▲ (그림 1) 2차원 평면에서의 위치 결정 ⓒ

 

인공위성 중에서 "GPS"라는 이름만큼 일상생활에서 흔히 접하는 이름도 드물 것입니다. 신문 광고를 들춰보면 ‘GPS 팝니다.’라는 문구를 심심찮게 볼 수 있습니다. ‘어? 이게 뭐지?’하고 자세히 들여다보면 GPS를 활용한 차량 항법 장치인 카네비게이션의 광고임을 알 수 있습니다. 자동차에 자그마한 수신기만 달면 차량의 위치와 진행 방향을 알려 주는 장치이지요.

오늘날 우리가 알고 있는 모든 GPS 관련 서비스 기능의 핵심 기술은 위치를 아주 정밀하게 측정할 수 있다는 점입니다. GPS는 어떻게 위치를 정확히 알게 해주는 것일까요? 오늘은 GPS가 어떻게 지상에서의 위치를 알 수 있게 해주는지를 알아보겠습니다.

(그림 1)의 (a)를 먼저 보시기 바랍니다. 평평한 운동장에 나무가 한 그루 서 있습니다. 나무를 중심으로 반지름이 10 미터 되는 원을 그려봅니다. 이 원주 상에 있는 모든 점들은 기준이 되는 나무로부터 똑같이 10 미터의 거리를 두고 있게 됩니다. 따라서 ‘나무로부터 10 미터 떨어진 곳’이라는 말은 그림(a)의 원주 상에 있는 모든 지점을 가리키는 말이 될 것입니다.

그림(b)를 봅니다. 다른 나무 하나를 기준으로 삼아서 20 미터의 원을 또 하나 그렸습니다. 두개의 원이 교차하는 지점이 두 곳 생겼습니다. 이 두 지점은 똑같이 첫 번째 나무로부터는 10 미터, 두 번째 나무로부터는 20 미터가 떨어져 있게 됩니다. 만약에 ‘첫 번째 나무로부터 10 미터, 두 번째 나무로부터 20 미터 떨어진 곳’이라고 말하면 그림(b)의 두 지점이 모두 해당될 것입니다.

자, 이 두개의 지점 중에서 하나만을 지정하여 말하고자 한다면 어떻게 하면 될까요? 그렇습니다. 하나의 나무가 더 있어야 합니다. 세 번째 기준 나무를 추가하고 ‘5 미터 떨어진 곳’ 이라는 단서를 붙인다면 비로소 운동장에서 유일한 한 지점을 정의할 수 있게 됩니다. 운동장은 2차원 평면에 해당하므로 2차원에서 한 지점을 결정하려면 세 곳의 기준점이 필요함을 알 수 있습니다. 그렇다면 우리가 살고 있는 3차원 공간에서 하나의 지점을 결정하려면 몇 개의 기준점이 필요할까요?

위에서 설명한 내용을 GPS로 확대해 보겠습니다. GPS라는 이름은 하늘에 떠 있는 인공위성만을 뜻하는 것이 아니고 세 개의 세그먼트(Segment)로 나누어진 전체 시스템을 부르는 이름입니다. 세 개의 세그먼트는 각각 우주 세그먼트, 컨트롤 세그먼트 그리고 사용자 세그먼트입니다. 나머지 두 개의 세그먼트에 대한 자세한 설명은 잠시 미루고 일단 우주 세그먼트에 해당하는 인공위성만을 이야기 하도록 하겠습니다.

우주 세그먼트는 지구 주위를 돌고 있는 24기의 위성 군(群)을 말하는데 이들 위성의 공식적인 이름은 네이브스타(NAVSTAR)라고 합니다. 이들 각각의 네이브스타 위성은 앞서 설명한 기준점의 역할을 하게 됩니다.

네이브스타 위성 군은 지구 전체를 감싸는 6개의 궤도면에 대해 각각 4기의 위성이 배치되어 전체 24기의 위성이 전 지구를 커버하도록 배치되어 있습니다. 각 궤도면내에서는 4기의 위성이 90° 간격을 유지하고 있고 4기의 예비 위성이 더 있어서 실제로 하늘에 떠있는 위성은 총 28기가 됩니다. 각 위성들은 지구 상공 20,200 km에서 약 12시간에 한 번꼴로 지구 주위를 돌고 있습니다.

▲ (그림) NAVSTAR 위성의 궤도 배치도 ⓒ

 

이제 앞에서 말한 기준 나무의 경우처럼 하나의 GPS 위성으로부터 같은 거리에 있는 점들을 연결하여 원을 그려 봅니다. 앞의 예와 다른 점은 실제 우리가 사는 공간은 3차원 공간이므로 하나의 위성에서 같은 거리에 있는 점들은 원이 아니라 구가 될 것입니다. 이제 또 하나의 GPS 위성이 나타났습니다. 앞서 나온 위성을 GPS 1호 위성, 두 번째의 위성을 2호 위성이라 합시다.

