GNSS(Global Navigation Satellite System) 요약

[배재열]

1. GNSS(Global Navigation Satellite System)

1.1 GNSS의 개발

범지구 위성 항법시스템인 GNSS는 인공위성 네트워크를 이용하여 지상에 있는 목표물의 위치를 정확하게 추적 할 수 있는 시스템으로 미국의 GPS, 소련의 글로나스(GLONASS), 유럽의 Galileo 프로젝트, 중국의 베이더우(Beidou), 일본의 준텐초(Quasi-Zenith Satellite System : QZSS)등이 여기에 속한다.

측량에서는 주로 위성에서 발사된 전파를 수신하여 위성으로부터 수신기 까지의 거리를 구하여 사용자(수신기)의 위치를 결정하는 방법을 이용한다. 이러한 위성 항법 시스템 중 현재 가장 완벽하고 널리 이용되는 것은 미국의 GPS(Global Positioning System)는 1970년대 말부터 개발되기 시작하여 오늘날 측량 분야에 필수적인 요소가 되었다.

1.2 GNSS의 종류

1.2.1 GPS(Global Positioning System)

GPS(Global Positioning System)는 범지구 위치결정시스템으로 인공위성을 이용한 항법시스템이며, 미국 국방성에서 군사목적으로 개발, 구축되기 시작한 것으로, 1993년 24개의 위성 네트워크가 완성되어 전 세계에서 실시간 서비스가 가능하게 되었다. GPS는 인공위성(NAVSTER)에서 전파를 수신하는 것으로 지상, 해상, 공중의 여러 장소에서 간단하게 자신의 위치를 알 수 있는 시스템이다.

위성의 위치는 공중 삼각점이라 볼 수 있고 거리는 전파수신에 의하여 해석되므로 이는 무선항법에 의한 후방교회법이라 할 수 있다.

1.2.2 GLONASS(Global Navigatiom Satellite System)

GLONASS는 1982년 구 소련에서 위성을 발사하기 시작하여 GLONASS가 완성되는 경우에는 총 24대의 위성으로 구성 되지만, 2010년 12월 야심차게 준비하여 발사한 3기의 위성 발사 실패로 현재 21개의 위성만 운용되고 있다. 러시아는 경제위기에도 불구하고 지난 10년간 이 사업에 총 20억 달러를 투자 하였다. 러시아 국방부는 성명을 통해 21개의 위성만으로도 적도부근 일부를 제외하고 지구 전체를 완벽하게 커버 할 수 있다고 주장하고 있으며, 현재 우리나라에서도 GLONASS와 GPS를 조합하여 보다 정확하고 폭넓은 범위에서 서비스가 가능하게 되었다. GLONASS는 GPS와 달리 주파수 분할방식을 채택하고 있어 위성마다 반송파의 주파수가 다르다. 그리고 GPS에서 군사용으로만 허용되는 P-Code를 GLONASS에서는 민간이 사용하도록 허용하고 있다.

1.2.3 Galileo 프로젝트

GPS나 GLONASS가 군사적인 목적으로 개발되어 미국이나 러시아가 유사시 자국의 이익을 위해 이 위성시스템을 사용하지 못하게 할 수 있다는 불안감이 여러 나라에서 제기되어 왔다. 그 결과 유럽에서는 이 문제를 해결하기 위해 민간이 설치하고 운영하는 인공위성 시스템인 Galileo 프로젝트를 계획하였다. 2002년 3월 바로셀로나 정상회담에서 승인된 이 갈릴레오 프로젝트는 GPS 와 글로나스가 군사목적으로 출발한데 비해 민간 사용을 우선시 하고 있으며, 계획대로 추진된다면 오는 2014년 본격 가동될 전망이다.

갈릴레오 시스템은 30개의 위성(고도 2만4천Km)과 지상 관제시스템으로 구성되며, 1m이내까지 물체의 위치를 파악할 수 있어, 미 국방부가 군사위성 24개로 운영중인 GPS보다 훨씬 뛰어날 것으로 예상된다. 한편 우리정부도 2005년 2월 갈릴레오 프로젝트에 참여하기로 결정했으며, 2006년 한.EU정부간 갈릴레오 기본협정이 체결되어 우리나라는 수평 정밀도 4~6m 정도를 확보할 수 있는 위치정보를 이용할 수 있게 되었다.

