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GPS( Global Positioning System ) 에 대한 이해와 활용

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GPS( Global Positioning System ) 에 대한 이해와 활용

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  1. GPS(Global Positioning System)에 대한 이해와 활용 한진정보통신 GIS 기술지원팀

  2. 목차 • GPS의 개요 • 역사 및 국가별 현황 • 기본 이론 • 국내 현황 • GPS & Mapping • GPS 측량 • 항공사진측량(GPS/INS) • GPS & GIS • Navigation • LBS(Local Based System) • 기타 활용 • HIST 보유 장비

  3. GPS의 개요 GPS(Global Positioning)란 • 위성전파를 이용한 위치측정 시스템으로 전 세계를 포괄 공식명칭 : NAVSTAR • 미국정부가 1970년대 군사목적으로 개발 • 고도 : 20,200km, 회전주기 : 약 12시간 • 어디에서나 기상에 관계없이 24시간 위치결정 가능 • 시통 확보와 관계없이 측량 가능 • GIS 데이터의 실시간 취득 • 고도의 정확성 및 신속성 확보 • 컴퓨터와 통신기기의 결합 : 다양한 응용분야 창출

  4. GPS의 역사 GPS의 역사 • Transit System(NNSS) • 개발시기 : 1950년대 후반 ~ 1960년대 초기 미해군 에서 개발 - 개발목적 : 위치/측량 및 군함 항해체계 마련 - 활 용 : 1964년 가동, 69년에 민간에 공개 • DNSS(Defense Navigation Satellite System) 및 NTS-2 - 개발시기 : 1973년 미 국방부(해군에서 개발) - 내 용 : Timation + 621B 통합 • 발 전 : Navstar(Navigation System with Timing And Ranging) 에서GPS로 발전 - 내 용 : 위성을 이용한 항법이론의 타당성 검증

  5. GPS의 역사 GPS의 역사 • 78~85년 까지 11기의 미션 I 위성발사 • 84년 KAL-007기 격추이후 GPS 정보의 일반인에 공개 • 89~90년 : 미션 Ⅱ 위성(9기) • 90~97년 : 미션ⅡA 위성)17기) • 97년~ : 미션 ⅡR 위성발사

  6. GPS의 역사 1991년 9월 일반서비스-- 향후 10년간 무료사용 허용 1992년 9월 ICAO(국제민간항공기구)와 91년의 선언을 확인하고, SPS를 변경할 경우 최소 6년 전에 통보할 것을 약속 1993년 12월 초기정상가동(ICO : Initial Operational Capability)선언 - 24개의 GPS위성군 완성(Block I / II / IIA)에 따라 SPS 실시 1995년 3월 미국 클린턴대통령의 선언 - GPS신호를 국제사회에 제공할 것을 공표 GPS 개발정책

  7. GPS의 역사 1995년 4월 정상가동( FOC : Full Operational Capability) 선언 - 24개의 Block II와 IIA 위성이 정상 운행, 군사용 기능 실험 종료 1996년 3월 GPS에 관한 미국대통령 선언 : 10년 이내에 SA의 중단 1997년 2월 미국 부통령은 민간용 제2의 반송파 서비스에 관한 계획선언 (민간용 L5 반송파 서비스) 2000년 5월 1일 : 미국 대통령의 SA의 해제 발표 GPS 개발정책

  8. 국가별 현황 GLONASS (러시아) • 12기의 위성 작동(99년 10월 기준) • 사용자 장비 보급 저조(이용자 극소수) • 자국의 경제불안정, GPS와 경쟁력 열세로 한계에 직면 • 99년 2월 대통령성명 발표 : GLONASS 국제 협력 의사 • 유럽연합과 장래 GNSS에서 GLONESS의 공동운영 의사 천명. • 유럽은 러시아의 항법위성 운용기술과 항법주파수 활용방안 모색 • GLONASS-M 개발계획과 DGLONASS망 구축 계획 - 위성수명 및 궤도특성이 현저히 증가한 System

  9. 국가별 현황 Galileo (유럽) • 유럽연합의 독자 위성항법시스템 • GPS에 의존할 경우, 유럽주권의 종속 우려(사용료, 기술종속 등) • GPS호환, 독자적인 GNSS개발 : Galileo • 21개 or 36개 MEO 위성군

