정장환(973064), 김태현(983061), 김맹진(983102)
1950년대 후반과 1960년대 초기에 걸쳐 미 해군은 위성에 기초한 두 종류의 측량 및 항해 체계를 마련하였다. 트랜짓(Transit)이라고 불리워진 시스템은 1964년부터 가동되기 시작하였고 1969년에 일반에게 공개되었다. 한편 티메이션(Timation)은 위성에 기초한 측량 및 항해 체계의 원형으로만 자리잡았을 뿐 실행에 옮겨지지 못하였다.
때를 같이하여 시스템 621B 라고 일컬어지는 계획을 미 공군에서 착수하였는데 1973년에 미 국방차관이 해군에서 계획했던 티메이션(Timation)과 시스템 621B를 통합할 것을 지시하였고 이것이 DNSS(Defense Navigation Satellite System)으로 명명되었으며. 후에 Navstar(Navigation System with Timing And Ranging) GPS로 발전되었다.
위성 항해 개념의 검증을 위한 1단계가 1970년대에 착수되었는데 최초로 위성이 제작되고 여러 실험이 행해졌다. 1977년 6월에 최초로 기능을 수행할 수 있는 Navstar 위성이 발사되었고 NTS-2(Navigation Technology Satellite 2)라고 불리워졌다.
NTS-2는 단지 7달 동안만 운영되었으나 위성에 기초한 항해 이론이 타당함을 입증하였고 1978년 2월 최초의 Block I 위성이 발사되었다. 1979년에 2 단계로 전체 규모의 설계와 검증이 행해졌는데 9개의 Block I 위성이 이후 6년 동안 추가로 발사되었다. 3 단계는 1985년 말에 2 세대의 Block II 위성이 제작되면서 시작하였다.
GPS 신호의 민간 수신은 1983년 소련에 의한 한국 항공기 KAL-007기의 격추 사건을 계기로 1984년 레이건 대통령이 공식 선언하였다.
2. GPS의 기본 원리
GPS 가 어떠한 원리로 작동되는가를 이해하는 것은 개념적으로 매우 단순하다. 근본적으로 GPS는 삼각측량의 원리를 사용하는데 전형적인 삼각측량에서는 알려지지 않은 지점의 위치가 그 점을 제외한 두 각의 크기와 그 사이 변의 길이를 측정함으로 결정되는데 반해 GPS에서는 알고 싶은 점을 사이에 두고 있는 두 변의 길이를 측정함으로 미지의 점의 위치를 결정한다는 것이 고전적인 삼각측량과의 차이점이라 할 수 있겠다.
인공위성으로부터 수신기까지의 거리는 각 위성에서 발생시키는 부호 신호의 발생 시점과 수신 시점의 시간 차이를 측정한 다음 여기에 빛의 속도를 곱하여 계산한다.
거리 = 빛의 속도 * 경과시간
실제로 위성의 위치를 기준으로 수신기의 위치를 결정하기 위해서는 이 거리 자료 이외에도 위성의 정확한 위치를 알아야 하는데 이 위성의 위치를 계산하는데는 GPS 위성으로부터 전송되는 궤도력을 사용한다
3. GPS의 신호
각 위성은 두 가지의 다른 주파수의 신호를 동시에 발생시키는데 L1 반송파라고 알려진 1.57542 GHz 주파수와 L2 반송파라고 불리워지는 1.2276 GHz 주파수의 신호로 구성되어있다. 이러한 반송파에 중첩되는 정보는 PRN (Pseudo-Random Noise) 부호와 항법 메시지(Navigation Message)로 이루어진다. PRN 부호는 각 위성마다 유일하도록 서로 다르며 이진 부호로 구성되는데 매우 길고 복잡하기 때문에 신호 자체만 보았을 때는 의미를 파악할 수 없다. 사실상 PRN 부호는 어떠한 정보를 담고 있는 것이 아니라 이름에서 알 수 있듯이(Random Noise) 어떠한 규칙에 의해 만들어지는 불규칙한 이진 수열로써 위성까지를 거리를 측정하는데 사용된다.
