GNSS 개발 과정

 자동차가 지상교통수단의 혁명을 일으켰다면 항법위성은 교통수단의 눈을 달아주었다. 위성항법의 공식 명칭은 "Global Navigation Satellite System"으로 줄여서 GNSS라고 합니다. GNSS는 가장 최근에 개발된 항법 시스템으로 항법에 관한 모든 문제를 대부분 해결해 가고 있습니다. 그동안 VOR 또는 NDB 항법을 중심으로 발달해 왔지만, 위성항법 기술이 더욱 발달하면서 이를 기반으로 한 독자적 항법체계를 구축하거나 GNSS 기반 RNAV 항법이 가능하고 장차 ILS 계기접근을 대체할 수 있는 수준까지 도달할 것입니다. 비록 GNSS가 항법에 관한 최고의 설루션을 제공하기는 하지만 대륙을 횡단하는 것과 같은 장거리 비행에는 반드시 2종류 이상의 항법장비를 갖출 것을 요구됩니다. 위성항법을 주요 항법으로 사용하면서 무선항법 또는 관성항법을 보조로 활용해야 합니다. 

GNSS  개발 과정

위성항법 사용자들은 일반적으로 GNSS보다 GPS를 친숙하게 인지하고 있습니다. GPS는 미국 국방부의 요청으로 군사용을 개발되었습니다. 이는 위성을 통하여 위치 정보를 제공합니다. 초기 개발된 GPS는 정밀도가 낮아 초정밀을 요하는 분야에서는 제한적으로 사용되었으나 기술개발과 성능향상으로 정밀도가 크게 향상되었습니다. 오차량 "0"을 목표로 기술개발을 진행하고 있습니다. GNSS의 운용개념은 천문항법과 무선항법이 결합되어 탄생되었습니다. 

1939년 독일 우주과학자 "Karl Hans Janke"는 "항공기에 관한 위치 지시기"와 관련된 특허를 발표했습니다. 이론에 따르면 영구적으로 전자기 신호를 보내는 두 개의 원거리 물체(위성)를 가정하였습니다. 이들 물체(위성)에서 전송하는 신호를 수신하여 스크린에 방향과 크기를 알 수 있는 벡터로 나타낼 수 있다고 합니다. 화면에 나타난 벡터와 지도상의 위치를 비교함으로써 물체의 위치와 방향이 결정됩니다. 이 같은 그의 개념은 현재 적용되고 있는 GNSS의 기본원리와 유사합니다.

본격적인 글로벌 항공 위성시스템 개발은 미 해군과 공군이 주축이 되어 1940년대 초 개발되기 시작하였습니다. 제2차 세계대전 중 사용된 로란과 데카항법은 지상에 기지를 둔 무선항법보조시설은 송신소에 도달하는 신호의 시간차 개념을 처음으로 적용하여 위치를 식별하는 항법시스템을 고안하였습니다. 그 후 1957년 소련이 Sputnik 위성을 처음 발사하며 위성항법은 한 단계 더 발전합니다. 미국의 Richard B. Kershner 박사의 팀이 스푸트니크의 무선 신호를 모니터링했습니다. 과학자들은 스푸트니크에서 전송된 무선 주파수의 신호가 도플러 효과에 의해서 위성이 접근할 때 높아지고, 멀어질 때 지속적으로 낮아진다는 사실을 발견했습니다. 천문항법에서 위성의 정확한 위치를 알 수 있다는 것은 지구상의 위치를 측정해 낼 수 있다는 것으로 위성항법의 개념을 실현하는데 매우 중요한 의미였습니다. 그 후 과학자들은 도플러 효과를 측정함으로써 지구상에서 정확한 위치를 알아낼 수 있다는 것과 위성이 궤도 선상의 어디에 위치해 있는 지를 정확하게 계산하게 됩니다. 

 

트랜싯 위성

첫 위성항법시스템은 미 해군에 의해서 사용된 "트랜싯 위성"입니다. 1960년에 성공적으로 발생되었고 정밀하게 측정되어 위치를 알고 있는 위성으로부터 전송된 신호를 이용하여 지구에서 미지의 위치(unknown position)를 결정할 수 있다는 것을 입증하였습니다. 트랜싯은 7개의 위성 배열로 대략적으로 시간당 1회의 항법 픽스를 제공하였습니다. 이로써 트랜싯은 위성으로부터 전 세계에 정확한 위치정보를 제공할 수 있는 가능성을 보여주었습니다. 그러나 트랜싯 위성은 관찰하는데 장시간이 소요될 뿐만 아니라 운용시간의 제한 등으로 인해 항공기와 같이 속도가 빠른 운송수단에는 적합하지 않습니다. 이러한 단점에도 불구하고 첫 실험위성인 트랜싯으로부터 가능성을 발견하였고, 성능이 한층 보강된 위성 개발을 시작합니다. 이후에 발사된 위성의 정밀도를 높이기 위해서 시간의 정밀도를 해결하는 것이 핵심과제가 되었습니다. 위성에서 전송되는 신호는 광속으로 지구에 도달하고, 거리의 계산은 속도(광속)와 전파의 이동시간을 곱하면 얻어질 수 있습니다. 따라서 단 1초의 오차라 할지라도 지구상의 위치에서 수백 마일의 오차가 발생할 수 있어 초정밀 시계가 요구됩니다. 

 

타이메이션 위성

1967년 미 해군에 의한 타이메이션 프로젝트는 정밀한 위치와 시간을 제공할 수 있도록 개량되어 발사되었습니다. 타이메이션에는 수정 발진기 시계를 탑재하여 전 세계를 커버할 수 있는 가장 효과적인 위성 배열을 결정할 수 있도록 하였습니다. 이로써 일정한 트랙을 유지할 수 있는 궤도를 식별하였고, 위성 위치의 월력을 발행함으로써 위성의 위치를 식별하기 위한 별도의 신호를 전송하지 않아도 되는 기술이 향상되었습니다. 1969년 발사된 타이메이션-2 위성은 지속적으로 운용될 수 있도록 성능이 개량되었고, 본격적인 NAVSTAR GPS가 됩니다. 1974년 타이메이션의 후속 모델로 NTS-1에 최초의 원자시계인 루비듐 주파수의 표준 운용을 시험하기 위한 장비를 탑재하여 발사하였습니다. 그리고 NTS-2는 최초로 세슘 원자시계를 탑재하였습니다. NTS-2는 다음 해 발사된 NAVSTAR(GPS) 위성을 위한 지상관제소, 통신, 소프트웨어 등 각종 시스템의 작동을 평가하였습니다. GPS가 본격적으로 민간에 제공된 결정적인 계기는 수백 명이 탑승한 KAL007기가 항로를 이탈하여 구소련 영공을 비행하던 중 소련 전투기의 미사일 공격을 받은 일입니다. 당시 미국 대통령 레이건은 부주의한 항로 이탈에 따른 민간인의 희생을 방지하기 위해서 군사 목적으로만 사용하던 GPS를 민간에 개방하게 됩니다.