글로벌 항법 위성 시스템의 원리와 구성 요소

해양 전자 및 전기 전문가를 위한 교육 자료

글로벌 항법 위성 시스템(GNSS)은 선박에 전천후 고정밀 연속 3차원 위치 확인 및 항법 서비스를 제공할 수 있는 위치 확인 시스템입니다. 선박용 GPS 위성 내비게이터는 해상에서 현대 선박 항해에 없어서는 안 될 장비로, 선박 항해를 보호하는 데 큰 의미가 있습니다. 따라서 750kW 이상 선박에서 선박용 GPS 위성항법장치의 정상적인 작동을 보장하는 것은 선박 전자전기 기술자의 의무입니다. 본 프로젝트는 실제 선박용 GPS 위성항법장비를 기반으로 프로젝트 기반 교육을 실시하여 학생들이 인지 및 실습을 통해 향후 직장에서 선박용 GPS 위성항법장치의 유지보수를 독립적으로 완료할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다. 이 섹션에서는 선박에서 널리 사용되는 FURUNO GP-170 타입의 GPS 위성 항법 장치를 예로 들어 소개합니다.

I. 글로벌 항법 위성 시스템 개요

글로벌 내비게이션 위성 시스템에는 주로 미국의 GPS(위성 위치 확인 시스템), 중국의 BDS(베이더우 내비게이션 위성 시스템), 러시아의 GLONASS(글로벌 내비게이션 위성 시스템) 및 유럽의 갈릴레오 내비게이션 위성 시스템(갈릴레오)이 있습니다. 러시아의 글로벌 항법 위성 시스템(GLONASS) 및 유럽의 갈릴레오 항법 위성 시스템(갈릴레오).

GPS는 네비게이션 위성 시간 및 거리 측정/글로벌 포지셔닝 시스템(NAVSTAR/GPS)의 약자로, 네비게이션 위성 시간 및 거리 측정/글로벌 포지셔닝 시스템이라는 뜻입니다. 미국은 1973년 말부터 GPS 위성 항법 시스템에 대한 연구를 시작하여 1993년 말 위성의 초기 배치를 완료하고 1995년 말부터 본격적인 운영에 들어갔습니다.

GPS는 전천후, 고정밀, 연속, 실시간에 가까운 3차원 측위 및 내비게이션 서비스를 전 세계에 제공할 수 있습니다. 그 중 군용 및 고급 사용자가 주로 사용하는 P 코드는 위치 정확도가 최대 1m, 민간인이 주로 사용하는 CA 코드는 위치 정확도가 20~30m입니다.

II. 글로벌 항법 위성 시스템의 구성

글로벌 내비게이션 위성 시스템(GNSS)은 내비게이션 위성, 지상국, 사용자 장비의 세 부분으로 구성됩니다. 내비게이션 위성은 내비게이션 신호를 전송하고, 지상국은 위성을 추적 및 제어하고 내비게이션 정보를 주입하며, 사용자 단말기에 설치된 내비게이션 수신기는 위성 신호를 수신하여 위치 확인 및 내비게이션 기능을 수행합니다.

GPS 위성설계 위성군은 21개의 작동 위성과 3개의 대기 위성을 포함한 24개의 위성으로 구성되며, 6개 궤도에 고르게 분포되어 있습니다. BLOCK I, II, IIA 및 IIR 시리즈 위성은 추후에 발사되었습니다.

GPS 지상국메인 컨트롤 스테이션, 추적 스테이션, 주입 스테이션의 세 부분으로 구성됩니다. 주 제어국은 전체 위성 시스템을 제어하고, 내비게이션 성능을 평가하고, 위성 궤도를 생성한 다음 내비게이션 정보를 인코딩하여 주입국으로 전송하는 역할을 담당합니다. 주입 스테이션은 마스터 제어 스테이션의 제어 하에 하루에 한두 번 위성에 내비게이션 정보를 주입합니다.

사용자 장비GPS 데이터용 하드웨어, 소프트웨어 및 후처리 소프트웨어 패키지로 구성된 GPS 위성 내비게이터입니다. 수신기의 하드웨어는 안테나 장치, 호스트 장치 및 전원 공급 장치의 세 부분으로 구성됩니다. 안테나는 실외에 설치되며 케이블을 통해 호스트에 연결됩니다. 호스트는 인버터, 신호 채널, 마이크로프로세서, 디스플레이 모듈 등으로 구성됩니다. 현재 CA 코드 관련 내비게이터는 해상에서 더 많이 사용됩니다.

