[논문]NDGNSS 인프라를 활용한 국내 해상 백업 PNT 서비스 연구

한영훈; 이상헌; 박슬기; 황태현; 박상현

doi:10.5394/kinpr.2019.43.1.42

NDGNSS 인프라를 활용한 국내 해상 백업 PNT 서비스 연구
A Study on Backup PNT Service for Korean Maritime Using NDGNSS 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.43 no.1, 2019년, pp.42 - 48

한영훈 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 이상헌 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 박슬기 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 황태현 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 박상현 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소)

초록
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4차 산업혁명 사회에서의 PNT(Position, Navigation, and Timing) 정보의 중요성은 과거와는 또 다른 의미를 가진다. 자율 주행차, 자율 운항선박, 스마트그리드 그리고 국가 주요 기간시설에서는 PNT 정보의 고정확성 이외에도 지속가능하고, 신뢰할만한 서비스를 요구하고 있다. PNT 정보를 제공하는 가장 대표적인 시스템인 위성항법시스템은 지구 대기 밖 위성으로부터 신호를 수신하므로 수신 신호전력이 낮고, 민간신호의 경우 신호구조가 공개되어 있다. 따라서 비의도적 또는 의도적인 간섭이나 해킹에 취약하다. 사용자 관점에서 적은 비용으로 높은 성능의 PNT 정보를 쉽게 획득할 수 있는 위성항법시스템은 해킹의 취약성 때문에 이에 대한 보완이 요구된다. 이에 따라 응용분야 별로 다양한 연구가 진행되고 있으며, 본 논문에서는 기회신호 측면에서 현재 구축, 운영 중인 해상항법 및 통신 인프라를 활용한 R-Mode(Ranging Mode) 기술에 대해 다룬다. 이를 위하여 현재 전국망의 중파 비컨 기반 보강정보를서비스하고 있는 NDGNSS(Nationwide Differential Global Navigation Satellite System) 인프라에 대해 알아보고, 시뮬레이션을 통하여 국내 해상분야에서의 백업 PNT 기술로서의 가능성을 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The significance of PNT information in the fourth industrial revolution is viewed differently in relation to the past. Autonomous vehicles, autonomous vessels, smart grids, and national infrastructure require sustainable and reliable services in addition to their high precision service. Satellite navigation system, which is the most representative system for providing PNT information, receive signals from satellites outside the earth so signal reception power is low and signal structures for civilian use are open to the public. Therefore, it is vulnerable to intentional and unintentional interference or hacking. Satellite navigation systems, which can easily acquire high performance of PNT information at low cost, require alternatives due to its vulnerability to the hacking. This paper proposed R-Mode (Ranging Mode) technology that utilizes currently operated navigation and communication infrastructure in terms of Signals of OPportunity (SoOP). For this, the Nationwide Differential Global Navigation Satellite System (NDGNSS), which currently gives a service of Medium Frequency (MF) navigation signal broadcasting, was used to validate the feasibility of a backup infrastructure in domestic maritime areas through simulation analysis.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 Predicted coverage accuracy using AIS, MF DGNSS, and eLoran R-Mode from ACCSEAS Source : Feasibility Study of R-Mode, Johnson et al., 2014
그림 Fig. 2 AIS R-Mode positioning errors in China Source : Development of an AAPS, Hu et al., 2015
그림 Fig. 3 Maritime NDGPS site and coverage in South Korea
표 Table 1 The coordinates of Loran-C transmitter stations in Korea
표 Table 2 Maritime NDGNSS stations’ coordinates in Korea
그림 Fig. 4 HDOP for the maritime NDGNSS sites in Korea
그림 Fig. 5 HDOP for the maritime NDGNSS combined Loran-C sites in Korea
표 Table 3 IALA requirement for a backup system for a general navigation
그림 Fig. 6 Accuracy from MF R-Mode with eLoran (weak signal environment)
그림 Fig. 7 Accuracy from MF R-Mode with eLoran (typical signal environment)