이 PRN 부호는 다시 두 종류의 부호로 나누어 지는데 Coasrse Acquisition 이라고 불리는 C/A 부호는 민간 신호라고도 하며 특별히 허락 받지 않은 개인이나 단체도 이용할 수 있으나 P 부호(Precise code) 는 신호의 암호화가 이루어지므로 이용을 위해서는 허가가 필요하다
4. GPS의 3가지 영역
1. 우주 부문(Space Segment)
GPS 우주 부문은 모두 24개의 위성으로 구성되는데 이 중 21개가 항법에 사용되며 3개의 위성은 예비용으로 배치된다. 모든 위성은 고도 20,200 km 상공에서 12시간을 주기로 지구 주위를 돌고 있으며 궤도면은 지구의 적도면과 55의 각도를 이루고 있다. 모두 6개의 궤도는 60도씩 떨어져 있고 한 궤도면에는 4개의 위성이 위치한다. 이와 같이 GPS 위성을 지구 궤도상에 배치하는 것은 지구상 어느 지점에서나 동시에 5개에서 최대 8개까지 위성을 볼 수 있게 하기 위함이다.
현재의 GPS 위성들은 미국의 Rockwell 사에서 제작되고 있으며 가격은 위성 한 대 당 약 4천만 달러이다. 한편 위성을 궤도에 진입시키는데 드는 발사비용은 위성 한 대 가격의 약 1/4인 1천만 달러로써 지금까지 GPS 체계를 유지하는데 미국방성에서 투자한 금액은 100억 달러 이상이다. 각 위성의 무게 900kg 정도로 태양 전지판을 완전히 펼쳤을 경우 폭이 약 5m로 아래의 사진에서 SV3 의 모습을 볼 수 있다.
GPS 위성의 궤도 배치
2. 관제 부문(Control Segment)
GPS의 관제는 하나의 주 관제국(MCS: Master Control Station)과 무인으로 운영되는 다섯 개의 부 관제국(Monitor Station)으로 구성된다. 주 관제국은 미국 콜로라도 스프링의 팰콘 공군기지에 위치해있고 부 관제국들은 전세계에 나뉘어져 배치되어있다. 한편 이들 관제국 이외에 적도면을 따라 일정한 간격으로 위치하고 있는 3개의 지상 안테나를 운영하고 있으며 유사시 주 관제국을 대신할 수 있는 두개의 예비 주 관제국을 하나는 캘리포니아의 써니베일, 다른 하나는 메릴랜드의 락빌에 두고 있다.
무인으로 운영되는 부 관제국들은 주어진 시간에 관측할 수 있는 모든 GPS 위성의 신호를 추적, 신호를 저장한 다음 주 관제국으로 전송하게 되는데 이 통신 시설을 DSCS(Defense Satellite Communication System)이라고 부른다. 이렇게 여러 부 관제국에서 보내온 자료를 주 관제국에서는 방송궤도력(Broadcast Ephemerides)과 위성에 있는 원자시계 오차(Clock-bias)를 추정하는데 사용하며 결과를 주기적으로 GPS 위성으로 전송하게 된다.
3. 사용자 부문(User Segment)
GPS의 사용자 부문은 GPS 수신기와 사용자 단체로 이루어진다. GPS 수신기는 위성으로부터 수신받은 신호를 처리하여 수신기의 위치와 속도, 시간을 계산하는데 4개 이상 위성의 동시관측을 필요로 한다. 이것은 3차원 좌표와 시간이 합쳐져 4개의 미지수를 결정해야 하기 때문이다. GPS 수신기는 현재 항해와, 위치 측량, 시간보정 등 다양한 분야에 이용되고 있다.
GPS를 이용한 항법
5. GPS 측량
측지분야에 종사하는 사람들은 수년 전부터 GPS를 이용하여 극히 정밀한 측정을 해오고 있었다. 이것은 한 점의 위치를 mm까지의 정밀도로 상대 측지하는 것으로 간섭계(Interferometry)의 원리를 GPS에 적용하므로 가능하다. DGPS에서처럼 여러 수신기를 사용하는데 일반 사용자들이 이용하는 것과는 다른 매우 고가의 수신장비를 이용하여 장시간 동안의 측량을 통해서 이루어질 수 있다. 측지가들이 이용하는 이러한 기술들은 일반사용자들이 구현하기에는 다소 너무 전문적이었지만 현재는 보통 GPS 수신기에도 이러한 기술들이 서서히 적용되고 있다.
