- 이러한 문제점을 보완하고 저속의 선박 외에도 고속의 항공기나 미사일에 대하여도 위치를 측정할 수 있는 기술에 관한 연구개발이 1960년대 중반에 착수.

- 이러한 부분적인 연구개발은 1973년에 미해군의 TIMATION 프로그램과 미공군의 621B 프로젝트가 미국방성 프로젝트로 통합되면서 NAVSTAR (NAVigation Satellite Time And Ranging)로 명명됨으로써 본격적인 GPS 계획이 추진.

- GPS의 위성은 1978년 2월부터 시험위성인 Block-1 위성이 발사되었으며, 1989년 2월부터 실용위성인 Block-11 위성이 발사.

- 현재는 총 24개의 위성이 가동되고 있으며, 전세계적으로 항상 4개 이상의 위성으로부터 전파를 수신함으로써 시간제약없이 3차원적인 위치측정이 가능.

3. GPS의 구성

GPS는 전천후 측위 시스템으로 인공위성 부분, 지상 제어 부분, 사용자 부분(관측시스템) 등의 3부문으로 구성.

1) 인공위성 부분(Space segment)

• GPS 위성군은 6개의 궤도에 실용위성 21개와 궤도상의 예비위성 3개 등 총 24개로 구성
• 위성궤도의 반경은 약 20,183km의 원이고, 궤도 경사각은 적도를 기준으로 55°이며, 승교점 적정간격이 60°로 6개의 궤도면에 4개씩의 위성이 배치
• 실용위성의 공전주기는 0.5일, 개별 수명은 7.5년으로 계획되어 있고, 각 위성은 세슘 원자시계 2개, 루비듐 원자시계 2개가 탑재되어 있으며, 무게는 845kg
  

2) 지상 제어 부분(Control segment)

• 지상 제어국에서 수행하는 업무는 위성에서 송신되는 신호의 품질 점검, 위성궤도의 추적, 위성에 탑재된 각종 기기의 동작상태 점검 및 그 밖의 각종 제어 작업 등
• 지상제어국은 전세계적으로 5개소가 위치
• 4개의 무인 제어국은 대부분 적도 부근에 등간격으로 배치되어 있으며, 주제어국은 Colorado Springs에 위치
• 주제어국은 다른 제어국과 달리 위성의 궤도를 수정할 뿐만 아니라 사용 불능 위성을 예비위성으로 교체하는 업무를 담당
  

3) 사용자 부분(User segment)

• GPS를 사용하는 분야는 매우 다양해 사용자는 1개 이상의 수신기를 필수적으로 구비하고 있으며, 사용자에 따라서 컴퓨터 시스템과 관련 소프트웨어를 보유
  

4. GPS의 원리

• GPS의 위치결정 원리는 추적된 궤도에 의해서 정확한 위치를 알고 있는 위성에서 발신하는 전파를 수신하여 위성에서 관측점까지의 전파도달시간을 측정함으로써 공간적 위치를 구하는 것이다.
• 위성과의 거리를 결정하는 가장 중요한 요소는 시간이며, GPS 위성에는 지극히 안정도가 높은 원자시계를 탑재
• 위성에 탑재된 시계와 수신기의 시계가 정확히 일치한다면, 3개의 위성과의 거리만으로도 3차원적인 위치를 결정.
• 위성에 탑재된 원자시계는 매우 고가이므로 일반인이 사용하기에는 부적합해 수신기에는 비교적 저가의 시계를 사용
• 이러한 문제를 해결하기 위해 4개의 위성에서 전파를 수신하여 위성시각과 수신기 시각에서 발생하는 미지의 시간차를 제거
• 해상과 같이 고도를 알고 있거나 2차원적인 위치결정을 위해서 적어도 3개의 위성에서 전파를 수신할 수 있어야 하며, 3차원적인 위치를 결정하기 위해서는 적어도 4개의 위성에서 전파를 수신할 수 있어야 함
  

5. GPS의 신호

• 각 GPS 위성에서 발신되는 신호는 2개의 반송파, 3개의 코드 및 위성 메시지 등이 있음
• 반송파와 코드는 기준주파수라고 불리는 10.23MHz의 정배수 주파수를 사용하고 있으며, 위성메시지는 저주파수인 50Hz를 사용
• GPS 위성에서 발신하는 반송파는 기준주파수의 154배인 1575.42MHz(L1, λ;=19cm) 와 120배인 1227.60MHz((L2, λ=24.4cm)의 두 개임.
• 코드는 pseudo-random noise(PRN)코드인 C/A코드, P코드 및 Y코드가 있는데 C/A 코드는 L1 반송파를 실리며, 주파수는 기준주파수의 0.1배인 1.023MHz로서 1/1000초(1ms)마다 반복.
• P코드는 L1, L2 두 개의 반송파에 실리며, 주파수는 기준주파수의 10배인 102.3MHz로서 267일의 주기를 갖고 있음
• Y코드는 P코드와 유사한 코드로서 P코드를 대신할 수 있으며, P코드의 공식은 공개되어 있지만 Y코드의 공식은 공개가 안되어 있음.
• 위성메시지는 위성시간, 궤도, 위성상태와 전리층과 UTC 자료에 관한 정보를 수록하고 있음
• 위성메시지의 크기는 1500 bit이고 5개의 300 bit 프레임으로 나뉘고 이 메시지는 real-time의 위치결정에 사용
• C/A 코드는 일반에게 공개되어 자유롭게 사용할 수 있는 반면에, P코드는 군사용으로 정부간의 협정에 의해 한정된 범위 안에서 사용이 허용.
  

