위성 신호 형식과 수신감도 1.(feat. 지적기술사)

1. 신호 형식

GPS 측위 신호는 지금까지의 라디오나 텔레비전 전파형식과 상당히 다른, 전혀 새로운 통신방식을 채택하고 있다. GNSS 중 글로나스를 제외하고는 다른 모든 위성이 완전하게 동일한 주파수로 송신함에도 불구하고 혼신이 일어나지 않는 것은 확산 스펙트럼 통신방식이라는 기술을 이용하기 때문이다.

 

여기에서는 GPS 신호 형식에 대하여 설명하기로 한다. 근대화 GPS 및 새로운 GNSS에서는 더욱 복잡한 신호 형식으로 구성되어, 고도의 수신 해독이 가능하나 이는 어디까지나 현재의 GPS 신호 형식의 바탕 위에서 이루어진 것이다. GPS의 C/A코드와 항법 데이터 그리고 L1대 반송파 변조의 관계는 그림 6.1와 같다. 디지털 부호가 변화될 때 마이크로파의 반송파 위상을 역전하는 방식으로 변조한다. 이와 같은 변조를 0, π, PSK(phase shift keying)라고 한다. PSK변조도 항상 0, π, 즉 0° 및 180°만 사용하는 것은 아니고, 임의의 쉬프트 양을 정할 수 있다. 예를 들면 NNSS에서는 ±60°를 사용하고 있다. 이와 같은 2가지 위상각 사이를 왕래하는 PSK변조를 BPSK(Bi-Phase Shifr Keying)라고도 한다. 나아가 4가지 위상각 사이를 왕래하는 것을 QPSK(Quad-Phase Shift Keying)라고도 한다.

 

이와 같이 마이크로파의 위상을 급격히 반전시키면 전파의 스펙트럼 폭이 극도로 넓어진다. 본래 반송파의 스펙트럼 폭은 순수한 sine 파이기 때문에 이론상으로는 0이다. 여기에 PSK변조를 적용하면, 대체로 코드의 비트율을 주파수로 고친 값의 2배만큼 넓어지게 된다. 즉 GPS에서는 C/A코드에 의해 2 MHz정도, P코드에 의해 20MHz정도로 스펙트럼 폭이 넓어진다. 단, 여기에서 확산 스펙트럼이란 PSK변조의 결과로써 나타나는 현상일 뿐 ｢확산 스펙트럼｣이 어떤 종류의 변조방식을 가리키는 것은 아니다.

 

스펙트럼이 극도로 넓어짐으로써 송신기의 전력, 즉 에너지는 이 스펙트럼 폭 안에서 넓게 퍼지게 된다. 이에 따라 단위 주파수 부근의 전력이 극히 작아짐으로써 여러 GPS 위성의 전파가 혼합되어 있더라도 상호 간섭을 일으키지 않는다. 이와 같은 전파를 수신할 경우 넓은 스펙트럼에 뿌려진 에너지를 집중시키는 처리를 통하여 일반 통신과 같은 양질의 정보전달이 가능하게 된다. 이와 같은 에너지 집중처리는 코드 동기를 통해 수행된다.

 

이용자의 수신기 내부에서는 그림 6.1과 같이 수신하고자 하는 위성의 측위 부호 패턴을 발생시켜 그 타이밍을 조정(코드 동기)한다. 수신기 내부에서 발생시킨 코드 패턴을 레프리카(replica)라고 부르기도 한다. 레프리카라는 것은 귀중한 미술품이나 명품 등의 복제(짝퉁)를 나타내는 말이다. 이 레프리카와 실제로 위성으로부터 송신된 코드 패턴이 꼭 맞게 겹쳐져 동기 되면, 위상이 반전되어 있던 입사 전파는 일정한 sine파로 바뀜으로써 항법 메시지의 복조(demodulate)가 가능해진다. 이때 수신기 내부에서 발생한 측위 부호의 타이밍이 바로 이 수신기에 의해 측정된 위성전파의 도달 시각이 되는 것이다. 측위 부호의 타이밍을 수신전파에 동기시키는 회로를 Delay Lock Loop(DLL)라고 한다. 이것은 위성으로부터 전파가 수신기에 도달하기까지의 전파지연시간(delay time)을 맞추기 위한 제어회로라는 의미이다.

 

지금까지 설명한 내용에서 알 수 있는 바와 같이, 수신을 위해서는 미리 측위부호 패턴을 알고 있어야 하며, 각 GNSS별로 몇 가지 비밀패턴이 있는 경우에는 수신이 불가능하게 된다.

 

이러한 0°, 180°의 PSK파를 수신할 경우에는 약간의 주의가 필요하다. 그것은 GPS 위성과 수신지점의 거리가 근소한 차이(위상각에서 90°, 거리로는 약 5cm)가 있어서, 수신한 전파의 위상이 90°만 빗나가도 완전히 수신이 불가능하게 된다는 것이다. 그러한 이유로 수신기 내부에는 90°의 위상차를 갖는 두 개의 채널을 준비해 양쪽 출력의 합을 데이터로 사용한다. 더 이상의 설명은 여기에서 생략하겠지만, GNSS 수신기의 취급설명서 등에 I(in-phase) 혹은 Q(quadrature, quad-phase)라는 기호가 있다면, 이에 관한 내용이라는 것을 기억하기 바란다. 단, 근대화 GPS와 새로운 GNSS에서의 파일롯 채널도 Q이기 때문에 그것과는 별도로 약간 복잡하게 생각될 수도 있다.

