최신 GNSS/GPS 신호 트렌드: 싱글에서 멀티 밴드 전환

이 글은 위치추적 기술에 대한 기초적인 이해를 높이기 위한 것으로서, 싱글 밴드 GNSS 수신기와 듀얼 밴드 GNSS 수신기를 비교하고, 활용 용도에 따라 어떤 대역 조합이 최선인지 자세히 분석한다. 이를 통해 독자들은 이 기술에 대한 이해를 높이고 각자의 GNSS 애플리케이션에 어느 대역이 적합할지 더 잘 판단할 수 있을 것이다.

글 | u-blox





배경 및 개요

위성 항법 시스템(satellite navigation)은 통상 1 ~ 2 GHz 주파수 범위 내의 L-밴드 상에서 전송되는 GNSS/GPS 위성 신호 수신에 의존한다. L-밴드는 1164 ~ 1300 MHz의 하위 대역과 1559 ~ 1610 MHz의 상위 대역의 크게 두 부분으로 구성된다. 대부분의 위성군은 이 두 대역을 사용하여 데이터를 전송한다.
위성 측위 기술을 민수 용도로 이용할 수 있게 된 이후로, 대부분 기기가 L-밴드의 상위 대역인 L1 주파수 대역을 사용해 왔다. 그런데 이러한 판도가 빠르게 변화하고 있다. GNSS 수신기 기술이 발전함에 따라 점점 더 많은 애플리케이션에서 멀티 밴드 수신기가 인기가 높아지고 현실성을 갖추게 되었다. 

사람들은 흔히 멀티 밴드면 더 좋을 것이라고 생각하기 쉽지만, 꼭 그런 것은 아니다. 사실, 싱글 밴드와 멀티 밴드 GNSS 수신기 중에서 어떤 것을 선택할 것인지는 특정 위치추적 애플리케이션의 목적에 따라서 달라질 것이다.
이 글은 위치추적 기술에 대한 기초적인 이해를 높이기 위한 것으로서, 싱글 밴드 GNSS 수신기와 듀얼 밴드 GNSS 수신기를 비교하고, 활용 용도에 따라 어떤 대역 조합이 최선인지 자세히 분석한다. 이를 통해 독자들은 이 기술에 대한 이해를 높이고 각자의 GNSS 애플리케이션에 어느 대역이 적합할지 더 잘 판단할 수 있을 것이다. 

통신 및 위치추적 기술의 세계는 매우 방대하다. 각각의 기술은 특정 용도를 겨냥해 설계되었는데, 예컨대 어떤 기술은 실내용으로, 또 어떤 것은 실외용으로 개발되었다. 실외용인 경우는 기기가 사용되는 환경이 도심지 한복판이든 탁 트인 개활지이든 환경적 혼잡도가 중요한 문제이다. 표는 다양한 위치추적 기술의 정확도와 적용 가능한 환경을 보여준다.

 

표 1 | 위치추적 기술과 적용 가능한 환경



이 표를 보면, GNSS/GPS 기술이 실외에서 사람이나 자산, 차량의 정밀 추적에 탁월한 기술이라는 것을 알 수 있다. 정밀도 측면에서 GNSS는 다른 대안 기술들보다 크게 앞선다. 또 다른 차별점은 이 기술의 전 세계적인 가용성이다. 사용자는 GNSS를 통해서 여러 위성군에 액세스할 수 있으므로, GNSS 수신기를 사용해서 추적할 때 거의 100%에 가까운 가용성을 확보할 수 있다. 또한 GNSS 인프라(위성, 지상 제어국, 지상 감시국)가 무료로 제공된다는 점은 다른 기술에서는 기대할 수 없는 커다란 장점이다.
GNSS 기술은 GNSS 위성이 쏘아 보낸 무선파가 도달하는 시간을 정밀하게 측정해서 작동한다. 이 측정의 정확도는 송신기와 수신기의 특성과 신호가 취하는 경로에 따라 좌우된다. 이 경로 상에서 지구 대기권이 오차를 발생시킬 수 있다. 전리층과 대류권 같은 요인들이 오차를 발생시키는데, 이에 대한 오차 보정이 필요하다.

