GPS 현대화계획2

1. GPS 근대화의 목표

1999년 1월, 미국은 4억 달러의 예산이 소요되는 GPS의 근대화 계획을 발표하였다. 이 계획에서 특히 주목할 사항은 미래의 GPS 위성에 새로운 신호를 추가한다는 것이다. GPS 근대화에서 발표된 내용들을 요약하면,

① L1, L2에 군사 전용 M코드 탑재

② 현재의 L1을 경유한 L2 포착의 문제를 해소

③ L2파에 새로운 민간용 부호 L2C(Civil의 의미) 탑재, 즉 L2의 공개

④ L2C는 CL(Long)과 CM(Moderate)의 2가지로 이루어진다. CL은 정밀과학용

⑤ 이들 새로운 부호에서는 C/A, P/Y코드와 같은 수의 제한을 실질적으로 해소

⑥ 새로운 민간 전용 L5파를 증설하여 측위 부호로서 L5I, L5Q(10.23Mbps) 탑재

⑦ 최초 예정에는 없었던 L1에 새로운 부호 L1C 탑재, L1C에서도 동일

⑧ 위성 수의 제약 없음

⑨ 측위관련정보(궤도정보)의 증강, 단독 측위 정확도를 10m로 향상

등이 있다.

 

근본적으로 항법데이터, 측위 신호의 신뢰성을 증강하는 것이 큰 목적으로 설정되어 있다. 가장 중요한 것은 근대화의 과정에서 기존의 수신기가 확실하게 동작하는 것이 보증되어야만 한다는 것이다. 그 속에는 군사용은 물론 측량용 2파 수신기도 포함된다. 단, 미국은 현재의 L2파의 세미 코드리스 수신에 대해서 공식적인 보증은 하지 않고 있다.

 

2000년 무렵, L2의 일반 개방을 위하여 C/A코드를 싣는 안이 검토된 적이 있으나, 위성 수에 제약이 있는 구식의 C/A코드를 사용하는 것이 부적절하다고 인식되어 이 안은 즉시 폐기되었고 새로운 L2C로 대치되었다.

 

2. L5파 방침의 혼란

2001년의 GPS 근대화 계획을 수립할 때와 현재를 비교하면 L1과 L5파에 대하여 미국의 방침에 혼란이 있었다. 계획 수립 시점에서는 현재 대부분을 차지하는 L1파 1파 이용자를 새로운 순수 민간용파 L5로 이행시킨다는 방침이 제시되어 있었다. 그러나 반대가 많았던 이유로 L1에 새로운 민간용 부호 L1C를 부가하는 것으로 변경되었다. L1에 현재의 C/A코드를 실으면 민간을 위한 용도로서 충분하다고 생각 하였음에도 불구하고 새로운 부호 L1C를 부가하는 것은,

① C/A코드 수의 제약을 개방하고, 위성 수 증가의 자유도를 확보하며

② 이와 동시에 미래의 C/A코드 폐지를 시사하고

③ 만약 C/A코드가 폐지되면 필연적으로 그것을 경유하여 포착하는 P/Y코드 폐지로 이어질 것이며

④ M코드의 배치에 의하여 P/Y코드만 먼저 폐지될 수도 있으며

⑤ 보다 상호상관특성이 좋은 부호의 요청이 가능하며

⑥ 초기포착성능(TTFF : Time to First Fix)의 개선이 가능

하다는 의도가 있는 것으로 생각된다.

 

가장 중요한 의미는 L1C 증설에 의해 L1파가 민간용으로서 남는 것이 보장된다는 것이다. 즉, 만약 L1C가 없는 채로 위성 수 증가를 생각하면 필연적으로 C/A코드 폐지 및 이와 연동된 P/Y코드의 폐지가 이루어진다. 이렇게 되면 L1은 M코드만을 위한 군사 전용파가 되어 버린다. 당초의 미국의 진의는 여기에 있었을지도 모른다. 왜냐하면, L2를 민간에 개방하기 앞서 위성수의 제약이 없는 CL, CM코드를 책정해야 하며, L2의 신 항법 데이터 CNAV에 의한 고신뢰성 방송력 송출이 가능하며, L2C의 비트율이 낮기 때문에 이것에 의한 의사 거리 정확도는 낮게 되고, 즉, L2C는 측량 등의 전문가용 신호의 의미가 강해진다. L2C의 비트율은 반송파 위상 정확도에 영향을 미치지 않고 순수 민간용 제3파 L5에는 고칩율의 측위 부호를 사용하기에 이를 통해 현재의 군용 P/Y코드 수준의 의사 거리 정확도 실현이 가능하다. 즉 1파 민 간이용은 새로운 매력을 가지는 L5파로 이행될 것이라는 것을 기대한 것 같다. 대다수가 L5로 이행하여 현재 L1을 사용하는 수신기가 사라질 무렵, 자연스럽게 C/A코드를 폐지하면 순조롭게 민간이용의 주파수 이동이 완료되게 된다. 이때, 측량 등의 전문가용 이온 프리(ion free)에는 L2와 L5가 실릴 것으로 예상된다. L2, L5 모두 측위 부호가 개방되어 있기 때문에 현재의 세미코드리스 수신이 불필요해져 고감도 수신이 가능해진다.

