내비게이션(Navigation System)은 현재 위치로 부터 목적지까지

의 거리 및 교통 상황을 고려하여 선택한 최적의 경로를 따라 안내

를 하는 도로 및 교통정보 제공 시스템이다. 시스템은 크게 위성항

법시스템의 전파를 받아 현재 위치를 계산하기 위한 수신기(GPS 안

테나), 도로 및 경로 정보를 제공하기 위한 전자지도, 도로와 교통

상황을 고려하여 최적의 경로를 계산하고 안내하는 소프트웨어, 경

로 정보를 화면에 보여주기 위한 정보 단말 및 저장장치 등으로 구

성된다.

□ 단말기 내부시스템

카 내비게이션 단말기의 내부시스템은 본체, 무선송수신 시스템(GPS,

무선모뎀부, 기타 무선 송수신부), 내비게이션부, 주변장치 등으로 구성

되어 있기 때문에 제품화 단계에서 모듈화 작업이 필요하다. 단말기 모

듈의 주요 역할은 다음과 같다.

o 본체 : 각 모듈의 S/W를 탑재하여 컨트롤하는 역할

o 무선송수신 시스템

- GPS : 차량위치 확인(경로검색 및 긴급시 위치 통보)

- 무선모뎀부 : 송수신기 역할(서비스센터로부터 정보 송수신)

- 기타 무선 송수신 : 수신기 역할(교통정보 획득)

o 내비게이션부 : 경로탐색 등(현재 위치 및 경로 표시)

o 주변장치 : 멀티미디어, MP3, 외부 인터페이스 등

□ 무선송수신 시스템

무선 송수신 시스템은 GPS 단말부, 무선모뎀, 기타 무선 수신부 등으

로 구성되어 있고 기본적으로 송수신시스템은 GPS, 무선모뎀을 장착하

고 있으며, 무선 송수신부는 국가나 업체에 따라 장착여부를 결정한다.

GPS 단말은 GPS 위성의 신호를 받아 수신기의 위치, 속도, 시각을 파

악하는 장치이며, GPS 단말기는 크게 아래와 같은 기능을 갖는다.

o 위성의 포착, 의사거리 측정, 위성 메시지 해독 등을 통해 위치를 파

악하고, 기본기능에 포함되는 위성 포착 기능은 추적 가능한 위성을

포착한다.

o 단말기는 Almanac 정보를 기억하여 이 정보와 현시점에서의 각 위

성의 위치와 속도를 계산하고, 그 계산 결과로부터 포착할 위성을

결정한다.

o 의사거리 측정은 위성신호의 송신, 수신 시간차와 수신기 내부의 고

유시간 지연 등을 감안하여 의사거리를 산출하는 기능을 갖는다.

본고에서는 내비게이션 단말기의 핵심인 무선송수신 시스템 중에서

GPS 단말부를 구성하는 핵심부품을 알아본다. GPS 단말부는 크게

GPS 수신기 모듈, 안테나, S/W로 구성되어 있다.

가. GPS 수신기 모듈

GPS 수신기 모듈은 고주파부, 신호처리

부, 마이크로컴퓨터부 등 3개의 블록으로

구성된다.

- 고주파부는 안테나로 수신한 1.2GHz

또는 1.5GHz의 신호를 취급하기 쉬운

낮은 주파수로 변환한다.

- 다음의 신호처리부에서는 스펙트럼 확산을 원래 로 복원시키는 역

내비게이션시스템구성요소및기능

Guide toNavigation

48 IT SoC Magazine

주: (a) 자동차 운전자용 내비게이션, (b) 선박용 내비게이션, (c) PDA 및 스마트

폰 탑재형 내비게이션, (d) 위성항법시스템 수신기(GPS 안테나)

<그림 1> 내비게이션 단말 및 부속장치

(a) (b)

(c) (d)

확산을 하여, 위성으로부터 보내져 오는 메시지와 의사거리를 얻는다.

- 마이크로컴퓨터부에서는 신호 처리부로부터 얻어진 메시지와 의사거

리에서 위도, 경도, 고도 및 현재의 위치를 구하는 연산을 한다.