  10. 국가별 현황 일본의 위성항법시스템 최대의 GPS 활용국가 • 현재 1200점의 GPS기준국 운용 중(지진예지, 지각변동, 측지측량, CNS 등) 친 GPS정책(96년 이후 미/일 GPS 협의회 개최), EU와 교류모색 GPS 보정항법시스템 : MSAS 구축(99년 11월 발사) MTSAT(Multifunction Transport Satellite) 발사(99년8월) 장기적으로 대체항법시스템 구축 연구수행 - 독자 시스템 핵심기술 연구 : 원자시계/위성시각관리기술(CRL) - 지역 위성항법시스템 구축 : 8자 궤도형 구축 기술 연구

  11. 국가별 현황 GPS 시장동향 In millions of U.S. $

  12. 국가별 현황 GPS 시장동향

  13. 기본 이론 GPS의 구성체계 우주부문 모니터링 관측소 Diego Garcia Ascension Is. Kwajalein Hawaii 사용자 부문 관제부문 Colorado Springs

  14. 기본 이론 우주부문 GPS위성으로 구성되며, 각 위성이 위성신호를 송신한다. GPS 위성 총 24개의 위성배치 - 6개의 궤도면에 각각 4개씩 구성

  15. 기본 이론 관제부문 • 중앙관제소는 미국 콜로라도 Falcon 공군기지에 위치 • 관제소는 위성들의 궤도력 데이터와 시계데이터를 위성에 전송함

  16. 기본 이론 사용자부문 • GPS 수신기로 신호를 수신하여, 사용자의 3차원 위치결정 • GPS 위성의 고유 PRN(Pseudo Random Noise)으로 위성신호를 구분

  17. 기본 이론 GPS 위성신호 • 두종류의 마이크로웨이브 반송파 전송 L1주파수(1,575.42 MHz), L2주파수(1,227.60 MHz) • 3개의 2진수 코드가 L1, L2 반송파에 변조되어 있음 - CA코드, P(Precise)코드, 항법메세지

  18. 기본 이론 위치결정이론 • 수신기의 위치는, 위치를 알고 있는 4개이상 위성으로부터 GPS 신호가 도달 하기 까지 걸린 시간으로 결정함 • 좌표는 지구중심좌표(Earth Centered Earth Fixed)로 (x, y ,z)계산됨 • 지구중심좌표를 경위도 좌표로 변경 -> TM 평면좌표로 변환

  19. 기본 이론 위치결정이론

  20. 기본 이론 지구중심좌표계

  21. 기본 이론 경위도 좌표계

  22. 기본 이론 단독측위 이용 : 정밀도가 상대적으로 낮음, 수신기 1 대 사용, 주로 항법/항해에 이용 분류: SPS(민간에서 이용), PPS(미 정부기관 등) 상대측위 이용 : 정밀도가 상대적으로 높음, 수신기 2대 이상, 주로 측지/측량 등에 이용 - D-GPS : 단독측위용 수신기 2대를 이용 - RTK : 실시간 위치정보 취득 위치결정방법

  23. 기본 이론 상대 측위

  24. 기본 이론 군사적 목적으로 GPS를 개발한 미국은 안보차원에서 적대국의 GPS 사용을 제한하기 위해 C/A 코드에 인위적으로 궤도오차 및 시계오차를 첨가 - 1990년 3월 25일부터 SA를 실시 SA가 해제되더라도 수 미터의 고정밀도를 요하는 자동차 항법 및 GIS/측지측량 분야에는 기존의 GPS측량기술이 필요함. 전세계적으로 폭발적인 증가를 보인 GPS의 민간수요에 따라 SA 해제에 대한 필요성이 꾸준히 제기 유럽을 중심으로 계획되고 있는 새로운 위성항법시스템인 갈릴레오(GALILEO) 프로젝트에 대한 대응 정밀도 SA(有) SA(無) 수평방향 위치오차 100m(95%),300m(99.99%) 20m(95%) 수직방향 위치오차 150m(95%) 30m(95%) 시간오차 340ns(95%) 40ns 속도오차 0.3m/s SA(Selective Avaliability)5월1일, 미국백악관 발표

