지금 내 위치는 어디? GPS에 대하여

 

'내 위치는 어디?'

 

최근 개인정보 중 이슈가 되는 것이 바로 '위치 정보'.

각종 위치기반 서비스가 등장함에 따라 생활은 더욱 편해지고 있지만

반대로 이를 악용하는 사례도 늘고 있어 위치정보 유출에 대해 점점 더 민감해지고 있습니다.

 

위치 정보를 알기 위해 가장 빠르고 쉬운 장치는 무엇일까요?

오늘은 혁신적인 위치 정보 시스템 'GPS'에 대해 이야기 해 보도록 하겠습니다.

 

 

1. GPS란?

 

GPS는 Global Positioning System 의 약자로

말그대로 전세계 어디에 있든 그 위치를 한번에 알 수 있게 해 주는 시스템입니다.

국내에서는 '위성항법장치'라는 말로 번역하여 사용하기도 하는데,

지구 상공을 돌고 있는 다수의 GPS 위성에서 보내진 신호를 이용해

자신의 위치를 정확하게 계산해 내는 장치입니다.

 

지구 주위에는 내브스타(NAVSTAR : NAVigation Satelite Timing And Ranging)라는 위성이 돌고 있는데,

이 위성은 2만200km 상공의 6개의 원궤도상에 4개씩, 총 24개가 배치되어 있습니다.

따라서 사용자는 지구상 어디에 있던지 최소 6개 이상의 위성을 볼 수 있는데,

이 위성에서 보내지는 신호를 이용해 자신의 위치를 계산합니다.

 

GPS 위성의 궤도와 가용 위성 수 변화를 보여주는 그림.
항시 6~10개 가량의 위성을 볼 수 있으나 장애물로 인해 더 적어질 수도 있습니다.

 

GPS 위성에는 3만 6천년에 1초의 오차가 발생할 정도로 아주 정밀한 원자 시계가 탑재되어 있습니다.

GPS기기는 우선 이 시간 정보를 받아 자신의 시간을 정확히 맞춘 뒤,

각 위성에서 보내지는 전파가 어느정도 지연되어 수신되는지를 측정하여 위성과의 거리를 계산합니다.

최소 3개의 위성과의 거리를 알아내면 현재 위치를 알 수 있으며,

나머지 위성에서 보내지는 신호로 오차를 바로잡습니다.

 

최소한 세개 이상의 위성 신호를 포착하면 천체상 2개의 지점으로 압축되는데

보통 한곳은 지구상이고 나머지 한곳은 지하나 우주공간 등 있을 수 없는 위치가 되므로

실질적으로는 지구 자체를 위성 신호의 하나로 가정하여 위치를 추산할 수 있습니다.

 

 

2. GPS 수신 방법에 따른 차이

 

- S-GPS (Simultaneous GPS, Standalone GPS)

 

S-GPS는 쉽게 말해 독립적으로 운용되는 GPS단말기입니다.

위성의 무선 신호를 수신한 뒤 직접 수신 내용을 해석하여 위치를 계산합니다.

S-GPS의 장점은 위치계산이 즉각적이기 때문에 레이턴시가 빠르다는 점.

또한 별도의 통신 장비 없이 GPS수신칩 자체만으로 운용할 수 있기 때문에

대부분의 내비게이션에서 사용하는 방식입니다.

 

하지만 오랬동안 사용하지 않던 내비게이션을 켜 보면 GPS수신에 상당한 시간이 걸리는 경우가 있습니다.

GPS가 위성의 위치를 정확히 알려면 정확한 시간 정보와 위성의 위치를 파악해야 합니다.

그러나 각종 전파잡음이 많이 발생하는 도심지에서는

전파간섭으로 인해 GPS위성의 위치를 파악하는데 시간이 오래 걸리게 됩니다.

간섭 없이 가장 빨리 파악한다고 해도 약 1분정도 걸리며 최대 10분까지 걸릴 수 있습니다.

 

S-GPS는 이러한 단점을 해결하기 위해 위성의 위치와 시간 정보를 저장해 두고 있다가

다음 기동시에 이전 데이터를 활용해 빠르게 위성을 탐색합니다.

하지만 백업 데이터를 저장하기 위한 메모리의 배터리가 소모된 경우나

오랜기간 사용하지 않아 데이터가 무용지물이 된 경우에는 재기동에 시간이 많이 걸립니다.

 

시리얼 방식의 GPS 모듈. 독립된 형태의 GPS모듈은 대부분 S-GPS 모드를 사용합니다.

 

- A-GPS (Assisted GPS)

 

A-GPS는 S-GPS의 단점인 느린 기동 속도를 해결하기 위해 별도의 서버의 도움을 받아 운용됩니다.

