위성 측위 시스템

Global Positioning System
이 기사는 미국의 글로벌 내비게이션 위성 시스템에 관한 것입니다.유사한 시스템의 경우 위성 내비게이션을 참조하십시오.
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위성위치확인시스템(GPS)
NAVSTAR GPS logo.png
위성위치확인시스템
원산지/원산지미국
오퍼레이터미국 우주군
유형군사, 민간
상황동작중
범위세계적인
정확성.500~30cm(16~0.98피트)
별자리 크기
위성 합계77
궤도에 있는 위성32(동작시 31)
첫 출시1978년 2월 22일, 44년 전(1978-02-22)
기동 총수75
궤도 특성
체제6 MEO 플레인
궤도 높이20,180 km (12,540 mi)
기타 상세
비용.120억달러[1]
(초기 별자리)
연간[1] 7억 5천만 달러
(영업비)
웹 사이트gps.gov
측지
Azimutalprojektion-schief kl-cropped.png
기초
개념
테크놀로지
표준(이력)
NGVD 29해수면 데이텀 1929
OSGB361936년 영국 무기조사국
SK-42시스템아 쿠르디나트 1942 고다
ED50유럽 데이텀 1950
SAD69남미 데이텀 1969
GRS 801980년 측지 참조 시스템
ISO 6709지리적 점 좌표. 1983년
NAD 83북미 데이텀 1983
WGS 84세계 측지 시스템 1984
NAVD 88N. American Vertical Datum 1988
ETRS89유럽 지상파 참고 자료1989년 시스템
GCJ-02중국어 난독화 데이터 2002
지리 URI포인트 2010에 대한 인터넷 링크
지구궤도에서 GPS Block IIR 위성에 대한 아티스트의 인상
해상 응용 프로그램의 민간 GPS 수신기("GPS 내비게이션 장치")
택시 내 자동차 내비게이션 시스템
공군 우주사령부 선임 공군기사는 위성위치확인시스템(GPS) 위성 운용 중 체크리스트를 통과한다.

GPS(Global Positioning System, 원래 Navstar GPS)[2]는 미국 정부가 소유하고 미국 [3]우주군이 운영하는 위성 기반 방사선 항법 시스템이다.그것은 지구 위성과 4개 이상의 GPS [4]위성에 방해받지 않는 시야가 있는 곳이라면 지구 위성과 가까운 곳이면 GPS 수신기에 지리 위치 및 시간 정보를 제공하는 글로벌 내비게이션 위성 시스템(GNSS) 중 하나입니다.사용자가 데이터를 전송할 필요가 없으며 전화나 인터넷 수신과는 독립적으로 작동하지만 이러한 기술은 GPS 위치 정보의 유용성을 높일 수 있습니다.전 세계 군사, 민간 및 상업 사용자에게 중요한 포지셔닝 기능을 제공합니다.비록 미국 정부가 GPS 시스템을 만들고, 통제하고, 유지하고 있지만, GPS [5]수신기를 가진 사람이라면 누구나 자유롭게 접근할 수 있다.

GPS 프로젝트는 1973년 미국 국방부에 의해 시작되었다.최초의 시제품 우주선은 1978년에 발사되었고, 24개의 위성들의 완전한 별자리가 1993년에 운용되기 시작했다.원래는 미군이 사용하도록 제한되었지만, 1980년대부터 대한항공 007편 사고 [6]이후 로널드 레이건 대통령의 행정명령에 따라 민간인의 사용이 허용되었다.기술의 진보와 기존 시스템에 대한 새로운 요구는 GPS를 현대화하고 차세대 GPS 블록 IIIA 위성과 차세대 운영 제어 시스템(OCX)[7]을 구현하려는 노력으로 이어졌다.1998년 앨 고어 부통령과 클린턴 행정부의 발표로 이러한 변화가 시작되었고, 2000년 미 의회에서 승인되었다.

1990년대 초부터 GPS위치 정밀도는 미국 정부가 프로그램 선택적 가용성에, 선택적으로, 또는 어떤 time[8]은 인도군 99년에 있는 카르길 전쟁이 서비스 질을 떨어뜨릴 시스템에 대한 접근을 부인할 수 있게 저하되었고, 그러나 이 5월 1일 2000년에서 중단되었다. 재치빌 [9]클린턴 대통령이 서명한 법.그 결과, 여러 국가가 다른 글로벌 또는 지역 위성 내비게이션 시스템을 개발했거나 개발 중에 있다.

러시아 위성항법위성시스템(GLONASS)은 GPS와 동시에 개발됐지만 2000년대 [10]중반까지 전 세계에 대한 불완전한 커버리지로 어려움을 겪었다.GPS와 더불어 GLONASS 수신을 수신기에 결합할 수 있으므로 추가 위성을 사용하여 2미터(6.6피트)[11][12] 이내로 빠르게 위치를 고정하고 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

중국 베이두 항법위성시스템은 2018년 글로벌 서비스를 시작해 2020년 [13]전면 배치를 마쳤다.유럽 연합 갈릴레오 항법 위성 시스템과 인도의 NavIC도 있다.일본의 준천체위성시스템(QZSS)은 아시아-오세아니아 지역에서 GPS의 정확도를 높이기 위한 GPS 위성 기반의 증강 시스템으로,[14] 2023년에는 GPS와는 별도로 위성 항법도 실시될 예정이다.

2000년에 선택적인 이용이 가능해졌을 때, GPS는 약 5미터(16피트)의 정확도를 가지고 있었다.L5 대역을 사용하는 GPS 수신기는 30cm(11.8인치) 이내의 정밀도를 훨씬 높입니다.또한 고급 사용자(일반적으로 엔지니어링 및 토지 측량 애플리케이션)는 대역폭 신호를 2cm 이내로 정밀도, 장기 [9][15][16]측정 시 밀리미터 미만의 정밀도까지 갖출 수 있습니다.스마트폰과 같은 소비자 디바이스는 최대 4.9m(또는 Wi-Fi 포지셔닝과 같은 보조 서비스를 사용할 경우 [17]더 우수함) 이내의 정밀도를 가질 수 있습니다.2021년 5월 현재 16개의 GPS 위성이 L5 신호를 방송하고 있으며, 이 신호는 약 2027년까지 24개의 위성에 도달할 예정인 사전 작동 상태로 간주됩니다.

역사

Crystal Project video camera.png
1977년경 Navstar 위성위치확인시스템을 소개하는 공군 영화
GPS 콘스텔레이션 시스템

GPS 프로젝트는 1960년대의 기밀 공학 설계 연구를 포함한 여러 이전 시스템의 아이디어를 결합하여 이전 내비게이션 [18]시스템의 한계를 극복하기 위해 1973년에 미국에서 시작되었습니다.미 국방부는 당초 24기의 위성을 미군용으로 개발, 1995년 본격 가동에 들어갔다.1980년대부터 민간인의 사용이 허용되었다.해군 연구소의 로저 L. 이스턴, 이반 A. Getting of the Aerospace Corporation과 Applied Physics Laboratory의 Bradford Parkinson은 그것을 [19]발명한 공로를 인정받고 있다.글래디스 웨스트의 연구는 [20]GPS에 필요한 정밀도로 위성 위치를 감지하기 위한 계산 기술의 개발에 중요한 역할을 한 것으로 인정받고 있다.

GPS의 설계는 부분적으로 1940년대 초에 개발된 LORAN과 Decca Navigator와 같은 유사한 지상 기반 무선 내비게이션 시스템에 기초한다.

1955년, 프리드워트 윈터버그는 인공위성 내부의 궤도에 배치된 정확한 원자 시계를 사용하여 강한 중력장에서 시간이 느려지는 것을 감지하는 일반 상대성 테스트를 제안했다.특수상대성이론은 GPS 위성의 시계가 지구보다 하루에 38마이크로초 더 빨리 간다고 예측했다.GPS 설계는 이 차이를 보정합니다. 그렇게 하지 않으면 GPS 계산 위치에 하루 최대 10km(6mi/d)[21]의 오차가 누적되기 때문입니다.

전임자

1955년 2월 16일 네덜란드 해군 장교 비앤 랑게라르는 무선 기반 장거리 항법 시스템에 대한 특허 출원을 미국 특허청에 제출했고 1961년 [original research?]4월 18일 특허 US2980907A를 받았다.

1957년 소련이 최초의 인공위성 (스푸트니크 1)을 발사했을 때, 존스 홉킨스 대학 응용물리학 연구소의 두 명의 미국인 물리학자 윌리엄 가이어와 조지 와이펜바흐는 무선 [23]전송을 감시하기로 결정했다.몇 시간 안에 그들은 도플러 효과 때문에 위성이 궤도를 따라 어디에 있는지 정확히 알아낼 수 있다는 것을 깨달았다.APL 책임자는 그들에게 UNIVAC에 접속하여 필요한 계산을 할 수 있도록 했다.

이듬해 초 APL의 프랭크 맥클루어 부국장은 가이어와 바이펜바흐에게 위성을 통해 사용자의 위치를 정확히 파악하는 역문제를 조사해 달라고 요청했다.이를 통해 그들과 APL은 TRANIT 시스템을 [24]개발하게 되었습니다.1959년에는 ARPA(1972년에 DARPA로 개명)도 [25][26][27]TRANITE에 관여했습니다.

TRANITE는 [28]1960년에 최초로 테스트에 성공했습니다.그것은 5개의 위성들의 별자리를 사용했고 대략 한 시간에 한 번씩 항법 수정을 제공할 수 있었다.

1967년, 미 해군은 GPS에 필요한 기술인 정확한 시계 배치의 실현 가능성을 증명하는 타임 위성을 개발했다.

1970년대에,[29] 방송국 쌍으로부터의 신호 전송의 위상 비교를 기반으로 한 지상 기반 OMEGA 내비게이션 시스템은 최초의 세계적인 무선 내비게이션 시스템이 되었다.이러한 시스템의 한계로 인해 보다 정확한 범용 내비게이션 솔루션이 필요하게 되었습니다.

비록 군사 및 민간 부문에서 정확한 항해에 대한 폭넓은 요구가 있었지만, 그 중 거의 어느 것도 항법 위성의 연구, 개발, 배치 및 운용에 드는 수십억 달러의 비용을 정당화하는 것으로 보이지 않았다.냉전시대 군비경쟁 기간 동안 미국의 존립에 대한 핵위협은 미국 의회의 관점에서 이 비용을 정당화하는 하나의 필요였다.이 억제 효과는 GPS가 자금을 지원받은 이유입니다.그것은 또한 그 당시 극비리에 있었던 이유이기도 하다.핵 3중전단은 미 해군의 잠수함발사탄도미사일(SLBM)과 미 공군의 전략폭격기, 대륙간탄도미사일(ICBM)로 구성됐다.핵 억지 태세에 필수적인 것으로 여겨지는 SLBM 발사 위치의 정확한 판단은 힘의 승수였다.

정밀한 항법은 미국의 탄도 미사일 잠수함이 SLBM을 [30]발사하기 전에 정확한 위치를 파악할 수 있게 해줄 것이다. 핵 3중력의 2/3를 보유한 미 공군은 또한 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 항법 시스템을 필요로 했다.미 해군과 미 공군은 본질적으로 같은 문제를 해결하기 위해 병행하여 그들만의 기술을 개발하고 있었다.

ICBM의 생존성을 높이기 위해 모바일 발사 플랫폼(소련의 SS-24 및 SS-25에 상당)을 사용할 것을 제안했기 때문에 발사 위치를 수정할 필요가 SLBM 상황과 유사했다.

1960년 공군은 본질적으로 3차원 LORAN인 MOSAKE(정확한 ICBM 제어를 위한 MOBile System for Precision ICBM Control)라 불리는 무선 항법 시스템을 제안했고 1963년 후속 연구인 Project 57이 수행되었고 "GPS 개념이 탄생한 것은 이 연구"에서였다.같은 해, 이 개념은 "현재 [31]GPS에서 볼 수 있는 많은 특성"을 가진 프로젝트 621B로 추진되었고, 공군의 폭격기와 ICBM의 정확도를 높이기로 약속했다.

