11월 · 2020. 1. 2. · 3) 위성항법 보강시스템의 ... gnss 관측치 및 중간 값들의...

Nov.

11월

위성항법 보강시스템 동향

1. 위성항법과 보강시스템의 기술------------------------------3p

1) 위성항법시스템(GNSS)의 개요

2) 위성항법 보강시스템(DGNSS)의 필요성

3) 위성항법 보강시스템의 분류

4) RTK에서 네트워크 RTK로의 확장

2. 항공분야 위성항법 보강시스템 개발------------------------11p

1) 항공기 유도를 위한 DGNSS 요구사항

2) GNSS의 오류

3) SBAS 시스템 개발

4) SBAS 무결성

3. 위성항법의 활용과 고려사항-------------------------------19p

참고문헌-------------------------------------------------------21p

2019년 11월│Monthly Report

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위성항법 보강시스템 동향

한국항공우주연구원

윤영민 연구원

01 위성항법시스템과 보강시스템의 기술

1) 위성항법시스템(GNSS)의 개요

■ 위성항법시스템은 서비스 범위에 따라 전 지구를 대상으로 하는

위성항법시스템(Global Navigation Satellite System)1)과 일부 지역을

대상으로 하는 지역 위성항법시스템 (Regional Navigation Satellite

System)2)으로 구분된다. 전 지구 위성항법시스템으로는 1995년 운영을

선언한 최초의 위성항법시스템인 미국의 GPS3), 러시아의 GLONASS,

유럽의 Galileo, 중국의 Beidou가 있다. 지역 위성항법시스템은 일본의

QZSS (Quasi-Zenith Satellite System)와 인도의 IRNSS(Indian Regional

Navigation Satellite System)이 있고, 한국에서도 관련 연구가 진행

중인 것으로 알고 있다.

그림 1_2015년 9월 1일 GPS 위성의 지면 추적 상태 표시로 색상을 통해 총 6개의 궤도

1) 위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)은 위성부분과 지상부분으로 구성되며 위성신호를 통해 위치 및 항법을 수행할 수 있음

2) RNSS(Rigional Navigation Satellite System)은 지역 위성항법시스템으로 전 지구를 대상으로 서비스하는 것이 아닌 특정 지역을 서비스 범위로 운영되는 위성항법시스템임

3) GPS(Global Positioning System)는 미국의 위성항법시스템


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출처 : Springer Handbook of Global Navigation Satellite Systems, 2017

■ 위성항법시스템의 동작 원리는 삼각 측량 방식으로 되어 있다. 최소 4기

이상의 위성에서 전송되는 신호를 사용자가 수신기를 통해 수신하여

위치를 구하는 방식으로 구체적으로 위성은 위성에 탑재된 원자시계의

시간 값과 현재 위치 값을 전송하고 사용자의 수신기는 수신기의

시간 값과의 시간차를 통해 위성과의 거리를 알아낸다. 결국 위성의

위치와 거리를 알게 되면 삼각 측량 방식으로 사용자의 위치를 알 수 있다.

■ 전 지구 위성항법시스템과 지역 위성항법시스템는 본래 취지인 위치, 항법

및 시간(PNT) 서비스 제공을 충족하면서 서비스 범위에 대한 차이로

인해 위성의 수와 궤도의 차이가 발생한다. 위성항법시스템으로 위치를

계산하기 위해서는 최소한 4기의 위성이 사용자의 가시권에 가용해야

하기에 전 지구 위성항법시스템은 지구를 대상으로 위성의 수와 궤도가

결정된다. 하지만 지역 위성항법시스템은 특정 지역을 대상으로 하기에

정지궤도위성(GEO)4)와 경사궤도위성(IGSO)5)로 구성된다.

그림 2_QZSS IGSO 궤도

출처 : IS-QZSS, V1.6 (JAXA, 2014)

4) GEO(GEostationary satellite) 정지궤도위성 : 인공위성의 공전 주기와 지구의 자전 주기가 같아 지상에서 관측 시 정지한 것처럼 보이는 위성

5) IGSO(Inclined GeoSynchronous Orbits) 경사궤도 지구동기 위성


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그림 3_IRNSS/NavIC 위성 궤도로 둥근 점은 2016년 8월 2일 자정의 위성 위치


2) 위성항법 보강시스템(DGNSS)의 필요성

■ 본래 GNSS을 통해 위치를 구할 수 있지만 신호에 포함된 다양한 오차로

인해 DGNSS6)가 도입되었다. 코드 기반 DGNSS는 위치 결정에 중점을

두며 반송파 기반 DGNSS 개념은 일명 RTK(Real-Time Kinematic)7)로

위치 결정을 수행하는 방법이 있다. 코드(의사거리) 기반 DGNSS보다

반송파(위상) 기반 DGNSS(일명:RTK)가 위치 정확도가 더 높다. 그

이유는 코드의 파장(300m)보다 반송파의 파장이 훨씬 짧기 때문이다.

