1. 서 론

위성항법시스템(GNSS)을 기반으로 하는 측위, 항법, 시각 동기(PNT, Positioning, Navigation, and Timing) 서비스는 교통, 항법, 측량, 방송통신, 금융시스템, 전력망, 군사 목적 등으로 널리 활용되고 있으며, 그 의존도는 점점 증가하고 있는 추 세이다. 위성항법 신호는 측위항법 분야에서는 사용자의 요 구수준에 맞게 다양한 보정기법을 통하여 고정밀 위치정확 도를 확보할 수 있으며, 시각분야에서는 세계협정시(UTC)에 100 ns 이내로 동기 되는 서비스를 제공받을 수 있다(Lombardi et al., 2006). 그러나 위성항법시스템에서 방송하는 항법신호 는 송출전력이 미약하여 신호가 지상에 도달하기까지 전파 간섭에 쉽게 영향을 받는다. 즉, 재밍(Jamming)과 스푸핑 (Spoofing)을 통한 위성신호의 차단과 해킹이 가능하다. 국내 의 경우, 2010년 8월부터 2016년 4월까지 수도권 서북부와 인천, 강원 지역에 의도적 재밍의 영향으로 이동통신 기지 국과 항공기, 선박 등에서 위성신호를 기반으로 하는 PNT 서비스를 이용할 수 없는 상황이 발생한 사례가 있다(Son et al., 2020). 특히 시각동기 분야에 있어서, 재밍 등의 영향에 따른 시각동기분야의 손실은 Table 1에 나타낸 것처럼, 금융, 통신, 발전, 교통 등에서 정도에 따라 수십억 불의 경제적 피해를 일으킬 수 있다.

GNSS 신호취약성을 극복하기 위한 백업 PNT 시스템으로서, 지상파를 기반으로 하는 항법시스템 연구가 추진되었다(Celano et al., 2005). 대표적으로 eLoran(enhanced LOng-Range Navigation) 을 들 수 있으며, 위성항법시스템과 같이 독자 신호를 이용 하여 PNT&D(Position, Navigation, Timing, and Data) 서비스가 가능한 시스템이다. eLoran은 저주파를 이용하는 장거리 항 법시스템인 로란(Loran)을 고도화한 시스템으로서, 100 kHz 대의 로란펄스 신호를 이용한다(RTCM, 2017). 송신국과 사 용자 수신기 간의 전파도달 시간을 측정하여, 측위, 항법 및 시각동기 서비스에 활용이 가능하다.

Fig. 1은 국제로란협회(ILA, International Loran Association)에 서 제시하고 있는 eLoran 시스템의 개념도(ILA, 2007)를 나타 내는데, 크게 핵심 eLoran 서비스 제공부와 해상 서비스 제 공부로 구성되어있다. 먼저 핵심 eLoran 서비스 제공부에서 는 eLoran 송신국에서 eLoran 신호를 송출하면 보정기준국 (dLoran station)과 감시국(Monitoring station)에서 신호를 수신 하고, 보정기준국에서는 송신 신호의 전달과정에서의 오차 를 계산한 보정정보(Differential correction)를 제어국(Control center)에 전달하고, 또한 감시국에서는 송신 신호의 이상 유 무를 판단하여 무결성(Integrity) 정보를 제어국에 전달한다. 다시 제어국에서는 보정정보와 무결성 정보를 송신국에 전 송하면, 송신국에서는 보정정보와 무결성 정보를 LDC(Loran date channel)를 통해서 사용자에게 방송한다. 사용자는 이 eLoran 신호를 수신하여 LDC 정보를 적용하여 수신기의 측 위정확도를 20미터 이내로 개선할 수 있다. 또한 시각동기서 비스 측면에서도, eLoran 시각동기 서비스를 위해 사용자 수 신기 관점에서 ±100 ns 이내의 시각동기가 가능하도록 송신 기의 동기 정확도는 50 ns 이내로 세계협정시(UTC)와 동기되 어 eLoran 신호를 송출하고 있다.

eLoran 시스템을 이용한 시각동기서비스에 관한 선행 연구 는 주로 미국에서 GPS 백업 시각 및 주파수 서비스를 위한 연구가 주를 이루었으며, 대표적으로 eLoran을 이용한 레질 리언트 시각 및 UTC 서비스 제공에 관한 연구(Offermans et al., 2016)와 GNSS에 대한 강인한 정밀 시각 및 주파수 대안 의 필요성(Narins et al., 2012), 그리고 미국 내에서 시각 및 주파수에 eLoran의 잠재적 역할(Lombardi, 2006)에 관한 연구 가 수행되었다. 위의 논문들은 eLoran 시스템이 GNSS 백업 을 위한 시각 및 주파수 서비스 요구성능을 충족할 수 있음 을 제시하고 있다. 특히 미국 국토안보부에서 수행한 eLoran 시각 서비스 성능 실험결과(UrsaNav, 2017)에서는 뉴욕증권 거래소의 금융거래, 항공기 교통량 제어를 위한 광역 시각 제공원으로서 100 ns 이내의 요구성능을 충분히 만족할 수 있음을 보여주었다.