  25. 기본 이론 SA에 따른 위치정확도 변화

  26. 기본 이론 SA에 따른 위치정확도 변화 5월 1일 5월 3일

  27. 기본 이론 다양한 GPS 활용분야

  28. 국내 현황 국내 현황 • GPS 총괄 정책기관의 부재 - 건교부 : 측량, ITS, CNS, 항공/항해 - 정통부 : 위성통신, 전파 - 국방부 : 군사응용 • 단순이용 - 향후 기술, 안보, 경제측면에서 종속 심화가 우려됨 • 건설교통부 - 지구중심좌표계 도입 ( 2000년 4월 장관 방침) - GPS상시관측소 운영 및 기본측량 사업 수행( 1995~) - 국립지리원을 중심으로 측량 및 GIS분야 활용 연구 수행

  29. 국내 현황 발전 방향 2005년 세계 GPS 시장 : 3백 10억$ 예측, 미국업체 90% 점유 향후 발전 방향 1. NGIS사업과 측지기준점 구축 2. 국내 주요 항법시스템 채택 - ITS, CNS, 물류, 방재, 복지, 항공, 항해, 등 3. 통신분야 등 활용 - IMT2000, 전력공급, 시각제공 4. 국제협력 - 미국의 GPS 국제표준화 추진에 참여(외교적 실리추구) - 유럽과 Galileo 구축 Project에 참여 방안 검토 - 일본, 중국 등 인접국가간 공동 대응책 모색 및 공동연구 추진

  30. GPS 측량 우리나라 GPS 활용모델 • 국립지리원 고시 - 지구중심좌표계 좌표계 : ITRF(International Terrestrial Reference Frame) 타원체 : GRS80 • 기준점 망 - 수평위치 : • GPS 상시관측망 • GPS 측지기준망 • 국가기준점망 - 수직위치 : • 수준점 • GPS 상시관측망

  31. GPS 측량 철원 속초 인제 춘천 주문진 동두천 강릉 파주 홍천 서울 삼척 양평 인천 원주 수원 영월 팔미도 울진 소백산 괴산 서산 천안 예천 보은 청양 청송 군위 대전 논산 장기곶 어청도 김천 무주 경주 전주 대구 울산 거창 정읍 밀양 창녕 남원 부산 하동 영광 진주 영도 순천 광주 장흥 목포 국립지리원 행정자치부 거문도 천문연구원 해양수산부 제주 자원연구소 마라도 GPS 상시관측소 현황

  32. GPS 측량 GPS 측량(기선벡터 측정) 지표상 측정거리 Ground Distance Z 측점2 타원체상의 거리 Geodesic 벡터 : 측점1 및 측점2 간의 직선거리 측점1 Y 타원체면 Ellipsoid X

  33. GPS 측량 상대측위 좌표를 알고 있는 기준점 대이터를 이용하여, 후처리하여 관측위치를 결정 (수 mm이내의 결정정확도 취득)

  34. GPS 측량 기준국 RTK(Real Time Kinematic)측량 후처리 없이, 측량 당시 기준점의 정보를 관측위치 수신기에 송신하여 실시간으로 관측위치 산출

  35. GPS 측량 GPS 측위기법에 따른 정밀도비교

  36. 항공사진측량 항공사진측량 1980년대 본격화(유럽) GPS이용하여 항공측량을 수행 : 경제적 국내에서 실용화 단계

  37. 항공사진측량 Direct Georeferencing • Georeferencing이란, 사진좌표에 실제 좌표를 부여하는(위치 및 회전요소) 작업을 의미함. • 기존공정 항공사진 촬 영 지상기준점 측량 항공삼각측량 (A.T) 도 화 • GPS/INS 사용시 공정 항공사진 촬 영 도 화

  38. 항공사진측량 GPS/INS 의 정의 • GPS/INS 의 정의- Global Positioning System/Inertial Navigation System- 범세계위치 결정체계/관성 항법 체계 • GPS/INS 결합시켜 사용하는 이유  상호보완적- GPS •장점 : 높은 정확도, 일관된 정확도(지속적) •단점 : 외부여건에 의존적, Cycle slip, Low Frequency(보간오차), 회전각 계산 오차- INS•장점 : 독립된 장치, High Frequency, 회전각 관측•단점 : 시간에 따른 오차 누적 • GPS/INS 의 활용 범위- 위치결정 및 회전각 결정 - 항공사진측량 의 적용에 적합

