GPS 현황 및 동향

홍태희 (전자부품연구원 기술기획팀 책임연구원)

 GPS 개요

최근 정보통신분야 특히 이동중의 통신방식이 급속히 발전하면서 GPS의 활용분야 및 응용기술이 급속히 발전하고 있음.

우리가 생활하면서 느끼는 편리성 및 과학성 등이 확대 되면서 GPS의 수요가 점차 증가하고 있음.

우리 주변에서 자주 볼수 있는 비행기, 선박, 자동차에서의 위치추적시스템은 시스템의 최적 설계를 통한 저가격화 및 품질(정확성)의 우수성을 통하여 보편화 되어가고 있는 추세.

GPS는 정식으로는 NAVSTAR/GPS라 부르며 이것은 NAVigation System with Time And Ranging/Global Positioning System의 머리문자 임. 이 명칭은 인공위성의 이름에도 사용되는데, 이 경우 System을 Satellite로 대치.

GPS의 전신은 미 해군이 개발하고 있던 TIMATION(TIMe And navigaTION)과 미 공군의 621B의 두 프로젝트임.

우리가 목적물의 위치를 결정하기 위한 항법시스템은 Pilotage, 천체항법, Dead Reckoning, 관성항법, 무선항법(VOR, Omega, LORAN) 등으로 발전하면서 위성항법시스템(Satellite-Based Navigation System)으로 진화.

위성항법시스템의 서비스범위가 전세계적이며 24시간 사용이 가능하고 날씨에 무관하면서 정확도가 뛰어나 이용도가 증대되고 있음.

현재 세계적으로 운용중인 위성 항법시스템은 미국방성에서 개발된 GPS(Global Positioning System) 및 러시아에서 개발한 GLONASS위성을 이용하여 위치, 속도, 시간측정 서비스를 제공.

GPS는 3차원의 위치, 고도, 시간을 정확히 측정하여 24시간 연속적으로 서비스를 제공하면서 기상조건, 간섭 등의 외부적인 요소로 부터 방해를 받지않고 전세계적으로 공통 좌표계를 사용한다는 것이 특징. 

서비스의 정확도가 약100m인 표준 측위(SPS : Standard Positioning System)와 약 21m인 정밀 측위(PPS : Precise Positioning System)로 나누어 지며 SPS는 민간 서비스용, PPS는 주로 군사용으로 사용.

삼각측량의 원리를 사용하며 인공위성으로 부터 수신기까지의 거리는 각 위성에서 발생시키는 부호점과 수신시점의 시간차이를 측정한 다음 여기에 빛의 속도를 곱하여 측정(거리=빛의속도*경과시간)

GPS 시스템의 구성

  GPS는 3개부분 즉 위성부분, 지상관제부분, 사용자부분으로 구성.

  위성부분은 6개의 궤도면에 24개의 위성으로 구성, 고도 20,200km, 경사각이 55도이며, 주기가 12시간.

   - GPS 위성들은 미국의 Rockwell사에서 제작을 하고 있으며 가격은 약 4천만불이며 발사비용은 1천만불(무게 : 약 900Kg, 폭 : 5m)

   - 위성은 사용자가 최소한 5개의 위성으로부터 신호를 수신할 수 있도록 배치되어 있으며, 각각위성은 2개의 L밴드 주파수, 즉 L1(1,575.42MHz) 및 L2(1,227.6MHz)를 송신.

   - L1은 P 코드(Precise code) 및 C/A 코드(Coarse/Acquisition)을 반송하며, L2는 P 코드를 반송하며 이들 코드에 항법 데이터가 중첩되며, L1과 L2에 의해 반송.

  지상관제 부분의 구성는 5개의 감시국으로 이루어져 있으며, 이들 중에서 3개는 상향 링크(Up-Link)로 전송하는 기능.

   - GPS의 관제는 주관제국(MCS : Master Control Station)과 다섯 개의 부 관제국(Monitor Station)으로 구성.

   - 무인으로 운영되는 부 관제국들은 주어진 시간에 관측할 수 있는 모든 신호를 추적, 신호를 저장한 다음에 주 관제국으로 전송.

