DGPS의 기술 동향 고찰

DGPS의 기술 동향 고찰

한국해양대학교 전파통신공학과 교수 김 기 문

GPS(Global Positioning System)는 20년 이상의 세월을 거쳐 개발되어 오늘날 군사 및 과학기술, 산업분야 등 전반적으로 응용되어 그 중요성이 매우 높게 평가되어 왔으며, 민간 부분에 개방되는 계기를 맞아 더욱 더 그 활용 분야가 다양해지고 있다. 24시간 연속적으로 서비스를 제공되며 기상조건, 외부의 간섭 및 방해에 강하고 전세계적인 공통 좌표계를 사용한다는 점에서 신뢰성과 정확성이 보장되므로 일찍이 측량, 선박 및 항공 분야에 적용되었으며, 현재는 육상 분야에도 적극적으로 이용되어 현대인의 생활에 매우 밀접하게 다가오고 있으며 신 기술들이 개발되고 있다. 본고에서는 GPS의 기본 원리와 시스템을 분석하고, GPS의 이용확대에 따른 DGPS의 기술발전 동향에 대하여 논하고자 한다.

 

1. GPS의 원리 및 시스템의 구조

GPS(Global Positioning System)는 미 국방성에서 개발한 것으로 위성을 이용하여 위치, 속도 및 시간 측정 서비스를 제공하는 시스템이다. GPS는 3차원 위치, 고도 및 시간의 정확한 측정을 할 수 있고, 24시간 연속적으로 서비스를 제공할 수 있으며, 기상조건, 간섭 및 방해에 강하고, 전세계적인 공통 좌표계를 사용한다는 특징이 있다. 사용자는 종래의 전파항법 시스템과 마찬가지로 전용의 수신기를 설치하는 것만으로 정확한 위치를 알 수 있다.

GPS는 지구의 주위를 선회하는 6개의 궤도면에 24개의 인공위성(고도 20,200km, 경사각 55도, 주기 12시간)과 5개소의 감시국 그리고 제어국으로 구성된다. 위성은 사용자가 최소한 5개의 위성으로부터 신호를 수신할 수 있도록 배치되어 있으며, 각각의 위성은 2개의 L밴드 주파수, 즉 L1(1,575.42MHz) 및 L2(1,227.6MHz)를 송신한다. L1은 P코드(Precise code) 및 C/A코드(Coarse/Acquisition code)를 반송하며, L2는 P코드를 반송한다. 이들 코드에 항법 데이터가 중첩되며, L1과 L2에 의해 반송된다.

원래 군사 목적으로 개발된 GPS 위성으로부터는 표준 측위와 고확도 측위를 목적으로 두 종류의 신호가 발사되고 있다. 즉 표준 측위 서비스(SPS : Standard Positioning System)와 정밀 측위 서비스(PPS : Precise Positioning System)로 나누어지는데, SPS는 민간 부문에 이용할 수 있도록 개방한 서비스이며, PPS는 주로 군사 부문의 용도에 사용된다. SPS는 앞서 언급한 선박뿐만 아니라 항공기, 자동차 네비게이션 시스템과 같이 자동차에도 탑재됨에 따라 지금까지 실현할 수 없었던 새로운 응용분야의 실현이 가능하게 되었다. GPS는 원리가 매우 간단하지만, 응용 분야는 광범위하며 크게 나누면 다음 <표 1>과 같다.

