GPS의 민간분야 확대

오늘날 우리는 스마트폰 없이는 아무것도 못하는 시대로 가고 있다. 기본적인 커뮤니케이션부터 쇼핑, 검색 기능 등 휴대폰 하나로 무엇이든 가능한 그런 시대 말이다. 그 많은 기능들 중에서도 나는 위치정보시스템이 지금의 스마트폰 시장을 여기까지 끌고 왔다고 해도 과언이 아니라고 본다. 처음에는 버스정류장에서 버스가 몇 분 있다가 도착할지를 알게 되다가 내가 사는 곳의 날씨를 알아서 조회해주고 이제는 내비게이션만 켜면 대한민국뿐만 아니라 전 세계 어디서도 운전해서 찾아갈 수가 있게 되었다. 이렇게 편리한 생활이 가능하게 된 것은 복합적인 요인이 있겠지만 가장 큰 이유로 GPS의 민간분야 확대 이용이 아니었을까 싶다. 초기 GPS는 군사적 목적으로 개발되었으나 미국에서는 GPS의 민간분야에서의 활용을 허가하였으며, 이후 지난 20년동안의 민간 분야의 이용은 GPS의 엄청난 발전을 가져왔다.

또한 2000년 5월 2일 SA(Selective Availability)가 해제되면서 민간 분야에서의 GPS는 측지, 측량, 항법, 통신, 기상 등 매우 다양한 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 또한 GPS 기술을 이용하면 수 밀리미터의 정밀도로 지각 및 단층 등의 위치 및 변위 측정이 가능한 것으로 알려져 있다. 현재 세계 여러 나라에서 지각변동 및 지진에 의한 영향을 모니터링하기 위해 GPS 기술을 사용하고 있으며, 최근에는 스마트폰의 보급과 더불어 정밀한 3차원 공간정보를 요구하는 민간용 어플리케이션에 대한 수요도 지속적으로 증가하고 있다.

 

GPS 구성

GPS에 의한 위치결정은 *도플러 위성에서와 마찬가지로 궤도가 정확히 알려진 위성으로부터 송신되는 신호에 위치 결정의 근거를 두고 있다. GPS는 신호를 보내는 위성으로 구성된 우주 부문과 시스템 전체를 제어하는 제어 부문, 그리고 다양한 형태의 수신기를 포함하는 사용자 부문으로 구성되어 운영된다. 우주 부문은 *적도면에 대하여 약 55도 의 경사를 이루고 있는 6개의 궤도면에 각각 4개의 위성과 1~2개의 예비위성으로 배치되어 있으며 약 20,000km 고도 상에서 약 12시간 주기로 궤도 운동을 하고 있다. 이러한 위성 배치는 지구 상 어느 위치에서나 최소 4개 위성의 동시관측을 가능하게 한다.

*도플러변위 : 송신기와 수신기 사이의 거리 변화로 야기된 수신 신호 주파수에서 예측 가능한 변화의 양.

*적도 : 지구의 중심을 지나고 지축에 직교하는 평면과 지표면과의 교선.

GPS 위성의 궤도를 추적하고 위성을 관리하는 제어 부문은 지상에 위치한 5개의 지상 제어국으로 이루어져 있으며, 주요 임무는 궤도와 시각의 예측 및 결정을 위한 위성의 추적, 시각동기, 위성으로의 데이터 전송 등이다. 지상 제어국에서 수집한 위성 추적 자료는 주 관제국에 전송되며, 위성 궤도 및 시각 파라미터를 계산하고 안테나를 통해 GPS 위성으로 정보를 전송한다. 사용자 부문은 수신 단말기로서 위성 신호를 수신하여 정밀한 위치 및 시간 정보를 제공해 준다. 초기에는 항공기, 선박, 육상 차량, 보병 등과 같은 주요 방위시스템을 위한 군사용 위주였으나 최근에는 측량, 차량항법, *GIS, 지진감지 및 방재 등 다양한 분야에서 민간용으로 사용되고 있다. 수신 단말기라 하여 대단한 기계처럼 보이지만 우리가 들고 다니는 스마트폰이다. 수신 단말기 기능을 하고 있는 것이다. 예를 들면 배달의 민족 어플리케이션을 켰을때 내가 설정하지 않아도 위치정보활용에 동의만 하면 우리 동네 맛집이 다 나오는 것처럼 말이다.

*GIS(Geographic Information System) : 지리정보시스템 또는 지형공간정보체계

 

GPS 측량의 기본원리

GPS 위성으로부터 얻어지는 관측 성과는 두 가지가 있다. 첫째는 위성에서 수신기까지의 거리이고, 둘째는 *위상차이다. 위상차는 위성에서 송신된 위성 신호가 지상의 수신기 자체의 발진기에서 생성된 신호와의 위상변위이며 위성에서 수신기까지 거리 계산에 사용된다. GPS 측위법은 위성으로부터 수신기까지의 거리를사용하여 수신기의 위치를 결정하는 측위법이다. 후방교회법으로 미지점의 좌표를 구하는 방법으로 위성의 위치가 기지점이 되고 수신기의 위치가 미지점이 된다. GPS에 의한 3차원 측위법은 단독측위법과 상대측위법으로 구분한다. 단독측위법에서는 한 개의 수신기에서 여러 개(4개 이상)의 위성을 관측하는 방법으로 절대측위법이라고 부르기도 한다. 상대측위법에 비하여 정밀도가 낮다. 반면에 상대측위법은 한 개의 수신기 대신에 두 개의 수신기에서 한 개의 똑같은 위성을 동시에 관측하는 방법으로 단독측위법 보다 정밀도가 높다. 이때 두 점 중 한 점은 기지점으로 사용한다.

*위상차 : 동일 주파수 두 개의 파동에 있어 사이클 상의 같은 위치의 시간적인 빗나감.

 

 

위치 파악의 원리

GPS 위치 파악은 공간측정교차 기술을 이용한다. 여기에서 사용되는 측지기준계는 WGS84로서, 지구의 질량 중심을 원점으로 하는 데카르트 좌표계를 시계방향으로 회전하여 만든 것이다. 이 기준계에서 지구 중심타원체와 WGS84가 연결된다. WGS84 기준계에서의 위성 좌표가 알려진 경우, 위치를 모르는 어느 점의 좌표는 위성과 측점 지점에 있는 수신기에 연결된 안테나의 위상 중심 사이의 거리를 충분히 측정한 후에 관찰된 위성의 좌표와 연결된다. 위치 파악에서 가장 중요한 3가지 기본원리는 절대측위, 상대적 위치 파악, 상대측위이다.