위성항법수신기기술개발동향 The Development Trend of the Satellite Navigation Receiver Technology 신천식 (C.S. Sin) 이상욱 (S.W. Lee) 김재훈 (J.H. Kim) 위성관제ㆍ항법연구팀책임연구원위성관제ㆍ항법연구팀책임연구원위성관제ㆍ항법연구팀팀장 목차 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 항법수신기활용분야및전망 Ⅲ. 항법수신기기술개발동향 Ⅳ. GPS/Galileo 겸용수신기동향 위성항법수신기는항법위성 (GPS) 들이현재위치와시간이담긴전파신호를지상으로송신하면, 이런신호를받아전파가도달하기까지걸린시간을계산해자신의현재위치를파악하게된다. 경도와위도, 높이를동시에파악하기위해서는 3개위성신호가요구되고, 위성간시간오차를제거해위치측정의정확도를높이기위한신호용으로또하나의위성이필요해 4개위성이요구된다. 항법의형태는육표기반항법, 천체기반항법, 센서기반항법, 무선기반항법및위성기반항법으로분류되며그중전역이고간섭영향및재밍 (jamming) 이어려우며정확도측면에서우수한위성항법시스템에는 GPS, ( 러시아 ) 가운용중이고, Galileo( 유럽연합 ), COMPASS( 중국 ), QZSS( 일본 ), IRNSS( 인도 ) 이개발중이다. 위성항법시스템다원화에따라위성항법수신기기술도이중주파수처리및타시스템과의호환성제공이요구되는바, 본논문에서는위성항법수신기기술동향을소개하고자한다. 137
I. 서론 현재운용중인위성항법시스템으로는미국의 GPS와러시아의 가있다. GPS 시스템은 1973년부터군사용으로구축을시작, 1995년에정상운용단계에진입하였다. 고도 20,200km 상공의 6개궤도면에총 30기의위성을배치하였고, 위성의공전주기는약 12시간정도이다. 민간용서비스를무료로개방함으로써전세계위성항법분야에서사실상독점적지위를점유하고있으며, 1997년 10월에 GPS 서비스유료화에대한우려를불식시키기위하여지속적이고안정적으로서비스를무료제공하겠다는정책을채택하기도하였다 [1]. 또한 1996 년발표한 PDD에근거하여 2000년 5월에고의오차신호 (SA) 를제거하여정확도를향상시켰으며, 군ㆍ민의요구를수렴하고 EU의갈릴레오시스템에대한비교우위확보를위해차세대 GPS 구축계획 (2000~2015년) 을추진함으로써위성재배치, 주파수추가등을통해정확도, 보안성, 가용성, 무결성, 신호세기등의향상을도모하고있다. 그외에도관련기술, 시장및국제표준의경쟁우위유지를위해일본, 러시아, 인도, 호주와협정체결을통해국제협력을강화하고있다. 러시아는 GPS에대응하기위해 을개발, 구축하였으나재정난으로인해 2007년 5월기준으로 17기의위성만을이용하였으나 2008년까지 18기, 2011년까지총 24 기를배치하는정상화를계획하고있으며, 2005년이후미국, 유럽연합, 인도, 카자흐스탄등과적극적협력을추진하고있다. 현재개발중인위성항법시스템으로는갈릴레오가대표적이며이는유럽연합이독자적인위성항법시스템구축의일환으로추진하고있는사업으로 1999년에착수하여총 34억유로 (4.3조원 ) 를투자하여 2012년이후서비스를개시할예정이다. 단계별추진내용은개발단계 (2002~2008년) 에서는시험용위성 (GIOVE-A, B) 2기와궤도내검증위성 4 기를제작운용하며지상설비를구축하고구축단계 (2009~2012년) 에서는상용위성 26기및지상설비 를구축하며운용단계 (2013년 ~) 에서는 30기위성에대한배치를완료하여운영, 유지및보수하는단계로구분하고있다 [2]. 2007년기준, EU 국가중갈릴레오프로젝트에참여한국가는총 27개국이며역외국가의참여도유도하여 2007년기준으로 17 개국이기본협정을체결했거나기본협정체결교섭국으로되어있다 [3]. 중국은 2011 년까지 35기위성 ( 정지궤도 5기, 중궤도 30기 ) 을발사하여전지구위성항법시스템구축을목표로 COMPASS 시스템을개발중이다 [4]. 또한중국은위성항법관련핵심기술확보와유럽시장의교두보확보를위해 EU가추진중인갈릴레오프로젝트에참여하고있다. 2004년 10월에유럽연합과갈릴레오프로젝트참여협정을체결하였고, 2 억유로를투자하기로결정한바있다 [5]. 