Satellite Naviation 포켓 가이드

항법 위성 시스템 소개

위성 항법 시스템은 정밀한 항법 및 위치 측정에 필수적입니다. 이러한 시스템은 다음과 같은 다양한 분야에 필수적인 데이터를 제공합니다:

• 자율 주행
• UAS(Unmanned Autonomous Systems)
• 운반
• 항공
• 농업
• 타이밍 서비스
• 재난 관리
• 보안 서비스
• 과학 연구

글로벌 항법 시스템은 전 세계 커버리지와 가용성을 확보하기 위해 다양한 궤도에 분산된 복수의 위성으로 구성되어 있습니다. 위성 궤도는 위치 측정 서비스를 특정 지역으로 제한할 수 있도록 지역 커버리지에 맞춰 설계 및 최적화할 수도 있습니다.

위성 기반 위치 측정

위성 기반 위치 측정은 삼변측량 원리를 기반으로 작동합니다. 위성 항법 수신기는 해당 순간에 각각 위성의 현재 시간과 위치를 제공하는 복수의 위성으로부터 신호를 수신합니다. 신호는 알려져 있는 속도, 즉 빛의 속도로 이동하기 때문에 수신기는 ToA(Time of Arrival)를 기반으로 위성까지의 거리를 계산합니다. 수신기에서 위성까지의 거리가 확보되면, 수신기는 삼변측량(Trilateration)을 통해 수신기의 3차원 좌표(위도, 경도, 고도)를 산출할 수 있습니다.

이러한 세 개 위성 외에도, 수신기의 클록과 위성의 정밀 원자 시계 간 시간 오차를 보정하기 위해 네 번째 위성이 필수입니다. 이와 같은 기본 원칙은 모든 RNSS(Radio Navigation Satellite Service) 시스템의 기초를 이룹니다.

다양한 유형의 GNSS 위치 측정 방식이 있습니다.

• 독립형 GNSS
• 보정 GNSS
• 고정밀 GNSS

이러한 방법은 보정 유형(OSR 및 SSR), 관측 데이터 유형(코드 및 반송파), 서비스 범위(국소 지역, 광역, 전 지구), 오차 저감 능력 그리고 이에 따른 최종 위치 결정 정확도에 따라 차이가 있습니다. 서브 미터(Sub-meter) 수준의 정확도가 요구되는 경우 반송파 기반 위치 측정이 필수입니다. 고정밀 GNSS 방식은 정확도가 달라질 수 있습니다. PPP 서비스는 수 데시미터의 정확도를 제공하며, PPP-RTK 서비스는 10 cm 미만의 정밀도를 보장합니다. RTK는 센티미터 범위에서 최고의 정확도를 구현하지만 반드시 기준국이 가까이 있어야 합니다. PPP-RTK는 글로벌 커버리지와 높은 정확도를 동시에 제공하기 때문에 정확도와 인프라 복잡성 간의 상충 관계를 고려할 때 PPP-RTK가 선호되는 경우가 많습니다.

글로벌 및 지역 위성 항법 시스템

GNSS는 Global Navigation Satellite System(글로벌 위성 항법 시스템)을 의미합니다. GNSS는 몇 가지 유형이 있으며, 각각 다른 정부기구에서 운영하는 경우가 많습니다.

예를 들면 다음과 같습니다.

• GPS: 미국 국방부에서 운영합니다. 초기에 군사용으로 개발되었으며 이 후 민간에서도 사용할 수 있게 되었습니다.
• Galileo: 유럽 연합에서 운용합니다. 민간용으로 개발되었으며 GPS 및 GLONASS 시스템을 보완합니다.
• GLONASS: 러시아 항공우주방위군에서 운용합니다. 다른 항법 시스템과 독립적으로 운용하도록 설계되었습니다.
• BeiDou: 중국에서 운용합니다. 여기에는 정지궤도 및 비정지궤도 위성이 모두 포함됩니다.
• NavIC/IRNSS: 인도 우주연구소에서 운용합니다. 주로 인도 아대륙 지역에 서비스를 제공합니다.
• QZSS: 일본에서 운용합니다. GPS를 보완하며, 아시아-오세아니아 지역에서 특히 높은 건물이 많은 도시 지역의 가용성과 정확도를 개선합니다.

SBAS(Satellite-based Augmentation System)는 위치 측정 정확도 향상을 목적으로 GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou 시스템에 보정 정보를 제공하는 공간 정보 기술입니다. SBAS는 지상 기준국을 활용하여 GNSS 위성에 대한 차분 보정 데이터를 산출하며, 이를 정지궤도 위성을 통해 방송합니다.

