Geographical Information System

GPS 의 기술동향 및 전망

자료출처 : 유니텔 GPS(Global Positioning System)는 미국 국방성에서 군사용으로 개발한 새로운 위성항법시스템으로 현재 24개의 GPS 위성을 이용한 항법서비스를 전세계적으로 무료로 제공하고 있다. GPS는 기존의 항법시스템에 비해 정확성이 높으며 사용이 간편하고 시간과 장소 그리고 기상상황과 관계없이 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한 GPS는 이동하는 사용자의 3차원 위치, 속도, 자세 그리고 시간에 대한 10가지 정보를 동시에 제공할 수 있는 기능을 가지고 있다. 더욱이 위치정보는 WGS84라는 기준좌표로 그리고 시간은 GPS 시간이라는 기준시간으로 통일되어 제공된다. 즉 사용자는 GPS 수신기만 있으면 자신의 시간과 공간에 대한 정보를 언제 어디서나 아주 손쉽게 얻을 수 있다. 이러한 시공간에 대한 정보는 기존의 정보통신에서 다루던 오디오, 비디오 와 같은 멀티미디어 정보에 새로운 형태의 정보를 추가하게 되어 지금까지 없었던 수없이 많은 새로운 응용분야를 탄생시키고 있다. GPS가 완전한 항법기능을 제공한다는 FOC(Full Operational Capability)가 1995년 4월 27일 발표되었지만 GPS는 이미 전세계적으로 다양한 응용분야 를 가지고 널리 사용되고 있다. 수신기 기술의 빠른 발달로 수신기 가격이 점점 낮아지고 있고 그에 따라 시장도 급격히 커지고 있다. 전세계적으로 2000년 경에는 116억불, 2005년 경에는 310억불 정도의 시장 이 형성되리라 예측되고 있다. GPS의 위성군 및 관제국은 미국에 의해 운영되므로 사용자들은 수신기를 개발하여 사용할 수 있다. 1995년 말에 조사된 바에 의하면 미국, 유럽, 일본의 53여 개의 기업에 의해 294여 종의 수신기 모델이 제작되어 판매 되고 있으며 수신기의 기능에 따라 150불에서 60,000불까지 다양한 가격대 를 형성하고 있다. GEC Plessy, Rockwell, SGS Thomson, SiRF 등에서는 GPS용 칩세트와 이를 이용한 수신기 개발툴을 제공하고 있다. 국내에서도 GPS 수신기용 RF 및 신호처리 칩의 개발이 현재 전자통신연구소와 한국GPS 엔지니어링 등에서 진행되고 있다. 향후 GPS는 휴대통신(PCS), PDA(Personal Data Assistance), 휴대형PC (Handheld PC) 등과 같은 소형 휴대형 정보통신장비와 같이 연계하여 사용 될 전망이므로 GPS 수신기의 소형화 경량화는 더욱 가속될 것이다. 이러한 Embedded 응용시스템을 개발할 경우 이미 만들어진 GPS 엔진보드를 이용 하는 것보다는 칩세트를 이용한 응용시스템의 개발이 시스템의 효용성과 경제성을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉 위성을 추적하여 동기를 맞춘 후 위성신호를 수신하여 최종적인 항법 및 시간정보를 계산하는데 필요한 모든 과정을 설계자가 직접 조작할 수 있기 때문에 수신기의 모든 동작 특성을 제어할 수 있어 다양한 GPS 응용 에 적합한 시스템을 보다 효과적으로 개발할 수 있다. 1. GPS의 정확도 및 신뢰성 향상 방법 GPS를 이용한 다양한 응용분야가 현재 존재하고 있다. 그러나 GPS를 보다 유용하게 사용하기 위하여 해결되어야할 문제들이 있다. 우선 GPS는 수동적인 시스템이다. 즉 GPS는 수신기를 가진 사용자만이 자신의 위치를 알 수 있으므로 사용자의 위치가 정보로서의 가치를 갖기 위해서는 통신수단 특히 이동통신수단을 통해 주위의 사용자들과 공유되 어야 한다. GPS 수신기의 출력은 공간상에서 사용자의 절대좌표이다. 그러나 많은 응용 분야에서는 절대좌표보다는 상대적인 위치정보가 중요하다. 지형지물과 여러 가지 지형정보가 있는 지도 위에서의 자신의 상대적인 위치가 보다 중요하므로 GPS와 함께 사용될 지도데이터가 준비되어야 한다. 