일본은 GPS와호환되는지역항법시스템인준천정위성시스템 (QZSS) 을 2010년까지구축하여도심지역에서의 GPS 위성의가용도를향상시킴으로써 GPS 서비스의안정성확보, 도심지역에서의수신장애지역해소를계획하고있다. 준천정위성시스템의위성궤적은 ( 그림 1) 과같다. 준천정위성은타원궤도에 3 기위성을배치하지만향후에는 4기를추가하여총 7기위성을가진지역위성항법시스템 (JRANS) 을구상중이다 [6]. 상기와같은항법시스템의다원화에따른항법수신기기술개발도기존의 GPS나 가제공하는항법신호중단일주파수만을처리하는형태에서이중주파수처리를함으로써위치정밀도의향상 3 Com&Nav Satellites in Quasi-Zenith Orbit QZSS Project plus + JRANS Concept ( 그림 1) 준천정위성시스템의위성궤적도 138
신천식외 / 위성항법수신기기술개발동향 1176.45MHz L5-1 L5-O 1176.45MHz E5a-I 1201.5MHz BPSK(4) AltBOC(15.10) BPSK(4) 1207.14MHz E5b-I 1227.6MHz M-Code BOC(10.5) L2O BPSK(1) 1246.0MHz BPSK(5.11) C/A-Code BPSK(0.511) E6. BOC_(10.5) 1278.75MHz M-Code BOC(10.5) C/A BPSK(1) E6.-1 BPSK(5) 1575.42MHz L1C-I BOC(1.1) L1C-Q BOC(1.1) 1602.0MHz BPSK(5.11) C/A-Code 1575.42MHz BPSK(0.511) 1575.42MHz L1. L1 BOC(1.1) E5a-Q E5b-Q 1207.14MHz COMPASS B2-I BPSK(2) 1268.52MHz E6.-Q BPSK(5) COMPASS B3-I L1. L1 BOC_(15.2.5) 1561.098MHz 1589.742MHz COMPASS B1 BPSK(2) COMPASS B1-2 BPSK(2) COMPASS B2-Q COMPASS B3-Q COMPASS B1 BPSK(2) 1176.45MHz L5-I 1227.6MHz L2C BPSK(1) 1278.75MHz LEX BPSK(5) 1575.42MHz C/A, SAIF BPSK(1) L1C-I BOC(1.1) QZSS L5-Q ( 그림 2) 위성항법시스템별사용주파수신호 도도모하고있다. 항법수신기가수신할수있는항법시스템인 GPS,, Galileo, QZSS, COMPASS의항법신호주파수대역은 ( 그림 2) 와같다 [7]. Ⅱ. 항법수신기활용분야및전망 위성항법시스템이제공하는항법신호를수신할수있는항법수신기는응용분야에따라대중시장용 (mass market), 전문가용 (professional) 및인명구조용 (safe of life) 으로구분할수있으며세부적인내용을 < 표 1> 에기술하였다. 일반대중용항법수신기는소비전력이낮고, 크기가작으며, 사용이간 대중시장용 전문가시장용 인명구조용 < 표 1> 위성항법수신기의활용분야 - 개인휴대통신및항법 - 차량및모터사이클 - 트럭및버스 - 개인레저용 - 측징및국토관리 - 로봇및군사 - 정밀탐사및정밀농업 - 건설및우주 - 철도및차량제어 - 유전, 가스및광산 - 항공, 철도및해양 - 구급차량, 경찰서및소방서 - 수색및구조 - 건설및우주 - 철도및차량제어 - 유전, 가스및광산 - 저전력 - 소형 - 사용이간편 - 시각정보 - 환경및홍수관리 - 자산관리및해양 - 고정밀 - 고신뢰도 - 시각정보 - 환경및홍수관리 - 자산관리 - 수산및해양 - 무결성 - 연속성, 이용성및정확성 139
Communications, Aviation, 0.5% 18% Vehicle Tracking, 18% Timing and Synchronization, 0% Surveying and Mapping, 2.9% Recreation, 1% Military, 16% In-Vehicle Nevigation Systems, 29% Machine Control, 4.07% Marine, 10% People and Animal Tracking, 0% ( 그림 3) 2011 년경위성항법수신기활용분포도 Personal ooutdoor r recreation, Recreation, 4% Lorries and buses, Buses, 8% Police, Fire and Ambulances, 9% 9% Integrated Personal personal co Communications, 33% Geographicla Geographical information Information systems, Systems, 1% Cars, 41% Cars, 41% ( 그림 4) 2015 년유럽의위성항법시장규모전망 편해야한다. 