국내에서는 한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연 구소에서 국내 기술로 eLoran 시스템 개발을 완료(’20.12)하 여, 2021년 6월부터 해양수산부 국립해양측위정보원에서 인 천 서해 중북부지역을 대상으로 시범서비스 중이다. 인천 아라서해갑문 북측 부지에 eLoran 시험 송신국을 설치하여, 코리아체인(GRI9930)에 신규 신호(9930V)를 추가하여 송출하 고 있으며, 인천항과 평택항 인근에 보정기준국(dLoran)을 설 치하여, eLoran 신호에 대한 보정정보 생성과 송출 신호에 대한 이상 감시를 수행하고 있다. 그러나 보정기준국의 핵 심역할이 eLoran 신호에 대한 보정정보의 생성, 신호와 측위 정확도 측면에서의 감시를 담당하고 있어서, eLoran의 시각 서비스에 대한 품질과 성능 감시에는 한계가 있다. 그러므 로 본 논문에서는 기 구축되어 운영 중인 eLoran 테스트베드 시스템의 시각서비스에 대한 성능 감시를 목적으로 하는 eLoran 시각모니터링 시스템을 설계하고 보정기준국의 감시 국 시스템에 적용하여 사용자 관점에서의 시각동기 성능을 확인하고자 한다. eLoran 신호를 이용한 시각동기 성능 감시 를 통해서, 사용자 관점에서의 지상파 기반의 시각동기 성 능에 대한 실시간 모니터링과 함께 시각동기를 이용하는 국 가 주요 인프라의 백업시스템 구축에 활용이 가능할 것이다.

2. eLoran 테스트베드 시스템

2.1 eLoran 테스트베드 시스템 구축

시범운영 중인 eLoran 테스트베드 시스템은 Fig. 2에 나타 낸 바와 같이, 인천 아라서해갑문에 eLoran 시험송신국을 임 시로 구축하여, 포항과 광주 로란송신국의 시각동기시스템 과 동기되어 운영 중에 있다. 또한 측위(시각)정확도 개선을 위하여 인천항과 평택항 인근에 보정기준국(dLoran)을 설치 하여 보정기준국 반경 30 km 이내의 해역에서는 20 m 이내 의 측위정확도 성능을 확보할 수 있다. 또한 통합운영제어 시스템을 구축하여 신규 eLoran 송신국 시스템 및 보정기준 국 시스템을 통합하여 운영제어 할 수 있도록 구성하였다.

2.2 eLoran 시스템 아키텍처

eLoran 시스템의 아키텍처는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 eLoran 신호를 생성하고 송출하는 송신기 시스템과 eLoran 신호를 수신하여 신호의 오차정보를 계산하고, 신호의 이 상여부를 검사하는 보정기준국 시스템, 그리고 eLoran 송신 국 시스템과 보정기준국 시스템을 제어하기 위한 통합운영 제어국 시스템으로 구성된다. eLoran 송신국 시스템에서는 UTC(KRIS)와 50 ns 이내로 동기 되어 eLoran 펄스를 송출하 고 있으며, 이때 송신안테나까지의 신호의 지연을 측정하여 보상하기 위한 TOT(Time of Transmission) 제어를 수행한다.

3. 시각동기 요구성능 분석

eLoran 시각동기 성능을 정의하기 위하여, 시각 이용자의 요구조건을 조사하였다. 먼저 미국 연방전파항법계획(DoD, DHS, DoT, 2019)에서 제시하고 있는 시각동기분야의 이용자 요구조건(Offermans et al., 2016)은 Table 2에 나타낸 바와 같 이, 금융, 전력, 이동통신, 교통 등에서 UTC에 대한 시각정확 도를 1 s에서 1 μs 수준으로 각각 제시하고 있다.

또한 정밀시각동기 서비스의 경우 신호원별 오차 가능성 (Lombardi et al., 2005)은 Table 3에 나타낸 바와 같이, GPS의 경우 100 ns 이내의 시각동기 성능이 가능하며, eLoran 시스 템의 경우 LDC 보정 전 1 μs, 보정 후 100 ns 이내의 동기가 가능함을 알 수 있다.

