GPS

Global positioning system(범지구위치결정시스템)

공식 홈페이지: http://www.gps.gov/

미국에서 개발하고 관리하는 위성항법 시스템. 세계 어느 곳에서든지 인공위성을 이용하여 자신의 위치를 정확히 알 수 있는 시스템. 위치정보는 경도, 위도, 표고(해발 고도)로 이루어져 있다. 추가로 정확한 시간정보까지 얻을 수 있다.

2020년 전후에 출시된 스마트폰 기준으로, 대부분의 스마트폰에서는 총 1~5개(GPS, Beidou, GLONASS, QZSS, 갈릴레오) 이상의 위성항법장치를 지원하고, 현재 위치 찾기 시 탐색 가능한 모든 항법장치를 동시에 사용해서 매우 높은 수준의 정확도와 매우 빠른 시간내로 위치를 추적할 수 있다.

일반적으로 위성항법시스템의 위성에서 나오는 신호는 다음의 정보를 포함하고 있다.[1]

GPS 신호는 크게 민간용과 군용으로 나뉜다. 군용은 미군 그리고 한국군 등 일부 미국의 동맹국의 군대만 사용 중이며, 암호화되어 있기 때문에 일반인은 사용할 수 없다. 민간용은 모두에게 오픈되어 있기 때문에 적성국가도 악용할 소지가 있다고 판단, 미 국방부에서 선택적유용성(SA; Selective Availability), 쉽게 말하면 고의적인 에러를 넣어 오차가 100 m 정도 나도록 만들었었다. 초기에는 저렇게 낮은 정확도로 민간에 제공했으나 저게 여러모로 문제가 되어 현재는 '최악의 경우' 95% 신뢰도 내에서 최대 7.8 m의 오차가 발생하는 정도이고, 민간용 최신 SPS 수신 장비를 이용하면 3.5 m 정도의 오차가 난다. 보통 민간용 항법장비들은 이를 소프트웨어적으로 극복한다. 갑자기 터무니없는 장소로 찍히면 이를 무시한다든지, 자동차 같은 것이라면 도로 이외의 지역으로 찍히면 이를 무시한다든지 하는 식으로. 그런데 미국 내에서 "우리가 세금내서 만든 건데 너네 군인들만 좋은 거 쓸래?!" 라는 목소리가 커지자 클린턴 정부 때 이 랜덤 에러를 없앴다. 미국 안보상황에 따라 언제 재개할지는 모르지만. 그래도 오차 자체는 군용이 더 적으며, 암호화되어 있어서 교란 가능성이 적다. 그러나 궁극적으로 앞으로 전개될 업그레이드 플랜으로 두 개의 격차는 줄어들 것이다. 물론 보안 문제를 해결하기 위해 안전성은 좀 더 높이겠지만.

지구를 둘러싸고 있는 24개의(GPS 위성은 6개 궤도에서 4개의 위성과 백업위성까지 해서 보통 28~31개 사이의 GPS 위성이 운영된다. 2015년 기준 32개의 위성이 궤도 선회 중.) 내브스타(NAVSTAR - NAVigation Satellite Timing And Ranging) GPS 위성이 지구 어디에 있든지 위치정보를 얻을 수 있다. 최초로 발사된 위성은 1978년 발사된 것이다. 지금 사용하고 있는 위성은 2호 위성인데, 핵감지 기능도 갖추고 있다. 이 모든 위성은 미국 공군 제2우주작전전대(2nd Space Operations Squadron)에서 관리한다. 전 세계에 퍼져있는 12개의 컨트롤 센터와 16개의 모니터링 센터를 보유 중으로, 한국에도 미 국립 지리 정보국(National Geospatial-Intelligence Agency)이 관리하는 모니터링 센터가 있다.

WGS 84를 기준으로 한다.

