GPS 위성 시스템. GPS 시스템의 구성

스마트폰은 더 이상 단순한 다이얼러가 아닙니다. 그들은 소유자에게 많은 새로운 기회를 열었습니다.

우선 소셜 네트워크 및 인스턴트 메신저를 통한 본격적인 고속 인터넷 액세스 및 커뮤니케이션이 있습니다. 그러나 GPS 포지셔닝에 대한 수요는 적지 않으며 이제 이에 대해 자세히 논의하겠습니다.

GPS란 무엇입니까?

GPS는 스마트폰의 위치를 파악하고 경로를 구축하며 지도에서 원하는 물체를 찾을 수 있게 해주는 내비게이션 시스템입니다.

거의 모든 최신 장치에는 GPS 모듈이 내장되어 있습니다. 이는 GPS 지리위치 위성 신호에 맞춰진 안테나입니다. 원래는 군사 목적으로 미국에서 개발되었지만 나중에 그 신호가 모든 사람에게 공개되었습니다. 가젯의 GPS 모듈은 증폭기가 포함된 수신 안테나이지만 신호를 전송할 수는 없습니다. 스마트폰은 위성으로부터 신호를 수신하여 위치 좌표를 결정합니다.

거의 모든 현대인은 스마트폰이나 태블릿에서 GPS 내비게이션을 한 번 이상 사용해 본 적이 있습니다. 이에 대한 필요성은 다양한 직업과 다양한 직업을 가진 사람들 사이에서 언제든지 발생할 수 있습니다. 운전자, 택배기사, 사냥꾼, 어부, 심지어 낯선 도시에 있는 일반 보행자에게도 필요합니다. 이러한 내비게이션 덕분에 위치를 확인하고, 지도에서 원하는 개체를 찾고, 경로를 구축하고, 인터넷에 접속할 수 있으면 교통 정체를 피할 수 있습니다.

GPS용 오프라인 지도

Google은 Android 운영 체제인 Google Maps를 위한 특별한 위치 정보 애플리케이션을 개발했습니다. 신속하게 위성을 찾고, 물체에 대한 경로를 개발하고, 대안을 제시합니다. 불행하게도 셀룰러 네트워크 범위가 없으면 지리 지도는 인터넷을 통해 다운로드되므로 Google 지도가 작동하지 않습니다.

오프라인 탐색의 경우 가장 좋은 방법은 Maps.me, Navitel 및 2GIS와 같은 오프라인 지도를 지원하는 애플리케이션을 다운로드하는 것입니다. Google 지도용 지도: 교통 및 내비게이션 앱을 설치할 수도 있습니다.

이 경우 지도를 다운로드하기 위해 인터넷 트래픽을 소비할 필요가 없습니다. 지도는 위치에 관계없이 항상 귀하의 기기에 있을 것입니다. 특히 해외에 있는 경우 인터넷 접속을 위한 로밍 비용이 매우 높기 때문에 더욱 그렇습니다.

Android에서 GPS를 활성화하는 방법은 무엇입니까?

Android 운영 체제에서 GPS 모듈을 활성화하는 방법은 두 가지가 있습니다.

상단 커튼. 디스플레이를 아래로 스와이프하면 열리는 메뉴에서 "위치", "지리적 위치" 또는 "지리 데이터" 버튼(Android 버전에 따라 다름)을 클릭합니다.
Android 설정에서 유사한 항목 항목을 찾아 확인란을 '활성화' 위치로 이동하세요.

스마트폰 내비게이션 시스템이 활성화되는 동안 배터리 충전량이 상당히 활발하게 소모되기 시작하므로 추가 전원을 관리하는 것이 좋습니다. 예를 들어, 운전할 때는 차량용 충전기를 사용해야 하고, 자전거나 도보로 이동할 때는 -.

개방된 공간에서는 위성 신호를 안정적으로 수신할 수 있으므로 방이나 터널에 있는 경우 위치 확인이 불가능하다는 점도 기억할 가치가 있습니다. 흐린 날씨도 영향을 미칩니다. 구름 때문에 장치가 위성을 검색하는 데 시간이 더 오래 걸리고 좌표를 덜 정확하게 결정합니다.

얼마 전까지만 해도 GPS가 유일한 위치정보 시스템이어서 안드로이드 초기 버전에서는 GPS만 언급됐고, 서비스 활성화 버튼도 그렇게 불렀다. 2010년부터 러시아는 완전히 가동되었으며 2012년부터 -.

GPS는 거리, 시간을 측정하고 위치를 결정하는 위성 항법 시스템입니다. 지구(극지방 제외), 거의 모든 날씨, 그리고 행성 근처의 우주 공간 어디에서나 물체의 위치와 속도를 결정할 수 있습니다. 이 시스템은 미국 국방부에서 개발, 구현 및 운영합니다.

GPS의 간략한 특징

미국 국방부의 위성 항법 시스템은 NAVSTAR라고도 불리는 GPS입니다. 시스템은 24개로 구성되어 있습니다. 항법 인공 지구 위성(NES), 지상 명령 측정 단지 및 소비자 장비. 지구에 가까운 3차원 공간에서 물체의 좌표를 높은 정확도로 결정하는 글로벌 전천후 항법 시스템입니다. GPS 위성은 6개의 중고궤도(고도 20,183km)에 배치되어 있으며, 12시간의 궤도 주기를 가지며, 궤도면은 60° 간격으로 배치되어 있으며 적도에 대해 55° 각도로 기울어져 있습니다. 각 궤도에는 4개의 위성이 있습니다. 18개 위성은 지구상 모든 지점에서 최소 4개 위성의 가시성을 확보하기 위한 최소 개수입니다.

시스템 사용의 기본 원리는 알려진 좌표가 있는 지점(위성)에서 물체까지의 거리를 측정하여 위치를 결정하는 것입니다. 거리는 위성에서 신호를 전송한 후 GPS 수신기의 안테나에서 신호를 수신할 때까지 신호 전파의 지연 시간으로 계산됩니다. 즉, 3차원 좌표를 결정하기 위해서는 GPS 수신기가 3개의 위성까지의 거리와 GPS 시스템의 시간을 알아야 한다. 따라서 적어도 4개 위성의 신호를 사용하여 수신기의 좌표와 고도를 결정합니다.

이 시스템은 항공기와 선박의 항법을 제공하고 시간을 결정하도록 설계되었습니다. 높은 정밀도로. 2차원 탐색 모드(지구 표면에 있는 객체의 탐색 매개변수에 대한 2D 결정) 및 3차원 모드(지구 표면 위에 있는 객체의 탐색 매개변수 측정)에서 사용할 수 있습니다. 물체의 3차원 위치를 찾으려면 최소 4 NIS의 탐색 매개변수를 측정해야 하며, 2차원 탐색의 경우 최소 3 NIS의 탐색 매개변수를 측정해야 합니다. GPS는 위치를 결정하기 위해 의사 거리 측정기 방법을 사용하고 물체의 속도를 찾기 위해 의사 반경 속도 방법을 사용합니다.

정확성을 높이려면칼만 필터를 사용하여 결정 결과를 평활화합니다. GPS 위성은 F1 = 1575.42 및 F2 = 1227.60MHz의 두 가지 주파수로 내비게이션 신호를 전송합니다. 방사 모드: 의사잡음 변조로 연속됩니다. 내비게이션 신호는 F1 주파수로만 전송되는 공개 C/A 코드(코스 및 획득)이고 F1, F2 주파수에서 방출되는 보호된 P 코드(정밀 코드)입니다.

