MOTORCYCLE T.M.I

GPS의 원리를 알아보자

스마트폰으로 내비게이션을 사용하는 것이 당연하고 자연스러운 스마트 시대다. 내비게이션의 핵심기술인 GPS 시스템 덕분에 길을 잃지 않고 투어를 할 수 있고 도로 밖에서도 위치를 파악하며 오프로드를 즐길 수 있다. 라이더에게 더 많은 길을 열어주는 고마운 GPS에 대해 알아보자.

위성 위치 확인 시스템

GPS(Global Positioning System)는 GPS 위성에서 보내는 신호로 사용자의 현재 위치를 계산하는 위성위치확인시스템 중 하나다. 우리나라는 GPS 시스템을 사용하고 있기 때문에 위치 확인 시스템을 통틀어 GPS라고 부른다. 하지만 GPS는 미국에서 군사용 목적으로 개발한 위치 확인 시스템을 뜻한다. 세계적으로 위치 확인 시스템에는 미국의 GPS, 러시아의 글로나스^GLONASS, 유럽연합의 갈릴레오^GALILEO 그리고 중국의 베이더우^BeiDou가 있다.

미국은 1973년 폭격의 정밀도를 높이기 위한 군사용 목적으로 GPS 시스템 개발을 시작했고 1978년 첫 GPS 위성 블록(BlockⅠ)을 발사했다. 초기엔 미국의 군사용으로만 사용되던 GPS는 1983년 KAL007기 피격사건을 계기로 당시 미국 대통령이었던 로널드 레이건이 민간인들도 GPS 프로그램을 무료로 사용할 수 있게 허용했다. 하지만 미국은 1990년부터 고의적으로 잡음(SA)을 내보내 당시 군사용 정밀 위치 추적 시스템은 5~15m의 정밀도를 가진 반면 민간용 서비스는 30~100m의 오차를 갖기도 했다.

1995년 21개의 주 위성과 3개의 보조 위성의 배치가 완료되며 완전한 GPS 시스템을 갖추게 되었고 2000년 클린턴 대통령이 SA 발생 중단을 선언하며 민간 서비스도 오차 범위 30m 이하로 정밀해졌다. 현재까지 알려진 것에 의하면 총 30개의 GPS 위성이 20,000km 상공에서 돌고 있다. 총 6개의 궤도에 궤도 당 4개의 위성이 배치되어있고 나머지 6개의 위성은 문제 발생 시 백업 역할을 수행한다. 6개의 위성 궤도를 지나는 24개의 위성은 세계 어디에서도 최소 6개의 GPS 위성을 관측할 수 있도록 설계되었다. GPS 위성은 태양 에너지로 작동하며 수명은 10년 남짓이다.

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시간과 빛에 대한 깨알 상식

1초

1967년 국제도량형총회에 의해 1초는 세슘-133원자가 반응하는 특정 주파수의 전파를 비췄을 때 91억 9263만 1770회 진동하는 시간으로 규정된다.

1M

시간은 길이 측정에도 사용된다. 1M는 빛이 2억 9979만 2458분의 1초 동안 진공 속을 나아가는 거리로 정의된다. 계산하면 1M는 세슘-133원자가 특정 조건에서 약 30.663 회 진동하는 동안 빛이 진공 속을 나아가는 거리다.

원자시계

현존하는 가장 정확한 시계로 세슘-133원자에 의해 시간을 계산한다. 오차 범위는 30만 년에 ±1초다.

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GPS의 원리

CHAPTER1. 삼각측량

GPS 시스템은 GPS 위성과 GPS 수신기의 거리를 계산해 좌표 값을 구해 위치를 알아낸다. 우리가 정확한 GPS 위성의 위치와 거리를 알 수 있다고 가정하자. 우리는 3차원의 세계에 살고 있지만 실제로는 2차원에 가까운 지표면에 살고 있기 때문에 원리적으로는 3개의 위성만 있어도 삼각 측량법에 의해 정확한 위치를 알아낼 수 있다. 

하지만 GPS 위성의 시간과 수신기의 시간이 정확하게 일치하지 않기 때문에 오차가 발생한다. 그래서 오차 값을 보정해줄 하나의 정보가 더 필요하고 최소 4개의 위성의 신호를 통해 계산해야 오차 범위가 더 작은 비교적 정확한 위치를 파악할 수 있는 것이다. 일반적으로 현재 우리의 위치는 4개 이상의 GPS 위성을 통해 파악된다. 당연히 그 수가 늘어날수록 정확도는 더 커진다.

