초정밀 항법 위성: KPS

1983년, 대한항공 여객기가 소련에 의해 격추되었던 비극적인 사건을 기억하십니까? 이 사건으로 인해 260여 명의 민간인이 목숨을 잃었습니다. 그 당시 비행기에는 현대적인 내비게이션 시스템이 없었고, 항법사는 원시적인 나침방위보드를 사용해 기장에게 경로를 알려주고 있었습니다. 이는 글로벌 위성항법시스템(GNSS)이 없었기 때문에 발생한 비극이었습니다. 이후 미국은 군사용으로만 활용하던 자국 GNSS인 GPS를 민간에 개방하게 되었습니다.

 

GPS의 발전과 한계

GPS의 민간 개방 이후, 여객기는 자동항법장치를 통해 운항하게 되었고, 교통과 건축 등 다양한 산업에서 GPS가 활발히 활용되었습니다. 현재 GPS는 한 해 미국 경제에 5000억 달러의 가치를 더하며, GPS에 연결된 세계 전자통신기기는 70억 개에 달합니다. 그러나 실내 드론이나 무인 항만 등 초정밀성이 요구되는 분야에서는 GPS가 충분하지 않습니다. 그 이유는 GPS의 오차범위가 수 미터에서 수십 미터에 이르기 때문입니다. 이런 수준으로는 자율주행차나 도심항공교통(UAM)의 상용화가 불가능합니다.

 

GPS (Global Positioning System)는 원래 미국 국방부에서 군사용으로 개발한 시스템으로, 1970년대에 시작되었습니다. 초기에는 군사 작전의 정확도를 높이기 위한 목적이었지만, 1983년 대한항공 여객기 격추 사건 이후, 미국 정부는 GPS를 민간에도 개방하게 되었습니다. 이 결정은 항공기뿐만 아니라 해상, 육상의 다양한 이동 수단과 산업에 획기적인 변화를 가져왔습니다.

GPS의 주요 기능과 응용

1. 항공기 운항: GPS는 항공기의 자동항법장치(Autopilot System)에 필수적인 요소가 되었습니다. 항공기는 GPS를 통해 정확한 위치를 실시간으로 파악하며, 이를 통해 안전한 비행 경로를 유지합니다.
2. 자동차 내비게이션: 현재 대부분의 승용차에는 GPS 기반 내비게이션 시스템이 장착되어 있습니다. 이 시스템은 운전자가 목적지까지 최적의 경로를 안내받을 수 있게 해주며, 교통 혼잡을 피할 수 있는 실시간 교통 정보를 제공하기도 합니다.
3. 스마트폰과 웨어러블 디바이스: 스마트폰과 웨어러블 기기에는 GPS가 필수적으로 탑재되어 있습니다. 이들 기기는 위치 기반 서비스(LBS)를 통해 사용자의 위치를 파악하고, 다양한 맞춤형 정보를 제공합니다. 예를 들어, 지도 앱을 통해 길을 찾거나, 피트니스 앱을 통해 운동 경로와 거리를 측정하는 것이 가능합니다.
4. 건설 및 농업: GPS는 건설 현장에서 중장비의 정확한 위치를 파악하고, 농업에서는 자율 주행 트랙터와 같은 정밀 농업(Precision Agriculture) 기술에 활용됩니다. 이를 통해 작업의 효율성과 정확도를 크게 높일 수 있습니다.