해군 트랜짓 시스템의 업데이트는 공군의 고속 운용에 비해 너무 느렸다.해군연구소는 1967년 첫 발사된 시간항법위성으로 발전을 거듭했고, 1969년 두 번째로 발사됐으며, 1974년 세 번째 원자시계를 궤도로 옮기고, 1977년 [32]네 번째 원자시계를 발사했다.

GPS의 또 다른 중요한 전신은 미군의 다른 부서 출신이다.1964년 미 육군은 측지측량에 [33]사용되는 최초의 순차적 거리 대조(SECOR) 위성의 궤도를 돌았다.SECOR 시스템은 궤도에 있는 위성 트랜스폰더에 신호를 보내는 알려진 위치에 지상 송신기 3개를 포함했습니다.네 번째 지상국은 미결정 위치에 있는 경우 이러한 신호를 사용하여 위치를 정확하게 고정할 수 있습니다.마지막 SECOR 위성은 [34]1969년에 발사되었다.

발전

1960년대 들어 이와 병행하여 621B, Transit, Timation, SECOR의 최고 기술을 멀티 서비스 프로그램에 통합함으로써 우수한 시스템을 개발할 수 있다는 것을 깨달았습니다.중력장 및 레이더 굴절 변화 등으로 인한 위성 궤도 위치 오류를 해결해야 했다.1970년부터 1973년까지 플로리다의 팬암 항공우주부의 Harold L Jury가 이끄는 팀은 실시간 데이터 동화와 재귀 추정을 사용하여 시스템 오류와 잔류 오류를 관리 가능한 수준으로 줄여 정확한 [35]항해를 가능하게 했습니다.

1973년 노동절 주말, 미 국방부에서 약 12명의 군 장교 회의가 국방항법위성시스템(DNSS)의 창설에 대해 논의했다.GPS가 된 진짜 합성물이 탄생한 것은 이 모임에서였다.그 해 말, DNSS 프로그램은 Navstar로 [36]명명되었다.Navstar는 종종 "Timing and Ranging을 사용하는 내비게이션 시스템"의 약자로 잘못 여겨지지만 GPS 공동 프로그램 사무소에 의해 그렇게 여겨지지 않았다(TRW는 한때 그 [37]약자를 사용한 다른 내비게이션 시스템을 지지했을 수도 있다).각각의 위성은 Navstar(이전 트랜싯 및 Timation과 마찬가지로)라는 명칭과 관련이 있으며, Navstar-GPS라는 [38]더 포괄적인 이름이 Navstar 위성들의 별자리를 식별하는 데 사용되었다.1978년에서 1985년 사이에 10개의 "블록 I" 시제품 위성이 발사되었다(발사 실패로 [39]추가 유닛이 파괴되었다).

전파 전송에 대한 전리층의 영향은 공군 캠브리지 연구소의 지구 물리학 연구소에서 조사되었으며, 1974년에 공군 지구 물리학 연구소로 이름이 바뀌었다.AFGRL은 GPS [40]위치에 대한 전리층 보정을 계산하기 위해 Klobuchar 모델을 개발했습니다.주목할 만한 것은 1974년 AFGRL에서 호주의 우주 과학자인 엘리자베스 에식스-코헨의 연구이다.그녀는 NavSTAR [41]위성의 전리층을 가로지르는 전파 경로(대기 굴절)의 곡선을 우려했다.

1983년 269명을 태운 보잉 747 여객기가 사할린과 몬레론 제도 인근 구소련의 금지 [42]영공에 진입했다가 격추된 후 로널드 레이건 대통령은 GPS가 충분히 개발되면 [43]민간인이 자유롭게 사용할 수 있도록 하는 지시를 내렸다.첫 번째 Block II 위성은 1989년 [44]2월 14일에 발사되었고, 24번째 위성은 1994년에 발사되었다.현시점에서의 GPS 프로그램 비용은 사용자 장비 비용이 아니라 위성 발사 비용을 포함하여 50억 달러(2021년 [45]90억 달러 상당)로 추산된다.

처음에 최고 품질의 신호는 군사용으로 예약되었으며, 민간용으로 사용 가능한 신호는 선택적 가용성이라고 알려진 정책에서 의도적으로 저하되었습니다.이것은 2000년 5월 1일 빌 클린턴 대통령이 민간인에게 제공되었던 것과 같은 정확성을 제공하기 위해 선택적 가용성을 해제하라는 정책 지령에 서명하면서 바뀌었다.이 지시는 민간 정확성을 향상시키기 위해 민간 산업에 의해 차등 GPS 서비스가 광범위하게 증가하고 있다는 관점에서 미국 국방장관 윌리엄 페리에 의해 제안되었습니다.게다가, 미군은 지역 단위로 [46]잠재적인 적들에 대한 GPS 서비스를 거부하는 기술을 개발하고 있었다.

배치 이후, 미국은 기존의 GPS 장비와의 호환성을 유지하면서 민간 사용을 위한 새로운 신호와 모든 사용자의 정확성과 무결성을 높이는 등 GPS 서비스를 몇 가지 개선했다.위성 시스템의 현대화는 군사, 민간 및 상업 시장의 증가하는 요구를 충족시키기 위한 일련의 위성 획득을 통해 미국 국방부에 의해 지속적인 이니셔티브였다.

2015년 초, 고품질 FAA 등급 표준 위치 확인 서비스(SPS) GPS 수신기는 수신기와 안테나 품질 및 대기 문제 등 많은 요인이 이 정확도에 영향을 미칠 수 있지만 3.5m(11ft)[47] 이상의 수평 정확도를 제공합니다.

GPS는 미국 정부가 국가 자원으로 소유하고 운영하고 있다.국방부는 GPS의 관리인이다.IGEB(Intergency GPS Executive Board)는 1996년부터 2004년까지 GPS 정책 문제를 감독했습니다.그 후, GPS 및 관련 [48]시스템에 관한 사항을 연방 부처 및 기관에 자문하고 조정하기 위해 2004년 대통령 지령에 의해 국가 우주 기반 위치 결정, 내비게이션 및 타이밍 실행 위원회가 설립되었다.집행위원회는 국방부 차관과 교통부 차관이 공동으로 의장을 맡고 있다.그 멤버는 국무부, 상무부, 국토안보부, 합동참모본부, NASA의 동등한 관리들이다.대통령 집무실의 구성요소는 집행위원회의 옵서버로 참여하며 FCC 의장은 연락책으로 참여합니다.

미 국방부는 법에 따라 "연방 무선항법계획과 표준위치확인 서비스 신호 사양에 정의된 표준위치확인 서비스(Standard Positioning Service)"를 유지하고 "GPS의 적대적 사용과 과도한 사용을 방지하기 위한 조치를 개발해야 한다"고 명시되어 있다.민간 용도를 파괴하거나 훼손하는 것"이라고 말합니다.

스케줄과 현대화

위성[49][50][51] 요약
블록 시작하다
기간		 위성 발사 현재의
궤도에 올라서
건강하다
수크
오목한 곳		 실패-
우레		 준비 중-
아리에이션		 계획-
네드
I 1978–1985 10 1 0 0 0
II 1989–1990 9 0 0 0 0
IIA 1990–1997 19 0 0 0 0
IIR 1997–2004 12 1 0 0 7
IIR-M 2005–2009 8 0 0 0 7
IIF 2010–2016 12 0 0 0 12
IIIA 2018– 5 0 5 0 5
IIIF — 0 0 0 22 0
총 75 2 5 22 31
(최종 갱신:2021년 7월 8일)

Block IIR-M의 USA-203은 건강에 좋지 않습니다.
[52] 자세한 목록은 GPS 위성 목록을 참조하십시오.

  • 1972년 USAF 중앙관성유도시험시설(Holloman AFB)은 지상의 유사위성을 [53]사용하여 화이트 샌즈 미사일 범위 상공에서 Y형 구성의 네 개의 시제품 GPS 수신기의 개발 비행 시험을 실시했다.
  • 1978년 최초의 실험용 Block-I GPS 위성이 [39]발사되었다.
  • 비록 이전에 나 출간되어서 1983년에 소련 요격기 항공기 후에, 배 위에 있던 269명이 사망하는 금지되어 상공으로 항행 오류 때문에 헤어졌다 민간인 여객기 KAL못 쓰게 된 로날드 레이건 미 대통령은 일단 completed,[54][55]이 GPS를 민간 사용을 사용하게 될 것이라고 발표했다nNaviga민간 사용자가 CA 코드(Coarse/Acquisition 코드)[citation needed]를 사용할 수 있도록 합니다.
  • 1985년까지 이 개념을 검증하기 위해 10개의 실험적인 Block-I 위성이 추가로 발사되었습니다.
  • 1988년부터, 이러한 위성의 지휘와 통제는 캘리포니아의 오니즈카 AFS에서 [56][57]콜로라도의 콜로라도 스프링스에 있는 팔콘 공군 기지에 위치한 제2 위성 관제 비행대(2SCS)로 옮겨졌다.
  • 1989년 2월 14일, 최초의 현대식 Block-II 위성이 발사되었다.
  • 1990년부터 1991년까지의 걸프전은 군이 GPS를 [58]널리 사용한 첫 번째 전쟁이었다.
  • 1991년, 기존의 16kg(35파운드) 군사용 수신기를 1.25kg(2.8파운드) 휴대용 [26]수신기로 대체하면서 소형 GPS 수신기를 만드는 프로젝트가 성공적으로 종료되었다.
  • 1992년, 원래 시스템을 관리하던 제2우주비행단이 비활성화되고 제50우주비행단으로 대체되었다.
    제50우주비행단의 국장
  • 1993년 12월까지 GPS는 완전한 별자리(24개의 위성)를 이용할 수 있고 표준 위치 확인 서비스(SPS)[59]를 제공하는 초기 작동 능력(IOC)을 달성했습니다.
  • 1995년 4월 공군우주사령부(AFSPC)가 Full Operational Capability(FOC; 완전작전능력)를 선포함으로써 군의 안전한 정밀위치확인서비스(PPS)[59]가 완전히 이용 가능함을 알렸다.
  • 1996년 빌 클린턴 미국 대통령은 민간 사용자뿐만 아니라 민간 사용자들에게도 GPS의 중요성을 인식하여 GPS를 이중 사용 시스템으로 선언하고 이를 국가 자산으로 관리하기 위한 기관간 GPS 집행위원회를 설립하는 정책 지침을[60] 발표했다.
  • 1998년 앨 고어 미국 부통령은 특히 항공 안전과 관련하여 사용자의 정확성과 신뢰성을 높이기 위해 GPS를 두 개의 새로운 민간 신호로 업그레이드할 계획을 발표했고, 2000년 미국 의회는 GPS III로 지칭하며 이 노력을 승인했다.
  • 2000년 5월 2일 "선택적 가용성"은 1996년 행정 명령의 결과로 중단되었으며, 민간 사용자는 전 세계적으로 열화되지 않은 신호를 수신할 수 있게 되었습니다.
  • 2004년 미국 정부는 유럽공동체와 GPS 및 유럽의 갈릴레오 시스템과 관련된 협력을 확립하는 협정에 서명했다.
  • 2004년 미국 대통령 조지 W. 부시는 국가 정책을 갱신하고 이사회를 National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation, and [61]Timing으로 교체했습니다.
  • 2004년 11월 퀄컴은 휴대폰용 [62]보조 GPS 테스트에 성공했다고 발표했습니다.
  • 2005년, 최초의 현대화된 GPS 위성이 발사되었고 사용자 [63]성능 향상을 위해 두 번째 민간 신호(L2C)를 전송하기 시작했다.
  • 2007년 9월 14일 노후화된 메인프레임 기반 지상 세그먼트 제어 시스템이 새로운 아키텍처 진화 [64]계획으로 이전되었습니다.
  • 2009년 5월 19일, 미국 정부 회계국은 일부 GPS 위성이 빠르면 [65]2010년에 고장날 수 있다고 경고하는 보고서를 발표했다.
  • 2009년 5월 21일, 공군 우주 사령부는 "우리가 계속해서 우리의 [66]성능 기준을 초과하지 않을 작은 위험만이 있을 뿐"이라고 말하며 GPS 장애에 대한 두려움을 누그러뜨렸다.
  • 2010년 1월 11일 지상 제어 시스템의 업데이트로 캘리포니아 [citation needed][67]서니베일의 Trimble Navigation Limited 사업부에서 제조한 8,000~10,000개의 군용 수신기와 소프트웨어 호환성이 없어졌습니다.
  • 2010년 [68]2월 25일, 미 공군은 GPS 항법 신호의 정확성과 가용성을 향상시키고 GPS 현대화의 중요한 역할을 하기 위해 GPS 차세대 작전통제시스템(OCX) 개발 계약을[citation needed] 따냈다.

