■ 인간은 고대부터 길을 찾기 위해 하늘을 바라보았다. 고대 선원들은 밤하늘의 별자리를 사용하여 그들이 어디에 있고 어디로 가고 있는지 알아냈다.

 현대 기술의 지속적인 발전은 대부분 사람이 스마트 폰을 소유하게 된다. 스마트 폰과 함께 표준으로 제공되는 가장 일반적으로 사용되는 앱 중 하나는 내비게이션 서비스이다. 이러한 서비스는 새로운 식당으로 가는 길을 찾거나 출퇴근길에 교통 체증을 피한다. 길을 잃어서 집으로 가는 길을 찾을 수 없거나 휴가를 가서 A에서 B로 가야 하는 경우에도 정말 유용할 수 있다. 휴대 전화나 컴퓨터로 시간을 알려주는 것과 같은 간단한 것부터 자율 주행 자동차와 같은 복잡한 것에 이르기까지 이러한 현대적인 필수품과 사치품은 모두 대부분의 사람이 당연하게 여기는 GPS에 의해 구동된다.

 최근 GPS를 장착한 스마트 기기가 대거 보급되면서 GPS를 이용한 새로운 서비스들이 속속 등장하고 있다. 지도 서비스는 물론이고 소셜 커머스 등의 온라인 쇼핑 분야에서는 위치기반서비스를 활용해 가까운 쇼핑 정보를 제공해 준다. 

 △ 위성항법시스템(GPS), 자율주행 등 4차 산업혁명 시대의 핵심인프라

 우리가 흔히 GPS로 알고 있는 위성항법시스템은 미국 국방성(DoD)에서 군용 및 민간용으로 개발·운영하는 각 위성으로부터 사용자 수신기까지 전파가 도달하는 시간을 이용하여 삼각측량법으로 사용자의 위치를 구하는 시스템이다, 

 한국은 평시에는 미국의 상용 GPS와 호환되어 현재보다 고품질 서비스를 제공하고, GPS 사용이 제한될 수 있는 유사시에는 우리의 위성항법시스템만으로도 PNT*정보를 제공할 수 있도록 하여 안정적인 PNT 정보체계를 확보할 계획이다. 

 *PNT는 국가의 중요 인프라 기능에 필요하다. 민간, 상업 또는 군사용이든 거의 모든 부문에서 서비스를 제공하기 위해 정확한 PNT 정보에 의존한다. PNT는 세 가지 고유한 구성 기능의 조합이다.

 PNT(Positioning, Navigation, and Timing)에서 위치(Positioning, 포지셔닝)는 표준 측지 시스템(예: World Geodetic System 1984 또는 WGS 84)을 참조하여 2차원(또는 필요한 경우 3차원)으로 자신의 위치와 방향을 정확하고 정밀하게 결정하는 능력이고 항법(Navigation, 내비게이션)은 현재 및 원하는 위치(상대 또는 절대)를 결정하고 진로, 방향 및 속도에 수정을 적용하여 지표면에서 지표면으로, 지표면에서 공간으로 전 세계 어디에서나 원하는 위치에 도달하는 기능이며 시각(Timing, 타이밍)은 세계 어디에서나 사용자 정의 적시 매개변수 내에서 표준(Coordinated Universal Time 또는 UTC*)으로부터 정확하고 정밀한 시간을 획득하고 유지하는 기능으로 타이밍에는 시간 전송도 포함된다.

 PNT는 내비게이션 기능보다 훨씬 더 많은 기능을 포함하지만 GPS는 주요 구성 요소이다. 현재 전국적으로 20억 명이 넘는 GPS 사용자가 있다「포지셔닝, 내비게이션 및 타이밍(PNT)이란 무엇입니까? | 미국 교통부 (transportation.gov)」.

*협정 세계시(UTC)는 전 세계의 시간 연구소에서 보관하고 있는 시간 척도이며, 매우 정밀한 원자시계에 의해 결정된다. UTC 시간은 하루에 약 1나노초(10억분의 1초)까지 정확하다. UTC는 현재의 그레고리력을 기준으로 하며 위도 0도에 위치한다. 본초 자오선에 위치하고 있다.

