개념 한 쪽
GNSS 위성은 전파를 이용해 위치와 시각 정보를 송신하고, 수신기는 이 전파의 도달시간으로 의사거리를 구해 측위한다. 전파는 전달 과정에서 전리층 등 매질의 영향으로 지연이 발생하며, 이 지연은 주파수에 따라 달라져 이중주파수 관측으로 보정할 수 있다.
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출제기준 단원 「위성신호의 전달」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 위성항행체계 연혁 선택 | 1 | NNSS와 GPS의 관계를 묻기 |
| 이중주파수 목적 판정 | 1 | 이중주파수가 해결하는 오차를 가리기 |
| 파장·거리 계산 | 1 | 주파수로부터 파장을 구하고 거리로 환산하기 |
GNSS 위성이 송신하는 신호는 전파이며, 대표적으로 L1과 L2 같은 마이크로파 대역을 사용한다. 전파는 구름·강우·야간에 강한 전송 특성을 가지므로 위성측위에 적합하다. 위성신호는 반송파와 그 위에 얹힌 코드로 구성되며, 코드와 반송파의 특성에 따라 관측 정확도가 달라진다.
전리층은 전하를 띤 입자로 구성된 대기층으로서 전파의 속도를 늦추어 거리 산정에 오차를 만든다. 핵심은 전리층 지연이 주파수에 의존한다는 점이다. 서로 다른 두 주파수(L1, L2)를 동시에 관측하면 이들 관측값의 차이로 전리층 오차를 분리·계산할 수 있으므로 이중주파수 수신기는 전리층 오차를 제거하는 데 유리하다.
반송파 관측에는 위상에 해당하는 정수 모호성이 포함된다고 판단한다. 모호정수를 확정하면 반송파 관측값을 거리 산정에 직접 활용하여 cm급 이하의 정밀도를 확보할 수 있도록 한다. 모호정수 고정의 목적은 반송파 기반의 정밀 측위를 가능하게 하여 측위정확도를 향상시키는 데 있다.
신호에 얹히는 코드에는 민간용 C/A코드와 군사용 P코드 등이 있으며, C/A코드는 상대적으로 낮은 비트율로 L1에만 실리고, P코드는 높은 비트율로 L1·L2 두 반송파에 모두 실린다. 이러한 탑재 특성은 전리층 보정과 관측 정확도에 영향을 준다.
또한 전파의 파장은 빛의 속도 c를 주파수 f로 나눈 값으로 계산할 수 있다(λ = c ÷ f). 반송파의 파장을 알고 있으면 파장 수를 곱해 해당 거리값을 얻을 수 있으므로 파장 관련 계산은 위성신호 문제에서 정형화된 해결 방법으로 쓰인다.
L1 신호의 주파수 f = 1,575.42 MHz이고 빛의 속도를 299,702,458 m/s로 잡으면 파장은 λ = c ÷ f로 구한다. 계산하면 λ ≈ 299,702,458 ÷ 1,575,420,000 ≈ 0.190293 m가 된다. 따라서 L1 반송파의 파장 10만배에 해당하는 거리는 λ × 100,000 ≈ 19,029.3 m라고 정한다.
이와 같이 주파수로부터 파장을 먼저 구한 뒤 파장수를 곱하는 절차를 통해 파장수 관련 문제를 해결한다.
인공위성을 이용한 범지구적 위치결정 시스템으로 NNSS와 교체된 항행시스템은?
정답 ③ · NNSS를 교체한 범지구적 위성 항행시스템을 고르는 문제이다. NNSS(트랜짓)는 위성 수가 적어 위치 측정에 오랜 시간이 걸리던 초기 위성항행시스템이었는데, 다수의 위성을 활용해 언제 어디서나 3차원 위치결정이 가능한 GPS가 이를 교체하였다.
최초의 위성항행시스템 NNSS(트랜짓)는 미국의 전지구 위성위치결정시스템 GPS로 교체되었다.
GPS 신호는 두 개의 주파수를 가진 반승파에 의해 전송된다. 두 개의 주파수를 쓰는 이유는?
정답 ③ · GPS가 두 개의 주파수를 사용하는 이유를 묻는 문제이다. 전리층에서 발생하는 전파 지연 오차는 주파수에 반비례하여 그 크기가 달라진다.
전리층 지연은 주파수에 따라 크기가 달라지므로 L1·L2 두 주파수 관측 차이로 전리층 오차를 분리·제거할 수 있다.
GPS 위성으로부터 전송되는 L1 신호의 주파수는 1575.42MHz이다. 광속 c=299,702,458m/s일 때 L1신호 100,000 파장의 거리는 얼마인가?
정답 ④ · GPS L1 신호의 파장을 이용해 10만 파장에 해당하는 거리를 계산하는 문제이다. 파장은 λ = c/f로 구하는데, 문제에 제시된 광속 299,702,458m/s는 진공 중 광속의 표준값 299,792,458m/s의 오기로 보이며, 표준값으로 계산해야 보기와 일치하는 답이 나온다.
L1 파장은 c÷f ≈ 0.19029m이고, 거리 = 파장×파장수이므로 10만 파장 ≈ 19,029m이다.
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