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신호 수신은 현대의 큰 기술 문제 중 하나입니다. 오늘날 이동 통신 문제로 대부분 생각하는 것이죠. 누군가 스마트폰이 ‘수신 끊김’에 대해 불평한다면, 휴대전화 신호가 끊겼다고 생각합니다. 이런 일은 송신기에서 떨어진 지방에 있을 때 발생하기도 합니다.
하지만 이제, 신호 수신 문제의 새로운 유형이 나타나고 있습니다. 지방에서는 문제가 되지 않지만, 하늘의 대부분을 가린 건물들이 많은 도시 지역에서 영향을 받죠. 또한 문제가 되는 신호는 4G나 5G가 아니라 GNSS입니다. GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou와 같은 글로벌한 항법 위성 시스템입니다.
건물은 GNSS 성능의 다변화를 야기합니다.
GNSS 신호는 가시선에서 가장 잘 작동합니다. 정확한 위치를 계산하기 위해 이 신호를 사용하는 모든 장치는 반드시 최소 4개의 위성의 직시선에 있어야 하죠, 더 많을수록 더 좋습니다.
그래서 하늘이 좁게 보이는 지역에서는 문제가 발생합니다. GNSS 신호는 지구에 도달할 때 40와트 전구 정도의 힘을 갖기 때문에, 종종 건물을 투과할 수 없기도 합니다. 그리고 궤도를 선회하는 위성은 꾸준히 움직이기 때문에, 신호는 계속해서 가시선을 벗어났다 들어오기도 해 GNSS가 언제 어디서 높은 신뢰성을 갖는지 사전에 알기 어렵습니다.
Buildings can block satellites from view, creating patches of poor GNSS reception
그래서 낯선 도시에 있고, 스마트폰이나 차량에서 수신하는 GNSS 신호 상태가 별로 좋지 않다면 정말 짜증나겠지만, 주로 큰 문제는 되지 않습니다. 하지만 드론이나 자율 주행 차량에게는 다른 문제가 되죠. 도시의 거리를 안전하게 주행하려면 언제나 어디에 위치하는지를 정확하게 알아야 합니다.
위성이 많을수록 포지셔닝 성능은 더 좋아집니다.
GNSS 기술자들이 수년간 작업해오는 문제로, 그 성공률은 조금씩 높아지고 있습니다. 2011년 전에는 완전히 작동하고 상용화된 GNSS가 GPS 뿐이었고, 그 위성은 24개뿐이라 도시 지역의 신호 수신이 때때로 저하되어 가용성과 성능이 낮아지기도 했습니다.
Map of downtown Indianapolis showing areas of poor (red) and very poor (black) signal reception for a GPS-only receiver
중요한 단계는 추가적인 글로벌 항법 위성 시스템의 형태로 나타났죠. 러시아의 새로운 GLONASS가 2011년 시작되었고, 2016년에는 유럽의 Galileo, 2018년에는 중국의 BeiDou가 그 뒤를 따랐습니다.
칩셋 개발자들은 빠르게 다중 GNSS 수신기를 출시했으며, 이는 GPS나 하나 이상의 새로운 시스템에서 처리 신호를 받을 수 있었습니다. 지구 주변의 궤도를 선회하는 많은 위성으로, 다중 GNSS 수신기는 네 개 이상의 가시선을 보유할 큰 기회를 갖게 되었습니다. 하늘이 좁게 보이는 도시 지역에서도 말이죠.
The same area of downtown Indianapolis, showing greatly improved reception quality for a receiver capable of processing signals from GPS, GLONASS, Galileo and BeiDou.
하지만 다중 콘스텔레이션 GNSS 수신기가 도시나 외곽 지역의 신호 수신을 상당히 개선시켰다고 해도, 여전히 정확한 위치를 계산하기에 위성이 충분치 않은 곳도 있습니다.
RTK는 높은 정밀성을 가졌지만, GNSS가 저하되는 지역에서는 더 많은 것이 필요하죠.