GPS의 한계

1. 오차 범위: GPS는 대략 1~10미터의 오차 범위를 가지고 있습니다. 이는 개방된 공간에서는 큰 문제가 되지 않지만, 초정밀성이 요구되는 환경에서는 큰 한계로 작용합니다. 예를 들어, 실내 드론이나 자율주행차는 10센티미터 이하의 정확도가 필요합니다. 도심 환경에서 GPS 신호가 건물에 의해 반사되거나 차단되어 오차가 더 커질 수 있습니다.
2. 실내 및 장애물 문제: GPS 신호는 건물이나 터널 내부에서는 거의 수신되지 않습니다. 이는 실내 위치 추적이나 실내 드론의 운용에 큰 장애가 됩니다. 특히, 무인 항만 시스템이나 실내 자율주행 로봇 같은 고정밀 위치 정보가 필요한 애플리케이션에서는 GPS의 활용이 어렵습니다.
3. 신호 방해: GPS 신호는 약한 전파로 전송되기 때문에 전파 방해(Jamming)나 스푸핑(Spoofing)에 취약합니다. 전파 방해는 신호를 차단하거나 왜곡시키는 행위로, 특히 군사나 중요한 상업적 용도에서는 치명적일 수 있습니다. 스푸핑은 가짜 신호를 보내 수신기의 위치를 잘못 인식하게 하는 공격입니다.
4. 정밀 농업 및 무인 시스템의 한계: 농업 분야에서 GPS는 이미 널리 사용되고 있지만, 작물의 위치를 센티미터 단위로 정밀하게 파악하는 데는 부족합니다. 또한, 무인 항만 시스템에서도 GPS의 오차 범위로 인해 무인 크레인이나 선박의 정확한 제어가 어려워지는 문제가 있습니다.

미래의 GPS와 초정밀 항법 시스템

이러한 한계를 극복하기 위해 초정밀 항법 시스템의 개발이 진행되고 있습니다. 저궤도 위성을 활용한 초정밀 항법 시스템은 오차 범위를 10센티미터 이하로 줄이는 것을 목표로 하고 있으며, 이는 자율주행차, 도심항공교통(UAM), 실내 드론, 무인 항만 시스템 등에서 혁신적인 변화를 가져올 것입니다.

초정밀 항법 시스템의 실현은 다양한 산업에서 GPS의 한계를 뛰어넘는 새로운 가능성을 열어줄 것입니다. 예를 들어, 자율주행차는 고가의 라이다 대신 저비용의 초정밀 항법 시스템을 통해 상용화 시기를 앞당길 수 있습니다. 또한, 무인 항만 시스템은 더욱 효율적으로 운영되어 물류 비용을 크게 절감할 수 있을 것입니다.

 

오차범위 10㎝의 초정밀 항법 위성

최근 미국 스탠퍼드대 연구진이 창업한 스타트업 조나스페이스가 이 문제를 해결하기 위해 나섰습니다. 이들은 자율주행차 운행과 UAM 운항에 필요한 독자적인 항법시스템을 개발하고 있습니다. 지구 저궤도 상공 1000㎞에 항법 위성 300개를 띄우는 조나 펄사 프로젝트를 추진 중이며, 목표 오차범위는 10㎝ 미만입니다. 이는 현재 GPS의 오차범위와 비교했을 때 수십 배에서 수백 배 더 정확한 수준입니다.

조나스페이스는 최근 일론 머스크가 세운 우주기업 스페이스X의 팰컨9 로켓에 첫 번째 위성을 실어 보냈고, 조만간 두 번째 위성을 발사할 계획입니다. 오차범위 10㎝ 벽이 무너지면 실내 드론 배송 등 새로운 서비스가 가능해질 것입니다. 예를 들어, 실내 드론은 좁은 사무실 내에서 충돌 없이 움직여야 하므로 ㎝급 위치정보가 필수적입니다.

 

현재의 GPS(Global Positioning System)는 다양한 산업과 일상 생활에서 필수적인 도구로 사용되고 있지만, 수미터에서 수십 미터에 이르는 오차 범위로 인해 초정밀성이 요구되는 특정 분야에서는 한계가 있습니다. 이러한 오차는 실내 드론의 충돌 방지, 무인 항만의 정확한 작업 수행, 자율주행차의 안전한 운행 등에서 중요한 문제로 작용합니다. 오차범위를 10㎝ 이하로 줄인 초정밀 항법 위성 시스템은 이러한 한계를 극복하고, 새로운 기술과 서비스를 가능하게 합니다.

