GPS

Global Positioning System (GPS) 는 위성에 기반한 측위시스템

Source:http://www.garmin.com/aboutGPS/

Global Navigation Satellite System

GNSS

•NAVSTAR GPS (USA) 1980 년대 초반이후

•Galileo – (European Union) 2008 년 부터

•GLONASS (Russian) 1993Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema Global Orbiting Navigation Satellite System

GPS

The Global Positioning System (GPS) is a satellite-based positioning system

Source:http://www.garmin.com/aboutGPS/

GPS 의 구성

위성 부분

GPS 사용자 부분

Trimble CMT Inc

각 위성에서 발신되는 데이터를 기록하고 이를 처리할 수 있는 장치를 가진 사용자들은 3 차원 좌표를 얻을 수 있음

위성은 하루에 2 번 지구를 회전

4 개에서 12 개의 위성이 방해받지 않고 보여야 함 .

각 위성은 계속해서 두개의 반송파 L1, L2 에 신호를 방송함

위성은 또한 코드신호 , 반송파 변조 신호를 보냄

위성은 다양한 주파수로 코드화된 신호를 발신

GPS

L1 , L2 는 반송파– 신호 , 력을 변조

C/A (Coarse Acquisition) 코드는 주파수 1.023 MHz 에 1 을 더하거나 뺀 시리즈임 .

P (Precision) 코드는 10.23 MHz ( 군사암호 )

1 을 더하거나 뺀 연속임

GPS

L1 은 또한 항법메시지를 전달 . 각 GPS 위성은 모든 위성의 위치와 상태에 대한 데이터를 방송 .

이런 데이터 부분을 Almanac( 력 ) 이라고 하며 , 이 데이터는 GPS 의 모든 위성의 위치를 결정하는데 사용됨 .

Almanac 은 천문력 (Ephemeris) 으로 방송중인 위성에 대한 작동상태 , 시계보정 등의 데이터를 포함함 (GPS 수신기가 정확하게 위성의 위치를 계산할 수 있도록 가능하게 함 )

GPS

수신기는 정밀한 내부 시계를 가지고 있어 위성신호가 도착했을때 언제 신호가 발신되었는지를 알려줌 . 도달시간과 발생시간을 빼면 시간이 얻어지고 , 이것은 거리로 변환됨 .

여기서 우리는 수신기가 동일한 시간을 가진다고 가정한다 . 전달시간을 계산할 때 이 가정을 사용해야만 한다 . 불행하게도 실제는 그렇지 않다 . 기본적으로 수신기 시계는 편차가 있을 수도 있다 . 그래서 여분의 관측이 필요하다

위성은 초정밀 원자시계를 가지고 있다 .( 개당 약 1

억원 ). 이것은 모니터링 되며 서로 동일한 시간을 가진다 .

GPS

위치가 거리측정으로 추정된다

거리 = 빛의속도 x 도달시간Range = c(t1 – t2)

( 빛의속도 =299,792,458 m /1 초 )

거리관측의 두가지 방식

코드 또는 C/A 관측 •빠름 ( 단지 위성마다 몇 초만 필요 ) •강력하고 •저렴하지만 , •상대적으로 정확도 낮음 (50cm 에서 10 m).

반송파 위상 관측 •긴 시간 필요 , •단절되지 않은 신호 ,•비싼 수신기 ,•고정밀 (mm 에서 cm)

코드 ( 또는 C/A 코드 ) 관측

여러 개의 위성으로 위치를 결정하는 관측

GPS

위치의 불확실성거리관측의 오차와 위성의 위치가 오차 유발•GPS 수신기 주변에서 거리 불확실성 생김

rangeuncertainty

rangeuncertainty

range

uncertatinty

오차 원몇가지 원인이 GPS 위치결정의 오차 유발 ( 실수 외 )

원인 대표적인 거리 오차 (m)위성시계오차 1위성위치오차 1수신기 오차 1.5대류권 / 전리층 효과 4합계 7.5

다중경로 – 추가오차 , 주어진 조건과 품질에 좌우

Source:http://www.garmin.com/aboutGPS/

GPS수시기 오차 예 : 다중경로 신호

PDOPs – Position Dilution of Precision위치 정밀도 저하

Idea (one overhead and three all at 120° intervals)

