GNSS 정리 및 조사

현재 일하고 있는 곳에서 GNSS / INS 센서 구입과 관련된 업체 미팅이 있어 살짝 용어 및 원리 정리/조사를 진행하였다.

 

GNSS
Global Navigation Satellite System 글로벌 위성 항법 시스템

현재 위 그림과 같은 4가지 주요 GNSS가 있음

! 위치, 속도, 고도에 대한 계산시 → 안테나 기준으로 계산

GPS

간단한 원리

간단한 원리

- 각 위성의 신호가 도착하는데 걸리는 시간 계산
- 각 위성의 거리 계산을 위해 시간에 속도를 곱함
- 삼각측량을 사용해 3개 이상의 위성에 대한 상대 위치 계산
- 신호 전송시 각 위성의 정확한 위치를 알고 있기 때문에 
  자체 상대 위치를 지구 기반 좌표 시스템으로 변환 가능

• C/A 코드(굵은/획득 코드)
• 탐색 메시지
• P 코드(정밀 코드) [암호화된 형태 → Y 코드

1. 캐리어웨이브

  ㅇ기본 주파수 10.23 MHz를 기반으로 함

  ㅇ 2개 또는 3개의반송파 (L 밴드의 L1,L2,L5) :BPSK디지털변조 방식 사용

     - L1(1575.42 MHz = 10.23 x 154배,파장 ≒ 19 ㎝)
        . C/A코드,P(Y)코드,M코드 등이대역확산된신호 송출

     - L2(1227.60 MHz = 10.23 x 120배,파장 ≒ 24 ㎝)
        . C/A코드,P(Y)코드,M코드 등이대역확산된신호 송출 (주로, 군사용으로만 사용)
 - L3(1381.05MHz)
        . 위성에서 지상국으로 데이터를 전송하는 데 사용
 - L4(1381.0MHz) 
        . 추가 전리층 보정을 위해 연구중
     - L5(1176.45 MHz = 10.23 x 115배,파장 ≒ 25.5 ㎝)
        . P 타입코드로대역확산된신호 송출 (항공 안전 관련으로 신규 추가됨)

2. C/A 코드(Corase/Access)

     -칩률 : 1.023 Mbps
     -코드 길이 : 1023칩(Chip)
     - 칩주기 : 1 ms
     -파장 ≒ 293.1 m
     -신호 강도 : 동일 L1 상에서 Y코드 보다 2배 이상 큼

3. 탐색 메세지

     - 비트전송속도   : 50 bps
     - 각메세지 길이  : 1500비트
     - 메세지전송속도 : 30초당 1개 메세지 프레임(각 프레임은 위성 원자시계의 분 또는 30분에 시작)
     - 메세지프레임 구분 : 6초짜리 5개 프레임
        . 각 메세지프레임은, 5개 서브프레임(각 300비트) 구성
        . 각 서브프레임은, 10개워드로 구성
        . 각 워드는, 30비트로 구성
     - 서브프레임전송속도 : 6초당 1개 서브프레임

4. GPS 메세지 형식

메세지의 완료는 각 750초(12분 30초)가 소요

 

탐색 메세지와 C/A 코드와의 차이

탐색데이터는 데이터(시계보정, 위성상태, 등등)가 포함되어 있음

P코드

  ㅇ P(Y)코드 (Protect,Precision) : 주로, 군용
     - 칩률 : 10.23 Mbps
     - 코드 길이 : 6 x 1012칩(Chip)
     - 칩주기 : 1 주일 길이 정도의 매우 긴코드
     - 파장 ≒ 29.31 m

  ㅇ M코드 (Military code) : 군용
     - 위 Y코드가 새롭게 군용코드로 대체됨
     - 칩률 : 5.115 Mbps
     - 코드 길이 : 불분명
     - 칩주기 : 불분명

측량 / 측위 원리 및 특징

ㅇ측위 원리 :GPS 위성으로부터 발사된 전파의 소요시간 또는 위상차 관측
     - 정확한 위치를 아는위성(기지점)들에서 발사된GPS 신호를 수신하여 소요시간들을 관측
        .전파 속도 (빛 속도)는 일정하다는 기본 원리에 바탕을 둠 (거리 =빛 속도 x시간)
        . 이때,위성 위치를 나타내는신호도 함께전송됨
     - 여러GPS 위성들부터의GPS 수신기 위치(관측점~위성 간 거리)를 구(球)로써 취하면,
        . 각 구(球)가 만나는 작은 영역 내에 관측점이 있게되고,
        . 그 영역이 오차 범위 임

  ㅇ측량 원리 :삼변 측량의 원리 이용
     - 고전적인삼각측량(미지점을 제외한 두 각 및 그 사이 변의 길이를측량)과는 달리,
     -GPS 위성 위치(기지점)로부터 알고 싶은 점(미지점)을 사이에 둔 2변의 길이를측정 (삼변측량)
        . 실제로는, 4 이상의 위성들로부터의 거리측정/계산에 의함

