GPS에 관해서 (RAIM, RNAV, RNP 등)

안녕하세요.

하고싶은게 비행✈ 인 사람입니다. 

 

예전에 생각해보면 GPS 라는 것은 정말로 비싼 것이었던 것 같습니다.

어릴 적 부모님 따라 운전하다 보면 열심히 고속도로 지도 꺼내서 

우리가 어디쯤인지 확인하고 했었는데

어느 순간부터 네비게이션이 나오기 시작하더니

이제는 네비게이션 기기 없이 휴대폰으로 원하는 곳을 찾아가고 있습니다.

 

---

1. GPS 란? 

GPS 는 Global Positioning System 의 약자이다.

인공위성으로부터 신호를 받아서 현재 위치를 계산하는 것으로

(Satellite 는 1초에 1,000 번의 신호를 보냄)

원래는 미국 국방부에서만 사용되었으나

1990년대이후 civilian use 로 풀리게 되었다.

 

- Aircraft 는 GPS 를 이용하여 IFR (domestic enroute, terminal operations, certain IAPs) 를 할 수 있으며

GPS 를 IFR 에 사용하기 위하여 여러가지 조건이 필요하다. (AIM 1-1-17b2)

 

 

2. GPS 의 3요소

1) Space : Satellites 의 위치

2) Control : DoD

3) User (receiver)

 

3. Space segment

먼저 satellite 는 

6개의 orbital planes 에 

4개의 operating sat. + 1개의 spare sat. 으로 

총 30개의 sat. 이 있다.

 

 

 

하나의 orbital plane 은 60º씩 떨어져 있으며

각 plane 은 55º의 inclination angle 을 가진다.

 

지구 어느 곳에서나 최소 4개의 sat. 을 볼 수 있고

보통은 6~8개의 sat. 을 볼 수 있다 (in view)

 

Ref. www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/faq/gps/

GNSS Frequently Asked Questions - GPS

 

1) Pseudo-Random Code

sat 은 1초에 1,000번 신호를 보내게 된다. 

그 신호에는 위치와 시간이 기본으로 포함되어 있다. 

Pseudo-Random Code 는 두 종류

① A coarse Acquisition (C/A) code

② A Precision (P) code 

두 가지가 있다 

무료로 풀린 C/A code 는

100 meters in position 과 140 feet in altitude with a 95% probability 를 가진다.

 

2) 위치 확인

3개의 위성이 있을 경우 2 dimensions, 4개의 인공 위정이 있으면 3 diomensional 위치 정보 확인이 가능하다. 

 

 

4. Control Segment

The controlling authority 는 미국방부가 가지고 있다. 

Control segment 에는 monitoring stations 를 포함하여

ground antennas, up-links 와 master station 등이 있다.

 

station 에서는 인공위성의 시간과 orbit 상태등을 확인하며

 

인공 위성의 수명은 보통 7~8 년 이라고 한다.

 

5. User Segment (The receiver) 

말 그래도 사용자에 해당한다.

 

1) 기본 원리

Receiver 는 Pseudo-random code를 받아 해석하고 위치정보 등을 보여준다.

 

위치정보는

① 인공 위성의 위치를 알고

② 신호를 보낸 시간을 알고

③ 수신자의 신호를 받은 시간을 알고

④ 신호의 속도를 알고

⑤ 최소 4개의 위성으로 받은 정보를 합쳐

현재 위치를 알 수 있게 된다. 

 

인공위성이 보내는 정보에는 

Ephemeris data 가 있고

비행기의 data에는

Almanac data 가 있다.

Ephemeris data 의 경우 수신까지 6초, Almanac data 의 경우 수신까지 13초가 걸리기 때문에

Almanac data 는 비행기의 메모리에 저장해둔다.

 

※ Almanac data 에도 Sat. 의 위치가 있다. 그러나 Sat. 이 가지고 있는 ephemeris data 를 같이 받으면 위치정보를 더 정확하게 파악할 수 있으며, initial position 파악이 더 빨라진다.

 

C/A code 에는 인공 위성의 위치(sat. no)와

신호를 보내는 시간이 같이 보내지기 때문에

신호를 수신 했을때와의 시간을 비교하여

거리를 알 수 있게 된다.

(시간이 굉장히 중요하기 때문에 sat. 의 시계는 atomic watch 를 사용한다.)

