GPS

GPS(Global Positioning System) 에 대한 이해와 활용

한진정보통신 GIS 기술지원팀

GPS

목차1. GPS 의 개요

1. 역사 및 국가별 현황2. 기본 이론3. 국내 현황

2. GPS & Mapping1. GPS 측량2. 항공사진측량 (GPS/INS)

3. GPS & GIS1. Navigation

2. LBS(Local Based System)

3. 기타 활용4. HIST 보유 장비

GPS

GPS(Global Positioning) 란 위성전파를 이용한 위치측정 시스템으로 전 세계를 포괄

공식명칭 : NAVSTAR

미국정부가 1970 년대 군사목적으로 개발

고도 : 20,200km, 회전주기 : 약 12 시간

어디에서나 기상에 관계없이 24 시간 위치결정 가능

시통 확보와 관계없이 측량 가능

GIS 데이터의 실시간 취득

고도의 정확성 및 신속성 확보

컴퓨터와 통신기기의 결합 : 다양한 응용분야 창출

GPS 의 개요

GPS

GPS 의 역사

- 개발시기 : 1973 년 미 국방부 ( 해군에서 개발 )- 내 용 : Timation + 621B 통합- 발 전 : Navstar(Navigation System with Timing And Ranging) 에서 GPS 로 발전- 내 용 : 위성을 이용한 항법이론의 타당성 검증

DNSS(Defense Navigation Satellite System) 및 NTS-2

- 개발시기 : 1950 년대 후반 ~ 1960 년대 초기 미해군 에서 개발- 개발목적 : 위치 / 측량 및 군함 항해체계 마련- 활 용 : 1964 년 가동 , 69 년에 민간에 공개

Transit System(NNSS)

GPS 의 역사

GPS

GPS 의 역사

78~85 년 까지 11 기의 미션 I 위성발사 84 년 KAL-007 기 격추이후 GPS 정보의 일반인에 공개 89~90 년 : 미션 Ⅱ 위성 (9 기 )

90~97 년 : 미션Ⅱ A 위성 )17 기 )

97 년 ~ : 미션 Ⅱ R 위성발사

GPS 의 역사

GPS

1991 년 9 월 일반서비스 -- 향후 10 년간 무료사용 허용

1992 년 9 월 ICAO( 국제민간항공기구 ) 와 91 년의 선언을 확인하고 , SPS 를 변경할 경우 최소 6 년 전에 통보할 것을 약속1993 년 12 월 초기정상가동 (ICO : Initial Operational Capability) 선언- 24 개의 GPS 위성군 완성 (Block I / II / IIA) 에 따라 SPS 실시

1995 년 3 월 미국 클린턴대통령의 선언 - GPS 신호를 국제사회에 제공할 것을 공표

GPS 개발정책 GPS 의 역사

GPS

1996 년 3 월 GPS 에 관한 미국대통령 선언 : 10 년 이내에 SA 의 중단

1997 년 2 월 미국 부통령은 민간용 제 2 의 반송파 서비스에 관한 계획선언 ( 민간용 L5 반송파 서비스 )

2000 년 5 월 1 일 : 미국 대통령의 SA 의 해제 발표

1995 년 4 월 정상가동 ( FOC : Full Operational Capability) 선언- 24 개의 Block II 와 IIA 위성이 정상 운행 , 군사용 기능 실험 종료

GPS 개발정책 GPS 의 역사

GPS

GLONASS ( 러시아 )

12 기의 위성 작동 (99 년 10 월 기준 )

자국의 경제불안정 , GPS 와 경쟁력 열세로 한계에 직면

99 년 2 월 대통령성명 발표 : GLONASS 국제 협력 의사 유럽연합과 장래 GNSS 에서 GLONESS 의 공동운영 의사 천명 . 유럽은 러시아의 항법위성 운용기술과 항법주파수 활용방안 모색

GLONASS-M 개발계획과 DGLONASS 망 구축 계획 - 위성수명 및 궤도특성이 현저히 증가한 System

사용자 장비 보급 저조 ( 이용자 극소수 )

국가별 현황

GPS

Galileo ( 유럽 ) 유럽연합의 독자 위성항법시스템 GPS 에 의존할 경우 , 유럽주권의 종속 우려 ( 사용료 , 기술종속 등 )