 UTC가 CUT 대신 협정 세계시의 약어로 사용되는 이유는 1970년, 협정 세계시 시스템은 국제 전기 통신 연합(ITU) 내의 기술 전문가로 구성된 국제 자문 그룹에 의해 고안되었다. ITU는 혼란을 최소화하기 위해 모든 언어에서 사용할 단일 약어를 지정하는 것이 가장 좋다고 생각했다. 예를 들어, 영어에서 협정 세계시의 약어는 CUT이고 프랑스어에서는 “temps universel coordonné”의 약어가 TUC이다. 특정 언어를 선호하는 것처럼 보이지 않도록 약어 UTC가 선택되었다.

협정 세계시(UTC)는 국제 원자 시간(TAI)를 기반으로 하지만 초의 정의와 지구의 자전 간의 차이를 고려하여 윤초*로 조정된다. 이 보정은 태양과 별의 겉보기 위치와 함께 UTC를 유지하며 모든 일반 시간 표시 응용 프로그램에 사용되는 표준이다 「협정 세계시 - IBM 문서, 국립 표준 기술 연구소 (nist.gov), 윤초 FAQ | 증권 시세 표시기 (nist.gov)」.

*윤초는 천문 시간과 동기화된 상태를 유지하기 위해 UTC(협정 세계시)에 추가된 초이다. UTC는 지구의 자전 속도보다 더 안정적인 원자시계의 성능을 기반으로 하는 원자 시간 척도이다. 천문시(UT1) 또는 평균 태양시는 불규칙한 지구의 자전을 기반으로 한다.

 △ GPS는 지구 주위를 도는 현재 31개의 GPS 위성이 지구 위 18,000km(11,000마일) 떨어진 정확한 원형 궤도에 위치한다. 그들은 12시간마다 한 번씩 궤도를 돌고 있으며 전 세계 어디에서나 모든 기상 조건에서 위치, 항법 및 시각에 대한 정확한 정보를 사용자에게 제공한다. 우리는 그들이 끊임없이 신호를 보내기 때문에 우리는 그들이 어디에 있는지 정확히 안다. 휴대전화의 GPS 수신기는 이러한 신호를 수신한다. 수신기가 4개 이상의 GPS 위성과의 거리를 계산하면 사용자의 현재위치를 파악할 수 있다「GPS는 어떻게 작동합니까? | NASA 우주 장소 – 어린이를 위한 NASA 과학, 미국 교통부 위성 항법 - 위성 위치 확인 시스템 (GPS) | 연방 항공국 (faa.gov), GPS 관련 자주 묻는 질문 | 내비게이션 센터 (uscg.gov) 미국 해안 경비대 미국 국토 안보부, GPS 작동 방식(단계별) | 트라킷 (trakkitgps.com)」.

 △ GPS가 일반 분야로 확산하는 데에는 1983년 옛 소련이 사할린 상공에서 대한항공 007편을 격추한 사건을 계기로 미군 당국은 GPS를 상용화했다. 269명 전원 사망이라는 인명피해가 발생한 그 사건 후에, 당시 미국 대통령이었던 로널드 레이건은 개발 중인 GPS를 잘 활용한다면, 이러한 사고를 피할 수 있을 거라 판단한 것이다「소련, 여객기 격추 | 시간 및 탐색 (si.edu)」.

△ GPS는 미국이 1978년 군사용으로 개발한 글로벌 위성 항법 시스템(GNSS)을 의미한다. 

  위성 항법은 중간 지구 궤도에서 무선 신호를 전송하는 위성의 글로벌 네트워크를 기반으로 한다.

 대부분 사람들은 GPS가 미국의 GPS(Global Positioning System)을 의미한다는 것을 알고 있지만. 현재 운영 중이거나 계획된 위성 위치 확인 시스템의 모음을 설명하는 데 사용되는 글로벌 위성 항법시스템(Global Navigation Satellite System)의 약자인 GNSS라는 용어는 들어본 적이 없을 수 있다.