III. 포지셔닝 원칙 및 오류

(i) 포지셔닝 원칙

GPS는 우주 기반의 구형 거리 측정 및 위치 확인 시스템입니다. 사용자는 위성 신호의 전파 지연을 측정하여 우주에서 전파가 전파되는 시간을 도출합니다. 우주에서 전자기파의 전파 속도를 알기 때문에 사용자와 위성까지의 거리를 계산할 수 있습니다. 특정 위치 측정을 위해 사용자는 세 개의 위성까지의 거리만 측정하면 위성을 구의 중심으로 하고 위성에서 사용자까지의 거리를 반경으로 하는 세 개의 구면을 구할 수 있으며, 그 교차점이 사용자의 3차원 공간 위치가 됩니다.

사용자의 위치를 풀기 위해서는 신호가 전송되는 시점의 위성 위치를 정확히 알고 있어야 합니다. 사용자는 GPS 위성이 전송하는 위성 메시지에 포함된 위성 궤도를 수신하여 위성의 위치를 얻습니다.

(ii) 포지셔닝 오류

사용자가 위성 내비게이션을 사용하여 측정한 거리는 두 가지 요소의 영향을 받습니다:

1. 위성 및 사용자 시계 편차
앞서 언급했듯이 거리 측정의 본질은 지연(파동 전파 시간)을 측정하는 것이며, 통일되고 정확한 시간 기준은 측정 정확도에 매우 중요하며, GPS 위성은 고정밀 원자 시계를 사용하며 정확도는 최대 (0.1~10)×10-¹³/s까지 가능하지만 시간이 지나면서 오차가 누적되어 사용자의 측정 오류에 반영될 수 있습니다. 반면에 일반 사용자는 일반적으로 정확한 시계를 가지고 있지 않으며 측정 지연에는 큰 사용자 시계 오류가 포함됩니다.

2. 신호 전파 지연
위성 신호가 사용자에게 전파되는 과정에서 전리층과 대류권 굴절을 통과해야 하므로 신호 전파 속도와 경로가 변경되어 신호 전파 지연이 발생하고 사용자의 측정 시간에도 오차가 발생합니다.
위의 요소를 결합하여 사용자가 GPS 위성 내비게이터를 사용하여 측정한 거리는 사용자와 위성까지의 실제 거리가 아니므로 다음과 같이 알려져 있습니다.의사 거리를 사용하여 의사 거리를 측정하는 프로세스를 호출합니다.의사 오렌지。

3. 위치 오류 제거
위성에서 사용자까지의 실제 거리를 얻기 위해 GPS는 다음과 같은 방법을 사용합니다:
GPS 위성은 사용자에게 전송되는 위성 메시지에서 위성 시계 편차 보정 파라미터를 제공합니다.
GPS 위성은 이중 주파수(1575.42MHz 및 1227.60MHz) 신호를 전송하여 전리층 굴절 오차를 보정합니다. 동시에 GPS 위성은 위성 메시지에 대기 보정 계수를 제공하고, 사용자는 보정 모델을 통해 대류권 굴절 오차를 보정하여 신호 전파 지연을 해결합니다.
(iii) 사용자의 시계 오차는 미지수로 간주되어 관측 방정식에서 풀립니다. 따라서 사용자는 3D 측위를 위해 다음과 같은 네 가지 미지수를 풀어야 합니다.최소 4개의 위성 신호를 수신해야 합니다.(b); 2차원 포지셔닝을 수행할 때.최소 3개의 위성 신호를 수신해야 합니다.。

IV. GPS 위성 내비게이터

현재 해상에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 CA 코드 상관형 내비게이터이며, GPS 위성 내비게이터는 하드웨어, 기내 소프트웨어 및 GPS 데이터 후처리 소프트웨어 패키지 등으로 구성됩니다. 위성 내비게이터의 하드웨어는 안테나, 본체 및 전원 공급 장치로 구성됩니다. 안테나는 실외에 설치되며 케이블을 통해 본체에 연결됩니다. 본체는 그림 2-1-1과 같이 인버터 및 증폭기, 신호 채널, 마이크로프로세서 및 디스플레이 모듈로 구성됩니다.

6d35278a3911993cae82d3a1774575a2 그림 2-1-1 GPS 위성 내비게이터 구조

GPS 위성 내비게이터는 GPS 안테나를 통해 약한 위성 신호를 수신하여 프리앰프로 증폭한 다음(신호 대 잡음비 개선) 주파수 변환기로 전송하여 무선 주파수(RF) 신호를 중간 주파수(IF) 신호로 변환합니다. 증폭 후 IF 신호는 의사 코드 위상 고정 루프와 반송파 위상 고정 루프로 전송되어 의사 코드와 주파수(반송파)의 2차원 검색을 수행합니다. 의사 코드 위상 고정 루프는 위성 코드의 자동 캡처 및 추적을 달성하기 위해 로컬 추적 의사 코드를 수신 된 의사 코드와 시간 내에 정렬하는 데 사용되며 반송파 위상 고정 루프는 위성 반송파의 자동 캡처 및 추적을 달성하기 위해 로컬 추적 반송파를 주파수 및 위상에서 수신 된 반송파와 정렬하는 데 사용됩니다.

