한국형위성항법시스템 상상도 (한국항공우주연구원 홈페이지 갈무리) 2022.12.02 /뉴스1

어느새 길을 물어보는 사람이 줄어들었다. 처음 가본 곳이더라도 길을 알려주는 서비스가 여럿 등장했기 때문이다.

이런 서비스가 가능하게 된 배경에는 '위성 항법 시스템'이 있다. 가장 친숙한 위성항법 시스템은 미국에서 개발한 '범지구적 측위 시스템'(GPS)이다. 유럽연합은 갈릴레오, 러시아는 글로나스, 중국은 베이더우라는 위성항법 시스템을 개발했다.

위성항법의 원리는 4개 이상의 위성에서 오는 신호를 해석해 위치를 정하는 것이다. 이 신호에는 위성 (궤도) 정보와 위성이 신호를 내보낸 시각 정보 등이 포함되어있다.

위성에서 나오는 신호는 빛의 속도로 전송되므로 위성에서 나온 신호와 지상에서의 수신 시각을 이용하면 '위성까지의 거리'를 알 수 있다. 신호가 나오는 위성의 위치와 위성까지의 거리 두 정보가 위치 파악의 핵심이다.

이론적으로는 직선 위에 있지 않은 서로 다른 세 점(위성)의 위치와 거기까지의 거리를 이용해 방정식을 풀어내는 식으로 위치를 파악할 수 있다. 방정식의 결과물(수신기의 위치)은 지표면과 우주의 한 점이 되는데, 위성이 지구 쪽을 바라보고 있으므로 지표면의 값만 사용한다.

이 과정에서 수신기 내장 시계의 오차 등의 이유로 위성-수신기 거리 계산에 오차가 발생한다. 이를 보정하기 위해 네 번째 위성에서 온 신호 등을 활용한다. 또 위성 신호에는 이러한 오차를 보정하기 위한 각종 정보가 추가되어 있다.

이외에도 대기에 의한 영향, 지형·건물에 의한 반사, 전파 간섭 등에 의한 오차 요인이 있다.

현재 본 위성과 예비위성을 포함한 30여 개의 GPS 위성이 지구를 둘러싸고 돌고 있다. 30여 개의 위성의 궤도는 항상 지구 어디서나 신호를 4개 이상 수신할 수 있도록 설계됐다. 다른 위성 항법 시스템도 20개 이상의 위성 신호를 활용한다.

한국형위성항법시스템 모식도 (과학기술정보통신부 제공) 2022.12.02 /뉴스1

위성 항법 신호의 핵심은 시간 정보이기 때문에, 엄청난 정밀성을 가진 원자시계가 위성에 탑재되어있다. 또 정밀한 시간 측정을 위해 상대성 이론이 활용되기도 한다. 상대성 이론에 따르면 움직이는 속도와 받고 있는 중력에 따라 시간이 다르게 흐른다. 위성이 돌고 있는 속도와 위성 궤도의 중력 때문에 GPS 위성에서는 다르게 시간이 흐른다. GPS 위성에서는 약 38마이크로초(1마이크로초는 100만분의 1초) 정도의 시간 오차가 발생하는 것으로 알려졌다.

지구 단위가 아니라 지역 단위로 위성 항법 시스템을 운영하는 경우도 있다. 인도, 일본에서는 자국 영토를 중심으로 위성 항법 서비스를 하고 있다.

한국도 자체 위성항법시스템인 'KPS'를 2035년까지 구축할 계획을 가지고 있다. KPS 사업은 2021년 예비타당성 조사를 통과해 3조7234억여원의 예산이 투입될 예정이다.

KPS가 완성이 되면 오차를 센티미터(㎝) 단위로 줄일 수 있어, 자율 주행차, 드론, 안보 영역에 활용될 수 있을 것으로 기대받고 있다.


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