Hyper-accurate positioning is rolling out worldwide

초정밀 GPS, 지구를 업그레이드 하다

궤도를 도는 위성과 그 아래 설비된 시스템을 업그레이드하면 센티미터 수준의 측위 정확도를 구현할 수 있다.

이 기술이 중요한 이유

GPS는 이미 많은 산업을 변화시켰다. 또한 승차공유 서비스와 같이 완전히 새로운 사업 영역도 창출해냈다. GPS의 정확도가 향상되면 GPS 기술의 새로운 활용 방안도 생겨날 것이다.

핵심 기업-기관

– 중국국가항천국(China National Space Administration)
– 미국 공군(US Air Force)
– 콜드콴타(ColdQuanta)

실용화 시기

현재


지난해 7월 6일, 수십 년 만에 최악의 규모로 일어난 대규모 산사태가 중국 남부 후난성에 있는 두 팡밍씨의 집을 덮쳤다. “집이 폭삭 무너져 내렸다. 키우던 염소들이 진흙에 휩쓸려 가버렸다”고 재난 직후 중국 언론 인터뷰에서 두씨가 말했다. 다행히 두씨는 무사했다. 정확한 수치를 제공할 수 있는 고도화된 위치측정 기술에 기반한 조기 경보 덕분이었다. 이 경보로 두씨를 포함한 33명의 마을 주민은 산사태 전에 미리 대피할 수 있었다.

중국이 새로 완성한 글로벌위성항법시스템(global navigation satellite system) 베이더우(BeiDou, ‘북두칠성’이라는 뜻)와 지상관측소, 위치 센서는 중국 전역 산사태 취약 지역에서 지표면의 미묘한 변화를 감지할 수 있다. 몇 미터 이상의 움직임은 실시간으로 포착할 수 있고, 후처리 정확도는 밀리미터 수준까지 도달할 수 있다.

이는 고도 2만 1,000km 이상의 상공에서 뾰족한 연필 끝만한 흙의 이동을 감지할 수 있다는 의미다. 산사태 12일 전 두씨의 마을에는 이상 데이터 탐지를 알려주는 주황색 경보가 내려졌다. 이는 며칠 동안 폭우가 내린 뒤 지표면 미끄러짐이 가속화됐다는 점을 알려주는 경보였다.

산사태 12일 전 두씨의 마을에는 이상 데이터 탐지를 알려주는 주황색 경보가 내려졌다. 이는 며칠 동안 폭우가 내린 뒤 지표면 미끄러짐이 가속화됐다는 것을 알려주는 경보였다.

두씨의 마을은 이런 재난감시 및 조기경보시스템을 갖춘 100여 곳이 넘는 후난 지역 장소 중 한 곳이다. 베이징 소재 중국과학원(Chinese Academy of Sciences)의 항공우주정보연구소(Aerospace Information Research Institute) 소속 위안훙(Yuan Hong)은 “위성기반의 측위 정확도가 여전히 미터나 데시미터(10분의 1미터) 수준이었다면 이런 서비스는 불가능했을 것”이라고 말한다. 그는 이 연구소에서 수십 년간 베이더우를 개발했다.

그 어느 때보다도 우리는 우리의 위치를 결정하거나 물체의 위치를 정확히 찾아낼 수 있는 기술에 의존하고 있다. 정밀 농업, 드론 배송, 물류, 차량 호출 및 항공 여행은 모두 다 우주로부터 얻은 대단히 정확한 위치 감지 데이터에 의존한다. 현재 일련의 배치와 업그레이드를 통해 세계에서 가장 강력한 글로벌위성항법시스템들의 정확도가 수 미터에서 수 센티미터로 향상되고 있다.

이는 사용자의 휴대폰이, 사용자가 걷고 있거나 자전거를 타고 있는 거리가 어디인지 알려줄 뿐 아니라 사용자가 그 거리의 어느 쪽에 있는지도 알려준다는 의미다. 이런 정도의 해상도 덕분에 언젠가 자율주행차나 배달로봇이 도로나 인도를 안전하게 이동할 수 있게 될 것이다.

GPS는 갈수록 좋아지고 있다

측위 기술이 향상되면서 GPS의 정확도도 높아지고 있다. 여기에서는 GPS 위성군 단일 주파수에서 측정된 공간신호(signal-in-space) 오차의 통계적 평균으로 GPS의 정확도를 표시하고 있다.

NASA

향상된 위성과 새로운 위성

세계 최초의 위성항법시스템 중 하나인 글로벌위성항법시스템(Global Positioning System, GPS)은 수십억 명 사람들의 이동 방식을 바꿔놓았다. 1993년 이후, 최소 24개의 GPS 위성이 지구 궤도를 돌며 지속적으로 사용자들에게 위치정보를 제공하고 있다. 모든 GPS 수신기들은 위성군 중 최소 3개 이상의 위성 신호를 삼각측량 하여 몇 초 내에 현재 자기 위치를 확인할 수 있다.

