주요 GNSS 시스템 GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou

GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou 시스템에 대한 주요 특징을 정리한 표이다.

시스템	위성 수	궤도 고도	신호 주파수	신호 구조	주파수 분할 방식	운영 국가
GPS	24	20,180 km	L1 (1575.42 MHz), L2 (1227.60 MHz)	CDMA	미국	미국
GLONASS	24	19,100 km	L1 (1602.0 MHz), L2 (1246.0 MHz)	FDMA	러시아	러시아
Galileo	30	23,222 km	E1 (1575.42 MHz), E5a (1176.45 MHz), E5b (1207.14 MHz)	CDMA	유럽연합	유럽연합
BeiDou	35	GEO: 35,786 km, MEO: 21,150 km	B1 (1561.098 MHz), B2 (1207.14 MHz), B3 (1268.52 MHz)	CDMA	중국	중국

GPS (Global Positioning System)

GPS는 미국 국방부에 의해 운영되는 위성 기반 위치 측정 시스템으로, 전 세계 어디서든지 정확한 위치, 시간, 속도를 제공하는 시스템이다. GPS는 1970년대에 군사 목적으로 시작되어 현재는 민간용으로도 널리 사용되고 있다.

GPS 위성 구성

GPS는 총 24개의 위성으로 구성되며, 이들은 궤도를 따라 지구를 돌며 지표면의 수신기와 신호를 주고받는다. 위성은 6개의 궤도 평면에 배치되며, 각 궤도 평면은 서로 60도씩 기울어져 있다. 이렇게 배치된 위성들은 전 지구를 커버할 수 있는 궤도망을 형성한다.

GPS 신호 구조

GPS 위성은 두 가지 주요 신호를 송신한다: L1과 L2 대역의 신호이다. 각각의 신호는 서로 다른 주파수 대역을 사용하며, 그 구성은 다음과 같다.

L1 주파수: 1575.42 MHz
L2 주파수: 1227.60 MHz

GPS 신호는 위성의 위치 정보를 포함하고 있으며, 이를 바탕으로 지표면에서 수신된 신호의 도착 시간을 이용해 수신기 위치를 계산한다.

GPS 측위 원리

GPS의 측위는 주로 삼변측량 원리에 기반한다. 각 위성에서 발신된 신호는 수신기까지의 전파 시간을 측정하고, 이 시간을 바탕으로 수신기와 위성 간의 거리를 계산한다. 수학적으로는 다음과 같이 표현할 수 있다.

$d = c \cdot t$

여기서: - $d$ 는 수신기와 위성 간의 거리 - $c$ 는 빛의 속도 ( $c = 299,792,458 \, \text{m/s}$ ) - $t$ 는 위성에서 발신된 신호가 수신기에 도달하는 데 걸린 시간

이와 같은 방법으로 최소 4개의 위성으로부터 거리를 측정하면, 수신기의 3차원 위치와 시간 오차를 계산할 수 있다.

GLONASS는 러시아의 위성 항법 시스템으로, GPS와 유사한 방식으로 작동하지만, 고유한 위성 구조와 신호 체계를 갖고 있다.

GLONASS 위성 구성

GLONASS는 24개의 위성으로 구성되며, 이들 위성은 3개의 궤도 평면에 배치된다. 각 평면에는 8개의 위성이 위치하며, 이들은 19,100 km의 고도에서 지구를 돌고 있다.

GLONASS 신호 구조

GLONASS의 신호는 GPS와 유사하게 두 가지 주파수 대역을 사용한다.

L1 주파수: 1602.0 MHz
L2 주파수: 1246.0 MHz

GLONASS는 FDMA(Frequency Division Multiple Access)를 사용하여 위성 간 신호 간섭을 방지한다. 이는 각 위성이 서로 다른 주파수 대역을 사용하여 신호를 전송한다는 것을 의미한다.

GLONASS 측위 원리

GLONASS의 측위 원리는 GPS와 동일하게 삼변측량 원리를 사용한다. 신호의 도착 시간을 바탕으로 위성과 수신기 간의 거리를 측정하고, 이를 통해 수신기의 위치를 결정한다. 다만, GLONASS는 위성마다 서로 다른 주파수를 사용한다는 점에서 GPS와 차이가 있다.

Galileo

Galileo는 유럽 연합(EU)과 유럽 우주국(ESA)에 의해 개발된 위성 항법 시스템이다. Galileo는 전 세계적으로 높은 수준의 정확도를 제공하는 것을 목표로 하며, GPS나 GLONASS와 같은 기존 시스템의 대체 및 보완 역할을 한다.

