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1. 개요
Global Positioning System (범지구위치결정시스템)공식 홈페이지: http://www.gps.gov/
미국 국방부에서 개발하여 미국 운수부와 관리하는 위성항법 시스템. 세계 어느 곳에서든 3대 이상의 인공위성에서 신호를 받아, 초당 50번씩 자신의 위치를 정확히 알아낼 수 있다. 인공위성의 신호 발사 시간과 단말기의 수신 시간의 시간차를 이용해 거리를 측정할 수 있고, 이 거리 정보를 이용해서 지구타원체 상의 위치를 추정하게 된다.
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.
GPS의 가장 큰 장점은 매우 값싼 GPS 안테나와 몇 가지 장비만으로 자신의 위치를 정확히 알 수 있다는 점이다.[1] 위성 신호만 수신할 수 있는 상황이면 누구나 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. 실생활에선 거의 매일 이용되고 있다고 무방하다.
WGS 84를 기준으로 한다.
2. 원리
일반적으로 위성 항법시스템의 위성에서 나오는 신호는 다음의 정보를 포함하고 있다.[2]
- 위성의 궤도정보: 이를 통해서 위성의 정확한 위치를 계산할 수 있다.
- 위성 신호가 발신되는 시간: 이 정보에 포함된 시간과 실제 수신기가 수신한 시간을 비교하면 빛의 속도로부터 역산해 수신기와 위성 사이의 거리를 알 수 있다.
3개 이상의 위성으로부터[3] 정확한 시간과 변위를 측정하여 3개의 각각 다른 변위를 후방 교회법에 의한 삼변 측량(trilateration 혹은 Pseudo-range multilateration)을 통해 현 위치를 정확히 계산할 수 있다. 수신기를 장비한 군함이나 상선의 현재 위치를 특정하기 위해, 전파 항법용으로 쓰이던 라디오항법 방식의 하나인 LORAN-C 와 Omega를 3차원으로 확장시키며 또한 진보시킨 버전의 항법체계이다. 즉, 지상에 박힌 신호송출기를 지구중궤도로 옮겨놓은것. 어떤 3차원 공간에서 3개의 위성을 중심으로 하는 세 개의 구면이 서로 교차되는 지점이 수신기의 위치이다.[4] 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.
비록 최소 3개 이상의 GPS 신호만 이용하면 위치 확인이 가능하다지만, 오차를 줄이고 보다 더 정확한 값을 산출하기 위해서 가능한 한 많은 위성의 신호를 사용한다. 일상에서 사용하는 예로는, 일반적인 차량용 내비게이션에서 수신 상태가 양호할 때 12개의 궤도 상 위성 중 10개 정도의 위성을 이용하여 위치를 계산한다. # 위치 정확도 또한 자체적으로 구할 수 있는데 HDOP 라는 값으로 확인이 가능하다. #
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 오차는 GPS 관리 당국에서 시의적절하게 해결해주며, 단말기에 내장된 프로그램에서 수행하는 오차 보정 계산이 아니라고 한다.
지구에서의 거리별 시간지연 효과 그래프다. x축은 지구중심에서부터의 거리, y축은 거리에 따른 지연시간, 단위는 ps(피코초, 1조분의 1초)
이외에도 GPS에 오차를 만드는 원인은 다음과 같다.
- 전리층의 영향: ± 5 미터
- 대기권의 영향: ± 0.5 미터
- 수치 오차: ± 1 미터 이하
- 천체력 오차: ± 2.5 미터
- 위성의 시계 오차: ± 2 미터
- 전파 경로에 따른 오차: ± 1 미터[5]
3. 역사
GPS 기술은 일종의 '잉여짓'에서 출발했다. 시작은 스푸트니크의 발사로 미국이 충격을 먹었을 때, 미국 존스 홉킨스 대학교의 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 계산 결과 가능성이 있다고 판단되었다. 하나의 신호 송출원의 신호를 지상의 서로 다른 여러 안테나에서 이를 수신하여, 신호가 들어오는 시간차/각도 등을 측정하여 위치를 계산하는 방법에 대한 보고서를 작성했다. 하지만, 해당 보고서는 곧 잊혔다고 한다.[6]그런데, 그 후 핵잠수함이 등장했고, SLBM 같은 핵미사일의 정확한 발사를 위해서는 밤/낮 구분없이 자신의 위치를 정확히 알 필요가 있었다. 그리고, 이 보고서가 다시 주목을 받게 되었다. 보고서에서 나온 기술을 반대로 이용하여, 여러 송출원에서 신호를 쏘고 이를 수신하여 자신의 현재 위치를 계산하는 방법이 등장했는데, 이것이 GPS다. 전파항법의 기술력 개선과 위성항법의 진보이며..