GNSS 수신기 기술

GNSS 수신기의 기본 아키텍처를 다음과 같은 기능 블록으로 나눌 수 있습니다:

• 안테나: GNSS 안테나는 RHCP(Right-hand Circularly Polarized) 특성을 가지며 L-밴드 주파수 대역에서 동작합니다. 안테나의 주 역할은 저고도각에서 주로 유입되는 멀티패스 신호의 영향을 저감하는 동시에 고고도각 위성으로부터의 신호 수신을 최적화하는 것입니다.
• 사전 증폭기: 사전 증폭기 섹션은 안테나 하드웨어 내에 통합될 수 있으며, LNA(Low-Noise Amplifier), 재밍 및 간섭 신호 차단을 위한 필터와 번아웃 방지 장치로 구성됩니다.
• 프론트엔드: 이 섹션은 필터링(대역 외 간섭 신호 억제), 추가 증폭, 중간 주파수(IF)로의 하향 변환을 포함한 모든 아날로그 신호 처리 기능을 수행합니다.
• A/D 변환: 아날로그 IF 신호는 A/D 변환기(ADC) 섹션에서 디지털 데이터로 변환됩니다.
• 신호 처리: 디지털 신호 처리에는 도플러 성분 제거, 신호와 의사거리 측정 코드(Ranging codes)의 믹싱, 그리고 상관값 산출을 위한 샘플 누적이 포함됩니다. 신호 처리부는 기본 GNSS 관측 데이터로서 의사거리, 반송파 위상 및 델타 레인지를 제공합니다.
• PVT 처리: 기본 GNSS 관측 데이터는 PVT(위치, 속도, 시간) 솔루션을 계산하는 데 사용됩니다. 이는 최소제곱법을 통해 GNSS 관측 방정식을 풀거나 Kalman 필터링과 같은 고도화된 방법론을 적용하여 구현 가능합니다.

또한, PNT 산출을 위해 외부 센서 및 기타 데이터 소스를 연동하는 방법도 있습니다.

GNSS 수신기는 각각의 적용 분야에 맞게 설계된 여러 유형이 있습니다:

• 측량급 수신기: 측지 측량, 건설 등 센티미터급 정확도가 요구되는 분야
• 매핑급 수신기: GIS 데이터 수집, 농업 및 임업 분야
• 해양 GNSS 수신기: 해상 항법 및 어로 작업 특화 분야
• 항공용 GNSS 수신기: 항공기 항법, 착륙 제어 및 기타 비행 운용 분야
• 오토모티브 수신기: 자동차 및 기타 차량용 내장형 내비게이션
• 개인/휴대용 수신기: 스마트폰, 피트니스 워치, 기타 휴대용 디바이스
• 타이밍 전용 수신기: 정보통신망, 전력망 등 국가 기간 인프라용 정밀 시각 동기 기준
• 위성 기반 수신기: 위성의 궤도 항법 및 타이밍, 과학 임무 지원

GNSS 수신기 유형에 따라 고유 기능 및 성능 특성이 결정됩니다. 일반 GNSS 수신기 사양에는 채널, 주파수 커버리지, 감도, 정확도, 업데이트 레이트, TTFF(Time to First Fix, 초기 위치 결정 시간) 및 GNSS 호환성이 포함됩니다.

GNSS 취약성 및 위협

다양한 유형의 간섭 및 요인으로 인해 신호 품질 저하와 PVT 정보 산출 오류가 발생할 수 있습니다. 특정 지역에서는 서비스 거부 현상도 나타날 수 있습니다.

신호 저하의 소스는 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

• 위성, 인프라 및 아키텍처에 의한 시스템 고유의 신호 저하
• 대기층, 도플러 천이, 우주 기상 현상에 의해 전송 경로상에서 발생하는 신호 저하
• 건물, 수목 외 멀티패스 전파, 재머 등 사용자 환경에 의한 신호 저하

사용자 환경에서 기인하는 신호 저하는 유형, 원인, 영향에 따라 세분화할 수 있습니다. 원인은 의도적 간섭과 비의도적 간섭으로 분류되며, 두 가지 모두 신호 품질 저하 또는 서비스 거부를 초래합니다. 반면, 수신기의 위치 정보를 기만하는 것을 목적으로 하는 위협도 존재하며, 이를 스푸핑이라 합니다.

특수 GNSS 애플리케이션

특수 GNSS 애플리케이션에서는 항법 및 위치 측정 개선을 위해 다음과 같은 첨단 기법을 사용합니다.

1. 다중 주파수 및 다중 성상 애플리케이션에서는 정밀도 향상을 위해 서로 다른 위성 시스템 및 주파수의 신호를 결합하여 활용합니다.

2. 다중 차량 애플리케이션에서는 협력 항법을 구현합니다.

3. 다중 안테나 애플리케이션은 신호 수신을 개선합니다.

4. 첨단 간섭 대응 애플리케이션에서는 신호 단절을 해결하여 다양한 환경에서 정확하고 신뢰성 있는 GNSS 기능을 보장합니다.

GNSS 시뮬레이션 및 수신기 테스트

GNSS 테스트는 최적의 성능 확보를 위해 수신기 개발 단계 및 칩셋/기기 생산 공정에 필수적입니다. 이 테스트에서는 수신기 성능을 특성분석하고 특수 기능을 검증하며 재밍, 스푸핑, 주파수 공존문제와 같은 GNSS 위협 요인에 대한 대응력을 평가합니다. 이러한 철저한 테스트를 통해 정확하고 신뢰성 있는 위치·측정, 항법 및 타이밍 정보를 유지할 수 있습니다.

