GPS 속도측정 원리(Doppler shift)

GPS 속도측정 원리(Doppler shift)

 

 

NST연구소(nstdaily@naver.com)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

우리나라에 GPS가 일반화된 이후로 많은 사람들이 자동차 계기판의 속도와 GPS에서 뜨는 속도가 차이가 나는것에 대해 의문을 제기하고 있다.

여기에서 GPS가 속도를 측정하는 원리에 대해 언급하고자한다.

과학에 관심이 없는 사람들도 속도는 이동거리에서 이동시간을 나눈값이라는 것을 알고있다.

일상생활의 많은 속도계들이 이런 방법에 의해 속도를 계산하고 있으며, 자동차 속도계도

바퀴가 한바퀴 회전했을때의 이동거리를 추정하여, 속도를 계산해내고있다.

그렇다면, GPS에서 나타나는 속도계도 과연 이런 방식으로 속도를 측정하는 것일까?

답은 No!

GPS 단말기나 경찰들이 과속단속에 쓰는 레이저속도측정기는 도플러편차(Doppler shift)를 계산 방식으로 속도를 계산해낸다.

이들은 전파나 빛을 이용하는데, GPS는 인공위성의 전파를 이용하고, 경찰들이 쓰는 레이저건은 레이저를 발사해서 차량에 반사되어 오는 레이저를 감지하는 형태로 이용된다.

 

1.도플러편차(Doppler shift)란 무엇인가?

도플러현상은 실생활에서도 많이 관측되는데, 대표적인 예를 들자면

길가에 서있다가 싸이렌을 울리는 구급차가 다가올때는 높은 음으로 들리고, 지나쳐서 멀어져갈때는 낮은 음으로 들리는 이유가 바로 이 도플러 현상때문이다.

구급차가 다가올때 내뿜는 싸이렌소리는 구급차가 다가오는 속도에 의해 압축이 되어 파장이 짧아지게된다. 반면에 구급차가 멀어져갈때는 싸이렌소리의 파장은 길게 늘어지게 되고, 그래서 낮은음으로 들리게 된다. 원래의 파장에서 짧아지거나, 늘어나는 차이를 도플러편차라고 한다.

아래 그림을 통해 도플러 효과를 이해해보자.

 

   

 

이런 편차들은 관측자나 또는 파동발생원(구급차에 해당)이 이동하는 속도에 따라 그 크기가 결정되는데, 이것이 바로 GPS가 속도를 측정하는 원리이다.

바로 이런 도플러방식으로 속도를 측정하기때문에, GPS가 지도상에 위치를 잘못잡고 있다가 새로운 위치로 이동을 해도 속도는 튀거나 하는 것이 없는 이유이다.

GPS가 위치를 계산하는 방식과 속도를 계산하는 방식은 전혀 다른것이다.

 

 

2. 그럼 GPS에서 파동발생원은 뭐가 될까?

GPS의 단말기는 관측자에 해당한다. 그리고 여러분들이 자동차에 GPS를 설치하고 달린다면,

이것은 위의 그림에서 관측자가 자전거를 타고 달리는것에 해당한다고 볼수있다.

스피커는 GPS신호를 쏘아주는 인공위성에 해당한다.

여러분들이 가지고있는 GPS단말기는 인공위성이 쏘아주는 전파의 파장변화를 감지해낼수가있는데, 파장이 정해진 주파수의 파장에서 얼마나 차이가 나는지를 보고(이것이 도플러 편차가 된다.),

속도를 계산해 내게된다.

 

 

 

3. 그렇다면 GPS와 차량 속도계중 어느것이 더 정밀한가?

사실 GPS가 조금더 정밀하다고 볼수있다. 조금이 아니라, 사실은 꽤나 정밀하다. GPS의 속도또한 인공위성이 아주 느리지만 움직이고 있고, 전리층 오차, 빌딩의 반사파 등 다양한 오차가 있을수 있지만, 그래도 오차값이 심각할정도로 커지는 일은 거의 없다.

실제로 우리나라에서 유통되는 등산가용 GPS중에서는 0.1km/h까지도 감지를 해내는 GPS가 많이 유통되고 있으며, 반면 차량용 네비게이션들은 대부분 1km/h단위로 속도를 표시해주고 있다.

반면, 차량속도계는 제조과정에서 관련법규에 의해 속도계오차를 감안해야하기때문에 실제속도보다 10%정도를 낮춰서 생산되어지는것으로 알려져있다.

실제로 자동차에 GPS를 달고 이동해보면, 자동차 계기판 속도가 110km/h가 되어야만 GPS속도가 101km/h정도 뜨게되는데, 이때 실제 차량의 속도는 GPS의 속도인 101km/h가 더 정확하다.

참고로 알아둬야할것은 일반인들이 쓸수있는 GPS는 3D 속도가 아닌, 2D 속도로써 수평속도만을 제공하는것이 많다. 따라서 GPS에서 표시되는 속도는 고개를 넘어갈때의, 수직으로 이동하게되는 속도분이 반영되어 있지않을 가능성도 있다.

 

 

아래 사진. 등산가용 GPS(속도가 0.1km/h까지 표시되며, 손에 들고, 걸어다녀도 속도가 표시된다.

GPS 기기에 따라서 지오이드 값이 내장된 GPS도 있으며, 그런 GPS의 경우, 고도값도 꽤나 많은 도움이 된다. 아래 GPS도 지오이드 수치가 입력되어있으며, 지리적으로 GPS오차가 적은 해안가에 가면 실제로 고도가 0으로 나타난다. 단 지오이드 수치가 내장되지않은 일반 GPS들은 우리나라에 있어 고도값이 훨씬 높게 나타난다.