::GPS의 정의
GPS(Global Positioning System) 우리말로  [범지구적 위치결정 체계]라고 한다. GPS는 [지구상의 어느 곳에서나 인공위성에서 보내오는 정보를 수신하여 정지 또는 이동하는 물체의 위치를 측정할 수 있는 전천후 위치측정시스템이다.
 
 
::GPS의 역사
GPS의 개발에 앞서 1959년 미해군에서 Transit계획에 의하여 NNSS(U.S. Navy Navigation SatelliteSystem, 미 해군항법위성체계)가 시작되었다. 이는 1961년 Transit 인공위성이 발사되고, 이어서 여러 개의 시험위성이 발사됨으로써 1964년에 실용화되었으며, 1967년 일반에게 공개된 인공위성을 이용한선박항법시스템이었다.
NNSS는 인공위성에서 발신하는 전자파의 도플러 효과를 관측하여 위치를 측정하는 시스템으로서비교적 위치정확도가 낮아도 무관한 선박항법시스템으로 출발하였으나, 그 성능이 우수하여 시통이안되는 낙도의 위치결정이나 개발도상국의 지도작성에 필요한 기준점  측량 등에 까지 활용되었다.
그러나, NNSS는 위성이 관측자의 상공을 통과하는 시간에만 관측이 가능하고, 위치오차가 비교적 큰수 미터에서 수백 미터까지 발생하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 보완하고 저속의 선박 외에도 고속의 항공기나 미사일에 대하여도 위치를 측정할 수 있는 기술에 관한 연구개발이 1960년대 중반에 착수되었다. 이러한 부분적인 연구개발은 1973년에미해군의 TIMATION 프로그램과 미공군의 621B 프로젝트가 미국방성 프로젝트로 통합되면서 NAVSTAR(NAVigation Satellite Time And Ranging)로 명명됨으로써 본격적인 GPS계획이 추진되기시작하였다.
GPS의 위성은 1978년 2월부터 시험위성인 Block-I 위성이 발사되었으며, 1989년 2월부터 실용위성인 Block-II 위성이 발사되기 시작하였다. 현재는 총 24개의 위성이 가동되고 있으며, 전세계적으로 항상4개이상의 위성으로부터 전파를 수신함으로써 시간제약없이 3차원적인 위치측정이 가능하도록 되어있다.
 
 
::GPS의 체계
GPS(Global Positioning System) 우리말로  [범지구적 위치결정 체계]라고 한다. GPS는 [지구상의 어느 곳에서나 인공위성에서 보내오는 정보를 수신하여 정지 또는 이동하는 물체의 위치를 측정할 수 있는 전천후 위치측정시스템이다.
● GPS 위성
GPS 위성군은 6개의 궤도에 실용위성 21개와 궤도상의 예비위성 3개 등 총 24개로 구성되어 있다.위성궤도의 반경은 약 20,183 Km의 원이고, 궤도 경사각은 적도를 기준으로 55°이며, 승교점 적경간격이 60°로 6개의 궤도면에 4개씩의 위성이 배치된다. 실용위성의 공전주기는 0.5일, 개별 수명은7.5년으로 계획되어 있다. 각 위성은 세슘 원자시계 2대, 루비듐 원자시계 2대가 탑재되어 있으며,무게는 약 845kg이다.
● 지상제어국
지상제어국에서 수행하는 업무는 위성에서 송신되는 신호의 품질 점검, 위성궤도의 추적, 위성에 탑재된 각종 기기의 동작상태 점검 및 그 밖의 각종제어 작업등이 있다. 지상 제어국은 아래 그림과같이 전세계적으로5개소가 있다. 4개의 무인제어국은 대부분 적도 부근에 등간격으로 배치되어 있으며,주제어국은 Colorado Springs에 있다. 주제어국은 다른 제어국과 달리 위성의 궤도를 수정할 뿐만 아니라 사용불능 위성을 예비위성으로 교체하는 업무를 담당하고 있다.
● 사용자
GPS를 사용하는 분야는 매우 다양하다. 사용자는 1개 이상의 수신기를 필수적으로 구비하고 있으며, 휴대형, 또는 사용자에 따라서는 컴퓨터 시스템과 관련소프트웨어를 보유하게 된다. 기기에 따라정밀도가 달라진다.
 
 
::GPS의 원리
GPS의 위치결정 원리를 간단하게 설명하면 추적된 궤도에 의해서 정확한 위치를 알고 있는 위성에서 발신하는 전파를 수신하여 위성에서 관측점까지의 전파 도달시간을 측정함으로써 공간적 위치를 구하는것이다. 따라서, 위성과의 거리를 결정하는 가장 중요한 요소는 시간이며, GPS 위성에는 지극히 안정도가 높은 원자시계를 탑재하고 있다. 위성에 탑재된 시계와 수신기의 시계가 정확히 일치한다면, 3개의위성과의 거리만으로도 3차원적인 위치를 결정할 수 있다.
그러나, 위성에 탑재된 원자시계는 매우 고가이므로 일반인이 사용하기에는 부적합하여 수신기에는저가의 비교적 정도가 낮은 시계를 사용하고 있다.이러한 문제를 해결하기 위하여 4개의 위성에서 전파를 수신하여 위성시각과 수신기 시각에서 발생하는미지의 시간차를 제거하게 된다.
해상과 같이 고도를 알고 있거나, 2차원적인 위치 결정을 위해서 적어도 3개의 위성에서 전파를 수신할 수 있어야 하며, 3차원적인 위치를 결정하기 위해서는 적어도 4개의 위성에서 전파를 수신할 수 있어야한다.
 
