제가 될지 정확히 말할수 없지만 GPS 사업 종사자들은 조만간 그 말이 실현될거라고 믿고있다.

37. Ⅲ 자동항법시스템의 실제 적

38. 1. 차량항법시스템 1) 차량항법시스템의 개념 • 차량항법시스템(Car Navigation System ; CNS)은 선박·항공기 등의 항법장치에 쓰이고 있는 초정밀 위치측정시스템[GPS(Global Positioning System)]을 차량용으로 개발한 것으로, 현재 지구 주위를 선회하는 24개의 GPS위성이 송신하는 데이터를 수신하여 운행중인 차량의 현재위치, 진행방향, 목적지까지의 최적경로, 각종 편의정보를 제공해 편안하고 안전한 운전환경을 제공한다.

39. 가) 자동차 부문 적용 현황 • 국내에서도 카 내비게이션 시스템(자동차 항법장치)이 본격적으로 선보인다. • 지난해 현대전자와 쌍용정보통신에서 카 내비게이션 시스템의 시판을 공식 발표한데 이어 LG정밀에서도 카 내비게이션 시스템을 시판하기 위해 준비 중에 있으며, 만도에서도 시제품을 완성, 곧 시판에 들어갈 계획이다. • 복잡한 길, 초행 길에 대한 고민 끝! • 전자지도 또는 전자길잡이라고 할 수 있는 자동차 항법장치인 카 내비게이션 시스템(CNS)이 실용화되어 국내에서도 본격적으로 선보이게 되었다. 현대전자와 쌍용정보통신이 먼저 시판을 시작했다. • 어린시절 누구나 한 번쯤은 머리 속으로 상상했던 '꿈의 자동차'가 현실로 우리들의 곁에 성큼 다가온 것이다. • 자동차 항법 시스템은 전자지도상에 차의 현재 위치와 목적지까지의 최단. 최적의 경로를 표시하는 첨단 단말기와 전자지도, GPS 위성으로 구성되어 있다. • .내비게이션 시스템은 가까운 일본에서는 비교적 보편화되어 있었으나, 국내는 물론 미국과 유럽 등지에서는 시범적으로 사용되었을 뿐 뚜렷한 시장 형성을 하고 있지 않았다.

40. .그러나 일본 시장의 성공(96년 시장규모 약 1조 5천억원)으로 각 나라에서는 자동차, 전자, 정보통신 등을 중심으로 자동차 항법 시스템 개발에 주력하고 있다...일본의 경우 94년 이후 3년연속 10대 빅 히트상품으로 선정, 약 100만대의 시장을 형성하고 있으며, 지난 96년 총 매출액이 약 1조 5천억원에 달하고 있다. 이에 미국은 ITS사업의 일환으로 다양한 CNS 프로젝트를 추진 중에 있으며, 유럽은 고급 차종을 중심으로 시장을 형성, 시장의 규모가 급속하게 확산되고 있다. • 이러한 세계적인 추세에 발맞추어 국내에서도 대기업 중심으로 CNS에 대한시장 형성이 초읽기에 들어갔다. • ..이처럼 국내의 대기업들이 경쟁적으로 자동차 항법 시스템 시장에 뛰어드는 것은 이 분야가 오는 2천년까지 1조원 이상의 고속성장이 예상되기 때문이다. • ..이와 관련해 업계의 한 관계자는 '국내 시장 패턴과 소비자들의 구매 성향은 일본과 흡사하다'고 전제하고, 98년 4/4분기에서 99년 1/4분기를 기점으로 폭발적인 시장을 형성, 오는 2천년에는 1조원 이상의 대형시장이 될 것으로 예상된다.

