내비게이션

내비게이션(navigation)은 한 곳에서 다른 한 곳으로 이동하고자 자동차, 선박, 항공기 또는 우주선의 위치, 경로 및 이동 거리를 확인하는 방법에 관한 기술과 과학을 가리킨다. 간략히 내비라고도 한다. 네비게이션이 아니라, '내비게이션'이 정확한 표기법이다. 가장 보편적인 내비게이션 방법으로는 천체 항법(Celestial navigatio), 추측항법(dead reckoning), 관성항법(inertial navigation) 및 전자항법이 있으며 크게 지면 내비게이션, 해양 내비게이션, 항공 내비게이션, 우주항공 내비게이션이 등 4개 분야에 응용된다. 내비게이션을 진행하는데 필요한 도구들에는 나침판(compass), GPS, 레이더(radar) 및 육분의(sextant)가 있다.

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개요

내비게이션은 자동차, 선박, 항공기 또는 우주항공선이 어떤 한 곳에서 다른 한 곳으로 이동할 때 자이로, 가속도계, GPS, 레이더 등 감지센서를 이용하여 이동체의 위치, 경로 및 이동 거리를 확인하는 방법을 연구하는 기술과 과학이다.

인류가 생활영역을 확장하면서 배를 통한 항해가 이루어지게 되자 기존의 보이는 땅의 지형을 랜드마크로 위치를 파악하는 지문항법(Pilotage Navigation)은 한계에 부딪혔으며 이로서 절대적인 참조물인 태양 또는 북극성 등을 찾게 되었고 나침판, 육분의를 활용하는 등의 천문항법이 나오게 되었다. 말그대로 천문학적인 규모의 기준으로 움직이다 보니 오차가 많이 발생하였으며 따라서 차이의 정량화를 추구하게 되었다. 이러면서 방향과 거리, 속도의 개념이 등장하였으며 기록된 데이터와 천문항법을 통해 측정한 데이터를 비교하여 오차를 바로잡는 추측항법(Dead Reckoning)이 나왔다.

근대에 진입하여 항공기가 개발되면서 전쟁의 소요로 더 정확한 항법기술이 필요로 나섯으며 지상설비를 기반으로 하여 다양한 전자기파를 활용하는 라디오 항법(Radio Nagivation), 레이더 항법(Radar Navigation)이 개발되었다. 그 후에는 라디오 항법의 큰 틀 안에서 더 넓은 범위에서 더 정확한 위치를 측정할 수 있는 쌍곡선항법(Hyperbolic Navigation)이 개발되었으며 대표적으로 Loran, Loran-C, Decca, Omega 등이 있었다.

1960년대에 우주항공 시대가 열리면서 쌍곡선항법 설비를 인공위성으로 대체하는 것이 가능해졌으며 1978년에 미국은 24개의 인공위성을 묶어 범지구위성항법(GNSS, Global Navigation Satellite System)을 구축하였다. GNSS의 위성은 지구 밖에 위치하고 있는 관계로 그 누구에게도 예외없는 절대성을 지니며 가장 발달한 형태의 무선신호의 송수신을 추진하고 있다. 결국적으로 보면 천측항법의 한계를 극복하고자 라디오항법이 나오고 라디오항법의 한계를 극복하고자 다시 천측항법의 면모를 내재화한 방법이 GNSS라고 볼 수 있다.

1980년대에 진입한 뒤 GNSS가 부분적으로 민용에 도입되면서 GPS 시스템이 민간에 응용되기 시작하였으며 따라서 항법, 측지측량, 농업, 물류, 레저, 탐사, 국방 분야와 더불어 교통, 물류, 통신, 금융, 스마트 그리드 등 국가기간망까지 수많은 분야에 활용되었다. 하지만 GPS는 미국의 독자적인 시스템으로서 국제적 정치상황에 따라 GPS 서비스가 제한되거나 중단될 가능성이 존재하며 유럽의 연구기관에서는 위성항법 시스템이 마비될 경우 수 조원에 달하는 피해가 이루어질 것으로 추정하였다. 만일을 대비하여 러시아, 유럽연합, 중국, 일본, 인도 등 국가들은 국가안보 및 우주산업의 일환으로 자국에 적합한 독자적인 항법시스템을 개발구축하고 있다.

내비게이션 민간 응용의 일부분으로 자동차산업에서도 대폭적으로 내비게이션을 개발하고 있다.

1981년에 일본 자동차제조사 혼다가 관성항법 기술을 적용한 첫 번째 상용화 자동차 내비게이션 시스템 '전자 자이로케이터(Electro Gyro-Cator)를 혼다 어코드(Honda Accord), 혼다 비거(Honda Vigor)에 옵션으로 제공하였으며 1990년에 마쓰다 유노스 코스모(Eunos Cosmo)에서 최초로 GPS 시스템을 도입한 자동차 내비게이션 시스템을 제공하였고 1993년에 호주의 소프트웨어 회사 비트맵(bitMAP) 소유자 워너 라이빅(Werner Liebig)이 위성기반 내비게이션 시스템을 사용하여 도로명과 주택이름을 포함하는 전자지도를 발명하였으며 그 뒤로 여러 기능들이 추가된 내비게이션 시스템들이 많이 출시되었다.

자동차 내비게이션은 맵매칭(Map Matching), 지도 화면 디스플레이(Display Map Scree), 경로 탐색(Routing), 경로 안내(Route Guiding), 검색(Search), 교통정보(Traffic Information) 등의 기능을 제공한다.