현재 민간이 사용할 수 있는 GPS의 표준위치서비스(SPS)의 위치정확도는 수평면에서 95%의 정확도로 100m 정도이다. 그러나 이 정도의 정확도로는 다양한 응용분야에서 요구하는 위치정확도를 만족시킬 수 없다. 보다 정확한 위치정보를 얻기 위한 다양한 방법들이 개발되고 있다. DGPS(Differential GPS)는 이중 가장 널리 쓰이는 방법으로 현재 미국에서 는 상용 서비스가 제공되고 있다. DGPS에서는 위치가 알려진 기준국에서 현재 위성에서 보내오는 정보에 의한 의사거리 측정값에 있는 오차성분을 계산하여 이를 주변의 사용자에게 알려줌으로 해서 보다 향상된 위치 결정 을 가능하게 하는 시스템이다. DGPS의 보정정보는 RTCM SC-104라는 기준 포맷이 정의되어 있고 무선데이터 모뎀, RDS, TRS, 셀룰라 등의 무선통신망을 통하여 보정정보를 송신할 수 있다. GPS의 반송파위상을 이용해서도 C/A코드를 이용한 위치결정에 비해 더 나은 위치정확도를 얻을 수 있다. 그러나 이 방법은 기본적으로 상대거리 를 측정하는 방법이고 또한 반송파측정값에 필연적으로 존재하게 되는 반송파의 정수모호성(Integer Ambiguity)을 반드시 없애야 하는 부가적인 문제점이 있다. 현재 반송파를 이용한 측량용 수신기들이 상용화되어 있다. 측량과는 달리 움직이는 이동체의 위치를 매 순간마다 결정하기 위해서는 역시 두 수신기 사이에 통신망을 통한 반송파위상 측정정보의 송신이 필요하고 또한 이동하면서 순간적으로 모호정수를 계산해야하는 어려움이 있게된다. 그러나 다수의 안테나를 이동체의 몸체에 적절히 설치하여 안테나 사이의 상대거리벡터를 측정하는 경우 무선통신망이 불필요하게 되며, 이렇게 측정 된 벡터를 이용하여 이동체의 3차원 자세를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있다. 현재 GPS 반송파를 이용한 자세측정기술은 일부 외국 기업에서 만 상용제품을 제공하는 최신 기술이다. GPS는 1.5GHz대역 전파를 이용하는 전파항법 시스템이기 때문에 지형지물 에 의해 위성이 보이지 않는 경우 위성신호가 수신되지 않아 위치계산이 불가능하게 된다. 이러한 문제는 특히 도심지역을 운행하는 차량의 위치를 결정하는 경우에 자주 발생하게 되므로 GPS만을 이용해서는 도심지역에서 의 연속적인 차량의 위치결정이 불가능하게 된다. 이를 해결하기 위한 다양한 방법들이 차량항법시스템 개발의 한 부분으로 현재 활발히 연구개발되고 있다. 가장 대표적인 방법은 방향센서와 속도센서를 이용한 자립항법 (Read-Reckoning)을 사용하는 것이다. 차량에 장착된 주행거리계 혹은 바퀴 에 장착된 휠센서에 의한 속도정보 그리고 각속도자이로 혹은 플럭스게이트 와 같은 자성센서를 이용한 차량의 자세각 정보를 이용하여 초기 위치로부 터 다음 순간까지의 이동거리에 대한 정보를 계산함으로 차량의 위치를 계산하는 방식이다. 이 방식은 외부로부터의 정보없이 자체적인 정보를 이용한다는 장점이 있으나 일반적으로 위치측정의 오차가 사용할 때에 따라 누적된다는 단점 이 있다. 그러나 위치오차가 항상 절대적인 범위 안에 있는 GPS와 함께 상호보완적인 결합형태로 쓰이게되면 GPS의 신호가 불가능한 경우 DR에 의하여 위치를 계산할 수 있고 또한 GPS가 수신되는 경우에는 DR센서를 적절하게 보정할 수 있어 DR센서에 의한 오차누적을 방지할 수 있다. 이밖에 도로 지도로 부터의 정보를 함께 이용할 수도 있다. 차량은 항상 도로 위를 주행한다는 가정을 한다면 도로 지도로부터 차량의 주행하는 도로의 방향과 주행거리 등의 정보를 얻을 수 있고 또한 오차에 의해 도로 밖으로 표시될 수 있는 GPS와 DR에 의한 차량의 위치를 도로 위로 보정할 수 있다. 현재 가장 진보된 형태의 차량항법장치는 GPS와 DR 그리고 지도데이터를 이용한 통합항법시스템이다. GPS는 수평방향의 정확도에 비해 수직방향의 정확도가 상대적으로 떨어 진다(156m, 2drms). 그 이유는 지구상의 사용자가 볼 수 있는 위성들이 수평방향으로만 배열되어 있고 수직방향으로는 없기 때문이다. 