AI 본문요약
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문제 정의

eLoran은 의도적인 간섭이 매우 어렵고 안정적으로 PNT 정보를 제공할 수 있지만 국내에서는 앞서 언급한 어려움이 존재한다. 따라서 본 논문에서는 국제해사기구에서 권고하는 해상 백업 PNT 시스템 및 서비스 요구사항을 국내에서 만족 하기 위한 방안으로 R-Mode 기술을 제안한다. R-Mode는 기존의 해상교통안전 통신 인프라를 거리측정 가능하도록 보완하여 측위·항법 서비스를 제공하는 기술이므로 주파수와 안테나 등을 공동 활용할 수 있는 장점이 있다.
따라서 본 논문에서는 현재 개발 중인 eLoran 시스템을 보완하고 국제기구에서 요구하는 해양분야에서의 백업항법 체계를 갖추기 위한 방안으로 최근 이슈화 되고 있는 R-Mode 기술을 제안하고 국내 적용 타당성을 검토하였다. 이를 위하여 먼저 국내외 R-Mode 기술동향을 분석하였으며, 이로부터 국내 환경에 적합한 R-Mode의 기회신호를 검토하였다.
우리나라에서는 2016년 해양수산부의 지원으로 첨단지상파 항법시스템(eLoran) 기술개발 연구사업을 진행 중에 있다. 본 사업에서는 신규 eLoran 송신국을 구축하고, 기존의 포항, 광주 송신국을 활용하여 두 곳의 테스트항만에서 보정기준국 반경 30 km 이내에서 측위정확도 20 m 이내 만족을 목표로 한다(Seo et al., 2018).

가설 설정

국내 Loran-C 신호의 일반적인 신호 수신전력과 약신호 환경에서의 신호 수신전력을 인천 보정기준국에서 수집한 측정치 분석 결과를 토대로 각각 70 dBμV, 60 dBμV로 가정하였으며, 이때 UERE 값은 각각 7.10 m, 22.27 m 이다.
식 (1)에서와 같이 수평위치정확도 예측을 위해서는 HDOP 과 함께 UERE 값이 요구된다. 본 논문에서의 중파 비컨과 Loran-C 신호의 UERE 값은 선행연구 결과인 ACCESEAS 사업의 연구결과를 참고하여 설정하였으며, 송신국 간 시각동기 오차 및 수신기 시계 오차는 정확히 알고 있다고 가정하였다.
시뮬레이션에 사용한 국내 중파 비컨 기준국과 Loran-C 송신국 위치는 Table 1, 2와 같으며, 실제 우리나라에서 운영 중인 기준국 및 송신국의 위치이다. 시뮬레이션을 위한 최소 요구 기준국 및 송신국 수는 수평위치와 수신기 시계오차를 추정하기 위한 3개로 가정하였으며, 중파 비컨의 신호도달거리는 200 km, Loran-C의 신호도달거리는 국내에서 제한이 없는 것으로 가정하였다.
여기서 T는 관측 주기, w_c는 중파 비컨 신호의 주파수, SNR은 수신한 신호의 신호대잡음비다. 일반적인 신호수신 환경과 약신호 환경에서 중파 비컨 신호의 UERE를 가정하였으며, (2)로부터 구한 UERE는 각각 2.83 m와 22.5 m 이다(Johnson et al., 2014).