 


환경적 요인들 역시 오차를 발생시킬 수 있다. 위성 신호는 도심지에서 빌딩, 터널, 가로수 같은 다양한 장애물을 만날 수 있다. 송신 신호가 다중의 경로를 취해서 수신기에 도착할 때 멀티 패스 간섭(multipath interference)이 발생한다. 이러한 현상이 발생하는 것은, 우주에서 수신기로 전송된 신호가 다양한 환경 요소로 인해 반사, 회절, 산란됨으로써 동일 신호의 다양한 다른 버전이 서로 다른 시간과 위상으로 중첩되기 때문이다. 이는 위치추적 시스템에 지연과 오차를 일으킨다. 

지난 30년 넘게 자동차, 농업, 건설업, 광업 같은 많은 산업 분야들이 정밀한 방향 탐지 및 위치추적을 위해서 GNSS 위치추적 애플리케이션에 의지해 왔다. 대상의 위치를 아는 것은 위치 식별을 위해서만이 아니라 차량 내비게이션, 추적, 그 밖에 다른 센서 데이터를 위해서도 중요하다. 예를 들어 운전자가 교통 정체를 피할 수 있게 하려면 실시간 교통 혼잡 정보를 제공하는 것이 중요하다. 

이러한 애플리케이션들은 급속히 진화하는 기술에 의존한다. GNSS 수신기 기술은 멀티 밴드 수신기 쪽으로 진화하고 있으며, 앞서 언급한 산업 분야들에서 이러한 전환이 폭넓게 확대되고 있다. 이제 이 기술이 어떻게 진화하고 있고, 각각의 신호는 어떠한 특징을 가지고 있으며, 듀얼 밴드 시스템은 어떤 장점이 있고, 다양한 활용 사례에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기로 한다.


 


위성 신호 대역의 진화 

1983년에 미국의 로널드 레이건 대통령이 GPS 기술의 상업적 사용을 허용하면서 민간에서도 L1 대역을 이용할 수 있게 되었다. L1 대역은 가장 오래된 GPS 신호이며, 대부분의 위성항법 애플리케이션은 오늘날에도 여전히 이 대역을 사용하고 있다. GPS 위성군이 최초로 1574MHz 대역을 사용했는데, 시간이 지나면서 다른 위성 시스템들이 상호운용성을 위해서 비슷한 주파수들을 채택했다. 일례로 중국의 3세대 베이더우(BeiDou) 항법 위성 시스템인 BDS-III 역시 항법 신호 전송을 위해 L1 주파수를 사용한다. 

L2는 위성 항법 시스템에 사용하도록 민간에 허용된 두 번째 주파수 대역이다. L2는 L1보다 더 낮은 주파수에서 동작하므로 구름이나 가로수, 또는 건물 같은 도시의 장애물을 통과할 수 있다. 인프라가 완전히 갖춰져 있기 때문에 사용자들은 L1 주파수와 L2를 함께 사용한다.  L5는 가장 최근에 민간에 허용된 GNSS 신호이다. 현재 미국 공군, 미국 국가 우주 방어 센터(GPS 프로그램 감독 기관), 유럽 우주국은 L5의 본격 출범을 위한 지상 설비 구축이 거의 막바지 단계에 와 있다. 


  2023년 현재 L1 대역은 전지구적 커버리지를 제공한다. GPS, Galileo, BeiDou 위성 시스템이 이 대역을 사용한다. 위성 세대와 위성군에 따라 L1 대역으로만 전송하거나 또는 L1, L2, L5 대역의 조합으로 전송할 수 있다.

각 위성군마다 주파수 대역에 대한 명칭이 약간씩 다를 수 있는데, 이 글에서는 편의상 GPS에서 사용하고 있는 대로 L1, L2, L5라고 한다.
그림 2에서 보듯이, 오늘날 대부분 주요 위성군은 듀얼 밴드를 사용한다. 한편, 몇몇 국가들은 독립적인 위치추적 시스템을 개발하고자 하는 목적으로, 현재 각자의 연결성 및 통신 요구 사항을 충족하는 위성 기술을 개발하고 있다. 



