[Positioning] 위성항법시스템(GNSS) 정리(1): GPS, GNSS 개념

💡 본 문서는 '위성항법시스템(GNSS) 정리(1): GPS, GNSS, RTK 등'에 대해 정리해놓은 글입니다.
어떤 분야던 자신의 위치를 판단할 때 가장 먼저 고려하는 시스템인 '위성항법시스템(GNSS)'의 이론을 정리하였으니 참고하시기 바랍니다.

1. 용어 정리

본격적인 내용에 들어가기 앞서 용어를 몇 가지 정리하고자 한다.

• 측량(Surveying): 지구 상의 여러 점들의 위치 관계와 특성을 결정하고 표현하며, 측정, 재현하는 기술이다. 측량에는 측량용 사진 촬영, 지도 제작, 건설 사업의 도면 작업 등을 포함한다.
• 측위(Positioning): 지물의 위치를 구하는 것으로 주로 이동체가 자신의 위치와 속도, 경로 등을 알아내는 위치 결정 기술이다.
• 항법(Navigation): 현재 위치로부터 목적지까지 이동시키는 기술이나 방법으로, 주로 이동체의 위치와 속도를 결정한다. 지물(지문)(Ground Reference)/천문(Astronomial)/전파(Radio)/관성(Inertial)/위성(Satellite) 항법 등이 있다.
• 기준국(Base Station): 측량 및 측위, 항법의 기준이 되는 점(위치) 혹은 수신기를 뜻한다. 보통 고정되어 있다. 반면 이동국(Rover)은 항법용 수신기로 GPS 수신기를 가지고 이동한다.

밑에서 보겠지만, GPS와 GNSS는 그 설명에서 동일하다 보아도 된다. GPS가 GNSS의 일종이기 때문이다. 따라서 GPS 이론이라 되어 있지만 GNSS 이론이라 생각하자.

2. GPS의 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.

GPS는 활용 분야를 아래와 같이 대표적으로 볼 수 있다.

• 시각 동기(Time Synchronization)
• 측위(Positioning): 위성으로부터 수신기까지 전파 도달 거리로 수신기의 3차원적 위치 결정
• 측량(Surveying): 기지점의 좌표를 기준으로 미지점의 좌표를 구한다. 4개 이상의 위성을 동시관측해 위상차를 이용한다.
• 항법(Navigation), 자세 결정, 위치기반서비스 등

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.

3. GNSS

GPS는 미국의 시스템이며, 이와 비슷하도록 다른 국가들도 자체적 측위 시스템을 구축했다. 이를 모두 합쳐 GNSS라고 통칭한다. GNSS는 Global Navigation Satellite System의 약어로, 위성에서 발신한 전파를 이용해 정밀한 측위 정보를 제공한다.

지구 궤도 상에 수십 개의 위성군이 전 지구를 관측할 수 있도록 함으로써 사용자에게 위치, 항법, 시각 정보를 제공한다. 이를 위해 배치된 위성군을 일정한 형상으로 배치 및 유지하고, 통신 링크를 통해 위성의 정확한 궤도 정보를 실시간으로 탑재된 원자 시계로 동기시켜 송출한다.

현재 글로벌 GNSS로는 GPS(Global Positioning System, 미국), GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System, 러시아), Galileo(유럽 연합), BeiDou(중국)가 있으며, 이 외에도 QZSS(Quasi-Zenith Satellite System, 일본) NAVIC(Navigation Indian Constellation, 인도) 등이 존재한다.

• GPS : https://www.gps.gov/systems/gps/space/#orbits
• GLONASS : https://www.glonass-iac.ru/en/GLONASS/
• Galileo : https://ec.europa.eu/growth/sectors/space/galileo/launches_en
• Beidou : http://en.beidou.gov.cn/
• QZSS : https://qzss.go.jp/en/
• NAVIC : https://en.wikipedia.org/wiki/Indian_Regional_Navigation_Satellite_System

2020년 기준으로 113 개의 항법 위성이 지구 주위를 돌고 있다. 2022년에는 125개의 위성이 있을 것으로 예상되어, 2002년 32개였던 것에 비해 약 4배 이상의 증가세이다. 따라서 Urban Canyon 처럼 가시 위성의 수가 적은 등의 문제를 완화하고 정확도를 높일 수 있을 것으로 보인다. 또한 각국은 GPS의 현대화를 위해 기술 개발 및 위성 업데이트를 진행 중이다.

+ Multi-Frequency, Multi-Constellation

최상의 정확도를 얻으려면 각 GNSS 성좌(GPS, GLONASS, BeiDou 및 Galileo)에서 브로드캐스트하는 2~3개의 주파수를 사용하는 것이 좋습니다.

• 다중 주파수 수신기를 사용하면 대기 조건으로 인한 다양한 신호 지연으로 인한 오류를 완화합니다.
• L1/L2 주파수 조합이 가장 일반적입니다. L5는 현대화된 GPS, BeiDou 및 Galileo에 사용됩니다.
• 별자리를 많이 사용할수록 위성을 관측할 가능성이 높아집니다. 도시 또는 장애물 환경에서 특히 중요
• 다중 주파수 및 배치를 수신할 수 있는 GNSS 수신기 및 안테나를 활용해야 합니다.

4. 국토지리정보원, 국토정보플랫폼

4.1. 위성기준점 서비스

현재 국내 77개의 위성기준점이 있으며, 국토지리정보원에서는 이 위성기준점의 일별 관측 데이터를 GNSS 후처리용으로 일반에게 국토정보플랫폼을 통해 제공하고 있다. 2005년부터는 위성기준점을 이용해 실시간으로 고정밀의 위치결정이 가능한 네트워크 RTK 서비스를 제공하고 있다.

위성기준점 지도 및 좌표 다운로드는 국토정보플랫폼 위성 기준점 현황에서 볼 수 있다.

4.2. GNSS 데이터 통합 서비스

8개기관(국토지리정보원, 국립해양측위정보원, 한국천문연구원, 서울특별시, 한국지질자원연구원, 한국국토정보공사, 국가기상위성센터, 우주전파센터)이 참여해 GNSS데이터 통합체계를 구축했으며, GNSS 상시관측소의 정보와 위성 수신 데이터를 통합적으로 민간에 제공하고 있다.

링크에 접속하면 서비스를 이용할 수 있다. NTRIP Client를 이용해 GNSS 실시간 데이터(RTCM)를 수신할 수 있고, 일/시간 단위 GNSS 후처리 데이터(RINEX)를 수신할 수 있다.

여기서 RINEX(Receiver Independent Exchange Format)란? GPS 관측치를 받는 수신기에 구애받지 않고 공통적인 양식으로 변환되는 GPS 데이터 형식으로, GNSS 후처리 데이터이다.

• GNSS 데이터 통합센터: 실시간 데이터(RTCM): https://www.gnssdata.or.kr/rtcm/getRtcmView.do

참고

• [서울특별시] GNSS 현황: https://gnss.eseoul.go.kr/system_sub1_01
• [Blog] GPS 이론: GNSS, RTK 등: https://velog.io/@717lumos/GPS-GPS-%EC%9D%B4%EB%A1%A0-GNSS-RTK-%EB%93%B1