GNSS

왜 배우는가: GNSS는 항법, 측량, 지리정보 구축 등 위치 정보가 필요한 분야의 기반 기술이다. 지적측량에서 측량 방식과 오차 보정 체계를 설명하는 문제의 출발점이므로 시험에서 여러 차례 다뤄지는 기본 개념이다.

출제 이력: 제129회 2교시 5번, 제119회 1교시 3번, 제95회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전지구위성항법시스템(GNSS)은 인공위성 전파를 수신하여 위치·속도·시각을 결정하는 위성항법시스템의 총칭이다.

전지구위성항법시스템(GNSS)은 지구 궤도를 도는 항법위성의 전파를 이용해 지표 위 어디에서나 수신기의 3차원 위치와 시각을 구하는 체계를 통칭한다. 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, 유럽의 Galileo, 중국의 BeiDou는 전 지구를 대상으로 하는 대표 체계이고, 일본의 QZSS와 인도의 IRNSS는 특정 지역의 측위를 보강하거나 대상으로 하는 지역 체계이다. 체계마다 위성 배치와 신호 구조가 다르지만 측위의 원리와 용어는 공통이므로, 한 체계의 원리를 이해하면 나머지로 넓히기가 수월하다.

답안의 뼈대가 되는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 위성항법: 위성 신호와 수신기 사이의 거리를 측정하여 위치를 구하는 항법 방식이다.
• 측위: 수신기의 좌표와 시각을 결정하는 처리 과정 전체를 가리킨다.
• 의사거리: 신호의 도달 시간차에 빛의 속도를 곱해 얻는 거리로, 수신기 시계오차가 포함된 값이다.
• 항법위성: 궤도에서 측위 신호와 항법메시지를 송신하는 인공위성이다.
• 위성항법보정시스템(DGNSS): 기준국이 계산한 오차를 보정정보로 만들어 이용자에게 제공하는 체계이다.
• 무결성정보: 위성과 보정 체계의 동작 상태를 이용자에게 알려 주는 정보이다.

GNSS 측량에서 이 키워드들은 정확도와 직접 이어진다. 위성 신호는 대기와 궤도 오차를 거쳐 수신기에 도달하므로, 같은 위성을 쓰더라도 보정 방식에 따라 위치 정확도가 크게 달라진다.

2. 개념 풀이

GNSS는 항법위성이 송신한 신호가 수신기에 도달하는 시간을 재고, 그 시간에 빛의 속도를 곱해 거리를 여러 위성에 대해 구한 뒤 그 교점으로 수신기의 위치를 정하는 위성항법시스템이다. 정의의 핵심은 거리 측정에 있으며, 위성의 궤도 정보는 위성이 방송하는 항법메시지로 수신기에 전달된다.

원리는 삼각측량을 거리 측정으로 바꾼 것이다. 위성의 위치를 알고 위성에서 수신기까지의 거리를 알면, 그 거리를 반지름으로 하는 구면들의 교점이 수신기 위치가 된다. 그러나 수신기 시계는 위성의 원자시계만큼 정밀하지 않아 측정 거리에 시계오차가 섞인다. 위성 4개 이상의 신호가 있어야 3차원 위치와 수신기 시계오차를 함께 구할 수 있다. 미지수가 위치 3개와 시계오차 1개로 모두 4개이기 때문이다.

$ρ_i = R_i + c·δt_r$

$R_i = √((X_i−x)²+(Y_i−y)²+(Z_i−z)²)$

여기서 ρ_i는 i번째 위성의 의사거리(m), R_i는 위성과 수신기 사이의 기하학적 거리(m), (X_i, Y_i, Z_i)는 위성 좌표(m), (x, y, z)는 수신기 좌표(m)이다. c는 빛의 속도(m/s), δt_r은 수신기 시계오차(s)이다. 미지수 x, y, z, δt_r은 네 개이므로 식도 네 개 이상이 필요하다.

의사거리는 실제 기하학적 거리에 수신기 시계오차에 해당하는 거리가 더해진 값이다. 수신기가 직접 측정하는 값이 이 의사거리이므로, 시계오차를 함께 풀지 않으면 위치를 구할 수 없다.

전리층 지연은 신호가 전리층을 지나면서 속도가 느려져 거리가 실제보다 길게 측정되는 오차이다. 지연량이 신호 주파수에 따라 달라지므로 이중 주파수 수신기로 상당 부분 보정할 수 있다.

다중경로오차는 건물이나 지면에서 반사된 신호가 직접파와 섞여 수신되면서 생기는 오차이다. 주변 장애물이 많을수록 커지므로 측량에서는 관측 위치 선정이 중요하다.

정확도는 위성항법보정시스템 운영규정에서 95% 신뢰수준의 수평 위치정확도(2DRMS)로 정의한다. 이 정의는 측정값의 흩어짐만 뜻하는 정밀도와 구분해야 한다.

위성항법보정정보는 위치보정정보, 무결성정보 및 특별정보로 구성된다. 위치보정정보는 전리층 지연, 대기권 지연 및 위성궤도 오차의 보정값이고, 무결성정보는 위성과 보정 체계의 동작 상태이며, 특별정보는 재해경보 등 별도의 기능상태 정보이다. 세 정보가 함께 방송되어야 이용자가 보정값을 쓰는 동시에 신호의 신뢰 여부를 판단할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

GNSS는 미국 국방성이 군사 목적으로 개발한 GPS에서 출발하였다. 기후에 구애받지 않고 표준 좌표계에서 위치, 속도, 시각을 얻을 수 있다는 점이 핵심 가치였고, 이후 민간 이용이 확대되면서 항공, 해상, 측량 분야의 기반 기술이 되었다.

이후 러시아는 GLONASS를, 유럽연합은 Galileo를, 중국은 BeiDou를 구축하여 전 지구 체계가 여러 개로 늘었다. 그 결과 수신기는 여러 체계의 신호를 함께 받아 쓰는 다중 체계 수신 방식으로 발전하였다. 일본의 QZSS와 인도의 IRNSS는 지역 체계로서 전 지구 체계를 보강하거나 독자적 측위 능력을 목표로 한다.

GNSS 측위의 한계는 위성 신호 자체의 오차에서 생긴다. 신호는 전리층과 대기를 통과하면서 지연되고, 위성의 궤도 정보에도 오차가 있다. 단독 측위의 정확도는 일반적으로 1~10m 수준이다.