• 한국인사이트연구소 김덕진 부소장

GPS의 원리와 생활 속 활용법


오늘은 GPS에 대한 이야기를 해볼까 합니다.

◆ GPS : Global positioning system(전지구적위치결정시스템) 세계 어느 곳에서든지 인공위성을 이용하여 자신의 위치를 정확히 알 수 있는 시스템. 위치정보는 위도, 경도, 고도로 이루어져 있으며, 추가로 정확한 시간정보를 얻을 수 있습니다. 지구 위 약 20,000킬로미터 상공에 떠 궤도 위성에서 송출하는 전파 신호를 지상에서 수신하여 위치를 파악할 수 있는 시스템입니다.

>> 지금은 너무 흔하게 사용되고 있는 기술이지만 미국 IT 관련 사이트 테크리퍼블릭(TechRepublic)에서 선장한 ‘IT과학기술업계의 7대 불가사의’로 꼽히기도 할 정도로 대단하고 놀라운 기술인데요. >> 3개 이상의 위성이 전파를 발사하면 이용자의 장치로 위치/ 속도 / 시각을 계산 위성의 궤도정보: 이를 통해서 위성의 정확한 위치를 계산할 수 있습니다. 위성 신호가 발신되는 시간: 이 정보에 포함된 시간과 실제 수신기가 수신한 시간을 비교하면 빛의 속도로부터 역산해 수신기와 위성 사이의 거리를 알 수 있습니다.

출처 : 후니넷

>> 이 GPS를 만드는데 가장 큰 공헌을 한 이론이 바로 우리가 듣기만 하던 아인슈타인의 상대성 이론 이라고 합니다. 그 중에서 일반상대성 이론과 관련되어 있는데 빠르게 운동하는 물체는, 정치해있거나, 느리게 운동하는 물체에 비해 상대적으로 시간이 느리게 간다는 원리입니다. 즉 지구안에서 움직이는 사물보다 훨씬 빠르게 움직이는 인공위성이 지구위에서 쏘는 전파를 통해 물체가 움직이더라도 그 위치를 캐치하고 표시할 수 있다는 겁니다.

1956년 독일계 미국인 물리학자 프리드와트 윈터버그의 원자시계를 탑재한 고위도 위성의 상대적 시간 차이 측정 실험이 GPS 설계의 원리가 되었습니다. GPS 기술은 일종의 '잉여짓'에서 출발했다는 거 아세요? 시작은 스푸트니크의 발사로 미국이 충격을 먹었을 때, 미국의 존스홉킨스 대학의 응용 물리학 연구소에서 쉬는 시간에 스푸트니크에서 송출하는 라디오 신호를 듣고 있었습니다. 이 때 누군가가 스푸트니크호의 라디오 신호를 이용해서 위치를 알 수 있지 않을까 하는 생각을 했고, 실제로 계산결과 할 만하다고 여겨져서 하나의 신호 송출원의 신호를 여러군데서 잡고 그 위치를 계산하는 방법에 대한 보고서를 작성하고 곧 잊혀졌다. 그 후 핵잠수함이 핵미사일의 정확한 발사를 위해 자신의 정확한 위치를 알 필요가 있었는데 이 보고서가 떠올라 그 기술을 반대로 여러 송출원의 신호로 자신의 위치를 계산하는 방법을 만든게 GPS입니다. 이 GPS의 가장 큰 장점은 매우 값싼 GPS안테나와 몇 가지 장비만으로 자신의 위치를 정확히 알 수 있다는 점인데요

출처 : navigadget

종전에는 항법을 위하여 자이로 등을 이용한 관성항법장치를 사용해야 했는데, 이것은 가격이 엄청 비싼데다가(오차율이 매우 적은, 항공기에 들어가는 것은 억 단위가 넘는다) 시간이 지날 수록 오차가 누적되는 치명적인 단점이 있었습니다. 하지만 GPS는 위성 신호만 수신할 수 있는 상황이면 누구나 값싸게 전세계 어디에서나 자신의 위치를 공짜로 알 수 있습니다. 종전에는 항법장치 같은 것은 꿈도 못 꾸던 경비행기나 자동차, 심지어 휴대폰이나 멀티콥터 같은 취미용 장비에도 이를 집어 넣을 수 있게 되었습니다. 또 GPS는 위성 기반이기 때문에 전세계 대상 24시간 서비스가 진행되고 별도의 사용료를 받지 않고 무료로 사용하고 있는데요, 군사용부터 항공,선박,측지 레저용 등 다양한 분야에서 활용중입니다.

