The Path To High-Precision GNSS Accuracy
고도의 GNSS 정확도 구현을 위한 과정
 

글│토마스 닉(Thomas Nigg), 제품 전략 수석 부사장, 유블럭스 위치추적 제품 센터

 

---

토마스 닉
토마스 닉 수석 부사장은 15년간 유블럭스에 재직하고 있으며, 그 중 6년은 기술지원 부문, 그리고 나머지 9년은 제품 전략 부문의 수석 부사장으로 근무 중이다. 이 기간 중 그는 제품 관련 다양한 지식의 축척뿐만 아니라 임베디드 위성 위치추적 리시버의 영역 및 차량용, 산업용, 소비자 애플리케이션에 사용되는 셀룰러 모뎀 영역의 전문팀을 이끌고 있다.


완전 자율주행 기술의 현실화를 위해서는 다양한 기술의 성숙과 융합이 필요하다. 이러한 기술 중 하나는 비용 합리성과 확장성, 그리고 신뢰성을 확보한 고정밀 포지셔닝 기술이다. 지난 수십 년 동안 GNSS(Global Navigation Satellite System, 글로벌 위성항법 시스템) 기술의 성능은 크게 향상됐다.

2000년대 초반, 정확한 위치 획득에 소요된 시간은 수분에서 30초 이내로 줄었다. 2000년대 후반에는 수신기의 감도가 -130 dBm에서 -167 dBm으로 크게 향상됐다. 실제 사용되는 위치항법 위성군(群)의 수는, 2000년 하나의 위성군(USA-GPS)이었던 것이 2015년에 이르러서 총 4개[(미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, 중국의 베이도우(Beidou), 유럽 연합의 갈릴레오(Galileo)]로 증가했다. 이 4개의 위성군은 인도의 NAVIC과 일본의 QZSS라는 두 개의 지역 시스템에 의해 보완되고 있다. 이에 따라 GNSS 수신기의 다중 위성군 사용이 가능하게 됐다. 위성 신호 또한 현대화됐다. 2019년 현재, 멀티밴드 GNSS는 합리적인 수준의 비용으로 사용 가능하게 됐다. 이러한 일련의 성과는 GNSS 분야의 차세대 과제라 할 수 있는 ‘데시미터’ 또는 센티미터급 정확도를 구현하기 위한 기반을 마련했다고 할 수 있다.

GNSS 수신기는 적어도 4개의 GNSS 위성으로부터 수신한 거리 정보를 사용, 삼각 측량을 통해 위치를 결정한다. 위성신호가 도달하는 데 걸리는 시간을 기준으로 이 거리를 측정하기 때문에 약간의 오차(수십 억분의 1초)가 정확도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 위성 궤도 위치의 오류로 약 2.5미터의 정확도가 손실될 수도 있고 위성 시계의 오류로 인해 1.5미터의 오차가 추가적으로 발생할 수도 있다. 그리고 대류권과 전리층의 섭동(천체 인력에 의한 교란) 또한 각각 1~5미터의 오차를 더할 수 있다. 위성이 지평선에 가까이 있거나 강렬한 태양 활동이 이뤄지는 경우, 오차는 훨씬 더 커질 수 있다. 지금까지 확인된 가장 큰 오차는 다중 경로 효과, 즉, 도시 협곡에서 건물의 벽에 반사돼 위성신호가 다중 또는 간접 궤적으로 수신기에 도달하게 되는 현상에 의해 발생하는 것으로 알려진 바 있다. 하늘에 장애물이 없는 조건 하에서 표준 정확도의 GNSS 수신기는 약 2 m 이내의 정확도를 유지한다.

고정밀 GNSS 시스템은 GNSS 오차를 제거하기 위해 GNSS 보정 데이터를 사용해 정밀도를 획기적으로 향상시킨다. 보정 데이터를 획득하는 한 가지 방법은 고정된 위치의 기지국에서 GNSS 신호를 모니터링하는 것이다. 기지국의 위치와의 편차를 관측해, GNSS 수신기가 장착된 유인 또는 무인 차량인 로버(rover)로 전송하고, 이를 이용해 보다 정확한 위치 판독 값을 얻을 수 있다. 양호한 조건 하에서 기지국과 로버가 그리 멀리 떨어지지 않은 상태라면 이 방법을 활용해 센티미터급의 정확도를 달성할 수 있다.

