위성항법

위성항법은 인공위성(항법위성)을 이용한 위치결정시스템으로서 지구 중궤도에 있는 4개 이상 위성의 신호를 수신하여 삼각(삼변)측량하는 방법으로 지구상의 수신기에 대한 시각과 위치를 결정한다.

미국 국방성에서 개발한 지피에스(Global Positioning System, GPS) 위성은 24개의 위성으로 구성되어 있으며 지구로부터 약 2만 km 떨어진 중궤도에서 하루에 두 번 지구를 돌며 위성의 위치와 시각 정보를 지구 상으로 보내주고 있다. 이와 같은 위치결정 시스템은 미국의 지피에스가장 먼저 서비스를 시작했지만 러시아의 글로나스(Glonass), 유럽의 갈릴레오(Galieo), 중국의 베이두(Beidou)와 같은 시스템이 개발되어서 항법서비스를 수행하고 있으며 항법수신기에 따라서 이와 같은 항법위성들의 신호를 섞어서 사용하여 정확도를 더 높이는 방법이 개발되고 있다.

지피에스는 지금까지 인공위성을 이용한 위치결정시스템, 즉 범 지구 위치결정 시스템을 부르는 일반명사로도 사용되어졌지만 이제는 다른 나라들에서 다른 이름을 갖는 위성항법시스템이 개발되었기 때문에 지피에스는 미국의 위성항법시스템을 말하는 고유명사로 부르고 일반적인 지구 전역에 대한 위치결정 시스템은 일반명사로 지엔에스에스(GNSS: Global Navigation Satellite System - 범지구위성항법시스템)이라고 부른다.

목차

지구 중궤도를 돌고 있는 항법위성들은 위성의 현재 위치와 시각이 담긴 신호를 지상으로 전송한다. 지상의 항법수신기(네비게이션 장치)는 4개 이상의 항법위성 신호를 수신하여 전파가 도달하기 까지 걸린 시간을 계산해서 자신의 위치를 결정한다. 자신의 3차원 위치 X, Y, Z와 시각을 결정하기 위해 최소 4개의 항법위성 신호가 필요한 것이다. 항법위성 간의 시간을 일치시키기 위해서 위성에는 아주 정확한 원자시계가 실린다. 그림 1은 지피에스의 작동원리를 보여준다.

그림 1. GPS의 작동원리 (이병선/한국천문학회)

지피에스 시스템은 24개의 지피에스 위성, 지상의 위성관제시스템, 그리고 사용자로 구성된다. 그림 2와 같이 24개의 지피에스 위성은 6개의 궤도면에 4개씩 배치되어 지구상의 어느 위치에서도 4개 이상의 지피에스 위성의 신호를 받을 수 있도록 하였다.

그림 2. 지구 중궤도에 위치한 24개의 GPS 위성군 - 6개의 궤도면에 각각 4개씩 배치되어 있음(출처: Science Education through Earth Observation for High Schools(SEOS))

궤도상에 있는 인공위성은 지상에 있는 위성관제소로 부터 원격명령을 받아 동작하고 원격측정 데이터를 내려보내서 위성의 상태를 알 수 있도록 한다. 궤도상에 있는 지피에스 위성도 미국의 콜로라도 스프링스(Colorado Springs)에 있는 주 관제소와 세계에 각 지역에 분포된 5개의 부 관제소에 의해 조정된다. 주 관제소와 부 관제소에서는 지피에스 위성의 신호를 추적하며 거리를 측정하여 위성의 정확한 궤도위치를 결정하여 이것을 지피에스 위성에 보낸다. 이를 받은 지피에스 위성은 사용자들이 위치를 결정할 수 있도록 자신의 위치와 시각을 지상으로 보내준다.

현재 범 지구 위치결정 시스템으로 활용할 수 있는 항법위성 시스템은 4개가 있으며 미국의 지피에스, 러시아의 글로나스, 유럽의 갈릴레오, 그리고 중국의 베이두이다. 아래의 표는 항법위성 시스템의 궤도정보를 보여준다.