The Benefit of Tracking All 4 Global GNSS Constellations
모든 글로벌 GNSS 동시수신 위치추적 정확도 향상
2021년 01월호 지면기사  /  글|베른트 하이트만(Bernd Heidtmann) GNSS 제품 전략 매니저, 유블럭스



4가지 글로벌 위성신호를 동시에 수신함으로써 도심 밀집 지역에서 위치추적 성능을 높이고 전반적인 장애 복구 능력도 향상된다. 4가지 GNSS 위성군을 추적할 때 GNSS 수신기가 위치를 결정하는 데 드는 시간은 아주 조금 늘어날 뿐이다. 따라서 GNSS 수신기가 3가지 위성군을 추적하든 혹은 4가지 위성군을 추적하든 상관없이 거의 비슷한 시간에 위치와 속도 추정값을 제공할 수 있다. 그러면서 더 많은 수의 위성과 위성군으로부터 더 우수한 GNSS 신호를 선택할 수 있으므로 보다 정확한 위치와 속도 추정값을 제공할 수 있다.

글|베른트 하이트만(Bernd Heidtmann) 정밀 GNSS 제품 전략 매니저, u-blox 



2015년에 출시된 유블럭스(u-blox)의 M8 GNSS 수신기 플랫폼은 초기에 2가지, 이후 3가지 GNSS 위성신호를 동시에 수신함으로써 위치추적 성능을 크게 향상시키게 되었다. 특정 시점에 가시선(line of sight, LoS) 내에 들어오는 위성 수를 약 3배 늘림으로써 엄청난 이점들을 누릴 수 있게 된 것이다. 더 많은 위성들로부터 수신한 최상의 신호들을 활용해 위치를 더 정확하게 계산할 수 있을 뿐만 아니라, 신호가 미약한 도심 지역에서도 초기 위치결정에 걸리는 시간(TTFF)을 현저하게 단축시켰다.

이후 특정 시점에 수신 가능한 GNSS 위성군 수가 4가지로 늘어난 u-blox M9와 u-blox M10이 출시되었다. 여기서 다음과 같은 질문이 있을 수 있다: “GNSS 위성군이 한 가지 더 추가되면 어떠한 성능 향상이 가능할까?”

2020년 초, 유블럭스는 미국과 아시아의 도심지 도로 상에서 최신 u-blox M9 GNSS 수신기를 사용한 테스트를 실시했다. 3가지 위성군을 추적하는 것이 4가지 위성군을 추적하는 것에 비해서 얼마나 효과적인지 알아보기 위한 것이었다.


까다로운 도로 주행 테스트




사진을 보면 한 눈에 알 수 있듯이, 개방감이 있는 탁 트인 장소는 우리가 원하는 테스트 장소가 아니었다. 우리는 일상적이면서도 지극히 까다로운 환경에서 성능을 직접 비교해보고자 했다. 그곳은 바로 마천루가 즐비한 대도시 번화가였다.

도시의 고층 빌딩은 하늘을 가리고 GNSS 수신기의 가시선(LoS)에 들어오는 위성 수를 제한한다. 따라서 GNSS 수신기가 연속으로 위치를 추정할 수 있도록 궤도 위성이 방출하는 신호를 충분한 시간동안 포착하기가 굉장히 어렵다. 추가적인 위성군을 추적할 수 있으면 수신기가 이용할 수 있는 위성 수를 늘릴 수 있고, 그를 통해 위치추적 성능을 향상시킬 수 있다.


위성 가용성 소폭 향상


그림 1| 위성 가용성 소폭 향상


측정 결과를 보면 이 점이 분명해진다. 위치 가용률(fix rate) 향상이 크지는 않지만(3가지 위성군을 사용했을 때 이미 약 99%의 가용률 달성), 싱가포르에서 4가지 위성군을 포착하도록 설정했을 때 이 수신기는 28개 위성을 추적하고 99.5%의 가용률을 달성하는 것으로 나타났다. 이에 비해 3가지 위성군을 추적할 때는 27개 위성을 추적하고 가용률은 99%였다. 시카고에서 측정한 결과는 99.2% 대 98.7%로 가용률이 아주 약간 향상되었다(그림 1)


