GNSS 모듈이란?
GNSS 모듈은 인공위성의 신호를 이용하여 위치 정보 등의 데이터를 획득하기 위한 모듈입니다.
GNSS는 ‘Global Navigation Satellite System’의 약자로, 전지구 측위 위성 시스템을 의미합니다. 위치 정보를 파악하는 시스템으로 대표적인 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, EU의 Galileo, 중국의 북두위성위치확인시스템 BeiDou, 일본의 QZSS 등을 말합니다.
다양한 인공위성 시스템에서 보내오는 신호를 이용하여 보다 정밀한 위치 정보를 측정할 수 있습니다.
GNSS 모듈의 사용 용도
GNSS 모듈은 자동차의 위치, 속도, 진행 방향의 정보 측정이나 스마트폰의 지도 기능 등을 위한 위치 정보 획득에 사용된다. 또한 태블릿, 스마트워치, 노트북, 의료용, 스마트 농업, 고정밀 위치, 스마트 트레인, 로보틱스, 자율주행차, 산업 자동화, 물류 및 자산 추적, 드론, 농기계, 건설 중장비 등 다양한 분야에 활용되고 있습니다.
GNSS 모듈을 선택할 때는 모듈의 크기와 비용, 안테나에서 수신한 신호의 처리 규모 등을 고려해야 합니다. 그 외에도 스마트폰이나 태블릿 PC의 경우 낙하 충격 강도, 차량용 GNSS 모듈의 경우 열과 진동 강도를 확보해야 합니다.
GNSS 모듈의 원리
여러 개의 인공위성에서 보내오는 인공위성의 위치와 시간 정보를 신호 수신부에서 수신합니다. 수신한 시간과 신호가 전송된 시간, 신호의 진행속도로부터 인공위성과 GNSS의 거리를 구하고, 이를 여러 개의 신호로부터 수행함으로써 위치 정보를 판별할 수 있습니다.
반면, 위성에서 보내오는 신호는 미약하고, 장애물이 있으면 신호가 닿지 않거나 수신 환경의 영향으로 잡음이 발생해 정확한 위치 정보를 파악할 수 없는 경우가 많습니다. 그래서 정확한 위치 정보를 파악하기 위해 고도의 신호 처리를 구현한 제품도 있습니다.
GNSS 모듈의 구성
GNSS 모듈의 구성 요소는 수신부, 저잡음 증폭기, GNSS 수신기 등으로 이루어져 있습니다. 인공위성에서 발신되는 미약한 신호를 신호 수신부에서 수신하고, 저잡음 증폭기로 증폭시킨다.
그 증폭된 신호를 GNSS 수신기에서 처리하여 위치 정보를 산출합니다. 그 위치 정보는 GNSS 모듈을 연결한 기기로 전송되어 위치 정보를 이용한 애플리케이션에 활용됩니다.
GNSS 모듈의 기타 정보
1. GNSS 모듈의 주요 오차 요인
GNSS 모듈은 인공위성으로부터 신호를 받아 양질의 위치 정보를 측정할 수 있지만, 위성 궤도, 위성 시계, 전리층 지연, 대류권 지연, 수신기(안테나), 멀티패스 등의 요인으로 인해 오차가 발생할 수 있습니다. 각 요인에 의해 발생하는 오차의 원인은 다음과 같습니다.
위성 궤도 요인
측위 계산은 위성으로부터 에페메리스 데이터(위성의 궤도 데이터), 알마낙 데이터(위성의 궤도 이력) 정보를 캐치하는 방식으로 이루어집니다. 에페메리스 데이터는 2시간에 한 번, 아르마낙 데이터는 6일에 한 번씩 업데이트되는 정보입니다. 따라서 두 데이터가 업데이트되지 않은 기간에는 가장 최근 데이터를 기준으로 위치를 추정해야 하므로 오차가 발생합니다.
위성 궤도 계수
측위 계산은 인공위성으로부터 에페메리스 데이터(위성의 궤도 데이터), 알마낙 데이터(위성의 궤도 이력) 정보를 캐치하는 방식으로 이루어집니다. 에페메리스 데이터는 2시간에 한 번, 아르마낙 데이터는 6일에 한 번씩 업데이트되는 정보입니다. 따라서 두 데이터가 업데이트되지 않은 기간에는 가장 최근 데이터를 기준으로 위치를 추정해야 하므로 오차가 발생합니다.
위성 시계 계수
인공위성 데이터에는 위성 시계 정보가 포함되어 있습니다. 위성 시계 정보가 인공위성에서 발신되는 시점과 수신기에서 잡히는 시점 사이에 지연이 발생합니다.
전리층 지연 계수
전리층은 상공 50km에서 1,000km 상공에 존재하며, 태양 활동의 영향으로 기체의 종류와 밀도에 차이가 있는 영역입니다. 인공위성의 전파는 이 전리층을 통과할 때 빛의 굴절로 인해 전달 속도가 지연됩니다.
대류권 지연 계수
대류권은 지상에서 상공 11km 사이에 존재하는 영역입니다. 인공위성의 전파가 대류권을 통과할 때도 전리층과 마찬가지로 빛의 굴절로 인해 전달 속도가 지연됩니다.
수신기 (안테나) 팩터
안테나로 인공위성의 정보를 수신한 후 케이블, 회로, 전파상의 지연, 위치 계산 연산 속도와 메모리 접근 속도 등 다양한 요인이 영향을 미쳐 오차가 발생합니다.
멀티패스 요인
멀티패스는 전파가 반사물에 반사되어 직접 입사하는 전파보다 늦게 입사하는 전파를 말합니다. 인공위성에서 나오는 전파의 경우, 직접 입사하는 전파보다 멀티패스의 전파 출력이 더 크게 나오는 경우가 있습니다. 이 경우, 출력이 큰 멀티패스 데이터를 사용하여 측위 계산이 이루어질 수 있습니다.
2. GNSS 모듈의 측위 방식
GNSS 모듈의 측위 방식은 크게 단독 측위와 상대 측위 두 가지로 나뉩니다.
- 단독 측위
단독 측위는 4기 이상의 여러 위성의 신호를 하나의 수신기로 수신하여 측위하는 방식입니다. 단독 측위에서는 위성 시계율 오차 등으로 인해 10~20m 정도의 측위 정확도가 한계입니다. - 상대측위
상대측위는 정확한 좌표가 필요한 기준점과 측정하고자 하는 지점에서 동시에 단독 측위를 수행합니다. 이 경우 여러 수신기의 정보를 이용하기 때문에 단독 측위보다 높은 품질의 측위가 가능합니다.