그러나 안타깝게도 모든 GNSS 오류가 이러한 접근법으로 제거될 수 있는 것은 아니다. 기지국에 도달하는 위성신호가 로버에 도달하게 되는 것과 동일한 많은 오류들의 영향을 받기 때문에, 대기 오차뿐만 아니라 위성의 위치 및 클럭 오차를 제거하기 위해 보정 데이터를 사용할 수 있다. 예를 들면, 다중 경로 오차는 인접한 고층건물과 같은 로버의 주변 환경조건에 의해 발생하게 되는데, 이는 수신기 자체에서 반드시 해결돼야 한다.

고정밀 GNSS는 새로운 것이 아니다. 측량 및 기타 전문가들이 수십 년 동안 이 기술을 사용해 왔지만, 높은 기기 비용과 비싼 보정 서비스에 대한 높은 의존도로 인해 고정밀 GNSS 기술은 성장하지 못했다. 한 가지 새로운 것은 고정밀 GNSS 기술의 양산시장 수요를 견인할 수 있는 기술들이 등장했다는 사실이며, 이러한 기술은 차선 수준의 정밀 항법체계, 증강현실, 고정밀 드론, 무인 잔디 깎기 및 트랙터, 그리고 커넥티드 카가 무선기술을 통해 다른 차량 및 인프라와 통신해 상호 간의 충돌을 회피할 수 있게 하는 V2X 통신기술 등과 같은 애플리케이션에 적용되고 있다. 이와 관련한 기술의 보급이 확대되면서, 위에 언급한 응용사례들 또한 확대될 것으로 예상된다.

양산시장에 적용

보정 서비스 제공업체가 GNSS 오류 데이터를 로버에 전송할 수 있는 방법은 두 가지인데, 양산시장의 수요를 충족시키도록 확장이 가능한 방법은 단 한 가지뿐이다. 이러한 방법 중 하나인 OSR(관측 공간 보정 정보) 기반의 접근법인데, 이는 보정 서비스 제공자가 개별 로버의 위치에서 예상되는 오차를 계산해 해당 정보를 무선을 통해 전송하는 방식이다. 반면, SSR(상태 공간보정 정보) 기반 접근법은 상태 공간 모델로서, 관측된 GNSS 신호 오차가 전체 영역의 오차를 물리적으로 모델링하는 데 사용된다. 주어진 임의의 시간에서 상태 공간 모델로 기술된 파라미터는 모델링된 영역 전체에 있는 로버에 송신된다.





OSR은 실시간 이동 측위(Real Time Kinematic, RTK) 및 네트워크 RTK 위성 항법에 의해 채택된 기술로, 오늘날 센티미터 수준 또는 밀리미터 수준의 위치 정확도가 필요한 설정에서 사용되고 있다. 이 접근법은 기지국과 로버가 서로 30 km 이내에 존재할 경우에만 정확도를 보장한다. OSR 기반 접근법은 로버와 보정 서비스 제공자간 양방향 통신을 전제로 한다. 이동통신 네트워크는 이러한 동시다발적인 대량의 양방향 통신을 안정적인 수준으로 유지할 수 없기 때문에 양산용 애플리케이션에 적합하지 않다. SSR 기반 접근법은 전체 서비스 지역에 걸쳐, 보정 데이터의 단일 스트림을 모든 로버에 송신해 이러한 제약을 해소한다. 이처럼 간소화된 통신과 낮은 기준 기지국의 밀도(150~250킬로미터)로 안정적인 서비스를 제공한다는 점에서 SSR은 고도화된 주행 보조장치로 양산시장 응용에 적합한 유일한 접근법이라 할 수 있다.

