마리아나해구에서 GPS를 사용할 수 있을까? 수중에서도 위치를 정확히 알 수 있는 방법

스마트폰으로 지도를 열면 현재 위치가 점으로 표시됩니다. 자동차를 운전할 때도 내비게이션이 차량의 위치를 계속 알려줍니다.

그런데 그 위치가 바다가 아니라 마리아나해구의 가장 깊은 곳이라면 이야기가 달라집니다.

탐사정이 바다 표면 아래로 내려가면 GPS 위성과 직접 신호를 주고받을 수 없습니다. 그렇다면 탐사정이 수천 미터 아래에서 이동한 뒤 다시 수면으로 올라왔을 때, 연구팀은 탐사정이 정확히 어디를 지나갔는지 어떻게 확인할 수 있을까요?

핵심은 GPS를 수중에서 사용하는 것이 아니라, 수면에서 얻은 위치정보와 수중에서 얻은 측정정보를 서로 연결하는 것입니다.

GPS는 바닷속에서 직접 사용할 수 없다

GPS는 지구 궤도를 돌고 있는 위성의 신호를 지상의 수신기가 받아 자신의 위치를 계산하는 시스템입니다.

하지만 수중에서는 위성 신호를 직접 수신하기 어렵습니다. 따라서 마리아나해구 바닥에 내려간 탐사정에 GPS 안테나를 설치한다고 해서 지상에서처럼 위치가 바로 표시되는 것은 아닙니다.

여기서 중요한 것은 GPS를 사용할 수 없다는 것과 위치를 알 수 없다는 것은 서로 다른 문제라는 점입니다.

GPS는 위치를 알아내는 여러 방법 가운데 하나일 뿐입니다.

그렇다면 탐사정의 위치는 어떻게 좌표가 되는가?

수중 탐사에서는 먼저 위치를 알고 있는 기준점이 필요합니다.

예를 들어 수면 위 연구선이 GPS를 이용해 자신의 위치를 정확하게 알고 있다고 생각해 보겠습니다.

탐사정이 물속으로 내려간 뒤에는 위성 신호를 직접 받을 수 없지만, 연구선과 탐사정 사이에 수중 위치정보를 주고받을 수 있습니다.

이렇게 하면 탐사정의 위치를 연구선의 위치와 연결해 계산할 수 있습니다.

즉, 구조는 다음과 같이 이해할 수 있습니다.

GPS가 확인한 연구선의 위치 → 수중 위치 측정 → 탐사정의 상대적인 위치 계산 → 지구상의 좌표로 변환

따라서 탐사정이 GPS를 직접 사용하는 것이 아니라 GPS가 제공하는 기준 위치를 수중 위치 측정 시스템과 연결하는 방식이라고 보는 것이 더 정확합니다.

수중 위치를 측정할 때 중요한 것은 ‘거리’다

수중에서 탐사정의 위치를 확인할 때 중요한 정보 가운데 하나가 기준점과 탐사정 사이의 거리입니다.

탐사정의 위치를 알고 싶다면 기준점 하나만으로는 충분하지 않을 수 있습니다.

여러 개의 기준점에서 탐사정까지의 거리를 측정하고 그 결과를 함께 계산하면 탐사정이 어느 지점에 있는지 좁혀갈 수 있습니다.

이러한 방식은 육상에서 여러 기준점을 이용해 위치를 특정하는 것과 비슷한 개념으로 이해할 수 있습니다.

다만 바닷속에서는 위성 대신 수중에서 전달되는 신호와 기준점이 사용된다는 차이가 있습니다.

USBL과 LBL은 무엇이 다를까?

수중 위치추적에는 여러 가지 방식이 있으며, 대표적으로 USBL과 LBL이라는 용어가 사용됩니다.

USBL

USBL(Ultra-Short Baseline)은 일반적으로 수면 위 선박 등에 설치된 장비와 수중 장비 사이의 음향 신호를 이용해 수중 장비의 위치를 측정하는 방식입니다.

연구선의 위치를 GPS로 확인하면서 동시에 수중 탐사정의 위치를 측정하면 두 정보를 연결할 수 있습니다.