   - 감시국은 GPS 수신기를 이용하여 보이는 모든 위성을 수정적으로 추적하며 거리 측정 데이터를 축적하며 감시국에서 수집된 정보는 주관제소에서 처리되어 GPS 위성의 궤도 결정 및 제어에 사용.

  사용자 부문은 안테나와 수신기로 구성되어 있으며, 위성신호를 수신하여 위치, 속도 및 시간을 계산.

   - GPS의 사용자 부문은 GPS 수신기와 사용자 단체로 이루어 짐.

   - GPS로부터 수신 받은 신호를 처리하여 수신기의 위치와 속도, 시간을 계산하여 전송.

GPS 측위의 원리를 간략히 보면 아래와 같음.

  <그림 1> GPS 측위 원리의 개념도

위성에 의한 위치측정을 하는 방법을 그림으로 표현하면 아래와 같음.

<그림 2> DGPS 위치측정 방법

GPS의 정밀도

GPS에 의하여 제공 되어지는 측량과 항법의 정밀도는 사용하는 신호와 자료에 따라 차이가 많이 발생하고 있음.

단독측위는 GPS 수신기 1대를 사용하여 위치를 측정하며 어느 코드를 사용하느냐에 따라 두가지로 나눌수 있음.

SPS(Standard Positioning System)은 민간 사용자들이 무료로 수신받아 활용하고 있으며 정밀도(수평 100m, 수직 140m, 시간 340ns)가 있음.

PPS(Precise Positioning System)는 암호 해독장치를 갖춘 허가된 사용자만이 특별히 고안된 수신기를 이용(수평 21m, 수직 29m, 시간 200 ns)하여 서비스를 제공 받음.

따라서 신뢰도는 24개의 GPS 위성군중 21개 이상이 항상 운용될 확률은 98%이며 위성의 설계수명은 7.5년 임.

GPS 수신기 구성

 <그림 3> GPS 수신기 구성도

위성을 포착하거나 위치를 신출하는데 있어서 중요한 역할을 하고 있는 것이 마이크로컴퓨터이며, 어느 메이커의 수신기에서도 예외없이 16비트 이상의 처리 능력을 가진 것이 사용.

GPS에 의한 측위를 하려면 동시에 4개의 위성으로부터 전파를 수신.

GPS 수신기의 안테나에서는 이 감쇠를 보정하고 또 잡음을 경감시키기 위하여 안테나에 20~40dB 이득의 저잡음 증폭기(LNA)를 내장하거나, 수신기의 일부인 주파수 변환회로를 내장하고 있음.

안테나와 수신기를 접속하는 동축 케이블에는 안테나 내부에서 필요로 하는 전원이나 주파수 변환용의 국부발진 주파수 신호도 중첩되어 있으므로 수신기에 지정되어 있는 안테나 이외는 사용할 수 없음.

GPS 수신 안테나

   - 일반적인 GPS 수신 안테나의 사양은 GPS 위성으로부터 보내져 오는 미약한 신호를 증폭하기 위해, 안테나 소자 바로 밑에 20~40dB 정도 증폭하는 저잡음 앰프가 필요 하며 앰프의 전원은 GPS 수신기로부터 동축 케이블에 실어 공급.

<그림 4> GPS 안테나의 블록도

GPS 시장동향

세계시장  (단위 : 억달러)

(자료 : 일렉트로닉스(일본) '95. 10)

- GPS는 군용에서 시작하여 항공 및 선박용 항법 시스템으로 널리 사용되면서 토목, 건축, 자동차 내비게이션 등으로 급속히 확산 중.  

유럽시장

주요 국가별 GPS 동향

  【미 국】

1993년 12월 24개의 GPS 위성을 배치 완료하여 단독 항법시스템으로 민간 항공용 항법에 이용할수 있도록 1994년 ICAO 승인을 받음.

FCC(Federal Communications Commission)는 2001년까지 911서비스의 성능개선을 위하여 비상시 67%에 대하여 125m의 정확도로 무선전화기가 자신의 위치를 결정하도록 규정.