제안 방법

HDOP 분석은 중파 비컨 기준국만을 활용한 경우와 Loran-C 송신국을 함께 활용한 경우에 대하여 분석하였다. Fig.
NDGNSS 인프라의 경우 우리나라 전 해역을 서비스하고 있으므로 R-Mode 신호원으로서 적합하다. NDGNSS 기반의 R-Mode 적용 타당성 평가를 위하여 본 논문에서는 기준국의 기하학적 분포를 분석하고 선행연구결과 내용을 활용하여 국 내 R-Mode 사용자의 거리측정치 오차를 예측하며, 이로부터 예상 측위정확도 및 서비스영역을 분석한다.
R-Mode는 기존의 해상교통안전 통신 인프라를 거리측정 가능하도록 보완하여 측위·항법 서비스를 제공하는 기술이므로 주파수와 안테나 등을 공동 활용할 수 있는 장점이 있다. R-Mode 기술은 과거에도 언급된 바 있으나 최근 백업 PNT 기술에 대한 요구가 증대함에 따라 유럽연합에서 2012년부터 본격적인 연구를 수행하였으며 수평위치정확도 10 m 제공 가능성을 확인하였다. 우리나라와 같이 국토면적에 제한이 있거나, 해상교통안전 인프라가 잘 구축되어 있는 환경에서 R-Mode는 GNSS 위협에 대한 현실적인 대안이 될 수 있으며 국제해사기구의 요구 사항도 만족할 수 있다.
중국에 위치한 AIS 해양기준국을 이용하여 R-Mode 측위 오차를 분석하고 반송파 위상 루프(carrier phase locking loop)를 기반으로 한 GMSK 감쇄 측정오차를 이론적으로 분석하였다. 그리고 Xinghai 해역에서 앵커링을 통한 정적실험, 그리고 동적실험을 수행하였으며, Fig. 2와 같이 오차 보정정보 적용 시 GDOP 1.5 이하에서 10 m(2drms) 이내의 측위정확도 성능을 확인하였다(Hu et al., 2015). 또한, 중국은 후속사업으로 VDES R-Mode에 대한 연구를 2019년과 2020년에 수행할 계획을 갖고 있다(Dalian, 2018).
IALA 권고는 해상 구역에 따라 요구사항을 구별하였으며 R-Mode를 활용하여 달성 가능한 부분은 Table 3에서 음영으로 표시한 연안과 항만접근, 그리고 내륙수로 영역이다. 따라서 본 논문에서는 국내 해양분야의 R-Mode 적용 타당성 평가 기준을 수평위치정확도 측면에서 IALA 권고를 참고하여 항만에서는 10 m 이내, 그리고 연 안에서는 100 m 이내로 설정하였다.
실제로 VHF 대 역의 재머를 온라인에서 판매하고 있으며 휴대가 가능한 크기이다. 따라서 본 논문에서는 백업 PNT 기술 관점에서의 최우선 요구사항인 간섭신호에 대한 강인성 측면에서 국내 R-Mode 신호원으로 중파 비컨 신호와 Loran 신호를 고려하였다.
캐나다 해안경비대에서는 유럽연합에서 수행한 ACCSEAS 사업의 결과를 활용하여 2021년까지 R-Mode 시스템 개발을 완료할 계획이다(André, 2018). 우선적으로 R-Mode 송신기와 수신기 장비를 도입하고 캐나다 퀘백시 근처 Lauzon 지역에 위치한 DGPS(Differential Global Navigation Systems) 사이트에서 송신기와 수신기에 대한 성능 검증시험을 진행하였다(Canadian Coast Guard, 2018).
따라서 본 논문에서는 현재 개발 중인 eLoran 시스템을 보완하고 국제기구에서 요구하는 해양분야에서의 백업항법 체계를 갖추기 위한 방안으로 최근 이슈화 되고 있는 R-Mode 기술을 제안하고 국내 적용 타당성을 검토하였다. 이를 위하여 먼저 국내외 R-Mode 기술동향을 분석하였으며, 이로부터 국내 환경에 적합한 R-Mode의 기회신호를 검토하였다. 검토 결과, 백업 시스템의 최우선 요구사항인 의도적 간섭에 대한 강인성과 서비스 영역을 고려하였을 때, 국내 해양환경에서는 중파 비컨 NDGNSS 인프라 기반의 R-Mode가 적합한 것으로 판단하였다.
중국은 2012년부터 2015년까지 AAPS(AIS Autonomous Positioning System) 사업을 통하여 AIS R-Mode 연구를 수행하였다. 중국에 위치한 AIS 해양기준국을 이용하여 R-Mode 측위 오차를 분석하고 반송파 위상 루프(carrier phase locking loop)를 기반으로 한 GMSK 감쇄 측정오차를 이론적으로 분석하였다. 그리고 Xinghai 해역에서 앵커링을 통한 정적실험, 그리고 동적실험을 수행하였으며, Fig.

대상 데이터

따라서 본 논문에서는 국내 해상환경에서의 백업 PNT 서비스 기술로 R-Mode의 활용가능성 확인을 위하여 국립해양 측위정보원에서 운영하고 있는 NDGNSS 인프라를 고려하였다. NDGNSS 인프라의 경우 우리나라 전 해역을 서비스하고 있으므로 R-Mode 신호원으로서 적합하다.

성능/효과

, 2006). HDOP이 작은 값일수록 그리고, UERE가 작을수록 높은 성능의 수평위치정확도를 얻을 수 있다.
이를 위하여 먼저 국내외 R-Mode 기술동향을 분석하였으며, 이로부터 국내 환경에 적합한 R-Mode의 기회신호를 검토하였다. 검토 결과, 백업 시스템의 최우선 요구사항인 의도적 간섭에 대한 강인성과 서비스 영역을 고려하였을 때, 국내 해양환경에서는 중파 비컨 NDGNSS 인프라 기반의 R-Mode가 적합한 것으로 판단하였다. 하지만 HDOP 분석 결과로부터 NDGNSS 인프라 기반의 R-Mode만으로는 해상 백업항법 요구사항을 만족할 수 없음을 확인하였으며, 현재 운영 중인 Loran-C와 함 께 활용할 것을 제안하였다.
하지만 HDOP 분석 결과로부터 NDGNSS 인프라 기반의 R-Mode만으로는 해상 백업항법 요구사항을 만족할 수 없음을 확인하였으며, 현재 운영 중인 Loran-C와 함 께 활용할 것을 제안하였다. 중파 비컨 NDGNSS 기반의 R-Mode와 Loran-C를 결합한 수평위치정확도 시뮬레이션 결과에 의하면 약신호 환경에서도 최소 국제기구에서 요구하는 연안에서의 항법성능을 만족하였으며, 일반적인 신호수신 환경에서의 경우 항만접근을 위한 요구성능을 만족할 수 있을 것으로 보인다. 따라서 본 논문에서 제안한 중파 비컨 NDGNSS 기반의 R-Mode와 Loran-C를 결합한 지상파 통합 항법체계 구축을 통하여 국내 해상 사용자들에게 안전하고 신뢰할 수 있는 항법서비스가 가능할 것으로 기대한다.
검토 결과, 백업 시스템의 최우선 요구사항인 의도적 간섭에 대한 강인성과 서비스 영역을 고려하였을 때, 국내 해양환경에서는 중파 비컨 NDGNSS 인프라 기반의 R-Mode가 적합한 것으로 판단하였다. 하지만 HDOP 분석 결과로부터 NDGNSS 인프라 기반의 R-Mode만으로는 해상 백업항법 요구사항을 만족할 수 없음을 확인하였으며, 현재 운영 중인 Loran-C와 함 께 활용할 것을 제안하였다. 중파 비컨 NDGNSS 기반의 R-Mode와 Loran-C를 결합한 수평위치정확도 시뮬레이션 결과에 의하면 약신호 환경에서도 최소 국제기구에서 요구하는 연안에서의 항법성능을 만족하였으며, 일반적인 신호수신 환경에서의 경우 항만접근을 위한 요구성능을 만족할 수 있을 것으로 보인다.