신호 특성과 사용자 가치   

표 3은 가용성, 정확도, 장단점을 비롯해 L-밴드 주파수들의 특성을 요약해서 보여준다.
L1은 여전히 민수용 GNSS 애플리케이션을 위한 주된 주파수로 자리잡고 있다. L1은 모든 주요 GNSS 위성군과 폭넓게 호환 가능하고 신호 포착이 빠르다는 것이 특징이다.
그런데 시간이 지나면서 정밀한 위치추적을 위해 L1에 L2를 결합하는 방식이 인기가 높아지고 있으며, L5는 향상된 멀티 패스 및 간섭에 대한 내성이 있어 도심지 사용 애플리케이션에 사용하기에 유리하다. 
L6 같은 새로운 주파수 대역도 구축되고 있다. 2023년 1월 현재, 갈릴레오는 고정밀 서비스(HAS: High Accuracy Service)를 도입하고 있다. 이는 E6-B 신호를 사용해서 전세계적으로 무료 PPP(precise point positioning) 보정을 제공하는 최초의 서비스이다. 

 

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듀얼 밴드의 이점 

여러 위성 대역과 위성군을 동시에 사용함으로써 GNSS 수신기의 출력 품질을 높일 수 있다. 이는 다음과 같은 이점들을 제공한다. 

신호 가용성 향상: L5 신호는 더 낮은 주파수에서 전송하므로, 파장이 더 길고 물체를 더 잘 통과할 수 있다. 그 결과, 이 대역을 채택한 듀얼 밴드 수신기는 건물이나 가로수 같은 장애물들이 존재하는 장소에서 신호 가용성을 높인다. 이러한 장애물들은 신호를 감쇠하거나 반사한다.

측위 정확도 향상: 앞에서도 언급했듯이, 신호가 대기권을 통과할 때 대기권 상태에 따라 신호에 영향을 미쳐 신호 지연을 야기할 수 있다. 그런데 GNSS 수신기가 더 많은 정보를 활용할 수 있으면 위치를 좀더 정확하게 계산할 수 있다. 수신기가 2개 혹은 3개 주파수 대역으로부터 신호를 제공받는다면 첨단 알고리즘을 활용해 이 정보를 계산하고 이러한 대기권 지연을 보정할 수 있다. 

신호 보안 향상: 재밍이나 스푸핑 공격 같은 방해를 완화함으로써 시스템의 회복성과 가용성을 높일 수 있다. 어떤 한 대역이 이러한 공격을 받아 지장이 생기면 다른 주파수 대역으로 전환할 수 있다. 

빠른 신호 포착: GNSS 수신기에서 L1 대역이 공통 대역으로 쓰인 중요한 이유는, L1이 최초 위치 결정 시간(TTFF = time to first fix)를 계산하는 데 걸리는 시간이 더 짧다는 것이다. 이 점은 GNSS 수신기를 사용하는 기기에서 전력 소모를 줄이고 성능을 높이는 결과로 이어진다. L2 또는 L5 대역은 신호를 포착하는데 걸리는 시간이 통상적으로 L1 대역보다 훨씬 더 길다.

이러한 이유로, 산업용 듀얼 밴드 GNSS 수신기는 L1/L2 또는 L1/L5 대역 조합을 제공한다. 뒤에서 살펴보듯이, 이 두 옵션이 적합한 활용 사례들은 다르다.


L1/L5 대 L1 단독

L5는 신호 가용성, 측위 정확도, 신호 보안에 있어서 향상뿐만 아니라, 숲의 무성한 나뭇잎이나 차 유리에 반사되어서 신호가 감쇄될 때 발생하는 약한 신호와 관련해서도 L1보다 유리하다. 

기기의 안테나에 충분한 신호 수신이 이루어지지 않는 상황을 가정해보자. 이런 상황에서 약한 신호 조건으로도 계속해서 잘 작동하기 위해 L5 대역이 중요한 역할을 할 수 있다. 수신기가 L1 대역만 사용할 때와 달리, 까다로운 환경에서 위치추적 가용성과 정확도를 유지할 수 있다. 이 때 위치 계산에 사용하는 알고리즘이 시장에 출시된 제품들 사이에서 품질을 차별화하는 요소가 된다.