 

2) FAA Technical Service Order (TSO C129) - receiver design

IFR/ primary navigation certification specifications for GPS equipment 는

multipleceiver channels 과 a navigation integrity monitoring system (RAIM - receiver autonomous integrity monitoring) 을 요구한다.

 

3) Error

GPS에도 몇 가지 error 가 있다.

먼저 

 

ⓛ Timing error

 

GPS를 통한 위치계산은

Pseudo-random code 를 위성으로 부터 받아 비행기에서 그 시간차를 계산에 거리를 파악한다. 그리고 Ephemeris data에 대입해 내 위치를 나타내게 된다. 말 그대로 시간차를 이용하기 때문에 시간차를 정확하게 파악하지 못하면 위치에 대한 오차가 발생하게 된다.

이것은 Trimming process 를 receiver 에서 수행하여 최소화시킨다.

 

 

② PDOP or GDOP

The position dilution of precision 또는 the geometric dilution of precision 의 약어이다. 

이 PDOP 는 인공위성의 위치에 따라 달라진다. 

 

인공위성은 여러개의 인공위성으로 부터 오는 신호를 잡아 receiver 에서 위치를 계산해낸다.

이 과정중에 오차가 발생하게 되는데

인공위성끼리 가깝게 있을 수록 이 오차는 더 커지게 된다.

 

 

 

PDOP value 가 

6보다 작아야 en-route 에서 사용 가능하며

3보다 작아야 non precision approach 에서 사용 가능하다.

 

 

6. RAIM

RAIM 은 Receiver Autonomous Integrity Monitoring 의 약자이다.

하나의 software 로써

위성에서 보내지는 신호의 강도나 모든 위성의 상대적 위치를 파악하는 역할을 한다.

또, 신호의 강도를 파악하여 가장 좋은 신호의 위성 네 개나 그 이상을 고르거나

또는 상태가 좋지 않은 위성을 배제시키는 역할을 하기도 한다. 

 

1) RAIM available

RAIM 이 Available 하기 위해서는

최소 5개의 sat. in view

또는

최소 4개의 sat. in view with barometric aiding

일 경우이다.

 

2) RAIM fail message

① not enough sat. available to provide RAIM

② potential error which exceeds the limit for the current phase of flight

 

3) Barometric Aiding

흔히 줄여 Baro aiding 이라 말한다.

 

GPS receiver 가 기체 내에 있는 pressure altimeter 정보를 사용하여 위치를 파악하게 만드는 것이다.

 

쉽게 생각해보면

보통 sat. 3개를 이용하여 두 개의 점을 구할 수 있다.

하나는 공중에 있고 하나는 땅에 있다.

자동차에서 사용하는 GPS 의 경우 자동차가 하늘을 날 경우는 없기 때문에 공중에 있는 위치정보는 제외 시키면 되지만 비행기는 그렇지 않다.

고도를 파악하기 위해 하나의 sat. 이 더 필요하다고 생각할 수 있는데 그것을 baro-aiding 으로 대신하는 것이다. 

 

사용자가 임의로 사용할 수는 없으며

sat. in view 수가 줄어들 경우 receiver 가 자동으로 사용하게 되며

 

Baro aiding 을 사용하는 이점은

redundancy 와 GPS 를 통한 navigation coverage 를 증가시킬 수 있다는 것이다. 

 

4) Masking Function

Masking Function 은 sat. 이 in view 에 있다 해도

ionosphere 와 troposphere 에서 신호의 왜곡이 있을 수 있기 때문에

이 위험을 배제시키는 것이다. 

그래서 보통 비행기를 기준으로 7.5º 각도 아래의 위성을 제외시키게 된다.

 

 

 

7. Differential GPS (DGPS - 흔히 WAAS)

흔히 받는 signal 은 C/A code 로 약 95% 의 정확도를 가진다. 높은 수치이긴 하나 아주 정밀한 수치는 아니다.

 

approach나 departure procedure 등을 위하여 이 정확도를 더욱 올릴 필요가 있다. 

 

sat. 의 역할을 하는 것을 땅에 박아버리는 것이다.

땅에 박아 놓은 sat. 이 움직일일은 아마도 없을 것이며

그렇기 때문에 이 안테나의 정확한 위치를 알 수 있다. (정확도는 10meter 오차까지 올라감)

 

 

 

쉽게 설명하면

 

Sat.의 신호를 

비행기에서도 받고 WAD GPS ground station 에서도 신호를 받는다.

