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GPS의 원리는 뭘까?

릴코이 2020. 7. 18. 21:35

기본 원리에 대해서 알아보자

GPS (Global Positioning System)는 궤도 위성 중 4 개 이상에 대한 가시선 가시성이 있는지 여부를 지구 표면 어디에서나 확인할 수 있는 전 세계 RF 무선 기반 시스템입니다. 수십 년 전 GPS가 출시된 이래 GPS의 가용성은 단순히 존재하기 전에는 상상할 수 없었던 제품과 기능을 가능하게 할 뿐만 아니라 사람들이 자신의 위치와 위치, 지도, 및 여행 방향 정보. 예를 들어, 자율 주행 차는 GPS가 있어야 어디로 가고 있는지 확인할 수 있습니다. 이 FAQ는 GPS의 기본 원칙과 그 구현 세부 사항을 살펴볼 것입니다. Q : 간단히 말해서 GPS의 작동 원리는 무엇입니까? A : 기본 개념은 사용자가 여러 개의 정확하게 정돈된 고유하게 인코딩 된 위성 신호를 동시에 수신한다는 것입니다. 수신된 코드 시퀀스를 내부 수신기 시퀀스와 시간 정렬 (상관)시킨 다음 복잡한 알고리즘의 광범위한 계산을 수행함으로써 수신기는 지구 표면의 위치를 ​​결정할 수 있습니다. Q : GPS는 어떻게 개발되었습니까? A :이 짧은 질문에는 긴 대답이 있습니다. 즉시 사용 가능한 혁신의 많은 경우와 마찬가지로, "복수"엔지니어 및 과학자 그룹이 이를 수행하여 실질적인 공식적인 반대에 반하여 프로그램이 중단되는 것을 방지했습니다. 이 이야기는 참고 문헌 6에 매혹적인 세부 사항으로 설명되어 있습니다. 문제의 일부는 내비게이션 대 안내의 목표의 의미를 이해하는 것이었습니다. "지침"은 사용자 (또는 미사일)를 사전 정의된 목표물로 안내하는 것을 의미하며, 일부 군대에서는 항공기와 미사일에 사용되는 매우 정확한 자이로 스코프 기반 관성 항법 시스템으로 이 문제가 완전히 해결되었다고 느꼈습니다. 대조적으로,“탐색”은 관성 지도가 할 수 없는 길을 어디로 가야 하는지 알려주는 것입니다. 또한 GPS 개념이 개발될 때 필수 전자 기술은 위성 및 지구 기반 수신기에 사용할 수 없었습니다. 실제로, 개념을 테스트하는 데 사용된 최초의 수신기는 자동차의 전체 트렁크를 차지했습니다. Q : GPS 수신기의 정확도는 무엇입니까? A :이 질문에는 몇 가지 답변이 있습니다. 기본 GPS 시스템은 전파 특성 및 일부 수신기 구성 요소의 성능에 따라 1 미터에서 2 미터 사이의 정확도를 갖습니다. 차동 GPS (GSP 수신기가 인근 기준 위치에 연결되어 있음)와 같은 고급 기술이 있어 몇 센티미터 정도의 위치 정확도를 얻을 수 있습니다. Q : GPS는 한 번의 판독으로 지시하는 방향을 결정할 수 있습니까? A : 아니요. 나침반과 달리 단일 GPS 판독 값은 방향이 아닌 위치만 제공합니다. 그러나 두 번째 또는 일련의 GPS 측정값을 이동하여 가져 가면 방향을 알 수 있습니다. Q : GPS는 실내에서 작동합니까? A : 일반적으로 아닙니다. 약 1 GHz의 반송파 주파수에서 매우 약한 위성 신호는 건물, 지붕, 터널 및 심지어 나무에 의해 더욱 감쇠됩니다. 대기 시간, 왜곡 및 드리프트가 발생하면 다중 수신 신호의 매우 중요한 타이밍이 상쇄되므로 로컬 "반복자"를 사용할 수 없습니다. Q : GPS 시스템은 누가 관리합니까? A : 미 공군은 위성 변경, 발사, 시스템 유지 관리 및 궤도 변화 (및 작동) 또는 기타 교란이 발생할 때 신호를 수정합니다. Q : GPS에는 몇 개의 위성이 필요합니까? A : 지구 상의 모든 사용자가 최소 4 개의 위성 (필요한 최소)을 볼 수 있도록 GPS 시스템은 6 개의 서로 다른 궤도면에서 24 개의 중간-지구 궤도 위성의 균등 한 코어 별자리를 제공합니다. 지구 전체를 커버하려면 12가 필요합니다. 다른 것들은 더 많은 “보기”기회와 중복성을 제공합니다. Q : GPS 위성의 아이디어가 현실이 될 수 있는 중요한 발전은 무엇입니까? A : 많은 중요한 기술 개발이 있었지만, 중요한 발전 중 하나는 각 위성이 신호의 정확한 타이밍에 필요한 경량의 저전력 원자시계를 사용할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 위성 코드를 매우 높은 타이밍 정확도로 전송할 수 있으며 시스템 성능에 필수적입니다. 