후속연구

중파 비컨 NDGNSS 기반의 R-Mode와 Loran-C를 결합한 수평위치정확도 시뮬레이션 결과에 의하면 약신호 환경에서도 최소 국제기구에서 요구하는 연안에서의 항법성능을 만족하였으며, 일반적인 신호수신 환경에서의 경우 항만접근을 위한 요구성능을 만족할 수 있을 것으로 보인다. 따라서 본 논문에서 제안한 중파 비컨 NDGNSS 기반의 R-Mode와 Loran-C를 결합한 지상파 통합 항법체계 구축을 통하여 국내 해상 사용자들에게 안전하고 신뢰할 수 있는 항법서비스가 가능할 것으로 기대한다.
4차 산업혁명 시대에 접어들면서 PNT 정보에 대한 중요성은 더욱 증가하였으며, 과거 높은 정확도를 얻기 위한 요구뿐만 아니라 신뢰할 수 있고 지속가능한 정보를 필요로 한다. 특히, 해양분야에서는 e-Navigation, 자율운항 선박 등의 연구가 활발해짐에 따라 해사안전의 중요성이 커지고, 좀 더 강인하고 유연한 해상 PNT 서비스에 대한 요구가 더욱 증가할 것으로 기대한다. 하지만 이와 같은 요구에도 불구하고 PNT 정보에 대한 GNSS의 의존도는 점차 증가하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	R-Mode란 무엇인가?	따라서 본 논문에서는 국제해사기구에서 권고하는 해상 백업 PNT 시스템 및 서비스 요구사항을 국내에서 만족 하기 위한 방안으로 R-Mode 기술을 제안한다. R-Mode는 기존의 해상교통안전 통신 인프라를 거리측정 가능하도록 보완 하여 측위·항법 서비스를 제공하는 기술이므로 주파수와 안테 나 등을 공동 활용할 수 있는 장점이 있다. R-Mode 기술은 과거에도 언급된 바 있으나 최근 백업 PNT 기술에 대한 요구가 증대함에 따라 유럽연합에서 2012년부터 본격적인 연구를 수행하였으며 수평위치정확도 10 m 제공 가능성을 확인하였다.
	R-Mode가 우리나라에 적합한 기술인 이유는 무엇인가?	R-Mode 기술은 과거에도 언급된 바 있으나 최근 백업 PNT 기술에 대한 요구가 증대함에 따라 유럽연합에서 2012년부터 본격적인 연구를 수행하였으며 수평위치정확도 10 m 제공 가능성을 확인하였다. 우리나라와 같이 국토면적에 제한이 있거나, 해상교통안전 인프라가 잘 구축되어 있는 환경에서 R-Mode는 GNSS 위협에 대한 현실적인 대안이 될 수 있으며 국제해사기구의 요구 사항도 만족할 수 있다.
	위성항법시스템은 해킹의 취약성을 가지는 이유는 무엇인가?	자율 주행차, 자율 운항선박, 스마트그리드 그리고 국가 주요 기간시설에서는 PNT 정보의 고정확성 이외에도 지속가능하고, 신뢰할만한 서비스를 요구하고 있다. PNT 정보를 제공하는 가장 대표적인 시스템인 위성항법시스템은 지구 대기 밖 위성으로부터 신호를 수신하므로 수신 신호전력이 낮고, 민간신호의 경우 신호구조가 공개되어 있다. 따라서 비의도적 또는 의도적인 간섭이나 해킹에 취약하다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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