저희 회사에서  Dual gnss 시스템의 이해를 위해 정리한 내용입니다. 

정리한 내용을 AI로 다시 정리 부탁했더니 이렇게 블로그 스럽게 나왔네요.

이정도의 키워드로 추가 검색하시면 GNSS시스템에 대한 필요한 내용을 충분히 습득하실 수 있을 거라 생각합니다.

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GNSS 및 RTK 시스템 완전 가이드: 정밀 위치측정의 모든 것

정확한 위치 정보가 필수인 현대 사회에서 GNSS(Global Navigation Satellite System)와 RTK(Real-Time Kinematic) 기술은 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 이 글에서는 GNSS의 기본 원리부터 최신 RTK 기술까지 체계적으로 알아보겠습니다.

GNSS 시스템 개요

GNSS 시스템은 지구의 궤도에 위치한 GNSS 위성들에서 보내는 위성의 위치와 현재 시간 데이터를 수신하여 삼각측량 기법등으로 수신기의 현재 위치를 찾아줍니다. 

현재 전 세계에서 운영되는 위성 위치측정 시스템은 다양합니다. 가장 잘 알려진 GPS(미국) 외에도 갈릴레오(유럽), 바이두(중국), 글로나스(러시아), 그리고 SBAS(위성기반 보강시스템) 등이 서비스되고 있으며, 이들은 모두 유사한 원리로 작동합니다.

각 시스템은 독립적으로 운영되지만, 현대의 GNSS 수신기는 여러 시스템의 신호를 동시에 활용하여 더욱 정확하고 안정적인 위치 정보를 제공합니다.

위성신호의 구성과 주파수 대역

위성신호의 기본 구조

GNSS 위성은 L1, L2, L5라는 세 가지 주요 주파수 대역을 통해 신호를 송출합니다. 각 신호에는 PRN(Pseudo Random Noise) 코드라는 고유한 식별 데이터가 포함되어 있어, 수신기가 특정 위성을 구별하고 거리를 측정할 수 있게 합니다.

GNSS 수신기와 안테나는 이러한 다양한 주파수를 모두 수신할 수 있도록 설계되어야 하며, 지원하는 주파수 대역이 많을수록 더 정확한 위치 측정이 가능합니다.

주요 주파수 대역별 특징

L1 대역 (1575.42 MHz) - 기본 표준 신호

L1은 GPS의 기본이자 가장 널리 사용되는 신호입니다. 모든 GPS 위성이 L1 신호를 방송하며, 대부분의 GNSS 수신기가 이 신호를 기본으로 지원합니다. 민간용 C/A(Coarse/Acquisition) 코드가 포함되어 있어 위성 탐색과 기본적인 위치 계산에 사용됩니다.

L2 대역 (1227.60 MHz) - 정밀 측위용 신호

원래 군사용으로 개발된 L2는 현재 민간용 L2C 신호도 제공합니다. L2의 가장 큰 장점은 L1과의 주파수 차이를 이용한 전리층 오차 보정입니다. 두 신호가 전리층을 통과할 때 발생하는 시간 지연 차이를 분석하여 전리층으로 인한 오차를 효과적으로 제거할 수 있습니다.

L5 대역 (1176.45 MHz) - 최신 민간용 신호

L5는 항공 안전과 같은 고정밀 응용을 위해 설계된 최신 신호입니다. 다른 대역보다 높은 출력과 넓은 대역폭을 가지며, 복잡한 신호 구조로 인해 다중경로 오차에 매우 강합니다. 도심이나 산림 지역 같은 까다로운 환경에서도 우수한 성능을 발휘합니다.

PRN 코드와 주요 데이터

PRN 코드는 위성이 송출하는 핵심 정보로, 다음과 같은 데이터를 포함합니다.

정밀 시간 정보

각 위성은 원자시계를 탑재하고 있어 극도로 정확한 시간을 유지합니다. 상대성 이론으로 인한 시간 왜곡은 지상 관제소와의 지속적인 통신을 통해 보정되어, 나노초 단위의 정밀한 시간 정보를 제공합니다.

위성 궤도 정보

위성의 정확한 위치는 전 세계에 분포된 지상 기지국들이 지속적으로 추적하여 결정됩니다. 이들 기지국은 위성 신호를 수신하고 궤도를 계산하여, 미래의 위성 위치를 예측한 궤도 정보를 위성에 전송합니다.

알마낙 데이터와 콜드 스타트

알마낙은 전체 GNSS 위성군의 대략적인 궤도 정보를 담은 데이터입니다. 이 정보는 50bps의 저속으로 전송되므로, 수신기가 처음 켜질 때(콜드 스타트) 모든 데이터를 받기까지 상당한 시간이 소요됩니다.

