GPS는 어떻게 탄생했나

GPS는 스마트폰 위치 정보를 이용한 기능과 내비게이션 근간을 이루는 기술이다. 이젠 생활에선 필수적인 기술인 것. 이런 GPS는 어떻게 탄생했을까.

GPS는 미국이 운용하는 위성 측위 시스템이지만 발단은 1957년 10월 4일 구 소련이 쏘아 올린 인류 첫 인공위성인 스푸트니크1호였다. 우주 개발에서 소련에 추월 당한 미국은 과학자를 동원해 스푸트니크 분석에 나선다. 이 중에는 GPS 탄생에 큰 역할을 한 존스홉킨스대학 응용물리연구소 APL 물리학자인 윌리엄 가이어(William Guier)와 조지 와이펜바흐(George Weiffenbach)도 있었다.

스푸트니크1호가 일정 간격으로 신호를 발신한다는 점에 주목한 이들은 이 신호와 지상과의 상대 속도에 의해 발생하는 도플러 효과를 이용하면 스푸트니크1호의 궤도를 정확하게 식별할 수 있다는 사실을 발견했다. 마찬가지로 APL 물리학자인 프랭크 맥클루어(Frank McClure)는 이미 궤도를 알고 있는 인공위성 신호를 이용하면 자신이 지구상 어디에 있는지 알 수 있을 것이라고 제안한다. 이런 역발상이 GPS의 출발점이 됐다.

당시 소련과의 냉전 하에 있던 미국은 핵 억지력 중심을 맡는 미사일 잠수함 개발을 진행하고 있었다. 하지만 잠수함이 광활한 바다 중 도대체 어디에 존재하고 있는지 파악하려면 정확한 위치 정보가 필수적이었다. APL 우주국장인 딕 커쉬너(Dick Kershner)가 주도해 인공위성 경위의(Transit) 개발을 시작했다. 1959년 9월 발사한 경위의 1A는 궤도에 도달하는데 실패했지만 이어 경위의 1B는 성공을 거뒀고 1964년부터 본격 운영을 시작했다.

트랜짓의 위치 측정 오차는 25m 가량으로 이용자가 이동하면 속도를 정확하게 파약해야 하는데 속도가 1노트만 어긋나도 측정 결과는 0.2해리 어긋나 버렸다. 또 3차원적으로 위치 정보를 파악할 수 있는 GPS와 달리 트랜짓은 2차원 좌표만 특정할 뿐이다.

트랜짓은 이용 중 해발 0m 바다에 안테나를 내는 잠수함과 달리 기복이 심한 그러니까 지상에 있는 군대나 하늘을 나는 항공기 위치를 파악하려면 높이를 가미한 3차원적 위치 정보가 필요하다.

1962년 3차원 위치 정보의 중요성을 처음으로 느낀 건 항공우주기술 개발을 목적으로 한 비영리단체(The Aerospace Corporation) CEO인 이반 게팅(Ivan Getting)이었다. 군인 출신이었던 그는 인맥을 이용해 미 국방부를 설득했고 그 결과 미 공군이 새로운 위성 항법 기술 개발 프로젝트인 프로그램 621B(Program 621B)를 시작한다.

이 프로그램은 이후 GPS의 원형이 된다. 게팅은 이 공적을 인정 받아 GPS 개발에 중요한 역할을 한 브래드퍼드 파킨슨(Bradford Parkinson)과 함께 2003년 찰스스타크드레이퍼상을 수상하기도 했다.

프로그램 621B에서 중심적 역할을 한 건 에어로스페이스 코퍼레이션 연구원인 제임스 우드포드(James Woodford)와 히데요시 나카무라(Hideyoshi Nakamura)다. 이들은 1966년 군사 기밀로 극비리에 국방부에 제출한 보고서에서 인공위성 4개를 통해 3차원 좌표와 시간을 측정하는 3Δρ, 트리플델타로우라는 방식을 제창한다. 이 방법으론 3차원 위치 정보 입수 이론이 확립됐지만 실현에는 기술적 과제가 있었다. 이 기술을 실현하려면 인공위성에 원자시계를 탑재할 필요가 있었지만 당시에는 우주에서 쓸 수 있는 원자시계가 존재하지 않았던 것.

미 공군이 프로그램 621B를 진행할 당시 미 해군연구소 NRL도 자체 프로그램을 전개하고 있었다. NRL 연구자인 로저 이스턴가 이끌던 티메이션 프로젝트(Timation project)가 그것이다. 이스턴은 이 프로젝트의 중심 역할을 한 공적으로 2010년 미 발명가 명예의 전당에 입성했다.

이 프로젝트에선 인공위성 4대를 발사했다. 1967년 5월 27일 첫 발사한 티메이션1은 안정적인 석영시계를 탑재했지만 태양폭풍에 의해 주파수가 바뀌어 버리는 문제에 직면한다. 티메이션1 실패는 위성이 발사한 신호는 전리층 영향을 받아 지연을 일으킨다는 사실을 알려준다. 따라서 1969년 9월 30일 발사한 티메이션2는 다른 주파수 신호 2개를 발하는 크리스털을 탑재해 전리층에서 신호가 지연되는 문제 해결을 도모했지만 태양폭풍 영향을 피할 수는 없었다.

NRL은 경량 루비듐 발진기 2개를 탑재한 티메이션 NTS-1을 1974년 7월, 세슘 원자시계를 탑재한 티메이션 NTS-2를 1977년 6월 발사해 우주 원자사계 운용 실적을 축적해나간다. 공군이 주도한 프로그램 621B가 이론적, 해군이 주도한 티메이션 프로젝트가 기술적 성과를 올렸지만 2가지 다른 프로젝트가 막대한 예산을 요구하는 건 펜타곤 입장에선 골치 아픈 문제였다.

이런 가운데 교착 상태를 맞았던 프로그램 621B에 취임한 파킨슨은 1973년 9월 국방부를 방문해 프로그램 621B는 이용자가 원자시계 없어도 쓸 수 있는 3차원 위치 정보 기능을 제공하는 NRL의 티메이션 프로젝트가 위성에 탑재한 원자시계는 비교적 안정되어 있어 프로그램 621B가 진행하던 지상 신호를 릴레이하는 방식으로 대체하자고 보고한다. 두 프로젝트를 통합한 새로운 프로젝트를 제안한 것.

이 새로운 프로젝트가 GPS 개발 프로젝트다. 파킨슨의 제안은 1973년 12월 14일 정식 승인되어 해공군 프로젝트를 통합하는 GPS 통합 프로그램국 JPO(GPS Joint Program Office)가 발족된다. JPO는 미 전역에서 엄선한 두뇌가 모여 GPS 개발에 매진하게 된다.

JPO는 1978년 2월 22일 1세대 GPS 위성인 내비스타(Navstar)1 출시를 시작으로 1985년까지 위성 10기를 발사해 초기 GPS를 완성했다. 이후 퇴역한 인공위성을 포함하면 2019년 8월 22일까지 모두 인공위성 74기를 발사했다. 이런 인공위성으로 구축한 GPS는 JPO를 전신으로 한 글로벌 포지셔닝 시스템 항공단을 통해 지금도 운용되고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.