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[지도와 GNSS의 활용] 경위도 좌표

국립등산학교 남정권 | 기사입력 2020/04/07 [10:30]

[지도와 GNSS의 활용] 경위도 좌표

국립등산학교 남정권 | 입력 : 2020/04/07 [10:30]

위치 정보는 구조 활동에 있어 가장 중요한 정보 중 하나다. 우리는 흔히 위치를 알릴 때 주소를 사용한다. 그러나 산간 지역이나 해상 등에 있는 지점들은 주소로 정확한 위치를 알리기 어렵다. 이런 문제를 극복할 수 있는 위치 표현 시스템이 바로 ‘좌표’다. 

 

좌표는 전 세계 어디든 특정 위치를 간단한 숫자, 알파벳, 기호 등을 통해 정밀하게 나타낼 수 있다. 이런 이유로 GPS에서도 좌표가 기본적으로 사용된다. 물론 GPS 장비는 전자지도상에 위치를 표시해 주기도 하지만 이렇게 표시된 위치를 다른 사람에게 음성이나 문자로 전달하는 건 좌표보다 어렵다.

 

좌표에는 다양한 종류와 기준이 있고 다양한 포맷으로 사용되기 때문에 GPS를 구조 활동에 활용하려면 좌표에 대한 내용을 정확히 숙지해야 한다.

 

1. 경위도 좌표계

지구를 회전 타원체로 가정한 것을 지구 타원체(Earth Ellipsoid)라 한다. 지구 타원체 상에서 위도와 경도라는 각도를 통해 위치를 표시하는 좌표 체계를 ‘경위도 좌표계’라고 한다. 이는 국지적으로 좌표를 부여하는 상대 좌표계가 아니라 전 지구를 대상으로 좌표를 부여하는 절대 좌표계다. 따라서 전 세계에서 일반적으로 가장 널리 사용되며 가장 기본이 된다.

 

1) 위도(Latitude)

▲ [그림 1]

지구 자전축이 북쪽 지구 타원체면(이하 타원체면)에 닿는 부분이 북극이 되고 남쪽 타원체면에 닿는 부분이 남극이 된다.

 

지구의 자전축이 수직인 상태라고 가정했을 때 지구 타원체를 수평으로 똑같이 나누면 북쪽이 북반구(Northern Hemisphere)가 되고 남쪽이 남반구(Southern Hemisphere)가 된다. 이때 타원체면의 절단선을 적도(Equator)라 하고 절단면을 적도면이라 한다. 지구 자전축이 적도면에 닿는 부분은 지구 타원체 중심이라 한다.

 

위도에는 [그림 1]의 지심 위도(Geocentric Latitude)와 측지 위도(Geodetic Latitude)를 포함해 다양한 위도가 있다. 타원체면의 특정 지점(A)에서 지구 타원체 중심으로 그은 직선이 적도면과 이루는 각(a)을 그 지점의 지심 위도라 한다. 특정 지점(A)에서 타원체면의 수직 방향으로 그은 직선이 적도면과 이루는 각(b)을 그 지점의 측지 위도라 한다.

 

이때 특정 지점이 북반구에 있는 경우 그 위도를 북위(North Latitude)라 한다. 남반구에 있을 땐 남위(South Latitude)라 한다. 이렇게 위도가 지심 위도와 측지 위도로 나뉘는 것은 지구가 완전한 구가 아니라 회전 타원체이기 때문이다. 우리가 일반적으로 얘기하는 위도는 측지 위도다.

 

▲ [그림 2]

위도가 북위 30°인 경우 간단히 N30°로 표기하고 남위 30°인 경우 간단히 S30°로 표기한다. 최근 디지털 환경에서는 N30°를 +30° 또는 30°로 표기한다. S30°를 -30°로 표기하기도 한다. 북극점의 위도는 N90°가 되고 남극점의 위도는 S90°, 적도의 위도는 0°가 된다.

 

타원체면에서 동일한 위도를 갖는 지점들을 연결한 선을 위도선(Parallel) 또는 위선, 묘유선(卯酉線)이라 한다. [그림 2]와 같이 일정 각도 간격의 위도선들은 대체로 세계 어디서나 거리 간격이 일정하다.



 

 

2) 경도(Longitude)

▲ [그림 3]

 

[그림 3]과 같이 지구 자전축을 한 변으로 하고 나머지 변은 타원체면과 접해 반원 모양이 되는 평면을 수직권이라고 한다. 수직권에서 타원체면에 접하는 변을 경도선(Meridian) 또는 경선, 자오선(子午線)이라 한다. 특히 영국의 그리니치 천문대(Greenwich Royal Observatory)를 지나는 자오선을 본초 자오선(Prime Meridian)이라고 한다.

