[측지기사 - GNSS] 위성측위시스템(GNSS)의 개념 | GPS, 위치측정

GNSS 측량이란?

3차원 또는 4차원 측지를 의미한다. 정확도는 1/1,000,000이며 기상조건은 무관하나 천둥과 번개의 영향은 있다. 가시구역이 필요 없고, 위성을 추적할 수 있는 공간이 필요하다. 27개의 위성으로 24시간 내내 관측이 가능하다는 특성이 있다.

좌표계가 통일되어 있으며, 수신기 1대당 1인이 필요하다. 장비 설치가 용이하며 고속으로 관측자료를 처리할 수 있다는 장점이 있다.

GPS의 개념

GPS(Global Positioning System)은 현재 GLONASS와 함께 완전하게 운용되고 있는 범지구위성항법시스템 중 하나이다. GPS에서는 중궤도를 도는 24개(실제는 그 이상)의 인공위성에서 발신하는 마이크로파를 GPS 수신기에서 수신하여 수신기의 위치벡터를 결정한다.

GNSS의 3가지 구성 요소

미국 로스엔젤레스 공군기지(AFB)에 설치된 종합통제소가 1973년 이래로 3개 부문을 관장하고 있다.

• 우주부문: 연속적 다중위치 결정체계, GPS는 55도 궤도 경사각, 위도 60도의 궤도를 가지며, 6개의 궤도면이 있다. 약 20,000km 고도이며, 약 12시간 주기로 운행한다. 3차원 후방교회법으로 위치를 결정한다.
• 제어부문: 궤도와 시각 결정을 위한 위성의 추적, 전리층 및 대류층이 주기적으로 모형화한다. 위성으로의 자료 전송(상대측위 의미)한다.
• 사용자부문: 위성으로부터 보내진 전파를 수신해 원하는 위치 또는 두 점 사이의 거리를 계산한다.

GPS와 관련된 필기 시험 기출문제는 다음과 같다.

(2022년 4월) 2개의 주파수를 사용하는 이유는?

전리층의 효과를 제거(보정)하기 위해서

 

GPS 신호체계

반송파(Carrier)와 코드(Code)가 있다.

먼저 반송파는 L1, L2 신호는 위성 위치 계산을 위한 Keplerian 요소와 형식화된 자료 신호를 포함한다. 

• L1: 1,575.42MHz (154 X 10.23MHz), C/A-code와 P-code 변조 가능
• L2: 1,227.60MHz (120 X 10.23MHz), P-code만 변조 가능
• 여기서 10.23MHz은 기준 주파수이다.

다음으로 코드는 반송파에 변조되어 SPS 사용자(민간)에게 제공된다. 주파수는 1.023MHz이며, 파장은 300m이다.

GPS시는 1) 위치결정 2) 국제 원자시, 세계시 및 한국표준시 생성 3) 정보통신망 구축 에 활용할 수 있다.

RTK-GPS 의 특징

- 상공시계 확보 필수
- 5개 이상 위성 필요
- 통신장치 필요
- PC 상 측정결과 표시
- 타원체고에 대해 지오이드고 보정, 지오이드면부터 높이 변환

* GPS와 국제원자치(TAI) 차: 19초
** GPS와 UTC(2000suseh) 차: 12초

 

위치측정 원리

위치측정에는 코드 관측방식과 반송파 관측방식이 있다. 코드 관측방식은 위성과 수신기간의 상호 도달시간을 관측하여 거리를 결정한다. 절대관측방법(1점 측위) 및 DGPS 측량에 사용한다.

반송파 관측방식★은 위성과 수신기간 판송파의 파장 개수(위상차)에 의해 간섭하는 거리를 결정한다. 측정 시간이 오래 걸리는 만큼 코드방식에 비해 정확도가 높다.

반송파 관측방식에는 모호정수(Ambiguity)가 있는데, 모호정수는 반송파에 대한 미지의 수, 또는 위성과 수신기 안테나 간의 파장의 수로 볼 수 있다. 소수 부분의 위상은 있으나 정수부분의 위상은 없다.

• 일중차: 한 개의 위성, 두 개의 수신기 이용
• 이중차: 두 개의 위성, 두 개의 수신기를 이용한 각각 위성에 대한 일중차끼리의 차이 값
• 삼중차: 한 개 위성에 대하여 어떤 시각의 위상 측정치와 다음 시각의 위상 측정치 차이의 값
• 삼중차는 키네매틱 측량, RTK 측량에 사용하며 사이클슬립(Cycle Slips)의 문제를 해결한다.