스마트폰, 내비게이션을 통해 위치를 알려주는 GPS 기술은 미국 국방부에서 미사일 발사 유도를 위해 군용으로 개발해서 사용하다가 민간에 개방한 기술입니다. 지도나 표지판을 볼 필요 없이 최적의 길로 안내해 주는 GPS는 어떻게 개발됐을까요?
GPS
GPS(Global Positioning System, 위치결정시스템)는 인공위성을 활용하여 지구상의 위치를 알려주는 위성항법시스템 중 하나입니다. 미국의 GPS와 함께 러시아의 글로나스(GLONASS, Global Navigation Satellite System), 유럽연합의 갈릴레오(Galileo)가 있고 GPS가 가장 먼저 만들어졌습니다.
북극성과 북두칠성, GPS
나침반이나 항해도구도 없었던 시대에 항해나 탐험을 떠난 사람들은 별자리를 보고 위치와 방향을 찾았습니다. 항해의 길잡이가 되었던 대표적인 별자리는 북극성(北極星, Polar Star, North Star)과 북두칠성이었는데 북극성은 지구의 자전축에 가까워서 정지한 것처럼 보여서 특히 북반구를 항해할 때 중심이 되었습니다.
오리온자리는 북반구뿐만 아니라 남반구를 항해할 때도 중요한 별자리였고 전갈자리나 남십자성은 남반구 항해에 도움을 주는 별자리였습니다. 별자리와 GPS는 직접적인 관련성은 없지만 하늘을 보고 지구상의 위치를 파악한다는 인사이트는 유사한 듯합니다. 별자리가 인공위성으로 바뀌었다고 생각할 수도 있을 것 같습니다.
GPS의 역사
미국 존스홉킨스 대학의 응용 물리학 연구소에서 구 소련의 스푸트니크 위성에서 송출하는 라디오 신호를 듣다가 이 신호로 위성의 위치를 파악할 수 있다는 아이디어를 냈습니다. 위성의 송출신호를 여러 곳의 지상 안테나에서 수신해서 안테나마다 신호가 도달하는 시간차, 각도를 측정하면 위성 위치를 계산할 수 있다는 보고서를 작성했습니다. 1973년 미국에서 핵잠수함 등장으로 잠수함발사탄도미사일(SLBM) 발사를 위해 정확한 위치정보가 필요해지면서 존스홉킨스 대학의 보고서가 다시 주목을 받게 되었습니다. 흥미롭게도 보고서의 기술을 반대로 적용하여 여러 송출원에서 신호를 쏘고 이를 수신하여 현재 위치를 계산하는 GPS가 등장했습니다.
1978년 NAVSTAR 1호기를 발사하고 1995년 24대의 인공위성 구성이 완료되면서 GPS가 완전 가동되었습니다. 군용으로 개발된 GPS는 1983년 대한항공 007편의 격추 사건 이후 민간인에게도 점차 개방되기 시작했습니다. 민간용은 적성국가가 악용할 우려가 있어 미 국방부에서 선택적 유용성(SA; Selective Availability) 즉 고의적인 노이즈를 넣어 100m 정도 오차가 나게 만들었습니다. 2000년 빌 클린턴 대통령이 민간에도 정확성이 높은 GPS를 제공하게 하면서 노이즈가 없는 GPS 정보를 민간에서 사용할 수 있게 되었습니다. 보정기술도 점차 발전하면서 2020년 민간 GPS도 mm~cm 오차로 정밀해졌습니다.
글로나스(GLONASS)와 갈릴레오(Galileo)
1982년 구소련에서 위성을 발사하고 총 24대의 위성으로 글로나스(GLONASS, Global Navigation Satellite System)를 구성하고자 했습니다. 현재 러시아의 경제 사정으로 인해 8개 정도의 위성만 군용 위주로 운용되고 있습니다. 2005년 시작된 갈릴레오 프로젝트로 유럽연합은 민간 용도를 우선시하는 민간 위성시스템인 갈릴레오(Galileo)를 만들었습니다. 2016년부터 본격 가동되고 있는 갈릴레오 시스템은 30개의 위성을 계획했으나 2018년 18개의 위성이 운용 중입니다.
GPS 원리와 시스템 구성
원리
GPS는 3개 이상의 위성에서 송신된 전파가 수신기에 각각 도달한 시간을 측정하여 사용자로부터 위성까지의 거리를 구합니다. 이렇게 측정한 3개 이상의 거리 정보를 삼각형의 기하학을 사용하여 물체의 위치를 계산하는 방법인 삼변측량을 활용하여 사용자의 위치를 구하는 원리입니다.
시스템 구성
GPS는 우주(Space Segment), 관제(Control Segment), 사용자(User Segment) 등 세 부분으로 구성되어 있습니다.
우주 부분(Space Sgment)
우주 부분은 중간 지구궤도(Medium Earth Mrbit, 고도 2,000km~35,786km)에 위치한 24~32개의 GPS 위성으로 구성됩니다. 2022년 GPS는 31개의 위성이 활동 중으로 약 20,200km 고도에 위치하고 있습니다. 글로나스(GLONASS)는 19,100km, 갈릴레오(Galileo)는 23,222km 고도에 위치하고 있습니다. 위성은 6개의 원형 궤도면에 각각 4개씩 배치되어 운행하고 있습니다.
제어 부분(Control Segment)
하와이, 콰절런, 어센션섬, 디에고 가르시아 섬, 미 본토 콜로라도스프링스에 있는 다섯 군데 제어국에서 미국 지리정보국이 GPS 위성 궤도를 추적하고 위성을 관리합니다. 위성 추적 자료는 미 공군 제50우주비행단에서 운영하는 콜로라도 스프링스 슈리버 공군기지의 주제어국으로 보내집니다.
사용자 부분(User Segment)
사용자 부분은 GPS 위성 신호를 수신하고 사용자의 시간과 위치를 계산하는 GPS 수신기와 특정한 목적을 위해 개발된 여러 장비로 구성됩니다.
GPS 이용
GPS는 처음에 미사일 발사를 유도하기 위한 군사용으로 개발됐고 다양한 무기 유도 체제에 사용되고 있습니다. 보병의 산악 기동, 야간 기동에 휴대용 단말기로 쓰이고 있습니다. 항공기나 미사일 등 군용장비는 관성항법장치나 정밀 자이로스코프 같은 전용 항법장비가 따로 있어서 GPS는 항법장비의 오차를 보정해 주는 보조 항법장비로 쓰입니다.
민간용으로는 항법, 측량, 지도 제작, 측지, 시각 동기 등 폭넓게 사용되고 있고 GPS 수신 기능이 탑재된 내비게이션, 휴대폰, 드론 등 실생활에서 널리 쓰입니다. 스마트폰에 GPS가 탑재되면 주변정보 검색과 사진, 노트, 블로그, 트위터 등의 위치를 기록하는 지오태깅, 증강현실 애플리케이션 등 각종 첨단 기능을 즐길 수 있습니다. 가장 많이 쓰이는 분야는 자동차 내비게이션 장치로 길 안내, 위치추적 등에 쓰이고 항공기 위치 파악, 선박 항로설정과 충돌방지 시스템으로도 쓰입니다.
GPS는 위성과 수신기를 망라하고 우주와 지구를 연결하는 알고 보면 정말 큰 기술입니다. 이렇게 어마어마한 기술이 바로 우리 손 안에 들어와 있고 자동차 운전석에 있습니다. 그리 길지 않은 시간에 이런 기술을 실현하는 인간의 능력이 정말 놀랍기만 합니다.