초창기에는 단순히 GPS가 제공하는 신호를 받아 위치정보를 표시하는 독립된 장치가 주로 사용되었고, 지금도 등산이나 탐사 혹은 군사적 용도로는 독립된 단말기가 사용된다. 현재 널리 일반인이 사용하는 것은 GPS 수신 기능이 탑재된 내비게이션이나 휴대폰 등 다른 장비의 일부인 경우가 많다. 미국에서는 모든 휴대폰에 GPS 탑재가 의무화되어 있어 긴급통화 시 발신자 위치 추적에 사용할 수 있게 되어 있다. 특히 스마트폰 등에 탑재되는 경우 주변정보 검색, 지오태깅(사진이나 노트, 블로그, 트위터 등의 위치 기록), 증강현실 애플리케이션 등 각종 첨단 기능을 즐길 수 있다.

스마트폰에는 주로 GPS 신호를 고속으로 찾기 위해 퀄컴에서 개발한 A-GPS(Assisted GPS)가 탑재된다. A-GPS는 위성의 궤도 정보·시각 등을 위성으로부터 수신하지 않고 별도의 네트워크를 통해 전송받아 위치 설정에 걸리는 시간을 대폭 단축하는 기술이다. 위성의 송신 속도는 50 bps (즉, 약 6byte/s)로, 탁 트인 곳에서 한 위성의 정보를 GPS 신호만으로 모두 수신하기 위해선 최대 12분 30초가 소요된다. LTE나 Wi-Fi 등 다른 고속 통신망을 통해 위성의 궤도 정보를 미리 받아오면 그만큼 좌표를 찾는 시간이 줄어들게 되는 것이다. Wi-Fi AP나 휴대전화 기지국을 기반으로 현재 위치를 알아내는 "네트워크 기반 위치"와는 무관하다.

구글 안드로이드에서, A-GPS는 단말기마다 끌 수 있는 것도 있고 없을 수도 있다. A-GPS를 끌 수 있는 단말기에선 "GPS 도우미"와 같은 식으로 표기된 토글 스위치가 있다. Assist, 즉 돕는다는 뜻이다. 구글 안드로이드에서 A-GPS를 보완하는 앱으로는 GPS Status가 잘 알려져 있다.





군용으로 쓸 경우, 보병들을 위한 휴대용 단말기가 아니면 보통은 GPS는 보조적인 항법장비로만 쓰인다. 항공기나 미사일의 경우 자신의 위치뿐만 아니라 자세도 정확히 측정해야 하는데, 점 단위 위치만 측정 가능한데다 초 단위 이하의 실시간 측정은 힘든 GPS는 단독으로 쓰기는 어렵다. 지상 차량이나 선박 등은 GPS 전파가 차폐물이아 전파방해 등에 의해 수신이 곤란한 상황을 대비할 필요가 있다. 그래서 여전히 이런 군용장비들에는 관성항법장치 또는 정밀 자이로스코프와 같은 억 소리나는 비싼 전용 항법장비가 따로 달려있다. 보통 GPS는 이런 항법장비들의 오차를 보정해주는 용도로 쓴다.

흔히 말하는 "GPS 유도폭탄"도 실제로는 GPS는 일종의 보조적인 항법장비이며, 안에는 관성항법장치가 있다. 단 고성능 순항미사일이나 항공기의 것에 비하면 비교적 저렴한 몇백만 원짜리 자이로가 들어간다. 이 "저성능 자이로"를 GPS로 보정하여 값싸면서도 비교적 명중률 높은 유도폭탄을 만든다는 것이 바로 JDAM의 개발 취지다.

보병이 사용해도 상당히 유용하다. 산으로 기동하다보면 위치를 확인할 수 있는 건물이나 도로가 없는데다가 야간에는 지도와 주위를 대조해 현재위치를 알기가 힘들다. 하지만 GPS가 있으면 24시간 언제나 자기 위치를 정확한 숫자로 알 수 있으므로 야간기동 및 산악기동에 구식 GPS 한 개라도 있으면 진짜 편리하다.

