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GNSS 개요 및 활용
2010. 7.16
조
성 호
2
GNSS 개요
전역위성항법시스템
 미국 : GPS
 유럽연합 :
GALILEO
 러시아 : GLONASS
 중국 : Compass
지역위성항법시스템
 일본 :
QZSS(JRANS)
GPS
GEO
GALILEO
위성항법보강시스템
 미국 : WAAS
 유럽연합 : EGNOS
 일본 : MSAS
 인도 : GAGAN
 중국 : Beidu
Ionospheric Error
Correction(RTCA)
- Ephemeris
- Satellite Clock
- Ionosphere Etc.
Tropospheric Error
Correction(RTCM)
- Pseudorange Error
- Pseudorange Rate Error
Correction
- Ephemeris
- Satellite Clock
GPS 주조정국
보정정보 생성
주조정국
GALILEO 주조정국
3
발전 동향 : 인프라
No Integrity
위성항법시스템
GLONASS
GPS
30s
SBAS
GBAS
GAGAN WAAS
5s
Integrity
Time to Alarm
MSAS EGNOS
GALILEO
LAAS
1m
3m
Accuracy
15 m
4
발전 동향 : 서비스
5
개발 경과











1978년
1984년
2000년
2002년
2003년
2004년
2005년
2005년
2006년
2007년
2011년
최초 GPS 위성 발사
일반 항공기에 GPS 서비스 제공
GPS SA 해제(10m 오차)
갈릴레오 개발 착수
WAAS 초기 운용
QZSS 개발 착수
갈릴레오 시험용 위성 발사
MTSAT 1-R 발사
EGNOS 서비스 시작
MSAS 서비스 시작
갈릴레오 서비스 시작
6
주요 현황
 미국 : WASS 구축 완료, LAAS CAT-I 실용화 단계. GPS 현대화
(GPS
Modernization) 추진 중
 러시아 : 소련의 해체 이후 막대한 경비 부담으로 기능이 마비된
GLONASS 재 구축 추진 중
 유럽연합(EU) : 자체적으로 갈릴레오라는 민간용 위성항법시스템
개발 및 구축 추진 중
 일본/캐나다/호주/중국 등 : 자국의 상황을 반영하여 위성항법
보강시스템 및 지역위성항법시스템 개발 중
7
목차

GNSS의 배경

GNSS의 역사

GNSS의 기본이론

GNSS의 응용 및 활용

GNSS 보강시스템
8
GNSS의 배경

GNSS(Global Navigation Satellite System)

1991년 10차 Air Navigation Conference에서
ICAO(International Civil Organization)는
“21세기에 기본적인 Stand-alone 항법시스템은
Global Navigation Satellite System(GNSS)에 의해
제공될 것이다.”
9
Beacon에 의한 항법

비콘 : 빛, 소리, 라디오파를 연속적으로 전송하고
선박 및 항공기 등이 이 신호를 수신하여 위치결정
10
GNSS의 역사 (1)


Transit : 1960년대 미 해군에 의해 개발
NAVSTAR(NAVigation System with Time and Range)
GPS의 개념 확립(73-79)


1973년 미 국방부(해군)에서 개발
1978년 첫번째 GPS 위성 발사
1984년 KAL-007기 격추사건 이후 일반항공기에 GPS 이
용권 제공
 1990년 미국방부(DOD)에 의한 SA 첫 가동
 1990년-91년 : 걸프전동안 SA 가동중지 및 GPS 활용
 1991년 8월 : 군사목적과 일반사용목적의 구분을 선언
 1993년 12월 초기정상가동(IOC:Initial Operational
Capability)선언 : 24개 위성,
SPS 지원

11
GNSS의 역사 (2)







1995년 4월 정상가동(FOC:Full Operational Capacity)선
언 : 24개 Block II와 IIA 위성, SPS&PPS 지원
1997년 2월 미국부통령은 민간용 제2의 반송파 서비스에
관한 계획 선언(민간용 L5 반송파)
2000년 5월 1일 : 미국 대통령의 SA 해제 발표
2003년 WAAS의 초기 작동 능력
2004년 LAAS의 초기 개발
2005년 L2C 신호 포함한 위성 최초 발사
2006년 L2와 L5 신호를 포함한 위성 최초 발사
12

PPS(Precise Positioning Service)