반송파의 경우 수신된 파가 언제 위성으로부터 출발하였는지 알 수 없으므로 2개 이상의 측량용 수신기로 GPS 위성이 방송하는 C/A 코드 및 L1, L2 전파의 위상(Carrier Phase)을 관측하여, 상대 측위를 행함으로서 관측점 간의 기선 벡터를 구할 수 있게 된다.
1. 상대 측위
GPS 위상관측식을 이용하여 GPS 수신기로 수신된 반송파 위상의 개수를 기록한 자료로 측량계산을 실시한다. 측량개시시 위성과 GPS수신기 사이에 존재했던 반송파의 정현파수, 즉 위상수를 모호정수치(Integer Number)라고 부르는데, 이를 알면 상대 측위에 의하여 두 점 간의 기선 벡터의 계산이 가능하게 된다. 문제는 반송파는 모든 파장의 파형이 고르기 때문에 파장의 갯수를 세기가 까다롭다는 것인데 따라서 GPS 측량계산의 기본은 모호정수치를 빨리 또는 적은 량의 데이타로 구하느냐 하는데 있다. 모호정수치를 구하기 위한 상대측위 방법에는 Single Difference, Double Difference, Triple Difference 가 있다.
GPS 위상관측식은 다음과 같이 표현된다.
위상관측치 = (수신된 위상관측치 - 발신된 위상치)
- (수신기 시계의 지연오차량 - 위성 시계의 지연오차량)
+ (전리층의 전파지연량 - 대류권 전파지연량)
+ (최초 위상관측시 위성과 수신기간의 파장수)
+ (불규칙 오차항)
Single difference는 1위성/2수신기 간의 위상관측식을 계산함으로서 위성시계의 오차항을 제거하거나, 또는 2위성/1수신기간의 위상관측식을 계산함으로서 수신기 시계의 오차항을 제거한다. GPS 위성의 고도에 비해 두 수신기 사이의 거리가 짧다면 궤도 오차와 대기권 지연오차를 줄일 수 있다.
Double difference는 2개 이상의 single difference를 계산하여 수신기 및 위성시계의 오차항을 모두 제거하고, 미지항은 모호정수항 만을 남기게 된다. 따라서 4개의 위성에 대한 관측식으로 3개의 double difference를 이용하여 측량 계산을 실시한다.
Triple difference는 double difference를 연속된 시간에 따라 빼주는 것으로 정보의 내용이 빈약해서 double difference를 이용하는 것보다 덜 정확하다. 관측도중 발생하는 사이클 슬립(Cycle Slip)을 보정하는데 이용한다. 사이클 슬립은 관측도중 나무와 같은 장애물을 통과하거나, 전리층의 활발한 활동 또는 전파가 많이 발사되는 지역에서 전자파 장애로 인하여 생긴다.
2. 측량방법
[ 후처리 상대측위 기법 ]
한 대의 GPS 수신기를 이용하여 위치측정을 수행할 경우, 위치 결정 정밀도는 수신기의 능력에 의해 좌우된다. GPS 신호의 부호체계중 C/A코드를 이용하여 수신자의 위치를 결정하는 저가의 상용 수신기는 그 정밀도가 수십 미터에서 수백미터에 이르며, 암호화된 P코드를 사용하는 수신기의 경우에도 1m 이하의 정밀도를 갖기가 어렵다. 측지 및 측량, 지각 변동의 감시등과 같이 수 cm 이하의 고정밀 위치결정이 요구되는 분야에서는 단독측위에 따른 GPS의 위치결정 한계를 극복하기 위하여 후처리 상대측위 기법을 이용한다. 이 기법은 단독측위와는 달리 정밀한 위치를 알고 있는 지점과 위치측정이 요구되는 지점에서 동시에 GPS 관측을 수행하고, 두 수신기에 수신된 고주파 확산 스펙트럼 형식인 반송파를 이용한 자료처리로 정밀도를 현저하게 증가시키는 방법이다.
후처리 상대측위 기법
두 지점에서 동시에 관측된 GPS 위성의 반송파 자료는 관측종료 후 반송파를 이용한 상대측위 결정 능력을 갖는 프로그램에 의해 계산되어져야 하며, 이때 기준점의 위치오차가 결정하고자 하는 지점의 위치에 영향을 미치게 된다. 따라서 IGS 관측소와 같은 매우 정밀한 기준점이 요구된다. 또한 정밀 위치결정에 있어서 GPS 위성의 정확한 궤도정보도 필수적이므로, IGS에서 제공하는 고정밀 궤도력도 요구된다.