보조적이니 뭐니해도 GPS를 사용하는 무기체계가 늘다보니 GPS를 교란하려는 방법도 가지가지다. GPS 신호의 주파수 대역이 기본적으로 공개되어있는데다가, 그 신호도 매우 약하기 때문에 교란 하는 입장에서는 사실 여타의 레이더나 통신장비보다는 교란이 쉬운 편. 행여 모르는 사이에 자연계나 인체에 영향을 미치지 않도록, GPS 신호는 기본적으로 자연계에 깔려있는 각종 전파나 노이즈보다 강도가 낮다. 즉 일반인들은 필터 등을 통하여 이 자연계의 노이즈 중에 섞여있는 GPS 신호만 걸러서 사용하는 것.

하지만 GPS 교란장치는 기본적으로 지상에 놓여있는 경우가 많은데 실제 GPS 안테나들은 위쪽을 향하고 있기 때문에 이 교란신호들이 항공기나 미사일의 몸체에 가려서 생각보다 작은 신호강도로는 GPS 교란을 할 수가 없다. 게다가 성능 좋은 안테나들은 수신되는 신호가 하늘에서 날아오는 것인지 땅에서 솟아난 것인지 방향을 파악하기 때문에 밑에서 올라오는 신호를 무시해버리기도 한다. 특히 미군의 경우에는 앞서 언급한 바와 같이 암호화된 GPS 신호를 사용하므로 교란도 쉽지 않은 상황. 심지어 아프가니스탄에서 미군이 GPS 유도무기로 GPS 교란장치를 날려버린 사례도 있다. 무엇보다도, GPS 교란장치는 그 자체가 잘 드러난 전파방사원이기 때문에 對레이더 미사일의 좋은 표적이기도 하다.

단, 일반 차량 등에 장착된 GPS 내비게이터는 기본적으로 민간용인데다가 지상에 있으므로 교란기에 꽤나 무력한 편이다. 뭐 설사 누가 이걸로 테러를 한다고 해도 갑자기 사람들이 길을 몰라 우왕좌왕할일도 별로 없긴 하지만, 내비게이터 믿고 과속하는 사람들은 속도위반 단속 카메라에는 좀 더 자주 찍힐지도 모른다. TV 방송에 소개된 사례 중에, 특정 장소만 가면 내비게이터가 엉뚱한 위치를 가리키는 등의 이상이 발생한다는 제보가 있어 원인을 찾아보니, 근처 소방서에 설치한 긴급출동용 GPS 신호 증폭기[2]가 교란의 원인이었던 적도 있다.#

GPS 기술은 일종의 '잉여짓'에서 출발했다. 시작은 스푸트니크의 발사로 미국이 충격을 먹었을 때, 미국의 존스홉킨스 대학의 응용 물리학 연구소(APL)에서는 쉬는 시간에 스푸트니크에서 송출하는 라디오 신호를 듣고 있었다. 이때 누군가가 스푸트니크의 라디오 신호를 이용해서 위성의 위치를 알 수 있지 않을까 하는 생각을 했고, 실제로 계산결과 가능성이 있다고 여겨져서 하나의 신호 송출원의 신호를 여러 안테나에서 잡고 신호가 들어오는 각도를 재서 위치를 계산하는 방법에 대한 보고서를 작성했다. 해당 보고서는 곧 잊혔지만, 그 후 핵잠수함이 핵미사일의 정확한 발사를 위해 자신의 정확한 위치를 알 필요가 있었는데 그때 이 보고서가 다시 주목을 받아 만들어진게 해당 기술을 반대로 이용하여 여러 송출원의 신호로 자신의 위치를 계산하는 방법, 즉 GPS다. 공돌이의 승리

본래 군사용으로 개발되고 있었으나 한창 개발 중이던 1983년, 대한항공 007편 격추 사건이 일어나자 이후 민간에도 개방되기로 하였다. 이 사건은 뉴욕발 알래스카 경유 서울행 대한항공기가 항로를 이탈하여 소련 영공을 침범하여 격추된 사건이다. 사고 후 로널드 레이건 당시 미국 대통령은 차후 GPS가 완성되고 나서 이를 개방한다면 앞으로 이러한 인명 피해(269명 전원 사망)를 피할 수 있을 거라는 판단하에 군용으로만 사용될 예정이던 GPS를 민간에 조건부 개방하기로 하였다.

