범지구 위성 항법 시스템

**범지구위성항법시스템**(), 간단히 **위성항법시스템** 또는 **범지구위성위치결정시스템**은 위성을 항법이나 지오포지셔닝에 사용하는 것이다. **범지구 위성 항법 시스템**(**GNSS**)은 공중, 지상 및 해상을 포함하여 지구상의 모든 사용자에게 서비스 범위를 제공한다. 현재 네 개의 운영 중인 GNSS 시스템이 있다. 미국의 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS), 러시아의 범지구 위성 항법 시스템(GLONASS), 중국의 베이더우 위성 항법 시스템(BDS) 및 유럽 연합의 갈릴레오가 그것이다. 또한, 일본의 준천정 위성 시스템(QZSS)과 인도의 지역 위성 항법 시스템(IRNSS, NavIC으로도 알려짐) 형태의 두 가지 **지역 위성 항법 시스템**(**RNSS**)이 존재한다.

위성 기반 보정 시스템(SBAS)은 범지구 GNSS 시스템의 정확도를 향상시키기 위해 설계된 시스템이다. SBAS 시스템에는 일본의 준천정 위성 시스템(QZSS), 인도의 GAGAN, 유럽의 EGNOS가 포함되며, 이들은 모두 GPS를 기반으로 한다.

위성 항법 장치는 위성에서 무선으로 가시선 전파를 통해 전송되는 시간 신호를 사용하여 자신의 위치(경도, 위도 및 고도/표고)를 높은 정밀도(수 센티미터에서 수 미터 이내)로 결정한다. 이 시스템은 위치 제공, 항법 또는 수신기가 장착된 물체의 위치 추적(위성 추적)에 사용될 수 있다. 또한 신호를 통해 전자 수신기가 현재 지역 시간을 높은 정밀도로 계산할 수 있어 시간 동기화가 가능하다. 이러한 용도들을 총칭하여 **위치, 항법 및 시각**(PNT)이라고 한다. 위성 항법 시스템은 전화나 인터넷 수신과는 독립적으로 작동하지만, 이러한 기술들은 생성된 위치 정보의 유용성을 높일 수 있다.

각 시스템의 전 지구적 범위는 일반적으로 여러 궤도면에 분산된 18~30개의 지구 중궤도(MEO) 위성으로 구성된 위성군에 의해 달성된다. 실제 시스템마다 차이가 있지만, 모두 50° 이상의 궤도 경사와 약 12시간의 공전 주기(약  고도에서)를 사용한다.

## 분류

민간 항법에 사용할 수 있는 향상된 정확도와 무결성 모니터링을 제공하는 GNSS 시스템은 다음과 같이 분류된다.
* ***'은 1세대 시스템으로, 기존 위성 항법 시스템(GPS 및 글로나스)에 [[SBAS|위성 기반 보정 시스템]](SBAS) 또는 지상 기반 보정 시스템(GBAS)을 결합한 것이다. 미국에서 위성 기반 구성 요소는 WAAS(Wide Area Augmentation System)이며, 유럽은 EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service), 일본은 MSAS(Multi-Functional Satellite Augmentation System), 인도는 GAGAN(GPS-aided GEO augmented navigation)이다. 지상 기반 보정은 LAAS(local-area augmentation system)와 같은 시스템에 의해 제공된다.
* ***'는 독자적으로 완전한 민간 위성 항법 시스템을 제공하는 2세대 시스템으로, 유럽의 갈릴레오 위치 확인 시스템이 대표적이다. 이러한 시스템은 항공기를 포함한 민간 항법에 필요한 정확도와 무결성 모니터링을 제공한다. 초기에 이 시스템은 상위 L 밴드 주파수 세트(GPS의 L1, 갈릴레오의 E1, 글로나스의 G1)로만 구성되었다. 최근 몇 년 동안 GNSS 시스템은 민간용으로 하위 L 밴드 주파수 세트(GPS의 L2 및 L5, 갈릴레오의 E5a 및 E5b, 글로나스의 G3)를 활성화하기 시작했다. 이들은 더 높은 종합 정확도를 제공하며 신호 반사 문제가 적다. 2018년 말부터 두 주파수를 모두 사용하는 몇몇 소비자용 GNSS 장치가 판매되고 있다. 이들은 보통 "듀얼 밴드 GNSS" 또는 "듀얼 밴드 GPS" 장치라고 불린다.