반송파를 이용한 후처리 상대측위 기법은 정밀도를 향상시키기 위하여 자료처리와 관련하여 발생할 수 있는 여러 오차원인을 제거할 수 있는 능력을 갖추어야 하며, 이 때 필요한 각종 환경변수들의 적절한 모델을 갖고 있는 고정밀 자료처리 프로그램이 필요하다
일반적으로 상용화된 고정밀 GPS 자료처리 프로그램은 기선거리에 대하여 백만분의 일(1ppm: 1 part per million) 또는 천만분의 일 정도의 정밀도를 가지며, 스위스 베른대학의 천문 연구소에서 개발한 Bernese GPS S/W와 같은 연구용 프로그램의 경우, 두 수신기간의 직선거리에 대해 1억분의 2(20 ppb: part per billion)의 정밀도로 위치를 측정할 수 있는 능력을 갖고 있다.
[ 실시각 이동측위(RTK) 기법 ]
GPS의 신호체계상 반송파에 의한 위치결정 방법이 코드에 의한 위치결정보다 정밀도면에서 큰 이득을 주지만, 반송파에 의한 단독측위 역시 후처리 상대측위 기법보다는 정밀도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 광범위한 관측점의 정밀 좌표들을 빠른 시간내에 획득하기 위해서는 이동측량을 수행하는 동시에 후처리 자료처리 기법이 갖는 정밀도에 근접한 결과를 산출할 수 있는 방법이 요구된다.
이러한 목적을 위해 개발된 것이 고정밀 이동측량 기법인 RTK (Real Time Kinematic)로서, 기본개념은 정밀한 위치를 확보한 기준점의 반송파 오차 보정치를 이용하여 사용자가 실시간으로 수 cm의 정밀도를 유지하는 관측치를 얻을 수 있게 하는 것이다. RTK의 기본개념은 오차보정을 위해 기준국에서 전송되는 데이터가 반송파 수신자료라는 것을 제외하고는 DGPS의 개념과 거의 유사하다. 다만 RTK가 각 위성에 대한 반송파 측정치를 지속적으로 제공하여야 하고, 정보의 전송장애로 발생할 수 있는 오차의 한계가 DGPS보다 상대적으로 크기 때문에 보다 안정적이고도 신속한 정보전달 통신 시스템이 요구된다. 현재 GPS를 응용하는 여러 분야에서 DGPS와 RTK가 주로 사용되고 있으며, GIS나 측량, 항법등 모든 응용분야가 RTK 기법의 사용에 초점을 맞추어 실용화되고 있다.
실시각 이동측위 기법
GPS에 의해 제공되는 측량과 항법의 정밀도는 사용하는 신호와 자료 처리 방법에 따라 천차만별이다. 정밀도가 낮은 단독측위 방법은 주로 항법에 쓰이며, DGPS, 후처리 상대측위 기법 그리고 실시각 이동측위(RTK) 기법은 정밀도가 높아 측량에 이용된다.
1. 단독 측위
GPS 수신기 1대를 사용해서 위치를 측정하는 단독측위 방법은 코드를 이용하며 C/A 코드와 P 코드 중 어느 것을 사용하느냐에 따라 다음과 같이 두 가지로 나누어 생각할 수 있으며 가장 낮은 정밀도를 보인다.
Standard Positioning System(SPS)
민간 이용자들은 SPS를 무료로 제한없이 수신받을 수 있다. 대부분의 수신기는 SPS 신호를 받을 수 있도록 되어있으며 SPS의 정밀도는 미 국방성의 정책에 의해 고의적으로 제한된다. SPS의 예상되는 정밀도는 다음과 같다.
수평 100 m
수직 156 m
시간 167 nanosecond
이 수치들은 95% 정밀도 내의 오차를 말하는 것이다.
