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(2022.01.11) 우주에서 바다 안전을 위한 위치정보를 책임집니다!
작성자 : 관리자작성일 : 2022.01.18조회수 : 93

4차 산업혁명 시대의 해상환경은 어떻게 변화할지 상상해보신 적 있으신가요?

 

우리는 앞으로 다가올 미래를 4차 산업혁명의 시대라고 말하곤 합니다. 인공지능, 빅데이터 등 디지털 기술을 기반으로 한 초연결 세상인 4차 산업혁명의 시대에는 육상뿐만 아니라 해상환경도 지금과는 크게 달라질 것으로 예상됩니다.

바다에서 무인선과 자율운항선박이 유인선과 함께 항해하고, 해상물류는 지능화되어 항만에서의 물류처리에 걸리는 시간은 현저히 짧아질 것이며, 멀리 떨어진 육지에서 양식장의 상황을 실시간으로 파악하여 원격으로 관리하는 세상이 눈 앞에 펼쳐질 것입니다.

이러한 변화의 핵심은 바로 해양 위치정보(PNT: Positioning, Navigation, and Timing) 서비스인데요. 앞서 말한 미래의 모습은 해양 PNT 정보의 질적 변화 없이는 좀처럼 실현되기 어렵기 때문입니다.

 

 │해양 PNT 기술과 서비스

 

여러분들은 PNT에 대해 들어보셨나요?

 

PNT란 측위(Positioning), 항법(Navigation), 시각(Timing)정보를 가리키는 말인데요. 우리가 흔히 아는 GPS(위성위치확인시스템)가 바로 이러한 PNT 정보서비스의 대표적인 예입니다. PNT정보는 자율주행차나 드론과 같이 무인자동화로 움직이는 장비가 정확하고 안전하게 움직이기 위해 꼭 필요한 정보인데요. 최근 관련 산업들이 성장하면서 시장규모도 폭발적으로 증가하고 있죠.

육상과 달리, 바다는 눈으로 확인할 수 있는 지형지물이 없는 망망대해를 항해해야 하므로 위치정보야말로 선박의 안전항행을 돕는 필수 정보일 수밖에 없는데요. 이때 육상과 마찬가지로 해양에서도 PNT 정보의 기본적 소스는 위성항법시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)입니다.

국제 항해에 종사하는 선박의 경우, 위성항법시스템을 이용한 선위(船位, 선박의 위치) 정보 표시장치는 의무적으로 탑재해야 하고, 국제 항해에 종사하지 않는 선박이라도 어디에서나 손쉽게 위치정보를 제공하는 위성항법시스템 이용이 편리하므로 해당 장비를 활용하는 경우가 많습니다.

 

 

                                        그림 1. PNT 정보를 제공하는 위성항법시스템

 

육상과 마찬가지로 해양에서도 위성항법시스템을 이용한다면, 해양 PNT 서비스는 왜 필요할까요?

 

앞에서 언급한 선위 정보는 단순한 위치정보가 아니라 선박 항해의 안전 즉, 사람의 생명과 직결된 해사안전정보이기 때문입니다.

이런 이유로 국제해사기구(IMO)와 국제항로표지협회(IALA)와 같은 국제기구는 표 1과 같이 선위정보가 가져야 할 최소 측위 정확도를 명시하고 있죠. 뿐만 아니라 정해진 오차범위를 보장할 수 없게 되는 경우에는 10초 이내에 위치정보의 위험성을 반드시 알릴 수 있어야 한다고 규정하고 있는데요. 하지만 우리가 알고 있는 위성항법시스템은 이러한 요구성능을 보장하고 있지 않습니다.

따라서 해양 PNT 기술과 서비스는 위성항법시스템을 기반으로 국제기구의 요구성능을 충족시킬 수 있도록 돕는 위성항법 보강(augmentation) 기술이자, 서비스라고 말할 수 있습니다.

 
 

                     표 1. 국제해사기구에서 명시한 위치정보 최소 요구성능 [출처: IMO A.915(22)]

 

 

 

 

 │해사안전을 위한 위성항법 보강서비스

 

 

위성항법 보강서비스는 어디서부터 시작했을까요?

 

그림 2. 해양 위성항법 보강서비스 시설 (성주 기준국)

 

 

위성항법 보강서비스는 해양 분야로부터 시작했습니다. DGPS(Differential GPS)라고 알고 있는 기술개발의 시초라고 할 수 있는데요. 초기 해양 PNT 서비스는 미국에서 운영하는 위성항법시스템, GPS의 보강기술인 DGPS 기술을 이용해 측위정확도를 개선하고, 위치정보의 신뢰도를 예측하기 위해 보강정보를 300kHz 대역의 중파로 방송하는 서비스였습니다.

