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[지도와 GNSS의 활용] 방위

국립등산학교 남정권 | 기사입력 2020/12/21 [10:00]

[지도와 GNSS의 활용] 방위

국립등산학교 남정권 | 입력 : 2020/12/21 [10:00]

바로 옆에 있는 사람이 길을 물을 때 내가 아는 곳이라면 직접 손으로 가리켜 방향(Direction)을 알려줄 수 있다. 그러나 멀리 떨어진 사람이 통신을 통해 길을 물을 땐 상대방의 위치와 찾는 곳을 알고 있더라도 방향을 알려줄 수 없다. 이때 방향을 언어나 문자로 표현하면 길을 알려줄 수 있다. 이렇게 방향을 언어나 문자로 나타내는 걸 방위(方位) 또는 방향 문자(Directional Letters)라 한다.

 

대표적으로 4방위(Four Cardinal Directions)인 동, 서, 남, 북이 있으며 4방위 사이에 그 중간 방위인 북동, 남동, 남서, 북서를 추가해 8방위라 한다. 8방위에 다시 그 중간 방위인 북북동, 동북동, 동남동, 남남동, 남남서, 서남서, 서북서, 북북서를 추가해 16방위라 한다. 같은 방식으로 16방위를 32방위로 세분화해 사용하기도 한다.

 

방위각(Azimuth or Bearing)

방향을 좀 더 정밀하게 표현해야 하는 측량이나 천문학, 항공기ㆍ선박의 항법, 독도법, 포술 등에서 방위각을 사용한다. 방위각이란 방향을 각도로 나타낸 방향 문자다. 이는 북쪽을 기준 방향으로 하면서 시계 방향으로 각도를 부여한다.

 

방위각의 단위로 도(Degree, °)를 사용할 경우 도각법이라 한다. 한 바퀴는 360°이므로 동쪽의 방위각은 90°, 남쪽의 방위각은 180°, 서쪽의 방위각은 270°, 북쪽의 방위각은 0° 또는 360°가 된다.

 

군대에선 각도에 따른 거리 변동을 쉽게 파악할 수 있도록 밀리(㎜)라는 각도 단위를 사용하며 이를 Mils라고도 한다. 어떤 기준점에서 북쪽으로 1m 진행한 후 다시 동쪽으로 1㎜ 진행한 지점은 처음의 기준점에 대해 1밀리 방위각에 위치하는 거다.

 

방위각의 단위로 밀리를 사용할 경우 밀리각법이라 한다. NATO mils의 경우 한 바퀴는 6400㎜이므로 동쪽의 방위각은 1600㎜, 남쪽의 방위각은 3200㎜, 서쪽의 방위각은 4800㎜, 북쪽의 방위각은 0㎜ 또는 6400㎜가 된다.

 

▲ [그림 1]

북방위

방위각의 기준이 되는 북쪽은 하나가 아니라 진북과 도북, 자북으로 나뉜다. 북방위 내용은 올해 1월, 2월, 3월호의 내용을 먼저 숙지한 후 본다면 훨씬 잘 이해가 될 거다.

 

1. 진북(True North 또는 Geographic North 또는 Terrestrial North)

진북은 수평으로 북극점을 향하는 방향이다. [그림 1]과 같이 경위도 좌표계에서 경도선들은 위쪽으로 북극점을 향하기 때문에 모두 북극점에 모이게 된다. 그러므로 지도상에서 경도선들의 위쪽 방향이 정확한 진북이다.

 

넓은 지역의 지도는 일반적으로 일정 경위도 간격으로 분할해 여러 도엽으로 나눔으로써 지도 취급을 편리하게 한다. 그러므로 [그림 2]와 같이 도엽의 지도란에서 상하의 가로 도곽선은 위도선이며 좌우의 세로 도곽선은 경도선이다. 도엽에서 수직 방향의 세로 도곽선이 바로 경도선이므로 도엽의 수직 위쪽이 진북이다.

 

지구 자전축의 북쪽 연장선 방향에 북극성이 있어 북반구에선 흔히 북극성의 방향을 진북 방향으로 본다. 그러나 엄밀히 따지면 밤하늘의 북극성은 자전축의 연장선에서 44' 09"(0.736°) 각도만큼 벗어나 있어 시간에 따라 북쪽 밤하늘에서 작은 원을 그리기 때문에 정확한 진북 방향으로 볼 수 없다. 하지만 대략 진북 방향을 파악할 때 참고는 될 수 있다.

