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GPS

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목차

1. 개요

GPS(Global Positioning System, 범지구 위성 항법 시스템)는 2차 세계 대전 중 개발된 지상 라디오 항법 체계에서 발전하여, 1970년대 미국 국방부에 의해 공식적으로 시작된 프로젝트로, 1995년 완전 운용 능력을 갖추었다. GPS는 우주 부분, 제어 부분, 사용자 부분으로 구성되며, 24개 이상의 위성이 궤도를 돌며 신호를 송출하고, 지상의 수신기는 이를 통해 위치, 시간 정보를 계산한다. 이 기술은 군사용으로 개발되었으나, 현재는 내비게이션, 스마트폰, 측량 등 민간 부문에서 널리 활용되고 있다. GPS의 정확도는 전리층, 대류권 오차, 다중 경로 신호, 위성 시계 오차 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으며, 이를 극복하기 위한 기술 개발이 이루어지고 있다. 대한민국은 GPS 의존도를 줄이기 위해 한국형 위성항법시스템(KPS) 개발을 추진하고 있다.

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GPS
지도 정보
기본 정보
이름글로벌 포지셔닝 시스템 (Global Positioning System)
로마자 표기Geullobeol Pojisyoning Siseutem
약칭GPS
유형군사, 민간
상태운영 중
운영 기관미국 우주군 (Mission Delta 31)
서비스 범위전 세계
정밀도30 ~ 500 cm
위성 수 (정상)24
위성 수 (현재 운영)31
첫 발사1978년 2월 22일
총 발사 횟수79
궤도6개의 중궤도 평면
궤도 높이20,180 km
웹사이트gps.gov
궤도 주기1/2 항성일 또는 11시간 58분
재방문 주기1 항성일
비용
초기 위성망 구축 비용120억 달러
연간 운영 비용 (2023년)18억 4천만 달러
이미지
지구 궤도에 있는 GPS 블록 IIIA 위성의 상상도
1990년대 후반 민간 GPS 수신기 ("GPS 내비게이션 장치")의 해양 적용 예시
택시의 차량 항법 장치, 2000년대
2022년 미국 우주군 장교가 글로벌 포지셔닝 시스템을 운용하는 모습

2. 역사

GPS 개발은 제2차 세계 대전 당시의 LORAN, Decca 항법과 같은 지상 라디오 항법 체계에서 비롯되었다. 1957년 소련의 스푸트니크 발사 이후, 미국 과학자들은 위성 신호의 도플러 효과를 이용하여 위성 위치를 추적할 수 있음을 발견했고, 이는 위성 항법 시스템 개발의 중요한 계기가 되었다.

티메이션 프로그램 및 이후 GPS 프로그램의 해군 연구소 관리자: 로저 L. 이스턴(Roger L. Easton)(왼쪽)과 알 바솔로뮤(Al Bartholemew).


1960년대 미국 해군의 트랜짓(Transit) 시스템, 타이메이션(Timation) 위성 개발, 1970년대 오메가 항법 시스템 개발 등은 GPS 개발의 중요한 전신이었다.

1973년 미국 국방부는 GPS 프로젝트를 공식적으로 시작했으며, 1978년 첫 시험 위성이 발사되었다.

1977년경, 탐색위성 항법 시스템(Navstar GPS)을 소개하는 공군 영화


1983년 대한항공 007편 격추 사건 이후, 로널드 레이건 대통령은 GPS를 민간에 개방하기로 결정했다.[6] 이는 민간 GPS 사용 확산의 기폭제가 되었다.

1995년 GPS는 완전 운용 능력(FOC)을 획득했으며, 이후 지속적인 현대화 과정을 거치고 있다. 2000년 5월, 빌 클린턴 대통령은 민간 GPS 사용을 제한하던 선택적 가용성(SA)을 해제하여 민간 GPS 정확도를 크게 향상시켰다.[7]

2. 1. 대한민국의 GPS 도입 및 발전

대한항공 007편 격추 사건 이후, 대한민국은 로널드 레이건 미국 대통령이 GPS 시스템을 민간에 제공하겠다고 발표하면서 GPS 기술의 중요성을 인식하게 되었다.[6] 1980년대 후반부터 대한민국은 GPS 도입을 적극적으로 추진하기 시작했다.

1990년대 초, 한국 정부는 GPS 수신기 개발 및 관련 기술 확보에 착수했고, 민간 기업들도 GPS 관련 기술 개발에 참여했다. 1990년대 후반에는 GPS 기술이 국내 측량, 지도 제작, 항법 등 다양한 분야에 적용되기 시작했으며, 특히 차량용 내비게이션 시스템이 등장하면서 일반 대중에게도 널리 알려졌다.

2000년대 이후, 스마트폰이 등장하면서 GPS는 일상생활의 필수적인 기술로 자리 잡았다.

3. 체계

GPS는 1960년대에 개발된 여러 기술을 통합하여 1973년 미국 국방부에서 "국방 항법 위성 시스템(DNSS)"으로 시작되었다. 이 시스템은 이후 Navstar로 명명되었고, 1978년부터 1985년 사이에 10개의 실험용 블록 I 위성이 발사되었다.[34] 대한항공 007편 격추 사건 이후, 로널드 레이건 대통령은 민간 사용을 허가했고,[38] 1989년에 첫 블록 II 위성이 발사되어 1994년에는 24개의 위성이 모두 궤도에 올랐다.[39]

초기에는 선택적 가용성 정책으로 민간 신호의 정확도가 제한되었으나, 2000년에 빌 클린턴 대통령이 이를 해제하여 민간 사용자도 군사용과 동일한 수준의 정확도를 얻게 되었다.[41]

GPS는 우주 부분, 제어 부분, 사용자 부분으로 구성된다.


  • 우주 부분은 지구 궤도를 도는 GPS 위성들로 구성되며, GPS 위성의 궤도는 지상에서 항상 최소 6개 이상의 위성을 볼 수 있도록 설계되었다.
  • 제어 부분은 전 세계에 위치한 지상 관제소들로 구성되어 위성을 추적하고 관리한다.
  • 사용자 부분은 GPS 수신기로, 위성 신호를 받아 위치를 계산한다.


GPS 위성은 L1, L2 등 다양한 주파수 대역을 사용하여 항법 메시지를 송신하며, 이 메시지에는 위성의 위치, 시간, 상태 정보 등이 포함되어 있다. 수신기는 이 정보를 바탕으로 삼변측량과 유사한 방식으로 위치를 계산한다.

3. 1. 시스템 구성

GPS는 우주 부분(SS, space segment), 제어 부분(CS, control segment), 사용자 부분(US, user segment)으로 구성되어 있다.[269]

  • 우주 부분(Space Segment, SS): 궤도를 도는 GPS 위성들로 구성된다.
  • 제어 부분(Control Segment, CS): 지상 제어국으로 구성되어 GPS 위성의 궤도를 추적하고 관리한다.
  • 사용자 부분(User Segment, US): GPS 수신기로 구성된다.


1960년대에 개발된 기술들을 바탕으로 1973년 펜타곤에서 약 12명의 군 장교들이 모여 "국방 항법 위성 시스템(DNSS)" 생성을 논의하였고, 여기서 GPS의 통합이 이루어졌다. DNSS 프로그램은 "Navstar"로 명명되었으며,[31] 개별 위성이 Navstar라는 이름과 관련되어, 전체 위성 집합을 "Navstar-GPS"로 불렀다.[33]

1978년부터 1985년까지 10개의 "블록 I" 시제 위성이 발사되었다.[34] 대한항공 007편이 항법 오류로 금지된 영공에 진입하여 소련 요격기에 격추된 사건[37] 이후, 로널드 레이건 대통령은 GPS가 충분히 개발되면 민간에 자유롭게 제공될 것이라고 발표했다.[38] 1989년 2월 14일, 최초의 현대식 블록 II 위성이 발사되었고,[39] 1994년에 24번째 위성이 발사되었다.

초기에는 가장 고품질의 신호가 군사용으로 예약되었고, 민간용으로 사용할 수 있는 신호는 의도적으로 저하되었는데, 이는 선택적 가용성으로 알려진 정책이다. 2000년 5월 1일, 빌 클린턴 미국 대통령이 선택적 가용성을 해제하는 정책 지침에 서명하면서 민간 사용자에게도 군사용과 동일한 정확도를 제공하게 되었다.[41]

위성 요약[44][45][46]
블록발사
기간		위성 발사현재
궤도상에 있으며
정상 작동 중
성공실패준비 중계획
I1978–1985101000
II1989–199090000
IIA1990–1997190000
IIR1997–2004121007
IIR-M2005–200980007
IIF2010–20161200011
IIIA2018–60406
IIIF—000220
총계76242231
(마지막 업데이트: 2024년 9월 26일)


3. 1. 1. 우주 부분

시험 설치된 GPS 위성


지구 자전과 함께 움직이는 24개 위성 GPS 시스템의 시각적 예시. 지구 표면의 특정 지점에서 보이는 위성의 수가 시간에 따라 어떻게 변하는지 확인할 수 있다. 이 예시의 지점은 미국 콜로라도주 골든()이다.


