‘GPS(Global Positioning System)는 어떻게 위치를 찾아내나?’ – 원리, 사례

 

최근 GPS를 장착한 스마트 기기가 대거 보급되면서 GPS를 이용한 새로운 서비스들이 속속 등장하고 있습니다. 지도 서비스는 물론이고 소셜 커머스 등의 온라인 쇼핑 분야에서는 위치기반서비스를 활용해 가까운 쇼핑정보를 제공해줍니다.

 

이렇게 어느새 당연히 우리 삶 속에 들어와 활약하고 있는 기술, GPS! 그런데… GPS의 정확한 뜻과 작동 원리는 무엇일까요?

 

GPS의 역사 – 군사용에서 민간에게까지

 
Spacecraft Soyuz orbiting the earth. Elements of this image furnished by NASA.

 

위성에서 보내는 신호를 수신해 사용자의 현재 위치를 알려주는 시스템인 GPS(Global Positioning System)는 1970년대 폭격의 정확성을 높이기 위해 미국 국방성에서 개발한 것이 시초입니다. 처음엔 군사용으로 제작되었다는 것이죠.

 

GPS가 일반 분야로 확산되는 데에는 1983년 KAL 007편 격추 사고가 결정적인 역할을 했습니다. 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 것이죠. 그래서 군용으로 사용될 예정이던 GPS를 민간에 조건부 개방하기로 했고 현재에 이르렀습니다.

 

 

GPS의 원리 – 4개 위성 신호는 필수!

 

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▲ 지구 어디서나 충분한 개수의 GPS 위성이 수신됨을 나타내는 애니메이션(출처: El pak at en.wikipedia)

 

그러면 이 GPS는 어떤 원리로 우리에게 정확한 위치를 알려주는 걸까요? GPS 위성 안에는 세슘이라는 물질을 품은 정밀한 원자시계가 들어 있습니다. 이 시계는 아주 정밀해 십만 년 동안 1초 정도의 오차를 갖는다고 해요.

 

GPS 위성은 이 시계의 정확한 시각과 위성의 정확한 위치를 지상의 수신기로 보내주는데요. 그러나 아무래도 전파가 오는 데 시간이 걸리니 위성에서 보낸 시간과 수신기가 받는 시간에는 차이가 생깁니다. 이때 둘의 차이에 빛의 속도를 곱해주면 지상 수신기에서 인공위성까지의 거리를 구할 수 있게 됩니다. (중학교 때 배웠던 ‘거리=시간 X 속도’ 공식을 떠올려보세요. :D)

 

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▲ 정확한 위치를 파악하려면, 4개 이상의 GPS 위성에서 전파를 수신해야 함(출처: 국립해양측위정보원)

 

이와 같은 작업을 네 개의 인공위성이 동시에 수행하면 공간 상의 한 점을 찾을 수 있습니다. 그래서 GPS 수신기는 최소 네 개의 인공 위성이 필요합니다. 우리가 차를 타고 가다가 터널이나 지하차도를 지날 때면 내비게이션이 순간적으로 작동하지 않는데, 이는 이 인공 위성들의 GPS 전파가 차단되어 내비게이션이 현재 위치를 계산할 수 없기 때문이죠.

 

여기서 잠깐! GPS에서 가끔 오차가 발생하던데요.

 

 GPS로 수신된 위치가 완벽하게 정확한 것은 아닙니다. 인공위성의 시간과 위치가 100% 정확하지 않기 때문에 오차가 약 5m까지 발생합니다. 또한 대기권, 수신기 상태에 따라서도 오차가 발생할 수 있습니다. 그러나 10m 정도의 오차는 사람이 직접 눈으로 확인 가능한 범위이기 때문에 일반 사용자에게는 전혀 문제가 되지 않습니다.

 

한편 군사용 GPS 수신기의 경우 이러한 오차들을 전부 수정할 수 있는 기술이 내장되어 있어 오차 범위를 1cm까지 줄일 수 있습니다. 실제로 이라크 전쟁 당시 미군이 사용한 미사일의 GPS는 수백 km 떨어진 곳의 볼펜 뚜껑을 정확히 맞출 수 있을 정도로 정확했다고 하니 대단하죠.

 

 

재미있는 Global GPS 활용 사례

 

GPS 활용 범위는 우리가 흔히 알고 있는 지도 서비스뿐 아니라 무척 다양한데요. 재미있는 사례 세 가지를 소개해드리겠습니다.

 

1) 상어 출몰을 예방하는 GPS 사이트

 

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▲ 상어의 움직임을 알려주는 사이트 (출처: OCEARCH)

 

40여 년 전, 우리를 상어에 대한 공포로 몰아넣은 영화, <죠스>. ‘빠~밤♫, 빠~밤♫’ 단 두 음을 사용해 상어의 공격을 알린 BGM 또한 지금까지도 대표적인 공포 음악으로 쓰이고 있습니다. 그런데 미국에서는 공포의 대상인 상어에 대해 확실히 알아보고자 수행한 프로젝트가 있다고 합니다.

 

<OCEARCH>라는 이름의 이 프로젝트는 대략 50마리의 대형 상어에 GPS 장치를 이식하여 움직임을 추적합니다. 만약 GPS 장치를 단 상어가 해안으로 다가오면 인명 구조원들에게 경보를 보내 사람들을 대피시킬 수 있다고 하네요. 실제로 사이트에 가서 보면 ‘Finley’, ‘Einstein’이라는 이름이 붙은 상어들의 정보, 돌아다닌 행적까지 나와 있어 이들의 활동 루트를 파악할 수 있습니다.

 

 

2) 치매 환자나 어린이를 보호하는 GPS 신발 깔창

 

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▲ 출처: GPS SmartSole

 

다음으로 보여드리는 ‘GPS SmartSole’은 GPS가 내장된 신발 깔창입니다. 언뜻 보면 ‘깔창에 GPS를 달아 뭐가 좋다는 거야?’라고 생각하실지도 모르겠습니다. 그러나 이는 사용자의 위치 정보를 공유해 어린이나 치매 환자나 노약자 등 미아를 방지할 수 있는 안전망으로 활용이 가능합니다. 국내 치매 환자 보호자들에게도 희소식이 되겠네요.

 

 

3) 애완 고양이의 비밀스런 생활 조사

 

▲ 출처: National Geographic Youtube

 

개나 고양이를 키우는 분들은 반려 동물들이 집 밖을 나가 무엇을 하는지 궁금할 때가 있죠? 그래서 노스캐롤라이나 주립 대학 연구자들은 고양이 1,000마리에게 GPS 목줄을 달아 움직임을 추적하는 프로젝트를 시작했습니다. 자기 영역만을 돌아다닌다는 속설과는 달리 고양이들은 가끔씩 새로운 곳을 탐험하기도 했다고 하네요. 영국 TV 프로그램에서도 유사한 실험을 했는데, 고양이들이 다른 고양이의 주인집에서 먹이를 훔치는 데 많은 시간을 보냈다고 합니다.


스마트폰 대중화에 힘입어 도래한 ‘1인 1GPS 시대’. 한 때 군사 무기에나 쓰이는 어려운 기술로 치부됐던 GPS가 이제는 동네 맛집 검색에도 쓰일 정도로 익숙하고 편한 기술로 다가왔습니다. 물론, 기술의 양면성을 고려해 사생활 침해에 위험성은 유의해야겠지요. 앞으로 GPS 기술이 또 어떤 생활의 변화를 가져다 줄지 기대됩니다.

 

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