  39. 항공사진측량 GPS/INS 장비소개 GPS 안테나 INS : 회전각 결정 Camera : Shutter 신호전달 Computer : 동기화 및 신호처리 GPS : 위치결정

  40. Navigation Navigation • 저가형 GPS항법장치 시판 • 자동차회사를 주축으로 개발 • PDA + GPS 의 결합 용이

  41. Navigation 용어 원 어 관련시설 C 항공교통분야(Communication) VHF 음성/데이타통신,HF, ATN, AMSS N 항공항행분야(Navigation) ILS, VOR, DME,NDB,GNSS,DGNSS,INS/IRS S 항공감시분야(Surveilance) RADAR,SSR MODE, ADS, ACAS 등 ATM 항공항행분야(Air Traffic Management) 통신, 항행, 감시분야의 지상시설과 항공기 탑제장비 항공기의 항법(CNS/ATM) • ICAO(국제민간항공기구)에서 추진하고 있는 새로운 항행지원시스템을 총괄 하는 개념 • 1991년 제 10차 항공항행회의에서 ICAO회원국들은 FANS(CNS/ATM) 개념 을 21세기 표준항행시스템으로 채택.

  42. Navigation ITS(일본) VICS VICS Service Zone VICS 보급대수 CNS 보급대수

  43. LBS LBS(Location-Based Service)란 • 이동통신망과 IT기술을 종합적으로 활용한 위치정보 기반의 시스템 및 서비스 제공사업 • 최근, IMT2000 및 지능형교통시스템(ITS) 등 이동통신망의 고도화에 따라 교통, 물류, 전자상거래 등의 분야에서 각광받기 시작한 최첨단 기술

  44. LBS LBS 시장전망 • 위치정보서비스 단독으로는 무선 인터넷의 application 수행하기 힘들며, 기존의 컨텐츠와 location-sensitive 애플리케이션을 포함하는 통합서스를 제공하는 사업자들이 중요한 위치를 점하게 될 것임. • 사업자들은 AOA(angle of arrival), Cell-ID, E-OTD(enhanced observed time difference), GPS, A-GPS(assisted GPS), D-GPS(differential GPS), signal attenuation, TDOA(time difference of arrival) 등과 같은 다양한 위치탐색기술의 선택문제에 직면해 있음. • 단기적으로는 기본적인 Cell-ID 기술 등을 채택할 것이나 장기적으로는 A-GPS, E-OTD와 같은 정확도가 높은 기술을 채택할 것으로 전망.

  45. LBS LBS 시장전망 • 전세계 무선위치서비스 가입자 기반은 2006년 말까지 6억 8천만명을 초과할 것으로 예상, 이는 모바일 등록자 전체의 50%, 무선 인터넷 사용자의 70%에 해당하는 수치 • 무선위치서비스 수익은 아래의 2002년 20억달러에서 2006년에는 185억달러에 이를 것으로 전망. 특히 수익의 31%는 서유럽에서 발생하고, 22%는 미국에서 발생할 것으로 보고 있으며, 일반 고객시장이 전체수익의 77%를 점할 것으로 예상.

  46. 기타 활용 GPS-VAN • PMS 관련 정보 수집 • ITS 정보 수집 • 수치지도 갱신 • 철도관련 시설물 정보 수집 • 다양한 종류의 센서 탑재가능 • 기존 GIS 데이터와의 연계 • Total 지형정보 취득 시스템 구축의 기반 조성

  47. 기타 활용 건설관련 GPS 활용 측량/ GIS 사면관리/재난관리 농업/ 산림분야 정밀시공

  48. 기타 활용 Timing 세계시로 GPS Time을 이용함 시장규모 : 년 40만-100만 $ 통신망의 표준시각 및 관리, 전화, 무선전화 (PCS 및 IMT 2000) 전력공급 금융거래 전자상거래

  49. 기타 활용 기상예보 및 우주공간연구 실시간 국지기상 파악 기상예보시스템 - 미8군 운용 중이며 일본기상청에서 도입예정

  50. 보유장비 HIST 보유장비 Trimble 4800ssi COMPAQ 3870 GPS Controller Trimble 4800