3.1. 개방 이후
본디 미국 국방부 주도로 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. 당시 개발 중이었던 NAVSTAR GPS 프로그램은 이 사건과도 깊히 관련지어져 많은 이야기들이 팩트와 어긋난채로 확대 재생산되고도 있지만, 결과적으론 GPS 위성항법 서비스는 '90년대 초반에 민간에도 개방된다. 단지 당시 미국 항공 전문 기관 연방항공국 FAA가 이 사건을 계기로 더욱 민간에게도 개방할 정당성을 앞세우면서 국방부에 민간용 위성항법 리시버에 선택적으로 가해지는 정밀도 저하 조치를 상당히 완화 시킬 수가 있었다..라는 접근법으로써 돌이켜보는게 합당하다.1세대 위성항법 Transit/N.N.S.S. [7]의 약 400m 오차수준보다 현격히 높은 정밀도 수준인 대략 100m 의 측위 오차수준으로 민간에게 개방된 것이고, 이로써 미 대륙을 오가는 수많은 크고 소/중형 항공기들의 연료 절약과 안전한 항해 및 비행를 도모하게 되고 동시에 전세계의 국가들로까지 제한없이 보급되게 된다.
잠수함 발사 핵미사일의 높은 명중율 보장을 위해 GPS 위성항법을 개발 했었다..라는 아주 잘못되고 널리 퍼진 통설과는 달리, 1세대 위성항법의 다수 부족해보이는 측위 오차 수준[8]으로도 이미 수백kt 급의 핵폭탄이 터뜨려서 끼칠 파괴력의 범위를 감안하면 충분했었던 것이다.
하지만 이미 충분한 오차범위를 확보했더라도 핵미사일의 오차범위를 줄이는 일은 효용가치가 있는 일이다, 핵무기의 정확도가 높아질수록 핵탄두의 중량을 효율적으로 줄이고 비용을 절감할 수 있기 때문이다 실제 중국군과 러시아군의 핵탄두는 미국의 그것보다 1.5배~2배 무겁게 만든다, 핵무기의 비용과 수량문제는 중요한 사항이다
40년이 지난 오늘날에도 여전히 민간부문의 빠른 수송을 담당하는 모든 제트 여객기는 관성항법(기계식 자이로에서 RLG를 채용한 스트랩다운 INS로 더욱 진보 됨)을 기본으로 하여 운용하되, GPS로 누적 오차를 해소할 뿐이다. 민간용 GPS 리시버의 측위 정밀도를군사용의 그것과 동등하게끔 만든 정책인 SA 폐지 [9]가 된 시점 2000년 5월은 자동차 길안내용으로까지 접목되고 저변화 시켜줄 컴퓨터 공학과 마이크로프로세서 제조의 기술 수준이 어느정도 가시권에 들어왔을 때였다.
전파 항법을 일찍히 채용한 대형 항공기나 선박 입장에서 수백m 정도의 측위 오차는 아무것도 아니었고[10], 극지 탐험이나 조난 상황에서 사용하기에도 별 문제는 없었기에 큰 문제는 아니었다. 높은 시점으로 지표면에 낙오한 인명을 구출하러 들어가는 구조팀의 시야범위는 1km의 오차에도 충분하다. 일정한 항로로만 다니는 민간 선박(상술했듯이 1세대 위성항법이 극비도 아니었고 역시 민간에선 적극 도입했지만 대중들과는 거리가 멀었던만큼 현세대에겐 언급조차 거의 없다)들에게도 대략 400m의 측위 오차라면 정말로 충분하다. 더군다나, 기상 조건을 따질 필요가 없어진다. 그럼에도 불구하고 가끔씩 30m 씩이나 훌쩍 벗어나는 측위 오차가 나타나는 현재의 (고정되지 않고 이동중인) GPS 측위 기술은 차선 하나하나를 완전하게 구분하기에는 여전히 무리가 있기에[11] 이를 보정하기 위한 다양한 기술이 개발되었고 접목되고 있다.
