GPS 모듈이란?
GPS 모듈은 우주 상공에 있는 수많은 인공위성에서 발신되는 GPS 신호를 수신하여 위치 정보 등을 파악하는 장치를 말합니다.
GPS는 ‘Global Positioning System’의 머리글자를 딴 용어로, 전 세계의 정확한 위치 정보를 측위할 수 있는 시스템이다. GPS 모듈로 정확한 위치 정보를 얻을 수 있다면 현재 이동 중인 속도와 방향, 목적지까지의 거리를 계산할 수 있습니다.
GPS는 미국에서 운영되는 위성 측위 시스템이지만, 일본에는 GPS 정보를 보정할 수 있는 ‘미치비키’라는 일본에서 운영되는 위성 측위 시스템이 있습니다.
GPS 모듈의 사용 용도
GPS 모듈은 동작, 위치 정보, 이동 속도, 방향 등이 필요한 기기의 위치 탐지 용도로 사용되며, GPS 모듈의 구체적인 용도는 다음과 같습니다.
스마트폰이나 스마트워치의 지도 앱을 사용하기 위한 위치 관측
자동차 내비게이션에서 자동차의 위치, 속도, 방향, 목적지까지의 거리 산출
GPS 모듈의 제품 사양에 따라 위치 정확도, 계산 시간, 위치정보의 오차 정도가 제품에 어느 정도 영향을 미치는지 고려하여 선정하는 것이 중요합니다.
지하나 건물 등 GPS 신호의 차폐물이 있는 경우 신호를 정확하게 수신하지 못할 수 있다. 차폐물에 의해 작아진 신호를 처리하여 수신할 수 있는 고정밀 GPS 모듈도 있습니다.
GPS 모듈의 원리
GPS 모듈의 원리는 인공위성에서 발신되는 GPS 신호를 수신하고 그 신호를 처리, 분석하여 모듈의 현재 위치를 산출하는 신호처리 알고리즘을 가지고 있다는 점에 있습니다. GPS 모듈의 수신부는 통상은 패치 안테나 등의 수동 안테나와 LNA(저잡음 증폭기)에 의해, 미약한 신호를 검파 증폭하고 RF 처리와 베이스밴드 처리가 이루어짐으로써 정확한 위치 정보를 산출하기 위한 GPS 신호가 처리됩니다.
이 GPS 신호를 처리하는 알고리즘은 위치 검출의 정확도를 높이고 소비전류를 줄이기 위해 제품마다 다양한 고안이 이루어지고 있습니다. 인공위성에서 발신되는 GPS 신호는 두 가지 주파수로 발신되는 것이 일반적이다. 그 신호에는 신호를 발신한 시점의 시간과 그 시간대의 인공위성의 정확한 위치 정보가 포함되어 있습니다.
그 GPS 신호를 GPS 모듈의 수신부에서 4개 이상의 다수의 인공위성으로부터 신호를 수신합니다. 이 GPS 신호를 통해 인공위성으로부터의 거리를 계산할 수 있고, 3개의 인공위성으로부터의 거리를 알면 현재 지구상의 위치를 계산할 수 있습니다.
4번째 이후의 인공위성은 시간 오차 조정에 사용되어 보다 정확한 위치 정보 산출에 도움이 됩니다.
GPS 모듈의 기타 정보
1. GPS 모듈에서 다루는 주파수
GPS 모듈에서 다루는 주파수는 보통 L1대역으로 불리는 1575.42MHz와 L2대역으로 불리는 1227.6MHz이며, 간혹 L5대역인 1176.45MHz의 주파수가 사용되기도 합니다.
L1 대역에는 C/A 코드라는 민생용 식별 코드와 P 코드라는 군용 코드가 포함되어 있으며, 일반적으로 C/A 코드가 사용됩니다.
2. GPS 모듈의 위치 정확도
GPS 모듈의 측정 정확도에는 여러 가지 요인이 위치 정확도에 영향을 미치지만, 오차를 발생시키는 주요 요인은 다음과 같습니다.
전리층
대기 중에 있는 층 중 하나로, GPS 위성의 전파가 이 층을 통과할 때 속도가 느려져 오차가 발생합니다.
대류권
이것도 대기 중의 한 층입니다. 건조한 대기와 수증기 속에서 전파의 굴절로 인해 오차가 발생합니다.
멀티버스
GPS 위성에서 발신된 전파를 수신할 때, 지면이나 구조물 등 여러 가지에 전파가 반사됩니다. 멀티패스라고 불리는 이 현상으로 인해 전파가 교란되어 오차가 발생하게 됩니다.
이 중 멀티패스는 이로 인해 수신할 수 있는 위성 수량 자체와 위성 간 배치가 제한되기 때문에 가장 큰 오차 요인이 됩니다. 참고로 GPS 모듈 자체의 성능에 따라 오차는 다르지만, 일반적인 기기에 탑재된 타입의 경우 수신 상태가 좋은 환경에서는 반경 10미터 정도, 수신 상태가 좋지 않은 곳에서는 100미터 정도의 오차가 발생합니다.
하지만 스마트폰에는 WiFi, 시간 보정, 앱 위치 정보 시스템 등 GPS를 보정하는 시스템이 있기 때문에 이를 함께 사용하면 위치 정확도를 더욱 높일 수 있습니다.
3. 일본의 위성 측위 시스템 ‘미치비키’
GPS 모듈을 보다 정확하고 안정적으로 수신하기 위해 현재 ‘미치비키’라는 일본의 위성 측위 시스템이 있으며, 2018년 11월부터 4기로 운용을 시작했습니다. 위성으로 측위하는 것은 4기 이상의 위성이 있으면 가능하지만, 안정성을 위해서는 더 많은 위성을 볼 수 있는 것이 바람직합니다.
일본판 GPS로 불리는 ‘미치비키’는 기존 GPS 위성의 전파가 차단되어 위치정보가 불안정해지는 지점을 보완하여 안정적인 고정밀 측위를 실현하고 있습니다.