GPS 기술의 탄생과 현재
북한이 지난달 31일부터 연일 개성과 해주, 연안, 평강, 금강산 등 5곳에서 위성항법시스템(GPS) 전파교란 공격을 해오면서 민간 부문의 피해에 대해 우려가 나오고 있다. 최근 우리 생활에서 쓰이는 다양한 전자기기들에 GPS 활용 기술이 탑재돼 있기 때문이다.
위키피디아 제공
현재 지구 주변을 도는 GPS 위성은 30개로, 24개의 주 위성과 6개의 예비 위성으로 구성돼 있다. 주 위성은 지구 주변을 55도 각도씩 나눈 6개의 궤도에 4개의 위성이 돌면서 위치정보 서비스를 제공한다.
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GPS가 나오기 전까지 인간은 ‘천문항법’, ‘관성항법’, ‘전파항법’을 이용해 자기 위치를 파악했다. 천문항법은 태양, 달, 북극성, 남십자성 등 천체를 이용해 관측값과 관측시간을 계산표와 비교해 자신의 위치와 방향을 파악하는 것이다. 그러나 날씨가 좋지 않을 때는 활용할 수 없다.
관성항법은 가속계, 자이로스코프 등을 이용해 이동 방향과 속도를 측정한 뒤 출발 위치에서 어느 정도 벗어났는지를 추측해 위치를 계산하는 방법이다. 다만 오차가 계속 누적될 수 있다는 단점이 있다. 전파항법은 위치를 알고 있는 지점에서 전송되는 전파를 이용해 위치를 계산하는 방법이지만, 사용 전파에 따라 정밀도가 떨어질 수 있다.
이런 단점들을 해결하기 위해 전 세계 어디에 있든 위성으로 위치, 속도, 시간을 파악할 수 있는 GPS 기술은 미국 국방부가 미사일 정밀 타격을 목적으로 1973년부터 군사용으로 개발하기 시작했다.
1978년 첫 GPS 위성인 ‘블록Ⅰ’이 발사된 이후 군사용으로만 쓰이다가 민간에 공개된 것은 1983년부터다. 민간에 공개된 당시에는 군사용 서비스와 차별하기 위해 민간이 활용하는 GPS 정보에는 고의적 오차잡음(SA)이 담겨 있었다. 이 때문에 민간에 완전한 GPS 서비스가 제공되기 시작한 2000년 이전까지 군사용 GPS의 오차는 5~15m인 반면 민간이 쓰는 GPS의 오차는 100m에 달했다.
GPS는 크게 ▲우주 ▲관제 ▲사용자의 3개 부분으로 구성된다. 우주 부분은 30개의 GPS 위성으로 구성돼 있다. 24개의 주 위성과 6개의 예비 위성이 역할을 담당한다. 약 2만㎞ 상공의 중고도에 배치된 주 위성은 지구 주변을 55도 각도로 나눈 6개 궤도에 4개씩 배치돼 있으며 각 위성에는 3만 6000년에 1초 정도의 오차만 허용할 정도로 정밀한 4개의 원자시계가 탑재돼 있다.
관제 부분은 미국 콜로라도 스프링팰콘 공군기지 내에 있는 주 관제소와 세계 각지에 분포돼 있는 5개의 기지국, 3개의 지상관제국으로 구성돼 있다. 주 관제소는 위성의 궤도 수정, 예비 위성의 작동결정 등의 임무를 수행한다. 나머지 기지국과 관제소는 GPS 위성 신호 점검과 궤도추적, 전파 지연으로 인한 오차 보정 역할을 한다. GPS는 위치가 알려진 위성들을 기준점으로 삼아 수신기를 갖고 있는 사람의 위치를 파악하는 ‘후방교회법’(resection method)이라는 측량법을 활용한다. 후방교회법은 지도에서 자기 위치를 모를 때 이용하는 방법으로, 두 개 또는 세 개 정도의 지형지물을 이용해 자기 위치를 찾아내는 방법이다. GPS는 4개의 위성에서 나오는 전파를 분석해 현재 위치를 알아낸다. 우선 3개의 GPS 위성이 보내는 전파에 담긴 시간 정보와 수신기에서 받은 시간을 비교해 그 차이에 따른 빛의 이동거리를 계산함으로써 현재의 위치와 거리를 3차원으로 표시하게 된다. 네 번째 위성은 수신기에서 발생할 수 있는 시간오차를 보정하는 역할을 해 정확한 위치를 파악하게 된다.
GPS 신호교란은 GPS와 비슷한 대역의 전파를 GPS 수신영역에 발사해 의도적으로 시간오차를 유발시켜 정확한 위치를 파악하지 못하게 만드는 것을 말한다.
유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr
2016-04-05 25면
