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Korea Institute of Ocean Science & Technology

항해 안전과 해양재해 극복을 위한 위성전파항법 기술

  • 조회 : 7241
  • 등록일 : 2013-05-03

| 해양안전기술연구부 박상현 책임연구원


‘보다 안전하고 효율적인 비용으로 선박을 부두에 자동 접안하거나, 좁은 수로를 보다 적은 스트레스로 운항할 수 있는 방법을 없을까?’ ‘선박이 교량 밑을 통항하기 이전에 충분한 여유고(air clearance)가 있는지 미리 판단할 수는 없을까?’ ‘화물적재 등으로 인해 선박이 뒤틀리거나 수평을 맞추지 못하는 상황을 언제든지 정확하게 감시할 수는 없을까?’ ‘원해로부터 발생한 지진해일을 조기에 관측해서 피해를 저감할 수 있는 방법은 무엇일까?’  
해양안전 분야에 몸담고 있는 연구자라면 누구나 한번쯤, 또는 어떤 연구자에게는 평생의 숙제처럼 느껴지는 화두일 것이다. 그리고 이제는 GPS라는 용어로 보편화된 위성전파항법 기술이 이러한 문제 해결의 단초로 대두되고 있다.

인간이 항법, 즉 출발지로부터 목적지까지의 항행을 시작한 이래로 위성전파항법 기술만큼 정확하고 손쉽게 이용할 수 있는 보편화된 측위방법은 없었을 것이다. 이제는 개인별로 차량용 네비게이션 뿐만 아니라 스마트폰 등 위성전파항법 수신장치를 한개쯤 지니고 있는 셈이니 말이다. 위성전파항법시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)이란, 지상에서 송신하는 전파를 수신하여 자신의 위치를 알아내는 오메가(Omega), 현재도 운영되고 있는 로란(LORAN)과 같은 원리로 시선거리(Line of Sight)를 계산하는데 이용되는 전파를 위성에서 송신한다는 점이 크게 다르다. 그리고 위성에서 전파를 송신하기 때문에 수직 측위가 가능하고, 이용되는 전파의 주파수가 지상전파항법시스템보다 훨씬 높아서 시선거리를 보다 정확하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라 수신장치를 작게 만들 수 있다. GPS는 위성전파항법시스템의 일종인 셈이며, 현재 가장 널리 이용되고 있다는 점 때문에 위성전파항법시스템, 기술, 수신장치 등을 대표하는 용어로 일반화되어 있다. 
현재 우리나라에서 이용이 가능한 위성전파항법시스템은 미국이 운영하고 있는 GPS와 더불어서 러시아의 GLONASS, 중국의 Beidou가 있는데, 러시아의 GLONASS는 2011년 말부터 본격 위성전파항법 서비스를 시작하였고, 중국의 Beidou는 우리나라를 포함한 자국 지역을 서비스 범위로 작년부터 운영을 본격화하였으며 2020년까지 서비스 범위를 전 세계로 넓힐 예정이다. 또한 유럽연합은 Galileo라고 명명한 위성전파항법시스템을 개발 중에 있으며, 2016년부터 시범 서비스를 시작하여 2018년까지 개발을 완료할 예정이다. 위성전파항법 분야에서 미국의 독주와 의존도를 낮추기 위해 시작한 강대국의 독자 위성
 전파 항법시스템 개발로 인하여 위성전파항법체계의 다원화, 바야흐로 위성전파항법시스템의 춘추전국시대를 맞이하게 되었다.

