IRNSS

1. 개요

IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System)는 인도가 개발한 지역 위성 항법 시스템이다. 1999년 카르길 전쟁 당시 미국의 GPS 데이터 접근이 거부된 것을 계기로 개발이 시작되었으며, 2013년 첫 위성 발사를 시작으로 2018년 7개의 위성 배치를 완료했다. IRNSS는 우주, 지상, 사용자 수신기로 구성되며, 인도 영토와 주변 지역에 위치 정보를 제공하는 것을 목표로 한다. 2019년부터 상업용 차량에 NavIC 기반 차량 추적 시스템 사용이 의무화되었으며, 향후 전 세계적인 항법 시스템(GINS)으로 확장할 계획을 가지고 있다.

2. 역사

1999년 5월, 인도와 파키스탄 사이에 카르길 전쟁이 발발했다. 이때 미국이 인도에 GPS 정보 제공을 거부하면서, 인도는 독자적인 위성항법시스템 개발 필요성을 절감하게 되었다. 2006년 5월, 인도 정부는 나브아이씨(NavIC) 프로젝트를 승인했다.

2010년 4월, 2011년 말부터 6개월마다 위성을 발사하여 2014년까지 IRNSS를 최적 운용할 계획이라는 보고가 있었다. 그러나 프로그램이 지연되어 당초 2015년까지 가동 예정이었으나, 인도는 이를 보완하기 위해 3개의 새로운 위성을 발사했다.

최초 위성인 IRNSS-1A는 2013년 7월 1일에 발사되었다. 이후 IRNSS-1B (2014년 4월 4일), IRNSS-1C (2014년 10월 16일), IRNSS-1D (2015년 3월 28일), IRNSS-1E (2016년 1월 20일), IRNSS-1F (2016년 3월 10일), IRNSS-1G (2016년 4월 28일)가 순차적으로 발사되었다.

IRNSS-1H는 IRNSS-1A를 대체하기 위해 2017년 8월 31일에 발사되었으나, 로켓 문제로 배치에 실패했다. 이를 대체하기 위해 IRNSS-1I가 2018년 4월 12일에 발사되었다. 이로써 총 9회(시험 발사 2회 포함)의 로켓 발사가 이루어졌고, 2018년부터 정식 가동에 들어갔다.

총개발비는 198 (200)이며, 지상 설비 구축에 42 (43), 7개의 인공위성은 각각 21 (22), 7개의 PSLV-XL 로켓은 각각 18 (20)이 소요될 것으로 예상되었다. 로켓 개량 비용은 127 (130) 정도로 계획되어 있다.

3. 개발

1999년 5월, 인도는 파키스탄과의 카르길 전쟁을 겪으면서 미국의 GPS에 의존하는 것의 문제점을 인식하고 독자적인 위성 항법 시스템 개발 계획을 수립, 2006년 5월에 개발을 승인했다.

총 개발비는 약 198 (200)로 추산되며, 세부 내역은 다음과 같다.

인도 우주 연구 기구(ISRO)가 개발을 주도했으며, 2013년 5월 28일 카르나타카주 비알랄루에 위성 항법 센터를 개설했다. 21개의 측량 스테이션 네트워크가 위성의 궤도 결정 및 항법 신호 모니터링을 위한 데이터를 제공한다.

3.1. 1세대

IRNSS 1세대는 우주, 지상, 사용자 수신기를 모두 인도에서 구축하여 완전한 인도 통제를 목표로 하였다. 낮은 위도에 위치하여 낮은 궤도 경사 위성으로 커버리지를 용이하게 했으며, 3개의 위성이 정지 궤도에 위치하여 인도양 상공에 위치하도록 설계되었다. 이러한 위성 배치는 미사일 타겟팅과 같은 중요한 군사적 응용에 활용될 수 있다.

2019년 4월 1일부터 자동차 산업 표준 140(AIS 140)을 준수하는 NavIC 기반 차량 추적 시스템 사용이 인도 내 모든 상업용 차량에 대해 의무화되었다. 또한, 2019년 12월 미국 의회는 NaVIC을 갈릴레오(위성 항법)(유럽) 및 준천정 위성 시스템(QZSS)(일본)과 함께 동맹 항법 위성 시스템 중 하나로 지정하였다.

