GNSS 편집하기

[[File:GPS-constellation-3D-NOAA.jpg|thumb]]
'''GNSS'''(global navigation satellite system)란, 인공위성의 신호를 이용하여 지구 상에서의 현재 위치를 특정할 수 있는 시스템이다. 한국에서는 사실상 GPS가 위성 항법 시스템의 고유명사로 사용된다. 미국을 제외한 타국의 GNSS로는 러시아의 '''GLONASS''', 중국의 '''COMPASS'''(北斗, Beidou) 등이 있다. 

== 국가별 시스템 ==
GNSS는 범지구적으로 위성을 쏘아올려야 가능한 시스템이기 때문에 웬만한 돈지랄을 하지 않고서야 쉽게 구축할 수 없다. 그 GPS도 냉전이라는 배경이 있었기 때문에 돈지랄이 가능했던 것이고, 그 외에는 러시아, 유럽연합, 중국 정도가 있고 일본이 GPS의 보조성격으로 일본-한반도 권역에 위성을 띄운게 있다. 

가끔 국산화해야 한다는 이상한 말을 하는 사람이 있는 데<ref>[http://www.zdnet.co.kr/view/?no=20161005092820&re=R_20170222161507 매일쓰는 GPS…알고보니 100% 외국 위성 의존], ZDNet, 2016.10.05.</ref> 잘 쳐줘야 일본처럼 지역보조 위성을 쏘아올리는 정도고, 일단 강대국들이 주는 걸 공짜로 쓰는 게 이득이다. {{ㅊ|일단 나로호부터 똑바로 쏘고 생각해보자}}

* {{국기그림|미국}} GPS (Global Positioning System)
*: GPS의 시작은 다른 기술들이 그러하듯 군용이었다. 구 [[소련]]의 첫 인공위성인 [[스푸트니크 1호]]가 궤도에 오르는데 성공하자, [[미국]]의 과학자들이 이 신호를 잡아서 인공위성의 위치를 특정해내는데, 이 소식을 들은 미군 상부에서 '''역으로 인공위성을 통해 지상의 위치를 특정해낼 수는 없을까?'''라는 발상을 해내고 이를 실현시킨 것이다. <del>창의력 대장</del>
*: 이런 배경이 있었던 관계로 초창기에는 [[미군]]만이 사용할 수 있도록 랜덤 에러가 포함되어 있었는데, [[대한항공 007편 격추 사건]] 이후 [[미국]]의 [[레이건]] [[대통령]]이 GPS를 민간에서도 사용할 수 있도록 하겠다고 발표하였고, 한참이 지나서 클린턴 대통령 시기 때 진짜로 해제된다. 그 이후로 관련 산업이 폭발적으로 성장하고 자동차 [[내비게이션]]이나 휴대폰 위치 확인 등으로 요긴하게 사용되고 있다.

* {{국기그림|러시아}} GLONASS
*: 냉전 시대에 미국이 하는 데 소련이 빠질 수 없는 노릇. 1982년 첫 위성을 쏘아올리며 화려한 신호탄을 쏘았으나 냉전이 끝나고 소련이 뿔뿔이 흩어지면서 잠정 중단되었다. 고유가와 함께 러시아가 자원부국이 되면서 다시 시동을 걸어 2011년 전세계 구축을 완료했다<ref>[https://gnss.seoul.go.kr/intro/intro2_2.php GLONASS], 서울특별시 네트워크 RTK 시스템</ref>.

* {{국기그림|유럽연합}} EGNOS/GALIILEO
*: EGNOS는 미국 GPS의 데이터를 토대로 지역 위성을 수신한 데이터로 더욱 정밀한 위치측량을 하는 시스템이고, GALIILEO는 유럽연합이 구축한 GNSS를 말한다.

* {{국기그림|중국}} 베이더우(北斗)
*: 2000년 지역항법장치로 시작한 베이더우는 2020년까지 위성 35개를 쏘아올려 전세계에 서비스하는 3세대 서비스를 준비중이다.

* {{국기그림|일본}} 준텐초(準千頂/QZSS)
*: 일본의 지역항법장치로 GPS보다 월등한 정확도와 수신율을 자랑한다. 몰니야 궤도를 쓰기 때문에 일본-한국 뿐만 아니라 호주까지 수신권역에 든다.

