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GPS는이용자의 입체적인 현재 위치, 속도정보, 시간정보를 세계 어느 곳에서나 주야, 기상상태에 관계없이 거의 동시에 제공한다. 측정오차는 10m.

우리는 지난 걸프전 당시 미군 폭격기들에 의한 이라크 폭격상황을 TV 화면을 통해 생생하게 지켜 보았다. 폭격목표물인 이라크군의 진지위치가 모니터에서 점점 클로즈업되면서 사정권내에 설정되는 순간 조종사의 손가락이 빨간 버튼으로 옮겨지면서 간단하게 임무를 완수하고 기수를 돌린다. 마치 전자오락게임의 한 장면을 보는 것 같은 착각을 일으키지만, 이는 분명히 위성을 이용한 현대전자전의 단면을 보는 것이다.

이러한 상황을 전개시키고 임무를 완수하기까지에는 정찰위성과 항법위성의 역할이 중추적이었음은 말할 것도 없다. 위성을 이용한 위치측정시스템으로는 미국 NNSS와 GPS, 옛소련의 GLONASS와 프랑스의 ARGOS가 있고, 구상단계에 있는 ESA의 NAVSAT, 독일의 GRANAS가 있다. 이 중에서 가장 주목 받고 있는 것은 '전세계 위치 측정시스템'인 GPS(Global Positioning System)로 1960년대 중반 미 해군이 수동 측정방식을 개선코자 개발에 착수한 이후, 공군이 주체가 돼 1980년경 완전실용화를 목표로 개발이 추진됐다.

동시 3개 위성 신호 필요

GPS에 의한 위치측정은 동시에 3개 위성으로부터의 신호가 필요한데, 이용자의 입체적인 현재 위치 및 속도정보와 시간(real time)정보를 세계 어느 곳에서나 주야, 기상상태에 관계없이 거의 동시에 제공하며 위치 측정 오차는 약 10m 이내를 자랑한다. 따라서 군사용으로 처음 사용돼 왔지만 그 뛰어난 정밀도 때문에 민간부문에서도 점차 그 이용도가 확대되고 있다.

민간부문에서의 두드러진 이용분야는 자동차 분야다. 1987년 10월 제27회 동경 모터쇼에서 CD-ROM(지도를 기억하는 CD 메모리)을 사용한 운행 시스템이 발표돼 비상한 관심을 집중시켰다. 그 후 최근 일본에서 실용화 단계에 있는 자동차 운행 시스템이 도시교통 정보시스템의 차량탑재 단말로서 기대되면서 시장은 급속도로 확대되는 기미를 보이고 있다. 1992년 말 현재 약 3만 대 정도 보급된 것으로 추정되고 있다.
우리나라도 얼마 전 경찰청에서 GPS를 교통 순찰차에 도입해 신고자의 위치를 자동으로 표시하는 기능 및 범죄현장 추적에 사용할 계획을 발표한 바 있고, 산업계에서도 GPS수신기를 국내 기술로 개발해내 점차적으로 사용확산이 기대되고 있다.

GPS는 인공위성에서 발사된 전파를 수신해 자기 자신의 위치를 정확하게 검지하는 시스템으로 전체 시스템은 우주부분 제어부분 이용자부분으로 분류된다. 우주부분은 GPS위성의 궤도감시 및 GPS위성과 제어부분 사이의 정보전달에 관여하는 기능을 갖는 SD(Surveillance Data link)위성과 GPS위성으로 크게 나누어진다.

제어부분은 위성으로부터의 신호를 수신해 위성의 궤도 등을 추적하는 모니터국(여러 지역에 분사돼 있음)과 모니터국에서 보내는 데이터를 수집하고 시스템 전체를 제어하는 주제어국과 주제어국에서 완성된 데이터를 송신하거나 위성으로부터의 전파를 수신하는 지상 안테나 및 각국을 연결하는 통신시설 등으로 구성돼 있다.

이용자부분은 GPS신호를 수신해 이용하는 개개의 사용자 전체를 뜻하며 이 사용자는 GPS신호를 처리해 위치측정 및 시각비교 등에 이용하게 된다. 이 시스템에 대한 기본구상은 지구를 중심으로 적도면 55°의 기울기를 갖는 6개의 서로 다른 궤도면을 가지며 위성의 고도는 약 2만㎞, 원형궤도를 회전하는 주기는 약 12시간으로 합계 24개의 위성(주21, 예비3)을 배치시켜 시스템을 구성하게 된다.

GPS는 당초 1986년 최초 실용위성을 우주왕복선(Space Shuttle)으로 발사해 1989년 완전 운용할 계획이었으나 챌린저호사고로 대폭 연기됐으며, 1989년 2월 최초 실용위성의 성능을 개선해 델타 로켓으로 발사됐다. 24개 위성의 전면적 운용은 1993년중으로 계획돼 있다. 이 시스템이 완성될 시기에는 지구상의 어느 위치에서도 항상 4개 이상의 위성이 수신권내에 있도록 배치돼 가장 단시간내에 지구상 어느 곳에서나 입체적인 위치 및 거리측정이 가능하게 된다.
 

