GPS 블록 IIIA

1. 개요

GPS 블록 IIIA는 미국이 개발한 차세대 GPS 위성의 첫 번째 10개 위성을 지칭한다. 이 위성은 록히드 마틴이 제작했으며, 수명은 15년이다. 2018년 12월 첫 번째 위성이 발사되었으며, 현재까지 7기가 발사되어 6기가 운용 중이다. GPS 블록 IIIA는 신호 세기 증가, 레이저 반사경 탑재, 조난 경보 위성 시스템(DASS) 탑재 등 다양한 개선 사항을 포함하며, 차세대 운영 제어 시스템(OCX)을 통해 제어된다.

2. 역사

미국의 GPS는 1995년 7월 17일에 완전 운용 능력을 갖추어 원래의 설계 목표를 달성했다. 기술 발전과 기존 시스템에 대한 새로운 요구에 따라 GPS 시스템 현대화 노력이 시작되었다. 2000년, 미국 의회는 GPS III 프로젝트를 승인했다.

이 프로젝트에는 새로운 지상국과 새로운 위성이 포함되며, 민간 및 군사 사용자를 위한 추가 항법 신호를 제공하여 모든 사용자의 정확성과 가용성을 향상시키는 것을 목표로 한다.

레이시온은 2010년 2월 25일에 차세대 GPS 운영 제어 시스템(OCX) 계약을 수주했다.

GPS 블록 III의 첫 번째 위성은 2014년에 발사될 예정이었으나, 상당한 지연으로 인해 2018년 12월로 연기되었다.

3. 개발

GPS 블록 III 위성은 록히드 마틴의 A2100M 위성 버스 구조를 사용한다. 추진제 및 가압 탱크는 노스롭 그러먼 혁신 시스템에서 경량 고강도 복합 재료로 제조되었으며, 각 위성은 노스롭 그러먼 우주 항공에서 설계 및 제조한 8개의 배치 가능한 JIB 안테나를 탑재한다.

3.1. 개발 지연

GPS 블록 III의 첫 위성 발사는 당초 2014년으로 계획되었으나 여러 요인으로 인해 지연되었다. 2016년 12월, 미국 공군은 첫 위성이 2018년 봄에 발사될 것이라고 발표했지만, 2017년 3월 미국 정부 회계 감사원은 기술적인 문제로 인해 2018년 3월 발사가 어려울 것이라고 밝혔다.

지연의 주요 원인은 항법 탑재체에서 발견된 문제였다. 또한, 스페이스X의 팰컨 9 로켓에 대한 추가적인 테스트 및 검증 필요성으로 인해 발사 일정이 더욱 지연되었다. 결국 첫 번째 위성은 2018년 12월 23일에 발사되었다.

4. 발사 현황

현재까지 GPS 블록 III 위성 10기 중 7기가 발사되었다. 이 중 6기는 현재 운용 중이며, 1기는 시험 중에 있다.

5. 새로운 항법 신호

GPS III는 기존 신호 외에 다음과 같은 새로운 항법 신호를 추가하여 성능을 향상시켰다.

* 민간용 L2 신호 (L2C): L2 주파수(1227.6 MHz)에서 방송되는 민간용 신호이다. 항법 정확성을 개선하고, 추적이 쉬운 신호를 제공하며, 국부적인 간섭 발생 시 중복 신호 역할을 한다. 이중 주파수 수신기를 통해 전리층 지연 오류를 측정하고 제거할 수 있다.
* 군사용 신호 (M-코드): 군사용 GPS 신호의 재밍 방지 및 보안 접근성을 더욱 향상시키도록 설계되었다. 지향성 안테나를 사용하여 특정 지역(예: 직경 수백 킬로미터)에 신호 강도를 20dB(전력 100배) 증가시킬 수 있는 스폿 빔 신호를 송출한다.
* 생명 안전 신호 (L5): L5 주파수(1176.45MHz)에서 방송되는 민간용 신호이다. 항공 항법 서비스 대역에 위치하여 항공 업계가 간섭을 효과적으로 관리할 수 있도록 돕는다. 2009년 WAAS 위성이 초기 L5 신호 테스트 전송을 보냈으며, 2010년 6월 28일부터 최초의 GPS 블록 IIF 위성인 SVN-62가 L5 신호를 지속적으로 방송했다.
* 새로운 민간용 L1 신호 (L1C): 기존 C/A 신호와 동일한 L1 주파수(1575.42 MHz)에서 방송되는 민간용 신호이다. 파일럿 반송파를 포함하여 추적 개선을 꾀했으며, 갈릴레오 L1과의 상호 운용성이 향상되었다.