비행기의 이착륙과 같은 응용 시스템에서는 수직방향의 정확도가 아주 중요하므로 이를 해결하기 위하여 의사위성(Pseudolite)이라는 장치를 사용한다. 활주로 근처의 지상에 설치된 의사위성은 GPS 위성과 동일한 전파신호를 공중으로 송신함으로서 비행기에 장착된 수신기의 수직방향의 정확도를 향상시킬 수 있다. GPS 사용자는 위성에서 보내오는 전파를 송신해야만 자신의 위치를 계산할 수 있다. 만약 GPS위성 혹은 관제국의 고장으로 현재 송신하는 항법정보에 이상이 있는 경우 이를 이용하여 결정된 사용자의 위치정보는 커다란 오차 를 가질 수 있으며, 다른 보조수단없이 GPS만을 이용한 항법시스템의 경우 에는 중대한 문제가 발생할 수 있다. 이를 위하여 수신기에는 GPS 위성정보의 무결성(Integrity)을 확인할 수 있는 기능(RAIM : Receiver Autonomous Integrity Monitoring)이 첨가되어 야 한다. RAIM에 의하여 사용자는 잘못된 정보를 주고 있는, 혹은 신호의 상태가 좋지 않은 위성을 가려내어 사용할 수 있다. 2. 미국의 미래 GPS 정책 GPS 사용이 전세계적으로 확대되면서 민간 사용자를 중심으로 GPS의 미래에 대한 우려가 조성되었다. "미국의 국방성에서 운영하는 GPS를 계속적으로 믿고 사용할 수 있는가?" 혹은 "현재 GPS의 사용은 무료이지만 언젠가 GPS 시장이 확보된 후 일방적으로 사용료를 징수하지는 않을까?" 이 때문인지 혹은 최근 공식적인 운영을 시작한 러시아의 GLONASS의 사용확산을 염두에 둔 탓인지 미국은 96년 3월 29일의 대통령 교서를 통하여 미국의 향후 GPS 정책을 발표하였다. 이중 가장 중요한 것은 미국은 앞으로도 계속적으로 평화적인 민간 및 상용 그리고 과학적인 사용에 대해서는 직접적인 사용료의 징수없이 GPS의 표준 항법서비스(SPS)를 제공하겠다는 약속이다. 또한 금세기내에 S/A(Selective Availability)를 없애겠다고 발표하였다. 이 경우 SPS로 얻을 수 있는 위치정확도는 30m정도로 향상된다. 현재 유럽을 중심으로 GNSS(Global Navigation Satellite System)의 구축이 추진되고 있는데 이것은 GPS, GLONASS, INMARSAT-3, EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service) 등을 모두 이용하여 전세계 민간 사용자들에게 보다 정확하고 보다 신뢰할 수 있는 항법시스템을 제공 하려는 계획이다. 미국은 GNSS를 적극 지원하고 있으며 GPS와 미국이 개발하는 확장시스템 (Augmentation)을 GNSS의 표준으로 채택하려고 노력하고 있다. 3. 새로운 민간용 주파수 L5 GNSS와는 별도로 민간 GPS 사용자에게 보다 향상된 항법정보를 제공하기 위한 노력이 현재 미국 운수성(Department of Transportation)에 의해 진행 되고 있다. 구체적으로 미국은 96년 12월 3일과 4일에 독일의 프랑크푸르트 에서 개최된 5차 유럽 IISC(International Information Sub-Committee)에서 앞으로의 Block IIF GPS위성에 제2의 민간용 주파수인 L5를 첨가할 필요가 있는지를 전세계의 GPS 사용자들에 다음과 같이 물어보았으며 빠른 시간 내에 이에 대한 의견을 제시하여 줄 것을 요청하였다. 1. L1 SPS 신호와 완벽히 일치하는 혹은 부분적으로 일치하는 또 다른 신호 가 분명히 필요한가? 만약 그렇다면 이 신호는 어떻게 구성되어야 하며 주파수 스펙트럼의 어디에 할당되어야 하는가? 2. GPS의 전체적인 정확도, 신뢰도, 무결함성, 사용가능성 등을 향상시키기 위하여 L5 민간 주파수에 적용될 새로운 혁신적인 방법이 있는가? 3. 이러한 제2의 민간주파수를 제공하는 방법들에 의해 얻게되는 이점들을 정량화할 수 있는가? 