목적 : 군사적 이용과 정부의 승인된 사용자를 위해
접근신호:L1, L2, C/A-code, P/Y-code & 항법메시지
SA와 AS에 의해 조절
정확도




수평성분(2 drms, 95%) ; 22m
수직성분(2 drms, 95%) ; 27.7m
UTC Time transfer(95%) ; 200ns
속도성분 ; 0.2m/s
13

SPS(Standard Positioning Service)



목적 ; 전세계 일반적인 사용자를 위해
접근신호 ; L1, L2, C/A-code, P-code & 항법메시지
정확도



수평성분(2 drms, 95%) ; 100m
수직성분(2 drms, 95%) ; 156m
UTC Time transfer(95%) ; 340ns
14

Selective Availability (SA) ; 선택적 이용성 ; 초기에 C/Acode를 이용한 정확도는 20～40m로 미 자국의 이익(안보
상의 문제)을 위해 DoD(미 국방부)가 고의로 오차를 부가
한 정책

위치정확도 저하 방법



SA에 따른 정확도



Off-Setting SV Clocks
Injection of Ephemeris Error
SA On ; ～100m (C/A-code or P-code)
SA Off ; 20～40m (C/A-code or P-code)
SA에 대한 정책



1995년 SA의 작동을 지속적 수행 선언
1996년 Clinton은 향후 10년안에 SA의 영구해제 선언
2000년 SA 해제
15

Anti-Spoofing (A-S) ; 암호화 ; SA정책으로인해 군사
적 목적의 사용자도 ～100m의 정확도 를 갖게되므로
P-code를 암호화한 Y-code를 통해 clock과 orbit data
의 오차를 보상하는 정책
P-code를 암호화한 Y-code에 의한 정밀측위
 암호해독을 위한 Key 필요
 암호해독 Key는 미 국방성에서 승인된 사용자에게 지급
 C/A-code에는 무관

16
SA 해제 전후 비교
17
SA 해제 전후 비교
SA 해제전(5월 1일)
SA 해제후(5월 3일)
18
GNSS의 이론

GPS

GLONASS

GALILEO
19
GPS
미국이 개발한 위성항법시스템
 3대구성요소 :




우주부분
제어부분
사용자부분
위성신호체계
 위치결정원리
 GPS의 오차

20
GPS의 3대 구성요소
우주부문
사용자 부문
제어부문
제어부문
Colorado Springs
21
GPS의 우주부문
궤도평면:6개
 궤도당 4개 위성
 궤도경사각:55도
 고도:20,200km
 주기:11시간58분

22
Block IIR Modernization
Post Modernization/IIR-M
Pre-Modernization/IIR

Heritage Signals
 L1 C/A
 L1, L2 P(Y)

On Orbit Life
 ~10.6 Years MMD*

Modernized Signals
 Flexible, Higher Power
 L1 C/A, L2C** (or C/A)
 L1, L2 P(Y)
 L1, L2 M-Code)
 On-Orbit Life
 ~8.6 Years MMD
* Design Life/MMD analysis completed Nov 01.
** L2 Second Civil signal design supports varying code length and data structure
23
Block IIF Modernization
Post Modernization
Pre-Modernization

Heritage Signals
 L1, L2 C/A
 L1, L2 P(Y)

Design Life
 15 Years

Modernized Signals
 Flexible, Higher Power
 L1 C/A, L2C*
 L1, L2 P(Y)
 L1, L2 M-Code
 L5 Third Civil**

Design Life
 12 Years
 10 Year MMD
* L2 Second Civil signal design supports varying code length and data structure
** L5 Third Civil signal at -154dBw
24
25
GPS의 제어부문

주제어국(Master Control Station):

추적국(Monitor Station)에서 전송된 데이터를 이용하
여 위성위치를 감시하고, 방송궤도력, 위성시계오차 등
을 위성에 전송
26
User Segment