위성전파항법 기술의 활용분야는 실로 다양하다. 앞서 언급한 항법 분야는 물론이고, 제공되는 정밀한 시각을 이용한 휴대폰 기지국의 망 동기, 온라인 뱅킹과 같은 전자 상거래의 시각인증으로도 이용되고 있다. 해상교통 분야에서 편리하게 이용하고 있는 AIS(자동선박식별 시스템)에서도 자선의 위치를 알아내는데 위성전파항법 기술을 이용할 뿐만 아니라 AIS 통신을 위한 시각동기에도 이용하고 있다. 
그렇다면 흔히 DGPS(Differential GPS)라고 알고 있는 위성전파항법 보강시스템은 항해 안전에 왜 필요한 것일까? 위성전파항법시스템의 다원화 이후에도 위성전파항법 보강시스템이 필요할까? 이 물음에 대한 답을 얻기 위해서는 항해에서 요구하는 측위성능에 대해 먼저 알아야 한다. 표 1은 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)에서 요구하는 미래 해양항법의 성능을 나타내고 있는데, 현재보다 항만 내에서의 요구 성능이 강화된 점이 특징이다(현재 항만 내에서의 요구 성능은 표 1의 ‘Port approach and restricted waters’에서 요구하는 성능과 동일하다). 그렇다면 위성전파항법시스템의 다원화 이후에도 위성전파항법시스템 단독으로는 국제해사기구에서 요구하는 표 1의 성능을 만족시키지는 못하는 것일까? 답은 ‘그렇다’이다. 위성전파항법시스템의 다원화로 인해 측위 정확도가 향상되는 효과는 기대할 수 있지만, 1미터 이내의 수평측위 정확도를 얻기는 어려울 뿐더러 무결성(Integrity) 측면에서 요구되는 성능은 보장할 수 없기 때문에 가용성(Availability)이나 연속성(Continuity)과 같은 성능지표를 만족시키지 못하게 된다. 반면에 DGPS라 일컬어지는 위성전파항법 보강시스템은 위성전파항법시스템 단독으로 보장하지 못하는 측위 서비스의 신뢰성을 제공할 수 있다. 이런 이유로 해양 관련 국제기구들은 적어도 항만에서 위성전파항법 보강시스템 이용을 절실히 기대하고 있다. 그림 1과 그림 2는 현재 우리나라와 미국에서 운영하고 있는 DGPS 보강시스템의 설치 현황과 서비스 범위이다.

 

▲ [표 1] 미래 해양항법의 요구 성능 < 출처: IMO Resolution A.915(22)>

▲ [그림1]  대한민국 DGPS 시스템 설치 현황 < 출처: 해양수산부 위성항법중앙사무소>

▲  [그림2] 미국에서 운영중인 DGPS 시스템 설치 현황 < 출처: 미국 국토안보부 USCG>

한국해양과학기술원에서는 2002년 5월에 해양수산부와의 설치 협약에 따라 연구개발사업의 효율적 관리, 평가와 장기 국가계획 및 산업화 정책수립 등을 목적으로 GNSS 연구센터를 설치하였다. 이후 10년간 해양안전 인프라로서의 위성전파항법 보강시스템 관련 연구개발과 국내 DGPS 구축 및 활용에 힘써왔으며, 국가의 장기 기술정책 수립에 이바지해 왔다. 특히 최근에는 DGPS, DGLONASS 서비스가 가능한 해양용 보강시스템을 국산화하였고, 시범운영 과정을 거쳐서 산업체에 기술이전까지 완료한 바 있다. 그림 3은 우리 원(한국해양과학기술원)에서 개발한 DGPS/DGLONASS 위성전파항법 보강시스템의 시범운영 현장 모습이다.

