GPS 위치측정의 정확성을 떨어뜨리는 요소들은 크게 3부분으로 나눌 수 있다.
첫째 구조적 요인으로 생기는 오차로는 인공위성 시간 오차, 인공위성 위치 오차, 전리층과 대류층의 굴절, 잡음(Noise), 다중 경로(Multipath)등이 있다.
두번째로는 위성의 배치상황에 따른 기하학적 오차가 있으며
세번째로 가장 큰 오차 원인인 SA (Selective Availability) 가 있다.
이 요소들이 모두 잠재적으로 합쳐져서 매우 큰 오차 결과를 낳는데 이것을 UERE(User Equivalent Range Error)라고 한다. 각 오차들은 시간과 장소에 따라서 매우 크게 변한다. 다음은 각 오차들의 크기를 나타낸 것이다.
인공위성 시간 오차 0-1.5 m
인공위성 위치 오차 1- 5 m
전리층의 굴절 0-30 m
대류층의 굴절 0-30 m
수신기 잡음 0-10 m
다중 경로(Multipath) 0-1 m
SA(Selective Availability) 0-70 m
C/A 코드 경우 모든 오차가 합쳐진 수평 오차는 SA가 작동하지 않는 경우는 28m 이고 작동하는 경우에는 100m 이다.
1. 구조적 오차
[ 위치 오차와 시간 오차 ]
시간 오차와 위치 오차는 미 공군에서 계속 감시하고 오차를 매 시간마다 보정해주기 때문에 다른 오차들에 비해 상대적으로 적은 편이다. 그러나 인공위성이 본 궤도에서 약간이라도 이탈하는 경우가 생긴다면 그리고 오차 보정이 되지 않은 자료를 사용했다면 큰 오차를 가질 수도 있다.
[ 전리층과 대류층의 굴절 ]
우주 공간에서 라디오 파의 속도는 빛의 속도인 300,000 km/s 이다. 그러나 인공위성에서 오는 신호는 약 300 km 정도의 지구 대기를 통과해야만 한다. 전리층은 전기적으로 하전된 입자를 가지고 있는 층으로 약 50-200 km 사이에 위치하고 대류층은 우리가 일반적으로 대기라고 생각하는 층으로 8-16 km 고도에 위치하고 있다. 이 층들은 라디오파를 밑으로 잡아 끌어서 굴절시키는데 약간의 굴절도 상당한 영향을 줄 수 있고 더구나 각 층의 굴절률이 다르기 때문에 양상은 더욱 복잡해진다.
전리층에서는 하전된 입자들이 들어오는 신호를 끌어당겨서 굴절시키고 대류층에서는 다른 비율로 물방울들이 같은 역할을 한다. 이러한 문제들은 인공위성이 지평선으로 고도가 낮아질 때 더욱 심해진다. 왜냐하면 인공위성에서 오는 신호는 더 두꺼운 대기층을 통과해서 들어와야 하기 때문이다.
이 문제를 해결하는데는 여러가지 방법이 있다. 첫째로 인공위성의 항법 메세지는 대기 굴절 모델을 포함하고 있어서 50-70% 의 오차를 해결할 수 있다. 더 효과적인 두번째 방법은 dual-frequency 수신기를 사용해서 동시에 L1 과 L2 반송파에 신호를 모으는 것이다. 굴절의 크기는 진동수에 반비례함으로 같은 대기를 같은 시간에 통과한 두 다른 진동수를 이용하면 굴절의 크기를 더 쉽게 계산할 수 있다. 그러나 이 방법은 대류층의 굴절률이 진동수에 무관함으로 전리층에만 적용될 수 있다. 그러나 dual-frequency 수신기는 너무 비싸다는 단점이 있다.
수신기 하나만으로 더 적은 비용을 가지고 할 수 있는 방법이 있다. 대부분 수신기는 사용자 입력으로 수평선 위로 어느 각도 밑에 있는 인공위성으로부터 오는 신호는 무시하도록 되어있다. 이 각도를 "Mask Angle" 이라고 한다. 이것의 단점은 mask angle이 너무 높게 입력된 경우에는 최소 필요한 4개의 위성에 미달될 수도 있다. 대부분 mask angle 은 15-20도 정도로 유지되게 설정되어 있다.
[ 잡음(Noise) ]
매우 약한 신호와 간섭을 일으켜서 수신기 자체에서 발생한다. 잡음은 각 신호기마다 다르지만 대부분 수신기는 잡음을 최소화하기 위한 내부 필터링 장치를 가지고 있다. PRN 코드 잡음과 수신기 잡음이 합쳐져서 전체 잡음이 된다.
[ 다중 경로(Multi-Path) 오차 ]
Multi-Path 신호는 인공위성에서 바로 오는 신호가 아니 반사되어 들어오는 신호를 받아들이는 것이다. 반사된 신호는 더 길어진 경로를 통해 인공위성에 들어옴으로 결과적으로 틀린 위치를 측정하게 된다. 그리고 신호의 세기도 약해짐으로 대부분 수신기는 신호의 세기를 비교해서 약한 신호를 제거함으로써 오차를 줄인다.