GPS 신호 의사 코드는 상관 분석기에서 로컬 추적 의사 코드와 비교되며, 두 값이 동일하면 최대값이 출력되어 상관 분석기가 GPS 데이터 변조 반송파 신호를 감지했음을 나타냅니다. 이 신호를 로컬 추적 반송파와 혼합한 후 GPS 데이터 코드 신호가 감지되고 GPS 데이터 코드 신호가 동기화, 감지 및 필터링되어 GPS 위성 메시지를 감지합니다. 추적 반송파와 로컬 기준 발진기의 차이는 도플러 편이이며, 추적 의사 코드를 로컬 기준 의사 코드와 비교하여 신호 전파 지연을 측정하고 의사 거리를 계산합니다.

마이크로프로세서GPS 위성 내비게이터의 핵심 구성 요소이며 위성 내비게이터의 신호 수신 및 처리는 마이크로 프로세서의 제어하에 수행됩니다. 주요 기능으로는 전원 켜기 자체 테스트, 위성 선택, 위성 데이터 수집, 대기 전파 오류 보정, 의사 거리 측정, 도플러 주파수, 사용자 위치, 속도 및 내비게이션 정보 계산 등이 있습니다.

GPS 내비게이션에는 일반적으로 작동 정보를 제공하는 LCD 디스플레이와 사용자가 키패드를 통해 내비게이션을 제어할 수 있는 제어 키패드가 장착되어 있습니다. 일부 위성 내비게이션에는 내비게이션 정보와 디지털 지도를 화면에 직접 표시하는 대형 디스플레이도 있습니다.

GPS 내비게이션용 전원 공급 장치에는 두 가지 유형이 있습니다:하나는 내부 전원 공급 장치, 일반적으로 사용되는 리튬 배터리로, 전원을 끈 후 데이터 손실을 방지하기 위해 RAM 메모리에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 다른 하나는 외부 전원 공급 장치, 일반적으로 사용되는 충전식 12V 카드뮴-니켈 배터리로, AC 전원 공급 장치를 사용할 때 조정된 전원 공급 장치 또는 특수 전원 변환기를 통과해야 합니다.

V. 베이더우 위성 내비게이션 시스템

베이더우 위성 항법 시스템은 중국이 자체 개발한 글로벌 위성 항법 시스템으로, GPS와 GLONASS에 이어 세 번째로 성숙한 위성 항법 시스템입니다.

(i) 시스템 구성 요소

베이더우 위성 항법 시스템은 우주 별자리, 지상 관제 시스템 및 사용자 단말기의 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 우주 별자리는 전 세계를 커버하는 내비게이션 네트워크를 구축하기 위해 정지궤도(GEO), 경사 정지궤도(IGSO), 중원궤도(MEO) 위성으로 구성된 하이브리드 궤도 설계를 채택합니다. 베이더우-3 시스템은 아시아 태평양 지역의 서비스 안정성을 높이기 위해 5개의 GEO 위성(작동 위성 3개, 백업 위성 2개)을 포함한 30개의 위성을 배치하고 있습니다.

지상 관제 시스템은 주로 위성 상태 모니터링, 궤도 보정 및 항법 신호 향상을 담당하는 마스터 관제소, 모니터링 스테이션, 주입 스테이션으로 구성됩니다. 사용자 단말기는 내비게이션과 위치 추적, 단문 메시지 통신 기능을 모두 갖춘 BDMSS 선상 단말기와 핸드헬드 등 군용 및 민간용 이중 사용 장비로 구성됩니다.

(ii) 포지셔닝 원칙

BDS는 액티브 및 패시브 포지셔닝을 위한 듀얼 모드 기술을 통합합니다.패시브 포지셔닝사용자 단말기가 최소 4개의 위성으로부터 신호를 수신하고 신호 전파 시간차를 이용해 3차원 좌표를 푸는 방식으로, 최대 미터 수준의 측위 정확도를 가진 BeiDou-3의 주요 측위 모드입니다.액티브 포지셔닝즉, 단말기가 주도적으로 위성으로 요청 신호를 전송해야 하며, 이는 지상국의 커버리지 영역 내에서 긴급한 위치 확인이 필요한 경우에 적합합니다. 북두 3호는 성간 링크 기술을 통해 신호 전송 효율을 최적화함으로써 위치 측위 속도와 정확도를 더욱 향상시킵니다.