 

조나스페이스와 조나 펄사 프로젝트

 

조나스페이스는 미국 스탠퍼드대 연구진이 창업한 스타트업으로, 자율주행차와 도심항공교통(UAM) 운항에 필요한 초정밀 항법시스템을 개발하고 있습니다. 이 회사의 핵심 프로젝트인 조나 펄사(Jonah Pulsar) 프로젝트는 지구 저궤도(약 1000㎞)에 300개의 항법 위성을 띄우는 것입니다. 이 시스템의 목표는 GPS 대비 수십 배에서 수백 배 더 높은 정확도인 오차범위 10㎝ 미만을 달성하는 것입니다.

 

조나 펄사 프로젝트의 첫 번째 위성은 최근 일론 머스크의 스페이스X가 발사한 팰컨9 로켓에 실려 성공적으로 궤도에 진입했습니다. 조나스페이스는 곧 두 번째 위성도 발사할 계획입니다. 이러한 저궤도 위성은 기존의 GPS 위성보다 더 낮은 궤도에서 운영되기 때문에 신호 강도가 강하고, 실내에서도 수신할 수 있는 장점이 있습니다.

 

초정밀 항법 위성의 기술적 특징

1. 저궤도 위성 네트워크: 조나 펄사 프로젝트는 지구 저궤도에 300개의 위성을 띄워 지구 전체를 커버하는 초정밀 항법 네트워크를 구축합니다. 저궤도 위성은 기존의 중궤도 또는 정지궤도 위성보다 더 낮은 궤도에서 운영되어, 지표면과의 거리가 가까워 신호의 지연과 오차를 최소화할 수 있습니다.
2. 신호 강도와 정확도: 저궤도 위성은 신호 강도가 강하고, GPS 신호가 도달하지 못하는 실내나 장애물이 많은 도시 환경에서도 안정적으로 신호를 수신할 수 있습니다. 이는 실내 드론, 자율주행차, 무인 항만 시스템 등에서 필수적인 초정밀 위치 정보를 제공할 수 있습니다.
3. 기술적 혁신: 조나스페이스는 독자적인 항법 기술을 개발하여 GPS 대비 수십 배에서 수백 배 더 높은 정확도를 제공할 계획입니다. 이를 위해 최신 기술과 알고리즘을 적용하여 신호 처리와 위치 계산의 정밀도를 극대화하고 있습니다.

 

 

초정밀 항법 시스템의 응용

도로 위 물체를 ㎝ 단위로 인식할 수 있다면 운전자 개입이 거의 없는 레벨 4 또는 5 수준의 자율주행도 가능해집니다. 이는 고가의 라이다에 의존하지 않아도 되므로 차량 원가가 낮아져 상용화 시기가 앞당겨질 수 있습니다. 과학기술정보통신부는 지난해 말 자율주행차 인프라인 지능형교통체계(C-ITS) 통신 방식을 4세대(4G) 통신인 LTE-V2X 방식으로 정하고 국내 주요 도로에서 이를 실증하기로 했습니다.

또한 항법 정확도가 ㎝급으로 고도화되면 무인 항만 시스템도 가능해집니다. 예를 들어, 항해사가 없는 무인 선박이 항만에 자동으로 정박하고 무인 크레인이 컨테이너를 하역할 수 있습니다. 이는 물류비를 획기적으로 줄이는 데 기여할 것입니다.

 

1. 실내 드론

초정밀 항법 시스템은 실내 드론의 운용에 혁신적인 변화를 가져올 수 있습니다. 실내 드론은 좁은 공간에서의 충돌을 방지하고 정밀한 경로를 따라 이동해야 하기 때문에, ㎝ 단위의 정확한 위치 정보가 필수적입니다. 기존의 GPS는 실내에서 신호가 잘 잡히지 않고, 오차 범위가 크기 때문에 실내 드론 운용에 한계가 있었습니다.

