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2011. 1. 6. 09:20 대덕밸리과학소식/ETRI

GPS(Global Positioning System)는 미국 정부가 20,200km 상공에 항법신호를 송출하는 24개 위성을 배치해 지구 전역에서 움직이는 물체의 위치  고도? 속도 정보를 제공하는 위성항법시스템으로, 현재 유도 미사일과 같은 군사적 용도 뿐 아니라 측량이나 항공기, 선박, 자동차 등의 항법장치에 많이 이용되고 있습니다.

갈릴레오(Galileo)는 유럽 연합(EU)과 유럽 우주청(ESA)이 공동으로 추진하고 있는 유럽독자 위성항법시스템으로 30기의 인공위성을 중궤도(약 24,000km)상에 배치하여 항법신호를 제공할 계획으로 실시간 위치 계산 정확도가 1 m 이내로 현재 GPS 보다 뛰어난 정밀도를 제공하게 될 것으로 전망됩니다.

ETRI는 GPS와 갈릴레오 위성항법신호를 모두 처리할 수 있는 「위성항법 신호감시국용 GPS/갈릴레오 복합수신기 기술」을 순수 국내 기술로 개발에 성공했습니다.


 ■ 위성항법신호감시국용 GPS/갈릴레오 복합수신기 형상도
위성항법신호감시국은 GPS 및 갈릴레오 항법위성의 송출 신호를 감시하는 시스템으로 구성요소로는 온도, 습도 등의 정보를 처리하는 기상측정 장비, 수신기에 정확한 시각정보를 제공하는 기준클럭 장치 및 위성항법수신기로 이루어짐.

위성항법신호감시국용 GPS/갈릴레오 복합수신기는 전지구 위성항법시스템인 GPS와 갈릴레오가 송출하는 항법신호를 수신 처리하여 자신의 위치 산출 및 항법 데이타를 처리하는 수신기.


이번에 개발된 「위성항법 신호감시국용 GPS/갈릴레오 복합 수신기 기술」은 현재 사용되고 있는 GPS 항법신호와 민간용 갈릴레오 위성의 항법신호까지 함께 처리할 수 있어, 정밀도 및 신뢰도가 향상된 위치기반서비스 제공에 활용될 수 있습니다.

이를 통해 현재 사용되고 있는 GPS L1(1575.42 MHz) 항법신호는 물론 GPS 현대화에 따른 L5(1176.45 MHz), L2C(1227.60 MHz)신호와 민간용 갈릴레오(유럽 독자항법시스템) 위성의 항법신호인 E1(1575.42  MHz), E5a(1176.45 MHz)항법신호 까지 처리할 수 있게 됩니다.

현재 국내에는 GPS 신호 관측용 기준국 및 상시관측소 80여개소가 운용중이며 이를 통해 정밀지도제작, 우주측지, 지각운용 연구 및 측지 측량용으로 활용 중입니다.  

국내 위치기반 솔루션 제공업체를 중심으로 이번에 개발된 기술 이전을 요청하는 등 큰 관심을 보이고 있으며, 갈릴레오 위성이 정상 운용될 경우 파급효과가 클 것으로 전망됩니다.

ETRI는 개발 기술에 대한 기술 설명회, 기술 전시회를 통하여 국내외 위성항법 시장 개척을 위한 업체로의 기술이전을 추진할 계획입니다.

 ■ 위성항법 신호감시국용 GPS/갈릴레오 복합수신기 기술

▷'위성항법 신호감시국용 GPS/갈릴레오 복합 수신기 기술'은 현재 사용되고 있는 GPS 항법신호 L1(1575.42 MHz)와 GPS 현대화에 따른 새로 도입되는 GPS 항법신호 L5(1176.45 MHz), L2C(1227.60 MHz)는 물론 민간용 갈릴레오 (유럽 독자항법시스템) 위성의 항법신호 E1(1575.42  MHz), E5a(1176.45 MHz)까지 처리할 수 있다.
이는 향후 가용성 및 무결성이 향상된 위치기반서비스 제공에 활용될 수 있을 것으로 기대됨.

▷본 기술 개발을 통해 위성항법 신호감시국 주요 기능인 가시(可視)위성의 항법신호에 대한 신호품질감시, 데이터 품질감시 및 측정치 품질감시 기술을 확보.

▷소형 Balun칩 사용을 통한 안테나의 소형화, GPS 항법신호(L1) 대역부터 갈릴레오 항법신호(E5a) 대역까지 모두 수신할 수 있는 광대역 RF/IF 변환 기술, GPS 항법신호(L1)에 대한 강건성 기술 및 자동이득제어 장치 등의 개발     로 수신기 RF-Front End 성능 향상 기술도 확보함. 

※ Balun 칩 : 원형편파의 위성항법 수신용 안테나를 구성하는 두개의 안테나 소자에 단일 전송선로로부터의 RF 신호(Unbalanced Signal)를 역위상의 두개 신호로(Balanced Signal) 분리하여 공급하기 위한 수동 부품 칩.  

 ※RF/IF 변환기술 : 1.1~1.5 GHz 대역의 무선주파수 신호를 140MHz 중간주파수 대역으로 변환시키는 기술 

※수신기 RF-Front End 성능향상 기술 : 위성항법수신기의 안테나 및 RF/IF 변환부에서 잡음지수 향상, GPS L1 신호대역에서의 신호왜곡에 따른 대응 및 수신 신호레벨을 일정하기 유지하는 기술

▷GPS 항법신호(L1)와 갈릴레오 항법신호(E1)를 혼합하여 위치를 산출할 수 있는 기술개발로 항법신호의 가용도 및 정밀도(수평 3미터, 수직 6미터)향상 기술을 확보함.
GPS 위성 12채널 및 갈릴레오 위성 15채널을 동시에 신호 처리할 수 있는 기술 확보로 위성항법 다원화에 대비할 수 있는 기반 기술 확보함.


