[스크랩] 제2의 우주전쟁 위성위치확인시스템(GPS) 개발 경쟁
美 GPS에 러 글로나스, 유럽 갈릴레오, 中 베이더우 도전
21세기 경제의 가장 중요한 인프라
러시아 국방부가 2월 26일 글로벌위성항법시스템(GNSS:Global Navigation Satellite System)인 글로나스(GLONASS)를 구축하려고 23번째 통신위성(GLONASS-K)을 쏘아 올렸다. 글로나스는 우리에게 친숙한 미국의 위성위치확인시스템인 GPS와 동일한 러시아판 GPS다. 러시아는 올해 안에 24번째 인공위성을 쏘아 올려 24개의 인공위성과 2개의 예비위성을 모두 갖추고 GNSS를 운영할 예정이다.
GNSS는 지구를 도는 인공위성의 네트워크 정보를 이용해 지상에 있는 목표물의 위치와 고도, 속도를 알아내는 장치다. 미사일 유도 같은 군사적 용도나 항공기·선박·자동차 등의 항법장치에 이용되는데 대표적 시스템이 미국의 GPS다. 러시아는 글로나스, 유럽은 갈릴레오(Galileo), 중국은 베이더우(北斗·영문명 COMPASS), 일본은 준천정(準千頂·QZSS)이라고 부른다.
세계 각국의 ‘GPS 개발 경쟁’이 치열하다. 미국·러시아·유럽 등 우주 강국들이 벌이는 ‘제2의 우주전쟁’이다. 세계는 왜 이토록 위치 확인에 관심을 쏟으며 경쟁할까? 이는 미국에만 전적으로 의존한다는 위험에서 벗어나 국가의 안전을 확실하게 보장하고 싶기 때문이다.
미국은 전 세계를 대상으로 GPS 서비스를 공짜로 제공하고 세계 여러 나라가 이를 이용한다. 미국은 GPS 운용에 매년 7억5000만 달러(약 7040억원)의 비용을 쓴다. GPS는 원래 미국 국방부가 미사일을 유도하려고 구축한 군사용 네트워크다. 1989년부터 1994년까지 총 24개의 위성을 발사해 전투기나 탱크에서 발사되는 미사일을 목표물로 정확히 유도하는 무선 항법유도장치를 갖춘 위성 네트워크를 구축했다. 크루즈 미사일이 목표를 정확하게 타격하고 CIA요원이 적지에서 임무를 수행하는 데 이르기까지 미국 우주전략의 근간이 GPS다. 최대 3m 이내의 물체를 추적한다.
세계 전역에 서비스되는 미국 GPS
그런데 지금 GPS는 냉전시대의 종식과 함께 민간에게 정보를 제공한다. 1983년 대한항공 007 여객기가 소련의 영공을 침범해 격추된 사건 이후 레이건 대통령의 지시로 군사기밀에서 해제되어 공공용으로 용도가 변경되었고, 1996년 GPS의 상업용 잠재력을 깨달은 클린턴 행정부가 정보기술(IT) 인프라로 성격을 재규정하면서 2000년부터 GPS 좌표값이 본격적으로 민간에게 개방되기 시작했다.
GPS는 이동하는 사용자의 3차원 위치·속도·자세·시간 등의 10가지 정보를 동시에 제공한다. 위치정보는 WGS84라는 기준좌표, 시간은 GPS 시간이라는 기준시간으로 통일하여 제공된다. 그래서 GPS 수신기만 있으면 사용자는 자신이 언제 어디에 있다는 정보를 손쉽게 얻는다. 현재 보급되는 휴대전화에도 GPS 모듈이 장착됐다.
GPS는 지도 제작, 공중 급유, 랑데부, 구조활동 등에 사용된다. 서울의 시내버스가 탑승거리에 따라 승객의 버스요금을 자동으로 계산하고, 차량의 내비게이션 장치가 지름길을 찾아주며, 비행기나 선박이 안전한 항로를 따라 항해할 수 있는 것은 바로 이 GPS 신호 덕분이다. 버스정류장에 있는 안내전광판에 “○○번 버스가 광화문역을 방금 출발했으며 13분 후 이곳에 도착할 예정”이라고 알려줄 수 있는 것도 이 때문이다.