어워드

Air Force Space Commander presents Dr. Gladys West with an award as she is inducted into the Air Force Space and Missile Pioneers Hall of Fame for her GPS work on December 6, 2018.
AFSPC 부사령관 DT 톰슨 중장이 공군 우주 및 미사일 개척자 명예의 전당에 헌액된 글래디스 웨스트 박사에게 상을 수여합니다.

1993년 2월 10일, 미국항공협회는 GPS 팀을 1992년 미국의 가장 권위 있는 항공상인 로버트 J. 콜리어 트로피 수상자로 선정했습니다.이 팀은 Naval Research Laboratory, USAF, Aerospace Corporation, Rockwell International Corporation 및 IBM Federal Systems Company의 연구원들을 결합합니다.이 표창장은 "50년 전 무선 항법 도입 이후 항공기와 우주선의 안전하고 효율적인 항행과 감시를 위한 가장 중요한 발전"을 이룬 이들을 기리는 것이다.

GPS 개발자 2명이 2003년 국립공학아카데미 찰스 스타크 드레이퍼상을 수상했습니다.

GPS 개발자인 Roger L. Easton은 2006년 [69]2월 13일에 National Medal of Technology를 받았습니다.

프랜시스 X. 케인(대령)USAF, ret.)는 2010년 3월 2일 텍사스 주 샌안토니오 A.F.B.의 Lackland A.F.B.에서 프로젝트 621B의 일환으로 실시된 우주 기술 개발과 GPS 엔지니어링 설계 컨셉에 기여한 공로로 미국 공군 우주 및 미사일 개척자 명예의 전당에 헌액되었습니다.

1998년, GPS 기술은 Space Foundation Space Technology 명예의 [70]전당에 헌액되었다.

2011년 10월 4일 국제우주연맹(IAF)은 IAF 회원인 미국항공우주연구소(AIAA)가 지명한 지구위치확인시스템(GPS) 60주년 기념상을 수여했다.IAF 아너즈·어워드 위원회는 GPS 프로그램의 독특성과 [71]인류를 위한 국제 협력을 구축하는데 있어 GPS 프로그램이 보여준 모범적인 역할을 인정했습니다.

2018년 12월 6일 글래디스 웨스트는 궁극적으로 GPS [72]별자리의 궤도를 결정하는 데 사용된 매우 정확한 지구 측지 모델에 대한 그녀의 업적을 인정받아 공군 우주 및 미사일 개척자 명예의 전당에 올랐다.

2019년 2월 12일, 프로젝트의 창립 멤버 4명이 엘리자베스 여왕 엔지니어링상을 수상했으며 시상 위원회 의장은 다음과 같이 말했다. "엔지니어링은 문명의 기반이다. 다른 재단은 없다. 그것은 일을 가능하게 한다.그리고 그것이 바로 오늘의 수상자들이 한 일입니다. 그들은 일을 가능하게 했습니다.그들은 우리 [73]세계의 인프라스트럭처를 크게 재작성했습니다."

원칙

GPS 수신기는 여러 GPS 위성으로부터 수신된 데이터를 기반으로 시공간에서 자체 4차원 위치를 계산합니다.각 위성은 그 위치와 시간을 정확하게 기록하고 그 데이터를 수신기에 송신한다.

위성은 서로 및 지상 시계와 동기화된 매우 안정적인 원자 시계를 운반한다.지상에 유지되는 시간으로부터의 드리프트는 매일 보정됩니다.마찬가지로 위성 위치도 매우 정확하게 알 수 있습니다.GPS 수신기는 시계도 가지고 있지만 안정성이 떨어지고 정확도가 떨어진다.

전파의 속도는 일정하고 위성 속도에 의존하지 않기 때문에 위성이 신호를 송신할 때와 수신자 사이의 시간 지연은 위성에서 수신자까지의 거리에 비례합니다.적어도 4개의 위성이 수신기의 시야에 있어야 4개의 미지의 양(3개의 위치 좌표와 위성 시간으로부터의 자체 클럭 편차)을 계산할 수 있습니다.

상세설명

각 GPS 위성은 다음을 포함하는 신호(변조가 포함된 반송파)를 지속적으로 방송합니다.

  • 수신자가 인식하고 있는 의사 난수 코드(1과 0의 시퀀스).리시버 생성 버전과 리시버 측정 버전의 코드를 타임 얼라인먼트함으로써 에폭이라고 불리는 코드 시퀀스의 정의된 포인트의 도착 시간(TOA)을 리시버 클럭 시간 스케일로 찾을 수 있다.
  • 코드 에폭(GPS 타임 스케일)의 송신 시각(TOT)과 그 때의 위성 위치를 포함한 메시지

개념적으로 수신기는 (자체 클럭에 따라) 4개의 위성 신호의 TOA를 측정합니다.수신기는 TOA 및 TOT로부터 수신 위성 범위와 수신 위성 및 GPS 위성 간의 시간 차이를 곱한 값(빛의 속도가 주어짐)에 거의 동등한 4가지 비행 시간(TOF) 값을 형성합니다. 이 값은 의사 범위라고 불립니다.그런 다음 수신기는 4개의 TOF에서 3차원 위치와 클럭 편차를 계산합니다.

실제로 수신기 위치(지구 중심에 원점이 있는 3차원 데카르트 좌표)와 GPS 시간에 상대적인 수신기 클럭 오프셋은 TOF를 처리하기 위해 내비게이션 방정식을 사용하여 동시에 계산됩니다.

수신기의 지구 중심 솔루션 위치는 일반적으로 타원형 지구 모델에 상대적인 위도, 경도 및 높이로 변환됩니다.그 후 높이는 지오이드에 대한 상대적인 높이로 변환될 수 있으며, 이는 본질적으로 평균 해수면이다.이러한 좌표는 이동 지도 디스플레이와 같이 표시되거나 차량 안내 시스템과 같은 다른 시스템에 의해 기록되거나 사용될 수 있습니다.

사용자 위성 지오메트리

상세정보 : § 기하학적 해석

일반적으로 수신기 처리에서 명시적으로 형성되지는 않지만, 개념적인 도착 시간 차이(TDOA)에 따라 측정 지오메트리가 정의됩니다.각 TDOA는 회전의 쌍곡선에 해당합니다(다변측정 참조).관련된 두 위성(및 그 확장)을 연결하는 선은 쌍곡선의 축을 형성합니다.수신기는 3개의 하이퍼볼로이드가 [74][75]교차하는 지점에 있습니다.

사용자 위치가 세 개의 구가 교차하는 지점에 있다고 잘못 말할 수 있습니다.시각화하는 것은 간단하지만, 이것은 수신기가 위성 클럭과 동기화된 클럭을 가지고 있는 경우에만 해당됩니다(즉, 수신기는 범위 차이보다는 위성에 대한 실제 범위를 측정합니다).위성과 동기화된 클럭을 가지고 다니는 사용자에게 현저한 성능상의 이점이 있습니다.무엇보다도 위치 솔루션을 계산하는 데 필요한 위성은 3개뿐입니다.모든 사용자가 동기식 클럭을 휴대하기 위해 필요한 GPS 개념의 필수적인 부분이라면 더 적은 수의 위성을 배치할 수 있지만 사용자 기기의 비용과 복잡성은 증가할 것입니다.

리시버가 연속 동작

위의 설명은 리시버의 기동 상황을 나타내고 있습니다.대부분의 수신기는 서로 다른 시간에 수집된 위성 측정 세트를 결합하는 추적 알고리즘(때로는 추적기라고도 함)을 가지고 있으며, 사실상 연속되는 수신기의 위치가 일반적으로 서로 가깝다는 사실을 이용합니다.일련의 측정이 처리된 후, 트래커는 다음 위성 측정 세트에 대응하는 수신기의 위치를 예측한다.새 측정치가 수집되면 수신기는 가중치 체계를 사용하여 새 측정치를 추적기 예측과 결합합니다.일반적으로 트래커는 (a)수신기 위치 및 시간 정밀도를 향상시키고 (b)부정한 측정을 배제하며 (c)수신기 속도와 방향을 추정할 수 있다.

트래커의 단점은 속도 또는 방향의 변화는 지연만으로 계산할 수 있으며, 두 위치 측정 사이의 이동 거리가 위치 측정의 무작위 오차 이하 또는 근처로 떨어지면 파생 방향이 부정확해진다는 것입니다.GPS 장치는 수신된 신호의 도플러 이동 측정을 사용하여 속도를 [76]정확하게 계산할 수 있습니다.더 진보된 내비게이션 시스템은 GPS를 보완하기 위해 나침반이나 관성 내비게이션 시스템과 같은 추가 센서를 사용합니다.

비내비게이션 애플리케이션

애플리케이션의 리스트에 대해서는, 「어플리케이션」을 참조해 주세요.

GPS를 사용하려면 4개 이상의 위성이 있어야 정확한 항해를 할 수 있습니다.내비게이션 방정식의 해법은 수신기의 온보드 클럭과 실제 시간 사이의 차이와 함께 수신기의 위치를 알려주기 때문에 보다 정밀하고 비현실적인 수신기 기반 클럭이 필요하지 않습니다.시간 전송, 신호 타이밍, 휴대전화 기지국 동기화 등의 GPS 애플리케이션은 이 저렴하고 정확한 타이밍을 활용한다.일부 GPS 애플리케이션은 이 시간을 디스플레이에 사용하거나 기본 위치 계산을 제외하고 이 시간을 전혀 사용하지 않습니다.

정상 작동에는 4개의 위성이 필요하지만 특별한 경우에는 더 적은 위성이 적용됩니다.하나의 변수가 이미 알려진 경우 수신기는 3개의 위성만 사용하여 위치를 결정할 수 있습니다.예를 들어, 외양에 있는 배는 일반적으로 알려진 표고가 0m에 가깝고 항공기의 표고를 [a]알 수 있다.일부 GPS 수신기는 마지막으로 알려진 고도, 데드 어카운팅, 관성 항법 또는 차량 컴퓨터의 정보를 재사용하는 것과 같은 추가 단서 또는 가정을 사용하여 4개 미만의 위성이 [77][78][79]보일 때 (강화될 수 있는) 위치를 제공할 수 있습니다.

구조.

현재 GPS는 3개의 주요 세그먼트로 구성되어 있습니다.공간 세그먼트, 제어 세그먼트 및 사용자 [80]세그먼트입니다.미 우주군은 우주와 제어 부문을 개발, 유지, 운영한다.GPS 위성은 우주에서 오는 신호를 방송하고, 각 GPS 수신기는 이 신호를 사용하여 3차원 위치(위도, 경도, 고도)와 [81]현재 시간을 계산한다.

