전세계가 사용하는 위성위치확인시스템 - GPS

GPS(Global Positioning System)는 GPS 위성에서 보내는 신호를 수신해 사용자의 현재 위치를 계산하는 위성항법시스템이다. 항공기, 선박, 자동차 등의 내비게이션 장치에 주로 쓰이고 있으며, 최근에는 스마트폰, 태블릿 PC등에서도 많이 활용되는 추세다.

군사용으로 개발된 GPS가 내비게이션에 활용돼

원래 GPS는 미국 국방부에서 폭격의 정확성을 높이기 위해 군사용으로 개발한 시스템이다. GPS가 개발되기 전에는 특정 목표물을 파괴하기 위해 수천 개의 폭탄을 일정 범위에 쏟아 붓는 이른바 ‘융단 폭격’을 사용했는데, 이는 정확도뿐 아니라 효율성도 크게 떨어지는 방식이었다. 이후 정밀도를 높인 레이저 유도 폭탄이 등장했지만 파일럿의 시각, 지형, 날씨에 영향을 크게 받았다. 이에 외부 조건에 영향을 받지 않는 폭탄의 필요성이 대두되었고, GPS를 이용한 유도 폭탄이 개발되기에 이르렀다. 이 폭탄의 위력은 이라크 전쟁과 아프가니스탄 전쟁에서 증명됐다.

GPS가 민간 부문에서 본격적으로 사용되기 시작한 것은 미국이 GPS 정밀도를 제한하기 위해 도입했던 SA(Selective Availability, 선택적 유용성)를 해제한 2000년부터다. 이를 통해 수십 미터의 오차가 나던 민간 위치 정보의 정밀도가 크게 높아지면서, 자동차 내비게이션과 같은 민간 항법 장치가 본격적으로 발달하게 되었다. 현재 GPS는 전 세계에 무료로 개방되어 많은 국가에서 이를 활용하고 있다.

하지만 유럽연합, 중국 등 일부 국가에서는 독자적인 위성항법시스템 개발을 추진하고 있다. 미국과 세계의 패권을 놓고 겨루는 입장에서, 언제라도 SA를 재도입할 수 있는 미국의 GPS에 의존할 수는 없다고 판단했기 때문이다.

GPS의 구성

GPS는 위성 부문, 지상관제 부문, 사용자 부문으로 구성된다. 여기서 위성 부문은 GPS 위성을, 지상관제 부문은 지상에 위치한 제어국을, 사용자 부문은 GPS 수신기를 말한다.

지구 위에는 30개의 GPS 위성이 돌고 있다. 이 중 24개의 위성은 6개의 궤도면에 분포해 지구를 공전한다. 따라서 전 세계 어디에서도 최소 6개의 GPS 위성을 관측할 수 있다. 나머지 6개의 위성은 24개의 위성에 문제가 생겼을 경우 백업 역할을 수행한다. GPS 위성은 태양 에너지로 작동되며, 수명은 약 8~10년 정도다. 제어국은 미국 콜로라도 스프링스(Colorado Springs)에 있는 주 제어국과, 세계 곳곳에 분포된 5개의 부 제어국으로 나뉜다. 각 부 제어국은 상공을 지나는 GPS 위성을 추적하고 거리와 변화율을 측정해 주 제어국으로 보낸다. 주 제어국은 정보를 취합해 위성이 제 궤도를 유지하도록 처리한다. GPS 수신기는 GPS 위성의 신호를 수신하는 안테나, 시계, 신호를 처리하는 소프트웨어, 이를 출력하는 출력장치 등으로 이루어져 있다.