41. ..현대 HNS-2000은 GPS 위성으로부터 위치정보를 수신해 차에 설치된 CAR-TV나 AV시스템 화면의 지도상에 차의 현재 위치와 진행방향을 표시하고, 각종 편의정보를 제공하는 첨단 자동차 항법장치이다. • ..현대전자가 개발한 HNS-2000은 1장의 CD롬에 전국을 4단계로 나누고, 서울과 6대 도시는 5단계 레벨로 표시한 전국 도로망을 수록하고 있다. 동서남북을 8개방향으로 나눈 방향키를 이용해 전자지도의 화면을 자유롭게 확대, 축소 할 수 있다. 또한 주크박스(카오디오 공간)에 설치된 컬러 모니터의 전자지도를 통해 전국 어느 지역에서나 차의 현재 위치와 진행방향을 알 수 있다. • ..경유지를 설정해 운전하면 진행방향을 화살표와 음성안내로 안전하게 유도하며, 전국의 호텔과 골프장, 정비업소 등 40여가지의 위치 및 정보를 신속히 찾아볼 수 있다. 또한 주행 중에 지도의 방향이 자동적으로 전환되어 운전자가 혼돈할 염려가 없도록 남북 자동전환 기능을 가지고 있다. • ..특히 HNS-2000은 TV,AV시스템에 연결해 사용이 가능하기 때문에, 기존의 CAR-TV와 AV시스템을 소유하고 있던 사람들은 저렴한 가격에 자동차 항법시스템인 HNS-2000을 사용할 수가 있다. • ..현대 HNS-2000은 현재 뉴 그랜져에 장착 판매 중이며, 판매가격은 대당 119만 9천원이다.

42. .쌍용 인터로드는 자동차 운전석 앞에 설치된 모니터에서 인공위성을 이용한 위치 측정시스템(GPS)을 통해 차의 현재 위치를 확인한 후 데이터 베이스화된 전자지도상에서 목적지까지의 최적 경로와 함께 무선으로 수신되는 각종 교통상황정보를 운전자에게 전달해줌으로써 안전운전에 도움을 주는 첨단 장치이다. • ..쌍용정보통신이 개발한 인터로드는 CD롬으로 되어 있는 내비아트에 전자화된 전국지도(1:5만~1/500만까지 6단계축척)와 1:2천500~1/500만까지 10단계 축척의 서울, 부산, 대구 등 6대 광역시 상세지도가 들어 있으며, 전체 시스템을 운영하는 프로그램이 함께 저장되어 있다. 따라서 인터로드의 모든 기능은 내비아트에 의해 작동된다. • ..인터로드의 주요기능으로는 최적의 경로를 자동으로 표시해 주는 경로설정기능과 자동차의 이동상황을 보면서 길을 찾을 수 있는 자동 항법기능이 있다. 또한 주요공공 건물 등, 찾고 자하는 시설물을 지도상에 표시해 주는 검색기능이 있고 페이저(삐삐) 통신을 이용해 개인 호출정보, 교통정보, 증권정보 등 다양한 문자정보를 수신할 수 있다. • ..이외에도 자주 다니는 장소를 100개까지 등록할 수 있으며, TV와 오디오 기능 등을 포함하고 있다 • ..쌍용 인터로드는 현재 시판 중이며, 판매가격은 대당 198만원이다.

43. ..LG정밀에서 개발한 LCN 2005는 전국 어디서나 현재 위치와 주행방향, 주행 경로를 한눈에 알아볼 수 있는 시스템이다. 꽉 막힌 도심에서는 최적의 경로를 찾아주며, 전국의 호텔과 관광지, 주유소 등 50여가지의 각종 생활 편의 정보를 신속하게 탐색, 제공해 준다. • ..TV와 VTR, 캠코더, 게임기, 노래방 등 외부 영상기기와 연결해 사용할 수 있으며, 6인치 컬러 TFT LCD 화면을 적용하고 있다. 뿐만 아니라 LCN 2005는 터널이나 빌딩 숲속에서도 정밀한 위치 측정을 할 수 있도록 위성항법과 자립항법을 동시에 구현했다. • ..주요기능으로는 목적지의 설정과 함께 붉은 색으로 최적 경로를 표시해주고, 목적지까지 음성으로 안내를 받을 수 있다. 또한 자동차의 움직임에 따라 차의 위치가 자동으로 표시되며, 지나온 길과 가야 될 길을 화면에 표시해 준다. • ..자주 다니는 장소나 건물 위치 등은 자신이 임의로 등록해 필요 때 찾아볼 수 있으며, 찾고자하는 시설물의 주소나 이름을 입력하면 위치와 경로를 자동으로 화면에 표시해 준다. 이외에도 어떤 지역을 전체적으로 보거나 보다 상세히 보고 싶으면 0~9단계로 범위를 조정해 볼 수 있는 줌기능을 가지고 있다. • ..LG LCN 2005의 판매가격은 190만원대가 될 것으로 보인다.

