🧑‍🏫 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말

동작 원리 자세히 보기

• 위성 — 약 30기의 GPS 위성이 고도 약 20,200 km에서 6개의 궤도면을 따라 약 12시간에 한 바퀴씩 돕니다. 지구 어디서든 하늘에 늘 4기 이상이 보이도록 배치되어 있습니다.
• 왜 위성 4개가 필요할까? — 알아내야 할 값이 위치(가로·세로·높이) 3개에 휴대전화 시계의 오차까지 4개이기 때문입니다. 위성에는 원자시계가 있지만 휴대전화 시계는 부정확한데, 1 μs(백만 분의 1초)만 틀려도 거리는 약 300 m나 틀립니다. 그래서 네 번째 위성으로 시계 오차까지 함께 풀어 냅니다.
• 잡음보다 약한 신호를 받는 법 — GPS 신호(1575.42 MHz)는 땅에 도착할 때 주변 잡음보다도 약합니다. 위성마다 고유한 '암호 무늬'(1초에 102만 3천 번 바뀌는 0·1 패턴)를 실어 보내고, 수신기는 이 무늬와 똑같은 패턴을 만들어 받은 신호와 맞대어 봅니다 (상관). 무늬가 딱 맞는 순간 신호가 잡음 위로 솟아오르고, 그 순간의 시간 차이가 거리가 됩니다. 모든 위성이 같은 주파수를 쓰면서도 서로 구별되는 이유이며, 여러 망원경의 신호를 맞대어 보는 전파 간섭계와 같은 원리입니다.
• 상대성이론 보정 — 위성의 시계는 빠르게 움직여서 느려지고(특수상대성), 지구 중력이 약한 높은 곳에 있어 빨라집니다(일반상대성). 합치면 하루에 약 38 μs 빨라지는데, 보정하지 않으면 위치가 하루에 약 10 km씩 틀어집니다. 상대성이론이 매일 쓰이는 대표적인 예입니다.
• 오차와 보정 — 전리층을 지나며 생기는 지연, 건물에 반사된 신호, 위성들이 한쪽에 몰린 배치 등으로 보통 수 m의 오차가 납니다. 위치를 정확히 아는 기준국이 보정 정보를 보내 주면 측량·농기계·드론처럼 cm 단위까지 정밀해집니다. 휴대전화는 기지국에서 위성 정보를 미리 받아(A-GPS) 몇 초 만에 위치를 찾습니다.
• 세계의 위성항법 — 미국 GPS, 러시아 GLONASS, 유럽 Galileo, 중국 BeiDou, 일본 QZSS가 있고, 우리나라도 한국형 위성항법 시스템(KPS)을 개발하고 있습니다. 휴대전화는 이들을 모두 함께 사용합니다.
• 전파천문학과의 연결 — GPS가 위치를 계산하려면 지구가 우주 공간에서 어떤 자세로 얼마나 빨리 도는지 정확히 알아야 합니다. 이 '지구 자전'을 가장 정확히 재는 방법이 멀리 있는 퀘이사를 여러 전파망원경으로 함께 관측하는 VLBI입니다. 우리나라에서도 세종의 측지 VLBI 관측소 등이 이 국제 관측에 참여하며, KVN과 같은 VLBI 기술을 씁니다.

GPS의 발전사

비유로 설명하기

• 천둥 번개 거리 재기와 같습니다. 번개가 번쩍한 뒤 천둥이 몇 초 뒤에 들리는지로 거리를 알 듯, 위성이 "지금 보낸다"고 한 시각과 도착한 시각의 차이로 거리를 압니다. GPS는 소리 대신 빛의 속도의 전파를 쓰기 때문에 아주 정확한 시계가 필요합니다.

자주 하는 오해

• "휴대전화가 위성에 내 위치를 보낸다" — GPS는 위성이 보내는 신호를 받기만 하는 방식입니다. 위치 계산은 휴대전화 안에서 일어나며, 비행기 모드에서도 GPS는 작동합니다. 지도 앱이 위치를 서버로 보내는 것은 GPS가 아니라 앱의 기능입니다.
• "실내에서 안 되는 이유는 위성이 너무 멀어서" — 원래 아주 약한 신호가 지붕·벽에 막혀 더 약해지기 때문입니다. 실내 위치는 주로 Wi-Fi·기지국 신호로 추정합니다.

함께 해 볼 질문·활동

• 'GPS 상태'를 보여 주는 앱으로 하늘에 보이는 위성의 개수와 나라별 위성을 확인하고, 창가·교실 안·운동장에서 비교해 보기
• 휴대전화를 비행기 모드로 바꾼 뒤 지도 앱의 내 위치가 여전히 움직이는지 확인하기(지도를 미리 내려받아 두면 좋습니다)
• 지도 위에 컴퍼스로 세 학교(또는 건물)에서 잰 거리만큼 원을 그려, 세 원이 만나는 한 점을 찾는 삼변측량 놀이