위성으로부터 더 많은 정보를 수신할 수 있는 수신기 하드웨어의 성능 또한 기능 향상에 기여하는 요소가 된다. GNSS 위성의 1세대가 단일 주파수 대역에서 신호를 전송했던 반면, 오늘날의 현대적인 위성항법 시스템은 신호를 최대 3개의 별도 대역을 이용해 전송한다. 예를 들어, 미국의 GPS 시스템은 각각 1,575 MHz, 1,227 MHz 및 1,176 MHz를 중심으로 L1, L2 및 L5 대역에서, 러시아의 GLONASS는 중국의 베이도우와 마찬가지로, L1 및 L2 대역에서 신호를 전송한다. 고정밀 GNSS 수신기는 단일 위성군에서 여러 주파수 대역을 활용해 높은 정확도를 달성하는 데에 소요되는 시간을 크게 경감시키며, 이는 결과적으로 훨씬 강력한 포지셔닝 성능과 높은 신뢰도를 사용자에게 제공한다.

미래의 고정밀 GNSS 시스템은 다양한 구성요소를 필요로 할 것이고, 현재 궤도상에 있는 멀티 GNSS 위성군은 가장 명확한 요소가 될 것이다. 지상의 GNSS 기준 기지국은 GNSS 신호 오류를 실시간으로 모니터링한다. SSR 접근법을 채택하면 보정 서비스는 정지 위성뿐만 아니라 인터넷을 통해 오류의 요소에 관한 정보를 송신할 수 있다. 또한 듀얼 밴드 GNSS 수신기가 장착된 로버에는 인터넷을 통해 송신되는 보정 데이터 스트림을 수신하는 셀룰러 모뎀과 위성으로부터 오는 데이터 스트림을 수신하는 L-밴드 수신기가 장착된다.

자율주행 위한 고정밀 포지셔닝

오늘날의 차량 군집주행 기술은 실제 운전자에 의해 전적으로 통제되는 차량에 의존하고 있지만, 점점 더 많은 차량들이 최소한 어느 정도의 보조 주행기능을 제공하는 방향으로 전환하는 추세다. 완전 자율주행으로의 전환을 위해서는 고속도로 주행이나 주차 등의 특수한 상황을 고려한 자동화 기술의 수준을 끊임없이 향상시켜야 할 것이다. 현재 운전자들은 보조 주행기술(그림의 레벨 1 수준)이 제공하는 편익을 누릴 수 있지만, 차선의 유지 및 변경과 같은 조작은 직접 수행해야 한다. 현재 주행 중인 차량 중 일부의 경우 이러한 조작을 자율적으로 수행하는 부분 자동주행 시스템이 개발된 상태인 레벨 2에 이미 도달해 있다. 고도화된 자동주행(레벨 3)의 경우 운전자의 실제 조작이 대부분은 요구되지 않으나, 특수한 상황이 발생할 경우 수동조작으로의 전환을 고려해야 한다. 완전 자율주행의 경우(레벨 4) 비록 예외적인 상황이 여전히 있기는 하지만 운전자의 개입이 더 이상 요구되지 않는다. 이러한 기술 수준을 완성할 경우, 운전자의 개입이 전혀 요구되지 않는 자율주행 기술을 모든 사용사례에 확대 적용할 수 있을 것이다(레벨 5).

자율주행을 위한 안전 요구사항을 충족하려면 다양한 기술을 조합해 활용해야 한다. 카메라 화상과 라이더 및 레이더 데이터를 고해상도 맵 기술과 결합하면, 차량의 위치를 지도상에 높은 정확도(약 10 cm)로 표시할 수 있으며, 다양한 사용 조건 하에서 장애물을 탐지할 수 있다. 그러나 이러한 시스템만으로는 자율주행을 구현하기에 충분한 안전이 확보되지 않는다. 완전 자율주행으로의 전환 과정에 있어서, 자율주행 모드로의 전환이 가능할지를 결정하는 것은 차량의 정확한 위치 정보를 확보할 수 있는지의 여부에 따라 좌우될 것이다. 열악한 환경 조건의 경우 또는 주요한 랜드마크 정보가 없을 경우, 광학 시스템은 해당 사용사례를 정확하게 판단할 수가 없게 되며, 이는 운전자의 수동조작이 전혀 필요 없는 레벨 4 시스템이 해결해야 하는 어려운 상황이라 할 수 있다.





