알기 쉬운 GPS 측량 :: 3장 GPS위성 신호

* 알기쉬운 GPS 측량 - 오재홍 저 교재를 바탕으로 정리한 내용입니다. 

 

주파수와 파장 

GPS는 정보를 줄 때 전파 신호를 송,수신하기 때문에  인공위성과 GPS에서 파장과 주파수는 필수적이다. 

주파수를 알아야 정보를 전달받을 수 있고 파장을 알아야 거리를 정밀하게 잴 수 있는 이유도 있다. 

 

파장(λ) : 하나의 신호 주기 길이, m단위

주파수(f) : 특정한 시간 동안 지나간 파의 개수, Hz단위

* 1Hz란 1초당 하나의 파장이 지나간 것을 표현 

 

파장과 주파수의 관계 :  λ = 속도 x 시간 

전파의 경우 속도가 빛의 속도와 매우 근접하여 λ = cxt로 표현할 수 있다. 

 

실생활에서 쓰이는 주파수 

사람의 가청 주파수	실내 아날로그 무선전화	KT LTE 서비스	근거리 무선 통신	* 1kHz = 1,000Hz  1MHz = 1,000kHz 1GHz = 1,000MHz
20~20kHz	900MHz	900MHz	2.4GHz, 5GHz

 

ex. 1.8GHz 주파수 20MHz 대역폭의 뜻 

: 주파수를 1.8GHz를 쓰는데 (계산해보면 파장은 16.7m가 나옴) 파장은 진동하므로 +- 20MHz로 보낸다는 뜻

 

어느정도 파장, 주파수에 대해 알게되었다면 반송파(Carrier wave)에 대해 알아보자. 

반송(Carrier) + 파(wave)라는 뜻에 알맞게 통신에서 정보의 전달을 목적으로 만든 전파이다. 정보 전달을 목적으로 하기에 반송파에는 아무런 정보가 존재하지 않는다. 

 

예를 들어 라디오 방송을 볼 때, 음성 신호를 15kHz라고 하자. 그럼 이 음성 신호는 저주파로 멀리 나갈 수 없다. 그래서 FM라디오의 경우 88~1098Hz와 같은 고주파 전파인 반송파를 생성하여 음성 신호를 섞어 송신한다. 그렇게 라디오에 수신된 신호에서 고주파를 빼고 음성 신호만 걸러내어 라디오를 들을 수 있는 것이다.

 

 

 

GPS신호 구성 

GPS는 10.23MHz인 기본 주파수를 기반으로 반송파를 생성한다. 

GPS반송파	주파수	파장	GPS 신호 구성(2026기준)
L1	1,575.42MHz	19.02cm	C/A코드, P코드, M코드
L2	1,227.60MHz	24.42cm	C/A코드, P코드, M코드
L5	1,176.45MHz	25.48cm	P코드

 

GPS에서 L1/L2반송파에 거리 측정을 위한 '코드'라는 신호를 생성하여 섞어준다. 

코드(Pesudo Random Noise Code, PRN Code)는 위성을 구분할 수 있게 위성마다 다르게 가지는 고유한 코드이다. 

 

복잡한 형태의 on, off 신호(1,0)으로 구성되어 있는 PRN코드를 받는다면 어디서 송신한 것인지를 알 수 있다. 

그리고 코드는  민간에서 사용하는 C/A 코드와 군용으로 사용하는 P코드로 구성되어있다. 

출처 ㅣ 알기 쉬운 GPS 측량

 

코드의 종류	주파수	파장길이
C/A	1.023MHz	293.1m
P	10.23 MHz	29.3m

 

 

최근 GPS현대화계획으로 신호체계가 약간 변경되었는데, 

사용가능한 주파수(파장)와 코드가 늘어날수록 GPS는 더 빠르고 정확해진다. 

 

그래서 1장에 나온 것 처럼 IIR(M)에 M코드가 추가되었는데 이는 Jam(전파 방해) resistance가 강함 ! 

새롭게 등장한 L5신호는 기존 L1보다 더 높은 출력과 넓은 대역폭을 가져 비행기 착륙이나 자율주행처럼 정밀한 작업에 사용된다. 파장이 촘촘하고 신호가 강해 반사된 신호(multipath오차)를 걸러내는 능력이 뛰어나다. 

 

코드와 반송파를 각각 사용하거 거리를 관측할 수도 있다. 