 

진북을 기준 방향으로 한 방위각을 진북 방위각(True Bearing) 또는 진방위각이라 한다. 단위는 True Bearing의 이니셜을 사용해 °T로 표기한다. 진북을 기준으로 한 4방위에서 동, 서, 남을 각각 진동, 진서, 진남이라 한다.

 

▲ [그림 2]

 

2. 도북(Grid North)

도북은 수평으로 평면직각 좌표계의 북향축(세로축, Northing)이 가리키는 방향이다.

 

경위도 좌표계의 위도선과 경도선이 직선으로 표현되고 서로 직각으로 교차하게 되는 정축 원통 투영법의 지도에서는 모든 지역에서 진북과 도북의 방향이 일치한다. 하지만 정축 원통 투영법 외에 다른 투영법에선 경위도 좌표계가 곡선으로 표현된다.

 

따라서 도엽의 수직 위쪽인 진북에 대해 도북의 방향은 지역에 따라 달라진다. 그리고 지도에 따라 다양한 평면직각 좌표계가 사용되므로 한 지역의 지도에서 어떤 평면직각 좌표계를 사용하는지에 따라 도북의 방향이 달라진다.

 

▲ [그림 3]

▲ [그림 4]

 

[그림 3]에서 파란색 굵은 선들은 경위도 좌표계를 평면에 정축 원통 투영법인 머케이터(Mercator) 투영법으로 투영한 거다. 빨간색 가는 선들은 평면직각 좌표계이며 A와 B, C를 감싸고 있는 검은색 선들은 일정 경위도 간격으로 분할된 도엽들의 도곽선이다. [그림 4]의 A와 B, C 도엽에서 진북과 도북 모두 수직 위쪽이다.

 

▲ [그림 5]


▲ [그림 6]

 

[그림 5]에서 불규칙한 간격의 파란색 선들은 경위도 좌표계를 평면에 횡축 원통 투영법인 횡단 머케이터(Transverse Mercator) 투영법으로 투영한 거다. 일정한 간격의 빨간색 선들은 평면직각 좌표계이며 A와 B, C를 감싼 검은색 선들은 일정 경위도 간격으로 분할된 도엽들의 도곽선이다.

 

[그림 6]과 같이 분할된 도엽들을 각각 바로 세워놓았을 때 A 도엽에선 수직 위쪽인 진북에 대해 도북이 좌측으로 기운다. B 도엽에선 수직 위쪽인 진북에 대해 도북이 같은 수직 위쪽이다. C 도엽에선 수직 위쪽인 진북에 대해 도북이 우측으로 기운다. 이처럼 횡단 머케이터 투영법으로 투영한 지도에서 북반구의 경우 중앙 자오선이 위치한 지역의 도엽은 도북과 진북의 방향이 같다.

 

하지만 중앙 자오선에서 동쪽으로 멀리 떨어진 지역의 도엽일수록 도북이 동쪽으로, 서쪽으로 멀리 떨어진 지역의 도엽일수록 도북이 서쪽으로 더 기울게 된다.

 

남반구의 경우 중앙 자오선이 위치한 지역의 도엽은 도북과 진북의 방향이 같지만 중앙 자오선에서 동쪽으로 멀리 떨어진 지역의 도엽일수록 도북이 서쪽으로, 서쪽으로 멀리 떨어진 지역의 도엽일수록 도북이 동쪽으로 더 기울게 된다. 북극이나 남극에서 사용되는 국제 극 평사(Universal Polar Stereographic) 투영법 지도에선 도북의 방향이 도엽 아래쪽을 향하는 경우도 있다.

 

우리나라 해양청의 해도는 머케이터 투영법에 따라 제작되기 때문에 지역에 관계없이 모든 도엽의 진북과 도북이 수직 위쪽이다. 그러나 국토지리정보원의 국가 기본도는 횡단 머케이터 투영법에 따라 제작되므로 모든 도엽의 수직 위쪽은 진북이지만 도엽에 따라 도북의 방향은 달라진다.