다른 개발에는 1 GHz에서 작동하는 민감한 저잡음 프런트 엔드 증폭기와 복잡하거나 집중적인 알고리즘을 실시간으로 또는 거의 거의 구현할 수 있는 처리 능력 (마이크로 프로세서 또는 FPGA를 통한)이 포함됩니다. Q : GPS 시스템은 어떻게 구성되어 있습니까? A : 제어 세그먼트, 공간 세그먼트 및 사용자 세그먼트의 세 가지 기능 세그먼트가 있습니다. 제어 세그먼트는 필요에 따라 위성과 통신하는 마스터 제어 스테이션을 포함하며, 전체 시스템 성능 및 매개 변수를 관리합니다. 대부분의 시스템은 피할 수 없는 드리프트, 에이징 및 궤도 이동으로 인해 조정이 필요합니다. 공간 세그먼트는 위성으로 구성됩니다. 사용자 세그먼트에는 개별 수신기가 포함되어 있으며 현재 수백만에 달합니다. 이들은 독립형 GPS 수신기이거나 다른 제품에 내장된 수신기 일 수 있습니다. Q : 수신 신호와 관련된 방정식의 일반적인 특성은 무엇입니까? A : 매우 간단한 용어로, x, y 및 z에서의 사용자 위치 (또는 극점 등가)라는 세 가지 미지가 있습니다. 수신된 신호를 시간적으로 상관시킴으로써, 시간 지연 및 따라서 각 위성과 사용자 사이의 거리가 원칙적으로 결정될 수 있다. 위치는 단지 세 개의 위성 신호의 시간 정렬을 사용하여 결정될 수 있다. 다시 말해, 세 가지 방정식과 세 가지 미지수가 있습니다. 그러나, 수신기의 클록은 저비용의 정확하지 않은 결정 기반 유닛이므로, 제4 위성 신호는 수신기 시간축의 정정을 허용하기 위해 기본 방정식과 얽혀있다. 네 개의 위성 신호를 사용하면 네 개의 미지수 (x, y, z 및 시간)에 대한 네 가지 방정식이 있으며, 이는 4 중주를 동시에 풀 수 있습니다. Q : 공간 세그먼트의 위성에 대한 구체적인 내용은 무엇입니까? A : 위성은 궤도가 완벽하지 않기 때문에 약 15,250km 높이의 원형에 가까운 궤도에 있습니다. 모든 궤도는 지구의 구형 결함에 의해 영향을 받습니다. 궤도는 적도에 대해 55도 기울어져 있으므로 지표면을 완전히 덮고 있으며 궤도 주기는 약 12 ​​시간입니다. 각 위성에는 2 개의 원자 (세슘) 클록과 3 분의 1이 여분으로 운반됩니다. 위성은 L- 대역에서 두 개의 신호 반송 주파수를 사용하는데, 하나는 1.57542 GHz이고 다른 하나는 1.22720 GHz입니다. 전리층 전파 지연의 차이로 인한 수정을 허용하기 위해 두 개의 신호가 사용됩니다. Q : 전송된 신호의 인코딩 특성은 무엇입니까? A : 위성은 잡음과 손상에 강하고 상관이 쉬운 의사 랜덤 시퀀스 (PRSQ)를 사용합니다 ( 그림 3). 실제로 PRSQ 시퀀스에는 두 가지가 있습니다. P 코드 패턴은 길고 시간 정렬이 더 많으며 C / A 코드는 짧고 덜 정확하지만 더 빠른 수집 및 분석을 지원합니다. GPS가 유용하려면 이러한 신호의 타이밍이 정확하고 나노초 단위로 측정 가능해야 합니다. Q : 제어 세그먼트는 어떻습니까? A : 제어 세그먼트는 각 위성과 통신해야 할 뿐만 아니라 위성 궤도가 어떤 결함과 변화를 겪었는지 결정해야 합니다. 이를 위해 매우 정확하고 정밀한 위치에 여러 개의 지구 기반 스테이션이 있습니다. 각 기지국은 레이더 및 기타 기술을 사용하여 각 위성의 궤도 세부 정보를 확인합니다. Q : 리시버 세그먼트의 세부 사항은 무엇입니까? A : 수신기 세그먼트에 대해서는 2 부에서 자세히 설명합니다. Q : GLONASS, Galileo, BeiDou 및 QZSS와 같은 GPS 관련 용어가 있습니다. 그들은 무엇인가? A : 이들은 러시아, 유럽, 중국 및 일본에서 각각 개발하고 운영하는 GPS와 유사한 시스템입니다 (Quasi-Zenith Satellite System의 QZSS는 전 세계가 아니지만 일본 중심 지역이며 4 개의 위성 만 필요합니다). 비록 서로 다른 주파수와 PRSQ 코딩 시퀀스를 사용하고 변조 형식과 같은 다른 많은 세부 사항이 다르지만 위치를 결정하기 위해 수신, 분석 및 조정되어야 하는 정확한 시간 코드 시퀀스를 전송하는 궤도 위성의 원리를 기반으로 합니다. 각 시스템에는 정확도, 범위, 적용 범위, 소음 저항 및 기타 요인의 측면에서 상대적 장단점을 제공하는 개별 특성이 있습니다. Q : 해당 목록에 GNSS가 표시되지 않습니다. GPS와 GNSS의 차이점은 무엇입니까? A : GNSS는 글로벌 내비게이션 위성 시스템의 약자이며 위성 기반 내비게이션 시스템의 총칭입니다. GNSS가 장착된 사용자는 처음 사용하는 시스템에 장애가 있거나 신호가 약하거나 간섭이 있는 경우 다른 글로벌 위성 시스템으로 전환할 수 있습니다.

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