1.

위성항법시스템의 활용분야

  위성항법시스템(Global Positioning System : GPS)은 인공위성을 이용하여 위치 및 시각을 결정하는 시스템이다. GPS의 기본적인 목적은 지상, 해상 및 공중에서 사용자의 위치를 시간 및 기상상황에 관계없이 계속적으로 측정이 가능하도록 하는 것이며 우주공간에서의 항법을 위해서도 쓰이고 있다. 처음에는 군사적인 목적에 의해서 개발되었으나 시스템 구성이 완료된 현재에는 민간용으로도 폭넓게 활용되고 있고 새로운 응용분야가 많이 개발되고 있다. 농업분야에서 GPS의 이용은 자주형 농기계의 항법 보조장치나 정밀농업 분야에서 주로 이용된다. 특히 포장의 각 위치별로 각종 정보를 수집하고 처방된 대로 그 위치에 알맞은 농자재를 최적수준으로 투입하기 위해서는 정밀농업과 관련된 대부분의 자료(정보)들이 위치정보와 함께 결합되지 않으면 안 된다. 이와 같이 GPS는 농업의 정보화를 위한 기반기술로 앞으로 농업의 대부분의 분야에서 폭넓게 활용될 전망이다.

2. 위성항법시스템의 작동원리

3. 위성항법시스템의 구성

  위성항법시스템(GPS)은 여러 기술이 고도로 집약된 시스템이므로 많은 구성 요소로 이루어져 있지만 크게 세 가지 구성요소인 우주 부분(space segment), 관제 부분(control segment), 사용자 부분(user segment)로 구분할 수 있다.

가.

우주 부분 (Space segment)

  우주 부분은 위치 계산을 위해 필요한 항법 메시지(navigation message)를 사용자에게 반송파(carrier wave)를 통하여 연속적으로 전송하는 GPS 위성으로 구성되어 있다. 반송파는 L 대역의 두 주파수 L1(1575.42MHz), L2 (1227.6MHz)로 정확히 조정되어 사용자에게 전송된다. 각각의 GPS 위성은 기울임각(inclination angle) 55°인 6개의 원형 궤도면(circular orbit)에 각각 4개씩 배치되어 있다. GPS 위성은 지구 중심으로부터 26,567.5㎞상에 배치되어 있고 약 12시간의 주기를 갖는다.

나.

관제 부분 (Control segment)

  관제 부분은 세계 각지에 널리 분포해 있는 여러 관제국(control station)을 통해 GPS 위성을 추적하고 감시함으로써 가능한 한 정확하게 위성의 위치를 추정하며 여러 가지 보정(correction) 정보를 위성에 송신한다. 또한 이러한 보정 정보를 항법 데이터의 한 부분으로서 연속적으로 사용자에게 전송한다. GPS 위성 관제국은 5개의 감시 기지국(monitor station), 4개의 지상 안테나 송신국(ground antenna upload station), 그리고 운영 관제국(operational control segment)으로 구성되어 있다.

다.

사용자 부분 (User segment)

  사용자 부분은 GPS 위성 신호를 수신하여 위치를 계산하는 GPS 수신기 및 이를 응용하여 각각의 특정한 목적을 달성하기 위해 개발된 다양한 장치(equipment)로 구성된다. GPS 수신기는 위성으로부터 수신한 항법 데이터를 사용하여 사용자의 위치 및 속도를 계산한다. 수신기에 연결되는 GPS 안테나는 자체에 내장된 알고리듬으로 GPS 위성 신호를 추적하며 하나의 위성 신호만 추적하면 그 위성으로부터 다른 위성들의 상대적인 위치에 관한 정보를 얻을 수 있으므로 짧은 시간 내에 모든 가시(visible) 위성 신호들을 추적할 수 있다.

4.

