GPS Signal   GPS 신호, GPS 위성 신호

1. GPS 위성으로부터 발신되는 반송파 신호

  ㅇ 기본 주파수 10.23 MHz를 기반으로 함 (원자시계에서 생성)

  ㅇ 2개 또는 3개의 반송파 (L 밴드의 L1,L2,L5)  :  BPSK 디지털변조 방식 사용

     - L1 반송파 (중심주파수 1575.42 MHz = 10.23 x 154배, 파장 ≒ 19.0 ㎝)
        . C/A 코드,P(Y) 코드,M 코드 등이 대역확산된 신호 송출
        . C/A 코드, P(Y) 코드, M 코드, L1C 코드 등이 대역확산된 신호 송출
        . 민간,군용 혼재  ;  민간 표준 서비스(SPS)의 주 반송파

     - L2 반송파 (중심주파수 1227.60 MHz = 10.23 x 120배, 파장 ≒ 24.4 ㎝)
        . P(Y) 코드, M 코드 송출 (군용 위주)
        . GPS 현대화 (Block IIR-M 이후)  :  L2C 코드 추가 송출 (민간 듀얼밴드 가능)
        . L1과의 듀얼밴드 수신으로, 전리층 지연 오차 보정 가능

     - L5 반송파 (중심주파수 1176.45 MHz = 10.23 x 115배, 파장 ≒ 25.5 ㎝)
        . I5/Q5 코드(각각 10.23 Mcps)로 대역확산된 신호 송출
        . 항공 안전(ARNS 대역) 대응용으로 신규 추가 (GPS Block IIF 이후)
        . 3개 반송파 동시 수신 시 전리층,다중경로 오차 대폭 감소

  ㅇ [참고]  (반송파 기반 거리측정 방법)                        ☞ 반송파 기반 거리 측정 참조
     - GPS 수신기에서, 위성 반송파 수신 시작 시점부터, 
     - GPS 위성에서 GPS 수신기까지의 L1 반송파의 파장의 수가 몇개인지를 셈함으로써,
     - 이 둘 간의 거리 계산 (파장 개수 x 파장 길이)
     * 단, 초기 정수 파장 개수(모호 정수, Integer Ambiguity) 결정이 핵심 과제


2. 반송파에 섞여지는 의사랜덤 코드  ☞ 칩(Chip), 의사잡음(PRN : 확산코드,PN코드 등) 참조

  ※ 각 GPS 위성 마다 서로 다른 PRN 수열(Gold 코드 계열)을 사용하면서, 위성 식별, 거리 계산 가능
     - GPS 수신기는, 동일 PRN을 자체 생성 후, 상호상관(Cross-correlation)으로 코드 위상 동기 획득

  ㅇ C/A 코드 (Coarse/Acquisition Code)  :  민간 사용 가능 
     - 반송파  :  L1 (기본), L2C,L5에도 유사 구조 적용
     - 칩률  :  1.023 Mcps
     - 코드 길이  :  1023 칩(Chip)
     - 반복 주기  :  1 ms
     - 칩 파장  :  ≒ 293.1 m   (해당 코드가 공간 상으로 전파될 때, 단위 파장 당 이동한 거리)  
     - 측위 정밀도 기여  :  수 m ~ 수십 m 수준 (단독 측위 기준)       
     - 신호 강도  :  동일 L1에서 P(Y) 코드 대비 약 3 dB 이상 강함
     - 코드 계열  :  Gold 코드 (두 개의 1,023 칩 LFSR 조합)

  ㅇ P(Y) 코드 (Precision/Protected Code)  :  군용 위주
     - 반송파  :  L1, L2
     - 칩률  :  10.23 Mcps
     - 코드 길이  :  ≒ 6.19 x 1012 칩(Chip)
     - 반복 주기  :  약 7일 (위성별로 1주일씩 할당)
     - 칩 파장  :  ≒ 29.31 m
     - 특이사항  :  A/S 운용 시 W 코드로 암호화되어 Y 코드로 변환

  ㅇ M 코드 (Military code)  :  군용 (위 P(Y) 코드를 군용 전용 코드로 대체)
     - 반송파  :  L1, L2
     - 칩률  :  5.115 Mcps (BOC(10,5) 변조 적용)
     - 변조 방식  :  BOC(Binary Offset Carrier) — P(Y)와 스펙트럼 분리로 간섭 최소화
     - 코드 길이 / 주기  :  비공개
     - 특이사항  :  C/A,P(Y) 코드와 스펙트럼상 분리되어, 민간 신호 간섭 없이 독립 운용 가능

  ㅇ L2C 코드 (L2 Civil Code)  :  민간 (GPS 현대화 추가)
     - 반송파  :  L2
     - 칩률  :  1.023 Mcps
     - 구성  :  CM(중간 길이) 코드 + CL(긴 코드) 시분할 다중화
     - 코드 길이  :  CM  10,230 칩 (20 ms), CL  767,250 칩 (1.5 s)
     - 용도  :  L1 C/A와 듀얼밴드 구성으로 전리층 오차 보정

  ㅇ L5 코드 (I5 / Q5)  :  민간, 항공 안전
     - 반송파  :  L5
     - 칩률  :  10.23 Mcps
     - 구성  :  I5(데이터 채널) + Q5(파일럿 채널)
     - 코드 길이  :  10,230 칩 (1 ms 반복)
     - 특이사항넓은 대역폭으로 다중경로 내성 우수; ARNS 보호 대역 사용

  ㅇ L1C 코드  :  민간 (GPS III 신규 추가)
     - 반송파  :  L1
     - 변조 방식  :  TMBOC (Time-Multiplexed BOC)
     - 구성  :  데이터 채널(L1CD) + 파일럿 채널(L1CP)
     - 특이사항  :  Galileo E1, BeiDou B1C와 상호운용성 확보 목적으로 설계

  ㅇ [참고]  (코드 기반 거리측정 방법)                          ☞ 코드 기반 거리 측정 참조
     - GPS 위성이 발생한 코드를 수신기에서 수신하고,
     - 위성 코드와 수신기 자체 생성 복제 코드 간 상호상관으로 전파 지연 시간(τ) 측정
     - 거리 = c × τ (c : 빛의 속도 ≒ 3 × 108 m/s)
     - 수신기 시계 오차 포함된 의사거리(Pseudorange) 측정이 실제 계산 대상


3. 개략적인 GPS 신호 주파수 구성도

    


4. 반송파에 실려 송출되는 메세지

  ※ ☞ 항법 메세지 (Navigation Message) 참조
     - 위성의 정상가동상태,위성시각,위성궤도력,전리층 모델 정보 등 다양한 보정자료에 대한 정보
     - 전체 항법 메시지 수신 완료 : 최소 12.5분 소요 (25페이지 × 30초)


5. GPS 신호의 생성

    


6. GPS 신호의 보안

  ㅇ 방해
     - 재밍(Jamming)  :  GPS 신호 대역에 고 출력 잡음 인가로 수신 방해
     - 스푸핑(Spoofing)  :  위조 GPS 신호 송출로 수신기 오도(誤導)

  ㅇ 대응책
     - M 코드 도입, 신호 인증 (Navigation Message Authentication, NMA), 
       GPS 수신기 항 재밍 처리 (CRPA 안테나 등)