(iii) 핵심 기능 및 특징

BDS는 글로벌 규모의 실시간 내비게이션 및 위치추적 서비스를 제공할 수 있습니다. 민간 측위의 정확도는 10m 이상이며, 아시아 태평양 지역에서는 정확도가 2 ~ 5m에 달하고 군용 서비스는 센티미터 수준의 측위도 가능합니다.BDS의 고유한단문 메시지 서비스(SMS)지역 단문 메시지는 지역과 글로벌의 두 가지 범주로 나뉩니다. 지역 단문 메시지는 GEO 위성 별자리를 기반으로 아시아 태평양 지역(10°N~55°N, 75°E~135°E)을 커버하며 스팟(단일 지점 전송), 멀티캐스트(그룹 통신), 방송(지역 정보 전파) 등 세 가지 모드를 지원합니다. 베이더우 3에 새롭게 추가된 글로벌 단문 메시지 기능은 지리적 제약을 극복하고 글로벌 긴급 통신을 실현합니다. 또한 이 시스템은 B1, B2 및 B3와 같은 다중 주파수 대역 신호 설계를 채택하여 복잡한 환경에서 간섭 방지 기능과 안정성을 크게 향상시킵니다.

(iv) BDMSS 선상 단말기 및 지역 단문 메시지 애플리케이션

BDMSS 선상 단말기는 주로 항법 및 위치 확인 장치, 통신 제어 장치 및 환경 적응성 모듈로 구성된 해양 분야에서 BDS의 중요한 응용 장비입니다. 항법 및 위치 확인 장치는 다중 주파수 대역 신호 수신 기술을 채택하여 미터 수준의 위치 정확도를 달성하고, 통신 제어 장치는 BeiDou 특수 통신 프로토콜을 통합하고 단문 메시지 암호화 전송을 지원합니다. 터미널은 국제 해양 장비 표준에 부합하고 선박의 복잡한 운영 환경에 적응할 수있는 염수 분무 부식 방지 설계 및 고전압 전원 공급 시스템을 채택합니다.

베이더우 3호의 지역 단문 메시지 통신 서비스는 경도 75°~135°E, 위도 10°~55°N의 아시아 태평양 지역을 커버하는 정지궤도 운용 위성 3개와 대기 위성 2개가 공동으로 지원하며, 주문형 통신(방향 전송), 멀티캐스트 통신(그룹 협력), 방송 통신(공공 정보 전파)의 세 가지 모드를 제공합니다. 이 서비스는 주문형 통신(방향성 전송), 멀티캐스트 통신(그룹 협업), 방송 통신(공공 정보 전파)의 세 가지 모드를 제공하며 선박 스케줄링, 해상 구조, 기상 경보 등의 시나리오에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 정지궤도 위성 빔의 커버리지 범위의 한계로 인해 단문 메시지 서비스의 통신 용량에는 지리적 한계와 제한이 있습니다(그림 1 참조).1000자를 초과하지 않는 단일 전송대양 항해의 경우, 전체 지역 커버리지를 달성하려면 다른 통신 시스템을 조합해야 합니다.

GNSS 시스템 기술 비교 및 사례 목록

GPS 대 Beidou-3(BDS-3) | 선상 내비게이터 유지보수 표준

I. GPS와 베이더우-3(BDS-3) 기술 지표 비교

매개변수 항목	미국 GPS 시스템	중국 베이더우 3(BDS)
위성 별자리	24개(MEO 트랙 표면 6개)	30(MEO + IGSO + GEO 하이브리드 트랙)
포지셔닝 모드	순전히 수동적인 포지셔닝	액티브 포지셔닝 + 패시브 포지셔닝(듀얼 모드)
민간인 정확도	10 - 30 미터	글로벌 10미터 미만(아시아 태평양 2~5미터)
주요 기능	검증된 글로벌 커버리지	단문 메시지 통신(단일 한자 1000자)
주파수 분포	L1, L2, L5	B1, B2, B3

FURUNO GP-170 내비게이터 유지보수 체크리스트

1. 안테나 물리적 검사: 실외 안테나 커버에 균열이 있는지, 신호 저하를 유발할 수 있는 바다 소금 결정이 있는지 매월 점검하세요.
2. 피더 커넥터 확인: TNC/BNC 커넥터가 느슨하거나 부식되지 않았는지, 피더 굽힘 반경이 너무 작지 않은지 확인합니다.
3. 위성 가시성 확인: 위성 상태] 화면에서 확인합니다. HDOP(수평 정확도 계수) < 4.0잠긴 새틀라이트의 수가 4개를 초과합니다.
4. 기내 배터리 유지보수: 전원을 켤 때 “배터리 부족” 또는 [셀프 테스트]라는 메시지가 표시되면 표시되지 않습니다. NG 배터리를 교체할 때는 내부 3V 리튬 배터리를 교체해야 합니다.
5. 인증 설정하기: 인식 측지 데이텀 (측지 좌표계)가 다음과 같이 설정되어 있습니다. WGS-84 (전 세계적으로 통용되는 표준).