모바일 센싱: GPS 위치

글로벌 포지셔닝 시스템 (GPS)

The Global Positioning System (GPS) is a location system developed by the United States Department of Defense for military purposes. It provides accurate estimates of position, velocity, and time by using a computer network and a constellation of 24 satellites to determine the altitude, longitude, and latitude of any object on the Earth’s surface through triangulation. The system has been operational since 1995.

GPS의 민간 사용

민간 분야에서는 보안상의 이유로 GPS 신호의 열화된 하위 집합만 허용됩니다. 그러나 민간 커뮤니티는 차등 기술을 통해 우수한 위치 정밀도를 얻기 위한 대안을 찾았습니다. 이러한 기술은 민간 응용 프로그램의 엄청난 성장을 이끌었으며 현재 GPS 수신기 제조업체가 70개 이상 있습니다.

작동 원리

의 목적은 GPS 시스템 는 위치가 알려진 최소 세 개의 위성에 대한 지점의 거리를 계산하는 것에서 시작하여 좌표 공간(x,y,z)의 임의의 지점의 위치를 계산하는 것입니다. 사용자(GPS 수신기)와 위성 간의 거리는 위성에서 방출된 신호의 비행 시간을 전파 속도로 곱하여 측정됩니다.

To figure out how long the radio signal took to travel, the satellites and receivers’ clocks must be set to the same time. This is because they both have to send out the same code at the same time. But while the clocks on the satellites are very accurate, the clocks on the receivers are cheap quartz oscillators that are not accurate. Distances with errors due to synchronism are called pseudoranges. The difference in the clocks of the receivers is another unknown that makes it necessary to use at least four satellites to figure out where the receivers are.

의사거리 계산

의사거리 계산 시 GPS 신호가 약하고 라디오 대역에서 행성에 내재된 배경 소음에 잠겨 있다는 점을 고려합니다. 이 자연 소음은 무작위 펄스로 구성되어 있어 GPS 수신기가 변동 패턴으로 인공적인 의사 난수 코드를 생성하게 됩니다. 각 순간마다 위성은 수신기가 생성한 의사 난수 시리즈와 동일한 패턴의 신호를 전송합니다. 이 동기화를 기반으로 수신기는 수신된 코드와 일치할 때까지 의사 난수 코드를 시간적으로 이동시켜 거리를 계산합니다. 이 변위는 신호의 비행 시간에 해당합니다. 이 과정은 각 수신기에서 자동으로, 지속적으로, 즉시 수행됩니다.

지상국과 원자 시계

위성의 속도가 높지만(4 km/s), 24~48시간 동안의 이전 위치 예측을 기반으로 즉각적인 위치를 몇 미터 미만의 오차로 추정할 수 있습니다. 지상국은 주기적으로 위성의 원자 시계, 두 개의 세슘과 두 개의 루비듐을 검토하여 에페머리스와 시계의 보정을 전송합니다. 시계의 정밀도와 위성 궤도의 안정성은 GPS 시스템 운영의 핵심입니다.

GPS의 오류 원인

GPS 측정에 영향을 줄 수 있는 여러 오류 원인이 있습니다. 주요 원인 중 일부는 다음과 같습니다:

- 전리층 장애: 전리층은 전하를 띤 입자로 구성된 층으로, 이를 통과하는 라디오 신호의 속도에 영향을 줄 수 있습니다.

- 기상 현상: Water vapor in the troposphere, the layer closest to the Earth’s surface, can slow down electromagnetic signals and cause errors in GPS measurements that are difficult to correct.

- 시계의 부정확성: 신중한 조정과 제어에도 불구하고 GPS 위성 원자 시계와 수신기 시계 모두 약간의 편차를 보일 수 있습니다.

- 예기치 않은 전기 간섭: 전기 간섭은 의사 난수 코드의 상관관계나 궤도 계산에 오류를 일으켜 최대 1미터의 불일치를 초래할 수 있습니다.

- 다중 경로 오류: GPS signals can be reflected off surfaces before reaching the receiver, leading to errors in the measured distance. It’s challenging to minimize this error as it depends on the GPS antenna’s environment.

- 선택적 가용성 (S/A): 군대는 이 오류 원인을 의도적으로 도입하여 가장 큰 원인이 됩니다.

- 수신기-위성 토폴로지: 거리 계산에 사용되는 가시 위성의 공간 배열은 GPS 측정의 정밀도에 영향을 줄 수 있습니다. 고급 수신기는 거리 측정 오류를 수정할 수 있습니다.

These sources of error can be categorized into those that depend on the satellites’ geometry and those that don’t. Selective availability and clock errors are not affected by the shape of the satellite, but ionospheric and tropospheric delays and multipath errors are very affected by the shape of the satellite. Each GPS position measurement has a value called “불확실성” that is based on all the different sources of error.

GPS 응용 프로그램

GPS 응용 프로그램은 내비게이션 보조 시스템, 대기 및 지상 공간 모델링, 고정밀 시간 측정을 포함한 다양한 분야에서 사용됩니다. 다음은 민간 분야에서 사용되는 GPS 시스템의 몇 가지 예입니다:

- 대기 현상 연구: GPS 신호는 대류권의 수증기에 의해 발생하는 속도 변화를 분석하여 기상 예측 모델을 개발하는 데 유용합니다.

- 험난한 지역에서의 위치 및 내비게이션: GPS는 접근하기 어려운 지역이나 랜드마크가 없는 지역에서 연구 탐사에 사용됩니다. 이는 극지방이나 사막 지역에 대한 지식을 심화하는 데 도움이 됩니다.

