[항법] GPS / GNSS

GPS / GNSS (Global Positioning System / Global Navigation Satellite System)

가. 정의

 

ⓐ GPS / GNSS : (Global Positioning System / Global Navigation Satellite System)

- GPS (FAA) : 미국의 위성체계를 통하여 전 지구적 측위, 항법, 시간 측정을 하는 기능을 총칭.

전 세계 어디에서나 정확한 위치를 파악하는데 사용되는 우주기반의 무선항법시스템

- GNSS (ICAO) : 지상시설과 하나 이상의 위성체계를 통하여 전 지구적 측위, 항법, 시간 측정을 하는 기능을 총칭

 

ⓑ GNSS

 

나. 구성요소

 

ⓐ 24개의 위성 중 최소 5개의 위성을 볼 수 있도록 설계됨

 

ⓑ 수신기가 정확한 3차원의 위치를 얻기 위해서는 최소 4개의 위성이 필요

- 수신기는 Mask Angle (수신기가 위성을 사용할 수 있는 지평선 위의 가장 낮은 각도) 이상에 있는 위성의 데이터를 사용

 

다. 작동방식

 

ⓐ 각 위성의 궤도매개변수(천문력데이터)가 방송을 위해 GPS 신호 내 포함된 데이터 전문 중 일부를 각 위성에 보내짐

* GPS Availability & Reliability Availability : GPS 위성 상태는 GPS 위성이 전송한 데이터 전문의 일부로 방송. 위성 상태는 항공고시보(NOTAM)으로 알 수 있음. Reliability : GNSS 운영 상태는 사용되고 있는 장비의 유형에 따라 달라진다. GPS 전용 장비 TSO-C129 또는 TSO-C196의 경우, 비행계획 목적의 '비정밀접근 기능의 운영 상태'는 수신기에 내장되어 있거나 별도의 예측 프로그램을 통해 전달

라. RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring, 수신기 자체 무결성 감시)

 

ⓐ RAIM은 GPS 수신기(Receiver)가 자체적(Autonomous)으로 위성신호의 무결성(Integrity)을 감시(Monitoring)하는 기능

 

ⓑ RAIM이 없다면 조종사는 GPS 위치의 무결성을 보장하지 못함

 

ⓒ RAIM은 조종사에게 즉각적인 오류감지 피드백을 제공하고, 이는 성능기반항행(PBN)에서 매우 중요

(잘못된 위성 송신이 감지되면 수정되기까지 최대 2시간 지연 소요)

 

ⓓ RAIM이 위성신호 오류를 판단하려면 최소 5개의 위성 또는 4개의 위성과 기압고도입력(Barometric Altimeter Input, Baro-aiding) 필요

* Baro-aiding 다섯번째 위성 대신 비위성입력자료(Non-satellite input source)를 사용하여 GPS 무결성 해결(Solution)을 보강하는 방법

ⓔ 일부 GPS 수신기는 FDE(Fault Detection Exclusion)라는 RAIM 기능이 있어 오류가 발생한 위성을 위치계산(Position Solution)에서 배제

 

ⓕ FDE(Fault Detection Exclustion)가 가능한 GPS 수신기는 6개의 위성 또는 5개의 위성과 'Baro-aiding'을 필요로 함.

이를 통해 GPS 수신기는 잘못된 위성 신호를 분리하고 위치계산에서 배제하여 무결성이 보장된 위치를 제공

 

ⓖ Baro-aiding을 사용할 수 있게 하려면 운영교범(Operating Manual)에 설명된 대로 수신기에 현재 Altimeter Setting을 입력해야 함

 

ⓗ GPS 고도는 수직 오차가 크기 때문에 사용하여서는 안 됨.

 

마. Selective Availability (SA)

 

ⓐ SA는 GPS의 정확도를 의도적으로 저하시키는 방법으로 초기 GPS 운용 시 적국의 정확한 GPS 정보 사용을 막기 위해 설계.

 

ⓑ SA는 2000년 5월 1일에 중단되었지만 많은 GPS 수신기는 SA가 여전히 운영되고 있다는 가정 하에 설계

 

ⓒ SA의 가동 중단으로 인해 민간 수신 GPS 신호의 오차가 100m에서 20m로 개선되었음에도 불구하고 보다 섬세하고 광범위한

GPS 사용을 위해 Augmentation System 개발

종류	상세내용
ABAS (Aircraft-based Augmentation System)	GPS 수신기로부터 얻어진 위치정보와 기타 항공기 항법 장비들로부터 얻어진 위치정보를 통합 처리하여 GPS 단독으로 얻어진 위치정보보다 더욱 정밀한 위치정보를 생산하는 방법 ABAS는 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)과 FDE(Fault Dectection Exclusion)로 나뉘어짐 항공기 위치 파악을 위한 GPS 위성의 개수는 4개, RAIM 기능을 위해서는 5개 필요 수신 위성의 수가 4개 이하이거나 GPS 신호의 정확도가 기준 이하인 경우 RAIM은 조종사에게 Warning을 줌 FDE는 기준 이상의 오차를 포함하고 있는 GPS 신호를 탐지한 후, 항공기 위치를 계산할 때 해당 신호를 계산에서 제외시키는 기능 하나의 신호가 제외된 상태에도 GPS의 정상 운영을 위해서는 RAIM이 작동되어야 하고 RAIM 작동을 위해서는 최소 5개의 위성이 필요하므로, FDE 작동을 위해서는 최소 6개의 위성 필요
GBAS (Ground-based Augmentation System)	GBAS는 지상 시설에서 GPS 위성들로부터 위치 정보를 받아 그 정보의 오차값을 계산 GBAS는 공항 주변 약 20 ~ 30 mile 반경 내 출/도착 및 지상운영 항공기들에게 구해진 오차만큼을 보정할 수 있는 보정값을 VHF Radio Data Link를 통해 전송 결과적으로 항공기는 GPS 위성들로부터 받은 위치 정보에 지상시설에서 보내온 보정 값을 더해 보정된 위치 정보를 얻음 GBAS의 수평/수직 오차는 1m 이내. 향후 GBAS는 CATⅠ,Ⅱ,Ⅲ 접근에 필요한 정확도를 제공할 것
SBAS (Space-based Augmentation System)	SBAS는 Ground-based Reference Station들의 네트워크를 사용 SBAS Reference Station들은 GPS 위성들로부터 신호를 받아 SBAS Master Station으로 송출 SBAS Master Station에서는 보내온 위치 신호들의 오차를 계산하여 보정값을 SBAS GUS (Ground Uplink Station)을 통해 SBAS 정지 위성에 보내고 각 위성에서는 그 보정값을 지구로 재전송 SBAS 기능을 갖고 있는 GPS 수신기를 통해 GPS 위성들로부터 위치 정보와 함께 SBAS 정지 위성이 보내준 보정값을 받아 통합 처리하여 더욱 정확한 위치 정보 수신 가능 SBAS의 정확도는 최대 약 7m로 En-route에서 Precision Approach CATⅠ접근과 VNAV 접근까지 지원 가능

바. GPS의 장점

- 비행 전 구간에서의 안전도 강화

- Seamless (멈춤 없이 유연하고 부드러운) 항법 가능

- 효율적, 최적화, 유연한, 사용자 선호 항로 설계 가능

- 분리간격 축소로 인한 공역 수용능력 확대

- 비행시간 단축 및 연료절감

- 불필요한 지상 항행안전시설의 축소 운영에 따른 비용 절감

- 강화된 지상 및 조종사 Situational Awareness

- 증가된 접근 능력