범지구 위성 항법 시스템

3. 역사

최초의 위성 항법 시스템은 1960년대 미국 군대가 배치한 트랜짓 (위성)이었다. 트랜짓은 도플러 효과를 기반으로 작동했다. 위성은 잘 알려진 경로를 따라 이동하며 정해진 무선 주파수로 신호를 보냈고, 수신기에서 이 주파수를 측정하여 위치를 파악했다.^[10]

1970년대에는 플로리다주 팬 아메리칸 항공우주 부서의 해롤드 L. 주리 팀이 위성 궤도 위치 오차의 원인이 되는 전파 굴절, 중력장 변화 등의 문제에 대한 해결책을 발견하여 항법 정확도를 향상시켰다.^[10]

• GPS (1978년 최초 발사): 미국이 개발한 GPS는 세계 최초의 전 지구 위성 항법 시스템이며, 1994년부터 전 세계적으로 사용 가능하게 되었다. 2010년대까지 가장 널리 사용되었으며, 현재는 다른 위성 항법 시스템과 함께 사용되면서 "GPS"가 위성 측위 시스템의 대명사처럼 사용되기도 한다.
• 글로나스 (1982년 최초 발사): 소련이 미국에 대항하여 개발을 시작했으나, 소련 붕괴로 인해 개발이 중단되었다가 러시아 성립 후 재개되어 2011년 전 세계에서 측위가 가능하게 되었다.
• 갈릴레오 (위성 항법) (2005년 최초 발사): 유럽 연합이 미국 의존에서 벗어나기 위해 독자적으로 개발한 시스템으로, 2016년 전 지구 서비스를 시작했다.
• 베이더우 (2000년 최초 발사): 중국이 개발한 시스템으로, 초기에는 지역 위성 시스템으로 시작하여 2020년부터 전 지구 규모로 측위가 가능하게 되었다.

4. 원리

여러 위성이 보내는 신호의 도달 시간을 비교하여 사용자의 위치를 계산한다. 각 위성은 정확한 궤도 정보와 시간 정보를 담은 신호를 방송한다. 수신기는 최소 4개 이상의 위성 신호를 동시에 수신하여 삼변측량을 통해 위치를 계산한다. 상대성 이론에 따른 시간 보정이 필요하다.^[11]

현대 시스템에서 위성은 궤도 데이터(위치 계산 가능)와 신호 전송의 정확한 시간을 포함하는 신호를 방송한다. 궤도 데이터에는 위성을 찾는 데 도움이 되는 모든 위성에 대한 대략적인 알마낙과 이 위성에 대한 정확한 천체력이 포함된다. 궤도 천체력은 타이밍 참조 역할을 하는 코드에 중첩된 데이터 메시지로 전송된다. 위성은 원자 시계를 사용하여 별자리 내 모든 위성의 동기화를 유지한다. 수신기는 3개(해수면) 또는 4개(고도 계산도 가능)의 다른 위성 전송에 인코딩된 방송 시간을 비교하여 각 위성까지의 비행 시간을 측정한다. 여러 위성에 대해 동시에 여러 측정을 수행하여 삼변측량을 응용, 실시간으로 지속적인 위치를 생성할 수 있다.

사용 중인 시스템에 관계없이 각 거리 측정은 수신기를 방송국을 중심으로 하는 구형 쉘에 배치하며, 측정된 거리는 방송국에서 측정된다. 이러한 측정을 여러 번 수행한 다음 쉘이 만나는 지점을 찾아 위치를 생성한다. 그러나 빠르게 움직이는 수신기의 경우 여러 위성에서 신호를 수신함에 따라 수신기의 위치가 이동한다. 또한 라디오 신호는 전리층을 통과하면서 약간 느려지며, 이러한 감속은 수신기의 위성에 대한 각도에 따라 다릅니다. 따라서 기본 계산은 4개의 위성을 중심으로 하는 4개의 편평한 구형 쉘에 접하는 가장 짧은 방향선을 찾는 시도를 한다. 위성 항법 수신기는 여러 위성의 신호와 여러 상관기의 조합을 사용한 다음 칼만 필터링과 같은 기술을 사용하여 시끄럽고 부분적이며 끊임없이 변화하는 데이터를 위치, 시간 및 속도에 대한 단일 추정치로 결합하여 오류를 줄인다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론은 GPS 시간 보정에 적용되며, 그 결과 GPS 위성 시계의 시간이 지상의 시계보다 하루에 약 38마이크로초 더 빠르게 진행된다.^[11]