  ㅇ 편도 거리측정(One wayRanging) 방식을 기본으로 사용
     - 위성 발사 전파를 편방향으로 수신하여 위성까지의 거리(관측점~위성 간 거리) 계산
     - 적어도 4개의 위성을 동시에 관측하여,3 차원좌표 결정

측위 방법

1.GPS 측위 방법 구분

  ㅇ 단독측위 :GPS 수신기 1대 만에 의한 것 (주로,항법)
  ㅇ 상대측위 : 2 이상의GPS 수신기 활용 (주로,측량)


2. 단독측위 (1점측위, 절대측위) (PointPositioning)

  ㅇ 주로,항법에 이용됨

  ㅇGPS 수신기 1대에 의한 것으로GPS 측위의 기본적인 방법
     - 1점측위, 절대측위 라고도 함
     - 1점에서의 위치좌표 결정

  ㅇ 단독측위의 특징
      - 1개의수신기에서 여러개(4개 이상)의위성을 한꺼번에 관측
      -의사거리를 이용한 위치결정 방법
      - 일반적으로L1 반송파대역 1 파 만 사용
         . 이 때의정확도 낮음 (약 20 m 정도)
      -공간 상에서도플러 효과측정에 의해속도 벡터도측정 가능


3. 상대측위 (RelativePositioning, DifferentialPositioning)

  ㅇ 주로,측량에 이용됨

  ㅇ 2 이상의GPS 수신기 간위치벡터의 정밀측정
     - 상대측위는 2 이상의GPS 수신기로, 거의동시에(보통 수분이내)위성을 관측하여,
     - 관측점 간의 상대기선벡터를 구함

  ㅇ 상대측위의 특징
     -반송파위상 관측법이 주로 사용됨
        .반송파의위상차를 사용
     -정밀도 높음

  ㅇ 상대측위의 구분
     - 정적측량
        . 오랜시간 동안 관측을 함 (초기GPS 측량)
     - 동적측량
        . 하나의수신기는 고정하고, 다른수신기를 이동시키며측량
     -차분측위 (DGPS) : 상대측위의 일종이나,측량자는GPS 수신기 1대 만 사용
        . 기준점(DGPS 서비스 제공용GPS 수신기)에 의해 수행된 보정정보를 이용하여,
        . 미지점(자신의GPS 수신기)에 대해의사거리 보정 실시

반송파 기반 거리측정 방법

- GPS수신기에서,위성반송파 수신 시작 시점부터, GPS 위성에서GPS 수신기까지의 L1반송파의파장의 수가 몇개인지를 셈으로써거리 계산

코드 기반 거리측정 방법

 - GPS 위성이 발생한 코드를 수신하고, 이것과 GPS 수신기에서 자체 발생시킨 코드와의 시간 차이로부터거리 계산

SPS(Standard Positioning Service)

C /A 코드를 기반으로하는 GPS 위치 측정

• 해상도 : 일반적 3~10m 영역에서 가장 낮은 정확도 GPS 위치 측정값을 제공
• 측정을 위해 GPS 수신기 4개 이상의 위성에 고정, C/A 코드 기반 각 위성까지의 거리 추정(의사범위측정)
• SPS 측정 정확도는 수신기 내부 C/A 코드와 안테나 수신 코드 정렬 및 시스템 설계에 따라 달라짐
• 일반적인 정렬 정확도 : 비트 폭의 약 1% (1bit → ms당 1023미터 전송, 빛 약 300,000m/ms) 즉 약 3m 0.6% 정렬시 → 1.8m의 정확도
• 정확도를 위해 DGPS, RTK등의 다른 측정 기술이 필요

차동 보정, DGPS(Differential GPS)

ㅇ GPS에 의한상대 측위 방식의 일종
     - 거의 동시에 각가단독 측위를 수행하고 후처리를 함
     - 주로,측량용과항법용GPS 수신기를 결합시킴

  ㅇ 기지점 및 미지점에서 동시에(수분이내에) 관측(단독측위)을 수행, 공통의오차를 상쇄
     - 기지점(DGPS 서비스 제공용GPS 수신기)에서오차 분석하고,
        .측위오차(기지수신기의 위치오차,위성별 거리오차 등)를 구하고, 이를전송 받아 사용
     - 곧바로 이를 미지의 지점(자신의GPS 수신기)에전송 받아, 이를 통해측위 결과를 보정하는 방식

ㅇ DGPS의 정확성을 확보하기 위한 관측 조건으로는,
     - 관측의 동시성
     - 동일 위성군
     - 동일 궤도정보

  ㅇ 시장 추세
     - 단독측위 정확도의 향상, 실시간 이동측위 실용화 등이 이루어지고 있어서,
     - DGPS의 활용성이 점차 낮아짐

  ㅇ 단독측위 및 상대측위 
     - 단독측위는, 1점측위(Point Positioning)라고하여 GPS수신기 1대에 의한 것으로
       GPS 측위의 기본적인 방법 임
     - 상대측위는, 2개 이상의 GPS수신기로 관측하여 관측점간의 상대 기선 벡터를 구함

 

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참고한 곳

http://www.ktword.co.kr/

[정보통신기술용어해설]