지리정보학의 공간분석 - GPS

 지리정보학이 아무래도 최근 과학기술의 발전에 따라 제일 많이 크게 변화하며 발전해 나가는 분야일거같다는 생각이 들었다. 그래서인지 지리적보학은 공간분석에 다양한 분야를 포함하고 있는데 지도학, 원격탐사, gis, gps가 있다. 이중 gps가 제일 익숙하게 느껴져서 gps에대해 알아보았다.

 GPS또는 범지구위치결정시스템은 현재 GLONASS와 함께 완전하게 운용되고 있는 범지구위성항법시스템이다. 미국 국방부에서 개발되었으며 공식 명칭은 NAVSTAR GPS이다. 무기유도, 항법, 측량, 지도 제작, 측지, 사각 동기 등의 군용 및 민간용 목적으로 사용되고 있다. 

 GPS에서는 중궤도를 도는 24개의 인공위성에서 발신하는 마이크로파를 GPS수신기에서 수신하여 수신기의 위치백터를 결정한다. GPS위성은 미국 공군 제 50우주비행단에서 관리하고 있다. 노후 위성의 교체와 새로운 위성 발사 등 유지와 연구, 개발에 필요한 비용은 연간 약 7억5천만 달러에 이른다. 그러나  GPS는 전 세계에서 무료로  사용 가능하다.

출저 https://ko.wikipedia.org/wiki/GPS

 GPS수신기는 세 개 이상의 GPS위성으로 부터 송신된 신호를 수신하여 위성과 수신기의 위치를 결정한다. 위성에서 송신된 신호와 수신기에서 수신된 신호의 시간차를 측정하면 위성과 수신기 사이의 거리를 구할 수 있는데, 이때 송신된 신호에는 위성의 위치에 대한 정보가 들어있다. 최소한 세 개의 위성과의 거리와 각 위성의 위치를 알게되면 삼변측량에서와 같은 방법으로 이용해 수신기의 위치를 계산할 수 있다. 그러나 시계가 완전히 정확하지 않기 때문에 오차를 보정하고자 보통 네 개 이상의 위성을 이용해 위치를 결정한다.

출저 https://ko.wikipedia.org/wiki/GPS

 

[시스템 구성]

 GPS는 우주부분, 제어부분, 사용자 부분으로 구성되어 있다. 

1) 우주부분 : 궤도를 도는 GPS위성을 의미한다. 24개의 인공위성이 여섯개의 궤도면 상에 분포하도록 설계되어있다. 위성의 평균 수명은 약 8년 정도이다. 나는 한번 설치하면 반영구적으로 사용가능한 것인줄 알았는데 생각보다 적은 시간밖에 사용을 못하는구나 새롭게 알게 되었다. 궤도면의 중심은 지구의 중심과 일치하며 각 궤도면은 지구 적도면으로부터 55도 만큼 기울어져 고정되어 있다. 아 사진을 보면 항상 기울어져있는것을 보았는데 이를 특별히 생각하지 않고 그냥 지나쳐 왔는데 알고보니 일부러 기울어져 고정되어 있다는것을 새로 알게 되었다.

 GPS위성의 고도는 약 20,183KM이다. 또한 항성일마다 궤도를 두번 일주하며, 각각의 GPS위성은 지상의 한점을 하루에 한번 통과하게 된다. 지상의 대부분 위치에서 최소한 여섯개의 GPS위성을 관측할 수 있도록 배열되어 있다. 

 2007년 4월 현재 총 30개의  GPS위성이 운용중이다. 추가의 6개 위성들은 기본 위성에 문제가 발생할 경우 백업 역활을 함과 동시에 수신기의 정밀도를 향상시키는 데에 이용된다. 정말 체계적으로 구성되어있음을 다시한번 느낀다. 추가 위성이 운용됨으로서 위성의 배열은 불규칙적으로 되어있으나 그러한 불규칙적인 배열이 GPS체계의 신뢰도와 이용성을 증대한다. 

 2) 제어부분 : GPS위성의 궤도를 추적하고 위성을 관리하는 제어부분은 지상의 제어국으로 이루어져 있다. 하와이, 콰절런, 어센션 섬, 디에고 가르시아 섬과 콜로라도스프링스의 다섯 군데의 제어국에서 미국 지리정보국의 운영하에 위성을 추적한다. 위성의 추적 자료는 콜로라도 스프링스 슈리버 공군기지에 위치한 주제어국으로 보내어진다. 주제어국은 미국 공군의 2우주작전 대대에서 운영한다. 주제어국에서는 취합된 최신의 궤도 정보를 분석하여 각 추적제어국의 안테나를 통해 GPS위성으로 새로운 궤도 정보를 송신함으로서 위성의 시각을 동기함과 동시에 천문력을 조정한다.

