정교한 군집비행의 숨은 공신, RTK-GPS
오차범위를 더욱 줄인 RTK-GPS
글,사진_아나드론
ANA DRONE, Aug 2019
'GPS(Global Positioning System)'는 GPS 위성에서 보내는 신호를 수신해 사용자의 현재 위치를 계산하는 위성항법시스템이다. 원래는 미국 국방부에서 폭격의 정확성을 높이기 위해 군사용으로 개발한 시스템이다. GPS가 민간 부문에서 본격적으로 사용되기 시작한 것은 미국이 GPS 정밀도를 제한하기 위해 도입했던 SA(Selective Availability, 고의 신호잡음)를 해제한 2000년부터였다.
이를 통해 수십, 수백 미터의 오차가 발생하던 GPS 정밀도가 크게 높아지면서 본격적으로 발달하게 되었다. 현재 GPS는 전 세계에 무료로 개방되어 많은 곳에서 이를 활용하고 있으며 네비게이션, 스마트폰, 태블릿 PC, 드론 등 다양한 장치에도 적용되고 있다. 드론에 장착된 GPS 센서는 드론의 현재 위치정보를 수집해 다양한 위치 기반 서비스를 제공한다. 또한 정밀한 비행을 가능하게 하여 여러 대의 드론을 동시에 제어하는 군집 비행의 핵심 기술이기도 하다.
지구 위를 떠도는 30개 GPS 위성
GPS는 위성 부문, 지상관제 부문, 사용자 부문으로 구성된다. 위성 부문은 GPS 위성, 지상관제 부문은 지상에
위치한 제어국, 사용자 부문은 드론에 장착된 GPS 수신기를 말한다.
지구 위에는 총 30개의 GPS 위성이 돌고 있으며, 이중 24개의 위성이 지구를 공전하는 6개의 궤도면에 분포해 전 세계 어디에서나 최소 6개의 GPS 위성을 관측할 수 있도록 한다. 나머지 6개 위성은 24개의 위성에 문제가 생겼을 경우 백업 역할을 수행한다.
제어국은 미국 콜로라도 스프링스(Colorado Springs)에 있는 주 제어국과, 세계 곳곳에 분포된 5개의 부 제어국으로 나뉜다. 각 부 제어국이 상공을 지나는 GPS 위성을 추적하고 위치정보를 측정해 주 제어국으로 보내면 주 제어국은 정보를 취합해 위성이 제 궤도를 유지하도록 처리한다.
드론에 장착된 GPS 수신기는 GPS 위성의 신호를 수신하는 안테나, 시계, 신호를 처리하는 소프트웨어, 이를 출력하는 출력장치 등으로 이루어져 있다.
드론의 좌표값, GPS의 거리값
드론은 GPS 위성과 드론에 장착된 GPS 수신기의 거리를 계산해 현재 좌표값을 구한다. 만일 우리가 GPS 위성의 위치와 거리를 정확하게 알 수 있다면 3개의 GPS 위성만 있어도 정확한 위치를 알 수 있다. 우리는 3차원의 구형인 지표면에 살고 있기 때문이다.
만약 우리가 사는 세상이 직선과 같은 1차원이라면 2개의 기준점과 각각의 거리값을 알면 쉽게 위치를 결정할 수 있다. 2차원 세상에서는 3개의 기준점과 각각의 거리값을 알아야 한다. 각 기준점을 원의 중심으로 잡고, 거리값을 반지름으로 했을 때 세 원이 만나는 지점이 해당 위치가 되기 때문이다.
마찬가지로 3차원에서는 4개의 원이 겹치는 부분에서 위치를 찾을 수 있다. 그러나 지구는 둥글기 때문에 지구 자체가 1개의 원의 역할을 하여, 3개의 GPS 위성이 있다면 이론적으로는 위치를 결정할 수 있다.
하지만 사실 이것만으로는 완벽히 정확한 거리를 계산할 수는 없다. GPS 위성과 드론의 거리는 위성에서 보내는 전파의 도달 시간을 바탕으로 계산하게 되는데, 위성에 장착된 시계와 드론의 수신기에 장착된 시계가 일치하지 않아 오차가 발생하기 때문이다.
