gps(global positioning system) 의 개요 및 활용

GPS(Global Positioning System) 의개요 및 활용

2000. 5

국립한경대학교 토목공학과부교수 최 윤 수[email protected]

GPS(Global Positioning System) ?

GPS 의 개요

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

시통확보와 관계없이 측량 가능

GIS 데이터의 실시간 취득

고도의 정확성 및 신속성 확보

컴퓨터와 통신기기의 결합 : 다양한 응용분야 창출

GPS(Global Positioning System) 의 역사

78~85 년 까지 11 기의 미션 I 위성발사84 년 KAL-007 기 격추이후 GPS 정보의 일반인에 공개89~90 년 : 미션 Ⅱ 위성 (9 기 ), 90~97 년 : 미션Ⅱ A 위성 )17 기 )

97 년 ~ : 미션 Ⅱ R 위성발사

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

DNSS(Defense Navigation Satellite System) 및 NTS-2

개발시기 : 1950 년대 후반 ~ 1960 년대 초기 미해군에서 개발개발목적 : 위치 / 측량 및 군함 항해체계 마련활 용 : 1964 년 가동 , 69 년에 민간에 공개

Transit System(NNSS)

GPS 의 개요

미국의 GPS 개발정책1991 년 9 월 SPS 서비스 -- 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 약속

1993 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

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 의 개요

사용자 부문

관제부문Colorado Springs

모니터링 관측소Diego Garcia Ascension Is.

KwajaleinHawaii

GPS 의 구성체계

GPS 의 개요

우주부문

GPS 의 기본원리GPS 항법의 원리- 기하학적 삼각법에 의한 위치 결정 위치를 정확히 아는 위성에서 출발한 위성신호를 수신하여 전파의 도달 시간을 측정하여 미지점 ( 사용자 ) 의 위치를 계산

GPS 의 개요

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

GPS 측위기법에 따른 정밀도 비교

상대측위 이용 : 정밀도가 상대적으로 높음 , 수신기 2 대 이상 , 주로 측지 / 측량 등에 이용D-GPS : 단독측위용 수신기 2 대를 이용RTK : 실시간 위치정보 취득상대측위방법 ( 후처리 ) : 정밀 측지측량에 이용

기법 내용 정밀도단독측위 GPS수신기 1대로 위치측정 30m

DGPS 측량용과 항법용 수신기를 결합하여 이동체의 후처리 및 실시각 정밀위치 측정

1m ~ 5m

후처리상대측위 2대 이상의 측량용 GPS 수신기를 이용하여 고정밀 상대위치 측정

수 mm

실시각이동측위 2대 이상의 측량용 수신기를 이용하여 실시각 고정밀 위치 측정

1cm ~ 2cm

GPS 의 개요

SA(Selective Availability) – 5 월 1 일 미국 백악관 발표

0.3m/s속도오차40ns340ns(95%)시간오차

30m(95%)150m(95%)수직방향 위치오차20m(95%)100m(95%),300m(99.99%)수평방향 위치오차SA(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 제기

유럽을 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 .

GPS 의 개요

SA(Selective Availability)

GPS 의 개요

SA(Selective Availability) : 미국지리원 (NGS)

GPS 의 개요

5 월 3 일5 월 1 일

http://www.igeb.gov/sa/before.gif

http://www.igeb.gov/sa/after.gif

SA(Selective Availability) : 국립지리원 ( 수원 )

SA 有

SA 無

GPS 정밀도의 현재와 미래

GPS 의 개요

25-100 m25-100 mC/A Code on LSelective Availability

1-3 m1-3 m C/A Code on L1C/A Code on L2New Code on L5No SA

Basic Civil Positioning: Today

Basic Civil Positioning: Tomorrow

Advanced Positioning: Today

Advanced Positioning: Tomorrow

10 km10 km

2 cm accuracy2 cm accuracyL1 Code and CarrierL2 CarrierData Link

100 km100 km

2 cm accuracy2 cm accuracyL1 Code and CarrierL2 Carrier, L5 CarrierData Link

Faster recovery following Faster recovery following signal interruptions signal interruptions (ex., under bridges)(ex., under bridges)

다양한 GPS 활용분야

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 해양 GPS 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

GPS 의 개요

무선통신 및 인터넷 무선통신 및 인터넷 SynchronizatioSynchronization n and Timingand Timing

측량측량 //지도제작지도제작

선박항해선박항해

해상공사해상공사

등산등산 // 레저레저

화물화물 // 물류물류

CNSCNS

항공항법항공항법

철도철도

전력공급전력공급

인공위성인공위성작동작동

GPS 활용 GPS 의 개요

GPS 측량 ( 기선벡타 측정 )