코드 기반 DGNSS는 미터 수준의 위치를 구하는 데 중요한 방법으로

사용되고 반송파 기반 RTK는 측량 및 수 센티미터 수준의 위치를

구하는 데 필수적인 방법이다. 현재는 서비스 범위의 확장을 고려하여

네트워크 기반 접근 방식이 더욱 중요해졌다.

■ DGNSS의 원리는 아래 그림과 같이 알려진 위치에 배치된 GNSS 수신기로

구성된 기준국에서 모든 GNSS 위성 데이터를 추적하고 기준거리

(baseline)의 사용자(rover 수신기)에게 보정 정보를 전송한다.

6) DGPS(Differential GPS) 또는 DGNSS(Differential GNSS)는 GNSS의 오차 정보를 제거하기 위해 차분을 통한 방식을 말함

7) RTK(real-time kinematic)으로 불리는 반송파 기반 위치 결정 기술


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그림 4_(a) 단일 기준국 기반의 지역 DGNSS로 지상 기반 안테나를 통해 rover(사용자)에게 보정 정보 전송

(b) 기준국 네트워크 기반의 광역 DGNSS로 위성을 통해 보정 정보 전송


■ 보정 정보 생성이 단일 기준국에 의하면 지역 DGNSS라고 하며 일반적으로

사용자 수신기는 단일 주파수를 사용한다. 사용자에게 허용되는 최대

거리는 약 1,000km 이며, 거리 의존 오차(대기층, 위성 궤도 등) 때문에

지역 위치 정확도는 약 10m이고 이는 GNSS 단독 위치 결정시 정확도에

해당하기에 더 넓은 영역을 범위로 하는 것은 의미가 없다. 광역 DGNSS의

경우 이중 혹은 다중 주파수를 네트워크 기준국들을 통해 수집하여

중앙처리국으로 보내 보다 유효한 보정 정보를 생성한다. 장점은 아래와 같다.

▶ 네트워크 기준국은 단일 기준국보다 더 넓은 영역에 서비스를 제공할 수 있다.

▶ 네트워크 기준국은 서비스 범위에서 유효한 거리 의존 오차(대기층, 궤도 등)에

대한 모델을 계산할 수 있지만 단일 기준국은 어려움 (일례로, GBAS의 경우

이온층 위협 모델에 대한 큰 도전이 있음)

▶ 이와 같은 이점은 RTK 대비 네트워크 RTK에도 적용 가능하다. 기준국

네트워크를 사용하여 적용 영역은 국가 또는 전 세계 규모로 확장될 수 있다.


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Provider name 정부/상업용 서비스 영역 구분

NDGPS 미연방 미주 GBAS

SAPOS EPS 정부 독일 GBAS

AMSA 정부 호주 GBAS

LAAS 미연방 미주 GBAS

WAAS 미연방 미주 SBAS

EGNOS 정부 유럽 SBAS

MSAS 정부 일본 SBASGAGAN 정부 인도 SBAS

3) 위성항법 보강시스템의 분류

■ 현재까지 DGNSS의 활용이 가장 큰 분야는 해양 분야이다. 1990년대 여러

국가의 해양경비 및 관리국들은 GPS의 SA(Selective Availability, 선택적

이용성에 의한 오차) 영향을 완화하기 위해 보정 정보를 제공하는

광범위한 기준국 네트워크를 배치하였다. 미 연방항공국 및 해안경비대는

SA가 시행된 직후 보정 기술을 사용하여 완화하는 계획을 세웠으며, 이로

인해 미 교통국이 공동으로 운영하는 북미 DGPS(NDGPS)8) 시스템이 만들어졌다.

■ 1999년부터 운영한 NDGPS 네트워크는 초기에 기존 해상 무선 비콘을 사용하여

해안 지역만을 사용자를 대상으로 사용되었다. 추후 내륙에도 기준국이

배치되면서 미국 전 지역으로 확대되었다. 2016년에는 내륙의 기준국들을

활용하여 해상 및 해안 지역에서만 적용 범위를 유지하기로 결정하였다.

