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DGPS(Differential GPS)

 

DGPS(Differential GPS)

C/A 코드 하나만 사용할 경우 ~10 meter 이내의 정밀도로 위치를 결정하는 것은 현실적으로 불가능한데 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 시행 중일 때는 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 양이라는 것을 수신기에게 알려줄 수 만 있다면 위치결정의 오차를 극소화시킬 수 있는데 바로 이 방법이 Differential GPS 또는 DGPS라고 불리는 기술이다.

1. DGPS 가 필요한 이유

GPS는 현재까지 개발된 전파에 기반을 둔 항법 체계 중 가장 정확한 정보를 제공하는 시스템 중의 하나이다. 현재 실제로 많은 응용분야에 있어서도 기본적인 GPS만으로 충분한 정밀도를 제공하기는 하지만 좀더 향상된 정확도를 가지는 체계를 마련하기 위해서 Differential GPS라는 방법이 고안되었다.

DGPS 체계는 기본 GPS에 수반하는 여러 오차요인을 제거함으로써 움직이는 물체에 있어서는 수 m, 정지한 대상에 대해서는 1 m 이내의 위치 측정을 가능하게 만들어준다. 기본 GPS에 비해 괄목할만한 정밀도를 제공하는 DGPS는 GPS가 배나 비행기의 항법에만 사용될 수 있을 뿐만 아니라 자동차 및 정밀성이 요구되는 측지 등에까지 응용될 수 있는 길을 마련하였다.

2. 작동원리

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

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 이런 식으로 오차를 포함하고 있으므로 이들을 이용하여 계산한 위치 정보도 어쩔 수 없이 오차를 수반하기 마련이다

DGPS의 종류

DGPS의 종류

C/A 코드 하나만 사용할 경우 10-30 meter 이상의 정밀도로 위치를 결정하는 것은 현실적으로 불가능한데 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 시행 중일 때는 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 양이라는 것을 수신기에게 알려줄 수 만 있다면 위치결정의 오차를 극소화시킬 수 있는데 바로 이 방법이 Differential GPS 또는 DGPS라고 불리는 기술이다

1. 후처리(Post Processing) DGPS

모든 DGPS 응용분야에 있어서 실시간으로 정밀한 위치측정을 수행해야 하는 것은 아니다. 이를테면 새로 건설한 도로를 지도에 삽입하고자 할 때는 관측이 먼저 행해지고 이때 저장했던 측량자료를 후처리하여 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. 이럴 경우 기준 수신기와 이동 수신기간의 전파를 이용한 연결(Radio Link)은 필요하지 않으며 근처에 직접 보정값을 받을 수 있는 기지국이 없어도 가능하다. 현재 인터넷을 이용한 보정값 전송방법이 활발한 연구 가운데 있다

2개의 수신기는 같은 시간에 같은 인공위성으로부터 자료를 수신 받아야 한다. 이동 수신기에서 자료가 다 모아지면 기준 수신기는 작동을 멈추고 두 수신기에서 모아진 자료는 컴퓨터로 다운로드된다. 이때 다운로드된 자료는 수신기 제작 회사별로 형식이 다름으로 각 회사의 다른 형식에 상관없이 이용할 수 있는 RINEX (Receiver INdependent EXchange) 표준형식으로 바꿔서 전송된다. 후처리를 하여야만 DGPS 위치를 얻을 수 있기 때문에 GIS용 데이타 취득에 이용되며, 수도관, 가스관, 전신주조사등에도 손쉽게 이용할 수 있다.

2. 실시각(Real-Time) DGPS

때때로 실시각으로 보정되어진 자료들은 그 즉시 이용해야 될 경우가 있다. 현장에서 정확한 위치를 구할 수 있기 때문에 해양측량, 도로보수공사, 지하매설물 보수공사 등의 분야에 응용된다

기본적 개념은 후처리 DGPS와 같지만 차이점은 후처리에서 2개의 수신기에서 수신된 데이타가 나중에 프로세싱을 위해 다운로드되는 것과 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 많이 드는 셀룰라 전화선을 통해서 전송하는 방법이 있다. 실시각DGPS에서 가장 널리 사용되는 표준형식을 RTCM SC-104 (Maritime Service Special Committee 104) 또는 간단히 RTCM 이라고 한다.