IRNSS 시스템은 7기의 위성(IRNSS-1A ~ IRNSS-1G)과 지상국으로 구성된다. 7기 중 3기(1F, 1C, 1G)는 각각 경도 32.5도, 83도, 129.5도의 정지 궤도에 배치된다. 나머지 4기 중 2기(1A, 1B)는 궤도 경사각 29도를 갖는 동경 55도의 대지 동기 궤도에 배치된다. 나머지 2기(1D, 1E)는 궤도 경사각 29도를 갖는 동경 111.75도의 대지 동기 궤도에 배치된다. 이러한 배치는 7기의 위성이 인도의 지상국에서 연속적으로 보일 수 있음을 의미한다. 위성의 탑재체에는 원자 시계와 측위 신호를 수집하기 위한 전자 장비도 있다.

각 위성의 발사 날짜는 다음과 같다.

3.2. 시계 고장 문제

IRNSS 위성은 이스라엘에서 공급받은 루비듐 원자 시계를 사용한다.

2017년에는 IRNSS-1A에 탑재된 SpectraTime이 공급한 루비듐 원자 시계 3개가 모두 고장났으며, 이는 유럽 연합의 갈릴레오 위성군에서 발생한 고장과 유사하다. 첫 번째 고장은 2016년 7월에 발생했으며, 곧 IRNSS-1A의 다른 두 시계도 고장났다. 이로 인해 위성은 기능을 상실했으며 교체가 필요했다. 인도 우주 연구 기구(ISRO)는 2017년 6월에 대기 위성인 IRNSS-1H와 IRNSS-1I의 원자 시계를 교체했다고 보고했다. IRNSS-1A를 대체하기 위한 IRNSS-1H의 발사는 2017년 8월 31일 PSLV-C39 임무 실패로 인해 무산되었다. 두 번째 대기 위성인 IRNSS-1I는 2018년 4월 12일에 궤도에 성공적으로 진입했다.

2017년 7월에는 항법 시스템의 시계 2개에서 추가적인 이상 징후가 나타나 총 5개의 시계가 고장났다고 보고되었으며, 2018년 5월에는 추가로 4개의 시계가 고장나 궤도상의 24개 시계 중 총 9개가 고장났다.

항법 위성의 작동 수명을 연장하기 위한 예방 조치로, ISRO는 나머지 위성에서 2개가 아닌 1개의 루비듐 원자 시계만 가동하고 있다.

현재 단 4개의 위성만이 위성 항법 서비스를 제공할 수 있으며, 이는 서비스가 계속 작동하는 데 필요한 최소 개수이다.

3.3. 인도산 원자 시계 개발

ISRO의 우주 응용 센터(SAC)는 수입된 주파수 표준에 대한 의존도를 줄이기 위해 국내에서 설계 및 개발된 루비듐 표준 기반의 원자 시계 개발에 착수했다.

2017년 7월 5일, ISRO와 이스라엘 우주국(ISA)은 AccuBeat AR133A 모델을 기반으로 하는 루비듐 표준의 우주 적합성을 확보하고 ISRO 위성에서 테스트하기 위한 양해 각서를 체결했다.

이 시계는 NVS 시리즈 위성에 활용된다.

3.4. NaVIC 칩

국방연구개발기구(DRDO)는 Accord Software and Systems에 맞춤형 IRNSS 네트워크 타이밍 시스템 구축을 위탁했다. 2020년, 퀄컴은 NavIC을 지원하는 4개의 Snapdragon 4G 칩셋과 1개의 5G 칩셋을 출시했다. ISRO와 퀄컴의 계약 후, NavIC은 모바일 장치에서 민간 사용이 가능하도록 계획되었다. 기존 하드웨어와의 호환성을 높이기 위해 ISRO는 L1 밴드 지원을 추가할 예정이다.

2023년 12월 7일, 퀄컴은 일부 칩셋 플랫폼에서 NavIC L1 신호를 사용할 수 있게 될 것이라고 발표했다. 퀄컴 위치 정보 제품군은 최대 7개의 위성 시스템을 동시에 지원하며 향상된 위치 기반 서비스를 위해 더 빠른 최초 위치 확인 시간(TTFF) 위치 획득을 허용한다. 또한 NavIC의 모든 L1 및 L5 신호를 사용하여 정밀한 위치 측정을 수행한다. 2024년 하반기에는 퀄컴 칩셋 플랫폼이 NavIC L1 신호에 대한 추가 지원을 추가할 예정이며, 2025년 상반기에는 NavIC L1 신호를 지원하는 상용 제품이 판매될 예정이다.

4. 시스템 구성

NavIC 시스템은 우주 부문과 지상 부문으로 구성된다.

