드론 세계와 영상을 배우는 블로그 2020.03.17일자 업로드글.GPS는 Global Positioning System의 약칭으로 인공위성을 이용해 물체의 정확한 위치를 파악하는 시스템이다. 원래는 미 국방부가 군사용으로 개발했으나 2000년부터는 제한이 풀리면서 민간이 사용할 수 있게 됐고, 현재는 세계 여러 나라에서 이를 활용해 관련 기술 및 용도 개발에 주력하고 있다.
GPS는 항공기 선박 자동차 등의 내비게이션 장치로 주로 사용되고 있으며 최근에는 스마트폰 태블릿 등에서도 지도와 위치 찾기 등의 기능으로 활용되고 있다.
●위치측정시스템 GPS의 다구용도 =1. GPS가 없을 때는 어떻게 했을까
철새나 연어 같은 동물은 나름대로 방향을 잡을 수 있는 방법이 있지만 사람은 자신의 절대적인 위치를 알 수 있는 감각이 없기 때문에 예전부터 자신의 정확한 위치를 알기 위해 다양한 방법을 개발해 왔다. 예를 들면 북극성이나 태양, 달과 같은 천체를 관측해 자신의 위치를 파악하거나 더욱 발전해 가속계, 자이로스코프 등을 사용해 위치 계산을 하는 「INS: Inertial Navigation System」이나 피드백 전파를 활용한 「전파 항법장치」등이 그것이다.
관성항법장치(INS)는 사실 자이로에 의해 그 성능이 좌우돼 비행기의 평형 등 자세를 체크하고 바로잡는 데는 강하지만 위치를 파악하는 데는 그 기능이 약했다. 그래서 위치 파악에 강한 GPS가 발전한 반면 GPS는 위치 파악만으로 비행기의 ‘자세 평형’을 잡는 데 큰 의미가 없다. 따라서 오늘날 항공기, 무인자동차, 드론, 로봇 등에서는 자세 균형을 잡는 데 강한 INS와 위치 파악에 강한 GPS를 혼합해 협업해 함께 사용하여 발전하고 있다.관성항법장치 INS와 위치항법장치 GPS의 훌륭한 협업→ 무인자동차에도 INS와 GPS의 협업은 필수인 2. GPS의 구성과 역할 부문
GPS는 우주위성 부문, 지상관제 부문, 사용자 부문으로 구성된다. 여기서 위성 부문은 GPS 위성을, 지상 관제 부문은 지상에 위치한 제어국을, 사용자 부문은 GPS 수신기를 말한다.GPS의 우주위성 부문, 지상관제 부문, 사용자 부문 3. GPS 위성의 숫자와 배치 구조
지구상에는 30개의 GPS 위성이 돌고 있다. 이 중 24개가 핵심인데 21개의 주위성과 3개의 예비위성이 그것이다. 나머지 6개는 24개의 위성에 문제가 생겼을 때를 대비한 ‘백업’용이다. GPS 위성은 태양에너지로 작동하며 수명은 약 8~10년 정도다.
24개의 위성 각각은 55도의 기울기 각을 가진 6개의 궤도상에 4개씩 배치되어 있다.(6개의 궤도x4개씩=24개의 위성) GPS 위성은 지구 상공 20,183~20,187㎞ 고도로 배치되어 있으며, 11시간 58분에 한 번 지구를 공전하여 6개의 궤도면에 분포하고 있다.지구 둘레 6개 궤도면에 분포하고 있는 GPS 위성 24개 4. GPS의 작동 원리
예를 들어 A라는 물체(사람, 건물, 자동차, 비행기, 선박 등 무엇이든)가 있는 정확한 위치를 알려고 할 때 GPS의 작동 원리는 다음과 같다.
우선, 각각의 위성이 전파를 발사해 반사하는 전파를 다시 수신하는 것으로 거리를 계산해, 자신(위성)이 있는 좌표치(위치)를 구한다.
3개의 GPS 위성이 각각 이렇게 자신(위성)의 존재 위치와 거리를 정확히 측정해 이들 위치에서 원을 그리며 삼각 측량 방식으로 겹치는 점을 찾으면 찾으려는 A물체의 위치를 찾을 수 있고,
(3) 이 위치값에 나머지 위성 1개 내지 더 많은 위성의 값을 대입해 오차값을 수정 보완함으로써 더 정확한 값(A위치)을 찾아내는 방식이다.3개의 GPS 위성으로 특정 물체의 위치를 찾는 방법 5. GPS 위성이 4개 이상 꼭 필요한 이유
우리가 살고 있는 지구는 평면이 아니라 둥글기 때문에(입체이기 때문에) 어떤 물체의 정확한 위치를 찾기 위해서는 최소한 GPS 위성 4개가 필요하다. 측정용 3개 + 오차 수정용 1개 이상.