 

3. 후처리와 실시각의 비교

후처리 DGPS 실시각 DGPS
  • 반송파를 이용: 고 정밀도
  • 무료 DGPS 보정자료를 이용하면 하나의 수신기만 필요함으로 비용이 적게든다.
  • 기준 수신기를 따로 구입하면 비용이 많이 든다.
  • 일반적으로 후처리 DGPS에 비해
    정밀도 떨어짐
  • 보정 자료를 즉각 제공할 수 있다
  • 필드에 인력이 필요없다.
  • RTCM 자료를 전송해 주기 위해 통신 시스템이 필요하다

 

4. 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 매 순간 자신의 정확한 위치정보를 관리국에 전송하는 것이다. 그러나 DGPS가 가능한 수신기의 단가가 매우 비싸기 때문에 전 차량에 설치하는데는 많은 비용이 소요될 것이다. 좀더 저렴한 방법으로 이런 체계를 가능하게 하기 위해 고안된 방법이 Inverted DGPS 이다.

각 차량에는 일반 GPS 수신기를 장착하되 매 순간 각 차량은 자신의 위치정보를 관리국에 전송하게 된다. 이때 관리국에 DGPS의 기준이 되는 수신기가 설치되어 있다면 각 버스에서 전송한 위치자료를 보정할 수 있고 보정된 정확한 각 버스들의 위치정보를 지도에 표현할 수 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 것보다는 훨씬 저렴할 수 있다

 

5. Inverted RTK

Inverted RTK는 일반 항법용 수신기로부터 전달되는 GPS 데이터를 처리하여 사용자에게 정밀 위치를 제공해 주는 상대 측위 기법이다. Inverted DGPS가 보정 정보를 이용하여 차량등 움직이는 물체에 대한 임의적 관제를 목적으로 개발되었다면, Inverted RTK는 수신기(기준국, 사용자)의 원시 데이터를 처리하여 정밀 측량 및 고정밀 관제를 위한 것이다.

반송파 측정치(Carrier Measurement)를 사용하기 때문에 최소 1~2분 정도의 데이터가 요구되며, 부가적으로 GPS 기준국, 통신 시스템, 자료처리 서버가 필요하다. 또한 고정밀 자료 처리를 위해서는 GPS 기준국의 실시간 관측 자료 및 위성 궤도력, 기준국 정보 등과 같은 정보가 요구되는 동시에 고정밀 위치 확인 서비스를 받고자 하는 사용자의 제반 관측자료도 요구된다.

GNSS 모듈 관련 기술개발

GPS와 글로나스 베이더우를 포함한 GNSS 수신기와 모듈, 시스템을 개발 공급 합니다.

GNSS/GPS 안테나 외장형과 내장형 비교

안테나 외장형의 수신율은 내장형 수신기 대비 대폭 향상됩니다. 그러나 별도의 안테나 모듈로 인한 고정형으로 사용 해야하는 불편함과 안테나의 바이어스 전압으로 전류소비량이 늘어날수밖에 없습니다. 대부분 Active 안테나는 기지국, 해양선박, 군사용등의 정밀한 위치 측정이 절대적인 경우와  짚차, 트럭등과 같이 구조적으로 위성수신율이 떨어지는 구조에 적용이 추천됩니다.

이외의 일반적인 실외의 양호한 사용 환경에서는 굳이 Active 안테나까지 사용할 필요는 없습니다. 총 24개의 위성중 현재 볼수있는 12개의 위성중에서 3개위성의 유효한 신호를 받을수 있다면 오차범위 이내의 자기 위치를 계산할수 있기 때문입니다. 대부분의 휴대용 네비게이션에서 Active 안테나를 사용하지 않고있는것으로도 짐작할수 있습니다. 당사의 수신기는 저전력이면서 최적의 수신율을 유지함으로 이동성과 효율성을 고려하여 설계한 제품입니다

GPS의 신호

각 위성은 두 가지의 다른 주파수의 신호를 동시에 발생시키는데 L1 반송파라고 알려진 1.57542 GHz 주파수와 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 사용된다.

