GPS측량 정의 및 구성

NAVSTAR GPS(NA Vigation System with Timing and Ranging Global Positioning System)라고도 불리는 GPS는 위성으로부터 송신되는 신호를 수신기로 수신하여 측점의 3차원 위치를 실시간으로 결정하는 위성 항공 측량시스템으로 본래 군사적 목적과 항법을 위해 개발되었지만, 측지, 측량 분야, 지도제작 및 지구 물리 분야, 무선통신 분야를 비롯한 각종 응용 분야에서 그 효용성이 입증되면서 활용의 폭이 확대되고 있습니다.

1. GPS 정의 및 구성

GPS는 정확한 위치를 알고 있는 위성에서 발사된 전파를 수신하여 관측점까지의 소요 시간을 관측함으로써, 미지 점의 3차원 위치를 구하는 인공위성을 이용한 범 지구 위치결정 체계입니다. GPS는 우주부분(space segment), 제어부분(control segment) 및 사용자 부분(user segment)으로 구성되며, 이를 GPS의 3대 구성요소라 합니다.

가) 우주부분
우주부분이란 GPS용 인공위성을 가르치는 것으로써 위성의 궤도는 약 20,200km에서 원 궤도를 그리며 회전주기 12시간으로 운행하고 있으며 현재 24개의 인공위성이 작동되고 있습니다. 궤도면은 총 6개의 궤도면으로 구성되어 있으며 각 궤도당 4대의 위성이 배차되고 각각의 궤도면의 간격은 60도를 유지하며 적도 면에 대하여 55도의 경사각을 유지합니다. 이러한 기하학적 배치는 전 세계 어느 곳에서나 지평선 5도 이상에서 GPS 위성을 24시간 관측할 수 있도록 고안된 것입니다.
나) 제어부분
제어부분은 지상에 설치된 시설물로서 우주부분의 위성들을 관리하기 위한 지휘통제소 역할을 담당합니다. 따라서, 각 위성을 추적하여 각 위성의 건강 상태 체크는 물론 위성들의 각종 정보를 갱신하거나 예측하는 업무를 담당합니다. 
제어부분은 주 제어국 1개소와 5개소의 추적국 그리고 3개소의 지상국으로 구성됩니다. 주 제어국은 미국의 colarado springs에 자리 잡고 있는 Falcon 공군 기지에 있으며 모든 위성을 관리하고 통제합니다. 이곳에서는 각 추적국에서 수신된 모든 자료를 종합하고 분석하여 최신의 위성궤도 요소와 시간 요소들을 계산하고 이들 자료는 지상국으로 전송되며 지상국에서는 이들 자료를 수신하여 매일 1회씩 위성 자체의 자료를 갱신하게 됩니다.
다) 사용자 부분
사용자 부분은 사용자에게 위치, 속도 및 시간을 제공하기 위한 응용 장비들(hardware)과 계산기법들(software)을 포함합니다. 하드웨어는 GPS 수신기와 안테나로서 위성 신호 추적 및 신호 관측을 합니다. 또, 자리 처리 소프트웨어는 위치 결정 알고리즘과 사용자 인터페이스를 제공하며, 측량기법은 요구 정확도의 경제성 및 가능성을 결정합니다.

2. GPS 신호

GPS 위성은 측위를 위한 여러 가지 신호와 정보를 전파에 실어 지상에 송신합니다. 전파 자체는 정보를 운반하기 위한 단순한 운반수단으로서 반송파(carrier)라 부르는데 GPS의 측위용 반송파는 L1 대(1575.42MHz)와 L2대(1227.60MHz)로 나누어집니다. 반송파는 두 개의 PRN(pseudo-random noise) 코드로 변조되며 이 변조된 PRN 코드는 위성의 시간과 위성의 궤도에 관한 정보를 포함하고 L1,L2에 함께 실려 수신기에 전달됩니다. 두 개의 PRN 코드 중 첫 번째 코드는 C/A 코드(coarse acquisition code)이며 S 코드 또는 표준코드라 부르기도 하는데 이 코드는 위성 신호가 어느 위성에서 송신되는가를 쉽게 식별할 수 있는 특징이 있습니다. 두 번째 PRN 코드는 정밀코드로 알려진 P 코드로서 두 개의 다른 PRN 코드를 수학적으로 합성하여 만든 신호입니다.
또한, GPS에서 측위 계산에 필요한 위성궤도 정보와 관련된 데이터를 항법메시지라고 합니다. 항법메시지는 C/A, P 코드에 비하면 훨씬 비트율이 낮은 디지털데이터이며 이 메시지에는 궤도 관계의 정보 외에 전리층의 보정을 위한 파라미터, 위성에 탑재된 원자시계의 보정계수, 위성의 동작상태를 나타내는 상태(health)정보 등이 들어있습니다.

3. GPS의 기준계

가) 제 심기준계
위성의 위치를 나타내기 위한 기준계는 지구의 질량중심에 원점이 위치한 지심기준계로 구성되며, 제 심기준계는  관용관 성계와 관 용지 십계로 분류됩니다. 관용 관성계는 천체기준계로서 항성과 위성 위치를 나타내기 위해 사용되며, Z축은 천체의 북극인 CEP로 정의되어 있습니다. 관 용지 십계는 지구상의 지형지물에 대한 위치를 나타내기 위한 기준계로서 Z축을 극운동의 중심인 CTP로 정의되어 있습니다. GPS 측량은 위성을 사용하지만 지구상의 지형지물에 대한 위치를 산출하기 위해 사용되므로 기본적으로 관 용지 십계를 채택하고 있습니다.
GPS측량의 기준계는 관용지심계로 1984년 국제시보국에서 지구관측사업을 통해 BTS를 도입하여 CTP의 방향을 재정의한 WGS84 기준계를 채택하였습니다. GPS측량의 기준계가 정의된 이후에 국제 극운동 관측 사업이 국제지구자전관측사업에 흡수되면서 IERS지구기준계가 정의 되었습니다. 따라서, ITRF는 지구의 극운동에 따라 Z축이 계속해서 재정의되므로 매년 미소한 Z축의 변화를 보입다.(ex. IRTF91, ITRF93)