GPS 의 개요

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 측량과 표고

GPS 의 개요

지구표면 : Earth’s Surface

NN

NN

N

지오이드 : Geoid

타원체면 : Ellipsoid

hh

h hh

HH H H

H

h ( 정표고 ) = H ( 타원체고 ) + N ( 지오이드 )

GPS 상시관측소와 측지측량

국가기준점측량 및 다양한 측량에 활용 ( 경제성 , 정확도 등에 우수 )상대측위 방법 이용 ( 정확도 : 수 mm 이내 )

우리나라 GPS 활용 Model

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

천문연구원행정자치부

해양수산부

청송보은청양

천안 예천괴산

영월인천 양평

홍천

인제춘천

철원

동두천파주

정읍남원

순천하동

거창

무주논산

군위

김천

창녕 부산

울산

장흥

영광

경주

삼척


일본의 전자기준점 활용

International Cooperation

미국의 전자기준점 활용


지구중심좌표계 ( 국립지리원 )

좌표계 : ITRF 계타원체 : GRS80

기준점망기준점망

- - 수평위치 수평위치 : GPS : GPS 상시관측망상시관측망 GPS GPS 측지기준망측지기준망 국가기준점망국가기준점망 - - 수직위치 수직위치 : : 수준점수준점 GPS GPS 상시관측망상시관측망


항공사진측량

1980 년대 본격화 ( 유럽 )

GPS 이용하여 항공측량을 수행 : 경제적국내에서 실용화 단계


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 카 메 라

G P S 안테나

G P S 위 성

GPS - VAN


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

측량측량 / GIS/ GIS 사면관리사면관리 // 재난관리재난관리

농업농업 / / 산림분야산림분야 정밀시공정밀시공

건설관련 GPS 활용


GPS 와 ITS( 일본 )VICSVICS VICS Service ZoneVICS Service Zone

VICS VICS 보급대수보급대수 CNS CNS 보급대수보급대수


위성항법시스템 - 항공 (CNS/ATM)

ICAO( 국제민간항공기구 ) 에서 추진하고 있는 새로운 항행지원시스템을 총괄하는 개념 1991 년 제 10차 항공항행회의에서 ICAO 회원국들은 FANS(CNS/ATM) 개념을 21 세기 표준항행시스템으로 채택 .

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


국제기구의 위성항법시스템 사용권고


국제민간항공기구 (ICAO) - 1998년 세계좌표계 도입 - 2010 년 항공기 단일 항법시스템으로 사용 계획

국제해사기구 (IMO) - 2002 년 대형선박에 위성항법시스템 수신기 장착 의무화 - 2010 년까지 GNSS 의 완전시행 결의

국제전기통신엽합 (ITU) - ITU/R 823은 중파대 무선표지국에서 보정항법정보 서비스 권장 - DGPS 데이터 포맷 , 방송시간 결정 (’92.9)

국제수로기구 (IHO) - 1998년 해도에 세계좌표계 채용 - 선박운항에 GPS 수신기 실제 활용

유럽 (Galileo Project)

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

러시아 (GLONASS 계획 )


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 )

일본의 위성항법시스템 계획

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

Internatonal Cooperation

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 )

기상예보 및 우주공간연구


기상예보시스템기상예보시스템미미 88 군 운용 중이며 일본기상청에서 도입예정군 운용 중이며 일본기상청에서 도입예정

실시간 국지기상 파악실시간 국지기상 파악

Timing Timing 응용응용우리나라 GPS 활용 Model

시장규모 : 년 40만 -100만 $

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

전력공급

금융거래

전자상거래

GPSGPS 시장 동향시장 동향

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 1,10

01,65

02,30

03,00

0Original

Equipment Manufacturer

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. $


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

rsGPSGPS 시장 동향시장 동향


새로운 방향

NEW Spectrum in GPS

국내상황

1. GPS 총괄 정책기관의 부재 - 건교부 : 측량 , ITS, CNS, 항공 / 항해 - 정통부 : 위성통신 , 전파 - 국방부 : 군사응용

2. 단순이용 - 향후 기술 , 안보 , 경제측면에서 종속 심화가 우려됨

3. 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

새로운 방향

NEW Spectrum in GPS

2005 년 세계 GPS 시장 : 3 백 10 억 $ 예측 , 미국업체 90% 점유

향후 발전 방향1. 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

gps(global positioning system) 의 개요 및 활용

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