반송파 위상차

1. 반송파 위상차

반송파 보정 위성 항법 시스템을 사용하면, 일반적으로 반송파 측정치는 코드 측정치보다 해상도(Resolution)가 훨씬 높으므로 이를 이용하여 위치를 계산할 경우 수mm~수cm 수준의 궤적 오차를 기대할 수 있다. 코드신호를 운반하는 반송파는 그 자체가 정현파로서 L1 파의 경우 약 19cm, L2 파의 경우 약 24cm 의 파장으로 위성과 수신기 간의 파장 개수를 측정함으로써 거리를 계산할 수 있는데 이와같이 위상차에 의해 간섭법으로 거리를 측정하는 방법이다.

 

 

수신기에 마지막으로 수신되는 파장의 위성을 정확히 알 수 없으므로 이를 모호정수(Ambiguity)라 하며 수신기 1 대 만으로는 정확한 Ambiguity 를 결정할 수 없기 때문에 최소 2 대 이상의 수신기로 부터 정확한 위상차를 구한다.

 

1) GPS 신호의 종류

GPS 신호는 3개의 이진수 코드가 L1과 L2 반송파 위상에 변조되어 있다.

① L1 반송파

L1 신호는 GPS 수신기에서 가장 일반적으로 사용되는 신호입니다. 이 신호는 주로 위치 및 타이밍 정보를 제공합니다. L1 신호는 1575.42MHz 주파수에서 전송됩니다.

중심주파수 1575.42Hz = 10.23 * 154배, 파장 = 19cm

② L2 반송파

L2 신호는 L1 신호와 함께 사용되는 보조 신호입니다. L2 신호는 좀 더 정확한 타이밍 정보를 제공하며, 고도와 위치 정확도를 향상시키는 데 사용될 수 있습니다.

중심주파수 1227.60Hz = 10.23 * 120배, 파장 = 24cm

③C/A코드(Coarse Aquisition)

C/A코드(Coarse Aquisition)는 L1 반송파 위상에 변조되어 있다. C/A코드는 반복되는 1MHz 의사 불규칙한 잡음(Pseudo Random Noise; PRN) 코드이다. 이 잡음과 같은 코드는 L1 반송파 신호에 변조되어 1MHz 주파수대역에 걸쳐 스펙트럼을 전파한다. C/A코드는 매1,023비트(1,023회/초)를 반복한다. 각 위성에 대하여 서로 다른 C/A코드 PRN이 있다.  GPS위성은 종종 각각의 의사 불규칙 잡음 코드에 대한 유일한 식별자인 PRN 번호에 의하여 구별되기도 한다. 

④항법메시지 또한 L1 코드 신호에 변조되어 있다. 이 항법메시지는 GPS위성의 궤도, 시계보정량과 다른 시스템 파라미터를 설명하는 데이터 비트들로 구성되는 50Hz의 신호이다.

⑤P코드(Precise)는 L1과 L2 반송파 위상에 모두 변조되어 있다. P코드는 10MHz의 PRN코드이다. 기만(Anti-Spoofing; AS) 모드의 실행에서는 P코드는 Y코드로 암호화된다. 암호화된 Y코드는 각 수신기 채널에 대하여 비밀의 AS 모듈을 요구하며, 오직 암호키를 가진 허가받은 사용자만이 이를 이용할 수 있다. 

 

2) GPS 측위의 원리

GPS를 이용한 측위방법에는 위성과 수신기 간의 전파 도달 시간차를 이용하여 위성과 수신기간의 거리를 구하는 코드신호 측정방식과 위성으로부터 수신기에 도달되는 전파의 위상을 측정하여 거리를 구하는 반송파신호 측위방식이 있다.

 

	코드신호 측정방식(코드 측위)	반송파신호 측정방식(간섭 측위)
원리	GPS 신호의 코드를 측정하여 위치계산	반송파 신호의 위상변화를 측정하여 위치계산
특징	낮은 정확도	높은 정확도
오차범위	수 m	수 cm
신호처리	난수 코드의 시간 차이를 거리로 변환	신호처리 및 모호상수 추정 필요

 

① 코드신호 측정방식

GPS 코드 신호 측정 방식은 GPS 수신기가 수신한 GPS 신호의 코드를 활용하여 위치를 계산하는 방법입니다. 코드 신호는 GPS 위성에서 전송되는 복잡한 의사 난수 코드로 구성되어 있습니다. 수신기는 이 코드를 수신하여 시간 차이를 측정하고, 해당 시간 차이를 거리로 변환하여 위치를 계산합니다.

② 반송파신호 측정방식

GPS 수신기가 반송파 측정치 추적을 시작하며, 특정 시간 동안 누적된 반송파 위상 값을 제공하며, 초기의 반송파 싸이클 개수인 반송파 측정치에 포함되어 있는 미지정수를 알 수 있다면, 고정밀의 위치 정확도로 사용자의 위치를 구할 수 있다. 즉, 반송파 위상을 이용한 반송파 보정 위성 항법 시스템은 사용자의 초기 위치 외에, 반송파 측정치에 포함되어 있는 초기 미지정수를 찾아내야 한다.