Galileo 위성 구성

Galileo는 총 30개의 위성으로 구성되며, 그 중 24개는 운영 중이고, 6개는 예비 위성이다. 이들은 세 개의 궤도 평면에 배치되어 있으며, 각 평면에는 9개의 위성이 위치한다. Galileo 위성은 약 23,222 km 고도의 궤도에서 지구를 돌고 있다.

Galileo 신호 구조

Galileo 시스템은 다양한 주파수 대역에서 신호를 송출한다. 이 시스템은 고정밀 측위를 지원하기 위해 다양한 신호를 제공한다.

E1 주파수: 1575.42 MHz (GPS의 L1과 동일)
E5a 주파수: 1176.45 MHz
E5b 주파수: 1207.14 MHz

Galileo 신호는 GPS와 GLONASS와 달리, CDMA(Code Division Multiple Access)를 사용하여 위성 간 간섭을 방지한다. 이는 각 위성이 같은 주파수 대역에서 신호를 송출하되, 고유의 코드로 구별된다는 것을 의미한다.

Galileo 측위 원리

Galileo의 측위 원리는 GPS와 GLONASS와 유사한 방식으로 이루어진다. 위성으로부터 수신한 신호의 도착 시간을 바탕으로 수신기와 위성 간의 거리를 계산하며, 최소 4개의 위성 신호를 통해 수신기의 3차원 위치와 시간 정보를 얻는다. 수학적으로는 다음과 같은 방정식을 풀어 수신기의 위치를 구한다.

$\mathbf{P}_{\text{receiver}} = \mathbf{P}_{\text{satellite}} + \mathbf{R}$

여기서: - $\mathbf{P}_{\text{receiver}}$ 는 수신기의 위치 - $\mathbf{P}_{\text{satellite}}$ 는 위성의 위치 - $\mathbf{R}$ 는 위성과 수신기 간의 거리

이 거리를 측정하기 위해 사용되는 주요 변수들은 신호의 전파 시간과 각 위성의 정확한 위치 정보이다.

BeiDou

BeiDou는 중국에서 개발한 위성 항법 시스템으로, GPS, GLONASS, Galileo와 함께 글로벌 위성 항법 시스템(GNSS)의 한 축을 이루고 있다. BeiDou 시스템은 중국 내 및 주변 지역에서 특히 높은 정확도를 제공한다.

BeiDou 위성 구성

BeiDou 시스템은 세 가지 유형의 위성으로 구성된다: 1. GEO 위성: 지구 정지 궤도에 위치하며, 약 35,786 km 고도에서 지구를 도는 위성들이다. 2. IGSO 위성: 경사 지구 동기 궤도를 따라 움직이는 위성들로, 주로 중국 및 인근 지역을 커버한다. 3. MEO 위성: 중궤도에 위치하며, 약 21,150 km 고도에서 지구를 도는 위성들이다.

BeiDou 시스템은 GEO 위성 3개, IGSO 위성 3개, MEO 위성 27개로 구성되어 있다.

BeiDou 신호 구조

BeiDou는 GPS 및 Galileo와 마찬가지로 다양한 주파수 대역에서 신호를 송출한다.

B1 주파수: 1561.098 MHz (GPS의 L1과 유사)
B2 주파수: 1207.14 MHz
B3 주파수: 1268.52 MHz

BeiDou 시스템은 CDMA 방식을 사용하여 위성 간의 신호 간섭을 방지하며, 이로 인해 여러 위성이 같은 주파수 대역에서 신호를 송출할 수 있다.

BeiDou 측위 원리

BeiDou 시스템은 GPS와 유사한 방식으로 작동하며, 위성으로부터 수신된 신호를 바탕으로 수신기와 위성 간의 거리를 계산한다. BeiDou는 고유의 궤도 설계를 통해 중국 및 아시아-태평양 지역에서 더 높은 정확도를 제공한다.

BeiDou의 주요 수학적 원리는 다음과 같이 나타낼 수 있다:

$\mathbf{d}_i = c \cdot \Delta t_i$

여기서: - $\mathbf{d}_i$ 는 $i$ 번째 위성과 수신기 간의 거리 - $c$ 는 빛의 속도 - $\Delta t_i$ 는 신호 전파 시간

이와 같은 방식으로 최소 4개의 위성 신호를 통해 수신기의 위치를 계산할 수 있다.