공간 세그먼트

참고 항목: GPS 위성 블록 및 GPS 위성 목록
미발사 GPS 블록 II-A 위성 샌디에이고 항공우주박물관 전시
지구가 회전하면서 움직이는 24 위성 GPS 별자리의 시각적 예.지구 표면의 특정 지점에서 볼 수 있는 위성의 수가 시간에 따라 어떻게 변하는지 주목하십시오.이 예의 포인트는 미국 콜로라도 주 골든입니다(39°44°49°N 105°12 ″ 39 w 39 、 7469 、 105 . 2108 、 39 . 7469 、 - 105 . 2108)

우주 세그먼트(SS)는 중간 지구 궤도에 있는 24-32개의 위성, 즉 우주 차량(SV)으로 구성되어 있으며, 이를 궤도로 발사하는 데 필요한 부스터에 대한 페이로드 어댑터도 포함되어 있습니다.GPS 설계는 원래 약 3개의 원형 [82]궤도에 각각 8개씩, 24개의 SV를 필요로 했지만, 이것은 [83]각각 4개의 위성을 가진 6개의 궤도면으로 수정되었다.6개의 궤도 평면은 약 55° 기울어져 있으며(지구 적도에 대해 기울어져 있음) 상승 노드(기준점에서 궤도의 [84]교차점까지의 적도를 따른 각도)의 60° 직경으로 분리된다.공전 주기는 항성일 반, 즉 11시간 58분이다. 따라서 위성은 매일 같은[85] 위치 또는 거의 같은[86] 위치를 통과한다.궤도는 최소 6개의 위성이 항상 지구 표면의 모든 곳에서 시야 범위 내에 있도록 배열됩니다([87]오른쪽 애니메이션 참조).이 목표의 결과는 4개의 위성이 각 궤도 내에서 균등하게(90°) 떨어져 있지 않다는 것이다.일반적으로 각 궤도의 위성 간 각도 차이는 30°, 105°, 120°, 105°로 360°[88]가 된다.

약 20,200km(12,600mi)의 고도, 약 26,600km(16,500mi)[89]의 궤도 반지름에서 궤도를 돌며, 각 SV는 매일 [90]같은 지상 궤도를 반복하며 항성일마다 두 개의 완전한 궤도를 돈다.이것은 개발 중에 매우 도움이 되었다. 왜냐하면 4개의 위성만 있어도 정확한 정렬은 4개 모두가 매일 몇 시간 동안 한 지점에서 볼 수 있다는 것을 의미하기 때문이다.군사작전의 경우 지상궤도 반복을 사용하여 전투지역에서 양호한 커버리지를 보장할 수 있습니다.

2019년 [91]2월 현재 GPS 별자리에는 31개의 위성이 있으며, 이 중 27개가 동시에 사용 중이며 나머지는 대기 위성으로 할당되어 있다.2018년에 32번째가 시작되었지만, 2019년 7월 현재 아직 평가 중입니다.더 많은 폐위성이 궤도에 있고 예비로 사용할 수 있다.추가 위성은 중복 측정을 제공하여 GPS 수신기 계산의 정밀도를 향상시킵니다.위성의 수가 증가함에 따라, 별자리는 불균일한 배열로 바뀌었다.이러한 배열은 정확성을 향상시키지만 여러 위성이 [92]고장났을 때 균일한 시스템에 비해 시스템의 신뢰성과 가용성을 향상시키는 것으로 나타났다.확장된 별자리로, 9개의 위성은 보통 지구의 어느 지점에서나 맑은 지평선을 가지고 언제든지 볼 수 있으며, 한 위치에 필요한 최소 4개의 위성에 비해 상당한 중복성을 보장한다.

제어 세그먼트

1984년부터 2007년까지 사용된 지상 감시 스테이션으로 공군 우주 및 미사일 박물관에 전시되어 있습니다.

제어 세그먼트(CS)는 다음과 같이 구성됩니다.

  1. 마스터 컨트롤 스테이션(MCS),
  2. 대체 마스터 컨트롤 스테이션,
  3. 4개의 전용 접지 안테나 및
  4. 6개의 전용 모니터 스테이션.

또한 MCS는 위성 제어 네트워크(SCN) 지상 안테나(명령 및 제어 기능 추가) 및 NGA(National Geospatial Intelligence Agency) 모니터 스테이션에 액세스할 수 있습니다.위성의 비행 경로는 하와이, 콰잘레인 환초, 어센션 섬, 디에고 가르시아, 콜로라도 스프링스, 콜로라도, 케이프 커내버럴에 있는 미 우주군 전용 관측소와 잉글랜드, 아르헨티나, 에콰도르, 바레인, 호주 및 워싱턴 [93]DC에서 운영되는 NGA 공용 관측소에 의해 추적된다.추적 정보는 미국 우주군 제2우주작전비행대대(2SOPS)가 운영하는 콜로라도 스프링스 슈리버 우주군기지 25km(16mi) ESE에 있는 MCS로 전송된다.그런 다음 2개의 SOPS가 전용 또는 공유(AFSCN) 접지 안테나를 사용하여 내비게이션 업데이트를 통해 각 GPS 위성에 정기적으로 연락합니다(GPS 전용 접지 안테나는 Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia 및 Cape Canaveral에 있습니다).이러한 업데이트는 인공위성에 탑재된 원자 시계를 서로 수 나노초 이내에 동기화시키고 각 인공위성의 내부 궤도 모델의 사용후기를 조절합니다.업데이트는 지상 측정 스테이션의 입력, 우주 기상 정보 및 [94]기타 다양한 입력을 사용하는 Kalman 필터에 의해 생성됩니다.

위성 기동은 GPS 기준에 따라 정확하지 않습니다. 따라서 위성의 궤도를 바꾸려면 위성에 건강하지 않은 표시가 있어야 합니다. 그래야 수신기가 이를 사용하지 않습니다.위성 기동 후, 엔지니어들은 지상에서 새로운 궤도를 추적하고, 새로운 사용후기를 업로드하고, 위성을 다시 건강한 상태로 표시합니다.

Operation Control Segment(OCS)는 현재 기록의 제어 세그먼트 역할을 합니다.GPS 사용자를 지원하고 사양 범위 내에서 GPS를 작동 및 작동 상태로 유지하는 작동 기능을 제공합니다.

OCS는 2007년 9월에 Schriever 공군 기지의 1970년대식 메인프레임 컴퓨터를 성공적으로 교체했습니다.설치 후 이 시스템은 업그레이드를 가능하게 하고 미군을 지원하는 새로운 보안 아키텍처를 위한 기반을 제공하는 데 도움이 되었습니다.

OCS는 새로운 세그먼트인 차세대 GPS 운영 제어[7] 시스템(OCX)이 완전히 개발되고 작동하기 전까지는 지상 제어 시스템으로서 기록될 것이다.OCX에 의해 제공되는 새로운 기능은 미 우주군이 미국의 전투 병력과 민간 파트너 그리고 무수한 국내외 사용자들에게 GPS 운영 서비스를 크게 향상시킬 수 있게 함으로써[95] GPS의 임무 능력을 혁신하는 초석이 될 것이다.GPS OCX 프로그램은 비용, 일정 및 기술적 위험도 줄일 수 있습니다.효율적인 소프트웨어 아키텍처와 퍼포먼스 기반 로지스틱스를 통해 50%의 [96]지속 비용을 절감하도록 설계되었습니다.또한 GPS OCX는 OCS 업그레이드 비용보다 수백만 비용이 절감되고 4배의 성능을 제공할 것으로 예상됩니다.

GPS OCX 프로그램은 GPS 현대화의 중요한 부분을 나타내며 현재 GPS OCS 프로그램에 비해 정보 보장 기능이 크게 향상되었습니다.

  • OCX는 GPS 레거시 위성뿐만 아니라 차세대 GPS III 위성을 제어하고 관리하는 능력을 갖게 될 것이며, 모든 군사 신호를 가능하게 할 것이다.
  • 현재 및 미래의 GPS 사용자의 변화하는 요구에 빠르게 적응할 수 있는 유연한 아키텍처를 기반으로 구축되어 안전하고 정확하며 신뢰할 수 있는 정보를 통해 GPS 데이터와 Constellation 상태에 즉시 액세스할 수 있습니다.
  • 전투원에게 보다 안전하고 실행 가능하며 예측 가능한 정보를 제공하여 상황 인식을 강화합니다.
  • 새로운 현대화된 신호(L1C, L2C 및 L5)를 이노블로 하여 레거시시스템에서는 실행할 수 없는M 코드 기능을 갖추고 있습니다.
  • 사이버 공격의 검출과 방지, 격리, 억제, 운용 등 현행 프로그램에 비해 대폭적인 정보보증을 향상시킵니다.
  • 실시간에 가까운 명령 및 제어 기능 및 기능을 지원합니다.

2011년 [97]9월 14일, 미 공군은 GPS OCX 예비 설계 검토의 완료를 발표했고 OCX 프로그램이 다음 단계의 개발을 위한 준비가 되었음을 확인했다.

GPS OCX 프로그램은 주요 이정표를 놓쳐 당초 기한을 5년 넘긴 2021년으로 발사를 추진하고 있다.경리청에 따르면, 이 새로운 마감일조차 [98]불안정해 보입니다.

사용자 세그먼트

상세 정보: GPS 내비게이션 장치
GPS 수신기는 자동차, 전화기, 시계에 통합된 장치부터 이와 같은 전용 장치까지 다양한 형태로 제공됩니다.
최초의 휴대용 GPS 장치인 라이카 WM 101은 메이누스의 아일랜드 국립 과학 박물관에 전시되어 있습니다.

사용자 세그먼트(US)는 보안 GPS 정밀 측위 서비스의 수십만 명의 미국 및 연합군 사용자 및 수천만 명의 표준 측위 서비스 민간, 상업 및 과학 사용자로 구성됩니다.일반적으로 GPS 수신기는 위성, 수신기 프로세서 및 매우 안정적인 클럭(흔히 크리스털 오실레이터)에 의해 송신되는 주파수에 맞춰 조정되는 안테나로 구성됩니다.또한 위치 및 속도 정보를 사용자에게 제공하기 위한 디스플레이를 포함할 수도 있습니다.수신기는 채널 수로 설명되는 경우가 많습니다.이는 동시에 감시할 수 있는 위성의 수를 나타냅니다.원래는 4개 또는 5개로 제한되었지만, 이 수는 수년에 걸쳐 점차 증가하여 2007년 현재 리시버에는 일반적으로 12~20개의 채널이 있습니다.많은 리시버 제조사가 있지만,[citation needed] 거의 모든 제조사가 이를 위해 생산된 칩셋 중 하나를 사용하고 있다.

15mm × 17mm(0.6인치 × 0.7인치) 크기의 일반적인 OEM GPS 수신기 모듈

GPS 수신기에는 RTCM SC-104 형식을 사용하여 차동 보정을 위한 입력이 포함될 수 있습니다.이것은 보통 4,800비트/초 속도의 RS-232 포트 형식입니다.데이터는 실제로 훨씬 낮은 속도로 전송되므로 RTCM을 [citation needed]사용하여 전송되는 신호의 정확도가 제한됩니다.내부 DGPS 수신기가 있는 수신기는 외부 RTCM 데이터를 사용하는 수신기를 [citation needed]능가할 수 있습니다.2006년의 시점에서는, 저비용 유닛에서도 일반적으로 WAAS(Wide Area Augmentation System) 리시버가 포함되어 있습니다.

안테나가 내장된 일반적인 GPS 수신기.

많은 GPS 수신기는 NMEA 0183 프로토콜을 사용하여 PC 또는 다른 장치에 위치 데이터를 릴레이할 수 있습니다.이 프로토콜은 NMEA([99]National Marine Electronics Association)에 의해 공식적으로 정의되었지만, 이 프로토콜에 대한 참조는 공개 기록에서 편집되어 gpsd와 같은 오픈 소스 도구가 지적 재산권법을 [clarification needed]위반하지 않고 프로토콜을 읽을 수 있습니다.SiRF 및 MTK 프로토콜과 같은 다른 독점 프로토콜도 존재합니다.수신기는 시리얼 연결, USB 또는 블루투스 등의 방법을 사용하여 다른 장치와 인터페이스할 수 있습니다.

적용들

주요 기사: GNSS 응용 프로그램

원래 군사적인 프로젝트이지만 GPS는 이중 사용 기술로 여겨지는데, 이는 GPS가 상당한 민간 용도도 가지고 있다는 것을 의미한다.