처음 민간 개방시에는 일부러 랜덤 에러를 유발시켰기에, 오차 범위가 수십~수백m 에 달했다. 하지만, 항공기나 선박 입장에서 수백m 정도의 오차는 충분히 감내할만한 수준이었고[12], 극지 탐험이나 조난 상황에서 사용하기에도 별 문제는 없었기에 2000년, 클린턴 행정부의 SA폐지 이전까지도 GPS 위성항법의 민간 보급은 순조로웠다. 하지만 도시에서 사용하거나 자동차에서 사용하기에는 상당히 큰 오차였기 때문에 이를 보정하기 위한 다양한 기술 또한 개발되었다. 민간용 GPS의 측위 정밀도가 30m 이하로 정밀해졌고, 차후에 개발된 신호 보정기술과 접목된 GPS 리시버의 경우 2016년 GPS 블록 IIF 세대까지 완성된 시점부터는 빌딩숲을 제외하곤 수m 정도의 안정적인 측위 정밀도를 가진다.
2020년 전후 기준으로 출시된 대부분의 스마트폰은 전술된 네트워크를 통한 위성 접속 보조(A-GPS)[13]를 기본적으로 포함하고 있으며, 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.
2020년 전후 기준으로, 민간 측량사들이 GPS 사용하는 특별한 방법론으론 mm~cm 단위의 측위 오차만을 가질 정도로 정밀해졌다.
그리고 이러한 기술들은 그대로 실생활에 적용되어 휴대폰이나 드론에 접목되었다. 어떤이들은 예술혼을 불태우며 GPS로 글씨를 쓰거나 거리 측정기로 만들어보는 것도 가능해졌을 정도이다.
3.2. 개방 이유에 대한 반론
지배적인 통설 즉, KAL007편 격추 사건을 계기로 그 당시로서도 정상 운용되고 있던 군사적 용도로써 개발된 GPS 위성항법을 민간용으로도 문턱을 낮추고 개방한것이 아니라, 고작 7기만 궤도에 안착시킨 상태였던 당시에 NAVSTAR GPS 프로그램이 국방부와 해군 주도로 개발되고 있음을 정치인들이 널리 공표한것이다. # # 그 당시 구상된 로드맵 상으로도 GPS 위성항법은 90년대 초반에나 완성되리라 계획되었었다. 자동차 길안내는 그 당시엔 꿈에도 꾸지 못했고 민간 항공 및 원양을 오가는 민간 상선과 석유 시추와 관련된 선박 등에서 사용되는 정도로 고려했었다.4. 정밀도
측량 기술 업계에선 D-GPS 기술이 보편화 되었고, GPS는 오차가 약 10m로 정밀한 위치정보가 제한적이라 정확도, 신뢰성을 높이는 위성기반 보강항법시스템(SBAS)을 주요 국가에서 운영하여 오차를 3m 정도로 줄이고 있다. 특수목적이 아닌 범용으로 널리 쓰일 목적으로 한국은 정부 주도의 KASS 프로그램을 시행하게 되었다. 지상에 고정되어 박힌 송출 안테나로부터가 아닌, 정지궤도위성에서도 보정신호를 송출하고 받으며 GPS의 오차를 거의 완전히 해소할 수 있는 정확도를 목표로 삼는다. KASS 기준으로 설명하자면, 기준국이 GPS 신호를 받고 중앙처리국으로 보내 보정한 뒤 정지궤도위성을 통해 송출하면, 사용자는 GPS 위성과 정지궤도위성 신호를 둘다 받아 더욱 정확하게 위치를 알아낸다는 것이다. 항우연 자료 참조또한 여러 타국 위성 항법 시스템을 같이 써서 정확도를 올리는 방법(멀티밴드 GNSS)도 자주 쓰인다. 2020년대에는 웬만한 스마트폰에도 사용되고 국토지리정보원도 본격적으로 쓰고 있다. ※ 단 배터리를 많이 먹는다는 단점 때문에 스마트워치에는 거의 탑재되지 않다가 애플워치 울트라, 가민 페닉스 7 등 하이엔드 제품군에만 왕왕 탑재되는 추세다.
