지도없이 여행을 떠나자 - ‘GPS와 네비게이션’

지루한 장마가 끝나고 본격적인 휴가시즌이 되었습니다. 평소에 회사 업무로 아이들과 함께 즐거운 여가시간(Quality time)을 갖고 싶은 부모들에게는 가장 좋은 시기입니다. 여름휴가를 떠나면서 반드시 챙겨가는 것이 몇 가지 필수품 중 첫 번째는 내비게이션 장비일 것입니다. 내비게이션 장비 하나면 처음 가보는 목적지인데도 신기하게 길을 잘 찾아서 안내하여 줍니다. 또한, 최근 IT 기술의 발달로 도로상태에 따라서 우회도로도 안내하여 주는 척척박사 같은 내비게이션 장비를 우리는 흔히 GPS라고 부르고 있습니다.

GPS(Global Positioning System)는 위성 측위 시스템의 약어로서 지상으로부터 22,000km 상공에 떠있는 GPS 위성을 일컫는 말입니다. 내비게이션 장비에 장착된 것은 라디오처럼 GPS 위성에서 보내는 신호를 수신해주는 GPS 수신기가 정확한 용어입니다. 즉 하늘에 떠 있는 GPS 위성의 신호를 이용하여 현재 사용자의 위치를 계산해 주는 것이 GPS 위성항법시스템입니다. 

또한, GPS는 미국의 대표적인 위성항법시스템이며 유사한 시스템으로 러시아 GLONASS, 유럽연합의 Galileo, 중국의 COMPASS와 일본의 QZSS가 있으며 이 모든 시스템을 GNSS (Global Navigation Sateliites System)이라 칭하고 있습니다. GNSS는 인공위성에서 지상으로 보내는 전파 신호를 이용하여 항법을 수행하는 대표적인 시스템으로써 항공기, 선박, 자동차뿐만 아니라 최근 스마트폰에도 장착되어 여러 가지 응용 시스템들이 많이 활용되고 있습니다.

< 그림 : GPS 위성의 배치 >

GPS를 이용하여 지구 상의 위치를 측정하는 원리에 대하여 도플러효과를 이용한 원리를 이용한 시스템이라고 합니다. 도플러효과란 기차의 경적소리가 거리에 따라 다르게 들리듯이 소리를 내는 물체의 상대적인 운동이나 관측자의 운동에 따라 원래의 소리가 다르게 나타나는 원리입니다. 또한, 도플러효과는 우주팽창의 원리를 설명할 때도 사용되는데, 지구로부터 멀어지는 별들에서 나오는 빛이 (파장이 길어지는) 적색편이가 나타나는 현상이 우주팽창의 현상이다. 이 도플러효과를 위성에 적용하면 지구주의를 빠르게 회전하는 인공위성에서 발사된 주파수를 지상에서 측정하여 이동하는 인공위성에 대한 지상의 상대적인 속도 정보를 알 수 있으며 또한 위성에서 발사된 주파수의 시간과 지상에서의 수신된 시각 정보를 이용하여 거리정보를 정확하게 계산할 수 있습니다. 

우리는 내비게이션 장비에서 GPS 위성 수에 따라 위치의 정확도가 매우 차이 나는 현상을 본 적이 있을 것입니다. 내비게이션 내의 위성상태라는 항목을 찾아가보면 4개 이상의 위성이 수신된 경우 정확한 항법정보를 제공하지만 위성 수가 3개 이하일 때 조금 현재의 위치가 잘못되거나 조금 오류가 있게 나오는 경우를 본적이 있을 것입니다.

 

< GPS 신호를 이용한 시간과 거리 계산 >

위성을 이용하여 지구 상에서의 사용자 위치는 (X,Y,Z) 또는 (경도, 위치, 고도)처럼 3차원 좌표계로서 나타낼 수 있습니다. 즉 관측자의 위치좌표(X,Y,Z)는 원칙적으로 3개의 위성에서 발신된 전파를 수신함으로써 얻어질 수 있습니다. 전파가 인공위성으로부터 지상의 수신기까지 도달한 시각정보를 정확하게 알아야 거리정보를 계산할 수 있는데 일반적으로 GPS 위성에는 정밀한 시계가 장착되지만, 내비게이션 장비에 장착된 GPS 수신기는 경제적인 이유로 탓에 저가의 시계가 장착됩니다. 