실시간 운동학, RTK는 종종 제기되는 해결책입니다. 지상 기지국은 GNSS 신호의 국소적인 환경의 지연을 측정하고 gnss 수신기로 교정을 전송해 지연을 완화하며, 센티미터 수준의 정확도로 GNSS 포지셔닝 솔루션을 만들어냅니다.
정밀한 포지셔닝 측면에서 RTK는 강력한 GNSS 증가 기술이라고 할 수 있습니다. 하지만 그 정도의 정밀성을 달성하기 위해서는 4개 이상의 GNSS 위성의 가시선이 필요하기는 마찬가지죠. 많은 지역에서 작동하기는 해도, 도시 지역 내 가용성 문제를 해결하지는 못합니다.
도시 포지셔닝의 ‘최종 단계’는 GNSS를 언제 어디서 신뢰할 수 있는지 아는 것입니다.
이러한 문제의 ‘최종 단계’죠. 오늘날 GNSS 수신기는 어느 상황에서나 안전하고 정확하게 항해할 수 있습니다. 사전 시험 연구소에서 속도를 맞추어 개발자들과 사용자들이 수신기가 작동할 수 있는 신호 조건을 자세히 이해할 수 있도록 하죠.
그럼에도 연구소 시험에서 할 수 없는 것은 이러한 조건이 신호가 더 이상 신뢰할 수 없는 지점까지 저해되는 장소나 때를 정확히 짚어내는 것입니다. 더 중요한 것은, 아마 GNSS 장비가 높은 수준의 확실성과 높은 수준의 정밀성으로 신뢰할 수 있게 되는 때와 장소를 보여줄 수 없을 수도 있다는 것입니다.
그래서 특별한 종류의 지도가 필요하지만, GNSS 신호 패턴은 계속해서 바뀌기 때문에 오후 3시에 GNSS 수신이 불안정한 골목도 10분 후에는 완벽하게 위치를 안내할 수 있기도 합니다. 고정된 지도는 따라서 부정확하고, 오해의 소지가 있죠. 정말 필요한 것은 자동차나 그 운전자가 결정을 내릴 수 있도록 상황에 대한 인식을 줄 수 있도록, 변화하는 패턴을 정확히 예측하는 동적인 지도입니다.
다양한 고도에서의 수신 패턴 이해
무인 조종 비행기(드론)의 경우 이러한 지도는 고도도 생각해야 합니다. 드론이 더 높이 날수록 4개 이상의 가시선을 갖게 될 확률이 높아져 신호 끊김의 문제가 상당히 감소하죠. 하지만 더 높이 난다는 것은 에너지 소모와 드론이 처리할 수 있는 무게에 영향을 줍니다. 더 높은 고도는 유인 비행기나 에어 택시처럼 다른 비행 물체들을 위해 남겨두어야 하죠.
현실적으로 배송이나 응급 대응과 같은 사용자를 위한 드론은 상대적으로 낮은 고도와 지상, 모든 도시 환경에서 비행해야 할 것입니다. 따라서, 다양한 고도에서 발생하는 신호 수신 문제를 예측하고 이해하는 것이 필수죠.
확실한 GNSS 성능 예측에 대해 말해 보세요
30년간 Spirent는 전세계의 기업들이 위성 기반 포지셔닝, 항해 및 시간 설정(PNT)와 관련된 정확도와 신뢰성 문제의 대부분을 해결할 수 있느 섬세한 GNSS 수신기를 설계 및 시험하도록 도와 왔습니다.
차량이 진정한 자율 주행이 가능해지는 세상을 위해 나아가는 Spirent는 도시 지역의 GNSS 성능 확보가 가장 큰 마지막 PNT 문제 중 하나라고 생각합니다. 또한 이 문제를 해결하지 못한채로 둔다면 자율 주행 자동차나 가시선 이상으로 작동하는 드론의 규제 승인 및 인증에 관한 길을 막게 될 것이라고도 생각합니다.
