무기의 과학 #31 내비게이션 시스템 2
조종사를 포함한 아군을 희생시키지 않고 적의 중요 시설을 폭격하는 것이 중요한 문제였습니다. 이후 폭격의 정확도를 높일 수 있는 레이저 유도 폭탄이 등장했지만 이 역시 사용상 몇 가지 문제점이 있었다. 레이저 유도 폭탄을 사용하려면 누군가는 계속해서 레이저로 목표물을 조준해야 합니다. 생각해 보면 폭탄이 목표물에 도달할 때까지 움직일 수 없기 때문에 아군이 좋은 먹잇감이 될 수 있습니다. 중간에 레이저 유도 신호가 사라지면 값비싼 레이저 유도 폭탄은 낙동강 오리알이 되어 전혀 다른 목표물을 맞추게 된다. 이러한 문제 때문에 병사들은 단순히 표적의 좌표를 입력하기만 하면 자신을 찾아 폭발시킬 수 있는 매우 영리한 폭탄이 필요했습니다. 당연히 외부 환경에 영향을 받지 않고 세계 어디에서나 사용할 수 있어야 했습니다. 연구원들은 이에 대한 답으로 GPS를 제시했고, 이를 이용한 유도폭탄이 개발됐다. 이라크와 아프가니스탄 전쟁 중에 이 폭탄은 궤도를 도는 GPS 위성 바늘의 집게처럼 정확하게 목표물을 타격하는 능력을 보여주었습니다. 미국은 세계 어디에서나 정확한 위치 정보를 확인할 수 있도록 약 30개의 GPS 위성을 우주로 쏘아 올렸다. 이 중 24개의 위성이 지구의 6개 궤도면에 고르게 분포되어 비행하고 있습니다. 눈에 보이지는 않지만 세계 어디에 있든 최소 대여섯 개의 GPS 위성이 머리 위를 돌아다니고 있습니다. 나머지 6개의 위성은 24개의 위성이 실패할 경우 백업 역할을 합니다. GPS 위성에는 태양 에너지를 공급받을 수 있는 고효율 태양 전지가 장착되어 있습니다. GPS 위성은 미국 콜로라도 스프링스에 위치한 주 관제국과 전 세계에 분산된 5개의 하위 관제국에서 실시간으로 제어한다. 각 부관제국은 하늘을 통과하는 GPS 위성을 추적해 거리와 변화율을 측정해 주관제국으로 보낸다. 주 제어 스테이션은 정보를 수집하고 GPS 위성이 각각의 위치에 정확하게 있도록 제어합니다. 그렇다면 하늘에 떠 있는 GPS 위성을 이용해 내 위치를 아는 방법을 알아보자. 이해를 돕기 위해 먼저 GPS 위성의 시계와 GPS 수신기의 시계가 정확히 같은 시간을 가리키고 있다고 가정해 보겠습니다. GPS 위성은 위성의 위치 데이터와 데이터 생성 시간을 포함하여 데이터를 실시간으로 지구로 전송합니다. GPS 수신기는 매 순간 여러 GPS 위성으로부터 위성 위치 데이터와 데이터 생성 시간을 수신합니다. 이때, GPS 수신기가 위치를 계산할 때 수신기 시계가 측정한 시간을 tr, GPS 위성 1에서 전송한 시간을 t2, 위성 3에서 전송한 시간을 t2라고 가정하자. 전파의 속도는 빛의 속도와 거의 같기 때문에 위성 1로부터의 거리는 (t, ti), 위성 2로부터의 거리는 ctr-ta), 위성 3으로부터의 거리는 ctty)이다. 데이터에는 위성 1번의 위치 정보가 포함되어 있으므로 그 점을 중심으로 반지름이 clt-ty인 원이 그려집니다(실제로는 3차원이므로 구입니다). 또한 위성 2의 위치를 중심으로 반지름이 cltt)인 원을 그립니다. 그러면 두 원이 교차하는 지점이 두 개 있습니다. 두 개의 위성은 위치 정보를 확인할 수 없습니다. 여기서 3번 위성의 정보를 바탕으로 원을 그리면 자신의 정확한 정보를 알 수 있다. 즉, 자신의 위치를 정확히 알기 위해서는 최소 3개의 GPS 위성으로부터 데이터를 수신해야 합니다. 그러나 위성과 수신기의 시간이 정확히 같다는 우리의 원래 가정은 실제로 정확하지 않습니다. 이 문제를 해결하기 위해 GPS 수신기에는 GPS 위성과 같이 매우 비싼 원자 시계도 장착되어야 합니다. 그러나 이것은 우리와 같은 평범한 사람들이 GPS의 혜택을 받는 것을 꿈으로 만듭니다. 그렇다면 저가의 GPS 수신기를 이용하여 정확한 시간 정보를 얻을 수 있는 방법은 무엇일까요? 이 문제를 해결하기 위해 GPS 수신기는 4번째 GPS 위성의 데이터를 사용합니다. GPS 수신기의 시계가 측정한 시간이 ”이고 이 시간이 GPS 위성의 시간과 오차가 있다고 가정하자. GPS 수신기는 ‘와 GPS 위성 데이터를 사용하여 내 현재 위치 p’를 계산합니다. 내가 잘못된 시간 t’로 계산했기 때문에 나의 현재 위치 p’도 잘못된 정보일 것이다. 어쨌든 좋아. 