GNSS(Global Navigation Satellite System)는 사용자의 지리적 위치와 관계없이 소형의 수신기를 갖춰 신호를 이용함과 동시에, 실시간으로 출력을 얻어 이동 중에도 작업할 수 있다는 장점을 가진다. 이 글에서는 신호발생기를 통해 GNSS에 대한 개요와 주요 시험 항목을 알아본다.

개요

GNSS는 우주 궤도를 돌고 있는 인공위성을 이용하여 지상에 있는 물체의 위치, 고속, 속도에 관한 정보를 제공한다. 작게는 1 m 이하 해상도의 정밀한 위치정보까지 파악할 수 있으며, 군사적 용도뿐 아니라 항공기, 선박, 자동차 등 교통수단의 위치 안내나 측지 긴급구조 통신 등 민간분야에서도 폭넓게 응용된다. GNSS는 하나 또는 그 이상의 인공위성과 신호를 받을 수 있는 수신기, 지상의 감시국 및 시스템 보전성 감시체계로 이뤄진다. 이는 인공위성의 발신된 전파를 수신기에서 받아 거리를 구해 수신기의 위치를 결정하는 방식이다.

현존하는 GNSS는 美국방부가 개발하여 운영하는 GPS(Global Positioning System)가 유일하며 이에 대응해 러시아는 GLONASS(Global Navigation Satellite System), 유럽연합(EU)은 GALILEO, 중국은 BeiDou를 구축하고 있다. 그 외에도 일본과 인도의 QZSS, IRNSS 등이 대표적인 GNSS 시스템이다.

GNSS의 현황 및 전망

이들 국가에서 각각 구축한 GNSS 시스템 간의 관계는 분명치 않다. 실제로 유럽과 중국, 인도, 일본은 미국의 GPS와 러시아의 GLONASS 네트워크에 협력관계이거나 반대로 경쟁 관계일 수 있다. 하지만 독자적인 시스템으로 발전하지는 않을 것이다.

이들 시스템이 상호 호환성을 갖도록 협력할 것인지 아니면 경쟁적인 관계로 갈 것인지는 분명하지 않은 데에는 글로벌 위성항법 시스템 개발이 군사적, 정치적, 상업적인 요소로부터 많은 영향을 받기 때문이다. 예를 들어 유럽이 미국 GPS에 지나치게 의존하면 이틀간 GPS가 고장 날 경우 유럽 수송 분야에 2억 유로 이상의 손실이 발생할 수 있다. 따라서 유럽은 자체적으로 민간 GNSS 네트워크를 만들기 위해 노력하고 있다.

GPS/GALILEO 네트워크는 사용자가 기존의 위성보다 2배 더 많은 위성으로부터 정확한 위치정보를 얻을 수 있어 복잡한 도심지역의 위치정보 향상에 큰 변화를 줄 것이다.

美 GPS 산업 위원회(GPS Industry Council)는 2006년 전 세계 GPS 장비 시장은 150억 달러 규모로 매년 25 ~ 30%씩 증가한다고 발표했다. 또한 유럽 위원회(EC) 전문가들은 위성항법 제품과 서비스에 대한 전 세계 시장이 2025년 4천억 달러에 이를 것으로 예측함과 동시에 2020년에는 30억 개의 위성항법 수신기가 사용될 것이며, GALILEO 프로그램은 유럽 전역에 15만 개의 일자리를 창출할 것으로 내다봤다.

유럽 연합(EU)는 2007년부터 2013년 사이에 EGNOS(European Geosta-tionary Navigation Overlay Service)와 GALILEO 시스템 개발에 34억 유로 달러를 책정했다. GALILEO 시스템은 유럽우주국 ESA가 설계를 맡고 있으며 유럽 위원회의 프로그램 관리하에 있다. 유럽 위원회는 GALILEO의 연구 작업에 4억 유로를 할당해 더욱 정확하고 신뢰성 있는 GNSS 위치정보시스템으로 공학과 항공, 농업, 선박, 해양을 포함한 다양한 시장에 활용될 것으로 기대하고 있다.