1.2.4 Beidou 항법시스템(COMPASS)

중국은 미국, 러시아, 유럽에 이어 세계에서 4번째로 35개 인공위성을 연결하여 전 세계에 24시간 서비스 할 수 있는 ‘베이더우 항법시스템(COMPASS)’구축을 지난 2000년부터 본격 착수하였다. 중국이 구축하는 COMPASS는 인공위성을 통해 사용자에게 위치정보(정밀도 10m), 속도측정(0.2m/초), 시간알림(10ns) 등을 무료로 제공하며, 측량,어업,교통,기상관측,석유탐사,산불감시,자연재해예보,통신망 연결 등 각종 서비스를 제공하게 된다. 중국의 베이더우 위성은 2010년 12월 18일 제 7호 위성의 발사에 성공 하였으며, 2012년 까지 총 10개의 위성을 발사하여 1차 네비게이션 시스템 구축을 완료하고 이어 2020년까지 총 35기의 위성을 발사해 전 세계에서 GNSS구축을 완료 한다는 계획이다.

1.2.5 QZSS(Quasi Zenith Satellite System)

일본은 민.관 합작으로 2002년부터 연간 100억엔 이상 투입하여 독자개발에 나선 GNSS로 2개의 위성을 발사해 일본, 동북아, 호주등을 8자 궤도로 선회하는 준천정 위성항법시스템인 QZSS(Quasi Zenith Satellite System)을 독자적으로 구축하는 계획을 추진 중이며, 2009년 제1호 위성이 발사에 성공하여 시험 운영 중에 있다.

이 시스템은 GPS와 결합하여 GPS신호의 가용성을 확장하고 GPS신호의 정확도 및 신뢰성 향상을 목적으로 개발되고 있다.

IRNSS(India Regional Navigational Satellite System)

� 최초위성은 2011년 4/4분기에 발사예정

� 총 7개 위성과 지상국으로 구성

� 24,000Km고도와 전자시계, 전자장비를

탑재하고 항법 신호를 방송할 예정

� 위치오차는 20m이하 인도와 주변국

약2,000Km를 서비스 범위로 예정

� 2014년 최초의 서비스 목표로 구축 중

2. GPS의 구성

1). 우주부분(Space Segment)

①. 24개의 NAVSTAR GPS 위성으로 구성, 전파신호의 발사가 주임무

②. 약 2만km 상공에서 약 0.5항성일(12h)을 주기로 운동하며 6개 궤도면 이 적도면과 55°의 각을 이룸

③. 전파송신기, 원자시계, 전산기등의 보조장치가 탑재

2). 제어부분(Control Segment)

①. 1개의 주제어국, 5개의 추적국, 3개의 지상안테나로 구성

②. 궤도 및 시각결정을 위한 위성의 추적, 전류층 및 대류층의 주기적모형화, 위성시간의 동일화, 위성으로부터의 자료전송등 수행.

③. 추적국은 GPS 위성의 신호를 수신하여 주제어국으로 전송한다.

④. 주제어국은 추적국으로부터 전송된 정보를 사용하여 궤도요소의 수정 및 시간을 수정하고, 다른정보와 함께 지상안테나를 통해 위성으로 전송한다.

3). 사용자부분(User Sagment)- 수신기 및 안테나와 자료처리 S/W로 구성, 위성수신 신호를 처리, 수신기 위치,속도,시간을 계산.

3. GPS의 신호체계

1). Carrier(반송파)

①. L1 반송파-일반 항측용에 많이 사용, C/Acode와 P code로 변조 가능

②. L2 반송파-정밀측위용으로 군사용이나 정밀측량에 사용, P code만 변조가 가능

2). Code(코드)

①. P code

ㄱ. P code는 반복주기 7일인 PRN(Pseudo Random Noise=의사잡음신호)code이다.

ㄴ. 주파수는 10.23MHZ, 파장은 30m.

ㄷ. L1과 L2파 모두에 운반

ㄹ. AS모드로 동작하기위해 Y code로 암호화되어 PPS사용자에게 제공된다.

②. C/A code

ㄱ.C/A code는 반복주기가 1ms(milli-

second)로 매우 짧은 PRN code이다.

ㄴ. 주파수 1.023MHZ, 파장 300m.

ㄷ. L1 반송파에만 운반

ㄹ. 항법데이타나 시간정보를 얻는데 사용되며 SPS사용자에게 제공된다.

3). Navigation Message(항법메세지)

①. Navigation Message는 C/A code와 함께 L1 반송파에 변조되는 신호이다.

②. Navigation Message는 전체메세지가 25개의 프레임으로 구성되어 있으며 1프레임은 5개의 서브프레임, 1서브프레임은 10개의 단어로 구성되어 있다.

4. GPS의 위치결정원리

1). 의의-GPS에 의한 위치결정은 위치가 알려진 다수의 위성을 기지점으로 하여 수신기를 설치한 미지점까지의 거리를 관측하여 미지점의 위치를 결정하는 후방교회법.

2). 코드측정방식에 의한 위치결정원리(의사거리를 이용한 위치결정원리)

①. 위성에서 발사한 전파와 수신기에서 미리 복사된 코드를 비교하여 두 코드가 완전히 일치할때까지 걸리는 시간을 관측하여 여기에 전파속도를 곱하여 의사거리를 구함.

