GPS구성(사용자부분)

1. 사용자 부분

1.1 사용자의 분류

1.1.1. 군(軍)사용자

 

GPS가 탄생한 지 얼마 되지 않아, 미군은 항공기, 선박, 육상 차량, 보병 등과 같은 모든 주요 방위시스템에 GPS 수신기를 적용하여 활용하도록 계획하였다. 실제 사례로서, 1991년 걸프전쟁 당시의 전투 상황에서 많은 GPS 수신기가 계획적으로 군에 보급되어 사용되도록 하였다. 또한 미군은 이 전쟁에서 군이 휴대한 GPS 수신기를 더욱 용이하게 사용할 수 있도록 기존에 적용되어있던 S/A도 일시적으로 해제시켰다. 사막을 횡단하는데 있어서 휴대용 C/A 코드 수신기는 아주 유용하게 활용될 수 있었던 것이다. 그 외에도 다양한 군사적 이용이 있다. 예를 들어 4개의 안테나에 접속이 가능한 수신기를 들 수 있다. 안테나를 사각형 모서리와 같은 고정된 배열(사각형의 각)로 배치하면 위치는 물론이며 배열의 자세까지도 결정된다. 즉, 안테나를 배의 선두, 선미, 좌현, 그리고 우현에 배치하면 배의 위치, 상하 흔들림, 좌우흔들림, 전후 요동을 알 수 있게 된다.

 

1.1.2. 민간 사용자

 

GPS의 민간이용은 시스템 설계자의 의도와는 다른 형태로, 그리고 계획된 시기보다 수년 빨리 시작되었다. 시스템 개발 초기에는 항행 용도의 수신기가 중심이 되었다. 1장에 기술한 바와 같이, JPL의 SERIES기술이나 C. Counselman에 의한 매크로미터의 개발로 GPS 측량의 혁명이 시작되었다. 도플러 모델 대신 간섭계를 사용한 개념은 GPS가 장거리의 측지 관측뿐만 아니라 단거리의 초정밀 지상측량에도 이용될 수 있음을 보여주었다.

현재 GPS 수신기는 모든 지상 측량과 측지기준점 측량, 도화 작업에 필요한 표정점의 수를 줄이는 촬영용 항공기의 위치 결정에 일반적으로 이용되고 있다.

GPS의 민간이용은 측량 이외의 이용자가 오히려 더 많다. 중요한 이용 사례로서 차량의 관리와 관제를 들 수 있다. 어떤 도시의 긴급차량에는 GPS 수신기와 도로 지도를 탑재한 컴퓨터가 장착되어 있기도 하다. 이러한 긴급차량의 위치는 무선으로 관리자에게 전송되어 필요시 긴급차량에게 우회로의 정보를 제공하기도 한다. 이와 같은 시스템은 최근 열차나 화물 수송차에도 사용되고 있으며 또한 모든 항공기나 선박에서도 GPS 수신기가 사용되고 있다.

 

1.1.3 수신기 종류

 

앞에서 기술한 측위 부분에서의 GPS 이용은 다양한 GPS 응용분야 중 하나에 불과하며, 현재 GPS 수신기는 여러 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있다. GPS 수신기는 관측값의 형태(코드 의사 거리 또는 반송파 위상)와 코드의 종류(C/A 코드, P 코드, Y 코드)에 따라 다음과 같은 4개 유형으로 분류될 수 있다.

 

1.1.3.1. C/A 코드 의사거리 수신기

 

이 유형의 수신기는 오직 C/A 코드를 이용한 코드 의사 거리만을 측정한다. 이 수신기는 대부분 손전등에 쓰이는 소형배터리를 전원으로 이용하는 휴대 가능한 소형기기이다. 이 유형의 수신기는 보통 1~6개의 독립적인 수신채널을 가지고 있으며, 경도, 위도, 고도 또는 지도투영좌표(UTM 평면좌표와 높이)와 같은 3차원의 위치를 출력하고 표시한다. 수신기의 위치가 계속 이동되는 경우에는 좀 더 정확한 측위를 위해 4개 또는 그 이상의 의사거리를 동시에 측정할 수 있는 다채널 수신기가 사용된다. 반면에 수신기의 위치가 고정된 경우에서는 1채널의 수신기로도 충분한 측위를 할 수 있으며, 이 경우 의사거리는 순차적으로 측정되게 된다. 기본적인 다채널 C/A 코드 의사거리 수신기는 하이킹이나 보트놀이, 자동차 등에서 많이 사용되고 있다.

 

1.1.3.2. C/A 코드 반송파 수신기

 

이 유형의 수신기의 경우 C/A 코드가 L2 반송파 상에는 변조되어 송신되지 않기 때문에, 오직 1 반송파에 의한 코드 의사 거리와 반송파 위상만을 얻을 수 있다. 이는 2주파 모두의 수신자료를 이용할 수 없다는 것을 의미한다.

GPS 초기단계의 측량용 수신기들은 L1 반송파를 포착하고 취득하기 위하여 대부분 C/A 코드를 이용하였다. 대부분의 수신기는 최저 4개의 독립된 수신 채널을 가지고 있으며, 최근의 수신기는 12개의 채널을 가지도록 설계되고 있다. 이 유형의 수신기는 앞서 언급한 C/A 코드 의사 거리 수신기의 모든 기능을 가지고 있으며, 여기에 추가적인 기능으로 특정한 형태의 저장장치에 시각정보가 기록된(time-tagged) 코드 거리와 반송파 위상을 저장하는 것이 가능하다. 최초의 모델의 경우 측정된 자료를 저장하기 위하여 랩탑 컴퓨터와 자기(磁氣) 테이프를 사용하였지만, 최신의 모델에서는 메모리칩이나 PCMCIA 카드를 이용하여 측정자료를 저장하고 있다.