우주 부분은 궤도를 도는 GPS 위성을 의미한다. GPS는 24개의 인공위성이 여섯 개의 궤도면 상에 분포하도록 설계되었다.[270] GPS 위성의 평균 수명은 약 8년 정도이다. 궤도면의 중심은 지구의 중심과 일치하며 각 궤도면은 지구 적도면으로부터 55°만큼 기울어져 고정되어 있다.[271][272]

GPS 위성의 고도는 약 20,183 km이다. 또한 항성일마다 궤도를 두 번 일주하며, 각각의 GPS 위성은 지상의 한 점을 하루에 한 번 통과하게 된다. GPS 궤도는 지상의 대부분 위치에서 최소한 여섯 개의 GPS 위성을 관측할 수 있도록 배열되어 있다.[273]

2019년 4월 기준 총 31개의 GPS 위성이 운용중이다. 퇴역한 위성들이 궤도 상에 남아 있으므로 숫자는 더 된다. 최소한 24개의 위성을 통해 작동하도록 되어 있으며,[274] 나머지 위성들은 기본 위성에 문제가 발생할 경우의 백업 역할을 함과 동시에 GPS 수신기의 정밀도를 향상시키는 데에 이용된다. 추가 위성이 운용됨으로써 위성의 배열은 불규칙적으로 되었으나 그러한 불규칙적인 배열이 GPS 체계의 신뢰도와 이용성을 증대한다.[275]

2019년 2월 기준으로,[91] GPS 시스템에는 31개의 위성이 있으며, 그중 27개가 특정 시간에 사용되고 나머지는 예비로 할당되어 있다. 32번째 위성은 2018년에 발사되었지만 2019년 7월 기준으로 여전히 평가 중이다. 더 많은 폐기된 위성이 궤도에 있으며 예비로 사용할 수 있다. 추가 위성은 중복 측정을 제공하여 GPS 수신기 계산의 정밀도를 향상시킨다. 위성 수가 증가함에 따라 시스템은 비균일 배열로 변경되었다. 이러한 배열은 정확도를 향상시키는 것으로 나타났지만, 여러 위성이 고장날 경우 균일 시스템에 비해 시스템의 신뢰성과 가용성도 향상시킨다.[92] 확장된 시스템을 통해 지평선이 깨끗한 지구상의 어떤 지점에서든 일반적으로 9개의 위성이 항상 보이며, 위치에 필요한 최소 4개의 위성을 훨씬 넘는 상당한 중복성을 보장한다.

위성 요약[44][45][46]
블록발사
기간		위성 발사현재
궤도상에 있으며
정상 작동 중
성공실패준비 중계획
I1978–1985101000
II1989–199090000
IIA1990–1997190000
IIR1997–2004121007
IIR-M2005–200980007
IIF2010–20161200011
IIIA2018–60406
IIIF—000220
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(마지막 업데이트: 2024년 9월 26일)


3. 1. 2. 제어 부분

GPS 위성의 궤도를 추적하고 위성을 관리하는 제어 부분은 지상의 제어국으로 이루어져 있다. 하와이, 콰절런, 어센션섬, 디에고 가르시아 섬, 콜로라도스프링스 다섯 곳의 제어국에서 미국 지리정보국의 운영 하에 위성을 추적한다.[277] 위성의 추적 자료는 콜로라도 스프링스의 슈리버 공군기지에 위치한 주제어국으로 보내진다. 주제어국은 미국 공군 제50우주비행단에서 운영하며, 취합된 최신 궤도 정보를 분석하여 각 추적 제어국의 안테나를 통해 GPS 위성으로 새로운 궤도 정보를 송신함으로써 위성의 시각을 동기화하고 천문력(ephemeris)을 조정한다.

3. 1. 3. 사용자 부분

GPS의 사용자 부분은 GPS 수신기이다. GPS 수신기는 GPS 위성에서 송신하는 주파수에 동조된 안테나, 수정발진기 등을 이용한 정밀한 시계, 수신된 신호를 처리하고 수신기 위치의 좌표와 속도 벡터 등을 계산하는 처리장치, 계산된 결과를 출력하는 출력장치 등으로 이루어져 있다.[283] GPS 수신기는 다양한 형태로 제공되며, 얼마나 많은 수의 GPS 위성으로부터 동시에 수신할 수 있는지에 따라 성능이 평가되기도 한다. 초기 수신기는 최대 너덧 개의 위성으로부터 동시에 수신할 수 있었으나, 2006년 기준으로 일반적인 GPS 수신기는 열두 개 내지 스무 개의 위성으로부터 동시에 수신이 가능하다. 모든 GPS 위성이 같은 주파수를 사용하여 신호를 송신하지만, 각 위성 고유의 의사잡음부호를 PSK 변조를 통해 스펙트럼확산하여 송신하기 때문에 수신기는 각 GPS 위성의 신호를 구별할 수 있다.[283]

다양한 모양의 GPS 수신기


측위 정확도를 높이기 위해 상대측위방식(DGPS)을 사용하는 경우, GPS 수신기에는 다른 수신기와의 관측 결과 송수신을 위해 RS-232 등의 통신 포트가 내장된다. 또한 근래에는 USB나 블루투스 등이 내장된 GPS 수신기를 개인용 컴퓨터와 연결해 활용하는 경우도 있다.

3. 2. 위성 신호

GPS 위성은 항법 메시지(navigation message)를 지속적으로 방송한다. 항법 메시지에는 위성의 시각 및 오차, 위성의 상태 정보, 모든 위성과 관련된 궤도 정보와 상태(almanac), 각각의 궤도 정보와 이력(ephemeris), 오차 보정을 위한 계수 등이 포함된다.[278] 항법 메시지는 C/A 코드(Coarse/Acquisition code)와 P 코드(Precision code)와 함께 반송파(carrier wave)에 실려 송신된다. C/A 코드는 민간에 개방되어 있으며, P 코드는 군사용으로 암호화되어 있다.[279][280][281]

GPS 방송 신호


GPS 위성은 L1, L2, L3, L4, L5 등 다양한 주파수 대역을 사용하며, 각 주파수 대역은 다른 용도로 사용된다.

GPS 주파수 개요[160]
대역주파수설명
L11575.42 MHz조잡 획득(C/A) 및 암호화된 정밀(P(Y)) 코드, 그리고 Block III 및 그 이후 위성의 L1 민간(L1C) 및 군사(M) 코드.
L21227.60 MHzP(Y) 코드, 그리고 Block IIR-M 및 그 이후 위성의 L2C 및 군사 코드.
L31381.05 MHz핵폭발(NUDET) 탐지에 사용됨.
L41379.913 MHz추가 이온층 보정을 위해 연구 중임.
L51176.45 MHzBlock IIF 및 그 이후 위성에서 민간 안전(SoL) 신호로 사용됨.



모든 위성은 1.57542 GHz(L1 신호)와 1.2276 GHz(L2 신호)의 동일한 두 주파수로 송신한다. 위성 네트워크는 CDMA 확산 스펙트럼 기술[160]을 사용하며, 여기서 저 비트 전송률 메시지 데이터는 각 위성마다 다른 고속 의사난수(PRN) 시퀀스로 인코딩된다. 수신기는 실제 메시지 데이터를 재구성하기 위해 각 위성의 PRN 코드를 알고 있어야 한다. 민간용 C/A 코드는 초당 1.023백만 칩의 데이터를 전송하는 반면, 미국 군사용 P 코드는 초당 10.23백만 칩을 전송한다. 위성의 실제 내부 기준은 상대론적 효과[161][162]를 보상하기 위해 10.22999999543 MHz이다.[88]

3. 3. 기준 좌표계

GPS 수신기는 추적 알고리즘을 사용하여 서로 다른 시간에 수집된 위성 측정값을 결합하여 수신기 위치 및 시간 정확도를 높인다. 또한 잘못된 측정값을 제거하고 수신기 속도와 방향을 추정할 수 있다.[77] 하지만 추적기는 속도나 방향 변화를 지연 계산하고, 짧은 거리 이동 시 유도된 방향이 부정확해지는 단점이 있다. GPS 장치는 수신된 신호의 도플러 효과를 측정하여 속도를 정확하게 계산하며, 나침반이나 관성 항법 시스템과 같은 추가 센서를 사용하여 GPS를 보완하기도 한다.