GNSS 테스트는 실제 환경과 같은 현장 테스트로 수행할 수 있지만, 이는 알려지지 않은 시스템 조건, 제한적인 맞춤형 설정, 그리고 테스트 재현이 불가능하다는 명확한 한계가 있습니다. 또한 상당한 시간과 비용이 소요됩니다.

바로 이러한 상황에서 시뮬레이션이 효과적입니다. 시뮬레이션 환경에서는 시스템 조건이 정밀하게 정의되며, 필요에 따라 테스트 시나리오를 반복할 수 있습니다. 또한 테스트 파라미터도 사용자의 요구 사양에 맞추어 구성할 수 있습니다.

성공적인 GNSS 시뮬레이션을 위해 반드시 고려해야 하는 7가지 요소는 다음과 같습니다.

1. 재밍 및 간섭: 실제 GNSS 환경을 에뮬레이션하기 위해서는 재밍 및 간섭 신호와 같은 외부 영향 요소를 반드시 고려해야 합니다. 이 경우 추가적인 신호의 존재를 시뮬레이션할 수 있으며, 해당 신호들이 GNSS 신호 수신 성능에 미치는 영향을 평가할 수 있습니다.

2. 범위 시뮬레이션: 위성과 수신 안테나 간 거리는 GNSS 수신기가 자신의 위치를 계산하기 위해 수행하는 기본 측정입니다. 실제와 유사한 거리 시뮬레이션을 구현하기 위해서는 (a) 전리층 및 대류권 효과, (b) 클록 오차를 포함한 시스템 고유 오차, (c) 예기치 못한 거리 측정 오차를 반드시 반영해야 합니다.

3. 위성 궤도 시뮬레이션: 현실적인 GNSS 시뮬레이션은 궤도 오차, 섭등 등 다양한 등급의 위성 궤도(LEO/MEO/GEO/IGSO)에 대한 시뮬레이션을 반드시 지원해야 합니다.

4. 시스템 및 신호: 오늘날의 GNSS 시뮬레이터는 다중 성상 및 다중 주파수 시나리오를 지원해야 하며, 모든 GNSS 주파수 대역에 걸쳐 관련된 모든 위성 시스템 및 신호를 동시에 시뮬레이션할 수 있어야 합니다.

5. 신호 차단: GNSS 신호는 특히 도심 환경에서 건물 등에 의해 차단되는 경우가 빈번합니다. LOS(Line-of-Sight, 가시선) 신호가 완전히 차단되어 수신기가 멀티패스 성분만 수신 및 처리하는 상황이 발생할 수 있으므로, 대부분의 경우 신호 차단은 시뮬레이션과 결합하여 구현되어야 합니다.

6. 차량 움직임: 대부분의 테스트는 차량 고도를 고려하여 움직이는 수신기를 시뮬레이션할 수 있어야 합니다. GNSS 시뮬레이터가 역동성이 높은 신호 환경에서 움직이는 수신기를 테스트하려면 시뮬레이션되는 사용자가 높은 속도와 가속도에 노출되는 시나리오를 지원해야 합니다.

7. 멀티패스 시뮬레이션: 멀티패스가 존재하는 환경에서 수신기 성능을 테스트할 경우, GNSS 시뮬레이터는 일반적으로 그러한 영향을 시뮬레이션하는 다양한 방식을 제공합니다. 예를 들어, 여기에는 탭 지연 또는 지면 멀티패스 모델, 통계적 채널 모델 또는 결정론적 멀티패스 모델이 포함될 수 있습니다.

PNT 신뢰성 향상을 위한 GNSS 테스트 솔루션

로데슈바르즈는 단일 위성에 기반한 단순 시나리오부터 다중 채널, 다중 주파수, 간섭 시나리오가 결합된 복합 위성군 시스템에 이르기까지, GNSS 시뮬레이션을 위한 신호 발생기 및 소프트웨어 솔루션을 제공합니다. 또한 당사의 신호 발생기와 연동되는 GNSS 테스트 자동화 옵션을 지원하므로 사용자가 연구소 및 생산 라인에서 통제되고 재현 가능한 환경 하에 완전 자동화된 테스트를 수행할 수 있습니다.

VNA(벡터 네트워크 분석기)는 GNSS 수신기 개발에 필수적인 툴입니다. VNA는 다음과 같은 목적으로 사용합니다.

• 안테나 성능 테스트 및 최적화
• 필터 및 증폭기의 주파수 응답, 게인, 선형성 평가
• 올바른 임피던스 매칭 보장
• 노이즈 지수 측정(핵심 성능 지표)
• 수신기 시스템 내 신호 경로 특성분석 지원
• 간섭 방지를 위해 각 포트 간 격리 파악

로데슈바르즈는 개발, 성능 인증, 생산 단계의 테스트를 위해 다양한 오실로스코프를 제공합니다.