이 PRN 부호는 다시 두 종류의 부호로 나누어 지는데 Coasrse Acquisition 이라고 불리는 C/A 부호는 민간 신호라고도 하며 특별히 허락 받지 않은 개인이나 단체도 이용할 수 있으나 P 부호(Precise code) 는 신호의 암호화가 이루어지므로 이용을 위해서는 허가가 필요하다.

[ 새로운 L5 GPS Signal ]
미국은 GPS의 현대화를 위해 새로운 민간 신호의 추가적 서비스를 준비하고 있다. 세 번째 민간 신호 L5와 L2 주파수의 C/A 코드 L2C는 각기 다른 주파수에 실려 민간에게 제공될 예정이다. 특히 1.17GHz대의 L5 주파수는 ARNS (Aeronautical Radio Navigation System)에 할당된 주파수대역의 한 부분으로, 특히 항공기의 안전한 운항을 위하여 사용될 예정이다.

2005년에 발사될 GPS Block ⅡF위성에 처음으로 장착될 L5 신호는 2010에 민간 서비스를 시작하여 2015년에 완전한 서비스가 이루어질 것이다. L5신호는 현재 존재하는 어떤 전파에도 영향을 받지 않는 주파수 영역대를 사용하고 L1보다 출력이 24dBW 강한(-154dBW) 장점이 있다. 따라서 세 번째 GPS 민간신호 L5를 이용함으로써 민간 사용자은 향상된 측위정확도와 안정적인 측위결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

L5와 L2C 신호 정보

신호

L1

L2C

L5

주파수 (Mhz)

1,575.42

1,227.60

1,176.45

에러 보정 기능

No

Yes

Yes

서비스 시기

Now

~2011

~2015

장착 위성

Block ⅡR
Block ⅡR-M
Block ⅡF

Block ⅡR-M
Block ⅡF

Block ⅡF

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 자리잡았 을뿐 실행에 옮겨지지 못하였다.

때를 같이하여 시스템 621B 라고 일컬어지는 계획을 미 공군에서 착수하였는데 1973년에 미 국방차관이 해군에서 계획했던 티메이션(Timation)과 시스템 621B를 통합할 것을 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 불리워졌다.

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.

Block Ⅰ 위성들은 2003년 현재 모두 수명이 다하여 운영되고 있지 않으며, 이들을 대체한 Block Ⅱ, Block ⅡA, Block ⅡR 위성등
총 28개의 위성들이 운영되고 있다. 현재 4세대 위성인 Block ⅡR 위성들이 새롭게 계획되고 있는데, Boeing사가 12기의 위성을 제작 중에 있다.

GPS 신호의 민간 수신은 1983년 소련에 의한 한국 항공기 KAL-007기의 격추 사건을 계기로 1984년 레이건 대통령이 공식 선언하였다.  -출처 : 한국천문연구원-

GPS의 오차원인

GPS 위치측정의 정확성을 떨어뜨리는 요소들은 크게 3부분으로 나눌 수 있다. 첫째 구조적 요인으로 생기는 오차로는 인공위성 시간 오차, 인공위성 위치 오차, 전리층과 대류층의 굴절, 잡음(Noise), 다중 경로(Multipath)등이 있다. 두번째로는 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 SA가 작동하지 않는 경우는 28m 이고 작동하는 경우에는 100m 이다.

1. 구조적 오차

[ 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.

[ 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 줄 수 있고 더구나 각 층의 굴절률이 다르기 때문에 양상은 더욱 복잡해진다.

전리층에서는 하전된 입자들이 들어오는 신호를 끌어당겨서 굴절시키고 대류층에서는 다른 비율로 물방울들이 같은 역할을 한다. 이러한 문제들은 인공위성이 지평선으로 고도가 낮아질 때 더욱 심해진다. 왜냐하면 인공위성에서 오는 신호는 더 두꺼운 대기층을 통과해서 들어와야 하기 때문이다.

이 문제를 해결하는데는 여러가지 방법이 있다. 첫째로 인공위성의 항법 메세지는 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 계산할 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 angle이 너무 높게 입력된 경우에는 최소 필요한 4개의 위성에 미달될 수도 있다. 대부분 mask angle 은 10-20도 정도로 유지되게 설정되어 있다.