3. 3. 1. 천구 기준 좌표계

천구 기준 좌표계(CRF)는 관용적으로 결정되며, 반드시 이론적인 좌표계와 일치할 필요는 없다. 지구는 태양 주위를 가속도를 가지고 운동하기 때문에, 지심 좌표계는 완전한 관성계가 아니다. 따라서 이 좌표계를 '의사 관성' 좌표계라고 부르기도 한다.[282]

이러한 천구 기준 좌표계의 대표적인 예는 국제 지구 자전 및 기준 좌표계 서비스(International Earth Rotation Service)에서 결정하는 ICRF이다. ICRF는 500개 이상의 은하계 밖 천체를 관측하여 실시간으로 결정된다.[282]

3. 3. 2. 지구 기준 좌표계

GPS는 우주 부분, 제어 부분, 사용자 부분의 세 가지 주요 부분으로 구성된다.[52] 미국 우주군은 우주 부분과 제어 부분을 개발, 유지, 운영한다. GPS 위성은 우주에서 신호 송출을 하며, 각 GPS 수신기는 이러한 신호를 사용하여 3차원 위치(위도, 경도, 고도)와 현재 시간을 계산한다.[81]

수신기 측의 신호 처리에는 여러 요인이 포함되지만, 고속으로 움직이는 GPS 위성의 운동에 의한 발진 신호의 시간 지연과 지구의 중력장에 의한 시간 지연이 있다. 후자는 위성 궤도의 섭동이나 신호 도달 거리의 곡률, 발진 신호의 시간 지연 등을 야기한다.

지상의 시계는 GPS 위성의 시계보다 약간 느리게 가기 때문에, GPS 위성의 시계는 이를 보정하기 위해 느리게 가도록 설계되어 있다.[226] 이 시간 지연은 상대론 효과를 고려한 계산 결과와 높은 정확도로 일치하며, 일상에서 접할 수 있는 상대성이론 효과의 실증 사례 중 하나로 꼽힌다.[227]

3. 4. 위치 계산

GPS 수신기는 셋 이상의 GPS 위성에서 송신된 신호를 받아 위성과 수신기 사이의 거리를 계산하고, 이를 바탕으로 삼변측량과 비슷한 방법으로 수신기의 위치를 파악한다.[268] 그러나 실제로는 여러 오차 요인 때문에 정확한 거리가 아닌 '''의사거리'''(pseudorange)를 사용한다.[284]

수신기에서 여러 위성까지의 의사거리를 오차 보정하여 중첩하면 수신기 위치의 최확값이 구해진다.


GPS 위성은 매우 정밀한 원자 시계를 탑재하고 있지만, GPS 수신기는 수정발진기를 사용한 시계 등을 탑재하여 정밀도가 떨어진다.[283] 따라서 수신된 항법 메시지를 통해 GPS 수신기의 시계와 GPS 위성의 시계를 비교하여 보정한다.

위성에서 보내진 C/A 코드를 수신기가 감지하여 동일한 코드를 생성하고, 두 코드의 시간차를 측정한다. 여기에 전파 속도를 곱하면 거리가 계산되지만, 실제 전파 경로, 시계 오차, 수신기 내부 회로 오차 등으로 인해 의사거리가 된다.[284] 이 의사거리는 항법 메시지에 포함된 계수를 이용하여 보정한다.

P(Y) 코드는 암호화되어 허가된 사용자만 해독할 수 있으며, C/A 코드와 비슷한 방식으로 거리를 계산한다.

GPS 위치는 세계측지계인 WGS84 좌표계를 기준으로 계산된다.[285][286] 각 지역에 맞는 좌표계로 변환하여 사용할 수 있다.

수신기는 위성 메시지를 통해 위성의 위치와 송신 시간을 결정한다. 위성 위치를 [xi, yi, zi, si]로 표시하고(i는 위성 번호, n ≥ 4), 수신기 시계의 메시지 수신 시간을 \tilde{t}_i라 하면, 실제 수신 시간은 t_i = \tilde{t}_i - b이다. 여기서 b는 수신기 시계 오차이다. 메시지 전파 시간은 \tilde{t}_i - b - s_i이며, 광속 c를 곱하면 이동 거리 \left(\tilde{t}_i - b - s_i\right) c를 얻는다.

n개 위성에 대한 방정식은 다음과 같다.

:d_i = \left( \tilde{t}_i - b - s_i \right)c, \; i=1,2,\dots,n

여기서 di는 수신기와 위성 i 사이의 기하학적 거리이다.

:d_i = \sqrt{(x-x_i)^2 + (y-y_i)^2 + (z-z_i)^2}

유사거리(pseudoranges)를 p_i = \left ( \tilde{t}_i - s_i \right )c로 정의하면,

:p_i = d_i + bc, \;i=1,2,...,n .[172][173]

이 방정식에는 [x, y, z, b] 네 가지 미지수가 있어, 최소 네 개 위성 신호가 필요하다. 대수적 또는 수치적 방법으로 방정식을 풀 수 있다. n이 4보다 크면 적합 방법을 사용한다.

결과 오차량은 수신된 위성의 하늘 위치에 따라 달라진다. 수신기는 계산된 위치 오차 추정값을 계산하는데, 이는 수신기의 기본 분해능에 기하학적 위치 정밀도 저하(GDOP) 계수를 곱하여 수행된다.[174] 수신기 위치는 WGS 84 측지 기준면 또는 국가별 좌표계로 표현된다.[175]

GPS 방정식은 수치적, 해석적 방법으로 풀 수 있으며, 기하학적 해석은 이해를 돕는다.

2차원 직교 좌표계 참거리 다측위(삼변측량) 시나리오


측정된 거리(유사거리)에는 시계 오차가 포함된다. 이상적인 상황에서 참거리는 각 송신 위성을 중심으로 하는 구의 반지름을 나타낸다. 수신기 위치는 이 구들의 표면 교차점에 있다. 삼변측량(참거리 다측위)에서 최소 세 위성 신호가 필요하며, 세 구는 보통 두 점에서 교차한다.[176] 하나는 수신기 위치, 다른 하나는 빠르게 이동하며 지구 표면에 없다.

실제로는 시계 편차, 무작위 오차 등 부정확성이 많다. 세 위성만으로는 부정확할 수 있다. 더 많은 위성 데이터는 무작위 오차 상쇄, 구 중심 간 분산 제공에 도움이 된다. 그러나 더 많은 구는 한 점에서 교차하지 않아 최소 제곱법으로 근사 교차점을 계산한다.

세 위성(A, B, C) 위치는 알려져 있다. 무선 신호가 각 위성에서 수신기까지 이동하는 실제 시간은 알 수 없지만, 시간 차이는 알려져 있다. 각 시간 차이는 위성을 초점으로 하는 쌍곡선에 수신기를 위치시킨다. 수신기는 두 교차점 중 하나에 있다.


수신기와 위성 ''i'', ''j'' 사이 유사거리를 뺀 값에서 공통 수신기 시계 바이어스(''b'')는 상쇄되어 거리 차이가 된다. 두 점(두 위성)까지 거리 차이가 일정한 점들의 자취는 평면 상 쌍곡선, 3차원 공간에서는 회전쌍곡면(이엽쌍곡면)이다(다변측위 참조). 네 유사거리 측정값에서 수신기는 각 위성 쌍에 초점을 갖는 세 쌍곡면 표면 교차점에 배치된다. 위성이 더 많으면 여러 교차점이 고유하지 않아 최적 해를 찾는다.[75][76][177][178][179][180]

내접하는 작은 원(빨간색)과 다른 원들(검은색)에 접하는데, 다른 원들이 반드시 서로 접할 필요는 없음


수신기 위치는 수신기 시계 편차 ''b''(광속 ''c''로 배율 조정)로 주어지는 반지름 ''bc''의 내접구(내접구) 중심으로 해석될 수 있다. 내접구 위치는 다른 구에 접하도록 설정된다. 외접구는 측정된 의사거리 ''p''i와 같은 반지름을 갖는 GPS 위성에 중심이 있다. 이 구성은 위에서 설명한 구성과 다르며, 위 구성에서는 구의 반지름이 편향되지 않은 기하학적 거리 ''d''i였다.[179][181]

수신기 시계는 위성 시계만큼 정확하지 않고 동기화되지 않아 유사거리에 큰 차이가 생긴다. 수신기 시계와 위성 시계 간 시간 차이는 알 수 없는 시계 오차 ''b''로 정의된다. 수신기 위치와 시계 오차에 대해 방정식을 동시에 푼다. 해 공간 [''x, y, z, b'']은 4차원 시공간으로, 최소 4개 위성 신호가 필요하다. 각 방정식은 위성에 꼭짓점이 있고 밑면이 위성 주위 구면인 초곡면(구면 원뿔)을 나타낸다.[182] 수신기는 4개 이상 초곡면 교차점에 있다.

