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GPS는 이제 널리 이용되고 있는 기술로 흔히 우리가 사용하는 스마트폰의 위치 서비스도 GPS를 이용하고 있다는 사실을 잘 알고 계실 겁니다.
우리는 GPS 위성 신호의 어떤 정보로 위치 측위를 할 수 있을까요? 이 포스트에서는 GPS 신호에 담긴 Almanac과 Ephemeris 데이터에 대해 알아보도록 하겠습니다.
들어가기 앞서 GPS 위치 측위에 대해 간단히 알아보겠습니다.
GPS 위치 측위를 위해서는 'GPS 위성의 위치'와 'GPS 위성으로부터 GPS 수신기까지의 거리' 정보가 필요합니다.
GPS 위성과 GPS 수신기 간의 거리는 GPS 위성에서 송신한 신호의 시간과 GPS 수신기가 수신한 신호의 시간 차를 통해 계산할 수 있으며, GPS 수신기는 최소 4개의 GPS 위성을 통해 거리와 정밀한 시간 동기화를 얻어 GPS 수신기 위치를 계산하게 됩니다.
GPS 위치 측위 원리에 따라 GPS 수신기는 GPS 위성의 위치와 시간에 대한 정보들을 얻을 수 있어야 합니다. 이 정보가 바로 GPS 위성이 송신하는 Almanac과 Ephemeris 데이터에 담겨 있습니다.
Almanac Data
Almanac 데이터는 앞서 소개 드린 위성의 위치를 알기 위한 모든 GPS 위성 궤도 정보와 Clock(시간)에 대한 정보를 담고 있습니다.
뿐만 아니라 지구 대기권 통과 시 발생하는 전리층 지연으로 인한 오차를 보정하기 위한 데이터도 포함하고 있습니다. Almanac 데이터에 모든 GPS 위성의 궤도 정보가 포함되기 때문에, 수신기가 언제/어디에서 어떤 GPS 위성 신호를 받을 수 있을지 알 수 있게 됩니다.
Almanac 데이터는 모든 GPS 위성이 동일한 정보를 지속적으로 전송하고 있으며 이 Almanac 데이터 전체를 송신하는 데 12.5분이 소요됩니다. 참고로, Almanac 데이터는 총 25개 프레임으로 전송되고 1개 프레임은 1500 bits로 구성되어 있으며, 50 bps의 속도로 전송되어 전체 데이터를 송신하는 데 12.5분이 걸립니다.
그렇다면 Almanac 데이터에는 어떤 정보를 담고 있는지 조금 더 자세히 알아보겠습니다.
Almanac 데이터는 아래와 같이 SEM 또는 YUMA 포맷으로 표현할 수 있습니다. 기본적으로 두 포맷 모두 기본적인 위성 궤도 및 시간(Clock) 정보를 담고 있으나 약간의 차이가 있습니다.
(1) SEM 포맷
SEM 포맷의 경우, YUMA 포맷에 포함되지 않는 PRN to SVN mapping 정보나 안티 스푸핑(Anti-spoofing) 정보를 포함하고 있습니다.
- PRN(Pseudo-random noise) 코드는 운용 중인 GPS 위성에 1~32번까지 각각 할당되어 GPS 위성을 구분하는 번호이며, 위성의 고장이나 대체(운용 중단 등)가 발생할 경우 다른 번호를 할당받을 수 있습니다. 위성들은 일반적으로 발사 순서에 따른 SVN(Satellite Vehicle Number)를 가지고 있지만 Almanac에서는 SVN이 아닌 PRN 코드로 위성을 구별하고 있습니다. SEM 포맷에서는 PRN to SVN mapping 정보를 통해 어떤 GPS 위성이 어떤 PRN과 어떤 SVN을 가지고 있는지를 알 수 있습니다.
- 스푸핑(Spoofing)은 신뢰할 수 있는 소스에서 오는 것처럼 보이도록 변조된 패킷을 전송하여 잘못된 데이터를 보내는 일종의 통신/사이버 공격입니다. 안티 스푸핑(Anti-spoofing)은 잘못된 소스 주소가 있는 패킷을 식별하고 삭제하는 기술로 GPS 신호의 보안을 위해 포함하고 있습니다.
(2) YUMA 포맷
YUMA 포맷은 SEM 포맷보다 직관적으로 항목별 수치를 나타내고 있습니다.
- ID: SEM 포맷과 달리 SVN 없이 PRN 코드로만 GPS 위성을 구분합니다.
- Health: 위성에 대한 데이터의 사용 가능 여부를 나타냅니다. 사용 가능한 데이터는 '000'로 표기하며, 위성이나 신호에 문제가 있을 때에는 '000'가 아닌 다른 값으로 확인됩니다.