위성 측위 시스템은 측위 위성으로부터의 전파를 수신하여 위치를 측정한다. 위치란 지구상의 위치이며, 위성만 사용한 단독 측위에서는 위성을 기준점으로 하여 지구 중심에 대한 위치를 측정한다.^[53] 복수의 관측 지점 혹은 기지의 지상 기준점을 사용하는 상대 측위/실시간 이동 측위에서는 단독 측위보다 측위 정밀도가 대폭 향상된다.^[56][57]

위성 항법 시스템을 지칭하는 일반적인 용어로는 항법 위성 시스템(Navigation Satellite System, NSS)이 사용되는 경우가 있다. 영어권에서는 해당 위성을 항법 위성(navigation satellite)이라고 부른다.

위성 시스템은 인공위성(우주 세그먼트) 및 지상계(관제 세그먼트)로 구성되며, 사용자 세그먼트는 포함되지 않는 것이 일반적이다. 이에 반해, 위성 측위 시스템에는 사용자 세그먼트가 포함되어 있다.

전 지구 위성 항법 시스템에서는 지구 상공의 중궤도 즉, 지상 고도 2만 km 전후의 적도면에 대해 55도에서 65도 정도의 기울기를 가진 거의 원형의 3개 또는 6개 등의 궤도상에 등간격으로 위성이 배치되어 있다. 지역별 위성 시스템에서는 적도를 중심으로 하는 8자 모양의 궤도나 정지 궤도가 활용되고 있다.^[73]

위성 항법 시스템의 대표적인 기능은 전파를 수신하여 지표면상이나 공중에서 자신의 위치를 아는 것이지만, 그 외에도 다음과 같은 몇 가지 기능을 실현할 수 있다.^[73]

• 위치 결정
• * 실시간 위치 결정(항법)
• * 고정밀 위치 결정(측량)
• 속도 결정(항법)
• 자세 결정(항법)
• 시각 동기화

5. 구성

위성 측위 시스템은 사용자 세그먼트, 우주 세그먼트, 지상 관제 세그먼트로 구성된다.^[54] 항법 위성 시스템이나 측위 위성 시스템은 우주 세그먼트와 지상 관제 세그먼트로 구성된 시스템을 가리킨다.

• 사용자 세그먼트: 주로 사용자 수신기이다. 사용자 수신기는 여러 항법 위성으로부터 전파로 전송된 항법 신호를 수신하여 그 전송 시간을 측정한다. 이 측정은 유사 랜덤 잡음 (Pseudo Random Noise; PRN) 변조 신호의 특성을 이용하여 수행한다. 또한 항법 위성의 천체력 (궤도) 정보를 수신하여 전송 시간에서의 항법 위성의 좌표를 구할 수 있다.
• 우주 세그먼트: 주로 항법 위성이다. 항법 위성은 원자 시계를 탑재하여 단기적 및 중기적 시간 변동이 적은 항법 신호를 생성하여 전송할 수 있다. 원자 시계의 중장기적 어긋남(바이어스 오차)은 예측 정보(약 2시간마다 갱신)로 사용자에게 전달하며, 사용자는 이 오차를 제거한다.
• 지상 관제 세그먼트: 주로 지상국/지상 시설이다. 항법 위성을 관제하는 지상국이 하나 이상 필요하며, 전 지구 규모 시스템에서는 관련 지상 시설 등을 합쳐 10곳 전후의 지상국을 갖는다. 항법 위성의 궤도를 관리하는 시설 외에 위성 궤도를 정확하게 측거하는 시설, 기준이 되는 시계를 유지하는 시설, 전리층 감시 시설, 항법 위성의 천체력 및 탑재하는 원자 시계의 중장기적 바이어스 예측 값을 결정하는 시설, 위성으로의 메시지 통신 시설, 그리고 시스템 전체를 운용 관리하는 시설이 필요하며, 이러한 시설 중 일부는 통합되어 있는 경우가 많다.^[54]

