[논문]eLoran 송신국 배치 최적화 방안 연구

이창복; 신미영; 황상욱; 이상정; 양성훈

doi:10.5394/kinpr.2013.37.1.35

초록
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eLoran에서의 항법 성능을 결정하는 주요 오차요인은 수신기의 eLoran 측정치인 TOA 측정치 오차와 수신기와 송신국들 사이의 기하학적인 배치(GDOP)에 의한 오차로 구분할 수 있다. TOA 측정치의 오차 보정을 위해서는 dLoran 기준국에서 측정한 ASF 변동값을 LDC를 통해 이용자에게 제공하면 가능하다. 또한 송신국들의 기하학적 배치에 따른 위치측정 정확도는 DOP로 결정되며 송신국의 최적의 기하적인 배치는 항법 정확도를 향상시킨다. 본 연구에서는 eLoran 구축에 대비하여 우수한 항법 성능을 갖는 데 필요한 eLoran 송신국의 기하학적인 배치를 결정하였고, 최대 6 개까지 송신국을 배치할 경우에 대해 각각의 항법 성능을 평가하였다. 제안된 eLoran 송신국 배치 방안은 항만에서 항법 및 시간주파수 와 관련하여 요구하는 HEA 정확도를 만족하는 eLoran 시스템을 구축할 때에 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the eLoran navigation system, the dominant deterioration factors of navigation accuracy are the TOA measurement errors on user receiver and the GDOP between the receiver and the transmitters. But if the ASF data measured at dLoran reference station are provided for users through the Loran data ch...

In the eLoran navigation system, the dominant deterioration factors of navigation accuracy are the TOA measurement errors on user receiver and the GDOP between the receiver and the transmitters. But if the ASF data measured at dLoran reference station are provided for users through the Loran data channel, it will be possible to correct the TOA measurement errors. The position accuracy can be determined by the DOP depending on the geometry of receiver-transmitters, and their optimal placement improves the navigation accuracy. In this study we determined the geometric placement in case of up to six stations, and evaluated the performance of position accuracy for the receiver-transmitter geometry set of eLoran stations. The proposed geometry of eLoran stations can be referred for the construction of eLoran infrastructure meeting the capability of HEA for maritime, and time/frequency users in Korea.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존 송신국으로 운용하고 있는 포항, 광주 송신국 외에 1국을 추가 배치할 경우에는 한반도 어느 곳에 배치를 해도 해안지역에서 HEA 요구 조건을 충족하는 결과를 얻을 수 없다. 따라서 본 연구에서는 2국 이상의 송신국을 추가할 경우에 송신국 수에 따른 최적화된 배치도를 제시하였다. 기존 송신국 외에 2국을 추가 배치할 경우에 최상의 항법 성능을 갖는 송신국 좌표는 Table 1과 같다.
본 논문에서는 eLoran을 이용한 자립 항법 시스템을 구축할 경우를 대비하고 HEA(Harbor Entrance and Approach)의 요구성능(8∼20 m, 2dRMS)을 만족(ILA, 2007)하는 최적의 송신국 수 및 배치를 도출하기 위하여, 기존의 포항, 광주 송신국 외에 추가로 다수의 eLoran 송신국들을 구축할 경우에 필요한 송신국의 배치 방안과 그에 따른 예상 항법 성능을 연구하였다.
eLoran 송신국의 TOA 측정치를 이용한 2차원 항법은 이론상 최소 3개 이상의 송신국에서 획득되는 TOA 측정치를 이용하여 수신기 위치 및 시각을 계산할 수 있다. 본 연구에서는 eLoran을 구축 할 때에 송신국 추가에 따른 최상의 항법 성능을 갖도록 송신국들의 위치를 결정하였고 송신국들의 기하학적 배치에 따른 eLoran 시스템의 항법 성능을 평가하였다. 항법 성능 시뮬레이션에서 eLoran 신호의 전파 지연 오차인 PF(primary factor), SF(secondary factor), ASF(Additional Secondary Factor) 등이 완전히 보상되고(Samaddar, 1979; Last, 2000) 측정 오차는 15 m (1-σ ) 표준편차의 가우시안 분포를 가정하여 송신국의 기하학적인 배치에 따른 항법 성능을 계산하였다.
본 연구에서는 우리나라의 eLoran 항법시스템을 구축할 경우에 송신국 배치 방안에 대한 연구를 하였다. 송신국의 기하학적인 배치에 따른 영향 분석을 통해 HEA 운영 시의 요구 성능을 만족하는 송신국의 수 및 배치방안을 도출하였다.