A-GPS에서도 두가지 방식이 있는데,

초기 기동뿐만 아니라 실제 위치 계산도 서버를 통해 이루어지고

결과만을 받아서 표시하는 방식(MS-Assisted)과

초기 기동시 주변의 GPS위성과 시간 정보만을 동기화한 후

실제 계산은 자체적으로 이루어지는 방식(MS-Based)이 있습니다.

 

MS-Assisted 방식의 장점은 기기 자체의 연산에 부하가 걸리지 않으므로

연산이 느린 단말기에도 적용이 가능하다는 점.

또한 단말기에서 처리가 불가능한 불량한 신호도

서버의 높은 연산 능력으로 해석이 가능하기 때문에 수신성능이 좋다는 점입니다.

다만 서버와의 무선 통신이 끊기면 GPS도 같이 끊기기 때문에 무선 통신이 원활해야 하며,

서버와 데이터를 주고받는데에 시간이 걸리기 때문에 반응속도가 느리다는 단점이 있습니다.

위치정보를 표시하는데에 10~20초정도 걸리므로

내비게이션같은 실시간으로 위치를 표시해야 하는 장치에는 적합하지 않으며

1회성 위치 추적 장치 같은, 어느정도 시간이 지연되도 무방한 장치에 사용됩니다.

 

MS-based 방식은 기동 속도와 반응 속도가 모두 빠르지만

무선통신이 끊긴 경우 S-GPS와 마찬가지로 초기 기동에 상당한 시간이 소요됩니다.

현재 대부분의 휴대전화에 탑재된 GPS는 MS-based방식으로,

GPS기능이 주력인 제품이 아니고 '덤'으로 들어있는 경우가 많기 때문에

수신성능이 좋은 편은 아닙니다.

다만 휴대성이 간편하여 주행중이 아닐 때(산행시, 자전거 주행시 등)에도 사용 가능하며

점점 수신 성능이 좋아지고 있어 최근에는 S-GPS와 다를 바 없는 성능을 보여줍니다.

 

초소형 크기를 자랑하는 GPS모듈. 주로 휴대전화에 사용되며 A-GPS모드로 동작합니다.

 

D-GPS (Differntial GPS)

 

D-GPS는 위성 신호의 오차를 바로잡기 위해 별도의 기지국을 사용하는 방식입니다.

민간용 GPS는 의도적으로 수m의 오차가 생기도록 고안되어 있는데,

이 오차를 바로잡기 위해 별도의 수신 기지국을 설치하여

해당 기지국은 실제 위치와 GPS신호의 오차를 정확히 계산하여 GPS에게 보내줍니다.

이렇게 하면 기존 수m의 오차를 1m이내로,

더 정밀한 기지국을 사용하는 경우에는 cm단위까지 정밀하게 측정해 낼 수 있습니다.

우리나라에서도 전국에 위성항법사무소를 배치하여 GPS오차를 보정하고 있습니다.

 

전국에 설치된 위성항법사무소 기준국과 감시국.

 

3. GPS가 먹통일때는?

 

내비게이션을 켰는데 반응이 없어 몇번이나 재검색을 한다거나,

주행중 내비게이션이 엉뚱한 위치를 표시하는 경험은 다들 한번씩 해보셨을겁니다.

차량용 GPS가 먹통이 되는 원인은 무엇일까요?

 

- 전면 선팅

 

자동차용 선팅 필름 중에서는 적외선을 흡수하기 위해 금속 코팅을 한 제품이 종종 있습니다.

측면선팅에 이런 필름을 쓰는 것은 GPS작동과 무관하지만,

전면 선팅에 사용하는 경우 GPS전파를 흡수하여 동작을 크게 방해하게 됩니다.

새로 선팅을 했는데 갑자기 GPS가 먹통이 된다면 선팅지의 재질을 의심해 보세요.

가장 좋은것은 아무것도 안 붙이는 것이죠.

어쩔수 없이 붙여야 한다면 열차단 기능이 없는 선팅지나

세라믹계열 열차단 선팅지를 사용하셔야 합니다.

 

- 내비게이션 백업 배터리 소모

 

내비게이션을 사용하지 않고 있을 때에는 내장된 배터리를 이용해 백업 메모리를 구동합니다.

이 배터리는 약 2~3년(기종이나 사용환경에 따라 다름)정도가 지나면 모두 소모가 되는데

배터리가 모두 소모되면 기동시마다 위성 위치를 검색하게 되어 초기 반응 시간이 오래 걸립니다.

위성 정보 없이 기동하는 것을 콜드스타트라고 하는데 보통 1분정도 걸립니다.

