［GP01T］

GPS 수신장치 기술

GPS수신장치는 GPS 수신기와 안테나, 자료처리 소프트웨어로 구성되어 있으며, GPS 위성으로부터 신호를 수신하여 안테나의 위치와 속도 및 시각을 알 수 있다. 이중 GPS 수신기와 GPS 안테나의 구성 및 역할에 대하여 알아보았다.

1. GPS 수신장치의 역할

GPS 수신기의 주요 변수로는 최대 추적 가능 위성 수, 위치와 시간의 정확도, 위치, 속도, 시간, PDOP 등의 출력변수 들이 있으며, 다음과 같은 역할을 하게 된다.

가. 위성의 포착

수신기의 기본적 기능으로서, 추적 가능한 위성을 포착하는 기능이 있다. 수신기는 almanac정보를 기억하여, 이 정보와 현시각으로부터 각 위성의 위치와 속도를 계산한다. 그리고 계산 결과로부터 포착할 위성을 결정한다. 삼차원 위치를 계산하기 위해서는 최저 4 개의 위성을 포착할 필요가 있다.

나. 의사 거리의 측정

위성신호의 송신 시간과 수신 시간의 시간차와, 수신기 내부의 고유의 시간지연을 변수로서, 그 시간차로부터 의사 거리를 산출한다.

다. 위성 메시지의 해독

위성의 위치 계산에는, 위성의 위치를 알 필요가 있으며, 이 정보는 Ephemeris data에 의해 알려진다. 따라서 수신기는 이 Ephemeris data를 항상 관측, 기억, 변경할 필요가 있다.

수신기에는 위성의 포착을 순차로 행하는 방법과, 연속해서 행하는 방법이 있다. 그 용도에 따라 나누어 사용할 수 있는데, 일반적으로 DGPS에 대한 대응 등으로부터 연속하여 행하는 방법, 연속 tracking (Multichannel)법이 주류이다.

2. GPS 수신장치의 요구사항

일반적으로 고정밀 GPS 시스템의 기본적인 사양은 다음과 같다.

- GPS 신호를 추적하고 데이터를 측정한다.

- 측정된 데이터를 기록하고 다른 수신기로 실시간 무선 전송한다.

- 제어/디스플레이 유닛을 통해 사용자 명령을 입력받고, 결과를 출력한다.

- 배터리, 연결 케이블, 휴대용 케이스를 포함한다.

GPS 수신기가 갖추어야 할 요구사항에 대한 기본모델을 제시하고 각 아이템의 기술적인 사항들을 요약하면 다음과 같다.

가. GPS Signals

차세대 수신기는 모든 GPS위성으로부터의 모든 신호에 대한 추적 및 측량이 가능해야 한다. 여기에 포함되는 신호는 C/A-L1 코드(Code)와 캐리어(Carrier), P-L1 코드와 캐리어, P-L2 코드와 캐리어 등이다. 코드 신호만으로는 미터 수준의 정확도만 기대할 수 있고, 밀리미터 수준의 정확도를 위해서는 캐리어 신호가 요구된다. 또한 전리층의 효과를 제거하기 위해서는 L1만으로는 불가능하며 L1+L2가 정확한 결과를 얻기위한 필수 요건이다. 차세대 수신기는 위성신호를 20~30 dB*Hz 이하로 추적이 가능해야 한다. 이는 환경적 요인에 의한 신호감쇄를 고려한 요구사항이다. 신호 처리에 의한 다중경로 효과를 중화하는 기능을 가져야 한다. 다중경로는 정확도와 신뢰도 그리고 속도를 감소시키는데, 캐리어 다중경로 오차는 30m이상의 거리에서1mm이내, 코드 다중경로 오차는 30m 이상의 거리에서1m이내이어야 한다. 또한, 차세대 수신기는 다른 신호 소스로부터의 간섭을 방지하기 위하여 최소 50dB의 인밴드(in-band) 간섭억제 기능을 가져야 한다. 위성신호를 받기위한 충분한 채널 수가 요구되는데, GPS 전용 수신기의 경우 12개의 DF(dual frequency) 채널이, GPS+ GLONASS 수신기의 경우는 20 DF채널이 필요하다.

나. 안테나(Antenna)

정확한 위치 계산을 위해 안테나 전극(antenna element)의 위상중심은 2mm이상의 수평 대칭성을 가져야 하고, 안테나 전극은 –35dB이상의 업/다운 비율을 갖는 초크 링(choke ring) 위에 장착되어야 한다.

다. 외부 신호(External Signals)

수신기는 GPS에 동기화된 1 PPS 시각동기화 신호를 가져야 하는데, 이는 시각동기화와 사진측량과 같은 응용분야에 필요한 사항이다. 사진측량을 위해서는 25ns의 정확도를 가진 Event Marker도 필요하다. 또한, 시각동기화 응용의 경우에는 GPS에 고정된 20Mhz의 전파출력을 제공해야 한다. 아울러, 모니터링 기지국에서의 사용을 위해서는5~20Mhz의 외부 전파를 수용할 수 있어야 한다.

