2. 목 차
1. GPS 개념
2. GPS 구성
3. GPS 측량원리
4. GPS 측량방법
5. 향후 전망
3
6
12
20
25
3. Global Positioning System
범 지구 위치결정 시스템
위성 전파를 이용한 위치측정 시스템
24개의 Navstar 위성을 사용
기상에 관계없이 24시간 위치결정
고도의 정확성 및 신속성 확보
실시간 및 후 처리에 의한 위치 결정
시통에 관계 없이 측량 가능
위치결정
위치결정(
(경위도
경위도)
)
위치결정
위치결정(
(경위도
경위도)
)
1. GPS 개념 – GPS란 무엇인가?
4. 시작, 동기
Where on earth am I ?
미국의 GPS 개발 동기
해양에서의 미함대 위치
2차대전 이후 미국이 개발 주도
최초 - Ground Based Radio Navigation System
지상에 Radio 반송파 발생기를 설치
Omega, Decca, Loran 시스템 등
시통 불가 지역에서 사용 못함
정확도 : 수백m 수
Best Solution! – Satellite Based Navigation System
- Radio 반송파를 발송하는 인공위성을 이용
- 시통 한계 극복, 높은 정확도, 전 세계 대상
- TRANSIT, Navstar GPS 등으로 발전함
1. GPS 개념 – GPS의 역사(1)
5. NNSS(US Navy Navigation System)
TRANSIT 위성 사용
1950~1960 미 해군에서 개발
2차원 오차 : 약 460 m
Navstar GPS
(NAVigation Satellite Time And Ranging Global Positioning System)
GPS 위성 사용
미 국방성에서 1970년대 초부터 개발
2차원 오차 : 약 20m (SA Off)
1978년부터 정상가동위성 발사
83년 KAL-007기 격추 이후 84년부터 일반인 사용이 가능해짐
1. GPS 개념 – GPS의 역사(2)
7. 29개의 GPS 위성으로 구성됨
Block II, Block IIA, Block IIR
위성 사용
위치결정에 사용되는 위성은 24
개
4개 위성은 예비 위성
총 6개의 궤도, 1궤도당 4기의
위성 배치
Any Time, Any Where 구현
2. GPS 구성 – 우주부분(1)
8. 항 목 제 원
궤도 반경 20,183km
궤도 경사각 55°
승교점 적경 간격 60°
공전주기 0.5일
위성
항목
BLOCK II BLOCK IIA BLOCK IIR
수명 7.3년 7.3년 7.8년
위성시계 세슘, 루비듐 원자시계 각 2개 두비듐 원자시계 4대
무게 1500kg 이상
사용 위성 수 4 18 6
사용 시작 연도 1989년 1990년 1997년
사용 위성 번호 (SVN)13-21 (SVN)22-40 (SVN)41-62
궤도의 제원
위성의 제원
2. GPS 구성 – 우주부분(2)
9. 라디오 주파수에 사용되는, L-밴드에 속
한 L1, L2 파를 발송함
L1-파 : 1575.42 Mhz
C/A 코드, P 코드가 수반됨
L2-파 : 1227.60 Mhz
P 코드만 수반됨.
C/A(Coarse/Acquision) 코드
일반용 코드, 낮은 정확도
P(Precision) 코드
군용 코드, 높은 정확도
항법메시지
위성상태 정보, 궤도 정보 등 포함
Any Condition 구현
GPS Signals
2. GPS 구성 – 우주부분(3)
Code
C/A
(Coarse/
Acquisition)
P
(Precise)
L1 or L2
L1 and L2
Frequency
1.023 MCPS
10.23 MCPS
Chip Rate
1 msec
1 week
Period
Gold
PRN
Type
Moderate Accuracy
Benign Environment
P-Code Acquisition
High Accuracy
ECM Environment
Secure
Applications
10. 주관제국(1개소), 모니터국(5개소), 지상관제국(3개소)
GPS 위성의 움직임을 추적하여 궤도정보와 시계오차를 계산
갱신된 정보를 GPS 위성으로 재전송
위성에 탑재된 각종 기기의 동작 상태 점검
GPS 모니터국의 배치
(적도를 따라 균등 배치 -> 모든 위성 포착)
2. GPS 구성 – 제어부분
11. 각종 User Segment
측지측량용 손목시계형 GPS+PDA GPS 휴대폰
2. GPS 구성 – 사용자부분
Digital Map
INS
Data Link
GIS
Network
Cellular
Land
Navigation
Marine
Navigation Aerospace
Navigation
Military
Attitude
Control
Surveying
Geodesy
Timing
Personal
Navigation
AVLS
ITS
Deformation
GPS Receiver
Chipset design
Processing algorithm
12. X
Triangulation from
satellites is the
basis of the system.