그러므로 시각동기를 위한 사용자의 요구성능과 시각 서 비스 관점에서 eLoran 시각동기 요구성능을 정리하면, eLoran 송신국에서는 사용자 수신기가 LDC 보정 전 UTC에 1 us 이내, 보정 후 100 ns 이내의 안정적인 동기 정확도를 확보할 수 있는 시각 서비스가 필요하며, 이를 기반으로 eLoran 시각동 기 성능 감시를 위한 사용자 관점에서의 요구조건은 Table 4 에 나타낸다.

4. 시각동기 성능모니터링 시스템 설계

eLoran 시각동기성능은 송신국의 서비스 관점과 수신기의 사용자 관점에서 모니터링이 가능하다. 송신기 관점에서 송 출 신호를 피드백하여 TOT 오차를 모니터링하여 그 오차 값 을 보상하도록 하도록 설계하였으며, 사용자 수신기 관점에 서는 이용자마다 수신기의 사용 환경이 다르므로, 보정기준 국에 시각동기성능을 모니터링하기 위한 원자시계를 기준 으로 하는 시스템을 설계하였다. eLoran 수신기를 통해서 수 신하는 시각과 TIC(Time Interval Counter)를 통해 시각 오차를 측정하여 사용자 수신기의 시각동기 성능을 모니터링 할 수 있도록 구성하였다.

4.1 eLoran 신호 오차 보정기법

eLoran 측위 및 시각 성능을 높이기 위해서는 eLoran 신호 가 사용자 수신기까지 전달되는 과정에서의 오차요인을 파 악해서 보정해야 한다. Fig. 4는 eLoran 신호의 오차요소를 나타내는데, 사용자 수신기가 수신한 신호에는 송신기 내 지연, 신호 전달 지연, 그리고 수신기 지연 성분이 포함되어 있다. 송신기 지연요소에는 시계오차, ECD(Envelop to Cycle Difference), 그리고 송신 잡음이 있으며, 수신기 지연요소에는 수신기 시계오차와 수신잡음이 포함되어 있다. eLoran 신호 의 전달과정에서 발생하는 지연요소가 가장 큰 오차를 가지 며, 이 오차는 다시 PF, SF, ASF로 구분되어 진다(Offermans et al., 2016).

신호전달 과정에서의 지연요소를 보상하기 위하여, 보정 기준국(dLoran)에서는 eLoran 신호에 대한 오차성분 즉 보정 정보를 생성하고, eLoran 송신국 신호의 PPM(Pulse position modulation) 방식을 이용하여 LDC 메시지를 사용자에게 방송 한다. 사용자는 보정정보가 포함된 LDC 메시지를 수신하여 식(1)을 이용하여 측위 및 시각 정확도를 개선할 수 있다 (Offermans et al., 2016).

여기에서 TOA(Time of arrival)는 eLoran 신호가 송신국으로부 터 사용자 수신기까지 도달하는 데 걸리는 시간이며, 송신 시간(TOT)에서 수신시간(TOR)을 뺀 값으로 표현된다. 이때 의 신호는 공기 중에서의 지연요소(PF), 해수면의 지연요소 (SF), 그리고 육상에서의 지리적인 신호지연요소(ASF)를 포 함하고 있다. 여기에서 송신기와 사용자 수신기까지의 실제 거리(Range)는 Vincenty 기법을 이용하고, PF와 SF는 Brunavs 모델을 이용하여 계산이 가능하나 ASF는 실제 신호측정을 통해서만 파악할 수 있다. 더욱이 시간적으로 변화하는 ASF_Temporal성분은 보정기준국에서 실측을 통한 보정정보 즉, ASF의 시간적 변화량을 측정하여 사용자에게 전송함으 로서 사용자의 위치정확도와 시각동기 성능을 향상시킬 수 있다.

4.2 보정기준국 시각동기 모니터링 시스템 설계

eLoran 시각서비스의 사용자 관점에서의 시각동기 성능에 대한 상시 모니터링 시스템을 구축하기 위하여 보정기준국 의 감시국 시스템에 루비듐(Rb.) 원자시계 및 시각비교수신 기를 시각비교 레퍼런스로 구성하여 Fig. 5와 같이 설계하였 다. eLoran 송신기에서 LDC 메시지로 제공되는 UTC 정보와 보정정보를 사용자 수신기에서 수신하여 수신기 시각과 동 기시키고, 수신기의 1 PPS(Pulse per second) 출력과 GPS 시각 레퍼런스의 1 PPS 출력을 TIC로 입력하여 시각동기오차 측 정 결과를 출력할 수 있도록 구성하였다. 여기에서 이용하 는 루비듐(Rb.) 기반의 GPS 시각 레퍼런스 수신기는 20 ns 이 내의 1 PPS 동기성능을 제공하고 있으며, 이를 기준으로 eLoran 수신기의 1 PPS 출력과 어느 정도의 오차가 발생 하 는지를 비교한다.