■ DGNSS의 보정 정보 전송 방식에 따라 GBAS9)와 SBAS10)로 구분할 수 있다.

GBAS는 NDGPS와 같이 보정 정보를 지상 메시지를 통해 전송하며,

SBAS는 정지 또는 지구 동기 위성을 통해 이러한 메시지를 전송한다. 두

방식의 차이는 SBAS의 경우 위성을 통해 보정 정보를 전송하기 때문에

GBAS 보다 더 넓은 영역을 포함할 수 있다는 장점이 있다.

표 1_정부와 상업용 실시간 광역보정 서비스 제공자 예시 (코드 기반 서비스 한정)

8) NDGPS(National DGPS) : 내륙 및 해안에 배치된 기준국 정보를 활용하는 DGPS를 말함9) DGNSS의 일종으로 지상 기반 방송 방식을 말함10) DGNSS의 일종으로 위성 기반 방송 방식을 말함


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QZSS 정부 일본 SBAS

OmniSTAR VBS (Trimble) 상업용 전 지구 SBAS

StarFire (NavCom/J. Deere) 상업용 전 지구 SBAS

Starfix.L1 (Fugro) 상업용 전 지구 SBAS

Veripos Standard (Veripos) 상업용 전 지구 SBAS

Thales DGPS DGRS 610/615 상업용 유동적 GBAS


■ SBAS는 주요 목적이 항공 분야로 전 세계 항공 선진국에서 시스템을 구축하여

서비스를 제공하고 있다. 미국의 WAAS(Wide Area Augmentation System),

유럽의 EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service),

일본의 MSAS(Multi-Function Satellite Augmentation System) 및 인도의

GAGAN(GPS Aided Geo Augeded Navigation) 시스템은 현재 서비스

중이며, 한국, 중국 및 러시아가 개발 중으로 있다.

그림 5_WAAS, MSAS와 EGNOS의 수평 항법 영역

출처 : FAA web site

■ GBAS는 지상망을 통해 보정 정보를 제공하는 일반 명사로 불리지만, 항공

분야에서는 주로 고유 명사처럼 사용된다. GBAS의 서비스 범위로 인해 각

공항마다 설치되어 운영되어야 하지만, SBAS에 비해 보다 높은 성능을

제공하여 착륙 전까지 서비스를 제공할 수 있다. 미국의 경우 항공기 정밀

접근 및 착륙에 활용되는 LAAS(Local Area Augmentation System)가 있다.


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■ 보다 더 정확한 위치를 구할 수 있는 반송파 기반 RTK 기술은 수 센티미터급

성능에도 불구하고, 이를 활용하기 위해서 반송파의 미지정수라 불리는

값을 구해야 한다. 반송파 기반 또는 코드 기반 위치 모델을 구하기 위해

관측 값의 이중 차분을 적용하며 이는 수신기와 위성 간의 기하학적 배치가

반송파 미지정수를 추정 및 위치 정확도에 큰 영향을 미치기 때문이다.

4) RTK에서 네트워크 RTK로의 확장

■ 단일 기준국의 RTK의 중요한 단점은 기준국과 사용자 수신기(rover)와의 최대

거리가 반송파 위상 미지정수를 해결하기 위해서 10~20km를 초과해서는

안된다. 이는 이온층, 위성 궤도 오차 및 대류층 굴절과 같은 거리에

상관되는 오차 때문이다.

■ 하지만, rover 주위에 기준국이 둘러 쌓이면 주변의 측정값을 사용하여

정확한 모델링을 할 수 있다. 즉 거리에 대한 제한 조건을 네트워크 방식으로

해결할 수 있으며, 광역 DGNSS 방식과 유사하게 기준국 네트워크를

설정하고 유지하여 더 넓은 지역에 서비스를 제공할 수 있는 것이다.

■ 연구에 따르면 네트워크 RTK 기술을 사용할 때 100,000km2의 면적에는

약 75km 간격으로 20개 정도의 기준국이 필요하다. 하지만 단일 RTK를

사용할 경우, 7.5km의 최근접 기준국을 중심으로 했을 때 같은 면적에 약

900개 정도의 기준국이 필요하다. 이는 단일 RTK와 네트워크 RTK 간에

기준국 수의 증가 외에 배치 등을 고려한 기술들의 차이가 또한 존재한다.