To triangulate, GPS measures
distance(pseudorange) using
the travel time of a radio signal.
To measure travel
time, GPS needs very
accurate clocks.
In addition to knowing the
distance to a satellite, a user
needs to know the satellite’s
location.
As the GPS signal travels through
the ionosphere and earth’s atmosphere,
it gets delayed(error sources).
1
2
3
4
5
3. GPS 측량원리 – How GPS Work ?
13. Satellite 3
(x3, y3, z3)
Satellite 2
(x2, y2, z2)
RCVR (xu, yu, zu)
Satellite 1
(x1, y1, z1)
Satellite i
(xi, yi, zi)
ru
ri
i
u
u
i
i b
c
r
r
i
u
u
i
i b
c
r
r
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
i
u
T
i
i
i
i
b
c
r
H
1
ˆ
i
i
i
i
u
i
u
u
i
u
i
T
i b
b
b
r
r
r
r
r
r
r
H
ˆ
,
ˆ
,
ˆ
,
ˆ
ˆ
i
i
r
u
r
c
u
b
i
= pseudo-range for sv i
= position vector of sv i
= position vector of rcvr
= speed of light
= clock bias of rcvr
= other errors
3. GPS 측량원리 – GPS Measurement Modeling
i
u
u
u
u
i
u
u
i
u
i
u
i
i
c
z
y
x
f
b
c
z
z
y
y
x
x
)
,
,
,
(
)
(
)
(
)
( 2
2
2
Pseudo-ranges
Estimated pseudo-ranges
Residuals of estimated pseudo-range
where,
Pseudo-range measurements
14. ZT
XT
YT
Reference
meridian
Center of mass
CTP
ECEF(Earth-Centered, Earth-Fixed)
GPS provides the position of a user in WGS(World Geodetic System)
84 ECEF coordinate frame
3. GPS 측량원리 – GPS Coordinate Frames
Conventional Terrestrial Reference
System(CTRS)
Origin at the center of mass of the
earth
z-axis through the CTP
x-axis passing through the
intersection of the CTP’s
equatorial plane and a reference
meridian.
y-axis is defined in the equatorial
plane to complete a right handed
coordinate system.
15. 전파의 이동시간 계산
거리계산 : 수신기와 위성 사이의 거리
거리 = 빛의 속도 x 전파의 이동 시간
벡터 방정식(위치결정 방정식)
거리 = | 위성의 위치벡터 (기지값) - 수신
기 위치벡터 (미지값) |
4개 위성 데이터 → 4개 방정식 → 4개 미지
수 (X, Y, Z 좌표, 수신기
3. GPS 측량원리 – 단독측위
GPS time
Satellite time
Receiver time
(t-t) t
dts
dtu
Transit time : t
Pseudo-transit time : t (dtu dts
)
Pseudorange : ct (dtu dts
)]
16. 이온층, 대류층 지연오차
수신기, 위성 시계오차
다중경로
Selective Availability (S/A)
Anti Spoofing (A-S)
P-코드에 Y-코드를 덧입혀 암호화
함
적이나, 일반 사용자가 P-코드를
사용하지 못하게 함