미국의 관리당국에선 다시 군사용 M-Code를 GPS 송출 신호체계에 추가하며 고도의 항재밍 항변조 능력을 갖추게끔 극도로 복잡한 메커니즘을 고안해냈다. 2023년 8월 시점에선 아직은 모든 GPS 위성들이 M-code를 송출하지는 않고 있다. 그렇지만 우크라이나 전장에선 정밀타격미사일 GMLRS 탄종 등에서 이를 반영하여 탄착 정밀도를 보장하고 있다.
5. 이용
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 100m 정도 나도록 만들었었다. 초기에는 저렇게 낮은 정확도로 민간에 제공했으나 저게 여러모로 문제가 되어 현재는 '최악의 경우' 95% 신뢰도 내에서 최대 7.8m의 오차가 발생하는 정도이고, 민간용 최신 SPS 수신 장비를 이용하면 3.5m 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 행정부 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. 2022년 6월 26일 기준, 퇴역한 궤도상의 예비 위성을 제외하고 총 31개의 위성이 궤도를 선회중이다.) 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.
5.1. A-GPS
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 네트워크( 기지국)를 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.
쉽게 말하면 아래의 스샷에서 원 안의 각 점이 자신의 위치에서 보이는(수신할 수 있는) 각 위성의 위치(궤도)를 의미하는데 이 데이터를 전술된 바와 같이 위성으로부터 느리게 세월아 네월아 받는 대신 네트워크를 통해 빠르게 받아와 초기 접속 시(cold start)의 속도를 개선시키는 것이 A-GPS 라고 할 수 있다.
또한 속도 외에도 실내에서 인공위성 신호가 잡히지 않기 때문에 실내에서도 잡히는 네트워크를 통해 GPS를 쓸수 있게 하는 목적도 있다.[14] 그러나 치명적인 단점이 있는데, 바로 네트워크에 의존하는 것이다. 기지국이 문제가 생기면 신뢰도가 우려됨은 물론, 무엇보다도 네트워크 접속이 불가능한 오지에서 쓸 수 없다. 결국 전문 탐험가 등은 직접 인공위성 신호를 바로 받는 GPS 기기가 따로 필요한 것이다. ※
5.2. 군용
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 차폐물이나 전파방해 등에 의해 GPS 신호의 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 몇백만원 짜리 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. 이미 각국의 특수부대와 산악병과를 비롯한 많은 곳에서 GPS가 탑재된 스마트워치는 필수품이 되었으며, 이 수요를 노린 야간투시경 모드, 킬 스위치 등이 내장되어 있는 군용 스마트워치 또한 시장에 많이 풀렸다.
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 지상을 상대로 지상을 향해있는 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 안테나를 사용하거나 장비가 JDAM처럼 저가형 INS라도 같이 달고 있으면 수신되는 신호가 하늘에서 날아오는 것인지 땅에서 솟아난 것인지 방향을 파악하기 때문에 밑에서 올라오는 신호[15]를 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 위치를 추적하거나 대레이더 미사일로 타격하기 용이하다.
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[16]가 교란의 원인이었던 적도 있다. #
5.2.1. 대한민국 국군 도입
구형 무유도 항공폭탄을 개조해 정밀타격하는 국산 KGGB 장비에 기존 상용 GPS가 아닌 미군용 GPS 장비가 들어가게 된다. KGGB 체계는 미국에서 수입한 무기체계도 아닌[17] 순수 국산무기체계인데도 불구하고 미국에서 통 크게 허가를 내린 것. 차후 KGGB 뿐만 아닌 다른 무기체계에도 적용할 가능성도 있으므로 좋은 소식이다.6. 사건사고
태생적 설계 결함으로 인해 1024주(약 19.6년)마다 주간 번호 롤오버(Week Number Rollover) 라는 일종의 오버플로 문제를 겪고 있다. 일종의 GPS판 Y2K 또는, 2038년 문제. 글로나스, 갈릴레오 등 기타 위성항법 시스템에서는 발생하지 않는다고 한다. 발생되는 영향으로는 날짜와 시간 표시가 제대로 되지 않을 수 있으며 현재 위치를 찾는데 오래 걸리거나 아예 찾지 못할 수도 있다. 펌웨어 업데이트 등으로 해결할 수도 있으나 지원이 종료된 구형 장비에서 발생한 경우에는 장비를 바꾸는 수밖에 없다. 현재까지 1999년 8월 21~22일과 2019년 4월 6~7일 사이 두 번 발생했다. 다음 발생은 2038년 12월 말 즈음이 될 것으로 예정되어 있는데, 공교롭게도 2038년에는 2038년 문제라는 다른 오버플로 문제가 존재한다.GPS는 기본적으로 미국이 소유하고 운영하는 시스템이다. 미국이 미친 척하고 자국군만 사용하는 것 외의 GPS 신호를 끊어버리거나, 전파방해를 걸어 민간용 GPS의 에러율을 무지막지하게 크게 만들어 버릴 수 있다. 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
러시아의 우크라이나 침공 중 러시아제 무기들이 GPS로 유도되는 추태들이 서방측 언론을 통해 보도되었다.