수신기는 2호 위성에 대해서도 마찬 가지로 거리를 측정합니다. 결국 2호 위성을 중심으로 하는 또 하나의 구가 형성 되겠지요. 우리가 가진 수신기는 1,2호 위성으로부터 측정된 거리를 모두 만족해야 하므로 수신기의 위치는 (그림 2)의 (a)와 같이 두개의 구가 만나서 이루는 원주 상의 한 점이 될 것입니다. 범위가 많이 줄었지요?

 

▲ (그림 2) 3차원 공간에서의 위치 결정 ⓒ

그러나 아직 부족합니다. 범위를 더 좁혀야 합니다. 수신기는 세 번째 위성을 기다립니다. 3호 위성이 나타나면 또 하나의 구가 형성되고 수신기가 위치할 가능성이 있는 지점은 원과 구가 만나서 이루는 두 개의 점 중의 하나로 압축됩니다.

자, 마지막으로 수신기의 유일한 위치를 결정하기 위해서는 하나의 위성이 더 필요합니다. 그래서 GPS를 이용해서 자신의 위치를 알려면 최소한 4개의 위성과 동시에 접촉이 되어야 하는 것입니다.

이제 네이브스타 위성과 수신기 사이의 거리를 측정하는 원리에 대해 알아보겠습니다. 위성과 수신기 사이의 거리는 기본적으로 전파의 도달 시간을 이용해서 측정하게 됩니다. 우선 수신기의 전원 스위치를 켜면 수신기는 가장 먼저 수신되는 위성의 신호 중에서 시각(Clock) 정보만을 골라냅니다.

그리고 수신기에 내장된 시계를 위성에서 보내오는 시각신호에 정확히 일치시킵니다. 이것을 두고 시각을 동조시킨다고 합니다. 이 때 위성에서 보내오는 시각 신호는 원자시계에서 생성되는 아주 정확한 신호라서 공식적인 국제 표준시인 UTC와 비교해보아도 그 차이는 1억분의 일초 이하입니다. 우리가 흔히 쓰는 휴대폰의 기지국에서도 바로 이 GPS 위성의 시각 신호를 사용하고 있습니다.

시계를 맞추고 나면 수신기 내부에 장착된 PRN 코드 생성기가 작동하기 시작합니다. PRN이라는 용어는 Pseudo Random Noise 라는 말의 약어로서 1과 0이 수없이 연결된 디지털 신호를 말합니다. 미리 정해져 있는 약속된 코드 임에도 불구하고 그 신호가 너무 복잡하고 마치 불규칙한 잡음처럼 보이기 때문에 이런 이름이 붙었습니다.

PRN 코드는 민간용과 군사용으로 구분되어 있습니다. 군사용 PRN 코드는 훨씬 더 복잡하고 길어서 민간용보다 더욱 정확한 위치 확인 서비스를 가능하게 합니다. (그림 3)에 보인 것이 일반에게 공개된 민간용 PRN 코드인데 너무 복잡해서 알아보기가 힘들 것입니다. (그림 4)는 PRN 코드의 일부를 확대한 것입니다.

▲ (그림 3) GPS의 민간용 PRN 코드 ⓒ

 

▲ (그림 4) PRN 코드 중에서 일부를 확대한 것 ⓒ

민간용 PRN 코드에서 비트(1 또는 0을 나타내는 최소 단위)의 길이는 약 1 마이크로초(백만분의 일초)이고 민간용 코드 전체의 길이는 약 1 밀리초(천분의 일초) 입니다. 따라서 1초 동안에 전체 코드가 1,000번 반복되어 만들어지게 됩니다.

군 사용 PRN 코드는 전파 방해를 막기 위해 코드의 길이를 무려 7일로 만들어 버렸습니다. 게다가 매주 월요일이면 전체 위성의 코드를 리셋 시켜 버리기 때문에 전체 코드를 알기 전에는 사실상 전파 방해가 원천적으로 불가능하게 되어 있습니다.

우주에 떠 있는 위성과 지상에 있는 수신기의 시계가 정확히 일치되면 양쪽에서 동시에 똑같은 모양의 PRN 코드가 만들어 지기 시작합니다. 위성은 이 코드 신호를 지상으로 송신하고 수신기는 그 신호를 받아서 수신기 내부에서 만들어진 PRN 코드와 비교를 하게 됩니다(그림 5 참조).

위성의 PRN 코드는 수신기의 PRN 코드와 동시에 만들어졌습니다. 그러나 그 신호가 지상까지 오려면 최소한 20,200 킬로미터 이상의 거리를 지나와야 하므로 도달하는데 시간이 걸립니다. 그래서 수신기의 신호와 비교해보면 지연된 시간만큼의 차이가 생기게 되는 것입니다.

수신기 내에서는 양쪽의 PRN 코드를 비교해서 위성의 신호가 도착하는데 얼마큼의 시간이 소요되었는지를 계산하고 거기에 광속을 곱해서 거리를 알아내게 됩니다. 그렇게 해서 각각의 위성으로부터 수신기까지의 거리가 얼마나 되는지를 알 수 있게 됩니다.

