소련의 스푸트니크 인공위성으로부터 시작된 GPS의 발전사

GPS는 Global Positioning System의 약자로, 지구상의 위치 정보를 제공하는 위성 기반의 위치 결정 시스템입니다. 이 시스템은 미국 국방부에서 개발되었으며, 미국 국방부가 관리하고 운영하고 있습니다. GPS는 무료로 이용할 수 있으며, 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

1.GPS의 역사

GPS의 역사와 할용범위와 발전사

GPS의 역사는 1940년대 제2차 세계 대전 당시의 지상 라디오 항법 체계에서부터 시작되었습니다. 그 후 소련이 세계 최초로 인공위성 스푸트니크를 발사하자 미국의 연구팀은 소련의 인공위성에서 송신되는 전파를 모니터링하였습니다.

이로 인해 위성의 고도에 따라 전파의 주파수가 바뀐다는 점에 착안하여 위치를 결정할 수 있음을 알게 되었습니다.

이를 배경으로 미국의 기술이 발전함으로써 현재의 GPS 기술을 보유하게 된 것입니다.

이러한 기술을 개발 초기에는 군사적 목적으로만 사용하였지만 1983년 큰 사건으로 인해 민간인들이 사용할 수 있게 되었습니다. 그 사건은 한 소련 전투기가 한 민간 여객기를 격추시킨 케이스입니다. 이 사건은 민간 여객기가 소련 영공을 침범했다는 이유로 발생했는데, 이는 민간 여객기가 정확한 위치 정보를 갖고 있지 못했기 때문입니다. 이 사건을 계기로 미국은 GPS를 민간에게 개방하기로 결정하였습니다.

처음 미국이 GPS를 공개했을 당시, 정밀도 신호는 군용으로 남기되, 민간용으로는 고의적으로 잡음을 넣어 정확도를 낮추어 개방했습니다. 그러나 민간 기업들이 정밀도를 높이는 우회로를 발견했고, GPS의 경제적 영향이 무시 못할 수준이 되자, 2000년에 이르러 미국 빌 클린턴 대통령은 이러한 선별적 활용의 종식을 선언했습니다.

2.GPS의 유래

GPS의 유래는 위성 항법 시스템의 원조인 트랜짓(Transit) 시스템에 있습니다. 트랜싯 시스템은 1950년대 후반과 1960년대 초에 걸쳐 미 해군이 개발한 시스템으로, 1964년부터 가동되기 시작하였고 1969년에 일반에게 공개되었습니다. 트랜싯 시스템은 지구 상공에 있는 저궤도 위성으로부터 신호를 수신하여, 수신기의 위치와 시간을 결정하는 방식이었습니다. 트랜싯 시스템은 주로 해상 항법에 사용되었으며, 최대 25m 정도의 정확도를 가졌습니다.

트랜싯 시스템은 GPS의 전신이었지만, 몇 가지 한계점이 있었습니다.

첫째, 트랜싯 시스템은 저궤도 위성을 사용했기 때문에, 위성이 수신기의 수평선 위에 있을 때만 신호를 수신할 수 있었습니다. 이는 신호 수신에 시간적 제약을 가져왔습니다.

둘째, 트랜짓 시스템은 수신기의 위치를 결정하기 위해 수신기의 정확한 시간을 알아야 했습니다. 이는 수신기에 정밀한 시계를 탑재해야 했음을 의미했습니다.

셋째, 트랜짓 시스템은 위성의 궤도가 지구의 중력장과 태양의 중력장에 영향을 받아 변화하기 때문에, 궤도 정보를 정기적으로 갱신해야 했습니다. 이는 추가적인 비용과 노력을 요구했습니다.

이러한 한계점을 극복하기 위해 미국 국방부는 1970년대 초부터 GPS 개발 프로젝트를 시작하였습니다. GPS는 트랜싯 시스템과 달리 중궤도 위성을 사용하여 지구상의 어떤 위치에서도 신호를 수신할 수 있게 하였습니다. 또한, GPS는 위성에서 전송되는 시간 신호와 동기화된 시계를 내장하여, 수신기의 위치와 시간을 동시에 결정할 수 있게 하였습니다. 또한, GPS는 위성의 궤도 정보를 신호에 포함하여 전송하여, 궤도 정보의 갱신이 필요 없게 하였습니다.