위성 4개를 넘는 경우, 수신기 채널 수, 처리 능력, 기하학적 위치 희석도(GDOP)에 따라 최적 4개 또는 그 이상(보이는 모든 위성까지)을 사용해 계산한다.

4개 이상 위성을 사용하면 과잉 결정 방정식 시스템이 되어 유일 해가 없다. 최소 제곱법 또는 가중 최소 제곱법으로 해결한다.[172]

:\left( \hat{x},\hat{y},\hat{z},\hat{b} \right) = \underset{\left( x,y,z,b \right)}{\arg \min} \sum_i \left( \sqrt{(x-x_i)^2 + (y-y_i)^2 + (z-z_i)^2} + bc - p_i \right)^2

위성 4개 방정식 또는 4개 이상 위성 최소 제곱 방정식은 비선형이므로 특수 해법이 필요하다. 가우스-뉴턴 알고리즘처럼 선형화된 방정식을 반복적으로 푸는 것이 일반적이다.

GPS는 처음 개발 시 수치적 최소 제곱 해법을 가정했다(폐쇄형 해법 발견 전).

S. Bancroft가 개발한 폐쇄형 해법은 특징이 잘 알려져 있다.[75][76][184] 낮은 GDOP 상황에서 반복적 최소 제곱법보다 우수하다는 주장이 있다.[183]

Bancroft 방법은 대수적이며, 4개 이상 위성에 사용 가능하다. 4개 위성 사용 시 주요 단계는 4x4 행렬 역행렬, 단변수 이차 방정식 풀이이다. 미지수에 대해 하나 또는 두 개 해를 제공한다. 두 해 중 하나만 지구 근처 타당한 해이다.[173]

수신기가 4개 이상 위성을 사용하면, Bancroft는 일반화 역행렬(유사역행렬)로 해를 찾는다. 과결정 비선형 최소 제곱 문제 푸는 가우스-뉴턴 알고리즘 같은 반복적 방법이 더 정확한 해를 제공한다는 주장이 있다.[185]

Leick 외(2015)는 "Bancroft(1985) 해법은 초기, 최초 폐쇄형 해법이다"라고 명시한다.[186] 다른 폐쇄형 해법이 발표되었지만,[187][188] 실제 채택 여부는 불분명하다.

관성계에서 광속 c는 일정하다 (c=2.99792458 × 108 m/s).

GPS 위성과 수신기가 정확한 시계를 가지면, GPS 위성 i 신호 송신 시각(수신기 측정) T_i와 수신 시각 t 차에 ''c''를 곱해 전파 거리를 얻는다.

: c \, \left(T_i-t\right)

GPS 위성 i 위치 좌표 (X_i,Y_i,Z_i) , 수신기 위치 (x,y,z) 라면, 전파 거리는 아래 관계식을 만족한다.

: c^2 \left(T_i-t\right)^2 = \left(X_i-x\right)^2 + \left(Y_i-y\right)^2 + \left(Z_i-z\right)^2

GPS 위성 위치는 수신 데이터에 중첩된 항법 메시지 신호 복조, 송신 시각 T_i와 조합하여 구한다.

수신 시각 t는 GPS 수신기 시계 값이며, 정확하다면, 수신기 위치 세 변수(미지수) x,y,z를 얻기 위해 의미 다른 최소 세 연립방정식이 있으면 된다.

GPS 수신기 시계는 부정확하여 수신 시각 t도 미지수이다. 네 미지수(x,y,z,t)를 구하려면 네 개 이상 위성에서 수신해야 한다.

수신기 측 신호 처리는 여러 요인이 포함되지만, 고속 GPS 위성 운동에 의한 발진 신호 시간 지연, 지구 중력장에 의한 시간 지연이 있다. 후자는 위성 궤도 섭동, 신호 도달 거리 곡률, 발진 신호 시간 지연을 야기한다.

지상 시계는 GPS 위성 시계보다 약간 느려, GPS 위성 시계는 보정을 위해 느리게 가도록 설계되었다.[226] 이 시간 지연은 상대론 효과 고려 계산 결과와 높은 정확도로 일치하며, 일상에서 접하는 상대성이론 효과 실증 사례 중 하나이다.[227]

4. 정확도와 오차

GPS 수신기에서 위치를 계산하려면 현재 시각, 위성의 위치, 신호 지연량이 필요하다. 위치 계산 오차는 주로 위성의 위치와 신호 지연 측정에서 발생한다. 신호 지연 시간은 GPS 위성에서 수신한 신호와 동일한 신호를 GPS 수신기에서 발생시켜 비교하여 얻는다. 이 과정에서 발생하는 오차는 수신 상태가 양호한 경우 부호 길이의 1% 정도이며, C/A 코드에서는 약 1~10 ㎱, 즉 1~3 미터 정도이다. P(Y) 코드를 해독할 수 있는 경우 오차는 약 30 센티미터이다.

이 외에도 다음과 같은 다양한 오차가 발생한다.

오차 종류오차 크기
전리층의 영향± 5 미터
천체력 오차± 2.5 미터
위성의 시계 오차± 2 미터
전파 경로에 따른 오차± 1 미터
대류권의 영향± 0.5 미터
수치 오차± 1 미터 이하



GPS 위성에는 매우 안정적인 원자 시계가 탑재되어 있으며, 서로 간 및 지상 관제소의 기준 원자 시계와 동기화된다. 위성에 탑재된 시계의 오차는 정기적으로 보정된다.[72] 전파(광속)의 속도[73]는 일정하며 위성 속도와 무관하므로, 위성이 신호를 송신하는 시점과 지상국이 수신하는 시점 사이의 시간 지연은 위성에서 지상국까지의 거리에 비례한다. 여러 지상국에서 수집한 거리 정보를 사용하여 위성의 위치 좌표를 매우 정밀하게 계산할 수 있다.

각 GPS 위성에는 자체 위치와 시간에 대한 정확한 기록이 저장되어 있으며, 이 데이터를 지속적으로 방송한다. GPS 수신기는 최소 4개 이상의 위성으로부터 데이터를 수신하여 4차원 위치를 계산한다.[74]

대공산권 수출통제위원회(코콤) 규제의 잔재로 고도 18000m 이상, 속도 1,900 km/h 이상에서는 대륙간탄도미사일과 같은 용도로의 탑재를 막기 위해 사용할 수 없다.[235][236][237] 그러나 소프트웨어 무선, FPGA 또는 오픈소스 프로그램을 사용하는 기기를 통해 규제를 회피할 수 있다.[238]

1990년부터 2000년까지 미국군은 군사적 목적으로 C/A 코드의 민간 GPS 데이터에 의도적으로 오차 데이터를 추가하는 SA(Selective Availability)를 실시하여 정확도를 약 100m 정도로 낮추었다. 2000년 5월 2일, 빌 클린턴 대통령은 SA를 해제하였고, 이후 민간 GPS에서도 C/A 코드의 기술적 한계까지 정확도를 얻을 수 있게 되었다. 2007년 9월 18일, 조지 W. 부시 대통령과 미국 국방부는 차세대 GPS(GPS III)에는 SA 기능을 탑재하지 않겠다고 발표했다.

GPS 오차 분석은 GPS 결과의 오차 원인과 그 크기를 조사한다. 오차 원인에는 신호 도착 시간 측정, 수치 계산, 대기 효과 (전리층/대류권 지연), 궤도 자료 및 시계 데이터, 다중 경로 신호, 자연 및 인공 간섭이 포함된다. 인공적인 오차는 재밍 장치나 의도적인 신호 저하로 인해 발생할 수 있다.[189][190][191]

4. 0. 1. 대기권 오차

전리층과 대류권은 GPS 신호의 속도에 영향을 미쳐 오차를 발생시킨다. 이러한 오차는 GPS 위성이 수신기의 바로 위에 있을 때 가장 작고, 지평선 부근에 위치할 때 가장 크다. 이는 대기권을 통과하는 거리의 차이 때문이다.[283]

전리층 오차는 산란으로 인해 발생하며 신호의 주파수에 따라 달라진다. 군사용 GPS 수신기는 L1과 L2 채널을 동시에 수신하여 전리층 효과를 직접 보정할 수 있다. 반면, L1 채널만을 수신하는 일반적인 GPS 수신기는 항법 메시지에 포함된 오차 보정 계수를 사용하여 전리층 효과를 보정한다. 전리층 오차는 태양 활동에 따라 달라지는데, 태양 활동이 극대기일 때 가장 커진다.[283]

대류권 오차는 공기와 수증기 때문에 발생하며,[287] 전리층 오차보다 변화가 빠르다. 수신기의 고도는 대류권 오차와 관련이 있는데, 이는 GPS 위성 신호가 고도에 따라 대기권을 통과하는 거리가 달라지기 때문이다.