따라서 4개 이상의 GPS 위성에서 전파를 수신해야 정확한 위치를 파악할 수 있게 된다. 최근에 개발된 GPS 수신기는 최대 20개의 위성으로부터 동시에 신호를 받을 수 있어 더 정확한 위치 계산이 가능하기도 하다. 일시적으로 GPS 신호를 받을 수 없는 상황에는 추측항법장치(dead reckoning)를 이용한다. 이 방법은 GPS 신호가 끊기기 전의 위치 정보와 드론의 방향, 속도 등을 연관시켜 현재 드론의 위치를 추산하는 방식이다.
미터 단위로 존재하는 GPS의 오차
GPS가 개발된 초창기에는 미군에서 군사용으로만 정확한 좌표를 보장하고, 민간용으로는 고의로 신호 잡음을 발생시켜 수백 미터의 오차를 발생시켰다. 하지만 1983년 대한항공 여객기가 잘못 계산된 항로로 인해 소련 영공에 침범했다가 격추되어 탑승객 전원이 사망하는 비극적인 사고가 있었고, 그 이후로 공익을 위해 모두가 사용할 수 있도록 정책이 변경되었다. 물론 미국이 고의적 신호 잡음을 해제했다고 하지만 현재도 GPS 오차는 미터 단위로 존재한다.
위성에서 드론에게 발송되는 전파는 직진으로만 오는 것이 아니라 전리층, 대류권 등을 통과하면서 신호가 틀어지기 때문이다. 오차가 발생할 수밖에 없다. 최근에는 이러한 오차를 최소화하기 위해 듀얼 GPS를 장착한 드론들이 많이 나오고 있다. 듀얼 GPS란 기존 미국의 GPS를 그대로 이용하면서, 추가적으로 러시아산 GPS인 GLONASS를 동시에 이용하여 오차범위를 대폭 축소시키는 방식이다.
군집비행과 RTK-GPS(Real Time Kinematic GPS)
RTK-GPS는 '실시간 이동측위 위치정보시스템'이다. 기존의 GPS는 다소 넓은 오차범위 때문에 드론의 군집 비행에 적합하지 않았다. 미터 단위의 오차는 촘촘히 비행하는 군집 비행에 있어서는 치명적인 문제였기 때문이다.
기존의 방식은 하늘의 GPS 위성, 지상의 제어국, 드론의 GPS 수신기, 이 셋의 통신으로 위치정보를 계산했지만, RTK-GPS는 여기에 기준국을 하나 더 추가했다. 기준국은 지상에 고정해놓은 안테나이다. 이 안테나는 하나의 기준점이 되어 드론의 상대적인 거리와 각도를 실시간으로 파악한 뒤 GPS로 획득한 위치정보를 보정해 나간다.
실시간으로 드론의 위치를 파악하기 때문에 위성이 보낸 신호에 조금이라도 오차가 있다면 바로 보정 신호를 보내 오차를 줄여가는 방식이다. 이러한 방식은 기존의 미터 단위의 오차를 센티미터 단위로 줄이는 것을 가능하게 한다. RTK-GPS의 정밀한 측량 덕에 여러 대의 드론들이 공중에서 부딪히지 않고 일정한 간격을 유지하며 비행할 수 있는 것이다. 물론 2018 평창 동계올림픽에서 밤하늘을 수놓은 1218대 드론의 활약도 RTK-GPS의 정확한 측위 정보가 있기에 가능했던 일이다.
우리 곁에 GPS 기술이 발전했기에 가능한 일이 여럿 있다. 최근 야외에서 밤하늘을 빛내고 있는 드론 라이트 쇼와 같은 공연을 포함한 엔터테인먼트, 퍼포먼스, 이벤트, 교육 등 드론 군집비행을 기다리는 수요와 시장 규모가 급격히 증가하고 있는 것이 대표적인 경우이다. GPS의 힘을 믿고, 이를 바탕에 둔 위치기반서비스는 앞으로 더 많은 분야로 확산될 것이 분명해 보인다.
스마트폰의 대중화에 힘입어 '1인 1GPS 시대'가 도래할 것이기 때문이다. 한때 군사 무기에서나 쓰임새를 자랑하며 몹시 어려운 기술로 치부되던 GPS가, 이제는 동네 맛집을 검색하는 일에도 쓰일 정도로 익숙하고 편안한 기술이 되어 우리에게 성큼 다가서는 중이다.
WRITER 아나드론
대한민국 최초 드론 전문 매거진
