세계의 GNSS 개발경쟁3

1. 갈릴레오(Galileo)

GPS가 먹통이 될 때를 대비해 유럽연합(EU)은 2002년부터 ‘갈릴레오’라는 새로운 위성항법 시스템 구축을 추진해왔다. 하지만 재원 조달의 어려움과 EU 회원국 간 이견 등으로 제자리걸음을 해오다 2005년 12월 첫 위성인 ‘지오베-A’를 발사했고, 2008년 지오베-B와 지오베-A2 위성을 발사했다. ‘지오베(GIOVE)’는 ‘Galileo In-Orbit Validation Element’의 약자로 목성 주위를 도는 4개 주요 위성을 발견한 이탈리아 천문학자 갈릴레이를 기리는 의미로 붙여졌다. 현재는 위성 1개로 시험 운용 중이다.

 

EU는 갈릴레오 위성 30개를 2014년까지 쏘아 시스템을 구축할 예정이었다. 고도 2만3616km인 3개의 궤도면에 10기씩, 모두 30기(3기는 예비위성)의 인공위성을 쏘아 올린다는 방침이었다. 위성 24개로 구성된 GPS보다 위성이 6개 더 많다. 품질 좋은 다양한 서비스를 제공하려고 지상에도 갈릴레오 지상제어센터 2곳과 관제국 5곳, 임무 상향 관제소 10곳, 감시국 30여 곳을 신설해 세계적인 네트워크를 구성한다.

 

갈릴레오 위성항법 시스템은 군사용으로 개발된 미국의 GPS나 러시아의 글로나스와 달리 민간 전용이라는 데 의미가 크다. 현재 GPS를 가진 나라는 미국과 러시아뿐이다. 하지만 두 나라의 위성기술은 군용인지 민간용인지 구별하기 매우 힘들고, 사실 구별할 수도 없다. 갈릴레오 프로젝트는 미국의 GPS와 다른 경쟁 시스템이 자국의 군사시설 공격에 활용될지 모른다는 이유로 반대 목소리가 커 2007년 폐기 직전까지 가는 고비를 넘겼다. 그렇다면 이 새로운 길라잡이는 GPS와 비교했을 때 어떤 차이가 있을까?

 

GPS는 광대역 전파에 쉽게 방해를 받기 때문에 ‘전자전’ 상황에서 오작동하기에 십상이다. 또 시가지나 숲속처럼 전파 수신이 어려운 지역에서 GPS는 심각한 오차를 일으키기도 한다. 그런데 갈릴레오는 상업용 서비스가 기본인 만큼 정밀도 1m급의 위치 정보를 보장한다. 따라서 GPS보다 정밀도가 높다. 또 GPS보다 신호 구조가 개선돼 실내에 있는 사람의 위치도 잡아낸다. 또한, 물에 빠지거나 오지에 떨어진 사람들이 내는 조난신호를 감지해 전 세계에 경고 메시지를 방송하는 구조 서비스도 제공한다. EU가 자체적으로 민간 네트워크를 구축하려는 목적은 미국 GPS가 이틀간 고장이 난다고 가정했을 때 유럽의 수송 분야에 2억 유로 이상의 손실을 보기 때문이다. 하지만 개발비용이 만만찮아 이스라엘·모로코·사우디아라비아·우크라이나 등 유럽이 아닌 나라들도 함께 참여했다. 한국도 2006년에 협력 협정을 체결했다.

 

갈릴레오 프로젝트에 참여하는 세계의 여러 민간 컨소시엄은 시스템 구축비용의 약 3분의 2를 분담하는 대신 각 서비스에서 20년간 운영권을 보장받는다. 갈릴레오 시스템의 무료 개방 서비스 정밀도는 4m 정도인 데 비해 민간업자들이 제공할 상업 서비스의 정확도는 1m 이하라는 특혜도 받는다. GPS와 갈릴레오 시스템은 앞으로 ‘GNSS’라는 하나의 위성항법 시스템으로 통합될 계획이다. 그래서 미국도 GPS와의 호환성 문제를 협의하려고 협력 협정을 체결했다. 그렇게 되면 둘 중 하나가 고장 나더라도 길을 잃고 헤매는 혼란은 줄어든다. 또 GPS와 갈릴레오 시스템이 힘을 합한다면 더욱 막강한 위력을 발휘하게 된다. 현재 GPS는 도심에서 대형건물 같은 장애물 때문에 사용 지역의 55%에서만 목표물의 위치 파악이 가능하다. 그러나 갈릴레오 시스템이 GPS와 함께 쓰이면 인공위성이 두 배 이상 늘어나므로 도심에서도 95% 이상의 지역에서 정확한 위치를 파악할 수 있다.