②. 코드측정방식은 4개 이상의 위성을 관측하여 원하는 수신기의 위치와 시각동기오차(=시계오차)를 결정하며 항법, 근사적인 위치결정, 실시간 위치결정에 이용.

3). 반송파측정방식에 의한 위치결정원리(위상차에 의한 위치결정)

①. 위성에서 보낸 파장과 지상에서 수신된 파장의 위상차를 관측하여 거리를 계산하는 방식으로서 정밀위치결정, 후처리위치결정의 특징을 지닌다.

②. 불명확상수(N)의 정확한 결정이 GPS정확도를 좌우하며 불명확상수 문제해결을 위해 OTP(on the fly)기법이 많이 사용됨.

③. 후처리 위치결정 방식이며 정밀위치결정을 위한 상대위치결정등에 사용된다.

5. GPS 위치결정방법 및 정확도

1). 절대관측방법(1점측위)

①. 4개 이상의 위성으로부터 수신한 신호중 C/A code를 이용하여 실시간 처리로 지구상 수신기의 위치를 결정하는 방법으로서 GPS의 가장 일반적. 기초적단계이다.

②. 수m～25mn 정도의 낮은 정확도 때문에 선박, 자동차, 항공기등의 항법에 이용됨.

2). 상대관측방법(간섭계측위)-1대의 수신기는 기지점에, 다른 수신기는 미지점에 설치하여 2점간에 도달하는 전파의 시간적 지연을 측정하여 2점간의 거리를 정확히 구하여 미지점의 위치를 결정하는 방법이다.

(1). Static측량

①. 2개 이상의 수신기를 각 측점에 고정하고 동시에 4개 이상의 위성으로부터 신호를 30분이상 수신하는 방식으로서 수신된 신호를 컴퓨터처리에 의해 각 수신기의 위치 및 거리를 계산하는 후처리 위치결정방식.

②. 계산된 위치 및 거리 정확도가 수mm정도(1ppm~0.01ppm)로 높으며 측지기준점측량, VLBI의 보완 또는 대체측량에 이용됨.

(2). Kinematic측량

①. 기지점 수신기를 고정국, 다른 수신기를 이동국으로하여 이동국을 순차적으로 이동하면서 신호를 수초~수분동안 수신하는 방식으로 관측자료를 후처리하여 위치결정.

②. 수mm~수cm정확도로 이동차량의 위치결정, 지형측량, 각종 공사측량등에 이용.

(3). RTK(Real Time Kinematic)측량

①. 기지점의 고정국과 미지점의 이동국간의 위치관계를 라디오모뎀등을 이용하여 실시간으로 처리하는 체계.

②. 수cm의 정확도이며 공사측량등에 많이 이용되었으나 최근 지적도근측량 및 일필지측량에서 1~3cm정도의 정확도를 유지하는 연구가 진행되고 있어 곧 실용화될 것.

6. DGPS(Differential GPS=정밀GPS)

1). 의의-DGPS는 상대측위방식으로서 이미 알고 있는 기지점의 좌표를 이용하여 오차를 최대한 줄이기 위한 위치결정방식.

2). DGPS의 원리

①. 기준국 GPS(Reference Station)-기지점에 설치하는 GPS 수신기로서 인공위성에 의해 측정된 위치데이타와 기지점의 위치데이타와의 차이값을 계산하여 위치보정 데이터를 생성하여 이동국 GPS로 송신.

②. 이동국 GPS(Mobil Station)-인공위성에 의해 측정된 위치데이터에 기지국으로부터 송신된 위치보정데이터를 합성하여 현지점의 정확한 위치를 표시한다.

3). DGPS의 특징

①. 시통과 거리의 제한이 매우 적다.

②. 기상조건 및 야간관측에 영향 없다.

③. 1인측량이 가능.

④. 컴퓨터에 의한 자동처리가 가능.

4). DGPS기법의 종류

(1). DGPS

①. 위성신호중 C/A코드만을 처리하여 1m이내의 위치정확도를 얻는 방법이다.

②. 통상 4개 이상의 위성이 수신되면 측량이 가능하고 코드처리 방식으로 계산하므로 속도가 빠르나 정확도는 떨어진다.

③. 일반적으로 허용오차가 큰 해양에서의 위치결정측량이나 자동차 항법등에 적용.

(2). RTK

①. 위성신호중 L1과 L2의 반송파를 처리하여 1~2cm정도의 정확도를 얻는 방법.

②. 통상 5개 이상의 위성이 수신되어야 측량이 가능하고 반송파 처리방식으로 계산방식이 복잡하나 정확도는 높다.