하지만 GPS와 GALILEO 시스템을 어떻게 함께 사용할 것인지는 아직 많은 것이 결정되지 않았다. 예를 들어 GPS로부터 받은 신호를 GALILEO로 검증한다거나 GPS 및 GALILEO로부터 모든 신호를 받는 등의 운용 부분 시나리오가 아직 결정되지 않았기 때문이다.

현재 국내 시장은 국토부 등 8개 기관이 GNSS 데이터 통합센터를 구축해 데이터를 공동으로 활용하고 민간에 제공하기로 합의했다. 따라서 고정밀 공간정보 구축과 해양 공간관리 및 안전항행정보 제공, 구조 지질학 관련 연구, 한반도 우주 전파 관리 등 참여기관의 고유 업무를 더욱 고도화하고 있다.



GNSS 종류 별 주요 특징

GPS
GPS(Global Positioning System)는 20,200 km 상공에서 운영 중인 미국의 GPS 위성을 이용하여 지상의 위치정보를 획득하는 시스템이다. GPS 수신기는 3개 이상의 GPS 위성으로부터 송신된 신호를 수신하여 위성과 수신기의 위치를 결정한다. 위성에서 송신된 신호와 수신기에서 수신된 신호의 시차를 측정하면 위성과 수신기 사이의 거리를 구할 수 있는데, 이때 송신된 신호에는 위성의 위치에 대한 정보가 들어있다.

최소한 3개의 위성과의 거리와 각 위성의 위치를 알게 되면 삼각측량과 같은 방법으로 수신기의 위치를 계산할 수 있다. 하지만 시간 동기가 완전히 정확하지 않아 오차를 보정하고자 보통 4개 이상의 위성을 이용해 위치를 결정한다.

GPS 위성은 정확도를 유지하기 위해 전 세계에 설치된 관제국 및 감시국을 통해 정확성 및 운영 전반에 관한 제어를 받게 된다. 지구상 어디에서나 24시간 이용할 수 있고 기상조건/외부의 간섭 및 방해에 강하다. 이 밖에도 전 세계적으로 공통좌표계(WGS : World Geodetic System)를 사용한다는 점에서 측위정보의 신뢰성 및 정확성이 우수하다.

GPS는 6개의 궤도에 24개의 위성을 배치해 서비스를 제공하며, 위성으로부터의 신호는 2개의 반송파 L1(1575.42 MHz)과 L2(1227.6 MHz)로 송신하고 있다. 이 2개의 주파수는 C/A 코드와 P코드의 불규칙 코드로 위상 변조되며 항법 정보는 표준 측위서비스(SPS: Standard Positioning System)와 고정도측위서비스(PPS: Precise Positioning System)로 구분하여 서비스를 제공하고 있다. SPS는 측위와 시각 전송의 업무로서 민간용으로 이용되어 L1주파수의 C/A코드만 사용할 수 있고, PPS는 주로 군용으로 설계되어 측위, 타이밍, 속도 기능을 가지며 L1, L2의 P(Y) 코드가 사용되고 있다.

GLONASS
GLONASS는 인공위성 네트워크를 이용해 지상의 목표물 위치를 정확히 추적해내는 러시아의 위성항법 시스템이다. 동서가 이념으로 맞섰던 냉전 시절, 옛 소련이 개발한 프로그램이다. 이 프로그램은 1982년 첫 위성을 발사하면서 시작되어 사회주의 몰락과 함께 재정문제로 중단됐지만, 러시아가 고유가로 외환 보유 세계 3위의 부국이 되자 이를 재가동했다.

내용상으로 GLONASS는 GPS와 다소 차이가 있다. 우선 주파수 분할다중방식을 채택해 위성마다 반송파와 주파수가 다르다. 또한 GPS에서 군사용으로만 사용하는 P코드를 GLONASS는 민간용으로도 이용할 수 있다. ‘위성항법 시스템’은 우주 부문인 위성과 관제 부문인 지상 관제탑, 그리고 사용자 부문인 단말기 등으로 구성된다.

