범지구 위성항법 시스템(GNSS)
범지구 위성항법 시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS)은 인공위성 네트워크를 이용하여 지상 수신기의 정확한 위치(Positioning), 항법(Navigation), 그리고 시각(Timing) 정보, 즉 PNT를 제공하는 기술의 총칭이다.1 오늘날 GNSS는 단순히 스마트폰 지도 앱이나 차량 내비게이션을 위한 길 안내 도구를 넘어섰다. 이는 금융 거래의 시간을 맞추고, 통신 네트워크를 동기화하며, 전력망을 안정시키고, 자율주행차와 드론의 눈이 되어주는 등, 현대 사회의 거의 모든 핵심 기간산업을 지탱하는 필수적인 글로벌 유틸리티로 자리 잡았다.2 이처럼 GNSS는 우리 눈에 보이지 않지만 사회 시스템 깊숙이 뿌리내린 ‘보이지 않는 인프라(Invisible Infrastructure)’로서, 그 중요성은 날로 증대되고 있다.4
본 보고서는 이처럼 현대 문명의 핵심축으로 부상한 GNSS에 대한 종합적이고 심층적인 분석을 제공하는 것을 목표로 한다. 먼저 제1장에서는 냉전 시대의 군사적 필요성에서 출발한 GNSS의 탄생 배경과 각국의 지정학적 경쟁이 어떻게 다수의 위성항법 시스템 시대를 열었는지 그 역사를 추적한다. 제2장과 제3장에서는 위성, 지상 관제, 사용자 부문으로 구성된 GNSS의 시스템 아키텍처를 해부하고, 삼변측량과 신호 분석이라는 과학적 원리를 통해 어떻게 cm 단위의 정밀한 위치 결정이 가능한지 기술적 메커니즘을 파헤친다. 제4장에서는 미국의 GPS를 필두로 러시아의 GLONASS, 유럽의 Galileo, 중국의 BeiDou 등 주요 글로벌 시스템들의 기술적 특성과 전략적 목표를 비교 분석한다.
이어 제5장에서는 GNSS의 정확도를 저해하는 다양한 오차 요인들을 살펴보고, 이를 극복하기 위한 DGPS, RTK, SBAS 등 핵심적인 정밀도 향상 기술들의 원리와 작동 방식을 상세히 설명한다. 제6장에서는 이러한 기술들이 자율주행 모빌리티, 정밀 농업, 금융/통신망의 시각 동기화, 재난 관리 및 과학 연구 등 다양한 산업 분야의 지형을 어떻게 바꾸고 있는지 구체적인 사례를 통해 조명한다. 제7장에서는 재밍(Jamming)과 스푸핑(Spoofing)과 같은 고의적 교란 행위와 자연적 위협에 대한 GNSS의 취약성을 진단하고, 이에 대응하기 위한 최신 보안 및 회복탄력성 기술들을 분석한다. 마지막으로 제8장과 결론에서는 GNSS가 5G, 인공지능(AI), 양자 기술 등 미래 기술과 융합하며 어떻게 진화하고 있으며, 이 보이지 않는 인프라의 지속 가능한 발전을 위해 우리가 나아가야 할 방향은 무엇인지 종합적인 전망과 제언을 제시한다.
GNSS의 발전사는 단순한 기술의 진보를 넘어, ‘PNT 주권(PNT Sovereignty)’을 둘러싼 강대국들의 지정학적 경쟁과 전략적 선택이 빚어낸 결과물이다. 군사적 우위 확보라는 목적에서 탄생한 기술이 민간에 개방되고, 다시 그 독점적 지위에 대한 도전이 새로운 시스템의 탄생을 촉발하는 과정은 기술과 국제정치의 상호작용을 명확히 보여준다.
GNSS의 역사는 1957년, 구소련이 인류 최초의 인공위성 스푸트니크 1호를 성공적으로 발사하며 미국 사회에 큰 충격을 안겨준 ‘스푸트니크 쇼크’에서 시작되었다. 당시 미국 존스 홉킨스 대학 응용물리학연구소(APL)의 과학자들은 스푸트니크가 송출하는 라디오 신호를 분석하던 중, 위성이 접근할 때는 주파수가 높아지고 멀어질 때는 낮아지는 도플러 효과(Doppler effect)를 관측했다. 그들은 이 주파수 변화를 정밀하게 측정하면 위성의 궤도를 정확하게 역추적할 수 있다는 사실을 발견했다.5 그리고 곧 이 원리를 반대로 적용하면, 즉 궤도를 정확히 아는 위성에서 보낸 신호를 지상에서 수신할 경우, 수신기 자신의 위치를 파악할 수 있다는 혁신적인 아이디어에 도달했다.
이 아이디어는 냉전이 한창이던 1970년대 미 국방부(DoD)에 의해 구체화되었다. 당시 미군은 대륙간탄도미사일(ICBM)의 정확도를 획기적으로 높이고, 전 세계 어디서든 아군의 위치를 실시간으로 파악할 수 있는 새로운 항법 시스템을 절실히 필요로 했다.7 이에 따라 미 해군의 시각 동기화 위성 프로젝트인 ‘티메이션(Timation)’과 미 공군의 위치 결정 시스템 프로젝트인 ‘시스템 621B’가 1973년 통합되었고, 이것이 바로 ‘항법 위성 및 시각과 거리측정 시스템(Navigation System with Timing And Ranging)’, 즉 Navstar-GPS 프로젝트의 시작이었다.8 위성항법 개념의 타당성을 검증하기 위한 최초의 기능 수행 위성인 NTS-2(Navigation Technology Satellite 2)가 1977년에 발사되었고, 본격적인 시스템 구축을 위한 첫 번째 Block I 위성은 1978년 2월에 궤도에 올랐다.6
초기 GPS는 전적으로 군사적 목적으로 개발되었으나, 비극적인 사건이 민간 개방의 결정적 계기가 되었다. 1983년, 항법장치 이상으로 소련 영공을 침범한 대한항공 007편 여객기가 소련 전투기의 공격으로 격추되어 탑승자 269명 전원이 사망하는 참사가 발생했다. 이에 당시 미국 대통령 로널드 레이건은 GPS를 민간 항공기에 개방하면 이와 같은 비극을 막을 수 있다고 판단하여, GPS를 전 세계 민간 사용자가 무료로 사용할 수 있도록 허용하는 정책을 발표했다.8 하지만 안보상의 이유로 민간 사용자에게 제공되는 신호(SPS, Standard Positioning Service)에는 고의적으로 오차를 주입하는 ‘선택적 가용성(Selective Availability, SA)’ 조치가 적용되었다. 이로 인해 민간용 GPS의 정확도는 약 100m 수준으로 제한되었고, 군용(PPS, Precise Positioning Service)에 비해 현저히 성능이 떨어졌다. 이 SA 조치는 2000년 5월 빌 클린턴 행정부에 의해 공식적으로 해제되었는데, 이는 GNSS 역사상 가장 중요한 전환점 중 하나로 평가받는다. SA가 해제되자 민간 GPS 수신기의 정확도는 10m 이내로 10배 이상 향상되었고, 이를 계기로 차량 내비게이션, 위치 기반 서비스(LBS), 정밀 측량 등 오늘날 우리가 아는 거의 모든 상업적 응용 분야가 폭발적으로 성장하는 기폭제가 되었다.6
미국이 GPS를 통해 전 지구적 PNT 정보를 독점하게 되자, 다른 강대국들은 이를 심각한 안보적/경제적 위협으로 인식하기 시작했다. 자국의 군사 작전과 핵심 인프라가 미국의 통제하에 있는 GPS에 전적으로 의존하게 되는 상황은 국가 주권의 관점에서 받아들이기 어려운 문제였다. 이러한 지정학적 배경 속에서 GPS의 대항마들이 속속 등장했다.