단 계 내 용초기

(1999.10~2000.12)Galileo System 설계 ( 장비 , 발전 Model 등 )

개발 (2001.1~2001.12)

위성 설계 검증

비준 (2002.1~2004.12)

3 개의 MEO 위성제작 발사 , 지상국 일부 개발장비와 위성의 H/W 증명

발전 (2005.1~2007.12)

궤도 결정 , 수정위성 제작발사 , 지상국 완성위성배치 완성 및 시스템 시험 운영

공급 (~2008) 유럽 및 각 국가에 공급 개시

GPS 호환 , 독자적인 GNSS 개발 : Galileo

21 개 or 36 개 MEO 위성군

국가별 현황

GPS

일본의 위성항법시스템

MTSAT(Multifunction Transport Satellite) 발사 (99 년 8 월 )

친 GPS 정책 (96 년 이후 미 / 일 GPS 협의회 개최 ), EU 와 교류모색

GPS 보정항법시스템 : MSAS 구축 (99 년 11 월 발사 )

장기적으로 대체항법시스템 구축 연구수행 - 독자 시스템 핵심기술 연구 : 원자시계 / 위성시각관리기술 (CRL)

- 지역 위성항법시스템 구축 : 8 자 궤도형 구축 기술 연구

최대의 GPS 활용국가- 현재 1200 점의 GPS 기준국 운용 중 ( 지진예지 , 지각변동 , 측지측량 , CNS 등 )

국가별 현황

GPS

GPS 시장동향 년분야

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Car Navigation

520 900 1,600 2,300 2,900 3,600 4,200 4,700

Communication

324 560 850 1,200 1,800 2,400 3,100 3,800

Tracking/Machine Control

280 450 720 1,100 1,650 2,300 3,000

Original Equipment Manufactur

er

180 200 260 320 400 480 570 690

Survey/Mapping/

GIS

70 530 735 960 1,300 1,740 2,320 3,120

Aviation 125 160 220 300 380 500 600 710

Marine 120 130 140 155 165 180 195 210

In millions of U.S. $

국가별 현황

GPS

GPS 시장동향

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Car navigationCommunicationTracking/machinecontrolOriginal EquipmentManufacturerSurvey/mapping/GISAviationMarineMilityTotal

year

Milli

ons

of D

olla

rs국가별 현황

GPS

사용자 부문

관제부문Colorado Springs

모니터링 관측소Diego Garcia Ascension Is.

KwajaleinHawaii

우주부문

GPS 의 구성체계기본 이론

GPS

우주부문GPS 위성으로 구성되며 , 각 위성이 위성신호를 송신한다 .

총 24 개의 위성배치 - 6 개의 궤도면에 각각 4 개씩 구성

GPS 위성

기본 이론

GPS

관제부문

중앙관제소는 미국 콜로라도 Falcon 공군기지에 위치 관제소는 위성들의 궤도력 데이터와 시계데이터를 위성에 전송함

기본 이론

GPS

사용자부문 GPS 수신기로 신호를 수신하여 , 사용자의 3 차원 위치결정

GPS 위성의 고유 PRN(Pseudo Random Noise) 으로 위성신호를 구분

기본 이론

GPS

GPS 위성신호 두종류의 마이크로웨이브 반송파 전송

L1 주파수 (1,575.42 MHz), L2 주파수 (1,227.60 MHz)

3 개의 2 진수 코드가 L1, L2 반송파에 변조되어 있음- CA 코드 , P(Precise) 코드 , 항법메세지

기본 이론

GPS

위치결정이론 수신기의 위치는 , 위치를 알고 있는 4 개이상 위성으로부터 GPS 신호가 도달 하기 까지 걸린 시간으로 결정함 좌표는 지구중심좌표 (Earth Centered Earth Fixed) 로 (x, y ,z) 계산됨 지구중심좌표를 경위도 좌표로 변경 -> TM 평면좌표로 변환

기본 이론

GPS

위치결정이론기본 이론

GPS

지구중심좌표계기본 이론

GPS

경위도 좌표계기본 이론

GPS

단독측위 이용 : 정밀도가 상대적으로 낮음 , 수신기 1 대 사용 , 주로 항법 / 항해에 이용분류 : SPS( 민간에서 이용 ), PPS( 미 정부기관 등 )