현대의 스마트폰은 A-GPS(Assisted GPS) 기술을 활용하여 이 문제를 해결합니다. 인터넷을 통해 알마낙 데이터를 미리 다운로드받아 콜드 스타트 시간을 대폭 단축시킵니다.

RTK 시스템: 센티미터급 정밀도의 비밀

RTK 시스템의 핵심 개념

RTK(Real-Time Kinematic)는 실시간으로 센티미터급 정밀도를 제공하는 GNSS 보정 기술입니다. 기본 원리는 이미 알려진 정확한 위치에 설치된 기준국(Base Station)에서 GNSS 오차를 계산하고, 이 보정 정보를 인근의 이동국(Rover)에 전송하여 정밀한 위치를 계산하는 것입니다.

주요 구성 요소와 용어

**기준국(Base Station)**은 정확히 알려진 고정 위치에서 GNSS 신호를 수신하여 오차 정보를 생성합니다. 실제 위치와 GNSS로 계산된 위치의 차이를 분석하여 해당 지역의 오차 패턴을 파악합니다.

**이동국(Rover)**은 움직이는 GNSS 수신기로, 기준국의 보정 정보를 받아 자신의 위치를 정밀하게 계산합니다.

RTCM은 RTK 보정 데이터를 전송하기 위한 국제 표준 프로토콜이며, NTRIP은 인터넷을 통해 RTCM 데이터를 실시간으로 스트리밍하는 표준입니다.

RTK 상태와 정확도

RTK 시스템은 두 가지 주요 상태로 작동합니다.

RTK Fixed 상태는 가장 이상적인 상태로, 위성 신호의 모호성(Ambiguity)이 정수값으로 완벽하게 해결되어 센티미터급 정확도를 제공합니다.

RTK Float 상태는 Fixed로 진입하기 전 단계로, 모호성이 아직 실수 형태로 남아있어 수십 센티미터급 정확도를 가집니다.

기준국의 보정 데이터는 네트워크, VHF 무선통신 등 다양한 방법으로 전송되며, 최근에는 인터넷 기반의 NTRIP 방식이 주로 사용됩니다.

Moving RTK: 움직이는 기준국의 혁신

Moving RTK의 독특한 접근법

일반적인 RTK가 절대 위치의 정확도 향상을 목표로 한다면, Moving RTK는 상대적 위치의 정밀 측정에 특화된 시스템입니다. 기준국과 이동국이 모두 움직이는 플랫폼(차량, 선박, 항공기 등)에 물리적으로 고정되어 있어, 두 안테나 간의 상대적 위치 관계를 센티미터급으로 정밀하게 측정합니다.

Moving RTK의 장단점

장점: 절대 위치에 관계없이 Roll, Pitch, Yaw(Heading) 값을 정밀하게 제공합니다. 특히 정지 상태에서도 정확한 방향(헤딩) 정보를 얻을 수 있어, 기존 나침반이나 자이로스코프의 한계를 극복합니다.

제약사항: X, Y, Z 좌표의 절대 위치는 일반적인 단일 GNSS 수신기와 동일한 오차를 가집니다. 오직 두 안테나 간의 상대적 자세만 정밀하게 측정됩니다.

최적의 성능을 위해서는 두 안테나 간 거리를 약 1미터로 유지하는 것이 권장됩니다.

추천 제품군

현재 Moving RTK 기능을 제공하는 주요 제품들은 다음과 같습니다.

Septentrio Mosaic-H: 검증된 성능을 가진 전문가급 제품으로, KHOA(한국천문연구원)에서 실제 적용하고 있는 솔루션입니다.

UM982: 약 100달러의 저가형 모듈로, Mosaic-H를 대체할 수 있는 충분한 성능과 더 낮은 소모전력, 소형 크기를 장점으로 합니다. 대전 차세대 시스템에서 테스트 중입니다.

U-blox F7P: 두 개의 모듈을 조합하여 Moving RTK 기능을 구현하는 개발 검토 단계의 솔루션입니다.

결론

GNSS와 RTK 기술은 현대 위치 기반 서비스의 핵심 기술로, 자율주행차, 드론, 정밀농업, 측량 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌고 있습니다. 특히 Moving RTK와 같은 최신 기술은 기존의 한계를 뛰어넘어 새로운 응용 분야를 개척하고 있어, 향후 더욱 광범위한 활용이 기대됩니다.

기술의 발전과 함께 가격은 지속적으로 하락하고 있어, 앞으로는 더 많은 분야에서 고정밀 위치 기술을 접할 수 있을 것입니다.