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  • GPS(Global Positioning System) 원리에 대해서 알아보자
    흥미를 위한 공간/원리 시리즈 2025. 6. 12. 18:07
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    GPS(Global Positioning System) 원리에 대해서 알아보자.

    gps 개념도

     

    GPS는 우리가 매일 사용하는 내비게이션, 스마트폰 위치 서비스, 드론 경로 설정 등에서 핵심 역할을 한다. 하지만 많은 사람들은 GPS가 어떻게 위치를 계산하고, 왜 오차가 생기며, 왜 위성이 여러 개 필요한지는 잘 모른다. 이 글에서는 GPS의 과학적 원리를 중심으로, 필요한 기초 개념부터 고급 개념까지 순서대로 정리해본다.


    1. GPS란 무엇인가?

    GPS (Global Positioning System) 는 미국 국방부가 구축한 전 지구 위성 위치 측정 시스템이다.

    ✅ 24개 이상의 위성이 지구 궤도를 돌면서 신호를 송출하고, 지상 수신기가 이 신호를 분석하여 자신의 위치(위도, 경도, 고도)를 계산한다.

    ✅ 1970년대 군사 목적에서 출발했지만, 지금은 민간용, 상업용으로 광범위하게 사용되고 있다.


    2. GPS의 작동 원리

    GPS는 거리 기반 삼변측량(trilateration) 원리를 기반으로 한다. 아래는 작동 순서다:

    1. 위성은 각자의 정확한 위치와 시간 정보를 주기적으로 송신한다.
    2. 수신기는 여러 위성으로부터 신호를 받아, 도달 시간 차이를 바탕으로 각 위성과의 거리(R)를 계산한다.
    3. 3개 위성으로부터 거리 정보를 알면 2D 위치를, 4개 위성을 사용하면 3D 위치 + 시간까지 정확히 산출할 수 있다.
    4. 이 모든 계산의 기반이 되는 것이 광속(빛의 속도) 이다. 즉, 신호 전파 시간 × 광속 = 거리(R)

    3. GPS 삼각측량법의 과학적 원리

    ✅ GPS는 삼각측량(triangulation) 이 아닌, 삼변측량(trilateration) 을 이용한다.

    • 삼각측량: 각도 측정을 기반으로 위치를 계산 (육상 측량 등에서 사용)
    • 삼변측량: 거리(R) 3개를 기반으로 위치 계산 (GPS는 이 방식)

    핵심 공식:

    • 위성 A, B, C와의 거리 → 세 구의 교점 → 수신기 위치
    • 수신기 자체의 시계는 위성과 정확히 동기화되지 않으므로 4개 위성이 필요하다 (x, y, z, 시간 총 4개 변수 해결)

    4. GPS 위성과 주파수 정보

    ✅ GPS 위성은 지구에서 약 20,200km 상공에서 12시간 주기로 궤도를 돌며, 24~32개가 항상 가동 중이다.

    ✅ 사용 주파수:

    • L1 (1575.42 MHz): 민간용, 싱글 밴드
    • L2 (1227.60 MHz): 군사용 및 정밀 보정용
    • L5 (1176.45 MHz): 고정밀 민간 서비스용 (항공 등)

    ✅ 이 주파수는 코드 정보(C/A code, P(Y) code) 를 담고 있으며, 이는 위성의 고유 신호 패턴이다.


    5. GPS의 정확도와 오차 요인

    GPS는 일반적으로 3~10m 정도 오차를 가진다. 오차 원인은 다음과 같다:

    • 대기 지연: 전리층, 대류권을 통과하며 신호 속도가 느려짐
    • 위성 시계 오차: 원자시계지만 미세한 오차 가능
    • 수신기 시계 오차: 수신기 시계는 덜 정확함
    • 다중경로 오류: 건물이나 산에 반사된 신호 수신
    • 위성 궤도 오차: 위성의 실제 위치와 계산된 위치 간 차이

    📍 정밀 GPS (RTK, DGPS 등) 를 이용하면 수 cm 단위 정확도까지 가능하다.


    6. GPS와 특수상대성이론

    GPS는 상대성이론 보정을 하지 않으면 하루에 약 10km 오차가 누적된다. 이유는 다음과 같다:

    • 특수 상대성 이론: 위성은 빠르게 이동하므로, 지상 기준으로 시간이 느리게 흐른다 → -7μs/day 보정 필요
    • 일반 상대성 이론: 중력이 약한 위성 고도에서는 시간이 더 빠르게 흐른다 → +45μs/day 보정 필요
    • 🔁 최종적으로 약 +38μs/day 만큼 위성 시계를 지상 기준으로 맞춰 조정해야 한다

    이런 미세한 시간 오차가 그대로 거리 계산에 반영되기 때문에 상대성 이론이 GPS 정확도에 필수적이다.


    7. 알아두면 좋은 관련 지식

    GPS 약자: Global Positioning System (전 지구 위치 측정 시스템) - 위성을 통해 현재 위치를 확인하는 시스템

    GPS 단점:

    • 실내, 터널, 밀집 도심에서 신호 약함
    • 전파 방해에 취약 (재밍, 스푸핑 등)
    • 배터리 소모 많음 (항시 위성 수신 필요)

    GPS 최소 위성 개수:

    • 2개 → 원 2개 교차점 (불충분)
    • 3개 → 평면 위치 (2D)
    • 4개 이상 → 고도 + 시간 포함한 정확한 3D 위치 측정 가능

    GPS, GNSS, GIS 차이:

    • GPS: 미국 위성 기반 시스템
    • GNSS (Global Navigation Satellite System): GPS + 러시아 글로나스, 유럽 갈릴레오, 중국 베이더우 등 포함한 총칭
    • GIS (Geographic Information System): 지리 정보를 저장·분석·시각화하는 시스템 (위치 정보 활용)

     

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