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GNSS 개요 및 활용

GNSS 개요 및 활용. 2010. 7.16 조 성 호. GNSS 개요. 전역위성항법시스템. 지역위성항법시스템. 위성항법보강시스템. 미국 : GPS 유럽연합 : GALILEO 러시아 : GLONASS 중국 : Compass. 일본 : QZSS(JRANS). 미국 : WAAS 유럽연합 : EGNOS 일본 : MSAS 인도 : GAGAN 중국 : Beidu. 위성항법시스템. GLONASS. No Integrity . GPS. SBAS. GALILEO.

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GNSS 개요 및 활용

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  1. GNSS 개요 및 활용 2010. 7.16 조 성 호

  2. GNSS 개요 전역위성항법시스템 지역위성항법시스템 위성항법보강시스템 • 미국 : GPS • 유럽연합 : GALILEO • 러시아 : GLONASS • 중국 : Compass • 일본 : QZSS(JRANS) • 미국 : WAAS • 유럽연합 : EGNOS • 일본 : MSAS • 인도 : GAGAN • 중국 : Beidu

  3. 위성항법시스템 GLONASS No Integrity GPS SBAS GALILEO 30s MSAS EGNOS GBAS GAGAN WAAS Integrity Time to Alarm 5s LAAS 1 m 3 m 15 m Accuracy 발전 동향 : 인프라

  4. 발전 동향 : 서비스

  5. 개발 경과 • 1978년 최초 GPS 위성 발사 • 1984년 일반 항공기에 GPS 서비스 제공 • 2000년 GPS SA 해제(10m 오차) • 2002년 갈릴레오 개발 착수 • 2003년 WAAS 초기 운용 • 2004년 QZSS 개발 착수 • 2005년 갈릴레오 시험용 위성 발사 • 2005년 MTSAT 1-R 발사 • 2006년 EGNOS 서비스 시작 • 2007년 MSAS 서비스 시작 • 2011년 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. 목 차 • 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 이용권 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)선언 : 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/A-code를 이용한 정확도는 20～40m로 미 자국의 이익(안보상의 문제)을 위해 DoD(미 국방부)가 고의로 오차를 부가한 정책 • 위치정확도 저하 방법 • Off-Setting SV Clocks • Injection of Ephemeris Error • SA에 따른 정확도 • 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 군사적 목적의 사용자도 ～100m의 정확도를 갖게되므로 P-code를 암호화한 Y-code를 통해 clock과 orbit data의 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 Pre-Modernization/IIR • Heritage Signals • L1 C/A • L1, L2 P(Y) • On Orbit Life • ~10.6 Years MMD* Post Modernization/IIR-M • 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 • 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 Pre-Modernization • Heritage Signals • L1, L2 C/A • L1, L2 P(Y) • Design Life • 15 Years * L2 Second Civil signal design supports varying code length and data structure ** L5 Third Civil signal at -154dBw

  24. GPS의 제어부문 • 주제어국(Master Control Station): • 추적국(Monitor Station)에서 전송된 데이터를 이용하여 위성위치를 감시하고, 방송궤도력, 위성시계오차 등을 위성에 전송

  25. 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.

  26. GPS 신호체계 • C/A(293m), P(29m),L1(19cm), L2(24cm) • 반송파(L1,L2)를 이용->보다 정확한 위치결정 가능

  27. GPS 현대화 계획 3세대 : 2013년 ∼ 2030년) 1세대 : 1989년 ∼ 2010년 2세대 : 2005년 ∼ 2018년 • 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)

  28. 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

  29. 위치결정 원리 • 위치를 정확히 아는 위성에서 출발한 위성신호를 수신하여 전파의 도달 시간을 측정하고 미지점(사용자)의 위치를 계산

  30. 3차원 위치결정(Point Positioning) • 수신기좌표 ux,uy,uz, 수신기시계오차를 계산하기 위해서는 최소 4개 이상의 위성 관측이 필요

  31. DGPS 원리 • DGPS(Differential GPS)는 좌표를 알고있는 기지점에 고정용 수신기를 설치 보정자료 생성 • 미지점에 수신기를 설치하여 생성된 보정자료를 이용해 미지점의 관측자료를 보정 • 높은 정확도를 확보하는 GPS 측위기법

  32. GPS의 오차 • GPS 시스템 오차 • 위성궤도오차 • 위성시계오차 • 전리층오차 • 대류층오차 • GPS 수신기 오차 • GPS 수신기의 Noise • 다중경로(Multi-Path) • 위성배치에 따른 오차 • DOP

  33. 이온층 오차 • 50km 이상에 위치하는 이온층을 통과할때 위성신호 굴절 • L1과 L2 에서 지연되는 량이 다르므로 이주파 수신기를 이용하여 관측하면 이온층 오차 보정 가능

  34. 대류층 오차 • 50km 이하의 대류층을 통과하면서 위성신호가 굴절되어 의사거리가 지연됨 • 이주파를 이용하여도 완전히 보정할 수 없지만, 대류층 모델을 활용하면 보정 가능

  35. 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

  36. DOP(Dilution of Precision) • 측위 정밀도의 저해인자 • GPS 수신기가 계산하는 측위 결과의 정도(Quality)를 가늠케하는 지수 • 위성이 고르게 분포하면 정확도가 높아지나, 위성이 한쪽으로 편중되어 있으면 정확도가 낮아짐.

  37. GPS 측위 기법에 따른 정밀도 비교

  38. 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 공유의사 밝힘 • 유럽은 러시아의 항법위성 운용기술과 항법주파수 활용방안 모색

  39. 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

  40. 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

  41. Galileo 위성의 궤도 • 위성수 : 30개 • 3개의 궤도평면 • 궤도당 10개 위성 • 궤도경사각 : 56도 • 위성고도: 23,616km • 주기: 14시간 4분

  42. Galileo 신호체계 • 반송파 신호 • E5a (1176.45MHz), E5b(1207.14MHz), E5(E5a+E5b)(1191.795MHz) • E6(1278.75MHz), E1(1575.42MHz) L5 L2 L1

  43. 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 • 이주파 : 4 - 6m • Public Regulated Services(PRS) : • 넓은지역 : 수평 6.5m, 높이 12m • 좁은지역 : 1m(지역보정신호이용) • Search and Rescue Services(SAR)

  44. 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

  45. GNSS의 응용 및 활용 그림 1. GNSS 응용

  46. Navigation • 저가형 GPS항법장치 시판 • 자동차회사를 주축으로 개발 • PDA + GPS 의 결합 용이

  47. GPS-VAN • 다양한 종류의 센서 탑재 • GPS+INS+CCD 카메라 • 수치지도 수정 및 갱신 • 철도 및 도로 관련 시설물 정보 수집

  48. 항공 활용 • 연속이동측량을 활용한 항공기의 정밀자세결정 • GPS+INS+항공사진측량용 카메라 • 수치지도 및 지형도 제작

  49. 건설 및 농업분야 GPS 활용 측량/ GIS 사면관리/재난관리 농업/ 산림분야 정밀시공

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