GNSS는 글로벌 또는 지역 기반으로 PNT 서비스를 제공하는 모든 위성 별자리를 설명하는 일반적인 용어이다. PNT를 지도 데이터 및 기타 정보(예: 날씨 또는 교통 데이터)와 함께 사용하면 가장 인기 있고 인식할 수 있는 서비스인 GPS로 더 잘 알려진 최신 내비게이션 시스템이 된다.

내비게이션 시스템은 GNSS(글로벌 내비게이션 위성 시스템) 네트워크를 사용하여 전 세계 어디에서나 차량의 위치를 정확히 찾아낸다. 차량의 시스템은 마이크로파를 통해 이러한 위성과 통신하고 차량의 위치를 지역 지도에 표시한다. 그런 다음 차량이 이동할 때 위치를 모니터링하거나 호텔, 주유소 또는 레스토랑과 같은 인근 랜드마크와 관련하여 표시하거나 목적지까지의 경로를 계산하는 데 사용할 수 있다 「자동차용 내비게이션 시스템 | 진보적인 (progressive.com)」.

 GNSS 위성 시스템은 공간 세그먼트(Space Segment), 제어 세그먼트(Control Segment) 및 사용자 세그먼트(User Segment)의 세 가지 주요 구성 요소 또는 “세그먼트”로 구성된다「 GPS.gov: 기타 GNSS(글로벌 내비게이션 위성 시스템), 서울특별시 네트워크 RTK 시스템 | GNSS 시스템 | GNSS 개요 | GNSS 현황 (eseoul.go.kr), 위성 네비게이션 - GPS - 작동 원리 | 연방 항공국 (faa.gov), 서울대학교 GNSS 연구소 (snu.ac.kr), [ home > 연구개발 > 위성항법 > 한국형 정밀 GPS 위치보정시스템(KASS) ] (kari.re.kr) 한국항공우주연구원, 섹션 1 | 노바텔 (novatel.com)」.

△ GPS가 가장 널리 사용되는 GNSS이지만 다른 국가에서는 보완적이고 독립적인 PNT 기능을 제공하기 위해 자체 시스템을 배치하거나 배치했다. 주요 내용은 아래에 설명되어 있다.

 글로벌 위성항법 시스템(GNSS)은 미국의 GPS(Global Positioning System, GPS.gov: 공간 세그먼트), 러시아의 GLONASS(Globalnaya Navigazionnaya Sputnikovaya Sistema), 유럽 연합의 갈릴레오 위성 시스템(Galileo satellite system), 중국의 COMPASS (BDS / BeiDou Navigation Satellite System, 北斗英文首页 (beidou.gov.cn), 인도(NavIC, Navigation Indian Constellation), 日「QZSS, Quasi-Zenith Satellite System, QZSS (준 천정 위성 시스템) - 내각부 (일본)」을 포함한 세계의 글로벌 위성 포지셔닝 시스템(world's global satellite positioning systems) 모음을 지칭하는 데 사용된다 「GPS.gov: 기타 GNSS(글로벌 내비게이션 위성 시스템), GNSS 도서 | 노바텔 (novatel.com), GPS.gov: 국제 협력, 갈릴레오 시스템 (europa.eu) 유럽연합 집행위원회」, 

 이러한 별자리는 별자리에 위성을 추가하고 다양한 신호 유형의 방송을 통해 계속해서 개선되고 확장된다.

 △ 주요 국가별 위성항법보정시스템 현황을 살펴보면, 이미 미국(WAAS, Wide Area Augmentation System, 광역 증강 시스템), 유럽(EGNOS, European Geostationary Navigation Overlay Service), 인도(GAGAN : ISRO Indian Space Research Organization), 일본(MSAS, Multi-functional Satellite Augmentation System) (러)SDCM (중)BDSBAS은 GPS 위치 오차를 줄여 GPS 신호의 정확도와 신뢰성을 높이는 기술로 센티미터급 서비스를 제공할 수 있는 위성 기반 보강항법 시스템을 개발하여 구축해 운영하고 있다 「국토교통부 보도자료(2022.4.27.), 한국형 항공 위성 서비스(KASS) 운영 시대 본격 개막 문서뷰어 (molit.go.kr), 위성 항법 - 광역 증강 시스템(WAAS) | 연방 항공국 (faa.gov) 미국 교통부연방 항공국, 글로벌 항법 위성 시스템이란 무엇입니까? | 노바텔 (novatel.com), 국립해양측위정보원 > 알림마당 > 용어해설 > GLONASS 개요 (nmpnt.go.kr), GLONASS (글로벌 항법 위성 시스템) - 정의 - GSMArena.com, 갈릴레오 (글로벌 항법 위성 시스템) - 정의 - GSMArena.com, 모바일 용어집 - GSMArena.com 등」