6. GPS의 정확도

• GPS에 의한 위치결정의 오차원인에는 위성의 원자시계의 안정도, 위성궤도의 예측치의 정확도, 전리층의 전파지연, 대류권의 전파지연, 수신장치의 잡음, 수신장치의 채널 수 등
• 일반적으로 알려져 있는 정확도는 1대의 수신기로 측정되는 절대위치의 경우에 C/A코드 사용시 100m, P코드 사용시 10m 정도
• 반면에 2대 이상의 수신기로 측정되는 상대 위치의 경우에는 수 십km 이상의 거리에서 cm 단위의 오차가 발생되므로 10-6의 높은 정확도를 갖고 있음
• GPS를 이용한 위치결정에 있어서 정확도 향상을 위하여 많은 연구가 진행되고 있음
• 특히 L1과 L2 두 개의 반송파를 동시에 수신하여 도플러 관측법을 이용함으로써 전리층과 대류층에 의한 영향을 제거시키고, VLBI(Very Long Baseline Interferometry)과 GPS를 결합함으로써 정확도를 향상시킬 수 있음.
• 이러한 연구는 지각변동, 지질구조 등을 연구하는 지구물리학 및 측지학 분야에서 많은 발전이 기대.
  

7. GPS를 이용한 위치 측정법

GPS를 이용하여 위치를 측정하는 방법은 한 대의 수신기를 사용하는 1점 위치측정법과 2대 이상의 수신기를 사용하는 상대 위치 측정법으로 크게 구분

1)1점 위치 측정법

• 1점 위치 측정법은 절대 위치 측정법이라고도 하며, 1대의 GPS 수신기로 위성들의 전파와 코드를 분석하여 real time으로 지구상의 위치를 나타내는 절대위치를 측정하는 방법
• 이는 주로 자동차, 항공기 및 인공위성과 같은 고속 운동체의 위치결정과 등산, 해상위치 등과 같이 비교적 낮은 위치 정확도를 필요로 하는 경우에 사용.

2)상대 위치 측정법

• 상대위치 측정법은 위치를 알고 있는 지점으로부터 위치를 알고자 하는 지점까지의 벡터를 구하여 위치를 구하는 방법.
• 이 방법은 기지점에 수신기를 설치하고 미지점의 수신기와 양쪽에서 받은 위성정보를 비교 분석하여 위치를 계산
• 이 방법의 원리는 위성에서 발신하는 반송파를 여러 개의 수신기에서 수신하여 반송파 또는 코드의 위상을 측정함으로써 전파도달시각의 차를 측정하는 방식.
• 일반적으로 이 방법을 많이 사용하고 있으며, 근거리 측량의 오차는 수 m에서 수 mm이며, 원거리의 경우에는 10-6에 이르는 정확도가 얻어짐
• DGPS Differential GPS)는 상대 위치 측정법 중 위성의 발신하는 코드만으로 위치를 측정하는 방법으로 비교적 위치 정확도가 낮아 약 5m의 오차가 발생
• OTF(On-The-Fly)는 위성에서 발신하는 반송파의 위상으로 위치를 계산하는 방식으로 수 mm 이내의 오차로 위치측정이 가능

8. GPS 이용의 특징

1)장점

• 전파의 수신에 의한 위치결정 방식으로 관측자의 위치를 노출시키지 않음
• 위성고도가 약 20,000km로써 넓은 지역(수 백 km 이내)에서도 관측이 가능
• 10 ^-6의 높은 정확도를 얻을 수 있음.
• real time으로 위치를 측정할 수 있으므로 고속운동체의 항법장치에 유용
• 관측점간의 시통이 필요치 않으므로 안개와 같은 기상장애를 받지 않음
• 수신기에 의한 위성전파의 수신이 관측의 대부분이므로 고도의 숙련된 관측 기술이 필요치 않음.
• 시간과 장소의 구애 없이 위도, 경도, 고도의 3차원 위치결정이 가능
• 운동체의 절대방위 및 절대속도의 계측이 가능
• 정확한 시각을 계측할 수 있음

2)주의사항

• 3개 이상의 위성으로부터 전파를 수신할 수 있도록 관측점의 수평방향 15°이내에 존재하는 장애물이 제거되어야 함
• 관측점 주변에서 관측에 방해되는 반사전파를 제거시켜야 함
• 위성에서 발신되는 전파를 이용하므로 전리층과 대류권에 의한 전파굴절 영향을 보정

9. GPS의 이용분야

과학기술이나 산업활동에서 물론 일상적인 생활 속에서도 자신의 위치나 대상물의 위치를 알아야 하는 경우가 매우 빈번하게 발생. 따라서 GPS의 이용분야는 위치 파악이 필요한 분야는 전부 해당.

- 항법장치 : 자동차, 항공기, 선박, 인공위성 등

- 측지분야 : 기준점 분량, 중력측량, 항공사진 측량, 노선측량, 수심측량 등

- GIS 분야 : 답사, 주제도 제작, 주요지형지물의 위치점 측정.

- 해양분야 : 정기노선 항해,시추공 위치결정,해상중력측량,해상탐색 및 구조 등

- 지구물리학 : 지각변동 관측, 지질구조 해석 등

- 군사분야 : 각종 장비의 항법장치,목표물 위치결정,사전답사, 지휘 및 통신 등

- 레져분야 : 등산, 여행, 탐사 등.