가장 단순한 1채널 수신기에서 측량용의 10채널 이상까지 제작할 수

있는데 1채널 수신기의 경우 순차적으로 위성을 포착하는데 비해 4~5

채널의 경우 연속적인 포착이 가능하다. 1채널 수신기는 각 위성에 한

의사거리의 동시 확보가 곤란하여 위치 오차가 큰 단점이 있고, 2~4채

널의 경우 감도가 좋은 위성에 1채널을 할당하고 나머지는 시분할하여

나머지 위성을 포착한다.

측위의 정확도는 마이크로컴퓨터의 프로그램에 크게 좌우되며, 세계

적으로 GPS 알고리즘은 미국을 중심으로 10여개 업체만이 보유하고 있

는 첨단분야이다. 국내에서도 활발한 연구가 진행중이나, 부분 GPS

수신기를 이용한 차량 단말 개발에 치중하는 형편인데, 최근 미 E911이

법제화가 추진되어 이동통신 단말기 분야로 다수업체가 개발중이다.

나. GPS 안테나

GPS 안테나는 위성으로부터 전파를 수신하고 고주파 회로에 의해 신

호를 출력하는 역할을 담당한다. GPS 수신전파가 단히 미약하므로 손

실이 적은 안테나 개발이 요구된다.

다. 국내의 주요 GPS 수신기 및 안테나 개발현황

[참고문헌]

[1] 국내외 내비게이션 시장 현황 및 전망, 한국전자통신연구원,2007. 2 .

Guide toNavigation

Guide to Navigation 49

Navigation 시스템구성요소및기능

<GPS 안테나 내부 구성>

업체명 제품명 주요내용

네비콤

삼성전기

ADD-Tec

팅크웨어

GIS 소프트

한빛IT

엘렉스테크

세원텔레콤

엑시엄GPS

컴뮤웍스

한원M/W

선우

- 국내 GPS 알고리즘 개발업체- 미사일, 로켓용 GPS 수신기(Translator) 개발

- 실내, GPS 미수신지역 등에서인공위성을 체 가능한 초정항법시스템 (Pseudolite) 개발

- 다중모드 SAW필터에GPS 기능을추가- GPS 송수신 기능을 추가한 칩 안테나개발중

※ 사이즈는 15×7mm

- 국방과학연구소 출신이 주축이 된벤처기업

- PERS는 내비 기능을 가지는 GPS단말기

- GIS업체로서 GPS 수신기유통사업으로확장

- 만 로열텍의 국내 공급 계약 체결

- 2001년 5월 PDA용 GPS 수신기 발매

- 컴팩의 아이팩의 확장용 모듈에 채택중- 2001년 3월 월 500 에서 3,000 로확

- 2001년 2월 PDA용 모듈을 자체 개발※ 모든 PDA에 채택 가능한 유니버셜

타입도 개발

- 2001년 11월부터 2003년 4월까지OEM 방식으로 GPS 단말기를 미Wherify Wireless사에 공급※ 손목시계형으로 마이보호서비스로

운용

- 2001년 8월 PDA∙핸드PC의 컴택트플래시 (CF) 타입의 초소형GPS수신기(Type-1) 양산※ GPS 수신주기를 조절해 전력소모를

80% 절감※ 실장면적 70% 감소

- 0.9×0.9mm 패치 안테나 개발※ 마이크로 스트립 안테나와 LAN으로

구성※ 실장면적을 70% 감소

- 기존 13×13→10×10mm로 제품개발중

- GPS 안테나를 개발하여 북미, 중국진출을 계획

GPSTranslator,Pseudolite

SAW복합,칩안테나

EPRS

GPS수신기

iGPS

GPS모듈

GPS모듈

GPS단말기

GPS단말GPS안테나

GPS안테나

GPS안테나

GPS안테나

LNA

주파수�변환회로�내장

저�노이즈�앰프�내장

전원

KFA

LFA

LNA

<GPS수신기의 구성>

안테나에서고주파부 신호

처리부

마이크로컴퓨터부

시계

중간주파수

메세지

의사거리위치�데이터�출력

위도,�경도,�고도(방위,�속도)코드제어

안테나로부터

고주파용�IC

신호처리용�IC

측위결과

PLL

DSP

CPU

RTC

UART

OSC

IF�1MHz~4MHz

ROM RAM

1575.42MHz

50 IT SoC Magazine

�GPS 내비게이션

GPS가 제공하는 위치추적기능에 사용자가 시각적으로 볼 수 있는 지도와

함께 길안내를 해주는 기능을 가진 장치이다. 요소기술로는 전자수치지도,

차량위치추적시스템, 해딩업과 노스업, 맵매치, 경로탐색, GPS 등이 있다.