GPS에서는 각 NIS마다 고유한 C/A 코드와 고유한 P 코드가 있습니다. 이러한 유형의 위성 신호 분리를 코드 분리라고 합니다. GPS는 두 가지 수준의 고객 서비스를 제공합니다. PPS 정밀 측위 서비스와 SPS 표준 측위 서비스 PPS는 정확한 코드를 기반으로 하고 SPS는 SPS를 기반으로 합니다. - 공개적으로 사용 가능합니다. PPS 서비스 수준은 미군 및 연방 서비스에 제공되고 SPS는 대중 민간 소비자에게 제공됩니다. 내비게이션 신호 외에도 위성은 위성 상태, 천문력, 시스템에 대한 정보가 포함된 메시지를 정기적으로 전송합니다. 시간, 전리층 지연 예측 및 성능 지표. 온보드 GPS 장비는 안테나와 수신기 표시기로 구성됩니다. PI에는 수신기, 컴퓨터, 메모리 장치, 제어 및 디스플레이 장치가 포함됩니다. 메모리 블록은 문제를 해결하고 수신기 표시기의 작동을 제어하는 데 필요한 데이터, 프로그램을 저장합니다. 목적에 따라 특수 장비와 일반 소비자용의 두 가지 유형의 탑재 장비가 사용됩니다. 특수 장비는 미사일, 군용 항공기, 선박 및 특수 선박의 운동학적 매개변수를 결정하도록 설계되었습니다. 객체 매개변수를 찾을 때 P 및 C/A 코드를 사용합니다. 이 장비는 사실상 연속적인 측정을 제공합니다. 정확도: 물체 위치— 5+7m, 속도 — 0.05+0.15m/s, 시간 — 5+15ns

GPS 항법 위성 시스템의 주요 응용 프로그램:

측지학: GPS를 사용하여 토지 구획의 정확한 점 좌표와 경계를 결정합니다.
지도 제작: GPS는 민간 및 군사 지도 제작에 사용됩니다.
내비게이션: GPS는 해상 및 도로 내비게이션 모두에 사용됩니다.
운송의 위성 모니터링: GPS를 사용하여 차량의 위치와 속도를 모니터링하고 이동을 제어합니다.
셀룰러: GPS가 장착된 최초의 휴대폰은 90년대에 등장했습니다. 미국과 같은 일부 국가에서는 911에 전화한 사람의 위치를 신속하게 파악하는 데 사용됩니다.
구조론, 판 구조론: GPS를 사용하여 판의 움직임과 진동을 관찰합니다.
활동적인 레크리에이션: 지오캐싱 등 GPS를 활용한 다양한 게임이 있습니다.
위치 정보 태그 지정: 내장 또는 외부 GPS 수신기 덕분에 사진과 같은 정보가 좌표에 "연결"됩니다.

소비자 좌표 결정

위성까지의 거리에 따른 위치 파악

위치 좌표는 측정된 위성까지의 거리를 기반으로 계산됩니다. 위치를 결정하려면 4번의 측정이 필요합니다. 다른 이용 가능한 수단을 통해 믿기 어려운 솔루션을 제거할 수 있다면 3차원이면 충분합니다. 기술적인 이유로 또 다른 측정이 필요합니다.

위성까지의 거리 측정

위성까지의 거리는 무선 신호가 위성에서 우리에게 전달되는 데 걸리는 시간을 측정하여 결정됩니다. 위성과 수신기 모두 동일한 시간 척도에서 동일한 의사 난수 코드를 동시에 생성합니다. 수신기 코드에 대한 의사 난수 코드의 지연을 비교하여 위성 신호가 우리에게 도달하는 데 걸리는 시간을 결정해 보겠습니다.

완벽한 타이밍 보장

정확한 타이밍은 위성까지의 거리를 측정하는 데 중요합니다. 위성에는 원자시계가 탑재되어 있기 때문에 시간이 정확합니다. 수신기 시계는 삼각법 계산을 사용하여 드리프트를 제거할 수 있으므로 완벽하지 않을 수 있습니다. 이를 얻기 위해서는 네 번째 위성까지의 거리를 측정해야 한다. 4번의 측정이 필요한지는 수신기 설계에 따라 결정됩니다.

우주 공간에서 위성의 위치를 결정합니다.

좌표를 계산하려면 위성까지의 거리와 우주 공간에서의 위치를 모두 알아야 합니다. GPS 위성은 매우 높은 고도로 이동하므로 궤도가 매우 안정적이며 매우 정확하게 예측할 수 있습니다. 추적 스테이션은 궤도의 작은 변화를 지속적으로 측정하고 이러한 변화에 대한 데이터는 위성에서 전송됩니다.

전리층 및 대기 신호 지연.

오류를 최소화하는 데 사용할 수 있는 두 가지 방법이 있습니다. 첫째, 평균 전리층 조건 하에서 일반적인 하루 속도의 일반적인 변화를 예측한 다음 모든 측정값에 수정 사항을 적용할 수 있습니다. 하지만 안타깝게도 매일이 평범한 것은 아닙니다. 또 다른 방법은 서로 다른 반송파 주파수를 갖는 두 신호의 전파 속도를 비교하는 것입니다. GPS 신호의 서로 다른 두 주파수 성분의 전파 시간을 비교하면 어떤 종류의 속도 저하가 발생했는지 확인할 수 있습니다. 이 보정 방법은 매우 복잡하며 소위 "이중 주파수" GPS 수신기라고 불리는 가장 진보된 장치에서만 사용됩니다.

다중 경로.

또 다른 유형의 오류는 "다중 경로" 오류입니다. 이는 위성에서 전송된 신호가 수신기에 도달하기 전에 주변 물체와 표면에서 반복적으로 반사될 때 발생합니다.

기하학적 요인으로 인해 정확도가 감소합니다.

좋은 수신기는 관측 가능한 모든 위성의 상대적 위치를 분석하고 그 중에서 4개의 후보를 선택하는 계산 절차를 갖추고 있습니다. 4개의 위성이 가장 잘 배치되어 있습니다.

결과적으로 GPS 정확도.

결과적인 GPS 오류는 다양한 소스의 오류 합계에 의해 결정됩니다. 각각의 기여도는 대기 조건과 장비 품질에 따라 다릅니다. 또한 GPS 위성에 소위 S/A 모드(선택적 가용성)를 설치한 결과 미국 국방부에서 의도적으로 정확도를 낮출 수 있습니다. 이 모드는 잠재적인 적이 GPS 포지셔닝에서 전술적 이점을 얻는 것을 방지하도록 설계되었습니다. 이 모드가 설정되면 전체 GPS 오류의 가장 중요한 구성 요소가 생성됩니다.

결론:

측정의 정확성 GPS 사용 여부는 수신기의 설계 및 등급, 위성의 수와 위치(실시간), 전리층 상태와 지구 대기(무거운 구름 등), 간섭 유무 및 기타 요인에 따라 달라집니다. "민간인" 사용자를 위한 "가정용" GPS 장치의 측정 오류는 ±3~5m에서 ±50m 이상입니다(평균적으로 간섭을 최소화한 실제 정확도(새 모델인 경우)는 ±5~15m입니다. 계획 중). 가능한 최대 정확도는 수평으로 +/- 2-3m에 이릅니다. 높이 – ±10-50m에서 ±100-150m. 평평한 지형에서 알려진 정확한 고도(예: 일반 지도책) 또는 알려진 대기압(날씨가 변할 때 너무 빨리 변하지 않는 경우)을 사용하여 디지털 기압계를 가장 가까운 지점으로 교정하면 고도계가 더 정확해집니다. 변경). "측지 클래스"의 고정밀 미터 - 2~3배 더 정확합니다(평면 및 높이에서 최대 1cm). 측정의 실제 정확도는 시스템 서비스 영역에서 가장 가까운 기지국(수정)과의 거리, 다중성(반복 측정 횟수/한 지점에서 누적), 적절한 작업 품질 관리, 작업 수준 등 다양한 요소에 의해 결정됩니다. 전문가의 훈련과 실무 경험. 이러한 고정밀 장비는 전문 기관, 특수 기관 및 군대에서만 사용할 수 있습니다.