   - Snap Track사는 GPS를 기본으로 하는 시스템 개발 중.

  【러시아】

1995년 3월 GLONASS 위성을 배치 완료하고 1996년 ICAO로부터 민간 항공용 항법위성으로 승인을 받았으나 현재 운용상태는 양호하지 못함.

   - 현재 운용중인 위성의 설계수명이 초과하고 있어 추가적인 위성이 필요로 하고 있으나 재정상의 문제로 와해될 가능성이 있음.

 GLONASS주파수는 2005년 이후에는 주파수대역을 변경 할 예정.

   - 1,602.0∼1,608.0 MHz, 2005년이후 : 1,598.1∼1,605.4 MHz,

  【유 럽】

1999년 2월 유럽연합(EU : European Union)이 Galileo로 명명된 차세대 위성항법시스템(GNSS-2 :Global Navigation Satellite System-2)을 개발 및 구현토록 권고함.

   - Galileo의 민간용 기본 서비스는 약 10m의 정확도로 혠와 유사함.

유럽은 ILS(Instrument Landing System) 주파수 혼신의 심각성을 감안하여 GNSS가 실용화 되기전에 MLS(Microwave Landing System)로 전환.

  【일 본】

일본 항공국(JCAB)은 아시아/태평양지역의 공동기반설비로서 비영리로 각국의 MTSAT 서비스를 제공.

   - 타시스템과 MTSAT 및 MSAS의 호환성을 위하여 Inmarsat, FAA 및 GTG와 협의를 추진 중.

  【국 내】

GPS와 같은 시스템 구축은 소요경비 등의 어려움이 따르기 때문에 유럽의 Galileo와 같은 프로젝트에 공동 참여하는 방식이 바람직 하며, 미국의 GPS에 대한 의존도(유료화 가능성)를 낮추는 형태로 대응이 필요함.

   - GPS 서비스 제공을 위한 각종 설비를 공유하면서 국제적인 네트워크 연결이 가능한 국내 통합시스템 구축의 검토가 필요.

GPS 업계동향

GPS의 응용기술 활용은 주로 부품제조업체 및 GPS 수신기 제조업체 등에서 필요로 하고 있음.

GPS의 향후 발전방향은 GPS/INS 통합 항법시스템, Real-Time Carrier Phase를 이용한 정밀 측량 및 항법, 다양한 DGPS 항법, RAM(Receiver Autonomous integraity Monitoring), GLONASS, Inmarsat 등과 연계 발전

항공관제기술은 현재 국내에서 영종도 신공항건설과 관련하여 위성을 이용한 논의가 진행중에 있음.

   - 일반 허용되는 SPS서비스는 오차(수평오차 100m)가 크므로 이를 개선하기 위한 DGPS 네트워크 구축 및 세계적으로 네트워크가 연계될수 있는 첨단 항공관제시스템 이용이 가능.

퀄컴과 루슨트테크놀로지는 무선가입자 위치추적기술의 표준을 위한 공동개발에 합의('99.7).

   - 퀄컴의 CDMA기술 솔루션+루슨트의 네트워크기술.

   - 무선위치정보시스템(GPS)의 인공위성에서 보내오는 신호와 CDMA 표준방식의 PCS 네트웍 및 소프트웨어를 결합하는 혼합접근방식 사용.  : 실내 100피트, 실외 15피트 이내의 오차범위를 갖는 정확도.

국내에서 사용되고 있는 수신기는 외국제품 또는 조립품을 주로 사용하고 있으나 차량용 네비게이션 시스템은 연구가 활발.

   - 국내업체들이 엔진을 공급받고 있는 업체는 미국의 모토롤라, 로크웰, 일본무선(JRC), 고야전자, 고덴, FDK 등에서 공급.

   - 육상과 해양의 표준화한 GIS 디지털지도가 없어 연구가 시급한 형편.

일본의 모넷(Monet) 이라고 하는 자동항법시스템을 만들어 판매 중.

