GPS, GLONASS, GALILEO, BeiDou 등 GNSS에서 센티미터 수준의 오차 범위로 정밀 측위가 가능한 소형의 초정밀 모듈이 등장했다. 지금까지 대형 시스템이 필요했던 정밀 측위를 대폭 소형화하고 저가격화한 솔루션으로 드론, 농업용 트랙터, 로봇 잔디깍기, 중장비 등 다양한 산업 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

점점 더 많은 사물들(things)이 지능화되고 네트워크에 연결되고 있다. 지금까지 사람에 의해 제어되던 기기들이 점차 자율 동작으로 바뀌는 추세다. 요즘 뜨거운 화두인 자율주행차나 드론 등이 자율 제어기기의 대표적인 예라 할 수 있다. 농기계나 건설기계 등의 자율 제어 및 자동운전을 위한 기술 개발도 활발하다.

이러한 다양한 기기에 자율 제어나 자동운전을 실현하기 위한 필수 기술 중 하나가 바로 위치 정보 취득이다. 기기 자체가 스스로 위치를 파악하지 못하면 자율적으로 원하는 위치로 이동할 수 없기 때문이다.

현재 다양한 기술을 통해 위치 정보를 취득하고 있다. 그 중 가장 일반적인 위치 정보 취득 기술은 GNSS(Global Navigation Satellite System)다. GNSS는 우주 궤도를 돌고 있는 인공위성을 이용해 지상에 있는 물체의 위치와 속도에 관한 정보를 제공한다. 현존하는 GNSS는 미 국방부가 운영하는 GPS, 러시아의 GLONASS, 유럽연합의 GALILEO, 중국의 BeiDou, 일본의 QZSS, 인도의 IRNSS 등이 대표적이다. 예컨대 GPS는 자동차의 내비게이션 시스템 외에 거의 모든 스마트폰에 이용된다. GPS는 하늘이 보이는 환경이면 지구 어디에 있어도 위치를 파악할 수 있는 기술로 널리 보급되고 있다.

치명적인 한계

하지만 기존의 GNSS 측위 기술로는 자동운전이나 자율 제어기기에 완벽한 위치 정보를 제공하지 못한다. 정확도가 떨어지기 때문이다. GPS 뿐만 아니라 GLONASS, GALILEO 등은 모두 일반적인 수신기를 사용했을 경우에 그 위치 정확도는 ±2~3 m가 된다. 주로 지도에 위치를 표시하는 내비게이션이나 스마트폰의 경우에 3 m의 오차는 사용에 불편함은 있지만 치명적인 결과를 초래하지는 않는다. 차량용 내비게이션의 경우 지도 정보와 주행 상태를 기반으로 측위 정보를 보정할 수 있기 때문에 2~3 m의 오차는 문제가 되지 않는다.

그러나, 자율주행차나 농기계, 건설기계의 경우, 2~3 m의 오차는 치명적인 결과로 이어질 수 있다. 자동차에서 2~3 m의 측위 오차는 주행 차선조차 파악할 수 없는 수준이다. 농기계인 이앙기의 경우에는 센티미터 간격으로 벼를 심어야 하기 때문에 미터 단위의 오차는 허용될 수 없다.

이에 자동운전 자동차에서는 이미지 센서나 레이더, 모션 센서 등을 활용해 장애물이나 차선 등을 감지함으로써 정확한 상대 위치를 파악해 부딪치지 않는 자율주행을 실현한다. 절대 위치는 정밀한 상대 위치 정보를 기반으로 보정해서 이용한다. 다만 정밀한 상대 위치를 구하기 위해서는 다수의 센서가 필요하다. 즉 시스템의 크기, 무게, 비용, 소비 전력의 증가를 수반한다. 농기계나 건설기계 등은 가격에 민감해 최대한 센서 수를 줄이면서 정밀한 위치 검출이 가능해야 한다. 무게, 소비 전력이 성능을 좌우하는 드론은 더 간단한 방법으로 고정밀의 절대 위치 검출이 가능해야 한다.

센티미터 수준의 정밀도 달성

다수의 센서로부터 정보를 받지 않고도 GNSS만으로 센티미터 수준의 측위가 가능한 기술이 없는 것은 아니다. RTK(Real Time Kinematic)라는 실시간 이동측위 기술이 있다. 이 기술은 정밀한 위치정보를 가지고 있는 기준국(Base)의 반송파 위상에 대한 보정치를 이용해 이동국(Rover)에서 실시간으로 1~2 cm 정확도의 측위 결과를 얻을 수 있다.

GNSS는 전파를 이용해 여러 측위 위성과 수신기의 거리를 계산해서 위치를 확인하는 구조다. 그러나 측위 위성에서 보내오는 전파는 전리층과 대기 중 수분 등의 영향으로 지연이 발생해 측위 오차를 초래한다. 이러한 GNSS의 단점을 보완하기 위해 개발된 기술이 RTK이다.

