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위치뿐만 아니라 정확한 시각까지 제공하는 위성항법 시스템

전력망, 건설, 기상예측 등 전 산업분야에서 필요로 하는 시스템으로 자리 잡아

GPS(Global Positioning System)은 전 지구 위성항법 시스템입니다. 이름에서 알 수 있듯이 위성을 이용하여 지구상 어디서나 언제든지 위치와 시각을 구할 수 있는 시스템입니다. GPS는 최근 우리 주변에서 “네비게이터”라는 이름으로 불리는 차량항법시스템과 스마트 폰 속에서 위치를 구하는 장치로 널리 사용되고 있지만 실제로는 더 많은 분야에서 오래전부터 사용되고 있었습니다.

1. GPS 역사

GPS는 1957년 소련의 sputnik 위성에 자극받은 미국 국방부에서 개발하기 시작하여 1995년 구축을 완료한 군용 시스템으로, 1983년 대한항공 KL007기가 소련 전투기에 격추 당한 이후 GPS 기능 중 일부를 민간도 사용할 수 있도록 허용하였습니다. 이후 민간의 GPS 사용이 급증하면서 민간을 위한 별도의 신호들이 추가되었고 활발한 연구를 통하여 그 성능이 향상되고 있습니다.

위성항법 시스템은 미국의 GPS뿐 아니라 러시아의 GLONASS가 있으며, 이는 GPS 만큼 오랜 역사를 가지고 운영되고 있습니다. 최근에는 유럽연합의 Galileo, 중국의 Beidou, 일본의 QZSS, 인도의 IRNSS 등이 활발히 구축되고 있습니다. 최근에는 이런 다양한 종류의 위성항법 시스템을 총괄하여 GNSS(Global Navigation Satellite System)으로 부릅니다.

2. GPS의 동작 원리

GNSS에서는 그림 1.(b)에서와 같이 위성 A, B, C에서 수신한 신호로 거리를 이용하여 수신기의 위치를 구하게 됩니다. 이는 A점을 중심으로 반경 20,000km, B점을 중심으로 반경 22,000km, C점을 중심으로 반경 21,000km인 세 구의 교점을 구하는 문제와 같습니다. 이는 앞의 2차원 문제로부터 쉽게 확장할 수 있습니다. GNSS에서 위성의 위치는 위성에서 수신된 신호를 해석하여 구할 수 있으며, 위성과 수신기 사이의 거리는 신호가 위성에서 출발한 시간과 수신기로 전달되는데 걸린 시간(도착시간 출발시간)을 구하고 여기에 광속을 곱하여 측정할 수 있습니다. 그러나 수신기 내부에서 시각을 측정하는 시계가 오차를 포함하고 있으므로 신호전달 시간을 정확히 측정할 수 없습니다. 이것을 수신기 시계오차라고 합니다. 따라서 GNSS는 3차원 삼변측량법 문제에서 시계오차를 추가한 4차원(3차원 위치 + 시계오차)의 해를 구하는 문제로 확장됩니다. 이는 앞의 삼변측량법의 변형된 형태로 쉽게 해를 구할 수 있습니다. 3차원의 위치를 구하기 위하여 4개 이상의 위성이 필요하지만 구한 시계오차를 이용하면 수신기 내부의 시각이 정확해집니다. 정확한 시간도 얻을 수 있는 장점에 비하면 더 많은 위성을 이용해야 한다는 단점은 미미한 수준입니다. 이 과정을 통해 GNSS는 위치뿐 아니라 정확한 시각까지 제공하므로 국가의 인프라 혹은 SoS(System of System)으로 인식되어 많은 나라에서 앞 다투어 구축하고 있습니다.

3. GPS의 구성

GPS 시스템을 운영하기 위해서는 위성, 지상관제국 및 사용자 수신기가 필요합니다. GPS 위성은 총 6개의 궤도에 4개씩 총 24개의 중궤도(고도 24000km) 위성에서 L1(1.57542GHz)와 L2(1.2276GHz) 대역에 민간도 사용할 수 있는 C/A(Coarse Acquisition) 코드와 군용 P(Precision, 암호화 되면 Y) 코드를 CDMA(Code Division Multiple Access) 기법으로 송출합니다. 설계는 24개의 위성이지만 현재 31개의 위성이 동작 중입니다. 현재는 모두 2세대 위성인 Block II(IIA, IIR, IIR-M, IIF) 위성이며 2014년부터는 3세대 위성인 Block IIIA 위성이 발사될 예정입니다. 지상관제국은 미국 공군에 의하여 관리되며 5군데 지상제어국에서 수신된 측정치를 이용하여 위성의 위치를 계산하고, 상태를 감시하여 이를 GPS 위성을 통하여 사용자에게 전달되도록 합니다. 사용자 수신기는 우리주변에서 볼 수 있는 네비게이터나 스마트 폰 등이 해당됩니다.

2000년 이전에는 민간 사용자의 정확도를 수평면에서의 오차가 100m가 되도록 의도적으로 조절하였으나, 2000년 5월 2일 이후 의도적인 오차를 제거하여 수평면에서 13m, 수직방향으로는 22m 이내의 오차를 보장합니다. 실제 측정치의 분석에 의하면 수평면 4m, 수직방향 6m 이내의 정확도를 유지하고 있습니다.

4. GNSS의 응용 분야

GNSS는 PNT(Position Navigation Time)을 제공하는 시스템으로 위치, 속도, 시각을 필요로 하는 모든 응용에 사용될 수 있습니다. 군용, 해양, 항공, 우주, 위성 등의 항법시스템과 측지, 측량 분야, Telematics, LBS(Location Based Service), ITS(Intelligent Transportation System) 등에서 사용될 수 있습니다. 또한 시각동기가 필요한 전력망, 통신망에서도 많이 사용되며 최근 나로호 발사에서도 위치와 자세 결정을 위하여 사용되었습니다. 반송파 위상 측정치를 이용하는 정밀측위의 응용으로 측지, 측량, 지도제작, 건설 등에서도 사용이 활발하며 다리나 댐의 구조물 변형감시, 지궤 운동감시, 수자원 감시, 농업, 기상예측 분야 등 거의 산업의 전 분야에서 필요로 하는 SoS(System of System)으로 자리 잡았습니다.

유럽연합에서는 2015년에 이틀 동안 GNSS가 동작하지 않으면 발생하는 손실이 10억 유로에 달할 정도로 GNSS의 의존도가 높아질 것으로 예측하였습니다. 2013년 전 세계 GNSS 시장은 9억대(금액으로는 2,400억 달러) 이상으로 예측되며 이 중 스마트 폰에 내장되는 수요가 2/3(금액으로는 1/2)에 이를 것으로 예측됩니다.

5. 맺음말

GPS 혹은 GNSS는 이미 우리 생활에 깊숙이 파고들어, 이제 많은 사람들이 네비게이터 없이 운전하기 힘들고, 내 위치가 없는 지도, 날씨 정보 등은 상상하기 힘들어졌습니다. 우리생활에서 위성항법을 떼 놓을 수 없음을 인정한다면 정보 보호, 사생활 보호, GNSS 신호에 대한 재밍, 기만 등의 위협에 대한 대비와 더불어 우리나라의 독자적인 위성항법 시스템 구축에 대한 준비가 필요한 시점입니다.

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