== 원리 ==
3개 이상의 위성의 전파를 수신해 시간과 거리를 측정해서 위치를 계산한다. 이론상 3대면 가능하나, 오차를 최소화 하기 위해서 4대 이상의 위성에서 신호를 받는다.

일상생활에서 들어온 기계 중에서 [[상대성 이론]]이 적용되는 분야기도 하다. 지상의 수신기와 [[인공위성]]과의 속도·중력 차이 때문에 시간차가 발생한다. 결과적으로 [[인공위성]]의 시간이 지상보다 하루에 약 38 마이크로초(0.000038초)만큼 빠르게 흐른다. 이 작은 차이를 보정하지 않으면 수 ㎞까지 오차가 날 수 있다. 아래 문단에서 서술. 이 오차는 [[특수상대성이론]]과 [[일반상대성이론]]을 응용하여 보정한다.<ref>[https://www.youtube.com/watch?v=1fcvB70wVeM 백만 분의 38초 'GPS' 오차…상대성 이론으로 보정], YTN 사이언스, 2015.03.16.</ref>

[[파일:Orbit_times.svg|가운데]]

지구정지궤도에서 고도에 따른 시간 지연 그래프. 초록색 선은 중력에 의한 시간지연 , 빨간색 선은 궤도 속도에 의한 시간지연, 파란색 선은 둘을 합친 결과다. 세로축은 시간가속/지연이고 단위는 ps (피코초,  10<sup>-12</sup>초)

=== 이동속도에 따른 시간지연 ===
GPS 위성은 지구중심 기준으로 3.874km/s 의 속도로 이동하고 있으므로 <ref>[http://www.aticourses.com/global_positioning_system.htm The Global Positioning System by Robert A. Nelson Via Satellite]</ref>

로렌츠 변환을 이용해서 

<math> \frac{1}{\gamma } = \sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}} </math>

<math> \frac{1}{\gamma } \approx 1-\frac{v^2}{2 c^2} </math> (<math> \frac{v^2}{c^2} </math>가 충분히 작은 값일경우 근사 가능하다. )

위 식에 v = 3874 [m/s] 를 넣으면 <math> \frac{1}{\gamma } \approx 1-\frac{3874^2}{2 \left(2.998\times 10^8\right)^2} \approx 1-8.349\times 10^{-11} </math>가 나온다. 

이 말은 지구중심에서 1초가 흐를때마다 인공위성은 <math> 1-8.349\times 10^{-11} </math> 초만큼 흐른다는 말이다. 하루가 86400초(60*60*24) 이므로 하루에 0.000007213536 초, 그러니까 7214 나노초 만큼의 시간 지연이 발생한다. 

===중력에 의한 시간지연===
지구 중력에 의한 중력시간지연을 계산하면 
<math> \frac{1}{\gamma } =\sqrt{1-\frac{2G M}{r c^2}} </math>

<math> \frac{1}{\gamma } \approx 1-\frac{G M}{r c^2} </math> (충분히 작은 M/r 값 일경우 근사값)

알아야 할 값은 지구와 인공위성간의 차이이므로 
: <math> \Delta \left(\frac{1}{\gamma }\right) \approx \frac{G M_{\text{earth}}}{R_{\text{earth}} c^2}-\frac{G M_{\text{earth}}}{R_{\text{gps}} c^2} </math> 라고 쓸수 있다. 
R<sub>earth</sub> (지구 반지름) 을 6,357,000 m 라고 하고, 위성은 지표면에서 20184 km 고도에 있으므로, 지구중심에서 26541km 거리에 있다.<ref>{{cite book|title=Global Positioning: Technologies and Performance |first1=Nel |last1=Samama |publisher=John Wiley & Sons |year=2008 |isbn=0-470-24190-X |page=65 |url=http://books.google.com/books?id=EyFrcnSRFFgC}}, [http://books.google.com/books?id=EyFrcnSRFFgC&pg=PA65 Extract of page 65]</ref>  그러므로 R<sub>gps</sub> 는 26541000 m라고 할수 있다.  이 식에 M<sub>earth</sub> (지구질량) = 5.974×10<sup>24</sup>kg, G(중력상수) = 6.674×10<sup>-11</sup>, and c(광속) = 2.998×10<sup>8</sup>m/s 의 값을 넣으면 
<math> \Delta \left(\frac{1}{\gamma }\right) \approx 5.307\times 10^{-10} </math> 가 나온다. 

