GPS(Global Positioning System) 원리에 대해서 알아보자

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)

---