GPS 란 무엇입니까? 왜 필요합니까? 다른 내비게이션 시스템의 차이점은 무엇입니까? 우리는이 기사의 모든 것에 대해 이야기 할 것입니다.
현재 GPS는 누구나 한 번쯤은 들어봤고 대부분이 일상 생활에서 사용하는 일상적이고 친숙한 것 같습니다. 이것은 우리가 장치에서 사용하는 도구 중 하나입니다. 동시에 우리는 그것이 어떻게 작동하는지, 어디서 왔는지,이 시스템을 만드는 데 얼마나 많은 시간과 노력과 돈을 투자해야했는지 생각조차하지 않습니다. 오늘날 GPS 신호 수신기는 네비게이터, 전화, 스마트폰, 태블릿, 자동차는 물론 피트니스 팔찌와 "스마트" 시계까지도 해당 데이터는 산업, 아마추어 및 프로 스포츠, 집회 및 경주, 물론 군사 산업에서 사용됩니다. 다양한 내비게이션 시스템을 자세히 살펴보겠습니다.
위성항법이란?
위성 항법 또는 지구 항법 위성 시스템은 지구 위치 및 정확한 시간에 대한 데이터를 전송하는 위성 시스템입니다. 특정 주파수의 전파는 정보를 전송하는 데 사용됩니다. 이러한 데이터를 수신한 수신기는 이를 계산하여 우리 위치의 좌표, 즉 경도, 위도 및 해발 고도를 표시합니다.
기본 시스템(GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo) 외에도 우주에는 보조 시스템이 있습니다. 이들은 농업에 사용되는 Global Omnistar 및 StarFire와 같은 소위 위성 보정 시스템(SBAS)입니다.
우리 위에는 또한 미국의 WAAS, EU의 EGNOS, 일본의 MSAC, 인도의 GAGAN과 같은 지역 지원 시스템이 있습니다. 이 모든 것은 접지 구성 요소에 의해 지원되며, 이에 대해서는 나중에 설명합니다. 시스템에는 많은 정의가 있지만 자세히 설명하지는 않겠습니다.
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위성항법의 종류
GPS는 현재 사용 가능한 유일한 위성 항법 시스템이 아닙니다. 몇 가지 유형의 위성이 우리 머리 위를 날아다니며 우리가 주머니에 넣거나 손목에 차거나 내비게이터에 사용하는 장치의 지리적 위치를 지정합니다. 하나가 아닌 여러 시스템이 있는 이유는 무엇입니까? 이 질문은 대부분의 일반 사용자에게 질문한 것입니다. 사실은 처음에 GPS 시스템은 군사적 필요를 위해 만들어졌으며 군대는 여전히 그것을 통제하고 있습니다. 이것은 그들이 전 세계 모든 사람의 위치를 제어한다는 것을 의미합니다. 물론 많은 사람들이 상대방뿐만 아니라 친구까지도이 위치를 좋아하지 않았습니다. 따라서 진지한 세계 플레이어는 군대가 제어 할 수 있도록 탐색 시스템을 개발하기로 결정했습니다. 곧 GPS 아날로그가 세계에 등장하여 시장에서 가장 정확하고 정확한 타이틀을 놓고 서로 경쟁했습니다. 일반 사용자인 우리에게는 이것이 장점일 뿐입니다. 따라서 각 시스템을 개별적으로 처리해 보겠습니다.
미국 GPS
이것은 우리가 가장 자주 사용하는 최초의 내비게이션 시스템입니다. 위성 항법을 생각할 때 일반적으로 GPS라는 용어를 사용합니다. 미국 시스템은 원래 NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, 줄여서 NAVSTAR-GPS라고 불렸습니다.
GPS는 미군, 또는 오히려 미 우주군의 손에 있습니다. 모든 장치는 콜로라도 스프링스 근처의 슈라이버 공군 기지에 기반을 두고 GPS 본부의 일부로 작동하는 Space Delta 8에서 제대로 작동하는지 확인합니다.