- 러시아의 GLONASS: 미국과의 군사적 경쟁 구도 속에서 구소련 역시 독자적인 위성항법 시스템 개발에 착수했다. 1982년 첫 위성을 발사하며 시작된 GLONASS(Global Navigation Satellite System)는 미국 GPS와 함께 가장 오래된 GNSS이다.5 군부가 직접 운영하는 GLONASS는 소련 붕괴 후 경제난으로 위성 교체에 어려움을 겪으며 한때 시스템이 거의 와해될 위기에 처했으나, 2000년대 들어 러시아 정부의 강력한 의지 아래 재건되어 2011년 24기 위성 체제를 완성하고 전 세계 서비스를 재개했다.1
- 유럽의 Galileo: 유럽연합(EU)은 미국의 GPS에 대한 군사적/기술적 의존에서 벗어나, 민간이 통제하는 독립적인 시스템을 확보하기 위해 1999년 ‘갈릴레오(Galileo)’ 프로젝트를 출범시켰다.13 갈릴레오 프로젝트는 단순히 GPS의 기술적 대안을 만드는 것을 넘어, 미국의 PNT 독점 체제에 대한 유럽의 도전이자 기술 주권을 확보하려는 강력한 정치적 의지의 산물이었다.15 특히 미국이 주도하는 군사 작전에 유럽이 종속될 수 있다는 안보적 우려와, 급성장하는 위성항법 관련 시장에서 주도권을 확보하려는 경제적 동기가 크게 작용했다.15 2011년 첫 운영 위성을 발사한 갈릴레오는 현재 완전한 글로벌 서비스를 제공하며 GPS보다 높은 정확도와 다양한 민간 특화 서비스(예: 탐색 및 구조 서비스)를 강점으로 내세우고 있다.11
- 중국의 BeiDou (BDS): 중국이 독자적인 위성항법 시스템 개발에 나선 계기는 1996년 대만 해협 미사일 위기 당시의 경험이었다. 당시 중국은 미사일 발사 과정에서 GPS 신호에 문제가 발생할 수 있다는 점을 인지하고, 미국에 대한 PNT 의존이 국가 안보에 치명적인 약점이 될 수 있음을 절감했다.18 여기에 1999년 미국이 코소보 사태 중 중국 대사관을 ‘오폭’한 사건과 중국의 지리공간 데이터 접근을 제한한 조치 등은 중국의 독자 시스템 개발 의지를 더욱 확고히 했다.19 결국 중국은 2000년부터 3단계 발전 전략에 따라 ‘베이더우(BeiDou, 北斗)’ 시스템 구축을 본격화했다. 1단계(BDS-1)로 중국 내 서비스, 2단계(BDS-2)로 아시아-태평양 지역 서비스, 그리고 2020년 3단계(BDS-3)를 완성하며 전 지구적 서비스를 개시했다.20 베이더우는 이제 단순한 GPS의 대체재를 넘어, 기술 패권 경쟁에서 미국을 추월하려는 중국의 야심을 보여주는 상징적 프로젝트가 되었다.21
이처럼 GNSS의 발전 과정은 기술적 혁신과 지정학적 동기가 복잡하게 얽혀 있음을 보여준다. 미국의 군사적 필요에서 시작된 GPS는 의도치 않게 글로벌 표준이 되었고, 그 독점적 지위는 역설적으로 경쟁 시스템들의 탄생을 촉발했다. 그 결과 오늘날의 GNSS 환경은 기술적 상호운용성을 통해 사용자에게 더 나은 서비스를 제공하는 동시에, 각 시스템이 운영국의 전략적 자산으로서 잠재적 갈등의 도구가 될 수 있는 양면성을 지니게 되었다.21
GNSS는 전 지구에 걸쳐 PNT 정보를 제공하기 위해 유기적으로 연동하는 세 가지 핵심 부문(Segment)으로 구성된다. 바로 하늘에서 신호를 송출하는 우주 부문(Space Segment), 이 위성들을 정밀하게 관리하고 제어하는 지상 관제 부문(Control Segment), 그리고 최종적으로 이 신호를 수신하여 활용하는 사용자 부문(User Segment)이다.4 이 세 부문은 마치 하나의 거대한 기계처럼 맞물려 돌아가며, 어느 한 곳이라도 문제가 생기면 전체 시스템의 신뢰도가 저하된다.
우주 부문은 GNSS의 심장부로, 지구 주위를 도는 수십 개의 인공위성으로 구성된 위성군(Satellite Constellation)이다.4 이 위성들은 약 20,000 km 상공의 중궤도(Medium Earth Orbit, MEO)에 위치하며, 약 12시간 주기로 지구를 공전한다.26 각 GNSS 시스템은 전 지구에 걸쳐 최소 4개 이상의 위성이 항상 보이도록 고유한 궤도 설계를 가지고 있다. 예를 들어, GPS는 55도의 궤도 경사각을 가진 6개의 궤도면에 위성들을 배치하는 반면, Galileo는 56도의 경사각을 가진 3개의 궤도면을 사용한다.27 중국의 BeiDou는 MEO 위성 외에도 특정 지역(아시아-태평양)의 서비스 성능을 강화하기 위해 정지궤도(Geostationary Earth Orbit, GEO)와 경사 지구 동기 궤도(Inclined Geosynchronous Orbit, IGSO) 위성을 혼합하여 운영하는 독특한 구성을 채택했다.20
각 위성의 핵심 탑재체는 두 가지다. 첫째는 극도로 정밀한 원자시계(Atomic Clock)이다. 위성들은 루비듐(Rubidium), 세슘(Cesium), 혹은 더 정밀한 수소 메이저(Hydrogen Maser) 원자시계를 탑재하여 10억 분의 1초(nanosecond, ns) 단위의 시간 오차를 유지한다.10 이 정밀한 시간 정보는 위치 계산의 근간이 된다. 둘째는
신호 생성 및 송신 장치이다. 위성은 원자시계가 제공하는 정확한 시각 정보와 지상에서 업로드된 자신의 정밀한 궤도 정보를 담은 저출력(약 50 와트 이하)의 L-대역 무선 신호를 지속적으로 지구를 향해 방송한다.1 이 신호들은 구름이나 유리, 플라스틱 등은 통과할 수 있지만 건물이나 산과 같은 대부분의 고체 장애물은 통과하지 못하는 직진성을 가진다.10
지상 관제 부문은 우주에 떠 있는 위성들이 올바른 궤도와 시간을 유지하도록 관리하는 ‘보이지 않는 지휘자’ 역할을 한다. 이 부문은 전 세계 곳곳에 전략적으로 배치된 주 제어국(Master Control Station), 다수의 감시국(Monitor Stations), 그리고 지상 안테나(Ground Antennas)로 구성된다.1
이들의 역할은 다음과 같은 피드백 루프(Feedback Loop)를 통해 이루어진다:
- 위성 추적 및 데이터 수집: 전 세계에 흩어져 있는 감시국들은 24시간 내내 하늘을 지나는 모든 위성들의 신호를 수신한다. 이 과정을 통해 위성들의 건강 상태, 신호 이상 유무, 그리고 실제 위치 데이터를 수집하여 주 제어국으로 전송한다.30
- 오차 계산 및 보정 정보 생성: 주 제어국은 감시국들로부터 받은 방대한 데이터를 분석한다. 위성의 예측된 궤도와 실제 궤도 간의 미세한 차이(궤도 오차)와 위성 탑재 원자시계의 미세한 시간 흐름 오차(시계 오차)를 정밀하게 계산한다. 그리고 이 오차들을 상쇄할 수 있는 새로운 궤도 정보(천체력, Ephemeris)와 시각 보정값을 생성한다.25
- 항법 메시지 업로드: 주 제어국은 생성된 보정 정보를 지상 안테나를 통해 해당 위성으로 다시 전송(업로드)한다. 위성은 이 최신 정보를 수신하여 자신이 방송하는 항법 메시지에 반영한다.25
이러한 과정은 끊임없이 반복된다. GNSS가 단방향으로 신호를 방송하는 시스템처럼 보이지만, 그 정확성은 이처럼 지상 관제 부문과의 지속적인 양방향 ‘피드백 루프’를 통해 유지되는 폐쇄 루프 제어 시스템(Closed-loop control system)의 성격을 강하게 띤다. 만약 지상 관제 부문이 마비되어 위성에 대한 감시와 보정 정보 업데이트가 중단된다면, 우주 부문은 태양풍, 중력 변화 등 외부 요인에 의해 점차 정확성을 잃고 결국 무용지물이 될 것이다. 이는 GNSS의 신뢰성이 단순히 위성의 성능에만 의존하는 것이 아니라, 전 지구적으로 분산된 지상 인프라의 강건함과 안정적인 운영 능력에 절대적으로 의존함을 의미한다.
