GPS구성(제어부분)

지난 포스팅에서는 GPS구성 중 우주 부분을 살펴보았다. 우주 부분은 궤도를 도는 GPS 위성을 의미하며, 총 24개의 인공위성이 6개의 궤도면 상에 분포한다. 위성의 평균 수명은 약 8년으로 알려져 있으며, 궤도면의 중심은 지구의 중심과 일치한다. 위성의 고도는 약 20,183 km이며 각각의 궤도면은 지구 적도면으로부터 55°만큼 기울어져 있다. GPS 궤도는 지상의 대부분 위치에서 최소한 여섯 개의 GPS 위성을 관측할 수 있도록 배열되어 있다.

 

2019년 4월 기준으로 총 31개의 GPS 위성이 운용 중이며, 퇴역한 위성들이 궤도 상에 남아 있어 숫자는 더 된다. 최소한 24개의 위성을 통해 작동하도록 되어 있으며, 나머지 위성들은 기본 위성에 문제가 발생했을 경우 백업 역할을 함과 동시에 GPS 수신기의 정밀도를 향상시키는 데에 활용된다. 추가 위성의 운용으로 위성의 배열이 불규칙하지만 이러한 불규칙성이 GPS 체계의 신뢰도와 이용성을 증대하게 되었다. 

 

GPS는 방송된 위성신호에서 도출되는 의사 거리를 이용한다. 의사 거리는 코드화 된 신호의 이동시간(travel time)을 측정한 후, 이것에 신호의 이동속도를 곱하거나 신호의 위상을 측정하는 것에 의해 도출된다. 두 경우 모두 수신기와 위성의 시각정보를 사용하게 되는데, 이러한 시계의 시각은 물리적으로 완벽하게 동기화되지 않기 때문에 정확한 실제 거리 대신 시각동기 오차(또는 시계 오차)가 고려된 의사 거리가 얻어진다. 따라서 이러한 형태의 방정식은 실제 거리 상에서 3개 좌표 및 시계 오차를 포함하는 4개의 미지 값으로 이루어진다. 이는 4개의 미지 값을 구하기 위해서는 4개의 위성이 필요하다는 것을 나타내며, 실제로 GPS는 24시간 지구상 어디서든 4개 또는 그 이상의 위성이 관측 가능하도록 설계되어있다. 또한 위상 측정값을 이용하는 경우에는 이러한 미지 값의 해석은 더욱 복잡하게 된다. 이러한 위상 관측값은 초기의 불확실한 위성신호 파장의 정수 개수에 의하여 해석이 모호하게 되는데, 이로 인해 위상 값을 이용하여 해석된 의사 거리는 모호 정수(integer ambiguity)라 불리는 초기의 편의(bias)에 의하여 상당히 증대된 값을 나타내게 된다.

 

 

1. 제어 부분

GPS의 운용관리시스템(OCS)은 주 관제국과 감시국, 지상관제국으로 구성되어 있다. OCS의 주요 임무는 궤도와 시각의 예측 및 결정을 위한 위성의 추적, 시각동기 및 위성으로의 데이터 전송 등이며, 추가적인 사항으로 위성신호에 S/A를 부과하는 임무 등도 수행하였다.

 

1.1. 주관제국

최초의 주 관제국은 캘리포니아주 Vandenberg 공군기지(AFB)에 있었지만, 지금은 콜로라도주 콜로라도 스프링스(Colorado Springs)의 팔콘(Falcon) 공군기지에 있는 종합우주운영센터(CSOC)로 이동되었다. CSOC는 각 감시국의 위성 추적 자료를 수집한 후, 칼만 기법(Kalman estimator)을 통해 위성의 궤도 및 시각 파라미터를 계산한다. 그 후 계산된 결과들은 3개 지상관제국 중의 하나로 보내져 다시 위성으로 전송되게 된다. 또한 위성의 관제 및 시스템 운용도 주 관제국이 담당하고 있다.

 

1.2. 감시국

현재 모두 6개의 감시국이 운영 중에 있으며, 각 감시국은 서대서양의 하와이, 콜로라도 스프링스(Colorado Springs), 케이프 커내버럴(Cape Canaveral), 남대서양의 아센션 섬(Ascension Island), 인도양 디에고 가르시아(Diego Garcia), 북태평양 콰잘렌(Kwajalein)에 각각 위치하고 있다.

 

각 감시국은 관측 가능한 모든 위성에 대한 의사 거리를 연속적으로 측정하고 있으며, 이를 위해 정밀한 세슘 시계와 수신기를 갖추고 있다. 모든 의사 거리는 매 1.5초마다 측정되며, 측정된 의사 거리는 전리층 및 기상자료를 이용하여 15분 간격의 데이터로 보정된 후 주관제국에 전송되게 된다.

 

이러한 감시국 간의 네트워크는 방송 궤도력의 결정뿐만 아니라 위성 시계의 모델링에 있어서도 공식적인 방법으로 통용되고 있다. 또한 정밀력을 계산하기 위해서는 이러한 감시국의 자료 이외에도 국립영상지도국(NIMA: National Imagery and Mapping Agency)이 운영하는 14개 관측소의 관측자료가 추가적으로 이용되고 있다. 그 외에도 다양한 GPS 위성 추적 네트워크가 존재하지만, 일반적으로 이러한 네트워크들은 GPS의 관리에는 이용되지 않고 있다. 1980년대 초반에는 매크로미터 제조회사에 의하여 사설의 위성 추적 네트워크가 운영되었으며, 현재에는 전 세계적으로 보다 많은 위성 추적 네트워크가 운영되고 있다.

 

1.3. 지상 관제국

아센션 섬, 디에고 가르시아, 콰잘렌에 위치한 감시국과 함께 배치되어 있는 지상관제국은 주로 지상 안테나로 구성되어 있고, 이를 위성과 연결하여 통신을 수행하고 있다. 주관제국에서 계산되어 지상관제국으로 전송된 위성궤도와 위성 시계 정보는 S-밴드의 라디오파 연결을 통해 GPS 위성으로 전송된다. 예전에는 위성에의 자료 전송이 8시간마다 이루어졌지만, 그 후 하루에 1회(또는 2회)로 줄어들었다(Remondi,1991b). 만약 지상관제국의 기능이 정지되면 미리 저장된 위성 항법 메시지를 이용하여 위성의 정확한 위치 등을 유지하도록 하고 있으며, 이를 통해 측위 정확도가 급격히 감소되는 것을 방지하고 있다.