GPS 구성(우주부분)

1. 우주부분

1.1. 위성배치

GPS 위성은 약 20,200㎞ 고도 상에서 약 12시간의 주기로 원형에 가까운 궤도운동을 하고 있다(Perreault, 1980; Rutscheidt 등, 1982). GPS 위성의 배치와 수는 궤도 경사가 63°인 3개의 궤도면에 24개의 위성을 배치하는 초기 계획부터 점진적으로 발전되어 왔다(Muelle 등, 1981). 한때 이러한 초기 계획은 재정상의 이유로 6개의 궤도에 각각 3개의 위성, 총 18개의 위성을 배치하는 것으로 축소된 적도 있었지만, 18개의 위성만으로는 24시간 동안 전 지구를 포괄하는 서비스가 불가능한 것으로 검토되어 실행되지는 않았다. 그 후 1986년경에는 다시 6개 궤도면에 각각 3개의 위성을 배치하고, 만약의 고장을 대비한 예비위성 3개를 포함하여 총 21개로 증가된 위성의 배치가 계획되었다(Wells 등, 1987). 현재의 위성 배치는 궤도 경사 55°로 균등하게 배치된 6개의 궤도면(A에서 F)에 각각 4개의 위성이 배치된 총 24개의 위성 군으로 구성되어 있고, 4개 이상의 예비위성이 운용되고 있다.

 

이러한 완전한 위성 배치를 통해 세계 어디에서든 앙각(elevation mask ; 절사각) 15° 이상에서 4개에서 8개의 위성에 대한 동시관측이 가능하다. 만약 위성신호 수신 시 앙각을 10°로 한다면 10개 이상의 위성이 관측될 수 있으며, 이를 더욱 낮춰 5°로 한다면 12개의 이상의 위성 관측이 가능하게 된다. 우리 규정에서는 절사각을 15°로 규정하고 있다.

 

 

1.2 위성

1.2.1. 일반적인 사항

 

GPS 위성은 라디오파 송수신기(radio transceiver)와 원자시계, 컴퓨터 및 시스템의 운영을 위한 다양한 보조기기로 구성되어 있다. 사용자는 각 위성의 전자기기를 통해 위성까지의 의사거리의 측정이 가능하며, 또한 각 위성의 방송 메시지를 통해 임의의 순간에 대한 위성 위치도 결정이 가능하다. 따라서 이러한 의사거리 및 위성의 위치가 주어진다면 교회법에 의하여 지상 또는 상공에서의 위치를 결정할 수 있다. 그 이외의 다양한 보조기기 중 특별한 역할을 수행하는 보조기기로서 전원 공급을 위한 태양 전지판, 궤도의 수정이나 자세의 제어 및 안정에 필요한 추진장치 등이 있다.

 

각 GPS 위성에는 발사 번호, PRN(pseudo Random Noise) 코드, 궤도별 번호, NASA의 목록 번호 및 국제적인 명칭 등과 같은 다양한 식별체계가 있는데, 여기에서는 혼란을 피하기 위해 위성의 항법 메시지와 일치하는 PRN 넘버를 사용하기로 한다.

 

 

1.2.2. GPS 위성의 구분

 

GPS 위성은 6개의 등급 또는 형태가 있는데, 이것을 BlockⅠ, BlockⅡ, BlockⅡA, BlockⅡR, BlockⅡF 및 BlockⅢ의 6종류로 구분하고 있다. 위성이 발사일이나 궤도 위치(궤도면을 나타내는 문자와 숫자 조합), 11개의 BlockⅠ 위성(중량 845kg)은 1978년부터 1985년에 걸쳐 캘리포니아 Vandenberg 공군기지에서 Atlas F 로켓에 의해 발사되었다. 이 등급의 위성의 경우 1981년 보조 로켓의 문제로 인한 단 한 차례의 실패를 제외하면 모두 성공적으로 발사되었다. 현재 BlockⅠ위성 중 운영이 가능한 위성은 한 대도 없지만, 이 중 몇 대의 BlockⅠ위성은 10년 이상 운행되었다. 이점은 초기의 설계수명이 4년 6개월이라는 것을 감안할 때 매우 주목할 만한 성과였다.

 

BlockⅡ 위성의 경우 궤도 경사가 63°에서 55°로 바뀌어 BlockⅠ 위성과 그 배치에 있어서 다소 차이가 발생하였다. 또한 궤도 경사와는 별개로 BlockⅠ과 BlockⅡ간에는 미국의 국가안전보장에 관계된 근본적인 차이가 존재하였는데, BlockⅠ 위성신호의 경우 완전한 민간 이용이 허용되었지만, 몇 개의 BlockⅡ 위성의 위성신호의 경우에는 민간의 이용이 제한적으로 허용되었다.

 

약 5,000만 달러의 제작비용이 소요된 최대 중량 1,500㎏ 이상의 BlockⅡ 위성은 1989년 2월 14일 플로리다의 Cape Canaveral 공군기지의 Kenny 우주센터에서 델타Ⅱ로켓에 의해 발사되었다. BlockⅡ 위성의 설계수명은 7.5년이었지만, 그중 일부 위성은 역시 10년 이상 가동된 사례가 있었다.

