[4차혁명] GPS 작동 원리와 위성항법에 대해 알아보자

실외 측위 기술을 알아봅시다.

실외 측위 기술은 크게 위성항법 기반 방식과 이동통신 기반 방식이 있습니다.

먼저 위성항법 기반 방식에 대해 살펴보면, GPS 위성과 GPS 수신기 간의 거리는

GPS 신호의 이동시간을 측정한 후 이동시간에 신호의 이동속력을 곱하여 도출합니다.

여러 위성으로부터 거리를 구한 후 위치 측정을 수행합니다.

즉, 알고리즘의 관점에서 위성항법 기반 방식은 TOA을 이용한 측위 방식입니다.

3차원 좌표와 시각의 4개 미지수를 결정하려면, 4개의 위성으로부터 수신기까지의 거리가 필요합니다.

따라서 GPS 수신기는 최소 4개의 GPS 위성으로부터 동시에 신호를 받아야 합니다.

실제로 GPS는 24시간 지구상 어디서든 4개 이상의 위성이 관측 가능하도록 설계합니다.

GPS의 구성도입니다. GPS는 위성부, 제어부, 단말부로 구성됩니다.

GPS의 위성부와 제어부 간에는 데이터를 주고받으며, 위성부와

단말부 간에는 항법 데이터를 주고받는 형태입니다.

GPS의 작동 원리에 대하여 살펴보면, 위성에서 보내준 항법 메시지를 받아

수신기에서 위치를 계산함으로써 위치를 파악합니다.

항법 데이터를 지구까지 보내기 위한 전파를 반송파라고 하며, L대역의 두 주파수를 사용합니다.

GPS 오차를 살펴보면, 거리 측정에 기반한 위치 측정 방식이므로

거리 측정이 부정확하면, 위치 측정 오차가 발생합니다.

GPS 위성에서 신호를 발신하면, 여러 가지 오차 요인들로 인해 사용자는

부정확한 위치 결과를 수신합니다.

GPS 오차를 만드는 요인들이 무엇인지 살펴보도록 하겠습니다.

GPS 오차, 즉 위치 측정의 정확성을 떨어뜨리는 요소는 크게 구조적 오차,

기학하적 오차, 고의적 잡음. 세 가지로 나눌 수 있습니다.

먼저 구조적 오차는 위성의 시각/위치 오차, 이온층/대류층의 전파, 다중경로 오차 등이 있습니다.

각각의 오차원을 살펴보면, 다음과 같습니다. 위성의 시각 및 위치 오차는

위성이 계산한 시각 또는 위치가 실제 시각 또는 위성의 위치와 달라 생기는 오차입니다.

GPS 위성에서 매우 정밀한 원자시계가 탑재되어 있으나 이 시계도 시각 오차를 가집니다.

시간을 기준으로 위치를 측정하는 GPS의 근본적인 오차라고 할 수 있습니다.

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