국내 내비게이션 관련 업체는 기본적인 GPS기능을 갖춘 동 상 재생 및

MP3 Player기능등의컨버전스화된다양한제품들을시장에선보이고있다.

�내비게이션 구동방식

내비게이션은 GPS 방식이 부분이었으나, 1994년부터 하이브리드

(hybrid) 방식이 증가하여 현재 50% 이상 채택한다. GPS 방식은 항법화면

(지도 소프트웨어)에 차량의 좌표를 표시하기 위해 3개의 위성으로부터 동

시 측위를 필요로 하는데 단점으로는 전파가 닿지 않는 장소에서는 현재측

위위치(location)를 할 수 없다. 하이브리드 방식에서는 GPS 방식에 추가하

여 자립항법을 사용하여 현재측위위치(location)를 하는데, 자립항법에서는

자이로 센서(Gyro Sensor)나 거리센서를 사용하여 자동차의 방향, 이동거

리를 산출해서 차량의 위치를 표시한다.

�전자수치지도(DRM : Digital Road Map)

속성데이터, 그래픽 데이터, 위상(Topology)데이터로 구분한다. 위상데이터

는 경로탐색(Routing), 지도배합(Map Matching) 등 내비게이션의 핵심기

능에 직접 향을 주므로 어떻게 설계∙구축하느냐가 제품 성공과 직결된

다. 전자수치지도가 반드시 갖추어야 할 사항으로는 업데이트의 용이성과

확장성이 있는데, 업데이트의 용이성이란 이미 기존에 구축된 전자수치지도

를 최소비용과 노력으로 신속하게 유지, 보수할 수 있는 것으로 현재 국내와

같이 신규 도로건설이 많은 나라에서 특히 요구된다. 확장성은 전자수치지

도에 단순한 항법기능만을 부여하는 것이 아니라 교통정보 수용, 내비게이

션 이외의 다른 ITS 분야에도 활용 가능하여야 한다.

�차량위치 추적시스템

DR(Dead Reckoning: 추측항법) 시스템은 관성항법장치 원리를 이용한 것

으로 자이로(GYRO) 센서, 휠 센서, 스피드 센서, 가속도 센서 등을 이용하

여 차량의 상 위치를 측정해내는 시스템이다. DR시스템도 미사일 추적 등

과 같은 군사목적으로 개발되었으나, GPS보다 훨씬 이전부터 일반 항법분

야(항공기나 선박)에 활발히 이용된 기술이다. 최근 GPS의 한계를 극복하기

위한 오차보정위치 측정시스템(DGPS)이 활발히 연구되고 있으며, GPS와

DR시스템의 단점을 상호 보완할 수 있는 하이브리드형 위치확인시스템도

활발히 연구, 적용되고 있다.

�헤딩업(Heading Up)과 노스업(North Up)

헤딩업이란 자동차 진행방향을 항상 화면 상단으로 고정하는 기능으로 지도

가 마치 나침반 같이 방향에 따라서 좌우로 회전하는 것이며, 노스업이란 헤

딩업과 상반된 개념으로 화면 상단의 북쪽으로 고정한 후 자동차의 위치가

이동하는 것이다. 헤딩업은 구현이 어렵지만 가장 큰 장점은 운전자의 방향

성을 일관성있게 유지시켜주는데, 운전자가 핸들을 오른쪽으로 꺽을 때 항

법시스템에 출력된 지도에서 차량이 동일한 방법으로 이동하며, 노스업의

경우에는 남쪽방향일 경우에만 반 로 작동한다. 헤딩업이 더 진보된 기술

이나, 일반적으로 사용자 편의를 위해 두 가지 기능이 모두 제공된다.