 

측량이나 토목 공사의 도면, 지적도와 같이 평면직각 좌표계를 기반으로 하는 지도는 일반 도엽과 달리 도북이 수직 위쪽을 향하게 작성되는 경우가 많다. PC나 스마트폰에서 지도를 이동시키면 그때마다 새로운 지역을 로딩해 연속적으로 표현해 주는 전자 지도들은 수직 위쪽이 도북이다.

 

예를 들어 카카오맵(kakaomap)이나 네이버(Naver) 지도, 구글(Google) 지도의 수직 위쪽은 도북이다. 구글 지도의 투영법은 머케이터 투영법이기 때문에 모든 지역의 진북도 수직 위쪽이다. 그러나 카카오맵과 네이버 지도의 투영법은 횡단 머케이터 투영법이기 때문에 지역에 따라 진북의 방향이 달라진다.

 

도북을 기준 방향으로 한 방위각을 도북 방위각(Grid Bearing) 또는 격자 방위각이라 한다. 단위는 Grid Bearing의 이니셜을 사용해 °G로 표기한다. 그리고 도북을 기준으로 한 4방위에서 동, 서, 남을 각각 도동, 도서, 도남이라 한다.

 

3. 자북(Magnetic North)

자북은 자기 자오선(지구 자기의 자력선)의 자북극 방향에 대한 수평 벡터 성분이다. 이는 나북(Compass North, 자석 나침반의 N극 자침이 가리키는 방향)과 동일한 것으로 간주해도 무방하다. 하지만 주변에 지자기 간섭을 일으키는 전자기장이 있을 땐 이 영향으로 나북 방향이 자북의 방향과 다소 달라진다. 이를 자기 오차(또는 자차)라 한다.

 

지구는 거대한 하나의 자성체로 볼 수 있으며 자석과 마찬가지로 N극과 S극을 가진다. 그러나 지구에서 자석의 S극 속성을 띠는 지점은 북반구에 위치하며 이를 자북극(North Magnetic Pole)이라 한다.

 

반대로 자석의 N극 속성을 띠는 지점은 남반구에 위치하며 이를 자남극(South Magnetic Pole)이라 한다. 자석 나침반 자침의 N극은 S극 속성의 자북극을 향하지만 지구 자기장은 아주 복잡한 양상을 띠기 때문에 자북극이 있는 직선 방향과 정확히 일치하진 않는다.

 

자북극, 자남극은 지리적인 북극, 남극과 그 위치가 다르다. 자북극은 2020년을 기준으로 캐나다 북쪽의 북극해(N86.502°/E164.036°)에 위치하며 그 위치가 매년 북북서 방향으로 약 55㎞ 정도 이동하고 있다. 그러므로 전 세계적으로 진북에 대한 자북의 방향이 다르게 나타나며 그 방향도 세월에 따라 조금씩 변해 간다.

 

오리엔티어링용 지도는 일반 도엽과 달리 자북이 수직 위쪽을 향하게 작성되는 경우가 많다.

 

자북을 기준 방향으로 한 방위각을 자북 방위각(Magnetic Bearing) 또는 자침 방위각이라 한다. 단위는 Magnetic Bearing의 이니셜을 사용해 °M으로 표기한다. 그리고 자북을 기준으로 한 4정 방위에서 동, 서, 남을 각각 자동, 자서, 자남이라 한다.

 ▲ [그림 7] 진북 방위각, 도북 방위각, 자북 방위각의 개념

  

편차각

진북, 도북, 자북 간의 방향 차이를 각도로 나타낸 거다. 편차각의 내용은 올해 4월호의 내용을 먼저 숙지한 후 본다면 훨씬 이해가 잘 될 거다. 

 

1. 도편각(Meridian Convergence 또는 Grid Convergence)

편차각 중 도편각은 진북과 도북 간의 방향 차이를 각도로 나타낸 것으로 도북의 방향을 진북 방위각으로 표현한 각도다. 예를 들어 도북이 진북에 대해 반시계 방향(서쪽)으로 5° 기운 경우 도편각은 355° 또는 -5°가 된다. 이는 도자각의 반수에 자편각을 더한 값과 같다. 도북 방위각에 도편각을 더하면 진북 방위각이 되고 진북 방위각에 도편각을 빼면 도북 방위각이 된다.