내비게이션 정확도를 높이기 위해지형이 상당히 평탄하고 개방된 공간(근처에 건물이나 돌출된 나무가 없는 곳)에서 GPS 수신기를 사용하고, 외부 안테나를 추가로 연결하는 것이 좋습니다. 마케팅 목적으로 이러한 장치는 "이중 신뢰성과 정확성"(동시에 사용되는 두 개의 위성 시스템인 Glonass 및 Gypies 참조)으로 인정되지만 매개변수의 실제 실제 개선(좌표 결정 정확도 증가)은 최대 수십퍼센트. hot-warm 시작 시간 및 측정 기간의 눈에 띄는 감소만 가능

위성이 하늘의 조밀한 빔이나 한 줄에 있고 "멀리" - 수평선 근처에 있고(이 모든 것을 "잘못된 기하학"이라고 함) 신호 간섭이 있는 경우(고층 건물) GPS 측정 품질이 저하됩니다. 신호를 반사하는 신호, 나무, 가파른 산을 차단합니다. 지구의 낮 쪽(현재 태양에 의해 조명됨) - 전리층 플라즈마를 통과한 후 무선 신호는 밤 쪽보다 약해지고 훨씬 더 강하게 왜곡됩니다. 지자기 폭풍이 발생하는 동안 강력한 태양 플레어가 발생한 후 위성 항법 장비 작동이 중단되고 장기간 중단될 수 있습니다.

GPS의 실제 정확도는 GPS 수신기의 유형과 데이터 수집 및 처리 기능에 따라 달라집니다. 탐색기에 채널이 많을수록(8개 이상 있어야 함) 올바른 매개변수가 더 정확하고 빠르게 결정됩니다. 인터넷을 통해 "보조 A-GPS 위치 서버 데이터"를 수신하면(휴대폰 및 스마트폰에서 패킷 데이터 전송을 통해) 지도상의 좌표 및 위치를 결정하는 속도가 빨라집니다.

WAAS(미국 대륙의 Wide Area Augmentation System) 및 EGNOS(유럽의 European Geostationary Navigation Overlay Services) - 정지궤도를 통해 전송하는 차동 하위 시스템(저위도 36,000km에서 중위도 및 고위도 40,000km까지의 고도) GPS 수신기에 대한 정보를 수정하는 위성(수정이 도입됨) 지상 기지 보정국(이미 고정밀 좌표 참조를 갖고 있는 고정 참조 신호 수신기)이 근처에 위치하여 작동하는 경우 로버(필드, 이동 수신기)의 위치 확인 품질을 향상시킬 수 있습니다. 이 경우 필드 수신기와 베이스 수신기는 동일한 이름의 위성을 동시에 추적해야 합니다.

측정 속도를 높이려면외부 안테나가 있는 다중 채널(8채널 이상) 수신기를 사용하는 것이 좋습니다. 최소한 3개의 GPS 위성이 보여야 합니다. 더 많을수록 결과가 더 좋습니다. 하늘이 잘 보이는 것(개방된 지평선)도 필요합니다. 최신 연감이 포함된 경우 수신 장치의 빠른 "핫"(첫 번째 초 동안 지속) 또는 "웜 스타트"(30분 또는 1분)가 가능합니다. 네비게이터를 오랫동안 사용하지 않은 경우 수신기는 강제로 전체 알마낙을 수신해야 하며, 전원을 켜면 콜드 스타트가 수행됩니다(장치가 AGPS를 지원하는 경우 더 빠르게 최대 몇 초). 수평 좌표(위도/경도)만 결정하려면 3개 위성의 신호로 충분할 수 있습니다. 3차원(높이 포함) 좌표를 얻으려면 최소한 4개의 좌표가 필요합니다. 우리 자신의 국내 내비게이션 시스템을 만들 필요성은 GPS가 미국식이라는 사실과 군사 및 지정학적 이익을 위해 언제든지 선택적으로 비활성화하거나 "잼"하거나 모든 지역에서 이를 수정하거나 인위적으로 증가시킬 수 있는 잠재적 적이라는 사실에 기인합니다. , 평시에 항상 존재하는 (이 서비스의 외국 소비자를 위한) 좌표의 체계적인 오류입니다.

글로벌 포지셔닝 시스템(영어 GPS(Global Positioning System), 약어로 GPS, 때로는 GSM이라고도 함 - 전역 위치 확인 시스템)은 내비게이션 위성을 사용하는 무선 위치 확인 시스템입니다. 이러한 시스템은 지표면 위나 근처(때로는 지표면 너머까지)에 위치한 적절한 장비(GPS 수신기, Glospace)를 사용하여 사용자에게 3차원 위치, 속도 및 시간에 대한 연중무휴 정보를 제공합니다. 민간 사용자가 널리 사용할 수 있는 최초의 GPS 시스템은 미국 국방부에서 운영하는 NAVSTAR였습니다. 소련도 자체 시스템을 개발했지만 군사 목적으로만 사용되었습니다(1991년까지 소련 영토에서의 GPS 사용은 군사 목적을 제외하고 일반적으로 금지되었습니다). 최초의 GLONASS 위성은 1982년 10월 12일 소련에 의해 궤도에 발사되었습니다. 1993년 9월 24일에 시스템이 공식적으로 작동되었습니다. 필요한 위성 수인 24개는 1995년까지 달성되었으나 이후 경제적, 정치적 어려움으로 인해 궤도 별자리가 축소되었습니다. 2007년에는 국내 GLONASS 시스템(Global Navigation Satellite System의 약자)의 상용화가 시작되었습니다. EU 국가에서 개발한 갈릴레오 시스템이 개발 중입니다.

미국의 NAVSTAR 시스템은 1978년 2월 첫 번째 위성의 발사로 시작되었습니다.

대부분의 내비게이션 수신기는 도플러 효과를 사용하여 속도 정보를 얻습니다. 이 시스템은 정확하게 정의된 궤도에 위치한 24개의 위성으로 구성됩니다. 이 장치는 육지, 바다, 공중 및 우주의 수신기에 지속적인 신호를 전송합니다. GPS는 위치, 내비게이션, 지도 작성, 경로 안내, 타이밍 및 이벤트 동기화에 사용됩니다. 위성의 궤도는 대략 북위와 남위 60도 사이에 위치합니다. 이렇게 하면 적어도 일부 위성의 신호가 언제 어디서나 수신될 수 있습니다.

GPS 수신기는 위성 신호를 사용하여 현재 시야에 있는 4개(또는 그 이상) 위성 각각으로부터의 거리를 측정합니다. 위성의 수정 신호로 업데이트되는 수신 장치의 연감(천문 달력)은 현재 위성의 위치를 정확하게 결정합니다. 4개의 위성의 위치와 각 위성까지의 거리를 알면 수신기는 속도를 계산할 수 있습니다. 표준 수신기는 몇 미터의 정확도로 위치를 기록하고 최대 100만분의 1초의 정확도로 시간을 기록할 수 있습니다. 최신 수신기의 정확도는 몇 센티미터 이내입니다.