이러한 상황을 고려할 때, 고정밀 GNSS 기술과 차량 추측 항법기술을 결합한 기술(즉, 위성항법 데이터와 개별 차량의 속도, 자이로스코프 및 가속계 정보를 통합해 GNSS 신호의 부재 시에도 정확한 포지셔닝을 가능하게 하는 기술의 결합)은 완전히 독립된 위치 정보의 소스로 활용이 가능할 수 있다. 이러한 결합 기술이 제공하는 정밀한 위치 정보는 고해상도 지도와 지오펜스(가상의 경계) 주요 영역에 대한 정확한 구분(예를 들면, 감속을 위한)을 식별하도록 도와주며, 차량의 센서에 대한 교정에도 활용이 가능하다. 이러한 시스템이 구현될 경우, ISO 26262에 명시된 자율 차량의 안전요건 또한 충족시킬 수 있을 것이다. 해당 요건에는 기능안전성, 펌웨어 혹은 하드웨어 수준의 차량 오차 대응 능력, 탑승자 안전의 유지 등이 포함된다.

기능안전성은 안전한 자율주행 차량의 전제조건이지만 충분조건은 아니다. 기능안전성은 차량에서 발생할 수 있는 오류를 처리한다는 점에서 차량 중심적인 특성이라 하겠다. 위치의 결정에 있어, 위성 클럭 및 위치, 다중 경로 영향 또는 보정 스트림의 잠재적 결함과 같은 주요한 오류의 원인들은 차량을 기준으로 볼 때 외부에서 발생한다. 따라서 내부적으로 기능안전성을 확보한 차량이라도 외부의 잘못된 데이터를 걸러낼 수 없다. 이러한 외부 발생 오류들에 해당하는 것들은 흔히 무결성이라고 불리는 보다 전체적인 접근을 요구한다.

기능안전성과는 대조적으로, 무결성은 전반적인 기술 체인을 전체론적 관점에서 다룬다. 즉, 다양한 센서, V2X 인프라 및 보안 시스템을 모든 수준에서 포괄적으로 다룬다. 이를 위해서는 GNSS를 포함한 모든 기술은 그 산출물에 대한 신뢰도 측정치를 제공해야 하며, 이는 대안적인 기술로 대체돼야 할 경우에 이를 경고하기 위함이다.

고정밀 GNSS 정확도 구현 과정은 도로안전성을 향상시키는 면에서 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 및 완전 자율주행 기술의 구현을 위한 핵심요소가 된다. 위치 정보의 독립적인 제공원으로서, 멀티 밴드 수신기 및 SSR 보정 데이터 사용이 가능한 고정밀 GNSS는 어떤 상황에서도 차량의 보장된 위치 정보를 안정적으로 제공한다. 궁극적으로는 일반 고속도로의 경우 데시미터 급 정확도, 그리고 그보다 더 까다로운 도시 고속도로의 경우, 1 m 이내의 정확도를 보장해야 하며, 산출된 모든 위치는 정확하면서도 그 확률 또한 매우 높아야 한다. 그리고 양산시장 기술로 채택되기 위해서는 질적으로 무결해야하면서 그 비용 또한 합리적이어야 한다.

유블럭스는 2016년 NEO-M8P의 론칭과 함께 고정밀 GNSS 사업을 본격 추진했다. 당시 NEO-M8P는 시장에서 가장 소형화된 저전력 RTK 수신기였다. 2017년에는 보쉬, 미쯔비시 전기 및 지오플러스플러스(Geo++)와 합작투자한 회사인 삽코다(Sapcorda)의 설립을 공표했으며, 이 합작투자를 통해 전 세계를 커버하는 합리적 비용의 양산시장용 GNSS 보정 서비스를 출시할 것이라고 선언한 바 있다. 2018년 2월에는 산업 및 자동차 응용을 위한 다양한 기능의 고정밀 포지셔닝 기술 플랫폼인 ‘u-blox F9 플랫폼’을 발표했으며, 2018년 4월에는 수 초 내에 센티미터급 정확도를 제공하는 ‘u-blox ZED-F9P 멀티밴드 수신기’를 출시했다. 특히 자율주행 기술 부문에서 고도의, 그리고 완전한 자율 시스템 기술의 구현에 매진하고 있다.