■ 네트워크 RTK는 거리에 따른 오차를 실시간으로 모델링하기 위해 기준국

관측값의 처리가 필요하다. 따라서 각 기준국 관측값을 수집하고 처리하는

중앙처리국과 같은 기능이 요구된다. 주요 데이터 처리 과정은 다음과 같다.


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그림 6_네트워크 RTK 절차와 데이터 전송 옵션


▶ 1 단계는 미지정수 결정이 기준국 네트워크에서 수행된다. 무작위의 이중

차분된 미지정수 값에 따라 변경되어 모든 관측값이 동일한 미지정수 수준에

존재하게 된다. 거리에 따른 오차의 정확한 모델링은 고정된 미지정수를 가진

관측 값만을 수용한다. 이는 다소 긴 기준선(50~100km)의 미지정수를

실시간으로 수정해야 해서 네트워크 RTK에 중요한 부분이다.

▶ 2 단계는 거리 의존 오차 모델링을 추정한다. 이를 위해 여러 기술이 개발되었다.

이온층과 위성 궤도 바이어스는 각 위성별로 모델링되어야 한다. 하지만 대류층

오차는 기준국별로 추정될 수 있다. 전리층 오차가 다른 오차에 비해 단기

변동성이 있기에 분산 경향을 다르게 적용하는 것이 유리하다. 실제로 다른

오차들은 60초의 업데이트 주기를 갖지만 전리층 오차의 경우 10초 주기를

갖는다. 또한 오차를 추정하기 위해 최근접 한 3개의 기준국 만을 사용한다.

▶ 3 단계는 가상 기준국 (Virtual Reference Station) 계산을 수행한다. 이는 하나의

선택된 중앙 기준국(혹은 근처의 rover 수신기)의 실제 관측 치로 부터 생성된

계산된 기준국 관측치 이다.


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▶ 4 단계와 5 단계는 VRS와 rover 사이의 기본 RTK 기법 처리로 구성된다.

▶ 그리고 데이터 전송시 적절한 통신 채널 및 데이터 형식이 요구되며 실시간

GNSS 관측치 및 중간 값들의 전송에 널리 사용되는 형식은 RTCM 표준

10403.2이다. 위치 결과는 NMEA(National Marine Electronics Association)

1083이며, 후처리 및 데이터 파일 전송의 경우 RINEX(Receiver INdependent

EXchange format)이다.

02 항공분야 위성항법 보강시스템 개발

■ 보정 정보 외에 DGNSS 서비스를 제공하는 많은 정부 및 사업자들은

GNSS 신호 자체 또는 보정 정보의 잠재적 결함을 사용자에게

경고하기 위해 무결성 정보를 제공하여야 하며 관련 메시지는 관련

활용 분야의 산업 표준 또는 국제 기준에 명시되어 있다.

1) 항공기 유도를 위한 DGNSS 요구사항

■ 항공분야에서 GNSS의 사용이 점점 증가되고 있는데 GNSS를 사용하기

위해서 다양한 보강시스템에 의해 위성군과 독립적이며 성능을

지속적으로 모니터링해야 한다. 가장 중요한 것은 보강 기능은 실시간으로

결함을 감지하고 몇 초 내에 조종사에게 경고하는 것이다. GNSS의

지상 제어 시스템은 수십 분 이상 동안 결함을 감지하고 보고하지

않을 수 있기 때문에 이런 보강시스템의 지원이 필요하다.

■ 결함 탐지 대안으로 항공기 기반 보강시스템(ABAS), 지상 기반 보강

시스템(GBAS) 및 위성 기반 보강시스템(SBAS)가 있고 그 중 SBAS는

미국, 유럽, 일본 및 인도에서 구축 후 제공 중이며, 한국에서도 개발

중이다. SBAS는 다음 3가지 서비스를 통해 GPS를 보강한다.


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▶ 안전성 향상을 위한 무결성 모니터링

▶ 가용성과 연속성 향상을 위한 신호 제공

▶ 정확성 향상을 위한 GPS 보정 정보 제공

■ 따라서 GPS는 공항 접근시 수직 유도를 포함하여 대부분의 비행 단계에

대한 성능 요구사항을 충족시킨다. 최초의 SBAS인 WAAS는 2003년 7월

시운전을 하였으며, 시스템의 정확도는 GPS 수신기 산업 표준이 되고

있다. 일반적으로 수평 정확도(95%)는 85cm, 수직 정확도(95%)는 1.2m

보다 나은 성능을 제공하며 SBAS는 공개 표준, 무료 제공 및 높은

정확도로 인해 비항공 분야에서도 널리 사용될 수 있다. 항공분야에서

요구하는 사항은 다음과 같이 4가지로 구성된다.

