신호 찾기: 코드 위상 × 도플러
비행기에서 내려 휴대폰을 켜면 위치가 잡히기까지 한참 걸리기도 하고, 매일 쓰는 동네에서는 1초 만에 잡힌다. 차이는 “어디를 찾아야 하는지”를 아느냐다. 수신기는 처음에 각 위성 신호가 코드의 몇 번째 칩에서, 얼마나 주파수가 밀려서 오는지 모른다. 이 장에서는 그 두 축의 숨바꼭질, 신호 획득(acquisition)을 본다.
- 위성 운동과 수신기 시계가 만드는 도플러가 L1에서 몇 kHz인지 계산한다.
- 코드 위상 × 도플러 탐색 격자에서 봉우리를 찾는 과정을 시뮬레이터로 본다.
- 적분 시간을 늘리면 감도는 오르지만 격자가 촘촘해지고, 20 ms 항법 비트가 한계가 되는 이유를 안다.
- 냉·온·열 시동과 A-GNSS의 첫 위치 시간(TTFF)이 왜 다른지 계산한다.
도플러: 위성이 다가오고 멀어진다
위성은 초속 3.9 km로 돈다. 지평선 위로 막 떠오르는 위성은 나에게 다가오고, 지는 위성은 멀어진다. 그 시선 방향 속도만큼 받는 주파수가 밀린다. 지구 표면에서 본 GPS 위성의 시선 속도는 최대 약 930 m/s, L1 파장(19 cm)으로 나누면 최대 약 ±4.9 kHz다. 여기에 수신기 수정 진동자의 오차가 더해진다. 1 ppm이면 L1에서 1.575 kHz다. 그래서 처음 찾을 때는 ±5~10 kHz를 뒤져야 한다.
도플러는 코드에도 영향을 준다. 반송파가 1,540배 빠르므로(1,575.42 ÷ 1.023), 반송파 도플러를 1,540으로 나눈 만큼 코드 속도도 밀린다. 오래 적분할수록 이 코드 밀림도 챙겨야 한다.
탐색 격자
수신기는 위성 하나마다 두 축을 뒤진다. 코드 위상은 1,023칩을 반 칩 간격으로 2,046칸, 도플러는 칸 폭을 적분 시간에 맞춰(대략 1/(2T)) 나눈다. 1 ms 적분이면 500 Hz 칸, ±5 kHz면 20칸, 모두 약 4만 칸이다. 각 칸에서 복제 신호와 받은 신호를 상관시켜 크기를 보고, 문턱을 넘는 봉우리가 있으면 “찾았다”.
주파수 다이얼과 시간 다이얼이 둘 다 맞아야만 소리가 들리는 라디오가 있다고 하자. 하나만 맞아서는 아무것도 들리지 않으니, 두 다이얼의 모든 조합을 하나씩 돌려 볼 수밖에 없다. 위성 신호 찾기가 이렇다. 도플러가 주파수 다이얼, 코드 위상이 시간 다이얼이다.
약한 신호를 잡으려고 적분을 1 ms에서 10 ms로 늘렸다. 위성 하나의 탐색 칸 수는?
도플러 칸 폭은 대략 1/(2T)이다.
코드 위상 × 도플러 격자에서 봉우리 찾기
첫 위치까지의 시간
신호를 찾았다고 위치가 나오지는 않는다. 위성 위치를 계산하려면 그 위성이 방송하는 정밀 궤도 정보(궤도력, 7·8장)가 필요하고, 50 bps로 오는 그 정보를 다 받는 데 최소 18초, 보통 30초 가까이 걸린다. 그래서 TTFF(Time To First Fix)는 무엇을 미리 아느냐에 따라 크게 다르다.
시동 방식별 첫 위치 시간
핵심 정리
- 위성 운동이 L1에서 최대 약 ±4.9 kHz의 도플러를 만들고, 수신기 시계 1 ppm마다 1.575 kHz가 더해진다.
- 획득 = 코드 위상(2,046칸) × 도플러(±5 kHz ÷ 칸 폭) 격자에서 상관 봉우리 찾기. 1 ms 적분이면 위성당 약 4만 칸.
- 적분을 늘리면 감도는 오르지만 칸이 촘촘해지고, 결맞음 적분은 20 ms 항법 비트가 막는다.
- TTFF: 냉시동(수십 초~분) > 온시동 > 열시동(수 초). A-GNSS가 궤도력을 통신망으로 줘 휴대폰은 몇 초 만에 잡는다.
확인 퀴즈
시선 속도 800 m/s인 GPS 위성의 L1 도플러는 대략?
결맞음 적분을 20 ms보다 길게 하기 어려운 이유는?
휴대폰이 대개 몇 초 만에 위치를 잡는 이유는?
적분 시간을 1 ms → 10 ms로 늘리면 도플러 칸 수는?