RTK의 특징은 2개 이상의 GNSS 수신기를 사용하는 점이다. 하나의 수신기는 절대위치(위도와 경도)를 측정하는 기지점에 고정하는 기준국에 배치된다. 기준국은 위성으로부터 수신한 정보와 미리 파악하고 있는 절대 위치와의 차이를 측정해 그 정보를 다른 수신기(이동국)에 알린다. 이동국은 측위 위성으로부터 수신한 정보를, 기준국으로부터 얻은 정보를 바탕으로 보정을 실시해 높은 정밀도의 위치 정보를 취득한다. 간략하게 설명하면, 수신기로 들어오는 반송파의 위상으로부터 복잡한 처리 알고리즘을 이용해 오차를 산출하고 보정한다. RTK는 이러한 복잡한 처리를 수신기에서 실시간으로 처리해야 한다. 기준국과 이동국 사이에 전송되는 데이터는 RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Service) 형식이다.

또 다른 장벽

RTK는 GNSS 만으로 센티미터 수준의 고정밀 측위를 실현하지만 드론, 농업용 트랙터, 건설기계, 로봇 잔디깍기 등의 무인유도 시스템에 적용하려면 많은 장벽을 제거해야 한다. 우선, RTK 지원 GNSS 수신기의 가격을 낮춰야 한다. 복잡한 계산을 실시간으로 처리하려면 고성능 컴퓨팅 파워가 필요해 수신기가 비싸다. 현재 고정밀 수신기의 대당 가격은 1,000만 원을 상회한다.

매우 저렴한 수신기라도 100만 원 이하 제품을 찾아보기가 쉽지 않다.
수신기의 크기도 문제다. 기본적으로는 박스형 수신기가 주류로, 일부 보드 형태의 수신기도 있긴 하지만 기기에 쉽게 통합할 수 있는 소형 수신기는 없다. 또 다른 과제로 복잡한 RTK 처리 알고리즘을 꼽을 수 있다. 현재 대부분의 RTK 지원 수신기는 일부 하이엔드 기종을 제외하고 대부분 공개돼 있는 오픈 소스 알고리즘을 사용한다. 따라서 알고리즘에 대한 상세한 기술지원이 제공되지 않는다. 이 또한 RTK GNSS 도입을 가로막는 장벽이다.

엄지손톱 크기의 GNSS RTK 모듈

유블럭스가 이러한 RTK의 과제를 해결한 GNSS 수신기 모듈(NEO-M8P)을 발표했다. NEO-M8P는 성인 엄지손톱 정도인 12.2×16.0×2.4 mm 크기에 RTK 기술을 통합했다. NEO-M8P 기반 애플리케이션 보드(C94-M8P)와 고성능 안테나를 사용할 경우 오차는 2 cm에 불과하며, 기준국과 이동국 사이의 최대 거리인 10 km에서의 오차는 10 cm 미만이다. 이러한 높은 위치 정밀도를 실현하기 위해, 보정 처리 알고리즘은 오픈 소스를 사용하지 않고 자체 개발했다.

유블럭스의 피터 페어허스트(Peter Fairhurst) 제품전략 수석은 “NEO-M8P는 세계에서 가장 작고 에너지 효율적인 초정밀 GNSS 수신 모듈”이라며 “유블럭스는 이 모듈과 함께 평가하고 프로토타이핑할 수 있는 애플리케이션 보드(C94-M8P), 다양한 디자인 옵션 등을 제공하고 있다”고 말했다. 페어허스트 수석에 따르면, 저전력 ARM 프로세서 기반의 NEO-M8P는 기존 솔루션 대비 1/10의 소요 비용과 1/5 수준의 전력을 사용한다.

NEO-M8P는 설계 유연성을 제공하기 위해 이동국(Rover) 기능만 있는 모델(NEO-M8P-0)과 기준국(Base) 및 이동국(Rover) 기능이 모두 있는 모델(NEOM8P-2)로 구성돼 있다. 유블럭스는 제품의 본격적인 출시에 맞춰 국내의 드론, 중장비, 농기계, 방송 기업들과 사업 제휴를 비롯해 다양한 분야에서 협력을 모색하고 있다. 또한 2년 내에 오토모티브 등급(A-grade) 초정밀 GNSS 모듈 제품을 선보일 계획이다.

유블럭스 한국지사의 김수한 지사장은 “국내 고객들과 함께 다양한 상업용 제품에 이미 적용해 개발을 진행하고 있으며 국가적인 인프라 구축이 필요한 기술 분야의 선행 개발 프로젝트에도 참여하고 있다”고 밝혔다.