글로벌 포지셔닝 시스템이란? GPS 이해하기

GPS(Global Positioning System)는 위치, 항법 및 타이밍 시스템(PNT)을 제공하는 GNSS(Global Navigation Satellite System)입니다. 미국 국방부에서 개발한 러시아의 GLONASS, 유럽의 Galileo 및 중국의 BeiDou와 같은 다른 위성 기반 항법 시스템이 있지만 미국의 GPS(Global Positioning System) 및 러시아 GLONASS(Global Navigation Satellite System)가 유일하게 완전한 기능의 위성 기반 항법 시스템입니다. 각각 1970개의 위성 별자리와 32개의 위성 별자리가 있는 항법 시스템. GPS 기술이 발달하기 전 항해(바다, 육지, 물)의 주요 보조 도구는 지도와 나침반이었습니다. GPS의 도입으로 2미터 이하의 위치 정확도로 내비게이션과 위치 측위가 매우 쉬워졌습니다. 3차원 평면에서의 수신기 XNUMX차원 공간에서의 수신기 위치GPS 수신기의 응용 GPS(Global Positioning System)의 역사GPS 개발 이전 미국의 LORAN(Long Range Navigation)과 같은 지상 기반 항법 시스템 영국의 Decca 내비게이터 시스템 내비게이션의 주요 기술입니다. 이 두 기술은 모두 전파를 기반으로 하며 범위는 수백 킬로미터로 제한되었습니다. 1960년대 초반 미국 정부 기관 중 XNUMX개, 즉 NASA(National Aeronautics and Space Administration), DoD(Department of Defense) 및 Department of Transportation (DoT)는 다른 여러 조직과 함께 높은 정확도, 날씨 독립적인 작동 및 전 세계 적용 범위를 제공하는 것을 목표로 위성 기반 항법 시스템을 개발하기 시작했습니다. 이 프로그램은 항법 위성 타이밍 및 범위 지구 위치 시스템(NAVSTAR 지구 위치 확인 시스템)으로 발전했습니다. 이 시스템은 처음에는 미군의 요구를 충족시키기 위해 군사 시스템으로 개발되었습니다. 미국 군은 NAVSTAR를 탐색 및 무기 시스템 표적화 및 미사일 유도 시스템에 사용했습니다. 적들이 미국에 대해 이 항법 시스템을 사용할 가능성이 민간인에게 접근 권한이 부여되지 않은 주된 이유입니다. 최초의 NAVSTAR 위성은 1978년에 발사되었고 1994년까지 24개의 위성으로 구성된 완전한 별자리가 궤도에 배치되어 완전히 작동합니다. 1996년에 미국 정부는 민간인에게 GPS의 중요성을 인식하고 군인과 민간인 모두가 접근할 수 있는 이중 사용 시스템을 선언했습니다. 동시에 관측되는 위성은 거의 없습니다. 이러한 위성의 위치는 이미 알려져 있으므로 이러한 위성 중 XNUMX개와 수신기 사이의 거리를 측정하여 GPS 수신기 위치의 세 좌표 즉, 위도, 경도, 고도를 설정할 수 있습니다. 수신기의 위치 변화가 매우 정확하게 결정될 수 있기 때문에 수신기의 속도도 결정될 수 있습니다.GPS 세그먼트이 복잡한 글로벌 포지셔닝 시스템의 구조는 Space Segment, Control Segment 및 User의 세 가지 주요 세그먼트로 나뉩니다. 분절. 여기서 제어 부문과 우주 부문은 미 공군이 개발, 운영 및 유지 관리합니다. 다음 이미지는 GPS 시스템의 세 부분을 보여줍니다. 공간 부분GPS의 SS(Space Segment)는 대략 원형 궤도에서 지구 주위를 도는 24개의 위성으로 구성됩니다. 위성은 XNUMX개의 궤도면에 배치되며 각 궤도면은 XNUMX개의 위성으로 구성됩니다. 