사용자 부문은 GNSS가 제공하는 PNT 정보를 최종적으로 소비하는 모든 장비를 포함한다.24 여기에는 우리에게 친숙한 스마트폰, 차량용 내비게이션부터 항공기 및 선박의 항법 장치, 정밀 측량용 수신기, 그리고 미사일 유도 장치에 이르기까지 매우 광범위한 기기들이 속한다.1
GNSS 수신기의 핵심 기능은 위성 신호를 수신하고 해석하여 사용자의 위치와 시각을 계산하는 것이다. 수신기는 안테나를 통해 여러 위성으로부터 동시에 신호를 수신한 뒤, 내장된 프로세서와 고도의 알고리즘을 이용해 각 위성까지의 거리를 계산한다. 최소 4개 이상의 위성으로부터 거리 정보를 확보하면, 이를 바탕으로 자신의 3차원 위치(위도, 경도, 고도)와 정확한 시각을 실시간으로 산출할 수 있다.4
사용자 부문의 기술은 반도체 산업의 발전과 궤를 같이하며 눈부시게 발전해왔다. 과거에는 크고 비쌌던 수신기가 이제는 손톱만 한 칩으로 소형화, 저전력화되었으며, 가격 또한 극적으로 낮아졌다. 최근의 수신기들은 더 이상 하나의 위성 시스템(예: GPS)에만 의존하지 않는다. GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou 등 여러 시스템의 신호를 동시에 수신하고 처리하는 ‘다중 GNSS(Multi-GNSS)’ 수신기가 표준이 되었으며, 여러 주파수 대역을 함께 활용하는 ‘다중 주파수(Multi-Frequency)’ 기술을 통해 정확도와 신뢰성을 더욱 높이고 있다.24 이러한 수신기 기술의 발전은 GNSS의 활용 범위를 더욱 넓히는 핵심 동력이다.
GNSS가 어떻게 수신기까지의 거리를 측정하고, 이를 통해 정확한 위치를 계산해낼 수 있는지는 기하학과 물리학의 기본 원리에 기반한다. 그 핵심에는 ‘삼변측량’이라는 기하학적 원리와, 시간 오차라는 물리적 한계를 극복하기 위한 ‘4차원적 접근’이 자리 잡고 있다.
흔히 GPS의 원리를 ‘삼각측량’으로 오해하는 경우가 많지만, 정확히는 ‘삼변측량(Trilateration)’ 원리를 이용한다.29 삼각측량이 삼각형의 ‘각도’와 한 변의 길이를 이용해 위치를 결정하는 반면, 삼변측량은 여러 기준점으로부터의 ‘거리’를 이용해 위치를 특정한다. 그 과정은 다음과 같다.
- 위성 1개: 수신기가 궤도상의 특정 위성 A로부터 신호를 수신하면, 신호가 전달된 시간을 측정하여 위성 A까지의 거리(r1)를 계산할 수 있다. 이때 수신기의 가능한 위치는 위성 A를 중심으로 하고 반지름이 r1인 거대한 구(sphere)의 표면 위 어딘가이다.29 위치는 아직 특정되지 않는다.
- 위성 2개: 동시에 다른 위성 B로부터의 거리(r2)를 추가로 측정하면, 수신기는 위성 A를 중심으로 하는 구와 위성 B를 중심으로 하는 구의 교차점에 위치해야 한다. 두 구가 만나면 하나의 원(circle)이 만들어지므로, 수신기의 가능한 위치는 이 원 위의 한 점으로 좁혀진다.29
- 위성 3개: 여기에 세 번째 위성 C로부터의 거리(r3) 정보가 더해지면, 앞서 만들어진 원과 위성 C를 중심으로 하는 세 번째 구가 만나게 된다. 기하학적으로 원과 구는 최대 두 개의 점에서 만나므로, 수신기의 위치 후보는 단 두 점으로 압축된다.29 이 두 점 중 하나는 보통 지구 표면에서 매우 멀리 떨어진 우주 공간이거나 지구 중심부를 통과하는 등 비현실적인 위치 값을 갖기 때문에, 간단한 필터링을 통해 지표면 근처의 유일한 한 점으로 수신기의 3차원 위치(위도, 경도, 고도)를 결정할 수 있다.
3개의 위성만으로 위치를 결정하는 삼변측량 원리는 한 가지 치명적인 가정을 전제로 한다. 바로 수신기의 시계가 위성들의 초정밀 원자시계와 나노초 단위까지 완벽하게 동기화되어 있다는 가정이다. 하지만 현실적으로 스마트폰이나 내비게이션에 탑재된 수신기는 저렴한 수정 발진자(quartz clock)를 사용하므로, 그 자체로 상당한 시간 오차(clock bias)를 내포하고 있다.10
GNSS에서 거리 측정의 기본 공식은 ‘거리 = 빛의 속도 × 신호 전파 시간’이다. 여기서 ‘신호 전파 시간’은 ‘수신기 수신 시각 - 위성 송신 시각’으로 계산된다. 만약 수신기 시계가 부정확하다면, ‘수신기 수신 시각’에 오차가 포함되어 거리 계산 값 전체가 틀어지게 된다. 이렇게 시계 오차로 인해 오염된 거리 측정값을 ‘의사거리(Pseudorange)’라고 부른다.35
이 문제를 해결하기 위해 GNSS는 수학적인 접근법을 사용한다. 우리가 구해야 할 미지수는 수신기의 3차원 공간 좌표(x,y,z)와 더불어, 수신기 시계의 오차(terror)라는 네 번째 변수가 된다. 수학의 기본 원리에 따라, 4개의 미지수를 풀기 위해서는 최소 4개의 독립적인 연립방정식이 필요하다. 바로 이 때문에 GNSS는 위치 결정을 위해 최소 4개 이상의 위성으로부터 신호를 수신해야 한다.4 4개의 위성으로부터 각각의 의사거리를 측정하면 4개의 방정식을 세울 수 있고, 이 연립방정식을 풀면 수신기의 정확한 3차원 위치(
x,y,z)와 함께 시계 오차(terror)까지 동시에 계산해낼 수 있다.
결론적으로, 네 번째 위성은 단순히 3차원 위치의 기하학적 정밀도를 높이는 부수적인 역할을 넘어, ‘시간’이라는 네 번째 차원의 불확실성을 해결하고 수신기 시계를 위성 시계에 동기화시키는 본질적인 역할을 수행한다. 이는 GNSS가 단순한 ‘공간’ 측위 시스템이 아니라, 본질적으로 극도로 정밀한 ‘시간’ 전송 시스템임을 의미한다. 위치 정보는 이 정밀한 시간 정보를 응용한 결과물이며, 이 때문에 GNSS는 위치 추적뿐만 아니라 금융 거래나 통신망의 ‘시각 동기화’에도 핵심적으로 사용되는 것이다.39
위성이 지구로 보내는 신호는 단순한 시간 신호가 아니라, 수신기가 위치를 계산하는 데 필요한 모든 정보를 담고 있는 일종의 데이터 패킷이다. 이를 ‘항법 메시지’라고 하며, 주로 세 가지 핵심 정보로 구성된다.8
- 의사랜덤코드 (Pseudorandom Noise, PRN Code): 각 위성을 고유하게 식별하기 위한 디지털 코드이다. 예를 들어 GPS의 민간용 신호는 C/A(Coarse/Acquisition) 코드를 사용하는데, 이는 1023개의 비트로 구성된 복잡한 패턴으로, 1밀리초마다 반복된다.10 수신기는 내부에서 동일한 PRN 코드를 생성하여 수신된 신호와 비교한다. 두 코드의 시간 차이를 측정하면 신호가 위성에서 수신기까지 오는 데 걸린 시간을 정확히 알 수 있고, 이를 통해 의사거리를 계산한다.10
- 천체력 데이터 (Ephemeris Data): 해당 신호를 보낸 위성 자신의 매우 정밀한 단기 궤도 정보와 시계 보정값, 위성의 건강 상태 등을 담고 있다. 이 정보는 유효기간이 수 시간 정도로 짧아 지상 관제 부문에서 주기적으로 업데이트하여 위성으로 전송해준다. 수신기는 이 천체력 데이터를 이용해야만 신호를 수신한 시점의 위성 위치를 정확하게 계산할 수 있다.5
- 책력 데이터 (Almanac Data): GNSS 시스템에 속한 모든 위성들의 개략적인 궤도 정보와 상태, 그리고 UTC 시간 보정값 등을 담고 있는 일종의 ‘위성 목록’이다. 천체력 데이터보다 정확도는 낮지만 유효기간이 수개월로 길다. 수신기는 이 책력 데이터를 통해 현재 하늘에 어떤 위성들이 떠 있고 대략 어디쯤에 위치하는지 미리 파악하여, 신호를 더 빠르고 효율적으로 포착(acquisition)할 수 있다.10
이 세 가지 정보가 유기적으로 결합되어야만 비로소 수신기는 정확한 PNT 솔루션을 계산할 수 있다.