상대측위 이용 : 정밀도가 상대적으로 높음 , 수신기 2 대 이상 , 주로 측지 / 측량 등에 이용 - D-GPS : 단독측위용 수신기 2 대를 이용 - RTK : 실시간 위치정보 취득

위치결정방법기본 이론

GPS

상대 측위기본 이론

GPS0.3m/s속도오차

40ns340ns(95%)시간오차30m(95%)150m(95%)수직방향 위치오차20m(95%)100m(95%),300m(99.99%)수평방향 위치오차

SA( 無 )SA( 有 )정밀도

군사적 목적으로 GPS 를 개발한 미국은 안보차원에서 적대국의 GPS 사용을 제한하기 위해 C/A 코드에 인위적으로 궤도오차 및 시계오차를 첨가 - 1990 년 3 월 25 일부터 SA 를 실시 전세계적으로 폭발적인 증가를 보인 GPS 의 민간수요에 따라 SA 해제에 대한 필요성이 꾸준히 제기유럽을 중심으로 계획되고 있는 새로운 위성항법시스템인 갈릴레오 (GALILEO) 프로젝트에 대한 대응

SA 가 해제되더라도 수 미터의 고정밀도를 요하는 자동차 항법 및 GIS/ 측지측량 분야에는 기존의 GPS 측량기술이 필요함 .

SA(Selective Avaliability)5 월 1 일 , 미국백악관 발표

기본 이론

GPS

SA 에 따른 위치정확도 변화기본 이론

GPS

5 월 1 일 5 월 3 일

SA 에 따른 위치정확도 변화기본 이론

GPS

분 야 응 용

측지측량 정밀 3 차원 측지망 구성 , 기준점 측량 , 중력측량 , INS 에 의한 항공촬영 , 위성영상획득 , 각종 공사측량

지구물리학 지각변동관측 , 지질구조해석 , 지구의 자전속도 및 극운동 변화량 검출 , 항공지구물리 ,

항법 및 교통지능형교통시스템 (ITS: 인프라관리 ), 차량항법 , 선박항법 (통행관리 , 항구접안 및 항해 ), 항공기 ( 비정밀접근 및 착륙 , 지상경계 , CAT Ⅰ·Ⅱ·Ⅱ 접근 및 착륙 ) 항법시스템 , 고속철도

GIS Mapping

지도제작 , 주제도 제작 , 수자원관리 , 삼림자원 관리 , INS(Inertial Navigation System) 를 이용한 매핑시스템

기상 및 해양GPS 기상학 , 해수면 감시 , 시추공 위치결정 , 해상중력측량, 해상탐색 및 구조 , 준설작업 , 해저지도 작성 , 해양자원탐사

재난 및 레저 119, 소방 , 재난 , 미아찾기 , 등산 , 여행 , 탐사 , 골프 , 스키 , 하이킹

우주 ( 인공위성)

궤도결정 ( 실시간 및 후처리 ), 자세결정

다양한 GPS 활용분야기본 이론

GPS

국내 현황 GPS 총괄 정책기관의 부재

- 건교부 : 측량 , ITS, CNS, 항공 / 항해- 정통부 : 위성통신 , 전파- 국방부 : 군사응용

단순이용- 향후 기술 , 안보 , 경제측면에서 종속 심화가 우려됨

건설교통부- 지구중심좌표계 도입 ( 2000 년 4 월 장관 방침 )- GPS 상시관측소 운영 및 기본측량 사업 수행 ( 1995~)- 국립지리원을 중심으로 측량 및 GIS 분야 활용 연구 수행

국내 현황

GPS

발전 방향2005 년 세계 GPS 시장 : 3 백 10 억 $ 예측 , 미국업체 90% 점유

향후 발전 방향

1. NGIS 사업과 측지기준점 구축 2. 국내 주요 항법시스템 채택 - ITS, CNS, 물류 , 방재 , 복지 , 항공 , 항해 , 등3. 통신분야 등 활용 - IMT2000, 전력공급 , 시각제공4. 국제협력 - 미국의 GPS 국제표준화 추진에 참여 ( 외교적 실리추구 ) - 유럽과 Galileo 구축 Project 에 참여 방안 검토 - 일본 , 중국 등 인접국가간 공동 대응책 모색 및 공동연구 추진