5.1. 민간용 L2 신호 (L2C)

조악한 획득 (C/A) 신호에 사용되는 L1 주파수 외에 L2 주파수(1227.6 MHz)에서 방송되는 새로운 민간용 신호가 추가되었으며, 이를 L2C 신호라고 부른다. L2C 신호는 항법 정확성을 개선하고, 추적하기 쉬운 신호를 제공하며, 국부적인 간섭 발생 시 중복 신호 역할을 수행한다.

하나의 위성에서 두 개의 민간 주파수가 전송되면 해당 위성의 전리층 지연 오류를 직접 측정하고 제거할 수 있다. 이러한 측정이 없으면 GPS 수신기는 일반 모델을 사용하거나 다른 소스 (예: 위성 기반 보강 시스템)에서 전리층 보정을 수신해야 한다. GPS 위성 및 GPS 수신기 기술 발전으로 전리층 지연은 C/A 신호에서 가장 큰 오류 원인이 되었다. 이러한 측정을 할 수 있는 수신기를 이중 주파수 수신기라고 한다.

L2C는 두 개의 개별 PRN 시퀀스를 포함한다.

* CM (Civilian Moderate length code, 민간 중간 길이 코드)은 길이가 10,230 비트이며 20 밀리초마다 반복된다.
* CL (Civilian Long length code, 민간 장 길이 코드)은 767,250 비트이며 1,500 밀리초 (즉, 1.5초)마다 반복된다.
* 각 신호는 초당 511,500 비트 (bit/s)로 전송되지만, 1,023,000 bit/s 신호를 형성하기 위해 다중화된다.

CM은 변조된 25 bit/s 항법 메시지와 순방향 오류 정정을 포함하는 반면, CL은 추가적인 변조된 데이터를 포함하지 않는다. 긴 비 데이터 CL 시퀀스는 L1 C/A보다 약 24 dB 더 큰 상관 보호 (~250배 더 강력함)를 제공한다. L2C 신호 특성은 L1 C/A보다 2.7 dB 더 큰 데이터 복구 및 0.7 dB 더 큰 반송파 추적을 제공한다. L2C 신호 전송 전력은 L1 C/A 신호보다 2.3 dB 더 약하다. 단일 주파수 응용 프로그램에서 L2C는 L1보다 65% 더 많은 전리층 오류를 갖는다.

L2C 신호를 전송할 수 있는 모든 위성 (2005년 이후 발사된 모든 GPS 위성)은 2014년 4월에 사전 운영 민간 항법 (CNAV) 메시지를 방송하기 시작했으며, 2014년 12월에 미국 공군은 CNAV 업로드를 매일 전송하기 시작했다. L2C 신호는 최소 24개의 우주 비행체에서 방송된 후에 완전히 작동하는 것으로 간주될 예정이며, 이는 2023년에 발생할 것으로 예상된다. 2017년 10월 기준으로 L2C는 19개 위성에서 방송되었으며, 2022년 6월까지 이 신호를 방송하는 위성은 24개였다.

5.2. 군사용 신호 (M-코드)

M-코드라고 불리는 새로운 군사용 신호는 군사용 GPS 신호의 재밍 방지 및 보안 접근성을 더욱 향상시키도록 설계되었다. M-코드는 이전 군사용 코드인 P(Y) 코드가 이미 사용하고 있는 동일한 L1 및 L2 주파수에서 전송된다. 새로운 신호는 에너지의 대부분을 가장자리(기존의 P(Y) 및 C/A 반송파에서 멀리 떨어진 곳)에 배치하도록 형성되었다. P(Y) 코드와 달리 M-코드는 자율적으로 설계되어 사용자가 M-코드 신호만 사용하여 자신의 위치를 계산할 수 있다. P(Y) 코드 수신기는 일반적으로 먼저 C/A 코드를 잠근 다음 P(Y) 코드를 잠그도록 전환해야 한다.

M-코드는 광각(전 지구) 안테나 외에 지향성 안테나에서 방송되도록 설계되었다. 지향성 안테나의 신호는 스폿 빔이라고 하며 특정 지역(예: 직경 수백 킬로미터)을 겨냥하여 국부 신호 강도를 20 dB(10× 전압 전계 강도, 100× 전력) 증가시키도록 설계되었다. 두 개의 안테나가 있다는 부작용은 스폿 빔 내부의 수신기의 경우 GPS 위성이 동일한 위치를 차지하는 두 개의 GPS 신호로 나타난다는 것이다.