오늘날의 GNSS 환경은 미국의 GPS가 독점하던 시대를 지나, 여러 강대국들이 각자의 전략적 목표 아래 독자적인 시스템을 운영하는 다자 경쟁 체제로 전환되었다. 각 시스템은 고유한 기술적 특징과 운영 철학을 가지고 있으며, 이는 사용자에게 더 많은 선택지와 향상된 성능을 제공하는 동시에, 이들 간의 보이지 않는 경쟁과 협력 관계를 형성하고 있다.
현재 전 지구적 서비스를 제공하는 핵심적인 글로벌 항법 시스템은 4개가 있다.42
- GPS (Global Positioning System): 미국 우주군이 운영하는 세계 최초이자 가장 널리 알려진 GNSS이다.43 1978년 첫 위성 발사 이후 오랜 기간 안정적으로 운영되어 왔으며, 현재는 성능이 대폭 향상된 GPS III/IIIF 위성을 배치하는 현대화 과정을 진행 중이다.45 GPS는 군용으로 개발된 태생적 특성상, 암호화되고 항재밍 성능이 강화된 M-코드(M-Code) 신호를 제공하는 PPS(정밀 측위 서비스)와 전 세계 민간 사용자에게 무료로 개방된 SPS(표준 측위 서비스)로 이원화하여 운영하는 것이 특징이다.46
- GLONASS (Global Navigation Satellite System): 러시아 국방부가 운영하는 시스템으로, GPS의 유일한 대항마로 출발했다. 초기 GLONASS는 각 위성이 서로 다른 주파수를 사용하는 FDMA(주파수 분할 다중 접속) 방식을 채택하여 다른 시스템과의 호환성에 어려움이 있었다. 하지만 GLONASS-K와 같은 현대화된 위성부터는 GPS와 동일한 CDMA(코드 분할 다중 접속) 방식의 신호를 추가하여 상호운용성을 크게 개선하고 있다.42 궤도 설계의 특성상 북극해 항로 등 고위도 지역에서 GPS보다 더 많은 가시 위성을 확보하여 유리한 측면이 있다.44
- Galileo: 유럽연합(EU)과 유럽우주국(ESA)이 주도하는 민간 통제 시스템이라는 점이 가장 큰 특징이다. 이는 미국의 GPS에 대한 군사적/정치적 종속에서 벗어나 유럽의 독자적인 PNT 주권을 확보하려는 목적을 명확히 보여준다.15 처음부터 높은 정확도와 신뢰성을 목표로 설계되었으며, 모든 사용자에게 무료로 제공되는 공개 서비스(OS) 외에도, 조난자 탐색 및 구조를 위한 SAR(Search and Rescue) 서비스, 신호의 진위를 보증하는 OS-NMA(Open Service Navigation Message Authentication) 인증 서비스 등 혁신적인 민간 특화 서비스를 제공한다.11
- BeiDou (BDS): 중국이 독자적으로 구축하고 운영하는 시스템이다. BDS의 가장 큰 기술적 특징은 MEO(중궤도) 위성뿐만 아니라 GEO(정지궤도) 위성과 IGSO(경사 지구 동기 궤도) 위성을 혼합한 하이브리드 위성군을 운용한다는 점이다.20 정지궤도 및 경사궤도 위성들은 항상 아시아-태평양 지역 상공에 머물러 있어, 이 지역 사용자들에게 특히 높은 가용성과 안정성을 제공한다. 또한, 위성을 이용한 양방향 단문 메시지 통신(Short Message Service)과 같은 독자적인 부가 서비스를 제공하여 차별화를 꾀하고 있다.20
글로벌 시스템 외에도 특정 지역의 서비스 성능을 강화하기 위한 지역 시스템(RNSS)과 보강 시스템(SBAS)이 활발히 구축되고 있다.
- QZSS (일본, Quasi-Zenith Satellite System): ‘준천정 위성 시스템’으로 불리며, 일본과 그 주변 지역 상공에 항상 높은 고도로 위성이 머물도록 8자 모양의 독특한 궤도를 사용한다. 이를 통해 고층 빌딩이 많은 도심이나 깊은 산악 지형에서도 위성 신호가 차단되지 않도록 GPS 신호를 보강하는 역할을 한다. 초기에는 GPS 보강 시스템으로 시작했으나, 점차 위성 수를 늘려 독자적인 항법 능력을 확보하는 방향으로 발전하고 있다.1
- NavIC (인도, Navigation with Indian Constellation): 인도항법위성시스템으로, 인도와 주변 1,500 km 지역에 PNT 서비스를 제공하기 위해 개발되었다. 1999년 파키스탄과의 카르길 분쟁 당시 미국이 GPS 정보 제공을 거부했던 경험을 계기로 군사적 자립과 안보 확보를 위해 독자 시스템 구축을 추진했다.48
| 항목 |
GPS (미국) |
GLONASS (러시아) |
Galileo (유럽연합) |
BeiDou (중국) |
| 운영 주체 |
미국 우주군 (U.S. Space Force) |
러시아 항공우주 방위군 |
유럽연합 우주 프로그램국 (EUSPA) |
중국 위성항법판공실 (CSNO) |
| 최초 서비스 |
1978년 (Block I 발사) |
1982년 (첫 위성 발사) |
2016년 (초기 서비스) |
2000년 (BDS-1) |
| 위성 수 (운용/계획) |
31 / 31+ |
24 / 24+ |
27 / 30 |
35 / 35+ |
| 궤도 종류 및 고도 |
MEO (약 20,200 km) |
MEO (약 19,100 km) |
MEO (약 23,222 km) |
MEO, IGSO, GEO (혼합) |
| 신호 체계 |
CDMA |
FDMA + CDMA |
CDMA |
CDMA |
| 주요 민간 신호 |
L1 C/A, L2C, L5 |
L1OF, L2OF |
E1, E5a, E5b |
B1I, B1C, B2a |
| 공개 서비스 정확도 |
3-7 m |
5-10 m |
< 1 m |
< 3.6 m (글로벌) |
| 특화 서비스 |
M-Code (군용 암호화) |
- |
SAR, OS-NMA (인증), HAS (고정밀) |
SMS (단문 메시지), PPP |
| 상호운용성 |
높음 |
중간 (CDMA 신호 추가로 개선) |
높음 |
높음 |
자료: 1 기반 재구성
이러한 다수의 시스템이 공존하는 환경은 ‘경쟁적 상호보완’이라는 독특한 생태계를 형성한다. 각국은 자국의 안보와 경제적 이익을 위해 독자 시스템의 기술적 우위를 확보하고자 치열하게 경쟁한다. 예를 들어, BeiDou는 하이브리드 궤도 설계를 통해 지역적 강점을 극대화하고, Galileo는 민간 사용자의 신뢰를 얻기 위해 인증 서비스를 도입하는 등 차별화 전략을 구사한다.14 이는 명백한 기술 패권 경쟁의 양상이다.21
하지만 역설적으로 이러한 경쟁은 최종 사용자에게는 큰 혜택으로 돌아온다. 수신기 제조사들은 경쟁적으로 모든 시스템의 신호를 동시에 수신하고 처리할 수 있는 다중 GNSS 칩셋을 개발하여 시장에 출시한다.23 그 결과, 사용자는 특정 시스템의 위성이 보이지 않는 도심 협곡이나 산악 지역에서도 다른 시스템의 위성을 활용하여 위치를 결정할 수 있게 되어, 전체적인 PNT 서비스의 가용성, 정확도, 신뢰성이 극적으로 향상된다.33 따라서 미래의 GNSS 경쟁력은 단순히 자국 시스템의 단독 성능뿐만 아니라, 다른 시스템과의 ‘상호운용성(Interoperability)’을 얼마나 잘 확보하고 국제 표준화 논의를 주도하는가에 따라 결정될 것이다.
GNSS 위성이 송출하는 신호는 지구에 도달하기까지 수많은 방해 요인을 만나며 오차가 발생한다. 우리가 일상에서 경험하는 수 미터(m) 수준의 오차는 이러한 요인들이 복합적으로 작용한 결과이다. 과학자와 엔지니어들은 이 오차의 원인을 규명하고 이를 효과적으로 제거하기 위한 다양한 보정 및 보강(Augmentation) 기술을 개발해왔으며, 이를 통해 이제는 센티미터(cm)급의 초정밀 측위가 가능해졌다.