③. 일반적으로 높은 정확도를 요구하는 육상측량, 해상측량 및 변위계측에 이용.

5). DGPS측위방식 및 활용

(1). 실시간 DGPS

①. 기준국GPS에서 생성된 위치보정데이타를 유무선통신으로 이동국GPS에 송신하여 실시간으로 정확한 위치를 해석하는 방법.

②. 위치보정데이터의 통신방식

ㄱ. 무선통신-UHF, VHF, HF, MF등으로 일반측량에 주로 활용된다.

ㄴ. 유선통신-광섬유케이블에 의한 통신을 사용하며 주로 계측분야에 활용된다.

③. 이용-해양측량, 도로, 시설물, 보수공사등에 이용된다.

(2). 후처리 DGPS

①. 기준국 및 이동국 GPS에서 각각 위성데이터를 취득한 후 컴퓨터 프로그램에 의해 보정하여 위치를 해석하는 방법.

②. 이용-GIS용 자료취득등에 이용된다.

6). DGPS측위의 문제점 및 대책

(1).위치보정데이터통신의 문제점 및 대책

①. 문제점-통신기 성능에 따라 DGPS측량의 성패가 좌우되며 장거리측량이 어렵다.

②. 대책

ㄱ. 통신기기의 성능에 맞는 범위내에서 기준국을 많이 설치하여야 한다.

ㄴ. 현재 운용중인 GPS 상시관측소에서 위치보정데이터의 서비스가 제공되어야 함.

(2). 좌표변환 체계의 문제점 및 대책

①. 문제점-WGS84 좌표체계에서 TM좌표체계로의 변환에 있어 사용자 임의로 변환계수를 적용하여 사용하고 있다.

②. 대책-지역별 좌표변환계수를 국가에서 확정 고시.

(3). DGPS측위의 공신력

①. 문제점-성과에 대한 계산부가 없어 법적효력이 인정되지 않음.

②. 대책- DGPS측위 성과의 법적 안정을 위한 성과심사규정을 수립.

7. GPS의 표준자료

1). 표준자료의 필요성-GPS는 위성이나 라디오 비콘등과 같은 다양한 자료연결을 이용하기 때문에 자료신호의 표준화가 필요하며 특히 실시간 응용에서 표준자료형식의 필요성이 요구된다.

2). 표준화 추진단체

①. 미국 RTCM-SC104-실시간 DGPS를 위한 표준형식제정(RTCM).

②. 미국 RTCA-표준형식을 제정하여 자동항법, 항공기이착륙등의 분야에 이용.

③. 미국 NMEA-NMEA-0183 표준형식을 제정하여 타기종 수신기간의 자료호환을 가능하게 함.

3). RINEX(Receiver Independent Exchange)

Format-타기종 수신기로부터 얻어진 GPS 자료를 후처리과정에서 이용하기위한 표준형식으로 ASCⅡ 파일형태이며 1996부터 공동포멧으로 사용되고 있다. 다시 말하면 GPS 관측치를 어떤 수신기로 관측하여도 그에 무관하게 공통적인 양식으로 변환되는 형식.

8. GPS의 측위오차

1). 거리오차(Range Error)

①. 위성에서 발생하는 오차-위성시계오차, 위성궤도오차

②. 대기권 전파지연오차-위성신호가 전리층과 이온층을 통과할때의 전파지연

③. 수신기에서 발생하는오차-안테나의 구심 및 높이오차, 수신기에서 발생하는 잡음, 전파의 다중경로(Multipath)등에 의한오차

※ Multipath-GPS 위성으로부터의 신호는 두세가지 경로로 수신기에 들어오는데, 한가지는 실제로 오는것이고, 다른 한가지는 시선방향으로 오는 것이 며, 마지막으로 주위의 장애물에 의해 반사되어 오는 것이다. 이러한 경로길이의 차이로 의사거리와 위상관측치에 영향을 줄 수 있다.

2). 위성의 배치상태에 따른 오차

(1). DOP(Dilution of Precision:정밀도저하율)-후방교회법에 있어서 기준점의 배치가 정확도에 영향을 주는것과 마찬가지로 GPS의 오차는 수신기와 위성들간의 기하학적 배치에 따라 영향을 받는데 이때 측위정확도의 영향을 표시하는 계수로 DOP가 사용된다.

(2). DOP의 종류

①. GDOP(Geometric DOP)-기하학적 정밀도저하율, 3~5정도가 적당.

②. PDOP(Position DOP)-위치정밀도저하율(3차원 위치), 2.5이하가 적당.

③. HDOP(Horizintal DOP)-수평정밀도저하율(수평위치)

④. VDOP(Vertical DOP)-수직정밀도저허율(높이)

⑤. RDOP : 상대정밀도저하율

⑥. TDOP : 시간정밀도저하율

(3). DOP의 특징

①. 수치가 작을수록 적당하다.