44. 2. 항공기 분야 [안개자욱한 밀림의 전장. 길이 10여㎝의 약간 큰 「모기」가 지상군에 앞서 적정 염탐에 나선다. 잠시 뒤 이 모기는 100만 화소(畵素, pixel)의 선명한 화질에 적진지의 모습과 지상군의 규모를 전송한다. 이어 B2폭격기가 출격하고 모기는 폭격의 성공 여부를 전한다.] 첩보영화나 소설에 나올 법한 미래전 장비 초소형 비행체(MAV, micro air vehicles)의 활약상이다. 이코노미스트 최신호 보도에 따르면 미 국방선진연구국(DARPA)은 최근 군수산업체 록히드 마틴사가 주도하는 콘소시엄과 1,000만달러에 MAV 개발 계약을 맺었다. 록히드사는 「마이크로 스타」로 명명된 MAV를 올해 안에 선보일 계획이다. 개발중인 MAV는 이미 시험비행을 마쳤다. 마이크로 스타의 원형이 된 캘리포니아의 한 연구소가 개발한 15㎝의 「블랙 위도우」는 시속70㎞로 16분간 비행에 성공했다. 그러나 실전에서는 1시간 가량 비행해야 한다. 미군은 대당 1,000달러에 불과한 이 장비를 지상군 분대 단위까지 보급한다는 계획이다. 비행체 모양은 다양하게 연구되고 있다. 블랙위도우는 외계인 비행접시를 닮았다. 앞쪽에는 배터리로 동력을 받는 프로펠러가 달렸다. 배터리가 덩치가 크고 폭발위험성이 있다는 문제로 가스터빈이나 연료칩 개발도 병행되고 있다. 또 다른 연구소에서 개발중인 모기 모양의 비행체는 양날개를 펄럭거리면서 비행한다. 동력으로는 왕복운동이 가능한 생화학근육이 개발중이다.

45. MAV는 자동항법장치를 장착, 지구궤도상의 지표위치확인위성(GPS)에 연결돼 운항한다. 또 2년내 개발가능한 100만 화소의 고화질을 자랑하는 소형카메라와 전송장치는 동영상 정보를 송신한다. 마이크로스타는 이 모든 장비를 싣고도 무게가 85g밖에 나가지 않는다. 비행체를 초소형으로 만드는 비결은 통합 기술. 날개는 안테나로도 사용되고 연료통은 기체구조를 결정짓고 엔진은 동체와 결합된다. 전쟁터에서는 물론 산업 스파이, 심지어 불륜현장 포착까지 이 비행체의 임무는 매우 다양할 수 있다. 단 하나 전문가들이 우려하는 가장 큰 위협은 정체가 노출됐을 경우 파리채 한 방에 무력화할 지도 모른다는 것이다.

46. 3. 선박 자동항법 시스템 삼면이 바다인 우리나라는 국토개발의 효율성 증진 및 자원개발을 위해서는 해양개발이 필요하다. 이를 위해서 추진되고 있는 자율 무인 잠수정( Autonomous Underwater Vehicle, AUV)의 개발사업은 해양자원개발 및 해양공간 이용, 확보 차원에서 경제, 사회적으로 필요성이 높아지고 있다. 이러한 AUV를 개발하기 위해서는 수상지원선과의 통신, 현 작업위치의 정밀계측 및 자동항해 제어기능이 필요하다. 　 이들 중에서 자동항해 제어기술은 AUV개발에 기본이 된다. 자동항해를 위해서는 수중에서 AUV의 3차원 운동을 정확히 측정할 수 있어야 하는데, 이를 위해서 고정밀도의 관성항법장치(Inertial Navigation System, INS)를 이용하거나 소나신호를 이용한 수중위치 추적장치를 이용하는 방법이 제안되고 있다. 그러나 고정밀도의 INS는 고가일 뿐만아니라 크기 및 중량이 크므로 소형AUV에는 탑재하기가 용이하지 않다. 그리고 소나신호만으로 위치를 추적하기에는 AUV에 탑재된 CPU에 과중한 부담을 주게되므로 적합하지 않다. 따라서 중급의 정밀도를 갖는 INS와 소나 신호를 적절히 조합하여 AUV의 운동을 측정할 수 있는 자세계측장치(Motion Reference Unit, MRU)의 개발이 필요하다.

