🚗 Day 46: GPS 원리와 오차 원인 학습

― 자율주행의 눈, GPS를 이해하자 ―

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🌍 GPS란 무엇인가?

GPS(Global Positioning System)는 지구 어디에서든 자신의 위치를 알 수 있게 해주는 위성 기반 위치 측정 시스템이에요.
미국 국방부가 개발했으며, 현재는 전 세계에서 위치, 속도, 시간 정보를 제공하는 핵심 인프라로 사용되고 있습니다.

자율주행차에서는 GPS가 차량의 현재 위치를 인식하고, 경로 계획 알고리즘과 결합되어 정확한 주행 경로를 추적하는 데 사용됩니다.

GPS 원리와 오차 원인 학습

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🛰️ GPS의 작동 원리

GPS는 최소 4개의 인공위성으로부터 신호를 받아 차량의 위치를 계산합니다.
이 과정을 삼변측량법(Trilateration)이라고 부릅니다.

1. 위성 신호 수신:
   각 위성은 자신의 위치와 신호 발송 시간을 포함한 정보를 전송합니다.
2. 거리 계산:
   위성에서 보낸 신호가 수신기에 도달하는 시간을 이용해 거리를 계산합니다.
   거리=신호전파속도×도달시간거리 = 신호전파속도 × 도달시간거리=신호전파속도×도달시간
3. 위치 계산:
   3개의 위성으로 2D 위치(경도·위도)를,
   4개의 위성으로 3D 위치(경도·위도·고도)를 계산합니다.
4. 시간 보정:
   위성과 수신기의 시계 오차를 보정하기 위해 4번째 위성이 필요합니다.

👉 핵심 포인트:
GPS는 위성 간 신호 시간 차이를 기반으로 위치를 산출하므로, 나노초(10⁻⁹초) 단위의 정확한 시간 계산이 중요합니다.

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⚙️ GPS 구성 요소

구성요소	역할
우주부문 (Space Segment)	궤도를 도는 24~32기의 GPS 위성
지상부문 (Control Segment)	위성 궤도와 시계를 제어하는 지상국
사용자부문 (User Segment)	GPS 수신기(스마트폰, 자동차 등)

이 세 가지가 유기적으로 작동해야 정확한 위치 계산이 가능해요.

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⚡ GPS 오차의 주요 원인

GPS는 정확하지만, 여러 요인으로 인해 오차가 발생할 수 있습니다.

1️⃣ 위성 신호 지연 (대기권 영향)

• 전리층과 대류권을 통과할 때 전파가 굴절되어 신호가 늦어집니다.
• 오차 범위: 약 ±5m

2️⃣ 다중 경로 오차 (Multipath Error)

• 건물, 산, 차량 등에 반사된 신호가 수신기에 도달해 잘못된 거리 계산을 유발합니다.
• 도심 지역에서 자주 발생하며, 자율주행에 큰 영향을 미칩니다.

3️⃣ 위성 궤도 오차

• 위성의 실제 위치가 계산된 궤도와 약간 다를 수 있습니다.
• 오차 범위: ±2m 내외

4️⃣ 수신기 시계 오차

• 수신기 내 클럭(clock)이 완벽하지 않아 발생하는 시간 오차입니다.
• 위성 시계는 원자시계이지만, 차량 수신기는 일반 클럭이므로 오차가 생길 수 있습니다.

5️⃣ 위성 기하 구조 오차 (GDOP)

• 위성이 한쪽 방향에 치우쳐 배치될 경우 위치 계산 정확도가 떨어집니다.
• 하늘이 트인 곳일수록 정확도가 높습니다.

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🚗 자율주행차에서 GPS 정확도 향상 기술

기술명	설명
DGPS (Differential GPS)	기준국이 오차를 계산해 보정 데이터를 제공하는 방식. 정확도 약 1m 이내.
RTK (Real-Time Kinematic)	위상 정보까지 이용한 정밀 측위 기술. 오차 약 2~3cm 수준.
PPP (Precise Point Positioning)	위성 궤도와 시계 정보를 실시간으로 보정. 전 지구적 범위에서 사용 가능.
센서 융합 (Sensor Fusion)	GPS + IMU + LiDAR + Camera를 통합해 오차를 최소화.

이러한 보정 기술 덕분에 자율주행차는 차선 단위의 위치 정밀도(수 cm)를 달성할 수 있습니다.

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🧭 GPS의 한계와 보완 방향

• 도심 환경(빌딩 숲)에서는 신호 반사로 인한 다중경로 오차가 심합니다.
• 터널, 지하 주차장 등에서는 신호 수신 자체가 불가능합니다.
  따라서 자율주행차는 IMU, LiDAR, 카메라 등 다른 센서와의 융합이 필수적입니다.

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💡 한 줄 요약

GPS는 자율주행차의 ‘눈’이지만, 완벽하지 않다.
오차를 줄이기 위한 보정 기술과 센서 융합이 진짜 핵심이다.

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📚 다음 글 예고

👉 [Day 47: IMU 원리와 센서 데이터 처리]
자율주행차의 또 다른 핵심 센서인 IMU(관성측정장치)!
가속도계와 자이로스코프가 어떻게 차량의 움직임을 감지하고, GPS 오차를 보완하는지 자세히 알아볼게요.

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