GPS, 비행기로 올라탈 준비됐나!
일본 도쿄를 다녀왔다. 비행기를 타고 한국으로 오는 중에 굉장히 지루했나보다. 도대체 현재 어디쯤이고, 언제 도착할까?“비행기 안에서도 내 위치를 확인할 수 있을까?” 문득 이런 생각이 들었다. 한번 휴대폰으로 확인해보자!
비행기 모드를 킨 상태에서도 휴대폰으로 GPS 를 확인해 볼 수 있었다. (구글맵에서 확인할 수 있었고 네이버지도는 화면진입 이전에 네트워크 에러가 났다.) 어떻게 가능한 것일까? 먼저 GPS가 무엇이고, 어떤 원리로 동작하는지 알아야겠다.
우리가 자주 사용하는 GPS
GPS 는 현재 우리에게 늘 익숙한 단어라서 일반 명사라고 생각하는 사람들이 많다. 하지만 GPS 는 위성을 이용해 위치를 찾는 “위성항법시스템” 중 하나의 종류일 뿐이다. 즉, US Global Positioning System 의 약자이다. 그렇다면 미국은 왜 GPS 정보를 전 세계에 무료로 제공할까?
1983년 9월 1일 대한항공 007편이 구소련의 추격으로 추락하는 사건이 있었다. 사건의 원인은 관성항법장치(INS) 고장으로 항로를 이탈하게 되었고 밀항기가 지나면 안되는 구소련에 진입했기 때문이었다. 구소련군은 영공 침법으로 오인해서 007편을 추격하게 되었다. 이로 인해서, 탑승자 전원은 사망한 안타까운 사건이 발생한 것이었다. 이로 인해, 관성항법장치(INS)은 항공기의 자세를 잡는 데에는 유용했지만, 위치를 파악을 하기에는 오차가 누적되어 위치오류가 발생한다는 점이 세계적으로 알려지게 되었다.
이 사건을 계기로 미국 레이건 대통령은 조종사들이 길을 잃었을 때 다른 국가들의 비행기와 교신할 수 있도록 군사기술로만 쓰이던 GPS 를 민간에게도 개방하도록 결정했다. 하지만 우리가 실생활에서 사용하는 GPS 는 미국 클린턴 대통령이 국가보안을 위해 고의로 발생시킨 잡음 오차를 없애면서 2000년 이후 발달했는데, 다양한 기업들이 차량용 내비게이션 등 실생활에서 활용하면서 대중화 되었다.
GPS 는 어떻게 우리 위치를 확인할까?
우선 GPS 의 응용 분야는 우준 부분, 제어 부분, 사용자 부분 등등으로 매우 광범위 하지만, 가볍게 일반 대중들이 모바일로 확인할 수 있는 GPS 정보들만 다뤄보겠다.
GPS 는 지구주변에서 여러 위성들이 보내주는 신호와 삼각측량을 기반으로 작동한다. 우주에는 최소 24개의 위성을 통해 GPS 가 정상 작동하도록 되어있는데, 2022년 6월 26일 기준으로 총 31개의 GPS 위성이 궤도를 선회중이다. 지구는 둥글기 때문에, 모든 면에서 위치를 확인하기 위해서는 최소 24개의 위성이 필요한 것이다.
한 지점의 위치를 알아내기 위해서는 삼각측량의 방식을 사용하기 때문에, 3개의 위성만으로도 충분하다. 하지만 3개의 위성만으로는 시간 오차가 생길 확률이 높아서 현재는 최소 4개의 위성을 활용하여 위치를 비교적 정확하게 알아낼 수 있는 것이다. (위 영상을 참고!)