GPS공간과 시간을 측정하기 위한 단일 글로벌 표준을 제공합니다. 그 정밀도로 인해 비행기는 더 직접적인 경로로 서로 더 가깝게 비행할 수 있으며 비행 안전이 향상됩니다.

NAVSTAR 신호에는 소위가 포함되어 있습니다. "의사 무작위 코드"(PRN - 의사 무작위 코드), 천문력 및 연감. 의사 난수 코드는 전송 위성을 식별하는 데 사용됩니다. 모두 1부터 32까지 번호가 매겨져 있으며 이 번호는 GPS 수신기가 작동하는 동안 화면에 표시됩니다. PRN 번호의 수는 위성 수(24개)보다 큽니다. 이는 GPS 네트워크 유지 관리를 더 쉽게 만들기 때문입니다. 이전 위성이 고장나기 전에 새 위성을 발사하고 테스트하고 작동할 수 있습니다. 이러한 위성에는 단순히 새 번호(1부터 32까지)가 할당됩니다.

각 위성에서 지속적으로 전송되는 천문력 데이터에는 위성 상태(작동 여부), 현재 날짜 및 시간과 같은 중요한 정보가 포함되어 있습니다. 연감 데이터는 하루 동안 모든 GPS 위성이 어디에 있어야 하는지 알려줍니다. 그들 각각은 궤도의 매개 변수와 시스템의 다른 모든 위성을 포함하는 연감을 전송합니다.

24개의 위성이 약 2000m 고도에서 지구 궤도를 돌고 있습니다. 20,000km. 6개의 궤도면 각각에는 4개의 위성이 있습니다. 궤도가 정확하게 보정되었음에도 불구하고 오류는 여전히 발생하며 위성은 연감을 업데이트하기 위해 GPS 수신기에 내비게이션 수정 내용을 전송합니다. 내비게이션 수정 사항은 지상국을 통해 위성으로 전달되며, 지상국은 위치와 속도를 지속적으로 모니터링합니다.

범위 지정

GPS 수신기는 정확한 위치가 알려진 4개의 위성 각각까지의 거리를 계산하여 위치를 결정합니다. 각 위성은 신호를 전송합니다. 수신기에 도달하는 데 일정 시간이 걸립니다. 수신기에 내장된 시계는 위성의 원자 시계와 동기화되어 신호 이동 시간을 계산할 수 있습니다. 각 위성까지의 거리는 신호 이동 시간과 전파 전파 속도를 통해 계산됩니다. 삼각 측량이라는 기술을 사용하여 측정된 거리를 위성 위치 데이터와 결합하여 수신기의 위치를 결정합니다.

GPS(Global Positioning System)은 인공 지구 위성을 사용하여 물체의 위치를 결정하는 시스템입니다. 시스템의 정확도는 단말 장비의 유형에 따라 2~100m입니다. GPS 내비게이터는 실용적인 목적과 디자인 측면에서 다양한 종류의 장치로, 물체의 위치를 결정하고 해당 위치에서 직접 또는 먼 거리에서 물체의 이동 매개변수를 결정하도록 설계되었습니다. 구성 원리는 GPS, 컴퓨터 기술, 통신 시스템 및 네트워크(주로 인터넷)의 사용을 기반으로 합니다. GPS 내비게이터는 군사 업무, 모든 유형의 운송 및 일상 생활에 널리 퍼져 있습니다. 마이크로 전자공학과 컴퓨터 기술의 발전으로 움직이는 물체에 설치되는 단말 장비의 크기를 줄이는 동시에 기능적, 작동적 특성을 높이는 것이 가능해졌습니다. 결과적으로, 특히 PDA 및 노트북에 설치되는 운송 환경 외부에서 (사람이 직접) 개인 용도로 사용하려는 다양한 수정 사항이 나타났습니다. 소형 GPS 내비게이터에는 GPS 로케이터와 시계 내비게이터가 포함됩니다. GPS 위치 추적기는 추적 대상(예: 어린이, 보호관찰자, 알츠하이머병 환자)의 위치에 대한 제어(24/7 포함)를 제공합니다.

글로나스(Global Navigation Satellite System)은 러시아의 GPS 유사품입니다. 2005년 6월, 러시아 연방 정부 법령에 따라 승객 수송에 사용되는 우주선, 항공기, 해상 및 하천 선박, 도로 및 철도 운송의 단계적(2009년 1월 1일까지) 장비에 대한 결정이 내려졌습니다. 위험물, 측지 및 지적 작업에 사용되는 도구 및 장비.

내비게이터 시계는 GPS 수신기가 장착된 시계입니다. 네비게이터 시계는 일반 손목시계의 크기를 가지며 위치(경도 및 위도), 여행의 시작점 및 이동 장소까지의 거리, 현재 속도, 중간 지점, 둘 사이의 방향을 결정하는 기능을 구현합니다. 내비게이터 시계는 컴퓨터와 통신하여 GPS 데이터를 전송 및 처리하고, 지도의 래스터 이미지(JPEG 및 BMP 형식)를 가져오고 확인하며, 지정된 경로를 따라 이동을 계획할 수 있습니다.

GPS는 원래 미국 국방부에서 군사용으로 개발되었으며 Navstar(시간 및 거리 측정 기능이 있는 Navigaion System - 시간과 거리를 결정할 수 있는 내비게이션 시스템)라고 불렸습니다. Navstar 시스템의 목표는 지구 표면의 어느 지점에서나 물체의 좌표를 결정할 수 있는 능력을 군대에 제공하는 것이었습니다. 이후 상업적 목적으로 시스템을 사용하는 것이 허용되었습니다. 2000년까지 시스템의 모든 사용자는 권한 있는 사용자(군인)와 일반 사용자(민간인)의 두 가지 범주로 구분되었습니다. 민간 GPS 사용자의 경우 위성 신호에서 정보의 일부만 사용할 수 있었기 때문에 최대 수십 또는 수백 미터의 오류로 좌표를 결정할 수 있었던 반면, 군대의 경우 시스템은 최대 정확도로 작동했습니다. 오류는 몇 미터를 넘지 않았습니다. 2000년부터 민간 사용자에 대한 제한이 해제되었습니다.

1978년부터 1994년 사이에 24개의 주요 위성이 약 20,000km 고도의 궤도로 발사되어 GPS 시스템의 기능을 보장했습니다. 그 후 예비 위성 4개가 더 추가되었습니다. 시스템 작동은 위성의 내비게이션 정보 및 시계 조정과 각 위성의 성능 모니터링을 담당하는 4개의 지상국에 의해 모니터링됩니다. GPS의 상업적 사용은 1995년에 시작되었습니다. GPS 상용화에도 불구하고 모든 위성과 지상시설의 주인은 미 국방부이다.

위성은 1575.42MHz의 L1과 1227.60MHz의 L2라는 두 가지 주파수에서 위상 변조 신호를 방출합니다. 첫 번째는 민간 사용자를 위한 것이고, 두 번째는 군사 사용자를 위한 것입니다. 위성이 전송하는 정보는 C/A 코드, P 코드, Y 코드의 세 가지 범주로 구분됩니다. C/A 코드(Coarse Acquisition - 대략적인 근사치)를 사용하면 최대 100m의 정확도로 위치를 추정할 수 있으며, P 코드(정밀 코드)를 사용하면 몇 미터의 정확도로 위치를 결정할 수 있습니다. Y 코드는 P 코드의 암호화된 버전입니다. L1 주파수는 C/A 및 P 유형의 코드로 변조되고, L2 주파수는 P 또는 Y 코드로 변조됩니다(불가항력의 경우 민간 사용자의 GPS 서비스 사용을 금지해야 하는 경우 또는 적). L1 주파수의 신호는 위성의 현재 상태(시간, 좌표)에 대한 정보 블록인 소위 내비게이션 메시지와 혼합됩니다. 항법 메시지는 25x1500비트 크기를 가지며 50bps의 속도로 300비트 블록으로 전송됩니다. 완전한 내비게이션 메시지는 12.5분 안에 수신됩니다.