궤도면의 기울기와 위성의 위치는 최소 20,000개의 위성이 지구상의 어느 위치에서나 항상 가시선에 있도록 특정 방식으로 배열됩니다. 우주에서 별자리의 배열에 관해서, GPS 위성은 고도 약 XNUMXkm의 중간 지구 궤도(MEO)에 배치됩니다. 중복성을 높이고 정확도를 향상시키기 위해 별자리의 총 GPS 위성 수는 32개로 증가했으며 그 중 31개 위성이 작동 중입니다. 제어 세그먼트GPS의 제어 세그먼트(CS)는 전세계 모니터링 및 제어 네트워크로 구성됩니다. 및 추적 스테이션. 제어 세그먼트의 주요 임무는 GPS 위성의 위치를 ​​추적하고 도움 조작 명령을 사용하여 적절한 궤도에서 위성을 유지하는 것입니다. 또한 제어 시스템은 또한 온보드 시스템 무결성, 대기 조건, 원자 시계의 데이터를 결정하고 유지합니다. GPS 제어 세그먼트는 NMCS(New Master Control Station), AMCS(Alternate Master Control Station), XNUMX개의 GA(그라운드 안테나) 및 전 세계 MS(모니터 스테이션) 네트워크의 XNUMX가지 하위 시스템으로 다시 나뉩니다. GPS 위성 별자리의 중앙 제어 노드는 MSC(Master Control Station)입니다. 콜로라도 주 슈리버 공군 기지에 있으며 24시간 연중무휴로 운영됩니다. 주 관제소의 주요 책임은 다음과 같습니다. 위성 유지 관리, 탑재량 모니터링, 원자 시계 동기화, 위성 기동, GPS 신호 성능 관리, 항법 메시지 데이터 업로드, 탐지 GPS 신호 실패 및 이러한 실패에 대한 대응. 여러 MS(모니터 스테이션)가 있지만 그 중 7개가 중요합니다. 그들은 하와이, 콜로라도 스프링스, 어센션 아일랜드, 디에고 가르시아, 콰잘레인 및 케이프 커내버럴에 있습니다. 이 Monitor Station은 위성의 위치를 ​​지속적으로 추적하고 추가 분석을 위해 데이터를 Master Control Station으로 보냅니다. 위성으로 데이터를 전송하기 위해 Ascension Island, Cape Canaveral, Diego Garcia 및 콰잘레인. 이 안테나는 데이터를 위성에 업링크하는 데 사용되며 데이터는 시계 수정, 원격 측정 명령 및 탐색 메시지와 같은 것이 될 수 있습니다. 사용자 세그먼트GPS 시스템의 사용자 세그먼트는 정밀 또는 표준 탐색을 위한 민간인 및 군대와 같은 기술의 최종 사용자로 구성됩니다. 포지셔닝과 타이밍. 일반적으로 GPS 서비스에 액세스하려면 사용자는 독립형 GPS 모듈, GPS 지원 휴대전화 및 전용 GPS 콘솔과 같은 GPS 수신기를 갖추고 있어야 합니다. 이러한 GPS 수신기를 사용하여 민간 사용자는 표준 위치, 정확한 군대가 정확한 위치 지정, 미사일 유도, 항법 등에 사용하는 동안 시간과 속도 . 이를 위해 GPS 수신기는 물체와 이미 위치가 알려진 소수의 다른 물체 사이의 거리를 측정하여 물체의 위치를 ​​결정할 수 있는 방법인 Trilateration이라는 수학적 방법을 사용합니다. 따라서 GPS 수신기의 경우 수신기의 위치를 ​​알아내기 위해 수신기 모듈은 다음 두 가지 사항을 알아야 합니다.• 우주에서 위성의 위치 및• 위성과 GPS 수신기 사이의 거리위성 위치 결정하기 위성에서 GPS 수신기는 연감 데이터와 천문력 데이터의 두 가지 유형의 데이터를 GPS 위성에서 전송합니다. GPS 위성은 대략적인 위치를 지속적으로 전송합니다. 이 데이터를 Almanac 데이터라고 하며, 위성이 궤도에서 이동할 때 주기적으로 업데이트됩니다. 이 데이터는 GPS 수신기에 의해 수신되어 메모리에 저장됩니다. Almanac 데이터의 도움으로 GPS 수신기는 위성의 궤도와 위성이 있어야 할 위치를 결정할 수 있습니다. 