항법 시스템에서의 역할에 따라 시스템은 다음과 같이 분류될 수 있다:
* 현재 네 개의 글로벌 위성 항법 시스템이 있다: GPS(미국), GLONASS(러시아 연방), 베이더우(중국), 갈릴레오(유럽 연합).
* OmniSTAR 및 StarFire와 같은 위성 기반 보정 시스템(SBAS).
* 지역 SBAS: WAAS(미국), EGNOS(유럽 연합), MSAS(일본), GAGAN(인도), SDCM(러시아).
* 지역 위성 항법 시스템(RNSS): 인도의 NAVIC 및 일본의 QZSS.
* 대륙 규모의 지상 기반 보정 시스템(GBAS): 예를 들어 호주의 GRAS 및 미국 해안경비대, 캐나다 해안경비대, 미국 육군 공병단, 미국 교통부가 공동 운영하는 전국 DGPS(Differential GPS) 서비스.
* CORS 네트워크와 같은 지역 규모의 GBAS.
* 실시간 이동 측위(RTK) 보정을 운영하는 단일 GPS 기준국으로 대표되는 국지적 GBAS.

많은 글로벌 GNSS 시스템(및 보정 시스템)이 L1 근처에서 유사한 주파수와 신호를 사용하기 때문에, 여러 시스템을 사용할 수 있는 많은 "멀티 GNSS" 수신기가 생산되었다. 일부 시스템은 동일한 시계를 제공하여 GPS와 최대한 상호 운용되도록 노력하는 반면, 그렇지 않은 시스템도 있다.

## 역사

섬네일

지상 기반 전파 항법은 수십 년 된 기술이다. DECCA, LORAN, GEE 및 오메가 항법 시스템은 알려진 "마스터" 위치에서 무선 펄스를 방송하고, 여러 "슬레이브" 스테이션에서 반복되는 펄스를 사용하는 지상파 장파 무선 송신기를 사용했다. 마스터 신호와 슬레이브 신호 수신 사이의 지연을 통해 수신기는 각 슬레이브까지의 거리를 유추하여 위치를 결정할 수 있었다.

최초의 위성 항법 시스템은 1960년대 미국 군대에 의해 배치된 트랜싯(Transit)이었다. 트랜싯의 작동은 도플러 효과에 기반했다. 위성은 잘 알려진 경로를 따라 이동하며 잘 알려진 무선주파수로 신호를 방송했다. 수신기에 대한 위성의 이동 때문에 수신된 주파수는 방송 주파수와 약간 달라진다. 짧은 시간 동안 이 주파수 변화를 모니터링함으로써 수신기는 위성의 한쪽 또는 다른 쪽에서의 위치를 결정할 수 있으며, 이러한 여러 측정값을 위성 궤도에 대한 정확한 지식과 결합하여 특정 위치를 고정할 수 있다. 위성 궤도 위치 오차는 전파 굴절, 중력장 변화(지구의 중력장이 균일하지 않음), 그리고 기타 현상에 의해 발생한다. 1970년부터 1973년까지 플로리다에 있는 팬암 항공우주 부문의 해럴드 L. 주리(Harold L Jury)가 이끄는 팀은 많은 오차 원인에 대한 해결책이나 보정법을 찾아냈다. 실시간 데이터와 재귀적 추정을 사용하여 계통 오차와 잔차 오차를 항법에 충분한 정확도로 좁혔다.