 

BlockⅡA 위성(A는 advanced의 약자)에는 쌍방향 통신 기능이 갖추어져 있으며, 몇 개의 BlockⅡA 위성에는 레이저 반사경이 장착되어 레이저 거리측정(laser ranging)에 의한 추적이 가능하도록 하였다. 최초의 BlockⅡA 위성은 1990년 11월 26일에 발사되었으며, 현재 BlockⅡ와 BlockⅡA 위성은 특별한 구별 없이 동일한 것으로 간주된다.

 

4,200만 달러의 제작비용이 투입된 최대 중량 2,000㎏ 이상의 BlockⅡR 위성(R은 replenishment의 약자)은 BlockⅡ 위성과 매우 유사한 것으로 알려져 있다. 최초의 BlockⅡR 위성의 발사는 1997년 7월 23일에 성공하였으며, 총 19개의 위성이 발사되었다. BlockⅡR 위성의 설계수명은 10년이며, 보다 계량된 통신 기능과 위성 간의 상호 추적 기능을 갖추고 있다. 또한 2005년 이후 발사되는 BlockⅡR-M 위성에는 새로운 위성 신호인 L2C가 추가되었다.

 

역시 2,000㎏ 이상의 최대 중량을 가진 BlockⅡF 위성(F는 follow on의 약자)군의 경우는 2010년에 최초 발사되었으며, 위성의 설계수명은 12년으로 관성항법시스템과 같은 보다 향상된 기능이 내장되며, 새로운 위성 신호인 L5가 추가되었다.

현재 미국 국방성은 BlockⅢ이라 불리는 차세대 GPS 위성 군으로 항 재밍 능력 향상, 보안성 향상, 정확도 향상, 항법 보장, 하향 호환성 유지, 가용성 향상, 무결성 증가, L1C 등의 더욱 향상된 기능의 내장을 목표로 연구를 수행하고 있으며, 2030년 이후에 본격적으로 운용될 것으로 기대되고 있다.

 

2015년 11월 현재 운용 중인 GPS 위성 군 현황은 다음과 같이 BlockⅡA 1대, BlockⅡR 12대, BlockⅡR-M 7대, BlockⅡF 10대로 30대가 정상운용 중에 있다.

 

 

1.2.3. 위성신호

위성에서 방송되는 실제적인 반송파는 고의적인(또는 비고의적인) 전파방해의 영향을 최소화되게 방사형 분광신호(spread spectrum signal)이다. 현재 이러한 방사형 분광신호 기술은 수로 측량 위치 시스템과 무선 LAN(지역정보통신망) 시스템과 같이 다양한 기기에 광범위하게 적용되고 있다.

 

GPS가 높은 정밀도를 가질 수 있는 핵심적인 사항은 모든 신호의 성분이 원자시계에 의해 정밀하게 제어되고 있기 때문이다. BlockⅡ 위성은 2개의 루비듐(rubidium) 시계와 2개의 세슘(cesium) 시계로 이루어진 4개의 시각 기준(time standards)을 내장하고 있다. 이러한 시계의 장주기 주파수 안정성은 10⁻¹³에 달하며, 하루 단위의 안정성은 10⁻¹⁴이 된다. 향후 BlockⅡR 위성 시계에 내장될 수소메이저(hydrogen maser)는 하루 단위의 주파수 안정성을 10⁻¹⁴ ~ 10⁻¹⁵에까지 이르게 할 것이다(Scherrer, 1985). 결국 GPS 위성의 심장이라고 할 수 있는 이러한 고정밀의 주파수 기준(frequency standard)에 의해 10.23㎒의 L-밴드 기본 주파가 만들어지며, 이러한 기본 주파를 각각 154배와 120배하여 다음과 같은 2개의 L1과 L2 반송파의 주파수가 생성되게 된다.

L1 = 1575.42 ㎒

L2 = 1227.60 ㎒

이러한 2개의 주파수는 전리층 굴절과 같은 주요 오차 요인을 제거하기 위한 중요한 요소로 작용한다.

 

의사거리는 위 2개의 기본적인 반송파 상에서 변조된(중첩된) 2개의 PRN(Pseudorandom noise) 코드를 이용하여 측정되는 위성에서 수신기까지의 신호 이동시간을 통해 유도된다. 이중 첫 번째 PRN 코드는 민간에서 이용이 가능한 C/A(Coarse/Acquisition) 코드이다. 표준 위치 측정 서비스(SPS: Standard Position Service)용으로 선정된 이 C/A 코드는 약 300m 정도의 유효 파장을 가지고 있다. C/A 코드는 현재 L1 반송파에서만 변조되어 제공되고 있으며, L2 반송파에서는 의도적으로 생략되어 있다. 이는 JPO가 위성에서 방송되는 정보를 관리할 수 있게 하여, 비군사용의 사용자에게는 높은 정밀도를 제공하지 않도록 하기 위해서이다.

 

두 번째의 PRN 코드는 P(Precision) 코드로서, 미군 또는 허가된 사용자만이 이용이 가능하다. 정밀 위치 결정 서비스(Precise Position Service)용으로 설계된 P 코드는 약 30m의 유효 파장을 가지고 있으며 두 개의 L1과 L2 반송파 모두에서 변조되어 제공된다. GPS가 완전하게 운용되기 전까지는 P 코드에 대한 접근이 무제한적으로 허용되었다.

PRN 코드와 더불어 위성상태, 시계 오차, 궤도 정보 등의 자료에 대한 메시지 또한 반송파에 변조되어 제공되고 있다.