 △ 한국은 2034년 한국형 위성항법시스템(KPS) 자체 기술 개발 완료로 고정밀 위치 시각 정보 서비스 제공

 한국항공우주연구원은 위성항법시스템 개발을 위한 첫 단계라고 할 수 있는 KASS 개발을 통해 위성항법시스템 구축을 위한 기반 기술 확보 및 전문인력 양성을 위해 노력하고 있다. 또한, 자율주행 등 4차 산업혁명 시대의 핵심 인프라로 평가되고 있는 위성항법시스템(GPS)을 대한민국 독자적으로 구축하기 위한 2035년을 목표로 제3차 우주개발진흥기본계획에 따라 한국형 위성항법시스템(KPS; Korean Positioning System) 구축에 나섰다「국토교통부 보도자료, 항공교통 100대 운항 시대를 대비한 항행 안전 환경 조성 제1차 항행안전시설 발전 기본계획(’21~’25) 수립 확정 보도자료 (molit.go.kr), 대한민국 정부 이렇게 달라집니다. (econedu.go.kr), 한국형 항공위성서비스(KASS) 운영 시대 본격 개막(2022.4.28. 국토교통부 보도자료 (molit.go.kr).  한국형 항공위성서비스 12월부터 본격 운영…1호 위성 6월 발사 - 정책뉴스 | 뉴스 | 대한민국 정책브리핑 (korea.kr) 2022.04.28. 국토교통부」.

 한국은 국가 위치 정보산업의 중요성을 인식, GPS 위치 정보를 보정하는 SBAS*를 개발하여 정밀위치정보 제공하고 있는 기존 위성항법시스템을 보유한 美(GPS), 러(GLONASS), EU(Galileo), 中(BDS), 인도(NavIC), 日(QZSS) 등 6개국과 함께 한국도 위성항법 분야에서 주도적인 역할을 수행함으로써 전 세계 7번째로  ICAO**에 공식 등재(‘18)된  한국형 정밀 GPS 위치보정시스템(KASS; Korea Augmentation Satellite System, 기준국, 통합운영국, 위성통신국, 정지궤도 위성 등으로 구성)을 개발 구축을 추진하고 있다 「국토교통부 한국항공우주연구원, 과학기술정보통신부」.

 ** 국제민간항공기구(ICAO)는 초정밀 위성 기반 보정시스템(SBAS*, Satellite Based Augmentation System)을 항공용 위성항법시스템(GPS)으로 표준화, 2025년까지 전 세계 확대 운영을 목표로 추진, 이에 한국도 한국형 위성항법시스템「KPS; Korean Positioning System(기준국, 통합운영국, 위성통신국, 정지궤도 위성 등으로 구성)」개발을 올해부터 추진 중이다(KARI, 한국항공우주연구원).  

 * SBAS는 GPS 오차를 축소해(17～37m→1～3m) 위성으로 정확한 위치정보를 실시간 제공하는 국제표준 위성항법보정시스템으로 2023년 말(4분기)에 안정화 단계 및 항공 인증을 거쳐 항공용 서비스를 실시간 제공을 목표로 추진 중인 기술이다. 

 KASS 개발 사업은 기존의 GPS 위치 오차를 3m 이내로 줄이기 위한 기술 중 하나인 위성 기반 보강항법 시스템(SBAS)을 우리나라 지형 및 환경에 맞도록 개발하는 사업이다.

