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 ====== GPS ======
+Global Positioning System(범지구 위치 결정 시스템). [[미국공군]] 제50우주비행단(50th Space Wing)에서 관리하고 있는 민간용 및 군용 [[위성항법체계]]로, [[1997년]]에 처음으로 지구 전역에서 사용 가능하게 된 이래 [[2011년 10월]]에 [[러시아]]의 [[글로나스]](GLONASS)가 똑같은 목표를 (겨우) 달성하기 전까지는 지구의 어디서나 쓸 수 있는 유일한 위성 항법 체계였다.
+GPS의 기본 아이디어는 [[특수상대성이론]]에 있다. GPS에 속하는 각 위성들은 지속적으로 잘 정의된 좌표 체계(이 경우, [[WGS-84]])에 따른 자기 위치와 자기가 보는 상대 시각을 전파로 송신하는데, 지구 상에 있는 GPS 수신기가 보기에는 각 위성과 떨어진 거리에 따라 똑같은 시각에 받은 신호라도 다른 상대 시각이 기록되어 있을 수 있다. 따라서 위성이 충분히 많다면 각 위성의 위치 차이와 상대 시각 차이(= 거리의 차이)를 가지고 [[연립방정식]]을 풀어서 수신기의 현재 위치와 현재 상대 시각을 알 수 있게 된다. 이를 [[삼변측량]](trilateration)이라 하며, 수학적으로는 적어도 세 개의 위성이 필요하지만 실용적으로는 그 오차가 극심하기 때문에 하나의 위성이 더 필요하게 된다.
+===== 역사 =====
+GPS의 개발에는 두 가지 중요한 역사적 사건이 등장한다. 그 첫번째는 [[스푸트니크1호]]의 발사(1957년)였고, 다른 하나는 [[대한항공007편]]이 격추된 사건(1983년)이었다. 전자는 GPS의 이론적 토대가 실용적으로도 쓰일 수 있음을 입증했고, 후자는 GPS가 민간용으로 공개되는 데 큰 역할을 했다.
+GPS 이전에도 위성을 사용하지 않는 일반적인 [[전파항법체계]]는 여러 개 존재했다. 매우 초창기에는 저주파 무선표지(LFR)라 하여, 주변 지상국 간의 신호 간섭을 통해 현재 위치를 알 수 있는 체계가 있었고, 1950년대를 전후하여 초단파(VHF)가 직진성이 높다는 점을 활용해 방향을 알려 주는 체계인 초단파 전방향 무선표지(VOR)가 존재했다. 그리고 더 나아가서, 특수상대성이론을 사용해 서로 다른 지상국에서 출발한 신호 사이의 시간차를 사용해 거리를 측정하는 체계 또한 1960~1970년대에 상용화되었다(OMEGA, LORAN, Alpha 등). 즉 무선국의 갯수와는 상관 없이 기술적인 제약만으로 그 정밀도가 결정되는 항법 체계는 GPS 이전에 이미 많이 사용되고 있던 것이다.
+[[인공위성]]을 써서 전파 항법 체계를 만들 수 있다는 사실은 [[스푸트니크1호]] 발사 직후 존스 홉킨스 대학의 [[응용물리연구소]](APL)에서 처음 알려졌다. 스푸트니크 1호는 20.005 [[ 메가헤르츠|MHz]] 및 40.002 MHz로 일정한 신호를 송신하고 있었는데, [[도플러효과]]에 따라 실제로 수신되는 주파수는 송신할 적의 주파수와 달라지게 된다. 따라서 이 차이를 지속적으로 관측하여 (알려진) 궤도 안에서 위성이 정확히 어느 위치에 있는지 알 수 있게 된다. 여기서 주목할 점은, APL은 자체 슈퍼컴퓨터(UNIVAC II)가 있어서 이걸 계산할 수 있었던 반면 소련은 자기가 위성을 발사해 놓고도 비견할 만한 슈퍼컴퓨터가 없어서 위치를 전혀 알 수 없었다는 점이다(...). 현재 위치를 알 때 위성 위치를 계산할 수 있으면, 당연히 위성 위치를 알 때 현재 위치를 계산하는 것도 가능하다는 걸 알게 된 APL은 몇 년 뒤인 1960년에 [[미국해군]]의 지원을 받아 트랜짓(Transit)이라 불리는, 최초의 위성 항법 체계를 구축하기에 이른다.