 

본초 자오선을 따라 지구를 둘로 나눴을 때 그리니치 천문대를 기준으로 동쪽을 동반구(Eastern Hemisphere), 서쪽을 서반구(Western Hemisphere)라 한다.

 

[그림 3]에서 타원체면의 어떤 한 지점(B)을 접하는 수직권이 본초 자오선을 접하는 수직권과 이루는 각도(c)를 바로 그 지점(B)의 경도라 한다. 그러므로 한 수직권에 접한 지점들은 모두 동일한 경도를 가진다. 특히 동반구의 경도를 동경(East Longitude)이라 하며 서반구의 경도를 서경(West Longitude)이라 한다.

 

경도가 동경 128°인 경우 간단히 E128°로 표기하고 서경 128°인 경우 간단히 W128°로 표기한다. 최근 디지털 환경에서는 E128°를 +128° 또는 128°로, W128°를 -128°로 표기하기도 한다. 본초 자오선의 경도는 0°가 되고 날짜 변경선은 대부분 동경(또는 서경) 180°에 위치한다.

 

▲ [그림 4]

980년대 초부터는 본초 자오선 대신 IERS(International Earth Rotation and Reference Systems Service)에서 제정한 IRM(IERS Reference Meridian)을 경도의 기준으로 사용하고 있다. IRM은 지표에 고정된 게 아니라 세월에 따라 미세하게 이동한다. 1999년께 지표의 IRM은 그리니치 천문대의 본초 자오선 표식에서 동쪽으로 5.3101", 즉 102.5m(336.3ft) 떨어진 지점에 있었다.

 

[그림 4]와 같이 일정 각도 간격의 경도선들은 적도 부근에서 거리 간격이 가장 넓고 극 지역으로 갈수록 좁아져 남극과 북극에서 모두 모이게 된다.

 

 

 

2. 경위도 좌표 포맷(Position Format)

일상생활에서 1°는 매우 작은 각도라고 볼 수 있다. 하지만 위도에서 1° 차이는 지표면에서 약 111km 거리에 해당한다. 따라서 경위도 좌표계로 좀 더 정확한 위치를 나타내기 위해서는 도(°) 단위를 보다 세분화할 필요가 있다. 경위도 좌표계를 세분화해 표현하는 방식에는 다음과 같은 세 가지 좌표 포맷이 있다. GPS 장비나 스마트폰용 GPS 앱의 경위도 좌표계 설정에서는 어떤 포맷으로 경위도 좌표를 표시할지 선택할 수 있다.

 

1) hddd.ddddd° 또는 DEG.DDDDD

[도] 포맷이라 하며 도(°) 단위 정수 이하를 소수로 표현한 경우로 소수 여섯째 자리에서 반올림해 소수 다섯째 자리까지 표기한다. 여기서 사용된 약자 중 h는 반구(Hemisphere)를 뜻하는 것으로 북ㆍ남위 또는 동ㆍ서경을 표현한 것이고 d는 도(Degree)를 뜻한다. 경기도 지역에서 위도 0.00001° 차이는 약 1.1m 거리에 해당한다. 경도 0.00001° 차이는 약 0.9m 거리에 해당한다(예 N37.42013°  E126.99172°).

 

2) hddd°mm.mmm' 또는 DEG/MIN.MMM

[도/분] 포맷이라 하며 도 단위 소수를 대신해 분(') 단위를 사용한 경우로 1°의 각도를 60 등분 하면 1분의 각도가 된다. 분 단위 정수 이하는 소수로 표현하되 소수 넷째 자리에서 반올림해 소수 셋째 자리까지 표기한다. 여기 사용된 약자 중 m은 분(Minute)을 뜻한다. 경기도 지역에서 위도 0.001' 차이는 약 1.8m 거리에 해당하며 경도 0.001' 차이는 약 1.5m 거리에 해당한다(예 N37°25.208'  E126°59.503').

 

3) hddd°mm'ss.s"  또는 DEG/MIN/SEC

[도/분/초] 포맷이라 하며 분 단위 소수를 대신해 초(") 단위를 사용한 경우로 1분의 각도를 60 등분 하면 1초의 각도가 된다. 초 단위 정수 이하는 소수로 표현하되 소수 둘째 자리에서 반올림해 소수 첫째 자리까지 표기한다. 여기 사용된 약자 중 s는 초(Second)를 뜻한다. 경기도 지역에서 위도 0.1" 차이는 약 3.1m 거리에 해당하며 경도 0.1" 차이는 약 2.5m 거리에 해당한다(예 N37°25'12.5"  E126°59'30.2").