GPS의 원리 – 위치를 알려면 4개의 GPS 위성이 필요

GPS는 GPS 위성과 GPS 수신기의 거리를 계산해 좌표값을 구한다. 만일 우리가 GPS 위성의 위치와 거리를 정확하게 알 수 있다면 3개의 GPS 위성만 있어도 정확한 위치를 알 수 있다. 우리가 대략 3차원의 구형인 지표면에 살고 있기 때문이다. 만일 직선과 같은 1차원이라면 2 개의 기준점과 각각의 거리값을 알면 쉽게 위치를 결정할 수 있다. 2차원세상에서는 3 개의 기준점과 각각의 거리값을 알아야 한다. 각 기준점을 원의 중심으로 잡고, 거리값을 반지름으로 했을 때 세 원이 만나는 지점이 해당 위치가 되기 때문이다. 마찬가지로 3차원에서는 4개의 구(球)가 겹치는 부분에서 위치를 찾을 수 있다. 그러나 지구 표면 자체가 1개의 구의 역할을 하기 때문에, 3개의 GPS 위성이면 원리적으로는 위치를 결정할 수 있다.

하지만 이것만으로는 실제로는 거리를 정확하게 계산할 수 없다. GPS 위성과 GPS 수신기의 거리는 위성에서 보내는 전파의 도달 시간을 바탕으로 계산하게 되는데, 위성에 장착된 시계와 수신기에 장착된 시계가 일치하지 않아 오차가 발생하기 때문이다. 따라서 4개 이상의 GPS 위성에서 전파를 수신해야 정확한 위치를 파악할 수 있게 된다. 최근 나오고 있는 GPS 수신기는 20개의 위성으로부터 신호를 받을 수 있어 정확하게 위치를 계산한다.

그렇다면 일시적으로 GPS 신호를 받을 수 없는 터널과 같은 곳에서는 어떻게 위치값을 구할 수 있을까. 이럴 때는 추측항법장치(dead reckoning)를 이용한다. 이는 GPS 신호가 끊기기 전의 위치값과 수신기의 방향, 속도 등을 연관시켜 현재 수신기의 위치를 추산하는 방식이다.

GPS의 전망 – 내비게이션을 넘어

지난 몇 년간 민간인들이 GPS를 접할 수 있었던 분야는 자동차 내비게이션 뿐이었다. 이에 따라 GPS와 내비게이션을 같은 것으로 여기는 사람들이 많았고, GPS는 길을 찾기 위한 시스템이라는 고정관념이 팽배했다. 하지만 최근 GPS를 장착한 스마트 기기가 대거 보급되면서 GPS를 이용한 새로운 서비스들이 속속 등장하고 있다.

대표적으로 무선인터넷과 GPS를 결합한 위치기반서비스(LBS)를 들 수 있다. 사실 과거에도 위치기반서비스는 존재했다. 하지만 지상에 있는 이동통신사 기지국을 이용하는 방식이라 오차 범위가 커서 사용에 제한이 많았다. 반면 GPS를 이용하는 새로운 위치기반서비스는 오차가 크지 않아 다양한 부문에서 활용되고 있다.

예를 들면 휴대폰 또는 스마트폰을 분실했을 때나 친구의 위치를 알고 싶을 때 위치 추적 시스템을 이용할 수도 있고(하지만 국내에서는 위치정보보호법에 의해 사용이 제한된다), 현재 위치에서 가장 가까운 관공서, 은행, 맛집 등을 검색할 때 이용할 수도 있으며, 교통 정보나 할인 정보를 찾을 때도 유용하게 쓸 수 있다. 또한 소셜커머스와 같은 온라인쇼핑 분야에서는 위치기반서비스를 활용해 거주지에 가까운 쇼핑정보를 제공하고 있으며, 게임 분야에서도 NHN을 비롯해 많은 기업들이 위치정보를 활용한 게임을 준비 중이다.

위치기반서비스는 더 많은 분야로 확산될 전망이다. 스마트폰의 대중화에 힘입어 ‘1인 1GPS 시대’가 도래했기 때문이다. 한 때 군사 무기에나 쓰이는 어려운 기술로 치부됐던 GPS가, 이제는 동네 맛집 검색에도 쓰일 정도로 익숙하고 편한 기술로 다가오고 있다.

글 / IT동아 서동민(cromdandy@itdonga.com)