GPS 오차원인

1. GPS 개요

GPS는 Global Positioning System의 약어로, GPS 위성에서 보내는 신호를 수신해 사용자의 현위치를 알 수 있는 위성항법시스템(GNSS)의 일종이다. 1973년 미국 국방부에서 군사용으로 개발을 시작하였다.

 

모든 GPS 위성은 20,2000km의 고도를 12시간을 주기로 지구를 돌며, 지구 적도면과 55∘의 각도를 이루는 궤도면을 가지고 있다. 궤도는 총 6개로 60∘씩 1개의 궤도면 당 4개의 위성을 위치시켰다. 따라서 지구 어느 지점에서도 동시에 5~8개의 위성을 볼 수 있다.

 

2. GPS 신호

 

1) 반송파 신호

반송파(搬送波, carrier wave)란 정보를 전달하려 주파수에 신호를 변조해 전자기파로 바꾼 것이다.

각 위성은 서로 다른 주파수의 신호를 동시에 생성하며, 각각을 L1 반송파(1.57542 GHz) L2 반송파(1.2276 GHz) 신호라 한다.

 

2) 의사랜덤코드

GPS는 의사랜덤 코드, 즉 PRN(Pseudo Random Noise) 신호라는 Ranging Code를 사용한다. 여기서 Ranging Code는 ± 1이 무작위적으로 나오는, noise와 같은 긴 주기의 코드로, 한 주기동안 반복(중복)되는 패턴이 없다. 위성은 반송파에 의사랜덤코드를 실어 지상의 수신기에게 송신하고, 수신기는 이를 바탕으로 계산을 수행한다.

 

3) 항법메시지

항법 메시지(Navigation Message)는 GPS 위성에서 송출하는 반송파에 실리는 메시지로, 2진 부호화된 일련의 Pulse 신호의 형태를 띈다. 50bps의 속도로 지속적으로 방송된다. 항법 메시지 내에는 위성 탑재 시계의 시각 및 오차, 위성의 상태 정보, 모든 위성과 관련된 궤도 정보 및 상태(almanac), 각 궤도 정보와 이력(ephemeris), 오차 보정을 위한 계수 등이 있다.

 

3. GPS 오차

GPS 위치측정의 정확성을 떨어뜨리는 요소들은 크게 3부분으로 나눌 수 있다. 

 

1) 구조적 원인

 

거리오차는 위성과 수신기간의 측정된 거리의 오차를 의미, 다음과 같은 요인에 의하여 발생한다.

 

• 위성 위치 및 시간 오차
  • 위성의 궤도에 대한 수학적 표현인 Ephemeris가 오차를 포함하거나, 상대성 원리에 의해 위성의 시계에서도 오차를 가질 수 있다.
  • 5m 이내의 오차로, 미국에서 해당 오차를 추적하며 보정 중이다.
• 전리층 및 대류층 오차
  • 인공위성에서 라디오파를 전송하는데, 전리층에서는 하전입자들이 이 신호를 끌어당겨 굴절시키고, 대류층에서는 물방울들이 굴절시킨다.
  • 0~15m의 오차를 가지며, 대기 굴절 모델 및 dual-frequency 수신기를 사용하는 등으로 보정한다.
• 잡음
  • GPS 수신기 자체에서 발생하는 오차로, PRN 코드 잡음과 수신기 잡음이 합쳐 전체 잡음이 된다.
  • 0~3m의 오차를 가지며, 수신기 대부분이 내부 필터링 장치를 가지고 보정한다.
• 다중 경로 오차
  • 인공위성에서 송신한 신호가 다른 곳에 반사되거나 산란되어 수신기에 도달하는 경우, 지연(delay)를 갖는 오차를 발생시킨다.

 

2) 가하학적 오차

측위 시 이용되는 위성들의 배치상황에 따라 오차가 증가하게 되는데, 수신기 주위로 위성이 적당히 고르게 배치되어 있는 경우에 위치의 오차가 작아진다. 위성의 배치의 고른 정도를 DOP(Dilution of Precision)라고 한다.

 

DOP	수준	설명
<1	Ideal	최고의 정밀도를 요구하는 애플리케이션에 사용되는 가장 높은 신뢰 수준
1~2	Excellent	대부분의 애플리케이션을 정밀도를 충족할 만큼 충분한 신뢰 수준
2~5	Good	위치 측정을 사용하여 사용자에게 신뢰할 수 있는 경로 탐색을 제안 할 수 있는 수준
5~10	Moderate	위치 측정 데이터로 사용할 수 있지만 품질개선이 필요한 수준
10~20	Fair	매우  낮은 신뢰 수준을 나타내며 위치 측정값을  버리거나 계략적인 추정치를 나타낼 때 사용
>20	Poor	이 레벨의 측정값은 모두 삭제하여야 함.

 

DOP의 종류는 여러가지가 있지만 가장 많이 사용되는 것은 PDOP(Positional DOP)라고 한다. GPS 수신기는 관측된 데이타를 이용하여 PDOP를 계산하고, 이를 거리오차에 곱하면 측위 오차가 된다. 즉, (거리오차;Range Error) x (PDOP) = (측위오차)가 된다.
따라서 대부분의 수신기는 PDOP가 작은 위성의 조합을 선택하여 측위 계산을 하고 이를 표시하도록 설계되어 있다. 최근 수신기의 성 능이 좋아서 PDOP가 3인 경우 위치오차는 대략 15m CEP (Circular Error Probability), 즉, 50% 오차확률의 범위에서 평면으로 약15m정도이다.

 

3) SA(Selective Availability)

 

SA는 오차요소중 가장 큰 오차의 원인이다. 허가되지 않은 일반 사용자들이 일정한도내로 정확성을 얻지 못하게 하기 위해 고의적으로 인공위성의 시간에다 오차를 집어 넣어서 95% 확률로 최대 100m 까지 오차가 나게 만든 것을 말한다.

걸프전 때 많은 수의 민간 수신기들이 군에서 사용되어졌을 때 전쟁이 끝날 때까지만 미 국방부는 SA의 작동을 중지했었다. 1996년 3월 29일 클린턴 대통령은 4년이내에 SA 의 작동은 영원히 중지될거라고 발표했었다. 그리고 2000년 5월 1일 자정 (Washington DC Time, USA)을 기해 미 국방성이 GPS 위성 신호의 궤도와 시계 정보를 고의적으로 조작한 의도적 정밀도 저하 조치 SA(Selective Availability)를 해제함에 따라 위치 정확도가 향상되었다.