GPS 측량의 정확도를 크게 저하시킴
3. GPS 측량원리 – 오차원(Error Source)_(1)
18. GPS 측량 정확도의 지표 중 하나
정밀도 저하율
위성의 기하학적 배치 상태는 정확도에 영향을
미침
다음과 같은 종류가 있음
VDOP:Vertical DOP(높이)
HDOP:Horizontal DOP(위도, 경도)
PDOP:Positional DOP(위도, 경도, 높이)
GDOP:Geometric DOP(위도, 경도, 높이,시간)
GDOP은 위치 및 시간에 대한 정밀도 저하율을
모두 제시하며, 가장 많이 사용된다.(적정값은 2
~ 8)
3. GPS 측량원리 – DOP(Dilution of Precision)
19. GPS 측량의 각종 오차원들을 소거하는 기법
동일오차조건을 이용
두 대 이상의 수신기에서 4개 이상의 위성데이터를 동시에 수신
데이터의 통합처리, 정밀한 상대거리 산정
기준점 좌표를 이용한 미지점 좌표 계산
3. GPS 측량원리 – 상대측위
20. 가장 단순한 위치 측정법
20m 수준의 오차
휴대용 GPS수신기
각종 모바일 GIS 단말기와 함께 사용됨
무선데이터모뎀과 함께 장착되어 중앙관제용 AVL 단말기로 사용
4. GPS 측량방법 – 단독측위
방 법 내 용 정밀도
단독측위 GPS 수신기 1대로 위치측정 10m
DGPS
GPS에 무선 송수신장치를 결합/후처리 및 실시각 정밀위치
측정
1~5 m
후처리상대측
위
2대 이상의 GPS 수신기를 이용하여 고정밀 상대위치 측정 수 mm
실시각이동측위
2대 이상의 GPS 수신기를 이용하여 실시각 고정밀 위치 측
정
1~3cm
GPS측위기법에 따른 정확도 비
교
21. Carrier Phase DGPS 방식
두 대 이상의 수신기 사용, 동일시간대
관측
항측 기준점, 국가기준점 측량 등에 사용
0.5mm + 1ppm 정밀도
기선 길이가 길 수록 장시간 관측이 필요
20km 기선 측량에 약 4시간 관측
4. GPS 측량방법 – 상대측위(정적측위)
SEOS
JUNJ
CNJU
TP01
TP06
TP09
TP08
TP12
TP11 D022
TP18
TP16
TP15
TP14
TP17
G026
Y027
TP10
TP04
J027 J028
TP05
TP03
TP07
C022
TP13
TP02
22. 실시간 Carrier Phase DGPS 방식
라디오 연결을 통하여 실시간으로 정밀한 상대거리 계산
현황측량, 공사측량, 실시간 지도제작 등에 사용됨
수평오차 3 cm , 수직오차 5 cm 수준
4. GPS 측량방법 – 상대측위(RTK : Real Time Kinematic)
23. 실시간 Code DGPS 방식
해양수산부에서 기준국 운영함
국내 8개 기준국 운영(전국 포괄함)
실시간 보정 데이터를 방송함을 통하여 사용자가 0.5~5m 정확도
의 측량을 할 수 있게 함
각종 해상 측량, 실시간 지도제작 등에 사용됨
4. GPS 측량방법 – 상대측위(Beacon DGPS)
24. 실시간 Code DGPS 방식
NavCom, OmniStar 등의 업체에서 운영
15cm(수직 30cm) 수준의 오차
국내 서비스도 시작됨
INMARSAT, EGNOS 등의 위성을 사용함
Beacon 시스템에 비하여 안정적이며, 더 정
확함
4. GPS 측량방법 – 상대측위(위성 DGPS)
상시관측소 FM방송국
FM Sub-
carrier를 이용한
DGPS 방송
25. Block IIF 위성의 발사와 민간용 L5 밴드의 추가
정확도가 대폭 향상될 예정임
유럽연합의 GALILEO 프로젝트, 일본의 독자적인 항법
용 위성 시스템 개발이 추진됨
GPS 외에 새로 발사될 위성전파들을 위치결정에 함께
사용하는 GNSS 개념이 도입될 예정임
보다 향상된 위치측정 서비스 이용이 가능하게 될 것으
로 보임
GPS Block IIF 위성
GALILEO
5. 향후 전망(1_1)
26. 5. 향후 전망(1_2)
분 야 응 용
측지측량
정밀 3차원 측지망 구성, 기준점 측량, 중력측량, GPS/INS항공촬
영, 위성영상획득, 각종 공사측량
지구물리학
지각변동관측, 지질구조해석, 지구의 자전속도 및 극운동 변화량
검출, 항공지구물리,
항법 및 교통
지능형교통시스템(ITS:인프라관리),차량항법, 선박항법(통행관리,