6. 오차 요인

이용자 수신기는 여러 항법 위성으로부터 전파로 전송된 항법 신호를 수신하여 그 전송 시간을 측정한다. 이 측정은 유사 랜덤 잡음 (Pseudo Random Noise; PRN) 변조 신호의 특성을 이용하여 수행한다.^[74] 또한 항법 위성의 천체력 (궤도) 정보를 수신하여 이를 통해 전송 시간에서의 항법 위성의 좌표를 구할 수 있다.

측위 정밀도를 저해하는 정도는 각 저해 요인으로부터의 오차 총합으로 결정된다. 오차의 통계적 성질은 계통 오차와 랜덤 오차로 분류된다. 단독 측위 경우 각 오차 요인은 다음과 같다.

• 멀티패스(Multipath): 항법 신호가 위성 안테나에서 수신기 안테나까지 직접 도달해야 하지만, 전파가 지면이나 건물 등에 반사되어 수신기 안테나에 도달하는 멀티패스 현상이 발생하면 측정 정밀도가 크게 저하된다.
• 위성 시계 오차: 위성 시계의 시간 오차(바이어스)는 항법 위성에서 전송되는 중장기적 변동값 정보를 통해 보정 계산을 수행한다. 하지만 이 보정값에는 약간의 오차가 포함되어 있으며, 단기적 변동은 보정되지 않는다.
• 천체력(궤도) 오차: 항법 위성에서 송신되는 천체력 (궤도 좌표) 정보에는 약간의 오차가 있다.
• 대기 지연: 대기의 굴절률은 위성 전파 신호의 전파 지연을 발생시키는데, 이를 '''대기 지연'''이라고 한다.
• 전리층 지연: 대기 굴절률을 결정하는 주요 요인은 대기 중 전리 전자의 양인 '''총 전자 수''' (total electron content, TEC)이며, 이는 주로 전리층 및 플라즈마권에 존재한다. 전리 전자에 의한 전파 지연을 전리층 지연이라 한다.
• 대류권 지연: 중성 대기는 대기 중 전리 전자를 제외한 성분으로, 주로 대류권과 성층권에 존재한다. 중성 대기 성분도 굴절률을 발생시키며, 이로 인한 지연을 대류권 지연이라 한다.
• 수신기 안테나 위상 중심 오차: 수신기 안테나 형태에 따라 안테나 평균 위상 중심이 달라지므로, 정밀 측량을 할 때는 캘리브레이션이 필요하다.

7. 응용

위성 항법 시스템은 원래 군사적 목적으로 개발되었다. 위성 항법은 무기를 표적에 정확하게 전달하여 치명률을 높이고, 아군의 위치를 파악하여 전쟁의 안개를 줄여준다.

하지만, 현재는 갈릴레오와 같은 전 지구 위성 항법 시스템(GNSS)을 통해 사용자와 다른 사람 또는 물체의 위치를 ​​특정 시점에 결정하는 데 사용된다. 과학, 운송, 농업, 보험, 에너지 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.^[12][13]

위성 항법 신호는 제공과 거부가 모두 가능하다. 즉, 위성 항법 시스템 운영자는 특정 지역에서 위성 항법 서비스의 품질을 저하시키거나 제거할 수 있다.