GPS는 상업, 과학적 사용, 추적 및 감시를 위해 널리 배치되고 유용한 도구가 되었습니다.GPS의 정확한 시간은 잘 동기화된 핸드오프 [81]전환이 가능하여 뱅킹, 휴대폰 운영, 심지어 전력망 제어와 같은 일상적인 활동을 용이하게 합니다.

민간의

이 안테나는 정확한 타이밍이 필요한 과학실험을 포함한 오두막 지붕에 설치되어 있다.

많은 민간 애플리케이션은 GPS의 세 가지 기본 구성요소인 절대 위치, 상대 이동 및 시간 이동 중 하나 이상을 사용합니다.

  • 아마추어 무선: FT8, FT4 및 JS8과 같은 여러 디지털 모드에 필요한 클럭 동기. 또한 위치 보고를 위해 APRS와 함께 사용됩니다. 비상 및 재해 통신 지원 시 종종 중요합니다.
  • 대기: 대류권 지연(수증기 함량 회복)과 전리층 지연(자유 전자 [100]수 회복)을 연구한다.대기압 [101]하중에 의한 지표면 변위 회복.
  • 천문학: 위치 및 시계 동기화 데이터는 모두 측성 및 천체 역학과 정확한 궤도 [102]결정에 사용됩니다.GPS는 작은 망원경을 사용하는 아마추어 천문학과 외계 행성을 찾기 위한 전문 관측소에서도 사용된다.
  • 자동화 차량: 자동차와 트럭이 운전자 없이 작동할 수 있도록 위치와 경로를 적용합니다.
  • 지도 제작: 민간 지도 제작자와 군사 지도 제작자 모두 GPS를 광범위하게 사용합니다.
  • 셀 텔레포니: 클럭 동기는 시간 전송을 가능하게 합니다.시간 전송은 셀 간 핸드오프를 용이하게 하고 모바일 긴급 호출 및 기타 응용 프로그램에 대한 하이브리드 GPS/셀룰러 위치 검출을 지원하기 위해 다른 기지국과 확산 코드를 동기화하는 데 매우 중요합니다.GPS를 내장한 최초의 단말기는 1990년대 후반에 출시되었습니다.미국 연방통신위원회(FCC)는 2002년 긴급구조대가 911 발신자를 찾을 수 있도록 핸드셋 또는 타워(삼각측정에 사용)에 이 기능을 의무화했습니다.서드파티 소프트웨어 개발자는 이후 출시와 동시에 Nextel에서 GPS API에 액세스할 수 있게 되었고, 2006년 Sprint, 그 후 Verizon이 그 뒤를 이었다.
  • 클럭 동기화: GPS 시간 신호의 정확도(±10 ns)[103]는 그 기초가 되는 원자 클럭 다음으로 높으며 GPS 방식 발진기와 같은 응용 프로그램에 사용됩니다.
  • 재해 구조/긴급 서비스: 많은 긴급 서비스는 위치 및 타이밍 기능을 GPS에 의존합니다.
  • GPS가 장착된 라디오콘드와 드롭콘드: 지구 표면에서 최대 27km(89,000ft)까지 대기압, 풍속 및 방향을 측정하고 계산합니다.
  • 기상 및 대기 과학 애플리케이션을 [104]위한 무선 엄폐 기능.
  • 함대 추적: 하나 이상의 함대 차량과의 연락 보고서를 실시간으로 식별, 위치 확인 및 유지하기 위해 사용됩니다.
  • 측지: 일별 및 일별 극성 운동,[105] 일별 길이 변동,[106] 지구 질량 중심 - 지리 중심 운동 [107]및 저도의 중력장 [108]매개변수를 포함한 지구 방향 매개변수의 결정.
  • 지오펜싱: 차량 추적 시스템, 사람 추적 시스템 및 애완동물 추적 시스템은 GPS를 사용하여 사람, 차량 또는 애완동물에 부착되거나 휴대되는 장치를 찾습니다.응용 프로그램은 대상이 지정된(또는 "펜스된")[109] 영역을 벗어날 경우 지속적인 추적을 제공하고 알림을 보낼 수 있습니다.
  • 지오태깅: Nikon GP-1 등의 디바이스에서 지도 오버레이를 작성하는 등의 목적으로 사진(Exif 데이터 내)이나 기타 문서 등의 디지털 오브젝트에 위치 좌표를 적용합니다.
  • GPS 항공기 추적
  • 채굴용 GPS: RTK GPS의 사용은 시추, 삽질, 차량 추적, 측량 등의 몇 가지 채굴 작업을 크게 개선했습니다.RTK GPS는 센티미터 수준의 위치 정확도를 제공합니다.
  • GPS 데이터 마이닝:여러 사용자의 GPS 데이터를 수집하여 이동 패턴, 공통 궤적 및 흥미로운 [110]위치를 파악할 수 있습니다.
  • GPS 투어: 위치 정보 등 표시할 콘텐츠를 결정합니다.
  • 정신건강: 정신건강의 기능과 [111]사회성을 추적합니다.
  • 내비게이션: 네비게이터는 디지털로 정확한 속도와 방향 측정뿐만 아니라 궤도와 시계 [112]보정을 지원하여 실시간으로 정확한 위치를 평가합니다.
  • GOCE,[113] GRACE, Jason-1, Jason-2, TerraSAR-X, TanDEM-X, CHAMP, Sentinel-3와 [114]같은 GPS 수신기가 탑재된 저궤도 위성과 큐벳의 궤도 결정.
  • 페이저 측정: GPS를 사용하면 전력 시스템 측정의 정확한 타임스탬프를 사용하여 페이저를 계산할 수 있습니다.
  • 레크리에이션: 예를 들어 지오캐싱, 지오다싱, GPS 그리기, 웨이마킹, 그리고 포켓몬 고와 같은 다른 종류의 위치 기반 모바일 게임.
  • 기준 프레임: 지구 측지 관측 시스템의 프레임워크에서 지상 기준[115] 프레임의 실현 및 밀도화.위성 레이저[116] 범위와 마이크로파 관측 사이의[117] 공간에 공동 위치하여 글로벌 측지 파라미터를 [118][119]도출합니다.
  • 로봇 공학: [120]GPS 센서를 사용하여 위도, 경도, 시간, 속도, 방향을 계산하는 자율형 로봇.
  • 스포츠: 축구와 럭비에서 훈련 [121]부하를 제어하고 분석하는 데 사용됩니다.
  • 측량: 측량사는 절대 위치를 사용하여 지도를 만들고 토지 경계를 결정합니다.
  • 구조론: GPS를 통해 지진의 직접적인 단층 움직임을 측정할 수 있습니다.지진 사이에 GPS를 사용하여 지각의 움직임과 변형을[122] 측정하여 지진 위험 지도를 작성하기 위해 지진 변형률 축적을 추정할 수 있다.
  • 텔레매틱스: GPS 테크놀로지와 자동차 내비게이션 시스템의 모바일 통신 테크놀로지가 통합되어 있습니다.

민간 이용 제한

미국 정부는 일부 민간 수신기의 수출을 통제하고 있다.해수면 60,000ft(18km) 및 1,000kn(500m/s; 2,000km/h; 1,000mph) 이상에서 작동할 수 있는 모든 GPS 수신기는 무인 미사일 및 항공기와 함께 사용하도록 설계 또는 개조된 군수품(무기)으로 분류되며, 이는 국무부 수출 [123]면허가 필요하다는 것을 의미한다.이 규칙은 L1 주파수와 C/A(Coarse/Acquisition) 코드만 수신하는 순수 민간 장치에도 적용됩니다.

이러한 제한을 넘는 동작을 무효로 하면, 수신기는 군수품으로서 분류되지 않게 됩니다.벤더의 해석은 다릅니다.이 규칙은 목표 고도와 속도 모두에서 작동하지만 일부 수신기는 정지 상태에서도 작동을 멈춘다.이것은 정기적으로 30킬로미터까지 도달하는 일부 아마추어 무선 풍선 발사에 문제를 일으켰다.

이러한 제한은 미국에서 수출되는 장치 또는 부품에만 적용됩니다.다른 나라의 GPS 장치를 포함하여 다양한 부품 거래가 증가하고 있습니다.이것들은 ITAR 프리로서 명시적으로 판매되고 있습니다.

군사의

2003년 3월, GPS 유도 키트를 폭탄에 장착했습니다.
M982 Excalibur GPS 유도 포탄.

2009년 현재 군용 GPS 애플리케이션에는 다음이 포함됩니다.

  • 내비게이션: 군인들은 GPS를 사용하여 어둠 속이나 낯선 지역에서도 목표를 찾고, 군대와 보급 이동을 조정한다.미국 군대에서 지휘관은 사령관 디지털 어시스턴트를 사용하고 하위 계급은 솔저 디지털 [124]어시스턴트를 사용합니다.
  • 목표 추적: 다양한 군사 무기 시스템은 GPS를 사용하여 잠재적인 지상 및 공중 목표물을 추적한 후 [citation needed]적대적인 것으로 표시합니다.이 무기 시스템은 목표물과 정확히 교전할 수 있도록 목표물의 좌표를 정밀 유도 탄약으로 전달합니다.특히 공대지 역할을 하는 군용기는 목표물을 찾기 위해 GPS를 사용한다.
  • 미사일 및 발사체 유도: GPS는 ICBM, 순항 미사일, 정밀 유도 군수품, 포탄 등 다양한 군사 무기를 정확하게 조준할 수 있습니다.12,000g 또는 약 118km/s의2 가속을 견딜 수 있는 내장된 GPS 수신기가 155mm(6.1인치)의 [125]포탄에 사용하기 위해 개발되었습니다.
  • 수색과 구조.
  • 정찰: 순찰 이동을 보다 면밀하게 관리할 수 있습니다.
  • GPS 위성은 방미터, X선 센서, 선량계, 그리고 미국 핵폭발 탐지 [126][127]시스템의 주요 부분을 구성하는 전자기 펄스 센서로 구성된 일련의 핵폭발 탐지기를 운반한다.William Shelton 장군은 미래의 위성들이 비용을 [128]절약하기 위해 이 기능을 떨어뜨릴지도 모른다고 말했다.

GPS 방식의 내비게이션은 연합군이 전쟁에서 항해하고 기동하는 것을 돕기 위해 1995년 GPS가 완전히 개발되기 전인 1991년 페르시아만 전쟁에서 처음 사용되었다.이라크군이 전파소음을 내는 목표물에 교란장치를 설치해 약한 GPS [129]신호의 수신을 방해할 때 GPS가 교란될 수 있는 취약성도 드러났다.

GPS의 방해에 대한 취약성은 방해 장비와 경험이 증가함에 따라 [130][131]계속 증가하는 위협이다.GPS 신호는 수년간 군사적인 목적으로 여러 차례 교란되었다고 보고되어 왔다.러시아는 이러한 행동에 대해 이웃 국가들을 위협하면서 미국 체제에 대한 신뢰를 떨어뜨리고, 그들의 GLONASS 대안을 홍보하고, 서방 군사 훈련을 방해하고,[132] 무인기로부터 자산을 보호하는 것과 같은 몇 가지 목적을 가지고 있는 것으로 보인다.중국은 분쟁지역인 스프래틀리 [133]군도 근처에서 미국의 감시기를 방해하기 위해 교란장치를 사용한다.북한은 남한과 접경지역과 앞바다에 여러 차례 대규모 교란작전을 벌여 비행, 선박,[134] 조업 등에 차질을 빚고 있다.이란군은 민간 여객기 PS752편의 GPS를 [135][136]격추하면서 교란시켰다.