전 지구 M-코드 신호는 블록 IIR-M 위성에서 사용할 수 있지만, 스폿 빔 안테나는 블록 III 위성이 배치될 때까지 사용할 수 없다. 다른 새로운 GPS 신호와 마찬가지로 M-코드는 OCX, 특히 2단계에 의존하며, 이는 2016년 10월에 서비스가 시작될 예정이었지만, 2022년으로 연기되었으며, GAO가 예상한 첫 위성 발사 2년 지연을 반영하지 않았다.

M-코드의 기타 특성은 다음과 같다.

5.3. 생명 안전 신호 (L5)

L5 주파수(1176.45MHz)로 방송되는 민간용 신호이다. 2009년 WAAS 위성이 초기 L5 신호 테스트 전송을 보냈다. 최초의 GPS 블록 IIF 위성인 SVN-62는 2010년 6월 28일부터 L5 신호를 지속적으로 방송했다.

GPS III 제어 세그먼트의 일정 지연으로 인해 L5 신호는 OCX 배포 일정에서 분리되었다. L5 신호를 전송할 수 있는 모든 위성(2010년 5월 이후 발사된 모든 GPS 위성)은 2014년 4월에 사전 운영 민간 항법(CNAV) 메시지를 방송하기 시작했으며, 2014년 12월에 공군은 CNAV 업로드를 매일 전송하기 시작했다. L5 신호는 최소 24개의 위성이 해당 신호를 방송할 때 완전히 운영되는 것으로 간주되며, 현재 2027년에 실현될 것으로 예상된다. 2023년 7월 10일 기준으로 L5는 블록 IIF, SVM-63이 제거된 후 17개의 위성에서 방송되고 있다.

L5 신호의 특징은 다음과 같다.

* 향상된 성능을 위한 신호 구조 개선.
* L1 또는 L2C 신호보다 더 높은 전송 전력(~3 dB, 즉 2배 강력함).
* 더 넓은 대역폭으로 10배의 처리 이득을 얻음.
* 더 긴 확산 코드(C/A 코드에서 사용되는 것보다 10배 더 김).
* 전 세계적으로 사용 가능한 주파수 대역인 항공 항법 서비스 대역에 위치함.

WRC-2000은 이 항공 대역에 우주 신호 구성 요소를 추가하여 항공 업계가 L2보다 L5에 대한 간섭을 더 효과적으로 관리할 수 있도록 했다. 이는 IS-GPS-705에 정의되어 있다.

5.4. 새로운 민간용 L1 신호 (L1C)

L1C는 현재 모든 GPS 사용자가 사용하는 C/A 신호와 동일한 L1 주파수(1575.42 MHz)로 방송되는 민간용 신호이다.

L1C 방송은 GPS III 제어 세그먼트(OCX) 블록 1이 가동될 예정인 2022년에 시작되었다. L1C 신호는 2020년대 후반으로 예상되는 최소 24개의 GPS 블록 III 위성에서 방송될 때 완전한 운영 상태에 도달할 것이다.

L1C의 특징은 다음과 같다.

* 하위 호환성을 보장하기 위해 C/A 코드를 제공한다.
* 모든 잡음 증가를 완화하기 위해 최소 C/A 코드 전력을 1.5dB 증가시켰다.
* 비데이터 신호 구성 요소는 추적 개선을 위해 파일럿 반송파를 포함한다.
* 갈릴레오 L1과의 상호 운용성이 향상된다.

IS-GPS-800에 정의되어 있다.

6. 개선 사항

GPS III는 이전 블록에 비해 다음과 같은 주요 개선 사항을 포함한다.

* 정확도 향상: 민간 GPS 수신기의 오차 범위가 기존 3~10m에서 1~3m로 좁혀져, 이전보다 3배 더 정확한 정보를 제공한다. 군사용으로는 이보다 더 정확한 정보를 제공하는 것으로 알려졌다.
* 신호 세기 증가: M-코드, L1, L2, L5 신호 세기가 증가하여 수신 환경이 개선되었다.
* 레이저 반사경 탑재: 미국 항공우주국(NASA)의 요청으로 레이저 반사경이 탑재되었다. 이를 통해 전파 신호와 독립적으로 위성의 궤도를 추적할 수 있으며, 위성 시계 오류를 궤도력 오류와 분리할 수 있다.
* DASS(조난 경보 위성 시스템) 탑재: 미국 공군(USAF)은 미국 항공우주국(NASA)과 협력하여 국제 코스파스-사르삿 프로그램(International Cospas-Sarsat Programme)의 일환으로 DASS 탑재체를 추가하였다. 이는 조난시 수색 및 구조 활동을 지원한다.

