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GPS

GPS란 무엇인가?
1857년에 만들어진 자이로스코프천문관측에 쓰이던 육분의

철새, 연어와 같은 동물들은 나름대로 방향을 찾을 수 있는 방법이 있지만 사람들은 자신의 절대적인 위치를 알 수 있는 감각이 없기 때문에 예전부터 자신의 위치를 알기위한 방법을 개발해 왔습니다. 옛날 사람들은 북극성이나 해, 달과 같은 천체를 관측한 후 관측 값과 관측한 시간에 따라 미리 계산된 표와 비교하여 자신의 위치를 파악하고 가고자 하는 방향을 수정하였습니다.

하지만 이와 같은 천문항법은 날씨가 좋지 않을 때나 낮 시간에는 이용할 수 없다는 단점이 있습니다. 위치를 알 수 있는 다른 방법으로 유도 미사일이나 비행기의 항법 시스템에 적용되는 관성 항법 또는 전파항법 등이 있습니다. 관성항법은 가속계, 자이로스코프 등을 사용하여 이동 방향과 속도를 측정한 다음 출발위치로부터 어느 정도 벗어났는지 추측하여 위치를 계산하는 방법으로 오차가 계속 누적된다는 단점이 있습니다.

전파항법은 위치를 알고 있는 지점으로부터 전송되어오는 전파를 이용하여 위치를 계산하는 방법으로 공간과 시간의 제약이 따릅니다. GPS는 인공위성을 이용하여 세계 어디에서든지 자신의 위치와 속도, 시간을 알 수 있는 시스템입니다. 지구 궤도를 돌고 있는 인공위성은 깊은 산이나 바다 한가운데, 황량한 사막 등 어떤 곳에서든 4개의 위성이 항상 보이게 배치되어 있으며 전파수신기만 있다면 날씨와 상관없이 정확한 위치 정보를 전달받을 수 있습니다.

위치를 알기 위해서는 4개의 위성이 필요하다

최근에는 기존의 GPS보다 정밀한 위치정보를 제공하는 DGPS와 CDGPS와 같은 기술이 개발되고 있습니다. DGPS나 CDGPS를 이용하면 20m정도의 오차를 가지는 민간용 GPS와는 달리 위치가 1cm 변하는 것까지 알 수 있게 됩니다.

GPS는 어떻게 개발 되었을까요?

1973년부터 미국 국방성에서 개발되기 시작한 내브스타(NAVSTAR) GPS 프로그램은 20여년에 걸쳐 150억 달러의 비용이 들었습니다. GPS의 운용 초기에는 미국의 군사용으로만 사용이 가능하였습니다. 하지만 1983년 대한항공 여객기가 소련의 영공을 침범해 격추된 사건을 계기로 미국의 레이건 대통령이 GPS 완성 시 민간인들이 무료로 사용할 수 있도록 허용을 하였습니다. 1978년 2월 22일 미국이 첫 BLOCK I 위성을 발사된 후 지금까지 수십 개의 BLOCK IIA와 BLOCK IIR 위성이 발사되어 GPS를 제공하고 있습니다.

GPS는 어떻게 운영 될까요?

GPS는 크게 우주부분, 관제부분, 사용자부분으로 분류할 수 있습니다.
우주부분은 사용자에게 반송파를 보내주는 역할을 하는 GPS 위성으로 구성되어 있습니다. 21개의 주위성과 3개의 예비위성으로 구성되어 있는 각각의 위성은 55도의 기울임 각을 갖는 6개의 궤도상에 4개씩 배치되어 있습니다. GPS 위성은 20,183 ~ 20,187km 고도에 배치되어 11시간 58분에 한번씩 지구를 공전합니다. 각각의 인공위성에는 2개의 세슘 시계와 2개의 루비듐 시계로 구성되어 있는 4개의 원자시계가 탑재되어 3만6천년에 1초의 오차가 발생할 정도의 정밀도를 가지는 매우 정확한 시간정보를 제공해 줍니다. 관제부분은 미국에 있는 한 개의 주 관제소와 세계 각지에 널리 분포되어있는 5개의 감시 기지국, 3개의 지상 관제국으로 구성되어 있습니다. 미국의 콜로라도주 콜로라도 스프링스의 팔콘공군기지에 위치해 있는 한 개의 주 관제소는 위성의 궤도 수정이나 예비위성의 작동을 결정하는 등 GPS 위성에 대한 총 지휘를 하는 임무를 수행합니다. 하와이나 어센션 섬 등 세계 각지에 분포되어있는 5개의 관제소는 매우 정확히 측정된 위치에 원자시계가 설치되어 모든 GPS 위성의 신호를 점검하고 궤도를 추적하며 전리층 및 대류권에 의한 전파 지연을 관찰하여 오차를 보정하는 등의 역할을 합니다. 3개의 지상 제어국에서는 시계 보정치나 궤도 보정치, 사용자에게 전달될 메시지 등 위성에 정보를 전송해 줄 수 있는 업링크 안테나가 설치되어있습니다.