3.GPS의 현재 활용되는 분야

GPS는 현재 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. GPS는 위치 정보를 이용하여 여러 가지 유용한 기능을 제공하며, 휴대용 GPS 수신기를 통해 이용할 수 있습니다. 또한, 최근에는 스마트폰이나 차량 내비게이션 등 다양한 디바이스에서 GPS를 내장하여 제공하고 있습니다. 다음은 GPS가 현재 활용되고 있는 몇 가지 분야입니다.

-차량 내비게이션 : GPS를 이용하여 차량의 위치를 파악하고, 길 찾기 기능을 제공합니다.

-항공기 내비게이션 : GPS를 이용하여 항공기의 위치를 파악하고, 항로를 안내하는 등의 기능을 제공합니다.

-해상 내비게이션 : GPS를 이용하여 선박의 위치를 파악하고, 항로를 안내하는 등의 기능을 제공합니다.

-산악 등반 : GPS를 이용하여 등반하는 산의 위치와 높이를 파악하고, 길 찾기 기능을 제공합니다.

-스포츠 활동 : GPS를 이용하여 달리기, 자전거 타기, 등산 등의 스포츠 활동에서 이동 경로와 거리, 속도 등을 기록할 수 있습니다.

-긴급 구조 작전 : GPS를 이용하여 재난 상황에서 실시간으로 구조 대상자의 위치를 파악할 수 있습니다.

군사적 용도 : GPS는 원래 미국 국방부에서 개발된 기술이기 때문에, 군사적 용도로도 사용됩니다. GPS는 위치 정보를 이용하여 무기 유도, 병력 배치, 작전 계획 등에 활용합니다.

-과학적 연구 : GPS는 과학적 연구에도 많이 사용됩니다. GPS는 지구의 표면 변화, 지진, 화산, 기후 변화 등을 관측하고 분석하는 데 도움이 됩니다. 또한, GPS는 우주 탐사에도 사용됩니다. GPS는 인공위성의 궤도를 추적하고, 탐사선이나 로버의 위치를 파악하는 데 사용됩니다.

-농업 : GPS는 농업에도 사용됩니다. GPS는 농장의 면적을 측정하고, 작물의 상태를 모니터링하고, 정밀 농업을 실현하는 데 사용됩니다. 정밀 농업이란, GPS와 센서 등을 이용하여 작물의 수확량, 품질, 건강 등을 최적화하는 기술입니다.

-산업 : GPS는 산업에도 사용됩니다. GPS는 건설 현장에서 위치 측량과 설계를 돕고, 운송 업계에서 화물의 위치와 운송 경로를 관리하고, 통신 업계에서 시간 동기화와 주파수 조정을 하고, 금융 업계에서 거래 시간과 장소를 기록하는 데 사용됩니다.

-문화 예술 : GPS는 문화 예술에도 사용됩니다. GPS는 사진이나 영상에 위치 정보를 부가하거나, 위치 정보를 이용하여 창작 활동을 하는 등의 방식으로 사용됩니다. 예를 들어, 지오캐싱(Geocaching)이라는 활동은 GPS를 이용하여 숨겨진 보물을 찾아내는 게임입니다.

-우주선 내비게이션: GPS를 이용하여 우주선의 위치와 속도를 측정하고, 궤도 조정과 재진입을 위한 안내를 제공합니다.  국제우주정거장 (ISS)은 GPS 신호를 이용하여 자신의 궤도와 고도를 유지하고 있습니다.

-우주환경 연구: GPS를 이용하여 지구 주변의 전리층과 자기권의 상태와 변화를 관측하고 분석합니다. NASA의 골드 (GOLD) 위성은 GPS 신호를 이용하여 전리층의 온도와 밀도, 나이트 글로우 (nightglow) 현상 등을 연구하고 있습니다.

-지구관측 연구: GPS를 이용하여 지구의 기후 변화와 자연재해에 관련된 정보를 수집하고 예측합니다. NASA의 그레이스 (GRACE) 위성은 GPS 신호를 이용하여 지구의 중력장과 대기압을 측정하고, 지구의 빙하와 해수면 변화 등을 연구하고 있습니다.

GPS는 인공위성을 통해 정확한 위치 정보를 제공하는 놀라운 기술입니다. 다양한 분야에서 활용되고 있는 GPS는 우리 생활에 많은 편리함과 유익함을 줍니다. NASA에서는 GPS를 우주 탐사와 지구 관측에 활용하며, 인류의 지식과 문명을 발전시키는데 기여하고 있습니다.