그리고 똑같이 위치계산을 한다.

 

나온 위치계산의 값고 Ground station 의 실제 위치와의 차이를 계산한다

(Ground station 의 위치는 변화하지 않은 절대값)

 

그 오차를 Geo-stationary sat. 으로 보내고 

그 위성에서 오차값을 비행기로 보낸다.

 

비행기에서는 일반 sat. 에서 받은 값에

Geo-stationary sat. 으로 받은 오차값을 이용해

더 정확한 정보를 읽어낸다.

 

이렇게 하여

100 meter 오차를 10 meter 오차까지 줄이게 된다.

 

 

8. Operations without RAIM

GPS receiver 는 보통 세 가지의 modes 를 지원한다

- navigation with RAIM

- navigation without RAIM

- loss of navigation (Dead Reckoning)

 

GPS 를 IFR 에 사용하기 위해서는 반드시 RAIM이 필요하다.

(RAIM이 불가능 할 경우 navigation과 ATC separation 불가능)

 

이 RAIM available 이 가능한지 확인하기 위해서는 여러가지 방법이 있다.

① FAA website (RAIM SAPT)

② GPS receiver in the aircraft

③ NOTAMs

④ FSS

 

RAIM avail 시간은 ETA를 기준으로 ±1시간 확인 가능하다.

 

1) Approach 중의 RAIM fail

① En-route 중

다른 종류의 approach 를 요청한다

 

② FAWP (Final Approach Waypoint) 이전 (approach 시작함)

MDA 아래로 내려가지 말고 lateral path 를 따라 go missed procedure 를 한다

('LOI' and 'ALERT' 발생 AIM 1-1-17 5(h), ATC에 보고)

 

③ FAWP 이후로 예상 될 경우

approach 를 계속 하게 하기 위해 5분간 특별한 알림이 뜨지 않는다.

 

④ FAWP 이후에 실제 fail 될 경우

바로 Go missed procedure 를 한다

 

FAWP 의 2NM 이전에 FAWP 에서 RAIM 가능할지 예측을 하게 된다. RAIM available 이라고 될 경우

"Armed" 에서 "Approach" 로 바뀌게 된다.

 

RAIM 은 prediction이다.

원하는 시간(ETA)의 ±1시간의 RAIM prediction 이 되는 것이다.

G1000 의 경우 ±15분

FAWP 이후에 RAIM fail 이 예상만 될 경우 (아직 FAIL 은 아님) approach 를 그대로 하게 하나

실제로 FAIL 이 될 경우 Go missed 를 시행한다. 

 

 

8. GPS Approaches

GPS 가 대부분의 RNAV로 사용되기 때문에 GPS = RNAV 라고 생각하는 사람들이 많지만 실제로는 그렇지 않다.

 

RNAV는 VOR/VOR, VOR/DME, DME/DME등과 GPS 를 포함한다. 

GPS 만을 이용한 Approach 는

GPS Stand-alone 이라고 하였다.

 

GPS 를 통하여 더 많은 종류의 IAP 가 생긴것은 맞다.

정확도도 어느정도 높으며 경제적이기 까지 하다.

 

그러나 GPS approach 는 precision approach 는 아니다.

WAAS 로 정확도를 올렸지만 non-precision 에 해당하며

조금 더 이야기 하면 

Semi-precision approach 에 해당한다. 

 

 

 

WAAS 를 이용하여 accuracy 와 integrity 가 증가한 GPS 는

APV (Approach with Vertical Guidance) 가 가능해졌고

거의 precision approach 의 performance 를 가진다.

그래서

non-precision approach 에 해당하지만 

precision approach 와 같이 DA로 나타내게 된다.

 

추가로 RNP (Required Navigation Performance) 라는 것도 있는데

이것은 accuracy와 intensity가 더 크며

RNP approach중 큰 것은 바로

"radius-to-fix legs" 또는 "RF legs" 라고 하는

curved flight track 이다.

 

 

 

9. Using GPS for IFR

 

- Required items

① RAIM (unless we have WAAS)

② GPS current data base

③ GPS must be certified by TSO

④ GPS must be installed according to specific regulations

⑤ GPS manual must be in the cockpit

⑥ must be equipped with an alternate approved and operational means of navigation suitable for navigating the proposed route of flight (ex, VOR or DME)

 

- Using GPS

① IFR enroute

② IFR Terminal

③ IFR approach

④ In Lieu of ADF and/or DME