Precise Positioning System(PPS)
암호 해독 장치를 갖춘 허가된 사용자만이 특별히 고안된 수신기를 이용하여 PPS를 수신할 수 있다. 미군과 연합군, 일부 미국 정부 기관, 기타 미 정부로부터 선택된 민간 사용자들이 대상이 되며 PPS를 사용할 경우 정밀도는
수평 17.8 m
수직 27.7 m
시간 100 nanosecond
이다.
2. GPS 측위기법의 정밀도 비교
단독측위와 DGPS에 비해서 후처리 상대측위나 실시각 이동측위(RTK) 방법은 훨씬 높은 정밀도를 보여준다. 상대측위의 방법은 실시각 감시가 불가능한 반면에 1년 이상의 장기적인 측정을 할 경우 수 mm의 정밀도로 측정할 수 있다. 실시각 이동측위의 경우에는 실시각으로 1cm - 2cm의 정밀도로 측정이 가능하다.
6. 오차 원인과 크기
GPS 위치측정의 정확성을 떨어뜨리는 요소들은 크게 3부분으로 나눌 수 있다. 첫째 구조적 요인으로 생기는 오차로는 인공위성 시간 오차, 인공위성 위치 오차, 전리층과 대류층의 굴절, 잡음(Noise), 다중 경로(Multipath)등이 있다. 두번째로는 위성의 배치상황에 따른 기하학적 오차가 있으며 마지막으로 가장 큰 오차 원인인 SA (Selective Availability) 가 있다. 이 요소들이 모두 잠재적으로 합쳐져서 매우 큰 오차 결과를 낳는데 이것을 UERE(User Equivalent Range Error)라고 한다. 각 오차들은 시간과 장소에 따라서 매우 크게 변한다. 다음은 각 오차들의 크기를 나타낸 것이다.
인공위성 시간 오차 0-1.5 m
인공위성 위치 오차 1- 5 m
전리층의 굴절 0-30 m
대류층의 굴절 0-30 m
수신기 잡음 0-10 m
다중 경로(Multipath) 0-1 m
SA(Selective Availability) 0-70 m
C/A 코드 경우 모든 오차가 합쳐진 수평 오차는 SA가 작동하지 않는 경우는 28m 이고 작동하는 경우에는 100m 이다.
1. 구조적 오차
[ 위치 오차와 시간 오차 ]
시간 오차와 위치 오차는 미 공군에서 계속 감시하고 오차를 매 시간마다 보정해주기 때문에 다른 오차들에 비해 상대적으로 적은 편이다. 그러나 인공위성이 본 궤도에서 약간이라도 이탈하는 경우가 생긴다면 그리고 오차 보정이 되지 않은 자료를 사용했다면 큰 오차를 가질 수도 있다.
[ 전리층과 대류층의 굴절 ]
우주 공간에서 라디오 파의 속도는 빛의 속도인 300,000 km/s 이다. 그러나 인공위성에서 오는 신호는 약 300 km 정도의 지구 대기를 통과해야만 한다. 전리층은 전기적으로 하전된 입자를 가지고 있는 층으로 약 50-200 km 사이에 위치하고 대류층은 우리가 일반적으로 대기라고 생각하는 층으로 8-16 km 고도에 위치하고 있다. 이 층들은 라디오파를 밑으로 잡아 끌어서 굴절시키는데 약간의 굴절도 상당한 영향을 줄 수 있고 더구나 각 층의 굴절률이 다르기 때문에 양상은 더욱 복잡해진다.
전리층에서는 하전된 입자들이 들어오는 신호를 끌어당겨서 굴절시키고 대류층에서는 다른 비율로 물방울들이 같은 역할을 한다. 이러한 문제들은 인공위성이 지평선으로 고도가 낮아질 때 더욱 심해진다. 왜냐하면 인공위성에서 오는 신호는 더 두꺼운 대기층을 통과해서 들어와야 하기 때문이다.
이 문제를 해결하는데는 여러가지 방법이 있다. 첫째로 인공위성의 항법 메세지는 대기 굴절 모델을 포함하고 있어서 50-70% 의 오차를 해결할 수 있다. 더 효과적인 두번째 방법은 dual-frequency 수신기를 사용해서 동시에 L1 과 L2 반송파에 신호를 모으는 것이다. 굴절의 크기는 진동수에 반비례함으로 같은 대기를 같은 시간에 통과한 두 다른 진동수를 이용하면 굴절의 크기를 더 쉽게 계산할 수 있다. 그러나 이 방법은 대류층의 굴절률이 진동수에 무관함으로 전리층에만 적용될 수 있다. 그러나 dual-frequency 수신기는 너무 비싸다는 단점이 있다.