항구접안 및 항해), 항공기(비정밀접근 및 착륙, 지상경계, CAT
Ⅰ·Ⅱ·Ⅱ 접근 및 착륙)항법시스템, 고속철도
GIS Mapping
지도제작, 주제도 제작, 수자원관리, 삼림자원 관리, INS(Inertial
Navigation System)를 이용한 매핑시스템
기상 및 해양
GPS기상학, 해수면 감시, 시추공 위치결정, 해상중력측량, 해상탐
색 및 구조, 준설작업, 해저지도 작성, 해양자원탐사
재난 및 레저 119, 소방, 재난,미아찾기, 등산, 여행, 탐사, 골프, 스키, 하이킹
우주(인공위성) 궤도결정(실시간 및 후처리), 자세결정
27. 증강현실 구현
증강현실(AR, Augmented Reality)
- 실제 촬영한 화면 위에 그림·문자 등의 새로운 정보를 합쳐 하나의 영상으로 보여주는 가상현실
- 최근 스마트폰의 확산으로 본격적인 상업화
- 1990년대 후반부터 미국·일본을 중심으로 연구·개발이 진행
- 미래를 이끌 10대 혁신 기술(미국 시장 조사기관인 가트너 그룹)
- 증강현실 시장은 올해 200만달러에서 2014년에는 73억달러 이상으로 성장할 것으로 예측(주니퍼
리서치)
국가기관, 지자체
(DB 구축 및 재가공)
서비스 제공
(국민, 지자체, 통신사, 포털)
위치정보의 고도화
(GPS, LBS, CNS)
5. 향후 전망(2)
28. 국가 통합기준점
국가기준점 현황
- 전국 동시 통합 망조정 정밀성과 : 14,950점(GPS: 2․3등 기준점측량
성과)
- 수평위치 ±1.5cm, 수직위치 ±3cm 위치정확도 확보
- 구 행자부 및 건교부 GPS 상시관측소 VRS망 통합 : 44개소
- 통합기준점 설치 추진 중 : 총 1,200점(2008-2011년)
- VLBI 관측소(2011년 완공 예정)
5. 향후 전망(3)
설치기관 수량
국
토
해
양
부
국토지리
정보원
기준점통합
(‘08.4.21)
14
(구)행자
부
지적팀
30
위성항법중앙사무소 25
한국천문연구원 9
한국지질자원연구원 7
대한지적공사 2
계 87
운용기관별 상시관측소
현황 VLBI → 천문연구원 KVN 활용
GPS상시관측소 → 통합운영
3차원 통합기준점 → 격자망으로 설
치
수준점 → 선별하여 GPS, 중력측량
실시
삼각점 → 선별하여 별도 관리
지적삼각점 → 선별하여 별도 관리
지적삼각보조점 → 선별하여 별도 관
리
도근점 → 선별하여 별도 관리
기준점
체계
30. 목 차
1. GPS 측량과정
2. GPS 관측망 설계
3. 답사 및 선점
4. 관측계획 및 관측
5. 데이터처리
31
32
33
34
36
31. 답사와 선점
관측계획, 관측
점검계산
매설
관측망 설계
데이터 처리
성과철 정리,납품
지형도에서 1차 선점, 현장 답사를 통한 수정
GDOP 및 관측 가능 위성수 분석, 관측
현장 관측 후 점검계산, 재측대상 기선선정
공공 기준점의 경우 매설을 통한 표지 설치
주망(기준점망)설계, 세부 관측망 설계
실내 데이터 처리, 최종 성과 계산
성과철 정리, 납품
1. GPS 측량과정
32. 2. GPS 관측망 설계
기준점 관측
망
TP11
TP14
TP17
TP15
TP18
TP16
TP13
10-7-24-4
10-7-14-1
10-8-0-0
10-6-21-3
10-9-0-0
10-6-0-0
10-6-21-6
TP12
10-8-22-1
수준측량망 설계
성과 계산 대상 측점들의 위치 선
정
항측기준점
공공기준점
기타 관측대상 미지점
33. 3. 답사 및 선점(매설)
측량의 기준이 되는 국가기준점
의 현황 조사
휴대형 GPS를 이용하여 위치 추
적
망실, 이설 여부 조사
국가기준점 현황 조사서 제작
공공측량의 명칭 측량계획기관 국토지리정보원
작업규정 승인번호 측량작업기관 ㈜ 범아엔지니어링
조사일시 조사자 박 종 필
삼각점 :
수준점 : 11-2-0-0
기준점의 소재지
완 전 ○
요복구
망 실
조사대상 국토지리정보원에서 기준점성과표를 발급받아 선정한 모든 기준점
* 기재요령
① 기준점 명칭 : 삼각점, 수준점으로 구분
② 기준점 번호 : 삼각점, 수준점의 번호별 기록
③ 1/50,000 지형도 명칭 : 도엽명을 기록
④ 조사자의 판단 : 해당란에 ○ 표기
완 전 : 상하부표석이 완전하고 사용이 가능한 것.