6.1. 신호 세기 증가

M-코드, L1, L2, L5 신호의 세기가 증가하여 수신 환경이 개선되었다.

* M-코드: 최대 -158 dBW / 최대 -138 dBW
* L1 및 L2: C/A 코드 신호의 경우 최대 -157 dBW, P(Y) 코드 신호의 경우 최대 -160 dBW
* L5: 최대 -154 dBW

우주항공 기업(The Aerospace Corporation) 연구원들은 고출력 M-코드 신호를 가장 효율적으로 생성하려면 기존의 전 지구적 범위 대신 지름 수백 킬로미터의 지향성 스폿 빔을 생성하는 고이득 안테나를 사용해야 한다고 결론지었다. 당초 이 제안은 블록 IIF 위성 개조안으로 고려되었으나, 대형 안테나 추가 및 운용 제어 부문 변경 필요성으로 인해 기존 시스템 설계로는 실현이 어렵다고 판단되었다.

6.2. 레이저 반사경

미국 항공 우주국(NASA)은 블록 III 위성에 레이저 반사경 탑재를 요구했다. 이는 무선 신호와 관계없이 위성의 궤도를 추적하고, 위성 시계의 오차를 천체력 오차로부터 분리할 수 있도록 하기 위한 것이다. 글로나스에 표준으로 장착되어 있으며, 갈릴레오에도 장착될 예정인 이 기능은 2개의 구형 GPS 위성(위성 35 및 36)에도 실험적으로 장착되어 있었다。

6.3. 조난 경보 위성 시스템 (DASS)

미국 공군은 미국 항공우주국(NASA)과 협력하여 국제 코스파스-사르삿 프로그램(International Cospas-Sarsat Programme)의 일환으로 GPS III 위성에 DASS 탑재체를 추가하여 수색 구조 활동을 지원한다.

7. 제어 부문

GPS 운용 통제 세그먼트(OCS)는 전 세계 위성 운영 센터, 지상 안테나 및 모니터링 스테이션 네트워크로 구성되어 있으며, GPS 블록 II 위성의 지휘 및 통제 기능을 제공한다. OCS의 최신 업데이트인 아키텍처 진화 계획 7.5는 2019년에 운영상 승인되었다.

7.1. 차세대 운영 제어 시스템 (OCX)

OCX^영어는 블록 0, 1, 2, 3F로 구성되어 단계적으로 기능이 확장된다.

* OCX 블록 0: GPS III 위성의 발사 및 초기 궤도상 점검을 지원한다. 2018년 4월과 5월에 두 번의 사이버 보안 테스트를 완료했으며 새로운 취약점은 발견되지 않았다. 2018년 6월에는 GPS III와의 세 번째 통합 발사 리허설을 성공적으로 마쳤다. 미국 공군은 2017년 11월 OCX 블록 0의 인도를 수락했으며, 2022년 5월 현재 GPS III SV 01–05의 발사 및 점검을 성공적으로 지원했다.
* OCX 블록 1: 초기 운영 능력(IOC)을 달성하며, 블록 II 및 III GPS 위성을 모두 제어하고, 민간 L1C 신호를 방송할 수 있는 기능을 지원한다. 2018년 9월에 최종 단계의 핵심 설계 검토(CDR)를 완료했다.
* OCX 블록 2: 군사용 M-코드 기능 및 민간 신호 모니터링 기능을 제공한다. 2017년 3월, 계약업체는 OCX 납품 일정을 재조정하여 블록 2가 블록 1과 동시에 공군에 인도될 예정이다.
* OCX 블록 3F: 블록 IIIF 위성의 발사 및 점검 기능을 지원한다.

7.2. 비상 운영

GPS III 비상 운영("COps")은 GPS 운영 통제 부문(OCS)의 업데이트로, OCS가 GPS III 위성으로부터 블록 IIF 위치, 항법 및 시각(PNT) 기능을 제공할 수 있도록 하는 것이다. 비상 운영 노력을 통해 OCX 블록 1이 운영될 때까지(2022년 예정) 기다리지 않고도 GPS III 위성이 제한적인 방식으로나마 GPS 위성군에 참여할 수 있게 되었다.

미국 우주군은 2016년 2월에 96 규모의 비상 운영 계약을 체결했다. 비상 운영은 2020년 4월에 운영상 승인을 받았다.

8. 대한민국에 대한 영향

GPS III는 한국의 경제, 사회, 안보 등 다양한 분야에 영향을 미칠 수 있다.