위성측량의 시작3

4. GPS를 이용한 측량

4.1 항법에서 측량으로의 발전

앞서 기술하였듯이 트랜짓 시스템에 의해 저궤도의 인공위성을 이용한 항법의 가능성이 증명되었다.

이와 더불어 1964년 I. Smith는 위성 시스템에서 시각 코드와 라디오파가 방사되면, 이는 일정 시간 후 위치를 나타내는 쌍곡선의 형상으로 전송되어 지상에서 될 수 있다는 내용으로 특허를 출원하였다 (Smith, 1964). 이러한 개념은 정확한 위치 벡터를 계산하기 위한 GPS 관측값의 취급에 있어 매우 중요한 개념이 되었다. 수년 후에는 2개 혹은 그 이상의 위성으로부터 수신된 신호의 위상을 비교하는 보다 개선된 개념이 담긴 또 하나의 특허가 R. Easton에 의해서 출원되었다(Easton, 1970).

1972년, C. Counselman은 MIT(Massachusetts Institute of Technology) 대학의 지구 및 행성 과학부 동료와 함께 전파간섭을 이용하여 아폴로 16호의 월면 탐사선을 추적하는데 최초로 성공했다. 그들이 적용한 원리는 하나의 위성에 대하여 2개의 수신기가 측정한 의사거리의 차이를 계산하는 것으로서, 이러 한 원리는 최초의 측지용 GPS 수신기 개발에 적용된 기술과 본질적으로 같은 것이다. 현재 GPS 위성의 반송파 위상을 사용하여 mm 정확도의 기선 길이를 측정하는 방법은 1976년부터 1978년에 걸쳐 MIT그룹에 의해 실시된 초장기선 전파 간섭법(VLBI : Very Long Baseline Interferometry)에 대한 연구가 그 시초였으며, 이 연구를 통해 GPS 반송파에 전파 간섭법(반송파 위상 차분법)을 적용하면 단기선 측정 시 mm급의 정확도를 얻을 수 있다는 것을 알게 되었다.

 

1978년에는 지구관측을 위한 소형 전파간섭계 계획(MITES : Miniature Interferometer Terminal for Earth Surveying)이 제안되었다. MITES에서는 위성시스템이 정밀측량에 어떻게 사용될 수 있는지를 구체적으로 밝히고 있다. 이러한 개념은 Counselman 등(1979)이 저술한 논문에서 NAVSTAR(Navigation System With Timing and Ranging) 개념을 추가함으로써 보다 개선되었으며, 또한 이 논문은 향후 고정 밀 2주파 수신기 개발의 중요한 원리가 되었던 Codeless 방식에 대한 자세한 설명도 포함하고 있다.

 

 

4.2 관측 기술

고정확 GPS 측량이란 두 개 또는 그 이상의 수신기 간 위치 벡터의 정밀한 측정을 의미하며, 이러한 기술을 상대 측위(relative positioning)이라고 한다. 쌍방의 수신기가 고정된 채로 관측이 이루어진 경우를 정적(Static; 정지)측량이라 부른다. 예전의 정적 측량 방식에는 수 시간 이상의 관측시간이 필요했으며, 이 방식은 주로 초기 GPS 측량에 사용되었다.

두 번째 기술로는 하나의 수신기는 고정된 상태를 유지하고, 두 번째의 수신기는 자유롭게 이동하게 하는 방식을 동적(Kinematic) 측량이라 부른다. 1986년에 B. Remondi는 이 방식을 이용할 경우, 불과 수 초의 짧은 관측시간으로 두 수신기 사이의 위치 벡터를 cm급의 정확도로 구할 수 있다는 것을 최초로 증명하였다. 또한 Remondi(1988)는 최초로 의사동적(pseudokinematic) 기술이라는 이라는 새로운 측량 기술을 개발하였는데, 이 기술은 한 쌍의 수신기로 동일한 한 쌍의 점에 대해 일정한 시간 간격(약 30-60 분 이상)을 두고 짧은 시간(약 2~5분 이하) 동안 반복해서 관측하는 방법이다. 이 방법은 연속 (Intermittent) 정적 측량, 스냅샷(Snapshot) 정적 측량 또는 재점유(reoccupation) 측량이라고 불리며, 정적 측량에 필적하는 정밀도를 보여주었다.