2000년 이후에는 미국 정부가 고의적으로 내보내던 잡음 송신을 중단함으로써 민간용 GPS의 정밀도가 30m 이하로 정밀해졌고 현재에 이르고 있다.

3개 이상의 위성으로부터[3] 정확한 시간과 변위를 측정하여 3개의 각각 다른 변위를 후방 교회법에 의한 삼변 측량(trilateration)을 통해 현 위치를 정확히 계산할 수 있다. 3개의 위성을 중심으로 하는 세 개의 구면이 서로 교차되는 지점이 수신기의 위치이다. 이론상 3개의 위성만 있다면 위치를 특정할 수 있으나 실제로는 시간 오차를 보정하기 위해 최소 4개의 위성을 사용한다. 군용 신호를 쓰는 경우에는 센티미터 단위 수준의 오차범위 내에서 위치정보를 얻을 수 있다.

상대성 이론에 대한 이해가 없었다면 GPS는 구현이 힘들었을 것이다. GPS 인공위성은 20,800km 상공에 있기 때문에 지상과의 중력(가속도)차에 의해서 일반상대성 이론에 따라 시간이 45마이크로초 빠르게 흐르고, 3.78 km/s 정도의 엄청난 속도로 이동을 하기 때문에 특수상대성 이론에 따라 7마이크로초 느리게 흐른다. 이를 종합하여 매일 38.6 마이크로초의 시간 오차가 생기는데, 이 오차를 해결해줘야한다.


지구에서의 거리별 시간지연 효과 그래프다. x축은 지구중심에서부터의 거리, y축은 거리에 따른 지연시간, 단위는 ps(피코초, 1조분의 1초)

아래쪽의 빨간선이 속도에 의한 인공위성의 시간지연이고 초록색 선이 중력에 의한 인공위성 대비 상대적인 지구의 시간지연이다. 이 둘을 더한게 가운데선이다. 그래서 이 시간 오차를 항상 보정해야지만 GPS가 똑바로 작동한다. 또한 지구 표면과 위성의 상대속도로 인한 도플러 효과가 발생해 위성에서 지상으로 내려오는 전파가 청색편이된다는 것 역시 고려해야 한다.

이외에도 GPS에 오차를 만드는 원인은 다음과 같다.

GPS의 가장 큰 장점은 매우 값싼 GPS 안테나와 몇 가지 장비만으로 자신의 위치를 정확히 알 수 있다는 점. 종전에는 자이로 같은 것을 이용한 관성항법장치에만 의존해야 했는데, 항공기에 쓸 수 있을 만큼 정확한 것은 가격이 억 단위가 넘는 데다, 시간이 지날수록 오차가 누적되는 단점이 있었다. 하지만 GPS는 위성 신호만 수신할 수 있는 상황이면 누구나 값싸게 전 세계 어디에서나 자신의 위치를 공짜로 알 수 있기 때문에 종전에는 항법장치 같은 것은 꿈도 못 꾸던 경비행기나 자동차, 심지어 휴대폰이나 멀티콥터 같은 취미용 장비에도 이를 집어 넣을 수 있게 되었다.

GPS는 기본적으로 미국이 가지고 운영하는 시스템이다. 미국이 미친 척하고 자국군만 사용하는 것 외의 GPS 신호를 끊어버리거나, 전파방해를 걸어 민간용 GPS의 에러율을 무지막지하게 크게 만들어 버릴 수 있다는 이야기. 잠가라 밸브의 세계구판이 될 수도 있다(...)

게다가 더 큰 문제는 적국의 교란조치에 대항하기 어렵다는 것이다. 때문에 중국[베이더우], 러시아[글로나스], 유럽 연합[갈릴레오], 일본[QZSS] 등 발사체를 보유한 상당수의 국가가 독자적인 시스템을 구축하고자 위성을 발사하거나 혹은 앞으로 발사할 계획에 있다. 한국은 일단 EU의 갈릴레오 프로젝트에 숟가락을 얹은 상황.