수신기 하나만으로 더 적은 비용을 가지고 할 수 있는 방법이 있다. 대부분 수신기는 사용자 입력으로 수평선 위로 어느 각도 밑에 있는 인공위성으로부터 오는 신호는 무시하도록 되어있다. 이 각도를 "Mask Angle" 이라고 한다. 이것의 단점은 mask angle이 너무 높게 입력된 경우에는 최소 필요한 4개의 위성에 미달될 수도 있다. 대부분 mask angle 은 15-20도 정도로 유지되게 설정되어 있다.
[ 잡음(Noise) ]
매우 약한 신호와 간섭을 일으켜서 수신기 자체에서 발생한다. 잡음은 각 신호기마다 다르지만 대부분 수신기는 잡음을 최소화하기 위한 내부 필터링 장치를 가지고 있다. PRN 코드 잡음과 수신기 잡음이 합쳐져서 전체 잡음이 된다.
[ 다중 경로(Multi-Path) 오차 ]
Multi-Path 신호는 인공위성에서 바로 오는 신호가 아니 반사되어 들어오는 신호를 받아들이는 것이다. 반사된 신호는 더 길어진 경로를 통해 인공위성에 들어옴으로 결과적으로 틀린 위치를 측정하게 된다. 그리고 신호의 세기도 약해짐으로 대부분 수신기는 신호의 세기를 비교해서 약한 신호를 제거함으로써 오차를 줄인다.
2. 기하학적 오차
측위 시 이용되는 위성들의 배치상황에 따라 오차가 증가하게 되는데, 이는 육상에서 독도법으로 위치를 낼 때 적당한 간격의 물표를 선택하여 독도법을 실시하면 오차삼각형이 적어져 서 위치가 정확해지고, 몰려있는 물표를 이용하는 경우 오차삼각형이 커져서 위치가 부정확해지는 것과 마찬가지로 수신기 주위로 위성이 적당히 고르게 배치되어 있는 경우에 위치의 오차가 작아진다. 보이는 위성의 배치의 고른 정도를 DOP(Dilution of Precision) 이라고 한다. DOP의 값은 2보다 적은 경우는 매우 우수한 경우이고 2-3 값을 가지면 우수 4-5 값을 가지면 보통이고 6 이상이 되는 경우의 자료는 효용가치가 없다.
DOP의 종류는 여러가지가 있지만 가장 많이 사용되는 것은 PDOP(Positional DOP)라고 한다. GPS 수신기는 관측된 데이터를 이용하여 PDOP를 계산하고, 이를 거리오차에 곱하면 측위 오차가 된다.
즉, (거리오차;Range Error) x (PDOP) = (측위오차)가 된다.
따라서 대부분의 수신기는 PDOP가 작은 위성의 조합을 선택하여 측위 계산을 하고 이를 표시하도록 설계되어 있다. 최근 수신기의 성능이 좋아서 PDOP가 3인 경우 위치오차는 대략 15m CEP (Circular Error Probability), 즉, 50% 오차확률의 범위에서 평면으로 약15m정도이다.
3. SA(Selective Availability)
SA는 오차요소중 가장 큰 오차의 원인이다. 허가되지 않은 일반 사용자들이 일정한도 내로 정확성을 얻지 못하게 하기 위해 고의적으로 인공위성의 시간에다 오차를 집어 넣어서 95% 확률로 최대 100m 까지 오차가 나게 만든 것을 말한다.
걸프전 때 많은 수의 민간 수신기들이 군에서 사용되어졌을 때 전쟁이 끝날 때까지만 미 국방부는 SA의 작동을 중지했었다. 1996년 3월 29일 클린턴 대통령은 4년이내에 SA 의 작동은 영원히 중지될것이라고 발표했었다. 그 시기는 아직 언제가 될지 정확히 말할 수 없지만 GPS 사업 종사자들은 조만간 그 말이 실현될 거라고 믿고 있다.