②. 가장 좋은 배치상태일때를 1로 한다.

③. 5까지는 실용상 지장없다.

④. 수신기를 가운데 두고 4개의 위성이 정사면체를 이룰 때 즉 최대체적일때 GDOP, PDOP등이 최소이다.

(4). Visibility(시계)-good GDOP라 하더라도 산, 건물등으로 인하여 위성의 시계확보(전파경로)가 되지 않는 경우 좋은 측위결과를 얻을수 없는데, 이처럼 위성시계확보와 관련된 문제를 Visibility라 한다.

3). SA(Selective Availability=선택적가용성)

(1). 의의-SA란 미 국방성의 정책적 판단에 의해 적대국의 사용제한을 위해 C/A 코드에 인위적으로 궤도오차 및 시간오차를 부여한 것을 말하며 2000.5.1일 해제되었다.

(2). SA와 AS

①. SA-SA는 천체위치표에 의한 자료와 위성시계의 조작으로 위성과 수신기 사이에 거리오차가 발생하도록 하는 방법으로서 SA가 작동중일때 오차는 약100미터 정도였다.

②. AS(Anti-Spoofing=코드암호화, 신호차단)-AS는 군사목적의 P코드를 적의 위성신호 교란으로부터 방지하기 위해 암호화시키는 방법으로 P코드에 암호화된 W코드를 합성하는 방식이며 그 결과로 Y코드가 만들어진다. AS가 작동중일때에는 암호해독수신기를 가진 사용자만이 위성신호 수신 가능.

(3). SA의 해제와 Galileo 프로젝트

①. SA는 1996년 미 대통령이 10년 이내에 중단할것을 발표하였고 2000.5.1 해제됨으로서 1990년부터 실시되던 SA는 중단.

②. 전 세계적으로 GPS의 민간수요가 급증하여 SA의 해제 필요성이 제기되어 왔고, 유럽을 중신으로 계획중인 새로운 위성항법체계인 갈릴레오(Galileo)프로젝트에 대한 대응책등이 해제의 원인이 되었다.

③. Galileo 프로젝트-유럽연합의 독자적인 위성항법체계로서 GPS에 대한 사용료 의 발생 가능성과 기술종속등의 우려에서 시작되었다. GPS와 호환되며 21개 또는 36개의 위성군으로 구성되며 초기단계(1999.10~

2000.12)부터 시작하여 2008년에 공급단계까지 계획되고 있다.

(4). SA 해제의 효과

①. SA 해제전 수백미터에 달하던 오차가 해제후 10M 정도로 감소

②. 항공, 교통, 물류, 선박등 다양한 민간GPS 이용자가 혜택

③. 전세계적으로 GPS에 대한 의존도는 더욱 증가

④. SA 해제후에도 고정밀의 측지분야, 자동차항법분야등에서는 여전히 DGPS기술이 필요

4). Cycle Slip(신호의 점프)

(1). 의의-사이클 슬립은 GPS 반송파 위상추적회로(Phase Lock Loop:PLL)에서 반송파 위상 관측치의 값을 순간적으로 놓침(일시적인 끊김현상)으로 인해 발생하는 오차로서 정밀측정분야에서는 큰 영향을 미칠수 있으므로 사이클 슬립의 검출은 매우 중요.

(2). 사이클 슬립의 원인

①. GPS 안테나 주위의 지형지물에 의한 신호의 단절

②. 높은 신호 잡음

③. 낮은 신호 강도(Signal Strength)

④. 낮은 위성의 고도각

⑤. 이동측량에서 많이 발생됨.

(3). 사이클 슬립의 처리

①. 수신회로의 특성에 의해 파장의 정수배 만큼 점프하는 특성

②. 데이터 전처리 단계에서 사이클 슬립을 발견하여 편집가능

③. 기선해석 소프트웨어에서 자동처리

5). GPS오차의 소거 및 정확도향상방법

①. 위성시계오차는 예측이 가능하므로 주제어국에서 조정하여 최소화

②. 주제어국에서 전파지연량들을 예측하여 코드정보와 함께 방송함으로서 수신기는 측위계산시 이를 이용

③. 이온층에 의한 지연을 방지하기 위해 L1과 L2의 반송파 조합을 이용

④. 상대적관측방식으로 정오차를 소거.

⑤. VLBI, T/S(Total Station), INC(관성항법체계)등과 결합하여 사용

9. 좌표변환

1). WGS 좌표계

(1). 의의-GPS는 WGS84라고 하는 기준좌표계를 이용하여 여러 가지 관측장비를 가지고 전세계적으로 측정해온 지구의 중력장과 지구모양을 근거로 해서 만들어진 세계공통좌표계이다.