## 원리

궤도를 도는 위성 방송의 일부에는 정밀한 궤도 데이터가 포함되어 있다. 원래 미국 해군 천문대(USNO)는 이러한 위성들의 정밀 궤도를 지속적으로 관측했다. 위성의 궤도가 벗어나면 USNO는 업데이트된 정보를 위성으로 보냈다. 업데이트된 위성으로부터의 후속 방송에는 최신 천체력(ephemeris)이 포함된다.

현대 시스템은 더 직접적이다. 위성은 궤도 데이터(위성의 위치를 계산할 수 있는 데이터)와 신호가 전송된 정확한 시간이 포함된 신호를 방송한다. 궤도 데이터에는 위성을 찾는 데 도움이 되는 모든 위성에 대한 대략적인 얼머낵(almanac)과 이 위성에 대한 정밀 천체력이 포함된다. 궤도 천체력은 시간 기준 역할을 하는 코드에 중첩된 데이터 메시지로 전송된다. 위성은 원자 시계를 사용하여 성좌 내의 모든 위성의 동기화를 유지한다. 수신기는 3개(해수면 기준) 또는 4개(고도 계산도 가능하게 함)의 서로 다른 위성 전송에 인코딩된 방송 시간을 비교하여 각 위성까지의 신호 도달 시간을 측정한다. 여러 위성에 대해 동시에 이러한 측정을 수행하여 삼변측량의 변형된 버전을 사용하여 실시간으로 지속적인 위치를 생성할 수 있다.

사용되는 시스템에 관계없이 각 거리 측정은 수신기를 방송국을 중심으로 측정된 거리를 반지름으로 하는 구형 껍질 위에 위치시킨다. 이러한 측정을 여러 번 수행한 다음 껍질들이 만나는 지점을 찾음으로써 위치가 생성된다. 그러나 빠르게 움직이는 수신기의 경우, 여러 위성으로부터 신호를 받는 동안 수신기의 위치가 이동한다. 또한 무선 신호는 전리층을 통과할 때 약간 느려지며, 이 감속은 위성에 대한 수신기의 각도에 따라 달라진다. 그 각도가 신호가 전리층을 통과하는 거리에 해당하기 때문이다. 따라서 기본 계산은 네 개의 위성을 중심으로 하는 네 개의 편평한 구형 껍질에 접하는 가장 짧은 지향성 선을 찾으려고 시도한다. 위성 항법 수신기는 여러 위성의 신호 조합과 여러 상관기를 사용하고, 칼만 필터링과 같은 기술을 사용하여 노이즈가 많고 부분적이며 끊임없이 변화하는 데이터를 위치, 시간 및 속도에 대한 단일 추정치로 결합함으로써 오차를 줄인다.

아인슈타인의 일반 상대성이론이 GPS 시간 보정에 적용되는데, 그 결과 GPS 위성 시계의 시간은 지상의 시계보다 하루에 약 38마이크로초 더 빨리 흐른다.

## 응용
[섬네일|[인도네시아 탕그랑슬라탄의 스마트폰에서 사용 중인 GNSS 위성(GPS, 글로나스, 갈릴레오, 베이더우) 및 GNSS 보정 시스템(준천정 위성 시스템) (2025)]]

위성 항법의 원래 동기는 군사적 응용이었다. 위성 항법은 목표물에 무기를 전달하는 정밀도를 높여 살상력을 크게 향상시키는 동시에 오조준된 무기로 인한 의도치 않은 인명 피해를 줄여준다. (참조: 유도 폭탄). 또한 위성 항법은 군대가 부대를 지휘하고 자신의 위치를 더 쉽게 파악할 수 있게 하여 전장의 안개를 줄여준다.

오늘날 갈릴레오와 같은 범지구 위성 항법 시스템은 특정 순간에 사용자의 위치와 다른 사람 또는 물체의 위치를 결정하는 데 사용된다. 미래의 위성 항법 응용 범위는 과학, 운송, 농업 등 수많은 시장 부문에 걸쳐 공공 및 민간 부문 모두에서 엄청나다.