만약 직선과 같은 1차원에서 특정한 위치를 알아내려면 두 개의 기준점과 각각의 거리값을 알아내면 쉽게 위치를 알아낼 수 있고 평면인 2차원 세계에서는 세 개의 기준점과 각각의 거리값을 알아내면 물체의 위치값을 알아낼 수 있다. 즉, 각 기준점을 원의 중심으로 하여 거리값을 반지름으로 했을 때, 3개의 원이 만나는 지점이 바로 해당 위치(A)가 되기 때문이다.지구처럼 둥근 3차원 세계에서도 2차원 때의 측정 방법과 비슷하지만 입체이기 때문에 4개의 공이 겹치는 부분에서 위치를 찾을 필요가 있다. 그런데 지구 자체가 하나의 구 역할을 하기 때문에 3개의 GPS 위성으로도 위치를 정할 수 있다. 다만, 이 세 개의 위성 측정치만으로는 실제로는 물체의 거리나 위치를 대략 알 수 있지만, 매우”정확하게” 계산할 수는 없기 때문에, 보다 많은 위성을 사용해 오차를 수정하는 것으로 정도를 높이고 있다.
바꿔 말하면, 3개의 위성 측정치만으로는 물체의 거리나 위치를”정확히”계산할 수 없다. 왜냐하면 GPS 위성과 GPS 수신기의 거리는 위성에서 보내는 전파 도달 시간을 토대로 계산되는데 위성에 장착된 시계와 수신기에 장착된 시계가 일치하지 않아 오차가 생기기 때문이다.
따라서 4개 이상의 GPS 위성으로부터 전파를 수신해야 정확한 위치를 파악할 수 있다. 이를 위해 최근 출시되고 있는 GPS 수신기는 20개 이상의 위성으로부터 신호를 수신할 수 있도록 함으로써 정확도를 훨씬 높이고 있다. 그래서 요즘은 누군가를 찾기 위해 30cm 이내의 범위에서라도 찾아 촬영하고 공격도 가능하다.1차원, 2차원, 3차원 개념선처럼 길이만이 존재하는 것을 1차원이라고 한다. 사각형은 선으로부터 발전하여 ‘넓이’를 가지고 있다. 이렇게 넓이를 갖고 있는 면을 우리는 2차원이라고 한다. 이에 비해 3차원은 넓이를 갖고 있는 면에서 한 단계 더 발전해 깊이를 갖고 있는 것이다. 즉 가로, 세로 높이가 존재하는 입체 모양을 3차원이라고 한다.
영화를 볼 때 1차원이나 2차원상으로 볼 때는 한쪽 눈으로 보나 두 눈으로 보나 볼 수 있는 내용에 있어 별 차이가 없다(일반영화). 그러나 3차원 세계는 선과 면 이외에 깊이의 개념이 있고, 한쪽 눈과 두 눈으로 보면 깊이(입체감)에 상당한 차이가 난다(입체영화 three-dimensional. 과거에는 입체영화용 안경을 쓰고 감상했지만 이제는 안경을 쓰지 않고도 입체영화를 즐길 수 있을 것 같다.삼성이 선보인 입체영상기기 스냅 3D 제품 6. GPS를 터널 등에서는 어떻게 측정하는지 위에서 본 대로 정확한 위치를 파악하기 위해서는 4개 이상의 GPS 위성으로 전파를 수신해야 한다. 그렇다면 일시적으로 GPS 신호를 받을 수 없는 터널 등은 어떻게 측정할까?이럴 때는 추측항법장치(dead reckoning)를 이용한다. 즉 이는 GPS 신호가 끊기기 전의 위치값과 수신기의 방향, 속도 등을 연결해 현재 수신기의 위치를 추측해 계산하는 방식이다.7. 무한 GPS 활용 전망
최근 몇 년간 민간인이 GPS를 접할 수 있었던 분야는 사실상 자동차 내비게이션뿐이었다. 이에 따라 GPS=네비게이션, 이처럼 둘을 동일한 개념으로 파악하는 사람이 많아 GPS는 단지 길을 찾기 위한 시스템이라는 고정관념이 확산됐다. 하지만 최근 GPS를 장착한 스마트기기들이 보급되면서 GPS를 이용한 새로운 서비스가 속속 등장하고 있다.
대표적인 것으로는 무선 인터넷과 GPS를 결합한 위치 기반 서비스(LBS)를 들 수 있다. 실제, 과거에도 위치 기반 서비스는 존재했다. 하지만 지상에 있는 이동통신사 기지국을 이용하는 방식이어서 오차 범위가 크고 사용 제한이 많았다. 반면 GPS를 이용하는 새로운 위치기반 서비스는 오차가 크지 않아 여러 부문에서 활용되고 있다.예를 들어 휴대전화를 분실했을 때 또는 친구의 위치를 알고 싶을 때 위치추적 시스템을 이용할 수도 있고(그러나 국내에서는 위치정보보호법에 따라 사용이 제한됨), 현재 위치에서 가장 가까운 관공서, 은행, 맛집 등을 검색할 때도 이용할 수 있으며 교통정보나 할인정보를 찾을 때도 유용하게 사용할 수 있다. 또, 소셜 커머스와 같은 온라인 쇼핑 분야에서는, 위치 정보 서비스를 활용해 거주지에 가까운 쇼핑 정보를 제공하고 있어, 게임 분야에서도 동일하게 활용되고 있다.
바야흐로 스마트폰의 대중화에 힘입어 1인 1GPS 시대가 도래했다. 한때 군사무기에 사용되던 어려운 기술로 알려졌던 GPS가 이제는 동네 맛집 검색에도 쓰일 만큼 익숙하고 편리한 기술로 무인자동차, 드론 등이 부상할 것이며 GPS는 단순한 내비게이션 기능을 넘어 더 많은 분야로 확산돼 활용될 것이다.
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