▶ 정확도 : 보고된 항공기 위치는 실제 위치와 비슷해야 한다. 정확도는 일반적으로 95%

신뢰도로 표현되며 SBAS 시스템이 다른 성능 요구 중 만족하기 가장 쉬운 편임

▶ 무결성 : 항법시스템은 최대 허용 범위보다 큰 위치 오차가 조종사에게 제공되지 않도록

해야 한다. 보다 큰 위치 오차로 이끌 수 있는 모든 결점들은 특정 TTA(Time-to-Alert)11)

이내에 알려야 하며 경고 실패 확률이 운영 중 작은 확률 이내에 있어야 함

▶ 연속성 : 항공기가 운행 시작부터 완료 시점까지 항법시스템이 지속적으로 운영되어야

한다. 항공기 접근 운행시 항법시스템의 중단 가능성은 10−5 ~ 10−9 임

▶ 가용성 : 항법시스템은 항공기 운영 중 위의 모든 요구조건이 99 ~ 99.999% 이내 여야

한다. 항법시스템의 비가용에 의해 착륙 유도가 불가능한 사실은 공항에 보내는 것은

안전 문제가 아니라 비경제적 문제임

11) TTA(Time-to-Alert) 경고 시간


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2) GNSS의 오류

■ GPS 신호는 많은 잠재적 오차의 영향을 받는다. 이런 오류 원인과 그에

따른 영향을 이해하는 것이 중요한데 특히 무결성 부분에서 그 영향성에

중점을 두어야 한다. 오류는 신호의 모델링되지 않은 변화를 야기할 수

있다. SBAS는 먼저 정확성을 높이기 위해 이런 오류를 수정하고 이후 각

측정값 각각에 얼마나 많은 불확실성이 남아 있는지 수신자에게 알려야

한다. 이런 에러 소스는 일반적으로 세 가지 범주로 나뉜다.

▶ 위성 부분 : 신호의 생성 및 방송과 관련된 위성 부분

▶ 전파 부분 : 위성에서 사용자에게 전파 되는 동안 신호에 영향을 미치는 부분

▶ 수신기 부분 : 수신기와 그 근방에서 신호에 영향을 미치는 부분

■ 구체적으로 위성 관련 부분은 위성 궤도 및 원자시계 오프셋의 오류, 서로

다른 주파수 신호 간 혹은 코드와 반송파 구성 요소 간 바이어스, 신호 변형

및 위성 안테나의 방향각 종속 바이어스 등이 포함된다. 전파 부분의 경우

전리층 및 대류층의 영향이 존재한다. 수신기 부분의 경우 지역 다중 경로,

수신기 잡음 및 추적 오류, 사용자 안테나 바이어스 효과 등이 있다.

3) SBAS 시스템 개발

■ SBAS12) 아키텍처는 기준국, 중앙처리국 및 GEO로 구성된다. 기준국은

기본 GPS 데이터를 수집하여 중앙처리국으로 보정 정보 생성 및 분석을

위해 전송한다. 중앙처리국은 데이터를 검증하고 무결성 및 보정 정보를

생성한다. 그리고 생성된 정보를 GEO에 전달하여 방송된다. 사용자

알고리즘은 SBAS MOPS13)는 SBAS 보정 정보 및 무결성 정보가

사용자에게 전송하는 방법을 기술한 국제적 합의 문서이다.

12) SBAS(Satellite Based Augmentation System) : 위성기반 오차정보시스템으로 추가적인 위성방송메시지를 사용해서 광범위한 지역 또는 지역적인 보강을 지원하는 시스템

13) MOPS(Minimum Operational Performance Standards) 수신기 최소 운영 성능 표준


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■ 정보는 250비트 메시지로 전송되며 매 초마다 해석된다. 항법 솔루션 및

보호 수준을 형성하려면 개별 위성, 수신기 측정, 지역 정보 등이

결합되어야 한다. MOPS는 모든 SBAS 서비스 제공자가 정보를 호환

가능한 방식으로 인코딩하도록 한다.

그림 7_사용자 보호 수준

출처 : WAAS Algorithm Contribution to HMI

■ 보호 수준의 기본 개념은 오차 소스가 가우시안이며 위성 위치 및 시간,

전리층 지연, 대류권 지연, 항공 수신기 및 다중 경로 오차에 대해 각

항별로 보수적 검증이 수행되며 최종적으로 결합된 검증이 수행되는

형태이다. 보수적 수직 보호 수준(VPL)은 오류의 99.99999%를 제한하기

위해 가우시안 꼬리 부분의 값에 5.33이 곱해진다.