특히 위성에 탑재된 원자시계는 1일에 나노초(nano-sec) 오차범위에서 예측이 가능하며, 미국의 Cororado Springs에 있는 지상국에서의 시계의 상태, 위성의 궤도 등을 조절하게 됩니다. 따라서 사용자의 위치를 계산하기 위해서는 사용자의 3차원 위치좌표 뿐만 아니라 위성 간의 시간변수를 포함하여 4개의 연립방정식을 풀어서 좌표로 결정하기 때문에 안정된 항법정보를 얻기 위해서는 최소한 4개의 이상의 위성으로부터 획득된 정보를 이용해야 합니다. 이에 따라 내비게이션 장비에서 4개 이상의 위성이 수신되는 경우에만 매우 정밀한 위치정보를 제공해 줄 수 있는 것입니다.

< GPS 위성을 이용한 지구상 위치계산 >

 

GPS의 구성을 살펴보면 지상관제 부분, 우주 부분 및 사용자 부분으로 구성되어 있습니다. 지상관제 시스템에서는 모든 GPS 위성을 추적하여 신호데이터를 수집하고 수집된 자료를 이용하여 각 위성의 궤도정보 및 시간정보를 분석하여 위치와 시각에 대한 보정정보를 전송합니다. 이렇게 보정된 데이터를 각 위성은 24시간 사용자에게 전송하여 사용자가 조금 더 정밀한 정보를 이용할 수 있도록 돕고 있습니다. 우주 부분은 우주궤도를 돌고 있는 위성체를 일컫고 있습니다. 최근 GPS 위성은 기본적으로 21개의 위성과 6개의 예비위성이 배치되어 총 27기가 운용되고 있습니다. 사용자 부분은 GPS 수신기와 사용자로 구성되어 위성신호를 수신하여 수신기의 위치, 속도 및 시간정보를 변환해 주는 것을 의미하고 있습니다.

 

< GPS 구성 >

 

주공간에 멀리 떨어져 있는 GPS 위성의 신호강도는 일반적인 핸드폰이나 라디오 등에 사용되는 주파수의 강도보다 매우 약합니다. 따라서 GPS 신호에는 위성의 시계 오차, 위성 자체의 궤도 정보 오차, 지구 대기권을 통과하면서 나타나는 굴절 효과로 인한 오차, 수신기 잡음 등 다양한 오차요인이 존재하게 됩니다. 특히, 도심 지역에서 특히 발생하는 오차로서 GPS 위성 신호가 도심지형의 건물이나 인공 조형물 등에 반사되어 실제 거리정보가 오류가 발생하는 경우를 멀티패스 오차라고 하며 차량용 내비게이션 장비에서 이 멀티패스 오차를 최소화하기 위하여 지도데이터와 상호 비교하여 항법 오차를 최소화하는 맵매칭 방법 등이 사용되고 있습니다. 

GPS를 사용하여 공간정보를 구축하거나 측량하기 위해서는 항법 오차를 최소화하는 것이 필요한데 주로 사용되는 방법이 로컬지역 내에서 GPS 신호에 대한 오차 정보를 선 추정하여 실제 이동중인 수신기에 반영하는 DGPS 방법이 있습니다. 즉, DGPS는 GPS 수신기를 2개 이상 사용해 상대적 측위를 하는 방법으로서 이미 사전 알고 있는 좌표 기준점에 GPS 수신기를 설치하고 위성들을 모니터링해 개별 위성의 거리 오차 보정치를 정밀하게 계산 후 이를 작업 현장의 움직이는 수신기의 오차 보정에 이용하는 방식입니다. 

하나의 수신기는 정지해 있고 다른 하나는 이동하면서 위치측정을 시행할 수 있는 시스템입니다. DGPS 종류에도 자료 처리 시간에 따라 실시간 방식과 후처리 방식으로 나눌 수 있으며 버스회사 등에서 주로 사용하는 기준국에서 여러 대의 차량에 보정정보를 송신해 주는 I-DGPS(inverted DGPS) 방식 등이 있습니다.

< DGPS 개념도 >

 

최근 휴대폰 등의 IT 기술의 발달로 무선통신을 이용하여 이런 오차 정보를 이동 중인 수신기에 반영하여 더욱 정교화하는 DGPS 방식의 시스템이 여러 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 최근 군사적인 목적으로 개발된 GPS와 GLONASS에 비하여 유럽연합에서는 GALILEO를 개발하고 있는데 개발 예산의 한계성 및 상호 이익의 공유 목적을 가지고 여러 나라의 참여를 허가하였으며 2006년 우리나라도 GALILEO 시스템 개발에 협정을 맺고 이에 참여하고 있습니다. 범세계적으로 관심을 두고 개발하고 있는 GNSS는 기존의 위치정보만 제공해 주던 단순한 항법 지원시스템보다 더욱 그 활용도가 높아져 우리나라 기반산업으로 발전 및 응용될 시스템일 것입니다.

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