민간용은 C/A코드만 허용

GPS위성은 프로토타입(proto-type) 위성인 블록1(Block-1)과 실용위성인 블록2(Block-2)로 구분된다. 블록1위성은 현재 6개가 운용되고 있으며 특정지역에서는 1일 최대 7시간의 항법정보를 얻을 수 있다. 블록2 위성은 궤도상 운용 초기 중량이 8백40㎏이다. 블록1위성의 수명은 5년이지만 블록2위성은 태양전지의 성능을 개선해 수명을 5년에서 7.5년으로 늘렸다. 또한 UHF 주파수대의 통신용 중계기가 추가됐고, 위성의 자세제어방식이 아날로그방식에서 디지털방식으로 변경됐다. 전 장비를 탑재한 블록2 위성의 중량은 9백30㎏이다.
 

GPS위성에는 정밀한 시간 표준기로서 ${10}^{-13}$초/일의 높은 안정도를 갖는 루비듐발진기와 세슘발진기를 사용한 원자시계가 탑재된다. 각 위성의 시계는 지상제어국에서 항상 모니터해 시간보정 데이터와 위성궤도예측 데이터를 각 위성에 송신해 정기적으로 교정을 수행하므로 항상 전체시스템이 정확한 기준시간에 일치된다.

위성의 발진기는 10.23㎒를 기준 주파수로 발진하고 위성의 실제 송신주파수는 기준발진 주파수보다 0.00455㎐ 낮은 10.22999999545㎒다. 위성에서는 엘밴드(L-Band; 390~1550㎒의 극초단파대)의 2개 주파수 L1과 L2를 송신한다. 표준위치 측정용인 L1주파수는 1575.42㎒(10.23×154), 고정밀위치 측정용인 L2 주파수는 1227.6㎒(10.23×120)으로서 2개 주파수는 1백54대 1백20의 관계가 있다.

각 위성이 송신하는 거리측정신호는 P코드(Precision code)와 C/A코드(Clear Acquisition)의 2종류로 구분된다. P코드는 정밀측정을 목적으로 한 코드로서 변조속도가 10.23Mbps이며, L1과 L2의 2개주파수를 사용한다. 따라서 전리층 및 대기의 상태에 따른 전파지연오차 발생시 보정이 가능하며 C/A코드에 비해 보다 정밀한 위치측정을 제공한다. 그러나 민간용으로는 C/A 코드밖에 개방돼 있지 않다. C/A코드는 표준측위 및 P코드의 보조용으로 사용하며 L1주파수에서만 송신된다.

위치측정의 원리는 다음과 같다. 위성의 위치와 관측점 간의 거리를 알 수 있다면 관측 지점은 위성이 있는 위치를 중심으로 해 이 거리를 반경으로 하는 구면상의 한 점에 있다. 즉 위성 1개에 대해 1개의 구면이 대응되므로 3개의 위성을 사용하면 3개 구면의 교차점으로 관측점의 위치가 정해진다.

실제 관측에서는 관측지점의 좌표(3차원이므로 3개) 외에 관측지점에서의 수신기 시계의 벗어남(off set)정도도 미지수로 있기 때문에 미지수는 4개가 된다. 그래서 위치정보를 구하는 데 필요한 위성의 수는 4개가 된다. 4개의 구면이 1점에서 교차하도록 수신기 시계의 벗어남을 수정한다. 표시의 편의상 2차원 측정의 경우를 생각하면 그림에서와 같이 수신기 시계의 벗어남 때문에 3개의 원이 1점에서 교차하지 않고 작은 삼각형 영역을 만들게 된다. 위치를 계산하는 것은 삼각형 영역이 없어져서 3개의 원이 1점에서 교차되게 3개 원의 반경을 같은 양만큼 수정하는 것이다.
 

2가지 위치측정 방법

GPS위성을 이용한 위치측정방법은 직접법과 간섭법의 2가지 방법이 있다. 직접법은 복수의 위성으로부터 신호를 수신해 위성시간 궤도요소 등의 항법정보를 해독함으로써 수신자의 절대위치를 직접 산출하게 된다. 수신기는 3개 이상의 GPS위성 항법신호를 수신해, 수신기에 내장된 간단한 수정시계에 의한 시간과 항법정보에서 얻어지는 위성시간과의 차로부터 위성까지의 거리를 측정해 수신점의 3차원적 위치를 구한다. 이 방법에 의한 위치측정 정밀도는 C/A코드의 경우 30~100m 정도의 정밀도를 갖는 반면 P코드는 약 10m 이내의 정밀도를 갖는다.

간섭법은 두개지점에서 GPS위성의 전파를 수신해 두대의 수신기에 도달되는 신호의 도달시간차(doppler shift)로부터 상대적 위치측정을 행한다. 전파지연 시간오차 등 공통적인 오차를 상쇄해 산출하는 방법으로 직접법에 비해 1~2배 높은 정밀도를 얻을 수 있다. 이러한 방법은 측지·측량분야에 응용이 기대된다.

이처럼 GPS의 이용분야는 단순한 지표면의 이동체 항법에서 우주선의 항법, 일반측량, 지각변동(지진의 예지), 지반침하, 화산분화예지 시간비교, 초고층대기연구, 정밀위치측정 등 광범위한 응용이 예상된다.