관측자료의 처리는 다음과 같은 2가지의 서로 다른 개념으로 시행된다. (1) 상대 측위는 동시에 관측된 자료가 처리되는 기술이지만, 엄밀하게 말하면 관측의 동시성이 요구되므로 결과를 실시간적으로 얻을 수는 없다. (2) 차분 측위(differential positioning)에서는 기지점에 수신기를 설치하고 기지점에서 위성까지 계산된 거리와 관측된 의사거리를 비교함으로써 얻어진 거리의 보정량을 미지점의 수신기에 송신하여 미지점의 의사거리 관측값을 개선하게 된다. 이 기술은 실시간적인 측위를 가능하게 하여 주로 동적 측량에 이용되고 있다.

 

 

4.3 관측기기의 발달

기본적으로 C/A(Coarse/Acquisition) 코드와 P(Precision) 코드는 GPS 위성에서 방송되는 2개의 반송파를 변조시킨 코드화 된 신호를 뜻한다. 하지만 Codeless 기술과 마찬가지로 코드 간의 상관관계를 이용하면 반송파로부터 코드만을 추출할 수 있으므로, 결국 복원된 반송파 위상도 측정이 가능하게 된다.

 

코드화 된 신호를 이용하지 않고 의사거리를 측정하기 위한 전파간섭 기술은 캘리포니아 공과대학 (CALTECH : California Institute of Technology) 제트추진연구소(JPL : Jet Propulsion Laboratory)의 P.

MacDoran에 의해 개발되었다. SERIES(Satellite Emission Range Inferred Earth Surveying) 기술이라 부르는 이 기술은 후에 상업적 목적을 위한 응용 측지 부분에 활용되게 된다(MacDoran 등, 1985). 지구를 중심으로 궤도운동을 하는 인공위성에 적용된 VLBI 전파간섭 연구의 최대의 성과는 단기선의 경우 mm의 정밀도, 장기선 경우는 1ppm의 정밀도까지 관측이 가능하며, 휴대가 가능한 Codeless 타입의 GPS 수신기가 제작된 것이다. 실제로 매크로미터 전파간섭 측량기(Macrometer Interferometric SurveyorTM)라는 상품명을 가지는 전파간섭 수신기는 미국의 구연방 측지 관리 위원회(FGCC : Federal Geodetic Control Committee)에 의해 그 관측 성능이 검증된 사례가 있다.

 

또한 유사한 형태의 수신기 개발 계획이 미국의 국방 지도국(DMA : Defence Mapping Agency)과 국립 측지국(NGS : National Geodetic Survey), 지질조사소(USGS : U.S Geological Survey)의 협력 하에 수행되었는데, 1981년에 이르러 정밀측량 및 단독 위치 결정을 위한 코드 상관 방식(code correlation)의 휴대형 GPS 수신기의 개발이 완료되었다. 후에 이 수신기는 Texas Instrument사와 제조 계약이 체결하고, TI-4100이라는 상표명으로 출시를 시작하였다. 후에 NGS의 소속의 측지 학자 C. Goad와 B. Remondi는 TI-4100 수신기의 반송파 위상 자료를 MIT와 동일한 방법(전파 간섭법)으로 해석할 수 있는 프로그램도 개발하였다.

 

TI-4100의 하드웨어적 특성은 매크로미터와 큰 차이를 보이고 있는데, TI-4100은 P 코드를 이용하여 최대 4개의 위성신호를 추적하는 2주파 수신기인 반면 매크로미터는 최대 6개의 위성신호 추적이 가능한 codeless 타입의 1주파 수신기이다. 또한 각 수신기를 사용한 측량에 있어서도 그 이론적 적용방법에 상당한 차이가 있었다. TI-4100의 경우 GPS 위성에서 방송력과 시각정보를 수신하여 각 수신기 별로 독립적인 측량을 수행할 수 있었지만, 매크로미터의 경우는 수신기 간에 시각동기화를 위해 측량 전후에 모든 수신기를 한 곳에 모아야 했다. 또한 매크로미터의 사용을 위해서는 관측 전날에 위성의 궤도력을 먼 저 작성해 두어야만 했다.

 

실제로 GPS 측량에서 커다란 기술적 진전은 반송파 위상을 측정하고 출력할 수 있는 C/A 코드 수신기의 제조가 시작된 1985년에 일어났다. 이 형태의 최초 수신기는 Trimble 4000S라는 상품명을 가진 수신 기였는데, 이 수신기는 관측자료의 저장을 위해 랩탑과 같은 외부의 컴퓨터와 추가적인 연결이 필요했다. 4000S는 향후 다양한 제조회사에 의해 생산되는 C/A 코드 수신기 중 최초의 범용적 수신기라 할 수 있다. 또한 이러한 최초의 Trimble 수신기는 자료처리 소프트웨어가 없이 생산되었지만, C. Goad에 의해 개발되어 후에 자료처리 소프트웨어의 표준으로 자리매김한 위치 벡터 계산 소프트웨어를 함께 제공하게 된다.