2. 기하학적 오차
측위 시 이용되는 위성들의 배치상황에 따라 오차가 증가하게 되는데, 이는 육상에서 독도법으로 위치를 낼 때 적당한 간격의 물표를 선택하여 독도법을 실시하면 오차삼각형이 적어져 서 위치가 정확해지고, 몰려있는 물표를 이용하는 경우 오차삼각형이 커져서 위치가 부정확해지는 것과 마찬가지로 수신기 주위로 위성이 적당히 고르게 배치되어 있는 경우에 위치의 오차가 작아진다. 보이는 위성의 배치의 고른 정도를 DOP(Dilution of Precision) 이라고 한다. DOP의 값은 2보다 적은 경우는 매우 우수한 경우이고 2-3 값을 가지면 우수 4-5 값을 가지면 보통이고 6 이상이 되는 경우의 자료는 효용가치가 없다.
DOP의 종류는 여러가지가 있지만 가장 많이 사용되는 것은 PDOP(Positional DOP)라고 한다. GPS 수신기는 관측된 데이터를 이용하여 PDOP를 계산하고, 이를 거리오차에 곱하면 측위 오차가 된다.
즉, (거리오차;Range Error) x (PDOP) = (측위오차)가 된다.
따라서 대부분의 수신기는 PDOP가 작은 위성의 조합을 선택하여 측위 계산을 하고 이를 표시하도록 설계되어 있다. 최근 수신기의 성능이 좋아서 PDOP가 3인 경우 위치오차는 대략 15m CEP (Circular Error Probability), 즉, 50% 오차확률의 범위에서 평면으로 약15m정도이다.
3. SA(Selective Availability)
SA는 오차요소중 가장 큰 오차의 원인이다. 허가되지 않은 일반 사용자들이 일정한도 내로 정확성을 얻지 못하게 하기 위해 고의적으로 인공위성의 시간에다 오차를 집어 넣어서 95% 확률로 최대 100m 까지 오차가 나게 만든 것을 말한다.
걸프전 때 많은 수의 민간 수신기들이 군에서 사용되어졌을 때 전쟁이 끝날 때까지만 미 국방부는 SA의 작동을 중지했었다. 1996년 3월 29일 클린턴 대통령은 4년이내에 SA 의 작동은 영원히 중지될것이라고 발표했었다. 그 시기는 아직 언제가 될지 정확히 말할 수 없지만 GPS 사업 종사자들은 조만간 그 말이 실현될 거라고 믿고 있다.
" 미백악관, 초정밀 GPS 자료 해제 "
- SA 해제 -
미국은 5월 1일 백악관 대변인을 통해 2000년 5월 1일 자정(이하 미국 동부시각)부터 위성항법시스템인 GPS(Global Positioning System)에 대해 일명 SA(Selective Availability)라고 불리는 의도적 정밀도 저하조치를 해제한다고 밝혔다. 군사적 목적으로 GPS를 개발한 미국은 안보차원에서 적대국의 GPS 오용을 막기 위해 민간용 코드에 인위적으로 오차를 첨가하는 방식으로 1990년 3월 25일부터 SA를 실시하여 왔으며, 이로 인해 GPS의 민간 및 상업용 이용에 많은 제약이 뒤따랐다. SA 실시에 의해 GPS의 표준위치결정 정밀도는 25 미터에서 100 미터로 저하되어 왔다. 그 동안 민간 사용자들은 SA를 극복하기 위해 DGPS(Differential GPS)라는 기술을 사용하여 왔다.
그러나, 1990년대 중반부터 전세계적으로 폭발적인 증가를 보인 GPS의 민간수요에 의해 SA 해제에 대한 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다. 1996년 3월 백악관에서는 이와 같은 민간의 요구를 반영하여 향후 10년 내에 SA를 해제하겠다는 의지를 표명한 바 있고, 작년에는 GPS의 민간 수요를 확대하는 차원에서 GPS에 새로운 민간용 신호 2개를 추가하겠다고 엘 고어 부통령이 밝힌바 있다. 이번의 SA 해제 조치는 GPS의 전세계적 민간 수요의 확대를 통해 자국의 GPS 산업을 증대시키고자 하는 미국의 정책과, 유럽을 중심으로 계획되고 있는 새로운 위성항법시스템인 갈릴레오 프로젝트를 희석시키고자 하는 의도 및 SA를 해제하더라도 미국의 안보에 큰 영향을 미치지 않으리라는 판단 하에 이루어진 것으로 보인다.
이번의 SA가 해제 조치로 인해 언제 어디서나 10∼30 미터의 정밀도로 위치를 파악할 수 있게 됨에 따라 항공, 교통, 물류, 선박, 철도, 전자통신, 응급차량, 광산 등을 포함한 다양한 분야에 걸친 GPS 민간 이용자가 혜택을 받을 것으로 백악관은 예측하였다.
그러나 이번에 SA가 해제되더라도 수 미터의 고정밀도를 요하는 자동차 항법 및 GIS 분야에는 기존의 DGPS 기술이 여전히 필요할 것으로 보인다
