원자력/우주항공
발행일 : 2013 / 03 / 07

■ 위성항법시스템 비밀탐색

● 해설자: 2013년 1월 14일, 중국의 북두2호 위성항법시스템 가운데 민간프로젝트가 정식 서비스를 개통함. 이는 미국의 GPS, 러시아의 글로나스에 이어 세계 3번째로 성숙된 위성항법시스템임. 중국이 독자적으로 연구개발한 위성항법시스템인 북두위성항법시스템의 특징과 위성항법시스템의 강한 기능의 배후에 내포된 과학기술 비밀을 밝히고자 중국의 우주 전문가 팡즈하오(庞之浩)를 취재함

● 해설자: 북두2호 위성항법시스템 가운데 민간프로젝트의 정식 서비스 개통은 중국 북두위성항법시스템 전문프로젝트 가동 후의 첫 민간시범공정임. 8만대의 북두 단말기가 향후 2년 내에 9개 시범지역의 도로운수차량에 설치될 전망임

● 팡즈하오: 위성항법은 국민경제와 국방안전에 대해 중요한 역할을 발휘함. 중국은 그동안 줄곧 기술이 복잡하고 투자도 많은 위성항법을 중요시함. 특히 최근 연간 역량을 확대해 북두위성항법시스템을 발전시키고 있음

● 해설자: 북두위성항법시스템은 중국이 독자적으로 연구개발하고 육해공 3대 영역을 위해 전방위적인 내비게이션 위치추적 서비스를 제공하는 항법시스템장치로서 현재 아시아태평양지역 내 임의의 시간과 장소 및 기후조건에서 사용자를 위해 고정밀도 위치지정, 속도측정, 타임 서비스를 제공하며, 특히 단문메시지 통신능력을 확보하고 있음

■ 북두항법시스템의 기능1: 위치지정

● 해설자: 위성 위치지정이란 위성을 이용하여 물체에 대해 정확한 위치를 확정하는 기술임. 여기에는 오픈 서비스와 권한부여 서비스의 두 가지 방식이 포함됨. 위치지정 정밀도 분야에서 북두위성은 미국과 러시아의 항법시스템에 비해 손색이 없음. 따라서 일각에서는 북두의 한 단말기에 의존해 세상을 돌아다닐 수 있다고 주장함

● 팡즈하오: 글로벌위성항법시스템은 무료와 유료가 있음. 소위 무료란 개방성으로서 그 위치지정 정밀도가 10m임. 권한부여 서비스, 다시 말해 유료 권한부여 서비스는 위치지정 정밀도가 1m에 이를 수 있으며, 게다가 지역 서비스를 증진시켜 단문메시지 발송기능을 가지고 있음

■ 북두항법시스템의 기능2: 속도측정

● 해설자: 북두항법시스템은 속도측정 정밀도 분야에서 미국의 GPS에 해당됨. 차량탑재 항법장치는 자동차 방향을 가리켜주고 차속을 실시간 측정해줄 수도 있음. 북두시스템의 설계 속도 서비스 정밀도는 초당 0.2m, 즉 속도 오차가 1m 미만임. 이 기능으로 북두시스템은 자동차 과속 전에 경보를 발송할 수 있어 벌금 부과와 사고의 발생을 피하게 할 수 있음

■ 북두항법시스템의 기능3: 타임서비스

● 해설자: 위성 타임서비스란 자동화시스템 가운데 컴퓨터 제어장치 등에 대응해 타이밍을 진행하는 첨단기술제품을 말함. 항법위성의 원자시계로부터 아주 정확한 시간신호를 획득하고, 이 시간신호를 자동화설비에 통일적으로 발송하여 전체 시스템의 시간 동기효과에 이름. 북두위성항법시스템의 타임 정밀도는 50나노초임. 소위 나노초란 1초를 10억으로 나누는 것을 뜻함, 그 중 10억분의 1이 1나노초임. 이로부터 북두항법시스템의 타임기능은 상당히 정확함. 북두항법시스템은 낮은 오차율로 중국의 금융과 전력시스템에 광범위하게 사용되고 있음

● 팡즈하오: 전력시스템의 경우 전력망의 발전설비와 변전설비 등을 동기화해야 하며, 내부 시계로 통일적인 제어를 해야 함. 예전에 내부 시계를 통일시키기 위해 미국 GPS의 타임기능을 적용한 바 있음. 북두 등장 후부터 북두 타임기능을 적용했는데, 정밀도가 아주 높아 수만년 심지어 수백만년에야 1초의 오차가 있을 수 있음. 따라서 북두를 이용하면 국가 전력은 더욱 안전해질 수 있음

● 해설자: 세계 최초로 사용에 투입된 글로벌위성항법시스템인 GPS가 어떤 기능을 가지고 있는지, 무엇 때문에 국가마다 거금을 들여 자체 위성항법시스템의 연구개발에 다투어 나서는지?

