본 논문은 2012년 12월에 항법서비스 시작, 2020년 개발완료 예정인 중국의 BeiDou 글로벌위성항법시스템에 대한 특성분석과 항법신호의 실험 및 실측 데이터의 통계적 분석에 중점을 둔 연구이다. 정상 운영 중인 14개의 BeiDou 항법위성 중 한반도 서남지역에서 사용 가능한 위성 수는 6~7개 정도로 3차원 위치정보를 얻기 위한 최소 위성수인 4개 이상임을 확인하였다. 그럼에도 불구하고 가용위성이 일부구역으로 편중되고 있고, 신호강도는 아직 안정적이지 못한 것으로 나타났다. 항법신호가 안정적인 경우, 실험 및 실측 기간에 확인 된 BeiDou 위성항법시스템의 항법 정밀도는 5m 수준으로 매우 양호하게 나타났다. 위치분포는 정규분포에 근사한 것으로 나타나 향후 항법위성의 증가와 함께 BeiDou 위성항법시스템이 더욱 안정적인 항법정보를 제공하게 될 것으로 전망된다.
본 논문은 2012년 12월에 항법서비스 시작, 2020년 개발완료 예정인 중국의 BeiDou 글로벌위성항법시스템에 대한 특성분석과 항법신호의 실험 및 실측 데이터의 통계적 분석에 중점을 둔 연구이다. 정상 운영 중인 14개의 BeiDou 항법위성 중 한반도 서남지역에서 사용 가능한 위성 수는 6~7개 정도로 3차원 위치정보를 얻기 위한 최소 위성수인 4개 이상임을 확인하였다. 그럼에도 불구하고 가용위성이 일부구역으로 편중되고 있고, 신호강도는 아직 안정적이지 못한 것으로 나타났다. 항법신호가 안정적인 경우, 실험 및 실측 기간에 확인 된 BeiDou 위성항법시스템의 항법 정밀도는 5m 수준으로 매우 양호하게 나타났다. 위치분포는 정규분포에 근사한 것으로 나타나 향후 항법위성의 증가와 함께 BeiDou 위성항법시스템이 더욱 안정적인 항법정보를 제공하게 될 것으로 전망된다.
The paper is focused on not only the system characteristics of BeiDou, China GNSS, but also the statistic analysis based on its real data received from the BeiDou's satellite navigation messages. The 6-7 satellites, which are more than minimum number of 4 satellites to obtain 3-D position, are avail...
The paper is focused on not only the system characteristics of BeiDou, China GNSS, but also the statistic analysis based on its real data received from the BeiDou's satellite navigation messages. The 6-7 satellites, which are more than minimum number of 4 satellites to obtain 3-D position, are available for receiving navigation signal in stable case. It was also verified that the available satellites are deviated to specific coordinate and their signals are still unstable. Only as long as the received signal with the high stability, the precision of the BeiDou navigation satellite navigation system was identified with 5m level in deviation. The Beidou system is expected to be rising as a darkhorse in the future of the global satellite navigation area.
The paper is focused on not only the system characteristics of BeiDou, China GNSS, but also the statistic analysis based on its real data received from the BeiDou's satellite navigation messages. The 6-7 satellites, which are more than minimum number of 4 satellites to obtain 3-D position, are available for receiving navigation signal in stable case. It was also verified that the available satellites are deviated to specific coordinate and their signals are still unstable. Only as long as the received signal with the high stability, the precision of the BeiDou navigation satellite navigation system was identified with 5m level in deviation. The Beidou system is expected to be rising as a darkhorse in the future of the global satellite navigation area.
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문제 정의
따라서 본 논문은 새로운 글로벌위성항법 시스템으로서 GPS와 대등한 성능과 영향력을 발휘 할 것으로 예상되는 BeiDou 위성항법시스템 항법파라메타에 대하여 실험 및 실측데이터의 통계적 분석에 중점을 두었다. 2장에서는 BeiDou 위성항법시스템에 대한 특성 분석, 3장에서는 글로벌위성항법시스템의 의사거리 위치결정 원리에 대한 이론 검토를 하였으며, 4장에서는 항법 위성 신호를 실 수신기를 이용하여 다양한 데이터를 수집하고 항법파라미터에 대한 통계적 분석을 하였다.
2장에서는 BeiDou 위성항법시스템에 대한 특성 분석, 3장에서는 글로벌위성항법시스템의 의사거리 위치결정 원리에 대한 이론 검토를 하였으며, 4장에서는 항법 위성 신호를 실 수신기를 이용하여 다양한 데이터를 수집하고 항법파라미터에 대한 통계적 분석을 하였다. 마지막으로 결론에서 결과 요약 및 향후 연구에 대하여 서술하였다.