만약 그렇다면 그러한 방법은 무엇인가? L5 주파수의 도입에 핵심적인 문제는 결국 주파수의 배정이며, 기존의 전파 시스템에 영향을 주지 않으면서 L1주파수와 함께 사용되어 효과적으로 전리 층 오차보정을 위한 정보를 제공 수 있어야 한다. 현재 미국 운수성이 L5의 도입방법에 대해서 아직 구체적으로 결정한 것은 없으며 전세계적인 의견을 스렴해 L5의 도입이 결정되면 Block IIF 위성부터 이 기능을 추가하려고 계획하고 있으므로 국내에서도 이에 대한 검토를 한 후 의견을 제안할 필요가 있다. 4. 국내 기술 및 연구개발 동향 국내의 GPS 관련된 학술단체로 GPS 기술협의회가 있으며 그동안 3회에 걸쳐 GPS 워크샵이 개최되었으며, 올해는 12월 2-4일 서울 KOEX에서 건국대학교 GPS/GIS 연구센터의 주관으로 위크샵이 열릴 예정이다. 외국에 비해 국내에서 GPS의 본격적인 사용이 없었던 것은 무선통신망, GIS, 수치지도 등 관련 기간시설이 갖추어지지 않아서였지만 근래 들어 이러한 것들이 국내에서도 구축되어 가고 있기 때문에 GPS, 통신망, 지도 데이터 등을 이용한 다양한 응용시스템들이 개발되고 있다. 현재 국내에서 개발되고 있는 GPS 관련 응용시스템들은 크게 3가지 형태로 분류할 수 있다. 첫 번째는 차량관제시스템으로 현장에서 서비스중인 차량들의 위치를 실시간 으로 중앙 관제국의 모니터상에 지도와 함께 표시함으로서 효과적으로 차량 들을 관제하고자 하는 시스템이다. 한국통신에서는 물류망사업을 위하여 무선데이터모뎀, 무궁화위성, DGPS 그리고 수치지도를 이용한 화물차량 관제시스템을 개발하여 시범사업을 시행하고 있고, 서울시에서도 역시 무선 데이터모뎀과 GPS를 이용한 버스 위치확인시스템을 이용하여 버스정류장에서 의 도착시간 자동안내시스템의 시범사업을 시행중이다. 이러한 관제시스템은 택시, 경찰차, 구급차, 방범차, 택배차 등 모든 차량 을 이용한 서비스에 적용될 수 있기 때문에 현재 국내의 TRS, 무선데이타 통신 사업자들과 단말기 제조업체를 중심으로 활발히 개발되고 있다. 두 번째는 차량항법시스템이다. 차량관제시스템과는 달리 운전자가 직접 자신의 차량 위치를 정확히 알아야하는 시스템으로 화면에 자신이 현재 주행하고 있는 지역의 도로지도가 표시되고 그 위에 현재 자신의 차량 위치 가 표시되어야 하며, 또한 목적지까지의 최적경로를 계산하여 안내해주는 경로안내 기능 그리고 가능하다면 교통상황까지도 파악할 수 있어서 정체 구간을 피할 수 있도록 안내해 주는 기능들을 요구한다. 현재 자동차 관련 기업들에 의해서 GPS와 자동차부품연구원에 의해 개발된 항법용 수치도로지도를 이용한 차량항법장치들이 개발되고 있다. 가장 발전 된 형태의 항법장치는 GPS와 차속센서, 자이로 같은 Dead-Reckoning(DR)센서 그리고 차량의 위치를 도로위로 표시하기 위한 맵매칭(Map Matching)을 모두 통합한 GPS/DR/맵매칭 항법시스템으로 국내의 기업들에 의해서도 활발히 연구 개발되고 있다. 이밖에 선박용 전자통신기기 제작업체들에 의해 전자해도와 GPS를 이용한 선박항법시스템들이 개발되고 있다. 세 번째는 GPS를 이용한 시각동기분야이다. GPS는 위치뿐만이 아니라 정확한 시간정보도 제공하는데 이를 이용하면 아주 정밀한 시각동기가 가능하다. 현재 국내 PCS CDMA통신망의 시각동기에 관한 연구가 현대전자, LG통신, 이동통신들에 의해 활발히 진행되고 있다. 독자적인 위성항법시스템이 없는 한국의 입장에서는 유럽의 GNSS와 같이 미국의 GPS만을 사용할 것이 아니라 소련의 GLONASS와 INMARSAT과 같은 위성들을 함께 사용하여 특정국가의 시스템에 종속되는 것에 대비해야 하며 또한 한국의 위성인 무궁화위성 혹은 다목적위성을 이러한 시스템들과 연계 하여 사용하는 방법을 강구해야 할 것이다. 수신기 개발에 있어서도 국내 기업들에 의한 독자적인 수신기개발이 아직 이루어지지 않고 있으나 만약 시도된다면 GPS와 GLONASS를 함께 사용하는 혼합형수신기의 개발이 필요하다고 판단한다.

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