<표 1> GPS의 응용분야 및 응용시스템

응용분야	응용 시스템
지상운송	첨단 교통관제, 여행자 정보 시스템
해상운송	선박 항행
항공운송	첨단 항공관제
군사	군용기 항법, 유도무기, 정밀폭격, 정찰
응급, 구조	구급차, 경찰 순찰차, 정찰
과학	기상 연구, 해류 연구, 대류층 연구, 지각운동 연구
우주	위성의 위치 및 시간정보 제공

GPS에 의한 측위는 위성으로부터 발사되는 전파의 지연시간을 계측하고 궤도로부터의 거리에서 현재의 위치를 구하는 방법이다. 하나의 위성으로부터의 거리를 알면 현재의 위치는 위성을 중심으로 하여 반경이 그 위성으로부터의 거리로 되는 구 표면의 어느 곳으로 된다. 이것에 또 하나의 위성으로부터의 거리를 알면 현재의 위치는 두 구가 서로 겹치는 원주상의 어느 곳으로 된다. 그리고 3번째 위성으로부터의 거리에 의해 그 구와 이원의 두 교점에서 어느 한 곳으로 된다. 위성은 항상 1575.42MHz의 L1주파에 C/A코드를 실어서 방송하고 있고, 수신기에서도 똑같은 코드를 발생시켜 수신된 위성의 코드와 비교하여 위성의 신호가 위성을 떠나 수신기까지 도착하는데 소요된 시간을 측정한다. 따라서, 광속(위성신호의 속도) x 소요시간으로 위성과 수신기간의 거리를 측정하게 된다. C/A코드는 그 자체가 거의 잡음에 가까운 의사잡음부호(Pseudo Random Noise Code)로 구성되어 있고 또한 상기와 같이 구한 거리는 오차를 포함하고 있다.

 

2. GPS 수신기의 구성 및 S/A

GPS 수신기는 크게 3개의 블록으로 나눌 수 있다. 고주파부는 안테나로 수신한 1.2GHz 및 1.5GHz의 신호를 취급하기 쉬운 낮은 주파수로 변환한다. 다음의 신호 처리부에서는 스펙트럼 확산을 원래대로 복원시키는 역환산을 하여 위성으로부터 보내져 오는 메시지와 의사거리를 얻는다. 마이크로 컴퓨터부에서는 신호 처리부로부터 얻어진 메시지와 의사거리에서 현재 위치를 구하는 연산을 한다.

GPS에 의한 측위는 동시에 3개 또는 4개의 위성으로부터의 의사거리가 필요하게 된다. 각각의 위성에는 다른 PRN 코드가 할당되어 있다. 즉, 수신기에서는 수신하는 위성의 수와 같은 정도의 신호처리부를 가질 필요가 있다. 가장 단순한 수신기로는 신호처리 회로가 하나 뿐인 1채널 수신기가 있다. 기본적으로 1채널 수신기는 수신해야 할 위성의 PRN 코드를 순차 전환시켜 포착하여 각 위성에 대한 의사거리를 구한다. 회로가 아주 간단하고 소비전력도 적다는 등의 특징이 있으나, 각 위성에 대한 의사거리의 동시성 확보가 곤란하여 고속으로 이동하는 경우에 정보를 얻지 못할 가능성이 있다. 2채널부터 4채널 수신기에서는 하나의 채널을 가장 감도가 높은 위성 전용으로 사용하고, 남은 채널을 시분할 하여 나머지 위성을 포착한다. 1채널 수신기보다는 복잡하게 되지만, 멀티채널 수신기보다는 간단하며, 소형으로 되는 특징이 있다. 5채널 이상의 수신기로 되면 신호처리 회로를 각각의 위성 전용으로 사용한다. 측위에는 4개의 위성으로 충분하지만 다음에 이용할 수 있는 위성을 포착하기 위해 5번째 이후의 채널이 사용된다. 채널수가 많을수록 자유로이 위성을 조합할 수 있어 확도가 높은 측위가 가능하다.

이와 같이 GPS 수신기에는 몇 가지 종류가 있으며, 각각 장단점이 있다. 측위의 성능에 대해서만 고려하면 가장 우수한 것이 다채널 수신기이지만 실제로는 소비전력이나 크기, 측위의 갱신시간, 가격 등 용도에 따라 가장 적합한 수신기의 구성을 선택할 필요가 있다. 자동차나 선박 등에서는 소형으로 소비전력이 적으며, 저 가격인 수신기가 요구되는 경우가 적지 않다. 이와 같은 분야에서는 채널수가 적은 시분할형의 수신기가 적합하다.