프로젝트의 총 비용은 14.2로 예상되었으며, 지상 부문은 3, 각 위성은 1.5, PSLV-XL 버전 로켓은 약 1.3의 비용이 소요될 것으로 예측되었다. 계획된 7개의 로켓 발사에는 약 9.1의 비용이 포함되었을 것이다. 그러나 두 개의 교체 위성 발사와 PSLV-XL 발사 필요성으로 인해 초기 예산이 변경되어, 인도 감사관은 2017년 3월 기준으로 22.46의 비용을 보고했다.

인도 우주부는 12차 5개년 계획(2012–2017)에서 커버리지 확장을 위해 위성군의 위성 수를 7개에서 11개로 늘리겠다고 발표했다. 추가될 4개의 위성은 12차 5개년 계획 기간 동안 제작되어 13차 5개년 계획(2018–2023) 초에 42° 경사의 동기 궤도에서 발사될 예정이다.

NavIC 시스템은 우주 부문, 지상 부문, 사용자 수신기를 모두 인도에서 구축하여 완전한 인도 통제를 목표로 한다. 낮은 위도에 위치하여 낮은 궤도 경사 위성으로 커버리지를 용이하게 한다. 3개의 위성이 정지 궤도에 위치하여 인도양 상공에 위치할 것이다. 미사일 타겟팅은 이 위성군의 중요한 군사적 응용 분야가 될 수 있다.

2019년 4월 1일부터 자동차 산업 표준 140(AIS 140)을 준수하는 NavIC 기반 차량 추적 시스템 사용이 인도 내 모든 상업용 차량에 대해 의무화되었다.

2019년 12월 미국 의회는 NaVIC을 갈릴레오(위성 항법)(유럽) 및 준천정 위성 시스템(QZSS)(일본)과 함께 동맹 항법 위성 시스템 중 하나로 지정하는 데 동의했다. 이 승인은 2020 회계연도 국방수권법의 일부였다.

4.1. 우주 부문

IRNSS는 7개의 위성으로 구성된 위성군이다. 3개의 위성은 정지 궤도에, 4개의 위성은 경사 정지 궤도에 위치한다. 이러한 배치는 인도 지상국에서 위성을 지속적으로 관측할 수 있도록 한다.

각 위성에는 원자 시계와 측위 신호 생성용 전자 장비가 탑재되어 있다. IRNSS는 인도 전역에서 10m, 인도 주변 해역을 포함하여 약 2000km 범위에서 20m 이상의 위치 정확도를 제공하는 것을 목표로 한다.

4.2. 지상 부문

IRNSS 위성군 유지 및 운영을 담당하는 지상 부문은 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있다.

* IRNSS 우주선 제어 시설 (IRSCF)
* ISRO 항법 센터 (INC)
* IRNSS 거리 및 무결성 모니터링 스테이션 (IRIMS)
* IRNSS 네트워크 타이밍 센터 (IRNWT)
* IRNSS CDMA 거리 측정 스테이션 (IRCDR)
* 레이저 거리 측정 스테이션
* IRNSS 데이터 통신 네트워크 (IRDCN)

IRSCF는 하산(Hassan)과 보팔(Bhopal)의 마스터 제어 시설(MCF)에서 운영된다. MCF는 항법 데이터를 업링크하고 추적, 텔레메트리 및 명령 기능에 사용된다. 현재 IRSCF의 FCA 7개와 FMA 2개가 IRNSS 위성의 LEOP 및 궤도 단계에 운영되고 있다.

비알랄루에 설립된 INC는 모든 지상국과 원격 운영 및 데이터 수집을 수행한다. ISRO 항법 센터(INC)는 비알랄루, 벵갈루루, 그리고 러크나우에서 운영되고 있으며, INC1(비알랄루)과 INC2(러크나우)는 함께 중복성을 갖춘 원활한 운영을 제공한다.

현재 16개의 IRIMS가 운영되고 있으며 IRNSS 운영을 지원하고 있다. 브루나이, 인도네시아, 호주, 러시아, 프랑스, 그리고 일본에 몇 개 더 계획되어 있다. 4개의 IRCDR 스테이션은 모든 IRNSS 위성에 대해 정기적으로 CDMA 거리 측정을 수행하고 있다. IRNWT는 2ns (2 시그마)의 정확도로 UTC에 대한 IRNSS 시스템 시간을 제공하도록 설립되었다. 레이저 거리 측정은 전 세계 ILRS 스테이션의 지원을 받아 수행된다. 항법 소프트웨어는 2013년 8월 1일부터 INC에서 운영되고 있다. 위성 궤도력, 시계 보정, 무결성 매개변수, 이온 지연 보정, UTC 및 기타 GNSS에 대한 시간 오프셋, 역서, 텍스트 메시지, 지구 자전 매개변수와 같은 보조 매개변수 등 모든 항법 매개변수가 자동으로 생성되어 우주선에 업로드된다. IRDCN은 지상국 간의 지상 및 VSAT 링크를 구축했다. 2021년 3월 현재 ISRO와 JAXA는 일본에서 NavIC 지상 기준국에 대한 보정 및 검증 실험을 수행하고 있다. ISRO는 또한 프랑스에 NavIC 지상 기준국을 설립하기 위해 CNES와 논의 중이다. ISRO는 코코스 제도에 NavIC 지상국을 계획하고 있으며 호주 우주국과 협의 중이다.