타임키핑

윤초

대부분의 클럭은 Coordinated Universal Time(UTC; 협정 세계시)에서 시간을 얻지만, 위성의 원자 클럭은 "GPS 시간"으로 설정됩니다.차이점은 GPS 시간은 지구의 자전과 일치하도록 보정되지 않기 때문에 UTC에 주기적으로 추가되는 윤초나 다른 수정 사항이 포함되지 않는다는 것입니다. GPS 시간은 1980년에 UTC와 일치하도록 설정되었지만 이후 분산되었습니다.보정이 없다는 것은 GPS 시간이 국제원자시간(TAI)과 일정한 오프셋을 유지한다는 것을 의미한다(TAI - GPS = 19초).온보드 클럭을 정기적으로 보정하여 접지 [137]클럭과 동기화되도록 합니다.

GPS 내비게이션 메시지는 GPS 시간과 UTC 간의 차이를 포함합니다.2017년 1월 현재 GPS 시간은 2016년 [138]12월 31일 UTC에 추가된 윤초 때문에 UTC보다 18초 빠르다.수신기는 GPS 시간에서 이 오프셋을 빼서 UTC 및 특정 시간대 값을 계산합니다.새 GPS 장치는 UTC 오프셋 메시지를 수신할 때까지 올바른 UTC 시간을 표시하지 않을 수 있습니다.GPS-UTC 오프셋필드에는 255개의 윤초(8비트)를 수용할 수 있습니다.

정확성.

GPS 시간은 이론적으로 약 14나노초로 정확합니다, 왜냐하면 GPS 송신기의[139] 원자 시계가 경험하는 국제 원자 시간에 상대적인 클럭 드리프트 때문에 대부분의 수신기는 신호의 해석에서 약간의 정확도를 잃고 단지 약 [140][141]100나노초까지만 정확합니다.

포맷

상세 정보: GPS 주 번호 롤오버

그레고리력의 연도, 월 및 일 형식과 달리 GPS 날짜는 주 번호와 초/주 숫자로 표시됩니다.주 번호는 C/A 및 P(Y) 내비게이션메시지 내에서 10비트필드로 전송되므로 1,024주(19.6년)마다 다시 제로가 됩니다.GPS 위크0은 1980년 1월 6일 00:00:00 UTC(00:00:19 TAI)에 시작되어 1999년 8월 21일 23:59:47 UTC(99년 8월 22일 00:00:19 TAI)에 처음으로 제로가 되었습니다.2019년 4월 6일 23:59:42 UTC에 두 번째 발생했다.현재 그레고리 날짜를 확인하려면 GPS 수신기에 GPS 날짜 신호를 올바르게 변환하기 위한 대략적인 날짜(3,584일 이내)가 제공되어야 합니다.향후 이 문제를 해결하기 위해 현대화된 GPS 민간 내비게이션(CNAV) 메시지는 13비트 필드를 사용하며, 이 필드는 8,192주(157년)마다 반복되며, 따라서 2137년(GPS 0주차 이후 157년)까지 지속됩니다.

의사소통

주요 기사: GPS 신호

GPS 위성에 의해 전송되는 내비게이션 신호는 위성 위치, 내부 시계 상태, 네트워크 상태를 포함한 다양한 정보를 인코딩합니다.이들 신호는 네트워크 내의 모든 위성에 공통되는2개의 다른 반송파 주파수로 송신됩니다.두 가지 다른 인코딩이 사용됩니다. 즉, 저해상도 탐색을 가능하게 하는 공개 인코딩과 미군이 사용하는 암호화 인코딩입니다.

메시지 형식

GPS 메시지 형식
서브프레임 묘사
1 위성시계,
GPS 시간 관계
2–3 에페메리스
(위성 궤도 추가)
4–5 연감 성분
(네트워크의 개요,
오류 수정)

각 GPS 위성은 L1(C/A 및 P/Y) 및 L2(P/Y) 주파수로 초당 50비트 속도로 내비게이션 메시지를 지속적으로 브로드캐스트합니다(비트레이트 참조).각 완전한 메시지는 750초 소요됩니다(완료까지 12+1분2초).메시지 구조에는 5개의 서브프레임으로 구성된 1500비트 길이의 프레임의 기본 형식이 있으며, 각 서브프레임의 길이는 300비트(6초)입니다.서브프레임 4, 5는 각각 25회씩 서브커뮤니케이션되므로 완전한 데이터 메시지는 25개의 풀프레임 전송이 필요합니다.각 서브프레임은 각각 30비트 길이의 10단어로 구성됩니다.따라서 서브프레임의 300비트×5 서브프레임의 프레임×25 프레임의 메시지에서는 각 메시지의 길이는 37,500비트입니다.전송 레이트가 50비트/초인 경우, 이것에 의해, 750초 동안, 연감 메시지(GPS) 전체를 송신할 수 있습니다.각 30초 프레임은 각 [142]위성의 원자시계에 나타나듯이 정확하게 분 또는 30분에 시작됩니다.

각 프레임의 첫 번째 서브프레임은 주 번호와 [143]주 내 시간 및 위성 상태에 대한 데이터를 인코딩합니다.두 번째와 세 번째 서브프레임에는 인공위성의 정확한 궤도인 사용후기가 포함되어 있습니다.네 번째와 다섯 번째 서브프레임에는 별자리 내 최대 32개 위성에 대한 대략적인 궤도 및 상태 정보, 오류 수정 관련 데이터가 포함된 연감이 포함되어 있습니다.따라서 이 송신 메시지에서 정확한 위성 위치를 얻으려면 수신자는 솔루션에 포함된 각 위성으로부터의 메시지를 18~30초간 복조해야 합니다.송신된 모든 연감을 수집하려면 수신자는 메시지를 732 ~750초 또는 12+1µ2분간 [144]복조해야 합니다.

모든 위성은 동일한 주파수로 방송되며 수신자가 개별 위성을 서로 구별할 수 있도록 고유한 CDMA(Code-Division Multiple Access)를 사용하여 신호를 인코딩합니다.이 시스템은 일반인이 접근할 수 있는 저밀도/취득(C/A) 코드와 암호화 코드에 접근 권한을 부여받은 미군 및 기타 NATO 국가만이 [145]접근할 수 있도록 암호화되는 정밀(P(Y) 코드라는 두 가지 CDMA 인코딩 유형을 사용합니다.

사용 후기는 2시간마다 업데이트되며 4시간 동안 충분히 안정적이며 비공칭 조건에서는 6시간 이상마다 업데이트에 대한 프로비저닝이 제공됩니다.연감은 보통 24시간마다 갱신됩니다.또한 데이터 업로드가 [citation needed]지연되는 전송 업데이트의 경우 이후 몇 주간의 데이터가 업로드됩니다.

위성 주파수

GPS 주파수[146]: 607 개요
밴드 빈도수. 묘사
L1 1575.42MHz 블록 III 및 최신 위성의 저속 수집(C/A) 및 암호화 정밀도(P(Y) 코드와 L1 민간(L1C) 및 군사(M) 코드.
L2 1227.60MHz 블록 IIR-M 및 새로운 위성의 P(Y) 코드와 L2C 및 군사 코드.
L3 1381.05MHz 핵폭발(NUDET) 검출에 사용됩니다.
L4 1379.913 MHz 추가적인 전리층 보정을 위해 연구되고 있다.
L5 1176.45MHz Block IIF 및 최신 위성에서 민간 생명 안전(SoL) 신호로 사용됩니다.

모든 위성은 1.57542GHz(L1 신호)와 1.2276GHz(L2 신호)의 2개의 주파수로 브로드캐스트합니다.위성 네트워크는 CDMA 확산 스펙트럼 기법을[146]: 607 사용합니다.이 기술은 저비트레이트 메시지 데이터가 위성마다 다른 High Rate Pseudo Random(PRN; 고환율 의사랜덤) 시퀀스로 인코딩됩니다.수신자는 실제 메시지 데이터를 재구성하기 위해 각 위성의 PRN 코드를 알고 있어야 합니다.민간용 C/A 코드는 초당 102만3000칩, 미군용 P 코드는 초당 1023만칩으로 데이터를 전송합니다.인공위성의 실제 내부기준은 10.229999543MHz로 지구상의 관측자가 궤도에 있는 송신기에 대해 다른 시간기준을 인지하게 하는 상대론적[147][148] 효과를 보상한다.L1 캐리어는 C/[88]A 코드와 P 코드 모두에 의해 변조되며 L2 캐리어는 P 코드만으로 변조됩니다.P 코드는 적절한 복호화 키를 가진 군사 장비에서만 사용할 수 있는 이른바 P(Y) 코드로 암호화할 수 있습니다.C/A 코드와 P(Y) 코드 모두 사용자에게 정확한 시각을 제공합니다.

1.38105GHz의 주파수로 L3 신호를 사용하여 위성에서 지상국으로 데이터를 전송합니다.이 데이터는 미국 핵폭발 탐지 시스템(USNDS)에 의해 지구 대기권과 우주 [149]근방에서 핵폭발(NUDET)을 감지, 위치 파악 및 보고하기 위해 사용된다.한 가지 용도는 핵실험 금지 조약의 시행이다.

1.379913GHz의 L4 대역은 추가 전리층 보정을 [146]: 607 위해 연구되고 있습니다.

1.17645GHz의 L5 주파수 대역은 GPS 현대화 과정에서 추가되었습니다.이 주파수는 항공 항해를 위해 국제적으로 보호되는 범위에 속하며, 모든 상황에서 거의 또는 전혀 간섭하지 않을 것을 약속한다.이 신호를 제공하는 최초의 Block IIF 위성은 2010년 [150]5월에 발사되었다.2016년 2월 5일, Block IIF 인공위성 12호가 [151]발사되었다.L5는 서로 위상 직교하는 2개의 반송파 컴포넌트로 구성됩니다.각 캐리어 컴포넌트는 별도의 비트열로 BPSK(Bi-phase Shift Key)를 변조합니다."세 번째 민간 GPS 신호인 L5는 결국 항공을 위한 생명 안전 애플리케이션을 지원하고 향상된 가용성과 [152]정확성을 제공할 것입니다."

2011년 L1 대역 근처에서 지상파 광대역 서비스를 운영하기 위해 LightSquared에 조건부 포기가 승인되었습니다.LightSquared는 2003년부터 1525~1559 대역의 운영 면허를 신청해 공개 의견을 구했지만 FCC는 LightSquared에 GPS 수신기를 테스트하고 LightSquared 지상파 네트워크에서 더 큰 신호 전력으로 인해 발생할 수 있는 문제를 식별하기 위해 GPS 커뮤니티와 함께 연구 그룹을 구성하도록 요청했습니다.GPS 커뮤니티는 LightSquared(이전의 MSV 및 SkyTerra) 애플리케이션에 대해 2010년 11월 LightSquared가 보조 지상 구성 요소(ATC) 인가에 대한 수정을 신청하기 전까지 이의를 제기하지 않았다.이 파일링(SAT-MOD-20101118-00239)은 지상 기지국에 대해 동일한 주파수 대역에서 여러 차례 더 많은 전력을 실행하라는 요구와 같았으며, 기본적으로 우주에서 오는 신호의 "조용한 지역"을 셀룰러 네트워크에 상당하는 것으로 변경했다.2011년 상반기 테스트에서는 하위 10MHz 스펙트럼의 영향이 GPS 장치에 미치는 영향이 미미하다는 것이 입증되었다(전체 GPS 장치의 1% 미만).LightSquared에서 사용하도록 의도된 상위 10MHz는 GPS 장치에 일부 영향을 미칠 수 있습니다.이로 인해 많은 소비자가 [153][154]GPS 신호를 심각하게 저하시킬 수 있다는 우려가 있습니다.Aviation Week지는 최신 테스트(2011년 6월)에서 LightSquared [155]시스템에 의한 GPS의 "중대한 교란"이 확인되었다고 보도했습니다.

복조 및 복호화

Coarse/Acquisition Gold 코드를 사용하여 GPS 위성 신호 복조 및 디코딩

모든 위성 신호는 동일한 L1 반송파 주파수로 변조되므로 복조 후 신호를 분리해야 합니다.이것은 골드 코드라고 불리는 고유한 이진 시퀀스를 각 위성에 할당함으로써 이루어집니다.신호는 [156][157]수신기가 모니터링하는 위성에 해당하는 골드 코드를 추가하여 복조 후 디코딩됩니다.