GLONASS 위성항법 시스템은 약 64.8도 경사각을 지닌 거의 원형궤도에 가까운 3개의 궤도 면상에 배치된 24개의 위성으로 구성된다. GLONASS 개발은 1976년에 시작되어 1991년까지 전 세계 서비스를 목표로 시행됐다. GLONASS 시스템 1단계는 1991년에 서로 120도 떨어진 두 개의 궤도면에서 7개의 위성을 가지고 완료됐다.

1993년 ~ 1994년에 12개의 GLONASS 위성이 추가됐고 Uragan-M(또는GLONASS-M)으로 알려진 7년 수명을 가진 2세대 위성들이 2001년과 2004년, 2005년에 발사됐다. 이로써 2005년 말에는 궤도상에 14개의 위성이 있었으며 이후 Uragan-K(Ehsms GLONASS-K)로 알려진 수명기간 10 ~ 12년을 가진 3세대 GLONASS 위성들이 추가되어 2012년에 24개의 위성좌를 구성했다.


GALILEO
GALILEO는 유럽연합(EU)과 유럽우주국(ESA)이 공동으로 추진한 세계 최초의 민간용 범 지구위성 항법시스템이다. GALILEO 개발의 주목표는 30기의 인공위성을 고도 약 24,000 km에 배치하여 민간 서비스를 제공하는 것이다. GALILEO 프로젝트는 EU와 ESA뿐만 아니라 한국과 이스라엘, 우크라이나, 인도, 모로코, 사우디아라비아 등이 참여하고 있으며, 유럽 우주 개발 역사상 가장 큰 규모의 프로젝트이다. 우리나라도 이 프로젝트에 참여하고 있으며 우리나라가 확보할 수 있는 위치정보의 수평정밀도는 4 ~ 6 m 정도로써, 이는 GPS 위치정보보다 90% 이상 향상된 수준이다.

GALILEO는 고도 2만 3,616 km와 56도의 경사각을 가진 3개 면의 지구 중궤도에 각각 10개의 위성(총 30기, 이 중 3기는 비상시를 대비한 보조 위성)으로 구성된다. GALILEO 항법 신호는 북위 75도까지의 적용범위를 가지며 이 범위 내에서는 신호 상태가 양호하다. 30개의 위성은 위치 확인에 쉬운 최적의 조합으로 사용되며 3개의 보조 위성은 신뢰도를 더 높일 수 있다.

GALILEO 제어 센터 두 곳에서는 항법 임무 관리를 수행하고 위성을 제어한다. 20개의 GALILEO 센서 기지국(GSS)으로 이뤄진 글로벌 네트워크에 제공된 데이터는 여분의 통신 네트워크를 이용해 GALILEO 제어 센터로 보내진다. 이때 GALILEO 제어 센터는 통합 정보를 계산해 모든 위성의 시간 신호, 모든 지상 제어국의 기준 시간을 동기화하는데 센서 기지국의 데이터를 이용한다. 따라서 업-링크 기지국을 통해 지상 제어 센터와 위성 간의 데이터 교환이 이뤄지며, 5개의 S-대역폭 업-링크 기지국과 C-대역폭 업-링크 기지국은 데이터 교환을 목적으로 전 세계에 고루 설치될 것이다.



활용

정보 통신기술의 발달로 GNSS의 활용분야는 위치측정이라는 전통적인 범위에서 점차 일상생활 속의 활용분야로 급속히 확장 중이다. 선박과 항공기, 차량 등 각종 교통수단의 정확한 운행을 위한 측위는 물론, 농업부문이나 자원관리, 각종 시설물 관리를 위한 정확한 측량, 지도제작 등에 응용될 수 있다. 또한 재해발생 시 조난자의 정확한 위치를 파악할 수 있어 수색, 구조 활동 등에도 결정적인 역할을 할 수 있다.