   - 긴급상황 발생시 자동차에 설치된 카네비게이션과 휴대폰 통신서비스를 합친 특수 소프트웨어가 내장된 셋톱박스를 통해 9600bps의 속도로 신호를 전송하여 응급 구조 등을 수행.

국내 중견업체인 유유, 제일엔지니어닝, 필코전자, 제일물산, 동일기연 등 중소 부품업체들은 생산품목의 다각화를 통한 신규사업에 적극 나서고 있으며,유유가 새로 설립한 아맥스를 통해 세라믹 칩 배리스터와 EMI, 고주파부품, GPS안테나 등의 부품을 생산하여 국내외 시장에 진출.

2000년 여름쯤 최신 통신기기를 내장한 첨단 인공지능 옷이 등장.

   - 초소형 이동전화와 지상위치확인시스템(GPS), 오디오 비주얼 기기나 극소형 카메라, TV스크린이 부착된 옷이 시장에 선보일 예정.

기존의 차량항법시스템(CNS:Car Navigation System)에 비해 정확도가 높고 다양한 부가서비스를 제공하는 차세대 CNS가 곧 시판될 예정.

   - 쌍용정보통신, 대우통신, 인포디아, 엑시엄 GPS.

향후 GPS 전망

10년전만 해도 GPS가 현재와 같이 발전하리라고는 아무도 예상을 못함.

   - 몇 년전에는 GPS 수신기를 미국에서만 생산되었으나 현재는 일본에서도 대량 생산을 하고 있으며 가격 역시 저렴해지면서 앞다투어 기타 국가에서도 곧 생산이 가능 할 것으로 예측.

   - 자동차에 부착된 자동차 항법 시스템은 현재 범용화 되면서 크가가 소형화 추세로 손목에 찰수 있는 수신기도 곧 생산이 될 예정.

그동안 위치추적시스템(GPS:Global Positioning System) 단말기로만 가능하였던 위치파악이 휴대폰으로도 가능할 전망.

   - CDMA 단말기용 핵심 칩셋트 MSM(Mobile Station Modem)+GPS수신이 가능한 gpsONE 기술.

   - 전파가 약한 교외지역, 빌딩내부, 이동중인 차량의 위치 파악이 가능

   - 해당지역의 일기예보, 교통정보, 관광정보, 상업용 위치추적서비스 등을 카네비게이션 시스템과의 연계 가능.

GPS 응용분야를 간략히 살펴보면 군사용 및 민간용으로 다양하게 활용되면서 지속적인 발전이 기대.

   - 지상운송부문 : 첨단 교통관제 및 여행자 정보시스템용 등

   - 해상운송부문 : 선박항해용, 다양한 해상항법용 등

   - 항공운송부문 : 첨단 항공관제용, 항공기항법용 등

   - 군사부문부문 : 군용 이동체항법, 유도무기, 정밀폭격, 수색 정찰용 등

   - 응급구조부문 : 구급 및 순찰차용 등

   - 과학응용부문 : 기상연구, 해류연구, 지각운동 연구용

   - 우주항공부문 : 위성의 위치 및 시간정보 제공용

향후 GPS의 발전방향은 GPS/INS 통합 항법시스템, Real Time Carrier Phase를 이용한 정밀측량 및 항법, 다양한 DGPS 항법, GLONASS, Inmarsat 등과 연계로 발전 할 것으로 전망.

결 론

미국에 의하여 운용중인 GPS 서비스는 유료화 가능성에 대비하여 국가적으로 종합적인 대책을 검토 할 시점.

   - 유럽의 Galileo 프로젝트 공동 참여 또는 아시아 국가간의 공동참여 방식 검토(국제적 문제 해결을 위한 별도의 조직 구성 및 운영)

   - 기술적인 종속관계를 탈피하기 위한 독자적인 보정시스템 및 핵심부품의 적극적인 개발이 필요.

   - 민간분야 서비스 확대에 따른 제2, 제3의 신호 이용방안의 적극적인 연구

응용제품 기술개발의 지속적인 추진을 통한 국제경쟁력 확보.

   - 고정도 통신서비스 제공 및 다양한 응용기술 개발이 필요.

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