전문가용항법수신기는위치정밀도가높고, 요구하는신뢰도또한높게요구하고있다. 인명구조용항법수신기는신호에대한끊김이없고, 연속적이어야하며위치정보가정확하여야한다. 항법수신기분야에대한시장전망을보면, 2006 년기준, 2011년의시장수익분포는 ( 그림 3) 과같이전망된다 [8]. 2015년유럽지역에서의항법시장규모는 ( 그림 4) 와같다 [9]. Ⅲ. 항법수신기기술개발동향 본장에서는위성항법수신기중 GPS로부터의항법신호를수신처리함은물론 등이나위성항법보정시스템으로부터의항법신호를처리할수있는수신기에대해분석하였다. 회사명 SiRF (www.sirf.com) Broadcom (www.broadcom.com) Freescale (www.freescale.com) NemeriX ( 스위스 ) (www.nemerix.com) u-blox( 스위스 ) (www.u-blox.com) STMicroelectronics ( 스위스 ) (www.st.com) NXP ( 네델란드 ) (wwww.nxp.com) 2. 대중용 (Mass Market) 수신기 가. 레저용수신기 Garmin (www.garmin.com) < 표 2> 국외항법칩개발업체 중점개발분야 다양한항법부품및응용분야용 GPS 칩셋제조 경제성, 영구성및위치정확성등을제공할수있는차량탑재형의개인항법시스템내장칩개발 유무선통신및 GPS 칩셋용반도체분야의선두제조업체 개인항법부품개발업체 저전력, 고민감도를갖는 RF 부품과디지털기반의반도체및 GPS 솔루션등에특화된반도체제조 GPS/Galileo 복합칩셋, 모듈개발및 A-GPS 서비스제공 ST s 신규 GPS 칩셋은위성기반보정시스템인 WAAS, EGNOS 등정밀도및신뢰도향상을제공할수있도록지원 GPS 및갈릴레오에적용할수있는 2m 이하의 Teseo 장비준비중 저전력 / 단일칩기반의 GPS 솔루션을제공으로이동위치기반서비스 옥외용여가활동용소형 / 무선솔루션에적합한항공, 해상및자동차용수신기개발 사용자들은공중, 해상은물론이동중본단말기를사용 1. 항법용칩개발업체항법칩을개발하는국외의주요업체는 < 표 2> 와같다. 그밖의항법칩개발업체로는미국의 TI와 Qualcomm 등이있다. Magellan (www.magellangps.com) GPS 항법시스템제조업체 ( 뒤에계속 ) 140
신천식외 / 위성항법수신기기술개발동향 ( 계속 ) 나. 위치추적용단말기 TomTom (TomTomRIDER) (www.tomtom.com) 광범위하게사용되는핸드셋, 차량, 자전거및이동항법을위한탑재형항법소프트웨어솔루션제공 Wherify (Children & elderly) (www.wherefy.com) 위치기반의서비스제공자로 GPS 위치시계, GPS 위치전화기등제조 Polar (www.polargps.com) 이동체의정확한추적이가능하며, 카누, 산악자전거, 스키 ( 노르딕 ) 활동시사용 Tracking The World(General) (www.trackingtheworld.com) 매 15 초주기로실시간 GPS 위치업데이트기능을갖는 World Tracker GPRS 개인형 GPS 위치장치 Navico(Lowrance) ( 노르웨이 ) (www.lowrance.com) 전문가용선박, 항공기, 차량용항법장비제조및여가활용시장에진출 LocationNation (People) (www.locationnation.com) 기존휴대형 GPS 사용자및개인추적시장초점의단말기제조 DeLorme (www.delorme.com) GPS 및 GIS 기술이활용될수있는위치정보제공및위치정보표시단말기 TWIG ( 핀란드 ) (www.twigworld.com) TWIG 는인명보호, 보호장치및필드관리향상을위한이동텔레매틱스선두공급업체 Bushnell (www.bushnell.com) 실시간기상정보는물론 XM 위성의 170 개채널로뉴스, 스포츠, 오락및음악등을수신 SecureAlert (elderly and offenders) ( 호주 ) (www.securealert. com) 공공용의실시간감시서비스제공 ( 뒤에계속 ) 141