걸프전 때는 연합군이 아무런 표지도 없는 사막을 항행할 때 위치를 알려주는 GPS를 이용해 큰 덕을 봤다. 다리 놓을 때도 유용하다. 아치교 형태인 서강대교를 건설할 때 1996년 공사 마지막 단계에서 아치구조물을 정확한 위치에 올려놓는 데 GPS를 사용했다. 어디 그뿐인가? 지진 관측에도 GPS를 활발하게 이용한다. 지진이 예견되는 지역에 GPS 수신기를 많이 설치해 관측망을 설정하면 연속적으로 지형의 움직임을 관측해 지진의 발생을 예측할 수 있다. 일본은 이미 전국적으로 수천 곳을 연결한 GPS 지진 관측망을 구축했다.
GPS 오차율은 군사용이 3m, 민간용은 15m다. 이는 실제로 차가 도로 위에 있지만 GPS 상에서는 15m 앞에 있는 강에 빠졌다고 인식할 수도 있다는 얘기다. 그렇다면 만일 미국이 오차 범위를 조작해 100m쯤으로 더욱 확대한다면 어떻게 될까? 항공기가 공중에서 충돌하거나 미사일이 엉뚱한 곳에 떨어지는 등 GPS를 바탕으로 운영되는 각종 항법체계가 단번에 무너져버린다. 군사적으로 적을 무너뜨리려고 고의적으로 정밀도를 제한하거나 서비스를 중단하는 등 미국이 달리 마음을 먹으면 어찌 될까? 그럴 경우 GPS 사용자들은 속수무책이다.
실제로 미국은 1991년 이라크전 당시 작전지역에서 GPS 이용을 막으려고 미군을 제외한 다른 사용자의 GPS 수신기의 오차 범위를 100m 이상으로 높여 무력화하고 GPS 서비스를 일시 중단하는 등 군사적으로 이용한 사례가 있다. 미국은 또 필요할 때는 언제든지 목표지역 상공에서 GPS 신호를 차단하는 기능을 탑재한 GPS-3 시스템을 2012년까지 구축할 계획이다. 세계 각국이 독자적인 GNSS를 갖추려는 이유는 이처럼 미국의 정책에 따라 GPS 먹통 사태가 올지 모른다는 위기의식 때문이다.
24개의 GPS 인공위성 필요
인공위성이 없으면 GPS도 없다. GPS에서는 모두 24개의 인공위성에서 발신하는 전파(마이크로파)를 수신자의 수신기에서 받아 수신기의 위치를 결정한다. GNSS를 구축하려면 먼저 지상 약 2만km 정도의 중간 궤도에 인공위성을 24개 쏘아 올린다. 이는 고도 약 3만6000km를 날아다니는 정지위성과는 다른 방식이다. 인공위성은 시속 1만4000km의 속도로 지구 주위를 돈다. 24개의 GPS 인공위성은 2만km 상공에서 하루에 두 번씩 지구 둘레를 돌며 지구상의 수백만 개 GPS 단말기에 1초마다 위치값을 송신한다.
그렇다면 GPS에서는 왜 24개의 인공위성을 필요로 할까? 24개의 인공위성은 2만km 상공의 6개 회전궤도상에 60도마다 4개가 배치되어 일정한 간격을 두고 돈다. 지구상의 어떤 위치에서도 4개 이상의 위성이 보이도록 설계돼 있다. 이는 지구가 평면이 아니라 둥근 입체 모양이어서 위치 하나를 찾으려면 4개의 GPS 위성이 필요하기 때문이다.