도심 지역에서 L1 단독 수신기와 L1/L5 수신기를 비교하기 위한 테스트를 통해 멀티 패스 신호가 존재하는 환경에서 L1/L5 수신기가 더 우수한 정확도를 제공하는 것을 확인할 수 있다. 다만, 탁 트인 공간에서는 L1 단독 수신기와 L1/L5 수신기가 정확도 결과가 비슷한 것으로 나타난다. 

 


L1/L5 듀얼 밴드 수신기는 앞서 언급한 장점들 외에, 중요한 단점 두 가지도 가지고 있는 것으로 지적된다. 전력 소모와 L5 신호의 운용 현황이다. L1/L5 듀얼 밴드 수신기는 싱글 밴드 수신기보다 더 많은 전력을 소모한다. 이는 배터리로 구동되는 기기에서 문제가 될 수 있다. 또한 L5는 현재로서는 GPS와 Galileo 상에서 완벽하게 운용되고 있지 않다. 이러한 점을 감안해서 L5 대역을 사용하는 제품을 어떻게 설계할 것인지 신중하게 고려해야 할 것이다.

  표 4 | 2023년 10월 현재, L5 대역 위성군의 운용 현황


L1/L2 대 L1/L5  테스트 결과를 보면, 이들 다중대역 솔루션 모두가 L1 대역만을 사용할 때보다 위치 정확도와 신뢰성을 향상시키는 것을 알 수 있다.
더 적은 숫자의 가시 위성들을 사용해서 동작할 수 있는 Non-RTK (non real-time kinematics) 시스템과 달리, RTK GPS 시스템은 더 높은 위성 가시성을 필요로 한다. 따라서 RTK를 적용한 고정밀 애플리케이션에서 센티미터 수준의 측위 정확도를 달성하기 위해서는 L1/L2 대역 제품이 유리한 것으로 입증되고 있다. 

L1/L5 시스템이 L1/L2 설계에 대해서 우위인 점은, 멀티 패스 완화 및 약한 신호 환경에서의 성능이다. 
많은 시스템이 L1/L2 대역 GNSS 수신기를 사용해서 매우 잘 작동하는 것으로 확인된다. 하지만 BeiDou, Galileo, GPS가 L5 대역을 완벽하게 지원하면 머지않아 L1/L5로 전환이 이루어질 것으로 예상된다.

 


애플리케이션에 적합한 주파수 대역의 선택

실상은 좀더 복잡해서 멀티 밴드 수신기가 싱글 밴드 수신기보다 확실히 더 낫다고 말하기 어렵다. 둘 중 어느 것을 선택하느냐는 특정 활용 사례의 필요에 따라 달라질 것이다. 다음과 같은 애플리케이션에는 각각 어떤 솔루션이 적합한지 알아보자.

자산 추적기: 자산 추적 기기는 배터리로 구동되는 저전력 기기로서, 배터리를 교체하거나 충전하지 않고서 오랜 시간 작동할 수 있어야 한다. 듀얼 밴드 수신기는 싱글 밴드 수신기보다 더 많은 전력을 소모하고, GNSS는 일반적으로 위치 파악 주기 사이에는 파워 오프되므로, 이러한 기기에는 싱글 밴드 수신기가 더 적합하다. 자산 추적 기기는 대체로 10미터 이내의 측위 정확도를 요구하므로, L1 대역을 사용해서 이 요구 사항을 쉽게 충족할 수 있다.

웨어러블: 자산 추적 기기와 마찬가지로 웨어러블도 저전력 기기인데, 다만 웨어러블은 좀더 자주 재충전이 가능하다. 기기를 도심에서 사용하는지 아니면 탁 트인 환경에서 사용하는지도 중요하게 고려해야 한다. 뿐만 아니라 웨어러블 사용자들은 보고된 위치와 추적한 거리의 정확성과 관련하여 특정한 기대를 만족시키기를 원한다. 이러한 점들을 고려했을 때 웨어러블에 사용되는 저전력 저비용 위치추적 솔루션에는 L1 대역이 적합하다. 스포츠 워치나 반려동물 추적 장치 같은 단순한 애플리케이션일 때는 특히 그렇다.
이보다 복잡한 애플리케이션, 예컨대 사용자가 모빌리티 서비스에 접속할 수 있게 하거나 PPP 정보를 요구하는 (예를 들어 지도 상에서 도로 반대편에 있는 것으로 잘못 표시하는 것을 피하기 위해) 스마트폰 같은 경우에는 L1/L5 수신기가 적합할 것이다. 이는 도심 지역에서나 시골 지역에서나 마찬가지다. 