가시 위성 수 소폭 증가

두 그래프(그림 2, 3)는 테스트 수신기가 추적한 위성 시스템 당 GNSS 위성 수와, 수신한 SBAS(Satellite-based Augmentation System) 신호의 수를 보여준다. 첫 번째 그래프는 동시에 추적 가능한 위성군 수를 3가지로 제한하고 최대 총 추적 위성 수를 30개로 제한한 것이다. 두 번째 그래프에서는 수신기가 4가지 위성군을 추적하게 하고, 최대 위성 수는 동일하게 하되 한 가지 제약을 추가했다. 즉, 각 위성군으로부터 추적되는 위성 수를 8개로 제한한 것이다.

궤도상에 많은 수의 위성들이 있을 경우, 두 수신기 모두 동시에 추적할 수 있는 개별 위성 수는 일관되게 최대치에 근접했다. 하지만 한 가지 큰 차이점이 있었다. 3가지 위성군일 때는, 수신기가 가시선(LoS)에 들어온 어떤 위성이든 이용해서 작업을 해야 한다. 하지만 4가지 위성군을 추적할 때는 수신기 펌웨어가 위성들 중에서 양질의 신호를 제공하는 위성들을 선택적으로 고를 수 있다.



그림 2|싱가포르에서 3가지 GNSS 위성군을 추적할 때 시스템당 추적한 위성(SV) 수



4가지 GNSS 위성군을 추적함으로써 (i) 더 많은 위성신호를 수신하고 (ii) 신호 품질을 높일 수 있다. 이것은 위치 및 속도 정확도의 향상으로 이어진다.




그림 3|싱가포르에서 4가지 GNSS 위성군을 추적할 때 시스템당 추적 위성(SV) 수


위치 및 속도 정확도 향상

이 도로 테스트 데이터를 분석해서 3가지 또는 4가지 GNSS 위성군을 사용할 때 위치와 속도 판독 정확도를 비교했다(표 1).



표 1| 도심 지역에서 정확도 비교


이 표의 수치에서 보듯이, 두 경우 모두 50% 위치 및 속도 정확도(CEP50)가 향상되고 측정 퍼센티지를 높일수록 더 많이 향상된다는 것을 알 수 있다. 특히 또 하나의 위성군을 추가함으로써 2D 위치는 3배 이상, 2D 속도는 거의 2배까지 오차 범위의 크기를 대폭 줄였다. 또 한 가지 주목할 점은, 일정 범위 이상으로 위치 오차가 발생하는 모든 애플리케이션들에서 4GNSS 수신이 매우 유리하다는 것이다.


더 많은 위성신호 수신의 이점

앞서 살펴본 것처럼, 4가지 GNSS 위성군을 추적할 때 GNSS 수신기가 위치를 결정하는 데 드는 시간은 아주 조금 늘어날 뿐이다. 따라서 GNSS 수신기가 3가지 위성군을 추적하든 혹은 4가지 위성군을 추적하든 상관없이 거의 비슷한 시간에 위치와 속도 추정값을 제공할 수 있다. 그러면서 더 많은 수의 위성과 위성군으로부터 더 우수한 GNSS 신호를 선택할 수 있으므로 보다 정확한 위치와 속도 추정값을 제공할 수 있다.
이 글에서 살펴본 수치들은 전체 이야기 중에서 일부 내용만을 언급했을 뿐이다. 위치추적 솔루션은 악의적인 RF 간섭에 대해서든, 2019년 7월에 갈릴레오(Galileo) 서비스가 일주일간 중단된 것과 같은 예기치 않은 GNSS 서비스 중단에 대해서든, 전쟁 같은 때에 의도적인 서비스 중단에 대해서든, 언제든 강건하게 동작할 수 있어야 한다. 
서두에서 언급했듯이 3가지 GNSS 위성군을 추적함으로써 2가지 GNSS 위성군을 추적했을 때보다 전반적인 위치추적 솔루션의 강건성을 크게 높이게 되었다. 이제 위성군을 하나 더 추가해서 4가지 위성군을 추적함으로써 이러한 강건성을 더욱 더 강화할 수 있게 되었다.
 

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