GPS 시스템에서 사용자 단말기는 여러 위성으로부터 신호를 동시에 수신할 수 있는 다중 채널 수신기입니다. GPS 단말기는 자체 송신기가 없는 완전히 수동적인 장치입니다. 시스템의 작동 원리는 최소 3개(보통 4~8개) 위성에서 수신된 신호 간의 시간 지연을 비교하고 알려진 좌표(즉, 위성)가 있는 여러 지점으로부터의 거리를 기반으로 좌표를 계산하는 것을 기반으로 합니다. 이 경우, 자신 있게 신호를 수신하는 모든 위성까지의 거리를 계산한 수신기는 여러 개의 구를 구성하고 이러한 구의 교차점을 기반으로 위성 좌표에 대한 항법 정보를 기반으로 대략적인 위치를 계산합니다. 신호와 함께 옵니다.

좌표 결정의 정확도를 높이기 위해(예: 측지학 및 지도 제작에서는 수 미터의 정확도로는 충분하지 않을 수 있음) 차동 GPS 방법이 사용됩니다. 이 경우 수신기는 위성 신호 외에도 위치가 알려져 있고 안정적인 고정된 강력한 송신기의 신호를 사용합니다. 이를 통해 고정 송신기의 실제 좌표를 GPS 시스템을 통해 수신된 데이터와 비교하여 현재 시스템 오류를 계산할 수 있으므로 위치 문제를 제거할 수 있습니다.

해당 지역의 종이 지도는 GPS 위성 시스템을 사용하여 내비게이션이 수행되는 전자 지도로 대체되었습니다. 이 기사에서는 위성 내비게이션이 언제 등장했는지, 현재는 무엇인지, 가까운 미래에는 무엇이 기다리고 있는지 알아볼 것입니다.

첫 번째 전제조건

제2차 세계대전 중 미국과 영국의 소함대는 무선 신호 장치를 사용하는 LORAN 항법 시스템이라는 강력한 비장의 카드를 가지고 있었습니다. 적대 행위가 끝난 후 "친서방" 국가의 민간 선박이 이 기술을 마음껏 사용할 수 있게 되었습니다. 10년 후 소련은 이에 대한 답을 내놓았습니다. 무선 비콘을 기반으로 한 Chaika 내비게이션 시스템은 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다.

그러나 육상 항법에는 심각한 단점이 있습니다. 고르지 않은 지형이 장애물이 되고 전리층의 영향이 신호 전송 시간에 부정적인 영향을 미칩니다. 항법 무선 표지와 선박 사이의 거리가 너무 멀면 좌표 결정 시 오류가 킬로미터 단위로 측정될 수 있으며 이는 허용되지 않습니다.

지상 기반 무선 비콘은 군사 목적을 위한 위성 항법 시스템으로 대체되었으며, 그 중 첫 번째는 American Transit(NAVSAT의 다른 이름)이 1964년에 출시되었습니다. 6개의 저궤도 위성은 최대 200미터의 좌표 결정 정확도를 보장했습니다.

1976년 소련은 유사한 군용 항법 시스템인 사이클론(Cyclone)을 출시했고, 3년 후에는 시카다(Cicada)라는 민간 항법 시스템을 출시했습니다. 초기 위성 항법 시스템의 가장 큰 단점은 1시간이라는 짧은 시간 동안만 사용할 수 있다는 점이었습니다. 저궤도 위성은 심지어 적은 수라도 넓은 신호 범위를 제공할 수 없었습니다.

GPS 대 글로나스

1974년에 미 육군은 나중에 GPS(Global Positioning System)로 이름이 변경된 당시 새로운 NAVSTAR 항법 시스템의 첫 번째 위성을 궤도에 진입시켰습니다. 1980년대 중반에는 민간 선박과 항공기에서 GPS 기술을 사용할 수 있게 되었지만 오랫동안 군사용 선박과 항공기에 비해 훨씬 덜 정확한 위치 정보를 제공할 수 있었습니다. 지구 표면을 완전히 덮는 데 필요한 마지막 GPS 위성인 24번째 GPS 위성은 1993년에 발사되었습니다.

1982년 소련은 이에 대한 답을 제시했습니다. 바로 GLONASS(Global Navigation Satellite System) 기술이었습니다. 마지막 24번째 GLONASS 위성은 1995년에 궤도에 진입했지만 위성의 짧은 서비스 수명(3~5년)과 프로젝트 자금 부족으로 인해 거의 10년 동안 시스템이 작동하지 못했습니다. 2010년이 되어서야 전 세계 GLONASS 보장을 복원할 수 있었습니다.

이러한 실패를 피하기 위해 GPS와 GLONASS는 이제 31개의 위성을 사용합니다. 만약을 대비해 주 위성 24개와 예비 위성 7개입니다. 현대 항법 위성은 약 20,000km의 고도에서 비행하며 하루에 두 번 지구를 돌고 있습니다.

GPS 작동 원리

GPS 네트워크에서의 위치 확인은 수신기에서 여러 위성까지의 거리를 측정하여 수행되며, 그 위치는 현재 순간에 정확하게 알려져 있습니다. 위성까지의 거리는 신호 지연에 빛의 속도를 곱하여 측정됩니다.
첫 번째 위성과의 통신은 수신기의 가능한 위치 범위에 대한 정보만 제공합니다. 두 구의 교차점은 원, 3개 - 2개 점, 4개 - 지도에서 유일하게 올바른 점을 제공합니다. 우리 행성은 구체 중 하나로 가장 자주 사용되며 4개의 위성 대신 3개의 위성에만 위치를 지정할 수 있습니다. 이론적으로 GPS 위치 정확도는 2미터에 달할 수 있습니다(실제로는 오류가 훨씬 더 큼).

각 위성은 정확한 시간과 수정 사항, 책력, 천문력 데이터, 전리층 매개변수 등 다양한 정보를 수신기에 보냅니다. 송신과 수신 사이의 지연을 측정하려면 정확한 시간 신호가 필요합니다.

항법 위성에는 고정밀 세슘 시계가 장착되어 있는 반면, 수신기에는 정확도가 훨씬 떨어지는 석영 시계가 장착되어 있습니다. 따라서 시간을 확인하기 위해 추가(네 번째) 위성과 접촉합니다.

하지만 세슘 시계도 실수할 수 있으므로 땅에 놓인 수소 시계와 대조하여 확인합니다. 각 위성에 대해 시간 수정은 내비게이션 시스템 제어 센터에서 개별적으로 계산되며, 이후 정확한 시간과 함께 수신기로 전송됩니다.

위성 내비게이션 시스템의 또 다른 중요한 구성 요소는 앞으로 한 달 동안의 위성 궤도 매개 변수 표인 연감입니다. 달력과 시간 수정은 제어 센터에서 계산됩니다.

위성은 또한 궤도 편차가 계산되는 개별 천문력 데이터를 전송합니다. 그리고 진공을 제외한 어느 곳에서도 빛의 속도가 일정하지 않다는 점을 고려하면 전리층의 신호 지연을 고려해야 합니다.

GPS 네트워크의 데이터 전송은 1575.42MHz와 1224.60MHz의 두 가지 주파수에서만 엄격하게 수행됩니다. 서로 다른 위성이 동일한 주파수로 방송하지만 CDMA 코드 분할을 사용합니다. 즉, 위성 신호는 단지 잡음일 뿐이며 적절한 PRN 코드가 있는 경우에만 디코딩할 수 있습니다.