 
::GPS의 신호의구조
각 GPS위성에서 발신되는 신호는 2개의 반송파, 3개의 코드 및 위성 메시지 등이 있다. 반송파와 코드는 기준주파수라 불리는 10.23 MHz의 정배수의 주파수를 사용하고 있으며, 위성 메시지는 저주파인 50 Hz를 사용하고 있다. GPS위성에서 발신하는 반송파는 기준주파수의 154배인 1575.42 MHz(L1, 파장은 19cm)와 120배인 1,227.60 MHz(L2, 파장은 24.4cm)가 있다.
코드는 pseudo-random noise(PRN)코드인 C/A 코드, P코드 및 Y코드가 있다. C/A코드는 L1 반송파를 실리며, 주파수의 기준주파수의 0.1배인 1,023 MHz로서 1/1,000초(1ms)마다 반복된다. P코드는 L1, L2 두개의 반송파에 실리며, 주파수는 기준주파수의 10배인 102.3 MHz로서 267일의주기를 갖고 있다. Y코드는 P코드와 유사한 코드로서 P코드를 대신할 수 있으며, P코드의 공식은공개되어 있지만 Y코드의 공식은 공개되어 있지 않다.
위성 메시지는 위성의 위치와 상태를 담고 있으며, real-time의 위치결정에 사용된다. C/A코드는 일반에게 공개되어 자유롭게 사용할 수 있는 반면에, P코드는 군사용으로 정부간의 협정에의해서 한정된 범위 안에서 사용이 허용되고 있다.
 
 
::GPS의 정확도
GPS에 의한 위치결정의 오차원인에는 위성의 원자시계의 안정도, 위성궤도의 예측 치의 정확도, 전리층의 전파지연, 대류권의 전파지연, 수신장치의 잡음, 수신장치의 Channel 수 등이 있다. 일반적으로 알려져 있는 정확도는 1대의 수신기로 측정되는 절대위치의 경우에 C/A코드 사용시 100m, P코드 사용시 10m 정도이다. 반면에 2대 이상의 수신기로 측정되는 상대 위치의 경우에는 수십 Km 이상의 거리에서 cm 단위의 오차가 발생되므로 10-6의 높은 정확도를 갖고 있다.
GPS를 이용한 위치결정에 있어서 정확도 향상을 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, L1 과 L2의 두개의 반송파를 동시에 수신하여 도플러 관측법을 이용함으로써 전리층과 대류층에 의한 영향을 제거시키고, VLBI(Very Long Baseline Interferometry)과 GPS를 결합함으로써 정확도를 향상시킬 수 있다. 이러한 연구는 지각변동, 지질구조 등을 연구하는 지구물리학 및 측지학 분야에서 많은 발전이 기대되고 있다.
 
 
::GPS 이용의 특징
1) 장 점
→ 전파의 수신에 의한 위치결정방식으로 관측자의 위치를 노출시키지 않는다.
→ 위성고도가 약20,000Km로서 넓은 지역(수백 km이내)에서도 관측이 가능하다.
→ 10-6의 높은 정확도를 얻을 수 있다.
→ real time으로 위치를 측정할 수 있으므로 고속운동체의 항법장치에 유용하다.
→ 관측점 간의 시통이 필요치 않으므로 안개와 같은 기상장애를 받지 않는다.
→ 수신기에 의한 위성전파의 수신이 관측의 대부분이므로 고도의 숙련된 관측기술이 필요치 않다.
→ 시간과 장소의 구애 없이 위도, 경도, 고도의 3차원 위치결정이 가능하다.
→ 운동체의 절대방위 및 절대속도의 계측이 가능하다.
→ 정확한 시각을 계측할 수 있다.
2) 주의사항
→ 3개이상의 위성으로부터 전파를 수신할 수 있도록 관측점의 수평방향 15°이내에 존재하는 장애물이 제거되어야 된다.
→ 관측점 주변에 관측에 방해되는 반사 전파를 제거하여야 한다.
→ 위성에서 발신되는 전파를 이용하므로 전리층과 대류권에 의한 전파굴절영향을 보정해야 한다.
 
 
::GPS의 이용분야
과학기술이나 산업활동에서 물론 일상적인 생활 속에서도 자신의 위치나 대상물의 위치를 알아야 하는경우가 매우 빈번하게 발생한다. 따라서, GPS의 이용분야는 위치 파악이 필요한 분야는 전부 해당된다. 이러한 분야 중에서 가장 많이 이용되는 분야를 열거하면 다음과 같다.

→ 유적조사 : 유적의 위치측정
→ 항법장치 : 선박, 자동차, 항공기, 인공위성 등
→ 측지분야 : 기준점 측량, 중력측량, 항공사진측량, 노선측량, 수심측량 등
→ GIS분야 : 답사, 주제도 제작, 주요지물의 위치점 측정
→ 해양분야 : 정기노선항해, 시추공 위치결정, 해상중력측량, 해상탐색 및 구조 등
→ 지구물리학 : 지각변동관측, 지질구조해석 등
→ 군사분야 : 각종 장비의 항법장치, 목표물 위치결정, 사전답사, 지휘 및 통신 등
→ 레져분야 : 등산, 여행, 탐사 등
 

여기선, "네비家 몽이아빠"
navikorea@gmail.com