앞서 언급했듯이 보통 우리 머리 위에는 6개의 GPS 위성이 떠 있기 때문에 GPS 수신기는 4번째 GPS 위성에서도 데이터를 수신할 수 있습니다. GPS 수신기는 위성 4까지의 거리를 cty’-ty로 추정할 수 있습니다. 내 현재 위치가 p’이므로 위성 4번은 여기서 ctr-t만큼 떨어진 위치에 있어야 합니다. 그러나 예상 위치와 위성 4에서 보고한 위치는 분명히 다를 것입니다. GPS 수신기는 실제 위성 위치와 예측된 위성 위치를 이용하여 ty’를 보정한다. 보통 이런 예측과 보정은 한 번에 이뤄지지 않기 때문에 연구자가 연구한 알고리즘에 따라 수십 번의 반복을 거쳐 GPS 수신기의 시계와 GPS 위성의 시계가 같아지게 된다. 때때로 사람들은 “내비게이션의 GPS가 왜 이렇게 늦게 깨어나지?”라고 말합니다. 이는 내비게이션의 GPS 수신기가 앞서 언급한 일련의 작업을 수행하는 데 많은 시간을 소비하기 때문입니다. GPS 수신기가 스마트할수록 계산 속도가 빨라지고 알고리즘이 좋아지므로 보정 시간이 줄어듭니다. 어쨌든 실생활에서 GPS를 사용하려면 최소 4개의 GPS 위성으로부터 데이터를 수신해야 한다는 점만 알아두세요. 과거 우리 같은 서민들이 GPS를 접할 수 있었던 유일한 분야는 자동차 내비게이션이었다. 이 때문에 많은 사람들이 GPS를 생각할 때 내비게이션을 생각하고 방향을 찾기 위한 도구로만 생각합니다. 최근 GPS를 탑재한 스마트폰이 보급되면서 GPS를 이용한 새로운 서비스가 속속 등장하고 있다. 무선인터넷과 GPS를 결합한 위치기반서비스(LBS)가 대표적이다. 사실 위치 기반 서비스는 과거에도 존재했다. 하지만 이 방식은 지상의 이동통신사의 기지국을 이용하기 때문에 오차 범위가 넓어 활용에 제약이 많다. 한편, GPS를 이용한 새로운 위치기반 서비스는 오차가 크지 않고 사용자에게 보다 양질의 서비스를 제공할 수 있어 다양한 분야에서 활용되고 있다. 예를 들어, 스마트폰을 잃어버렸을 때나 친구의 위치를 알고 싶을 때 위치 추적 시스템을 사용할 수 있습니다. 또한 현재 위치에서 가장 가까운 관공서, 은행, 식당 등을 검색할 때 사용할 수 있으며, 교통정보나 할인정보를 찾는 데에도 유용할 수 있습니다. 또한 소셜커머스 등 온라인 쇼핑 분야에서는 위치기반 서비스를 활용해 거주지와 가까운 쇼핑정보를 제공하고, 게임 분야에서는 증강현실과 위치정보를 활용한 ‘포켓몬고’가 선풍적인 인기를 끌고 있다. . 앞으로 GPS를 이용한 위치기반 서비스는 더 많은 분야로 확산될 것으로 기대된다. 통신과 GPS가 결합된 스마트폰의 대중화로 우리는 상상할 수 없었던 다양한 서비스를 누릴 수 있게 되었습니다. 이처럼 현대인들은 GPS를 가지고 있기 때문에 목적지를 정확하고 편리하게 찾을 수 있습니다. 무기도 마찬가지입니다. GPS의 발달로 재래식 폭탄과 유도 미사일은 목표물을 더 정확하게 타격할 수 있습니다. 반면에 우주로부터의 약한 GPS 신호는 GPS 내비게이션 장치가 장착된 무기에 의해 공격받는 사람에게 불쾌감을 줄 것입니다. 그래서 어떤 사람들은 GPS 신호를 차단하려고 합니다. 즉, 일부 무기 개발자들은 첨단 무기 시스템에 장착된 GPS 내비게이션 장치를 비활성화하는 방법을 연구하고 있습니다. 2011년 3월 4일 서울, 인천, 파주 등 수도권 서북부 지역 기지국에서 일시적인 GPS 수신 장애가 발생하였다. 신문 기사에 따르면 이번 수신 장애는 GPS 재밍이 강하거나 북쪽에서 오는 전파 재밍 신호 때문이라고 한다. 일반적으로 재밍이란 적의 전파와 주파수를 탐지하여 통신체계를 교란시키거나 간섭하는 행위를 일컫는 군사용어이다. 관계자에 따르면 “5~10분 간격으로 간헐적으로 재밍 신호가 발사됐다”며 “최근 해외에 도입된 GPS 재밍 장치를 테스트한 것으로 추정된다”고 말했다. 수십 개의 위성이 우주를 돌아다니며 GPS 신호를 지구로 다시 보내지만, 원한다면 중화시킬 수 있습니다. 뉴스에서 보듯 북한은 이미 한국의 GPS 내비게이션을 무력화시킬 수 있는 GPS 교란 장치를 확보한 것으로 보인다. 그렇다면 막대한 자금을 투자해 구축한 GPS 시스템이 전파 방해 장치에 너무 쉽게 무용지물이 되는 것일까. GPS용 위성에서 전송되는 전파는 다양한 유형의 코드와 혼합됩니다. 하나는