Military.
Search and rescue.
Surveying.
Marine, aeronautical and terrestrial navigation.
Remote controlled vehicle and robot guidance.
Satellite positioning and tracking.
Shipping.
Geographic Information Systems (GIS).
Recreation.
27
GPS 신호체계
C/A(293m), P(29m),L1(19cm), L2(24cm)
 반송파(L1,L2)를 이용->보다 정확한 위치결정 가능
28
GPS 현대화 계획
1세대 : 1989년 ∼ 2010년
2세대 : 2005년 ∼ 2018년
3세대 : 2013년 ∼ 2030년)
 제 2의 민간신호(L2C)와 군용 M 코드 신호 제공
▪ 2005년 9월 Block IIR 위성 최초 발사, 2012년 24개 위성배치 완료
 새로운 주파수인 L5 신호 제공 추가
▪ 제 3의 민간신호 제공
▪ 2007년 Block IIF 위성 발사, 2015년 24개 위성배치 완료 예정
 군사적 필요에 따라 특정 지역의 서비스 차단하거나 왜곡하는 기능 추가
▪ 2013년 Block III 위성 발사, 2021년 24개 위성배치 완료 예정
▪ 기존의 L1 코드 신호의 정확도 향상 (L1C)
29
GPS 현대화 계획 요약

위성 종류/개수/기능




Block IIR-M (8기)

L1 C/A, P(Y)

L2 CS, P(Y), M

2005년 ~ 2007년 발사
Block IIF (19기)

L5 CS 추가

2007년 ~ 2013년 발사
Block III (N기)

L1 BOC(1,1)추가

M-code beam spot 기능 추가
IOC, FOC 계획

L2CS : IOC 2011년, FOC 2013년

L5 : IOC 2014년, FOC 2015년

M-code : IOC 2011년, FOC 2013년
2005년 9월 26일 첫 번째 Block IIR-M 위성발사
30
위치결정 원리

위치를 정확히 아는 위성에서 출발한 위성신호를 수신하여
전파의 도달 시간을 측정하고 미지점(사용자)의 위치를 계
산
31
3차원 위치결정(Point Positioning)
 수신기좌표 ux,uy,uz, 수신기시계오차를 계산하기 위해
서는 최소 4개 이상의 위성 관측이 필요
32
DGPS 원리



DGPS(Differential GPS)는 좌표를 알고있는 기지점에 고
정용 수신기를 설치 보정자료 생성
미지점에 수신기를 설치하여 생성된 보정자료를 이용해 미
지점의 관측자료를 보정
높은 정확도를 확보하는 GPS 측위기법
33
GPS의 오차

GPS 시스템 오차





GPS 수신기 오차



위성궤도오차
위성시계오차
전리층오차
대류층오차
GPS 수신기의 Noise
다중경로(Multi-Path)
위성배치에 따른 오차

DOP
34
이온층 오차


50km 이상에 위치하는 이온층을 통과할때 위성신호 굴절
L1과 L2 에서 지연되는 량이 다르므로 이주파 수신기를
이용하여 관측하면 이온층 오차 보정 가능
35
대류층 오차


50km 이하의 대류층을 통과하면서 위성신호가 굴절되어
의사거리가 지연됨
이주파를 이용하여도 완전히 보정할 수 없지만,
대류층 모델을 활용하면 보정 가능
36
다중경로

주변의 대상물로부터 위성신호의 반사




반송파 위상 : 0 - 20mm
코드 의사거리 : 수 미터
P코드보다 C/A코드에 더 많은 영향을 줌
초코링안테나, 소프트웨어 등을 이용하여 소거 가능
37
DOP(Dilution of Precision)

측위 정밀도의 저해인자


GPS 수신기가 계산하는 측위 결과의 정도(Quality)를
가늠케하는 지수
위성이 고르게 분포하면 정확도가 높아지나, 위성이 한쪽으로 편중되
어 있으면 정확도가 낮아짐.
38
GPS 측위 기법에 따른 정밀도 비교
기법
내용
정밀도
단독측위
GPS수신기 1대로 위치측정
30m
DGPS
측량용과 항법용 수신기를 결합하여 이동체의 후처
리 및 실시각 정밀위치 측정
1m ~ 5m
후처리상대측위
2대 이상의 측량용 GPS 수신기를 이용하여 고정밀
상대위치 측정
수 mm
실시각이동측위
2대 이상의 측량용 수신기를 이용하여 실시간 고정
밀 위치 측정
1cm ~ 2cm
39
GLONASS

GLONASS(GLObal Navigation Satellite System )
위성수 15개 이하
 사용자 장비 보급 저조 -> 이용자 극소수
 러시아의 경제 불안전, GPS와 경쟁력 열세로 한계에
직면
 99년 2월 대통령성명 발표 : GLONASS 국제 협력 의사
 유럽연합과 장래 GNSS에서 GLONASS의 운용권 공유
의사 밝힘
 유럽은 러시아의 항법위성 운용기술과 항법주파수 활용
방안 모색