[SBAS 위성을 이용한 국가 정밀위치서비스 – 항공위성 서비스(KASS) 개념도]

***KASS(Korea Augmentation Satellite System)는 위성을 이용하여  GPS의 오차****(17~37m)를 1~3m로 실시간 보정하여 정확한 위치정보를 위성으로 제공하는 ICAO 국제표준 시스템으로 한국형 위성항법보정시스템(SBAS)이다. 기아나에서 항공 위성 1호기 발사 후 위성 성능시험 및 위성↔지상 시스템 간 연결시험, 품질확인 등 종합적인 검증과정을 거쳐, 지난해 12월부터 우리나라 전역에 정밀한 위치정보를 제공하는 대국민 공개 시범서비스를 시행하고 있고,  안전성 및 신뢰성 검증단계를 거쳐 ’23년 말에 항공용 서비스를 본격적으로 제공하고 GPS의 위치정보 오차 ****를 기존 15~33m에서 1~1.6m로 획기적으로 줄여 국민에게 우리나라 전역에서 GPS 위치를 보정한 정밀 위치서비스 제공하게 된다(국토교통부). 

 **** GPS의 위치정보 오차는 성궤도 등 오차와 GPS 신호가 전리층과 대류층을 지나면서 발생하는 지연 오차이다.

△ 한국형 정밀 GPS 위치보정시스템(KASS)의 동작 원리 및 활용

 우선 국내 지상의 ① 기준국(7개소 / 양주, 함평, 제주, 서귀포, 영도, 울릉, 양양)에서 각각 GPS 위치정보(신호)를 수신·수집하고 항법 메시지를 추출해 ② 통합운영국에 전송한다. 이어 ② 중앙처리국(2개소 / (주) 청주공항 내(예비) 인천관제소 내)은 기준국 데이터를 사용하여 GPS 오차 정보를 보정하고 GPS 신호의 이상 여부를 알려주는 데 필요한 오차값 보정 및 무결성* 정보를 생성 및  KASS 메시지를 생성, 위성통신국으로 전달한다. 

 * 무결성이란 항행 시스템에 이상이 발생하였을 때 이것을 정해진 시간 내에 사용자에게 경보해줄 수 있는 능력을 의미한다. 만약 무결성 감시 시스템이 제대로 작동하지 못해서 일정 크기 이상의 고장이 발생하였는데도 고장을 감지해 내지 못한 경우 무결성 위험이 발생하였다고 한다. 이 경우 실제 위치와 계산된 위치의 차이가 클 수 있으므로 매우 위험한 상황에 부닥칠 수 있게 된다 「서울대학교 GNSS 연구소 RESEARCH > Integrity Monitoring 1 페이지 (snu.ac.kr)」.

③ 위성통신국(2개소 / 충남 금산 경북 영주)은 중앙처리국에서 수신된 KASS 신호를 정지궤도위성으로 송신하고, ④ 정지궤도위성(2기, 1호기 Measat-3D, 2호기 확보 중)은 KASS 신호, 관련 정보들을 전 국토에 일괄 송신한다. ⑤ 보정신호를 활용한다.  이때 항공기나 자동차 등에 설치된 수신기는 GPS 신호와 SBAS 신호를 동시에 수신하여 정확한 자기 위치를 확인할 수 있다. 만약 GPS 신호와 KASS 신호에 오류가 있으면 KASS 자동경보시스템이 사용 금지를 알리는 경보를 6~10초 이내에 경보 신호를 제공하여 사용 금지를 자동 권고한다 「 [ home > 연구개발 > 위성항법 > 한국형 정밀 GPS 위치보정시스템(KASS) ] (kari.re.kr), GPS는 어떻게 작동합니까? | NASA 우주 장소 – 어린이를 위한 NASA 과학」.

△ GPS 응용 프로그램의 개발 및 활용

 GPS는 시간, 기상 상태와 관계없이 지구 전역에서 사용할 수 있는 강력한 항법 시스템으로써 처음에는 군사적인 용도로만 사용되었지만, 경제성 및 유용성으로 인해 급속도로 민간용으로 확장되어 현재에 이르러서는 가장 일반적인 항법 시스템으로 자리 잡고 있다. 특히 2000년 5월 1일을 미국 빌 클린턴 대통령의 지시에 따라 미국 정부는 전 세계 민간 및 상업 사용자에게 GPS가 더 잘 반응하도록 하기 위해 선택적 가용성(SA-Selective Availability, 국가 보안상의 이유로 구현된 공공 GPS 신호의 의도적인 저하) 사용을 중단함으로써 100미터가량이었던 위치오차가 10미터가량으로 크게 줄어 위치 정확도가 향상됨으로써 현재 많은 응용 분야에 쓰이고 있다.  