�맵 매치(Map Matching)

항법용으로 특수 제작된 지도는 여러 가지 이유로 인해 기본적인 오차가 발

생하는데 이를 보완하는 기술이 바로‘맵 매치’이다. 다양한 시스템으로부터

획득한 차량위치를 추적하여 전자 지도상의 정확한 도로와 연결시켜주어 추

측항법을 가능하게 한다. 맵 매칭은 추측항법 알고리즘의 개발뿐 아니라 전

자지도 데이터베이스와 접목하여 센서장비와 상관관계, 헤딩업과의 연계가

가장 중요한 요소로 작용한다.

�경로탐색(Routing)

제한된 하드웨어 성능, 전자수치지도라는 특수한 데이터베이스 환경과 접

한 관계가 있어 단순히 수치적인 알고리즘 적용은 불가능하므로 전자수치지

도 데이터베이스의 위상구조 설계, 알고리즘의 적용기술 등이 선행되어야

한다. 경로탐색의 기술난이도는 최단경로(Static Routing), 다중경로

(Alternative Routing), 최적경로(Dynamic Routing) 순으로 결정되는데,

특히 최적경로는 실시간 교통정보를 문선망을 통해 전달받아 현재 최적의

운전상황을 운전자에게 전달한다.

�위성항법시스템(Global Positioning System)

GPS는 1970년 초 미 국방부가 개발을 시작해 1990년 중반부터 기동

을 시작한 것으로 인공위성을 이용한 범세계적 위치결정체계이다. 지구상

어디에서나 기후에 구애 받지 않고 표준 좌표계에서의 위치, 속도, 시간 측

정을 가능하게 해주는 인공위성을 이용한 첨단 항법체계 이다.

Guide toNavigation

내비게이션관련용어쉽게이해하기

Guide to Navigation 51

�GPS의 원리

GPS가 어떠한 원리로 작동되는가를 이해하는 것은 개념적으로 매우 단순

하다. 근본적으로 GPS는 삼각측량의 원리를 사용하는데 전형적인 삼각측량

에서는 알려지지 않은 지점의 위치가 그 점을 제외한 두 각의 크기와 그 사

이 변의 길이를 측정함으로 결정되는데 반해 GPS에서는 알고 싶은 점을 사

이에 두고 있는 두 변의 길이를 측정함으로 미지의 점의 위치를 결정한다는

것이 고전적인 삼각측량과의 차이점이라 할 수 있겠다.

인공위성으로부터 수신기까지의 거리는 각 위성에서 발생시키는 부호 신호

의 발생 시점과 수신 시점의 시간 차이를 측정한 다음 여기에 빛의 속도를

곱하여 계산한다(거리=빛의속도×경과시간). 실제로 위성의 위치를 기준으

로 수신기의 위치를 결정하기 위해서는 이 거리 자료 이외에도 위성의 정확

한 위치를 알아야 하는데 이 위성의 위치를 계산하는데는 GPS 위성으로부

터 전송되는 궤도력을 사용한다.

�GPS 위성

각각의 GPS 위성은 기울임각(Incination Angle) 55。인 6개의 원형 궤도면

에 각각 4개씩 배치되어 있으며 지구 중심으로부터 26567.5km 상에 배치되

어 약 12시간의 주기로 지구 주위를 돌고 있다. 24개의 GPS 위성으로 구성

되어 있으며, 각각의 GPS 위성에는 세슘 원자시계와 루비듐 시계가 각각 2

개씩 장착되어 정 한 시간을 유지하고 있고, 각 위성마다 PRN(Pseudo

Random Noise) 코드라 불리우는 고유 코드를 발생하고 있어 이 코드에 의

해 위성들이 구분된다.

�GPS를 이용한 항법

3차원 상에서 사용자의 위치를 계산하기 위해서는 수학적으로는 x, y, z 세

개의 미지수를 결정해야 하며, 3개의 방정식이 필요하므로 적어도 3개의 위

성으로부터 신호를 받아야 한다. 그러나 GPS위성과 사용자간의 거리를 계

산하기 위해 경과시간을 측정하려면 위성과 수신기간에 시각이 동기되어 있

어야 한다.