[ 잡음(Noise) ]
매우 약한 신호와 간섭을 일으켜서 수신기 자체에서 발생한다. 잡음은 각 신호기마다 다르지만 대부분 수신기는 잡음을 최소화하기 위한 내부 필터링 장치를 가지고 있다. PRN 코드 잡음과 수신기 잡음이 합쳐져서 전체 잡음이 된다.

[ 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.

2. 기하학적 오차
측위 시 이용되는 위성들의 배치상황에 따라 오차가 증가하게 되는데, 이는 육상에서 독도법으로 위치를 낼 때 적당 한 간격의 물표를 선택하여 독도법을 실시하면 오차삼각형이 적어져 서 위치가 정확해지고, 몰려있는 물표를 이용하는 경우 오차삼각형이 커져서 위치가 부정확해지는 것과 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 사용되는 것은 PDOP(Positional DOP)라고 한다. GPS 수신기는 관측된 데이타를 이용하여 PDOP를 계산하고, 이를 거리오차에 곱하면 측위 오차가 된다. 즉, (거리오차;Range Error) x (PDOP) = (측위오차)가 된다.
따라서 대부분의 수신기는 PDOP가 작은 위성의 조합을 선택하여 측위 계산을 하고 이를 표시하도록 설계되어 있다. 최근 수신기의 성 능이 좋아서 PDOP가 3인 경우 위치오차는 대략 15m CEP (Circular Error Probability), 즉, 50% 오차확률의 범위에서 평면으로 약15m정도이다.

3. SA(Selective Availability)
SA는 오차요소중 가장 큰 오차의 원인이다. 허가되지 않은 일반 사용자들이 일정한도내로 정확성을 얻지 못하게 하기 위해 고의적으로 인공위성의 시간에다 오차를 집어 넣어서 95% 확률로 최대 100m 까지 오차가 나게 만든 것을 말한다.

걸프전 때 많은 수의 민간 수신기들이 군에서 사용되어졌을 때 전쟁이 끝날 때까지만 미 국방부는 SA의 작동을 중지했었다. 1996년 3월 29일 클린턴 대통령은 4년이내에 SA 의 작동은 영원히 중지될거라고 발표했었다. 그리고 2000년 5월 1일 자정(Washington DC Time, USA)을 기해 미 국방성이 GPS 위성 신호의 궤도와 시계 정보를 고의적으로 조작한 의도적 정밀도 저하 조치 SA(Selective Availability)를 해제함에 따라 위치 정확도가 향상되었다.

네비게이션 GPS 모듈 교체가 가능한가요?

네비게이션의 모델명만으로는 정확한 호환여부를 확인하기 어려우며모듈이 호환되기 위해서는 핀 갯수 및, 핀배열, 좌표계, 통신속도 등이 맞아야 되며 당사에서는 고객님께서 가지고 계시는 네비게이션의 모듈정보를 정확하게 알려 주셔야 합니

모듈과 보드의 공급

사용자가 필요로하는 모듈과 보드를 직접 개발하고 공급합니다.

실내 측위

PDR 시스템을 개발하고 공급 가능합니다. 실내 측위까지 제공합니다.

최초 수신 시간 지연

처음 수신기를 구입하시고 전원을 인가하는경우 위성신호를 잘받을수 있는 위치에서 전원을 15~20분간 켜두셔야 합니다. 이때 GPS 수신기는 자동으로 ALMANAC Data를 Update하게 됩니다. 이때 LED는 Data를 받아들이는 동안 계속 반짝이게 됩니다. FS11의 경우 ALMANAC Data가 Fix되면 약 5분간 LED가 계속 켜져있게 됩니다.

만약 3개월이상 GPS 수신기를 사용하시 않거나, 500KM이상의 거리가 떨어진 곳에서 수신기를 다시 켜게되는 경우에는 위의 과정을 한번더 진행해서 ALMANAC Data를 재등록 해주셔야 합니다. (고장이 아닙니다)

GPS 수신기를 On 하실때, 반드시 위성신호를 수신할수 있는 장소에서 수신기를 연결(전원을 On) 해주십시요. 지하주차장 또는 고층건물의 바로옆, 건물내부등의 위성신호를 받을수 없는지역에서 전원이 On 되면 수신기에서는 자신이 갖고있는 최종위치정보와 비교하여 현위치를 계산하려하기때문에 위치보정시간이 길어지는 경우가 발생합니다.