( 계속 ) Rosum(general) (www.rosum.com) 중단없는위치추적을위해서는 GPS 와의연계필수적 GPS 기반의솔루션은여러제약조건을갖고있음 ( 실내에서의신뢰성있는정보제공이어렵고, 전력소비가크게요구되므로감시센터에서는가정, 버스안및 GPS 신호가접근하기어려운장소에서침입자들의추적불가 이를해결하기위해 TV-GPS 와연계하여신뢰성있고정확한위치를도심지역및실내, 옥외에서도제공 또한 TV_GPS 솔루션은부모들에게자기자녀가실내외어디에있는지를정확하게제공 Simrad(Navico) (www.simradyachting.com) Lowrance(Navico) (www.lowrance.com) GPS+WASS 항법기능을제공하는해상용제품선두업체 고화질해상도 (480 480 픽셀 ) 제공 고화질수중음파탐지기및 GPS 매핑장치의설계, 제작및판매선두업체 (1957 년부터사업시작 ) 고화질 (480 480 픽셀 ) 의 GPS+WAAS 겸용항법솔루션 Northstar(Navico) (www.northstarcmc. com) GPS 와 WAAS 겸용의고해상도항법제품선두업체 해상도 : 480 480 픽셀 Qualcomm(general) (www.qualcomm.com) POMALS(kids) (www.pomals.net) 보조 GPS 기술설계및상용화개척업체 아동들이너무어리고, 핸드폰을소유할수없다면, 무선망과연동되는 GPS 칩이내장된무선호출기크기의장치를아동용책가방에부착 Cobra (www.cobra.com) 전세계주요강 / 호수에대한정보를제공이가능한선박부착형항법시스템으로 12 채널제공 다. 해상용수신기개발업체 Garmin International (www.garmin.com) 전세계핸드셋기반의솔루션제공개인항법단말기제작업체 Raymarine ( 영국 ) (www.raymarine.com) Furuno ( 일본 ) (www.furuno.co.jp) 8.4 인치로다기능항법정보제공 낮에도식별가능한색상제공 12 채널위성 DGPS 센서제공 GPS 해상용모듈개발 고정밀 GPS/WAAS 수신기 142
신천식외 / 위성항법수신기기술개발동향 3. 전문가용 (Professional Market) 수신기 유럽의 FP의 6차에서 Galileo Joint Undertaking 주관의연구개발분야중전문가용항법수신기개발프로젝트에는 SWIRLS 프로젝트와 ARTUS 프로젝트가대표적이다. 그밖의수신기개발프로젝트로는 GAMMA 프로젝트와 GIRASOLE, GREAT 등이있다. SWIRLS 프로젝트는유럽 GNSS Supervisory Authority가개발예산을지원하고 Septentrio( 벨기에 ) 가프로젝트를주관하고유럽의 8개사가참여하였다 [10]. 주파수 대역폭 개발형태 핵심기술 < 표 3> SWIRLS 수신기의주요규격 - GPS: L1 C/A; Galileo: E5a - L1: 25MHz - E5a: 26MHz - Front End: Multi Frequency and Multi- Constellation AFE(Analog Front End) - BB: FPGA based and Processor - 시작품형태 - Dual Frequency Dual Constellation - High Accuracy Absolute and Relative Positioning - Full Receiver Prototype(# of Channel, PVT, Interfacing) - Static and Dynamic Application SWIRLS 프로젝트를통해개발된수신기는 GPS/ Galileo 이중주파수수신기능및전문가용수신기시장을목표로삼았으며주요규격은 < 표 3> 과같다. ARTUS 프로젝트는 IfEN( 독일 ) 사가주관하고 6 개업체가파트너로참여하여전문가용수신기개발이주목적으로이를위해갈릴레오수신기핵심기술조사분석, ARTUS 수신기시작품개발, 신호발생기개발및검증과실제환경하에서의시작품을검증하였다 (< 표 4> 참조 )[11]. ARTUS 수신기의플랫폼은메인보드와자녀보드개념으로구성되고단일 RF PCB상에 RF 분배기와 4개의 RF-ASIC 이탑재된다는점이다. 