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[지도와 GNSS의 활용] 지도와 전 지구 위성항법 시스템(GNSS)의 활용

국립등산학교 남정권 | 기사입력 2020/02/28 [17:40]

[지도와 GNSS의 활용] 지도와 전 지구 위성항법 시스템(GNSS)의 활용

국립등산학교 남정권 | 입력 : 2020/02/28 [17:40]

산에서 수색이나 구조활동을 할 때, 구조 요청 지점을 선정해 표지를 설치하고 운용할 때 지도와 GPS를 활용하는 능력은 필수적이다. 본 연재는 지도와 GPS를 활용하는 데 필요한 기본 지식과 장비, 소프트웨어에 대한 다양한 이야기다.

 


 

GPS란?

인공위성을 기반으로 하는 GPS(Global Positioning System)는 전 세계 어디서든 시간이나 기상과 관계없이 내 위치를 실시간으로 정확하게 파악할 수 있는 시스템이다. 미국 국방성이 1973년부터 군사적 용도로 개발하기 시작한 항법 시스템이 GPS의 시초다. 현재 이 시스템을 전 세계의 민간에서도 자유롭게 사용하게 된 것은 우리나라의 뼈아픈 과거사가 있었기 때문이다.


1983년 9월 16일, 시베리아 상공을 비행하던 대한항공의 KAL 007기가 구소련의 전투기에 의해 격추되는 사건이 발생했다. 원인은 항로 이탈이었다. 이를 계기로 국제민간항공기구(ICAO)는 미국 정부에 GPS의 민간 이용을 강력히 요청했다. 1984년 미국 레이건 대통령은 GPS 신호 중 군사용 신호를 제외한 일부를 전 세계에 무료로 이용할 수 있도록 허가했다. 이후 보안을 목적으로 1990년 3월부터는 민간에 개방된 신호를 통해 위치를 파악할 때 그 오차가 100m 정도로 크게 발생하도록 위성 신호에 고의잡음(SA, Selective Availability)을 섞기 시작했다. 그러나 민간에서 정확성에 대한 요구가 커지고 고의잡음 유지에 많은 예산이 소요됨에 따라 2000년 5월 1일 당시 미국 대통령이었던 빌 클린턴이 고의잡음 중단을 발표했다. 이에 민간용 GPS 수신기의 위치 오차가 5~30m 정도로 향상했고 민간용 GPS 수신기와 관련 장비, 소프트웨어의 개발ㆍ생산ㆍ판매가 급속히 증가했다. 민간의 대표적인 GPS 장비로는 차량ㆍ선박ㆍ항공용 내비게이션과 휴대용 GPS(Handheld GPS), 측량 장비 등이 있다. 스마트폰도 이에 해당한다.

 

GPS의 원리

GPS 운용을 위해 우주 공간에는 최소 24개 이상의 위성이 존재한다. 각각 2만200km 고도에서 지구를 하루 두 번씩 공전하며 지상을 향해 신호가 담긴 전파를 송출한다. 이 때문에 지구 어디서든 보통 5개에서 8개 정도의 위성으로부터 신호를 받을 수 있다.


내비게이션 장비와 휴대용 GPS, 스마트폰 내부에는 GPS 수신기(GPS Receiver)라는 장치가 내장된다. 이는 위성 신호를 받아 위성으로부터 전파가 도달하는 데 소요된 시간을 측정하고 위성까지의 정확한 거리를 계산한다. 여러 위성과의 거리를 측정함으로써 정확하게 현 위치를 파악할 수 있게 된다.


GPS 수신기는 휴대전화처럼 전파를 주고받는 방식이 아니라 라디오처럼 일방적으로 전파를 받기만 한다. 따라서 전력 소비가 적고 많은 사용자가 동시에 GPS를 이용해도 시스템에 무리를 주지 않는다.

 

GPS 수신기는 3개의 위성으로부터 신호를 수신할 경우 평면상의 위치만 파악할 수 있으나 4개 이상의 위성으로부터 신호를 수신할 경우 평면상의 위치와 함께 고도도 산출할 수 있다. 보다 많은 위성으로부터 신호를 수신할수록 더 정확한 위치 파악이 가능하다.

