연구실 탐방

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이번 연구실 탐방에서는 이지윤 교수님의 위성항법시스템 연구실(Global Navigation Satellite System Laboratory, GNSS Lab.)에서 수행하는 연구들에 대해서 소개하겠습니다.

 

본 연구실에서는 전 지구적인 영역에서 운용되고 있는 GNSS 위성을 활용하여 항공기 등과 같은 안전필수 시스템의 사용자들에게 고정밀성/고신뢰성의 항법서비스를 제공할 수 있도록 ‘GNSS 및 GNSS 보강항법 시스템 (GNSS & GNSS Augmentation Systems)’와 관련된 연구를 수행하고 있습니다. 또한 최근 이슈화 되고 무인시스템의 항법해에 대한 정밀성/안전성/지속성을 보장하기 위해 고신뢰성 복합항법 시스템 (Multi-sensor Integrated System to Support High Integrity Navigation for Unmanned Vehicle Applications)을 개발하는 연구를 수행하고 있습니다. 고층대기 내 여러 매질 들은 GNSS 신호 산란 및 굴절 현상 등을 야기시킵니다. ‘우주환경 및 원격탐사 (Space Weather & Atmospheric Remote Sensing)’ 연구분야에서는 GNSS 신호처리 기법을 이용하여 우주환경 모니터링, 고층대기 탐사, 자연재해 감지 및 예고 기법 등을 연구합니다.

 

 

 

GNSS 및 GNSS 보강항법 시스템 (GNSS & GNSS Augmentation Systems)

안정적인 항법시스템의 필요성과 안보적인 측면으로 인해서 한국형 GNSS 구축에 대한 필요성이 대두 되고 있습니다. GNSS 구축을 위해서는 위성궤도, 항법해 오차, 무결성 요구사항, 성능 등 다양한 요소들이 고려되어야 합니다. 본 연구실에서는 한국형 GNSS 설계 시에 필요한 다양한 설계요소들을 반영하여 한반도 상공에서의 GNSS 운용가능범위(Coverage), 정확성(Accuracy) 및 가용성(Availability) 등을 분석할 수 있는 M&S 소프트웨어를 개발하였습니다.  

보다 더 정밀한 위성항법 정보를 획득하기 위해서 초정밀 GNSS 보정시스템인 광역보강시스템(Satellite-Based Augmentation System, SBAS) 및 지역보강시스템(Ground-Based Augmentation System, GBAS) 관련 연구도 수행하고 있습니다. SBAS의 정밀한 오차 추정을 위해서는 넓은 지역에 걸쳐 기준국들이 고르게 분포하고 있어야 합니다. 그러나 국토의 면적이 좁은 우리나라의 경우 기준국 설치에 많은 제약이 발생하여, 오차 추정에 대한 불확실성이 커지게 됩니다. 이러한 한계점 극복, 즉, 오차 추정에 대한 불확실성을 감소시키기 위해  ‘3차원 Threat Metric’, ‘확장형 SBAS 오차 추정 및 Bounding 기법” 등의 다양한 향상 기법들을 개발하였습니다. SBAS 보다 더 큰 정밀성과 신뢰성이 요구되는 GBAS에서는 CAT-II/III급 정밀 착륙 중에 시스템의 요구조건(정확성, 무결성 등)들이 실시간으로 만족하는지에 대한 검증 작업이 필수적입니다. 따라서 CAT-II/III급 정밀 착륙 상황에서 항공기에 발생할 수 있는 위협들을 모델링하고, 해당 상황에서의 시스템 성능을 확률적으로 평가 할 수 있는 시뮬레이션 툴을 개발하고 있습니다. 본 연구는 해외 유수 기관들과의 협력을 통해 이루어졌으며, 국제민간항공기구(International Civil Aviation Organization)에서 이루어지는 CAT-II/III GBAS 표준 정립에 기여하고 있습니다.