GPS는 위와 같은 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. GPS는 우리의 삶에 많은 편리함과 유익함을 제공하고 있습니다. 하지만, GPS에도 몇 가지 문제점이 있습니다. GPS는 전자파 간섭이나 위성 고장 등으로 인해 신호가 약해지거나 손실될 수 있습니다. 또한, GPS는 개인 정보 침해나 사생활 침해 등의 위험도 있습니다. 따라서, GPS를 사용할 때에는 이러한 문제점들을 인식하고 적절한 대처 방법을 갖추어야 합니다.

4.GPS의 정확도는?

GPS 수신기의 종류와 사용 환경에 따라 다릅니다. 일반적으로 GPS 수신기는 수평 정확도 3m 이상, 수직 정확도 5m 이상을 달성할 수 있습니다.

증강 GPS 시스템은 서브 미터 정확도를 제공할 수 있습니다.

GPS의 정확도에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있습니다. GPS 위성의 상대 위치, 대기 굴절, 다중 경로 효과, 위성 시간 및 위치 오차, 선택적 가용성 등이 있습니다.

이러한 요인들은 GPS 신호의 전파 속도나 시간차이를 변화시켜서 오차를 발생시킵니다.

GPS 정확도를 향상하기 위한 방법은 여러 가지가 있습니다. 차등 GPS (DGPS)는 고정된 GPS 수신기의 보정 데이터를 이용하여 이동하는 GPS 수신기의 위치를 수정하는 방법입니다.

위성 기반 확대 시스템 (SBAS)은 위성에서 보내는 보정 신호를 이용하여 위치를 서브 미터 정확도로 향상하는 방법입니다.

GPS는 Global Positioning System의 약자로, 지구상의 위치 정보를 제공하는 위성 기반의 위치 결정 시스템입니다.

5.GPS가 작동하는 방식은?

GPS는 지구 상공에 있는 24개 이상의 GPS 위성으로부터 신호를 수신하는 GPS 수신기로 구성됩니다. GPS 위성은 정밀한 궤도를 통해 하루에 두 번 지구 주위를 공전하며, 각각의 위성은 고유의 신호와 궤도 파라미터를 전송합니다.

GPS 수신기는 위성에서 전송된 신호와 수신기에서 수신된 신호의 시간차이를 측정하여, 위성과 수신기 사이의 거리를 구할 수 있습니다. 이때 송신된 신호에는 위성의 위치에 대한 정보가 들어 있습니다.

GPS 수신기는 최소한 세 개 이상의 위성과의 거리와 각 위성의 위치를 알게 되면, 삼변측량이라는 방법을 이용해 수신기의 위치를 계산할 수 있습니다.

삼변측량이란, 세 개의 원이 만나는 지점을 찾는 것으로, 각 원의 중심은 위성의 위치이고, 반지름은 위성과 수신기 사이의 거리입니다.

그러나 시계가 완전히 정확하지 않기 때문에 오차를 보정하고자 보통 네 개 이상의 위성을 이용해 위치를 결정합니다.

위성은 시간 오차를 보정하는 역할을 합니다. 또한, 더 많은 위성을 이용하면 정확도를 높일 수 있습니다.

GPS 수신기는 이렇게 계산된 위치와 시간을 좌표와 속도로 변환하여 화면에 표시하거나 다른 기능에 사용합니다.

GPS는 미국에서 발사한 32개의 위성을 이용하여 전세계 어디서나 위치 정보를 제공하는 시스템입니다.

GPS는 통신사와 무관하며, 데이터 네트워크가 연결되어 있지 않아도 사용 가능합니다.

GPS는 항법, 항공, 해상, 산악, 스포츠, 긴급 구조, 군사, 과학, 농업, 산업, 문화 예술 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

GPS를 사용하려면 GPS 수신기가 필요합니다. GPS 수신기는 스마트폰이나 차량 내비게이션 등 다양한 디바이스에 내장되어 있거나, 별도로 구매할 수 있습니다.

GPS 수신기는 위성에서 전송된 신호와 시간차이를 측정하여 자신의 위치와 속도를 계산하고 화면에 표시하거나 다른 기능에 사용합니다.

GPS의 정확도는 GPS 수신기의 종류와 사용 환경에 따라 다릅니다. 일반적으로 GPS 수신기는 수평 정확도 3m 이상, 수직 정확도 5m 이상을 달성할 수 있습니다.

증강 GPS 시스템은 서브 미터 정확도를 제공할 수 있습니다.

GPS의 정확도에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있습니다.

