GPS 이야기 : KAL기 격추와 스푸트니크

요약

GPS(Global Positioning System)는, 전 지구적인 수준에서 그 신호를 수신할 수 있는 수신기의 위치를 파악할 수 있는 시스템을 말한다.

지구 위 약 20,000킬로미터 상공에 떠 궤도 위성에서 송출하는 전파 신호를 지상에서 수신하여 위치를 파악할 수 있는 시스템이다.

위치측정 방법

GPS 위성을 통한 위치 측정은,

위성에서 발사되는 시점과 수신하는 시점의 시간 차이를 이용하여 수신기와 위성 사이의 거리를 파악한다.

각각의 위성에는 루비듐과 세슘 원자시계가 탑재되어 있으며, 송출하는 시간과 수신하는 시간 차이를 통해 위성과 수신기 사이의 거리를 측정한다. 빛의 속도로 움직이는 전파에 시간을 곱하여 거리를 파악하는 것이다.

위도, 경도, 고도의 정확한 위치를 측정하기 위해 수신기는 최소 4개의 위성 신호를 수신한다.

3개의 위성을 중심으로, 수신기와의 교차점은 우리가 사는 3차원 공간에서 2개의 지점이 있기 때문에 4번째 위성의 신호를 계산하여 정확한 위치를 알 수 있다.

<위 그림과 같이 3개의 위성을 중심으로 하는 3차원 교차점은 2개 점이 나온다. 4번째 위성의 신호를 통해 지상의 한 지점을 확정한다.>

GPS 관련 원리들

일반상대성 이론과 관련되어 있다.

빠르게 운동하는 물체는, 정치해있거나, 느리게 운동하는 물체에 비해 상대적으로 시간이 느리게 간다는 원리이다.

1956년 독일계 미국인 물리학자 프리드와트 윈터버그의 원자시계를 탑재한 고위도 위성의 상대적 시간 차이 측정 실험이 GPS 설계의 원리가 되었다.

이후 구체적으로는,

1957년 소련이 첫 인공위성 스푸트니크1호를 추적하던 존스 홉킨스 응용물리학 연구실의 윌리암 가이어, 조지 바이펜바흐가  스푸트니크의 라디오 전파를 모니터링하여 그 정확한 궤도를 파악하고자 했고, 이동 중에 발생하는 신호의 오차 (예를 들어 도플러 효과처럼 신호 또는 소리를 내며 움직이는 물체와 고정 물체와의 상대적인 위치에 따른 신호-소리 인지 차이)를 파악하면서 군사적인 목적으로 개발되기에 이르렀다.

<1957년 스푸트니크 1호의 발사는 미국에겐 Sputnik Shock였다. 위성이라고 하지만, 핵을 실은 로켓 공격의 위험이 미국사회를 덮쳤다.>

GPS 정보의 활용

지구 주위를 도는 GPS 위성은 누적 발사 65개, 2015년 기준으로 32개가 운용되고 있다.

GPS는 자동차의 위치정보, 이동경로 파악을 위한 내비게이션 시스템,

배의 위치를 파악하는 항법시스템을 비롯해, 지상의 지형지물을 파악해 그 위치를 파악후 목적지를 타격하는 순항미사일(Cruise Missle)에 까지 활용되고 있다.

일반적인 상업용 GPS의 경우 오차 범위가 30m 수준이며(상업용 GPS 수신장비는 일부러 오차 범위를 두는 것으로 알려져 있다.),

군사용 GPS의 경우 2~3m 수준으로 알려져 있다.

미국의 토마호크 순항미사일(사거리 1250~2500km)의 사거리를 감안하면, 그 정확도를 가늠할 수 있다.

*미국의 군사용 GPS 시스템에 민간이 사용할 수 있게 길이열린 계기는, 구 소련이 1983년 대한항공 007편을 격추하면서, 미국 로널드 레이건 대통령이 미간에게도 그 접근을 허용하면서 부터이다.

<GPS가 민간에게도 개방되면서, 위와 같이 계획된 항로를 벗어나 발생할 오해로 빚어질 참사가 줄어들 수 있었다.>

 Refer

 - GPS '삼각측량' 원리 참고 : Youtube 채널 'Dnews'

 - 스푸트니크 1호 사진 : wikipedia.org

 - KAL 007 관련 사진 : wikipedia.org