GNSS의 측위 오차는 크게 세 가지 범주로 나눌 수 있다.37
- 대기층 지연 (Atmospheric Delay): 위성 신호가 지구 대기권을 통과하면서 속도가 느려져 발생하는 오차로, 가장 큰 비중을 차지한다.
- 전리층 지연 (Ionospheric Delay): 고도 50 km에서 1,000 km에 걸쳐 분포하는 전리층은 자유 전자가 밀집된 플라스마 상태이다. 위성 신호가 이 층을 통과할 때 전파 속도가 지연되는데, 이는 최대 수 미터의 오차를 유발하는 가장 큰 단일 오차 요인이다.10 전리층의 전자 밀도는 태양 활동, 계절, 시간, 지역에 따라 변동성이 매우 커 예측이 어렵다.52 다행히 이 지연 효과는 주파수에 반비례하는 특성이 있어, L1과 L5처럼 서로 다른 주파수의 신호를 동시에 수신하면 그 지연 시간 차이를 통해 오차량을 계산하고 제거할 수 있다.35
- 대류층 지연 (Tropospheric Delay): 지표면에서 고도 50 km까지의 대류층을 통과할 때 발생하는 지연이다. 주로 대기 중의 수증기량, 기압, 온도에 의해 발생하며, 전리층 오차보다는 작지만 여전히 수십 cm에서 수 미터의 오차를 유발할 수 있다.10 대류층 지연은 주파수와 무관하게 발생하므로 다중 주파수 수신기로는 보정이 어렵고, 별도의 수학적 모델을 적용하여 오차를 추정하고 보정해야 한다.37
- 위성 관련 오차 (Satellite Errors): 위성 자체에서 발생하는 오차이다.
- 위성 시계 오차 (Satellite Clock Error): 위성에 탑재된 초정밀 원자시계도 완벽하지 않아 시간이 지남에 따라 미세한 오차(drift)가 누적된다. 10 나노초(ns)의 시계 오차는 약 3m의 거리 오차로 이어진다.52 지상 관제 부문에서 이 오차를 지속적으로 감시하고 보정 정보를 항법 메시지에 실어 보내주지만, 약간의 잔여 오차가 남을 수 있다.10
- 위성 궤도 오차 (Ephemeris Error): 지상 관제 부문에서 예측하여 위성으로 전송한 궤도 정보(천체력)와 위성의 실제 비행 궤도 사이에도 미세한 차이가 존재한다. 이 궤도 정보의 부정확성은 최대 ±2.5m의 위치 오차를 유발할 수 있다.10
- 수신기 및 환경 오차 (Receiver & Environmental Errors): 수신기 주변 환경이나 수신기 자체에서 발생하는 오차이다.
- 다중경로 오차 (Multipath Error): 위성에서 온 신호가 수신기 안테나에 직접 도달하지 않고, 주변의 높은 건물이나 지형지물, 수면 등에 한 번 이상 반사된 후 도달할 때 발생한다. 반사된 신호는 직접 신호보다 경로가 길어지므로 시간 지연을 유발하고, 이는 측위 정확도를 심각하게 저하시킨다. 특히 고층 빌딩이 밀집한 도심 환경(Urban Canyon)에서 정확도 저하의 주된 원인으로 작용한다.10
- 수신기 시계 오차 및 잡음: 앞서 설명했듯이 수신기 자체의 부정확한 시계 오차는 4번째 위성을 통해 해결된다. 그 외에 수신기 내부 회로에서 발생하는 전자적 잡음도 미세한 오차를 더한다.35
이러한 오차들을 효과적으로 제거하고 측위 정밀도를 향상시키기 위해 다양한 보강 기술들이 개발되었다. 이 기술들은 ‘오차의 공간적 상관성(Spatial Correlation)’, 즉 가까운 거리에 있는 두 수신기는 거의 동일한 대기 및 위성 관련 오차를 겪는다는 기본 가정을 어떻게 활용하는지에 따라 계층적으로 발전해왔다.
- 차등 보정 시스템 (DGPS/DGNSS - Differential GNSS): 가장 고전적인 보정 기술이다. 정확한 좌표를 이미 알고 있는 고정된 기준국(Base Station)이 GNSS 신호를 수신하여, 계산된 위치와 실제 위치의 차이를 통해 해당 지역의 GNSS 오차(대기 지연, 위성 오차 등)를 실시간으로 계산한다. 그리고 이 오차 보정 정보를 무선 통신(주로 중파 비콘)을 통해 주변의 이동국(Rover) 수신기에 전송한다. 이동국은 이 보정 정보를 자신의 측정값에 적용하여 공통 오차를 상쇄시킨다. 이 방식은 코드(PRN) 기반의 의사거리를 보정하며, 일반적으로 1~3m 수준의 정확도를 제공한다.35 DGPS는 GPS만을, DGNSS는 GPS 외 다른 시스템(GLONASS 등)까지 포함하는 개념이다.55
- 실시간 이동 측위 (RTK - Real-Time Kinematic): DGPS와 같이 기준국과 이동국을 사용하는 원리는 동일하지만, 정밀도를 극적으로 향상시킨 기술이다. RTK는 코드 신호 대신 파장이 훨씬 짧은(GPS L1의 경우 약 19cm) 반송파(Carrier Wave)의 위상(Phase)을 직접 측정하여 오차를 보정한다.57 위성과 수신기 사이의 거리에 해당하는 반송파의 파동 개수(이를 ‘정수 모호성, Integer Ambiguity’이라 함)를 정확하게 결정하기만 하면, cm 단위(1~2cm)의 초고정밀 측위가 실시간으로 가능해진다.35
- RTK Fix vs. Float: RTK의 성능은 ‘정수 모호성’ 해결 여부에 따라 두 가지 상태로 나뉜다. 신호 품질이 양호하여 이 모호성이 정수(integer)로 명확하게 결정되면 ‘RTK Fix(고정해)’ 상태가 되어 cm급의 최고 정확도를 얻을 수 있다. 반면, 신호가 불안정하여 정수해를 구하지 못하고 실수(real number) 범위로 추정할 경우 ‘RTK Float(부동해)’ 상태가 되며, 정확도는 수십 cm 수준으로 떨어진다. 따라서 RTK의 성능은 Fix 상태를 얼마나 빠르고 안정적으로 유지하는가(가용성 및 수렴 시간)에 따라 평가된다.57
- 위성 기반 보강 시스템 (SBAS - Satellite-Based Augmentation System): DGPS/RTK가 특정 지역을 커버하는 ‘로컬 보정’ 방식이라면, SBAS는 대륙 단위의 ‘광역 보정’ 시스템이다. 넓은 지역에 분산된 다수의 기준국(RIMS)에서 수집한 GNSS 신호 오차와 신호의 신뢰도(무결성, Integrity) 정보를 중앙처리국(MCS)에서 종합적으로 분석한다. 여기서 생성된 광역 보정 메시지를 정지궤도 위성을 통해 서비스 권역 전체에 방송한다.60 사용자는 별도의 통신 장비 없이 일반 GNSS 수신기와 SBAS 신호 수신 기능만으로 보정된 정보를 받을 수 있다. 주로 항공기의 안전 운항을 위해 개발되었으며, 미국의 WAAS, 유럽의 EGNOS, 일본의 MSAS, 인도의 GAGAN, 그리고 한국의 KASS가 대표적인 SBAS이다.4
- 정밀 단독 측위 (PPP - Precise Point Positioning): 기준국 없이 단일 수신기로 높은 정확도를 얻는 기술이다. 전 세계에 분포한 IGS(International GNSS Service) 등의 관측망 데이터를 기반으로 사후에 정밀하게 계산된 위성의 궤도 및 시계 보정 정보를 인터넷 등을 통해 사용자에게 제공한다. 사용자는 이 정밀 보정 정보를 자신의 관측 데이터에 적용하여 대기층 오차 등을 모델링함으로써 수 cm에서 수십 cm 수준의 정확도를 얻을 수 있다. 실시간 통신 인프라가 필요하지만, 기준국과의 거리에 제약이 없어 전 지구적으로 사용 가능하다는 장점이 있다.