위의 접근 방식을 사용하면 높은 잡음 내성과 좁은 주파수 범위를 사용할 수 있습니다. 그러나 때때로 GPS 수신기는 여러 가지 이유로 인해 오랜 시간 동안 위성을 검색해야 합니다.

첫째, 수신기는 처음에는 위성이 어디에 있는지, 위성이 멀어지거나 접근하고 있는지, 신호의 주파수 오프셋이 무엇인지 알지 못합니다. 둘째, 위성과의 접촉은 완전한 정보 세트가 수신된 경우에만 성공한 것으로 간주됩니다. GPS 네트워크의 데이터 전송 속도는 50bps를 초과하는 경우가 거의 없습니다. 그리고 무선 간섭으로 인해 신호가 중단되자마자 검색이 다시 시작됩니다.

위성 항법의 미래

이제 GPS와 GLONASS는 평화로운 목적으로 널리 사용되며 실제로 상호 교환이 가능합니다. 최신 내비게이션 칩은 통신 표준을 모두 지원하고 먼저 발견된 위성에 연결합니다.

미국 GPS와 러시아 GLONASS는 세계 유일의 위성 항법 시스템과는 거리가 멀습니다. 예를 들어, 중국, 인도, 일본은 각각 BeiDou, IRNSS, QZSS라는 자체 위성 시스템을 배치하기 시작했습니다. 이 시스템은 해당 국가 내에서만 작동하므로 상대적으로 적은 수의 위성이 필요합니다.

그러나 아마도 가장 큰 관심은 유럽 연합에서 개발 중이며 2020년 이전에 최대 용량으로 시작되어야 하는 갈릴레오 프로젝트에 있을 것입니다. 처음에 갈릴레오는 순전히 유럽 네트워크로 생각되었지만 중동 및 남미 국가는 이미 네트워크 생성에 참여하겠다는 의사를 표명했습니다. 따라서 곧 글로벌 CLO 시장에 '제3의 세력'이 나타날 수도 있습니다. 이 시스템이 기존 시스템과 호환되고 그럴 가능성이 높으면 소비자는 이익만 얻을 것입니다. 위성 검색 속도와 위치 정확도가 높아져야 합니다.

잡지 "캡틴 클럽" 1999년 2호
기사의 사본은 편집자의 동의를 받아 게재됩니다.

이번 포스팅에서는 다시 한번 GPS에 관한 주제를 다룹니다. 안타깝게도 다수의 국내 간행물에 실린 기사에서는 시스템 구성과 수신기 판독값의 정확성 정도에 대한 충분한 정보를 제공하지 않습니다. 많은 보트 사용자는 장비를 맹목적으로 신뢰할 수 있는지, 아니면 위치를 결정하는 전통적인 방법에 추가된 것으로만 인식해야 하는지 궁금해합니다. 그리고 이러한 최신 항해 보조 장치를 갖춘 요트가 때때로 의도한 항로에서 멀리 떨어진 바위에 부딪히는 이유는 무엇입니까? 이 기사는 저자의 의견으로는 GPS 사용자에게 도움이 될 수 있는 정보를 요약하려는 시도입니다.

"모든 항해 장비는 항해 보조 수단으로만 제조 및 판매됩니다. 구입한 장비와 관계없이 항해 기술을 향상시킬 책임은 사용자에게 있습니다."
(사용설명서에서 발췌)

GPS 시스템 작동 방식

NAVSTAR GPS(NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) 개념의 개발은 1973년에 시작되었습니다. 당시 가장 현대적인 무선 항법 시스템(RNS), 지상 기반 Loran-C 및 Omega 및 위성(SNS) Transit은 더 이상 존재하지 않습니다. 정확성과 전천후 기능, 24시간 작동 및 적용 범위에 대한 군대의 요구 사항을 충족했습니다. 1978년 2월, 최초의 실험용 GPS 위성이 발사되었습니다. GPS의 민간 사용은 1983년 쿠릴열도 상공에서 한국 여객기가 격추된 사건 이후 널리 논의되었습니다. 레이건 대통령은 GPS가 모든 사람에게 제공되어야 한다고 선언했습니다.

GPS 시스템은 SPS - 표준 정확도(민간 사용자용)와 PPS - 높은 정확도(군사 사용자용)의 두 가지 유형의 서비스를 제공합니다. 시스템이 개발되었을 때 SPS 정확도는 100m로 민간용으로는 충분하다고 간주되었습니다. 테스트가 진행됨에 따라 SPS 하위 시스템이 예상보다 더 정확한 것으로 나타났습니다. 군의 높은 정확도 이점을 유지하기 위해 1990년 3월부터 SA(Selective Availability) "접근 제한" 모드가 도입되어 민간 GPS의 정확도를 인위적으로 감소시켰습니다.

이 시스템은 사막의 폭풍 작전(Operation Desert Storm) 중에 불의 세례를 받았습니다. 그 당시에는 아직 위성이 충분히 발사되지 않았습니다. 전투 지역을 24시간 내내 보장하려면 기존 장비를 조종해야 했습니다. 흥미롭게도 1989년 9월 MAGELLAN SYSTEMS CORP. 군용 GPS 수신기 "NAV-1000M"을 출시하고 NATO 회원국 10개국에서 수신기 공급업체로 선정되었습니다. 걸프전 기간 동안 미국과 연합군은 3,000대 이상의 NAV-1000M 수신기를 사용했습니다. 당시 지상 부대와 해병대는 주로 민간 수신기와 유사한 휴대용 단일 채널 수신기를 장착했으며 고정밀 신호를 수신할 수 없었습니다. 전투 중에는 SA 모드를 비활성화하기로 결정하여 적군도 높은 정확도를 사용할 수 있게 되었습니다.

1993년 중반에는 이미 궤도에 24개의 위성이 있었습니다. 이는 지구상 어느 곳이든 지속적으로 항해할 수 있을 만큼 충분했습니다. 시스템의 최종 시운전은 1995년 7월에야 발표되었습니다.

1996년 클린턴 대통령은 미국 납세자들이 운영하는 이 시스템이 다음 세기에도 전 세계 민간 사용자에게 계속 서비스를 제공할 것이라고 확인했습니다. 2006년까지 "접근 제한" 제도가 폐지될 것이라고 발표되었습니다. 미국 대통령은 국가 안보에 위협이 되는 경우 GPS 신호의 정확성을 줄일 권리를 보유합니다.

GPS 시스템은 세 부분으로 구성됩니다.공간, 지상 및 사용자 장비.

우주 부분은 6개의 궤도를 따라 회전하는 24개의 위성으로 구성됩니다. 지구의 적도에 대한 궤도의 경사는 55도이고, 궤도면 사이의 각도는 60도입니다. 궤도 고도는 20180km, 궤도 주기는 12시간, 위성 송신기의 전력은 50W입니다. 향상된 위성의 도입으로 빈번한 신호 손실은 과거의 일이 되었습니다. GPS 위성은 이동을 통해 시스템의 공백을 채울 수 있습니다(중 하나가 고장난 경우). 위성의 중요한 요소는 원자시계, 루비듐, 세슘으로 각각 4개가 있습니다. 위성은 GPS 수신기에 표시되는 PRN(Pseudo Random Number)으로 식별됩니다.