" 미백악관, 초정밀 GPS 자료 해제 "
- SA 해제 -
미국은 5월 1일 백악관 대변인을 통해 2000년 5월 1일 자정(이하 미국 동부시각)부터 위성항법시스템인 GPS(Global Positioning System)에 대해 일명 SA(Selective Availability)라고 불리는 의도적 정밀도 저하조치를 해제한다고 밝혔다. 군사적 목적으로 GPS를 개발한 미국은 안보차원에서 적대국의 GPS 오용을 막기 위해 민간용 코드에 인위적으로 오차를 첨가하는 방식으로 1990년 3월 25일부터 SA를 실시하여 왔으며, 이로 인해 GPS의 민간 및 상업용 이용에 많은 제약이 뒤따랐다. SA 실시에 의해 GPS의 표준위치결정 정밀도는 25 미터에서 100 미터로 저하되어 왔다. 그 동안 민간 사용자들은 SA를 극복하기 위해 DGPS(Differential GPS)라는 기술을 사용하여 왔다.
그러나, 1990년대 중반부터 전세계적으로 폭발적인 증가를 보인 GPS의 민간수요에 의해 SA 해제에 대한 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다. 1996년 3월 백악관에서는 이와 같은 민간의 요구를 반영하여 향후 10년 내에 SA를 해제하겠다는 의지를 표명한 바 있고, 작년에는 GPS의 민간 수요를 확대하는 차원에서 GPS에 새로운 민간용 신호 2개를 추가하겠다고 엘 고어 부통령이 밝힌바 있다. 이번의 SA 해제 조치는 GPS의 전세계적 민간 수요의 확대를 통해 자국의 GPS 산업을 증대시키고자 하는 미국의 정책과, 유럽을 중심으로 계획되고 있는 새로운 위성항법시스템인 갈릴레오 프로젝트를 희석시키고자 하는 의도 및 SA를 해제하더라도 미국의 안보에 큰 영향을 미치지 않으리라는 판단 하에 이루어진 것으로 보인다.
이번의 SA가 해제 조치로 인해 언제 어디서나 10∼30 미터의 정밀도로 위치를 파악할 수 있게 됨에 따라 항공, 교통, 물류, 선박, 철도, 전자통신, 응급차량, 광산 등을 포함한 다양한 분야에 걸친 GPS 민간 이용자가 혜택을 받을 것으로 백악관은 예측하였다.
그러나 이번에 SA가 해제되더라도 수 미터의 고정밀도를 요하는 자동차 항법 및 GIS 분야에는 기존의 DGPS 기술이 여전히 필요할 것으로 보인다.
7. DGPS(Differential GPS)
C/A 코드 하나만 사용할 경우 10-30 meter 이상의 정밀도로 위치를 결정하는 것은 현실적으로 불가능한데 이것은 수신기가 결정하는 위성까지의 거리자료에 여러가지 오차 요인이 복합적으로 영향을 미치기 때문이다. 특히 미 국방성에서 고의로 민간 GPS 이용의 정밀도를 저하시키기 위한 SA (Selective Availability)가 시행 중일 때는 이보다 더욱 정밀도가 떨어지게 되는데 단독으로 작동되는 수신기가 자신이 계산하고 있는 위치 정보가 틀린지 맞는지를 판단 할 수 있는 방법이 없다. 만약 어떤 제 2의 장치가 수신기 근처에 존재하여 지금 현재 수신받는 자료가 얼마만큼 빗나간 양이라는 것을 수신기에게 알려줄 수 만 있다면 위치결정의 오차를 극소화시킬 수 있는데 바로 이 방법이 Differential GPS 또는 DGPS라고 불리는 기술이다.
1. DGPS 가 필요한 이유
GPS는 현재까지 개발된 전파에 기반을 둔 항법 체계 중 가장 정확한 정보를 제공한다. 현재 실제로 많은 응용분야에 있어서도 기본적인 GPS만으로 충분한 정밀도를 제공하기는 하지만 좀더 향상된 정확도를 가지는 체계를 마련하기 위해서 Differential GPS라는 방법이 고안되었다. DGPS 체계는 기본 GPS에 수반하는 여러 오차요인을 제거함으로써 움직이는 물체에 있어서는 수 m, 정지한 대상에 대해서는 1 m 이내의 위치 측정을 가능하게 만들어준다. 기본 GPS에 비해 괄목할만한 정밀도를 제공하는 DGPS는 GPS가 배나 비행기의 항법에만 사용될 수 있을 뿐만 아니라 자동차 및 정밀성이 요구되는 측지 등에까지 응용될 수 있는 길을 마련하였다.