(2). WGS84 좌표계의 특징

①. WGS84는 지구의 질량중심에 위치한 좌표원점과 X.Y.Z축으로 정의되는 좌표계.

②. Z축-1984년 국제시보국(BIH)에서 채택한 지구자전축과 평행한 선이다.

③. X축-BIH에서 정의한 본초자오선과 평행한 평면이 지구 적도면과 교차하는 선.

④. Y축-X축과 Z축이 이루는 평면에 동쪽으로 수직인 방향으로 정의된다.

2). 좌표변환 방법

(1).의의-GPS위성궤도는WGS84라는지심직교좌표(a=6,377,397m,b=6,356,752m, f=1/298)를 기준으로 하고 우리나라 측지좌표계는 Bessel타원체 (a=6,377,397m, b=6,356,079m, f=1/299)에 준거하므로 양 좌표계는 타원체의 모양, 타원체의 중심, 축의 방향이 다르다. 따라서 GPS에 의한 측위결정은 좌표변환이라는 단계를 거쳐 한국의 측지좌표계의 좌표값으로 변환하여야 한다.

(2). 좌표변환 과정

①. WGS84 좌표계의 경도(L), 위도(B), 타원체고(H)를 WGS84 좌표계의 직교좌표계(x,y,z)로 변환하여야 한다.

②. WGS84 직교좌표치(x,y,z)를 한국 측지계의 지심직교좌표값(X,Y,Z)으로 변환.

③. 한국측지계의 지심직교좌표값(X,Y,Z)을 한국측지계의 경도,위도,타원체고로 변환.

(3). 좌표변환모델-WGS84좌표계와 베셀좌표계간의 변환은 두 좌표계에서의 위치를 제각기 3차원 직교좌표계(X,Y,Z)로 변환하여 이들간의 차이가 최소가 되도록 변환파라메타(7변수)를 구해야 하며, 그 모델의 종류는 다음과 같다.

①. Bursa-Wolf 모델-두 3차원 직교좌표계간의 좌표원점에 대한 이동량 및 좌표축의 회전량을 구하는 방식

②. Molodensky 모델-3차원 직교좌표계상의 임의의 한점을 고정시키고 이에 대한 회전량 및 이동량을 구하는 방식

③. Veis 모델-측량지역 중심의 점(φ0.λ0,h0)을 중심으로 하는 변환법으로서 측량성과를 국소 지평좌표계에서의 방위각과 경위도의 미소 변화량인 연직선편차를 추출할수 있는 방법이다.

(4). 좌표변환 요소(7파라메타)

①. 변환원점간의 선형이동량-X0, Y0, Z0

②. 좌표축간의 회전량-ΩX, ΩY, ΩZ

③. 축척보정계수-s

3). 좌표변환 방식

①. 7파라메타를 이용한 순차변환-최소제곱법으로 산출된 7개의 변환계수를 적용하여 상이한 두 직교좌표계간의 변환을 수행하는 방법으로 직각좌표계에서만 가능하다.

②. 회귀다항식변환(MRE)-두 기준계상의 위성관측점에 대한 WGS84 및 Bessel 좌표의 직교좌표 성분의 차(△X,△Y,△Z)를 도출하고 이를 독립변수로 하는 4차원 경향별 해석을 통하여 보정량을 산출하여 두 직교좌표계간의 변환을 수행한다.

③. 표준 Molodensky 변환-두 기준계상의 위성 관측점에 대한 WGS84 및 Bessel좌표의 측지좌표 성분의 편차량(ΔØ,Δλ,ΔH=ΔL,ΔB,ΔH)을 Molodensky 변환식으로부터 도출하고 이를 보정해서 두 직교좌표계간의 변환을 수행한다.

10. GPS 기준망

1). GPS 기준망-GPS 기준망은 항법, 측지측량, 지형공간정보체계(GSIS)등 여러 가지 목적으로 이용되는데 세계 각국은 일정한 밀도로 GPS 기준망을 설치하여 전국 어디서나 시간, 거리, 장소, 기상등에 제한없이 실시간으로 정확한 위치정보를 제공하고 있다.

2). 세계기준망-전세계의 GPS 기준망은 약 400여점의 GPS 기준점으로 구성되어 있으며 약 1400개의 GPS 기준점 설치 및 운영을 계획중에 있고 광역 기준망은 기준점수가 75개 이지만 125개로 확대시킬 계획이다.

3). 미국기준망-미국내 지역 기준망내 기준점의 수는 70개로서 향후 360개로 증가될 예정이며 국가 기준망내 기준점의 수도 250개에서 875개로 증가시킬 계획이다.

12. GPS 측량의 특징

1). 시통성-위성과 시통만되면 측량 가능.