미리 연감 정보를 취득한 경우 수신자는 PRN으로 청취할 위성을 선택합니다.이 숫자는 1~32 범위의 고유 번호입니다.연감 정보가 메모리에 없을 경우 수신기는 위성 중 하나에서 잠금을 얻을 때까지 검색 모드로 들어갑니다.잠금을 얻으려면 수신기에서 위성까지의 시야가 방해받지 않아야 합니다.수신자는 연감을 입수하여 수신자가 청취해야 할 위성을 결정할 수 있습니다.각 위성의 신호를 검출할 때, 독자적인 C/A 코드 패턴으로 식별한다.에페메리스 데이터를 읽을 필요가 있기 때문에 첫 번째 위치 추정까지 최대 30초의 지연이 발생할 수 있습니다.

내비게이션 메시지를 처리하면 이 때 전송 시간과 위성 위치를 결정할 수 있습니다.자세한 내용은 복조 및 디코딩, 고급을 참조하십시오.

항법 방정식

상세정보 : GNSS 위치결정 계산
'의사 오렌지'도 참조해 주세요.

문제문

수신기는 위성으로부터 수신한 메시지를 사용하여 위성 위치와 전송 시간을 결정합니다.위성 위치의 x, y 및 z 성분과 송신 시간은 [xi, yi, zi, si]로 지정되며, 여기서 첨자 i는 위성을 나타내며, 값 1, 2, ..., n은 n 4 4이다.온보드 수신기 클락에 의해 표시되는 메시지 수신 시간이 itµ인 경우, 진정한i 수신 시간은 t = itµ - b입니다. 여기서 b는 위성에 의해 사용되는 훨씬 더 정확한 GPS 클럭에 의한 수신기의 클럭 바이어스입니다.수신기 클럭 바이어스는 수신된 모든 위성 신호에 대해 동일합니다(위성 클럭이 모두 완벽하게 동기화되어 있다고 가정).메시지 전송 시간은 t i- - b - si 입니다.여기서i s는 위성 시간입니다.메시지가 빛의 속도로 전달된다고 가정할 때, 전달된 거리는 (tµ - b - si)i c입니다.

n개의 위성에 대해 만족해야 할 방정식은 다음과 같습니다.

여기서i d는 리시버와 위성i 사이의 기하학적 거리 또는 범위입니다(첨자가 없는 값은 리시버 위치의 x, y 및 z 컴포넌트입니다).

( ~ ) \ p { i } = \ left display style \ { _ { i } - _ { } \ ) c p p p p p p p p p p p p p p of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of

i , ,,., { } = + bc , \ ; i, 2, [158][159]} 。

방정식에는 4개의 미지 [x, y, z, b](GPS 수신기 위치와 클럭 바이어스의 3가지 구성요소)가 있기 때문에 이러한 방정식을 풀려면 적어도 4개의 위성의 신호가 필요합니다.그것들은 대수적 또는 수치적 방법으로 풀 수 있다.GPS 솔루션의 존재와 고유성은 Abell과 Chaffee에 [74]의해 논의됩니다.n이 4보다 크면 이 시스템은 과도하게 결정되므로 피팅 방법을 사용해야 합니다.

특정 구성(수신된 위성이 하늘에서 서로 가까이 있을 때)이 더 큰 오류를 일으키기 때문에 결과에서 오류의 양은 수신된 위성의 위치에 따라 달라집니다.수신기는 일반적으로 계산된 위치에서 오류의 실행 추정치를 계산합니다.이것은 수신기의 기본 해상도에 사용되는 [160]위성의 상대적인 하늘 방향에서 계산한 위치 기하학적 희석(GDOP) 인자라고 불리는 양을 곱함으로써 이루어집니다.수신기 위치는 WGS 84 측지 기준 또는 국가별 [161]시스템을 사용하여 위도 및 경도와 같은 특정 좌표계로 표현된다.

해석

GPS 방정식은 수치 및 분석 방법으로 풀 수 있습니다.기하학적 해석은 이러한 솔루션 방법에 대한 이해를 높일 수 있습니다.

★

삼변측정) 2-D 데변 、 변변변변변변변변 변변변 （ 변 2 2 2 2 2 ） 。

의사범위라고 불리는 측정범위에는 클럭에러가 포함되어 있습니다.범위가 동기화되는 단순화된 이상화에서, 이러한 진정한 범위는 각각 송신 위성 중 하나에 중심을 둔 구체의 반지름을 나타냅니다.수신기의 위치에 대한 해결책은 이러한 구 표면의 교차점에 있습니다. 3변측정(좀 더 일반적으로 참 범위 다변측정)을 참조하십시오.최소 3개의 위성으로부터의 신호가 필요하며, 일반적으로 3개의 구가 2개의 [162]지점에서 교차합니다.그 중 하나는 수신기의 위치이고, 다른 하나는 연속적인 측정으로 빠르게 움직이며 보통 지구 표면에 있지 않습니다.

실제로는 클럭 바이어스 외에도 부정확한 원인이 많이 있는데, 여기에는 랜덤 오류뿐만 아니라 구의 중심이 상대적으로 서로 가까울 경우 서로 가까운 숫자를 뺄 때의 정밀도 손실의 가능성이 포함된다.위성 3개만으로는 정확한 위치를 알 수 없다는 뜻이다.더 많은 위성의 데이터가 도움이 되는 이유는 무작위 오류가 상쇄되는 경향과 구 중심 간에 더 큰 범위를 제공하기 때문입니다.하지만 동시에, 더 많은 구들이 한 지점에서 교차하지 않을 것입니다.따라서 일반적으로 최소 제곱을 통해 가까운 교차가 계산됩니다.사용 가능한 신호가 많을수록 근사치가 향상될 수 있습니다.

3개의 위성(「스테이션」A, B, C라고 하는 라벨이 붙어 있는 것)이, 기존의 로케이션을 가지고 있습니다.무선 신호가 각 위성에서 수신기로 이동하는 데 걸리는 실제 시간은 알려져 있지 않지만 실제 시간 차이는 알려져 있습니다.그런 다음, 각 시차가 위성에 초점을 맞춘 쌍곡선의 가지에 수신기를 배치합니다.수신기는 2개의 교차로 중 하나에 배치됩니다.

수신측과 위성측 i의 의사범위, 수신측과 위성측 j의 의사범위를 감산하면i p~pj, 공통 수신측 클럭 바이어스(b)가 상쇄되어i 거리j d~d가 된다.두 점(여기서 두 위성)과의 거리가 일정한 점의 궤적은 평면상의 쌍곡선과 3D 공간에서의 회전의 쌍곡선(구체적으로는 두 장의 쌍곡선)이다(다변측정 참조).따라서 4개의 의사범위 측정에서 수신기는 한 쌍의 위성에서 각각 포시와 함께 3개의 하이퍼볼로이드 표면의 교차점에 배치될 수 있습니다.추가 위성을 사용하면 여러 교차로가 반드시 고유할 필요는 없으며,[74][75][163][164][165][166] 대신 가장 적합한 솔루션을 찾아야 합니다.

작은 원(빨간색)이 서로 접선할 필요가 없는 다른 원(검은색)에 내접하여 접선합니다.

리시버 위치는 리시버 클럭 바이어스 b(광속 c로 스케일링됨)에 의해 주어진 반지름 bc의 내접구(영감)의 중심으로 해석할 수 있습니다.영감의 위치는 다른 구와 접촉할 수 있는 곳입니다.외접구는 GPS 위성의 중심에 있으며, GPS 위성의 반지름은 측정된 의사 범위i p와 같다.이 구성은 위에서 설명한 것과 구별되는데, 구체의 반지름은 비편향 또는 기하학적 범위i [165]: 36–37 [167]d였다.

수신기의 클럭은 보통 위성의 클럭과 같은 품질이 아니므로 정확하게 동기화되지 않습니다.이것에 의해, 위성에의 실제의 거리에 비해 큰 차이가 있는 의사 범위가 생성됩니다.따라서 실제로는 리시버 클럭과 위성 시각의 시간차는 미지의 클럭 바이어스 b로 정의된다.그런 다음 수신기 위치와 클럭 바이어스에 대해 방정식이 동시에 해결됩니다.솔루션 공간 [x, y, z, b]는 4차원 시공간으로 볼 수 있으며 최소 4개의 위성으로부터의 신호가 필요하다.이 경우 각 방정식은 위성에 접점이 위치하여 위성을 둘러싼 구면인 하이퍼콘(또는 구면 [168]원뿔)을 나타냅니다.수신기는 이러한 하이퍼콘의 4개 이상의 교차점에 있습니다.

해결 방법

최소 제곱

4개 이상의 위성을 사용할 수 있는 경우 수신기 채널 수, 처리 능력 및 정밀도 기하학적 희석(GDOP)에 따라 계산에서 4개 이상의 최적 위성 또는 최대 4개 이상의 위성(모든 가시 위성)을 동시에 사용할 수 있습니다.

4개 이상의 사용에는 고유한 솔루션이 없는 과도하게 결정된 방정식 시스템이 수반됩니다. 이러한 시스템은 최소 제곱법 또는 가중 최소 제곱법으로 [158]해결할 수 있습니다.

반복적

4개의 위성에 대한 방정식 또는 4개 이상의 최소 제곱 방정식은 모두 비선형이며 특별한 해결 방법이 필요합니다.일반적인 접근방식은 가우스-뉴턴 알고리즘과 같은 선형화된 형태의 방정식을 반복하는 것이다.

GPS는 처음에 수치 최소 제곱 솔루션 방법, 즉 폐쇄형 솔루션이 발견되기 전에 이를 가정하여 개발되었다.

클로즈드 폼

S. Bancroft는 [159][169]위의 방정식에 대한 하나의 폐쇄형 해법을 개발했습니다.그것의 특성은 [74][75][170]잘 알려져 있다. 특히, 지지자들은 이것이 반복 최소 제곱법에 [169]비해 낮은 GDOP 상황에서 우수하다고 주장한다.

밴크로프트의 방법은 숫자와는 달리 대수적이어서 4개 이상의 위성에 사용할 수 있다.4개의 위성을 사용할 때 주요 단계는 4x4 행렬의 반전 및 단일 변수 2차 방정식의 해법입니다.뱅크로프트의 방법은 미지의 수량에 대한 한두 가지 해결책을 제공한다.두 개(보통 그런 경우)가 있다면, 오직 한 개만이 지구에 가까운 합리적인 [159]해결책입니다.

수신기가 하나의 솔루션에 4개 이상의 위성을 사용하는 경우, Bancroft는 일반화된 역(즉, 의사 역)을 사용하여 해결책을 찾습니다.과도하게 결정된 비선형 최소 제곱 문제를 해결하기 위한 가우스-뉴턴 알고리즘 접근법과 같은 반복 방법이 일반적으로 보다 정확한 [171]솔루션을 제공한다는 사례가 있다.

Leick et al.(2015)는 "Bancroft(1985)의 솔루션은 최초의 폐쇄형 솔루션은 아니더라도 매우 초기의 솔루션"이라고 말한다.[172]다른 폐쇄형 솔루션은 실제 채택이 불분명하지만 [173][174]나중에 발표되었다.

오류 발생원 및 분석

주요 기사:위성 측위 시스템 오류 분석

GPS 오류 분석은 GPS 결과의 오류 발생원과 예상되는 오류 크기를 조사합니다.GPS는 리시버 클럭 오류 및 기타 영향을 수정하지만 일부 잔류 오류는 수정되지 않은 상태로 남아 있습니다.오류 발생원에는 신호 도착 시간 측정, 수치 계산, 대기 효과(이온층/대류권 지연), 사용 후기와 시계 데이터, 다중 경로 신호 및 자연 및 인위적 간섭이 포함됩니다.이러한 선원에서 발생하는 잔류 오차의 크기는 정밀도의 기하학적 희석에 따라 달라진다.인위적 오류는 교란 장치와 항공기 또는 선택적[175] 가용성을 통한 의도적인 신호 열화로 인해 발생할 수 있으며, 이는 정확도를 § 6–12 m(20–40 ft)로 제한하지만 2000년 [176][177]5월 1일부터 꺼졌다.

