GPS는 위성위치확인시스템(Global Positioning System)의 약어로, 위성과 지상에 존재하는 모든 장치들을 포함하는 단어 입니다. GPS센서는 작은 사각형 안테나를 사용하여 GPS 위성에서 수신한 신호를 처리하는 표면 실장형 칩으로 구성되어 있으며, 대부분 GPS 칩에 장착 되어 있는 경우가 많습니다. 일반적으로 우리가 GPS 라고 부를 때는 GPS 수신기를 뜻하는 경우가 많습니다.
GPS 영역
GPS는 다음과 같이 세가지 영역으로 구분되어 있습니다. 첫번째는 공간영역 입니다. 2011년 부터 공간영역에는 27개의 위성을 사용하도록 개선 되었습니다. 2015년 8월 기준으로 실제 사용되고 있는 위성은 31개 입니다. 필요한 경우 여분의 위성이 추가로 활성화 되어 사용됩니다. 위성은 지구에서 12,500마일(약 20,000km) 상공의 궤도를 회전하며, 24시간 기준으로 지구를 한 바퀴 돌 수 있습니다.
두번째는 제어 영역 입니다. 지상 주 관제국 1곳, 비상용 주 관제국 1곳, 명령 및 제어용 안테나 12개, 모니터링 부지 16곳으로 구성되며 이들은 모두 미국 공군에서 유지 및 관리 합니다. 마지막 세번째는 사용자영역입니다. 정부 또는 민간 소유의 수신 장치를 말합니다.
GPS 개발의 역사
GPS는 불과 100년도 안된 사이에 개발이 되었습니다. 극제적인 분쟁이 GPS 의 개발에 큰 영향을 주었다는 것도 과언이 아닙니다. 아래는 개발의 역사를 간단히 설명하는 글입니다. 1957년, 러시아가 ‘스푸트니크’라는 이름의 첫 인공위성을 발사하였습니다. 이를 계기로 미국은 인공위성의 이동 경로를 추적하고, 그 위치를 정확하게 파악하는 방법을 연구하기 시작했습니다. 1973년, 미국 국방부는 여러 위치 결정 시스템을 통합하여 GPS를 개발하기로 결정했습니다. 이는 미국 해군의 TRANSIT, 타임메이션 (TIMATION), 그리고 미국 공군의 621B 프로그램 등을 기반으로 했습니다.
1978년, 첫 GPS 위성이 발사되었고, 이후 10년 동안 10개의 실험 위성이 추가로 발사되었습니다. 1989년, 최초의 블록 II 위성이 발사되었습니다. 이 위성은 현대의 GPS 시스템의 핵심인 원자시계를 탑재하고 있었습니다. 1993년, 전세계를 커버할 수 있는 24개의 GPS 위성이 모두 운영되기 시작했습니다. 2000년, 미국 정부는 민간인들이 GPS를 사용 할 수 있도록 ‘선택적 가용성’이라는 제한을 해제하였습니다. 이로 인해 GPS는 널리 퍼져 나가게 되었고, 지금의 여러 가지 응용 분야에 사용되고 있습니다.
현재까지 GPS는 우리의 일상생활에 깊숙이 들어와 있으며, 운송, 긴급 서비스, 농업, 항공, 해양 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 이는 미국 정부의 지속적인 투자 개선 노력 덕분입니다. 이처럼 GPS는 지난 수십 년 동안 많은 발전을 이루어 왔습니다. 그러나 아직도 개선할 부분은 많으며, 더욱 정확하고 안전한 위치 결정 시스템을 위한 연구가 계속되고 있습니다.
GPS 작동 원리
GPS가 작동하기 위해서는 최소 4개(현재 시중에 나와 있는 제품중 22개까지 사용하는 제품도 있음)의 GPS 위성과의 연결이 필요합니다. 이 위성들은 ‘지구를 공전하는 고정된 궤도’를 따라 움직이며, 각자 정확한 시간과 그들의 위치 정보를 보내줍니다.
이때, 위성에 탑재된 원자 시계가 정확한 시간을 제공하는데요, 이 원자 시계는 1초에 9억 이상의 주파수를 생성하는 세슘 원자를 이용하여 초당 1억분의 1초 이상의 정확성을 가집니다. 이렇게 받은 정보를 GPS 수신기가 처리합니다. GPS 수신기는 위성에서 보내온 시간 정보와 자신이 받는 시간 정보의 차이를 계산하여 ‘거리’를 측정합니다. 이런 방식으로 4개의 위성으로부터 거리 정보를 얻으면, 이를 바탕으로 우리의 정확한 위치를 삼차원 공간에서 계산할 수 있게 됩니다. 이를 전문용어로 ‘삼각측량’이라고 부릅니다.
즉, GPS는 우리가 어디에 있는지 알려주기 위해 위성에서 보내는 시간 정보와 그 거리를 이용하는 것이죠. 이런 원리를 이용하면 우리는 지구 어디 에서든 정확한 위치 정보를 얻을 수 있습니다. 이처럼 GPS는 복잡해 보이지만, 사실은 시간과 거리를 이용한 간단한 수학 원리를 이용하고 있습니다. 이런 기술 덕분에 우리는 언제 어디서든 자신의 위치를 쉽게 찾을 수 있게 되었습니다. 위의 글에서 말하는 GPS 수신기란 대부분의 스마트폰에 장착되어 있는 장비로서 차량용 네비게이션, 비행기 등에 장착되어 있습니다.
원자 시계란? 원리는?
그렇다면 GPS에 사용되는 원자시계란 무엇인지 그 원리는 어떻게 되는지 아래 설명 해 드리겠습니다.원자 시계는 원자의 진동을 이용한 시계인데요, 여기서 ‘진동’이란 원자가 특정 에너지 상태에서 다른 상태로 바뀔 때 발생하는 현상을 말합니다. 원자 시계에서는 특히 세슘(Cesium) 원자의 진동을 이용하는데, 세슘 원자의 진동 주파수는 초당 약 9,192,631,770회로 매우 정확합니다.
원자시계는 이렇게 정확한 세슘 원자의 진동을 이용해 시간을 측정하는데, 그 과정은 다음과 같습니다. 먼저 원자기화기에서 세슘 원자를 가열하여 기체 상태로 만듭니다. 그 후 이 세슘 원자 기체를 전자기파가 있는 공간으로 보냅니다. 이 전자기파의 주파수가 세슘 원자의 진동 주파수와 일치하면, 세슘 원자는 더 높은 에너지 상태로 바뀝니다. 에너지 상태가 바뀐 세슘 원자는 검출기에서 검출됩니다. 여기서 전자기파의 주파수를 조정하여 검출되는 세슘 원자의 수가 최대가 되는 주파수를 찾습니다. 이렇게 찾은 주파수가 바로 세슘 원자의 진동 주파수이며, 이를 이용해 시간을 측정합니다.
이렇게 원자시계는 원자의 진동을 이용해 매우 정확한 시간을 측정하게 됩니다. 그 정확성은 1초에 1억분의 1초 정도로, 이는 약 3천만 년에 1초의 오차를 의미합니다. 그렇기에 세슘을 이용한 원자시계가 GPS에서 사용되고 있습니다.