위성 항법 신호를 공급하는 능력은 곧 그 신호의 가용성을 거부하는 능력이기도 하다. 위성 항법 시스템의 운영자는 잠재적으로 자신이 원하는 영토에 대해 위성 항법 서비스를 저하시키거나 제거할 수 있는 능력을 가진다.

## 범지구 위성 항법 시스템
섬네일|1978년부터 2014년까지 발사된 GNSS 위성

최초 발사 연도 순서:

### GPS (1978)

미국의 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS)은 6개의 서로 다른 궤도면에 있는 최대 32개의 지구 중궤도 위성으로 구성된다. 정확한 위성 수는 오래된 위성이 퇴역하고 교체됨에 따라 달라진다. 1978년부터 운영되었고 1994년부터 전 세계적으로 사용 가능해진 GPS는 세계에서 가장 많이 사용되는 위성 항법 시스템이다.

### 글로나스 (1982)

과거 소련의 시스템이자 현재 러시아의 시스템인 글로나스(GLONASS)는 민간 전파 항법 위성 서비스를 제공하며 러시아 항공우주방위군에서도 사용하는 우주 기반 위성 항법 시스템이다. 글로나스는 1995년부터 24개의 활성 위성으로 전 지구적 범위를 완전히 커버하고 있다.

### 베이더우 (2000)

베이더우는 현재 퇴역한 정지 궤도의 아시아 태평양 지역 네트워크인 베이더우-1로 시작했다. 시스템의 2세대인 베이더우-2는 2011년 12월 중국에서 운영을 시작했다. 베이더우-3 시스템은 30개의 지구 중궤도 위성과 5개의 정지 궤도 위성(IGSO)으로 구성될 계획이다. 16개 위성으로 구성된 지역 버전(아시아 및 태평양 지역 커버)은 2012년 12월에 완료되었다. 글로벌 서비스는 2018년 12월에 완료되었다. 2020년 6월 23일, 마지막 위성이 시창 위성발사센터에서 성공적으로 발사된 후 BDS-3 위성군 배치가 완전히 완료되었다.

### 갈릴레오 (2011)

유럽 연합과 유럽 우주국은 2002년 3월 GPS의 대안으로 갈릴레오 위치 확인 시스템을 도입하기로 합의했다. 갈릴레오는 2016년 12월 15일에 운영을 시작했다(글로벌 초기 운영 능력, EOC). 약 100억 유로의 비용이 투입된 30개의 지구 중궤도 위성 시스템은 당초 2010년에 운영될 예정이었으나, 이후 운영 개시 연도가 2014년으로 조정되었다. 첫 번째 시험 위성은 2005년 12월 28일에 발사되었다. 갈릴레오는 현대화된 GPS 시스템과 호환될 것으로 예상된다. 수신기는 갈릴레오와 GPS 위성 모두의 신호를 결합하여 정확도를 크게 높일 수 있을 것이다. 전체 갈릴레오 성좌는 24개의 활성 위성으로 구성되며, 마지막 위성은 2021년 12월에 발사되었다. 갈릴레오 오픈 서비스 신호에 사용되는 주요 변조 방식은 CBOC(Composite Binary Offset Carrier) 변조이다.

## 지역 위성 항법 시스템

### NavIC

**NavIC**(Navigation with Indian Constellation)은 인도우주연구기구(ISRO)가 개발한 자율 지역 위성 항법 시스템이다. 인도 정부는 2006년 5월에 이 프로젝트를 승인했다. 이는 7개의 항법 위성 성좌로 구성된다. 3개의 위성은 정지 궤도(GEO)에 배치되고 나머지 4개는 지구 동기 궤도(GSO)에 배치되어 지역을 매핑하기 위해 더 큰 신호 풋프린트와 적은 수의 위성을 가진다. 인도 전역과 그 주변 약  지역에서  이상의 전천후 절대 위치 정확도를 제공하는 것을 목표로 한다. 확장 서비스 지역은 기본 서비스 지역과 국경 너머 인 남위 30도에서 북위 50도, 동경 30도에서 동경 130도 사이의 사각형 영역 사이에 있다. 우주 부문, 지상 부문 및 사용자 수신기가 모두 인도에서 제작되는 완전한 인도의 통제를 목표로 하고 있다.