공간의 조건은 예측할 수 없으며 위성이 그들의 실제 경로. 전용 모니터 스테이션(MS)과 함께 마스터 제어 스테이션(MCS)은 고도, 속도, 궤도 및 위치와 같은 기타 정보와 함께 위성의 경로를 추적합니다. 매개변수에 오류가 있는 경우 수정된 데이터는 정확한 위치를 유지하도록 위성에 전송됩니다. MCS가 위성으로 보낸 이 궤도 데이터를 천문력 데이터라고 합니다. 위성은 이 데이터를 수신하면 위치를 수정하고 이 데이터를 GPS 수신기로 보냅니다. 두 데이터 즉, Almanac과 Ephemeris, GPS 수신기는 위성의 정확한 위치를 항상 알 수 있습니다. 위성과 GPS 수신기 사이의 거리 측정 GPS 수신기와 위성 사이의 거리를 측정하기 위해서는 시간이 중요한 역할을 합니다. GPS 수신기에서 위성까지의 거리를 계산하는 공식은 다음과 같습니다. 거리 = 빛의 속도 x 위성 신호의 전송 시간 여기에서 전송 시간은 위성 신호(전파 형태의 신호, 수신기에 도달하기 위해 위성에서 GPS 수신기로 전송). 빛의 속도는 일정한 값이며 C = 3 x 108 m/s와 같습니다. 시간을 계산하려면 먼저 위성에서 보내는 신호를 이해해야 합니다. 위성에서 전송하는 트랜스코딩된 신호를 PRN(Pseudo Random Noise)이라고 합니다. 위성이 이 코드를 생성하고 전송을 시작하면 GPS 수신기도 동일한 코드를 생성하기 시작하여 동기화를 시도합니다. 그런 다음 GPS 수신기는 수신기에서 생성된 코드가 전송된 위성과 동기화되기 전에 거쳐야 하는 시간 지연을 계산합니다. 위성의 위치와 GPS 수신기로부터의 거리를 알고 나면 다음 방법을 사용하여 2D 공간 또는 3D 공간에서 GPS 수신기의 위치를 ​​찾을 수 있습니다. 2D 평면에서 수신기의 위치 2차원 공간에서 물체 또는 GPS 수신기의 위치를 ​​찾기 위해 XY 평면에서 우리가 찾아야 할 것은 GPS 수신기와 두 개의 위성 사이의 거리뿐입니다. D1과 D2를 각각 위성 1과 위성 2에서 수신기까지의 거리라고 하자. 이제 위성이 중심에 있고 반경이 D1과 D2인 상태에서 XY 평면에서 위성 주위에 두 개의 원을 그립니다. 이 경우의 그림 표현은 다음 이미지와 같습니다. 위 이미지에서 GPS 수신기는 두 원이 교차하는 두 지점 중 하나에 위치할 수 있음을 알 수 있습니다. 위성 위의 영역을 제외하면 위성 아래의 원의 교차점에서 GPS 수신기의 위치를 ​​고정할 수 있습니다. 두 위성의 거리 정보는 GPS 수신기의 위치를 ​​결정하기 위해 충분합니다. 2차원 또는 XY 평면 그러나 현실 세계는 3차원 공간이고 우리는 GPS 수신기의 3차원 위치를 결정해야 합니다. 위도, 경도 및 고도. GPS 수신기의 3차원 위치를 결정하는 단계별 절차를 살펴보겠습니다. 3D 공간에서 수신기의 위치GPS 수신기에 대한 위성의 위치가 이미 알려져 있다고 가정합니다. 위성 1이 수신기로부터 D1의 거리에 있다면 수신기의 위치는 위성 1을 중심으로, D1을 반경으로 하여 형성된 구면의 어느 곳이든 될 수 있음이 분명합니다. 수신기에서 두 번째 위성(위성 2)이 D2인 경우 수신기의 위치는 중심에 각각 위성 1 및 2가 있는 반경 D1 및 D2가 있는 두 구의 교차로 형성된 원으로 제한될 수 있습니다. 이 이미지에서 , GPS 수신기의 위치는 교차 원의 한 지점으로 좁힐 수 있습니다. GPS 수신기에서 기존의 두 위성까지 거리가 D3인 세 번째 위성(위성 3)을 추가하면 수신기의 위치는 세 구의 교차점 즉, 두 지점 중 하나입니다. 