주변 상황에 따라 전파 간섭이 있는 경우 최대 10분 정도 걸릴 수도 있으며

그 이상 기간동안 GPS가 작동하지 않으면 위성 검색을 중지하므로 전원을 껐다 다시 켜야 합니다.

 

- 전화 통화 불능 지역

 

A-GPS는 서버와의 통신이 끊기는 경우 기동 자체가 불가능한 기종도 있고(MS-assisted)

MS-based 방식 중에서도 콜드스타트가 불가능한 기종이 있습니다.

콜드스타트가 가능하다고 하더라도 S-GPS에 비해 탐색 시간이 더 오래 걸립니다.

일단 기동에 성공한다고 하더라도 특정 범위를 벗어나거나 시간이 지나면 위성 정보를 재탐색해야 하므로

GPS동작이 끊기거나 잘못된 위치를 표시할 수 있습니다.

스마트폰에 내장된 GPS는 전화 통화 불능 지역에서는 오동작 확률이 높다고 보시면 됩니다.

 

- 전파 방해

 

전파방해는 여러가지 요인이 있을 수 있습니다.

가장 많은 것은 도심지역에서 일어나는 전파간섭인데 각종 무선통신 전파와 간섭되거나

건물 등에 반사된 GPS신호가 수신되어 오류를 일으키는 경우 등입니다.

이경우 해당 지역을 벗어나면 수신능력이 개선됩니다.

 

GPS수신칩 바로 근처에 방해원이 있을 수도 있습니다.

어떤 차량은 경보기에서 사용하는 전파가 GPS와 간섭을 일으키는 경우도 있고,

휴대전화에 내장된 GPS의 경우 동영상 촬영시 GPS가 먹통이 되는 경우도 있습니다.

GPS모듈 근처에 전선이 지나가는 등의 사소한 문제로도

간섭이 일어날 수 있으니 꼼꼼하게 원인을 찾아야 합니다.

 

- 구형 GPS

 

오래된 내비게이션은 상대적으로 수신감도나 기동속도, 연산속도가 많이 떨어지는 편입니다.

내비게이션 모델에 따라 GPS수신칩만 별도로 분리가 가능하여

업그레이드 할 수 있도록 되어 있는 경우도 있습니다.

다만 지도 소프트웨어 등 내비게이션 자체의 성능향상을 생각하면

내비게이션 자체를 신형으로 교체하는 것이 만족도가 더 높을수도 있습니다.

내비게이션이 차체에 내장되어 있어 교체가 어려운 경우나,

내비 자체의 성능에 만족하고 있는 경우라면 수신칩만을 업그레이드하는 것도 좋은 선택입니다.

 

 

4. GPS의 활용

 

- 내비게이션

 

이미 널리 보급되어 있는 내비게이션 시스템. GPS를 빼놓고서는 상상도 할 수 없는 장치죠.

 

- 블랙박스

 

블랙박스에 GPS기능이 탑재되어 있는 경우

사고 당시의 차량 속도나 위치를 더욱 정확히 알 수 있습니다.

이런 정보는 영상 정보보다 훨씬 구체적인 증거가 될 수 있습니다.

 

- 도난방지

 

차량 내부 보이지 않는 곳에 GPS발신기를 장착해 두면 차량을 분실했을때 즉시 그 위치를 알 수 있습니다.

내비게이션이나 블랙박스중에도 위치추적 기능이 지원되는 제품이 있습니다.

 

다만 이런 편리한 기기를 이용하여 차량을 판매한 뒤 위치를 파악해

여분의 키로 차량을 다시 훔쳐 달아나는 수법으로 판매한 차를 훔치는 경우가 있습니다.

특히 도난당해도 경찰에 신고하기를 꺼려하는 대포차 거래에서 기승을 부리고 있습니다.

중고차 구입후에는 차량 내외부를 꼼꼼히 살펴 위치추적에 사용될 만한 기기가 있는지 확인해 볼 필요가 있습니다.

 

- 데이터 로거

 

주말 서킷 주행 등 스포츠 주행을 즐기는 분들에게 유용한 것이 데이터 로거.

차량 내부에 장착하여 실시간으로 정확한 속도나 위치 정보를 볼 수 있고

프로 레이서들이 사용하는 고가의 데이터 로거에 비해 저렴한 가격으로 사용할 수 있습니다.

내비게이션이나 휴대폰의 GPS가 1초당 1회 데이터가 갱신되는 반면

고성능 GPS를 사용한 데이터 로거는 초당 5~20회 이상 데이터가 갱신되어 훨씬 정확한 데이터를 얻을 수 있습니다.

 

 

 

이미지 출처 : 위키피디아 http://en.wikipedia.org/

위성항법중앙사무소 http://www.ndgps.go.kr/