 

오늘날의 GPS 수신기는 초기 모델의 모든 특성을 포함하면서 기능적인 면에서는 더욱 확대되어 제조되고 있다. 현재 제조되고 있는 수신기의 대부분은 1주파의 C/A 코드 수신기이지만, 정밀한 측지측량 등 을 위해서는 상대적으로 고가인 2주파 수신기가 많이 이용되고 있다.

 

 

4.4 소프트웨어의 개발

GPS 측량용 소프트웨어는 수신기의 개발과 매우 밀접하게 병행되며 개발이 이루어졌다. NGS는 독립형 GPS 자료처리 소프트웨어의 개발에 있어서 매우 중요한 역할을 수행한 기관 중의 하나였는데, 앞서 언급하였듯이 이 기관에 근무하는 C. Goad와 B. Remondi에 의하여 수신기와 독립적으로 작동하는 소프 트웨어의 개발이 선도적으로 이루어졌다.

이와 관련하여 NGS에서는 최초로 매크로미터의 위상 관측자료와 미국 해상전쟁센터(NSWC : U.S.

Naval Surface Warface Center)에서 제작된 정밀궤도력을 이용하는 GPS 처리 소프트웨어를 개발하였다.

 

NGS 이외의 매크로미터 사용자들은 매크로미터 제조사에 의해서 개발된 소프트웨어를 이용해야만 했는데, 이 소프트웨어의 이용을 위해서는 역시 제조사에서 제공(혹은 판매)하는 특별한 형식의 방송력이 필요하였다. 또한 NGS에서 개발된 소프트웨어는 TI-4100 수신기의 자료처리에 채택되게 되고, 그 후 기타의 다른 수신기의 자료처리에도 자연스럽게 채택되게 되었다.

 

NGS와 수신기 제조사에 의해 개발된 최초의 소프트웨어는 모두 한 번에 하나의 기선 벡터만을 처리하도록 개발되었다. 그 후 처리된 기선 벡터들을 기선망 혹은 기하학적인 형상으로 결합한 후, 최소제곱조정 프로그램을 통해 구하고자 하는 모든 관측점의 위치 좌표를 결정하였다.

 

하지만 NGS와 매크로미터 제조사는 최종적으로 세션(session, 분할측량 영역)이라 불리는 일정한 시간대에 관측된 모든 기선 벡터를 동시에 처리하는 소프트웨어를 개발하였는데, 이러한 제2세대의 다중 기선 처리 소프트웨어는 위성 궤도의 보정량까지도 계산이 가능했으므로, 이를 궤도 완화(orbital relaxation) 소프트웨어라고 부르기도 하였다.

 

 

4.5 궤도력 서비스

최초 GPS 측량은 매크로미터 수신기를 이용하여 1982년 후반에 수행되었는데, 이때 사용된 위성의 궤도 자료는 민간에서 운영되는 궤도 추적망에서 얻어진 것이었다. 후에 이러한 민간의 궤도 자료를 보완하기 위해서 방송력이 이용되었는데, TI-4100 수신기의 경우 방송력을 직접 수집하는 것이 가능하여 이러한 궤도 정보를 기선 벡터의 처리에 바로 사용할 수 있었다. 또한 미국의 해군군사센터(NSWC)에서는 기 존의 군용 궤도력을 후처리하여 최초의 정밀력을 제작하였으며, 이를 NGS에 넘겨 민간 부분에 제한적으로 배포하였다.

 

오늘날에는 전 세계의 다양한 기관에서 전 지구적 원점에 기준한 위성 추적 자료를 제공하고 있다. 각 기관이 운영하는 추적국에서는 모든 위성에 대해 2주파 코드 관측거리 및 위상 자료를 수집 및 보존하고 있으며, 이를 처리하여 위성궤도상에서 발생하는 편의를 매일 계산하고 있다. 현재 일반 사용자를 위한 대표적인 정밀력은 IGS(International GNSS Service)에서 계산된 IGS 정밀력을 의미하며, 인터넷을 통하여 언제든지 취득이 가능하도록 하고 있다(http://igscb.jpl.nasa.gov/components/prods_cb.html).