2). 측량가능거리-UHF 전파를 이용하므로 가용거리가 약 10~20km 정도이고 작업효율을 향상시키며 날씨와 시간의 제약을 받지 않고 전천후측량이 가능.

3). 기준점 복원(Stake Out) 및 시공측량의 측설작업(Setting Out)

13. GPS의 필요성 및 도입효과

1). 필요성

①. 전국토의 Data Base화

②. 과학적인 정밀측지망 구성

③. 전자, 관성, 도플러 위치결정체계 활용

④. GPS 관측정밀도 분석, 위성체계 구성

⑤. 높은 정확도와 장거리 측량이 가능

⑥. 시통에 관계없이 전천후 관측 용이

⑦. 측량비용 절감 효과

2). 효과

①. 정밀한 기준점의 관리 및 증설

②. 국지적인 측량망의 오차점검

③. 세계적인 측지망의 결합

④. 과학적인 측지망 구성을 위해서 운영위성의 확대

⑤. 관측장비의 소형화 및 가격하락

⑥. 3, 4차 기준점 역할

⑦. 고정밀의 수평위치와 높이를 동시결정

14. GPS 도입에 따른 문제점과 개선방안

1). 국내에 GPS 기준점 확보 부족 → 적당한 지점을 선택하여 증설 필요

2). GPS의 실용화를 위해서는 Bessel과 WGS84 두기준계간의 변환을 위한 좌표변환계수의 산출이 필요하다.

3). 정확한 3차원 좌표변환을 위해 국내 지오이드 모델 개발이 시급하다.

4). GPS에 대한 전문교육기관 및 교육프로그램 개발을 통한 교육의 활성화가 필요.

5). 엔진보드, 수신안테나의 국산화가 필요.

6). 관계법규의 제정이 필요.

15. GPS 측량과 지오이드(Geoid)의 관계

1).정표고는 지오이드를 기준으로 측정되며

2). GPS로 측정되는 타원체고는 지오이드에 대하여 수학적으로 가장 근사한 가상면의 지심타원체(GRS80)을 기준으로 측정된다.

3). 따라서 수준측량에서 GPS 실용화를 위해서는 정확한 지오이드고가 산정되어야 함.

16. 국내외 현황

1). 국외

①. IERS(International Earth Rotation Service)-지구원점에 대한 기준값의 제공과 국제적인 지상기준계를 만드는 작업을 주관.

②. IERS는 VLBI, SLR, LLR 뿐만아니라 GPS와 같은 고정밀 측위기법을 이용하여 획득한 데이터로 부터 ITRF 좌표를 계산한다.

③. ITRF 좌표는 대륙간 혹은 범세계적인 거리에 대하여 수cm 이상의 정확도로 결정.

④. 몇몇 선진국에선 GPS를 활용한 국가기준망 및 대륙망을 구성하고 있다.

2). 국내

①. 우리나라는 IGS Station(국제GPS서비스관측망)과 연결된 연속 관측점을 운영하고 있으며 국립지리원에서는 국제망과 연결된 국가망 구축사업을 추진중이다.

②. 그동안 남한지역내 100여점의 삼각점과 수준점에 대한 GPS 관측을 실시하여 좌표변환을 위한 7매개변수를 도출하였으며 현재 이를 적용하여 GSIS D/B구축 및 사진측량에 의한 지형도 제작에 사용되고 있다.

17. GPS의 활용

1). 측량분야

①. 기준점 측량

②. 해상측량-해상의 공사측량, 심천측량, 해운, 해양관측, 해로등에 이용된다.

③. 기타측량-중력측량, 항공사진측량, 노선측량, 각종 공사측량에 이용되며 국토의 수평변위조서, 지진예고, 지질구조해석 및 파악, 지구물리학분야, 댐. 교량등의 각종시설물의 변위계측 및 작업중의 시공상태점검등에도 이용된다.

④. GPS+T/S(Total Station)-GPS 수신장애가 심한 도심지역에 토탈스테이션과 결합하여 정확한 측지값을 획득할수 있다.

⑤. GPS+INS(Inertial Navigation System)-장애물에 의한 GPS 신호단절로 위치결정이 어려운 경우 GPS와 관성항법체계(INS)를 결합하여 정확한 위치를 결정할수 있다.

2). 교통분야

(1). 차량분야

①. CNS(Car Navigation System=차량주행체계)-GPS 수신기를 차량에 장착하여 GPS 위치, 시간정보를 받아 진행차량의 현위치결정, 진행방향, 목적지검색, 차량의 최적경로 및 각종편의정보를 제공하여 편안한 자동차 운전환경을 제공하는 최첨단 시스템.

--.CNS의 특징--

ㄱ. GPS에서 획득한 위치정보와 시간정보를 이용하면 차량의 속도를 분석할수 있으므로 간접적으로 도로의 상태분석 및 교통량조사에 활용할수 있다.

