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광정 추
6 years ago
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발간사 최근북한의고의적인위성항법장치 (GPS) 통신방해 (Jamming) 에의한경기북부지방의이동통신기기의시각오차및항공기항법장치의오류가발생하였습니다. 따라서온국민이사용하는위치및시각정보를미국등외국의위성항법시스템에무작정의존해서는안될상황에직면하고있습니다.

3 발간사 최근북한의고의적인위성항법장치 (GPS) 통신방해 (Jamming) 에의한경기북부지방의이동통신기기의시각오차및항공기항법장치의오류가발생하였습니다. 따라서온국민이사용하는위치및시각정보를미국등외국의위성항법시스템에무작정의존해서는안될상황에직면하고있습니다. GPS로대표되는전역위성항법시스템 (GNSS) 은수십개의위성을이용하여전세계의모든지역에서언제든지위치와시각서비스를제공받을수있는전파항법시스템으로이미일상생활에없어서는안될필수적인정보통신인프라로정착하였습니다. 이렇게삶에유용한서비스의이면에는이번북한에의한고의적인재밍과같은위성항법시스템사용의안전성문제가고조되어이에대한국가차원의대책수립이요구됩니다. 또한누구나언제어디에서도사용이가능한 GNSS를보유하지못하고있는국가 ( 중국, 일본, 인도등 ) 들은기술의종속또는서비스의중단을우려하여독자적인위성항법시스템을연구개발또는구축하고있어우리도정부차원의대책수립이절실한시점입니다. 본이슈페이퍼에서는다원화되는 GNSS 환경하에서우리나라의위성항법주권을확보하기위한전략을검토하고, 북한등의의도적또는비의도적재밍상황하에서도안전한위성항법서비스를제공하기위한방안을모색해보고자합니다. 본고를통해 GPS 단일체제에서 GLONASS( 러시아 ), GALILEO( 유럽 ), COMPASS( 중국 ) 등으로다원화되는위성항법환경에대비한국가전략수립과함께안정적이고지속적인위성항법서비스제공능력확보를위한논의가이루어지기를기대합니다. 본이슈페이퍼의내용은필자의개인적견해이며, 한국과학기술단체총연합회의공식적인의견이아님을밝힙니다 년 5 월 한국과학기술단체총연합회회장박상대

4 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 I 서론 GPS로대표되는 GNSS(Global Navigation Satellite System, 전역위성항법시스템 ) 는위성을이용한전파항법시스템으로서수십개의위성을이용하여전세계의모든지역에서언제든지위치와시각서비스를제공받을수있는시스템임 - GPS(Global Position System) 는미국에서운용하는 GNSS로서초기에는군용으로개발되어 1980년대에걸프전에서그유용성을입증 년부터민간에의사용이허용되어현재에는항공 육상 해양교통시스템의항법과정보통신의중추인프라로활용되고있음 GNSS는이미일상생활에없어서는안될필수적인정보통신인프라가되었으며미래에는의존도가더높아질것이므로 GNSS와관련된국제상황이매우복잡하게변화하는이시점에 GNSS 에대한정부차원의정책수립및대응이매우필요한시점임 - GNSS는누구나언제어디에서도사용이가능하지만 GNSS를보유하지못하고있는국가 ( 중국, 일본, 인도등 ) 들은기술의종속또는서비스의중단을우려하여독자적인위성항법시스템을연구개발또는구축중에있음 - EU에서는 GPS를사용할수없을경우이틀동안약 10억유로의경제적손실이예측이되어 GALILEO 개발을추진하게되었음 한편최근북한에의한고의적 GNSS 재밍으로위성항법시스템의사용의안전성문제가고조되어이에대한국가적대책수립이요구됨 2 - 일상생활에서위성항법의의존도가높아지면서의도적 / 비의도적신호간섭 ( 재밍 ) 발생시국가적인손실을유발할가능성이높아짐 - 특히우리나라에서는최근북한으로부터의 GPS 재밍에의한경기북부지방의이동통신기기의시각오차및항공기항법장치의오류가발생한바가있어온국민이사용하는위치및시각정보를미국등외국의위성항법시스템에무작정의존해서는안될상황에직

5 면해있음 - 이러한의도적 / 비의도적재밍은위성항법인프라의사용을불가능하게하기때문에개별사용자단위부터국가적인단위까지의대응수단을강구하여야함 따라서본고에서는 1) 다원화되는 GNSS 환경하에서우리나라의위성항법주권을확보하기위한전략을검토하고, 2) 의도적 / 비의도적재밍상황하에서도안전한위성항법서비스를제공하기위한국가적대응방안을모색해보고자함 - 미국, 유럽등서방국가와중국, 일본등우리주변국들의위성항법시스템개발동향의조사 분석을바탕으로우리나라의위성항법시스템기술개발및구축전략을제안 - 발생가능한재밍특성분석및대응방법조사를통하여재밍대응방향을예측하고사용자단위및국가단위에서의대응방법을모색 I 서론 3

6 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 II 위성항법시스템개요 위성항법시스템정의 - 위성항법시스템은우주공간의위성을이용하여사용자의정확한위치및시각정보를제공하는측위시스템임 - 기상조건에상관없이연속적이며신뢰성있는항법정보를제공하며측량, 측지및육상 해상 항공항법뿐아니라정밀시각동기, 기상관측및지각변동측정등의다양한분야에활용되고있음 위성항법시스템구성 - 위성항법시스템은항법위성과위성항법지상국그리고사용자의수신기로구성됨 - 항법위성은약 22,000km의중고도지구궤도를선회하면서지상으로항법신호를전송함. 사용자는이항법신호를수신하여항법위성의위치, 항법위성과사용자간의거리 < 그림 1> 위성항법시스템구성 4

