길찾기 알려주는 GPS 위성

GPS 위성은 범지구적 위치 결정 시스템인 GPS를 활용한 위성은 위치 정보를 담은 전파를 발사하여, 선박, 비행기, 심지어 개인의 정확한 위치까지 알려 줍니다. 우리에게 잘 알려진 이 항행 위성은 처음엔 군사적 목적으로 개발되었지만 현재는 항공기관제, 지진 감시, 개인 용도 등 다양하게 활용되고 있습니다

 

GPS(Global Positioning System)

GPS는 미국 국방성 산하 국방고등연구계획국(DARPA)이 개발한 세계 최초의 위성항법시스템이다. 이 시스템은 24개의 위성을 이용해 위치 정보를 제공하는데, 이 위성들은 지구 주위를 돌면서 신호를 보내고 이 신호를 받아 위치를 계산하는 방식으로 GPS는 미 국방성이 개발했지만 현재는 민간에서도 사용되고 있다.

 

GPS의 수신율을 높이는 방법은 우선 주변의 장애물을 제거해야 한다. 건물 안에서는 창문을 열고 최대한 멀리 떨어져야 하고, 실외에서는 나무와 같은 장애물을 피해야 한다. 또한 휴대폰의 전파 방해 요소에서 떨어져야 하는데, 기지국 근처에서는 신호가 약해질 수 있으므로 가급적 피하는 것이 좋다. 마지막으로 배터리의 충전 상태를 확인해야 한다. 배터리는 소모품이기 때문에 오래 사용하면 성능이 저하되는 것은 피할 수 없다. 특히 추운 겨울에는 배터리 효율이 더욱 떨어지므로 자주 점검하는 것이 좋다.

 

GPS가 처음 발명되었을 때 사람들은 이것이 얼마나 정확한지 의심했다. 하지만 실제 실험 결과 오차 범위가 1m 이내라는 놀라운 결과를 보여주었다. 이렇게 정밀한 측량이 가능한 이유는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째, 태양으로부터 오는 빛 에너지를 받아 반사시키는 적외선 센서가 있기 때문이다. 그리고 센서에 들어오는 데이터를 분석 처리하는 컴퓨터 알고리즘이 매우 정교한 것도 큰 요인이다.

 

GPS(Global Positioning System) 위성

GPS 위성은 지구상의 어느 곳에서나 인공위성의 위치를 알려주는 시스템이다. 현재 우리나라에는 통신용 4기와 항법용 6기, 방송용 10기 등 총 16기의 위성이 운영되고 있으며, 이 중 12기의 정지궤도 위성이 서비스되고 있다. 최근 스마트폰의 보급률이 높아지면서 내비게이션 시장에서도 기존 CDMA 방식 대신 LTE 기반의 실시간 교통정보 서비스(TPEG)나 와이파이망을 이용한 내비게이션 앱이 인기를 끌고 있다. 이러한 기술 발전 덕분에 이제는 차량뿐만 아니라 자전거, 오토바이, 도보 이동 시에도 길 안내를 받을 수 있게 되었다. 하지만 여전히 정확도가 낮다는 단점이 존재하는데, 이를 보완하기 위해 등장한 것이 GNSS다.

 

GPS는 국제적으로 인공위성 항법 시스템인 GNSS(Global Navigation Satellite System)에 포함되어 있는데, GNSS는 GPS뿐만 아니라 러시아의 글로나스, 중국의 베이터스, 유럽의 갈릴레오 등 다양한 위성 항법 시스템을 통합하여 하나의 전 세계적인 위치정보 제공 시스템으로 확장될 예정이다.

 

GPS 위성은 우리가 흔히 사용하는 내비게이션에 사용되고 있다. 또한 항공기, 선박, 자동차, 군용 등에도 사용되고 있으며, GPS는 위치 정보를 제공하기 때문에 이를 이용하여 위치를 파악하거나 목적지까지 가는 길을 안내하는 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 우리의 삶을 더욱 편리하게 만들어 주고 있다.

 

GPS 위성은 지구 주위를 돌면서 위성 신호를 보내주는데, 이 신호는 GPS 수신기에서 수신하여 위치를 계산하고, GPS 수신기는 이 신호를 받아들여 각 위성에서 보내오는 신호의 시간차를 계산하여 위치를 계산한다. 이 위치는 위도, 경도, 고도 등으로 나타낼 수 있습니다.

 

GPS 위성을 교체하고 새로운 위성을 발사하는 등 유지와 연구, 개발에 필요한 비용은 연간 수억 달러에 달하지만, 여전히 전 세계적으로 무료로 사용되고 있다. GPS 위성의 평균 수명은 약 8년 정도이다. 궤도면의 중심은 지구의 중심과 일치하며, 각 궤도면은 지구 적도에서 55°만 기울어져 있다. 현재 제작사에 따라 다양한 형태의 GPS 수신기가 개발되고 있다.

 

1991년 걸프전에서 유엔군이 적군의 진지를 명중시킨 것도, 적군이 미사일로 공격해 왔을 때 방어용 미사일로 공중에서 파괴한 것도 GPS 위성의 위력이다. 뿐만 아니라 지상의 자동차나 기차, 바다의 선박이나 하늘의 고속 항공기의 위치를 파악하는 데도 활용된다. 외국으로 향하는 비행기 안의 TV 화면에 세계 지도와 운항 중인 비행기의 위치가 표시되는 것도 GPS 위성을 이용한 항법 시스템이다.