47. MRU는 관성센서 신호의 처리 및 항법알고리듬의 구현이 생명이므로 기계, 전자부 하드웨어와 소프트웨어의 양쪽 모두 수준급의 기술을 요구하기 때문에 매우 고부가가치, 기술집약적 산업이며, 현재 시판되고 있는 MRU 등은 매우 고가에 수입판매 되고 있는 실정이며 본 연구에서 목표로 삼은 Seatex사의 MRU-6는 $40,000가까이 한다. 또한 MRU 는 그 근본기술을 INS 에 두고 있기 때문에 응용 기술의 파급효과가 매우 큰 분야이며, 이러한 기술은 현재 다방면에서 연구되고 있는 자동항법시스템 (Automatic Navigation system), Dead Reckoning 시스템과도 밀접한 연관성을 가지고 있다. 　또한 첨단 전자기술을 기존의 종이해도의 제작기술에 접목시켜 선박의 안전운항에 필수적 정보를 디지탈화 하여 선박의 안전항해를 획기적으로 도울수 있는 전자해도를 개발하고 이를 항해자 에게 보급함으로서 날로 대형화 되고 있는 해난사고의 예방에 기여 할 계획이다.

48. 한편 국방부는 해양조사원이 전자해도 개발에 채택하고 있는 국제표준을 국방 해도의 표준규격으로 사용키로 결정함으로서 국립해양조사원이 개발하는 전자해도가 민간은 물론 국방목적으로 유용하게 사용 될 수있는 계기를 마련하였다. 전자해도의 기능은 전자해도상의 목표항로, 예정항로 설계. 수정, 항해중 위험물의 자동감지 및 우회항로 선정, 경제항로의 자동 선정, 자동항법 및 운항상황 감시, GPS자료의 수신으로 선박의 운항 항로 표시 기능 등이 있다.

49. 4.컴퓨터의 자동항법시스템 • 휴대용 컴퓨터를 위한 GPS 시스템 ‘PACY-CNV10 이 3대의 인공위성으로부터 전파를 수신하고 있다. 4개 이상의 위성으로부터 전파를 수신하면 보다 정밀도 높은 3차원 위치 측정이 가능하다. • 소니에서 발표한 PC카드 내비게이션 킷(이하 PC내비게이션)은 노트북에서 손쉽게 GPS 위치 측정을 실현하기 위한 킷이다. 이전 부터 시리얼을 통해 PC에 접속할 수 있는 GPS 위치측정 수신장치는 있었지만 지도 소프트웨어가 제공되지 않아 도입하는데 어려 움이 많았다. 이 PC 내비게이션에는 필요한 모든 것이 있어 다른 준비없이 GPS 위치 측정이 가능한 게 특징이다. • GPS(Global Positioning System)란 인공 위성 전파를 이용해 현재 위치를 찾는(위치 측정) 시스템으로 처음에는 미국 국방성이 군사용으로 개발했다. 자동차 내비게이션 시스템에서 흔히 볼 수 있다.

50. PC 내비게이션에는 GPS 수신기와 GPS용 PC 카드, 지도 소프트웨어와 통신용 드라이버가 포함돼 있다. GPS 수신기에는 소니의 I PS-5100G가 사용된다. 안테나 일체형 수신기로 한 손에 쏙 들어갈 정도의 크기지만 최대 8개의 인공위성으로부터 전파를 동시에 수신할 수 있다. IPS-5000G에서의 신호는 시리얼포트를 통해 전송되지만 신호 레벨이 다르기 때문에 직접 PC에서 취급할 수 없다 . 여기에 부착된 PC카드를 통해 접속하게 된다. 이 PC카드에는 레벨 컨버터와 시리얼 컨트롤러가 내장돼 있어 IPS-5000G로부터 데이터를 PC에서 이용할 수 있는 형태로 변환한다. 이 PC카드는 시리얼 포트로 인식된다.