기본적으로 위치 측정은 GPS 수신기의 삼각측량법에 따라 이뤄진다. 2차원에서의 삼각측량법을 실제 환경인 3차원 공간상에 적용했다고 이해하면 된다. 2차원상에서 삼각측량법은 위치를 아는 두 점을 각각 a와 b라 하고 미지의 한 점을 x라고 했을 때 a와 b의 위치, 그리고 이 두 점과 x 사이의 거리를 이용해 미지의 점 x의 위치를 구하는 방법이다.
예를 들어 운동장에 두 사람이 서 있다고 가정하자. 이 두 사람의 위치가 두 점이다. 그리고 ‘나’는 한 사람과는 3m, 다른 사람과는 4m 떨어진 점에 있다. 평면에서만 따지면 두 사람과 나와의 거리만 알면 내 위치를 알 수 있다.
그러나 3차원상에서는 당연히 위치를 아는 세 개의 점이 필요하다. 이 점이 곧 GPS 위성이다. 따라서 최소한 세 개의 인공위성이 필요하다. 그러나 시계가 완전히 정확하지 않기 때문에 오차를 보정하고자 보통 네 개 이상의 인공위성이 보내오는 정보를 모아 정확한 시간과 거리를 측정해 현 위치를 결정한다. 위성에서 발사한 시간과 수신한 시간의 차이에 전파속도를 곱하면 위성과 수신기 간 거리가 측정된다. 같은 방식으로 다른 3대의 위성 신호를 받아 거리를 계산하면 현재 위치를 알 수 있다. 4개의 GPS 장치 원리는 번개가 쳤을 때 소리가 도착할 때까지의 시간을 재 얼마나 먼 곳에서 번개가 발생했는지 알아내는 경우와 비슷하다.
4개의 위성은 위치 하나를 찾는 것이 목적이다. 그런데 예를 들어 1월 1일 오전 7시의 서울 모습을 찍고 싶은데, 그때 위성이 미국 뉴욕 위에 있다면 서울을 촬영하기가 불가능하다. 그러나 24개 위성을 한꺼번에 이용하면 세계 어느 곳이라도 실시간 관측이 가능하다. GPS 연결용으로 24개라는 많은 위성을 쏘아 올리는 이유가 여기에 있다.
GPS의 오차 범위가 지금처럼 15m 수준까지 줄어든 것은 클린턴 대통령의 민간 GPS 사용 정책 덕분이다. 그전에 민간인에게 허락된 신호는 오차 범위 100m 정도였다. GPS의 위치 정밀도가 향상되면서 공격 무기의 정확도도 높아졌다. 현재 미국이 보유한 GPS 유도폭탄의 정확도는 3m급이며, 앞으로는 1m 이내의 정확도를 지닌 유도폭탄이 등장할 전망이다.
미국의 차단 우려해 러시아 독자 구축
러시아는 냉전 종식 이후 퇴물 취급을 받던 구소련의 위성항법시스템을 부활시키려 한다. 구소련은 1982년 우주에 군사용 위성항법시스템 구축을 시작해 1991년 24개의 인공위성을 모두 띄우는 데 성공했다. 그러나 소련 붕괴 후 위성의 유지·보수에 실패해 2001년에는 8개의 위성만 남았다. 그러다 블라디미르 푸틴 대통령이 재건에 나서면서 지난 10여 년간 자체 위성 위치정보시스템 구축에 힘을 쏟아왔다. 글로나스 위성들은 적도면에서 약 64도의 경사각을 가진, 고도 1만9000km 원형궤도 3면에 8개씩 놓인다. 물론 GPS처럼 4개의 위성으로 위치 하나를 찾는다.
그동안 글로나스 위성은 성능이 개선돼왔다. 2003년부터 2007년 동안에 글로나스의 2세대급이라 불리는 GLONASS-M 계열 위성 14기가 궤도로 올라갔고, 가장 최근에는 위성 수명이 10년이 넘고 무게도 750kg 수준으로 경량화한 GLONASS-K 계열이 올려졌다. 글로나스 관련 초기 위성들의 수명은 3년 정도였다.