 GPS 기술 용도는 많은 이점을 제공한다. GPS 기술이 향상됨에 따라 다양한 산업에서 이를 채택하기 시작했다. 통신, 주로 휴대 전화는 응용 프로그램을 사용하여 작업의 신뢰성, 정확성 및 안정성을 제공한다.

GPS는 인터넷과 마찬가지로 글로벌 정보 인프라의 필수 요소이다. GPS의 자유롭고 개방적이며 신뢰할 수 있는 특성으로 인해 현대 생활의 모든 측면에 영향을 미치는 수백 개의 응용 프로그램이 개발되었다. 

GPS는 교통사고를 예방하고 수색 및 구조 노력을 지원하며 응급 서비스 및 재난 구호 제공 속도를 높여 생명을 구한다. GPS는 영공 용량을 늘리면서 비행 안전을 향상하는 차세대 항공 운송 시스템(NextGen)에 필수적이다. GPS는 또한 일기 예보, 지진 모니터링 및 환경 보호와 같은 과학적 목표를 발전시킨다. GPS는 국가 안보에 여전히 중요하다. 위치정보(휴대전화, 통신사, 지도, 칩셋), 안전(치안, 소방, 응급구조 등 긴급 상황 지원), 자동차 도난 방지, 철도‧해양, 농업, 건설, 광업, 측량 및 대응 프로젝트, 패키지 배송 및 물류 공급망 관리 등 광범위한 경제에서 생산성 향상, 범죄자 찾기, 잃어버린 애완동물을 빠르게 찾기, 노인이나 장애인 등 집에 특별한 보살핌이 필요한 사랑하는 사람이 있다면 SOS 알람 주시, 어린이 안전 모니터링, 분실물 찾기, 값비싼 예술 작품 보호, 숨겨진 보물, 재난 관리 등과 같은 개인 및 비즈니스 목적으로 사용된다, 주요 통신 네트워크, 은행 시스템, 금융 시장 및 전력망은 정확한 시간 동기화를 위해 GPS에 크게 의존한다. 일부 무선 서비스는 그것 없이는 작동할 수 없다 「GPS.gov: 질문과 대답, GPS 작동 방식(단계별) | 트라킷 (trakkitgps.com), GPS.gov: 응용 프로그램」.

 최근에는 항공(UAM, 드론), 자율주행 등 4차 산업혁명 시대의 핵심 인프라로 꼽히고 있다. 자율주행차가 운전자 없이 안전하게 도로를 주행하기 위해서는 도로 위의 모든 객체가 통일된 좌표계 상에서 센티미터급의 정밀하고 신뢰성 있는 위치정보를 확보해야 한다. 

 이를 흔히 절대 위치정보라고 하며, 위성항법시스템은 원천적으로 절대 위치정보를 제공할 수 있는 유일한 PNT 정보시스템이다. GPS와 그 시스템은 21세기의 중요한 발명품 중 하나이며 앞으로도 계속 우리와 함께할 것이다. GPS의 새로운 용도는 매일 발명되며 인간의 상상력에 의해서만 제한된다.

※ 이 기사는 GPS 등 관련 자료의 정보 제공의 의미를 담습니다.

홍순철 「서울 중랑교육발전협의회장, 세종로국정포럼 위원장, 좋은교육협의회회장, 국민통합네트워크연합 공동대표, 한국교육학회 종신(終身) 정회원, 학교법인 송곡학원 이사, 공교육 3.0 뉴스 칼럼니스트, 대한교육신문 논설실장, 한국문예작가회 지도위원(수필가·시인 귀연貴緣), (前) 세계도덕재무장(MRA/IC) 서울지역본부 총회장, 민주평화통일자문회의 자문위원, 월간 교육포럼 발행인, 학교법인 송곡학원 이사장, 신현고등학교 교장」

교육3.0뉴스 다른기사 보기