7. 유사 서비스
GNSS 참고-
러시아
글로나스라는 러시아 독자적인 위성 항법 체계를 구소련 시절 부터 구축했다. 다른 나라와는 달리 군부에서 운용하며[22], 1982년에 첫 발사 이후 2011년까지 24기가 궤도에 올라가 전 세계를 커버하게 되었다. 현재는 업그레이드형인 글로나스-K2가 발사되고 있으며, 2018년 초에 서비스를 시작했다. 다른 위성항법체계처럼 군사용 코드, 연구용 코드들이 존재하지만 상용 코드에 오차신호를 잘 넣지 않아 일반인들이 쓰기에는 GPS보다 정확한 편이다.[23] 상용 정확도는 초기형은 7.6m의 정확도를 가졌으나 현재는 2.8 ~ 1.4m의 정확도로 서비스 중이며, 2020년 차기 글로나스는 0.6m ~ 10cm의 정확도를 목표로 개발중이다. 연구용 오차는 후보정을 거칠 경우 4~5mm로 알려져 있다.
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EU
Galileo라는 이름으로 구축했다. 참여국이 많다는 특성상 여러 이해관계로 인해 약 2년의 사업 지연이 있었으나 현재는 순조롭게 진행 되었다. 2020년까지 총 30기의 위성을 통해 전 세계 대상으로 정식 서비스를 구축했다. 군사용 코드 또한 존재한다. 2001년 EU측에서 한국의 갈릴레오 사업 참여를 요청한 후에 2006년 한-EU 갈릴레오 협력협정 체결하였다. 때문에 한국도 참여 예정이었으나 EU 측의 사업방식 변경과 반복된 사업 지연으로 한국의 참여가 지지부진하다. 정부는 차세대 갈릴레오 프로젝트에 적극적으로 참여할 예정이지만 기본적으로 EU가입국에게 우선적으로 정보를 제공하기 때문에 한계가 명확한 편이다.[24] 위치 정확도는 상용 1m, 연구용 1cm.
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중국
베이더우(북두, 北斗)라는 독자 위성 항법 체계를 구축했다. 중국은 2015년 기준 18개의 베이더우 위성을 쏘아올려 일부 지역에서 서비스를 하고 있으며, 2020년까지 추가로 위성을 쏘아올려 총 35개의 위성으로 전 세계를 대상으로 서비스할 계획이었다.(그러나 개발속도가 빨라서 2018년 연말부터 전 세계 대상 서비스를 시작했다.) 베이더우는 최신기술을 적용했기 때문에 구축된지 40년이 지난 GPS보다 훨씬 정확하다고 한다. 베이더우의 1차 서비스 영역은 한반도 전체와 일본이 포함되어 있고 2016년에 완성된 2차 영역은 중동을 제외한 아시아 및 오세아니아 지역 전체를 커버하고 있다. 참고로 베이더우 군용 체계는 중국군과 파키스탄이 사용하며 오차율이 수 cm에 불과해 중국군의 전술적인 타격 능력이 상승하는 효과와 더불어 동북아시아에 있는 미국 동맹국인 한국과 일본을 군사적으로 견제할 수 있는 수단이 더 강해진 상태이다. 상용 위치 오차는 10m 이나 아시아 지역은 5m 이다. 연구용 오차는 최적의 조건에서 수직 5mm, 수평 10mm
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일본
QZSS(준천정위성시스템)이라고 불린다. 2010년 실증 개념으로 첫 위성을 발사하고, 2017년 3기의 위성을 추가하여 4기의 위성으로 GPS 오차를 보정하는 서비스를 진행 중이다. 2023년까지 7기의 항법 위성으로 GPS보다 정밀도가 높은 자체 위성항법시스템을 구축할 예정. 위치 정확도는 GPS 신호 보정으로 상용 50cm, 연구용 1mm로 알려져 있다. 재미있게도 일본보다 중국과 한국이 QZSS의 위치보정에 대해 가장 높은 수혜를 입고 있다. #
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인도
IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System)라는 이름으로 구축되었다. 2018년 4월을 마지막으로 총 7기의 위성이 쏘아올려졌는데 2번의 발사 실패로 인해 9번을 쏘아올려야 했다. 고도 약 36,000km에 위치한 3개의 정지궤도 위성과 4개의 경사궤도 위성으로 이루어져 있는데 경사궤도 위성이 2개 씩 짝지어 8자 궤도를 2개 그리면서 인도 대륙과 그 부근을 커버한다. # 위치 오차는 상용 10m, 군사용 10cm, 연구용은 1cm로 알려져 있다. NAVIC이라는 이름도 있다.