국내 현황

GPS

국립지리원 고시 - 지구중심좌표계 좌표계 : ITRF(International Terrestrial Reference Frame) 타원체 : GRS80

기준점 망기준점 망 - - 수평위치 수평위치 : :

• GPS GPS 상시관측망상시관측망• GPS GPS 측지기준망측지기준망• 국가기준점망국가기준점망

- - 수직위치 수직위치 : : • 수준점수준점• GPS GPS 상시관측망상시관측망

우리나라 GPS 활용모델 GPS 측량

GPS

GPS 상시관측소 현황

마라도

팔미도

장기곶어청도

주문진

영도

거문도

속초

서울

대전

밀양

목포

소백산

강릉

원주수원

서산

전주 대구

진주광주

제주

울진

국립지리원

자원연구소

천문연구원

행정자치부

해양수산부

청송보은청양천안 예천

괴산

영월인천 양평홍천

인제춘천

철원

동두천파주

정읍남원

순천하동

거창무주

논산군위김천

창녕 부산울산

장흥

영광

경주

삼척

GPS 측량

GPS

측점 1

측점 2

X

Y

Z

타원체상의 거리 Geodesic

지표상 측정거리 Ground Distance

벡터 : 측점 1 및 측점 2 간의 직선거리

타원체면 Ellipsoid

GPS 측량 ( 기선벡터 측정)

GPS 측량

GPS

상대측위좌표를 알고 있는 기준점 대이터를 이용하여 , 후처리하여 관측위치를 결정( 수 mm 이내의 결정정확도 취득 )

GPS 측량

GPS

RTK(Real Time Kinematic) 측량후처리 없이 , 측량 당시 기준점의 정보를 관측위치 수신기에 송신하여 실시간으로 관측위치 산출

기준국

GPS 측량

GPS

기법 내용 정밀도단독측위 GPS 수신기 1 대로 위치측정 30m

DGPS 측 량 용과 항 법 용 수 신 기 를 결 합 하여 이동체의 후처리 및 실시각 정밀위치 측정

1m ~ 5m

후처리상대측위 2 대 이상의 측량용 GPS 수신기를 이용하여 고정밀 상대위치 측정

수 mm

실시각이동측위 2 대 이 상 의 측 량 용 수 신 기 를 이 용 하여 실시각 고정밀 위치 측정

1cm ~ 2cm

GPS 측위기법에 따른 정밀도비교

GPS 측량

GPS

1980 년대 본격화 ( 유럽 )

GPS 이용하여 항공측량을 수행 : 경제적국내에서 실용화 단계

항공사진측량 항공사진측량

GPS

Direct Georeferencing

Georeferencing 이란 , 사진좌표에 실제 좌표를 부여하는 ( 위치 및 회전요소 )

작업을 의미함 .

기존공정

항공사진촬 영

지상기준점측량

항공삼각측량(A.T)

도 화

GPS/INS 사용시 공정

항공사진촬 영 도 화

항공사진측량

GPS

GPS/INS 의 정의 GPS/INS 의 정의

- Global Positioning System/Inertial Navigation System- 범세계위치 결정체계 / 관성 항법 체계

GPS/INS 결합시켜 사용하는 이유 상호보완적- GPS • 장점 : 높은 정확도 , 일관된 정확도 ( 지속적 ) • 단점 : 외부여건에 의존적 , Cycle slip, Low Frequency( 보간오차 ), 회전각 계산 오차- INS • 장점 : 독립된 장치 , High Frequency, 회전각 관측 단점 • : 시간에 따른 오차 누적

GPS/INS 의 활용 범위- 위치결정 및 회전각 결정 - 항공사진측량 의

적용에 적합

항공사진측량

GPS

GPS/INS 장비소개

GPS : 위치결정

Camera : Shutter 신호전달

INS : 회전각

결정

Computer : 동기화 및

신호처리

GPS 안테나

항공사진측량

GPS

Navigation

저가형 GPS 항법장치 시판

자동차회사를 주축으로 개발

PDA + GPS 의 결합 용이

Navigation

GPS

항공기의 항법 (CNS/ATM) ICAO( 국제민간항공기구 ) 에서 추진하고 있는 새로운 항행지원시스템을 총괄 하는 개념 1991 년 제 10 차 항공항행회의에서 ICAO 회원국들은 FANS(CNS/ATM) 개념 을 21 세기 표준항행시스템으로 채택 .