7 (Range) 정보및시각 (Timing) 정보를얻게되며항법신호에는위성궤도오차및위성의시각오차에대한보정정보도포함됨 - 위성항법지상국은 < 그림 1> 과같이주통제소 (Master Control Site) 와다수의지상감시국 (Monitor Stations) 및상향통신국 (Upload stations) 으로구성됨. 주통제소에서는항법위성의관리및궤도수정, 항법위성의고장시예비위성을동작시키는등의역할을수행함. 지상감시국에서는항법위성의추적및궤도를예측하고전리층관측등의임무를수행하며상향통신국은항법위성으로시계오차및위성궤도에대한보정정보를전송하는역할을수행함 - 수신기는항법위성이보내준항법신호를이용하여사용자에게위치및시각정보를제공함위성항법시스템의분류 II 위성항법시스템개요 - < 그림 2> 와같이사용목적에따라위성항법시스템과위성항법시스템의안전성과정확도등의성능을특정목적에맞게향상시킨보강시스템으로구분할수있으며사용범위에따라전지구 ( 광역 ) 및지역으로나뉨 - 위성항법시스템은지구전역을대상으로하는전지구위성항법시스템 (GNSS : Global Navigation Satellite System) 과특정지역에서만사용되는지역위성항법시스템 (RNSS : Regional Navigation Satellite System) 으로구분할수있음 - 위성항법보강시스템은넓은범위에서사용할수있는광역보강시스템 (Wide Area Augmentation System) 과일정범위에서만사용할수있는지역보강시스템 (Local Area Augmentation System) 으로구분됨 지역위성항법시스템에서지역 (Regional) 의의미는전지구적인범위가아닌특정지역 ( 대륙 국가 ) 을의미하며지역보강시스템에서의지역 (Local) 은일정범위 (50~200km) 를뜻한다. < 그림 2> 위성항법사용목적및범위에따른분류 전지구위성항법시스템 (GNSS) 위성항법시스템지역위성항법시스템 (RNSS) 위성항법광역보강시스템위성항법보강시스템지역보강시스템 5

8 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 < 그림 3> 전역및지역위성항법시스템개요도 < 그림 4> 위성항법보강시스템개요도 6

9 III GNSS 국제동향 1. 위성항법시스템 1.1. 미국 GPS(Global Positioning System) III GNSS 국제동향 GPS는미해군이 1950년대후반부터위성에기반한항법시스템인 Transit, Timation 등을운용한경험을바탕으로 1970년대초에미국국방성이설립한 GPS JPO(Joint Program Office) 에의해개념연구가시작되어 1978년에최초의 Block I 위성이발사된이후현재총 32기의 GPS 위성이운용되고있음 미국의 GPS 현대화계획을따라 GPS Block IIF 위성과 Block III 위성이개발되고있으며두번째민간용신호인 L2C는 2016년, 세번째민간용신호인 L5는 2018년, 네번째민간용신호인 L1C는 2021년에서비스될예정임 최근에는 L5 신호를제공하는첫번째 GPS IIF 위성이 2010년 5월 28일에성공적으로발사되었으며언제나 GPS 위성에대한신호감시를수행할수있는 GPSIII/OCX를개발중임 1.2. 러시아 GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System) GPS에대응하기위한러시아의 GLONASS는 1982년처음으로위성을발사한이래 1996년도에 24개의위성군을갖추었으나후속발사의지연과관리부실로정상운용되지못하다가정부의적극적인지원아래현재는 27기의 GLONASS 위성이운용되고있음 GLONASS 현대화계획에따라 GLONASS-M 위성과 GLONASS-K 위성이개발되고있음 년말 GLONASS-M 위성 3기추가발사에실패하였으나 2011년 2월 26일첫번째 GLONASS- K1 위성을발사하여성공하였으며 2020년까지 GLONASS-K 위성 24기를구축하여 CDMA 방식 7

10 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 의항법신호제공을목표로하고있음 GLONASS는 GPS와달리주파수분할방식 (FDMA) 으로각각의위성들이같은의사잡음코드를위성마다할당된다른주파수대에실어전송을하는데 GLONASS-K 위성부터는 GPS와같은코드분할방식 (CDMA) 으로신호전송방식을전환하고있음 1.3. 유럽 GALILEO 미국의 GPS 독점에대항하여유럽연합 (EU) 과유럽우주기구 (ESA) 가공동으로추진하고있는세계최초의민간용위성항법시스템으로서 1999년에개발에착수하였으며현재는 2기의실험위성 GIOVE(Galileo In-Orbit Validation Element) 위성이운용되고있음 미국의 GPS가현재 5 10m의위치오차범위를보이고있는데비해 GALILEO 시스템의경우 1m 이내의위치오차가목표이며 GPS, GLONASS와동일주파수대를사용하고있지만 BOC 변조방식을통하여신호를구별하고있음 2014년까지당초목표인 30기보다적은 16기의 GALILEO 위성으로초기위성항법서비스를개시예정으로 5가지 Galileo Service 중 Open Service와 Public Related Service가먼저제공될예정이며순차적으로다른서비스가제공될계획임 1.4. 중국 COMPASS 1980년부터시작된 Beidou 시스템을확장하는방식으로추진중인 COMPASS는 3단계로나누어추진되고있으며현재는 11기의위성 ( 정상운영 8기, 불확실 2기, 시험중 1기 ) 이운영되고있음 Phase I(Demonstration System, ): 3 GEO Phase II(Regional Service, ): 5GEO+5IGSO+4MEO Phase III(Global Service, 2020 ): 5GEO+3IGSO+27MEO 년 10월 31일 COMPASS-G4 위성 (GEO) 발사와 2010년 12월 17일두번째 IGSO 위성발사에이어최근 2011년 4월 10일세번째 IGSO 위성발사에성공하였으며현재는중국을중심으로아시아일부, 러시아, 호주까지를서비스영역으로하고있지만 2012년까지위성추가발사를통하여아시아전역을대상으로서비스를계획하고있음