 

또한 이 유형의 수신기는 코드레스(codeless) 기술을 사용하여 L2 반송파의 위상을 측정할 수 있도록 기능이 강화되어 있지만, L2 반송파 관측의 신호 대 잡음비(SNR: signal-to-noise ratio)가 L1 반송파의 C/A 코드 관측의 신호 대 잡음비에 비해 상당히 나쁘다는 결점을 가지고 있다. 보통 L2 반송파 위상은 L1 반송파 위상 관측치와 결합되어 GPS 신호 상에 존재하는 전리층의 영향을 감소시키게 되며, 이러한 특성으로 특히 장기선의 보다 정확한 거리 벡터를 결정하기 위하여 이용된다.

이 유형의 수신기는 정적 측량이나 동적 측량, 그리고 의사 동적 측량과 같은 모든 정밀측량에 이용된다.

 

1.1.3.3. P코드 수신기

 

이 유형의 수신기는 P 코드를 사용하며, L1 반송파와 L2 반송파 모두를 포착하는 것이 가능하다. A/S가 실행되지 않은 경우에 관측치는 먼저 복제된 P 코드와 수신된 위성신호 간의 상관관계를 찾는 것에 의하여 유도되며, 그 후 수신된 위성신호에서 P 코드를 제거하면 위상을 측정하는 것이 가능하다. 측량이나 항법에 사용된 최초의 P 코드 수신기 중 하나가 바로 1984년에 제작된 TI-4100이었다. 이 수신기는 민간의 이용보다는 군사적인 목적에 의해서 개발되었으며, 이를 위해 군기술이 적용되었을 것으로 짐작되고 있다. 실제로 민간용 수신기 제조사들은 1989년이나 1990년경에 이르러서야 P 코드에 관련된 기술을 취급하기 시작하였다. 1991년 가을, 미국의 연방측지관리위원회(FGCC)가 수행한 TI-4000 이외의 P코드 수신기의 성능 실험 중 P 코드 수신기가 가지고 있는 두 가지의 주요한 장점이 증명되었다. 그중 하나는 수 ㎝의 정확도로 장거리의 기선(100㎞)을 측정할 수 있다는 것이었으며, 두 번째는 L1과 L2 반송파에서 측정된 위상 간의 선형 결합을 이용하면 단지 몇 분간의 관측만으로도 중거리의 기선(20㎞)을 수 ㎜의 정확도로 측정할 수 있다는 것이었다.

 

P 코드 수신기 이용 시 A/S가 실행되는 경우, 위성에서 송신되는 P 코드는 미지의 Y 코드로 교체된다. 따라서 이 경우 P 코드의 상관관계를 찾는 통상적인 기술을 적용할 수는 없다. 하지만 이 유형의 수신기는 코드레스 또는 의사 코드레스(quasi-codeless) 모드에서 작동이 가능하므로, Y 코드에 관한 정보가 없어도 L2 반송파의 위상과 코드 의사 거리를 제공할 수 있다. 이러한 L2 반송파 추적은 신호 분담(signal squaring), 상호 상관(cross correlation), 신호 분담에 의한 코드 상관(code correlation after squaring) 및 Z-tracking 기술이라는 부르는 총 4가지의 기술에 의하여 수행되게 된다.

 

1.1.3.4. Y코드 수신기

 

이 유형의 수신기는 A/S 실행 중에도 P 코드로의 접속이 가능하다. 따라서 언제라도 P 코드 상관 기술을 적용하여 L1과 L2 반송파 신호에서 코드 의사 거리와 위상을 획득할 수 있다. P 코드로의 접속을 위해서 는 각 수신 채널에 Y 코드의 해독을 위한 보조 출력회로(AOC: Auxiliary Output Chip)를 설치하여야 한다.

 

1.1.4. 정보서비스

GPS 위성 정보 및 자료를 민간 사용자에게 제공하기 위한 정부 및 민간차원의 정보서비스가 구축되어 제공되고 있다. 일반적으로 이러한 정보에는 위성의 배치 상태, 운영 중지 일정 및 미 국방성의 사용자 공지사항(NANU: Notice Advisories to Navstar Users)등이 포함되어 있다. 위성의 궤도 자료는 GPS 서비스 범위 작성 및 가시 위성 예측에 적합한 달력(almanac) 형식으로 제공되며, 정밀한 위치 벡터 계산에 적합한 정밀궤도력의 형태로도 제공된다. 또한 다양한 GPS 관련 논문 목록 및 관련 학회 개최 정보와 같은 일반적인 정보도 역시 제공하고 있다.

 

민간에 대한 정보제공을 위한 국가 차원의 대표적인 서비스로는 항법정보서비스(NIS: Navigation Information Services)가 있다. 이 서비스는 미국 연안경비대(USCG: U.S Coast Guard)에 의해 운영되고 있다. 정밀궤도력, 위성 시계 파라미터 및 기타의 데이터를 포함하는 종합적인 정보는 미국의 제트추진연구소(JPL)에서 운영 중인 국제 GPS 서비스(IGS : International GPS Service)의 중앙 정보시스템(CBIS : Central Bureau information System)을 통해 제공받을 수 있다. CBIS는 인터넷을 통하여 접속이 가능하며, 파일 전송을 통한 모든 자료의 취득은 파일 전송 규약(FTP)에 의해 익명으로 이루어진다.