글로나스의 신호 방식도 달라진다. 지금까지의 글로나스 위성 신호는 주파수분할다중방식(FDMA)이었고, 미국의 GPS와 유럽의 갈릴레오 같은 위성항법시스템에 적용되는 신호는 코드분할다중방식(CDMA)이었다. 하지만 글로나스와 다른 위성항법시스템과의 상호운용이나 호환성을 목적으로 올해부터 추가발사되는 새로운위성들인 글로나스-K 계열에는 CDMA 신호가 추가된다.
러시아가 자체적으로 글로나스를 구축하려는 데 박차를 가하는 가장 큰 이유 또한 미국이 유사시 시스템 접근을 차단할지 모른다는 우려 때문이다. GPS가 등장한 이후 크루즈(순항) 미사일을 비롯한 각종 미사일이나 폭탄에 GPS 유도 방식이 널리 쓰인다. 그래서 날씨나 지형의 영향을 받지 않고 정확하게 목표물까지 유도한다. 그런데 미국이 러시아의 GPS 사용을 막거나 정밀도를 고의적으로 떨어뜨린다면 자칫 러시아의 미사일은 눈뜬장님처럼 무용지물이 돼버린다.
또 하나의 이유는 군사용 외에 민간 부문에서도 GPS가 날이 갈수록 중요해지기 때문이다. GPS는 21세기 경제의 가장 중요한 인프라로 자리 잡아간다. 실제로 미국 ‘GPS산업평의회’의 추산에 따르면 GPS 관련 산업의 매출은 2006년 150억 달러를 돌파했고, 그 후 매년 25~30% 성장을 기록했다. 러시아가 최근 글로나스 재건을 긴급하게 추진하게 된 배경은 2006년 이후 오일달러 유입으로 재정이 든든해진 데다 위성항법시스템의 외교·안보적 역할이 눈에 띄게 두드러졌기 때문이라고 전문가들은 지적한다.
전문가들에 따르면 러시아 영내에서 군사나 민간 목적으로 글로나스를 운용하려면 18기의 위성이 필요하다. 하지만 러시아는 한발 더 나아가 세계 전역을 담당하려고 24개의 인공위성을 쏘아 올리려는 중이다. 올해 안으로 추가 위성 발사가 완료되면 미국의 GPS 체제에 맞서는 러시아 자체 위성위치정보시스템이 구축될 뿐 아니라 인공위성을 이용한 미사일 표적 조준이 가능해진다.
러시아는 이란·이라크·중앙아시아 등 현재 미국과 불편한 관계에 있는 나라에 GPS에 대항하는 유력한 대안으로 글로나스를 제시할 계획이다. 이를 통해 과거 구소련의 군사적 영향권 아래에 있었던 이들 지역에서 러시아의 외교적 영향력을 회복한다는 복안이다. 러시아의 글로나스 또한 군사적 목적이나 전략적인 이해에 따라 언제든 중단시킬 수 있다.
유럽은 민간 전용 네트워크 구축
GPS가 먹통이 될 때를 대비해 유럽연합(EU)은 2002년부터 ‘갈릴레오’라는 새로운 위성항법시스템 구축을 추진해왔다. 하지만 재원 조달의 어려움과 EU 회원국 간 이견 등으로 제자리걸음을 해오다 2005년 12월 첫 위성인 ‘지오베-A’를 발사했고, 2008년 지오베-B와 지오베-A2 위성을 발사했다. ‘지오베(GIOVE)’는 ‘Galileo In-Orbit Validation Element’의 약자로 목성 주위를 도는 4개 주요 위성을 발견한 이탈리아 천문학자 갈릴레이를 기리는 의미로 붙여졌다. 현재는 위성 1개로 시험 운용 중이다.