- Time of Applicability: Almanac의 Reference week가 시작되고 몇 초가 지났는지를 나타내며, Almanac 데이터의 Reference time으로 활용됩니다.
- Af0/Af1: Clock에 대한 보정 데이터를 제공합니다. GPS 위성은 모두 고정밀의 원자시계를 탑재하고 있지만 그럼에도 불구하고 오차가 발생합니다. Af0는 Clock이 기준 시간 대비 얼마만큼의 오프셋(편차)을 가지고 있는지를 나타내며, Af1은 얼마만큼 더 빠르게/느리게 시간을 세는지를 나타내는 항목입니다.
- Week: GPS 주간 번호를 나타냅니다. Week 데이터는 10 bits로 구성되어 있어 0~1023까지 총 1024주(약 19.6년)를 카운팅 합니다. 참고로 마지막 1023을 세고 다시 0으로 돌아오게 되는데 이것을 GPS week Rollover라고 하며, 20년 전의 날짜로 돌아가지 않도록 수신기는 새로운 데이터로 준비되어 있어야 합니다.
- Eccentricity, Orbital Inclination, Rate of Right Ascension, SQRT, Right Ascen at Week, Argument of Perigee, Mean Anom: 위성 궤도에 대한 파라미터들입니다. 이 7개의 파라미터들을 통해 GPS 위성의 위치를 계산할 수 있게 됩니다.
Ephemeris Data
모든 GPS 위성이 동일한 Almanac 데이터를 전송하는 것과 달리 각 GPS 위성은 자신만의 데이터를 전송하는데, 이것이 바로 Ephemeris 데이터입니다. Almanac 데이터에서 볼 수 있는 PRN, Week 등과 같은 기본적인 정보와 안티 스푸핑(Anti-spoofing)과 같은 보안적인 요소들을 포함하고 있으며, Almanac 데이터보다 더욱 정확한 궤도 보정 데이터와 Clock 보정 데이터 등 향상된 GPS 위성 정보를 제공합니다.
Almanac Data와 Ephemeris Data 관리
Almanac 데이터와 Ephemeris 데이터는 GPS Master Control Station 및 Monitor/Tracking Station에서 관리되며, 이곳에서 위성으로 데이터를 업데이트합니다. Almanac 데이터는 적어도 6일에 한 번 정도 위성에 업로드되고 이 데이터는 몇 주 이상 사용할 수 있지만 정확도는 시간이 지날수록 점점 떨어지게 됩니다.
Ephemeris 데이터는 보통 시간당 1번 정도로 위성에 신규 데이터로 업로드됩니다. Almanac과 달리 Ephemeris 데이터는 몇 시간만 지나도 사용할 수 없을 정도로 정확도가 떨어지기 때문에 자주 업데이트 되어야 합니다.
A-GPS(Assisted-GPS)
앞서 소개 드린 Almanac 데이터는 전체 데이터를 수신하려면 12.5분이 소요됩니다.
GPS 수신기의 전원이 오래 꺼져 있거나 비활성화 상태로 위치가 많이 변경된다면 위치를 다시 계산하기 위해 새로운 Almanac 데이터를 수신하는 시간(12.5분)이 필요합니다. 우리가 사용하고 있는 스마트폰은 A-GPS(Assisted-GPS) 기술을 통해 모바일 네트워크로부터 Almanac 데이터와 Ephemeris 데이터를 실시간으로 빠르게 받을 수 있고 위치를 결정하는 시간 또한 아주 빠르게 줄일 수 있습니다.
A-GPS에 대한 더 많은 정보는 아래 포스트를 참고해 주시기 바랍니다.
로이엔텍 - GPS와 A-GPS의 기본 개념 소개 / 로데슈바르즈
안녕하세요. 오늘은 GPS와 A-GPS의 기본 개념과 관련한 시스템에 대해서 설명을 해드리고자 합니다. GPS는 Global Positioning System의 약자로 GPS 위성에서 보내는 신호를 수신해 사용자의 현재 위치를
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R&S Solution 소개
Rohde&Schwarz에서는 GPS뿐만 아니라 GNSS 시뮬레이터인 SMBV100B(또는 SMW200A 등)를 통해 GPS(GNSS) 테스트를 수행할 수 있으며, 네트워크 시뮬레이터인 CMX500 및 CMW500을 통해 A-GPS 및 LBS(Location Based Service) 테스트 전반의 솔루션을 제공하고 있습니다. 더 많은 정보는 아래 R&S 홈페이지 링크를 참고해 주시기 바랍니다.
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