수신기가 신호를 처리하면, GPS는 일반적으로 5~10m 이내까지 정확하게 현재 위치를 확인해준다. 현재 이 시스템은 GPS III로 1년에 걸친 업그레이드를 진행 중이다. 이 업그레이드를 통해 GPS III의 정확도는 1~3m까지 향상될 예정이다 (도표 참조). 2020년 11월까지 10개의 GPS III 위성 중 4개가 발사되었고, 나머지는 2023년까지 궤도에 진입할 예정이다. 소비자들은 바로 알아차리지 못하겠지만, 내비게이션 시스템과 스마트폰 위치추적 앱의 정확도가 향상될 것이다.

그리고 2020년 6월, 중국은 GPS의 대안으로 베이더우 위성군 배치를 마쳤다. 베이더우는 지역 네트워크에서 글로벌 네트워크로 20년에 걸쳐 확장, 현재 3개의 다른 궤도에서 운영 중인 44개의 위성을 보유하고 있다. 베이더우는 평균 1.5~2m의 정확도로 세계 누구에게나 위치추적 서비스를 제공하고 있다. 그러나 이 서비스는 주로 중국과 아시아에 초점을 맞추고 있다. 따라서 베이더우 지역 내 사용자들은 종종 1m에 근접한 정확도로 더 나은 위치 정보를 제공받을 수 있다.

지상에서도 정확도 향상 노력

이런 발전에도 불구하고, 측위 신호는 간섭과 기타 조건에 의해 오류를 일으킬 수 있다. 이런 오류를 수정하려면 또 다른 층위의 기술이 필요하다.

베이더우와 GPS는 모두 지상기반 보강시스템(ground-based augmentation system)에 크게 의존해 측위 정확도를 센티미터 수준까지 끌어올린다. 한 가지 인기 있는 방식은 실시간이동측위(real-time kinematic, RTK) 기술이다. 이는 수 킬로미터 떨어진 곳에 위치한 기지국(base) 수신기와 이동국(rover) 수신기를 이용해서 위성 신호를 수신하고 지구 전리층에 의한 오차를 계산한다. 이 기술로 3cm 미만의 정확도를 얻을 수 있다.

또 한 가지 유사하지만 더 새로운 기술로는 정밀단독측위(precise point positioning, PPP)가 있다. 이 측위 기술은 단 한 개의 수신기만 있으면 된다. PPP는 지표면 어디서나 작동하고, 사용자들에게는 데시미터에서 센티미터급의 정확도를 제공한다.

중국에는 RTK 보강시스템이 비교적 잘 발달해 있다. 중국 전역엔 수천 개의 기지국이 구축되어 있다. 위안은 “현재 우리는 PPP와 RTK의 강점을 결합한 PPP-RTK라는 기술을 개발하고 있다. 앞으로 몇 년 이내에 이 기술을 상용화할 수 있기를 바란다”고 말한다.

위성측위 기술을 넘어서

위성측위의 정확도가 향상됨에 따라 우리는 당연히 이 기술을 활용하는 훨씬 많은 방법을 찾아낼 것이다. 그러나 결국 기존 위성 시스템은 (아마 밀리미터 수준의) 정확도의 한계에 도달할 것이다. 그래서 연구자들은 이런 한계를 넘어서거나, 적어도 위성에 대한 의존도를 낮출 수 있는 새로운 위치 측정 기술을 탐구하고 있다.

한 가지 접근법은 물질의 양자 특성을 이용하여 외부와 관계없이 위치를 잡고 길을 찾는 것이다. 원자가 절대 영도(–273.15°C)에 근접한 낮은 온도까지 냉각되면, 원자는 외부의 힘에 특히 민감한 양자 상태(quantum state)에 도달한다. 따라서 물체의 초기 위치를 알고 (레이저 광선을 이용해) 원자의 변화를 측정할 수 있다면 물체의 움직임을 계산하고 실시간 위치를 찾을 수 있다.

양자 측위(Quantum positioning)는 심우주나 수중처럼 GPS나 베이더우 같은 위성 시스템을 사용할 수 없는 상황이나 자율주행차의 보조 내비게이션 기술로 특히 유용할 것이다. 현재 콜로라도주 볼더 소재 콜드콴타가 개발한 초기 버전의 양자측위 시스템이 국제우주정거장에서 운용되고 있다.

먼 옛날에는 별과 나침반을 보면서 현재의 위치를 알아냈다. 그러나 오늘날에는 궤도에 있는 위성의 원자시계(atomic clocks)를 사용해 같은 작업을 수행한다. 새로운 측위 기술은 이미 우리가 농사를 짓고, 화물을 운송하고, 길을 찾는 방법을 바꿔 놓았다. 그리고 최근의 발전으로 이 기술은 더욱 큰 관심을 받게 될 것이다. 측위 기술이 밀리미터 수준 이상으로 발전함에 따라 측위 기술의 사용 한계는 기술 자체의 성능보다 우리의 창의성과 우리가 설정한 법적, 윤리적 한도에 의해 정의될 전망이다.

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