 

▲ (그림 5) 위성과 지상 수신기에서 생성된 PRN 코드 신호 비교 ⓒ

(그림 6)은 그동안 네이브스타 위성들이 어떻게 발전되어왔는지 알 수 있는 사진들입니다. 네이브스타 위성은 블록 1→2→2A→2R→2RM→2F 의 순서로 개량되어왔는데 블록 2는 2A와, 2R은 2RM과 유사한 형태를 가지고 있습니다. 현재 발사되고 있는 모델은 블록 2R이고 2RM과 2F는 성능 향상을 위한 개발 과정 중에 있습니다.

 

▲ (그림 6) NAVSTAR 위성의 발전 모습 ⓒ

GPS는 Global Positioning System의 영어 약어로써 우리말로 하면 전 지구 위치결정 시스템이라는 뜻이 됩니다. 정확하게 말하면 GPS는 세부분으로 구성됩니다. 첫 번째가 24기의 GPS 위성이고 두 번째는 GPS 지상관제 센터, 세 번째는 GPS 이용자 들입니다. 즉, GPS라는 이름은 이 세 가지 모두를 통칭하는 이름입니다.

그 중에서 두 번째 요소인 컨트롤 세그먼트는 지상에 있는 통제 센터를 말합니다. 이들 통제 센터는 네이브스타 위성들을 관리하는 역할을 맡고 있습니다. 각 위성들이 통제 센터의 상공을 지날 때마다 각각의 위성들이 올바른 궤도를 따라 비행하고 있는지를 점검하고 미리 계산해둔 궤도 정보를 교체하는 기능을 수행합니다. 그리고 각 위성들이 정상적으로 작동하고 있는지를 24시간 감시하고 만약 고장이 감지된 위성들에 대해서는 수리를 시도하거나 수리가 불가능하면 예비 위성으로 교체하는 기능을 수행합니다.

끝으로 사용자 세그먼트는 GPS 수신기를 가진 모든 객체를 뜻합니다. 수신기를 휴대한 사람은 물론이고 자동차, 선박, 항공기, 우주선, 기차 등등 수신기를 가지고 있는 모든 물체가 여기에 해당합니다.

 

▲ (그림 7) GPS 통제 센터 위치 ⓒ

오늘날 GPS가 이용되는 분야는 무궁무진합니다. 측량이나 자동차는 기본이고 항공기에서도 이 장치를 활용하여 자동 항법 비행을 할 수 있으며 미사일에 GPS 수신기를 장착하면 스스로 목표를 찾아가 공격하기도 합니다.

또 하늘에 떠 있는 인공위성도 GPS수신기를 이용해 자기 위치를 알 수 있습니다. 휴대폰에 GPS 신호 수신 칩을 내장한 GPS폰도 오래 전에 등장했고 최근에는 버튼 하나만 누르면 자기 위치를 송신해주는 휴대폰도 등장했습니다.

최근에는 우리나라의 방방곡곡에 산재해 있는 묘소의 위치를 GPS 수신기로 정확히 측정해주는 서비스도 등장했습니다. 후손들에게 조상의 묘를 찾기 쉽도록 해주자는 발상에서 나온 것인데 지극히 한국적인 GPS 활용 방안이라고 할 수 있겠습니다.

지상에 고정된 GPS 수신기를 이용하면 지진이나 대륙이 1년 동안에 얼마나 움직이는 지도 알 수 있습니다(그림 8). 이렇게 대륙의 운동이 활발한 지점이 어딘지를 점검해두면 지진의 예측도 어느 정도는 가능해 집니다. 참으로 GPS의 활용 범위는 무궁무진하다고 할 수 있습니다.

 

▲ (그림 8) GPS 수신기를 이용한 대륙 이동성 측정 ⓒ

오늘은 우리가 흔히 들어오던 GPS 위성에 대해서 알아보았습니다. 사실, GPS는 위치 측정의 기준점을 우주에 올리면 어떨까하는 아주 간단한 아이디어에서 시작되었습니다. 그 간단한 아이디어가 오늘날 이처럼 무궁무진한 응용 기술을 만들어 내게 된 것입니다.

기술의 발전뿐만 아니라 GPS는 관련된 산업 분야를 통해 수많은 경제적 이익도 창출해 냈습니다. 지금은 수신기 판매 시장만 형성되어 있지만 만약 미국이 GPS 이용에 대해서도 이용료를 받았다면 어마어마한 액수의 경제적인 이익을 형성할 수 있었을 것입니다. 과학 기술이 국가적인 부(富)를 창출하는 사회, 이것이 바로 기술 부가가치가 다른 가치를 지배하는 미래 사회의 한 모습일 것입니다.


(참고 사이트)
http://tycho.usno.navy.mil/gpsinfo.html
http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html
http://www.fas.org/spp/military/program/nav/gps.htm
http://www.skyrocket.de/space/doc_sdat/navstar.htm

2004.05.12 18:51


※ 출처 - ⓒScience Times http://www.sciencetimes.co.kr/