 

현재는 GPS 이외에 러시아에서 운영하고 있는 위성항법시스템인 GLONASS도 보강할 수 있도록 하는 해양 PNT 서비스가 제공 중입니다. 또한 중파 이외에 VHF 대역(초단파 무선 주파수 범위)을 이용하는 AIS(선박 자동식별장치, Automatic Identification System) 채널을 통해서도 DGPS와 DGLONASS 보강서비스가 가능하죠.

우리나라는 1999년 8월 서해권역 DGPS 서비스를 시작으로 현재는 총 17개소의 기준국(해양 기준국 11개소, 육상 기준국 6개소)과 총 15개소의 감시국(해양 감시국 10개소, 내륙 감시국 5개소)으로 위성항법 보강시스템인 전국망 DGNSS 인프라를 운용하고 있는데요.

이와 함께 중장거리 항행 원조 시스템인 로란-C(Loran-C) 송신국 2개소와 감시국 2개소를 운영하고 있습니다.

Loran-C 송신국과 감시국의 현황은 그림 3과 같습니다. 우리나라에서 방송하고 있는 중파 DGNSS 서비스의 주파수 대역은 283.5~325.0kHz이며, 100%에 가까운 운영률로 국제기구에서 요구하는 서비스 가용성(availability)을 충족하고 있습니다.

 

                           그림 3. 대한민국 전국망 DGNSS 서비스 인프라와 로란-C 인프라 현황

 

 

 

 │해양 PNT 기술의 도전 - 고정밀化

 

 

유럽연합에서 수행한 DockingAssist 연구사업은 해양 PNT 서비스의 센티미터급 측위정확도 제공이 항만에서의 해사활동에 미치는 영향을 분석한 대표적 연구인데요.

해당 연구에서는 위치정보 정확도를 향상하는 일이 물류처리 시간은 물론이고, 연료 절감과 해양사고 및 이산화탄소 저감에 이르기까지 다양하게 작용함으로써 긍정적 효과를 기대할 수 있음을 밝혔습니다.


      

             그림 4. 유럽연합 DockingAssist 연구사업 [출처: www.dockingassist.eu/about/main-goals]


 

 

 

그렇다면 현재 육상분야의 PNT 기술개발은 어느정도까지 이루어져 있을까요? 이를 해상에 활용할 수는 없는 걸까요?


육상분야에서는 측지‧측량 분야를 선두로 위성항법시스템의 측위 정확도를 센티미터 수준으로 향상시키는 다양한 방식의 위성항법 보정기술을 개발하고, 이용 중입니다.

 

센티미터 측위 정확도를 제공하는 육상의 PNT 기술인 RTK(Real-Time Kinematic), Network RTK 기술은 드론, 정밀농업 등에 활용 중이지만, 기술적인 한계로 서비스 범위가 해양에 이르지 못하는 취약성을 보입니다.

최근 연구가 활발히 진행되고 있는  (Precise Point Positioning)기술은 넓은 해상 범위에서도 정밀 PNT 서비스가 가능하지만, 센티미터급 정확도를 얻는 데까지 걸리는 시간이 과다(일반적으로 20분 이상)하다는 단점이 있습니다.

 

무엇보다도 RTK, VRS(Virtual Reference Station), FKP(Flachen-Korrektur Parameter)와 같이 국내에서 서비스되고 있는 센티미터급 정확도의 기술은 물론, 연구 중인 PPP 기술마저도 무결성(측위 정확도의 신뢰도) 및 가용성, 연속성을 보장할 수 없다는 점에서 고정밀 해양 PNT 서비스의 요구성능을 충족시키지 못하고 있습니다. RTK, PPP와 같은 PNT 기술은 보강기술이라 부르지 않고, 측위정확도만을 향상시키는 보정기술이라 부릅니다.

 

위성항법 보강기술로서 현재 우리나라에서 총 1,280억 원의 예산으로 연구개발 중인 ‘초정밀 GPS 보정시스템(SBAS) 개발‧구축사업’은 항공기에 높은 신뢰도를 보장할 수 있는 위치정보(항공기의 항공로, 공항접근 및 착륙에 필요한 위치정보)를 제공하는 연구사업입니다.