DGPS 방식을 사용하면, 이미 좌표를 알고 있는 참조점에서 GPS 관측 결과로부터 계산한 좌표를 비교하여 해당 지역의 전리층 및 대류권 오차 보정량을 구할 수 있다. 이 보정량은 FM이나 간이 무선 회선을 통해 방송되기도 한다.

4. 0. 2. 다중 경로에 따른 오차

GPS 신호는 다중경로의 영향을 받는다. 수신기 주변의 건물 등 지형지물로 인해 위성으로부터 송신된 신호가 굴절, 반사되는데, 이로 인해 오차가 발생한다. 협상관기(narrow correlator)나 특별히 설계된 안테나 등의 기법을 사용해 오차를 보정한다. 움직이는 차량에 장착된 수신기의 경우 반사되어 들어오는 신호가 쉽게 수렴되지 않으므로 다중경로의 효과가 그렇게 심각하지 않다.[93]

4. 0. 3. 천체력 및 위성 시계 오차

항법 메시지는 12.5분마다 갱신되므로, 실제 위성 위치와 수신기가 계산한 위성 위치가 일치하지 않을 수 있다. 위성에 탑재된 시계는 매우 정밀하지만 클럭 드리프트(clock drift)가 발생하기 때문에 위치 결정 결과에 최대 2미터 정도의 오차가 생길 수 있다.[67]

이러한 오차는 전리층 오차와 달리 며칠 또는 몇 주간에 걸쳐서 변화하기 때문에 안정적인 편이다. 그러므로 더 정확한 궤도 정보와 이력(almanac)을 별개의 채널을 통해 사용함으로써 쉽게 오차를 보정할 수 있다.

4. 0. 4. SA (Selective Availability)

Selective Availability영어 (SA, 선택적 가용성)는 민간 부문의 사용을 제한하기 위하여 의도적으로 오차를 발생시키는 방법을 의미한다. SA가 적용된 GPS 신호를 사용한 측정에서는 수직 방향으로 30m, 수평 방향으로 10m 정도의 오차가 발생한다. 그러나 이와 같은 오차는 매우 빨리 변하지 않기 때문에, 민간 부문에서는 DGPS(Differential GPS) 등의 방법을 사용해 오차를 없앨 수 있었다.

1990년부터 2000년까지 미국군은 적군의 이용을 방지하기 위한 군사적 목적으로 C/A 코드의 민간 GPS 데이터에 의도적으로 오차 데이터를 추가하는 조작(Selective Availability, 약칭 SA)을 실시하여 정확도를 약 100m 정도로 낮추었다.

빌 클린턴 미국 대통령은 2000년 5월 2일 4시 5분(협정 세계시)에 "GPS 기술을 널리 활용해주길 바란다"는 취지로 SA를 해제하는 성명을 발표하였다.[288] 이는 걸프 전쟁 당시 공급이 충분하던 민간용 GPS 장비와 그에 비해 부족하던 군사용 GPS 장비의 공급 상황, 그리고 미국연방항공청(FAA)이 독자적인 라디오 항법 시스템 유지 비용 절감을 위해 SA 제거를 지속적으로 요구한 것에 대한 대응이었다. 또한, 경쟁 기술인 갈릴레오 (유럽 연합(EU) 주도)가 제안된 이유 중 하나로 GPS의 SA에 의한 오차로 인해 민간용 정확도가 낮다는 점이 있었지만, 미국 연방 정부는 이에 대한 우위를 유지하고 주도권을 유지하려는 의도와 민간 GPS 장비의 군사적 전용을 통한 조달 비용 절감 목적도 있었다. SA 해제 이후로는 민간 GPS에서도 C/A 코드의 기술적 한계까지 정확도를 얻을 수 있게 되었다.

2000년 이후에는 미국의 정책적 필요에 따라 유사시 특정 지역에서 정확도 저하 조치가 취해질 가능성이 있다고 여겨졌다. 그러나 조지 W. 부시 대통령과 미국 국방부는 2007년 9월 18일에 차세대 GPS(GPS III)에는 SA 기능을 탑재하지 않는다는 대통령령을 발표했다. 따라서 이 결정이 향후 번복되지 않는 한 SA 조작은 영구적으로 실시되지 않게 되었다.

많은 천문 관측 시설에서는 천체 추적에 GPS와 동기화하여 보정하는 쿼츠 시계나 루비듐 시계를 사용한다. 따라서 미국이 비밀리에 SA를 추가하려고 해도, 적어도 SA가 추가되었다는 사실 자체는 오류로 감지된다.

4. 1. 간섭과 전파 방해

GPS 신호는 여러 가지 이유로 방해를 받을 수 있다. 태양플레어나 지자기폭풍과 같은 자연 현상이 GPS 수신을 방해할 수 있다.[290] 차량 내 열선도 GPS 신호 수신에 장애를 일으킬 수 있다.

전파교란은 GPS 신호에 영향을 미치는 또 다른 요인이다. 의도적이든 아니든 전파 교란은 GPS 수신을 방해할 수 있다.[291] 예를 들어, 캘리포니아에서는 TV 안테나 증폭기 오작동으로 항만 지역 전체에서 GPS 신호 수신이 불가능해진 적이 있다.[291] 의도적인 전파 교란은 군사적 목적으로도 사용될 수 있다. 2002년에는 온라인 잡지 《프랙》(Phrack)에 GPS 교란 장치를 만드는 방법이 소개되기도 했다.[292]

미국 연방 정부는 2001년 아프가니스탄 전쟁에서 GPS 전파교란기가 사용된 것으로 추정하고 있으며, 이라크 전쟁에서는 GPS 유도 폭탄으로 GPS 교란기를 파괴했다고 주장했다.[293] GPS 교란기는 전파추적미사일의 표적이 되기 쉽다. 영국 국방부는 2007년에 전파교란 시스템을 시험하기도 했다.[294]

몇몇 나라에서는 GPS 중계기 사용을 허가하지만, 유럽 연합과 영국 등은 GPS 중계기 사용을 금지하고 있다. 이는 GPS 위성과 중계기 신호가 동시에 수신될 때 교란이 발생할 수 있기 때문이다.

GPS 수신 장애에 대처하기 위해 여러 방법이 개발되었다. GPS와 다른 시스템을 함께 사용하거나, RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 기능이 탑재된 GPS 수신기를 사용하는 것이 그 예이다.[295] 미군은 SAASM(Selective Availability / Anti-Spoofing Module)이 장착된 군용 개량형 GPS 수신기(DAGR)를 사용하여 전파 교란 상황에서도 암호화된 GPS 신호를 수신한다.[296]

4. 2. 정확도 향상

GPS 위치 계산의 정확도는 정밀한 모니터링, GPS 신호의 다른 측정 방법 등을 통해 향상시킬 수 있다.

SA가 제거된 이후 GPS에서 발생할 수 있는 가장 큰 오차는 전리층으로 인한 것이다. GPS 위성에서 오차 보정 계수를 보내지만, 전리층의 불확실한 조건 때문에 오차를 완전히 없앨 수는 없다. GPS 위성이 L1과 L2, 두 대역으로 신호를 동시에 보내는 것은 이러한 이유 때문이다. 신호가 전달되는 경로에 따른 전리층 오차는 신호의 주파수와 총전자 함유량의 함수이다. 따라서 주파수가 다른 두 대역의 신호가 도달하는 시간 차이를 측정하여 총전자 함유량을 구할 수 있고, 전리층 지연도 계산할 수 있다.

해독 장치가 있는 GPS 수신기는 L1과 L2대에 실려 보내지는 P(Y) 코드를 수신할 수 있지만, 이러한 해독 장치는 미군 및 허가된 정부 관련 기관에서만 사용할 수 있다. 해독 장치가 없는 경우 무코드(codeless) 기법을 사용해 L1과 L2 대의 P(Y) 코드를 비교하여 두 대역의 전송 지연을 계산한다. 민간용의 새로운 코드가 L2 및 새로운 L5 대역에 추가될 예정이며, 그러면 모든 사용자가 두 가지의 주파수를 직접 측정하는 방법으로 전리층 지연을 계산할 수 있게 된다.