 

그러나 이 경우, 실제로는 L5파를 이용하는 민간용 1파 GPS의 성능이 현재보다 오히려 저하될 우려가 있다. 그 이유는

① L5 주파수가 낮기 때문에 전리층 보정정밀도가 저하(1.8배 저하)

② 결과적으로 CNAV와 고비트율 CM코드의 효과를 감쇄하고

③ 태양활동 최성기의 단독측위정밀도는 현재의 수준을 유지하는 것이 곤란하며

④ L5파 1파 측량의 이용가능거리는 현재의 절반 이하가 되며

⑤ 이온 프리에는 L2, L5의 주파수차(약 50MHz)가 지나치게 작고

⑥ 고감도의 코드록(Code-lock) 수신에서도 L2, L5의 주파수가 가깝기 때문에

이온 프리의 정밀도가 현재의 L1, 세미코드리스 L2와 큰 차가 없거나 오히려 저하될 수 있다. 따라서 L1을 민간용 파로 남겨야만 하는 이유가 여기에 있다. L1파가 확실하게 민간용으로 남는 것은 우리들에게 있어 매우 다행스러운 일이다.

 

단, 기존 수신기의 동작을 보증하는 기간 동안에 L1파에는 최소한 C/A코드, P/Y코드, M코드, L1C코드의 4종류의 측위 부호가 실려 초과밀 상태가 된다. 또한 L1C는 매우 복잡한 복수 부호로 구성되어 있다.

 

특히 L1C는 L1에 M코드를 싣는 것으로 결정된 후에 추가로 다시 탑재가 결정된 만큼 과연 그것이 기술적으로 가능한지 아닌지를 신중하게 판단해야만 했다. 이에 미국은 이에 관한 막대한 이론적 검토와 실험을 실시함과 동시에 미국뿐만이 아니라 전 세계의 관계자로부터 자문을 구했다.

 

또한 이와 같은 초과밀 상태의 L1은 이용자 수신기의 전기특성에 약간의 결함이 있을 경우 악영향으로 이어질 수도 있다. 구체적으로는 I, Q채널(90도 위상이 벗어난 반송파)의 위상 이탈, 대역폭의 특성 불량, 측위 부호의 조작 회로에 파형 파괴 등이 발생하면 많은 부호가 수신기 내에서 상호 간섭하는 경우가 생긴다. 그 결과, 잡음의 증가와 동반하여 반송파 위성의 흐트러짐, 의사 거리 측정 정확도 저하 등이 초래된다. 따라서 수신기 제조업체의 기술 수준은 아주 중요한 요소가 된다.

 

그 대신 L1C로 인해 민간 전용파인 L5의 존재 이유가 매우 애매하게 되었다. L1C가 책정됨으로써 현재의 일반 이용자는 L1만을 고집하게 되므로 L5를 민간전용파로 만들고자 했던 미국의 의도를 완전히 벗어나게 되었다. 단, L5는 전문가 집단에게 있어서는 꽤나 유용한 파이다. 즉 L5는 민간용이기는 하나 일반용이 아니라 전문가용의 특수파이다. L5가 전문가용 신호로서의 지위를 확보하게 된 것에는 갈릴레오의 영향이 있다. 즉, 갈릴레오가 근대화 GPS와 같은 L5파의 일반 개방 신호 OS를 가짐으로써 GPS와의 양립 및 병용이 가능해졌고 이로 인해 GPS L5의 유용성이 갑자기 확대된 것이다.

 

동시에 L1C에는 갈릴레오의 L1-OS가 크게 영향을 미치고 있다. 만약 L1C가 없이 L1파가 M코드를 위한 군사 전용파가 되어 버리면 현재의 GPS-L1 이용자의 대다수가 갈릴레오 L1으로 이동할 것으로 생각된다.