■ 세계 최초로 사용에 투입된 위성항법시스템 GPS

● 해설자: GPS는 미국의 ‘글로벌 위치지정 시스템’의 약칭임. 미국 육해공 3군이 1970년대 공동으로 연구개발한 차세대 위성위치지정시스템임. 주된 목적은 육해공 3대 영역을 위해 실시간 전천후로 글로벌 내비게이션 서비스를 제공하는 것임. 미국은 20년간의 연구실험을 거쳐 300억 달러를 투입함.

1994년 전 GPS의 세계 서비스 범위는 98%이며, 24개 GPS 위성 성좌(星座) 배치를 수행함. GPS의 우주공간부분은 24개 위성으로 구성됨. 지표와 2만 200km 이상 떨어진 상공의 6개 궤도면에 균일하게 분포됨. 궤도면마다 4개의 위성이 작동함. 이러한 분포방식은 세계에서 언제 어디서나 4개 이상의 위성을 관측 가능하고, 또한 위성에 내비게이션 정보를 미리 저장할 수 있음

● 팡즈하오: 미국 GPS의 특징은 상당히 안정한 것임. 전천후로 전 지구에 대한 내비게이션 위치지정이 가능하며, 사용자는 편리하게 4개 이상의 위성 신호를 직접 수신 가능함

● 해설자: 한편 GPS의 위치지정 정밀도가 아주 높음. 우선 군사용도로 쓰이는 글로벌위성항법시스템인 GPS의 군용 위치지정 정밀도가 1-2m 사이이고, 민간 위치지정 정밀도는 5-10m임. 게다가 위치지정 속도가 빠르고 수신기의 작동이 쉬워 사용자는 본인이 조회하고자 하는 데이터를 단시간 내에 획득 가능함

● 팡즈하오: GPS의 사용자 수신기는 사용하기 아주 편함. 조작이 편리하여 ‘바보’라도 사용할 수 있는 수준이며, 용도가 상당히 광범위함. 현재 110여 개 기술영역에 사용되고 있으며, 세계 90% 이상의 위성항법시장을 확보하고 있음

● 해설자: GPS항법시스템의 등장은 서민 생활에 큰 편의를 준 한편, 많은 영역에 큰 변화를 가져옴. 우주영역의 첨단기술 보유자 러시아 역시 자국의 위성항법시스템인 글로나스위성항법시스템을 확보하고 있음

■ 전파방해 차단능력이 강한 위성위치지정시스템 글로나스

● 팡즈하오: 글로나스는 미국의 GPS와 대부분 같지만 다른 특징도 일부 있음. 예를 들면 위성 성좌 구분에 있어 GPS는 코드분할 다중접속 방식을 채택해 서로 다른 위성을 구분하나 글로나스는 주파수분할 다중접속 방식으로 위성을 구분함. 이에 따라 글로나스의 전파방해 차단능력이 강함

● 해설자: 글로나스에 대해 아는 자가 많지 않음. 글로나스의 정식 네트워크 구축 시간이 GPS보다 이름. 이 역시 미국이 GPS 구축을 본격화한 중요한 원인의 하나임.

● 팡즈하오: 그러나 러시아 글로나스의 위성수명이 짧음. 네트워크 보완용 위성을 발사할 자금이 없고, 민간자금도 이루어지지 않아 2001년 궤도에서 정식 운행한 위성은 10개 미만임

● 해설자: 2003년 이라크전쟁이 폭발하여 미군이 대규모로 위성 유도무기를 사용하자 러시아는 큰 충격을 받음. 이는 러시아 정부가 우주 군사용도를 재차 중요시하도록 강요함

● 팡즈하오: 2011년부터 글로나스는 신규 플랫폼인 글로나스-K를 이용하여 시계 개량과 신규 부품 개발을 통해 위성 수명을 10년으로 연장함. 이밖에 주파수분할 다중접속 방식을 적용했을 뿐만 아니라 코드분할 다중접속 방식도 적용함으로써 미국 GPS와의 호환이 가능해짐