 

3. GPS의 S/A

GPS의 오차에는 여러 가지의 오차가 있다. 외부적인 전파의 영향과 위성 배치관계에 의한 오차, 수신기 내부 클럭에 의한 오차 및 S/A오차 등이 있는데, 이들 오차 중 선택적 이용성에 의한 오차(Selective Availability : SA)는 미 국방성의 정책적 판단에 의하여 오차를 일부러 증가시킨 것으로, 미 국방성이 이를 인위적으로 늘리고 있는데 이것이 선택적 이용성에 의한 오차이다. SA실시 시 오차는 100m 2dRMS가 된다. 미국의 연방 항법 플랜에 의하면 GPS측위 오차는 여하한 경우든 100m 2dRMS를 넘지 않도록 한다고 공시되어 있어, 항법에 이용하는 한 큰 문제는 없으나, GIS데이터의 취득이나 측량에서와 같이 수 cm에서 수mm의 정밀도로 위치를 구해야 하는 경우에는 단독 측위가 아닌 상대측위를 실시한다. 여기서 측위오차가 100m 2dRMS이내라는 것은 100m twice the root mean square horizontal error의 약어로 평면에서 95% 오차확률의 범위 내에서 위치오차가 100m임을 의미한다.

 

4. DGPS의 원리

수신기가 받는 오차에는 위성의 시계 요동, 위성의 궤도 요동, 대기권 통과시 전파의 지연 등이 있다. 이와 같은 오차의 요인은 GPS 수신기 내부에서는 예측할 수 없다. 따라서 이들 오차를 계측하여 보정할 필요가 있다. 이 때문에 실제로 측위를 하는 GPS 수신기 이외에 또 1대의 GPS 수신기를 사용한다. 그러므로 <그림 2>와 같이 이 오차의 소거를 위해서는 2대 이상의 GPS 수신기가 필요하게 된다. 이들 GPS 수신기 중에서 적어도 1대는 위치가 정확하게 알려진 고정된 장소에 설치하여 위성으로부터 보내져 온 신호로부터 자신의 위치를 계산하여 사전에 알고 있는 위치와 비교한다. 이 차가 GPS 신호의 오차이며 GPS의 오차는 시간과 더불어 시시각각 변하고 있으므로 한번 계측한 오차를 간단히 처리할 수는 없다. 이들 2대 이상의 GPS 수신기는 항상 동시에 동작하고 있지 않으면 안 된다. 이 오차를 계측하는 수신기를 기준국이라 부르며 기준국은 항상 오차를 계측하여 이동하는 GPS 수신기에 이 계측한 오차 정보를 보낸다.

이동하고 있는 GPS 수신기는 기준국과 동일한 오차를 받고 있다고 생각하고, 실제로 수신한 관측 값으로부터 그 오차분을 차감한다. 이 차를 취한다는 뜻에서, 이 방식을 Differential GPS(DGPS)라 부르고 있다. 이 오차 정보는 기준국에서 이동국으로 일방적으로 보내지는 정보이기 때문에 기준국이 1국이면 상당히 넓은 범위의 이동국에 서비스할 수 있다. 이동국은 어느 GPS 제조회사의 수신기라도 사용할 수 있도록 국제적으로 인정된 데이터의 포맷이 있다. 이 포맷을 RTCM-SC104라 한다.

DGPS의 위치의 오차는 항법장비의 경우, 대략 10m내외, GIS 데이터 취득용 장비 또는 해양측량용 장비의 경우는 1m가 된다. 또한 DGPS 측위는 실 시각 (Realtime)처리방식과 후처리(Post-processing)방식의 2가지로 대별된다.