GPS 기술은 국방과 직결된 기술이니만큼 기술이전이 쉽지 않아(우방이고 동맹이고 나발이고 없다) 독자개발이 특히 중요한 기술이라는 점에서 이견이 없다. 인공위성을 보면 알겠지만 항공우주공학의 핵심 연구 대상 중에서도 매우 중요한 분야가 GPS다. GPS가 없음으로써 생기는 사고는 1983년에 한국에서도 겪었고 그 외에도 수도 없이 있어왔다. 따라서 각국에서는 상당히 폐쇄적이고 쇄국적인 정책을 펴고 있다.

2011년 3월 5일, 서울 서부에서 핸드폰 시간이 잘못 표시되고 통화에 문제가 있는 등 GPS 교란이 있었다. 발표에 의하면 북한의 GPS 교란 공격에 의한 것이라고 한다.

2014년 5월 13일, 러시아 정부는 우크라이나 사태로 미국과의 대립이 심화되고 미국의 글로나스 중계기지 설치 비협조에 대한 항의의 뜻으로 자국 내 GPS 중계기지 운용을 오는 6월부터 중단시킬 수 있다고 밝혔다.기사 하단

구형 무유도 항공폭탄을 개조해 정밀타격하는 국산 KGGB 장비에 기존 상용 GPS가 아닌 미군용 GPS 장비가 들어가게 된다. KGGB 체계는 미국에서 수입한 무기체계도 아닌[8] 순수 국산무기체계인데도 불구하고 미국에서 통 크게 허가를 내린 것. 차후 KGGB 뿐만 아닌 다른 무기체계에도 적용할 가능성도 있으므로 좋은 소식이다.

GNSS 참고

지금은 너무나 보편화 돼 있는 기술이지만 현대 과학기술 7대 불가사의로 선정될 정도로 고도의 기술력이 집약되어 있는 현대 과학기술의 총아라 할 수 있다. 나로호 발사를 보면 알 수 있지만 인공위성 발사를 위한 로켓 기술은 하도 천조국이 쉽게 쏴올려서 그렇지 항공우주기술의 총아이다. 그걸 기본적으로 24개, 교체를 위해서 쏘아올린 로켓의 양까지 생각하면 상상을 초월하는 수준이다. 그것뿐인가? 이외에도 많은 노이즈 중에서 GPS 신호만 온전히 걸러내는 기술 등까지 합치면 현대의 불가사의라 불려도 손색이 없다.

삼각 측량을 활용한다는 점 때문에 수학, 과학 교과서에서도 종종 다루어지고, 2009 개정 교육과정에서는 물리1 맨 첫단원 내용에 포함되어 수능의 출제 범위기도 하다. 하지만 모의고사 등에만 관련 내용이 출제 될 뿐 실제 수능에 등장한 적은 없는 내용이다. 교양 과학 서적 등으로 많은 학생들이 이 내용을 이해하고 있어서 변별력과 출제 가치가 많이 떨어지기 때문으로 보인다.

GPS는 여러가지 방법을 통해서 응용할 수 있는데 일반적으로 민간이 사용하는 C/A코드(오차 30m) 수준에서 오차범위가 수 mm로 굉장히 정확한 측량용 GPS(VRS, FKP)까지 그 범위가 다양하다.

2016년 데뷔한 러시아제 소유즈 MS 시리즈에서는 글로나스가 있음에도 추가로 GPS 수신기를 부착했다.

2011년 말 출시 한 아이폰 4S는 러시아 이외의 국가에 출시한 스마트폰 중 최초로 글로나스와의 연결을 지원하는 기종이다.

2020년 전후 기준으로 출시된 대부분의 스마트폰은 총 1~5개(GPS, Beidou, GLONASS, QZSS, 갈릴레오)를 지원하고, 탐색 가능한 모든 항법장치를 동시에 사용해서 매우 높은 수준의 정확도와 매우 빠른 시간내로 위치를 추적할 수 있다.

처음에 만들어졌을때는 미사일에 사용될 것을 우려해, 지금도 GPS는 속도가 너무 빠르거나 고도가 너무 높으면 작동을 중단한다.