11 1.5. 인도 IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System) 2006년인도정부의승인으로추진중인인도지역위성항법시스템으로 3기의정지궤도위성과 4 기의준천정궤도위성및지상시스템으로구성될예정이며현재운영중인위성은없음 당초계획보다연기된 2012년에 IRNSS-1과 IRNSS-2 등 2기의위성을발사할계획이며인도와인근지역, 인도양을대상으로서비스를제공할예정임 1.6. 일본 JRANS(Japanese Regional Advanced Navigation System) 일본은극동지역을서비스대상으로하는위성항법시스템인 JRANS 구축을 2003년부터추진해왔음. JARANS는 3기의준극궤도위성 (QZSS) 과 3기의긴타원궤도 (HEO) 위성, 1기의정지궤도 (GEO) 위성으로구성되며현재 1기의 QZSS-I 위성이운영되고있음 III GNSS 국제동향 2. 위성항법보강시스템 2.1. 미국 WAAS(Wide Area Augmentation System) WAAS는미국전공역 (FIR : Flight Information Region) 내에항공기의정밀접근이가능한 LPV(Localizer Performance with Vertical Guidance) 급성능의서비스를제공하고있으며 2018 년까지이중주파수 (GPS L5신호추가 ) 를이용한정밀접근 (Precision Approach) 서비스를제공할예정임 현재 38곳의 Reference Station, 3곳의 Master Station, 4곳의 Ground Earth Station 및 2기의정지궤도위성과 2곳의 Operation Control Center로구성되어운영되고있으며 2003년말서비스를시작하였음 2.2. 유럽 EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service) 유럽의 SBAS인 EGNOS는 2009년 4월 1일자로 EGNOS 관리기관이 ESA(European Space Agency) 에서 EC(European Commission) 로변경되었으며 2009년 10월 1일에 EGNOS의공식운영을시작함 9

12 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 Non-Safety-Of-Life(Non-SOL) 활용을위한 EGNOS Open Service를 2010년부터무료로먼저제공하기시작하였으며 Safety-of-Life(SOL) Service는 2011년 4월에개시하였음. ESA에서는유럽의 GNSS 현대화계획에따라 EGNOS의서비스범위확대및미국의 WAAS 등다른 SBAS 시스템과의연계를위한개선작업에착수하였음현재 34곳의 Ranging and Integrity Monitoring Station, 4곳의 Mission Control Center, 6곳의 Ground Earth Station, 3기의정지궤도위성으로구성되어있음 2.3. 일본 MSAS 일본의 SBAS인 MSAS는 2005년과 2006년에발사된 2개의 MTSAT(Multi-functional Transport Satellite) 위성을통하여일본전역에서비스중이며현재 6곳의 Ground Monitoring System(GMS) 을운용중임 현재부족한 GMS 수와이온층의영향으로 Vertical Guidance 서비스는제공하고있지않지만지속적인성능개선작업을통하여 2012년까지인증을완료할예정이며 2014년까지는일본전역에대한 LPV-200급성능의 MSAS 서비스를제공할계획임 2.4. 인도 GAGAN 인도의 SBAS인 GAGAN은 8곳의 Ground Reference Station(INRES), 1곳의 Master Control Center(INMCC), 1곳의 Land Uplink Station(INLUS) 과항법탑재체를탑재한 GSAT-4 위성으로구성되며 2011년 5월구축완료를목표로하고있음 첫번째 GAGAN 위성인 GSAT-4 위성이 2010년 4월 15일에발사되었지만발사체의궤도이탈로실패하였으며 2011년에재발사를계획중임 10

IV GNSS 응용분야 GPS의고의잡음제거및성능향상을통하여위치정보의정확도가크게향상되면서활용범위와응용범위는기존의국방분야에서민간의다양한분야로급속하게확대되었음 IV GNSS 응용분야 오늘날위성항법시스템은육상 해상 항공항법으로부터측지측량, 정밀농업에이르기까지지

13 IV GNSS 응용분야 GPS의고의잡음제거및성능향상을통하여위치정보의정확도가크게향상되면서활용범위와응용범위는기존의국방분야에서민간의다양한분야로급속하게확대되었음 IV GNSS 응용분야 오늘날위성항법시스템은육상 해상 항공항법으로부터측지측량, 정밀농업에이르기까지지 구상의거의모든활동분야에서이용되고있음 < 그림 5> GNSS 응용분야 활용분야의확대와함께세계위성항법활용시장의규모는 2000년 77억달러에서 2010년 201억달러에이를것으로예상되며향후 Galileo 서비스가개시될경우위성항법시장의시너지효과가증대되면서시장규모는더욱확대될것으로전망됨 11

14 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 1. 항법 1.1. 항공분야제 10차 ICAO 회의에서위성항법시스템을전세계적인항공기항법표준으로채택함에따라다양한응용분야가개발되고있음 1983년 ICAO에서 FANS (Future Air Navigation System) 특별위원회를구성하면서본격적으로시작되었음 기존지상항행시설대신위성항법시스템을이용함으로써전세계적비용편익이연간 50억달러에달하는것으로추정되고있음 ICAO의항공항행회의에서는 2010년부터위성항법을전세계유일의항공항법시스템으로의무화할것을의결하였음 최적비행경로를제공하여효율적인비행을가능하게하는저가형항법장치가개발되면서항공분야시장은고가의대형항공기위주에서점차소형레저용비행기로확대되고있음 미국에서는 WAAS 및 LAAS를개발하여항공기항로및이 착륙등에서 CATⅠ~Ⅲ 급정밀도를지원하고있음 < 그림 6> 광역및지역항공용위성항법보강시스템 1.2. 해양분야 12 해양분야에사용되는장비들은대부분국제해사기구 (IMO) 기준에의한개발과시장형성이이루어지고있음