아주 작은 시간의 오차에도 빛의 속도를 곱하게 되면 엄청난 거리 오차가

생기기 때문이다. 그런데 위성의 시계는 아주 정확한 원자시계를 가지고 있

지만 수신기는 값싼 시계를 사용하기 때문에 물리적으로 두 시계를 정확히

동기시키는 것은 현실적으로 불가능해진다. 이런 문제를 수신기에서는 수학

적으로 극복하고 있다. 즉 수신기에서는 x, y, z에 시간 t까지 포함하여 계산

을 하게 된다. t를 포함함으로써 위성시계와 수신기 시계를 동기시키는 것이

다. 여기서 결정해야 하는 미지수의 개수는 4개로 늘어나게 되고 방정식도

4개 이상이 필요하게 된다. 즉 사용자의 위치를 정확하게 계산하기 위해서

는 적어도 4개 이상의 위성으로부터 신호를 받아야 하는 것이다.

�유럽판 GPS ‘갈릴레오’프로젝트

갈릴레오 시스템은 극도로 민감한 원자시계기술을 주축으로 GPS보다 월등

히 향상된 정 도를 자랑한다. 상용서비스의 경우 보정시스템을 이용하면

10㎝ 오차 내로 위치측정이 가능하다. 유럽연합(EU)와 유럽우주국(ESA)은

2005년 12월 첫번째 시험 위성인 600㎏ 급 GIOVE-A(갈릴레오의 이탈리아

식 이름)를 발사했으며, 2010년까지 총 30개를 2만3,616㎞ 궤도에 올린다.

우리나라도 2006년 10월 중국과 이스라엘에 이어 EU와 3번째로 갈릴레오

협력협정을 체결하여 EU가 독자적으로 주도하는 갈릴레오 프로젝트에 참여

한다. 이로써 한국은 추후 상세협정을 맺고 500만 유로(약 61억7,000만원)

의 참여분담금을 내며 EU산하 위성항법시스템감독기구(GSA)에 가입하게 된

다. 이에 따라 2010년부터 서비스될 갈릴레오 시스템을 이용하는 권리를 보

장받는다. 한국은위성체나시스템개발에참여하는것은아니지만비행, 항해,

운전등에미국의기존GPS보다훨씬정 한신호를이용할수있게된다.

�GPS와 갈릴레오 비교

[참고문헌]

[ 1 ] 국내외내비게이션시장현황및전망, 한국전자통신연구원, 2007. 2

[ 2 ] 한국천문연구원홈페이지

GPS�위성

(위성과�수

신기의�거리)

(위성의�위

치벡터)

수신기

P

R

r

지구중심

(수신기의�위치벡터)

ρ

R : XYZ or 위도,�경도,�높이(미지량)

r : 위성에서�제공(천체역학�사용�계산)

�빛의�속도�x�경과시간(측정치)ρ:

R = r + ρ

분 류 GPS 갈릴레오

서비스시기

위성 고도

위성의 수

정확도

타 항법시스템연동

이용자편익

2010년 예상

23,616㎞

30개(3개 궤도에 10개씩 배치)

수평 4m, 높이 8m

GPS, 육상에 설치된 항법시스템 등과 통합

서비스 가능

현재 가동중

26,567㎞

24개(6개 궤도에서

4개씩 배치)

수평 13m, 높이 22m

없음

Guide toNavigation

1.�모든�위성의�시계는���정확하게�동일한�시각에���맞춰져�있다.

3.�각각의�위성은���자신의�위치와���시간�신호를�전송한다.

5.�거리시간차가���각각의�위성들�사이의���시간차를�만들어낸다.

4.�보내지는�신호는���각각의�거리�시간차를�두고���수신기에�도달한다.

2.�모든�위성은���시스템�컨트롤러로�부터�받은���데이터를�이용해���자신의�정확한�위치를�파악한다.

6.�수신기는�각각의�위성�사이의���거리를�계산하고�그들의����위치를�계산할�수�있다.

시간과�궤도�위치

- 미국과 유럽이 GPS와 갈릴레오 신호를 하나의 단말기로수신할 수 있도록 하는데 합의

- GPS와 갈릴레오 서비스 겸용 수신기를 사용하면 54기의위성을 이용할 수 있어 위치확인 정확도가 크게 향상

- 위치확인에 필요한 위성4기 이용확률이 50% 에서 95%로높아짐