성좌는 2018년 현재 궤도에 진입해 있으며, 2018년 초부터 일반인이 사용할 수 있게 되었다. NavIC은 두 가지 수준의 서비스를 제공하는데, 민간용으로 개방되는 "표준 위치 서비스"와 승인된 사용자(군대 포함)를 위한 "제한 서비스"(암호화된 서비스)가 그것이다. 성좌 규모를 7개에서 11개로 늘려 NavIC 시스템을 확장할 계획이 있다.

인도는 24개의 지구 중궤도 위성을 추가하여 NavIC을 글로벌 시스템으로 만들 계획이다. 글로벌 NavIC은 전 세계 대중에게 무료로 제공될 예정이다.

### 초기 베이더우

중국 베이더우 항법 시스템의 초기 두 세대는 지역적 범위를 제공하도록 설계되었다.

## 보정
SBAS는 계산 과정에 외부 정보를 통합하여 정확도, 신뢰성 및 가용성과 같은 항법 시스템의 속성을 개선하는 방법이다. 예를 들어 WAAS, EGNOS, MSAS, DGPS, GAGAN 및 관성항법장치 등이 있다.

### QZSS

준천정 위성 시스템(QZSS)은 4개의 위성으로 구성된 지역 시간 전송 시스템이자 일본 및 아시아 태평양 지역을 커버하는 GPS 강화 시스템이다. QZSS 서비스는 2018년 1월 12일부터 시범적으로 이용 가능했으며, 2018년 11월에 정식 시작되었다. 첫 번째 위성은 2010년 9월에 발사되었다. GPS와 독립된 7개 위성으로 구성된 위성 항법 시스템이 2023년으로 계획되어 있다.

### EGNOS

## 비교

사용자 위치 확인을 위해 여러 GNSS 시스템을 사용하면 가시 위성의 수가 늘어나고 정밀 지점 측위(PPP)가 개선되며 평균 수렴 시간이 단축된다.
2019년 11월 위성 궤도 및 시계에 대한 실시간 보정을 사용했을 때 우주 신호 거리 오차(SISRE)는 갈릴레오 1.6&nbsp;cm, GPS 2.3&nbsp;cm, 글로나스 5.2&nbsp;cm, 베이더우 5.5&nbsp;cm였다. BDS-3의 MEO, IGSO 및 GEO 위성의 평균 SISRE는 각각 0.52 m, 0.90 m, 1.15 m였다. MEO 위성으로 구성된 4대 글로벌 위성 항법 시스템과 비교할 때 BDS-3 MEO 위성의 SISRE는 갈릴레오의 0.4 m보다는 약간 열세였으나, GPS의 0.59 m보다는 약간 우수했고 글로나스의 2.33 m보다는 현저히 우수했다. BDS-3 IGSO의 SISRE는 0.90 m로 QZSS IGSO의 0.92 m와 동등한 수준이었다. 그러나 BDS-3 GEO 위성은 새로 발사되어 궤도에서 완전히 작동하지 않았기 때문에 평균 SISRE가 QZSS GEO 위성의 0.91 m보다 약간 나빴다.