초창기 수신기는 단순히 GPS가 제공하는 신호를 받아 위치정보를 표시하는 독립된 장치였지만 널리 일반인이 사용하는 용도로는 GPS 수신기 자체로만 사용되는 것은 별로 없고, 내비게이션 등이나 휴대폰 등에 탑재되는 경우가 많습니다. 특히 스마트폰 등에 탑재되는 경우 주변정보 검색, 지오태깅(사진이나 노트, 블로그, 트위터 등의 위치 기록), 증강현실 애플리케이션 등

GPS 신호는 크게 민간용 과 군용이 있으며, 군용은 미군만 사용 중이며, 암호화되어 있기 때문에 일반인은 사용할 수 없다. 현재는 계속적인 기술의 발전을 통해 95% 신뢰도 내에서 최대 7.8 m의 오차가 발생하는 정도이고, 민간용 최신 수신 장비를 이용하면 3.5 m 정도의 오차가 난다. 그런데 이 GPS의 당연하면서도 요즘 사용할때의 가장 큰 맹점이 있는데 바로 “하늘” 이 보이는 곳에서 사용해야 한다는 것임! 위성에서 쏘는 신호를 받는 것이기 때문에 실외로 나와야 GPS수신이 됩니다. 네비게이션쓰실 때 지하주차장에서는 신호 못받다가 나오는 순간 GPS수신됐다고 나오는거 보신적 있으실 거에요. 지하에서는 GPS를 사용할 수 없고 실내 중에서는 창가가 있고 햇빛 비추는 창 근처로 가면 위치를 잡긴 하지만 완벽하게 잡지는 못함

군에서 작전상 GPS를 활용하는 경우도 있는데요. 중요한 위치들은 나오면 안되겠죠? (GPS라는 것 자체가 미국의 위성항법시스템의 이름임) 이는 당연히 그런 것들은 컨트롤 할 수 있습니다. 왜냐? 이 GPS라는 것 자체가 미국 주도로 만들어진 기술이고 현재도 미국에서 개발하고 관리하는 위성항법 시스템이며 원래 군사용으로 계획되어서 만들어진 것이기 때문입니다. 그래서 군사용 GPS의 경우 2~3m 수준으로 정확하고요. 이걸 활용해서 군사적으로는 배의 위치를 파악하는 항법시스템을 비롯해, 지상의 지형지물을 파악해 그 위치를 파악후 목적지를 타격하는 순항미사일(Cruise Missle)에 까지 활용되고 있습니다. 미국의 토마호크 순항미사일(사거리 1250~2500km)의 사거리를 감안하면, 그 정확도를 가늠할 수 있습니다.

군사용 GPS는 암호화되어 있어서 교란당할 확률이 적고요. 사실 군용 GPS 전파는 ionospheric correction. 즉, 전리층 간섭에 대한 보정을 위해 두 개의 주파수를 쓴다. 궁극적으로 앞으로 전개될 업그레이드 플랜으로 두 개의 격차는 줄어들 것으로 보입니다. GPS 교란에 대한 얘기 자주 뉴스에 나오잖아요. 생각보다 이게 쉽다는 것 아시나요? 과거와 다르게 오류를 내게 하는 것들도 없애다 보니 교란이 상대적으로 쉬워질 수 밖에 없는데요, GPS가 규격화 된 경우 한 번의 교란으로 신호를 잡을 수 없게 됩니다. 비유하자면 같은 회사의 TV 여러 개를 한 개로 조종할 수 있다는 뜻이 됩니다. 보조적이니 뭐니해도 GPS를 사용하는 무기체계가 늘다보니 GPS를 교란하려는 방법도 가지가지입니다. GPS 신호의 주파수 대역이 기본적으로 공개되어있는데다가, 그 신호도 매우 약하기 때문에 교란 하는 입장에서는 사실 여타의 레이더나 통신장비보다는 교란이 쉬운 편.