제안 방법

2와 같은 성능을 얻을 수가 없다. 따라서 제주도 포함한 4국을 육지 근방에 추가할 경우, 항법 성능을 계산하였다. 이 경우 송신국 좌표는 Table 3와 같고 HDOP, HNSP의 예상 결과는 각각 Fig.
본 연구에서는 우리나라의 eLoran 항법시스템을 구축할 경우에 송신국 배치 방안에 대한 연구를 하였다. 송신국의 기하학적인 배치에 따른 영향 분석을 통해 HEA 운영 시의 요구 성능을 만족하는 송신국의 수 및 배치방안을 도출하였다. 국내 독자 환경 구축의 경우에 기존 Loran-C 송신국은 포항, 광주 송신국 위치를 기본 송신국으로 설정하였고, 2국, 3국, 4국의 송신국이 추가되는 경우 각각에 대한 항법 성능을 예측하였다.
항법 성능 시뮬레이션에서 eLoran 신호의 전파 지연 오차인 PF(primary factor), SF(secondary factor), ASF(Additional Secondary Factor) 등이 완전히 보상되고(Samaddar, 1979; Last, 2000) 측정 오차는 15 m (1-σ ) 표준편차의 가우시안 분포를 가정하여 송신국의 기하학적인 배치에 따른 항법 성능을 계산하였다.

대상 데이터

국내 독립적인 환경 구축의 경우 기존 송신국으로는 포항, 광주 송신국을 기본 송신국으로 설정하고, 추가되는 송신국의 개수와 배치 위치에 따른 예상 항법성능을 계산하였다. All-in-view 환경 구축의 경우는 국내 송신국 외에 Korea chain의 종국인 일본의 게사시, 니지마 송신국을 포함하였다. 예상 항법 성능 평가를 위한 시뮬레이션은 식 (1)의 HDOP(horizontal dilution of precision)과 식 (2)의 HNSP(horizontal navigation system precision)를 사용하여 평가하였다(Kaplan, 2006).
국내에서 운영하고 있는 DGPS 기준국 중에 4국(소청도, 마라도, 영도, 울릉도)을 선정하여 eLoran 송신국을 동일 장소에 설치할 경우의 예상 항법 성능을 도출하였다. Loran(100 kHz)과 DGPS(300 kHz) 신호가 동일 지역에서 송신 시에 신호 간섭 최소화 방안은 이미 여러 논문에서 제안된바 있다(Burrow, 2001; Wolfe, 2002; Peterson, 2010).

이론/모형

All-in-view 환경 구축의 경우는 국내 송신국 외에 Korea chain의 종국인 일본의 게사시, 니지마 송신국을 포함하였다. 예상 항법 성능 평가를 위한 시뮬레이션은 식 (1)의 HDOP(horizontal dilution of precision)과 식 (2)의 HNSP(horizontal navigation system precision)를 사용하여 평가하였다(Kaplan, 2006). HNSP는 위치 오차의 척도로 볼 수 있으므로 HNSP 분포의 크기는 미터 단위로 표시된다.

성능/효과

8과 같다. HNSP 결과는 모든 대상 지역에서 HEA 요구 성능을 만족하지만, 최상의 위치에 4국을 추가한 배치 결과에 비해서 동해와 제주도 인근 해상에서 항법 오차가 17 m로 낮은 항법 성능을 보였다. DGPS 기준국을 활용한 eLoran 송신국 배치 방안은 eLoran 송신국 장비를 기존 DGPS 기준국에 추가로 설치함으로써 eLoran 시스템 구축이 가능하기 때문에 부지 선정 및 비용적 측면, 시공기간 단축 등 여러 측면에서 이점이 있을 것으로 예상된다.
10과 같고 예상 항법 성능은 한반도 전 지역에서 HEA 요구 성능을 만족함을 알 수 있다. 결론적으로 eLoran 시스템 all-in-view 모드의 장점은 다른 나라의 송신국 신호도 추가로 이용하기 때문에 우리나라에 설치한 송신국만을 이용한 예상 항법 성능 보다 광범위한 영역에서 개선된 성능을 기대할 수 있다.
만약 3 곳의 가상 송신국을 제안된 해상 위치에서 가장 가까운 근방의 국내에 설치한다면 한반도 내륙의 중부와 남부 해안 지역에서 HEA 요구 성능을 만족하지만, 제주도 인근 해안 지역 및 한반도 내륙의 북부 해안 지역에서는 만족하지 못한다. 기존 송신국에 4국을 추가하여 최상위치 근방 국내에 송신국을 배치할 경우 한반도 해안의 전 지역에서 HEA 요구 성능을 만족함을 확인할 수 있었다. 또한 포항, 광주 송신국 외에 4국을 DGPS 기준국(소청도, 마라도, 영도, 울릉도) 위치에 배치할 경우 항법 성능은 대상 지역에서 모두 HEA 요구 성능을 만족하지만, 이론적으로 최적의 위치에 4국을 추가한 결과에 비해서 조금 낮은 항법 성능을 보였다.
기존 송신국에 4국을 추가하여 최상위치 근방 국내에 송신국을 배치할 경우 한반도 해안의 전 지역에서 HEA 요구 성능을 만족함을 확인할 수 있었다. 또한 포항, 광주 송신국 외에 4국을 DGPS 기준국(소청도, 마라도, 영도, 울릉도) 위치에 배치할 경우 항법 성능은 대상 지역에서 모두 HEA 요구 성능을 만족하지만, 이론적으로 최적의 위치에 4국을 추가한 결과에 비해서 조금 낮은 항법 성능을 보였다. 그러나 DGPS 기준국 위치에 eLoran 송신국을 배치하는 방안은 eLoran 송신국 장비를 기존 DGPS 기준 국에 추가로 설치함으로써 eLoran 시스템 구축이 가능하기 때문에 부지 선정과 시설물 구축 등에서의 비용 절감과 시공기간 단축 등 여러 가지 이점이 예상된다.