요복구 : 상부는 훼손 또는 파괴되고 하부만 완전한 것.
망 실 : 상하부 모두 훼손 또는 파괴된 것.
국가기준점 현황조사
접경지역 1/5,000 수치지형도 제작
2004년 11 월
기준점 명칭 점번호
1/50,000
지형도명칭
서 울
서울시 강서구 개화동 427-2
조사자의 판단
비 고
(특이사항)
현 황 기 록 사 진
위성 측위 환경의 적절성 고려
(장애물, 위성궤적 고려)
향후 활용을 위한 시통성, 접근
성,
관리성 등을 고려
위성의 궤적
방위와 고도의 표시
0.45
지반
콘크리
트 타설
표주
0.50 * 단위 : m
34. 4. 관측계획 및 관측(1)
국가기준점 성과 검증
세부 관측망 관측
주 관측망 관측
주 관측망을 먼저 관측함
국가기준점 성과를 위치기준으로 사용함
국가기준점에 기준국을 세우고 세부 관측
실시
기지국
2
기지국
1
이동국
관측시간대 결정
전용 관측계획 프로그램 사
용
포착가능위성 수 분석(5개 이
상)
위치정확도 저하율 분석
관측 위험 시간대
35. 4. 관측계획 및 관측(2)
GPS 관측
GPS 안테나에 표시된 북쪽 방향 표시를 실제로 북쪽으로
조정
조정하지 않으면, 2cm 범위의 위상파 수신지점 변동오차
발생
최대 2cm의 추가적인 오차가 발생할 수 있음
세션별 관측 TP01
TP02
TP03
TP04
TP05
TP06
TP07 TP08
TP09
TP10
CO2
2
TP11 TP12 TP13
TP14
TP15
TP16
TP17 TP18
YO27 JO27
GO2
6
DO2
2
JO28
장애물 도표
36. 5. 데이터 처리(1)
관측 작업 종료 후 당일 기선해석 수
행
수신 데이터의 질 평가
점검계산(환폐합차 계산)을 통한 측
정벡터 정확도 감사
불량 기선은 재측함
불량 수신데이터
두 측점간의 정밀한 상대위치 계산
3차원 벡터(Dx, Dy, Dz)량 계산
비율, 기준 분산, RMS 등의 통계수치
로 정밀도 판별
좋은 기선해석 정밀도
비율 > 10, 기준 < 5
RMS < 3cm
기선해석
37. 5. 데이터 처리(2)
수신 데이터를 편집하여 처리 정밀도를 향상
시킴
불량수신 구간 삭제
편집 한계
위성 데이터 수는 5개 이상이어야 함
데이터 삭제 량이 30% 이하 이도록 함
편집 후 데이터 재처리
다른 세션과의 조합에 의한 최소변수의 다각
형을 선정하고, 기선벡터 요소(DX, DY, DZ)
에 대한 환폐합차를 계산한다.
중복하는 기선벡터 요소를 비교, 점검한다.
환폐합차와 중복기선차의 허용한계
불량데이터 재처리
현장 점검 계산
38. 5. 데이터 처리(3)
GRS80 좌표계산
망조정
데이터 처리 프로젝트에 상시관측 데이터 추가
상시관측 데이터와 현장관측데이터 사이의 기
선 해석
상시관측점 좌표를 고정하여 망조정
SEOS
JUNJ
CNJU
TP01
TP06
TP09
TP08
TP12
TP11 D022
TP18
TP16
TP15
TP14
TP17
G026
Y027
TP10
TP04
J027J028
TP05
TP03
TP07
C022
TP13
TP02
포인트 위도 N 오차 경도 E 오차 타원체고 H 오차
TL01 37°24'58.87"N 0.012m 127°04'10.58"E 0.011m 233.83m 0.040m
TL02 37°24'38.25"N 0.017m 127°04'03.73"E 0.014m 193.64m 0.043m
TL03 37°24'58.98"N 0.015m 127°04'25.68"E 0.013m 244.97m 0.051m
TL04 37°24'33.24"N 0.013m 127°04'37.89"E 0.011m 134.64m 0.039m
TL05 37°24'57.44"N 0.011m 127°04'36.86"E 0.011m 164.56m 0.038m