• 물류 및 배송: 실내 드론은 대형 창고나 물류 센터에서 물품을 신속하고 정확하게 이동시키는 데 활용될 수 있습니다. 초정밀 항법 시스템을 통해 드론은 좁은 통로와 복잡한 구조물을 피하면서 물품을 정확한 위치로 운반할 수 있습니다.
• 재고 관리: 드론을 활용한 자동 재고 관리 시스템은 초정밀 항법 시스템의 도움으로 정확하게 각 물품의 위치를 추적하고 관리할 수 있습니다. 이는 재고 관리의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

2. 자율주행차

자율주행차는 높은 정확도의 위치 정보가 필수적입니다. 도로 환경에서는 수㎝의 오차가 차량의 주행 경로와 안전에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 초정밀 항법 시스템은 자율주행차가 다양한 환경에서 안정적이고 안전하게 운행할 수 있도록 도와줍니다.

• 고속도로 주행: 고속도로에서 자율주행차는 매우 높은 속도로 주행하기 때문에, 차량 간 거리 유지와 차선 변경 등의 작업이 매우 정밀하게 이루어져야 합니다. 초정밀 항법 시스템은 차량의 위치를 정확히 파악하여 안전한 주행을 보장합니다.
• 도심 주행: 복잡한 도심 환경에서는 보행자, 자전거, 다른 차량 등 다양한 요소들이 혼재해 있습니다. 초정밀 항법 시스템은 자율주행차가 이러한 요소들을 정확히 인식하고, 안전하게 주행할 수 있도록 합니다.
• 주차 자동화: 자율주행차가 좁은 주차 공간에 정확히 주차하려면 높은 정밀도의 위치 정보가 필요합니다. 초정밀 항법 시스템을 통해 자율주행차는 자동으로 주차할 수 있으며, 주차 공간 활용의 효율성도 높아집니다.

3. 무인 항만 시스템

무인 항만 시스템은 항만 작업의 자동화와 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 초정밀 항법 시스템은 무인 선박과 크레인의 정밀한 위치 추적과 제어를 가능하게 합니다.

• 무인 선박 운항: 무인 선박이 항만에 정확히 도착하고 정박하는 데는 높은 정확도의 위치 정보가 필요합니다. 초정밀 항법 시스템을 통해 무인 선박은 안전하게 항만에 도착하고, 자동으로 정박할 수 있습니다.
• 무인 크레인 작업: 무인 크레인은 컨테이너를 정확히 하역하고 적재하는 작업을 수행합니다. 초정밀 항법 시스템은 크레인의 위치를 정확히 파악하여, 신속하고 정확한 하역 작업을 가능하게 합니다.
• 물류 비용 절감: 초정밀 항법 시스템을 통해 항만 작업의 자동화와 효율성이 향상되면, 물류 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 이는 물류 산업 전반에 걸쳐 큰 경제적 이익을 가져다 줄 것입니다.

4. 건설 현장

건설 현장에서의 초정밀 항법 시스템 활용은 작업의 정밀도와 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. GPS 신호는 건설 현장 내의 여러 장애물과 구조물 때문에 정확도가 떨어질 수 있지만, 초정밀 항법 시스템은 이러한 문제를 해결합니다.

• 중장비 운영: 중장비의 정밀한 위치 제어는 건설 작업의 안전성과 효율성을 높입니다. 초정밀 항법 시스템을 통해 중장비는 정확한 위치에서 작업을 수행할 수 있습니다.
• 구조물 설치: 건설 현장에서 구조물의 정확한 설치 위치를 파악하는 것은 매우 중요합니다. 초정밀 항법 시스템은 구조물의 위치를 ㎝ 단위로 정확히 측정하고, 설치 작업을 지원합니다.
• 건설 현장 관리: 초정밀 항법 시스템을 통해 건설 현장의 모든 작업과 자원의 위치를 실시간으로 파악할 수 있습니다. 이는 현장 관리의 효율성을 높이고, 작업의 진행 상황을 정확히 모니터링할 수 있게 합니다.