| 항목 |
DGPS/DGNSS |
RTK |
SBAS |
PPP |
| 기본 원리 |
코드 의사거리 보정 |
반송파 위상 측정 |
광역 오차 및 무결성 정보 |
정밀 궤도/시계 정보 |
| 일반적 정확도 |
1 ~ 3 m |
1 ~ 2 cm (Fix 상태) |
약 1 m |
수 cm ~ 수십 cm |
| 수렴 시간 |
즉시 |
수 초 ~ 수 분 |
즉시 |
수 분 ~ 수십 분 |
| 인프라 요구사항 |
기준국, 데이터링크 |
기준국, 데이터링크 |
광역 기준국, 중앙처리국, 정지궤도 위성 |
정밀 보정 정보 제공 서비스, 인터넷 |
| 커버리지 |
로컬 (기준국 반경 수십 km) |
로컬 (기준국 반경 10~20 km) |
광역 (대륙 단위) |
글로벌 |
| 주요 응용 분야 |
해양 항법, GIS 데이터 수집 |
정밀 측량, 건설, 정밀 농업, 자율주행 |
항공 안전 운항 |
과학 연구, 자원 탐사, 정밀 농업 |
자료: 35 기반 재구성
GNSS 기술은 이제 특정 전문가 집단의 전유물을 넘어, 현대 산업과 일상생활의 거의 모든 영역에 깊숙이 스며들어 혁신을 주도하고 있다. GNSS의 사회경제적 파급력은 단순히 ‘위치’ 정보를 제공하는 1차원적 활용을 넘어, 이 정보를 기반으로 물리적 세계를 정밀하게 ‘제어’하고 분산된 시스템을 나노초 단위로 ‘동기화’하는 능력에서 비롯된다. 이는 GNSS가 단순한 정보 제공자를 넘어, 4차 산업혁명을 이끄는 핵심 ‘실행(Enabling)’ 기술임을 의미한다.
- 자율주행차: 완전 자율주행차의 실현을 위해 차량이 자신의 절대 위치를 cm급으로 정확하게 아는 것은 필수 전제조건이다. GNSS는 차량에 이 ‘절대 좌표’를 제공하는 유일한 센서이다. 특히 RTK와 같은 고정밀 보강 기술을 통해 차선 단위의 위치 인식이 가능해지며, 이는 카메라, 라이다(LiDAR), 레이더 등 주변 환경을 인식하는 다른 센서들의 데이터를 정밀 지도상에 정확히 정합(registration)시키는 기준점 역할을 한다.63 하지만 GNSS는 고층 빌딩이 즐비한 도심 협곡, 터널, 지하 주차장과 같은 음영 지역에서 신호가 단절되는 치명적인 약점을 가진다.65 따라서 실제 자율주행 시스템에서는 GNSS 신호가 끊기는 동안 관성항법장치(INS)가 위치를 추정하고, V2X(Vehicle-to-Everything) 통신으로 주변 차량이나 인프라로부터 위치 정보를 보조받는 등 다중 센서 융합(Sensor Fusion) 기술이 반드시 필요하다.4
- 드론 및 도심 항공 모빌리티 (UAM): 드론을 이용한 정밀 측량, 물품 배송, 시설물 점검이나 미래 교통수단으로 주목받는 UAM의 안전한 운항을 위해서도 고정밀 GNSS 항법은 핵심 기술이다.69 특히 UAM은 도심 상공에 설정된 매우 좁은 가상의 항로(corridor)를 정밀하게 비행하고, 지정된 버티포트(Vertiport)에 정확히 이착륙해야 하므로, cm급 정확도와 높은 신뢰성을 보장하는 RTK나 항공 안전 기준을 충족하는 SBAS와 같은 보강 시스템이 필수적인 인프라로 요구된다.71
GNSS는 전통적인 농업을 데이터 기반의 ‘정밀 농업(Precision Agriculture)’으로 탈바꿈시키고 있다. RTK-GNSS 수신기를 장착한 자율주행 트랙터, 이앙기, 콤바인은 운전자의 조작 없이도 정해진 경로를 cm 수준의 오차로 주행하며 파종, 시비, 방제, 수확 등의 작업을 24시간 수행할 수 있다.74
이러한 정밀 제어는 막대한 경제적, 환경적 이점을 가져온다. 첫째, 작업 경로의 중복이나 누락을 최소화하여 씨앗, 비료, 농약, 연료의 낭비를 막고 생산 비용을 크게 절감한다.74 둘째, 드론이나 위성 이미지로 분석한 작물의 생육 상태 데이터를 위치 정보와 결합하여, 특정 구역에 필요한 만큼만 비료나 농약을 살포하는 ‘가변 비율 처리(Variable Rate Application)’가 가능해진다. 이는 농업 생산성을 극대화하는 동시에 화학물질의 과다 사용을 막아 토양과 수질 오염을 줄이는 친환경 농업을 실현한다.74 이처럼 GNSS는 경험에 의존하던 농업을 과학적 데이터에 기반한 정밀 관리 산업으로 전환시키는 핵심 동력이다.
GNSS의 가치 중 대중에게 잘 알려지지 않았지만 가장 중요한 것 중 하나는 바로 ‘시각 동기화(Time Synchronization)’ 기능이다. GNSS 위성에 탑재된 원자시계는 국제 표준시인 협정 세계시(UTC)에 지극히 정밀하게 동기화되어 있으며, GNSS 수신기는 이 시간 정보를 받아 나노초(10억 분의 1초) 수준의 정확도로 자신의 시계를 맞출 수 있다. 이 능력은 현대 사회의 핵심 인프라를 유지하는 데 필수적이다.
이처럼 GNSS는 사회 전반에 걸쳐 그 영향력을 확대하고 있으며, 만약 GNSS가 중단된다면 단순히 길을 잃는 불편함을 넘어 금융 시스템이 마비되고 통신망이 붕괴되며 국가 기간산업이 멈추는 연쇄적인 재앙을 초래할 수 있다. 이는 GNSS에 대한 의존성이 심화될수록, 그 회복탄력성(Resilience)을 확보하는 것이 얼마나 중요한 국가적 과제인지를 시사한다.81
현대 사회의 필수 인프라로 자리 잡은 GNSS는 그 중요성만큼이나 다양한 위협에 노출되어 있다. 위성에서부터 지구까지 약 20,000 km의 거리를 날아오는 GNSS 신호는 지상에 도달했을 때 매우 미약하여(전구 불빛보다 약함), 고의적인 교란 행위나 자연적 현상에 의해 쉽게 손상될 수 있다. 따라서 GNSS의 안정적인 활용을 위해서는 이러한 취약성을 정확히 인지하고, 이에 대응하여 시스템의 회복탄력성(Resilience)을 높이는 노력이 필수적이다. GNSS 보안의 패러다임은 신호의 물리적 강인함을 확보하는 ‘강건성(Robustness)’을 넘어, 수신된 신호를 믿을 수 있는지 확인하는 ‘신뢰성(Trustworthiness)’ 확보로 진화하고 있다.
GNSS에 대한 가장 직접적이고 흔한 위협은 고의적인 전파 교란 행위이다. 이는 크게 재밍과 스푸핑으로 나뉜다.
- 재밍 (Jamming): 가장 단순하고 흔한 형태의 공격이다. 공격자가 GNSS가 사용하는 주파수 대역(예: L1 밴드)에 의도적으로 강력한 잡음 신호를 방사하여, 미약한 실제 위성 신호를 압도해버리는 방식이다.84 이 경우, GNSS 수신기는 위성 신호를 제대로 수신 및 추적할 수 없게 되어 위치 계산 자체가 불가능해진다. 이는 마치 시끄러운 소음으로 인해 다른 사람의 말을 들을 수 없는 것과 같아, 수신기의 ‘귀를 멀게 하는’ 공격이다. 재밍 장비는 기술적으로 구현이 간단하고 인터넷 등에서 저렴하게 구할 수 있어, 개인의 사생활 보호(예: 회사 차량 추적 방해) 목적부터 군사적 목적까지 광범위하게 악용되고 있다.81 재밍은 본질적으로 서비스 거부(Denial of Service) 공격이다.
- 스푸핑 (Spoofing): 재밍보다 훨씬 지능적이고 위험한 공격이다. 공격자는 실제 위성 신호의 구조(PRN 코드, 항법 메시지 등)를 정교하게 모방한 ‘가짜(fake)’ 신호를 생성하여 송출한다.84 이 가짜 신호의 세기를 실제 신호보다 약간 더 강하게 만들면, 수신기는 가짜 신호를 진짜로 착각하고 추적하게 된다. 공격자는 이 가짜 신호에 조작된 위치나 시각 정보를 실어 보내, 수신기가 실제와 전혀 다른 위치에 있거나 다른 시간으로 인식하도록 속일 수 있다.88 이는 사용자가 공격 사실 자체를 인지하기 어려워, 자율주행차를 엉뚱한 곳으로 유도하거나 금융 거래의 시간을 조작하는 등 심각한 피해를 유발할 수 있다.81 스푸핑은 ‘잘못된 정보(Misleading Information)’를 주입하여 시스템의 오작동을 유도하는 공격이다.