GPS의 종류

  위성항법시스템은 15~30m 수준의 위치 정확도를 지니는 단일 위성 항법 시스템(Stand-alone GPS, SA 제거 이후), m 수준의 위치 정확도를 지니는 보정 위성항법시스템(Differential GPS : DGPS), 그리고 ㎝ 수준의 위치 정확도를 지니는 반송파 보정 위성항법시스템(Carrier phase Differental GPS : CDGPS)으로 분류된다.

5.

위성항법시스템의 오차원인

가.

전리층 오차

  전리층 오차는 약 350㎞ 고도상에 집중적으로 분포되어 있는 자유 전자(free electron)와 GPS 위성 신호와의 간섭(interference) 현상에 의해 발생한다. 전리층 오차는 고의 잡음 제거 이후 가장 큰 오차 요인으로 작용하고 있다. 전리층 오차는 코드 측정치에서는 지연(delay), 반송파 위상 측정치에서는 앞섬(advance) 형태로 발생한다. 전리층 오차의 크기는 약 7m 내외로서 오후 2시경에 최대값을 지니며 밤에는 전리층 활동량이 적으므로 최소값을 지닌다. 전리층 오차는 전리층을 통과하는 신호의 주파수에 의해 결정되므로 이중 주파수에 대한 측정치를 이용하면 전리층 오차를 계산할 수 있다. 일반적으로 전리층 지연을 보정하는 데 쓰이는 전리층 모형식(model)으로서 Klobuchar 모형식이 있으며 이것을 사용하면 약 50% 정도까지의 오차 보정 효과가 나타난다.

나.

대류층 오차

  대류층 오차는 고도 50㎞까지의 대류층에 의한 GPS 위성 신호 굴절(refraction) 현상으로 인해 발생하며 코드 측정치 및 반송파 위상 측정치 모두에서 지연 형태로 나타난다. 대류층 오차의 크기는 약 3m～20m로서 기저선의 길이가 짧고 기준국과 사용자 사이의 고도(altitude) 차이가 작을 경우, 오차 상관관계(correlation)가 크므로 차분 기법에 의해 상쇄된다.

다.

위성 궤도 오차 및 시계 오차

  위성 궤도 오차는 위성 위치를 구하는 데 필요한 위성 궤도 정보의 부정확성으로 인해 발생한다. 위성 궤도 오차의 크기는 1m 내외이다. 위성 시계 오차는 GPS 위성에 내장되어 있는 시계의 부정확성으로 인해 발생한다. 일반적으로 위성에 내장된 시계는 매우 정확하므로 시계 오차를 충분한 정확도로 예측할 수 있다. 위성 시계 오차의 크기는 1～2m정도이다. 이와 같은 결과는 고의 잡음이 제거된 이후 2001년 10월의 미 국방성 발표 내용을 기준으로 한 것으로, 고의 잡음이 포함되었을 경우에는 이 부분의 오차항이 전체 측정치에 가장 큰 영향을 미치게 된다. 위성 궤도 오차 및 시계 오차는 기저선 길이가 짧을 경우 역시 상관관계가 크므로 수신기 차분 기법에 의해 상쇄된다.

라.

다중 경로 오차

  다중 경로 오차는 GPS 위성으로부터 직접 수신된 전파 이외에 부가적으로 주위의 지형 지물에 의해 반사된(reflected) 전파로 인해 발생하는 오차이다. 다중 경로 오차는 코드에 의한 의사 거리 측정치에서는 20m이내, 반송파 위성 측정치에서는 5㎝ 이내의 크기를 지니는 것으로 알려져 있다. 다중 경로 오차는 전파의 반사 요인에 의해 성질이 결정되므로 차분 기법에 의해 상쇄되지 않는다. 그러므로, 다중 경로 오차의 영향을 최소화하기 위해 반사된 전파의 영향이 없거나 이를 차단할 수 있도록 GPS 안테나를 설치해야 한다.

마.