- 지질 및 지형 모델: GPS는 지질학자들이 판 구조 운동을 연구하고 지진 예측을 위해 사용됩니다. 또한 지형 조사 및 산림 및 농업 인벤토리의 기본 도구입니다.

- 토목 공학: GPS는 금속 또는 콘크리트 구조물과 같은 하중을 받는 대형 구조물의 변형을 실시간으로 모니터링하는 데 사용됩니다.

- 자동 경보 시스템: GPS는 고위험 오염 및 부패성 화물의 운송을 모니터링하는 센서에 연결된 경보 시스템에 사용됩니다. 경보는 차량에 대한 신속한 지원을 허용합니다.

- 신호 동기화: 전기 산업은 전기 서비스의 가능한 결함을 찾기 위해 모니터링 스테이션의 시계를 동기화하는 데 GPS를 사용합니다.

- 신체 장애인을 위한 안내: GPS 시스템은 시각 장애인이 도시를 탐색하는 데 도움을 주기 위해 개발되고 있습니다. 또한 관광에서 경로의 다양한 장소 간의 경로를 최적화하기 위해 사용을 연구하고 있습니다.

- 차량 함대의 내비게이션 및 제어: GPS는 경찰, 응급 서비스, 택시 정류장, 택배 서비스 및 배달 회사와 같은 조직에 의해 궤적 계획 및 차량 함대 제어에 사용됩니다.

- 민간 항공 시스템: GPS는 민간 항공에서 내비게이션 및 착륙 작업을 돕는 데 사용됩니다. 그 중요성으로 인해 GPS 정확도를 개선하기 위한 시스템 개발이 이루어졌습니다.

- 무인 차량 내비게이션: GPS는 자율 육상 차량, 적대적 환경에서의 감시 및 화물 운송에서 정밀한 기동을 위한 DGPS 시스템에 통합됩니다.

GPS 측정의 높은 정밀도로 인해 저궤도에서 우주에서 중요한 발전이 이루어졌습니다. 로봇은 이제 인공위성을 검사, 수리 및 조립하는 등의 위험한 작업을 스스로 수행할 수 있습니다.

GPS의 미래

1996년 GPS 시스템을 규율하는 규정에 따르면 선택적 가용성은 2006년에 억제되고 민간 사용을 위해 하나의 주파수가 추가될 것입니다. 이는 몇 년 내에, GPS 위성이 L2 및 L1 주파수 모두에서 민간 코드를 전송할 것임을 의미합니다. 이는 이온층 오류를 추정하고 차등 기술로 달성할 수 있는 것과 유사한 절대 모드 정밀도를 제공할 수 있는 중복성을 생성할 것입니다. L1 주파수의 신호는 동일하게 유지되므로 현재 수신기는 계속 작동할 수 있습니다.

제어 세그먼트는 현재 설계 단계에 있는 전문가 스테이션을 위한 새로운 제어 시스템의 가동으로 개선될 것입니다. 이는 최대 20개의 모니터링 스테이션을 포함하여 에페머리스 및 위성 시계의 보다 정밀한 제어를 가능하게 할 것입니다.

그러나 현재 GPS, GLONASS 및 GPS/GLONASS 내비게이션 시스템은 항공 내비게이션과 같은 일부 민간 응용 프로그램에서 요구되는 엄격한 안전 기준을 충족할 수 없습니다. 시스템 작동에 대한 사용자에게 오류를 알리는 데는 위성에서 오류가 발생할 때 1초에서 제어 세그먼트가 오류를 감지하는 경우 몇 시간까지 걸릴 수 있습니다.

이러한 단점을 해결하기 위해 유럽은 이그노스 (유럽 정지궤도 내비게이션 오버레이 서비스)를 개발 중이며 2003년에 운영될 예정입니다. 이 시스템은 GPS 신호를 수신하고 위치 오류를 줄이기 위해 지상에 34개의 고정 수신 안테나(RIMS) 네트워크를 설치하여 항공 내비게이션의 안전 기준을 충족할 것입니다. 이러한 신호는 위성 정보를 보정하고 가능한 오류를 측정하여 수정하기 위해 제어 센터로 전송된 후 다시 10개의 지상국으로 전송됩니다. 또한 이러한 신호는 35,000km 고도에 위치한 두 개의 새로운 정지궤도 INMARSAT 위성으로 전송되어 중계기 역할을 하고 사용자에게 신호를 전송합니다. 미국(WAAS: 광역 증강 시스템)과 일본(엠티에스에이에스: MTSAT 위성 기반 증강 시스템)도 유사한 서비스를 개발 중입니다.

유럽은 또한 GNSS-1을 발사할 것입니다, which stands for “Global Navigation Satellite System 1.” This system will combine the services of GPS, GLONASS, EGNOS, WAAS, and MTSAS. This will be the first step toward a European positioning system (GNSS-2 or Galileo) that will use a constellation of European satellites.

마지막으로, 향후 5년 내에 GPS 및 GPS/GLONASS가 운영될 유일한 위성 기반 위치 시스템이 될 것임을 주목해야 합니다.

결론적으로

높은 수준의 정확성을 달성하려면 GPS 측정 오류의 기원을 인식해야 합니다. NOAA GPS 툴박스는 GPS 기술과 관련된 연구원 및 엔지니어에게 필수적인 도구로, 이러한 부정확성을 줄이는 데 도움이 되는 유용한 소프트웨어와 리소스를 제공합니다.