민간 응용 프로그램은 레이아웃과 최고의 위치 정확도가 우선 순위인 군사 응용 프로그램에 사소한 추가 사항일 뿐입니다. 민간인 사용자는 다소 잘린 버전을 얻지만 여전히 충분합니다. 우리는 자동차를 운전하거나 달리는 데 수십 센티미터의 정확도가 필요하지 않지만 예를 들어 탐색, 지도 제작, 밭을 모니터링하는 농업, 차량 추적을 위한 운송 회사 및 기타 분야에서 점점 더 높은 정확도가 필요합니다. 다른 많은 지역. 따라서 GPS 시스템이 지속적으로 변경되고 위성 최적화가 진행되고 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.
사용하는 동안 시스템은 변경되었으며 여전히 현대화되고 있습니다. 때때로 더 큰 기능을 가진 위성이 네트워크에 도입되고 이전에 사용되었던 오래된 위성은 시간이 지남에 따라 파괴됩니다. 대부분은 대기에서 타버리고 때로는 잔해가 태평양에 가라앉습니다.
GPS 시스템의 완전한 준비는 필요한 수의 위성이 궤도에 진입한 1993년에 달성되었습니다. 그러나 1983년에 Ronald Reagan 행정부는 시스템의 민간 사용 허가를 승인했습니다. 이것은 소련이 소련 영공을 실수로 침범한 한국 민간 항공기를 격추한 후 일어난 일입니다. 그러나 처음에는 민간인을 위한 시스템의 정확도가 100미터로 제한되었습니다. 그러나 그 당시에는 이것만으로도 더 이상의 재앙을 피하기에 충분했습니다.
우주에서 GPS 시스템의 작동은 시스템의 정확도를 높이기 위해 필요한 데이터 수정을 제공하는 WAAS(Wide Area Augmentation System) 위성에 의해 추가로 지원됩니다. 그들은 북미(그리고 부분적으로 남미)에 위치하고 있으며 FAA(연방 항공국)의 관리를 받고 있습니다. WAAS는 민간 위성 항법 애플리케이션을 지원하기 위한 것입니다.
러시아 글로나스
GLONASS는 Global Navigation Satellite System의 약자로 미국의 GPS와 유사하게 작동합니다. GLONASS는 지구 상공 약 24km에 위치한 19개의 활성 위성으로 구성되며 위성의 궤도는 100시간 11분이 소요됩니다. 시스템 테스트는 15년, 즉 소련에서 시작되었습니다. 그것은 실제로 우리 나라에서 "스타워즈"로 더 잘 알려진 미국 개발에 대한 응답으로 만들어졌습니다. 소련은 미국에 어떤 것도 굴복하고 싶지 않았지만 "페레스트로이카, 글라스노스트, 가속"이 일을 했습니다. 자금 부족으로 대부분 공사가 축소됐다. 나중에 밝혀진 것처럼 모든 것이 닫힌 것은 아닙니다. 1982년에 GLONASS 시스템이 작동할 준비가 되었다는 공식 발표가 나왔을 때 미국인들은 정말 놀랐습니다. 1993년에 러시아인들은 1995개의 위성을 궤도에 올려놓는 데 성공했습니다.
그러나 모든 것이 처음부터 그렇게 좋지는 않았습니다. 2002년대의 옐친 시대도 우주 프로그램에 영향을 미쳤습니다. 자금이 없었고 아무도 우주 및 위성 항법에 관심이 없었습니다. 그 결과 7년에는 2002개의 위성만이 여전히 작동했습니다. 그러나 러시아인들은 사업을 시작했고 2011- 복구 프로그램의 일환으로 개선된 GLONASS-K 위성과 함께 제공되는 현대 지상 제어 시스템을 가동했습니다.
현대화의 다음 단계인 2012-2020년에서는 국가의 보안과 국방 및 시민 시스템의 기능을 향상시키기 위해 PNT(위치 지정, 탐색 및 동기화)의 속성을 개선하는 데 주요 관심을 기울였습니다. 현재 GLONASS-K2로 알려진 차세대 위성에 대한 작업이 진행 중입니다.