EU는 갈릴레오 위성 30개를 2014년까지 쏘아 시스템을 구축할 예정이다. 고도 2만3616km인 3개의 궤도면에 10기씩, 모두 30기(3기는 예비위성)의 인공위성을 쏘아 올린다는 방침이다. 위성 24개로 구성된 GPS보다 위성이 6개 더 많다. 품질 좋은 다양한 서비스를 제공하려고 지상에도 갈릴레오 지상제어센터 2곳과 관제국 5곳, 임무상향관제소 10곳, 감시국 30여 곳을 신설해 세계적인 네트워크를 구성한다.
갈릴레오 위성항법시스템은 군사용으로 개발된 미국의 GPS나 러시아의 글로나스와 달리 민간 전용이라는 데 의미가 크다. 현재 GPS를 가진 나라는 미국과 러시아뿐이다. 하지만 두 나라의 위성기술은 군용인지 민간용인지 구별하기 매우 힘들고, 사실 구별할 수도 없다. 갈릴레오 프로젝트는 미국의 GPS와 다른 경쟁 시스템이 자국의 군사시설 공격에 활용될지 모른다는 이유로 반대 목소리가 커 2007년 폐기 직전까지 가는 고비를 넘겼다. 그렇다면 이 새로운 길라잡이는 GPS와 비교했을 때 어떤 차이가 있을까?
GPS는 광대역 전파에 쉽게 방해를 받기 때문에 ‘전자전’ 상황에서 오작동하기 십상이다. 또 시가지나 숲 속처럼 전파 수신이 어려운 지역에서 GPS는 심각한 오차를 일으키기도 한다. 그런데 갈릴레오는 상업용 서비스가 기본인 만큼 정밀도 1m급의 위치 정보를 보장한다. 따라서 GPS보다 정밀도가 높다. 또 GPS보다 신호구조가 개선돼 실내에 있는 사람의 위치도 잡아낸다.
또한 물에 빠지거나 오지에 떨어진 사람들이 내는 조난신호를 감지해 전 세계에 경고메시지를 방송하는 구조 서비스도 제공한다. EU가 자체적으로 민간 네트워크를 구축하려는 목적은 미국 GPS가 이틀간 고장이 난다고 가정했을 때 유럽의 수송 분야에 2억 유로 이상의 손실을 입기 때문이다. 하지만 개발비용이 만만찮아 이스라엘·모로코·사우디아라비아·우크라이나 등 유럽이 아닌 나라들도 함께 참여했다. 한국도 2006년에 협력협정을 체결했다.
갈릴레오 프로젝트에 참여하는 세계의 여러 민간 컨소시엄은 시스템 구축비용의 약 3분의 2를 분담하는 대신 각 서비스에서 20년간 운영권을 보장받는다. 갈릴레오 시스템의 무료 개방 서비스 정밀도는 4m 정도인 데 비해 민간업자들이 제공할 상업 서비스의 정확도는 1m 이하라는 특혜도 받는다.
GPS와 갈릴레오 시스템은 앞으로 ‘GNSS’라는 하나의 위성항법시스템으로 통합될 계획이다. 그래서 미국도 GPS와의 호환성 문제를 협의하려고 협력협정을 체결했다. 그렇게 되면 둘 중 하나가 고장 나더라도 길을 잃고 헤매는 혼란은 줄어든다. 또 GPS와 갈릴레오 시스템이 힘을 합한다면 더욱 막강한 위력을 발휘하게 된다. 현재 GPS는 도심에서 대형건물 같은 장애물 때문에 사용 지역의 55%에서만 목표물의 위치 파악이 가능하다. 그러나 갈릴레오 시스템이 GPS와 함께 쓰이면 인공위성이 두 배 이상 늘어나므로 도심에서도 95% 이상의 지역에서 정확한 위치를 파악할 수 있다.
한국이 갈릴레오 프로젝트 참여를 결정한 이유에는 미국 GPS 의존도를 낮출 뿐 아니라 우리의 강점인 IT를 적극 활용해 새로운 수출시장을 확보한다는 계산도 깔려 있다. 한국의 IT를 활용해 유럽형 단독용이나 미국형과 유럽형 겸용 단말기를 제작한다면 2013년에는 약 30억 달러 규모의 수출이 가능하다.