위성의 상대 위치, 대기 굴절, 다중 경로 효과, 위성 시간 및 위치 오차 등이 있습니다.

이러한 요인들은 GPS 신호의 전파 속도나 시간차이를 변화시켜서 오차를 발생시킵니다.

GPS는 전세계 어디서나 위치 정보를 제공하는 편리하고 유용한 기술입니다. 하지만 GPS에도 몇 가지 문제점이 있습니다. GPS는 전자파 간섭이나 위성 고장 등으로 인해 신호가 약해지거나 손실될 수 있습니다. 또한, GPS는 개인 정보 침해나 사생활 침해 등의 위험도 있습니다. 따라서, GPS를 사용할 때에는 이러한 문제점들을 인식하고 적절한 대처 방법을 갖추어야 합니다.

6.GPS를 사용하면서 주의해야 할 점은?

GPS는 전자파 간섭이나 위성 고장 등으로 인해 신호가 약해지거나 손실될 수 있습니다. 이 경우 GPS의 정확도가 떨어지거나 위치를 결정할 수 없게 될 수 있습니다. 따라서 GPS를 사용할 때에는 신호 상태를 확인하고, 가능한 하늘이 잘 보이는 곳에서 사용하시기 바랍니다. 또한, GPS는 지도와 함께 사용하는 것이 좋습니다. GPS가 오작동하거나 고장 날 경우에도 지도를 통해 위치를 파악할 수 있기 때문입니다.

GPS는 개인 정보 침해나 사생활 침해 등의 위험도 있습니다. GPS는 자신의 위치 정보를 저장하거나 전송할 수 있기 때문에, 이 정보가 누출되거나 남용될 경우에는 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 GPS를 사용할 때에는 개인 정보 보호를 위해 필요한 설정을 하시기 바랍니다. GPS를 사용하는 앱이나 서비스에서 위치 정보 공유 범위나 권한을 설정하거나, 위치 정보를 삭제하거나 비공개로 설정하는 등의 조치를 취할 수 있습니다.

GPS는 원래 군사적 목적으로 개발된 기술이기 때문에, 일부 국가나 지역에서는 GPS 사용을 제한하거나 금지하고 있습니다. 이 경우 GPS를 사용하면 법적인 처벌을 받을 수 있습니다. 따라서 GPS를 사용할 때에는 해당 국가나 지역의 법률과 규정을 확인하고 준수하시기 바랍니다.

7. 향후 GPS의 발전 가능성이 높은 분야는?

GPS는 인공위성을 통해 정확한 위치 정보를 제공하는 기술로, 현재 차량, 항공기, 선박, 산악, 스포츠, 긴급 구조, 군사, 과학, 농업, 산업, 문화 예술 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. GPS의 기술은 다음과 같은 방향으로 더 발전될 것으로 예상됩니다.

-인공지능 (AI)과 기계학습 (ML) 기술의 통합: AI와 ML 기술은 GPS 장치에 더 많은 지능과 학습 능력을 부여할 수 있습니다. GPS 장치는 AI와 ML을 이용하여 사용자의 행동 패턴과 성향을 분석하고, 최적의 경로나 목적지를 추천하거나, 실시간으로 교통 상황이나 위험 요소를 감지하고 대응할 수 있습니다.

-증강현실 (AR) 기술의 활용: AR 기술은 GPS 장치에 디지털 정보를 현실 환경에 겹쳐서 보여줄 수 있습니다.GPS 장치는 AR을 이용하여 사용자에게 길 안내나 관광 정보를 시각적으로 제공하거나, 게임이나 쇼핑 등의 즐거운 경험을 제공할 수 있습니다 

-실내 GPS 솔루션의 개발: 실내 GPS 설루션은 건물 내부에서도 정확한 위치 정보를 제공하는 기술입니다. 현재 GPS는 건물이나 지하철 등에서 신호가 약해지거나 손실되는 문제가 있습니다. 실내 GPS 설루션은 와이파이나 블루투스 등의 기술을 이용하여 실내에서도 GPS와 유사한 서비스를 제공할 수 있습니다. 실내 GPS 설루션은 사용자에게 쇼핑몰이나 박물관 등에서 길 안내나 상품 정보를 제공하거나, 비상 상황에서 구조 대상자의 위치를 파악할 수 있습니다.

8. 미국 이외의 국가들의 GPS 구축 시스템 현황은?