수신기를 차에두실경우, 최대한 창가쪽으로 깊숙히 두어 하늘을 많이 볼수있도록 해주십시요. 차내에서는 구조적으로 차량천장으로인해 원활한 신호를 수신할수있는 위성수신수가 제한될수밖에 없습니다. 그러니 최대한 깊이두어 위성이 하늘을 볼수있도록 해주십시요.

측위기법과 정밀도

측위기법

측지분야에 종사하는 사람들은 수년 전부터 GPS를 이용하여 극히 정밀한 측정을 해오고 있었다. 이것은 한점의 위치를 mm까지의 정밀도로 상대 측지하는 것으로 간섭계(Interferometry)의 원리를 GPS에 적용하므로 가능하다. DGPS에서처럼 여러 수신기를 사용하는데 일반 사용자들이 이용하는 것과는 다른 매우 고가의 수신장비를 이용하여 장시간 동안의 측량을 통해서 이루어질 수 있다. 측지가들이 이용하는 이러한 기술들은 일반사용자들이 구현하기에는 다소 너무 전문적이었지만 현재는 보통 GPS 수신기에도 이러한 기술들이 서서히 적용되고 있다.

반송파의 경우 수신된 파가 언제 위성으로부터 출발하였는지 알 수 없으므로 2개이상의 측량용 수신기로 GPS 위성이 방송하는 C/A 코드 및 L1, L2 반송파의 위상(Carrier Phase)을 관측하여, 상대 측위를 행함으로서 관측점 간의 상대 기선 벡터를 구할 수 있게 된다.

1. 상대측위

GPS 위상관측식을 이용하여 GPS 수신기로 수신된 반송파 위상의 개수를 기록한 자료로 측량계산을 실시한다. 측량개시시 위성과 GPS수신기 사이에 존재했던 반송파의 정 현파수, 즉 위상수를 모호정수(Integer Ambiguity Number)라고 부르는데, 이를 알면 상대 측위에 의하여 두 점 간의 기선 벡터의 계산이 가능하게 된다. 문제는 반송파는 모든 파장의 파형이 고르기 때문에 파장의 갯수를 정확히 구하기가 어렵다. 따라서 GPS 측량계산의 기본은 모호정수를 빨리 또는 적은량의 데이타로 구하느냐 하는데 있다. 모호정수치를 구하기 위한 상대측위 방법에는 단일차분(Single Difference), 이중차분(Double Difference), 삼중차분(Triple Difference)가 있다.

GPS 위상관측식은 다음과 같이 표현된다.

위상관측치 = (수신된 위상관측치 – 발신된 위상치)
– (수신기 시계의 지연오차량 – 위성 시계의 지연오차량)
+ (전리층의 전파지연량 – 대류권 전파지연량)
+ (최초 위상관측시 위성과 수신기간의 파장수)
+ (불규칙 오차항)

단일차분(Single difference)는 1위성/2수신기 간 수신기간 차분의 위상관측식을 계산함으로서 위성시계의 오차항을 제거하거나, 또는 2위성/1수신기간(위성간 차분)의 위상관측식을 계산함으로서 수신기 시계의 오차항을 제거한다. GPS 위성의 고도에 비해 두 수신기 사이의 거리가 짧다면 궤도 오차와 대기권 지연오차를 줄일 수 있다.

이중차분(Double difference)는 2개 이상의 single difference를 계산하여 수신기 및 위성시계의 오차항을 모두 제거하고, 미지항은 모호정수항 만을 남기게 된다. 따라서 n(n≥4)개의 위성에 대한 관측식으로 (n-1)개의 double difference를 이용하여 측량 계산을 실시한다.

삼중차분(Triple difference는 double difference)를 연속된 시간에 따라 빼주는 것으로 정보의 내용이 빈약해서 double difference를 이용하는 것보다 부정확하다. 관측도중 발생하는 사이클 슬립(Cycle Slip)을 보정하는데 이용한다. 사이클 슬립은 관측도중 나무와 같은 장애물을 통과하거나, 전리층의 활발한 활동 또는 전파가 많이 발사되는 지역에서 전자파 장애로 인하여 생긴다.

