GPS는 시간 시스템이 먼저다
대부분의 사람들은 GPS를 측위 시스템으로 생각하지만, 근본적으로 시간 배포 시스템입니다. 위치는 시간의 부산물로 계산됩니다. 각 GPS 위성은 "나는 위성 #X이고, 현재 시각은 정확히 T입니다"라는 신호를 지속적으로 송출합니다. 수신기는 여러 위성에서 각 신호가 도달하는 데 걸린 시간을 측정해 위치를 계산합니다 — 이를 위해 나노초 정밀도로 시간을 알아야 합니다.
GPS 시간 척도
GPS 시간은 윤초를 포함하지 않는 연속적인 원자 시간 척도입니다. 1980년 1월 6일 00:00:00 UTC에 시작되었으며, 그 이후 추가된 윤초(2024년 기준 18초) 만큼 UTC와 차이가 납니다.
GPS 시간 = UTC + 18초 (2024년 기준)
# GPS 시간: 2024-03-01T14:00:18
# UTC: 2024-03-01T14:00:00우주의 원자 시계
31개 운영 GPS 위성 각각에는 루비듐과 세슘 시계를 혼합한 4개의 원자 시계가 탑재되어 있습니다. 약 20~30나노초의 정확도를 가집니다. 이 작은 오차도 ~6~9미터의 측위 오차로 이어지므로 (빛은 나노초당 ~30cm 이동) 지상 관제소가 지속적으로 수정값을 업로드합니다.
상대성 보정
GPS 위성은 고도 20,200km에서 3.87km/s로 궤도를 돌고 있습니다. 두 가지 상대성 효과를 보정해야 합니다:
- 특수 상대성: 움직이는 시계는 느리게 갑니다. 궤도 속도로 인해 GPS 위성 시계는 하루에 7.2µs 느립니다.
- 일반 상대성: 약한 중력에서 시계는 빠르게 갑니다. 고도에서의 약한 중력으로 인해 하루에 45.9µs 빠릅니다.
- 순효과: 하루에 +38.4µs — 발사 전에 위성 시계를 약간 느리게 설정하여 보상합니다.
GNSS: GPS를 넘어서
GPS는 미국 시스템이지만, 다른 위성 항법 시스템(GNSS)도 정밀한 시간을 제공합니다:
- GLONASS (러시아)
- Galileo (EU) — UTC와 50ns 이내
- BeiDou (중국)
현대 타이밍 수신기는 더 높은 정확도와 이중화를 위해 모든 시스템을 동시에 사용하는 경우가 많습니다.