위성 측위 시스템은 측위 위성으로부터 전파를 수신하여 위치를 측정한다. 위치는 지구상의 위치이며, 위성만 사용한 단독 측위에서는 위성을 기준점으로 하여 지구 중심에 대한 위치를 측정한다.^[53] 복수의 관측 지점 혹은 기지의 지상 기준점을 사용하는 상대 측위/실시간 이동 측위에서는 단독 측위보다 측위 정밀도가 대폭 향상된다.^[56][57]

일본에서는 국토지리원이 GNSS 연속 관측 시스템의 구성 요소로서, 전자 기준점을 전국에 약 1,300개 설치하고 있으며,^[58] 얻어진 데이터는 전자 기준점 데이터 제공 서비스를 통해 실시간 이동 측위 등에 사용된다.^[59] 민간 기업도 독자적인 기준점을 설치하여 고정밀도의 위성 측위 서비스를 제공하고 있다.^[60]

해상 및 항공 교통 분야에서는 위성 항법 시스템이라고 부른다. 위성 항법은 복수의 항법 위성이 항법 신호를 지상으로 전파 송신(방송)하고, 이를 수신하는 수신기를 사용하는 방식의 항법을 말한다. 시스템은 항법 위성군과 그들을 관제하는 몇 개의 지상국으로 구성된다. 위성 항법 시스템의 시초는 군사용 트랜짓 (인공위성)이다.

위성 항법 시스템의 대표적인 기능은 다음과 같다.^[73]

• 위치 결정
• 실시간 위치 결정(항법)
• 고정밀 위치 결정(측량)
• 속도 결정(항법)
• 자세 결정(항법)
• 시각 동기화

• 차분 측위
• 대기 관측^[54]

8. 대한민국 현황 및 전망

대한민국은 미국의 GPS를 주로 사용하고 있지만, 독자적인 위성항법시스템 구축을 추진하고 있다. 한국형 위성항법시스템 (KPS) 개발을 통해 한반도 및 주변 지역의 정밀한 위치 정보 제공을 목표로 하고 있다. 위성 측위 시스템은 4차 산업혁명 시대의 핵심 인프라로, 자율주행, 스마트시티, 드론 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

9. 국제 규제

국제 전기 통신 연합(ITU)은 전파 항행 위성 서비스(RNSS)를 "전파 측정 위성 서비스로, 전파 항법의 목적으로 사용된다. 이 서비스는 또한 작동에 필요한 피더 링크를 포함할 수 있다."라고 정의한다.^[48]

RNSS는 생명 안전 서비스로 간주되며 항법의 필수적인 부분이며, 간섭으로부터 보호되어야 한다.

RNSS^영어 사용 예시는 다음과 같다.

• GNSS 보강 시스템
• 자동 종속 감시 방송
• 베이더우 항법 위성 시스템(BDS)
• 갈릴레오(GALILEO), 유럽 GNSS
• GPS(GPS), 차분 GPS(DGPS) 포함
• 글로나스(GLONASS)
• 인도 지역 항법 위성 시스템(NAVIC)
• 준천정 위성 시스템(QZSS)

• 1차: 대문자로 표기
• 2차: 소문자로 표기
• 독점 또는 공유 사용: 행정부의 책임 내.

바세나르 협정 등, 구 코콤(대공산권 수출통제위원회) 규제를 계승하는 안전보장 수출 관리 규제가 있다.

고도 18000m 이상, 속도 1900km/h 이상에서는 대륙간 탄도 미사일과 같은 용도로의 탑재를 막기 위해 수출할 수 없다.^{[106][107][108]}

또한, 관성 항법 장치를 복합한 GNSS 측위 단말은 규제되고 있다. 미국산 무기 관련 품목 및 기술의 거래를 규제하는 미국의 행정 규칙 중 하나로, 국무부의 무기 거래 관리국이 관할하고 있다.

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