기지국, WiFi, GPS 위성으로 잡는 위치 측위 (2023-02)

위치 기반 서비스의 범위

원문은 위치 기반 서비스(LBS)를 모바일 장치나 지형 데이터로 정보, 엔터테인먼트, 보안을 제공하는 서비스로 정의합니다. 예로 든 것은 다섯 가지입니다. 포켓몬고는 현실에서 움직인 만큼 게임 지도 안의 아바타가 움직이고, 티맵은 길안내를 위해 GPS를 수신합니다. 티맵은 2001년 네이트 드라이브라는 이름으로 시작했습니다. 택시 앱은 승객과 기사의 위치를 맞춰 가까운 택시를 연결하고, 코로나 선별 진료소 앱은 주변 진료소의 위치와 혼잡도를 알려 줍니다. 코로나 동선 안심이는 수신한 GPS로 확진자와 동선이 겹치는지 확인합니다.

터널 안처럼 GPS가 닿지 않는 곳의 위치 추정은 터널 측위 글에서 다룹니다.

기지국 기반 측위

기지국(Cell Tower) 측위는 WiFi보다 빨라서 1초 안에 위치가 나옵니다. 대신 정확도는 GPS, WiFi, 기지국 순으로 떨어지고 데이터 네트워크를 써야 합니다. 오차는 통신 방식에 따라 달라지는데, 원문은 LTE가 3~6.5km, 5G가 1.6~5km라고 적었습니다. 5G는 기지국이 더 촘촘해서 정확도가 높다고 설명합니다.

WiFi 기반 측위

WiFi 측위는 2~5초가 걸립니다. 2GHz 대역은 1~2초, 5GHz 대역은 5초입니다. 실내와 지하에서도 위치를 받을 수 있다는 점이 장점입니다. 일반적으로는 GPS보다 정확도가 낮고, 특정 환경에서만 더 높을 수 있다고 합니다. 단점으로는 데이터 네트워크 사용, WiFi 지도를 만들기 어렵다는 점, 공유기 위치가 바뀌어 생기는 이상치를 꼽았습니다.

개인정보 보호 정책도 걸림돌입니다. 안드로이드는 MAC 주소 조회에 항상 가짜 값인 02:00:00:00:00:00을 돌려주고, 이는 WiFi와 블루투스 모두에 적용됩니다. 애플은 WiFi 스캔 API를 쓸 수 없게 하고 스캔 앱을 앱스토어에서 내렸으며, 연결된 공유기의 MAC을 물어도 같은 가짜 값을 돌려줍니다. 사용자 허락 없는 위치 획득을 제한하는 방향이라고 합니다.

GPS의 삼변측량과 의사거리

GPS는 위성항법시스템(GNSS)의 한 종류입니다. 원문이 나열한 GNSS는 미국 GPS 32개, 러시아 GLONASS 24개, 중국 BeiDou 48개, 유럽 Galileo 26개입니다.

위치는 삼변측량으로 구합니다. 두 개 이상의 기준점과 각 기준점까지의 거리를 쓰는 방식이며, 2차원 평면에서 위치를 유일하게 정하려면 기준점이 최소 3개 필요합니다. 실제로는 위성 신호가 오간 시간으로 거리를 계산하는데, 여러 요인 때문에 이 값이 실제 거리와 다른 의사거리가 됩니다. 위성 궤도 오차가 약 2.5m, 위성 시간 오차가 2m, 대류권 지연이 0.5m, 반사된 신호인 Multipath가 1m입니다. 이 오차를 보정하려고 이론상 3개면 되는 위성을 보통 4개 이상 씁니다.

신호는 L1(1.575GHz), L2(1.227GHz, 군사용), L5(1.176GHz)로 나뉘고, L5는 L1보다 장애물을 잘 통과합니다. 비트레이트는 50bps이고, 전체 패킷은 30초 길이에 6초짜리 프레임 5개로 이뤄집니다. L1과 L5를 함께 받는 듀얼밴드는 오차를 최대 30cm까지 줄인다고 합니다.

첫 위치 확정까지의 시간

첫 위치를 얻기까지의 시간(TTFF)은 시작 방식에 따라 크게 다릅니다. 위성 위치를 알려 주는 Ephemeris와 궤도 정보인 Almanac을 얼마나 받아야 하는지가 차이를 만듭니다.

NMEA 문장

NMEA는 GPS 칩셋이 시리얼 포트로 출력하는 규격으로, 시간과 위치, 방위 같은 정보를 담습니다. 원문이 소개한 문장은 네 가지입니다.

• GGA: 시간, 경위도, 사용 중인 위성 수, 정확도
• GSA: 사용 중인 위성 정보
• GSV: 현 위치에서 보이는 위성의 ID, 고도각, 방향각, 전파 강도. 메시지 하나에 위성 4개 분량이 담깁니다.
• RMC: 시간, 상태, 경위도, 속도, 진행 방향, 날짜의 최소 정보

원문은 기초적인 GPS 동작과 한계를 이해하는 것이 새로운 위치 기반 서비스의 바탕이 되리라는 기대로 글을 맺습니다.