응용분야에따른국외위성항법수신기개발현황은다음과같다. 가. 정밀기계및건설용위성항법수신기 Trimble (www.trimble.com) 건설등옥외및동적사용자시장에 GPS 솔루션제공 이중주파수, 실시간이동, GPS 와 WAAS/EGNOS 수신기는신모델로정확하면서신뢰성데이터를제공가능 크기 소비전력 주파수 채널수 대역폭 개발형태 핵심기술 < 표 4> ARTUS 수신기의주요규격 - 5cm 25cm 19cm - 40 와트이하 - 입력전력 : 9~24V - GPS: L1 C/A, L2C - Galileo: L1 B/C, E5a/b, E6b/c - 주파수당 40 채널 - L1 and L2: 41MHz - E5: 72MHz - E6: 41MHz - Full Featured Galileo Receiver - FPGA based, Flexible - 향상된안테나개념 (Planar Spiral wide-band) - 간섭개념 ( 기저대역과 RF 대역 ) - 갈릴레오를위한실시간처리 - 다중경로경감기술 Caterpillar (www.cat.com) Leica ( 스위스 ) (www.leicageosystems.com/ construction) GPS 를위한 Topcon 과 Carlson 의 S/W 종합화조립기술로자동화된위치시스템제공 GPS 와레이저를통한거리측정및레이저추적이가능한레이저기반장비생산 ( 뒤에계속 ) 143
( 계속 ) Topcon ( 네덜란드 ) (www.topconpositioning.com) Septentrio ( 벨기에 ) (www.septentrio. com) Sokkia ( 일본 ) (www.sokkia.com) 도로건설을위한측량용측정장비와시스템개발및제공 실시간및후처리를위한최적솔루션제공이가능한고성능이중주파수수신기구현 건설, 광산등고정밀측정이요구되는분야에필요한수신기개발 건설용레이저방식수신기 z Leica Geosystems ( 스위스 ) (www.leicageosystems.com) Septentrio ( 벨기에 ) (www.septentrio.com) 모든 GPS/ 위성항법응용분야의최적솔루션제공 최고의정확성을위한 GPS/ 위성항법기술제공 실시간및후처리측지응용분야를위한최적솔루션제공을위한고성능이중주파수수신기구현 육상, 건설, 광업, 항공사진, 수로측량등이포함 나. 측지 / 측량용위성항법수신기 z Magellan ( 영국 ) (www.magellangps. com) 개입항법장비 (PND), 옥외용솔루션과측지및 GIS 시스템 휴대형차량항법장비및옥외용휴대형항법장비제작 PND: Personal Navigation Device GPS+ 겸용수신기 : ProMark 500 CMT(Corvallis Microtechnology Inc.) (www.cmtinc.com) Sokkia ( 일본 ) (www.sokkia.com) 임업, 수산업, 야생및환경관련분야의종사자등을위한전문가용단말기 ( 방수단말기제작에서선두 ) 제조 고정밀측량용수신기제조 Trimble (www.trimble.com) 이중주파수, 실시간이동, GPS 와 WAAS/EGNOS 겸용신모델수신기로정확한데이터를제공가능 Topcon ( 네델란드 ) (www.topconpositioning. com) 측량용 GPS 수신기제조 144
신천식외 / 위성항법수신기기술개발동향 다. 정밀농업용위성항법수신기 Ⅳ. GPS/Galileo 겸용수신기동향 Trimble (www.trimble.com) Micro-Trak Systems (www.agriculture. purdue.edu) Autofarm (www.gpsfarm.com) John Deere (www.machinefinder.com) 고성능 12 채널 GPS 신호제공 L1/L2 스마트안테나설계로다른신호원선택가능한융통성제공 실시간이동모드및위치정보가고정밀솔루션제공가능한신호처리기법제공 농업용장비및서비스제공, 잔디밭및고속도로유지관리용제작 고정밀농업용 GPS 제품제작 고정밀농업용 