5. GPS의 기술 동향

GPS 수신기만 있으면 자신의 시간과 공간에 대한 정보를 언제 어디서나 아주 손쉽게 얻을 수 있다. 이러한 시공간에 대한 정보는 기존의 정보통신에서 다루었던 오디오, 비디오와 같은 멀티미디어정보에 새로운 형태의 정보를 추가하게 되어 지금까지 없었던 수없이 많은 새로운 응용분야를 탄생시키고 있다. GPS가 완전한 항법 기능을 제공한다는 FOC(Full Operational Capability)가 1995년 4월 27일 발표되었지만, GPS는 이미 전세계적으로 다양한 응용분야를 가지고 널리 사용되고 있다. 수신기 기술의 빠른 발달로 수신기 가격이 점점 낮아지고 있고 그에 따라 시장도 급격히 커지고 있다. 전세계적으로 2000년경에는 116억불, 2005년경에는 310억불 정도의 시장이 형성되리라 예측되고 있다.

외국에서는 GPS관련 기술들을 개발하여 수신기의 기능에 따른 다양한 모델들을 판매하고 있으며, GEC Plessy, Rockwell, SGS Thomson, SiRF 등에서는 GPS 용 칩 세트와 이를 이용한 수신기 개발 툴을 제공하고 있다. 국내에서도 GPS 수신기용 RF 및 신호처리 칩의 개발이 현재 진행되고 있으며 최근에는 GPS/GLONASS 겸용 수신기의 개발이 완료되었다. 향후 GPS는 개인휴대통신(PCS), PDA(Personal Data Assistance) 휴대형 PC(Handheld PC) 등과 같은 소형 휴대형 정보통신장비와 같이 연계하여 사용될 전망이므로 GPS수신기의 소형화 경량화는 더욱 가속될 것이다.

현재 민간이 사용할 수 있는 GPS의 표준 위치 서비스(SPS)의 위치정확도는 수평면에서 95%의 정확도로 100m 정도이다. 그러나 이 정도의 정확도로는 다양한 응용분야에서 요구하는 위치정확도를 만족시킬 수 없다. <표 2 >에서와 같이 보다 정확한 위치정보를 얻기 위한 다양한 방법들이 개발되고 있다. DGPS(Differential GPS)는 이중 가장 널리 쓰이는 방법으로 DGPS에서는 위치가 알려진 기준국에서, 현재 위성에서 보내오는 정보에 의한 의사거리측정값에 있는 오차성분을 계산하여, 이를 주변의 사용자에게 알려줌으로써 보다 정확한 위치결정을 가능하게 하는 시스템이다. DGPS의 보정 정보는 RTCM SC-104라는 기준 포맷이 정의되어 있고 무선데이터모뎀, RDS, TRS, 셀룰러 등의 무선통신망을 통하여 보정 정보를 송신할 수 있다. GPS의 반송파위상을 이용하여서도, C/A 코드를 이용한 위치결정에 비해 더 나은 cm 정도의 위치정확도를 얻을 수 있다.

또한, 미국이 운영하는 GPS의 운영방침과 시스템 의존을 배제하기 위해 러시아가 운영하는 GLONASS를 미국의 GPS시스템과 결합하여 위성항법 시스템의 상호보완을 통하여 정밀도 및 고장 경보를 향상시키고, 지역적 고정밀 보완을 위한 DGNSS시스템을 국내에서도 구축하고 있는 추세이다.