 

 

GPS의 특성
GPS 위성은 우주 공간에서 충분한 전력을 얻을 수 없어 백열전구의 절반 정도인 27W의 출력으로 전파를 송출한다. 이 전파는 2만km 이상의 거리를 지나 지상에 도달하므로 GPS 수신기에 감지되는 신호는 아주 미약하다. 따라서 GPS 수신기는 하늘이 보이는 야외에선 신호를 수신할 수 있지만 건물 안에선 수신이 어렵다.

 

하늘이 보여도 넓게 보이지 않는 깊은 계곡이나 빌딩 사이에선 많은 위성으로부터 신호를 수신할 수 없어 위치 오차가 크게 발생하거나 위치파악 자체가 불가능할 때도 있다. 심지어 우리 신체도 GPS 신호를 차단하므로 산행 시 휴대용 GPS를 허리에 차거나 주머니에 넣지 말고 배낭의 어깨끈 상단에 거치해 더욱 많은 위성으로부터 미약한 전파를 잘 수신할 수 있도록 해야 한다.


GPS 수신기 안테나 방식에 따라 GPS 장비의 거치 형태를 달리하는 것도 중요하다. GPS 수신기의 안테나에는 직사각형의 판 모양으로 된 패치형 안테나와 원통에 코일을 감은 헬릭스형 안테나가 있는데 패치형 안테나가 내장된 경우 패치면이 수평이 되게 거치하는 것이 좋다. 헬릭스형 안테나가 내장된 경우에는 원통이 수직이 되게 거치해야 한다.


예를 들어 가민(Garmin)의 Oregon 750t 모델과 스마트폰은 패치형 안테나를 사용하고 GPSMAP 64s 모델은 헬릭스형 안테나를 사용한다.

 

▲ 전 지구 위성항법시스템 

 

전 지구 위성항법 시스템의 발전
최근 궤도에 올라가는 GPS 위성들의 신호 송출 강도는 더욱 향상됐다. GPS가 개발된 후 이와 유사한 시스템인 러시아의 글로나스(GLONASS), 유럽연합의 갈릴레오(Galileo), 중국의 베이더우(BeiDou)가 구축 완료됐거나 구축 중이다. 이렇게 전 세계를 대상으로 구축한 위성항법시스템들을 통틀어 전 지구 위성항법 시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)이라 한다.


그리고 GNSS와 달리 위성의 수가 적어 전 지구를 대상으로 하지 못하고 자국이나 그 주변국만을 대상으로 하는 위성항법 시스템을 RNSS(Regional Navigation Satellite System)라 한다. 대표적으로는 인도의 IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System)가 있다.


일부 국가의 정부 기관에서는 GNSS의 위치 오차를 줄이기 위해 전 세계의 지역별로 GNSS 위성과의 거리 측정 오차 현황을 파악해 이 데이터를 실시간 인공위성으로 보낸다. 인공위성은 이를 다시 지상의 해당 국가와 주변국 GNSS 수신기로 송출해 위치보정을 하게 한다.

 

이런 시스템을 SBAS(Satellite Based Augmentation System)라 하며 대표적으로 북미의 WAAS(Wide Area Augmentation System), 유럽연합의 EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service), 일본의 MSAS(Multi-functional Satellite Augmentation System)ㆍQZSS(Quasi-Zenith Satellite System), 중국의 SNAS(Satellite Navigation Augmentation System), 러시아의 SDCM(System for Differential Correction and Monitoring), 인도의 GAGAN(GPS Aided Geo Augmented Navigation) 등이 있다. 우리나라에서도 한국형 SBAS인 KASS(Korea Augmentation Satellite System)를 2020년 7월부터 운용할 계획이다.


최근 출시되는 휴대용 GPS나 스마트폰은 다양한 GNSS와 SBAS 신호를 동시에 수신해 위치파악이 가능하다. 이 경우 평면상의 위치 오차를 반경 2~3m 이내로 줄일 수 있다.

 

특히 하늘이 넓게 보이지 않는 깊은 계곡이나 빌딩 사이에서도 기존보다 더 많은 위성으로부터 신호를 수신할 수 있어 위치파악의 신뢰성을 높일 수 있다.

 

그러므로 GNSS 장비를 선택할 땐 해당 장비가 GPS, 글로나스, 베이더우, 갈릴레오 중 어떤 신호를 사용할 수 있는지 확인해야 한다. 또 우리나라에서 사용할 수 있는 SBAS인 MSAS와 QZSS를 지원하는지도 확인할 필요가 있다.

 

국립등산학교_ 남정권

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2019년 6월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

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