## 관련 기술

### DORIS

DORIS(Doppler Orbitography and Radio-Positioning Integrated by Satellite)는 프랑스의 정밀 항법 시스템이다. 다른 GNSS 시스템과 달리 전 세계의 정지된 송신국을 기반으로 하며, 위성에 장착된 수신기가 자신의 궤도 위치를 정밀하게 결정한다. 이 시스템은 사용 범위가 제한적이지만 지상의 이동식 수신기에도 사용될 수 있다. 전통적인 GNSS 시스템과 함께 사용하면 위치 정확도를 센티미터 단위(고도 측정의 경우 밀리미터 단위까지 가능하며 지구 자전 및 변형의 미세한 계절적 변화 모니터링도 가능)로 높여 훨씬 더 정밀한 측지 참조 시스템을 구축할 수 있다.

### 저궤도 위성
현재 운영 중인 두 개의 지구 저궤도(LEO) 위성 전화 네트워크는 위성으로부터의 도플러 시프트 계산을 사용하여 수킬로미터의 정확도로 송수신 장치를 추적할 수 있다. 좌표는 송수신 장치로 다시 전송되어 AT 명령이나 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 읽을 수 있다. 이는 게이트웨이에서 지리적으로 제한된 통화 요금제를 적용하는 데에도 사용될 수 있다.

## 국제 규정
국제전기통신연합(ITU)은 **무선 항법 위성 서비스**(**RNSS**)를 "항법을 목적으로 사용되는 무선 결정 위성 서비스. 이 서비스는 운영에 필요한 피더 링크를 포함할 수 있다"라고 정의한다.

RNSS는 인명 안전 서비스이자 항법의 필수적인 부분으로 간주되어 간섭으로부터 보호되어야 한다.

**항공 무선 항법 위성**(**ARNSS**)은 – 국제전기통신연합(ITU)의 전파 규칙(RR) 제1.47조에 따라 – «지상국이 항공기 보드에 위치한 무선 항법 서비스.»라고 정의된다.

**해상 무선 항법 위성 서비스**(**MRNSS**)는 – 국제전기통신연합(ITU)의 전파 규칙(RR) 제1.45조에 따라 – «지상국이 선박 보드에 위치한 무선 항법 위성 서비스.»라고 정의된다.

### 분류
ITU 전파 규칙(제1조)은 무선 통신 서비스를 다음과 같이 분류한다:

* 무선 결정 서비스 (제1.40조)
* 무선 결정 위성 서비스 (제1.41조)
* 무선 항법 서비스 (제1.42조)
****무선 항법 위성 서비스** (제1.43조)
**해상 무선 항법 서비스 (제1.44조)
***해상 무선 항법 위성 서비스 (제1.45조)
**항공 무선 항법 서비스 (제1.46조)
***항공 무선 항법 위성 서비스 (제1.47조)

; RNSS 사용 예시

* 보정 시스템 SBAS
* 방송형 자동 종속 감시(ADS-B)
* 베이더우 위성 항법 시스템(BDS)
* 갈릴레오, 유럽 GNSS
* 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS) 및 DGPS
* GLONASS
* NAVIC
* 준천정 위성 시스템(QZSS)

### 주파수 할당

무선 주파수의 할당은 ITU 전파 규칙 제5조(2012년판)에 따라 제공된다.

스펙트럼 사용의 조화를 개선하기 위해 대부분의 서비스 할당은 적절한 국가 행정 기관의 책임하에 국가 주파수 할당 및 활용 표에 통합된다. 할당 유형은 다음과 같다:

* 1차(primary): 대문자로 표시
* 2차(secondary): 소문자로 표시
* 독점 또는 공유 사용: 행정 기관의 책임하에 결정

## 대안
**대안 위치, 항법 및 시각**(**AltPNT**)은 GNSS의 대안으로서의 개념을 의미한다. 이러한 대안에는 다음이 포함된다:
* 관성항법장치(INS)
* eLORAN
* 지형 기반 항법(TBN)
* 시각적 위치 확인 시스템(VPS)
* LiDAR

## 같이 보기

* 스푸핑

## 각주


분류:우주 개발
분류:미국의 발명품
분류:항공계기
분류:항공전자
분류:측지학
분류:항법