2. 상대측위 방법

[후처리 상대측위 기법]

한 대의 GPS 수신기를 이용하여 위치측정을 수행할 경우, 위치 결정 정밀도는 수신기의 능력에 의해 좌우된다. GPS 신호의 부호체계중 C/A코드를 이용하여 수신자의 위치를 결정하는 저가의 상용 수신기는 그 정밀도가 수미터에서 수십미터에 이르며, 암호화된 P코드를 사용하는 수신기의 경우에도 1m 이하의 정밀도를 갖기가 어렵다.

측지 및 측량, 지각 변동의 감시등과 같이 수 cm 이하의 고정밀 위치결정이 요구되는 분야에서는 단독측위에 따른 GPS의 위치결정 한계를 극복하기 위하여 후처리 상대측위 기법을 이용한다. 이 기법은 단독측위와는 달리 정밀한 위치를 알고 있는 지점과 위치측정이 요구되는 지점에서 동시에 GPS 관측을 수행하고, 두 수신기에 수신된 고주파 확산 스펙트럼 형식인 반송파를 이용한 자료처리로 정밀도를 현저하게 증가시키는 방법이다.

두 지점에서 동시에 관측된 GPS 위성의 반송파 자료는 관측종료 후 반송파를 이용한 상대측위 결정 능력을 갖는 프로그램에 의해 계산되어져야 하며, 이때 기준점의 위치오차가 결정하고자 하는 지점의 위치에 영향을 미치게 된다. 따라서 IGS 관측소와 같은 매우 정밀한 기준점이 요구된다. 또한 정밀 위치결정에 있어서 GPS 위성의 정확한 궤도정보도 필수적이므로, IGS에서 제공하는 고정밀 궤도력도 요구된다.

반송파를 이용한 후처리 상대측위 기법은 정밀도를 향상시키기 위하여 자료처리와 관련하여 발생할 수 있는 여러 오차원인을 제거할 수 있는 능력을 갖추어야 하며, 이 때 필요한 각종 환경변수들의 적절한 모델을 갖고 있는 고정밀 자료처리 프로그램이 필요한다

일반적으로 상용화된 고정밀 GPS 자료처리 프로그램은 기선거리에 대하여 백만분의 일(1ppm: 1 part per million) 또는 천만분의 일 정도의 정밀도를 가지며, 스위스 베른대학의 천문 연구소에서 개발한 Bernese GPS S/W와 같은 연구용 프로그램의 경우, 두 수신기간의 직선거리에 대해 1억분의 2(20 ppb: part per billion)의 정밀도로 위치를 측정할 수 있는 능력을 갖고 있다

[실시각 이동측위(RTK) 기법]

GPS의 신호체계상 반송파에 의한 위치결정 방법이 코드에 의한 위치결정보다 정밀도면에서 큰 이득을 주지만, 반송파에 의한 단독측위 역시 후처리 상대측위 기법보다는 정밀도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 광범위한 관측점의 정밀 좌표들을 빠른 시간내에 획득하기 위해서는 이동측량을 수행하는 동시에 후처리 자료처리 기법이 갖는 정밀도에 근접한 결과를 산출할 수 있는 방법이 요구된다

이러한 목적을 위해 개발 된 것이 고정밀 이동측량 기법인 RTK (Real Time Kinematic)로서, 기본개념은 정밀한 위치를 확보한 기준점의 반송파 오차 보정치를 이용하여 사용자가 실시각으로 수 cm의 정밀도를 유지하는 관측치를 얻을 수 있게 하는 것이다. RTK의 기본개념은 오차보정을 위해 기준국에서 전송되는 데이터가 반송파 수신자료라는 것을 제외하고는 DGPS의 개념과 거의 유사하다.

다만 RTK가 각 위성에 대한 반송파 측정치를 지속적으로 제공하여야 하고, 정보의 전송장애로 발생할 수 있는 오차의 한계가 DGPS보다 상대적으로 크기 때문에 보다 안정적이고도 신속한 정보전달 통신 시스템이 요구된다. 현재 GPS를 응용하는 여러 분야에서 DGPS와 RTK가 주로 사용되고 있으며, GIS나 측량, 항법등 모든 응용분야가 RTK 기법의 사용에 초점을 맞추어 실용화되고 있다