IRNSS의 지상국은 위성의 궤도를 추적·평가하고, 네트워크의 무결성을 보장하는 마스터 컨트롤 센터(MCC)와 위성에 명령을 보내 그 건전성을 확인하는 기타 지상국으로 구성된다. MCC는 7기의 위성 위치를 평가·예측하고, 무결성을 계산하며, 시계를 정확하게 조정하고, 측위 소프트웨어를 작동시킨다. 고도로 독립적인 시스템을 요구함에 따라 인도 표준시의 인프라도 이에 맞춰 확립되었다.

4.3. 신호

NavIC 신호는 표준 측위 서비스(SPS)와 제한 서비스(RS)를 포함한다. 두 서비스 모두 L5 (1176.45 MHz) 및 S 대역 (2492.028 MHz)으로 전송된다. 표준 측위 서비스 신호는 1 MHz BPSK 신호로 변조된다. 제한 서비스는 BOC(5,2)를 사용한다. 항법 신호 자체는 L5 (1176.45 MHz) 및 S 대역 (2492.028 MHz) 주파수로 전송되며, 필요한 커버리지와 신호 강도를 유지하기 위해 위상 배열 안테나를 통해 방송된다.

NavIC 시스템에는 메시징 인터페이스가 내장되어 있다. 이 기능을 통해 지휘 센터는 특정 지역에 경고를 보낼 수 있다. 예를 들어, 이 시스템을 사용하는 어부에게 사이클론에 대한 경고를 보낼 수 있다.

5. 정확도

표준 측위 서비스는 인도 영토 전역에서 약 5~10미터, 인도양과 인도 주변 약 1500km 지역에서 약 20m의 절대 위치 정확도를 제공하는 것을 목표로 한다. GPS는 이상적인 조건에서 5m의 위치 정확도를 가지지만, NavIC은 이중 주파수(S 및 L 밴드)를 사용하여 전리층 지연 오차를 줄임으로써 GPS보다 더 정확하다. NavIC은 두 주파수(S 및 L 밴드)의 지연 차이를 측정하여 실제 지연을 평가하므로 주파수 오류를 찾기 위해 어떤 모델에도 의존하지 않는다. 지구 대기의 전리층에 의한 전파 속도의 지연을 측정하여 위치 정보의 오차를 줄이는 것이다. SAC 관계자는 스마트폰 등 수신 측 기기가 지원한다면 2.5m-5m의 정밀도가 가능하다고 밝혔다.

6. 향후 개발

인도 우주 연구 기구(ISRO)는 탑재체와 수명을 각각 12년으로 개선한 5개의 차세대 위성을 발사할 예정이다. 새로운 위성은 L5 및 S 밴드와 더불어, 항법 탑재체에 L1 밴드에서 새로운 상호 운용 가능한 민간 신호를 도입하고, 인도의 루비듐 원자 주파수 표준(iRAFS)을 사용할 것이다. 새로운 L1 밴드 도입은 저전력 항법 시스템을 갖춘 웨어러블 스마트 및 IoT 기기에서 NavIC 확산을 촉진할 것이다.

2012년부터 2017년까지 진행된 12차 5개년 계획의 기술 및 정책 이니셔티브의 일환으로 전지구적 인도 항법 시스템(GINS)에 대한 연구 및 분석이 시작되었다. 이 시스템은 지구 상공 24000km에 위치한 24개의 위성으로 구성될 예정이다. 2021년 새로운 초안 정책에 따라, ISRO와 우주국은 NavIC의 범위를 지역에서 전 세계로 확장하여 GPS, GLONASS, 베이더우, 갈릴레오와 같은 다른 시스템에 독립적이면서 상호 운용 가능하고 전 세계 공공 사용에 무료로 제공될 수 있도록 노력하고 있다.

