|
1. GNSS의 취약성과 의사위성의 필요성
현재 GPS로 대변되는 GNSS의 장점은 경제성과 정확성이라 할 수 있다. 즉 사용자 입장에서는 아주 저렴한 비용으로 고 정확도의 위치해를 얻을 수 있다는 의미가 된다. 이러한 장점으로 인해 GNSS는 항법 분야에 있어 독보적인 인프라가 되었다.
하지만 GNSS 역시 몇 가지 취약점을 안고 있는데, 첫 번째는 위성 신호가 차단되는 공간에서는 이용이 불가능하다는 것이다. 이는 지상 20,000km 상공의 인공위성에서 신호를 방송하므로, 수신되는 신호의 세기가 매우 약하기 때문이다. 이러한 문제로 인해 실내 공간 및 산악지형 그리고 도심지 등에서는 GNSS의 가용성이 크게 떨어지는 것이 현실이다. 두 번째는 위성 배치의 기하학적 문제로 인해(위성은 사용자의 머리 위쪽에만 존재한다. 위성이 전 방향에 대해 고르게 존재할 때, 위치 정확도가 좋아진다. (DOP 개념 참조)) 수직 방향의 정확도가 떨어지는 것이다. 이러한 문제는 항공 분야에서 GNSS를 이용하는데, 큰 제약을 주게 된다.
GNSS의 이러한 취약성을 해결하기 위한 노력은 과거부터 현재까지 계속 진행되어 오는데, 본 연구실에서는 추가적인 신호 소스를 이용하여 GNSS의 취약성을 보완하는 시스템인 의사위성(Pseudolite) 시스템에 대해 연구를 진행중이다.
Figure 1. Why do we need Pseudolites?
2. 의사위성의 개념
의사위성은 GNSS 위성과 비슷한 신호를 송출하여 수신기로 하여금 마치 또 하나의 GNSS 위성이 있는 것처럼 인식하도록 하는 일종의 전파 송출 장치이다. 따라서 의사위성은 GNSS 위성의 역할을 할 수 있으며, 기존의 GNSS 수신기로 의사위성의 신호를 수신하여 활용하는 것이 가능하다.
Table 1. GNSS Satellites vs Pseudolites
3. 의사위성의 구조
의사위성은 이미 언급한 것처럼 GNSS 위성과 거의 같은 신호를 생성하여 방송한다. 여기서는 GPS 위성(민간용인 L1 주파수 밴드)에 대한 것만을 다루도록 하겠다. 의사위성의 기본 구조는 아래 그림과 같다. 개략적으로는 L1 주파수의 carrier를 생성하고, 50Hz의 navigation data bit이 곱해진 C/A code와 믹싱(mixing)하여 안테나를 통해 외부로 방송하는 형태이다.
Figure 2. Block diagram of Pseudolite
4. 의사위성을 이용한 실내항법시스템
의사위성은 여러 분야에서 활용이 가능하다. 대표적인 분야는 실내항법 분야, 무인항공기 및 공항의 정밀 착륙시스템, GNSS가 없는 환경(달 및 화성)에서의 독자항법, E911 서비스 등이 있다. 아래 그림은 의사위성을 이용한 항법시스템의 분류이다.
Figure 3. Classification of Pseudolite Navigation System
본 연구실에서는 1999년부터 의사위성을 이용한 실내항법시스템 연구를 시작했으며, 현재 아래 그림과 같이 연구실 내에서 의사위성을 이용해 cm 급의 정확도로 위치를 추정할 수 있는 실내항법시스템을 구축하였다.
Figure 4. Pseudolite Indoor Navigation System in Seoul Nat'l Univ.
본 연구실에서는 비동기식과 동기식 의사위성 시스템을 개발하였다. 비동기식 시스템은 의사위성의 클럭이 독립적이기 때문에, 이로 인한 오차가 발생하며, 이를 보정하기 위해 보정항법시스템을 사용해야 한다. 즉 사용자는 수신기와 함께 보정 데이터를 받기 위한 데이터 링크가 필요하다. 반면 동기식 시스템은 의사위성의 클럭이 모두 동기되기 때문에, 사용자는 추가적인 보정 데이터 없이 수신기만으로 cm급 항법 수행이 가능하다.
5. 실내항법시스템 성능 분석
다음은 본 연구실에서 개발한 실내항법시스템의 성능 분석 결과이다.
Figure 5. Static error of Pseudolite based Indoor Navigation System
Figure 6. Dynamic error of Pseudolite based Indoor Navigation System
Figure 7. Zigzag test of Pseudolite based Indoor Navigation System
6. 기술현황 및 GNSS 연구실의 연구 성과
다음은 본 연구실에서 개발한 의사위성 관련 시스템의 내역이다.
2000년 : 세계 2번째 의사위성 기반 실내항법시스템 개발
2002년 : 동기식 의사위성 항법시스템 개발
2005년 : 항공용 GPS 의사위성 시스템 개발
2007년 : 양방향 측위기법을 이용한 스마트 의사위성(Transceiver) 항법시스템 개발
2009년 : 단일 통신 AP를 이용한 위치 확인 알고리즘 개발(국내 특허 등록, 미/유/중국 특허 출원)
2011년 : 상용수신기를 이용한 의사위성 항법 알고리즘 개발(국내 특허 등록)
Figure 8. Automatic Control of Vehicle using Pseudolite based Indoor Navigation System
|
Professor
