우리 실생활에서 친숙하게 사용되고 있는 GPS는 인공위성을 이용해 위치와 시간을 알려주는 시스템으로서 미 국방부 주도로 1973년에 개발을 시작, 93년에 초기 가동됐으며 95년부터 정상적으로 운용되고 있다. GPS의 위성들은 고도 약 2만km 상공에서 6개의 궤도면을 따라 운행하는데 현재 29개의 위성이 배치돼 지구상 어느 곳에서나 항상 4개 이상의 위성으로부터 전파를 수신함으로써 3차원 위치 측정이 가능하다.

GPS 무기체계는 특수전 부대에서 주로 운용되고 있는 휴대용 위치식별기를 비롯해 무인정찰기·미사일 등이 있으며 향후 전차·장갑차·방공 자동화체계 등 대부분의 무기체계 및 병사체계에 이르기까지 폭넓게 활용될 예정이다.

GPS는 위치측정에 있어 많은 장점을 가지고 있으나 다음과 같은 한계도 있다.

첫째, 위성신호를 수신하기 위해서는 위성과 수신기간에 가시선이 확보돼야 하는 지형적 제한을 받는다는 점이다. 둘째, 미 국방부가 GPS를 군사용으로 개발하면서 전시에는 군 작전의 안정성·보안성을 목적으로 위성궤도에 인위적인 오차를 주입, 위치측정 정확도를 낮출 수 있기 때문에 상용장비의 경우 전시 사용이 제한된다는 점이다.

GPS체계에서 위치측정은 3개 이상 GPS 위성의 위치를 알고 수신기에서 각 위성에 이르는 거리를 안다면 수신기의 위치를 식별할 수 있다는 윈리를 이용한다. 즉 각 위성들의 위치는 항법 메시지에 실려 전송되므로 수신기와 각 위성 간 거리를 계산하면 수신기 위치를 측정할 수 있는데 이를 보다 구체적으로 알아보면 다음과 같다.

첫 번째 단계로 수신기는 많은 위성 중에 자신이 받은 신호가 어떤 위성으로부터 왔는지를 식별해야 하는데 이는 수신기에 저장된 모든 위성의 ID를 활용, 각 위성의 고유 ID를 비교함으로써 어느 위성으로부터 온 신호인지를 파악한다.

두 번째 단계는 신호가 위성에서 수신기까지 도착하는데 걸린 시간을 계산한다. 위성에서 전송되는 신호는 군용으로 사용되는 P(precise)코드와 상용으로 사용되는 C/A(coarse acquisition)코드가 실려 있는데 여기서 C/A코드의 전송속도는 1Mbps이고 P코드는 C/A코드보다 10배 빠른 10Mbps 속도로 전송되므로 P코드가 C/A코드보다 10분의 1배 단위로 좀 더 세밀한 시간을 측정할 수 있게 된다.

세 번째 단계는 위에서 계산된 시간을 이용, 위성에서 수신기간의 거리를 계산한다. 이때 계산된 거리를 의사거리(pseudo range)라고 하는데 그 이유는 수신기 시계의 부정확함으로 인해 실제거리에 비해 오차가 발생하기 때문이다.

마지막 단계는 의사거리에 수신기 시계오차를 보정해 위성과 수신기 간의 실제거리를 구하고 각 위성의 위치와 위성까지의 계산된 거리를 통해 수신기의 위치를 측정한다.

C/A코드의 경우 한 비트 전송시간이 100만분의 1초(1Mbps)이기 때문에 전파의 속도를 고려할 때 한 비트가 전송되는 거리는 약 300m이며 신호처리 과정을 거치면서 1%인 3m 오차범위 내에서 측정 가능하다. P코드는 C/A코드보다 10배 빠른 전송속도를 가지고 있으므로 30cm 오차범위 내에서 측정 가능하므로 C/A코드보다 더 정밀한 거리를 측정할 수 있다. 이렇듯 4개 이상의 위성으로부터 전송된 C/A코드나 P코드로부터 거리를 계산·측정함으로써 수신기의 위치를 측정할 수 있다. 즉 P코드를 사용할 경우 C/A코드보다 훨씬 더 정밀한 위치를 식별할 수 있고, 이러한 정밀성 때문에 P코드는 군용으로, C/A코드는 상용으로 사용되고 있다.

그러나 실제로 P코드를 사용하는 군용 GPS의 경우 이론적인 오차범위인 30cm의 위치 정확도보다 더 큰 오차범위를 갖는다. 그 이유는 위성궤도가 수신기와 2만km 이상 이격돼 있기 때문에 위성에서 발사된 신호가 이온층(50∼200km)과 대류권(지표면∼50km)을 통과하면서 수증기·기체 등의 영향으로 전송시간이 지연되고, 지표면에 도착시 수신기 주변환경과 부딪쳐 들어오는 신호 등으로 인해 오차범위가 증가하게 된다. 이러한 요인들로 인해 P코드를 사용하는 시스템의 경우 16m SEP(spheric error probability)의 정확도를 가지고, 상용으로 사용되는 C/A코드의 경우 20m SEP 정도의 정확도를 가지게 된다. 여기서 SEP는 측정한 수신기 위치 값이 반지름 16m나 20m인 구(球) 안에 들어올 확률이 50%가 된다는 확률적 개념이다.

향후 미 국방부는 GPS의 정확도 및 안정성을 더욱 향상시키기 위해 새로운 군용·상용 코드를 추가로 탑재할 예정이어서 GPS가 보다 정밀해지고 안정적인 시스템으로 발전됨으로써 추후 무기체계에 적용될 때 그 효용성은 점차 높아질 것으로 기대된다.

< 출처 : 국방일보=밀리터리 리뷰, 2003. 10. 31 >