6.1. NVS 시리즈

인도 우주 연구 기구(ISRO)는 탑재체와 수명이 각각 12년으로 개선된 5개의 차세대 위성을 발사할 예정이다. NVS-01, NVS-02, NVS-03, NVS-04, NVS-05 위성은 현재 위성군을 보완하고 확장한다. 새로운 위성은 L5 및 S 밴드와 더불어, 항법 탑재체에 L1 밴드에서 새로운 상호 운용 가능한 민간 신호를 도입하고, 인도의 루비듐 원자 주파수 표준(iRAFS)을 사용할 것이다. 새로운 L1 밴드 도입은 저전력 항법 시스템을 갖춘 웨어러블 스마트 및 IoT 기기에서 NavIC 확산을 촉진할 것이다. NVS-01은 IRNSS-1G 위성을 대체하며 2023년에 GSLV에 탑재되어 발사되었다.

ISRO는 민간 항법 요구 사항을 충족하기 위해 이미 발사된 NVS-01을 포함하여 총 7개의 NVS 시리즈 위성을 계획하고 있다. 2024년 11월 현재, IRNSS 네트워크는 인도군의 전략적 사용으로 제한되어 있다. 이 위성들은 L5 및 S 밴드와 함께 L1 밴드를 갖추게 될 것이다. 이 시스템은 인도 내에서 10m, 인도 주변 1500km 지역에 대해 20m의 정확도를 제공할 것이다.

6.2. 전지구적 인도 항법 시스템 (GINS)

12차 5개년 계획(2012–17)의 기술 및 정책 이니셔티브의 일환으로 전지구적 인도 항법 시스템(GINS)에 대한 연구 및 분석이 시작되었다. 이 시스템은 지구 상공 24000km에 위치한 24개의 위성으로 구성될 예정이다. 2021년 새로운 초안 정책에 따라, 인도 우주 연구 기구(ISRO)와 우주국은 NavIC의 범위를 지역에서 전 세계로 확장하여 현재 운영 중인 GPS, GLONASS, 베이더우, 갈릴레오와 같은 다른 시스템에 독립적이면서 상호 운용 가능하고 전 세계 공공 사용에 무료로 제공될 수 있도록 노력하고 있다. ISRO는 전 세계 커버리지를 위해 처음에 12개의 위성을 중간 지구 궤도 (MEO)에 배치하여 위성군을 확장할 것을 인도 정부에 제안했다.

7. 위성 목록

IRNSS는 7개의 위성으로 구성된 위성군이다. 이 위성들은 3기는 정지 궤도(GEO)에, 4기는 경사 동기 궤도(IGSO)에 위치해 있다.

7.1. IRNSS 시리즈 위성

IRNSS 시스템은 7개의 위성(IRNSS-1A ~ IRNSS-1G)과 지상국으로 구성된다. 3기는 정지 궤도(GEO)에, 4기는 대지 동기 궤도(IGSO)에 배치된다. 정지 궤도 위성은 경도 32.5°(1F), 83°(1C), 129.5°(1G)에 위치하며, 대지 동기 궤도 위성 중 2기는 경도 55°(1A, 1B), 나머지 2기는 경도 111.75°(1D, 1E)에 위치한다. 궤도 경사각은 모두 29°이다. 이러한 배치는 7기의 위성이 모두 인도의 지상국에서 연속적으로 보일 수 있게 한다. 각 위성에는 원자 시계와 측위 신호 수집용 전자 장비가 탑재되어 있다.

최초의 위성 IRNSS-1A는 2013년 7월 1일 PSLV-C22 로켓으로 발사되었으며, 개발 비용은 160억 인도 루피 (29120)이다. 발사 질량은 1425kg이며, 루비듐 원자 시계, L 밴드와 S 밴드 측위 탑재체, C 밴드 중계기를 탑재한다. 임무 수명은 10년이며, 인도의 I-1K 위성 버스를 기반으로 개발되었다.

* IRNSS-1B는 2014년 4월 4일에 발사되었다.
* IRNSS-1C는 2014년 10월 16일에 발사되었으며, IRNSS 위성 중 처음으로 궤도 경사각이 없는 정지 궤도(동경 83도)에 투입되었다.
* IRNSS-1D는 2015년 3월 28일에 발사되었다.
* IRNSS-1E는 2016년 1월 20일에 발사되었다.
* IRNSS-1F는 2016년 3월 10일에 발사되었다.
* IRNSS-1G는 2016년 4월 28일에 발사되어 계획된 7기의 위성이 모두 궤도에 투입되었다.

7.2. NVS 시리즈 위성