 

[그림 1] 개발된 기법을 적용 후 SBAS 시스템 성능 분석

 

[그림 2] GBAS모니터의 위협 미검출 확률 및 발생오차 분석

 

 

무인시스템을 위한 고신뢰성 복합항법 시스템 (Multi-sensor Integrated System to Support High Integrity Navigation for Unmanned Vehicle Applications)

전 세계적으로 민간 무인시스템의 수요가 늘어남에 따라 무인시스템의 운항 안전성을 보장하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 본 연구실에서는 무인시스템의 민간 분야 활용을 위해 정밀성뿐만 아니라 높은 안정성과 접근성을 보장하는 항법시스템을 연구하고 항법시스템 플랫폼을 개발합니다. 특히, 높은 운용안정성을 보장하기 위해서 항법시스템에서 발생할 수 있는 모든 고장들을 감시 및 완화 할 수 있는 알고리즘들을 개발을 수행하고 있습니다. 또한 항법성능 향상을 위해 ‘고정밀 항법해 산출 알고리즘’, ‘GNSS 불가용 환경을 대비한 대안항법 알고리즘’, ‘다중센서 기반 복합항법 알고리즘’ 등의 설계 및 구현까지 폭넓은 분야에 대해서 연구를 수행하고 있습니다. 본 연구를 통하여 고신뢰성/고정밀성/지속성/생존성의 총체적 항법 성능을 제공하는 기술을 확보함으로써 민간 분야의 무인 항법시스템의 기반을 마련할 계획입니다.  또한 연구결과는 무인시스템 항법의 인증/운항기준 등 국제적 표준 정립과정에 적극적으로 기여 할 것으로 기대됩니다.

 

[그림 3] 고정밀/고신뢰성 항법시스템 테스트베드 및 비행플랫폼

 

[그림 4] 고정밀/고신뢰성 항법시스템을 이용한 자동 착륙 비행실험

 

[그림 5] 상용무인시스템 적용을 위한 프로토타입 구성

 

우주환경 및 원격탐사 (Space Weather & Atmospheric Remote Sensing)

태양흑점 폭발, 태양풍, 코로나 질량 방출 등의 급격한 우주환경 변화 시에 지구 자기장 및 고층대기 교란 받게 되며, 이로 인해 다양한 분야(위성, 항공, 항법, 전력 및 방송통신 서비스 등)에서 심각한 피해가 발생합니다. 따라서 우주환경 변화가 다분야의 사용자에게 미치는 영향을 다각적으로 분석하고 이에 대한 대응 연구가 필수적일 것입니다. GNSS 위성은 고층대기 보다 높은 고도에서 운용되고, 전 세계적으로 수 천개의 관측소가 설치되어 있습니다. 이러한 전 지구적 GNSS 관측 범위를 활용하여 우주환경과 고층대기 사이의 상관성을 규명하는 연구를 수행하였습니다. 뿐만 아니라 우주기상지수 변화에 따른 고층대기 위협 완화 기법의 선택적 적용을 통해 항법 시스템의 가용성을 향상시키는 응용 기법도 개발 하였습니다.

 

[그림 6] 자연재해에 의한 고층대기 교란 추출 기법 순서도

 

[그림 7] GNSS 측정치 기반 2011년 일본 동부 대지진 시각화

 

[그림 8] Innovation Test를 적용한 쓰나미 조기검출 여부 분석 (2011년 일본 동부대지진)

 

고층대기는 태양활동 등과 같은 지구 외적인 요소뿐만 아니라 지구 내적인 요소에 의해서도 변화합니다. 지구 내적인 요소로서는 지진, 쓰나미 및 화산 폭발 등을 포함한 자연재해에 의한 것들을 들 수 있습니다. 자연재해는 짧은 시간 동안 많은 양의 에너지를 방출 함으로써, 대기를 교란하여 음파(Acoustic Wave) 및 대기중력파를 발생시키게 됩니다. 이와 같은 파동으로 인해 고층대기는 교란을 받게 됩니다. 현재의 지진/쓰나미 조기경보 시스템은 측정되는 지진의 크기를 기반으로 경보를 하게 되는데, 지진파가 완전발달하기까지 많은 시간이 소요됨에 따라 실제 지진 및 쓰나미의 크기가 과소평가하는 사례가 많습니다. 관측 범위의 제약도 함께 지니고 있는 현재의 경보 시스템과는 달리 GNSS 인프라는 전 지구적 관측범위를 가지고 있어 자연재해로 인한 고층대기 교란을 상시 모니터링 할 수 있습니다. 본 연구실에서는 Butterworth 대역필터, Wavelet 분석, Innovation Test 등을 활용하여 각종 자연재해에 의해 발생하는 고층대기 교란현상을 검출 할 수 있는 기법들을 개발하고 있습니다.

 

 

 

 

편집         박재윤[dezukaquni@kaist.ac.kr]