1997년 IMO 총회에서위성항법시스템을해양항법의무시스템으로협의한이후세계각국은해안에 DGPS 네트워크를구축하여다양한항법서비스를선박에제공하고있음 GPS, GLONASS 및 DGNSS 장비들이선박에사용되기위해서는 IMO와 IEC, 혹은 ITU가제시한국제표준및권고안에적합해야함

15 1997년 IMO 총회에서위성항법시스템을해양항법의무시스템으로협의한이후세계각국은해안에 DGPS 네트워크를구축하여다양한항법서비스를선박에제공하고있음 GPS, GLONASS 및 DGNSS 장비들이선박에사용되기위해서는 IMO와 IEC, 혹은 ITU가제시한국제표준및권고안에적합해야함 원양어선처럼육지와멀리떨어져운행하는선박용으로절대위치를지도와함께제공하는항행시스템보급되고있음 원양어선의경우육지와육지사이의원거리를항해하면서길을잃어버리거나원치않는적대국에가는경우가빈번하게발생함 선박용으로단독 GPS와전자해도를결합한시스템으로수평정확도약 100미터수준의항법으로일반해양항행에필수적인시스템임 IV GNSS 응용분야 < 그림 7> 선박용항해시스템 선박항해나정밀한전자해안가지도를제작하기위해운하의수로나해안가에서의정밀측량에활용되고있음 수평정확도수센티미터급의장비를활용하여임의형성된해안형상및해안가위치를측량하고시험지점별수심정보획득으로선박의정밀정박을위한측량에활용됨 13

KOFST Issue Paper 2011-02 국가위성항법서비스전략 1.3.

개인항법분야는긴급구조서비스를시작으로각종위치기반서비스가개발되어보급중이며 GPS를기본탑재한스마트폰의등장과폭발적인수요로향후더욱폭넓게보급될것으로전망됨긴급위치파악의 GPS 기능의무화로 LBS 시장의규모가대폭커질것으로예상됨 ABI research Satellite

16 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 1.3. 육상분야육상에서의응용분야는차량분야의텔레매틱스, 개인및화물분야의 LBS, 이동형로봇, 정밀농업분야등으로구분됨 차량분야는육상항법분야중가장큰시장규모를가지며, 교통흐름의효율화및자동화를목표로하는지능형교통시스템등에널리적용되고있음 개인항법분야는긴급구조서비스를시작으로각종위치기반서비스가개발되어보급중이며 GPS를기본탑재한스마트폰의등장과폭발적인수요로향후더욱폭넓게보급될것으로전망됨긴급위치파악의 GPS 기능의무화로 LBS 시장의규모가대폭커질것으로예상됨 ABI research Satellite Positioning Systems and Devices (2005년 ) 자료에따라예측한 LBS 분야의세계시장은 2010년에 17억달러달성 휴대폰위치확인을위한서비스시위치정확도를 50~100m 이내로규정하고있으므로네트워크기반측위기술개발이활발히진행될것으로예상됨 < 그림 8> 위치추적시스템 차량항법분야는텔레메틱스분야중가장큰시장규모를차지하며 2010년 120억달러를넘을것으로예상됨 차량항법분야의가장큰시장인일본의경우매년약백만대의차량에항법시스템이장착되고있으며연 25% 씩성장하고있음 14

< 그림 9> 차량네비게이션 < 그림 10> 교통사고후정체 IV GNSS

17 < 그림 9> 차량네비게이션 < 그림 10> 교통사고후정체 IV GNSS 응용분야 실시간교통정보획득을위해 GPS를장착한프루브카와교통지도를결합하여로티스와같은교통정보전문기업에서서비스제공중 버스도착알림서비스와버스교통카드시스템에서 GPS를활용하여정류장검지및도착시간예측서비스를 2004년부터제공중 버스에버스위치검출용 GPS와정류장 DB를내장하고관제센터에서버스의위치를실시간으로파악하여해당노선의정류장에구비된알림시스템에정보전송함 버스에장착된 GPS를이용하여내장된해당버스노선별정류장 DB를통해정류장을수미터이내로인식하면버스내단말기가탑승객의교통카드에정류장 ID를제공함 < 그림 11> 버스도착알림서비스및정보단말기 15

18 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 스마트폰처럼 GPS와이동통신 (Celluar) 기술의결합으로 GPS를이용하여위치를찾아내고위치정보를이동통신을사용하여중앙서버로전송하는기술이활발해지고있음 특히범죄예방및멸종위기동물보호등의분야에서필요성이증대되고있음 현재어린이추적및범죄자추적, 야생동물추적을위한제품이출시되고있음 응용범위는다양하게더넓어질것으로예상되며 2010년세계시장규모가약 4억 5천만달러를달성한것으로예측됨여행레저정보를알려주는지능형여행가방및 G7라고불리는개인용골프컴퓨터와같은제품이출시되어각광받고있음 게임에서의위성항법시스템의활용과같이창의성, 오락과관련된요인이많음 장비가격이낮아질수록시장수요가증대될것으로예상됨 현재여가분야의시장전망은 2010년 26억달러로예상됨 2. 시각동기 시각동기는국가정보통신망을유지하는핵심으로서 GPS가매우유용하고광범위하게사용되는분야임 GPS 위성의원자시계는고정확도 (50ns) 를가지므로시각동기가필요한통신관련모든분야에서활용이되고있음 2.1 이동통신분야 현재이동통신망중에서동기식인 CDMA망의경우기지국동기를위하여 GPS 시각정보를활용하고있으며시각동기가필요한다른분야로활용이증대되고있음 이동통신망을비롯한원거리통신시스템은기본적으로일정수준의정확도로시각동기가되어야하기때문에가장완벽한정밀시각원인 GPS를활용함 안정적인주파수와정밀한시각을유지하는능력이구비되어야원거리통신이가능함 정밀한 Stratum 1 레벨 ( 세슘원자시계급 ) 을위해 GPS를이용하고있음 16