차량 추적기: 대부분의 차량 추적 애플리케이션은 10미터 이내의 위치 정확도를 필요로 한다. 이 요구 사항은 L1 단독 GNSS를 사용하여 충족될 수 있다. 충돌 기록 장치 같이 높은 신뢰성과 정확도를 필요로 하는 첨단 애플리케이션은 L1/L5 듀얼 밴드 수신기를 사용해야 할 것이다.

상업용 UAV: 드론 수신기용으로 싱글 밴드를 선택할지 듀얼 밴드를 선택할지는 특정 활용 사례에 따라서 달라질 것이다. 소비가전 기기는 싱글 밴드 수신기가 좋은 선택이다. 반면에, 드론 조명 쇼 같이 고도의 정확도를 필요로 하는 실시간 PPP 애플리케이션에는 듀얼 밴드 수신기가 필수다. 이러한 수신기는 감시 애플리케이션에도 꼭 필요한데, 특히 사진 측량(photogrammetry) 같은 경우에 그렇다. 이러한 용도로는 L1/L2 수신기가 잘 맞는 것으로 알려져 있다. 실시간 정밀도는 현장에서 정확한 데이터 포착을 가능하게 하고, 후처리는 데이터셋을 개선하여 최종 모델을 향상시킨다.
드론의 중요한 특성인 정지 상태에서 빠르고 정확하게 방향을 전환하는 기능을 위해서는 듀얼 밴드 수신기가 싱글 밴드 수신기보다 낫다.

지상 로봇: 자율 농업 기계, 감시, 건설 장비 같은 애플리케이션의 고정밀 위치추적에는 L1/L5 및 L1/L2가 적합하다. 이 중에서 어떤 것을 선택하느냐는 각 장비 및 활용 사례의 정확도 요구에 따라서 달라질 것이다. 다만, L1/L2가 L1/L5에 대해서 좀더 유리하다.
어떤 장비가 RTK(real-time kinematic) 기술을 사용한다고 가정해보자. 이 경우에는 L1/L2 수신기가 L1/L5 수신기보다 더 우수한 정확도를 제공한다. L2는 더 넓게 전지구적 커버리지를 제공하는데 반해, L5 GPS는 본격적인 운용에 들어가지 않았기 때문이다. 또 다른 유리한 점은, L1/L2 수신기는 다목적 플랫폼에 통합했을 때 대체로 매우 잘 작동한다는 것이다.

중장비 제어: 이 분야는 기존에 L1/L2 GNSS 수신기를 사용해서 만족할 만한 결과를 달성하고 있다. 이들 분야에 사용되는 장비는 수명이 다른 분야들보다 길기 때문에, 사용자가 L1/L5 장비를 사용하면서 쌓은 지식이나 경험에 따라서 L1/L5 시스템으로 전환할 수 있을 것이다.

정밀 타이밍: 5G가 출범하기 전에는 네트워크 타이밍 동기화에 L1 대역 수신기만 사용했다. 하지만 5G 서비스가 등장하고 더 높은 시간 정확도가 요구됨에 따라 이차적인 GNSS 대역이 필요하게 되었다. 뿐만 아니라 GNSS 신호 재밍, 전리층 지연, 멀티 패스 간섭 같은 요인들이 타이밍 데이터의 신뢰성과 정확도에 영향을 미친다. 정밀도에 대한 요구가 높아짐에 따라, 보다 정밀한 타이밍 정보를 제공하기 위해 최근에는 L1/L2 대역 조합이 사용되고 있다.
L1/L5를 사용하는 기기도 타이밍 상의 과제들을 완화할 수 있다. L1/L5 수신기는 싱글 밴드 수신기를 사용해서 달성할 수 있는 속도의 4분의 1에 불과한 5ns 이내의 타이밍 정확도를 달성할 수 있다. 이제는 GPS, Galileo, BeiDou GNSS 위성군이 L5 신호를 전송하기 때문에 이 세 위성군에 액세스할 수 있도록 설계된 수신기는 잠재적으로 전세계 어디서나 작동할 수 있다.