Positional Dilution of Precision (PDOP)

•PDOP 은 위성간 거리의 관측– 멀리 떨어진 위성군이 좋음

•PDOP 은 대표적으로 2 에서 10 의 범위값을 가짐 , 그러나 1 보다 낮거나 100 보다 큰 수는 가질수 없음

•PDOP 은 낮을 수록 좋음 , 왜냐하면 그것은 넓게 분포된 위성으로 부터 신호가 나와서 불안정한 지역은 더 작아지기 때문임 .

정확도

거리오차와 DOP 는 결합해서 GPS 위치 정확도에 영향을 미침 .

현재 C/A 코드 수신기는 한번의 fix 로 대표적으로 3 에서 30 미터 사이의 정확도를 제공 .

다중 fix 를 평균하면 정확도 향상이 가능

반송파 수신기의 정확도는 몇 cm 에서 mm 임

C/A 와 반송파 위상 사이에는 적용된 기술때문에 정확도의 차이가 있음

GPS – 차분 보정 (Differential Correction)정확도를 향상하기위해 두개의 장치사용

기지점 ( 위치를 알고있는점 ) 에 기준국을 설치1. 미지점에 기준국 설치 . 2. 데이터를 동시 에 취득 . 3. 기준국에서의 오차로부터 신점의 위치를 계산

차분 보정각 로버관측은 관측된 오차에 의해 변환이 가능

두가지 형태의Differential

GPS(DGPS)

후처리 최상 정확도 , 시간지연

실시간 차분 보정낮은 정확도

보다 낫은 항법

무선 연결 필요 ( 예 , FM)

발신기지국 필요

실시간 차분 보정

다소 낮은 정확도

실외에서 좋은 위치

무선 연결 필요 (FM)

기준국 필요 : 해양수산부 GPS 무선 비콘신호 또는 WAAS

GPS - WAAS민간 항공용 광역보정시스템 Wide Area Augmentation System (WAAS) 은 지상 기준국의 네트워크에 기초함

구현 정확도 – 최소 300 개 점 평균( 개활지 )

구현 정확도 – 최소 300 개 점 평균( 숲 )

GPS 응용 - 트래킹

GPS 응용 트래킹

GPS 응용 - 네비게이션

GPS 응용 - Navigation

지상

항공

GPS응용디지털 공간정보 구축 (carried by car,boat,helmets, hand,etc.,)

GPS 를 이용한 디지털 공간정보 구축

GPS 를 이용한 디지털 공간정보 구축

오프셋 관측

결합 :GPS 수신기Laser거리측정기전자 나침판

xu, yu

xn, yn

dy

dx

xu = xn - dx

azimuth, a

dy = m. cos()

yu = yn - dy

180o

90o270o

0o

xn, xy are known,the azimuth anddistance to xu, yuare known. Whatare xu, yu?

dx = m. sin()

If x n = 12, yn=3,m=6.8, and=62o

dy = 6.8. cos(62) = 3.2

dx = 6.8. sin(62) = 6.0

xu = 12 - 6 = 6

Measure xn, yn with GPS

m with laser rangefinder

with electronic compass

Combine all three usingCoordinate geometry toCalculate xu, yu.

GPS 요약 • 우주기반의 측위시스템• 반송파위상 ( 정확 ), 코드위상 측위• 4 개 또는 그 이상의 위성으로 부터 거리측정• 거리오차는 전리층 , 대류층 , 시스템 , 수신기의

오차임• 위성의 기하학 배치는 위치정확도에 영향을 미

침– 낮은 PDOP 이 좋음

• 정확도를 향상시키기위해 보정하거나 평균할 수 있음

• 대부분 차분 보정을 선호함– 실시간 비콘 , WAAS, 후처리

• 위치 정확도는 계곡 , 숲보다 개활지에서 높아짐

• GIS 의 주된응용 분야는 디지털 공간정보 구축

GPS 요약