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한국
한국형 위성항법시스템(KPS)을 구축할 계획이다. 정지궤도 위성 3기 등 총 7기의 항법위성을 발사·운용해서 2034년 서비스를 시작할 예정이다. 개념 자체는 일본 QZSS와 크게 다르지 않으며 자세한 내용은 항목 참조.
8. 여담
지금은 너무나 보편화 돼 있는 기술이지만 현대 과학기술 7대 불가사의로 선정될 정도로 고도의 기술력이 집약되어 있는 현대 과학기술의 총아라 할 수 있다. 대한민국의 자체 로켓 개발을 위한 시행착오사를 보면 알 수 있겠지만, 인공위성 발사를 위한 로켓 기술부터가 항공우주기술의 총집합체라 할 수 있다. 그걸 기본적으로 24개, 교체를 위해서 쏘아올린 로켓의 양까지 생각하면 상상을 초월하는 수준의 과학, 기술력이 동반되었다고 볼 수 있다. 이외에도 많은 노이즈 중에서 GPS 신호만 온전히 걸러내는 기술 등까지 합치면 현대의 불가사의라 불려도 손색이 없다.[25] xkcd what if에 따르면, 현대 공학기술 중에 일반 상대성 이론과 특수 상대성 이론을 모두 사용해야"만" 하는 몇 안되는 기술이라고 한다. 상세설명삼각 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.
미사일등 무기에 사용될 것을 우려해, 지금도 일반용 GPS 모듈은 속도가 너무 빠르거나 고도가 너무 높으면 작동을 중단하도록 되어 있다. 물론, 군용 GPS 수신 모듈에는 그런 제한이 없다. 이를 CoCom 리밋이라 하며 GPS 수신기가 510m/s 이상의 속도로 이동하거나 18,000m 이상의 고도에 있는 것을 감지할 경우 기능을 제한한다. 물론 이것은 수신기에서 제한하는 것이기 때문에 리밋을 무시할 수는 있다.
GPS와 위치추적 개념을 혼동하는 경우가 빈번하게 목격된다. 대표적으로 ' GPS = 위치추적기'와 같이 통용되는 사례 등을 확인할 수 있다. 위치추적기는 현재의 위치를 알 수 있는 기능(GPS) + 그 위치를 누군가에게 전달하는 기능이 합쳐진 것이다. 따라서 단순히 GPS 기술만으로는 우리가 흔히 아는 - 제3자의 위치를 확인하는 - '위치 추적'을 할 수 없으며, GPS를 통해 확인된 위치정보(좌표)를 LTE나 위성 등 기타 통신 모듈까지 탑재 · 송신하여, 원격지에 있는 서버 내지 상대가 이를 알 수 있도록 해주어야지만 비로소 '위치 추적'의 개념을 구현할 수 있게 된다.
[1]
GPS 이전에는 자이로스코프와 가속도계 같은 것을 이용한
관성항법장치에만 의존해야 했는데, 이건 소요 전력/부피/무게라는 물리적 한계도 있거니와, 항공기에 쓸 수 있을 만큼 정확한 것은 가격이 억 단위가 넘는 데다, 아무리 정밀한 관성항법장치라도 태생적인 한계, 즉 마찰과 편향을 쉽사리 제거하지 못해 작동시간과 거리가 늘어날수록 오차 또한 누적되어 위치 결정이 점점 정확성과는 담을 쌓게 된다는 단점이 컸다.