GNSS는 원래 항법이나 환경토목분야에서 측량 등의 전문적인 목적을 위해 사용됐다. 최근에는 LBS나 ITS와 연동되어 더욱 널리 실제 생활 속에서 활용되며, 휴대기기에 존재하는 GPS 안테나는 이들 GNSS를 응용한 서비스로의 접근을 쉽게 만들고 있다.

GNSS 수신기 측정 주요 항목

위성항법 시스템은 현대화된 GPS, GLONASS 및 GALILEO가 공존하는 Multi-GNSS와 다양한 보정항법 시스템이 결합한 환경에서 시장, 응용분야에 따라 다양한 측위 기술 및 장비로 전문화되어 측위 정밀도 및 신뢰성이 향상된 정보를 얻을 수 있다. 이에 현대화되는 GPS 및 GLONAS, GALILEO 등의 관련 기술개발에 고정밀도 서비스가 가능한 수신기 제공 및 기술적인 경쟁력을 확보하기 위해 반드시 수행되어야 할 주요 GNSS 수신기 측정 항목에 대해 알아본다.

-Time To First Fix(TTFF):
이 항목은 리시버가 얼마나 빠르게 위성에 포지션을 고정하는지를 알아보는 측정이다. TTFF가 빠른 리시버일수록 최종적으로 위치정보의 빠른 확인이 가능하므로 리시버의 성능을 평가할 수 있는 주 파라미터이다. 이론적으로는 최대 수십 분까지도 소요될 수 있지만, 최근에 출시된 리시버는 수 초 ~ 수십 초 이내의 TTFF 값을 가지고 있다.

신호발생기는 TTFF 측정을 위해 실제 위성궤도 및 주기에 대한 정보를 제공하여 리시버에서 TTFF 측정을 위한 시뮬레이션을 가능하게 한다. R&S SMBV100A는 ‘Auto Localization’ 모드를 제공하며, 이 모드는 위성의 채널수를 4 ~ 24개까지 유연하게 시뮬레이션할 수 있다. 또한 실제 인터넷을 통해 제공되는 almanac data를 활용할 수도 있다.


- Reacquisition Time:
정상적으로 위성신호를 수신하는 리시버가 순간적으로 위성신호를 놓쳤을 경우, 다시 위성신호를 확인할 때까지 얼마나 시간이 소요되는지를 측정하는 항목이다. 예를 들어 터널이나 교각 등 음영지역이 발생할 경우, 위성신호를 수신하지 못하는 경우가 생긴다. 이때 음영지역에서 나와 다시 위성신호를 수신할 때까지 걸리는 시간을 측정한다. 신호발생기에서는 사용자가 원하는 SV-ID를 포함한 위성신호를 시뮬레이션할 수 있으며 이는 R&S SMBV100A에서 ‘User Localization’ 모드를 통해 제공된다. 또한 시뮬레이션된 각각의 위성에 대한 Power Control까지도 가능하다.

- Sensitivity:
위성신호 파워에 따른 리시버의 수신 상태를 확인하는 항목이다. 이 시험은 얼마나 낮은 신호까지 리시버가 수신할 수 있느냐를 측정하는 것이 주목적으로 GNSS 리시버의 성능을 평가할 수 있는 가장 중요한 파라미터이다. 리시버는 일반적으로 아무런 간섭이 없는 환경이라면 -130 dBm 정도의 Sensitivity를 가진다고 알려졌다. Sensitivity 측정을 위해서는 위성이 고정됐을 경우와 위성이 실제 환경처럼 정해진 궤도 주기에 의해 이동하는 두 가지 상황을 나눠 측정해야 한다.

이는 신호생성기에서 제공하는 측정 모드를 통해 지원할 수 있다. R&S SMBV100A는 ‘Static’ 모드와‘Locali-zation’ 모드를 제공함으로써 리시버 수신 평가 측정에 효과적인 도움을 줄 수 있다.