후속연구

따라서 GPS, Galileo와 같은 GNSS의 활용과 더불어 궁극적으로는 자립성을 갖는 지상파 이용 항법 체계를 채택하여 독자적인 항법 인프라로 운용하는 것이 적절한 대응이라고 판단된다. 그러한 측면에서 eLoran을 이용한 지상파 항법 체계 구축은 GNSS에 대한 의존도를 낮추는 동시에 시각 및 위치측정에 대한 대체 수단을 확보함으로써 미래의 불확실성에 대비할 수 있는 유일한 대안이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	eLoran에서의 항법 성능을 결정하는 주요 오차요인은 어떻게 구분하는가?	eLoran에서의 항법 성능을 결정하는 주요 오차요인은 수신기의 eLoran 측정치인 TOA 측정치 오차와 수신기와 송신국들 사이의 기하학적인 배치(GDOP)에 의한 오차로 구분할 수 있다. TOA 측정치의 오차 보정을 위해서는 dLoran 기준국에서 측정한 ASF 변동값을 LDC를 통해 이용자에게 제공하면 가능하다.
	우리나라가 eLoran (enhanced Loran)에 의한 백업시스템 구축을 통해 유사시에 사회적 손실을 최소화하기 위한 항법 인프라 기술을 개발하는 이유는?	e-Navigation의 활성화에 따라 GNSS 백업을 위한 대체 항법체계에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다(FAA, 2004). 대부분의 GNSS는 전파교란에 대하여 취약하므로 선진국에서는 이로 인한 작동중지 상황을 대비하여 비상 대응체계 구축을 고려하고 있다(Volpe, 2001). 우리나라의 경우 GPS 불통은 금융, 통신 산업의 경제적인 손실 이외에 국가 안보에도 심각한 영향을 미친다. 특히 GPS에 의존하는 무기체계의 경우 GPS의 불용사태 또는 이상상태는 무기체계 성능과 안정성에 막대한 영향을 미친다. 이에 따라 우리나라는 eLoran (enhanced Loran)에 의한 백업시스템 구축을 통해 유사시에 사회적 손실을 최소화하기 위한 항법 인프라 기술을 개발하고 있다.
	eLoran이란?	기존의 Loran-C의 경우 지상파를 이용한 항법 시스템의 정확도가 위성 항법의 경우에 비해 크게 떨어졌지만 eLoran 시스템의 등장으로 지상파를 이용한 고성능의 대체 항법 시스템 구축이 가능해졌고 항만 지역에서의 항법 성능과 통신망 동기를 위한 시각 및 주파수 성능은 GNSS를 백업할 수 있을 정도로 향상되었다(ILA, 2007). 현재 eLoran은 GPS 백업으로 자립적인 대체 항법 기능을 확보할 수 있는 유일한 지상파 항법 시스템이다. eLoran의 경우 TOA(Time of Arrival)를 근거로 한 all-in-view 항법이기 때문에 우리나라에서 eLoran 자립적 항법 체계를 구축하려면 포항, 광주 2국의 송신국을 eLoran에 적합하도록 시스템을 현대화 하고, 추가로 다수의 eLoran 송신국을 구축하여야 한다.

참고문헌 (10)

Burrow, R. M. Raines, J. K.(2001), "Simulation of DGPS and LORAN-C Signals Through Pass-Reject Diplexer Filter Networks", Engineering Report prepared for USCG.
FAA(2004), "LORAN's Capability to Mitigate the Impact of a GPS Outage on GPS Position, Navigation, and Time Applications".
ILA(2007), "Enhanced Loran (eLoran) Definition Document", Report Version 1.0.
Kaplan, E. D.(2006), "Understanding GPS principles and application", Artech house, Inc.
Last, D., William, P. and Dykstra, K.(2000), "Propagation of Loran-C signals in Irregular Terrain-Modelling and Measurements: Part II; Measurements", Annual Convention and Technical Symposium, International Loran Association.
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs Pohang & Kwangju Loran-C station, Korea Loran-C Chain (http://www.loran9930.go.kr/).
Peterson B., Hardy T. and Enge P. K.(2010), "Improving Loran Coverage with Low Power Transmitters", Journal of navigation, Vol. 63, No. 1, pp. 23-38.

상세보기
Samaddar, S. N.(1979), "The Theory of Loran-C Ground Wave Propagation-A Review", the Journal of The Institute of Navigation, Vol. 26, No. 3, pp. 173-187.

상세보기
Volpe National Transportation Systems Center, US Department of Transportation, Office of Assistant Secretary for Transportation Policy(2001), "Vulnerability Assessment of the Transportation Infrastructure Relying on the Global Positioning System", Volpe Report.
Wolfe, D. B. et al.(2002), "Co-Locating DGPS and Loran Transmitters," Proceedings of the 2002 National Technical Meeting of The Institute of Navigation, San Diego, CA, pp. 352-361.

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