RADAR,SSR MODE, ADS, ACAS 등항공감시분야 (Surveilance)S

통신 , 항행 , 감시분야의 지상시설과 항공기 탑제장비항공항행분야 (Air Traffic Management)ATM

ILS, VOR, DME,NDB,GNSS,DGNSS,INS/IRS항공항행분야 (Navigation)N

VHF 음성 / 데이타통신 ,HF, ATN, AMSS항공교통분야 (Communication)C

관련시설원 어 용어

Navigation

GPS

ITS( 일본 )VICSVICS VICS Service ZoneVICS Service Zone

VICS VICS 보급대수보급대수 CNS CNS 보급대수보급대수

Navigation

GPS

LBS(Location-Based Service)란

이동통신망과 IT 기술을 종합적으로 활용한 위치정보 기반의 시스템 및 서비스 제공사업

최근 , IMT2000 및 지능형교통시스템 (ITS) 등 이동통신망의 고도화에 따라 교통 , 물류 , 전자상거래 등의 분야에서 각광받기 시작한 최첨단 기술

LBS

GPS

LBS 시장전망 위치정보서비스 단독으로는 무선 인터넷의 application 수행하기 힘들며 , 기존의 컨텐츠와 location-sensitive 애플리케이션을 포함하는 통합서스를 제공하는 사업자들이 중요한 위치를 점하게 될 것임 .

사업자들은 AOA(angle of arrival), Cell-ID, E-OTD(enhanced observed time difference), GPS, A-GPS(assisted GPS), D-GPS(differential GPS), signal attenuation, TDOA(time difference of arrival) 등과 같은 다양한 위치탐색기술의 선택문제에 직면해 있음 .

단기적으로는 기본적인 Cell-ID 기술 등을 채택할 것이나 장기적으로는 A-GPS, E-OTD 와 같은 정확도가 높은 기술을 채택할 것으로 전망 .

LBS

GPS

LBS 시장전망

전세계 무선위치서비스 가입자 기반은 2006 년 말까지 6억 8 천만명을 초과할 것으로 예상 , 이는 모바일 등록자 전체의 50%, 무선 인터넷 사용자의 70%에 해당하는 수치

무선위치서비스 수익은 아래의 2002 년 20억달러에서 2006 년에는 185억달러에 이를 것으로 전망 . 특히 수익의 31%는 서유럽에서 발생하고 , 22%는 미국에서 발생할 것으로 보고 있으며 , 일반 고객시장이 전체수익의 77%를 점할 것으로 예상 .

LBS

GPS

GPS-VAN

IM AG E M ODU LE

WHE E LS E NS OR

G P S INS

DG P SNE T WO RK

G P S B AS E S TATIO N

C C D 카메 라

G P S 안테나

G P S 위 성

PMS 관련 정보 수집 ITS 정보 수집 수치지도 갱신 철도관련 시설물 정보 수집 다양한 종류의 센서 탑재가능 기존 GIS 데이터와의 연계 Total 지형정보 취득 시스템 구축의 기반 조성

기타 활용

GPS

건설관련 GPS 활용

측량측량 / GIS/ GIS 사면관리사면관리 // 재난관리재난관리

농업농업 / / 산림분야산림분야 정밀시공정밀시공

기타 활용

GPS

세계시로 GPS Time 을 이용함

시장규모 : 년 40만 -100만 $

통신망의 표준시각 및 관리 , 전화 , 무선전화 (PCS 및 IMT 2000)

전력공급

금융거래

전자상거래

Timing기타 활용

GPS

기상예보시스템- - 미미 88 군 운용 군 운용 중이며중이며 일본기상청에서 일본기상청에서

도입예정도입예정

실시간 국지기상 파악실시간 국지기상 파악

기상예보 및 우주공간연구 기타 활용

GPS

Trimble 4800ssi

HIST 보유장비

GPS Controller

Trimble 4800

COMPAQ 3870

보유장비