사이클 슬립

  사이클 슬립은 GPS 반송파 위상 추적 회로 (Phase Lock Loop : PLL)에서 반송파 위상치의 값을 순간적으로 놓침으로 인해 발생하는 오차이다. 사이클 슬립은 주로 GPS 안테나 주위의 지형 지물에 의한 신호단절, 높은 신호잡음 및 낮은 신호강도(signal strength)로 인해 발생한다. 이러한 사이클 슬립은 반송파 위상 데이터를 사용하는 정밀 위치 측정 분야에서는 매우 큰 영향을 미칠 수 있으므로 사이클 슬립의 검출은 매우 중요하다.

6.

위성항법시스템의 농업적 이용

  지구위치시스템은 포장에 존재하는 여러 가지 작물생육에 필요한 속성들의 변이를 검출하고, 환경에 대한 피해를 줄이면서도 수확량을 극대화할 수 있는 최적 농자재 투입 의사결정을 내리고, 그 결과대로 포장에 농자재를 투입하는 일련의 정밀농업 과정에서 위치정보를 검출하고 농기계를 일정한 경로를 따라 유도하는 항법장치로 이용된다.

가.

포장 속성변이 검출

  정밀농업에서 다루는 포장의 속성은 작물의 생육에 영향을 주거나 생육상태를 나타내는 인자로서, 수분함량이나 유기물 함량과 같은 토양관련 인자가 있고, 수분응력이나 엽록소 함량과 같은 작물관련 인자와 기후관련 인자가 있다. 또한 이러한 인자의 결과로 나타나는 수확량 또한 포장에 존재하는 변이가 된다. 농경지 이곳 저곳을 옮겨 다니면서 이러한 속성값을 측정할 때 지구위치시스템 위치결과와 함께 저장하게 된다. 측정하고자 하는 인자의 센서가 개발된 경우에는 센서신호와 위치결과를 바로 결합하면 되고, 토양성분과 같이 아직 센서 개발이 미흡한 경우에는 토양시료를 채취한 위치를 기록하여 이후 토양성분분석 결과와 위치를 결합하게 된다.

나.

농자재 투입 의사결정

  농자재 투입 의사결정은 주로 지리정보시스템(GIS)을 이용하게 되는데, 지리정보시스템을 운영하기 위해서는 우선 대상으로 하는 농경지를 전자도면(지구위치시스템으로 측량하여 만든 지도)으로 만들어야 되며, 이 때, 지구위치시스템으로 측량한다. 그 다음 전자도면상의 위치와 포장 속성변이 검출시 얻어진 위치를 결합하여 지리정보시스템의 D/B를 구축한다. 분석 결과는 포장내 위치별로 투입해야 할 농자재의 양에 대한 정보를 기본적으로 가지게 된다.

다.

농자재 투입

농자재 투입 의사결정 단계에서 결정된 농자재의 종류와 양을 해당 위치에 투입하기 위해서는 농작업을 수행하는 농업기계에 지구위치시스템 장비와 처방된 농자재 투입 의사결정 등 처방 결과를 내리는 데이터베이스를 탑재해야 한다. 농기계는 포장을 주행하면서 현재의 자기 위치와 지구위치시스템신호를 수신하여 계산하고 데이터베이스에서 해당위치를 탐색함과 동시에 위치자료와 함께 저장되어 있는 농자재 투입량을 산출한 후 농자재 투입 제어기를 구동하여 농작업을 수행한다.

참 고 문 헌

이영재 외. 1995. DGPS와 그 응용. 항공우주공학회지 23권 1호.
지규인 외. 1996. 한국지역에서 측정된 GPS의 위치오차 분석. 국방과학연구소     유도무기 학술대회 논문집.
한광훈. 2000. GPS와 INS통합에 관한 연구. 서울대학교 항공우주공학과 공학석사    학위논문.
Farrell, J.A. 1999. The Global positioning system and inertial navigation.     McGraw-Hill.

집필 : 농촌진흥청 국립농업과학원  홍영기(전화 :063-238-4004)