드론의 센서 : GPS
STUDY
우리 생활을 바꾸면서 전문용어가 일상용어로 변한 단어들이 있는데 그중 하나가 GPS (Global Positioning System)입니다. GPS는 스마트폰에 기본적으로 탑재되어 지도와 내비게이션을 간편하게 사용할 수 있도록 만들어 줍니다. 물론 드론의 자율 비행에 가장 중요한 역할을 하는 것도 이 GPS입니다.
GPS는 냉전시절 군사용 위성이 송신하는 시간 정보를 통해 위치를 계산하는 방법입니다. 대중화는 2000년대 초 PDA(Personal Digital Assistants)에 소형 GPS 안테나를 달아 자동차 내비게이션으로 보급되면서 시작되어 2007년 아이폰이 스마트폰 시대를 열면서 우리 곁으로 다가왔습니다. 하지만 군용으로 사용되던 위성 정보가 민간에 공개된 것은 1983년 대한항공이 항법 장치 오류로 구소련 상공을 지나다 미그기에 격추당한 사건 이후라고 합니다.
GPS의 동작 원리는 간단합니다. 평면에서 한 점까지의 거리와 측정을 하는 두 점 간의 거리를 알면 삼각법으로 간단하게 계산할 수 있죠. 인공위성은 계속해서 시간 정보를 전파에 실어 지상으로 보내는데 GPS 안테나가 수신하는 시간 정보는 위성에 따라 거리 때문에 약간의 차이가 발생합니다. 위성에서 보내 전파가 GPS에 도달한 시간에 빛의 속도를 곱하면 전파가 이동한 거리 즉, 위성과 GPS 수신기 간의 거리를 측정할 수 있습니다.
GPS 위성들은 모두 동일한 시간을 담은 전파를 송출하지만 GPS 안테나에 도달했을 때는 약간의 차이가 발생합니다.그래서 드론은 위치를 도출할 충분한 정보를 얻기 위해 인공위성에서 오는 전파를 가능한 많이 수신하는 것이 좋습니다. 이렇게 수집되는 위성과의 거리를 평균을 구하는 수학 모델 동원하는데 정보가 많으면 많을수록 그 오차를 줄일 수 있기 때문입니다. DJI도 10개 이상의 위성을 수신하고 비행하는 것을 추천합니다. 최근에는 GPS 위성 외에 러시아의 위성항법체계인 GLONASS (Global Navigation Satellite System)까지 사용하여 위치 정보의 오차를 줄여가고 있습니다.
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B8%80%EB%A1%9C%EB%82%98%EC%8A%A4
그런데도 드론은 종종 GPS의 신호를 따라 이상한 곳으로 그것도 아주 큰 범위의 오차로 날아가 버리기도 합니다. 이런 오차는 태양에서 발생하는 태양 폭풍과 관련 있습니다.
https://brunch.co.kr/@matthewmin/30
위성의 전파는 대기권의 전리층 (태양 에너지에 의해 공기 분자가 이온화 되어 자유 전자가 밀집된 곳)을 통과하는데 태양 폭풍과 같이 더 많은 에너지는 이 전리층의 두께를 더 크게 만듭니다. 이때 인공위성에서 송출되는 시간 정보가 대기를 통과하는데 오차가 발생하기 때문입니다. 이렇게 생긴 시간 오차는 드론이 GPS 수신기로 읽어드리는 오차를 크게 만들어 자율 비행을 하는 드론을 우리가 원하지 않는 곳까지 날아가게 만듭니다.
만약 전파가 대기권을 통과하는데 더 많은 시간이 걸린다면 수 km의 오차가 발생할 수 있습니다.물론 이런 오차를 보정하는 기술적인 방법도 있습니다. 위성에서 서로 다른 주파수를 송출해서 그 차이를 계산해서 지자기에 얼마나 변화가 있는지 판단해서 이런 오차를 줄이는 방법이 있습니다. 하지만 이 방법은 아직 드론에는 적용하지 못하고 있습니다. 그래서 비행 전 위성 수신율 그리고 지구자기장 교란 상태를 확인하는 것이 중요합니다.
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