<표 2> 요구정확도에 따른 응용시스템의 분류

요구 정확도	분야	응 용	정확도(2dRMS)
100m 이상	항 공	대양항해(En Route Oceanic)	23km
		비정밀 접근/착륙(En route through Non-Precision Approach/Landings)	100m
	해 양`	대양항해	1800-3700m
		연안항해	460m
25-100m	ITS/차량항법	100m 이상	25-1500m
		100m 이상	75-100m
		100m 이상	30-50m
		100m 이상	30m
	우주(인공위성)	궤도결정(실시간)	50m
10-25m	항공	지상경계(Surface Surveillance)	14.4m
	해양	레크리에이션 보오트타기	10m
		선박통행관리(Vessel Traffic Service)	10m
	ITS	인프라관리	10m
	수색 및 구조	위치결정	10m
	Oceanography	실시간 항법 및 위치결정	10-30m
1-10m	항공	CAT I 접근 및 착륙	7.6m
		CAT II 접근 및 착륙	1.7m(수직)
	해양	항구접안 및 항해	8-20m
		내륙수로 항해	3m
	철도	기차제어	1m
	ITS/차량항법	고속도로 항법 및 유도	5-20m
		비상구조 및 안전사고경고	5-30m
		버스 및 기차 정류장 자동안내	5-30m
		충돌방지 및 제어	1m
		충동방지 및 위험상황확인	5m
	화물운송	차량 및 화물 위치확인	5m
	레크리에이션	비도로주행, 하이킹, 컨트리스키	5m
	지구과학	항공지구물리(Airborne Geophysics)	3m(수직)
	지도제작 및 측량	GIS	1-10m
수 cm	항공	CAT III 접근 및 착륙	0.6-1.2m(수직)
	정밀경작	자동 차량유도	0.05m
	지도제작/측량/ Geodesy	Photogrammetry	0.02-0.05m
		원격탐사	0.1-20m
		Geodesy	0.01-0.05m
		지도제작	0.1-10m
		측량	0.01-10.0m
	지구과학	Oceanography	0.01m
		Geodynamics	0.001m+109
	우주(인공위성)	궤도결정(후처리)	0.001m
		자세결정	3x10-6deg

6. DGPS 시스템 구축 동향

GPS시스템이 항공 및 해상분야에 우선적으로 적용되어 왔으므로 DGPS시스템의 구축 현황도 항공 및 해상분야에서 구체적으로 진행되고 있다. 해상분야에서는 ITU, IALA, IMO와 같은 국제기구가 각국에 대해 선박의 안전항행을 위한 DGPS시스템의 운영을 권고하고 있으며, 각국은 DGPS국을 설치하여 운영하고 있으며, 우리 나라에서도 '98년과 '99년에 걸쳐 설치 및 운영을 계획하고 구축하고 있다.

<표 3> 각 국의 DGPS 설치 현황

국 명	DGPS국	국 명	DGPS국	국 명	DGPS국
미 국	47	핀란드	4	벨기에	1
일 본	27	덴마크	3	노르웨이	8
캐나다	13	프랑스	5	스웨덴	7
독 일	2	아일랜드	6

<표 4> 우리 나라 DGPS의 실시 계획('98-'99)

	인천 (팔미도)	군산 (어청도)	제주 (마라도)	여수 (거문도)	부산 (영 도)	포항 (장기곶)	동해 (주문진)	동해 (울릉도)	대전 (중앙국)
설치계획	1998	1998	1999	1999	1999	1999	1999	1999	1998

육상에서의 DGPS활용분야는 매우 다양하게 활용되고 있으며, 선진국에서는 상당한 구축사례를 볼 수 있다. 육상에서의 DGPS서비스를 위한 기술적 요구사항으로서는 정밀도, 전송속도, 가용성 등이 고려되어야 하는데, 이들 조건에 따라 각국별, 지역별, 상황별로 구축되는 사례는 다양화된다.

자동차 항법의 응용에 적용되기 위해서는 1-5m정도의 정밀도가 요구되며, 토목, 건축에서는 수cm정도의 정밀도가 요구된다. DGPS의 오차 정보를 송신하는데 필요한 속도는 대략 1200-2400bps정도를 사용하고 있으며, 이러한 서비스가 일반인들에게 용이하게 제공되기 위한 서비스영역 및 접속 용이성, 적정 이용요금에 대한 제도적 여건이 고려되어야 한다.