이러한 위협에 대응하기 위해 다양한 기술들이 개발되어 적용되고 있다.
- 수신기 내부 처리 기술: 수신기 RF 프런트엔드 단에서 강력한 필터를 사용하여 GNSS 대역을 벗어난 간섭 신호를 차단하는 것이 가장 기본적인 방어책이다.87 또한, 수신된 신호의 특성(예: 신호 세기, 도플러 편이, 도착 각도)을 지속적으로 모니터링하여 비정상적인 패턴이 감지되면 이를 교란 신호로 판단하고 제거하는 알고리즘도 탑재된다.90
- 다중 시스템/다중 주파수 활용: GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou 등 여러 위성항법 시스템의 신호와 L1, L2, L5 등 여러 주파수 대역의 신호를 동시에 수신하는 것은 강력한 방어 수단이 된다. 공격자가 이 모든 시스템과 주파수의 신호를 동시에 완벽하게 스푸핑하는 것은 기술적으로 매우 어렵기 때문이다. 수신기는 여러 소스로부터 받은 정보들을 상호 비교하여, 특정 신호가 다른 신호들과 일치하지 않는 움직임을 보이면 이를 스푸핑된 신호로 간주하고 측위 계산에서 배제할 수 있다.23
- 제어 방사 패턴 안테나 (CRPA - Controlled Radiation Pattern Antenna): 주로 군용 장비에 사용되는 매우 효과적인 항재밍 기술이다. CRPA는 여러 개의 안테나 소자로 구성된 배열 안테나로, 신호 처리 기술을 통해 재밍 신호가 들어오는 방향을 파악하고 그 방향의 수신 감도를 의도적으로 급격히 낮추는 ‘널(null)’을 형성한다. 이를 통해 재머(jammer) 방향의 신호는 차단하고 다른 방향의 정상적인 위성 신호는 그대로 수신할 수 있다.87
- 신호 인증 서비스 (Signal Authentication): 스푸핑에 대한 가장 근본적인 대응책으로, 신호 자체의 진위 여부를 암호학적으로 검증하는 기술이다. 위성이 항법 메시지를 보낼 때, 비밀 키를 이용해 생성한 디지털 서명을 함께 실어 보낸다. 수신기는 공개된 키를 이용해 이 서명을 검증함으로써 수신된 신호가 정말로 해당 위성에서 보낸 변조되지 않은 원본 신호인지를 확인할 수 있다. 유럽 Galileo 시스템의 OS-NMA(Open Service Navigation Message Authentication)가 대표적이며, GPS 역시 Chimera라는 인증 시스템을 도입하고 있다.90 이러한 신뢰성 확보 기술은 자율주행이나 UAM과 같이 안전이 최우선인 분야에서 GNSS가 활용되기 위한 필수 조건으로 여겨진다.
고의적 교란 외에도 GNSS 시스템은 우주 환경의 자연적 위협에 노출되어 있다.
- 우주 기상 (Space Weather): 태양 표면에서 발생하는 강력한 폭발(태양 흑점 폭발, 코로나 질량 방출 등)은 막대한 양의 고에너지 입자와 방사선을 우주 공간으로 방출한다. 이러한 현상은 위성의 민감한 전자 장비를 손상시키거나 오작동을 일으킬 수 있다. 또한, 지구의 전리층을 심하게 교란하여 며칠간 GNSS 신호의 가용성과 정확도를 전 지구적으로 저하시킬 수 있다.45
- 우주 잔해물 (Space Debris): 수명이 다한 인공위성, 버려진 로켓 상단, 위성 간 충돌이나 폭발로 인해 발생한 수많은 파편들이 시속 수만 km의 속도로 지구 궤도를 떠돌고 있다. 1cm 크기의 작은 파편이라도 운용 중인 위성과 충돌하면 위성을 파괴하거나 심각한 손상을 입힐 수 있는 실질적인 위협이다.92 특히 특정 국가의 위성 요격 실험(ASAT)은 수천 개의 새로운 파편을 발생시켜 특정 궤도 전체의 환경을 악화시키는 원인이 되기도 한다.92
이러한 위협들은 GNSS가 단일 시스템에 의존할 수 없는 ‘취약한’ 인프라임을 보여준다. 따라서 다수의 GNSS 시스템을 동시에 활용하고, GNSS가 불가능할 때를 대비한 관성항법장치(INS)나 지상파 항법 시스템(eLoran 등)과 같은 보완/대체 수단을 확보하는 다층적인 회복탄력성 전략이 매우 중요하다.
GNSS 기술은 정체되어 있지 않다. 자율주행, 도심 항공 모빌리티(UAM), 사물인터넷(IoT) 등 미래 산업이 요구하는 더 높은 수준의 정확성, 신뢰성, 가용성을 충족시키기 위해 다른 첨단 기술들과 적극적으로 융합하며 새로운 패러다임으로 진화하고 있다. 미래의 PNT(위치, 항법, 시각)는 더 이상 GNSS라는 단일 기술에 의존하는 ‘중앙집중형’ 모델이 아니라, 다양한 기술들이 서로의 약점을 보완하고 상호 검증하는 ‘분산형 회복탄력적(Distributed & Resilient)’ 생태계로 나아가고 있다.
GNSS의 가장 큰 약점은 신호가 단절될 수 있다는 점이다. 이러한 한계를 극복하기 위해 GNSS는 다른 센서들과 결합하여 시너지를 창출하는 ‘센서 퓨전(Sensor Fusion)’ 기술이 핵심으로 부상했다.
- GNSS + INS (관성항법장치): 가장 대표적인 조합이다. GNSS는 장기적으로 오차가 누적되지 않는 정확한 절대 위치를 제공하지만, 터널이나 도심 협곡에서는 신호가 끊기는 단점이 있다. 반면, 가속도계와 자이로스코프로 구성된 관성항법장치(INS)는 외부 신호 없이 독립적으로 작동하므로 신호 단절 구간에서도 연속적인 항법이 가능하지만, 시간이 지남에 따라 오차가 기하급수적으로 누적되는 단점이 있다. 이 두 센서의 측정값을 칼만 필터(Kalman Filter)와 같은 알고리즘을 통해 강하게 결합(Tightly-Coupled)하면, GNSS가 정상일 때는 INS의 누적 오차를 계속 보정해주고, GNSS가 끊기면 INS가 그 공백을 메워주는 상호 보완을 통해 끊김 없고 신뢰성 높은 항법 솔루션을 제공할 수 있다.4
-
GNSS + LiDAR/Camera: 자율주행 분야에서는 GNSS가 제공하는 절대 위치를 기준점으로 삼아, 라이다(LiDAR)나 카메라가 인식한 주변 환경 정보를 정밀 지도(HD Map)와 대조하여 위치를 더욱 정밀하게 보정하는 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping, 동시적 위치추정 및 지도작성) 기술이 핵심으로 자리 잡고 있다.96 즉, GNSS가 “나는 대략 서울시 강남구 테헤란로 위에 있다”는 정보를 주면, 카메라는 “내 앞에는 차선과 횡단보도가 있고, 오른쪽에는 특정 모양의 건물이 있다”는 정보를 인식하여 이를 지도 데이터와 매칭함으로써 “나는 테헤란로 몇 번 차선, 횡단보도 앞 몇 미터 지점에 있다”는 cm급의 상대 위치를 추정하는 방식이다.
- 5G 네트워크 기반 측위: 5G 이동통신 기술은 단순히 빠른 데이터 통신을 넘어, 그 자체로 정밀한 측위 인프라로 활용될 잠재력을 가지고 있다. 5G 네트워크는 넓은 대역폭과 다중 안테나(Massive MIMO) 기술을 활용하여, 기지국 신호의 도달 시간차(TDOA), 도달 각도(AoA) 등을 정밀하게 측정할 수 있다. 3GPP(세계 이동통신 표준화 기술협력기구)는 Rel-16부터 5G NR(New Radio) 기반의 정밀 측위 기술을 표준화하고 있으며, Rel-18에서는 반송파 위상 측정(Carrier Phase Measurement) 기술까지 도입하여 GNSS가 작동하지 않는 실내나 지하 공간에서도 cm급의 고정밀 측위를 구현하는 것을 목표로 하고 있다.99 이는 GNSS의 완벽한 보완재이자, 특정 환경에서는 대체재가 될 수 있음을 의미한다.
