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Starlink 위성신호로 GPS수준의 독자적 측위시스템 구축이 가능하다

김승조의_우주항공기술강좌 작성자: 김승조
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작성일: 2021-10-05 15:24:20

Starlink 위성신호로 GPS수준의 독자적 측위시스템 구축이 가능하다





Starlink 군집위성으로부터 오는 통신 신호를 이용하여 GPS 수준의 정밀도에 재밍(jamming)과 기만신호(sfoofing) 위험이 거의 없는 위치정보 확인이 가능하다는 기사가 최근 해외 일부 언론에 게재되어 화제이다.

레이더 스피드 건이 사용하는 Doppler 효과와 유사한 알고리듬을 이용해 빠르게 움직이고 있는 여러 대의 위성 신호를 처리하여 자기 위치를 확인해 내게 된다. 놀라운 것은 사용한 Starlink위성의 불완전한 현재의 궤도 상황에도 순차적으로 지나가는 6기의 Starlink 위성신호를 이용해 7.7미터 오차 이내로 위치를 확인했다고 한다. 현재 일반인들이 사용하는 GPS 신호의 경우 5미터 정도의 오차를 가지고 있으니 상당히 근접한 결과라고 볼 수 있겠다.




이번 실험에서는 Starlink 위성과의 연결에 시간이 걸려 6대의 위성신호를 순차적으로 수신하여 얻은 결과인데 만일 GPS 신호 수신에서처럼 동시에 위성신호를 받아 처리한다면 훨씬 좋은 결과를 기대한다고 한다. 앞으로 SpaceX사의 계획대로 1차적으로 12000대의 Starlink위성이 궤도에 모두 오르게 되면 동시에 20-30대로부터의 위성신호 수신이 가능해져 더욱 놀랄 만한 정밀도의 측위 결과를 얻을 수 있을 것으로 본다. Starlink 위성은 지상과 통신할 때 Ku(12-18Ghz), Ka(26.5-40Ghz), V(45-75GHz)의 주파수 밴드를 사용하는데 이번 실험에서는 Ku밴드 신호를 사용했다고 한다.




GPS 위성들은 Ku밴드 보다는 상당히 낮은 약 1-1.5GHz 근처 주파수를 사용하고 있고 2만미터 고도에 올라가 있어 550Km 저궤도에서 보내는 Starlink위성신호 강도에 비해 상대적으로 미약하다. 따라서 주파수 등의 정보가 잘 알려져 있는 미약한 GPS 신호는 재밍이나 기만신호를 통한 방해가 비교적 쉽다고 한다. 하지만 수많은 Starlink 위성들이 보내는 강도 높은 신호를 따라 다니며 재밍하는 것은 현실적으로 불가능해 상대적으로 보안성에 있어서 우월할 것으로 본다. 게다가 이 기술은 Starlink 신호를 일방적으로 감지해서 속도에 따른 위성 신호주파수의 변화만 필요하기 때문에 직접 위성 통신시스템과 연결될 필요도 없다. 다시 말하면 Starlink 운용자 측 조차도 수신자들이 있어 자기들 위성신호를 활용하고 있는지 알 방법이 없다는 것이다.

결론적으로 대단히 보안성성이 높은 독자적인 측위시스템을 대단히 저렴한 비용으로 구축할 수 있다는 이야기이다.

유사시를 대비해 우리 나라에서도 시급하게 이에 관련된 연구를 시작하면 좋을 것 같다.




 

우리가 자동차의 내비에서 주로 사용하는 GPS(Global Positioning System)는 더 일반적인 용어로 SNSS(Global Navigation Satellite System)이라고 불린다. 현재 사용가능한 GNSS는 미국의 GPS(24+6 spare 위성), 러시아의 GLONASS(24+spare 위성), 유럽의 Galileo(24+ 위성), 중국의 Beidou위성(24+4 위성)들이 있다.





GPS는 미 국방부가 군사목적으로 개발해 왔다. 1978년 처음으로 GPS 위성을 쏘아 올린 후 1995년 완전한 가동에 들어 갔다고 선언했다. 2Km 고도상의 6개의 궤도면에 위성들이 배치되어 있으며 하루에 지구를 2회전한다. 최소 4기의 위성으로부터 정보를 받을 수 있으면 자기 위치를 정확히 계산해 낼 수 있다. 초기에는 민간인 용으로는 정밀도를 크게 낮추어 운용하다가 Clinton 대통령이 인위적으로 정밀도 낮추는 것(SA)을 없애게 했다. 현재는 일부 GPS 위성에 장착된 L5 신호를 쓰면 수십 센티의 정확도가 나온다고 한다.

미국의 GPS에 맞서 쏘련도  1982년 첫발사를 시작해 199524개 위성을 전부 궤도에 올려 운용을 시작했으나 지속적인 정비와 보완이 이루어지지 않아 1990년대 말에는 성능이 크게 저하되었다가 2011년 경에 다시 24대의 위성을 확보하고 재가동에 들어 갔다. 2022년부터 새로운 버전의 위성 GLONASS-K2 가 서비스에 들어간다.





유럽도 독자적인 측위위성시스템 개발을 2002년에 선언했지만 정밀도에 관한 미국과의 마찰과 개발예산 분담에 대한 EU 각국의 이해 대립 등으로 2007년 거의 폐기될 뻔 하다가 우여곡절 끝에 예산을 확보해 2011년 첫 위성발사를 하고 완료를 서둘렀으나 그 후에도 크게 초과된 개발비로 인한 예산 확보문제로 지연되면서 2020년에 제한된 운영에 들어 갔고 2021년에나 완전 운영에 들어 간다고 한다.


중국의 Beidou 위성은 2000년에 첫 위성 발사가 있었고 2020년부터 전지구를 대상으로 하는 운영에 들어 갔다. 초기에는 Beidou 시스템은 군사목적으로 사용하고 민수용으로의 수요는 유럽의 Galileo 프로젝트에 23천만 유로의 투자를 통해 해결하려 했으나 Galileo 프로젝트에서의 역할에 불만을 품고 Beidou를 민군 겸용으로 독자 개발하게 된다.


인도는 기존의 전지구용 측위위성을 보강하고 전시에는 독자적 운용이 가능한 지역항법 시스템으로 NaviIC(NAVigation with Indian Constellation) 2013년에 첫 위성 발사가 있었고 2018년에 9번째 발사로 3대의 정지궤도(Geostationary, GEO) 위성과 4기의 특수 정지궤도(Geosynchronous, GSO)위성의 발사를 완료하고 운용을 개시했다.


일본도 GPS 신호의 정밀도를 보강하고 유사시에 독자적인 운용이 가능한 QZSS(Quasi-Zenith Satellite System)라는 지역 항법시스템으로 2010년 첫 위성을 발사한 후 20174번째 위성을 궤도에 올렸고 2018년 말경에 4기 위성 지역 운용을 시작하였다.








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