- 최소 4개 이상의 위성 신호 수신
현재 위치를 확인하기 위해 최소 4개 이상의 GPS 위성에서 발송한 신호를 받는다. 각 위성들은 특정한 방향에서 신호를 발송하고, 이 신호에는 위성의 위치, 시간정보가 담겨있다. - 도달 시간 측정
GPS 수신기는 각 위성에서 수신한 신호의 도달 시간을 측정한다. 이 도달 시간 정보를 기반으로 각 위성까지의 거리를 계산한다. - 삼각측량을 통한 위치 계산
최소 세 개의 위성으로부터의 거리를 알면, 수신기는 삼각측량을 사용하여 자신의 위치를 계산한다. 이를 통해 위도, 경도, 고도 등이 결정된다. - 위성 각도 계산
각 위성까지의 거리를 계산하는 동안, GPS 수신기는 각 위성과의 각도도 함께 계산한다. 이 각도는 수신기와 각 위성간의 상대적인 방향을 나타낸다. - 방향 벡터 계산
위성 각도 정보를 통해, GPS 수신기는 자기 자신의 방향 벡터를 계산한다. 이 방향 벡터는 위쪽을 향하는 방향을 나타내고, 이는 지구의 북쪽을 향하는 방향과 관련이 있다. - 지구의 북쪽을 기준으로 방향 계산
GPS 수신기는 지구의 북쪽을 기준으로 자신의 방향을 계산하므로, 이를 통해 사용자는 현재 위치에서 북쪽, 남쪽, 동쪽, 서쪽 등의 방향을 상대적으로 확인할 수 있습니다.
비행 중, 내 위치는?
비행기 모드에서도?
GPS 의 가장 큰 장점은 위성의 신호를 받을 수만 있다면 자신의 위치를 정확히 알 수 있다는 것이다. 즉, GPS 를 이용할 때에는, 인터넷 연결이나 휴대폰 신호가 필요하지 않다. 단지 GPS 수신기능이 탑재(미국에서는 모든 휴대폰에 GPS 탑재가 의무)된 휴대폰만 있으면 내 위치를 확인할 수 있다. 이러한 이유로 비교적 느리겠지만, 지구 대기권에서 비행중인 경우에도 GPS 를 통해 내 위치를 실시간으로 확인가능한 것이다.
정말 인터넷이 필요없다고?
하지만 인터넷이 연결되어 있다면, GPS 시작속도를 높일 수 있다. 위성 위치신호를 위성으로부터 직접 받지 않고(매우 느림), 인터넷으로 바로 다운받을 수 있어서 더욱 빠르게 위치를 확인할 수 있는 것이다. 조금 더 자세히 알아보자면, 스마트폰에는 퀄컴에서 개발한 A-GPS(Assisted GPS) 가 탑재되어 있는데, 이 기술은 위성의 궤도정보, 시각정보 등을 위성으로부터 수신하지 않고 별도의 네트워크를 통해 전송받아 위치 설정에 걸리는 시간을 대폭 줄이는 기술을 사용한다. 위성의 송신 속도는 50 bps (즉, 6 byte/s) 로 탁 트인 곳에서 하나의 위성 정보를 GPS 신호만으로 모두 수신하기 위해서는 최대 12분 30초가 소요된다. 하지만, 다른 고속 통신망을 통해 위성의 궤도정보를 미리 다운받으면 좌표를 찾는 시간이 줄어들게 되는 것이다. 즉, 3G/4G/WiFi 의 신호로 위치를 추정하는 시스템이 아니라, 위 그림과 같이 통신망을 이용하여 통신사 서버에 있는 위성의 위치 정보와 시각 정보를 미리 받아오는 방식인 것이다.
맺음말
어떻게 비행중에서도 GPS 로 내 위치를 확인할 수 있는지 궁금증을 해결해보았다. 사람들은 비행기 안에서 시간을 어떻게 보낼까? 숙면을 취할 수도 있고, 다운받은 음악을 들을 수도 있고, 여행 중 찍었던 사진들을 사진첩을 통해 정리할 수도 있겠다. 하지만 조금 더 흥미로운 소프트웨어는 없을까?
참고문헌
https://namu.wiki/w/GPS
https://ko.wikipedia.org/wiki/GPS
https://www.youtube.com/watch?v=82Wu7U2Ce6g
https://www.youtube.com/watch?v=6LYp4zsYv6E
https://news.lgdisplay.com/2016/06/gps/