 

4) 경위도 좌표 포맷의 변환

세 가지 좌표 포맷의 예로 명시한 좌표들은 실제 같은 지점을 나타낸다. 단지 좌표 포맷에 따라 변환해서 표현한 것이다.

 

위에서 예시한 [도/분/초] 포맷의 N37°25'12.5"를 [도/분] 포맷과 [도] 포맷으로 변환해 보자. 우선 12.5"를 60으로 나누고 소수 넷째 자리에서 반올림해 소수 셋째 자리까지 표기하면 0.208이 된다. 이는 분 단위의 소수가 된다. 분 단위 정수인 25에 소수 0.208을 더하면 25.208'이 되므로 [도/분/초] 포맷의 N37°25'12.5"는 [도/분] 포맷으로 N37°25.208'이 된다.

 

다시 25.208'을 60으로 나누고 소수 여섯째 자리에서 반올림해 소수 다섯째 자리까지 표기하면 0.42013이 된다. 이는 도 단위의 소수가 된다. 도 단위의 정수인 37에 소수 0.42031을 더하면 37.42031°가 되므로 [도/분] 포맷의 N37°25.208'은 [도] 포맷으로 N37.42013°가 된다.

 

반대로 [도] 포맷의 N37.42013°를 [도/분] 포맷과 [도/분/초] 포맷으로 변환해 보자. 우선 도 단위의 소수인 0.42013에 60을 곱하고 소수 넷째 자리에서 반올림해 소수 셋째 자리까지 표기하면 25.208이 된다. 이는 분 단위의 정수와 소수가 된다.

 

그러므로 [도] 포맷의 N37.42013°는 [도/분] 포맷으로 N37°25.208'이 된다. 다시 분 단위 소수인 0.208에 60을 곱하고 소수 둘째 자리에서 반올림해 소수 첫째 자리까지 표기하면 12.5가 된다. 이는 초 단위의 정수와 소수가 된다. 그러므로 [도/분] 포맷의 N37°25.208'은 [도/분/초] 포맷으로 N37°25'12.5"가 된다.

 

실제로 경위도 좌표를 활용할 땐 필요에 따라 포맷을 변환할 수 있어야 한다. GPS 장비나 스마트폰용 GPS 앱을 이용하면 직접 계산하지 않고 손쉽게 경위도 좌표의 포맷을 변환할 수 있다.

 

5) 경위도 좌표 포맷의 선택

지표면에서 위도 1분(') 차이는 1.85km 거리에 해당한다. 1육리(Statute Mile)가 1.6km이지만 1해리(Nautical Mile)가 1.85km인 이유가 여기에 있다. 과거 장거리 항해를 하던 선박들은 천체의 각도를 측정해 자신의 위치를 파악했기 때문에 해수면을 따라 이동한 거리보다 해수면을 따라 이동한 각도를 파악하는 게 더 중요했다.

 

그래서 1분의 각도, 즉 1.85km를 거리의 기본 단위로 사용했고 시간당 1분의 각도를 이동하는 속도를 1노트(knot)라 했다. 이런 이유로 선박의 항법에서는 경위도 좌표 포맷 중 [도/분] 포맷을 표준으로 사용하게 됐다. 이런 표준은 항공기의 항법에도 그대로 전해져 사용되고 있다.

 

필자는 수개월 동안 남극의 장보고 기지에 다녀온 적이 있었다. 그곳에서는 대부분 항공기와 선박으로 이동한다. 

 

따라서 야외 활동에서의 모든 위치 정보는 [도/분] 포맷으로 공유한다. 이렇게 경위도 좌표 포맷 중 하나의 표준을 정하면 좌표 사용의 혼란을 방지할 수 있다. 그래서 필자는 극지에 파견되는 사람들을 대상으로 GPS 활용법을 강의할 때 반드시 [도/분] 포맷을 사용하도록 가르친다.

 

그러나 일반 시민을 대상으로 강의할 땐 모든 위치 정보를 [도/분/초] 포맷으로 공유하도록 가르친다. 우리나라 사람들에게는 [도/분/초] 포맷이 가장 친숙하기 때문이다.

 

소방청에서도 경위도 좌표의 표준 포맷을 결정해 구조 활동 때 좌표 사용에 혼란을 막을 필요가 있다. 표준이 정해지면 소방관들 사이에서는 혼란이 없겠지만 시민이 어떤 경위도 좌표 포맷으로 구조 요청을 해 올지 모르기 때문에 소방관들은 여전히 경위도 좌표 포맷에 대한 이해와 변환 능력을 갖추고 있어야 한다.

 

국립등산학교_ 남정권

  

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2020년 1월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

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