● 해설자: 최근 위성항법시스템이 각 영역에서 나날이 큰 역할을 발휘하면서 유럽도 자체 위성항법시스템을 확보하려 기대함. 자체 수요에 따라 유럽의 사용에 적합인 신형 위성항법시스템을 구축하는 한편, 유럽의 미국 GPS에 대한 의존성에서 벗어나고자 유럽연합(EU)은 1999년 최초로 ‘갈릴레오’위성항법시스템 계획을 공개함

■ 연구과정이 순탄하지 못한 위성위치지정시스템 갈릴레오

● 팡즈하오: 유럽의 갈릴레오는 30개 위성으로 구성된 성좌임. 위성 궤도 고도는 2만 3,000km로 높으며, 위성은 3개 궤도면에 분포됨. 위성 수가 많고 위성 궤도가 높아 서비스 범위가 광범위하며, 위치지정 정밀도 역시 높음

● 해설자: 세계 최초로 완전히 민간에 개방한 위성항법시스템인 갈릴레오는 사용자에게 실시간으로 고정밀도 위치지정 정보를 제공할 수 있음. 이 역시 기존 위성항법시스템이 갖추지 못한 기능임. 갈릴레오는 미국의 GPS에 비해 선진적이고 신빙성이 높음. GPS가 다른 국가에 제공하는 위성 위치지정 신호는 지상에서 길이가 약 10m인 물체만을 발견할 수 있음. 그러나 갈릴레오 위성으로 사용자는 길이 1m의 목표물 발견이 가능함

● 팡자하오: 갈릴레오 위성은 여러 장점을 널리 받아들임. GPS의 장점뿐만 아니라 글로나스 장점도 지니고 있음. 자체 위성 수가 많고 궤도 위치가 높으며, 서비스 범위가 광범위하고 위치지정 정밀도가 높음. GPS는 사용자가 필요로 하는 거리를 찾을 수 있게 하지만 갈릴레오는 사용자가 차를 몰고 주차하려는 대문까지 도착할 수 있게 함

● 해설자: 그러나 2002년부터 정의단계에 정식 진입한 갈릴레오항법시스템은 유럽 경제위기와 EU의 특수한 정치체제 때문에 현재까지 4개의 항법시험위성만이 궤도에서 운행 중임. 많은 국가들이 제조가격이 높고 기술난이도가 높은 첨단기술제품인 위성항법시스템을 다투어 연구개발하는 이유는 무엇인지?

● 팡즈하오: 러시아의 글로나스, 유럽의 갈릴레오, 중국의 북두는 GPS의 경쟁대상이 되어 GPS가 위성항법시스템을 제패하는 국면을 타개하려 함

● 해설자: 전문가는 국민생활과 관련되는 60%의 정보가 시간, 정보, 위치지정과 관련되기 때문에 위성항법, 인터넷, 이동통신이 21세기 정보분야 3대 주력이라고 소개함. 그 중 위성항법기술은 각국의 중점우주기초프로젝트가 됨.

■ 북두위성항법시스템의 단계별 발전현황

● 해설자: 중국의 첫 위성항법시스템으로서의 북두위성항법시스템은 연구개발사업이 1960년대 말부터 시작됨. 그러나 많은 원인으로 제시한 방안이 지속적으로 폐지됨

● 팡즈하오: 중국은 해외 위성항법시스템의 경험과 교훈을 거울로 삼고 국가상황, 국력, 기술수준에 근거해 3단계 발전전략을 제정함. 제1단계는 정지궤도위성을 연구개발하는 단계임. 소량의 정지궤도위성으로 기술시험을 진행, 다시 말해 지역 능동형 위성항법시스템(Active satellite navigation system)을 구축하는 것임.

● 해설자: 1980년대부터 당시 여건과 수요를 바탕으로 중국은 북두항법시스템 논증을 진행함. 시스템은 쌍성(雙星) 능동형 위치지정체제를 적용함. 2000년 10월 31일 중국은 시험에 사용될 최초의 북두1호위성을 정상 궤도로 발사함. 같은 해 12월과 2003년 5월 시험에 사용할 북두1호 항법시험위성 두 개를 발사함. 위성이 현재까지 운행하면서 항법시스템은 안정적으로 작동하고, 상태가 양호함

● 팡즈하오: 제2단계는 2007년부터 북두항법위성인 북두2호 항법위성을 발사하기 시작함. 북두2호 항법위성은 지역 능동형 위성항법시스템을 구축하고자 발사함. 2007년부터 2012년까지 지역 위성항법 성좌를 구축함

