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1. 우주용 GNSS 개발의 필요성
자동차의 네비게이션으로 일반인들에게 그 이름을 알린 GPS로 대변되는 위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)은 이미 많은 분야에 있어 메인 항법 센서로 사용되고 있다. 자동차, 보행자, 비행기, 선박 등의 항법시스템으로 사용된 데 이어, 현재는 유도 무기와 같은 군용 시스템 및 인공위성, 위성 발사체, 과학탐사 로켓과 같은 우주 시스템의 가능성을 시험하고 있으며, 몇몇 실용 사례도 보고되고 있다.
위성의 항법 및 궤도 결정 센서로 GPS 수신기를 사용할 경우, NORAD TLE (US SPACE COMMAND TWO-LINE-ELEMENT) 와 같은 외부 의존적인 데이터나 Satellite Laser Ranging, Radar Tracking 장비와 같은 고가의 장비 없이도 독자적으로 자국 또는 자사 보유의 위성에 대하여 실시간 위치 및 궤도 정보를 저비용으로 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한, 수 km에 달하는 현재 센서들의 오차에 비하여 GPS를 사용할 경우, 수십 m 정도의 오차를 만족시킬 수 있어 정확도 면에서도 많은 향상을 기대할 수 있다.
우주에서, 특히 인공위성에서 GNSS를 이용하는데, 가장 큰 문제가 되는 부분은 GNSS의 가용성이다. 인공위성의 경우, 매우 빠르게 움직이며, 또한 동체가 회전을 하기 때문에, 위성의 가시성이 수시로 바뀌게 된다. 이러한 문제들로 인해 지상에서의 사용과는 다른 특성을 보이게 되기 때문에, 이러한 부분을 고려할 필요가 있다.
최근에 미국의 GPS뿐만 아니라, 러시아의 GLONASS도 정상 운용을 준비하고 있으며, 유럽의 Galileo 프로젝트도 진행되고 있다. 그 외에도 다양한 전 지구위성항법 및 지역위성항법 서비스가 준비 중에 있다. 따라서 우주에서 이용할 수 있는 위성항법 서비스 및 신호가 크게 확대되어, 우주에서의 GNSS 활용에 대한 가용성 문제가 해결될 수 있는 가능성이 높아지고 있다. 우주에서의 GNSS 신호는 고도에 따라 아래와 같은 수신 특성을 갖는다.
Figure 1. GNSS signal in the space
2. 저궤도 위성용 GNSS 수신기 개발
저궤도 위성은 초속 8km 정도의 고속 이동을 하고 자세가 수시로 바뀌므로, 항법 위성의 가시성이 수시로 바뀌고 도플러의 변화율이 크다. 따라서 이러한 환경에 대응하기 위하여 일반 지상 사용자와 별도의 저궤도 위성 전용 GNSS 수신기를 개발한다. 저궤도 위성용 GNSS 수신기는 큰 도플러량을 고려하여 신호 획득시 도플러 검색 구간을 확장할 필요가 있으며, 이에 따른 계산량 증가 문제를 해결하기 위하여 A-GPS 개념을 도입할 수 있다. 저궤도 위성의 고속 이동은 신호 추적에도 영향을 미치므로 반송파 추적 루프를 강건하게 설계할 필요가 있다.
본 연구실에서는 위와 같은 사항을 고려하여 저궤도 위성용 GNSS 수신 소프트웨어를 개발하고 있다. 해당 수신 소프트웨어는 GPS L1 신호뿐만 아니라 L2C, L5신호를 함께 수신하고 Galileo 시스템의 E1B, E5a 신호 또한 수신 처리하여 멀티 밴드, 멀티 시스템을 활용한 복합 항법을 수행하도록 설계되었다. 다음 그림은 개발중인 저궤도 위성용 통합 수신기 구조를 나타낸 것이다.
Figure 2. Multi-Band Software GNSS Receiver Structure for LEO
3. 중/고고도 위성용 GNSS 수신기 개발
중/고고도 위성은 저궤도 위성과 같은 고속의 이동은 하지 않지만 GNSS 위성 궤도보다 훨씬 높은 고도에서 운영되기 때문에 GNSS 위성의 신호를 수신하는 것 자체가 매우 어려운 문제가 된다. 중/고고도 위성은 지구 중심을 향하여 방송되는 GNSS 신호의 메인 로브 신호 일부와 사이드 로브 신호를 수신하여 운영되는데, 위성 가시 영역이 좁기 때문에 가시성을 확보하기 어려우며, 따라서 위성 신호 외에 추가적인 궤도 필터를 사용하게 된다. 가용한 위성 신호가 존재하는 영역이라고 하더라도 GNSS 위성 신호의 송신단에서 중/고고도 위성의 수신단까지 수만 km의 거리를 거치면서 신호 세기가 크게 감쇄되므로, 미약 신호를 수신 처리할 수 있는 기술이 필요하다.
본 연구실에서는 위와 같은 사항을 고려하여 중/고고도 위성용 GNSS 수신 소프트웨어를 개발하고 있다. 해당 수신 소프트웨어는 GPS L1 신호를 대상으로 하며 미약 신호의 수신 처리를 위하여 신호 상관기의 적분시간을 수백 ms까지 증가시키도록 하였다. 이렇게 적분시간을 증가시키기 위해서는 코드의 도플러 효과를 고려하고, 항법 비트의 시작점 및 항법 비트 시퀀스를 추정하는 알고리즘이 필요하다. 다음 그림은 개발중인 중/고고도 위성용 수신 소프트웨어를 이용하여 미약신호(23dB)를 수신 처리한 결과를 나타낸 것이다. 각 신호 추적 관련 파라미터들이 수렴하며 신호 추적이 성공적으로 이루어짐을 확인할 수 있다.
Figure 3. Signal Tracking Results for Weak Signal
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Professor