 

▲ [그림 8]

 

국토지리정보원의 국가 기본도는 [그림 8]과 같이 우리나라를 서부(E124~E126°), 중부(E126~E128°), 동부(E128~E130°), 동해(E130~E132°) 지역으로 구분해 각각 E125°, E127°, E129°, E131° 자오선을 중앙 자오선으로 횡단 머케이터 투영을 한 후 각 지역에 독립된 평면직각 좌표계를 만들었다.

 

따라서 각 지역의 중앙 자오선에선 진북과 도북의 방향이 일치하지만 중앙 자오선의 서쪽인 E124~E125° 사이와 E126~E127° 사이, E128~E129° 사이, E130°~E131° 사이에선 진북에 대한 도북의 방향이 서쪽으로 기운다. 중앙 자오선의 동쪽인 E125~E126° 사이와 E127~E128° 사이, E129~E130° 사이, E131~E132° 사이에선 진북에 대한 도북의 방향이 동쪽으로 기운다.

 

진북과 평면직각 좌표계의 도북은 세월에 따라 변하지 않기 때문에 한 지역에서 도편각도 세월에 따라 변하지 않는다. 그러나 한 지역에서 다양한 평면직각 좌표계를 사용할 경우 평면직각 좌표계에 따라 도북이 달라지기 때문에 지도에 사용된 평면직각 좌표계에 따라 도편각도 달라진다. 예를 들어 지리산 천왕봉에서 우리나라 TM 좌표계(중부)의 도편각은 0.42°지만 군사 좌표계의 도편각은 -0.73°다.

 

2. 자편각(Magnetic Declination 또는 Magnetic Variation 또는 Magnetic Deviation)

편차각 중 자편각은 진북과 자북 간의 방향 차이를 각도로 나타낸 것으로 자북의 방향을 진북 방위각으로 표현한 각도다. 자편각 중에서 자북이 진북에 대해 동쪽으로 기운 자편각은 동편각(Easterly Error)이라 하며 ‘+’ 또는 ‘E’로 표기한다.

 

서쪽으로 기운 자편각은 서편각(Westerly Error)이라 하며 ‘-’ 또는 ‘W’로 표기한다. 예를 들어 자북이 진북에 대해 반시계 방향(서쪽)으로 5° 기운 경우 자편각은 355°(E355°) 또는 -5°(W5°)가 된다. 이는 도자각에 도편각을 더한 값과 같다. 자북 방위각에 자편각을 더하면 진북 방위각이 되고 진북 방위각에 자편각을 빼면 자북 방위각이 된다.

 

우리나라의 자편각은 서편각이며 지역에 따라 그 크기가 다르게 나타난다. 2020년 12월을 기준으로 자편각은 한라산이 -7.45°, 지리산 천왕봉이 -8.12°, 계룡산이 -8.38°, 북한산이 -8.75° 정도 된다.

 

진북은 세월에 따라 변하지 않는 반면 자북은 조금씩 변하기 때문에 한 지역에서 자편각도 세월에 따라 변하게 된다. 우리나라의 서울에선 연간 자편각 변화량(Annual Rate of Change)이 서쪽으로 0.09° 정도 된다(2020년 기준).

 

따라서 최소한 5년을 주기로 각 지역의 자북 방향을 다시 조사해 자북 방향을 지도에 새롭게 표시해 줘야 하지만 현재 국토지리정보원의 국가 기본도에는 1996년도에 조사한 자북 방향이 표시돼 있다.

 

그러나 세월에 따른 세계 각지의 자북 방향을 편리하게 파악할 수 있도록 미국 정부 기관에서 전 지구 지자기 모델을 만들어 배포하고 있어 누구나 손쉽게 최신 자편각을 검색할 수 있다.

 

전 지구 지자기 모델로는 대표적으로 WMM 2020(World Magnetic Model 2020)과 IGRF 13(International Geomagnetic Reference Field 13, 국제 지자기 편차 지도)이 있다. 이 중 WMM은 미국 NGA(National Geospatial-Intelligence Agency)의 성과물이다.