40
GLONASS의 신호체계

신호체계
코드 : L1 C/A 코드(0.511MHz, 586m)
L1과 L2에 P코드(5.11MHz, 58.7m)
 반송파: L1 1602MHz – 1615MHz
L2 1246MHz – 1256.5MHz
주파수의 일정부분을 위성에 할당하여
위성을 구분함
 시간의 기준 : UTC(SU) (러시아의 UTC 기준)
 위성궤도력: 매 30분마다 위성의 좌표, 속도,
가속도를 제공

41
Galileo

Galileo 프로젝트의 개요





EU 주도로 개발
GPS에 의존할 경우, 유럽주권의 종속 우려
(사용료, 기술종속 등)
2002 – 2005년 : 위성신호, 궤도 등 결정
2006 – 2010년 : 위성 발사 및 지상국 운용
2010년 : Galileo 위성배치 완료 및 서비스
42
Galileo 위성의 궤도
위성수 : 30개
 3개의 궤도평면
 궤도당 10개 위성
 궤도경사각 : 56도
 위성고도: 23,616km
 주기: 14시간 4분

43
Galileo 신호체계

반송파 신호
E5a (1176.45MHz), E5b(1207.14MHz), E5(E5a+E5b)(1191.795MHz)
 E6(1278.75MHz), E1(1575.42MHz)

L5
L2
L1
44
Galileo 써비스

Open Services (OS): 2개 주파수 이용 가능



이주파 : 수평 4m, 수직 8m (신뢰수준 : 99.8%)
일주파 : 수평 15m, 수직 35m
Commercial Services(CS) : 3개 주파수 이용
TCAR에 의해 미지정수 해결가능
 넓은 지역 : 1m(이주파), 좁은지역 : 10cm 이하(지역보정신호이용)


Safety-of-life Services (SOL): 경고


Public Regulated Services(PRS) :



이주파 : 4 - 6m
넓은지역 : 수평 6.5m, 높이 12m
좁은지역 : 1m(지역보정신호이용)
Search and Rescue Services(SAR)
45
갈릴레오
 개발 및 궤도내 시험 단계(2002년 ∼ 2009년)
▪ 2005년 12월 첫 번째 시험위성 GIOVE-A 발사
▪ 2009년까지 4개 위성으로 갈릴레오 시스템 타당성 점검

구축 단계 (2009년 ∼ 2011년)
▪ 30기의 상용위성 발사 완료

운용 단계 (2011년 ∼ )
▪ 갈릴레오 서비스 제공 및 유지 보수
46
GNSS의 응용 및 활용
그림 1. GNSS 응용
47
Navigation
 저가형 GPS항법장치 시판
 자동차회사를 주축으로 개발
 PDA + GPS 의 결합 용이
48
GPS-VAN

다양한 종류의 센서 탑재



GPS+INS+CCD 카메라
수치지도 수정 및 갱신
철도 및 도로 관련 시설물
정보 수집
DGPS
NET WORK
GPS위성
GPS
BASE STATION
CCD카메라
GPS안테나
IMAGE
MODULE
WHEEL
SENSOR
GPS
INS
49
항공 활용

연속이동측량을 활용한 항공기의 정밀자세결정


GPS+INS+항공사진측량용 카메라
수치지도 및 지형도 제작
50
건설 및 농업분야 GPS 활용
측량/ GIS
사면관리/재난관리
농업/ 산림분야
정밀시공
51
JDAM(Joint Direct Attack Munition

GPS+INS -> 탄두의 자세 제어
52
기상 관측 분야
기상예보시스템
GPS와 WVR을 이용한 기상 예측
 수증기량을 측정하여 기상예측
실시간 국지기상 파악
53
해상 탐사 및 준설 분야

GPS 수신기로 배의 위치를 결정하고, 수심측정기로 수
심을 측정하여 해도를 작성하고 해양의 탐사 및 준설
54
SBAS(미국의 WAAS, 유럽의 EGNOS)
55
GBAS

Ground Based Argumentation System





지상에 기반을 둔 보강 시스템
기준국에서 위성 신호 수신
보정정보 생성
무결성 감시
보정정보 전송
56
일본의 MSAS