[2] GPS의 구성 및 개별요소들의 기능
이와 같이 군사작전은 물론이고 여행, 각종 교통 수단들에 대한 운전 시에 너무나도 유용한 공짜(!) 기술에 해당하는 GPS를 이루는 핵심적인 구성요소는 우주 부분(Space Segment), 사용자 부분(User Segment) 마지막으로 관제 부분(Control Segment) 의 총 3가지로 구분해 볼 수 있는데, 이들 각각의 개별 요소들에 대해 지금부터 보다 상세히 알아가 보도록 하자.
GPS의 3가지 핵심 구성요소들에 대한 모식도를 그림 3 을 통해서 나타내 보았다.
(1) 우주 부분 (Space Segment)
우주 부분은 지구 중심으로부터 26567.5 km의 반지름을 가지고 기울임 각 (Inclination Angle)이 55도인 6개의 원형 궤도면 (Circular Orbit) 위에 각각 4개씩 배치되어 있는 GPS 위성들로 구성되어 있다. 이 GPS 위성은 약 12시간의 주기를 가지고 지구 주위를 돌며 아주 정밀한 고가의 원자시계가 탑재되어 있어 매우 정확한 시각에 대한 정보를 가지고 있게 설계되었다.
이러한 GPS 위성의 배치는 지구상 어느 곳에서나 GPS를 이용하여 사용자의 3차원 위치와 수신기의 시계 오차 (Clock Error)를 계산할 수 있게 하기 위해 지구 전역에서 최소한 4개 이상의 위성이 항상 보이도록 특수하게 설계된 것이다. 이러한 GPS 위성의 배치도를 그림 4를 통해 나타내어 보았다.
초기 디자인에서는 24개의 위성을 고르게 분산배치 하도록 되어 있었으나 현재는 위성의 개수도 더 많아졌으며, 그 위치도 정확하게 등간격으로 분포하고 있지는 않다고 한다. 이것은 먼저 오래 전에 쏘아올린 GPS 위성이 기술적인 문제가 발생하여 더 이상 올바르게 작동되지 않을 경우 새로운 위성으로 대체해야 하는데, 이런 경우 처음에 디자인하였던 정확한 위치로 다시 쏘아 올리는 것이 불가능하기 때문으로 알려져 있는데, 이러한 여러가지 다양한 이유로 인해 현재의 GPS 위성의 배치가 이상적이진 않다고 할지라도 지구 전역에서 GPS 위성이 최소한 4개 이상은 항상 보이도록 해야만 하는 GPS의 기본 조건은 항상 만족시키고 있다고 전해진다.
(2) 관제 부분 (Control Segment)
GPS (Global Positioning System)를 제대로 구현하기 위해서는 GPS 위성만 우주 공간 상으로 쏘아올렸다고 완성되는 것이 결코 아니다. GPS 위성은 대개 안정적인 성능을 내도록 제작되었지만, 실제 우주 공간 상황에서는 예기치 못하는 여러 환경이 있기 때문에 좀 더 정확한 서비스의 제공과 불의의 사태에 대처하기 위해 매우 정확한 지상 관리 시스템이 필요한 것이다.
이러한 GPS 위성 관제국은 주로 5개의 감시 기지국 (Monitor Station), 4개의 지상 안테나 송신국 (Ground Antenna Upload Station) 그리고 운영 관제국 (Operational Control Segment) 등으로 구성되어 있는데, 이를 그림 5 를 통해 나타내었다.
그렇다면 이와 같은 관제 부분의 역할은 과연 무엇일까? 지상에서는 각 위성들을 감시하여 자기 궤도를 벗어나지 않게 하며 벗어났을 경우 원래로 돌아가도록 명령을 내리는 역할을 수행한다. 또한 GPS 위성의 원자시계를 지상의 초정밀 원자시계 군들과 비교하여 항상 정확하게 유지시켜 주며 위성의 움직임을 관찰하여 각 위성의 궤도 정보를 정확하게 계산하여 위성에 보내주기도 한다. 이 계산된 궤도 정보를 이용하여 GPS 위성은 자신의 위치를 파악하고 사용자들에게 전송할 항법 데이터를 생성한다. 이렇듯 지상의 관제 부분에서는 주로 GPS의 상태를 항상 점검하여 GPS 시스템을 관장하는 역할을 수행하게 되는 것이다.
(3) 사용자 부분
사용자 부분은 GPS 위성 신호를 수신하는 안테나, 항법 데이터를 뽑아내고 위치, 시간을 계산하는 GPS 수신기와 이를 응용하여 각각의 특정한 목적을 달성하기 위해 개발된 다양한 장치로 구성된다. 이미 100개 이상의 다양한 수신기 모델이 사용 중에 있으며, 그 중에서 손에 들고 다닐 수 있는 핸드 헬드 (Hand-Held) 수신기는 핸드폰 크기 정도이고 최근의 신제품들은 그보다 훨씬 더 작은 크기로 출시되고 있다.
GPS 위성 신호를 수신하여 계산한 위치와 속도 정보는 기본적으로 이동체 항법과 추적에 이용되며, 매우 정확하게 계산된 수신기의 시계 오차는 이동 통신 분야에서 매우 중요한 시각 동기 (Time Synchronization)를 위한 정보로 유용하게 사용된다. 또한, 이 사용자 부분은 일반적인 항법 시스템 이외에 높은 위치 정확도가 요구되는 항공기 자동 착륙 시스템, 측지, 이동체의 자세 결정 및 정밀 측위 (Precise Survey) 등 매우 광범위한 분야에 걸쳐 다양한 응용 범위를 지니고 있는데, 본 지면에서는 GPS 수신기가 내장된 디지털 카메라 분야로 그 범위를 좁혀 관련된 내용을 리뷰해 볼 예정이다.
그림 6 에는 최근 9월 21~26일의 일정으로 진행된 바 있는 독일 쾰른에서의 포토키나 2010 박람회를 통해 공개된 카시오의 야심작 “하이브리드 GPS 시스템”이 내장된 디지털 카메라 엑슬림 EX-H20G”와 이보다 앞서 2010년 2월의 PMA 2010 행사에서 공개된 바 있었던 Prototype으로서의 성격이 짙었던 엑슬림 EX-H10G3) 의 외관 이미지를 나타내었다.