GPS 접지 부분열대 섬에 위치한 4개의 추적 스테이션으로 구성됩니다. 그들은 눈에 보이는 위성을 추적하고 정교한 컴퓨터 소프트웨어 모델에서 처리하기 위해 콜로라도 스프링스 공군 기지의 명령 및 제어 스테이션(MCS)에 데이터를 전송합니다. 이러한 데이터 세트를 천체력이라고 합니다. 지상국을 통해 데이터가 다시 위성으로 전송되고, 위성은 이를 GPS 수신기로 전송합니다.

GPS 신호

모든 GPS 주파수는 위성의 기본 클록 주파수인 10.23MHz의 배수입니다. 위성은 L1=1575.42MHz 및 L2=1227.6MHz 대역에서 신호를 전송합니다. 신호에는 "탐색 메시지"와 "의사 무작위 코드"라는 두 가지 유형의 정보가 포함됩니다(그림 1). 코드는 1과 0의 연속으로, 얼핏 보면 무작위로 보이지만 복잡한 법칙에 따라 변경됩니다. 의사 난수 코드에는 위성 번호(PRN)가 포함되어 있습니다.

코드에는 두 가지 유형이 있습니다. 민간 GPS는 L1 주파수로만 전송되는 코드인 C/A(Coarse Acquisition)를 사용합니다. 하나의 코드 사이클은 1023비트로 구성되며 1000회(초) 반복됩니다. 군용 고정밀 GPS는 P 코드(Precise)를 사용하며 L1과 L2 두 주파수 모두에서 전송됩니다.

내비게이션 메시지는 의사 난수 코드에 따라 반송파 주파수를 추가로 변조하여 50비트/초의 속도로 전송됩니다. 각 메시지는 각각 1500비트의 25개 "청크"(페이지)로 구성됩니다. 전체 메시지의 전체 전송 주기는 12.5분이 소요됩니다. 내비게이션 메시지에는 "천문력 데이터"와 "알마낙 데이터"가 포함됩니다. GPS 시스템의 시간 데이터 및 표준시로 변환하기 위한 계수, P 코드용 키워드 및 특수 메시지. 천문력은 위성의 상태와 궤도 매개변수에 대한 데이터입니다. 이는 수신기가 수학적 케플러 모델을 사용하여 위성의 현재 및 미래 위치를 계산하는 데 도움이 되는 계수입니다. 또한 이러한 메시지에는 C/A 코드 사용자를 위한 위성 시계 및 전리층 전파 지연에 대한 보정 요소가 포함되어 있습니다. Almanac은 천문력과 시스템에 남아 있는 위성의 상태(수신기 메모리에 저장됨)에 대한 데이터입니다. 이 데이터 덕분에 수신기는 시스템의 모든 위성이 보이지 않더라도 항상 어디에 있는지, 좌표를 결정하는 데 가장 적합한 위성을 "알" 수 있습니다.

GPS 수신기는 위치를 어떻게 결정합니까?

GPS 시스템은 의사 난수 코드(pseudo-random code)를 사용하여 결정된 위성 랜드마크까지의 거리를 결정하는 방법을 사용합니다. 이를 위해 수신기는 위성의 코드와 정확히 일치하도록 내부 코드를 동시에 생성합니다. 수신기는 위성 코드의 해당 부분을 수신하는 것과 자체 코드의 동일한 부분을 수신하는 사이의 시간 차이를 비교합니다. 시간 이동과 전파 전파 속도를 알면 수신기는 의사 거리라고 하는 위성까지의 거리를 수신하고 두 거리에서 위성의 정확한 위치를 확인할 수 있습니다(그림 2). 왜 "의사"입니까? 문제는 수신기와 위성의 의사 난수 코드가 생성되는지 확인하는 것입니다. 동시에. 위성 측면에서는 여기에 어려움이 없습니다. 위성의 시계는 매우 정확하며 지구 신호에 따라 조정됩니다. 수신기 시계의 정확도가 떨어지며, 전리층, 대류권 등에서 신호 전파가 지연됩니다. 전체 오류를 생성합니다(그림 3). 이를 수정하기 위해 GPS는 세 번째 위성의 범위 측정을 사용합니다.

동일한 거리의 두 원을 따라 2차원 좌표를 결정할 때 수신기는 그것이 실제로 그 위에 있는지 여부를 "알지 못합니다". 예를 들어, 수신기 시계가 느린 경우 실제 위치는 더 가까워지지만 각각의 경우 비례적으로각 위성에 더 가깝습니다. 3번째 위성의 위치선을 입력하면 명확한 결과를 얻을 수 있다. GPS 수신기에는 세 개의 위치선에 대한 정보를 가져와 이를 대수적으로 해결하는 프로그램이 있습니다. 이러한 계산은 경도, 위도 및 시계 오류라는 세 가지 미지수에 대한 세 가지 방정식에 대한 해를 제공합니다. 그렇기 때문에 2D 좌표를 결정하려면 최소 3개 이상의 위성이 필요하고 3D 좌표를 결정하려면 4개가 필요합니다.

정확도에 대하여

GPS 사용자는 시스템의 실제 정확도에 관심이 있습니다. 즉, GPS 수신기에만 의존하여 항해 위험 요소에 얼마나 가까이 다가갈 수 있습니까? 불행하게도 이 질문에 대한 명확한 답은 없습니다. 이는 GPS 오류의 통계적 특성 때문입니다.

GPS 오류의 원인

SA 모드
평시에는 수십 미터의 오차가 추가됩니다. 특별한 경우에는 수백 미터의 오차가 발생할 수 있습니다. (미국 정부는 수백만 명의 사용자에 대한 시스템 성능에 대한 책임이 있으며, 충분히 심각한 이유 없이는 이러한 상당한 정확도 감소가 도입되지 않을 것이라고 예상할 수 있습니다.) 의사 난수의 전송 시간을 혼란스럽게 이동함으로써 달성됩니다. 암호. SA에서 발생하는 오류는 무작위이며 각 방향에서 동일하게 발생합니다. SA는 GPS 방향과 속도 정확도에도 영향을 미칩니다. 이러한 이유로 고정 수신기는 속도와 방향이 약간씩 변하는 경우가 많습니다. 따라서 SA의 영향 정도는 GPS 방향과 속도의 주기적인 변화를 통해 어느 정도 평가할 수 있습니다.

전리층과 대류권에서 전파 전파 지연
진공에서 전파의 속도는 일정하지만 신호가 대기에 진입하면 속도가 변합니다. 시간 지연은 다른 위성의 신호에 따라 다릅니다. 전파 전파의 오류는 대기 상태와 수평선 위 위성의 높이에 따라 달라집니다. 위성이 낮을수록 신호가 대기를 통과하는 경로가 길어지고 왜곡이 커집니다. 대부분의 수신기는 수평선 위 고도가 7.5도 미만인 위성의 신호 사용을 배제합니다. (대기 간섭은 하루 중 시간에 따라 달라집니다. 일몰 후에는 전리층의 밀도와 무선 신호에 대한 영향이 감소합니다(단파 무선 통신사에게 잘 알려진 현상).

반사 신호의 영향(다중 경로)
수신기는 위성의 직접 신호 외에도 바위, 건물, 지나가는 선박에서 반사된 신호도 수신할 수 있습니다. 상부 구조나 장비로 인해 수신기에서 직접 신호가 차단되면 반사된 신호가 더 강해질 수 있습니다. 이 신호는 더 긴 경로로 이동하며 수신기는 신호가 실제보다 위성에서 더 멀다고 "생각"합니다. 가까이 위치한 물체만이 충분히 강한 에코를 제공할 수 있기 때문에 이러한 오류는 100m보다 훨씬 작습니다.