이 방식의 장점은 해저에 넓은 범위의 기준 장비를 미리 설치하지 않고도 수중 장비의 위치를 추적할 수 있다는 점입니다.

LBL

LBL(Long Baseline)은 여러 개의 음향 기준 장비를 해저에 배치하고 이를 기준으로 수중 장비의 위치를 계산하는 방식입니다.

각 기준점의 위치를 알고 있다면 탐사정에서 각 기준점까지의 측정값을 이용해 탐사정의 위치를 계산할 수 있습니다.

따라서 탐사 대상 지역에서 정밀한 위치 정보를 확보해야 할 때 중요한 방법이 될 수 있습니다.

GPS 좌표와 수중 위치정보는 어떻게 연결될까?

여기서 마리아나해구 탐사의 흥미로운 부분이 있습니다.

탐사정이 물속에서 이동하는 동안 얻는 위치정보는 그 자체로 GPS 위성의 위치정보가 아닙니다.

하지만 수면 위 연구선의 위치가 GPS를 통해 정확하게 기록되어 있고 수중 탐사정과의 상대적인 위치가 계속 측정된다면, 두 데이터를 연결해 탐사정의 위치를 지구상의 좌표계로 표현할 수 있습니다.

결과적으로 탐사정이 지나간 경로를 지도 위에 표시하는 것도 가능합니다.

우리가 지도에서 보는 하나의 경로가 사실은 수면의 GPS 정보와 수중에서 수집된 여러 측정값을 결합해 만들어진 결과인 셈입니다.

탐사정이 움직이는 동안 위치가 계속 바뀌는 문제

또 다른 문제가 있습니다.

탐사정은 한곳에 가만히 있는 것이 아니라 계속 이동합니다.

따라서 단 한 번 위치를 측정하는 것만으로는 충분하지 않습니다.

탐사정이 어느 방향으로 이동했는지, 얼마나 이동했는지, 기준점과의 관계가 어떻게 변했는지 등을 지속적으로 기록해야 합니다.

이런 측정값이 시간 순서대로 쌓이면 탐사정이 지나온 경로를 추정할 수 있습니다.

그래서 심해 탐사에서 중요한 것은 단순히 “현재 어디에 있는가?”라는 한 번의 위치 측정보다 “시간이 지나면서 어디에서 어디로 이동했는가?”를 기록하는 것입니다.

왜 수중 위치에는 오차가 생길까?

수중 위치 측정이라고 해서 항상 정확히 한 지점을 표시할 수 있는 것은 아닙니다.

측정값에는 여러 가지 오차가 포함될 수 있습니다.

예를 들어 수중 신호가 전달되는 환경이 변하거나 기준 장비의 위치에 작은 오차가 있거나 탐사정의 움직임을 측정하는 과정에서 오차가 누적될 수 있습니다.

따라서 실제 탐사에서는 여러 종류의 측정값을 함께 사용해 위치를 보정합니다.

이 때문에 심해 탐사에서 “탐사정의 정확한 위치”라는 표현은 상황에 따라 일정한 오차 범위를 포함하는 값으로 이해하는 것이 적절합니다.

그렇다면 탐사정이 다시 수면으로 올라오면 GPS를 사용할 수 있을까?

가능합니다.

탐사정이 수면으로 올라오면 GPS 수신기를 이용해 자신의 위치를 직접 확인할 수 있습니다.

이때 수면에서 확인한 위치는 수중에서 추정했던 이동 경로를 확인하고 필요한 경우 보정하는 데 활용될 수도 있습니다.

즉, 탐사 과정에서는 수중에서 위치를 추정하고, 수면에서는 GPS를 이용해 위치를 다시 확인하는 방식이 서로 보완적으로 사용될 수 있습니다.

마리아나해구에서 GPS보다 중요한 질문

결국 “마리아나해구에서 GPS를 사용할 수 있을까?”라는 질문에 대한 답은 단순히 “안 된다”로 끝나지 않습니다.