6개의 지구궤도에 배치되어 있는 24개의 GPS위성GPS의 구성

민간용과 군사용은 서로 다른 데이터 전송 방법을 사용하여 민간용은 20~30m정도의 오차를 갖게 되고 군사용은 10m정도의 오차를 갖습니다. 우리나라는 기준국과 송신국 등의 운영상태를 원격 통제하는 중앙감시사무소가 대전에 위치해있습니다. 또한 98년부터 기존의 GPS보다 정밀한 DGPS를 제공하기위하여 팔미도, 마라도, 장기곶, 울릉도 등 11곳에 기준국이 설치되었습니다. 기준국에서는 시간오차나 궤도오차, 전파지연오차 등 각종 오차를 보정하여 송신국에 전달하게 됩니다. 전국 각지에 위치해 있는 송신국은 기준국에서 전송된 위치정보를 GPS를 이용하는 각종 사용자에게 전송해주는 역할을 맡고 있습니다.

GPS는 우리 생활에 어떻게 개발 이용될까요?
차량용 항법장치

현재 가장 활발하게 응용되고 있는 분야는 차량항법 시스템입니다. 복잡한 교통상황에서나 길안내를 원하는 상황에서 GPS는 사용자가 원하는 목적지까지 가장 빠르고 정확하게 안내를 해주도록 개발되고 있습니다. 범죄가 발생하였을 시 범죄현장과 가장 가까운 경찰차량의 위치를 파악하여 신속히 임무를 수행할 수 있는 이동체 관제시스템으로도 사용됩니다. 또한 자동차의 숨겨진 부분에 GPS 수신기를 장착해 놓는다면 차량 도난 시 위치를 추적하여 회수할 수 있습니다. 또한 빈 화물차량의 위치를 파악하여 화물의 수송비용을 최소로 하는 화물차량을 이용하여 수송을 함으로서 물류시스템의 효율을 높일 수 있습니다.

우리나라의 기준국 분표

해양에서는 각종 선박의 위치파악 및 항로를 제공해 주는 수단으로 사용될 수 있습니다. 위치 파악이 된 선박은 전자 해도에 표시되어 보다 효율적인 화물 수송 관리를 할 수 있게 됩니다. 선박이 항만에 가까이 왔을 시에는 다른 선박과 추돌이 일어나지 않도록 관제하는 용도로도 사용됩니다. 항공분야에서는 항공기의 위치와 공항 관제에서 많이 응용되고 있습니다. 전 세계의 수많은 항공기들의 현재 정확한 위치를 파악하고 항로를 수정하여 안전한 비행을 하게 해주며 공항에서는 안전하게 이착륙 할 수 있도록 공항 관제를 도와줍니다.

선박용 어군탐지 GPS건축에 GPS가 이용된 서강대교 골프용 GPS

측지, 측량 분야에서는 매우 정밀한 지도 제작이나 대형 토목공사를 할 때 사용이 가능합니다. mm단위로 위치를 측정할 수 있다는 GPS의 장점을 이용하여 구조물 사이의 거리나 평형감지, 또는 경사도 측정 등에 응용됩니다. 측량, 측지에 대한 GPS의 다른 응용으로 구조물 감시시스템을 들 수 있습니다. 댐이나 교량 등 변형이 예측되는 지점에 수신기를 설치하여 구조물의 상태나 위험도를 측정할 수 있습니다. 일본에서는 지진 예측에 GPS를 활발하게 이용하고 있습니다. 전국적으로 수천 곳의 지진 발생 예상지역에 설치되어있는 GPS수신기는 각 수신기 간에 망을 형성하여 매우 정밀하게 지각의 움직임을 측정한 후 지진의 발생을 예측합니다. 민간용 GPS응용이 활발해지면서 다양한 개인용 항법 장치가 개발되고 있습니다. 등산이나 하이킹, 요트, 골프와 같이 레저를 즐길 때 소형 단말기를 들고 다니면서 현재 자신의 위치와 목적지까지의 경로를 검색할 수 있는 장치가 시판되고 있습니다. 시각장애용 GPS는 시각장애인의 귀에 꽂혀있는 이어폰을 통하여 현재의 위치와 방향, 그리고 나아가야 할 방향과 장애물의 위치를 전달해주게 됩니다. 응급 구조용으로 사용되는 GPS는 사고 발생시 정확한 사고 장소를 파악하는데 큰 도움을 줍니다. 119 구조전화를 사용했을 때나 차량사고 시 긴급구조버튼을 눌렀을 때, 또는 핸드폰으로 구조요청을 했을 때 자동으로 위치를 파악하여 신속한 구조 활동을 벌일 수 있게 됩니다. 군사용으로는 무인비행기의 조종, 각종 항공기의 위치파악 및 관제, 전장에서 병사들의 위치파악과 효율적인 배치 등에 GPS가 응용됩니다. 그 밖에 철새들의 이동상황, 돌고래의 위치파악 등의 자연생태 조사나 농업, 산림관리 등의 분야에도 GPS가 응용되고 있습니다.

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