 

상당히 넓은 스펙트럼 폭을 사용하는 통신은 GPS나 GNSS 외에도 다양하다. 예를 들면, 대량의 통신을 중계하는 마이크로 중계기나 정지위성에서는 20MHz이상의 스펙트럼 폭을 갖는 경우가 많이 있다. 그럼에도 불구하고 이와 같은 통신회선을 ｢확산 스펙트럼｣통신이라고는 부르지 않는다. 일반적인 대용량 통신에서 스펙트럼 폭이 넓어질 경우, 단위 주파수 부근의 전력이 작아지지 않도록 송신기에서 에너지 공급을 크게 한다. 즉 송신 전력을 크게 하는 방식을 사용한다.

 

많은 GNSS 위성의 반송파는 복수의 측위 부호로도 변조되나, 이 경우는 단순히 양쪽의 코드를 중첩한 뒤 반송파를 변조하는 것이 아니다. 원래의 반송파를 둘로 나누어서 한쪽은 다른 쪽에 대해 90°의 위상차를 부여한다. 다시 말해 한쪽이 sine파일 경우는 다른 쪽은 cosine파가 된다. 수학에서는 sine과 cosine은 직교 함수라고 하는데, 서로 독립적인 함수이다.

 

이 사인파와 코사인파를 각기 다른 측위 부호로 변조한다. 이러한 방식을 직교 변조(直交變調, quadrature)라고 한다. 이러한 방법을 사용함으로써 서로가 간섭을 일으키지 않고 위성의 송신안테나에서 방사되는 것이다. 다양한 GNSS 위성의 신호에 I나 Q라는 기호가 있는 것이 그것을 의미한다.

 

 

2. GPS 신호의 이용제한과 그 영향

이것은 현재 및 과거의 GPS에만 한정된 문제이다. GPS는 원래 군사용 시스템이므로 신호 이용에 약간의 제약이 있다. 현재 적용되고 있는 이용제한 조치는 AS(anti spoofing)이다. 2000년 5월까지는 SA(선택적 이용(selective availability))가 적용되었으나 현재는 폐지되었다.

 

이제는 과거의 일이 되었지만, SA에 대하여 설명하기로 한다. SA는 일반인에게 공개되어 있는 L1대, C/A코드에 의한 위치 결정 정확도를 인위적으로 떨어뜨리는 방법으로서, SA가 적용될 경우 단독 측위의 정확도(2000년 5월까지)는 약 100m였다. 당시 미군과 그 관계자에게는 이 SA를 해제하는 방법이 제공되었으므로, 그들이 이용할 경우에는 측위 정확도가 현재와 같은 20~30m 정도였다.

 

당시 SA의 조작은 궤도 정보의 정확도 저하시키거나 C/A 코드의 타이밍을 변동시키는 방법을 사용하였지만 실제로 대부분은 후자의 방법을 사용하였다.

 

AS는 P코드의 암호화 처리를 말한다. P코드는 원래 군 전용으로서 일반에게는 공개될 수 없는 것이었으나, 어떤 착오가 있었는지 1980년대 말에 그 내용이 일반에게 유출되었다. 이는 단순한 소문이 아니라 미국 정부 공식문서에도 실려 있고, 일부 GPS 수신기, 특히 2주파수 관측이 중요한 측량분야의 경우, 여러 회사에서 ｢P코드 해독 방식｣ 수신기를 제조, 판매하기도 하였다. 그리고 실제로 1990년경부터 일본을 포함한 여러 나라에서 측량현장에 사용되었다. P코드 해독 방식 수신기는 L2대 감도가 상당히 좋았으므로 장거리 측정에서 그 위력이 매우 뛰어났다. 곧이어 미국 국방성이 P코드를 다시 암호화하려는 취지의 정보가 흘러나오고, 측량용 수신기 제조회사는 이에 대응하기 위해 고심하게 되었다. 현재는 P코드가 암호화된 상태에서도 충분한 정확도로 L2대를 관측할 수 있는 측량용 수신기가 나와 있지만, 그래도 P코드를 직접 해독하는 경우에 비해서는 감도가 많이 떨어진다.

 

P코드를 다시 암호화하기 위하여 P코드에 W코드라는 별도의 의사 잡음 부호를 중첩시켜 코드 패턴을 바꾸는 처리(암호화: encryption)를 하였다. 이렇게 만들어진 새로운 코드를 Y코드라고 한다. W코드를 비밀코드로 유지하거나, 필요에 따라 변경만 하면 Y코드의 비밀을 계속 유지할 수 있다. 1990년경 발사만을 기다리고 있던 위성에 Y코드 변환용 하드웨어(소프트웨어 포함)를 탑재하여 개조한 듯하다.

 

W코드에 대한 정보는 당연히 아무것도 알 수 없지만, 제반 상황으로 볼 때 W코드의 비트율은 P코드 10.23Mbps의 정수 분의 1, 즉 수백 kbps 정도 일 것으로 생각된다.