+GPS는 트랜짓을 비롯한 일련의 위성 항법 체계들과, 기존에 사용되고 있던 LORAN 등의 지상 전파 항법 체계들을 하나로 묶기 위해서 만들어졌다((이들 체계들은 그 특성에 따라 서로 다른 서비스를 제공하는 경우가 허다했다. 정확한 시각만 제공하는 것도 있고, 위치는 알 수 있는데 속도나 방향은 알기 어려운 경우도 있었으며 그 반대도 있었다. GPS는 이들을 하나로 묶어서 다용도로 사용할 수 있게 설계되었다.)). 이 이면에는 [[냉전]]으로 인해 항법 체계의 군용 사용이 크게 늘었다는 점이 크게 작용했으나, 하필이면 개발 도중인 1983년에 [[대한항공007편]]이 소련 영공에 (잘못) 들어 갔다가 격추당하는 사건이 발생하고 만다! 그리고 이를 계기로, 당시 대통령 [[Ronald Reagan]]이 직접 "현재 개발 중인 GPS가 개발 완료되면 민간용으로도 개방하겠다"라고 선언하게 되었다. 지금이야 GPS는 민간용으로 아주 요긴하게 쓰이고 있지만 당시로서는 무슨 일이 터지고 나서야 고려를 할 정도로 매우 민감한 사안이었던 것이다.
+GPS를 지구 전역에서 사용하려면 위성이 적어도 24개가 필요하지만, 매우 초창기(1978~1985)에는 이 체계가 쓸만한지 테스트하기 위해서 위성을 10개만 올려 놓았다. 이를 블록 I 위성이라 하며 현재는 당연히 모두 사라졌다. 그 뒤 실제 사용을 위해 1989년 이래 50개 이상의 위성이 발사되었으며 이를 블록 II 위성((실제로는 시간차 때문에 II, IIA, IIR, IIF 등으로 나뉜다. [[2012년 현재]] 마지막 블록에 속하는 IIF 위성들이 발사 중이다.))이라 하고, 1994년에 24개의 위성이 모두 올라가면서 전지구적으로 사용할 수 있게 되었다. GPS의 정밀도와 용도를 크게 개선한 블록 III 위성은 현재 개발 중이다.
+GPS는 일단은 군용 및 민간용으로 모두 쓰일 수 있으며, "기술적으로는" 군용 신호가 혼선 및 교란을 방지하기 위해 암호화되어 있지만 민간용 신호만 써도 10m 정밀도를 얻는 게 어렵지는 않아야 **했다**. 그러나 개발 당시, 민간용 신호조차도 기존의 전파 항법 체계에 비해 훨씬 우수하기 때문에 적군이 사용할 경우 문제가 될 수 있다는 이유로 일부러 랜덤하게 오류를 추가하는, 이른바 선택적 사용성(SA, Selective Availability)이라 하는 <del>[[병크]]</del>것이 추가되었다. 그러나 아이러니하게도, 심지어 군조차도 물량이 달리는 군용 GPS 수신기보다 민간용 GPS 수신기를 선호했기 때문에 SA가 제공하는 오류를 크게 하는 것 자체가 불가능했다. 따라서 [[2000년]]에 [[Bill Clinton]]이 SA를 더 이상 활성화시키지 않는다는 공식 성명을 내면서 이 문제는 일단락되어 버렸다. 또한 앞으로 개발될 블록 III 위성에는 SA 기능이 아예 내장되어 있지도 않게 된다.
+===== 구조 =====
+GPS는 크게 우주 부분(space segment), 제어 부분(control segment) 및 사용자 부분(user segment)으로 나눌 수 있다. 우주 부분은 최소 24대, 최대 32대까지의 [[인공위성]]으로 구성되어 있으며, 제어 부분은 [[미국]] 내의 다섯 곳의 제어국으로 나뉘어 있고, 사용자 부분은 미국 공군에서 제공한 정보에 따라 민간에서 만들어진 수신기로 구성된다.