라. 데이터 기록(Data Recording)

원할한 신호 처리를 위해서는 16Mbyte의 저장용량을 가져야 하고, 시리얼 포트나 PCMCIA카드를 사용한 전송 등을 위해서 500Kbyte의 전송속도를 가져야 한다.

마. 무선모뎀(Radio Modems)

각 지역에 특정한 전파 스펙트럼에 맞는 무선모뎀(Spread Spectrum(Frequency Hopping and Direct), UHF, and VHF)이 요구되고 응용범위에 따른 전송용량이 맞아야 한다. 외부 케이블을 요구하지 않도록 수신기내에 무선이 통합되어야 한다.

바. DGPS

각 수신기는 기지(base)와 이동체(rover)를 위해 RTCM DGPS 포맷을 지원해야 한다. 이는 미터 수준의 정확도를 위한 코드위상보정 기능을 위한 것이다.

사. RTK

각 수신기는 기지와 이동체를 위해 RTCM RTK 포맷을 지원해야 한다. 이는 센티미터 수준의 정확도를 위한 코드위상보정 기능을 위한 것이다.

아. 제어/디스플레이 유닛(CDU: Control/Display Unit)

수신기에서 데이터 기록의 시작과 정지 그리고 수신기의 동작유무를 알려주기 위한 on/off기능이 있어야 하고, 지역명과 안테나 고도와 같은 정보를 입력하는 기능이 있어야 한다. 사후처리(post processing)시스템은 필드 로그 파일의 지역명, 안테나 고도, 동작시간 등의 내용을 병합하여 사후처리파일을 생성하는 기능을 가져야 한다.

자. 소비전력 및 배터리(Battery)

수신기와 안테나를 포함, 소비전력은 4와트 이하이어야 하고, 케이블 연결이 없는 배터리 일체형이어야 한다.

차. 환경

-20~80°C에서 작동 가능해야 하고, 강우 속에서도 사용이 가능해야 한다. 모니터링 기지국에서는 안테나가 이런 요건을 만족하면 된다.

카. 액세서리(Accessories)

액세러리가 시스템 핵심기능에 간섭을 주어서는 안 된다. GPS액세서리 전문업체로부터의 구입이 필요할 때도 있다.

타. 사후처리 소프트웨어

사후처리 소프트웨어는 윈도우 기반의 소프트웨어가 필수이다. 측량에 응용하기 위해서는 측지 네트워크를 다루는 기능이 있어야 한다.

3. 수신장치의 구성

GPS 수신기는 (그림 1)과 같이 크게 나누어 3개의 블록으로 구성되어 있다. 고주파부는 안테나로 수신한 1.2 또는 1.5 GHz의 신호를 취급하기 쉬운 낮은 주파수로 변환하며 신호처리부에서는 스펙트럼 확산을 원래대로 되돌려 주는 역확산을 하여, 위성으로부터 보내져오는 메시지와 의사거리를 얻는다. 마이크로컴퓨터부에서는 신호처리부로부터 얻어진 메시지와 의사거리에서 현재의 위치를 구하는 연산을 한다.

주파수 변환이나 중간주파증폭 등 이미 잘 알고 있는 부분도 있지만 그것은 GPS 수신기의 아주 일부분에 지나지 않는다. 위성을 포착하거나 위치를 산출하는데 있어서 중요한 역할을 하고 있는 것이 마이크로컴퓨터이며 어느 메이커의 수신기에서도 예외없이 16비트 이상의 처리 능력이 있는 것이 사용되고 있다. 신호처리부는 위성으로부터의 신호와 수신기 내부에서 발생한 PRN코드의 발생을 신호처리부에 지시한다.

신호의 동기를 얻는 하나의 방법으로 딜레이 록크루프가 있다. 이것은 수신신호와 수신기 내부에서 발생한 PRN코드가 완전히 일치하고 있으면 이들 신호를 평형변조기(믹서)에서 적산했을 때의 출력에 포함되는 반송파 주파수 성분이 최대가 되는 것을 이용하고 있다. 3개의 믹서에는 각각1/2클럭의 시간차가 있는 PRN코드가 입력되고 밴드패스 필터와 검파기에 의해 믹서의 출력에 포함되는 반송파 주파수 성분을 검출하도록 되어있다. 이 회로는 상대적으로 1클럭의 시간차가 있는 PRN코드에 반송파 주파수성분이 같아지는 VCO(전압제어 발진기)를 제어한다. 즉, 의사거리와 PRN 코드는 완전히 입력신호의 것과 일치하고, 이것과 입력 신호를 적산한 출력에는 50bps의 메시지로 변조된 신호가 나타난다. 의사거리는 수신신호와 일치한 PRN 코드들이다. 이것과 수신기 내부의 기준신호(시계)와 시간차가 의사거리로 취급된다.

가장 단순한 수신기로는 신호처리 회로가 하나뿐인 1채널 수신기가 있다. 또 측량용의 수신기 가운데는 10채널이나 12채널로 된 것도 있다. <표 1>은 이미 발표된 수신기를 탑재되어 있는 채널수로 분류한 것이다.