위성 기하학
위치가 결정되는 위성 수신기를 기준으로 한 위치에 따라 다릅니다. 수신기가 4개의 위성을 "포착"하고 모두 북쪽에 위치한다면 위성의 기하학적 구조가 좋지 않은 것입니다. 결과적으로 최대 90-150m의 오류가 발생하거나 심지어 좌표를 결정할 수 없게 됩니다. (네 가지 차원은 모두 같은 방향에 있고 교차 영역이 너무 큽니다. 그림 4)

동일한 4개의 위성을 사용하여 수평선 측면에 균등하게 배치하면 정확도가 크게 향상됩니다. 이 경우 SA를 사용해도 정확도는 30m 이상에 이릅니다.

위성 기하학은 PDOP(Position Dilution Of Precision) 또는 HDOP(Horizontal Dilution Of Precision) 요소로 측정됩니다. 위성의 이상적인 위치는 PDOP=1에 해당합니다. 큰 값은 위성 기하학이 좋지 않음을 나타냅니다. PDOP는 다른 오류에 대한 승수로 사용됩니다. 수신기가 측정한 각 의사 범위에는 대기 간섭, 천문력 오류, SA, 반사 신호 등에 따라 자체 오류가 있습니다. 따라서 이러한 오류의 추정값이 총 50m이고 PDOP = 1.5이면 예상되는위치 오류는 75m입니다.

GPS 수신기는 PDOP를 사용하여 정확도를 평가하기 위해 정보를 다르게 표시합니다. HDOP 외에도 GQ(Geometric Quality, HDOP의 반대) 또는 포인트 단위의 정성적 평가가 사용됩니다. 많은 최신 수신기는 EPE(Estimated Position Error)를 거리 단위로 직접 표시합니다. EPE는 위성의 위치와 SA, 대기 조건, 위성 시계 오류에 따른 각 위성의 신호 오류 예측을 고려하며 천문력 정보의 일부로 전송됩니다.

차량 내부, 울창한 숲, 산, 고층 건물 근처에서 GPS 수신기를 사용할 때도 위성 형상이 문제가 됩니다. 개별 위성의 신호가 차단되면 나머지 위성의 위치에 따라 GPS 위치가 얼마나 정확한지 결정됩니다. 해당 위성의 숫자는 위치를 전혀 확인할 수 있는지 여부를 나타냅니다.

좋은 GPS 수신기는 사용 중인 위성뿐만 아니라 해당 위성의 위치(방위각 및 고도)도 표시하므로 특정 위성이 수신에 어려움을 겪고 있는지 확인할 수 있습니다. 그림 5는 GPS 디스플레이에 잘못된 위성 배치의 예를 보여줍니다. 위성 22번, 01번, 09번은 보이지 않습니다. 이러한 상황에서는 큰 경도 오류가 발생할 수 있습니다. 위도는 아마도 매우 정확하게 결정될 것입니다.

정량화 정확도

GPS 수신기의 정확성을 명확하게 확인하는 간단한 테스트는 충분히 오랜 시간 동안 고정 수신기의 판독값을 주기적으로 기록하는 것입니다. 예를 들어 2분에 한 번씩. 하루 안에. 플로터나 컴퓨터가 GPS에 연결되어 있으면 이 작업을 더 쉽게 수행할 수 있습니다. 얻은 좌표를 태블릿에 플롯하면 그림과 유사한 그림이 나타납니다. 7.

GPS 위치 분포는 정규(가우스) 법칙과 상당히 잘 일치하는 것으로 간주됩니다. 즉, 더 많은 수의 측정에 대해 편향 또는 체계적 오류는 0입니다. 민간 GPS는 SA 없이 15미터 RMS의 정확도를 제공하며 SA 모드에서는 2DRMS=100m입니다. 이것은 무엇을 의미합니까? RMS(제곱 평균 제곱근) - 경도와 위도 편차의 제곱합을 측정 횟수로 나눈 제곱근입니다. 점의 65%가 RMS 반경의 원 내에 속합니다. 2DRMS는 이중 RMS를 의미합니다. 공간적 2차원 가우스 분포의 경우 분포가 타원형(위도 및 경도의 다양한 오류)인 경우 점의 95%가 간격 플러스 또는 마이너스 2DRMS 내에 속하고 원형 분포의 경우 최대 98%에 속합니다. 한쪽 하늘이 신호에 닫혀 있으면 GPS 위치 분포는 타원형이 됩니다.

GPS와 "문제-2000"

GPS 관리는 모든 지상 서비스가 완벽하게 준비될 것을 약속하며 이 문제는 위성 신호 전송에 영향을 미치지 않습니다. "GPS 시스템 시간 롤오버"로 알려진 또 다른 주요 GPS 시스템 이벤트는 1999년 8월 21~22일 자정에 발생합니다. 이 때인 1024주 주기의 위성 항법 메시지 변경이 끝나고 카운트다운이 새로 시작됩니다.

대부분의 최신 수신기 제조업체는 자사 제품이 이러한 문제로부터 보호된다고 주장하지만, 안전을 위해 구형 GPS 모델 소유자는 공급업체에 문의하는 것이 좋습니다. 저자는 1999년 8월 22일과 12월 31일(그리니치 표준시) 자정 이후에는 다른 탐색 수단을 사용하여 GPS 판독값의 정확성을 동시에 확인해야 한다고 믿습니다. 특히 수신자가 잘못된 날짜나 시간을 표시하는 경우.

결론

대부분의 경우 GPS는 수십 미터 이내의 높은 정확도를 제공하며 이는 정상적인 조건에서 탐색에 충분합니다. 그러나 어떤 순간에는 최대 케이블 길이 이상의 편차가 발생할 수 있다는 점이 사용자에게 중요합니다. 이러한 오류가 발생할 확률은 극히 낮지만 무시해서는 안 됩니다. 항상 하나 이상의 탐색 도구를 사용하는 것이 좋습니다. GPS 판독값의 신뢰도를 결정할 때 다음 징후를 고려할 수 있습니다.

위성 위치에 대한 수신기 정보입니다. 정확도에 영향을 미치는 요인의 가장 높은 값과 우선 위성 기하학의 불리한 조합으로 최대 오류가 가능합니다. 일반적으로 EPE 20-40m를 표시하는 수신기에서는 60m 이상이 나타납니다.);
수신기 안테나 위의 하늘 가시성;
이전 기간 동안의 GPS 위치 변화(대규모로 플로팅 수행)
GPS에 따른 코스와 속도를 나침반과 로그 판독값에 대응시킵니다.
신호를 반사하는 물체의 존재.

또한 지도 좌표계(Map Datum)는 여러 국가에서 지도를 만드는 데 사용되는 다양한 지구 타원체 모델과 연관되어 있다고 말하는 것이 적절합니다. 이들 사이의 차이는 500m에 달할 수 있으며, GPS와 지도를 사용하여 작업할 때 사용자는 이를 고려하고 적절하게 조정해야 합니다.

그리고 마지막으로 한 가지. 이전에는 GPS 수신기 자체의 정확도만 고려되었습니다. 그리고 GPS를 사용한 최대 내비게이션 오류는 위성 - 수신기 - 사용자 - 지도 - 사용자 등 전체 체인의 최대 오류에서 합산됩니다.

자료 준비에 도움을 주신 NAVICOM, TRANSAS MARINE, ALTAIR 및 Mr. Peter Dan(Texas State University)에 감사드립니다. (www.host.cc.utexas.edu.ftp?pub/grg/gcraft/notes /gps/gps.html).

이 출판물은 인터넷과 Bonnie Dahl의 자료를 바탕으로 작성되었습니다. GPS 사용자 가이드 - GPS(Global Positioning System). Richardson Marine Publishing, 1993.

알렉산더 사모일로프

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