▲  [그림3] 한국해양과학기술원에서 개발한 DGPS/DGLONASS 위성전파항법 보강시스템의 시범운영

 현재 운용되고 있는 위성전파항법 보강시스템은 더 정밀한 측위 정확도를 제공할 수는 없는 것일까? 또는 위성전파항법 보강시스템이 글머리에서 화두로 던진 의문에 대한 해답의 실마리를 제공할 수 있을까? DGPS/DGNSS 보강시스템은 측위 서비스의 신뢰성을 보장할 수 있는 시스템임에는 분명하다. 그러나 안타깝게도 데시미터 정확도 이상의 측위 성능을 보장할 수 없는 기술적 한계를 지닌다. 의사거리(Pseudorange) 기반의 보강시스템이 갖는 구조적 한계를 극복할 수 있는 전혀 다른 형태의 보강시스템이 필요한 이유가 여기에 있다. 위성전파의 반송파 위상을 이용한 측위기술은 CDGPS (Carrier phase differential GPS), RTK(Real time kinematic)라고도 불리는 정밀측위기술로서 측지·측량을 위해 개발되었고, 주로 이 분야에서 활용되고 있다. 측위 정확도 면에서 가장 적합한 보강시스템인 것이다. 현재에도 안전성을 요구하지 않는 해양분야에서 정밀한 측위 정확도를 제공한다는 장점때문에 간혹 이들 기술을 이용하고 있다. 
반송파 위상 기반 정밀측위기술은 기저거리 종속형과 확장형, 비종속형으로 나누어지는데, 기저거리 종속형 정밀측위기술은 가능한 측위 범위가 보강시스템으로부터 반경 20km까지로 제한되는 치명적 단점을 가지고 있으며 CDGPS와 RTK가 여기에 속한다. 한편 기저거리 확장형 정밀측위기술은 측위 서비스 범위를 종속형 보다 확장한 방법으로 보강시스템으로부터 반경 150~180km를 서비스 범위로 한다. 반면에 기저거리 비종속형은 타 정밀측위기술과 다르게 기저거리와 관계되는 보강시스템 없이 정밀측위가 가능하다. 결론적으로 기저거리 비종속형 측위기술은 해양안전 분야에 가장 경제적으로 사용이 용이한 정밀측위기술인 셈이다.

 

▲ [그림4] 위성전파항법 보강 측위기술의 분류

 

기저거리 비종속 정밀측위기술은 분명 매력적인 측위기술임에 분명하다. 하지만 이 측위기술이 해양안전 분야에 적용되기 위해서는 풀어야 할 문제들이 있다. 첫 번째가 고출력의 실시간 운용이 가능하도록 개선해야 한다는 것이다. 지진해일과 같은 해파의 파고를 계측하기 위해서는 파고, 파향 정보를 적어도 10Hz 이상의 주기로 얻을 수 있어야 하기 때문이다. 더불어 국제적으로도 센티미터 수준의 측위 정확도를 실시간으로는 얻지 못하고 있다. 두 번째로는 초기 준비시간을 줄여야 한다. 기저거리 비종속 정밀측위기술은 초기 준비시간을 과도하게 요구하는 문제가 있어서 적용의 용이성을 떨어뜨린다. 세 번째로는 국제해사기구에서 요구하는 신뢰성을 보장할 수 있도록 보완해야 한다. 앞서 언급한 바와 같이 단순히 측위정확도가 높고, 사용이 용이하다는 점만으로는 항행 시스템은 물론이고, 다양한 해양안전 분야에 적용이 불가능하기 때문이다.

한국해양과학기술원 해양안전기술연구부에서는 2010년도부터 국가현안문제 해결형 사업(NAP)으로 ‘선박안전항해 및 재난해파 조기검출을 위한 위성기반 정밀 수직측위기술 연구’를 수행하고 있다. 본 연구에는 기저거리 비종속 정밀측위기술을 해양안전 분야에 적용하기 위해 풀어야 할 쟁점들을 해결하고, 개발한 기술을 실제 환경에 적용하여 기술적 가능성을 검증하는 것을 목표로 한다. 현재는 1단계 3차년을 마무리하고, 2단계 1차년을 수행중이다. 그림 5는 1단계에서 실시간 운용이 가능하도록 개발된 데시미터 정확도의 기저거리 비종속 정밀측위기술을 경인 아라뱃길에서 검증하고, 이를 시연하는 모습이다. 2단계 연구사업에서는 기저거리 비종속 정밀측위기술의 실시간 정확도를 센티미터 수준으로 개선시키고, 초기 준비시간을 획기적으로 줄이는 방안을 연구할 계획이며, 여기에 필자가 2012년에 캐나다 UNB에서 연구연가 과정을 통해 확보한 정밀측위 핵심기술을 접목할 예정이다. 향후 5년 이내에 항해 안전과 해양재해를 극복하는데 단초가 될 첨단의 위성전파항법 기술을 우리 원에서 시연하게 될 모습이 기대된다.

 ▲ [그림5] 개발된 데시미터 정확도의 기저거리 비종속 정밀측위기술 시연

2013-05-03 

 

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2019-05-31