중국 베이더우
중국은 2000세기 말에 위성 항법 시스템을 개발하기 시작했습니다. 1년에 그들은 항법 위성 시스템 BeiDou-1로 더 잘 알려진 BDS-2 개발의 첫 번째 단계를 마감했습니다. 이 프로젝트의 일환으로 중국과 가장 가까운 외국에 측위 시스템이 제공되었습니다. 다음 단계는 아시아 태평양 지역을 커버하는 위성 네트워크를 갖춘 BDS-2020였습니다. 3년에는 BDS- 프로젝트의 일환으로 BeiDou 시스템이 전 세계적으로 운영되기 시작했습니다.
현재 궤도에는 35개의 위성이 있으며, 이 프로그램은 이미 차세대 BeiDou 시스템을 궤도에 올려놓을 탑재량으로 59개의 발사를 수행했습니다. 중국 당국에 따르면 400개 이상의 기관과 300명 이상의 과학자 및 기술자가 BDS-000 프로그램 생성에 참여했습니다. 최신 위성군을 지원하기 위해 시스템의 올바른 작동을 모니터링하기 위해 3개 이상의 지상국이 생성되었습니다. 시스템의 글로벌 가용성은 40%로 추정되며 주요 아시아 태평양 지역의 경우 훨씬 더 높습니다. 즉, 거의 완벽하게 작동합니다. 또한 중국인들은 시스템의 정확도를 높이기 위해 많은 노력을 기울였습니다.
BeiDou는 또한 최대 14비트(한자 000자)의 짧은 문자 메시지를 허용합니다. 이 값에는 사진이나 사운드 녹음도 포함될 수 있습니다.
위성 항법 시스템의 다른 개발과 마찬가지로 현지 사용자가 서비스 비용을 지불하지만 그 결과는 정말 인상적입니다.
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유럽 갈릴레오
갈릴레오 시스템의 가장 큰 장점은 무엇입니까? GPS 및 GLONASS와 달리 민간인의 손에 남아 있으며 공산주의 중국의 경우와 같이 특정 정부에 속하지 않습니다. 이 시스템은 민간 시장만을 염두에 두고 구축되었기 때문에 궁극적으로 인구의 요구가 개발에 영향을 미칩니다. 확실히, 갈릴레오는 군사화된 포지셔닝 시스템 중에서 신선한 공기의 숨결입니다. 지금까지 갈릴레오 프로그램은 28회의 발사를 완료했고 30개의 위성을 궤도에 올려놓았다. 현재 시스템은 위성의 전체 집합을 사용하지만 모든 장치를 항상 사용할 수 있는 것은 아니며 일부 장치는 여전히 창고에서 차례를 기다리고 있습니다.
지상 조업 부문은 독일의 Oberpfaffenhofen과 이탈리아의 Fucino의 두 센터에 있습니다. 또한 이 시스템에는 모니터링 센서, 측정 및 데이터 전송 스테이션의 전세계 네트워크가 포함됩니다.
이 모든 시스템의 궤도가 점점 포화되고 있다는 사실 때문에 갈릴레오 위성은 고도 23km에서 약간 더 높은 위치에 있습니다(가장 낮은 것은 GLONASS, 그 다음은 GPS, 중국의 BeiDou 및 갈릴레오 피라미드의 상단) ). 각 위성이 지구를 완전히 도는 데 약 222시간이 걸립니다. 지구상의 대부분의 장소에서 14~6개의 갈릴레오 위성을 항상 사용할 수 있습니다. 이는 대부분의 상황에서 미터가 아닌 센티미터로 측정되는 매우 높은 정확도를 의미합니다.
Galileo는 GPS 시스템과 호환되어 측정 정확도가 더욱 향상되며, 위성 항법 시스템의 작동 및 정확도 향상을 담당하는 지상 구성 요소와 위성으로 구성된 EGNOS 시스템(European Geostationary Navigation Service)에서도 작동을 지원합니다. .
일본어 MICHIBIKI(미치비키)
일본은 자국 영토에서 항법의 정확성을 보장하기 위해 QZSS(Quasi-Zenith Satellite System) 또는 Michibiki라는 작은 위성 별자리를 만들었습니다. 산악 지역이나 심하게 도시화된 지역에서는 장애물이 너무 많아 GPS만으로는 충분하지 않은 경우가 많습니다. 4년 2018월부터 가동 중인 2024개의 위성은 이 문제를 해결합니다. 그 중 7개는 여전히 아시아와 오세아니아 지역에 있습니다. 년에는 기로 구성된 위성군에 도달할 계획이다. 이것은 시스템의 전반적인 효율성을 더욱 향상시키고 GPS와 독립적으로 만듭니다. 따라서 일본은 영토에 대한 완전한 자치를 보장합니다.