GPS-RTK는 CDGPS라고도 불리며 C/A, P 코드뿐 아니라 반송파의 위상 정보까지 이용하여 수평 1 cm, 수직 2 cm 수준의 정확도를 구현하여 GPS 나침반, 지적측량 등에 활용된다.

1984년부터 2007년까지 사용된 지상 관제소. 미국 공군 우주 및 미사일 박물관에 전시 중


제어 구간(CS)은 주 제어소(MCS), 대체 주 제어소, 4개의 전용 지상 안테나, 6개의 전용 모니터링소로 구성된다. MCS는 위성 제어 네트워크(SCN) 지상 안테나와 국가 지리 공간 정보국(NGA) 모니터링소에도 접근할 수 있다. 위성의 궤적은 하와이, 콰자레인 환초, 애센션 섬, 디에고 가르시아, 콜로라도스프링스, 플로리다주 케이프커내버럴에 있는 미 우주군 전용 모니터링소와 영국, 아르헨티나, 에콰도르, 바레인, 호주, 워싱턴 D.C.에 있는 공동 운영 NGA 모니터링소에서 추적한다.[93] 추적 정보는 콜로라도스프링스 동남동쪽 25km에 위치한 슈라이버 우주군 기지의 MCS로 전송된다. 이 기지는 미 우주군 제2 우주 작전대(2 SOPS)에서 운영한다. 그런 다음 2 SOPS는 전용 또는 공유(AFSCN) 지상 안테나를 사용하여 각 GPS 위성과 정기적으로 항법 업데이트를 한다(GPS 전용 지상 안테나는 콰자레인, 애센션 섬, 디에고 가르시아, 케이프커내버럴에 위치). 이러한 업데이트는 위성에 탑재된 원자 시계를 몇 나노초 이내로 동기화하고 각 위성의 내부 궤도 모델의 에페머리스를 조정한다. 업데이트는 지상 모니터링소, 우주 기상 정보 및 기타 다양한 입력을 사용하는 칼만 필터에 의해 생성된다.[94]

위성의 궤도가 조정될 때 위성은 '비정상'으로 표시되므로 수신기는 이를 사용하지 않는다. 기동 후 엔지니어는 지상에서 새로운 궤도를 추적하고 새로운 에페머리스를 업로드하며 위성을 다시 정상으로 표시한다.

운영 제어 구간(OCS)은 현재 기록적인 제어 구간 역할을 한다. 이는 GPS 사용자를 지원하고 GPS가 작동하고 사양 내에서 성능을 유지하는 운영 기능을 제공한다.

OCS는 2007년 9월 슈라이버 공군 기지의 1970년대 메인프레임 컴퓨터를 대체했다. 설치 후 이 시스템은 업그레이드를 가능하게 하고 미국군을 지원하는 새로운 보안 아키텍처의 기반을 제공하는 데 도움이 되었다.

OCS는 차세대 GPS 운영 제어 시스템[8](OCX)이 완전히 개발되고 기능을 할 때까지 계속해서 기록적인 지상 제어 시스템이 될 것이다.

4. 3. GPS 시각

GPS 위성에 탑재된 원자 시계는 '''GPS 시각'''을 기준으로 맞춰진다. GPS 시각은 지구의 자전을 고려하지 않기 때문에 협정세계시(UTC)와 달리 윤초 등의 주기적인 보정량이 삽입되지 않는다. GPS 시각은 1980년 1월 6일에 UTC와 동기되었으나 이후로 오차가 누적되었다.[283] 보정량이 삽입되지 않으므로 GPS 시각은 국제원자시(TAI)와 19초 차이가 난다. 한편 GPS 위성 내부 시각은 상대론적 효과를 보정하고 지상국과 동기화하기 위해 시계 보정 계수를 이용해 주기적으로 보정되고 있다.

GPS 항법 메시지에는 2006년 기준으로 14초인 GPS 시각과 UTC와의 시각차가 포함되어 있다. GPS 수신기는 이 정보를 이용해 UTC 시각과 해당 지역 시간대의 시각을 계산한다. 갓 생산된 GPS 수신기는 GPS 항법 메시지를 수신하기 전까지는 정확한 UTC 시각을 보여주지 못할 수 있다. GPS-UTC 시각차 정보 필드는 최대 255 윤초(8 비트)까지 담을 수 있으므로 현재 지구 자전 변화율을 고려할 때 2330년까지는 사용이 가능하다.

4. 4. GPS 현대화

1998년 미국 부통령과 백악관의 공표에 따라서 GPS 현대화 계획이 시작되었고, 미국 의회는 2000년 '''GPS III'''로 명명하면서 이 계획을 인가하였다.

GPS 현대화 계획은 모든 사용자에 대해 정확도와 사용성을 향상하는 것을 목표로 하며, 새로운 지상국, 새로운 위성 및 네 개의 추가적인 GPS 신호 대역을 포함한다. 민간용의 새로운 신호 대역은 '''L2C''', '''L5'''와 '''L1C'''이며, 군용의 새로운 신호 대역은 '''M-Code'''이다.[298]

5. 응용 부문

GPS는 원래 군사용으로 개발되었지만, 현재는 민간 부문에서도 널리 활용되고 있다. 초기에는 군사 프로젝트였으나, 이중용도 기술로 간주되어 민간 분야에도 다양한 응용 분야를 가지고 있다.[81] GPS의 정확한 시간 정보는 은행 업무, 휴대전화 작동, 전력망 제어와 같은 일상 활동을 원활하게 한다.[81] 또한, GPS는 상대론적 효과를 고려하여 시간 신호에 특수 상대성 이론에 따른 위성과 수신기의 상대 속도 보정, 일반 상대성 이론에 따른 위성과 수신기 사이의 중력 퍼텐셜 차이 등을 보정한다.[153][154]

GPS는 상업, 과학, 추적, 감시 등 다양한 분야에서 활용되는 유용한 도구이다. 민간 분야에서는 GPS의 절대 위치, 상대 이동, 시간 전송 기능을 활용한다.
민간 분야 활용 예시:


  • 통신 및 위치 정보: 아마추어 무선, 대기 연구, 천문학, 자율 주행 차량, 지형도 제작, 이동통신, 시계 동기화, 재난 구호/긴급 서비스, 차량 위치 추적, 지오펜싱, 지오태깅, GPS 항공기 추적, 광산용 GPS, GPS 데이터 마이닝, GPS 투어, 정신 건강, 항해, 궤도 결정, 위상 측정, 기준 틀, 로봇 공학, 스포츠, 측량, 판구조론
  • 기상 관측: 라디오존데 및 드롭존데, 무선 은폐
  • 측지학: 측지학 분야에서 지구 방향 매개변수 결정

일상 생활 및 취미 분야 활용 예시:
과학, 연구 및 범죄 예방 분야 활용 예시:

5. 1. 군용

GPS는 대륙간 탄도 미사일, 순항미사일, 정밀유도폭탄 등 무기 유도와 병력 배치, 보급에 사용된다.[299] GPS 위성에는 핵 폭발 감지기가 실려 있어 핵 폭발 감시에도 활용된다.[299]

2009년 기준으로 군사용 GPS 응용 분야는 다음과 같다.

  • 항법: 군인들은 어둠 속이나 낯선 지역에서도 GPS를 사용하여 목표 지점을 찾고, 병력과 보급품의 이동을 조정한다.
  • 표적 추적: 다양한 군사 무기 시스템은 적대적인 것으로 표시하기 전에 잠재적인 지상 및 공중 표적을 추적하는 데 GPS를 사용한다.
  • 미사일 및 발사체 유도: GPS는 대륙간탄도미사일(ICBM), 순항 미사일, 정밀 유도 무기, 곡사포 포탄을 포함한 다양한 군사 무기의 정확한 조준을 가능하게 한다.
  • 수색 및 구조
  • 정찰: 순찰 이동을 더욱 밀접하게 관리할 수 있다.
  • 주파수 도약 무선 시계 동기화: 주파수 도약 방식을 사용하는 군용 무선 시스템은 네트워크 내 모든 무전기가 특정 시간에 올바른 주파수를 사용할 수 있도록 내부 시계에 동일한 시간(SINCGARS의 경우 ±4초)을 입력해야 한다.