4) SBAS 무결성

■ 항공용 위성항법 보강시스템은 기존의 DGNSS 서비스와 매우 다르다.

수년간의 운영 경험으로 안전성이 입증된 기존 항행보조시설을 보완하고

궁극적으로 대체하고 있다. 결과적으로 보강시스템의 안전성은 사용되기

전에 입증되어야 한다.

■ 무결성 요구사항은 위치 오류가 보호 수준이라는 위치 신뢰 한계보다

크지 않아야 한다는 것이다. 이 요구조건은 TTA와 확률로 지정된다.

SBAS의 TTA 요구 조건은 위치 오류가 보호 수준을 초과하는 경우 6초


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이내에 사용자에게 경고해야 한다는 것을 의미한다. 결함이 발생하면

위치 오차는 반드시 보호 수준 아래에 있거나 6초 이내에 시스템이

불안전하다고 조종사에게 알려야 한다. 이런 확률 조건은 천만 번의 1번

이상이 6초 이상 보호 수준을 초과하는 예기치 않은 위치 오류를

경험한다는 것을 의미한다. 사용자는 계산된 위치를 사용하지만 실제

위치를 모르기 때문에 운영을 지원하기 위해 보호 수준은 충분히 작아야

한다. SBAS가 이런 무결성 요구사항을 만족하기 위해 확인하고

입증하는 것이 구축의 대부분이다.

■ 인증은 서비스 제공자가 서비스 요구사항을 충족하도록 보장하는 절차이다.

인증에는 분석, 시험 및 산출물 문건 등이 포함된다. 항공 무결성 인증은

중요한 측면으로 관련 국제표준과 산업표준이 있으며 이를 만족해야 한다.

▶ 항공 무결성 요구사항은 각 접근당 10-7로 각 운영시 적용 되야 한다. 모든 조건에서

평균을 말하는 것이 아니며 확률은 최악의 허용 조건에 적용된다.

▶ 검증된 위협 모델은 시스템이 보호하는 대상을 설명하고 이러한 보호가

얼마나 효과적으로 제공하는지 정량적으로 평가하는데 필수이다.

▶ 무결성 분석과 관련된 작은 수들은 직관적이지 않고 신중한 분석이 일화적인

증거보다 우선해야 한다.

■ 요구사항은 모든 작업에 적용되므로 최악의 허용 가능한 조건에서 위협

및 오류 조건을 평가해야 한다. 예를 들어, 사용자가 최대 11년 태양 주기엣

작동하도록 허용된 경우, 최악의 상황에서 전리층 오차를 모델링해야 한다.

이는 태양주기의 최고점과 최저점의 평균이 될 순 없다. 위협 모델은

발생할 수 있는 다양한 오류를 감지하고 설명하는 수단이다. 이러한 모델은

관찰된 위협과 예상된 위협 모두를 설명하고 정량적으로 처리해야 한다.

■ 위협 모델은 시스템이 사용자를 보호해야 하는 예상 이벤트를 설명한다.

위협 모델은 위협의 특성, 규모 및 가능성을 설명해야 하며 다양한 위협


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모델은 시스템이 사용자를 보호하기 어려운 모든 합리적인 조건을

종합적으로 설명해야 한다. 궁극적으로 위협 모델은 시스템 설계가 무결성

요구사항을 충족하는지 여부를 결정하는데 있어 중요한 부분을 구성한다.

각 개별 위협은 할당 범위 내에서 완전히 완화되어야 한다. 각 위협 요소가

충분히 해결되었다는 것을 알 수 있는 경우에만 시스템을 안전하다고

간주할 수 있다. 정량적 평가와 달리 정성적 평가는 \(10^{-7}\) 무결성을

확립하는데 필수적이다. SBAS는 특정 장애 모드의 존재와 가능성을

분석하고 식별하는 것으로 작동한다. 고장 모드가 시스템에 존재한다고

양성적으로 식별되거나 측정 노이즈로 인해 제거될 수 없는 경우 위치

추정에 부정적인 영향을 미치는 내용을 6초 이내에 사용자에게 알려야 한다.