다른 시스템에 비해 작은 크기에도 불구하고 QZSS는 일본 인구의 모든 기대를 충족하고 일본 영토를 통과하는 자오선에 위치한 모든 국가의 배송을 추가로 지원합니다.
또한 일본에는 MSAS(MTSAT Satellite Augmentation System)라는 GPS/Michibiki 정밀 지원 시스템도 있습니다. 기상 데이터를 제공하는 2개의 위성으로 구성되어 있습니다.
NavIC(NAVigation with Indian Constellation)는 인도의 GPS와 유사하며 인도 지역 항법 위성 시스템(IRNSS)이라고도 합니다. 이 시스템은 모든 기능에 도달한 후 작동 방식이 일본과 유사합니다. 현재, 인도와 인도 국경에서 최대 7km 거리에 위치를 제공하는 1500개의 위성이 궤도에 있습니다. 시스템은 GPS에 의존하지 않습니다.
NavIC는 개의 추가 위성과 지상 기반 시설로 구성된 GAGAN(Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS)에 의해 지원됩니다. 서비스 도입으로 EGNOS와 MSAS 시스템 간의 격차가 해소되어 민간 항공 안전 수준이 더욱 향상되었습니다.
글로벌 원조 시스템
개별 시스템을 설명하면서 지역 지원 시스템도 언급했습니다. 그러나 지역 경계를 넘어 위성 항법 운영은 글로벌 지원 시스템도 지원할 수 있습니다. 현재 두 가지를 구별할 수 있습니다. 이들은 Omnistar와 StarFire입니다. 둘 다 현대 정밀 농업의 요구에 주로 사용되는 위성 항법을 지원합니다. 그들의 사용에는 특수 수신기가 필요합니다. 덕분에 농부는 들판을 이동하면서 최대 5-10센티미터의 정확도로 작업할 수 있습니다(기록 지원 시스템은 1-2센티미터의 정확도를 제공함). 이러한 정확한 측위는 서비스로 제공되며, 시스템 데이터 전달을 위해 직접 추가 요금을 지불해야 합니다.
이 서비스는 DGPS(Differential Global Positioning System)를 기반으로 하며 지정된 위치에 있는 기본 수신기의 사용으로 요약됩니다. 차량의 수신기는 위성 신호 외에도 고정 베이스 수신기에서 수정을 수신합니다.
Omnistar는 독립적인 회사이며 다양한 기계용 송신기를 구입할 수 있으며 StarFire 시스템은 ±3cm의 정확도와 GPS 및 GLONASS와 함께 작동하는 내장형 또는 외장형 시스템을 제공하는 농기구 제조업체 John Deere의 시스템입니다.
GPS는 어떻게 작동합니까?
이 섹션에서는 현재 사용할 수 있는 데이터가 가장 많기 때문에 원본, 즉 미국 버전을 사용하는 GPS 작동에 대해 설명합니다. 다른 사람들도 비슷하게 작동합니다.
GPS 위성의 별자리
전 세계에서 적절한 작동을 위해서는 상당히 조밀한 위성 네트워크가 필요합니다. 24개의 위성으로 구성된 별자리의 경우, 우리는 지구상의 어느 시점에서든 24개의 범위 내에 있다는 것을 확신할 수 있습니다. 미국인들은 일반적으로 최소한 95개는 31%의 시간에 사용할 수 있을 것이라고 약속했습니다. 현재 이 시스템은 6개의 위성에서 지원됩니다. 지구는 위성이 움직이는 4개의 동일한 영역으로 나뉘며 각 영역에는 개의 필드가 있습니다.
2011년 24월에 Expendable 24라는 개조가 시작되었습니다. 27개의 위성 중 개와 제어하는 필드는 어려운 지형 조건에서 더 빠른 신호 수집과 더 나은 정확도를 얻기 위해 추가 위성에 의해 향상되었습니다. 또한 개 위성의 전체 네트워크를 최대한 효율적으로 만들기 위해 몇 가지 변경 사항이 있었습니다.