향후에는 위치정보 활용도 증가와 보다 정밀한 위치정보 필요성 증대, GPS 시스템 이외에 갈릴레오, QZSS(일본), COMPASS(중국)등의 신규 위성항법시스템 등장으로 GPS/갈릴레오 복합수신기 기술에 대한 관심도가 보다 증가될 것으로 전망됩니다.

일본이 개발중인 지역위성항법시스템 QZSS는 고타원 궤도상에 총 3기를 배치하여 동경지역에서의 항법위성의 가용도를 85% 이상을 제공할 목적으로 현재 1기가 발사되어 시험 중입니다.

COMPASS는 중국이 개발중인 전지구 독자항법시스템으로 2020년까지 35기 위성운용 목표(중궤도 30기, 정지궤도 5기)로, 현재 정지궤도 5기와 중궤도 1기가 배치된 상태입니다.

GPS/갈릴레오 복합 수신기 분야는 국외에서도 기술개발을 경쟁적으로 추진 중인 핵심기술로, 향후 위성항법시스템 뿐만 아니라 항법신호 다원화에 따라 고정밀 위성항법 복합수신기 시장 전망은 매우 밝다고 합니다.

연구책임자인 이상욱 ETRI 위성항법연구팀장은 "GPS 및 갈릴레오 항법신호를 동시에 처리할 수 있는 기술로 향후 다원화 항법신호 환경 하에서 안정적이고 향상된 위치기반서비스 제공에 필요한 위성항법 지상 인프라 핵심기술을 국산 기술로 개발했다는 점에 큰 의미가 있다"며 "본 기술을 그동안 수입에 의존해온 고정밀 위성항법 수신기에도 응용할 수 있다"고 밝혔습니다.

이번 기술은 방송통신위원회 주관으로 추진된 "위성항법지상국 시스템 및 탐색구조 단말기 기술 개발" 과제를 통해 개발되었으며, 정부는 2006년 9월에 한-EU 갈릴레오 협정을 체결한 바 있습니다.



  참   고   자   료


■ GPS/갈릴레오 복합수신기 주요 내용

○ GPS L1, L2c, L5 / 갈릴레오 E1, E5a 동시 수신이 가능한 광대역 RF/IF 변환     기술
○ 소형 Balun 칩 사용으로 안테나 소형화(20cm)
○ GPS L1, L2C, L5와 갈릴레오 E1, E5a 처리를 위한 복합 신호 감시국용 수신기기술
○ GPS 12채널 및 갈릴레오 15채널 동시 처리
○ 수평오차 : 3m 이하, 수직오차 : 6m(2dRMS)이하
○ TTFF(Time To First Fix) 성능
  - Cold start 40초 이하
  - Warm start 35초 이하
  - Hot start 4초 이하
  - Reacquisition 1초 이하
○ Sensitivity(신호민감도) 성능
  - Acquisition(신호획득) -142 dBm 이하
  - Tracking(신호추적)  -152 dBm 이하
○ 사용자 편의성을 고려한 UI(User Interface) 구현 기술

■ 위성항법시스템 개요

▷정의
  - 항법장비가 탑재된 위성을 통해 지상의 사용자에게 RF를 이용한 측위 및 시각정보 서비스를 제동하는 시스템
    * Radio Navigation의 일종

▷ 지상 수신국에서는 최소 4개 이상의 위성신호를 받아 100m 이내의 위치정보와 나노-초 단위의 시각 파악

▷ 사용자 위치산출은 위성의 위치와 항법정보(위성시계, 전리층 모델, 위성궤도요소, 위성상태 등)를 기반으로 삼각법에 의해 결정

▷ 위성합법시스템 국외 현황

  - GPS : 미국(국방성)에서 1973년부터 운영.
    고도 20,180Km, 위성수 24기 회전주기 11시간 58분(현재 31기 운용)
 
- GLONASS : 러시아(국방성)에서 1982년 위성발사.
    고도 19,100Km, 위성수 24기중 현재 21기 운용

  - 갈릴레오 : 유럽연합에서 1999년 사업착수.
    2014년 30기 위성운용 목표 
 
- COMPASS : 중국이 개발중인 전지구 독자항법시스템.
    2020년까지 35기 위성운용 목표(중궤도 30기, 정지궤도 5기), 현재 정지궤  
    도 5기와 중궤도 1기가 배치된 상태

  - QZSS : 일본이 개발하는 지역위성항법시스템.
    총 3기의 고타원 궤도상에 총 3기를 배치하여 동경지역에서의 위성의 가용
    도를 85% 제공할 목적으로 현재 1기가 발사되어 실험중임.

■ GPS 시스템 구성도


미국이 운용하는 전지구 항법시스템인 GPS는 크게 3가지로 이루어짐
  - 우주부문(Space Segment) : 우주공간에 떠 있는 위성
  - 모니터링관측소 : 위성이 송출 신호가 정상적인지를 감시
  - 제어부문 : 위성의 움직임으로 발생되는 위성의 궤도예측 및 위성을 제어하는 제어국을 모두 포함
  - 사용자부문 : 항법신호 수신를 통해 현재의 자신의 위치를 산출하는 단말기

posted by 글쓴이 과학이야기

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