- AI/ML 기반 오차 완화: 인공지능(AI) 및 머신러닝(ML) 기술은 GNSS의 고질적인 문제인 다중경로(Multipath) 및 비가시선(NLOS) 오차를 해결할 새로운 해법으로 주목받고 있다. 기존의 물리 모델로는 예측하기 어려운 복잡한 도심 환경에서의 신호 왜곡 패턴을 AI 모델이 대량의 데이터를 통해 학습하게 하는 것이다. 예를 들어, 특정 위성 고도각과 신호 세기(C/N0) 패턴을 보일 때 다중경로가 발생할 확률이 높다는 것을 학습한 모델은, 실시간으로 수신되는 신호를 분석하여 오염된 신호를 식별하고 측위 계산에서 배제하거나 가중치를 낮출 수 있다.104 이는 특히 GNSS 성능이 급격히 저하되는 도심 환경에서 측위 정확도와 신뢰성을 획기적으로 개선할 잠재력을 가진다.
각 GNSS 운영국들은 시스템을 지속적으로 현대화하며 새롭고 향상된 신호를 추가하고 있다. 대표적인 것이 GPS의 L2C와 L5, Galileo의 E5a와 E5b, BeiDou의 B1C와 B2a와 같은 새로운 민간용 주파수 신호이다.25 수신기가 L1, L2, L5 등 여러 주파수의 신호를 동시에 수신하면 다음과 같은 큰 이점을 얻을 수 있다.
- 전리층 오차의 정밀 보정: 앞서 설명했듯이, 전리층에 의한 신호 지연은 주파수에 따라 다르게 나타난다. 따라서 두 개 이상의 주파수 신호를 비교하면 전리층 오차를 수학적으로 거의 완벽하게 제거할 수 있어, 측위 정확도가 크게 향상된다.52
- 다중경로 완화 및 강건성 향상: L5와 같은 새로운 신호들은 기존 L1 신호보다 더 높은 칩 속도(chipping rate)와 넓은 대역폭을 갖도록 설계되어, 다중경로 신호의 영향을 억제하는 데 더 유리하다.109 또한 여러 주파수를 사용하면 특정 주파수 대역에 재밍이나 간섭이 발생하더라도 다른 주파수 대역을 이용해 측위를 계속할 수 있어 시스템의 강건성(robustness)이 높아진다.110
장기적으로는 GNSS에 전혀 의존하지 않는 새로운 패러다임의 항법 기술, 즉 ‘양자항법(Quantum Navigation)’ 기술이 연구되고 있다. 이는 원자의 양자역학적 특성인 파동-입자 이중성을 이용하는 원자 간섭계(Atom Interferometer) 기술에 기반한다.111 레이저를 이용해 냉각된 원자 빔을 분리하고, 서로 다른 경로를 거치게 한 뒤 다시 결합시켜 발생하는 간섭 패턴을 측정한다. 이때 외부의 가속도나 회전(관성)이 간섭 패턴에 미세한 변화를 일으키는데, 이를 극도로 정밀하게 측정하는 원리이다.112
이 기술이 상용화되면, 기존 MEMS 기반 INS와는 비교할 수 없을 정도로 오차 누적이 적은 초정밀 관성항법장치를 구현할 수 있다. 이는 외부 신호가 전혀 필요 없으므로 재밍이나 스푸핑 공격이 원천적으로 불가능하며, 수중, 지하, 실내 등 GNSS 음영 지역에서도 장시간 동안 정확한 항법을 유지할 수 있게 된다.114 양자항법은 아직 기초 연구 단계에 있지만, 실현될 경우 PNT 기술의 패러다임을 근본적으로 바꾸고 국가 안보와 산업에 미치는 영향이 지대할 것으로 예상된다.
이러한 미래 기술 동향은 PNT 생태계가 GNSS의 한계를 인식하고, 센서 융합을 통한 단기적 회복탄력성 확보, 5G 네트워크 융합을 통한 커버리지 확장, 그리고 궁극적으로 양자항법과 같은 이질적인 기술을 통한 완전한 독립성 확보라는 단계적 진화 과정을 밟고 있음을 보여준다. 미래의 PNT 경쟁력은 ‘가장 정확한 단일 시스템’이 아닌, ‘얼마나 다양하고 이질적인 PNT 소스를 효과적으로 융합하여 끊김 없고 신뢰할 수 있는 서비스를 제공하는가’에 의해 결정될 것이다.
본 보고서는 범지구 위성항법 시스템(GNSS)이 냉전 시대의 군사적 필요에 의해 탄생하여, 오늘날 전 세계의 통신, 금융, 교통, 농업, 과학 연구 등 사회 전반을 지탱하는 필수적인 글로벌 유틸리티로 성장해 온 과정을 다각도로 조명했다. 삼변측량이라는 명쾌한 과학적 원리를 바탕으로, 미국의 GPS를 필두로 러시아의 GLONASS, 유럽의 Galileo, 중국의 BeiDou 등 다수의 시스템이 지정학적 경쟁과 기술적 협력을 병행하며 발전해왔다. 그 결과, DGPS, RTK, SBAS 등 정밀도 향상 기술과 결합된 GNSS는 자율주행, 정밀농업, 초정밀 시각 동기화 등 과거에는 상상할 수 없었던 새로운 산업과 서비스의 지형을 창조하고 있다.
그러나 이러한 눈부신 발전과 사회적 기여 이면에는 심각한 취약성이 내재되어 있다. GNSS 신호는 본질적으로 미약하여 재밍과 스푸핑 같은 고의적 교란에 취약하며, 태양 활동이나 우주 잔해물과 같은 자연적 위협에도 노출되어 있다. 현대 사회의 GNSS에 대한 깊은 의존도는, 역설적으로 GNSS 시스템의 장애가 발생할 경우 상상 이상의 사회경제적 혼란과 안보 위협을 초래할 수 있음을 의미한다.
따라서 GNSS의 지속 가능한 발전과 안정적인 활용을 위해서는 기술, 협력, 정책이라는 세 가지 축이 조화롭게 발전해야 한다.
첫째, 기술 혁신의 가속화가 필요하다. 다중 주파수 신호 활용을 보편화하고, OS-NMA와 같은 암호학적 신호 인증 기술을 조속히 도입하여 스푸핑 위협에 근본적으로 대응해야 한다. 또한, GNSS가 단절되는 환경에서도 끊김 없는 서비스를 제공하기 위해 5G, AI, 관성 센서 등과의 융합 기술을 고도화하고, 장기적으로는 양자항법과 같은 차세대 PNT 기술에 대한 과감한 연구개발 투자를 지속하여 기술 포트폴리오를 다변화해야 한다.
둘째, 견고한 국제 협력 체계를 구축해야 한다. 각국의 GNSS는 경쟁 관계에 있지만, 동시에 전 지구적 PNT 생태계를 구성하는 상호보완적 파트너이기도 하다. 시스템 간 상호운용성 확보, 신호 간섭을 막기 위한 주파수 조율, 그리고 모두에게 위협이 되는 우주 잔해물 문제에 대한 공동 대응 등 안정적인 GNSS 환경을 유지하기 위한 국제적 공조와 표준화 노력이 그 어느 때보다 중요하다.
셋째, 전략적인 정책적 지원이 뒷받침되어야 한다. 각국 정부는 GNSS를 단순한 편의 기술이 아닌, 국가 안보와 경제의 근간을 이루는 핵심 인프라로 지정하고 관리해야 한다. GNSS 의존성에 따른 사회적 리스크를 체계적으로 분석하고, 비상 상황에 대비한 대체 PNT 시스템 구축 등 회복탄력성 확보를 위한 국가적 전략을 수립해야 한다. 또한, 관련 기술과 서비스를 개발하는 산업 생태계가 성장할 수 있도록 장기적인 관점의 정책적 지원을 제공해야 한다.
결론적으로, GNSS는 앞으로도 수많은 기술적, 지정학적 도전을 마주하겠지만, 이를 극복하며 더욱 정밀하고 강건하며 신뢰할 수 있는 방향으로 진화할 것이다. 이 보이지 않는 인프라는 인류에게 전례 없는 수준의 이동성, 효율성, 안전성을 제공하며, 4차 산업혁명 시대를 완성하는 핵심 동력으로서 그 역할을 계속해서 확장해 나갈 것이 자명하다.
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