위성측량의 시작2

1. 지상 위치의 결정방법

일상생활에서 지금 자신이 어디에 있는지를 알아내는 것은 그다지 어렵지 않다. 살면서 익숙해진 곳의 건물이나 길의 풍경 등으로부터 알 수 있기 때문이다. 열차나 도로에서도 역명, 상점이름 등으로부터 어느 정도는 자신이 어디에 있는지 알 수 있다. 그러나 처음 가 본 곳에서 목적지를 찾는 것은 상당히 어려운 일이 다. 특히 대양의 한가운데나 사막과 같이 특징 있는 지형도 없고, 아무런 표시도 없는 곳에서 현재 위치를 파악하는 것은 극히 힘든 일이다. 항해 중인 선박 등이 현재 위치를 파악하기 위하여 예로부터 여러 가지 방법이 개발되고 실용화되어 왔다. 가장 오래되었으면서도 실용적이고 확실한 항법 방식은 천문 항법 (astronomical navigation)으로서 1675년 영국에서 개발되기 시작하여 1700년대 중반에 실용화되었다. 천문 항법은 그때부터 1950년경까지 200년간에 걸쳐 항해에 사용되어 왔다. 1700년대 이전의 이른바 대항해 시대에는 지자기(地磁氣)나 북극성이 이용되었지만, 이를 통해서는 방향만 알 수 있었을 뿐 현재 위치(정확히 말하자면 경도)는 알 수 없었다. 당시의 뱃사람들은 무턱대고 항해할 수밖에 없었던 것이다. 그 전형적인 예가 미국 남동쪽 카리브해에 있는 서인도제도이다. 아메리카 대륙의 존재가 알려지지 않았던 시대에, 스페인에서 서쪽으로 배를 항해하면 인도에 도달한다고 생각한 콜럼버스가 이 섬에 도착하여 인도에 왔다고 착각한 결과가 오늘날까지도 그 이름에 남아있다. GPS 등 현대적 항법기술을 이용할 수 있는 현재까지도 선박에서는 비상용으로 천문 항법을 위한 설비(육분의(六分儀)와 천체위치표)를 탑재하는 것이 의무화되어 있다.

 

1900년 초부터 무선통신의 발달과 함께 항법에도 전파를 이용하기 시작하였다. 최초의 방식은 배에 방향탐지기(direction finder)를 탑재하여 육상에 있는 여러 무선국으로부터 수신된 전파의 방향을 측정하여 배의 위치를 결정하는 것이었다. 이 방식은 등대를 보고 배의 위치를 알아내는 것과 동일한 원리로써 연안 항해용으로는 현재도 사용되고 있다. 현재 많은 나라에서 바로 이 비콘(beacon) 전파에 DGPS 데이터를 탑재하여 전송하고 있다.

최초의 본격적인 전파항법(radio navigation)은 1940년 전후에 영국의 데카(Decca)사에서 개발한 데카 항법장치이다. 데카 항법장치는 제2차 세계대전 당시 연합군의 노르망디 상륙작전 때 함선 유도에 이용됨으로써 이 작전을 성공으로 이끈 숨은 공로자이기도 하다. 영국에서는 천문 항법, 데카 항법 이외에도 현재 레이더의 원형인 전파 표정기(radio locator) 등 여러 가지 중요한 발명이 이루어졌다. 제2차 세계대전 후에는 미국에서 로란 A(LORAN A, long range navigation A, A는 A형이라고 하는 의미), 로란 C(로란 B는 실험과 연구만 진행) 그리고 오메가(Omega) 등을 개발 실용화하였다. 오메가(Omega)를 제외한 데카나 로란 시스템은 서비스 범위가 좁다는 약점이 있어서 하나의 시스템으로 전 세계를 커버할 수 없었다. 일부를 제외하고는 선박에서 이용하는 것을 전제로 하고 있다. 항공기 시대가 도래함에 따라 항공기 전용 항법장치가 다수 개발되었지만 그 대부분은 공항 주변의 이착륙의 유도, 관제를 위한 것으로, 장거리 항법에는 선박용 시스템을 이용하거나 관성항법장치(inertial navigation system, INS)만 사용하였다.

GPS가 완성됨에 따라 재래식 전파항법시스템 중 일부는 머지않아 폐지될 것으로 보인다. 오메가도 그러한 사례 중 하나로서 20세기 후반에 화려하게 등장하였으나, 그 운용성이나 정확도가 기대에 미치지 못하였기에 조기에 폐지되어 버렸다.

 

 

2. 전파항법과 GPS/GNSS의 공통점

데카, 로란, 오메가 등의 전파항법 방식은 크게 다음과 같은 두 가지 공통점이 있다. 첫째, 여러 개(3국 이상)의 육상 기준국을 설치하여 선박에서 그 전파를 수신한다는 점, 둘째, 기준국 상호 간 전파 발사 시각을 동기시켜야 한다는 점이다. GNSS도 동시에 여러 개(4개)의 위성전파를 수신하며, 위성전파 발사 타이밍은 원자시계에 의해 제어되고 있다. 이런 의미에서 GNSS도 재래식 전파항법과 같은 방식을 따르고 있으며, 일종의 전파항법이라고 할 수 있다.

 

GNSS에서는 전파를 발사하는 인공위성이 고속으로 회전하고 있으므로 육상에 고정되어 있는 재래식 항법용 기준국과 차이가 있지만, 이 차이는 크게 문제 되지 않는다. 측위를 실행하는 순간의 인공위성 위치를 알 수 있다면, 육상 항법 기준국과 동등하게 되므로 이를 기준으로 자기의 현재 위치를 계산할 수 있다. 물론 이를 실현하기 위해서는 인공위성궤도를 해석할 수 있는 복잡한 소프트웨어와 고속 계산기가 필요하다. 작은 GNSS 수신기에도 이러한 소프트웨어와 함께 여러 가지 지구물리학적인 데이터를 처리하는 기능이 들어 있다. 실질적으로는 GNSS의 이용대상이 선박뿐만 아니라 항공기, 로켓, 인공위성 그리고 일반시민 등 아주 광범위하다는 것이 지금까지의 항법시스템과 가장 큰 차이점이라고 볼 수 있다. GPS의 전신인 NNSS의 경 우 1개의 위성을 장시간 관측(10분 이상)한다는 점에서 재래식 전파항법 방식과 개념이 다르다.

 

GNSS와 전파항법은 위성 간 혹은 기준국간의 타이밍이 중요하므로, 이러한 항법 방식을 시각동기(同期)에 이용할 수 있다. 실제로 GPS가 완성되기 전에는 로란 C를 정밀 시각동기에 이용하였다.