+앞에서 언급했듯, 각 GPS 위성은 기본적으로는 위성에 탑재된 [[원자시계]]의 시각 및 현재 위치를 꾸준히 전파로 송신한다. 실질적으로는, 위성의 위치는 시각 및 정밀한 위성 궤도 정보(천체력; emphesis)로 결정되며, 모든 위성을 아우르는 덜 정밀한 궤도 정보 및 전리층 모델 등이 별도의 정보로 송신(이력; almanac)된다.((천체력은 현재 위성에 대한 정보만 주는 대신에 짧고(전체 수신에 최대 30초) 매우 정밀하며, 따라서 현재 시각으로부터 아무리 길어도 4시간 안에만 유효하다. 이력은 모든 위성에 대한 대략적인 정보를 주기 때문에 덜 자주 갱신해도 되는 반면, 한 번 수신하는데 12.5분이라는 꽤 긴 시간이 소요된다.)) 또한 여기에는 GPS가 사용하는 내부 시간 체계([[GPS시간]])와 [[UTC]] 사이의 차이라거나, 시계 및 위치의 알려진 오차 등을 나타내는 각종 데이터가 함께 들어 있다. 이런 기본 정보는 **항법 메시지**(navigation message)라 하는 구조에 묶여 초당 50비트의 속도로 송신된다. 항법 메시지의 기본 구조는 30초 단위(1500비트)로, 선술했던 이력의 경우 그 크기가 너무 크기 때문에 여러 메시지에 나뉘어서 서서히 전달된다.
+항법 메시지는 정해진 [[의사난수]] 스트림과 합성된다([[XOR]]). 암호화에 사용되는 스트림은 그 속도가 훨씬 빠르며(> 1 MHz) 각 위성마다 다른데, 이는 사실 [[코드분할다중접속]](CDMA)에서 사용되는 그 방법이다. GPS는 다음 두 종류의 스트림을 사용하며, 따라서 각 위성마다 고유의 스트림이 두 개씩 존재한다.
+  * C/A 코드(Coarse/Acquisition code)는 민간용으로 사용되며, 그 속도는 1.023 Mbps이다.
+  * P 코드(Precision code)는 군용으로 사용되며, 그 속도는 10.23 Mbps이다. 실제로는 정해져 있는 P 코드와는 별개로, W 코드라 불리는 공개되지 않은 키를 통해 다시 암호화된 P(Y) 코드가 사용되며, 이 코드는 당연하지만 키가 없으면 해독할 수 없다. (게다가 새로운 키가 1주마다 한 번씩 배포된다.)
+CDMA의 원리와 마찬가지로, 이 의사난수 스트림은 실제 코드보다 훨씬 빠르기 때문에 여러 개의 위성이 보내는 신호 중에서 한 위성의 신호만 감지해서((한 주파수를 공유하는 의사난수 스트림들은 서로 매우 연관성이 없도록 구성되어 있기 때문에 가능한 일이다. 구체적으로 말하자면 GPS는 [[골드부호]]를 사용한다.)) 해당 위성의 스트림으로 XOR하여 원래 항법 메시지를 얻어 낼 수 있다. 현대의 GPS 수신기는 이런 과정을 십수개의 위성에 대해서 동시에 실행할 수 있다.
+이렇게 합성된 신호는 실제 [[반송파]]와 [[위상변조]](phase modulation)되어 다음 두 주파수로 송신된다. 앞에서 언급했듯, 기본적으로 모든 위성은 이들 주파수로 일제히 신호를 송신하지만 도달하는 실제 주파수는 차이가 있기 때문에 수신기는 이런 점을 고려하여야 한다.
+  * L1 (10.23 MHz × 154 = 1575.42 MHz) 주파수는 C/A 코드와 합성된 항법 메시지를 담는다.
+  * L2 (10.23 MHz × 120 = 1227.60 MHz) 주파수는 P(Y) 코드와 합성된 항법 메시지를 담는다.
+GPS에는 이 밖에도 L3~L5라 불리는 세 개의 주파수가 더 예약되어 있으며, 이들은 연구용으로 쓰이거나 블록 III 위성에서 새로운 민간용 주파수로 사용될 예정이다. 또한 L2에도 L2C라 불리는, 완전히 별도의 의사난수 스트림을 사용하는 새로운 민간용 메시지가 추가될 예정이다.
 ===== 바깥 링크 =====

도쿠위키와 DokuWiki-custom(rev 9085d92e02)을 씁니다.
마지막 수정 2012-01-24 17:23 | 작성자 lifthrasiir