 3) 사용자 부분 : 사용자부분은 수신기이다. 수신기는 위성에서 송신하는 주파수에 동조된 안테나, 수정발진기등을 이용한 정밀한 시계, 수신된 신호를 처리하고 수신기 위치의 좌표와 속도 벡터 등을 계산하는 처리장치, 계산된 결과를 출력하는 출력장치 등으로 이루어져 있다. 성능은 얼마나 많은 수의 위성으로부터 동시에 수신할 수 있는가로 평가되는 경우도 있는데, 초기의 수신기는 최대 너댓개의 위성으로부터 동시에 수신할 수 있었으나 2006년 현재 일반적인 수신기는 열두개 내지 스무개의 위성으로 동시에 수신이 가능하다. 사진과 같은 다양한 모양의 수신기들이 존재하는데 마치 옛날에 사용하던 핸드폰과 비슷한 유사한 모양이라 더욱더 친숙하게 느껴지는 거 같다. 

출저https://ko.wikipedia.org/wiki/GPS

[위성신호]

 각각의 GPS위성은 위성에 탑재된 시계의 시각 및 오차와 위성의 상태 정보, 모든 위성과 관련된 궤도 정보와 상태, 각각의 궤도 정보와 이력, 오차 보정을 위한 계수 등이 포함된 항법메시지를 5BPS의 속도로 지속적으로 방송한다. 모든 위성의 궤도 정보 및 상태에는 모든 GPS위성의 비교적 장기간 동안 유지되는 궤도 정보가 들어 있는데 이를 완전히 송신하는데 12.5분이 걸린다. 갓 생산된 GPS수신기의 초기 구동을 위해서는 궤도 정보 및 이력의 완전한 수신이 필요하다. 즉 수신기에서 한 위성으로부터 궤도 정보 및 이력의 수신이 완료된 경우, 다른 위성으로부터의 수신이 진행된다. 각 위성의 궤도정보 및 이력에는 지상의 제어국으로부터 2시간마다 갱신되고 4시간 동안 유요한 개별 위성의 궤도 정보가 담겨있다. 

 

[기준좌표계]

-천구기준좌표는 관용적으로 결정되 반드시 이론적인 좌표계와 일치시킬 필요가 없다. 조금은 자유스러운 것 인가보다. 하지만 지구가 태양의 주위에서 가속도를 가지는 운동을 하기 때문에 지심좌표게는 실제 완전한 관성체가 아니며, 이로 인해 이 좌표계에 의사관성이라는 용어를 포함하여 부르기도 한다. 이러한 천구 기준 좌표계의 대표적인 하나가 국제자전서비스에 의해 결정되는 기준계이다. 이는 500개 이상의 은하계 밖의 물체를 관측하여 실시간으로 결정된다. 정말 섬세하고도 기술발전의 업적이라는 생각이 든다.

 

[위치계산]

 위성으로부터 송신된 신호를 이용해 좌표를 계산하기 위해서는 정밀한 시계가 필요한데, 위성에는 고정밀 원자 시계가 탑재되어 있으며, GPS수신기는 필요한 정밀도에 따라 원자 시계 또는 수정발진기를 이용한 시계 등이 탑재되어 있다. 위성으로부터 수신한 항법메시지를 통해 수신기의 시계와 위성의 시계를 비교한다고 한다. 이것만 들었을때는 조금 이해가 가지 않았는데 아래와같은 사진을 보니 수신기로 여러 위성의 거리를 동시에 보정하면서 중첩해 값을 구한다는게 조금은 이해가 되었다. 

출저 https://ko.wikipedia.org/wiki/GPS

 [정학도와 오차]

수신기에서 위치를 계산하기 위해서는 현재의 시각, 위성의 위치, 신호의 지연량이 필요하다. 위치 계산 오차는 이 가운데 주로 위성의 위치와 신호 지연의 측정으로부터 발생한다. 신호의 지연시간은 GPS위성으로부터 수신한 신호와 동일한 신호를 GPS수신기에서 발생시켜 비교하여 얻는다. 전리층과 대류권은 송신된 신호의 속도에 영향을 미친다. 의사의 거리의 오차를 줄이는 데에는 대기권으로 인한 오차를 줄이는 것이 가장 효과적이다. 한편 대기권의 영향은 GPS 위성이 수진기의 바로 위에 있을 때 가장 작고, 지평선 부근에 위치할 때 가장 큰데, 이는 대기권을 통과하는 거리의 차이 때문이다.