더 중요한 질문은 “GPS 신호가 없는 곳에서 GPS 좌표와 연결된 위치정보를 어떻게 만들어낼 것인가?”입니다.

수면 위에서는 GPS가 기준이 됩니다.

수중에서는 별도의 위치 측정 시스템이 탐사정의 위치를 추적합니다.

그리고 두 종류의 정보를 결합하면 탐사정이 이동한 위치를 지구상의 좌표로 표현할 수 있습니다.

이 때문에 심해 탐사에서 GPS는 사라지는 것이 아니라 수중 위치 측정 시스템과 다른 방식으로 연결되어 활용된다고 이해하는 편이 정확합니다.

GPS가 닿지 않는 곳에서도 지도는 만들어진다

우리가 지도에서 특정 탐사정의 이동 경로를 볼 수 있는 것은 그 탐사정이 바닷속에서 GPS를 계속 사용했기 때문이 아닙니다.

수면 위의 위치정보와 수중에서 수집한 측정자료를 결합해 탐사정의 이동 경로를 계산하기 때문입니다.

결국 GPS가 닿지 않는 바닷속에서도 탐사 기록을 지구상의 지도와 연결할 수 있습니다.

이것이 마리아나해구처럼 극도로 깊은 환경에서도 탐사 위치를 기록할 수 있는 중요한 이유입니다.

자주 묻는 질문

Q. 마리아나해구 바닥에서 스마트폰처럼 GPS를 사용할 수 있나요?

A. 일반적인 GPS 위성 신호를 직접 수신하는 방식은 어렵습니다. 대신 수중 위치추적 기술을 이용해 탐사정의 위치를 계산합니다.

Q. GPS가 없는데 어떻게 탐사정의 위치를 지도에 표시하나요?

A. 수면 위 연구선 등의 GPS 위치와 수중에서 측정한 탐사정의 상대적인 위치를 결합해 지구상의 좌표로 변환할 수 있습니다.

Q. USBL과 LBL은 GPS인가요?

A. 아닙니다. 둘 다 GPS와 다른 수중 위치추적 방식입니다. GPS가 위성 신호를 이용한다면 USBL과 LBL은 수중에서 음향 신호와 기준점을 이용합니다.

Q. 탐사정의 위치는 완전히 정확한가요?

A. 수중 측정에는 여러 종류의 오차가 발생할 수 있기 때문에 완벽하게 오차가 없는 위치값이라고 할 수는 없습니다. 여러 측정자료를 결합하고 보정하는 과정이 중요합니다.

Q. 탐사정이 수면으로 올라오면 GPS를 사용할 수 있나요?

A. 수면에서 GPS 신호를 받을 수 있는 환경이라면 직접 GPS 위치를 확인할 수 있습니다.

마무리

마리아나해구처럼 GPS 위성 신호를 직접 받을 수 없는 곳에서는 탐사정이 GPS를 사용하는 것이 아닙니다.

대신 수면에서 GPS로 확인한 기준 위치와 수중에서 측정한 상대적인 위치정보를 연결합니다.

USBL이나 LBL 같은 수중 위치추적 방식은 이 과정에서 중요한 역할을 하며, 탐사정이 이동하면서 얻은 데이터를 시간 순서대로 기록하면 수중에서의 이동 경로도 추정할 수 있습니다.

결국 GPS가 닿지 않는다고 해서 위치정보가 사라지는 것은 아닙니다.

위치를 측정하는 방법을 환경에 맞게 바꾸고, 서로 다른 데이터를 연결하면 바닷속 깊은 곳에서도 탐사정이 어디에 있었는지를 지구상의 좌표와 연결할 수 있습니다.

우리가 지도에서 보는 하나의 탐사 경로 뒤에는 바로 이런 복잡한 위치 측정과 데이터 처리 과정이 숨어 있습니다.

참고 자료

• NOAA Ocean Service — How deep is the ocean?
• Woods Hole Oceanographic Institution — Navigation
• Woods Hole Oceanographic Institution — Oceanographic Instruments
• NOAA Ocean Exploration — Deep-Ocean Navigation and Mapping Resources