 

미국의 NGDC(National Geophysical Data Center)와 영국의 BGS(British Geological Survey)는 미국의 NGA와 영국의 DGIA(Defence Geographic Imagery and Intelligence Agency) 자금 지원을 받아 WMM을 제작했다.

 

미국 국방부(US Department of Defense)와 영국 국방부(UK Ministry of Defence), 북대서양 조약 기구(NATO, North Atlantic Treaty Organization), 국제수로국(WHO, World Hydrographic Office)에서의 항법과 자세ㆍ방향 분석 시스템은 WMM을 표준 모델로 사용한다.

 

이는 민간 항법 시스템에도 폭넓게 사용된다. 현재 사용되는 WMM 2020은 2024년 12월 31일까지 사용할 수 있다. 이후엔 WMM 2025로 업데이트된다. 아래 NGA 산하 NGDC의 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration) 홈페이지(www.ngdc.noaa.gov/geomag/calculators/magcalc.shtml#declination)에서 WMM 2020 또는 IGRF 13을 바탕으로 원하는 지역과 날짜의 자편각을 파악할 수 있다.

 

안드로이드용 스마트폰에선 CrowdMag 또는 Variation 애플리케이션(앱)을 설치해 원하는 지역과 날짜의 자편각을 파악할 수 있다. 아이폰에선 CrowdMag 앱을 설치해 원하는 지역과 날짜의 자편각을 파악할 수 있다.

 

3. 도자각(G-M Angle)

편차각 중 도자각은 도북과 자북 간의 방향 차이를 각도로 나타낸 것으로 자북의 방향을 도북 방위각으로 표현한 각도다. 예를 들어 자북이 도북에 대해 반시계 방향(서쪽)으로 5° 기운 경우 도자각은 355° 또는 -5°가 된다. 이는 자편각에서 도편각을 뺀 값과 같다. 자북 방위각에 도자각을 더하면 도북 방위각이 되고 도북 방위각에 도자각을 빼면 자북 방위각이 된다.

 

도북은 세월에 따라 변하지 않는 반면 자북은 조금씩 변하기 때문에 한 지역에서 도자각도 세월에 따라 변하게 된다. 그리고 한 시기의 한 지역이라도 다양한 평면직각 좌표계를 사용할 경우 평면직각 좌표계에 따라 도북이 달라지므로 지도에 사용된 평면직각 좌표계에 따라 도자각도 달라진다. 예를 들어 2020년 12월에 지리산 천왕봉에서 우리나라 TM 좌표계(중부)의 도자각은 -8.54°지만 군사 좌표계의 도자각은 -7.39°다.

 

4. 편차각 도표

도엽의 난외주기에 해당 도엽의 진북, 도북, 자북 방향을 직선과 기호로 나타내고 편차각들도 함께 표시한 걸 편차각 도표라 한다.

 

편차각 도표에서 진북의 방향을 나타내는 직선 끝에 별을 표시하고 도북의 방향을 나타내는 직선 끝에 이등변 삼각형 또는 체크 표시(V) 또는 GN 또는 사각형을 표시한다. 자편각이 서편각인 경우 자북의 방향을 나타내는 직선 끝 왼쪽에 자편각이 동편각인 경우 자북의 방향을 나타내는 직선 끝 오른쪽에 직삼각형을 표시한다.

 

▲ [그림 9]                                                                                       ▲ [그림 10]

 

▲ [그림 11]

 

일반적으로 도엽은 일정 경위도 간격으로 분할하기 때문에 [그림 9]와 같이 모든 도엽에서 편차각 도표의 진북이 수직 위쪽을 가리키는 게 정상이다. 우리나라의 국가 기본도도 횡단 머케이터 투영법으로 경위도 좌표계를 투영한 후 일정 경위도 간격으로 도엽을 분할했기 때문에 모든 도엽의 진북이 수직 위쪽이고 도엽에 따라 도북의 방향은 달라진다.

 

그러나 우리나라 국가 기본도의 도엽은 [그림 10]과 같이 편차각 도표의 도북이 모두 수직 위쪽으로 표시돼 있다. 이는 [그림 11]과 같이 지도상의 진북, 도북, 자북의 방향을 잘못 가리키고 있는 거다.

 

국립등산학교_ 남정권

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2020년 12월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

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