중국·일본 등 포함 GNSS 총 131개
중국판 GPS도 빠르게 구축되고 있다. 중국은 2000년부터 베이더우 시스템을 만들기 시작해 이미 지구 전역은 아니지만 4개의 정지궤도위성으로 중국 영토를 커버하는 1차 시스템(Beidou-1)을 가동 중이다. 이는 군사용으로만 사용된다. 이를 확장하여 글로벌 규모로 항법 서비스를 확장하려고 베이더우-2(Beidou-2) 시스템을 준비 중이다.
베이더우는 세계 네 번째로 추진되는 GPS로 현재 총 7개의 인공위성 발사에 성공했다. 내년부터는 중국 자가용 운전자도 베이더우가 제공하는 내비게이션 시스템을 이용하게 된다. 중국은 2012년까지 10여 개의 위성을 쏘아 올려서 네트워크를 구축한 뒤 아시아·태평양 지역을 커버하고, 그 후로도 계속 위성을 쏘아 올려 2020년까지 정지궤도에 5개의 위성과 정지궤도와 지구저궤도 사이에 30개 등 총 35개의 위성을 배치해 지구 전역의 위치정보를 서비스할 방침이다. 10ｍ 오차 범위에서 현재의 위치를 알려주고, 초당 0.2ｍ 이내의 정확도로 속도를 통보한다.
미국에 의존하지 않는 중국판 GPS를 만들려는 중국의 목적은 항공모함의 건조와 운용 때문이다. 항공모함과 미사일 구축함, 그리고 함재기와의 밀접한 데이터 연결은 독자적인 GPS 없이는 무용지물이나 같다. 따라서 유사시 미국이 GPS를 조절하면 중국의 항공모함 운용은 큰 혼란에 빠지게 된다.
일본도 지난해 9월 준천정 위성시스템을 구성할 첫 위성 ‘미치비키(Mitsibiki)’를 성공적으로 발사하면서 탄력이 붙었다. 준천정 위성이란 미국이 운용하는 GPS의 보완·보강을 목적으로, 측위(測位) 정밀도를 향상시키는 위성이다. 글로벌 규모는 아니지만 지역항법 서비스로서 3기의 위성과 GPS가 결부돼 일본 모든 지역의 고정밀 위치정보를 제공하려는 목적이다. 준천정 위성 1개가 천정 부근에 8시간 체재하므로, 운용에는 3개의 위성이 필요하다. 일본의 인공위성은 특정의 한 지역 상공에 장시간 머무는 궤도를 취한다.
인도 정부 또한 2006년 5월 인도판 GPS인 IRNSS의 개발 계획을 발표했다. 2012년에 7개 위성으로 구성된 시스템을 완료할 예정인데 3개의 위성이 정지궤도에 위치하고 적도면에서 29도 경사각을 가진 지구궤도에 4개의 위성이 배치된다.
21세기 지구촌의 안보, 경제 패권을 장악하려는 강대국들의 우주경쟁은 날이 갈수록 뜨거워지고 있다. 2013년께는 GNSS로 131개의 위성이 우주공간에 떠돌 것이다. 앞으로 더 정교한 시스템이 나오면 오차가 줄어들고 조종사 없는 비행기, 선장 없는 배, 기관사 없는 고속철, 운전사 없는 자동차 운행이 실현될지도 모른다.
한국은 현재 EU가 구축하려는 갈릴레오 프로젝트에 참여했다. 하지만 북한의 미사일 위협이 계속되는 마당에 우리도 미사일 요격 시스템을 최대한 빨리 구축해야 한다는 목소리가 높다. 이제 그만 미국의 그늘에서 벗어나야 하지 않겠는가? 언제까지 우리 항공기와 무기의 이동경로를 미제 GPS로만 살펴봐야 하는가?
<자료 : 월간중앙(김형자 과학칼럼니스트)>