 

최근에는 교통체증 없이 빨리 갈 수 있는 길을 안내하거나 주요 고속도로의 차량 정체와 주행 예정 시간을 알려주는 교통관제 시스템도 이 위성의 데이터를 받아 활용하고 있다. 또한 멸종위기 동물의 이동 경로와 위치 파악을 위해 동물의 몸에 소형 GPS 수신기를 부착하거나, 극지 탐험이나 오지 연구자들의 안전한 활동을 위한 작업에도 많이 활용되고 있다.

 

GPS 위성 구성 요소

첫째, 운영 위성(Operational Satellite)은 사용자에게 신호를 전송한다.

둘째, 지상 제어국(Control Station)은 운영 위성의 궤도를 조정하고 신호의 정확도를 유지한다.

셋째, 모니터링 스테이션(Monitoring Station)은 GPS 위성의 신호를 모니터링하고 지상 관재국과 통신하여 위성의 위치를 추적한다.

마지막으로 GPS 수신기(Receiver)는 GPS 신호를 받아들여 위성의 위치와 시간 정보를 계산하여 사용자에게 제공한다.

 

GPS 수신기는 위성이 발신하는 신호를 수신하고, 수신된 신호의 시간차를 계산하여 위치 정보를 산출한다. 이를 위해서는 최소 4개 이상의 GPS 위성 신호가 필요하며, 더 많은 위성 신호를 사용할수록 더 정확한 위치 정보를 얻을 수 있다.

 

인공위성 중 일반인에게 가장 많이 알려진 것은 GPS(Global Positioning System) 위성이다. 이는 인공위성에서 보내오는 신호(데이터)를 받아 위치 측정에 활용하는 시스템으로, 인공위성에서 위치를 안내받아 측량하는 것과 같은 이치다.

말하자면 인공위성으로부터 신호 데이터를 받아 위치 정보를 얻는 것이다. GPS는 범지구적 위치 측정용 위성으로, 정식 명칭은 'NAVSTAR(NAVSTAR(NAVIGATION System with Timing And Ranging) GPS'이다. 이 위성은 무기 유도, 항법, 측량, 지도 제작, 측지, 시각 동기화 등 군사용 및 민간용으로 다양하게 활용되고 있다. 특히 측량 분야에서 GPS를 활용하면 기하학을 응용한 삼각측량을 대체할 수 있고, 나아가 평판 측량을 대신해 상세 측량까지 가능하다.

 

지구상에서는 다양한 원인으로 인해 시간마다 다른 위칫값을 가지게 된다. 하지만 이렇게 시시각각 변하는 위치 정보를 계속 저장하는 것은 불가능할 것이다. 그래서 실시간으로 변화하는 위칫값을 일정한 주기로 재계산하는데, 이를 '보정'이라고 한다. 보정된 위치 데이터를 가지고 있지 않으면 정확한 위치를 파악할 수 없다. 그래서 항상 같은 위치에 고정되어 있는 고정밀 측량 장비인 GNSS 수신기가 각 지역마다 설치되어 있고, 여기서 보내오는 신호를 수신하여 분석하면 그 지점의 좌표를 얻을 수 있다.

 

GPS 위성과 GPS 수신기

GPS 위성은 GPS 수신기와 연동하여 위치 정보를 제공하는 기술이다. GPS 수신기는 위성에서 발생하는 신호를 수신하고 그 신호에 포함된 정보를 해독하여 위치 정보를 계산하는데, GPS 위성은 총 31개의 운영 위성으로 구성되어 있으며, 이 중 24개의 운영 위성과 3개의 백업 위성이 활성화되어 있다. GPS 신호는 빛의 속도로 이동하고 매우 미약한 신호이기 때문에 안테나만으로는 포착할 수 없다. 대신 안테나가 보낸 신호를 증폭시켜 주는 장치가 필요한데, 이것이 바로 수신기다. 수신기는 일종의 필터라고 생각하면 이해하기 쉽다. 예를 들어 전파 망원경처럼 우주 공간에서 오는 수많은 전파를 모아 원하는 파장만 골라내는 것이다. 이때 특정 주파수 대역만 선택적으로 통과시키는 필터를 사용하듯, 수신기도 비슷한 방식으로 작동하는 것이다.

 

GPS 수신기는 다양한 형태로 제공되고 있다. 자동차 내비게이션, 휴대폰, 스마트워치 등 다양한 기기에 사용되며, 항공기 항공관제, 해상 보행, 수자원 관리, 지질조사, 운송 및 물류 등의 분야에서도 활용된다. GPS 위성은 GPS 시스템이 완전히 종속적인 기술이기 때문에 악의적인 목적으로 위성 신호를 방해하거나 조작하는 GPS Jamming, Spoofing 등의 위협에 취약하다. 이를 방지하기 위해 다양한 보안 기술이 개발되고 있다. GPS는 현재 3세대 시스템으로 구성되어 있으며, 새로운 위성과 신호 체계를 도입하여 보다 정확하고 신속한 위치 정보 제공이 가능해졌다. 이를 위해 GPS III 위성과 L 1C 신호 등의 기술이 개발되어 적용되고 있다.

 

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