< 그림 12> 이동통신시스템구성도 2.2 국제금융시스템분야 IV GNSS 응용분야 국제금융교역회사에서사용하고있는금융시스템은전용원거리통신망을사용하므로정밀한시각동기가필수임 일상생활에서자금의흐름은동기화된시각정보를기반으로거래가이루어지므로정밀한시각정보를제공하는 GPS를사용함 2.

19 < 그림 12> 이동통신시스템구성도 2.2 국제금융시스템분야 IV GNSS 응용분야 국제금융교역회사에서사용하고있는금융시스템은전용원거리통신망을사용하므로정밀한시각동기가필수임 일상생활에서자금의흐름은동기화된시각정보를기반으로거래가이루어지므로정밀한시각정보를제공하는 GPS를사용함 2.3 방송분야지상의디지털방송이이루어지기위해서는각중계기마다 GPS를이용한시각동기가되어있어야고품질의서비스가가능함 GPS 타이밍신호가없을경우일정한시간이지나면두개의서비스인접지역에서신호간섭으로서비스의질이저하됨 모든데이터오디오방송 (DAB) 은 GPS를이용하여시스템타이밍과주파수정합을기반으로이루어짐 국내에서 2012년 12월이후에는모든방송이디지털방식으로전환되므로방송분야에서 GPS를이용한동기는필수가되었음 2.4 기타시각동기분야 전파천문학에서는천체관측용시스템의기준시스템시각으로 GPS 를사용하고있음 중앙네트워크타임규약 (NTP: Network Time Protocol) 에대한기준시각원으로 GPS 타이밍신호를이용중 17

20 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 기준신호로써 GPS에문제가생기면시스템의출력데이터에심각한신뢰성문제가발생함전력산업에서는 60Hz 또는 50Hz 의주파수를담고있는전력을발전기사이에전달하기위해서위상동기를맞추는시스템으로 GPS를이용함 GPS가제공하는시각정보는원자시계와같은안정된제원이기때문에주파수가일정하게유지되고시각동기도자연스럽게이루어지고있음 SCADA 시스템 ( 감시제어및데이터취득시스템 ) 도정확한타임스탬프를제공하기위해서 GPS 시각정보서비스를사용중임반도체산업이나제약회사에서정밀한생산공정및프로세스관리를위해정확하고안정된공정스탬프를필요로하므로여기에 GPS 시각정보를사용함 서로다른생산공정프로세스간의정확한작업공정을위해프로세스간정밀한시각분배를통해생산장비의손상을막음 최근엄격해지고있는 FDA 규약및생산품질및안정성확보를위해생산공정상에발생한품질의근원을추적을용이하게하기위해모든프로세스데이터에정확한타임스탬프를사용함 3. 측지측량및지구과학 위성항법시스템 (GNSS) 은항공, 육상, 해상항법및시각동기분야뿐만아니라국가기준점, 국가수직기준면설정등측지, 측량분야에서중요한사회인프라기술로써활용되고있음 국가기반기술인세계기준좌표계설정, 지각변위, 기상예보등다양한지구과학분야에활용되고있음 3.1. 측지측량분야 전지구의통일된좌표계상의정확한위치를실시간혹은준실시간으로획득하는데사용됨 18 기존의측지, 측량기술은적용할수있는범위가좁기때문에국지적인성과만사용할수있었으며, 결과적으로국가마다, 혹은지역마다각기다른좌표계를활용하였음

21 한국의경우일본의 Bessel 타원체를기준으로한지역좌표계를활용하였음. 지역좌표계는지역마다지오이드 (Geoid) 면이다르며, 따라서각지점의측량성과가측지원점에합쳐지는과정에서서로일치하지않는문제가발생함 이러한문제를극복하기위하여지구좌표계의필요성이대두되었으며, 위성항법시스템기반의 WGS84(World Geodetic System 1984) 로전환되었음. 이후 WGS84는세계측지기준좌표계인 ITRF2000(IERS Terrestrial Reference Frame 2000) 으로전환된후현재 ITRF2005 전환을앞두고있음. 국내에서는 ITRF2000 좌표계를국가기준좌표계로활용하여지도제작, 지적측량, 공공측량등이실시되고있음다양한측위정밀도를제공하므로다양한측량분야에활용성이매우큼 IV GNSS 응용분야 측지측량분야에서는수 cm 수준의정밀도를요구하며, 현장사용자가실시간으로요구정밀도를획득하기위해서는반송파기반상대항법기술인 RTK(Real Time Kinematic) 기술을활용하거나현장에서수집된관측자료를후처리하여사용함 지적측량, 건설측량, 임도측량, 항법, 시설물측량등에활용되며, 지리정보시스템 GIS(Geographic Information System) 와결합하여유비쿼터스기반의첨단국토관리및개발분야에활용중이며후처리기법은국가기준면설정, 정밀측량, 좌표계유지등에활용됨 < 표 2> 위성항법시스템을이용한측위기법의종류및특징 측위기법사용정보정확도사용수신기 위치결정시간 부가시스템 ( 수신장비외 ) 단독측위 일반후처리 C/A 코드 L1 반송파 L1/L2 반송파 10~20cm 1cm 일반항법용정밀측지측량용 실시간준실시간 없음 자료처리서버고정밀자료처리프로그램 DGPS C/A 코드 2~3cm 일반항법용 실시간 기준국통신시스템 상대측위 RTK L1/L2 반송파 2~5cm 정밀측지측량용 실시간 기준국통신시스템 후처리 L1/L2 반송파 1cm 정밀측지측량용 준실시간 기준국통신시스템고정밀자료처리프로그램 19

