GPS(Global Positioning System) 원리

GPS의 정의

GPS는 글로벌 포지셔닝 시스템(Global Positioning System)의 약자로, 위치 정보를 결정하는 데 사용되는 전파 기반의 내비게이션 시스템입니다.

 

GPS 특징

• 지구 주위를 돌고 있는 GPS 위성 네트워크를 기반으로 동작
• 이 위성들은 지구를 궤도 하는 24개 이상의 인공위성으로 구성

https://ko.wikipedia.org/wiki/GPS

 

GPS의 위치 산출 과정

1. Triangulation(트라이앵글레이션)
   a. GPS 수신기는 현재 위치에서 가시적인 최소 4개의 GPS 위성신호 수신
   b. 수신기는 각 위성으로부터 신호를 받는 시간을 측정 -> 각 위성의 위치 정보를 사용하여 거리 계산
   
   
2. Time Synchronization(시간 싱크)
   a. GPS 수신기는 시계의 정확한 시간을 필요로 한다. GPS 위성에 있는 세슘이라는 물질은 십만년 동안 1초정도의 오차, 매우 정밀
   b. GPS 신호의 송신 시간과 비교하여 지속적으로 정확한 시간 동기화 수행
   
   
   
3. Position Calculation(위치 산출)
   a. GPS 수신기는 트라이앵글레이션을 통해 측정된 거리와 해당 위성들의 위치 정보를 기반으로 위치 산출
   
   
4. Error Correction(오차 보정)
   a. 대기 오차, 신호 속도 변화, 신호 반사 등에 오차 발생 시 추가 정보를 사용하여 오차 보정
   b. 보정 과정은 지속적으로 이루어지며, 실시간으로 위치 정확도를 향상

심화

1. 위성에 탑재된 매우 세슘 원자시계를 이용하여 정확한 시간을 표시한 PRN 코드가 발사
2. 수신기는 미리 예정된 위성 고유의 패턴을 이용하여, 위성-수신 신호 도달 시간 계산 가능

여기서 문제는 지상의 사용자가 갖고 있는 수신기에는 GPS 위성과 같이 고가의 원자시계 장착 불가능

 

GPS 수신기가 측정한 거리를 의사거리(Pesudorange)라고 한다.

GPS 수신기는 기준좌표계로 지구중심고정 좌표계(ECEF : Earth Centered Earth Fixed Coordinates)를 사용한다.

사용자에게는 위치 계산 결과를 다시 경도, 위도, 고도의 정보로 바꾸어 알려준다.

이 ECEF를 사용하면 위 식은 아래와 같이 표현된다.

 

빛의 속도 값은 알고 있고, GPS 위성의 위치좌표는 항법 메세지를 통해 GPS 수신기에 전달되므로, 우리가 결정해야할 미지수는
x, y, z, T 모두 4개 이다.

따라서 GPS 수신기로부터 3차원의 위치를 알기 위해서는 4개 이상의 GPS 위성이 관측되어야 한다.

 

 

참고
https://koreascience.kr/article/JAKO200030523057855.pdf

https://news.lgdisplay.com/2016/06/gps/

https://ko.wikipedia.org/wiki/GPS