 

 

2. 갈릴레오 위성

갈릴레오 위성계의 주요사양은 아래 표와 같이 알려져 있다. 궤도 고도와 주회 주기는 지구 자전주기와의 공진(共振)에 의한 궤도 변동을 극소로 억제하기 위하여 선택된 값이다. 이것에 의해 위성 수명 동안 궤도수정을 거의 하지 않아도 된다. 위성 수 30기 중에 예비 3기의 경우, 어떤 시기에 나온 동일 ESA의 자료에 본 위성과 동일하게 동작하게 한다는 내용과 평상시는 신호를 정지하고 있다가 고장 위성이 출현한 때에 작동을 개시한다는 모순된 내용이 있었으나, 정지 대기로 하는 것이 더 확실한 듯하다.

 

수소메이저와 루비듐이라는 2종류의 시계를 각각 2대씩 탑재하고 있으나, 주력 시계는 수소 메이저이다.

 

합계 4대의 시계 중에 수소 메이저와 루비듐시계 각각의 1대가 상시 운전하고 있고, 나머지는 전원을 끈 채로 휴식을 취하고 있다. 그리고 동작 중인 수소 메이저의 출력으로 위성의 각 신호계통이 구동된다. 이때, 동작 중인 루비듐은 대기 운전이고, 그 출력은 사용되지 않는다.

 

사용 중인 수소 메이저에 고장이 발생하면, 즉시 대기 운전 중인 루비듐으로 교체된다. 수소 메이저의 고장 회복이 곤란하다고 판단된 때는 휴식 중인 수소 메이저가 기동 되고, 2~3일의 준비운동 후에 대체 동작을 하고 있던 루비듐을 대신하여 시계 신호를 공급한다. 이처럼 하여 시계에 문제가 발생하여도 최대한 측위 기능을 유지할 수 있도록 하고 있다.

 

갈릴레오 위성은 레이더 역반사기를 탑재하고 있으나, 그것에 의한 레이저측거관측은 1년에 1회 정도만 실시한다. 실질적으로 시스템 점검에만 사용될 뿐이다. 여기에는 쓰여 있지 않으나, 평상시는 S대(3GHz부근)의 전파측거(Range and Range-Rate라 생각된다)를 궤도 추적의 보조로서 사용한다. 방송력을 제작하는 궤도 데이터의 주력은 GPS 등과 마찬가지로, 측위 전파 그 자체를 사용한다.

 

 

3. 갈릴레오의 측위 신호

갈릴레오의 측위 신호의 경우, 그 일반 개방 OS신호에 대하여 2006년 5월에 처음으로 공식 신호규격서(Galileo Open Service Signal In Space Interface Control Document(ICD), Draft 0)가 발표되었다.

 

갈릴레오의 측위 신호에는 그 목적에 따라 많은 종류의 것이 있다. 즉,

- OS(Open Service) 무료개방 측지신 호서비소

- SoL(Safety of Life Service) 운수사업 등을 위한 고(高) 인티그리티 신호

- CS(Commercial Service) 유료 측지 신호 서비스(암호화)

- PRS(Public Regulated Service) 경찰, 세관 등의 정부 전용신호(암호화)

이들과는 약간 이질적인 다음과 같은 기증도 준비되고 있다. 그것은 SAR(Search and Rescue Service) 탐사와 구조이다.

 

일반 개방 OS신호 이외의 신호 규격서(ICD)는 발표되어 있지 않다. 상식적으로 생각하여 PRS나 CS의 상세 규격은 공표되지 않을 것이다. 유료 신호의 이용에는 사전등록과 키 및 요금이 필요하다. 이 유료파의 항법 데이터 심볼율(데이터속도)은 다른 것에 비하여 크다는 것이 특징이나, 이는 유료의 부가가치정보가 이 속에 포함되어 있다는 것을 의미한다.

 

갈릴레오의 측위 신호는 OS신호 이외에는 유료 또는 암호화 신호이다.

갈릴레오의 모든 측위 반송파 주파수는 다음과 같다.

- 1164-1215MHz에 4(2+2)파 E5a-E5b, E5a는 L5와 동등

- 1260-1300MHz에 3파 E6

- 1544-1545MHz에 1파 L6, SAR데이터의 지상으로의 중계

- 1559-1591MHz에 3파 E2-L1-E1

무료로 우리들이 가장 사용하기 쉬운 OS신호에는 3파의 반송파가 있고, 이들의 주파수기호는,

- E1(L1과 실질적으로 동일) 1575.45MHz=10.23MHz×154

- E5b 1207.14MHz=10.23MHz×118

- E5a 1176.45MHz=10.23MHz×115

의 3가지로, E1과 E5 각각은 근대화 GPS의 L1, L5와 완전히 동일 주파수이다. E5b대는 GPS 등과의 공통성이 없다.