22 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 3.2. 지구과학분야위성항법시스템기반측위기술은우주측지, 지각변위및지진감시와같은지구물리분야와대류층및이온층감시등대기과학분야에활용가능함. 인접학문과의기술융합을통한할용분야가지속적으로확대되고있음 지구과학분야에서 GNSS 활용은대부분 cm 이내의정밀도가요구고정밀측위관련전문인력의수요를유발하고있음우주측지분야의경우 SLR(Satellite Laser Ranging), VLBI(Very Long Base Interferometer) 와함계세계측지기준좌표계 (ITRF) 를결정하는데활용되고있음 자연과학분야에서는지각변위및지진감시, 대류층및이온층감시를위해정밀위성항법시스템이활용되고있음 국내에서도위성항법고정밀자료처리기술을이용하여 mm 수준으로지각변위감시기술이개발되었으며, 국제기구인 IGS(International GNSS Service) 기준국으로국토해양부국토지리정보원의수원 (SUWN) 과한국천문연구원의대전 (DAEJ) 관측소가활동중임 GNSS 신호의대기중신호지연을이용하는 GNSS 융합기술 ( 혹은 GPS 기상학 ) 이대기의가강수량 (Precipitable water vapor) 과이온층의전자밀도를추정하는데활용됨 기상청에서는준실시간예보의정확도향상및기상예측성능향상을위하여위성항법시스템을기상현업에적용중임 2013년태양플레어대폭발을대비하여인공위성손상, 통신및각종전자기반시스템에장애가초래될수있는이온층의전자밀도감시를위해위성항법시스템을사용중이며, 전파환경감시및예보, 우주환경감시, 이동통신환경감시등광범위한분야에대한연구도함께진행함 4. 국방 군용 GPS 장비는암호화된 P 코드를이용하여수신 활용하고있으며무기시스템및유도탄등에많이장착되고있음 20

23 군사로봇, 무인항공기및초소형항공기등의분야에도활용이계속증가되고있으며 2010년 27 억달러시장규모를이룬것으로전망됨 4.1. 정밀유도무기분야 현대정밀요격유도무기는고정확도, 고속위치결정을요구하기때문에위성항법시스템이기본탑재되고있음지대지타격무기의경우원거리로인한오차를최소화하기위해위성항법시스템을사용하고일정한위치정확도를유지하기위해위성항법보강시스템을보조로사용함 IV GNSS 응용분야 지상망을이용한 DGNSS는보정정보전송용통신망의거리제약때문에위성을이용한보강시스템을기본시스템을장착함 4.2. 군용복합항법시스템분야 육상용작전차량인전차등의작전수행중기민함과정확성을위해차량항법시스템을기본항법시스템으로채용하고있음 < 그림 13> GPS 기반유도무기 JDAM 전장에서의다양한전파장애요인을회피하기위해위성항법시스템과관성항법시스템이결합된복합항법시스템을활용중 21

24 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 무인비행체, 무인작전차그리고원격조종로봇등복합항법시스템을기본탑재한무인시스템들이작전수행이위험한전장지역에투입되어성공적으로작전을수행하고있음 4.3. 개인휴대항법및단말기분야 GNSS가내장된현대식군전용통신단말기가군사작전을수월하게하고있음이입증되어전군에서개인장비로보급추진중임특수임무를수행하는요원의정밀한위치파악및작전수행을위해위성항법시스템기본탑재된헬멧및개인화기가보급되어있음 22

25 V GNSS 위협요인과영향 1. GNSS 위협요인 비인위적위협 - GNSS는 24개이상의위성군과이를감시 관리하는다수의지상감시국 (Monitor Stations) 및주통제소 (Master Control Site) 와각종제어명령들을전달하는상향통신국 (Upload Stations) 등으로이루어진거대시스템으로서이를 24시간정상적인상태로유지 관리하는것은쉽지않음 - 따라서여러가지비인위적인내 외적인요인에의해비정상상태가발생하여 GNSS의기능이저하되는경우가많음 V GNSS 위협요인과영향 < 그림 14> GPS 위성시계의고장 23

KOFST Issue Paper 2011-02 국가위성항법서비스전략 - 2004년 1월 1일 PRN 23 GPS 위성이중국상공을지날때위성의시계고장으로 GPS 수신기의측정거리오차 722km가발생인위적위협 - GNSS는인간에의한의도적인위협인재밍 (Jamming), 기만 (Spoofing), 재발신 (Meaconing) 에노출되어있으며,