실시간 상황에서 GPS 수신기의 모호성이 두 위치 중 하나에 위치하는 것은 실행 가능하지 않습니다. 이것은 수신기로부터 거리가 D4인 네 번째 위성(Satellite 4)을 도입함으로써 해결할 수 있습니다. 네 번째 위성은 이전에 단 세 개의 위성으로 결정된 가능한 두 위치에서 GPS 수신기의 위치를 ​​정확하게 지적할 수 있습니다. 따라서 실시간으로 물체의 정확한 위치를 파악하려면 최소 4개의 위성이 필요합니다. 실제로 GPS 시스템은 지구상의 어느 위치에 있는 물체(GPS 수신기)에 항상 최소 6개의 위성이 보이도록 작동합니다.유형 of GPS ReceiversThe GPS는 민간인과 군인 모두에서 사용합니다. 따라서 GPS 수신기의 종류는 민간용 GPS 수신기와 군용 GPS 수신기로 구분할 수 있습니다. 그러나 표준 분류 방식은 수신기가 감지할 수 있는 코드 유형을 기반으로 합니다. 기본적으로 GPS 위성이 전송하는 코드에는 C/A 코드(Coarse Acquisition Code)와 P – 코드의 두 가지 유형이 있습니다. 소비자용 GPS 수신기 장치는 C/A 코드만 감지할 수 있습니다. 이 코드는 정확하지 않으므로 민간인 측위 시스템을 SPS(Standard Positioning Service)라고 합니다. 반면에 P – 코드는 군대에서 사용하는 매우 정확한 코드입니다. 군에서 사용하는 측위 시스템을 정밀 측위 서비스(PPS)라고 합니다. GPS 수신기는 이러한 신호를 디코딩할 수 있는 능력에 따라 분류할 수 있습니다. 상업적으로 이용 가능한 GPS 수신기를 분류하는 또 다른 방법은 신호 수신 능력을 기반으로 합니다. 이 방법을 사용하여 GPS 수신기는 다음과 같이 나눌 수 있습니다.단일 – 주파수 코드 수신기단일 – 주파수 반송파 – 평활화 코드 수신기단일 – 주파수 코드 및 반송파 수신기이중 – 주파수 수신기GPS(Global Positioning System)의 애플리케이션GPS는 글로벌 인프라의 필수 부분이 되었습니다. 인터넷과 비슷하다. GPS는 현대 생활의 다양한 측면에 퍼져 있는 광범위한 애플리케이션 개발의 핵심 요소였습니다. 부품의 대규모 제조 및 소형화의 증가로 GPS 수신기의 가격이 하락했습니다. GPS가 중요한 역할을 하는 애플리케이션의 작은 목록이 아래에 언급되어 있습니다. 현대 농업은 GPS의 도움으로 생산량이 증가했습니다. 농부들은 최신 전자 장치와 함께 GPS 기술을 사용하여 현장 면적, 평균 수확량, 연료 소비량, 주행 거리 등에 대한 정확한 정보를 얻고 있습니다. 자동차 분야에서 자동 가이드 차량은 산업 또는 소비자 응용 분야에서 가장 자주 사용됩니다. GPS는 탐색 및 위치 지정에서 이러한 차량을 가능하게 합니다. 민간인은 탐색 목적으로 GPS 수신기를 사용합니다. GPS 수신기는 전용 모듈일 수도 있고 휴대폰 및 손목시계에 내장된 모듈일 수도 있습니다. 트레킹, 도로 여행, 운전 등에 매우 유용합니다. 추가 기능에는 차량의 정확한 시간과 속도가 포함됩니다. 화재 및 구급차와 같은 긴급 서비스는 GPS를 통한 재해 위치의 정확한 위치 지정을 통해 이점을 얻고 제시간에 응답할 수 있습니다. 군은 탐색, 표적 추적, 미사일을 위해 고정밀 GPS 수신기를 사용합니다 안내 시스템 등 GPS가 사용되고 있거나 미래에 광범위하게 사용될 다른 애플리케이션이 많이 있습니다. 관련 게시물:무선 통신: 소개, 유형 및 애플리케이션멀티플렉서 및 디멀티플렉서인터넷이 계속 끊어지는 이유는 무엇입니까?임베디드 C 프로그램의 기본 MEMS 센서란 무엇입니까?

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