개념 한 쪽
GNSS는 위성에서 보내는 전파 신호의 도달시간을 측정해 위성과 수신기 사이의 거리를 구하고, 여러 위성으로부터 얻은 거리의 교회로 수신기 위치를 결정하는 방식이라고 본다. 신호 종류에 따라 거리측정의 정밀도가 크게 달라지고, 관측계획은 가시성·위성수·기하 배치(DOP) 등을 고려해 세운다.
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출제기준 단원 「GNSS(위성측위)의 원리」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 레이저 관측법 판별 | 1 | 반사프리즘과 펄스광 왕복시간을 묘사한 관측법을 고르기 |
| VLBI 특성 확인 | 1 | 퀘이사 신호 동시 수신으로 초장거리 기선을 정밀 측정하는 기술 특성 판단 |
| 관측계획에서 불필요한 항목 선택 | 1 | 계획 수립 시 사람이 고려하지 않아도 되는 위성 관련 항목을 가리기 |
GNSS에서 기본적으로 관측하는 값은 위성에서 수신기로 신호가 도달하는 전달시간이다. 이 전달시간에 광속을 곱하면 위성과 수신기 사이의 거리를 계산할 수 있고, 이 거리는 수신기 시계오차를 포함하기 때문에 의사거리라고 부른다. 따라서 GNSS의 핵심 관측량은 '시간'이며, 거리 산출은 속도×시간의 원리에 따라 이루어진다.
위성과 수신기 사이의 거리측정에는 신호의 종류가 중요하다. C/A 코드같은 코드 관측은 칩 길이가 길어 수미터(m)급 오차가 발생하는 반면, 반송파의 위상관측은 파장이 짧아 밀리미터(mm)급 정밀도를 얻을 수 있다. 즉 코드 관측은 거칠고, 반송파 위상관측은 정밀하다는 구분을 반드시 기억해야 한다.
위성으로부터 얻은 여러 거리 방정식을 풀어 수신기의 3차원 좌표와 필요시 시계오차를 동시에 구한다. 수신기 시계에 오차가 없으면 미지수는 X, Y, Z 세 개뿐이므로 위성 3개로 3차원 위치결정이 가능하다. 반대로 시계오차가 존재하면 미지수가 하나 늘어나 위성 4개가 필요하다.
GNSS 관측계획은 관측 장소 주변의 장애물 분포, 임계 고도각 이상으로 보이는 사용위성의 수, 관측 시간대의 DOP 등 가시성 및 기하 배치를 중심으로 수립한다. 반면 위성의 개별 번호는 수신기가 자동 탐색·할당하므로 계획 단계에서 사람이 일일이 파악할 필요는 없다.
GNSS와 다른 우주측지 기술들을 구분할 줄 알아야 한다. 예를 들어 레이저 관측법은 지상에서 위성의 반사프리즘으로 펄스광을 쏘아 왕복시간을 재어 거리를 측정하는 방법이고, VLBI는 퀘이사 등의 천체 전파원을 여러 망원경이 동시 수신해 도착시간 차이를 간섭으로 분석하는 방법으로 초장거리 기선에서 cm급 정밀도를 얻는다.
- 의사거리 관측 예: 위성이 보낸 신호가 수신기에 도달하는데 걸린 시간 t를 측정하면 거리 = 광속 c × t로 의사거리를 구한다. 이 관측은 전달시간을 직접 재는 것이 핵심이며, 신호의 세기나 신호대 잡음비는 거리 산출과 직접 관련이 없다.
- 신호 종류에 따른 정밀도 차이 예: C/A 코드 관측은 코드 칩 길이가 길어 수미터급 오차가 발생하는 반면, L1 반송파의 위상관측은 파장이 약 19cm로 mm급 정밀도를 달성할 수 있다. 따라서 문제에서 '코드와 반송파의 정확도가 같다'는 서술이 나오면 오답으로 처리한다.
위성자체에 전파원이 있는 것이 아니라 반사프리즘이 위성에 탑재되어 펄스광의 왕복시간을 측정함으로써 거리를 측량하게 할 수 있는 관측법은?
정답 ③ · 위성에 전파원 대신 반사프리즘이 탑재되어 펄스광의 왕복시간으로 거리를 측량하는 관측법을 묻는 문제이다. 지상에서 레이저를 발사하여 위성에 장착된 반사프리즘(반사경)에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 거리를 구하는 방식이 레이저 관측법이다.
위성의 반사프리즘에 펄스광을 쏘아 왕복시간으로 거리를 재는 방식은 레이저 관측법이다.
다음 VLBI(Very Long Base-line Interferometry)에 관한 설명로 알맞는 것은?
정답 ③ · 초장기 간섭법(VLBI)의 특성을 묻는 문제이다. VLBI는 퀘이사 같은 매우 먼 천체에서 오는 전파를 멀리 떨어져 있는 여러 전파 망원경이 동시에 수신하고, 도달 시간 차이를 간섭 처리하여 기선 거리와 위치를 결정하는 기술이다.
VLBI는 퀘이사의 전파를 멀리 떨어진 망원경들이 동시 수신해 간섭으로 cm급 정밀 거리를 재는 측지 기술이다.
GPS를 이용한 기준점측량의 계획을 수립하려고 한다. 이 때 위성의 이용가능 시간대와 배치 상황도를 참고하여 관측계획 시 고려하지 않아도 되는 것은?
정답 ③ · GPS를 이용한 기준점 측량에서 관측 계획을 수립할 때는 위성의 가시성과 기하학적 배치가 매우 중요합니다. 따라서 장애물에 의한 신호 차단을 피하기 위한 지상 장애물 분포상황(1번), 임계 고도각 이상의 사용 위성 개수(2번), 관측 시간대의 DOP 수치 파악(4번) 등은 모두 정밀한 관측을 위해 반드시 고려해야 할 필수적인 요소들입니다.
GPS 관측계획은 장애물·사용위성 수·DOP을 보며, 위성 번호 파악은 불필요하다.
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