26 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 년 1월 1일 PRN 23 GPS 위성이중국상공을지날때위성의시계고장으로 GPS 수신기의측정거리오차 722km가발생인위적위협 - GNSS는인간에의한의도적인위협인재밍 (Jamming), 기만 (Spoofing), 재발신 (Meaconing) 에노출되어있으며, 이중재밍이가장큰위협요소임 - GPS 신호의수신강도는 Thermal Noise Level 보다낮은 -130dBm으로서민간용뿐만아니라군사용신호도재밍에취약함 - 재밍은발생원인에따라다른신호형태를가지므로대응하기어려움 < 표 3> 재밍의분류및원인 광대역 협대역 재밍분류위상및주파수변조대역확산펄스가우시안위상및주파수변조 Swept CW(Continuous Wave) CW 원인 TV 송신기고조파 ( 대역폭 : 6MHz) 의사위성 ( 대역폭 : 10.23MHz) 레이더송신기 ( 대역폭 : 50MHz) 고의적인잡음송출재머 AM 방송국송신기고조파 ( 대역폭 : 9KHz) FM방송국송신기고조파 ( 대역폭 : 200KHz) CW jammer( 대역폭 : 300Hz) < 그림 15> 위성항법재밍 24

- 175m 거리에서발사된 1mW 정도의재밍신호도 GPS 신호보다 40dB 강하며 1W(GSM 전력레벨 ) 재머로최소 10km 이내의 GPS 수신기에영향을미칠수있음 - 더욱심각한것은 GNSS 재머의제작이매우쉬우며 Google에서 GPS Jammer 를검색하면 20,000 건이상의문서를발견할수있을정도로일반화되어있음 - GPS Jammer 판매회사로는

27 - 175m 거리에서발사된 1mW 정도의재밍신호도 GPS 신호보다 40dB 강하며 1W(GSM 전력레벨 ) 재머로최소 10km 이내의 GPS 수신기에영향을미칠수있음 - 더욱심각한것은 GNSS 재머의제작이매우쉬우며 Google에서 GPS Jammer 를검색하면 20,000 건이상의문서를발견할수있을정도로일반화되어있음 - GPS Jammer 판매회사로는 Radar (Belarus), Synopsis Corporation Group (France), Sonak Corporation (Greece), Shoghi Communications Ltd. (India), Aviaconversia (Russia) 등이있음 - 국내발생사례 : 서해안 GPS 교란 (2010년 8월 23일 25일 ) < 그림 16> 안흥기준국의가시위성수 V GNSS 위협요인과영향 < 그림 17> 홍도기준국의가시위성수 25

28 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 2. GNSS 위협이미치는영향 유럽의경우 2015년이틀간의 GPS 서비스중단시운송및재정분야에만약 10억유로규모의피해를예상 년의경우년간총시간의 0.09% 정도의 GPS 서비스중단은 GALILEO의투자비용 (34억유로) 보다더큰손실이발생할것으로예측 - 우리나라의경우명목 GDP 비율 ( 한국 : EU GDP 비율 6%, 2002년 ) 로계산하면우리나라에서이틀간 GPS 서비스중단시발생하는피해규모는 6,000만유로 ( 약 950억원 ) 에달함 GPS 보유국인미국에서도 GPS 서비스중단에대비한다양한백업시스템을고려 - 미국 DOT( 교통부 ) 의 FRP(Federal Radionavigation Plan) 에의해 LORAN-C와같은지상파를이용한백업시스템구축연구중 셀룰러무선망과같은통신망동기에대한 GNSS 의존도상승 - GPS 서비스중단시셀룰러무선전화서비스에심각한장애발생이예상됨 - 현재 GPS 신호가수신되지않을경우셀룰러망의시각동기를위한대안이없으므로 GALILEO나 GLONASS 등대체시스템의활용방안과함께독자적인시각동기용인프라확보가필요 GPS 신호의수신불능은 GNSS 자체의오류또는고의적인서비스중단및의도적재밍에의해발생할수있으며이때미치는산업별영향은아래와같음 26

29 < 표 4> GPS 서비스중단시산업별영향 발생예상시기단기적 (3 년이내 ) 중 장기적 (3 년이후 ) GPS 신호부재기간 1 주이하 1 주이상 1 주이하 1 주이상 가스, 전기 * 불편 불편 불편 상당한불편 도로 불편 불편 불편 상당한불편 ~ 심각 철도 곤란 불편 곤란 불편 항공 불편 불편 심각 중대 해상 불편 심각 심각 중대 오일 가스탐사측량 불편 상당한불편 ~ 심각 불편 상당한불편 ~ 심각 일반측량 불편 불편 ~ 상당한불편 불편 상당한불편 텔레커뮤니케이션 * 불편 불편 불편 상당한불편 이동통신 * 불편 불편 불편 상당한불편 타이밍제조업 * 곤란 불편 곤란 불편 방송 * 곤란 불편 곤란 불편 천문 곤란 불편 곤란 불편 앰뷸런스 불편 상당한불편 상당한불편 중대 경찰 곤란 곤란 불편 상당한불편 화재 곤란 곤란 곤란 불편 산악구조 곤란 불편 불편 불편 V GNSS 위협요인과영향 * : GPS 의시간 / 주파수응용분야 27

KOFST Issue Paper 2011-02 국가위성항법서비스전략 Ⅵ 결언및정책제언 이상에서살펴본바와같이위성항법시스템의세계적환경변화에능동적으로대처하고, 발생가능한의도적 / 비의도적 GNSS 위협상황에서도안정적인위성항법서비스를제공하기위해서는국가적차원의위성항법시스템전략수립및시행이절대적으로요망됨 GPS 단일체제에서 GLONASS,