GPS 위성은 약 20km 고도에서 예측 가능한 MEO(Mean Earth Orbit) 궤도로 움직이므로 항상 위치를 알 수 있습니다. 또한 전파 망원경을 사용하여 위치를 확인합니다. 지상 관제 네트워크는 주 관제 센터, 예비 관제 센터, 200개의 지휘 및 제어 안테나, 11개의 관측소로 구성되어 위성의 위치를 항상 알 수 있습니다. 각 위성이 지구를 한 바퀴 도는 데 16시간이 걸립니다.
실제로 어떻게 작동합니까?
궤도를 도는 위성은 적절한 수신기가 있는 당사 장비에서 포착한 무선 신호를 지속적으로 전송합니다. 각 위성은 위치와 전송 시간을 보고합니다. 또한 전파가 얼마나 빨리 이동하는지 알면 이 위성으로부터의 거리를 계산할 수 있습니다. 개 이상의 위성에서 추가 데이터를 수신하고 개에서 데이터를 한 번에 다운로드하면 장치는 모든 위성에서 오는 데이터의 교차점에서 우리의 위치를 계산합니다.
원활하고 정확하게 작동하려면 신호가 전송되는 시간을 정확하게 측정해야 합니다. 이것은 어떻게 달성되었습니까? 각 위성에는 인간이 발명한 것 중 가장 정확한 크로노미터인 원자 시계가 있습니다. 그러한 시계의 정확도는 얼마입니까? 시간은 만분의 초 단위로 측정됩니다!
수신 장치는 이 모든 데이터를 사용하여 우리의 위치를 효율적으로 계산합니다. 그러나 전체 시스템은 Albert Einstein으로 널리 알려진 신사가 저술한 특수 상대성 이론과 같은 문제도 고려해야 합니다. 물체가 중력의 근원에서 멀어 질수록 시간이 더 빨리 흐르므로 각 위성에서 다시 계산해야합니다. 요컨대, 그것은 모두 꽤 복잡하지만 운 좋게도 우리는 이 시스템을 몇 년 동안 사용해 왔으며 그것이 작동하고 꽤 잘 작동한다는 것을 발견했습니다.
물론 시스템이 정상적으로 작동하려면 우주비행관제센터 수준의 훈련 수준을 갖춘 우수한 인력의 참여가 필요하다.
GPS: 수십억 달러의 프로그램 비용
궤도에 진입한 후 위성은 그곳에서 영원히 작동하지 않을 것입니다. 이전 버전의 수명 주기는 7,5년, 최신 버전은 12년이며 최신 GPS III/IIIF 시스템은 15년 동안 궤도에 남을 것으로 예상됩니다(시스템의 미국 버전 데이터). 이 시간이 지나면 장치를 교체해야 하므로 새 샘플을 멸균 조건에서 만들어야 하며 그래야만 이 예술 작품이 궤도에 진입할 수 있습니다.
우주의 장비 외에도 지상의 모니터링 장비와 시스템 제어를 담당하는 고도로 훈련된 직원도 있습니다. 지상 구성 요소를 개선하기 위한 작업도 진행 중이며 현재 새로운 차세대 OCX(Operational Control System) 및 관련 하위 시스템에 중점을 두고 있습니다. 변경 사항은 전체 GPS 시스템의 작동을 방해하지 않도록 점진적으로 도입됩니다.
전체 시스템을 지원하는 데 약 1,7억 달러(2020 회계연도)가 사용됩니다. 2021 회계연도에 개발자들은 GPS 시스템 유지 관리 비용으로 1,8억 달러를 미 의회에 요청했습니다. 따라서 그러한 금액이 주어지면 가장 큰 국가 만이 자율 시스템을 유지할 여력이 있고 나머지는 기존 시스템을 사용해야합니다. 프로그램 비용이 어떻게 증가하고 있는지 보여주기 위해 2012년에는 750억 천만 달러라고만 말할 수 있습니다(여기에서는 인플레이션, 계산 방법 및 수준을 고려하지 않음).