정확도 향상 및 측량

이 섹션은 GNSS 확장에서 발췌한 것입니다.[편집]

GNSS 강화는 GPS 또는 항해에 사용되는 위성 네트워크인 다른 위성 시스템에서 일반적으로 제공하는 위치 정보의 정확성을 향상시키기 위해 사용되는 기술을 말합니다.

정확도 향상을 위한 강화 방법은 계산 프로세스에 통합되는 외부 정보에 의존합니다.이러한 시스템은 많이 있으며 GPS 센서가 정보를 수신하는 방법에 따라 일반적으로 이름이 지정되거나 설명됩니다.일부 시스템은 오류 발생원에 대한 추가 정보(클럭 드리프트, 사용후기 또는 전리층 지연 등)를 전송하고, 다른 시스템은 과거에 신호가 얼마나 꺼졌는지를 직접 측정하며, 세 번째 그룹은 계산 프로세스에 통합될 추가적인 내비게이션 또는 차량 정보를 제공합니다.

GPS 수신기에 관한 규제 스펙트럼 문제

미국에서 GPS 수신기는 연방통신위원회(FCC) Part 15 규칙에 따라 규제됩니다.미국에서 판매되는 GPS 지원 장치의 설명서에 나타나 있듯이 Part 15 장치로서 "불필요한 작동을 [178]일으킬 수 있는 간섭을 포함하여 수신된 모든 간섭을 수용해야 한다"고 명시되어 있다.특히 GPS 장치와 관련하여 FCC는 GPS 수신기 제조업체가 "할당된 스펙트럼 [179]이외의 신호의 수신을 합리적으로 차별하는 수신기를 사용해야 한다"고 명시하고 있다.지난 30년간 위성위치확인시스템(GPS) 수신기는 모바일 위성서비스 대역 옆에서 작동하며 인마샛 등 모바일 위성서비스 수신을 문제없이 차별해 왔다.

FCC가 GPS L1을 사용하기 위해 할당하는 주파수는 1559~1610MHz이며, Lightsquared가 소유한 위성 대 지상 사용을 위해 할당되는 주파수는 Mobile Satellite Service [180]대역입니다.FCC는 1996년부터 1525~1559MHz의 GPS 대역에 인접한 스펙트럼을 버지니아 회사 LightSquared에 라이선스 사용을 승인했다.2001년 3월 1일 FCC는 LightSquared의 전신인 Motient Services로부터 통합 위성-지상 [181]서비스를 위해 할당된 주파수를 사용해 달라는 신청을 받았습니다.2002년 미국 GPS 산업 평의회는 LightSquared와 OOBE(Out-of-Band Emissions) 계약을 체결하여 LightSquared 지상국에서 1559~1610MHz의 [182]인접 GPS 대역으로 전송되는 것을 방지했습니다.2004년 FCC는 라이트스쿼어드(LightSquared)에 대한 승인에서 OOBE 계약을 채택하여 위성 시스템에 보조적인 지상 기반 네트워크(ATC)를 배치했다. "추가된 지상 구성 요소가 MSS 제공에 보조적인 상태로 유지되도록 보장하는 조건을 조건으로 MSS ATC를 승인할 것이다.우리는 지상파 컴포넌트를 [183]독립형 서비스로 만들 의도도, 허용할 생각도 없습니다."이 허가는 미 농무부, 미 우주군, 미 육군, 미 해안경비대, 연방항공국, 항공우주국(NASA), 미 국방부, 미 항공우주국(NASA)을 포함한 미 국방부간 전파자문위원회에 의해 검토되고 승인되었다.ation.[184]

2011년 1월 FCC는 조건부로 LightSquared 도매 고객(Best Buy, Sharp, C Spire 등)에게 LightSquared로부터 통합 위성 기반 서비스만 구입하고 LightSquared가 할당한 주파수 중 1개만 사용하도록 장착된 장치에서 해당 통합 서비스를 재판매하도록 승인했습니다.525 ~ 1559 [185]MHz2010년 12월 GPS수신기 제조 업체들은 FCC에 FCC의 정책 고려 사항은 2011년 1월 주문까지 이어져 지상LightSquared 방송국이나로 최대 동력의 최대 수에 제안된 모든 변화에 어울리지 않았다고 LightSquared의 신호 GPS수신기 devices[186]를 방해할 수 있다고 우려를 표시했다.whi이 스테이션들은 작동할 수 있다.2011년 1월 명령은 GPS 업계 및 연방 기관의 참여와 함께 LightSquared가 주도하는 작업 그룹이 수행한 GPS 간섭 문제에 대한 연구에 따라 최종 승인을 좌우합니다.2012년 2월 14일, FCC는 잠재적인 GPS 간섭을 완화할 수 있는 실질적인 방법이 없다는 NTIA의 결론에 기초하여 라이트 스쿼드의 조건부 포기 명령을 철회하는 절차를 개시했다.

GPS 수신기 제조업체는 GPS가 할당하는 대역 이상의 스펙트럼을 사용하도록 GPS 수신기를 설계합니다.경우에 따라서는 GPS 수신기가 L1 주파수 1575.42MHz의 어느 방향으로든 최대 400MHz의 스펙트럼을 사용하도록 설계되어 있다. 왜냐하면 이러한 지역의 모바일 위성 서비스는 우주에서 지상으로 그리고 모바일 위성 [187]서비스에 상응하는 전력 수준에서 방송되기 때문이다.FCC Part 15 규칙에 따라 규정된 바와 같이 GPS 수신기는 GPS 할당 스펙트럼 [179]밖의 신호로부터 보호되지 않습니다.그렇기 때문에 GPS가 모바일 위성 서비스 대역 옆에서 작동하며 모바일 위성 서비스 대역이 GPS 옆에서 작동하기도 합니다.주파수 할당의 공생 관계는 두 대역의 사용자가 협력적이고 자유롭게 작동할 수 있도록 보장합니다.

FCC는 2003년 2월에 "지상파 무선 [188]스펙트럼의 보다 효율적인 사용을 촉진하기 위해" LightSquared와 같은 모바일 위성 서비스(MSS) 면허 사업자가 면허된 스펙트럼에 소수의 보조 지상파 타워를 건설할 수 있도록 허용하는 규칙을 채택했다.2003년 규칙에서 FCC는 "예비 사항으로서 지상파 [상용 모바일 무선 서비스("CMRS")]와 MSS ATC는 가격, 커버리지, 제품 수용 및 유통이 다를 것으로 예상된다"고 명시했다. 따라서, 기껏해야 두 서비스는 주로 다른 서비스들 사이에서 운영될 다른 서비스에 대한 불완전한 대체물로 보인다.Erent 시장 세그먼트...MSS ATC는 동일한 고객 기반을 위해 지상파 CMRS와 직접 경쟁할 가능성은 낮다.2004년 FCC는 지상탑이 보조탑임을 명확히 하고 "추가된 지상부품이 주요 MSS 오퍼링에 보조탑으로 유지되도록 보장하는 조건에 따라 MSS ATC를 인가할 것이다.우리는 지상파 컴포넌트를 [183]독립형 서비스로 만들 의도도, 허용할 생각도 없습니다."7월 2010년, FCC는 LightSquared 통합된satellite-terrestrial 서비스", 이동 광대역 분야에서 경쟁을 증진코자 광대역 이동 통신 서비스들 지상파 이동 통신사가 제공하는 유사한 제공하는 방법을 제시하도록 그 권한을 사용할 것으로 예상했다 밝혔다."[189]GPS수신기 제조 업체들은 LightSquared의 이라고 주장한다.1525~1559MHz의 nsed 스펙트럼은 2003년과 2004년 FCC ATC 판결에 근거해 고속 무선 광대역통신에 사용되는 것으로 상정되지 않았다. 보조탑 구성요소(ATC)는 사실상 1차 위성 [190]구성요소의 보조적 역할을 한다.모바일 위성 서비스 대역의 단순한 지상 기반 LTE 서비스 대 LightSquared의 보조 지상 부품에 대한 2004 FCC 승인을 계속하기 위한 노력에 대한 대중의 지지를 얻기 위해, GPS 수신기 제조업체인 Trimble Navigation Ltd.는 [191]"GPS를 구하기 위한 연합"을 결성했습니다.

FCC와 LightSquared는 각각 네트워크 [192][193]작동이 허용되기 전에 GPS 간섭 문제를 해결하기로 약속했습니다.항공기 소유자 및 조종사 협회의 크리스 댄시에 따르면, 영향을 받을 수 있는 유형의 시스템을 가진 항공사 조종사들은 "항로를 벗어나서 [194]깨닫지도 못할 수도 있다"고 한다.이러한 문제는 또한 항공 교통 관제 시스템, 미국 국방부 지침 및 [194]911을 포함한 지역 비상 서비스에 대한 연방 항공청의 업그레이드에도 영향을 미칠 수 있다.

2012년 2월 14일, FCC는 군과 다른 연방 정부 기관의 주파수 사용을 조정하는 연방 기관인 NTIA(National Telecommunications and Information Administration)로부터 "잠재력을 완화할 수 있는 실질적인 방법이 없다"는 통지를 받은 후 라이트스쿼드의 계획된 국가 광대역 네트워크를 차단하기 위해 이동했다.이 시점에서 terference.[195][196]LightSquared는 FCC의 [needs update]조치에 이의를 제기하고 있습니다.

유사한 시스템

주요 기사: 위성 내비게이션
GPS, GLONASS, 갈릴레오, BeiDou-2 및 이리듐 별자리, 국제우주정거장, 허블우주망원경, 정지궤도(및 그 묘지궤도)의 궤도 크기 비교.[b]
달의 궤도는 정지궤도의 [c]약 9배이다.(SVG 파일에서 궤도 또는 그 라벨 위에 마우스를 올려 강조 표시하고 클릭해서 기사를 로드합니다.)

사용 중인 기타 주목할 만한 위성 항법 시스템 또는 다양한 개발 상태는 다음과 같습니다.

  • 베이더우 – 중화인민공화국이 도입 및 운영하는 시스템으로 [197][198]2019년부터 글로벌 서비스를 개시합니다.
  • 갈릴레오 – 유럽연합과 다른 파트너 국가들에 의해 개발되고 있는 글로벌 시스템.[199][needs update] 2016년에 운영을 시작했으며 2020년까지 완전히 배치될 것으로 예상된다.
  • GLONASS – 러시아의 글로벌 내비게이션 시스템.전 세계에서 풀가동 가능.
  • NavIC – 인도 우주 연구 기구가 개발한 지역 내비게이션 시스템.
  • QZSS – 일본을 중심으로 아시아-오세아니아 지역에서 받을 수 있는 지역 내비게이션 시스템.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 사실, 평균 해수면과 실제 해수면 사이의 차이를 만드는 조류와 다른 요인들 때문에 배가 정확히 0m에 있을 것 같지는 않다.외양에서는 일반적으로 만조와 간조가 약 0.6m 정도밖에 차이가 나지 않지만 육지에서는 15m 이상 차이가 날 수 있는 위치가 있다.자세한 내용과 참고 자료는 조수 범위를 참조하십시오.
  2. ^ 궤도 주기와 속도는 4µR23 = TGM2 및 VR2 = GM 관계를 사용하여 계산한다. 여기서 R은 궤도 반지름(m), T는 궤도 주기(초), V는 궤도 속도, G는 중력 상수, 약 6.673×10−112 Nm/kg2, M은 지구의 질량(약 598×1024 kg)이다.
  3. ^ 그때는 달 가장 가까운 약 8.6배(그,.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac .num,.mw-parser-output.sfrac .den{은( 반지름과 길이에).디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output.sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}363,104 km/42,164 km=, 9.6시기 달 가장 먼(그, 405,696 km/42,164 km은).

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