 

기본적으로 1채널 수신기는 수신해야할 위성의 PRN 코드를 순차 전환시켜 포착하여 각 위성에 대한 의사거리를 구한다. 회로가 아주 간단하고 소비전력도 적은 특징이 있다. 그러나 각 위성에 대한 의사거리의 동시성 확보가 곤란하여 고속으로 이동하는 경우에 정보를 얻지 못할 가능성이 있다. 2채널부터 4채널 수신기에서는 하나의 채널을 가장 감도가 높은 위성 전용으로 사용하고 남은 채널을 시분할하여 나머지 위성을 포착한다. 1채널 수신기보다는 복잡하게 되지만 멀티채널 수신기보다는 간단하며, 또한 소형으로 되는 특징이 있다.

측위의 정확도는 탑재되어 있는 마이크로컴퓨터의 프로그램에 의해 크게 좌우된다. 이 내용에 대해서는 각 사가 모두 비밀로 하고 있으며, 공개되어 있지 않다. 또한 여러 종류의 수신 방식이 개발되고 있으며, 그 내용에 대해서도 발표되어 있지 않다. 따라서 현 시점에서는 한정된 메이커가 독자의 기술을 구사하여 수신기를 개발하고 있는 실정이다.

4. GPS 수신안테나

위성으로부터 전파를 수신하고 고주파 회로에 그 신호를 출력하는 역할을 한다. 그 때문에 GPS 안테나는 위성으로부터 전파를 고효율로 수신하는 기능과 그 신호를 열화시키지 않고 고주파 회로에 전송하는 기능이 필요하다.

지구에서 위성을 보면 방위, 앙각이 정해져 있지 않고 항상 계속 이동한다. 때문에 GPS 안테나는 전체의 방위에 걸쳐져 앙각으로 실제로 수신 가능한 지향성이 요구되고 GPS 위성으로부터의 전파는 대단히 미약하므로 손실이 적은 안테나가 요구된다. GPS에서 측위를 하려면 동시에 4개의 위성으로부터 전파를 수신해야 한다. 인공위성이라 하면 파라볼라 안테나를 연상하겠지만 GPS의 경우 여러 위성이 지구의 주위를 돌고 있으므로 지향성이 강하고 이득이 큰 안테나를 사용할 수 없다.

GPS 수신기는 그라운드 플레인의 상측에 반원형태의 지향성을 가지며 위성으로부터 송신되는 우선원 편파를 수신하는 것이다. 측량용으로 직교 다이폴이나 헤리칼 안테나, 선박용으로는 헤리칼안테나, 항공기나 자동차는 마이크로스트립 안테나가 사용된다. 현재 소형 안테나로 주로 세라믹 안테나가 사용되고 있다. 위성으로부터의 신호는 넓은 대역에 확산되어 있기 때문에 에너지 밀도가 낮고, 무지향성이므로 안테나 이득은 거의 기대할 수 없다. 그래서, GPS 수신기의 안테나는 이 신호의 감쇄를 보상하고 잡음을 경감시키기 위하여 안테나에 20-40db의 이득을 가진 저잡음 앰프(LAN)을 내장하거나 수신기의 일부인 주파수 변환 호로를 내장하고 LAN에서 신호를 증폭하는 케이블을 통하여 GPS 수신기에 입력한다.

 

5. GPS 수신장치 개발 동향

GPS 수신장치의 경우 고부가가치의 high-end 제품의 시장은 미국과 유럽이 독점하고 있으나, 레저용과 같은 분야에서는 상대적으로 진입장벽이 낮아 다른 지역에서도 활발히 참여하고 있다.

GPS 수신기 중 사용자의 현위치를 확인시켜 주는 개인용 GPS 단말기는 미국이나 유럽의 등산가, 요트경주자, 낚시꾼들에게 이미 오래 전부터 많이 이용되고 있다.

그리고, GPS의 핵심부품인 GPS 패치안테나는 인공위성을 이용한 전파항법시스템으로 항공기와 선박, 자동차항법장치, 지리정보시스템 등에 응용되면서 수요가 크게 늘어나고 있다.

GPS용 패치안테나의 부분품인 컨바이너의 경우 13mm 초소형 GPS용 패치안테나 제품 개발이 이루어지고 있으며, 13x13mm 크기에 두께 3mm인 초소형 패치안테나를 개발도 활성화되고 있다.

최근에는 가로/세로 크기가 각각 1cm이하의  초소형 제품들이 개발되고 있는데, 이는 기존의 가로 세로 크기가 각각 1.5~2.0cm 이상인데다 두께도 두꺼워 점차 소형 경량화되고 있는 개인 휴대용 단말기에는 적합하지 않는 기존 제품을 대체할 것으로 전망되며, 이는 차세대 이동통신인 IMT-2000용 단말기에도 적용가능하다.

국내의 경우에는 GPS관련 핵심기술의 부재로, OEM방식의 생산이 많이 이루어지고 있으며 최근에 들어서 휴대용 및 레저용 단말기 개발, ITS단말기 개발 등이 이루어지고 있다. ♣ <H.D>