5. 농업

정밀 농업(Precision Agriculture)은 농작물의 생산성과 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 초정밀 항법 시스템은 농기계와 농작물의 위치를 정밀하게 파악하여, 최적의 농업 작업을 지원합니다.

• 자율주행 트랙터: 자율주행 트랙터는 초정밀 항법 시스템을 통해 정확한 경로를 따라 작업을 수행할 수 있습니다. 이는 토양의 효율적인 이용과 농작물의 균일한 분포를 가능하게 합니다.
• 정밀 파종과 수확: 초정밀 항법 시스템을 사용하면, 파종과 수확 작업을 ㎝ 단위로 정밀하게 수행할 수 있습니다. 이는 농작물의 생산성을 극대화하고, 작업의 효율성을 높입니다.
• 농업 데이터 분석: 초정밀 항법 시스템을 통해 수집된 위치 정보는 농업 데이터 분석에 활용될 수 있습니다. 이를 통해 농작물의 성장 상태를 모니터링하고, 최적의 농업 관리 전략을 수립할 수 있습니다.

 

한국형 위성항법 시스템(KPS)의 미래

현재 전 세계에는 미국 GPS, 러시아 글로나스, 유럽 갈릴레오, 중국 베이더우 등 네 개의 주요 항법시스템이 있습니다. 일본과 인도도 자체적인 지역항법 시스템을 구축했습니다. 한국도 일본, 인도와 비슷한 지역항법 시스템을 구축하기 위해 노력하고 있습니다. 과학기술정보통신부는 LIG넥스원, AP위성, 한국항공우주연구원 등과 함께 오차범위 10㎝의 한국형 위성항법 시스템(KPS)을 2035년까지 개발할 계획입니다. 정지궤도 위성 3기와 경사궤도 위성 5기를 발사하여 이를 실현할 것입니다.

이병석 한국항공우주연구원 위성항법보강시스템사업단장은 오차를 획기적으로 줄이면 새로운 서비스 산업이 생겨날 것이라고 말했습니다. 항우연은 UAM 위치 정보를 확률과 범위로 나타내는 기술도 개발 중입니다. 이는 UAM의 충돌 회피 기술의 정밀도를 높이는 데 기여할 것입니다.

 

한국형 위성항법 시스템(KPS)은 GPS, 글로나스(러시아), 갈릴레오(유럽), 베이더우(중국) 등 주요 국가들이 운영하고 있는 글로벌 항법 시스템에 대응하여 한국이 독자적으로 개발하는 지역 항법 시스템입니다. KPS의 주요 목표는 한반도와 주변 지역에서 초정밀 위치 정보를 제공하여 다양한 산업과 일상생활에서 활용할 수 있도록 하는 것입니다. 한국은 2035년까지 KPS를 완성할 계획입니다.

 

KPS의 구성 요소

 

KPS는 정지궤도 위성 3기와 경사궤도 위성 5기로 구성될 예정입니다. 이 시스템은 저궤도, 중궤도, 정지궤도의 다양한 위성 궤도를 활용하여 정확하고 안정적인 위치 정보를 제공합니다.

1. 정지궤도 위성: 지구 적도 상공 약 35,786km의 고도에 위치한 위성으로, 지구와 동일한 속도로 회전하여 지구의 특정 지역을 지속적으로 관찰할 수 있습니다. 정지궤도 위성은 한반도 전역을 커버하는 넓은 범위의 위치 정보를 제공합니다.
2. 경사궤도 위성: 지구를 경사 궤도로 도는 위성으로, 다양한 각도에서 지구를 관측할 수 있습니다. 경사궤도 위성은 지형적인 장애물로 인해 정지궤도 위성이 관측하기 어려운 지역에서도 정확한 위치 정보를 제공할 수 있습니다.