제안 방법
글로벌위성항법시스템의 새로운 시대가 예고되고있으나 아직 국내에서의 BeiDou 위성항법시스템에 대한 연구는 미흡한 상태이다. 따라서 본 논문은 중국의 BeiDou 항법위성에 대한 특성분석과 항법신호의 실험 및 실측 데이터의 통계적 분석에 중점을 두었으며, 주요 연구결과는 아래와 같다.
하는 것이다. 시각동기 및 업로딩국의 주업무는 MCS와 공동 작업아래 항법메시지를 업로드하고 MCS 와 데이터를 교환하여 시간을 동기화시키고 측정한다. 마지막으로 MS의 주 업무는 항법위성을 계속해서 추적, 감시하는 것이며 항법신호를 받아 관측된 데이터를 MCS에 제공하는 것이다.
대상 데이터
실험 및 실측 동안 정지위성 3개, 궤도위성 3~4 개가 사용 가능하였다. 현재 정상 운영 중인 12개의 BeiDou 위성 중 사용 가능한 위성 수는 3차원 위치정보를 얻기 위한 최소 위성수인 4개 이상임을 확인 하였다.
궤도 위성군은 27개의 중궤도위성과 3개의 IGSO 위성으로 구성되며 그림 2와 같다[1]. 지상국은 주 제어국(MCS; Master Control Station), 시간 동기/업로딩국(TS/US; Time Synchronization/Upload Station), 감시국(MS; Monitor Station)으로 구성된다.
데이터처리
실험 및 실측 장소는 향후 지속적인 연구와 타 글로벌위성항법시스템과의 연계 연구를 위해 특정 장소의 고정된 지점을 선정하였다. 자료수집에 사용된 수신기는 U-BLOX 다중 GNSS 수신기를 사용하였으며, 데이터에 대한 통계분석은 윈도우용 GNSS 평가용 소프트웨어를 사용하였다.
성능/효과
매우 양호하게 나타났다. 그럼에도 불구하고 아직 글로벌 서비스에는 못 미치고, 일부 구역만을 집중 서비스 구역으로 제한한 점 및 항법위성의 신호 강도의 문제점 등으로 아직은 위성신호 사용상의 지속성 및 위성 가용성 등에서 상당한 애로 사항이 있음을 확인하였다. 그림 8에서 보이는 바와 같이 신호사용이 가능한 기간 동안의 실시간 측정위치 분포가 정규분포에 근사한 것으로 나타나 향후 항법위성의 증가와 함께 BeiDou 위성항법시스템이 더욱 안정적인 항법정보를 제공하게 될 것으로 보인다.
넷째, GPS 및 GLONASS 위성항법시스템이 모두 중궤도 위성을 사용한 반면, Beidou 항법시스템은 중궤도와 정지위성을 혼용해서 사용함으로써 혼합 위성 궤도의 기하학적 배열로부터 항법파라미터 성능 향상을 꾀하고 있다. 또한, 중국 정부기관에 의해 공개 된 자체 실험을 통해 GPS 성능과 대등하거나 오히려 우수한 정밀도[13] 10m, 타이밍 50ns, 속도 0.
둘째, Beidou 항법시스템의 대표적인 기술적 특징으로 위성항법 개발 역사상 GPS에서 처음으로 채택한 CDMA(Code Division Multiple Access) 통신기법을 채택한 점이다. 이와 같이 첨단 항법기술을 자국의 위성항법 시스템 개발에 접목시킴으로써 미래에 다른 글로벌 위성항법 시스템과의 신호 호환 가능성이 높다.
둘째, 항법신호가 안정적인 경우, 실험 및 실측 기간에 확인 된 시스템의 항법 정밀도는 5m 수준으로 매우 양호하게 나타났다.
셋째, 위성항법 위치결정 원리의 가장 핵심인 위성과 수신 기간의 거리측정 방식도 GPS에서 사용하고 있는 의사 거리 측정방식을 채택 하는 등 기존 위성항법 선진국의 기술력을 최대한 활용한 측면도 있다.