GPS가 위치를 알아내는 기본 공식
삼각측량(Triangulation)

1. 하나의 위성과의 정확한 거리를 알고 있다면 현재 위치는 위성을 중심으로 하는 구면의 어느 한 지점일 것이다.

2. 두 개의 위성으로 측정한다면 나의 위치는 두 위성의 각각의 구면이 서로 겹치는 원 위의 어느 한 점일 것이다.

3. 이론적으로 세 개의 위성으로 측정하면 세 개의 구면이 겹치는 한 점으로 위치를 찾을 수 있다.

4. 하지만 실제로 다양한 변수에 의해 오차가 존재하기 때문에 정확한 위치를 파악하기 힘들다.

5. 따라서 하나의 위성으로부터 정보를 더 전달받아 정확한 점(위치)을 구한다.

CHAPTER2. 거리 계산

GPS 위성으로부터 수신기까지의 거리는 의사거리(GPS 위성의 신호 발생 시점과 수신 시점의 시간 차이)에 빛의 속도(300,000km/s)를 곱해 계산된다. GPS 위성은 위치 신호 발생에 일정 간격으로 고유한 잡음을 발생시키는데 이 시간차로 의사거리를 알 수 있다. GPS 위성의 신호 발생 시점과 수신 시점의 시간 차이를 의사거리라고 하는 이유는 계산 거리와 실제 거리에 오차가 생길 수 있기 때문이다. 오차가 발생하는 이유는 GPS 위성에는 30만 년에 ±1초의 오차가 발생한다는 원자시계가 탑재되어있는 반면 GPS 수신기엔 일반적으로 원자시계보다 정확도가 떨어지는 시계가 들어있기 때문이다.

단순히 위성의 위치와 시간 오차 외에도 정확한 위치를 파악하는 데는 여러 가지 방해요소가 존재한다. 대기층 변화에 따라 굴절이 달라져 거리 오차가 생기기도 하고 방해 전파들에 의한 혼선이 생기기도 한다. 또 도시의 빌딩이 전파를 다중 경로로 바꾸기도 한다. 하지만 이 모든 방해 요소들에 대한 대책이 마련되어 있어 우리는 편하게 GPS 시스템을 이용할 수 있다. 만약 우리가 이동 중이라면 또 이동 속도가 변화한다면 위치 파악은 더 어렵게 된다. 고속으로 운동하는 물체일수록 시간의 흐름이 느려지며 길이는 줄어드는 상대성 이론이 적용되기 때문이다. 내비게이션에서 발생하는 오차는 이제 이해하고 애교로 받아줘야 할 것 같다. 결론적으로 우리가 위치를 알 수 있는 가장 핵심 원리는 시간과 빛의 물리학 덕분이다. 이에 대해 더 자세히 더 많은 걸 알고 싶지만 그렇다면 우리는 양자역학과 상대성 이론, 열역학 법칙까지 상대해야 하니 이 정도로 만족하자.

라이딩의 즐거움을 더해 줄
GPS APP

스마트폰의 보급으로 GPS 기술은 더 일상에 가까이 다가왔다. 라이더에게 자유와 즐거움을 더 해줄 애플리케이션을 모아봤다.

램블러^Rambler

등산용 GPS로 출시된 애플리케이션으로 경로 설정과 공유가 가능하고 이동 속도가 그래프로 기록되어 어드벤처 대회에서 사용되곤 한다.

리라이브^Relive

저장된 GPS 기록을 위성 사진을 기반으로 한 버드뷰 영상으로 추출해준다. 투어 코스를 하늘에서 다시 보며 추억을 되새길 수 있다.

야마하 마이라이드^{YAMAHA MY RIDE}

GPS 정보를 바탕으로 이동거리와 평균 속도, 이동 구간 등을 기록한다. 스마트폰의 내장된 자이로 센서를 이용해 뱅킹 각도 측정해주어 와인딩 투어 시 재미를 더 할 수 있다. 단 정확한 정보는 아닌 만큼 기록을 위해 무리하지 말 것.

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글 조건희

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