-러시아 글로나스라는 러시아 독자적인 위성 항법 체계를 구소련 시절부터 구축했습니다. 다른 나라와는 달리 군부에서 운용하며, 1982년에 첫 발사 이후 2011년까지 24기가 궤도에 올라가 전 세계를 커버하게 되었습니다. 현재는 업그레이드형인 글로나스-K2가 발사되고 있으며, 2018년 초에 서비스를 시작했습니다. 다른 위성항법체계처럼 군사용 코드, 연구용 코드들이 존재하지만 상용 코드에 오차신호를 잘 넣지 않아 일반인들이 쓰기에는 GPS보다 정확한 편입니다. 상용 정확도는 초기형은 7.6m의 정확도를 가졌으나 현재는 2.8 ~ 1.4m의 정확도로 서비스 중이며, 2020년 차기 글로나스는 0.6m ~ 10cm의 정확도를 목표로 개발 중입니다. 연구용 오차는 후보정을 거칠 경우 4~5mm로 알려져 있습니다.

-EU Galileo라는 이름으로 구축했습니다.참여국이 많다는 특성상 여러 이해관계로 인해 약 2년의 사업 지연이 있었으나 현재는 순조롭게 진행되었습니다. 2020년까지 총 30기의 위성을 통해 전 세계 대상으로 정식 서비스를 구축했습니다. 군사용 코드 또한 존재합니다. 2001년 EU 측에서 한국의 갈릴레오 사업 참여를 요청한 후에 2006년 한-EU 갈릴레오 협력협정 체결하였습니다. 때문에 한국도 참여 예정이었으나 EU 측의 사업방식 변경과 반복된 사업 지연으로 한국의 참여가 지지부진합니다. 정부는 차세대 갈릴레오 프로젝트에 적극적으로 참여할 예정이지만 기본적으로 EU가입국에게 우선적으로 정보를 제공하기 때문에 한계가 명확한 편입니다. 위치 정확도는 상용 1m, 연구용 1cm.

-중국 베이더우(북두, 北斗)라는 독자 위성 항법 체계를 구축했습니다.중국은 2015년 기준 18개의 베이더우 위성을 쏘아 올려 일부 지역에서 서비스를 하고 있으며, 2020년까지 추가로 위성을 쏘아 올려 총 35개의 위성으로 전 세계를 대상으로 서비스할 계획이었습니다. 그러나 개발속도가 빨라서 2018년 연말부터 전 세계 대상 서비스를 시작했습니다. 베이더우는 최신기술을 적용했기 때문에 구축된 지 40년이 지난 GPS보다 훨씬 정확하다고 합니다. 베이더우의 1차 서비스 영역은 한반도 전체와 일본이 포함되어 있고 2016년에 완성된 2차 영역은 중동을 제외한 아시아 및 오세아니아 지역 전체를 커버하고 있습니다. 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 상태입니다. 상용 위치 오차는 10m이나 아시아 지역은 5m입니다. 연구용 오차는 최적의 조건에서 수직 5mm, 수평 10mm 일본 QZSS(준천정위성시스템)이라고 불립니다. 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 예정입니다. 위치 정확도는 GPS 신호 보정으로 상용 50cm, 연구용 1mm로 알려져 있다. 재미있게도 일본보다 중국과 한국이 QZSS의 위치보정에 대해 가장 높은 수혜를 입고 있습니다.

-인도 IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System)라는 이름으로 구축되었습니다.2018년 4월을 마지막으로 총 7기의 위성이 쏘아 올려졌는데 2번의 발사 실패로 인해 9번을 쏘아 올려야 했습니다. 고도 약 36,000km에 위치한 3개의 정지궤도 위성과 4개의 경사궤도 위성으로 이루어져 있는데 경사궤도 위성이 2개씩 짝지어 8 자 궤도를 2개 그리면서 인도 대륙과 그 부근을 커버합니다. 위치 오차는 상용 10m, 군사용 10cm, 연구용은 1cm로 알려져 있습니다. NAVIC이라는 이름도 있습니다.

-한국: 한국형 위성항법시스템(KPS)을 구축할 계획입니다.정지궤도 위성 3기 등 총 7기의 항법위성을 발사·운용해서 2034년 서비스를 시작할 예정입니다. 개념 자체는 일본 QZSS와 크게 다르지 않습니다.

-영국 브렉시트로 인해 EU로부터 갈릴레오 프로젝트의 의장국 지위를 잃어 호주와 함께 자체적인 위성항법시스템 구축을 추진하고 있습니다.