5. 실험 및 결과분석

5.1 실험환경 구성

eLoran 시각동기성능모니터링을 위한 실험환경을 정리하 면 Table 5와 같다. 인천 eLoran 시험송신국의 송출전력을 800 W(ERP)로 설정하였고, 보정데이터 제공을 위한 LDC 변 조방식은 9^th pulse 방식을 선택하여 방송하였다. 이때 eLoran 송신기와 보정기준국 수신기까지의 거리는 약 64.7 km 정도 이며, 수신기의 신호 수신 SNR은 평균적으로 10 dB 이상을 기록하였다.

평택 보정기준국의 감시국 시스템에 eLoran 시각동기 성능 을 모니터링하기 위한 시스템을 Fig. 6과 같이 구축하였다. 보정기준국 시스템에 GPS 시각과 비교를 위한 Spectratime의 GPSReference 2000 시각용 수신기를 설치하여, 1 PPS(Pulse per second) 출력을 UN-152B eLoran 시각수신기에 입력하였다. UN-152B 수신기에서 GPS 1 PPS와 eLoran 시각 수신기가 자 체 수신한 1 PPS를 비교한 결과를 사용자에게 제공할 수 있 도록 구성하였다.

5.2 실험결과

본 실험을 위해 보정기준국의 감시국 시스템에 설치되어 운영 중인 eLoran 시각동기 성능 모니터링 시스템의 2021년 8월 1일에서 8월 30일까지(1개월)의 로그데이터를 분석하였 다. Fig. 7은 LDC 보정 전 보정기준국 관점에서의 시각동기 성능 결과를 나타내는데, RMS(Root Mean Square)로 43.71 ns, 95 % 범위에서 85.84 ns의 정밀도를 각각 나타내었다.

LDC 보정 후 보정기준국 관점에서의 시각동기성능 결과 는 Fig. 8에 나타내었으며, RMS로 22.52 ns, 95 % 범위 내에서 36.51 ns의 정밀도를 각각 나타내었다.

Fig. 7 및 Fig. 8의 결과에서 TIC 출력이 점프하는 부분은 사용자 수신기의 신호수신 환경에서 발생 가능한 사이클슬 립 등의 영향으로 판단된다, 이러한 점프현상은 사이클슬립 검출 및 필터링 기법을 통해서 해결이 가능하지만 본 논문 에서는 TIC 원시데이터 출력을 기반으로 성능평가를 수행하 는데 의의를 두었다.

본 성능분석 결과를 통해서 eLoran 서비스가 보정기준국 관점에서 사용자의 시각동기 요구성능을 충족하고 있음을 확인 하였다. 이는 정밀시각 동기원으로서의 활용과 함께, GPS 백업 시각동기시스템으로도 충분히 활용이 가능할 것 이다.

6. 결론 및 향후과제

본 논문에서는 eLoran 시스템의 시각동기 서비스 성능을 모니터링하기 위한 시스템 설계와 제안된 시스템을 보정 기 준국(dLoran)에 설치하여 시험운영에 따른 성능을 분석 결과 를 제시하였다. GNSS 백업 PNT 시스템으로서의 eLoran 시스 템에 대한 개념과 시범운영 중인 eLoran 시스템 아키텍처 및 운영 시스템 구성에 대해 설명하였다. 특히 eLoran 서비스의 측위 및 시각성능을 개선하기 위한 보정기준국 시스템과 이 를 통한 ASF 보정기법에 대해 다루었으며, 보정기준국 관점 에서의 eLoran 시각동기성능을 모니터링하기 위한 시스템을 제안하고 시험 구축하였다. 또한 eLoran 시각동기 서비스를 위한 사용자 관점에서의 시각동기 요구성능을 정리하였고, eLoran 테스트베드 내 시범운영을 통해 보정정보를 적용하지 않을 경우 43.71 ns(rms), 보정정보를 적용할 경우 22.52 ns(rms) 이내의 시각정밀도 성능을 유지할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 eLoran 시각 서비스가 GPS 재밍 등의 영향 으로 인한 신호 단절시 국가 주요 시각동기 인프라에 대한 백업 시각동기 시스템으로 활용 할 수 있을 것이다. 특히 해 양항법분야 활용에 있어서 AIS/VDES(Automatic identification system/VHF data exchange system) 기지국의 시각동기와 함께 송수신 단말기에서 GNSS와 독립적인 시각동기서비스 운영 이 가능할 것이다. 그러나 본 실험결과는 시각 정밀도 측면 에서의 분석결과이며, 정확도 분석을 위한 시각비교 수신기 의 정밀 교정이 필요하며, 이를 이용한 정확도 측면에서의 장기간 성능분석이 필요하다.