자율주행차: 자율주행의 경우, 자율성 레벨에 따라 요구 사항이 달라진다. 예를 들어 레벨 2 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 솔루션은 고속도로 주행에 중점을 두고 있으며, 레벨 2 이상에서는 운행 설계 영역(operational design domain, ODD)을 도시 환경으로 확대하고 있다. 레벨 3 ADAS 솔루션은 고속도로에서 높은 무결성을 제공하는 것에 중점을 두고 있고, 레벨 4 및 레벨 5 솔루션은 모든 환경에서 높은 무결성을 요구한다.
L1/L5 및 L1/L2 수신기를 사용해서 이러한 다양한 요구들을 충족할 수 있다. 다만, L1/L5가 멀티 패스 간섭에 대한 회복성이 더 우수하므로, 밀집된 도시 환경에서 신뢰성과 내비게이션 견고성을 높인다는 점에서 유리하다. 자율주행 기능을 (탁 트여 있고 장애물들이 더 적은) 고속도로 환경에서 빌딩들이 즐비한 도시 지역으로 확대할 때도 L1/L5가 더 유리하다.


  다양한 대역들에 걸쳐 일관된 
제품 폼 팩터로 통합 작업 간소화

유블럭스는 소비가전, 산업, 자동차용으로 다양한 GNSS 제품 및 서비스를 제공한다.
유블럭스 GNSS 칩을 기반으로, 다양한 활용 사례들을 위해 다양한 모듈 폼 팩터를 제공하고 있다. NEO 같은 폼팩터는 L1 단독으로 널리 호평을 받고 있을 뿐만 아니라, 다른 대역들을 지원하기 위한 제품 버전들도 제공되고 있다. 따라서 사용자는 기존 설계에서 듀얼 밴드 솔루션으로 손쉽게 업그레이드할 수 있다.

  이 글에서는 싱글 밴드에서 멀티 밴드로 전환하는 추세를 설명했다. L-밴드 주파수들의 특징과 개발 동향을 설명하고, 듀얼 밴드 수신기의 장점을 알아보고, 듀얼 밴드 대 싱글 밴드, 그리고 듀얼 밴드 대 듀얼 밴드를 비교했다.

싱글 밴드에서 멀티 밴드로 전환함으로써 측위 정확도와 간섭에 대한 회복성을 높일 수 있다. 이러한 추세는 모든 시장으로 확산되고 있는데, 소비가전 시장에서 특히 그렇다. 대부분의 애플리케이션이 향후 수 년 내에 이러한 흐름을 따를 것으로 전망된다.

L1/L2를 선택할지 아니면 L1/L5를 선택할지는 상황에 따라서 달라질 것이다. 유블럭스의 F9 제품 같이 갈릴레오 E5b 수신을 지원하는 L1/L2 수신기는 L1/L5 대역 GNSS 제품보다 더 많은 수의 신호에 액세스할 수 있다. 이 점은 RTK 수신기를 위해서 중요하다. GPS L5가 본격적으로 출범하면 GPS L5 신호의 가용성이 높아질 것이다. L5는 멀티 패스 효과를 완화하도록 향상된 특성을 가진 신호와 보호 대역을 제공하므로(GPS의 경우), L1/L5 수신기로 전환하는 것이 논리적으로 타당한 다음 수순이 될 것이다.

또 이 글에서는 대표적인 애플리케이션들이 현재 어떤 대역을 사용하고 있으며, 향후 어떤 대역으로 전환할 것으로 예상되는지 살펴보았다. 현재까지는 L1 대역 수신기가 많은 애플리케이션에 적합하다. 특히 저전력 소모가 중시되는 애플리케이션들에서 그렇다. 하지만 멀티 패스 환경에서 측위 정확도가 중시되거나 센티미터 수준의 측위 정확도를 필요로 하는 경우에는 듀얼 밴드 GNSS 수신기가 더 나은 선택이다. 정밀 타이밍, 상업용 UAV, 중장비 제어 같은 경우에는 현재는 L1/L2가 신뢰할 수 있는 솔루션으로 보이지만, 머지않은 미래에 L1/L5로 전환하는 움직임이 있을 것으로 예상된다.


 

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AEM_Automotive Electronics Magazine