그러나 이 연구는 수평측위 정확도 16미터(95%) 이내, 수직측위 정확도 20미터(95%) 이내의 APV-I(Approach Procedures with Vertical guidance-I)을 위한 위치정보 정확도 달성을 목적으로 합니다. 이런 점에서 해양에서 요구하는 센티미터 정확도의 PNT 서비스 기술로는 적합하지 않죠.

이처럼 육상에서 개발이 진행되고 있는 PNT 기술들은 센티미터급 측위 정확도를 제공할 수 없거나 위치정보의 신뢰도를 보장할 수 없습니다. 뿐만 아니라 기술에 따라 해양에서 서비스할 수 없거나, 긴 초기시간이 소요되는 문제를 안고 있는데요. 이런 이유에서 해양 PNT 기술의 개발은 현재 미터급의 위성항법 보강서비스를 센티미터급 정확도의 위성항법 보강서비스로 진화시킬 수 있는 기술개발이라 할 수 있습니다.

 

 

 

 

 │우주로 쏘아 올린 대한민국 해사안전 PNT의 미래

 
                                            

 

                            그림 5. 해양수산부에서 추진 중에 있는 해양 정밀 PNT 기술개발사업
 
 

우리나라는 국제 해사환경변화에 적극 대처하기 위해 2020년 4월부터 ‘해양 PNT 고도화 기술개발사업’을 통해 측위정확도를 센티미터 수준으로 향상시키는 해양 PNT 고정밀화 기술개발을 추진하고 있습니다.

 

본 과제는 해안에서 100km까지 센티미터 수준의 고정밀 측위성능 제공과 무결성을 보장할 수 있는 기술을 개발하고, 실해역에서 전국망 서비스의 가능성을 검증하는 것이 주요 연구내용인데요. 본 과제를 통해 개발된 기술은 자율운항선박을 포함한 스마트선박, 스마트 물류, 스마트양식, 해상드론에 이르기까지 다양한 해양분야의 스마트화를 위한 기반 인프라 기술로 활용될 것으로 기대됩니다.

 

2022년까지는 1단계로 센티미터급 측위정확도 확보를 위한 원천기술을 개발하고, 개발된 기술을 테스트베드 항만에서 실증합니다. 이후 고정밀 PNT 서비스 범위를 확장하고, 무결성 감시정보를 제공하는 기술을 추가적으로 확보하여 2024년까지 전 해역에서 실증하는 2단계로 구성되어 있는데요.

 

현재는 측위정확도 향상을 위한 원천기술에 대한 상세 설계가 진행 중이며, 설계가 완료된 이후에는 단위기술에 대한 초도 구현과 실험실 수준에서의 단위 검증이 수행될 예정입니다. 이와 함께 테스트베드 항만을 선정하고, 기술의 실증을 위한 환경구축도 진행됩니다.

 

                                         그림 6. 센티미터급 해양 PNT 기술의 활용 분야

 

 

 

2022년 말, 우리는 테스트베드 항만에서 센티미터급 정확도의 PNT 정보가 서비스되는 모습을 보게 될 예정인데요.

2024년 말에는 정확도뿐만 아니라 신뢰성도 보장할 수 있는 명실상부한 센티미터급 해양 정밀 PNT 원천기술을 확보하게 됩니다.

 
 
 

                              그림 7. 지상기반 센티미터급 보정서비스와 KPS와의 연계 개념

 

 

아울러 우리 손으로 개발한 위성을 통해 보다 광범위한 지역에 손쉽게 이용할 수 있는 센티미터급 해양 정밀 PNT 서비스를 제공할 계획입니다.

2022년부터 시작하는 KPS(한국형 위성항법시스템) 사업에 센티미터급 해양 PNT 기술을 탑재함으로써 2028년에는 첫 시험 신호를 KPS 위성으로부터 수신하게 될 것이며,

2035년에는 우리나라 관할해역 어디에서나, 누구나 쉽게 센티미터 정확도의 위치정보를 이용할 수 있게 될 것입니다.

 

2022년 우리는 지금, 위성을 통해 해사안전을 위한 위치정보를 책임지는 우주 시대의 문을 열고 있습니다.

4차산업 시대를 맞아 고정밀 PNT 등의 해양 분야에서 다양한 기술개발이 이루어지고 있습니다. 앞으로도 우리나라가 해양 분야에서의 글로벌 리더가 될 수 있도록 최선을 다하겠습니다.

 

 

글│선박해양플랜트연구소 해양PNT연구단 박상현 단장

 
 
 
해양수산부
 
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