[2]
라디오와 마찬가지로 GPS 위성은 일방적으로 정보를 쏘기만 한다. 따라서 받아온 정보를 계산해 내 현재 위치를 알아내는 건 오로지 단말기의 몫이다.
[3]
시간까지 측정할 경우 최소 4개, 여기에 정확성과 각도 및 운동 등을 고려해 다른 위성들도 추가한다.
[4]
참고로 단 3개만 사용한 경우 이러한 지점은 두개가 나온다. 다만 다른 한 지점은 우주공간에 있고 더군다서 GNSS 위성들은 본디, 지표면으로 지향할 수밖에 없게끔 고안된 안테나로 전파신호를 송출하기 때문에 고려조차 할 필요 없는것이다.
[5]
주로 높은 건물이나 구조물 등에 의해 발생하며, 탁 트인 곳에서 혹은 움직일 때 해결할 수 있다.
[6]
여담으로 이 내용은 고등학교
영어 독해와 작문에서 본문으로 다뤄지기도 했다.(2017, 능률)
[7]
현재 20기가 넘는 위성들만 극궤도에 남아 공전중이며 장비들은 완전히 도태되었다.
[8]
표에는 100 이상이라고 기입되어있지만 보통 400m 전후
[9]
민간 사용자에게도 무차별적으로 사용할 권한을 주되 정밀성을 떨어뜨리려던 목적으로 일부러 넣던 조치를 그만 두기로 결정 한것이었다.
[10]
대한항공 007편 격추사건에서도 비행기가 원래 항로에서 수백km 나 벗어났다.
[11]
도심지에서 급증하는 전자파의 multi-path + 항상 천정위에 GPS위성이 존재할수 없으므로 완전히 해소 불가능 문제이다.
[12]
대한항공 007편 격추사건에서도 비행기가 원래 항로에서 수백km 나 벗어났다.
[13]
인터넷을 통한 위성 위치(정밀 궤도력 ephemeris 와 almanac 데이터) 정보 사전 다운로드 등
[14]
휴대폰이 쓰는 주파수는 직진성이 세서 멀리는 못가도 벽 정도는 투과할 수 있다.
초단파 참조.
[15]
신호 세기가 작은 만큼 당연히 지구 반대편에서 지구를 뚫고 신호가 날아올 리가 없으므로
[16]
비상 출동 시에 실내에 있던 소방/구급차의 내비게이터가 GPS 정보를 빨리 받아들이게 하기 위해서 차고에 설치해놓았다고 한다. 경험해 본 사람들은 알겠지만 내비게이터가 켜졌을 때 GPS 신호 수신을 할 수 있으면 상대적으로 빠르게 동작하는 경향이 있다. 지하나 실내 차고지 같은 곳에서 켜졌을 경우에는 바깥으로 나간 뒤에도 제법 길게 제대로 동작하지 못하는 일이 많은데, 긴급 출동이 많은 소방서에서는 이런 상황을 피하고자 하는 것이다.
[17]
심지어 미국의 롱샷이란 체계의 겉모양을 베껴온 물건. 그런데 이건 롱샷이 제일 먼저 나왔을 뿐이고 그 뒤에 나온 전 세계의 유사품이 다 비슷한 모양이다.
[베이더우]
[글로나스]
[갈릴레오]
[QZSS]
[22]
미국도 냉전시대와 90년대 중반까지는 군부에서 운용했다.
[23]
오히려 군사용 신호는 GPS대비 떨어지는 것으로 알려저 있다. 미국에서 미국 영토 내부에 글로나스 기지국 건설을 허용하지 않았기 때문이다. 반대로 러시아 영토 내부에는 GPS 기지국이 있어서 기술적으로는 GPS가 더 정확한 편이다.
[24]
이 때문에 영국도 브렉시트 이후 정확한 위치정보를 받을 수 없어 아래 서술된 것처럼 자체 위성항법을 추진중이다.
[25]
다만 이것은 위성이 아니라 수신칩에 들어가는 기술이다.