측지좌표계와 지오이드 4

1. 제 4의 좌표, 시간 시스템

제4의 좌표라고 하면 4차원 공간을 의미하는 상대성이론 등을 떠올리겠지만, 그렇게 어려운 부분까지 논의하려는 것은 아니다. 여기에서는 인공위성궤도를 논할 경우 시각과 시간이 매우 중요한 파라미터이므로 이에 관련된 문제만을 언급하기로 한다. 우리가 일상생활에서 자연스럽게 사용하고 있는 시각과 시간은 정밀 과학기술에서는 엄밀한 정의 및 이를 뒷받침할 수 있는 고정밀 시각장치가 필요하다. 다시 확인하는 의미에서 시각은 시간의 흐름 속에서 어떤 한 점을 가리키는 것이며, 시간은 어떤 시각과 다음 시각의 간격을 나타내는 것이다. 여담이지만, 열차 ｢시간표｣라고 하는 표현방법은 잘못된 것으로서, ｢시각표｣라고 하는 것이 옳다. 그리고 서울, 부산 사이의 ｢소요시간｣은 올바른 표현방법이다.

 

인류가 시각이나 시간을 의식하게 된 것은 두말할 필요도 없이 밤낮이 교차하기 때문이다. 이와 같이 시각과 시간은 전통적으로 지구의 자전에 기초하고 있다. 지구의 자전은 근세에 이르기까지 긴 세월 동안 인류의 생활기준이 되어 왔다. 20세기를 전후로 하여 과학연구가 진보하고, 특히 천문학에서 행성운동에 관한 연구가 진척됨에 따라 지구의 회전이 결코 안정적이지 않다는 사실이 판명되었다. 20세기 후반에는 수정시계로부터 원자시계에 걸친 정확한 시계가 발표되어 실용화되어 왔다. 이러한 과정에는 상당히 재미있고도 중요한 연구가 포함되어 있는데 여기에서는 생략하기로 한다.

 

현재 우리들이 일상생활에서 사용하고 있는 시각과 시간은 협정세계시(지역별로 시차를 부여한 표준시)라고 하며 기본적으로는 원자시계를 기준으로 한 시간시스템이다. 이 시간시스템은 불안정한 지구자전과 극히 안정적인 원자시를 타협하여 만들어진 체계로서 통일성과 명료성은 다소 떨어진다.

 

이외에도 이 책의 주제와 밀접하게 관련 있는 GPS관련 체계도 있다. 그중

• GPS시(GPS Time)

－GPS 위성계 전용 시간시스템, 원점은 1960년 1월 6일 0:00:00UTC

－국제 원자시와 정확하게 19초 늦은 시간시스템

• 글로나스 시, 갈릴레오 시

아래에 설명하는 각 시간시스템 사이의 시간차이는 조금씩 바뀌므로, 상세한 사항은 최신의 정보를 참조하기 바라며, 개괄적인 상호관계는 표 1과 같다.

 

▶표 1 각 시계 상호 간의 관계 (단위는 초)

괄호는 연, 시기에 따라 변화되는 것으로 2006.00년 현재의 값

	역학시 TDT
국제원자시	32.184	국제원자시
GPS시	51.184	19	GPS시
협정세계시	(65)	(33)	(14)	(±1 이내)

세계시는 협정세계시보다 약간 큰 값으로, 때에 따라 변동한다.

 

이러한 시간 시스템은 ｢어느 시간시스템의 시계｣라고 지정된 장치가 선진국 어떤 기관에 설치되어 있어서, 이곳으로부터 시각신호가 발표되는 것은 아니다. 아래의 설명에서 알 수 있는 바와 같이 이 모든 시각은 데이터를 해석하는 계산기 속에서 움직이고 있다. 이 중 일부는 나중에 설명할 국제도량형국(國際度量衡局)에서 총괄하고 있는 것도 있다. 그리고 이러한 대부분의 시각은 어떤 시점이든 시각을 알 수 있는 실시간이 아니라, 어느 정도 시간이 경과한 뒤에 정확한 수치가 산출되는 특성이 있다. 물론 이용자 측면에서는 필요에 따라 근사적으로 어떤 시간시스템에 상당하는 시계를 사용할 수 있다. 쉽게 예를 들면, 우리들이 갖고 있는 시계는 UTC에 근사적으로 연결되어 있다고 할 수 있다.

 

 

 

2. GPS시, GNSS시

GPS가 개발되었을 때 위성은 약 20,000km의 고도에 있고 고속 궤도운동을 하고 있기 때문에 상대론 효과가 있다는 것을 고려하여 GPS시가 정의되었다. 이것은 GPS위성 원자시계의 시각으로, 국제원자시 TAI로부터 정확하게 19초 지연되고 있다는 것을 제외하고는 실질적으로 동등하다고 할 수 있다. 19초라는 다소 어중간한 차이가 존재하는 것은 GPS시를 1980년 1월 6일 (일요일) 0시 UTC로부터 시작했기 때문에, 그때의 UTC와 TAI의 차가 그대로 남아 있어서 발생한 것이다. 1월 1일부터 시작하지 않은 이유는 P코드의 초기화(reset)가 일요일에 시행되기 때문이다. GPS시와 UTC의 차이는 윤초의 삽입과 함께 증가하며, 2000년도에는 12초(UTC가 GPS시보다 늦음)였다. 물론 이 차이도 정확하게 정수이다.

 

GPS시는 GPS위성계의 운용에만 사용되고 있지만, GPS 위성의 항법데이터를 해독하면 자료의 시각이 GPS시로 출력된다. 이 시각은 주초(週初)부터 카운트된 초수로 되어 있기 때문에 간단한 계산만으로 일시 분초로 변환할 수 있지만, 일본의 표준시 또는 UTC와 GPS시는 위에서 설명한 이유로 인하여 정수초의 차가 있으며, 그것이 윤초(閏秒)에 의해 1초 단계로 변화한다.

 

GPS시는 GPS 제어 부분에서 위성의 궤도와 함께 시계를 감시하고 있으며, 미국 해군천문대의 원자시계와 비교한다. 이 원자시계는 국제원자시와 결합되어 있기 때문에 이것을 기초로 하여 각 GPS 위성의 항법메시지에 포함되어 있는 시계보정계수를 결정한다.

 

GPS시에 대해 솔직히 말한다면, “다른 시간 시스템과 같이 확고한 이론적 또는 사회적 뒷받침도 없는 것을 마음대로 만들어서 골치 아프다”라는 인상이 있다. 그러나 P코드(Y코드)라는 일주일간의 긴 코드를 운용하는 경우와 상대론 효과를 고려한 것이라고 추측된다. 물론 GPS 위성의 시계(원자주파수표준)는 상대론 효과를 보정하기 위해 약 4⦁10⁻¹⁰ 만큼의 낮은 주파수로 설정되어 있는데, 이러한 사정으로 인하 여 일부러 GPS시라고 하는 것을 설치한 것일 것이다.

 

GPS 이외의 GNSS 위성계에서도 각각의 글로나스시, 갈릴레오시 등이 정해져 있다. 위성계가 다를 뿐만 아니라, 각각의 시각관리기관도 다르다. 즉,

GPS → 미국해군천문대 / 글로나스 → 글로나스시스템 관제센터

갈릴레오 → 갈릴레오의 중앙관제국 / 준천정위성 → 정보통신연구기구

이다.

따라서 매우 미세하지만, 계통차가 있다. 위성계 상호 간의 비교를 통하여 항법자료 속에 GGTO(GPS-Galileo Time Offset) 등의 수치가 제시되어 있다.