2. 작동 원리
DGPS는 두 개의 GPS 수신기를 필요로 한다. 하나의 수신기는 정지해있고(Stationary) 다른 하나는 이동을(roving) 하면서 위치측정을 시행한다. 정지한 수신기가 바로 DGPS 개념의 핵심이 되는 것으로 이 정지된 수신기는 실제 위성을 이용한 측정값과 이미 정밀하게 결정된 실제 값과의 차이를 계산한다.
[ 오차의 발생 ] [ 동일한 오차 조건 ]
GPS 수신기는 4개 이상의 위성으로부터 시각정보를 담은 신호를 수신받아 위치측정에 이용한다. 신호가 위성에서 수신기까지 이르는 동안 거치는 여러 오차 요인으로 인하여 이 신호는 정확도가 떨어지게 되는데 각 위성의 신호가 이런 식으로 오차를 포함하고 있으므로 이들을 이용하여 계산한 위치 정보도 어쩔 수 없이 오차를 수반하기 마련이다.
8. GPS의 미래
아무도 정확히 GPS의 미래가 어떠할지는 알 수 없다. 10년 전 만해도 GPS가 현재와 같이 도약할 줄 아무도 예상 못했다. GPS의 미래가 어떻게 될지는 아무도 모르지만 추측해 볼 수는 있다. 몇 년 전 만해도 거의 모두 GPS 수신기는 미국에서 제조되었지만 현재 일본에서도 대량생산을 하고 있으며 그 시스템은 날마다 적어지고 가격도 저렴해지고 있다. 멀지 않아 다른 나라에서도 곧 생산이 가능하게 될 것이다.
차에 장착된 자동차 항법 시스템은 우리가 어디에 있고 어디로 가로 있으며 어떻게 우리가 가고자 하는 방향으로 가야하는지를 알려주고 있다. 멀지 않아 손목에 찰 수 있는 수신기도 곧 나올 전망이다. 가까운 미래에는 길을 잃는다는 자체가 시대착오적인 말로 받아들여질 것이다.
< 미국 >
2003년 까지 SA (Selective Availability)가 계속 작동된다면 GPS 장치는 미국에서만 1년에 100억 달러씩 팔릴거라고 예상된다. 만일 SA가 작동을 멈춘다면 140억 달러가 초과 될거라고 예상되며 그와 관련된 수많은 업종들이 생겨날 것이다.
현재 민간사용자와 군과의 가장 큰 갈등은 SA의 문제이다. 1995년에 National Research Council(NRC)는 SA는 조만간 작동이 멈춰야 되며 국가 위기 상황이 아닌 한 그 상태는 계속 유지되어야 한다고 보고 했었다. 그러나 군당국은 만일 이렇게 된다면 평화시에 비행기 같은 대중교통이 SA가 작동되지 않는 시스템에 의존하다가 국가 위기 상황이 도래해 다시 SA가 작동된다면 어떻게 대처할 것인가 우려를 표명하고 있다.
반면에 NRC는 군당국이 GPS 시스템의 성능을 향상이 아닌 떨어뜨리기 위해 수백만 달러씩 쓴다는 것은 불합리한 일이라고 반박했지만 군은 어떤 다른 시스템이 대체되지 않는 한 SA는 계속 유지될거라는 입장을 취하고 있다.
< 유럽 >
1995년에 전 세계적으로 GPS 수신기는 23억 달러(미국 9억 달러)가 팔렸다. 2005년쯤이면 그 수치는 310억 달러까지 상승할 것이며 대부분은 미국이 아닌 다른 곳에서 상당 부분의 수요가 요구될 것이다.
미국이 아닌 다른 곳에서도 주 관심사는 언제까지 SA 가 유지될 것인가 이다. 유럽 공동체 경우는 SA 때문에 자신들만의 GPS 시스템(European "EconoSat")을 세울것이라고 미국을 위협하고 있다. 그 시스템은 군사적 목적이 아니기 때문에 가격면에서 더 저렴하고 더 높은 정확성을 제공할 거라고 한다.