■ SBAS는 주로 GPS에 대한 기존 위협을 해결하는 것으로 생각되지만, GPS

결함이 없는 경우 위협이 발생할 위험이 있다. 시스템의 경우, GNSS 오차

원인 외에 시스템과 관련된 오차 요인들(GEO 위성 오류, 보정 정보 처리

오류, 안전성 처리 오류)도 고려해야 한다. 시스템은 복잡한 하드웨어 및

소프트웨어로 구성되어 있다. 모든 위협 모델에는 자가 유도 오류를

포함해야 하며 이러한 오류 중 일부는 모든 설계에 보편적인 반면 다른

오류는 구현에 따라 다르다. 예를 들어 WAAS 기준국 수신기 소프트웨어

설계 보증은 실수가 없다고 신뢰할 수 없다. 기준국 수신기 소프트웨어

결함은 하향 무결성 모니터링을 통해 완화되어야 하는 고유 위협이 되었다.

그림 8_오류 완화를 위한 무결성 모니터링

출처 : Overview of the WAAS Integrity Design


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■ 각 개별 오류 소스에는 이와 관련된 확률 분포가 있다. 이 분포는 특정

오류값이 발생할 가능성을 설명한다. 이상적으로 작은 오류는 큰 오류보다

가능성이 높다. 일반적으로 이는 대부분 오류 소스에 해당된다. 대부분의

오류 소스의 중심 영역은 가우시안 분포로 잘 설명할 수 있다. 즉, 대부분의

오차는 평균에 대해 군집화되며 잘 알려진 가우시안 모델에 따라 평균에서

멀어질 가능성이 낮다. 이는 종종 중심 극한 정리의 결과이며 더 독립적인

랜덤 변수가 결합될 때 가우시안에 접근하는 경향이 있다.

■ 불행히 관측된 오차 분포의 꼬리는 가우시안처럼 보이지 않는다. 두 가지

경쟁 효과가 동작을 수정하는 경향이 있다.

▶ 첫 번째는 클리핑이다. SBAS에는 많은 교차 검증 및 합리적 점검으로 인해 큰

오류는 제거되는 경향이 있다. 따라서 가우시안 프로세스의 경우 이상치

제거는 다른 예상보다 큰 오류를 줄인다.

▶ 두 번째로 더 우세한 효과는 혼합이다. 오류 원인은 거의 고정되지 않는다.

따라서 오류의 일부는 특정 평균과 편차값을 가진 가우시안일 수 있으며 다른

경우에는 다른 분포를 갖는다. 언제 어떤 조건이 존재하는지 식별할 수 있는

능력이 없기 때문에 다른 조건이 단일 분포로 집계된다.

▶ 혼합하면 추가 문제가 발생한다. 오류 절차가 정지 상태인 경우 실제 데이터만큼

큰 데이터 세트를 수집한 다음 가우시안 또는 기타 모델을 사용하여 꼬리

동작을 보수적으로 추정할 수 있다. 그러나 시간이 지나면서 분포가 변하기

때문에 과거 행동을 기반으로 미래 성과를 예측하기가 더 어렵다. 또한, 혼합은

꼬리를 외삽하기가 더 어려운 분포를 더 복잡하게 만든다.


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그림 9_위성 보정 오류 분포

출처 : An application of gaussian overbounding for the WAAS fault free error analysis

■ 오버 바운드는 실제 분포가 단순하고 일반적으로 가우시안 모델로 보수적으로

설명될 수 있다는 개념이다. 오버 바운드 분포는 큰 분포의 오차가 실제

분포의 오차만큼 발생할 가능성을 예측한다. 실제 분포를 완전히 알 수는

없지만 분석을 위해 실제 분포를 나타내는 실제적인 방법이 필요하다.

보통 이것은 상당한 양의 보수주의와 관련이 있다. 평균이 0인 가우시안

분포로 구성된 실제 분포는 표준 편차가 가장 큰 성분으로 인해 초과될

수 있다. 따라서 편차값이 1~2m 사이인 실제 분포는 항상 2m(추가 보호인

경우 2.5m)인 것처럼 표시된다. 다양한 광범위한 정리를 통해 오버

바운드는 또한 오류를 오버 바운드된 다른 용어와 결합하는 방법을

설명한다. 즉, SBAS는 각 위성 및 각 IGP14)에 대한 오류를 개별적으로

초과한다. SBAS가 방송하는 GIVE15) 및 UDRE16)는 보정에 영향을 미치는

실제 오류 분포의 오버 바운드를 설명한다. 오버 바운드 이론을 통해 사용자는

이러한 값을 결합하여 보호 수준을 계산하여 위치 오류를 오버 바운드 할

수 있다.