ㄴ. GPS의 위치정보를 이용하여 차량의 위치를 파악할수 있고 차량의 위치정보를 저장하여 차량의 주행경로를 파악 가능.

②. 교통정보시스템

ㄱ. GIS-T(교통부문지리정보체계)-DM상의 GIS중 각종 교통관련 속성정보를 위상구조화하여 입력하므로서 교통정책수립 및 의사결정지원시스템을 구축하는 것.

ㄴ. ITS(Intelligent Transport System=인공지능교통정보체계)--ITS는 교통체계의 효율성과 안전성을 제고하기 위하여 도로.차량. 신호시스템등 기존교통시스템 구성요소에 GPS. 전자. 컴퓨터. 통신. 제어등의 지능형 첨단기술을 접목시켜 각 구성요소들이 상호 유기적으로 작용하게 하는 차세대 교통체계.

3). GSIS D/B 구축-관측대상(정적+동적)에 대하여 GPS 관측과 각종 탐측기(senser, CCD, video등)와 결합하여 지형공간정보를 취득하고 자료기반(D/B)을 구축함.

4). 우주분야-GPS 위성을 이용하여 다른위성들의 위치확인 및 운항에 이용

5). 군사분야-자동추적장치를 탑재한 미사일, 전투기등 각종 군사장비의 항법장치 및 원격조정, 무인 자동화분야에 활용

6). 레져, 스포츠분야-개인용 수신기로 산. 바다. 차 등에서 위치확인 및 등산. 탐사. 여행등에 활용

7). GPS-VLBI

①. VLBI 관측점에서 GPS 위성을 관측하여 GPS 궤도요소의 정확도를 높이는 방법.

②. 준성을 관측하여 정확한 위치상태가 결정된 VLBI 관측점등을 포함하는 관측망을 만들고 GPS 위성을 관측하여 VLBI점에 대한 위성의 위치를 계산하면 궤도결정의 정확도를 정도 까지 높일수 있다.

③. 수백km 이상의 거리에 대해 수cm 정도의 정확도를 얻을수 있다.

④. 수신전파가 강력하므로 소형의 지상관측장비에 의해 세계적, 국가적인 측지측량망 설정이나 국지적 지각변동도 검사가 가능.

8). 에어본 GPS(Airbone GPS=GPS 항공사진측량)

①. 항공사진측량기에 GPS 수신기를 장착하여 사진 촬영과 동시에 사진기의 노출위치(사진의 외부표정요소)를 직접 구하는 기법

②. 항공삼각측량에 필요한 지상기준점수를 줄일수 있어 지형도 제작에 소요되는 시간과 비용을 절감할수 있다.

9). GPS-VAN

(1). 의의-이동차량에 GPS 수신기, 관성항법장치, 주행감지기, 수치사진기, 입체영상체계등을 장착하여 자동으로 시설물측량, 시설물유지관리, 지도제작등을 수행하는 체계.

(2). GPS-VAN의 장치구성과 원리

①. GPS 수신기-차량의 위치결정을 위해 차량에 이동국용 GPS 수신기를 설치하고, DGPS 활용 위한 지상 GPS 기준국이 필요.

②. 2대의 수치사진기-영상정합기법을 적용하여 실시간으로 대상물의 3차원 위치정보(도로의 기하정보등), 속성정보를 획득.

③. 관성항법장치,고도차계,휠탐측기-위성신호의 차단지역을 극복하고 방향각을 결정.

(3). GPS-VAN의 자료취득과 처리

①. 차량의 위치결정을 위한 GPS 기법

ㄱ. RTK 기법-OTF(On The Fly)기법에 의해 불명확상수를 결정하며, 수분이상 연속적으로 5개 이상의 위성관측이 필요.

ㄴ. DGPS 기법-관측시점에서 4개 이상의 위성을 관측하며, 신호차단지역에서는 관성항법장치. 휠탐측기. 고도차계등을 이용.

②. 입체영상의 처리-두 대의 수치사진기에 의해 취득된 영상을 수치사진측량의 영상정합처리기법을 적용하여 실시간으로 대상물의 3차원 위치정보를 획득한다.

(4). GPS-VAN의 특징

①. 작업시간단축, 작업인원 1명 가능.

②. GPS 수신기를 탑재한 이동차량이 주행하므로 현장내 관측점을 임의로 선정가능.

③. 자료의 유지관리가 편리하다.

④. 안테나 수평이 자동 유지되므로 요철이 심한 지반에서도 고정도의 자료획득가능.

(5). GPS-VAN의 활용

①. 도로정보체계 구축

②. 시설물 유지관리

③. 공사측량등 각종측량

④. 자동 지도제작 및 GSIS 자료취득

⑤. ITS구현에 특히 유용