이 값은 지구에서 1초가 흐를때마다 인공위성은 <math>1+ 5.307\times 10^{-10} </math> 초만큼 흐르는 것이다.그러므로 인공위성은 지구에 비해서 하루에 45850 나노초 만큼 시간을 더 얻는다. (시간가속)

=== 결론 ===
두 값을 더하면 인공위성은 지구보다 하루에 38.6 마이크로초 만큼의 시간이 더 흐른다. 
{{인용문2|하루에 38.6 마이크로초면 1년에 0.014089초 밖에 안되잖아요? 오차가 얼마 안되는데요?}}
라고 말할수 있을 것이다. 그러나 얼마 안되는 오차인 것 같지만 위성으로부터 송출된 전파를 이용해서 위치를 확인하는 GPS의 특성 때문에 이 정도의 시간가속 만으로도 위치결정에 있어서 무시하기 어려운, 큰 오차를 발생시키기 된다. 
전파의 속도가 약 30만 km/s 이므로 38.6 마이크로초 동안 약 11.6km 를 이동할수 있다. 
{{인용문2|상대성이론을 모르고 시간 보정을 하지 않았다면 '''매일 11km 이상의''' 위치 오차가 생길것이고, 이 정도가 되면 GPS는 쓸모없어진다.}}
[https://books.google.co.kr/books?id=PoQpBAAAQBAJ p.198 참고] <ref>Principles of Astrophysics: Using Gravity and Stellar Physics to Explore the Cosmos  p.198</ref>

== 보정 ==
GNSS를 사용할 때 가장 불편한 것은 가동 초기에 GNSS 위성을 잡는 시간이 오래 걸리는 것과 도심 건물숲 속에서 수신율이 현저하게 떨어지는 것이다. 또한 GNSS 자체의 오차가 꽤 커서 보조 시스템이 없으면 정밀한 위치를 산출하기 어렵다. 그래서 보정으로 정확한 위치값을 가지고 있는 기준국에서 오차값을 받아 보정한다.
* DGPS
*: [[장파방송]]·[[중파방송]]이나 [[DMB]]에서 기준국의 오차정보를 받아 GNSS의 오차를 보정하는 방법.

* AGPS
*: GNSS 위치 계산에 필요한 위성 위치를 기준국에서 받아와 빠르게 GNSS를 가동할 수 있다. 주로 스마트폰에서 볼 수 있다.

== 방해 ==
군사적이나 상업적인 목적(어업에서 다른 배를 엉뚱한 장소로 보내서 물고기를 못잡게 한다던지)으로 GNSS 신호를 교란하려는 시도가 있다. 물론 당하는 쪽도 가만히 있을 수는 없는지라, 자연적이나 인공적인 간섭을 배제하려고 이런저런 방법(항재밍/Anti-jamming)을 사용한다. (우주에서 온 것 치고) 신호가 너무 크면 거른다던지, GNSS 신호를 암호화한다던지(군사용 GNSS) 하는 방법으로 교란신호를 차단하는 기술이 개발되고 있다.<ref>김기윤. "위성항법시스템을 위한 항재밍 기술 분석." 한국통신학회논문지 38.12 (2013): 1216-1227.</ref>

* 재밍(jamming) 
*: 위성 신호라는 게 지표면에 매우 약한 신호로 도달되어(약 -160dBw) 태양 [[플레어]]같은 자연적인 잡음이나, TV 전파같은 인공적인 신호 같은것에 간섭을 받기도 한다. 그래서 약간의 인공잡음으로도 GNSS 신호를 차단할 수 있으며, 이를 재밍이라고 한다.

* 스푸핑(spoofing)
*: 재밍은 단순히 GNSS 신호를 차단하는 것이기 때문에 GNSS 수신에 장애가 있을 경우 무선항법이나 [[관성항법]]을 통해 계속 이동할 수 있다. 지속적인 비행을 막기 위해 가짜 GNSS 신호를 주어 엉뚱한 곳으로 이동하게 하는 것이 스푸핑의 주요 골자.

== 참고 == 
*[https://en.wikipedia.org/wiki/Error_analysis_for_the_Global_Positioning_System#Relativity 영어 위키백과 "GPS 오차해석/상대성"]

{{주석}}
{{번역된 문서|en|Error analysis for the Global Positioning System#Relativity|1.1 문단}}
[[분류:항법장치]]
[[분류:상대성 이론]]