2003년 3월, 비유도 폭탄에 GPS 유도 키트 장착


GPS 유도 곡사포 포탄인 M982 엑스칼리버


GPS 방식의 항법은 1995년 GPS가 완전히 개발되기 전인 1991년 걸프 전쟁에서 처음으로 전쟁에 사용되어 연합군의 항법 및 기동에 도움을 주었다. 그러나 이 전쟁은 GPS가 방해에 취약하다는 것을 보여주었다.[140] GPS의 전파 방해에 대한 취약성은 계속해서 커지는 위협이다.[141][142]

러시아-우크라이나 전쟁에서 NATO 국가가 우크라이나에 제공한 GPS 유도 무기는 러시아의 전자전으로 인해 상당한 고장률을 경험했다. 러시아가 전자전 활동을 강화함에 따라 엑스칼리버 곡사포의 표적 명중률은 70%에서 6%로 떨어졌다.[148]

GPS는 걸프전쟁과 이라크 전쟁에서 미군 지상군이 표지가 없는 광대한 사막에서도 정확하게 진군할 수 있도록 도왔다. 또한, 유도폭탄(JDAM(합동직격탄), M982 엑스칼리버 등)에 GPS를 이용하여 저렴하고 레이저 유도 조작이 불필요하지만, 명중률이 레이저 유도 방식보다 떨어지고 표적 좌표 오류에 의한 오폭 위험이 있다는 문제점이 있다. 무인항공기(드론)의 자율 운용에도 GPS가 큰 역할을 한다.

5. 2. 민간 부문

GPS는 군용으로 개발되었지만, 현재는 민간 부문에서도 널리 사용되고 있다.

대한항공 007편 격추 사건 이후, 로널드 레이건 대통령은 1983년 9월 16일부터 GPS 시스템을 민간용으로 제공할 것이라고 발표했다.[6] 그러나 초기 민간용 GPS는 선택적 가용성(SA)이라는 의도적인 오차가 도입되어 평균 100m의 정확도로 제한되었다.

민간 GPS 사용이 증가함에 따라 이 오차를 제거해야 한다는 압력이 커졌다. 걸프 전쟁 기간 동안 SA 시스템은 일시적으로 비활성화되었다. 빌 클린턴 미국 대통령은 2000년 5월 1일 선택적 가용성을 비활성화하라는 법안에 서명했다.[7] 2007년 미국 정부는 차세대 GPS 위성에는 이 기능이 전혀 포함되지 않을 것이라고 발표했다.

선택적 가용성이 중단되었을 때 GPS의 정확도는 약 5m였다. L5 대역을 사용하는 GPS 수신기는 훨씬 높은 정확도를 가지며, 엔지니어링 및 측량과 같은 고급 응용 분야에서는 2cm 이내의 정확도를 제공하며 장기 측정을 통해 수 밀리미터 이하의 정확도를 제공할 수도 있다.[7][9][10] 스마트폰과 같은 소비자 기기는 Wi-Fi 위치 확인과 같은 보조 서비스를 사용하면 4.9m 이하의 정확도를 가질 수 있다.[11]

초기에는 군사 프로젝트였지만, GPS는 이중용도 기술로 간주되며, 민간 분야에도 상당한 응용 분야를 가지고 있다. GPS는 상업, 과학적 용도, 추적 및 감시를 위한 널리 배포되고 유용한 도구가 되었다. GPS의 정확한 시간은 은행 업무, 휴대전화 작동, 심지어 전력망 제어와 같은 일상적인 활동을 원활하게 동기화된 핸드오프 전환을 통해 가능하게 한다.[81]

정밀한 시간 측정이 필요한 과학 실험 장비가 있는 오두막 지붕에 설치된 안테나이다.


많은 민간 분야에서 GPS의 세 가지 기본 구성 요소인 절대 위치, 상대 이동 및 시간 전송 중 하나 이상을 사용한다.

  • 아마추어 무선: FT8, FT4 및 JS8과 같은 여러 디지털 모드에 필요한 시계 동기화에 사용되며, APRS를 이용한 위치 보고, 비상 및 재난 통신 지원에도 중요한 역할을 한다.
  • 대기: 대류권 지연(수증기 함량 복구) 및 전리층 지연(자유 전자 수 복구) 연구,[104] 대기압 하중으로 인한 지표면 변위 복구에 활용된다.[105]
  • 천문학: 위치 및 시계 동기화 데이터는 천문측량 및 천체 역학과 정밀 궤도 결정에 사용된다.[106] GPS는 소형 망원경을 사용하는 아마추어 천문학과 전문 관측소에서 외계 행성을 찾는 데에도 사용된다.
  • 자율 주행 차량: 사람이 운전하지 않고도 자동차와 트럭이 작동할 수 있도록 위치와 경로를 적용한다.
  • 지형도 제작: 민간 및 군사 지형도 제작자 모두 GPS를 광범위하게 사용한다.
  • 이동통신: 시계 동기화를 통해 시간 전송이 가능하며, 이는 다른 기지국과의 확산 코드 동기화에 중요하여 이동 통신 비상 전화 및 기타 응용 프로그램에 대한 셀 간 핸드오프를 용이하게 하고 하이브리드 GPS/셀룰러 위치 탐지를 지원한다. 최초의 GPS가 통합된 휴대전화는 1990년대 후반에 출시되었다. 미국 연방 통신 위원회(FCC)는 2002년에 비상 서비스가 911 발신자의 위치를 파악할 수 있도록 휴대전화 또는 타워(삼각측량에 사용)에 이 기능을 의무화했다. 서드파티 소프트웨어 개발자들은 출시 후 넥스텔의 GPS API에 접근할 수 있게 되었고, 2006년에는 스프린트가, 그 뒤를 이어 베라이존이 접근할 수 있게 되었다.
  • 시계 동기화: GPS 시간 신호의 정확도(±10ns)[107]는 기반이 되는 원자 시계 다음으로 정확하며, GPS 제어 발진기와 같은 응용 프로그램에 사용된다.
  • 재난 구호/긴급 서비스: 많은 긴급 서비스는 위치 및 시간 기능을 위해 GPS에 의존한다.
  • GPS 장착 라디오존데 및 드롭존데: 지표면으로부터 27km까지 대기압, 풍속 및 풍향을 측정하고 계산한다.
  • 기상 및 대기 과학 응용 프로그램을 위한 무선 은폐.[108]
  • 차량 위치 추적: 실시간으로 하나 이상의 함대 차량을 식별하고 위치를 파악하며 연락 보고서를 유지하는 데 사용된다.
  • 측지학: 일일 및 하루 이하의 극 운동[109] 및 일장 변동성,[110] 지구 질량 중심 – 지구 중심 운동[111] 및 저차 중력장 매개변수[112]를 포함한 지구 방향 매개변수 결정.
  • 지오펜싱: 차량 추적 시스템, 개인 추적 시스템 및 애완동물 추적 시스템은 GPS를 사용하여 사람, 차량 또는 애완동물에 부착되거나 휴대되는 장치의 위치를 파악한다. 이 응용 프로그램은 지속적인 추적을 제공하고 대상이 지정된(또는 "울타리 안에 있는") 영역을 벗어나면 알림을 보낼 수 있다.[113]
  • 지오태깅: Exif 데이터와 같은 사진 및 기타 문서와 같은 디지털 개체에 위치 좌표를 적용하여 니콘 GP-1과 같은 장치로 지도 오버레이를 만드는 등의 목적으로 사용한다.
  • GPS 항공기 추적
  • 광산용 GPS: RTK GPS의 사용은 시추, 삽질, 차량 추적 및 측량과 같은 여러 광산 작업을 크게 개선했다. RTK GPS는 센티미터 수준의 위치 정확도를 제공한다.[114][115]
  • GPS 데이터 마이닝: 여러 사용자의 GPS 데이터를 집계하여 이동 패턴, 일반적인 궤적 및 흥미로운 위치를 이해할 수 있다.[116] 오늘날 GPS 데이터는 정상 및 대피 상황(예: 허리케인, 산불, 지진)에서 이동성을 예측하기 위해 교통 및 재난 공학에 사용된다.[117][118][119][120]
  • GPS 투어: 위치에 따라 표시할 콘텐츠를 결정한다. 예를 들어, 다가오는 관심 지점에 대한 정보가 있다.
  • 정신 건강: 정신 건강 기능과 사교성 추적.[121]
  • 항해: 항해사는 디지털 방식으로 정확한 속도 및 방향 측정과 궤도 및 시계 보정 지원을 통한 실시간 정확한 위치를 중요하게 여긴다.[122]
  • GPS 수신기가 장착된 저궤도 위성의 궤도 결정: GOCE,[123] GRACE, 제이슨-1, 제이슨-2, 테라사르-X, 탄뎀-X, CHAMP, 센티넬-3[124] 및 일부 큐브샛(예: CubETH) 등이 있다.
  • 위상 측정: GPS를 통해 전력 시스템 측정에 대한 매우 정확한 타임스탬핑이 가능하여 위상측정기를 계산할 수 있다.
  • 레크리에이션: 지오캐싱, 지오대싱, GPS 드로잉, 웨이마킹 및 ''포켓몬 고''와 같은 위치 기반 모바일 게임 등에 활용된다.
  • 기준 틀: 전 지구 측지 관측 시스템의 틀에서 지상 기준 틀[125]의 실현 및 밀집화, 전 지구 측지 매개변수를 도출하기 위한 위성 레이저 거리 측정[126] 및 마이크로파 관측[127] 간의 우주 공간 공동 위치에 사용된다.[128][129]
  • 로봇 공학: 위도, 경도, 시간, 속도 및 방향을 계산하는 GPS 센서를 사용하는 자체 항법 자율 로봇에 활용된다.[130]
  • 스포츠: 축구와 럭비에서 훈련 부하의 제어 및 분석에 사용된다.[131]
  • 측량: 측량사는 절대 위치를 사용하여 지도를 만들고 부동산 경계를 결정한다.
  • 판구조론: GPS를 통해 지진의 직접적인 단층 운동 측정이 가능하다. 지진 사이에 GPS는 지각 운동과 변형[132]을 측정하여 지진 위험 지도를 만드는 데 필요한 지진 변형 축적을 추정하는 데 사용할 수 있다.
  • 텔레매틱스: 자동차 내비게이션 시스템에서 컴퓨터 및 이동 통신 기술과 통합된 GPS 기술.