- Location Accuracy:
이 측정의 목적은 실제 리시버 위치와 수신된 신호로 계산된 위치가 얼마나 차이가 있는지를 확인하는 것이다. GNSS 위성신호를 사용하는 최종 목적은 위치에 대해 추적을 하는 것으로 Location Accuracy 측정은 중요한 수신평가 항목 중 하나이다. Location Accuracy의 측정 시에는 고정된 위치뿐만 아니라, 움직이는(ex: 서울 ~ 부산까지 이동) 상황에서도 측정해야 한다.

이는 신호발생기를 통해 시뮬레이션될 수 있는데 R&S SMBV100A의 경우 고정된 위치뿐만 아니라, ‘Moving Scenario’를 제공함으로써 모든 경우의 시뮬레이션을 할 수 있다. 이러한 Moving Scenario는 최대 마하 2.94에 해당 하는 속도로 최대 4일까지 연속해서 시뮬레이션을 지원할 수 있으며 위치정보에 대해서도 *.NMEA, *.KML, 다양한 Script 형식으로 사전 정의하여 Location Accuracy 측정에 도움을 주고 있다.

- Interference/Multipath/Atmospheric Modeling:
지구는 위성신호 외에도 다른 신호의 간섭과 다중 경로 및 대기에 의해 리시버 수신 성능이 좌우될 수 있다. 따라서 위성신호 이외에 다른 환경적인 영향이 있으면 리시버가 어떻게 동작하는지 측정이 필요하다.

이는 SMBV100A를 통해 시험할 수 있으며 실제의 환경 영향에 대한 모델링까지 지원하고 있다. 이 기능은 리시버 개발 및 검증의 필수 항목인 환경 조건에 따른 측정을 지원해 개발에 유연한 측정 환경을 제공한다.

R&S SMBV100A 주요 스펙
그 외에도 GNSS 수신기의 개발 및 시험에는 다른 기능이 더 요구될 수 있다. 이를 위해 R&S SMBV100A는 아래와 같은 추가적인 기능을 제공해 개발 및 검증에서 요구될 수 있는 다양한 측정 요구사항에 유연한 환경을 제공한다.

- 최대 24개의 GNSS(GPS, GALILEO, GLONAS, BeiDou) 신호를 Hybrid로 생성
- GPS L1/L@ 밴드 및 P코드 지원/Jamming, Spoofing 신호 지원
- Moving Scenario를 제공하여 사용자가 직접 이동거리를 디자인(최대 마하 2.9)
- 다양한 조건 및 환경에 대한 시뮬레이션 모드 지원(건물 및 터널, 이동체 등 각종 장애물까지 고려한 Multipath 지원)
- Antenna Pattern 및 이동체(자동차, 비행기 등)에 Body Masking을 고려한 모델링 지원
- Spinning 옵션을 통해 유도탄에 대한 환경 모델링 지원(최대 800 Hz)
- A-GPS, A-GLONASS, A-GALILEO 관련된 통신 스탠다드 시나리오를 제공


맺음말

GNSS 시스템은 여러 국가에서 많은 관심을 가지고 새로운 시스템의 준비 및 가동 중이다. 다양한 신규 시스템은 개발자에게 새로운 시험 환경과 측정의 필요를 가져온다. 물론 기본적으로 주요 측정 항목은 유지될 것이며 그 외에 새로운 항목이 추가될 것이다. 이런 환경에서 더 많은 시스템을 시뮬레이션할 수 있는 신호발생기는 개발 환경에 필수 불가결한 존재로 더욱 유연한 환경을 제공해야 할 것이다.

또한 GNSS는 측위라는 기능 하나로만 존재하지 않고 여러 애플리케이션과 접목되면서 더욱 다양한 서비스로 이어질 것이다. 따라서 GNSS의 시험은 단순한 측위 시험뿐만 아니라 다종의 네트워크 시뮬레이션 시험이 동시에 요구될 수 있어 사용자는 연계성을 고려한 시험 환경을 고려해야 한다.