첫째, 현재 정상 운영 중인 12개의 BeiDou 항법 위성 중 실측구역인 한반도 서남지역에서 사용 가능한 위성 수는 정지위성 3개, 궤도위성 3~4개 등 대략 6~7개 정도였으며, 3차원 위치정보를 얻기 위한 최소 위성수인 4 개 이상임을 확인하였다. 그럼에도 불구하고 가용위성이 일부구역으로 편중되고 있고, 신호강도는 아직 안정적이지 못한 것으로 나타났다.
현재 정상 운영 중인 12개의 BeiDou 위성 중 사용 가능한 위성 수는 3차원 위치정보를 얻기 위한 최소 위성수인 4개 이상임을 확인 하였다. 그럼에도 불구하고 그림 5에서 보듯이 신호 추적이 가능한 위성 중에는 C/N 비 (Carrier-to -Noise Ratio)가 대부분 40dB-Hz 이하로 확인됨으로써 신호사용의 지속성에는 한계가 있음을 알 수 있다.
후속연구
그럼에도 불구하고 아직 글로벌 서비스에는 못 미치고, 일부 구역만을 집중 서비스 구역으로 제한한 점 및 항법위성의 신호 강도의 문제점 등으로 아직은 위성신호 사용상의 지속성 및 위성 가용성 등에서 상당한 애로 사항이 있음을 확인하였다. 그림 8에서 보이는 바와 같이 신호사용이 가능한 기간 동안의 실시간 측정위치 분포가 정규분포에 근사한 것으로 나타나 향후 항법위성의 증가와 함께 BeiDou 위성항법시스템이 더욱 안정적인 항법정보를 제공하게 될 것으로 보인다.
넷째, 이미 중국과 아시아 일부 국가를 중심으로 BeiDou 위성항법 사용이 늘어나고 있는 가운데 정지위성 5개를 포함한 35개의 항법위성 배치가 완료되는 2020년을 전후하여 GPS 중심의 현재의 글로벌위성항법 사용개념이 크게 달라 질 것으로 예상되는 바, 보다 체계적이고 집중적인 기술적, 정책적인 연구가 요구된다.
계획의 완성단계이다. 독자적 위성항법 시스템 완성 해인 2020년까지 약 35기이상의 BeiDou 항법위성이 궤도상에 배치 될 계획이다.
셋째, 실시간 측정 위치분포가 정규분포에 근사한 것으로 나타나 향후 항법위성의 증가와 함께 시스템이 더욱 안정적인 항법정보를 제공하게 될 것으로 전망된다.
이 외에 파키스탄을 비롯한 아시아지역에서 BeiDou 위성항법시스템 사용이 늘어나고 있다. 앞으로 수신기의 보급 증가와 2020년을 목표로 빠르게 발전하고 있는 BeiDou 위성항법 사용자 증가는 아시아를 넘어 수년 내 전 세계적으로 급속히 팽창할 것으로 전망된다.
한편, 가용 항법위성 중 50% 에 가까운 위성이 남서방향에 치우쳐 있는 반면, 고 각은 거의 45도를 기준하여 거의 대등하게 분포하고 있음을 알 수 있다. 이는 BeiDou 위성항법 서비스 운용 초기 단계의 한계로써 시스템 완성 시기인 2020년 까지는 개선될 것으로 전망된다. 그림 5에 실험 및 실측에 사용된 BeiDou 항법위성의 궤도상 위치 및 C/N 크기를 확인 할 수 있다.
참고문헌 (17)
Beidou Navigation Satellite System Website. Available : http://www.beidou.gov.cn
People Daily News, China's BeiDou system to cover Thailand, 2013.11.2. Available : http://en.people.cn.
S. Bian, J. Jin, Z. Fang, "The BeiDou Satellite Positioning Systems and It's Positioning Accuracy," J. of the Institute of Navigation, vol. 52, no. 3, pp. - , Fall 2005.
Kim, K. S.,The Development Trend of the GNSS and BeiDou Satellite Navigation System, Thesis of the Dept. of Navigation in Korea Maritime University, 2015.
Ko, K. S., "Circumstance Change of GNSS & Application Strategy of Navigation Technology for Modern Weapon System", The Journal of the Korea Institute of Information & Communication Engineering, vol.14, no.1, pp. 267-275, 2010.
China National Space Administration, The construction of BeiDou navigation system steps into important stage "Three Steps" development guideline clear and certain", 2010.
China Satellite Navigation Office, Report on the Development of BeiDou(COMPASS) Navigation Satellite System, Version 2.2, 2013.
China Satellite Navigation Office, The BDS Service Area(partial enlarged detail), BeiDou Navigation Satellite System Open Service Performance Standard version 1.0, 2013. BDS-OS-PS-1.0
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