GPS 제품제작 GPS와 Galileo 겸용수신기개발의국외현황은다음과같다. NovAtel ( 캐나다 ) (www.novatel.com) Septentrio ( 벨기에 ) (www.septentrio. com) 처리신호 - GPS: L1, L5/Galileo: E1, E5a 주요특징 - GPS L1/L5 신호, Galileo E1/E5 및 SBAS 신호에대해 16 채널추적제공 일반적인 EuroPak 형태로되어있음 모델명 - EUROPAK L1/L5/E5A 처리신호 - GPS 신호 (48 개 ) 및 Galileo(6 개 ) 채널수신가능하고, 추적신호로는 GPS L1, L2, L5 와갈릴레오 E1, E5a, E5b, E5(AltBOC) 및 E6 신호 주요특징 - GPS 및갈릴레오위성동시추적 - 모든추적신호에대해데이터및세부측정정보와이중주파수 GPS 측정기반의 PVT 제공됨 - GeNeRx1 은 GIOVE-B 및갈릴레오궤도내시험용위성신호수신가능 : GENERX1 Topcon ( 네덜란드 ) (www.topcon.com) Hemisphere GPS ( 캐나다 ) (www.hemispheregps.com) 물관리, 파종, 이랑관리등의정밀농업용수신기개발보급 GPS/ L1/L2 C/A, Pcode 수신 (40 채널 ) 글로벌시장을위한고정밀상용 GPS 기술의설계, 개발및제조 SiGe+ Navtech (www.sige.com) 처리신호 - GPS and Galileo L1 주요특징 - SiGe 와 Navtech 사가공동개발한 GPS/Galileo 겸용수신기 - SiGe 사의 SE4120L 수신기 IC 와노드나브사의 GNSS 소프트웨어를이용, GPS 보다우수한성능제공 - 갈릴레오시스템에맞도록 S/W 업그레이드가능 ( 뒤에계속 ) 145
( 계속 ) 약어정리 Ifen GmBH ( 독일 ) (www.ifen.com) 처리신호 - L1, L2, L5/GPS, E1, E5ab, E6/ Galileo 주요특징 - FPGA 기반신호처리로융통성제공 - 6 개수신슬롯제공 ( 확장성고려 ), 각슬롯은 1 개신호처리 - 전문가용모니터링및기준국목적으로고정밀, 다중주파수, 다중배치측정지원 : 19 인치랙부착가능한수신기로모델명은 NavX-RPS 임 ARTUS FP GIS GNSS GPS PDD SA Advanced Receiver Terminal for User Service Framework Program Geographical Information System GLObal Navigation Satellite System Global Navigation Satellite System Global Positioning System Presidential Decision Directive Selective Availability 참고문헌 U-BloX (www.ublox.com) 처리신호 - GPS+Galileo 항법위성 50 채널수신 주요특징 - GPS 와 Galileo 단일칩, 칩셋및모듈 - -160dBm 신호민감도제공 ( 실내 ) - 초고속신호획득 (1 초이하 ) [1] 위성항법시스템기술 / 정책에관한국제동향분석, 한국전자통신연구원, 2000. [2] 항공우주기술산업동향지, Vol.3, No.1, 2005, pp.79-85. [3] EGNOS/Galileo Programe Status ERNP, June 2006. [4] http://www.spacedaily.com [5] 중국의유럽갈릴레오계획연도별참여현황, 한중과기협력센터, 2006. [6] 위성항법시스템및보강시스템의구축현황, 항공우주산업기술동향, 제5권제1호, 2007. 용어해설 GNSS: 항법위성을이용하여전세계적으로위치정보서비스를제공하는시스템 GPS/Galileo 수신기 : GPS 등의항법위성이전송하는항법신호를수신하여위치정보를계산할수있는단말장치 [7] GNSS-Freq Plan, ION 2007. [8] ABI Research, 2006. [9] Cost Benefit Analysis EC, 2000. 11. [10] http://www.swirls-gju.com [11] http://www.artus-gju.org 146