네비게이션의 원리
요즈음은 네비게이션(navigation)의 도움없이 새로운 목적지를 갈 엄두를 내지 못한다. 장소를 알지라도 주차장이 어디에 있는지를 알아야하고, 새로운 도로가 많이 만들어지고 있기 때문에 목적지로 바로 가기위해서는 네비게이션에 의지하지 않을 수가 없는 세상이 되어 버렸다. 스마트폰 덕분에 전화번호를 기억하지 않게 되었는데 네비게이션 때문에 지도책이 차에서 없어졌다.
네비게이션은 GPS(Global Positioning System), 즉 위성 위치 확인 시스템을 활용해서 길을 안내한다. 이 때 위성은 네비게이션을 장착한 차의 위치 좌표, 다시말해서 차가 위치한 위도와 경도 및 고도를 알게 한다. GPS 위성은 1978년부터 구축하기 시작하여 1994년이 되어서야 비로소 24개를 갖출 수 있게 되었다. 위성의 수명은 약 10년 정도로 지구중심에서 26,560km 반경으로 하루(정확하게는 항성일)에 지구를 두 바퀴 회전하는, 즉 11시간 58분의 주기로 회전하고 있으며 지구상 어디서나 항상 4~10개의 위성을 볼 수 있도록 배치되어 있다. 약 1ton 정도 무게인 GPS 위성은 수명이 다하면 바로 새로운 위성을 띄워 대체시킨다.
[그림 1] GPS의 원리도(https://www.gktoday.in/gk/golobal-positioning-system)
GPS 위성의 궤도수정이나 위치정보 등의 보정은 지상관제소에서 담당한다. Hawaii, Diego Garcia, Ascension Island, Kwajalein에 원격 모니터링 관제소가 있으며, 중앙 지상관제소(MCS: Master Control Station)는 미국의 콜로라도 스프링스에 있는 Falcon 공군기지에 있다.
각각의 위성은 두 가지 전파신호를 내보낸다. 하나는 위성의 위치와 또 하나는 전파신호를 내보내는 시간이다. 각각의 위성에는 정밀한 세슘(Cs)원자시계가 있어서 각 위성의 고유 시그널을 지상으로 계속해서 방사하면서 동시에 시간을 디지털신호로 알려준다.
위성에서 지상으로 발사된 전파신호를 지상의 네비게이션 기기가 수신을 한다. 이 때 전파 발신시간과 수신시간의 차이에 전파의 속도(광속도)를 곱하여 각 위성까지의 거리를 계산하고, 삼각형의 닮은꼴을 적용하는 삼각측량법으로 네비게이션의 위치를 알 수 있도록 한다. 위치를 결정하는 개념을 간략하게 이해하기 위해서 위도, 경도, 고도가 아닌 공간 직각좌표계를 적용하여 생각해 볼 수 있다. [그림 1]에서 보는 바와같이 위성 1,2,3이 있을 때 위성의 위치 공간좌표를 각각
개념적으로 살펴보기는 했지만 미지수가 3 개이기 때문에 최소 3개의 식이 필요하고, 각 식은 하나의 GPS 위성에 대응하므로 네비게이션의 위치를 알려면 최소 3개 이상의 GPS 위성이 필요함을 알 수 있다. 그러나 실제로는 최소 위성수를 4대로 설정한다. 세대는 좌표값 계산에 활용하고 한대는 편차 보정용으로 사용한다. 따라서 우리나라 GPS 위성을 운용하고자 한다면 정지위성 4대만 띄워도 된다.
아무튼 위성은 위성의 좌표와 고유 전파신호와 그 전파의 발신시간을 지상에 보내기만 하면 임무는 완성된다. 그 다음은 지상의 네비게이션이 안테나로 위성신호를 받아서 연산하여 자신의 지구상의 위치를 알아내서 화면지도상에 표시하고 이미 부여된 지상의 정보와 지도를 연계한 프로그램이 길 안내를 하게 되는 것이다. 네비게이션의 지도는 국토지리정보원에서 제공하는 지도를 활용하는 것이며, 각 종 도로정보나 편의 정보는 네비게이션 업체에서 입력해야 한다.
GPS는 미 해군에서 군사적인 목적으로 개발하여 함선의 네비게이션, 미사일의 네비게이션에 활용하던 것을 1983년, 미국 레이건 대통령이 민간에서도 GPS를 활용할 수 있도록 공개하면서부터 차량, 선박, 항공기와 특히 자율자동차의 운행에 없어서는 안되는 인류의 귀중한 자산이 되었다.
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