30 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 Ⅵ 결언및정책제언 이상에서살펴본바와같이위성항법시스템의세계적환경변화에능동적으로대처하고, 발생가능한의도적 / 비의도적 GNSS 위협상황에서도안정적인위성항법서비스를제공하기위해서는국가적차원의위성항법시스템전략수립및시행이절대적으로요망됨 GPS 단일체제에서 GLONASS, GALILEO, COMPASS 등으로다원화되는위성항법환경에대비한국가전략이요구됨 - 위성항법시스템이국방, 행정, 통신등경제, 사회전반에활용되는비중이커지면서세계주요선진국에서도위성항법시스템구축을위한기반을마련중 - 이에따라위성항법시스템의주파수자원이고갈되어가고있어기존위성항법시스템보유및개발국가에서는후발국의진입을견제 < 그림 18> 위성항법시스템개발전략 28

31 - 이러한상황에서위성항법시스템이용의안정성을보장하고위성항법주권을확보하기위해서는독자적인위성항법인프라의구축추진이필요 - 이를위하여중기적으로우리나라가보유하고있는위성항법시스템핵심기반기술을바탕으로정부가개발을추진중인정지궤도복합위성에항법시스템을탑재하여국내위성항법시스템구축의기반을확보함 - 장기적으로는항법기능정지궤도복합위성군에경사궤도위성을추가하여우리나라독자의위성항법시스템을완성함인위적및비인위적 GNSS 위협으로부터안정적이고지속적인위성항법서비스제공능력을확보하기위한국가대응전략 VI 결언및정책제언 - 단기적대응전략 : 사용자단위에서의재밍대응수단강구 군사적응용분야나안전과밀접한관계가있는분야에서는관성항법등의보조항법수단을사용하거나배열안테나, 디지털필터설계, INS Aiding 등의사용으로일정수준의재밍은대응가능함 그러나보조항법수단및배열안테나등의적용은비용측면에서막대한상승을초래 - 장기적대응전략 : 국가적인단위에서재밍대응체제구축 일단재밍이발생하면단일수신자단위나국가단위에서의일정한수준의대응은가능하나위성항법시스템의효용은낮아짐 위성항법시스템의효용성을유지하기위해재밍원의위치를추적하여물리적으로제거하는적극적인대응이필요함 이를위해재머의발생위치를추적하여원인을근본적으로해결하는전국가적단위의재밍원위치추적시스템의구축을추진함 따라서국가적차원의위성항법시스템정책을기획하고추진할수있는조직이필요하며, 체계적인재밍대응인프라개발을위해정부내에전담대응조직을마련해야함 미국의경우 IDM(Interference Detection & Mitigation) Plan을수립하여위성항법신호를위협하는여러요인들을전국적이고상시적으로감시하는체계를구축중임 29

32 KOFST Issue Paper 국가위성항법서비스전략 < 참고문헌 > 고창석 최재남 (2007), 독자위성항법시스템구축방향고찰, 국방과기술 338: 문영수 정상철 이준웅외 (1996), 교통정보검지기및지능형자동차개발을위한영상처리알고리즘, 제어자동화시스템공학회 2(6): 박동주 (2003), 국외위성측위인프라구축동향분석과향후대응방향, 전파통신동향 113. 백홍렬 (2011), 한국형 GPS가필요한이유, 세계일보, 오승범 (2009), 대중교통시스템혁신한 한국스마트카드, 한국파이낸셜뉴스. 장인영 (2011), 인터넷되고차선이탈감지까지되는똑똑한네비게이션, 주간자동차신문. Agrawal, D. P., Q. Zeng(2004), Introduction to Wireless and Mobile Systems, CL-Engineering. Bhatta, B.(2010), Global Navigation Satellite Systems: Insights into GPS, GLONASS, Galileo, Compass and others, BS Publications. Ehm, H., R. Weigel(2006), Galileo Europe s Share for a Global Navigation Satellite Service, Gleason, S., D. Gebre-Egziabher(2009), GNSS Application and Methods, Artech House. Nagle, T., B. A. Renfro, J. W. Lavrakas(2010), Modernization Milestone: The GPS Civil Monitoring Performance Specification, InsideGNSS Parkinson, B., J. Spilker Jr.(1996), Global Positioning System: Theory and Applications Vol.1-2, AIAA. Revnivykh, S.(2008), GLONASS Status and Progress, Munich Satellite Navigation Summit. 30

33 저자소개 백홍렬 국방과학연구소소장 전화 : 042) phy4321@add.re.kr 본고는필자가한국항공우주연구원재직당시작성한글임을밝힙니다. 한국과총 Issue Paper 발행 : 2011년 5월발행인 : 박상대발행처 : 한국과학기술단체총연합회서울시강남구테헤란로북4길 22 전화 : 02) 팩스 : 02) 인쇄처 : 홍디자인

과 일정 범위에서만 사용할 수 있는 지역보강 시스템 (Local Area Augmentation System)으로 구분된다. 위성항법 시스템은 우주 공간의 위성을 이용하여 사용자 의 정확한 위치 및 시각 정보를 제공하는 측위 시스템이 다. 기상 조건에 상관없이 연속적이

과 일정 범위에서만 사용할 수 있는 지역보강 시스템 (Local Area Augmentation System)으로 구분된다. 위성항법 시스템은 우주 공간의 위성을 이용하여 사용자 의 정확한 위치 및 시각 정보를 제공하는 측위 시스템이 다. 기상 조건에 상관없이 연속적이 위성항법 시스템을 활용한 교통체계 위성항법 시스템은 위성을 이용하여 사용자의 정확한 위치와 시각 정보를 제공하는 측위 시스템으로 1960년대 미국에서 군사적인 목적을 위해 연구하기 시작했다. 교통 분야에서는 내비게이션 서비스를 비롯해 위치 측정, 선박과 항공기의 항법 기능, 차량 감시 및 제어, 재난 구조 등다양한 분야에서 이용 하고 있다. 김 장 환 한국교통연구원