KPS의 기술적 특징

1. 초정밀 위치 정보: KPS는 오차 범위 10㎝ 이하의 초정밀 위치 정보를 제공할 계획입니다. 이는 기존의 GPS보다 수십 배에서 수백 배 더 높은 정확도로, 자율주행차, 드론, 무인 항만 등 다양한 응용 분야에서 높은 정밀도를 요구하는 작업에 적합합니다.
2. 강력한 신호 강도: KPS는 강력한 신호 강도를 제공하여 실내나 도시 환경에서도 안정적으로 수신할 수 있습니다. 이는 기존 GPS 신호가 약해지거나 차단되는 문제를 해결할 수 있습니다.
3. 고신뢰성: KPS는 다수의 위성을 통해 위치 정보를 제공하므로, 특정 위성에 문제가 발생하더라도 시스템 전체의 신뢰성을 유지할 수 있습니다. 이는 중요한 작업이나 안전이 요구되는 상황에서 매우 중요한 요소입니다.

KPS의 응용 분야

1. 자율주행차: 자율주행차는 높은 정확도의 위치 정보가 필수적입니다. KPS는 자율주행차가 도로 위의 물체를 ㎝ 단위로 인식하고, 안전하게 주행할 수 있도록 도와줍니다. 이는 자율주행차 상용화의 중요한 요소가 될 것입니다.
2. 도심항공교통(UAM): 도심항공교통은 도심 내에서의 안전한 비행과 착륙을 위해 초정밀 위치 정보가 필요합니다. KPS는 UAM이 안전하고 정확하게 운행할 수 있도록 지원합니다.
3. 드론: 실내 드론과 실외 드론 모두 KPS의 초정밀 위치 정보를 활용할 수 있습니다. 이는 드론 배송, 정밀 농업, 건설 현장 모니터링 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.
4. 무인 항만: KPS는 무인 선박과 크레인의 정밀한 위치 추적과 제어를 가능하게 합니다. 이는 무인 항만 시스템의 효율성을 높이고, 물류비를 절감하는 데 기여할 것입니다.
5. 재난 관리: KPS는 재난 상황에서의 위치 추적과 구조 작업에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 정확한 위치 정보는 구조 작업의 효율성을 높이고, 인명 피해를 최소화하는 데 기여합니다.

KPS의 경제적 및 사회적 영향

1. 산업 혁신: KPS는 자율주행차, 드론, 무인 항만 등 다양한 산업에서 혁신적인 기술과 서비스를 가능하게 할 것입니다. 이는 새로운 비즈니스 모델과 시장을 창출하고, 한국 경제의 성장을 촉진할 것입니다.
2. 일자리 창출: KPS의 개발과 운영은 첨단 기술 분야에서 새로운 일자리를 창출할 것입니다. 이는 고급 인력의 양성과 고용 안정에 기여할 것입니다.
3. 국가 안보 강화: KPS는 군사 작전과 국방 분야에서도 중요한 역할을 할 수 있습니다. 독자적인 위성항법 시스템은 국가 안보를 강화하고, 외부 의존도를 줄이는 데 기여할 것입니다.
4. 국제 협력: KPS는 국제적인 위성항법 시스템과의 협력을 통해 글로벌 시장에서의 경쟁력을 강화할 수 있습니다. 이는 한국이 위성항법 기술 분야에서 선도적인 역할을 할 수 있도록 도울 것입니다.

 

결론

초정밀 항법 위성 시스템의 발전은 실내 드론, 무인 항만, 자율주행차 등 다양한 혁신적인 서비스와 기술을 가능하게 할 것입니다. 한국형 위성항법 시스템(KPS)의 성공적인 개발은 한국이 이 분야에서 선도적인 역할을 할 수 있도록 도울 것입니다. 앞으로의 기술 발전과 이를 통해 가능해질 미래가 기대됩니다.