GPS 차단이 쉽나요?
군대에서 GPS 시스템의 황금기는 서서히 잊혀지고 있습니다. 위성 신호의 감쇠 및 전파 방해가 점점 더 일반화되고 있으며, 그 결과 우주 데이터에만 기반한 정밀 무기는 더 이상 예전만큼 효과적이지 않습니다. 이 문제는 무기 자체뿐만 아니라 항공기, 선박, 육상 차량 및 GPS 수신기가 장착된 기타 장치에도 영향을 미칩니다.
우리는 지구의 "뜨거운" 지점에서 GPS 신호를 차단하는 예를 두 번 이상 보았습니다. 예를 들어 흑해에서 항구 또는 항해중인 거대한 선박이 갑자기지도에서 사라지고 30km 떨어진 곳에 나타나는 일이 발생했으며 이것은이 지역의 러시아인의 행동과 관련이 있습니다. 이 주제를 계속하면서, 그 지역에서 러시아 기지의 운영을 보장하기 위해 유사한 조치가 종종 시리아에서 시행된다고 말해야 합니다. 이스라엘조차도 GPS가 때때로 더 잘 작동하지 않는 이러한 종류의 간섭으로 고통 받고 있으며 이는 예를 들어 민간 항공 교통의 경우 심각한 문제입니다.
GPS 신호 간섭은 특별히 어렵지 않습니다. 보호 대상 근처에 적절한 전력과 주파수의 무선 송신기를 배치하면 GPS 수신기가 올바른 데이터를 수신하지 못합니다. 위성 제조업체는 최신 버전의 장비가 장착된 더 많은 간섭 방지 신호를 개발하여 이 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 그러나 이것은 고양이와 쥐의 게임이며 이점은 구축함 쪽에 있습니다. 그들은 더 낮은 비용과 더 큰 기능으로 변화에 더 빨리 대응할 수 있습니다. 결국, 위성은 일주일에 변경되지 않습니다.
교활한 목적 외에도 GPS 차단 방법은 국가 원수를 보호하는 데에도 사용됩니다. 러시아인이 특히 그러한 도구를 좋아한다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 이것은 푸틴의 움직임에 특히 해당됩니다. 푸틴이 위치한 지역에서 모든 내비게이션 시스템이 특정 시간 동안 전혀 작동하지 않을 수 있도록 숨기기 위해 열심히 노력합니다. 러시아인들은 가능한 한 대통령의 이동 경로를 보호하기 때문에 내비게이션 시스템을 차단함으로써 적어도 부분적으로는 드론 공격을 차단하려고 합니다.
위에서 언급한 문제와 단점에도 불구하고 우리는 군대가 GPS 시스템을 포기할 것이라고 기대해서는 안됩니다. 반대로 재밍 시스템과의 싸움이 강화되고 GPS 신호의 재밍을 방지하는 장비와 무기에 추가 시스템이 추가됩니다.
관성 항법은 계속 개선될 것이며 정밀 무기는 항상 동등하게 효과적인 또 다른 조준 방법을 예비할 것입니다. 현재 이러한 솔루션에 대한 집중적인 작업이 진행되고 있습니다. 이미지 항법, 천체 항법(시간을 거슬러 올라가는?) 및 자기 이상 항법에 대한 이야기가 있습니다. 첨단 기술! 따라서 우리에게는 여전히 많은 흥미로운 것들이 기다리고 있습니다.
민간용 위성 항법
그러나 일반 사용자는 군대가 거기에 무엇을 가지고 있는지별로 관심이 없습니다. 우리는 GPS가 우리의 위치를 정확히 찾아내는 데 도움이 되기를 바랍니다. 항해자 산에서 하이킹 또는 아침 달리기 또는 자동차 여행 중 하이킹 경로를 올바르게 배치했습니다. 이제 이러한 편의 시설이 없는 현대인의 삶은 상상하기 어렵습니다.
원칙적으로 GPS를 직접 사용하지 않더라도, 즉 수신기를 직접 켜지 않아도 계속 사용할 수 있다고 말할 수 있습니다. 시스템은 독립적으로 작동하며 우리 삶의 친숙하고 편리하며 필요한 부분이 되었습니다.
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