“위성항법”… 기술 동향

[디지털비즈온 김맹근 기자] 위성항법은 초기에 군사적인 목적으로 개발되었으나 점차 상업적으로 확산되면서 위성항법의 활용 범위가 다양해지고 기술적 중요성 또한 강조되고 있다. 위성항법시스템은 지구궤도상에 4개 이상의 위성으로부터 수신되는 위성의 위치정보와 전파를 이용한 거리 측정을 통해 3차원의 위치, 시각(PNT)정보를 제공하는 위성 시스템이다.

네비게이션, 스마트폰, 드론 등 일상생활 속에서 활발하게 사용되고, 국방 무기체계 분야에서도 활용되고 있는 PNT 정보의 확보 수단은 위성항법시스템이 대표적이다.

자율주행 등 차세대 모빌리티 기술을 안정적으로 구현하기 위해서는 위성항법시스템을 통해 더욱 정밀한 PNT 정보를 확보하는 것이 중요하다. 미국 연방무선항법계획에 따르면 Level 4 이상의 완전 자율주행차를 구현하기 위해 10cm 수준의 정밀도가 요구된다.

우리나라는 한국형 위성항법시스템인 KPS(Korean)를 구축하여 경제적, 안보적 이점을 확보하기 위해 연구개발 중이다. 美 국립표준기술연구소는 GPS 중단 시 미국에서만 하루 10억 달러(한화 1.3조원)의 경제적 손실을 입을 것으로 추산)하고 있으며, 美 GPS에 의존하고 있는 우리나라 또한 상당한 피해를 입을 수 있다. 이에 따라 우리나라도 GPS 의존도를 낮추기 위해 한국형 위성항법시스템(KPS)에 착수하였으며 2035년부터 운영할 계획이다.

위성항법의 정의 및 분류는 위성항법이란 4개 이상의 위성으로부터 전송되는 위성 데이터와 전파를 지상과 양방향 통신으로 송수신하여 지구상의 사용자에게 위치 정보를 제공하는 시스템이다. 위성항법은 다수의 위성으로 구성되는 우주 부문(Space Segment), 항법위성의 궤도를 추적하고 관리･운영하는 제어 부문(Control Segment), 항법위성의 신호를 수신하여 위치와 시각을 결정하는 사용자 부문(User Segment)으로 구성한다.

위성항법은 서비스 제공 지역에 따라 글로벌/지역 위성항법시스템(GNSS/ RNSS)으로 나뉘며, 이를 보정하기 위한 보정시스템은 시스템의 위치에 따라 위성/지상기반보정시스템(SBAS/GBAS) 등으로 분류한다.

전 지구를 대상으로 하는 GNSS는 지구 전역의 사용자에게 4개 이상의 위성 전파를 도달 시키기 위해 약 30개의 위성으로 구성되며, RNSS의 경우 한정된 지역의 사용자에만 4개 이상의 위성 전파를 도달시키면 되므로 GNSS에 비해 훨씬 적은 수의 위성이 필요하다.

위성항법의 정밀도를 높이기 위한 보정 신호 발송 시스템은 정지 궤도 위성을 활용하여 항공기에게 보정 정보를 제공할 경우 SBAS, 지상에 있는 데이터 송출장치를 통하여 착륙하는 항공기에게 보정 정보를 제공할 경우 GBAS로 구분한다.

위성항법시스템(GNSS/RNSS)은 우주 부문(Space Segment) 지상의 사용자 부문(User Segment)에 위치정보를 획득할 수 있는 위성항법 신호를 생성하여 송신하며, 지상의 제어 부문(Control Segment)에는 위성 상태 관련 정보를 제공한 후 이와 관련된 위성 제어 데이터를 수신 받아 운영한다.

기존 위성의 수명 증대, 신규 항법신호 추가 등을 중심으로 현대화가 진행 중이며, 저궤도 위성과의 호환으로 정확도를 향상시키기 위한 위성을 발사할 계획이다.

제어 부문(Control Segment)은 우주 부문(Space Segment)에서 전달된 위성 상태 관련 정보를 추출하여 위성 궤도 수정, 위성시계 보정, 신호점검 등 우주 부문의 제어를 총괄한다. GPS를 기준으로 우주의 위성은 상대성 이론에 따라 지구의 시간보다 하루에 0.00030초 (30마이크로 초)의 차이로 빨라지며, 이를 수정하지 않으면 GPS 위치가 하루에 최대 10 km를 벗어나므로 제어할 필요가 있다.

우주 부문(Space Segment)에서 송신되는 PRN 코드와 동일한 코드를 신호 감시국에서 생성하여 해당 위성의 상태 정보 등 항법 데이터를 추출한다.

사용자 부문(User Segment)은 우주 부문에서 송신된 신호를 수신하여 사용자의 위치정보를 획득할 뿐만 아니라 일상생활 속에서 활용할 수 있는 다양한 서비스도 제공한다. 기본적인 위치 정보 외에도 국가별로 사용자의 안전을 확보하기 위한 정보를 제공한다.

유럽(EU)과 러시아는 차량 내 센서가 심각한 충돌(교통사고 등)을 감지하면 자동으로 응급 서비스를 호출하고, 해당 국가의 GNSS와 美 GPS를 연계하여 위급한 차량의 정확한 위치와 경로를 설정한 후 응급 구조원이 사고 현장에 신속하게 도착할 수 있는 비상 시스템을 개발했다.

중국은 이동 통신 신호가 적용되지 않는 지역이나 통신용 기지국이 손상된 경우를 대비하여 BeiDou와 양방향 통신을 통해 재난 구호 및 구조 작업, 해양 어업 등에 활용할 수 있는 글로벌/지역 단문메시지 서비스(SMC)를 최초로 개발했다.

일본은 재해 발생 시 QZSS 위성을 통해 대피소의 위치와 개방 유/무, 피난민 수 등을 알려주는 QZSS 안전확인서비스(Q-ANPI)를 개발했다.

결과적으로 위성항법의 활용도가 높아지는 만큼 인공위성, 위성전파, 데이터 등을 안전하게 관리 및 운용하기 위한 보안 기술 개발과 규정 마련 필요하다. 진화하고 있는 재밍(Jamming), 스푸핑(Spoofing) 등 사이버 위협에 대응하기 위하여 양자암호 등 미래 보안 기술을 접목한 방어 수단 마련 필요하다.

또한, 물리적 또는 비물리적 피해로 위성항법의 운용이 어려울 시 발생할 수 있는 혼란을 최소화하기 위해 민･관･군이 협력하여 대비책을 강구할 필요가 있다.