14) IGP : 전리층 격자점15) Grid ionospheric vertical error16) User differential range error


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03 위성항법의 활용과 고려사항

■ 유럽 GNSS Agency (GSA)에서 발표한 GNSS 시장 모니터링 보고서에 따르면, 2019년에는 지구상의 모든 사람에게 평균 1개의 GNSS

수신기가 사용된다. 이러한 추세는 스마트폰 및 태블릿으로 인한

현상으로 풀이되며 모바일, 위치 기반 장치의 보급률이 높아짐에 따라

소비자와 산업 부문에 전반적으로 도입되고 있다.

그림 10_활용 분야별 누적 주요 수익률

출처 : GNSS Market Report, 4th, 2015

■ 위치 기반 서비스(LBS)는 시장에 상당한 비율을 차지하고 있으며, GNSS만의 취약한

부분을 여러 위치 기술과 접목하여 고도화하고 있다. 이와 관련하여 지능형 교통

시스템(ITS)과 결합하여 안전을 고려한 부분 및 고려하지 않은 부분으로 구분되어

관련 요구사항이 만들어지고 있다. 이는, 해양분야의 활용도 활발히 진행되고 있다.

■ GNSS는 육상 및 해양 분야에 걸쳐 고가 및 저가 제품군으로 분류되어 왔으며

두 부분 다 정확도를 최우선 요구사항으로 요구된다. 측량 및 측지, 지도와

같은 센티미터 수준의 위치 정확도를 요구하는 것에서 개인용 항법 장치의

미터 수준을 요구할 만큼 다양하게 분포되어 있다. 위치 정확도의 요구에

따라 GNSS의 광범위한 서비스 제공 및 편리성에 의해 관련 활용이

증대되고 있으며 성능 수준을 높이기 위한 수요 창출도 기대할 수 있다.


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■ 각 산업군별로 그에 따른 성능 요구사항이 있으며, 그에 따른 표준도

재정 또는 변경이 되고 있다. 일례로 해양 분야의 경우 SBAS는

항공용으로 개발되었지만 그 서비스의 범위와 효용성으로 인해

해양 관련 국제기구에서는 SBAS를 해양 부문에 적용하기 위해 관련

연구와 표준을 제정하고 있는 것으로 알고 있다.

■ 각 산업군별로 성능 요구사항이 다르지만, 공통적으로 적용하는

개념들이 있다. 정확성은 주어진 시간에 위치에 대한 추정의 적합성

정도로 정의되며, 신뢰성은 시스템이 측정시 장애를 감지하고

감지되지 않은 장애 및 오류가 위치 결정에 미치는 영향을 추정할

수 있는 능력을 말한다. 무결성은 운영시 문제 발생을 사용자에게

시의 적절하고 유효한 경고로 제공하지 않는 시스템이 허용할 수

없는 결함으로 생성할 확률을 나타낸다. 가용성은 시스템이 지정된

정확도, 신뢰성 및 무결성이 임계값 내에서 제공 할 수 있는 시간의

비율(백분율)이다. 연속성은 주어진 작업 또는 시간 간격 동안 시스템이

지정된 품질의 위치 결정 소스 제공을 중단할 확률을 나타낸다.

■ 서비스 제공을 위해 다양한 위치 결정 기술을 개발하는 것도

중요하지만 각 산업군의 요구사항에 맞는 시스템 및 장비를

개발하는 것도 필수적이다. SBAS 개발의 주요 이슈는 무결성을

만족하기 위해 많은 자원과 인력이 동원된다. 사용자에게 안전하고

효과적인 서비스 제공을 이루기 위해서 다양한 기술 및 기법이

요구되며 관련 경험이 핵심이라고 할 수 있다.

■ 윤영민 연구원

- 2011.9 ~ 2013.5 과학기술연합대학원대학교(UST) 항공우주시스템 공학 박사 수료

- 2003.9 ~ 2005.5 Stevens Institute of Technology(SIT) 응용물리 석사

- 2014.12 ~ 현재 한국항공우주연구원 SBAS 사업단

- 2009.9 ~ 2011.5 한국교통연구원 항공정책기술본부

- 2006.6 ~ 2008.6 한국항공우주연구원 위성항법팀

- 관심분야 : 위성항법, 머신러닝, 데이터 분석


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발 행 일 2019년 12월 9일

발 행 및 편 집 한국인터넷진흥원 데이터안전활용지원단 위치정보활용팀

주 소 전라남도 나주시 진흥길 9 한국인터넷진흥원 Tel 1544.5118

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