항법

□ 천문 항법(天文航法, celestial navigation) - 천체의 고도와 방위를 측정한 뒤 관측 값과 관측한 시간에 따라 미리 계산된 표와 비교하여 자신의 위치를 파악하고 가고자하는 방향을 확정하는 방법이다. 이는 연안항해(沿岸航海)를 벗어난 시대부터 20세기 초까지 대양항해에서 유일한 선위측정수단(船位測定手段)이었다. 천후의 영향과 시간의 영향을 받는다.

□ 추측 항법(推測航法, dead reckoning) - 물체의 현재 위치와 속도를 기반으로 미래의 위치와 방향을 추정하는 항해 기술이며 현재 다양한 교통기술 방면에 적용되고 있다. 추측항법은 정확한 위치 추정이 가능한 반면에 누계오차의 영향을 쉽게 받는다.

□ 관성 항법(inertial navigation) - 관성법칙과 가속도법칙을 이용하여 위치를 계산하는 방식이다. 미사일 유도 장치로 2차 세계대전 시절에 독일에서 처음으로 V2 로켓에 적용되었으며 그 뒤 미국에서 본격적인 개발을 추진하여 1960년대에 실용화되었다. 관성 항법 장치에는 관성 센서 역할을 하는 자이로(gyro)와 가속도계가 필수적이다. 계산속도가 빠르고 비행체의 운동에 따른 영향을 거의 받지 않는 특징으로 안정적인 시스템을 유지하는 장점이 있고 누계 오차를 발생하는 단점이 있다.

□ 전자 항법(electronic navigation) - 전파의 특성을 이용하여 송신국에서 보내오는 신호로 참조하여 이동체의 위치를 판단하고 저장된 전자지도와 비교하면서 이동방향을 확정하는 기술이다. 전자항법에는 무선항법(Radio navigation), LORAN 항법(Long Range Nav), Radar 항법, 도플러 레이더 항법(Doppler Radar Nav) 등이 있다.

도구

□ 나침판 - 자침(磁針)이 남북을 가리키는 특성을 이용하여 제작한 방향 지시 계기로서 항공, 항해에 사용된다.

□ GPS(global positioning system) - GPS 위성에서 보내는 신호를 수신해 이동체의 현재 위치를 계산하는 위성항법시스템이다.

□ 레이더 - 무선탐지와 거리측정(Radio Detecting And Ranging)의 약어로 마이크로파 정도의 전자기파를 물체에 발사한 뒤 그 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 판단하는 무선감시장치이다.

□ 육분의(sextant) - 두 물체간 각거리(Angular distance)를 측정하는 도구이다. 육분의를 이용하여 태양이나 달의 고도각(altitude angle) 또는 두 천체간 각거리를 측정하고 이를 통해 측정위치에서의 위도와 경도를 판단하는데 사용된다.

자동차 내비게이션 시스템

자동차내비게이션 시스템은 자동차 제어기술중의 하나이며 지리 정보 시스템(GIS, Geographic Information System)과 GPS 또는 Wi-Fi 등을 이용한 추적기술을 결합시켜 위치 정보, 이동경로, 진로정보 등을 제공해주는 시스템이다. 자동차 내비게이션은 수학적으로 그래프이론(graph theory)중의 최단 경로 문제(shortest path problem)에 기반하여 넓은 네트워크의 두 점 사이에서 기준에 맞는 최적 경로(짧고 싸고 빠른)를 판단한다.

1981년에 일본 자동차제조사 혼다가 관성항법 기술을 적용한 첫 번째 상용화 자동차 내비게이션 시스템 '전자 자이로케이터(Electro Gyro-Cator)를 혼다 어코드(Honda Accord), 혼다 비거(Honda Vigor)에 옵션으로 제공하였으며 1990년에 마쓰다 유노스 코스모(Eunos Cosmo)에서 최초로 GPS 시스템을 도입한 자동차 내비게이션 시스템을 제공하였고 1993년에 호주의 소프트웨어 회사 비트맵(bitMAP) 소유자 워너 라이빅(Werner Liebig)이 위성기반 내비게이션 시스템을 사용하여 도로명과 주택이름을 포함하는 전자지도를 발명하였으며 그 뒤로 여러 기능들이 추가된 내비게이션 시스템들이 많이 출시되었다.

내비게이션 시스템에서 중요한 역할을 하는 도로 데이터베이스는 벡토 지도이며 거리 명칭이나 주택 번호 그리고 관심 지점(points of interest) 등은 지리좌표(geographic coordinates)로 코딩되어 있다. 위성 내비게이션용 지도 데이터베이스 포맷을 대상으로 정해져 있는 국제산업표준은 정해지지 않았으며 현재 유행되는 포맷으로는 GDF(v3.0/4.0), KIWI(v1.22), NavTech(v3.0)이 있다. GDF(Geographical Data File)는 통상적으로 지리 데이터(geographic data)의 교환 파일 포맷으로 자동차 내비게이션과 기타 교통 데이터베이스에 사용되며 HERE, TomTom, Mapscape BV, GeoSmart, Automotive Navigation Data, AutoNavi 및 Navinfo 등 지도제작 업체에서 제공되었다. KIWI 포맷은 KIWI-W Consortium에서 제정되어 자동차 내비게이션을 대상으로 데이터 저장 포맷을 제공한다. KIWI-W 컨소시엄의 회원사들로는 Aisin AW, Increment P Ltd., Xanavi Informatics Corporation, Zenrin Co.,, Denso, Honda Motor, Mitsubishi Electric, Toyota Mapmaster 등이 있다. NavTech 포맷은 NavTech가 개발한 도로네트워크 상용화 데이터베이스의 포맷이며 포맷형식은 SDAL(Shared Data Access Library)이라 한다.

참고자료

• "Navigation", Wikipedia
• 〈항법이란〉, 《Navcours》

같이 보기

• 차량
• 자동차
• 지도

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