하지만 GPS 교란장치는 기본적으로 지상에 놓여있는 경우가 많은데 실제 GPS 안테나들은 위쪽을 향하고 있기 때문에 이 교란신호들이 항공기나 미사일의 몸체에 가려서 생각보다 작은 신호강도로는 GPS 교란을 할 수가 없습니다. 게다가 성능 좋은 안테나들은 수신되는 신호가 하늘에서 날아오는 것인지 땅에서 솟아난 것인지 방향을 파악하기 때문에 밑에서 올라오는 신호를 무시해버리기도 합니다. 군사적인 부분에서 보면 미군의 경우에는 암호화된 GPS신호를 사용하기 때문에 다른 나라에 비해 교란을 하기 쉽지 않지만 타국의 경우나 일반인들이 사용하는 GPS의 경우에는 상대적으로 교란이 쉽습니다.

만약에 GPS 정보 제공이 차단이 된다... 그럼 어떤 불편함이 있을까요? 당장 네비게이션 켜고 빠른길 서비스 받아서 고속도로 가고 있는데 GPS 수신이 안된다? 위기시에 통신망등이 모두 손상되면 남는건 GPS뿐인데 긴급상황에 대처할 수 없고... 그래서 미국에서는 모든 휴대폰에 GPS 탑재가 의무화되어 있어 긴급통화시 발신자 위치 추적에 사용할 수 있게 되어 있습니다. GPS를 활용하여 버스 위치를 알고 현금을 찾아준 사례나, 분실물 발생했을 경우도 GPS 활용하면 찾을 수 있고요! 이전에 얘기한 배달앱. O2O가 다 GPS 기반입니다. 또, 온라인 홈페이지 마케팅 할 때 지도 첨부하는데, 자동으로 위치를 읽어주고, 근처에 맛집을 GPS를 활용한 위치기반 서비스를 활용한다면 내가 위치한 곳으로부터 5키로 이내 맛집으로 조건이 생기면서 선택의 폭을 좁힐 수 있다는 장점이 있습니다! 또 비슷한 원리로 서울 영등포에 방을 얻으려고 하는데 찾아보니 전국의 방 안내가 다뜨니 나에겐 필요없는 정보까지 나오면 피곤하죠. 그런 경우 위치를 기반으로 한다면 좀 더 조건을 디테일하게 잡고 내게 맞는 정보만 선택 가능하게 됩니다.

출처 : 배달의 민족

하지만!!! 무엇보다 논란이 되는 건 아무래도 사생활 침해겠죠? 모든 기술은 양날의 검과 같은 것이어서, 초반에는 동의하지 않은 부분까지도 설치가 돼서 문제였지만 지금은 동의를 구한 부분에 대해서만 확인 가능하고요. 해외에 나가있는 가족들의 위치를 확인하고 sos메시지까지 보낼 수 있는 등 좋은 점을 잘 활용하면 장점이 될지도..

2010년 10월에 한 앱이 나오면서 사생활 침해 관련 이슈가 나오기 시작했는데요. 지난 16일 아이튠즈를 통해 공개된 '오빠 믿지?' 어플리케이션은 아이폰의 위치 기반 서비스를 활용, 상대방의 위치를 실시간으로 파악할 수 있다. 상대방의 GPS상 위치를 실시간으로 검색할 수 있는 어플은 처음이었습니다.

이 어플을 사용할 경우 아이폰의 전원을 끄거나 어디에 버리지 않는 이상 자신의 위치를 숨기는 일이 불가능 합니다. '위치 숨기기' 기능도 있으나 위치를 숨길 경우 상대방에게 문자 메시지가 가게 됩니다.

이 어플이 공개되자 네티즌들은 해당 어플이 연인들 사이에서 사용되는 경우 과도한 사생활 침해와 구속의 도구로 사용될 우려가 있다며 부정적인 반응을 보이며 비난했습니다.

* KBS1 라디오 <생생라디오매거진 오언종입니다>의 '매거진 플러스!' 코너에 출현한 내용입니다. * 본 내용은 2016년 7월 12일 방송분입니다.

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