거리 관측 기법	특징
코드	위치 결정이 빠름 저렴한 수신기로도 측정 가능  50cm ~ 10m 오차로 상대적으로 정확도 낮음
반송파	상대적으로 수신시간 긺  수신 중 신호 단절되면 안됨  일반적으로 비싼 수신기에서 사용  mm~cm로 고정밀

 

 

 

 

GPS 항법 메시지 

항법 메시지에는 위성의 궤도, 위성 시계 오차, 전리층 모델 정보(오차 요인 중 하나인 전리층효과 제거)등이 담겨있다. 

 

해당 교재에서는 조금 덜 자세하게 나와 ublox에서 공부한 내용을 통해 추가 설명해보도록 하겠다. 

출처 : ublox

[GPS 항법 메시지 구조 정리]

• 항법 메시지 (Master Frame)
  구성: 총 25개의 프레임(페이지)으로 구성
  전송 시간: 전체 12.5분 소요 (모든 Almanac 수집 완료 시간)
  
  
• 프레임 (1 Frame / Page)
  구성: 5개의 서브프레임(Subframe)으로 구성
  데이터량: 총 1,500 bits (300 bits × 5)
  전송 시간: 30초 소요
  

  

  출처 : 알기쉬운 GPS

• 서브프레임 (Subframe)
  구성: 10개의 워드(Word)로 구성
  데이터량: 총 300 bits (30 bits × 10)
  주요 정보 배치:
  Word 1: TLM (Telemetry Word) - 동기화 신호
  Word 2: HOW (Handover Word) - GPS 시간(TOW) 정보
  Word 3~10: 실제 데이터 정보 (Ephemeris, Almanac 등)
  
  
• 서브프레임별 데이터 특징 (Data Content)
  Subframe 1, 2, 3: 모든 페이지에서 정보가 동일함 (위성 시계 보정값 및 Ephemeris)
  Subframe 4, 5: 25페이지에 걸쳐 내용이 계속 바뀜 (주로 Almanac 및 전리층 정보)
  특히 Subframe 5의 Almanac 정보를 25페이지까지 다 읽어야 전체 위성 지도가 완성됨

 

 

신호의 생성 및 처리 

[GPS 생성 신호]

출처 : ublox

C/A 및 P코드가 생성되고 여기에 항법 메시지가 합쳐진다. 이 코드/메시지 정보가 L1,L2반송파에 합쳐진 후 신호를 발신한다. 

 

출처 : ublox

C/A코드와 항법 메시지가 합쳐지는 방법은 exclusive-or(XOR)방식이다.

XOR연산이 끝난 C/A + 메시지 데이터를 L1반송파에 싣는다.

 

디지털 값이 바뀌지 않을 땐 반송파의 위상을 그대로 두고 위상이 바뀌면 반대로 뒤집는 BPSK(Binary-Phase-Shift-Keying)방식을 사용한다. 이렇게 만들어진 신호를 GPS에서 발신하게 된다. 

 

 

[수신기 수신 신호] 

그럼 수신기에서 수신된 신호를 어떻게 처리하는지 살펴보자.

출처 : 알기쉬운 GPS

RF처리 

안테나에서 미약한 L1,L2(고주파 신호)가 들어오는데 이를 다루기 쉬운 낮은 주파수로 바꾸고 잡음을 제거한다.

이 과정에서 코드와 반송파를 분리해낸다. 

 

루프(Loop)처리 

수신기 내에는 여러개의 통로와 루프가 있다. 

각 루프는 특정 위성 코드를 전담해서 추적한다. 여기서 위성과 수신기 사이의 시간 차이(코드)와 박자 어긋남(반송파)을 실시간으로 계속 계산한다. 

 

프로세서 계산 

모든 루프에서 모인 데이터(거리, 시간 등)를 컴퓨터 프로세서로 보낸다. 

여기서 항법 메시지를 읽고 위성 4대의 데이터를 조합해 정확한 위치(X,Y,Z)와 시계오차(dt)를 최종 계산한다. 

 

 

 

마지막으로 측량용 vs 비측량용 GPS 수신기를 비교해보자 

비측량용	측량용
주로 단일 주파(L1) 수신 코드만 처리 오차 요인 처리 불가능  보통 1Hz 출력  동시 추적 위성 개수가 제한됨  노이즈 많음  멀티패스에 취약  저렴한 가격	1주파, 2주파, 3주파 수신(L1,L2,L5) 코드 및 반송파 처리  오차요인 고려 및 소거 가능  고주파 출력(1초당 수번 ~ 수십번)  동시에 다수 개의 위성 추적  노이즈 적음  멀티패스에 덜 취약  비싼 가격