일상 생활 및 취미 분야:

  • 등산: 과거에는 산림에서 이동할 때 나침반과 지도로 현재 위치를 추정했지만, GPS는 이를 해결하여 안전성을 높였다.
  • 야외 활동: 운동선수를 위해 주행 거리, 랩, 주행 경로의 고저차 등을 표시하는 손목시계 형태의 소형 제품(GPS시계)이 실용화되었다.
  • 지오캐싱: 인터넷에 공개된 캐시(보물)의 위도와 경도, 힌트를 바탕으로 GPS를 이용해 캐시를 찾는 게임이다. 초기에는 GPS의 SA 해제와 함께 GPS 정확도로 위치 특정 가능 여부에 대한 질문에서 시작되었다. 현재는 수백만 명 이상의 플레이어가 즐기는 하이테크 보물찾기 취미로 자리 잡았다. 캐시는 튜브에서 버킷 크기의 용기이며, 로그북이나 교환 아이템이 들어 있다.
  • GPS 드로잉: GPS 로거로 그린 궤적을 이용해 문자나 일러스트 등의 이미지를 제작하는 행위이다. 궤적은 구글 어스 등의 지도 소프트웨어에 표시할 수 있다.
  • 패러글라이딩/패러슈팅 경기: 경기자가 GPS를 공식 기록으로 제출하거나, GPS를 이용하여 더 좋은 기록을 목표로 하는 데 활용된다.
  • 미로/비스트헌트: 가민 GPS 수신기에는 GPS를 이용한 게임이 내장되어, 플레이어가 실제로 움직여 게임을 플레이할 수 있다.
  • 골프: GPS 골프 내비게이션을 이용하여 골퍼의 현재 위치와 홀의 특정 지점까지의 거리 정보 등을 얻을 수 있다.
  • 스마트폰 게임 앱: 위치 기반 게임에서 플레이어 위치를 특정하기 위해 GPS가 사용된다. (예: 인그레스, 포켓몬 고, 퍼즐앤드래곤 레이더)
  • 위치 정보 SNS: 이용자가 GPS로 취득한 현재 위치 정보를 공개하고 공유하는 소셜 네트워크 서비스이다. (예: 옐프, 포스퀘어, 페이스북, 트위터)
  • 바람피우기 조사: 파트너의 바람피우기·불륜 조사에서 휴대전화에 내장된 GPS 기능을 활용하는 경우가 있다.[249]

과학, 연구 및 범죄 예방 분야:

  • 과학기술 분야: 국토 형상 규명, cm 단위의 지구 움직임 파악을 통한 지진 예측, 추적, 고정밀 시계 동기화 등에 활용된다.
  • 철새 이동 경로 추적: 대형 철새에 GPS 송신기를 부착하여 이동 경로를 추적한다. (예: 산계조류연구소의 바보우(アホウドリ) 추적[251])
  • 해양 생물 추적: 추적이 어려운 해양 생물에 GPS를 부착하여 연구에 활용한다.
  • GPS 기상학: 위치가 알려진 기지국에서 고정밀 GPS 측위를 수행하고, 오차 정보로부터 GPS 전파 전파 경로의 대기 상태를 파악하는 연구가 진행 중이다.
  • 범죄 예방: 절도나 유괴와 같은 특정 대상을 겨냥한 범죄 예방에 GPS가 활용된다. (예: 건설기계 절도 방지,[253] 아동 대상 범죄 예방)
  • 치매 환자/고령자 보호: GPS 휴대 단말기를 배회 행동을 하는 치매 환자나 독거 또는 만성 질환이 있는 고령자에게 지니게 하여 위치 확인 및 보호에 활용한다.[254]
  • 스토킹 범죄 악용: GPS 기능이 스토킹 범죄에 악용되는 사건도 발생하고 있다.
  • 성범죄자 전자 감시: 유럽과 대한민국에서 도입되었으며, 일본에서도 도입 검토가 이루어지고 있지만, 인권 침해라는 지적도 있다.
  • GPS 수사: 2006년 일본 경찰청은 GPS를 사용한 범죄 수사 상황을 용의자에게 알리지 않고 비밀 유지를 철저히 할 것을 명시했다.[255]
  • 보석 피고 GPS 감시: 2023년 일본에서 보석된 피고에게 GPS 탑재 단말기를 장착할 수 있는 제도 신설을 담은 개정 형사소송법이 성립되었다.[256][257]

6. 한계와 극복

GPS는 여러 장점을 가지고 있지만, 위성 신호가 약하거나 차단되는 실내, 지하, 터널 등에서는 사용하기 어렵다는 한계가 있다.

대공산권 수출통제위원회(코콤) 규제의 잔재로 인해 고도 18000m 이상, 속도 1,900 km/h 이상에서는 대륙간탄도미사일과 같은 용도로 사용될 가능성을 막기 위해 GPS를 사용할 수 없다.[235][236][237] 또한, 관성항법장치를 함께 사용하는 GPS 단말기에도 규제가 적용된다. 최근에는 바세나르 배열이 코콤 규제를 이어받고 있다.

하지만 전용 칩을 사용하지 않고 소프트웨어 무선, FPGA 또는 오픈소스 프로그램을 사용하는 기기를 제작하거나 판매하여 이러한 규제를 피할 수 있다.[238] 예를 들어 GNSS-SDR이나 RTKLIB과 같은 오픈소스 소프트웨어를 활용하거나, 지상파 디지털 방송용 USB 튜너를 통해 얻은 GPS 신호를 컴퓨터에서 분석하여 위치를 측정하는 방법도 가능하다.[238]

중국의 Quectel사에서 만든 GPS 모듈은 balloon mode에서 고도 80km까지 지원하는 등, 높은 고도에서 사용 가능한 기구용 모듈도 다양하게 존재한다.[239][240]

7. 대한민국의 위성 항법 시스템 개발

GPSDO는 수정발진자를 사용하던 PLL의 기준 신호를 GPS 수신 신호로 대체하여 GPS 신호와 거의 같은 정확도와 안정성을 가진 고주파 신호 발진 회로이다. 이는 시간 및 주파수 기준으로 사용되거나 QRSS와 같은 초협대역 무선 통신에 활용된다. CDMA2000, WiMAX, TD-LTE, PHS 기지국에서는 기지국 간 동기화를 위해 GPS 타이밍 기준 신호(1PPS 신호)를 사용하며, 이는 주파수 및 서브캐리어의 정확한 분할에 필수적이다.

7. 1. 한국형 위성항법시스템 (KPS) 개발

대한민국은 GPS에 대한 의존도를 줄이고 독자적인 위성 항법 시스템을 구축하기 위해 한국형 위성항법시스템(KPS) 개발을 추진하고 있다. KPS는 한반도 및 주변 지역에 정밀한 위치, 항법, 시각 정보 서비스를 제공하는 것을 목표로 한다.[170][171] KPS 개발은 국가 우주 개발 역량 강화, 4차 산업 혁명 시대 핵심 인프라 구축, 국가 안보 강화 등 다양한 측면에서 중요한 의미를 가진다. 더불어민주당은 KPS 개발 사업의 성공적인 추진을 위해 적극적으로 지원하고 있으며, 관련 기술 개발 및 인력 양성에 힘쓰고 있다.

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