● 해설자: 현재 중국은 북두위성항법시스템을 구축 중임. 이미 16개 북두항법위성을 발사함. 2012년 12월 27일 북두위성항법시스템은 아시아태평양의 대부분 지역을 위해 정식 서비스를 제공함. 북두글로벌항법시스템 체계 역시 초기 형태를 갖춤

● 팡즈하오: 중국은 궁극적으로 제3단계인 2020년 글로벌위성항법시스템을 구축할 계획임. 이 시스템 역시 능동형 시스템임. 소위 능동형 시스템이란 사용자가 신호를 직접 수신할 수 있으나 발송할 수 없음을 뜻함. 이 성좌는 5개의 지구정지궤도위성과 30개의 비지구정지궤도위성으로 구성됨

● 해설자: 북두위성항법시스템의 작동원리와 특징은 미국의 GPS위성위치지정시스템과 유사한 점이 있음. 단. 북두위성항법시스템은 다른 위성항법시스템이 갖추지 못한 독특한 기능을 확보하고 있음

● 팡즈하오: 북두위성항법시스템의 가장 중요한 특징은 위성 내비게이션과 이동통신 기능을 동시에 갖춘 것임. 이 기능은 중국만이 확보하고 있는 독보적인 기능임. 왜냐하면 중국의 내비게이션 위치치정 정밀도가 미국의 GPS에 상당하지만 GPS에 없는 단문메시지 발송기능을 확보하고 있기 때문임

■ 북두항법시스템의 독보적인 기능: 단문메시지 송수신

● 해설자: 북두항법시스템의 독보적인 기능으로서의 단문메시지 발송기능은 많은 분야에서 중요한 역할을 발휘함. 이 특수기능의 우월성은 많은 중대한 재난과 위험한 상황에서 구현됨. 2008년 원촨(汶川)특대지진이 발생한 후, 재해지역 주민의 삶과 안전이 위협을 받음. 인원사망이 심각하고 전력, 교통, 통신이 완전히 중단된 상황에서 해방군 모 부대 장병은 북두시스템에 의존해 스촨성에서 지진이 발생한 40개 중대재해지역과 정보연계를 맺고, 구원사업의 순조로운 전개를 확보함.

이 재해구호는 북두가 GPS에 비해 사용하기 더욱 편리함을 여러 번 입증해줌. 재해지역은 일반적으로 전력시스템이 모두 파괴되기 때문에 북두위성항법시스템의 단문메시지 기능을 이용할 경우, 긴급구호 속도가 빨라질 수 있고 정책결정능력이 더욱 민첩해질 수 있어 시간 확보가 가능함

● 북두항법시스템은 위치지정 고정밀도, 빠른 속도측정, 정확한 타임서비스 등의 특징에 의존해 지도제작, 어업, 교통운수, 전자통신, 수리, 삼림화재방지, 재해 감소와 구호 및 국가안보 등에 응용되어 뚜렷한 경제 및 사회적 수익을 창출함

● 팡즈하오: 북두 응용이 가장 광범위한 영역은 어선임. 현재 중국은 10만 척의 어선을 확보하고 있으며, 북두위성항법 수신기를 장착함. 이 수신기는 내비게이션 위치지정에 사용되는 한편, 태풍이 있는지, 어업의 생산량 향상을 위해 포획량이 많은 곳으로 방향을 바꿀 수 있는지의 정보획득에 활용됨. 이밖에 위험한 상황에 부딪칠 경우, ‘북두’ 단문메시지를 통해 구호가 가능함

● 해설자: 전문가는 2020년에 북두글로벌위성항법시스템이 구축될 경우 중국이 그동안 다른 항법기술에 의존하던 국면에서 완전히 벗어날 것이고, 각 영역에서 모두 독특한 역할을 발휘하여 국민의 삶을 변화시킬 것이라고 내다봄

● 해설자: 북두위성항법시스템의 본격적인 사용은 중국 우주기술수준이 세계 상위수준이라는 것을 시사함. 전문가는 위성항법시스템의 미래 발전방향이 기존 위성항법시스템 가운데 ‘한 국가가 좋은 것을 독차지’하는 구도를 타개하고, 여러 시스템이 공존하여 이들 시스템이 더욱 양호한 호환성과 상호운용성을 가질 수 있게 함으로써 사용자를 위해 더욱 빠르고 양호한 내비게이션 서비스를 제공하는 것이라고 소개함