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Analysis and measurement of service area of ocean-based DGPS reference station in Korea
Analysis and measurement of service area of ocean-based DGPS reference station in Korea
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2014. Jun, 18(6): 1255-1261
Copyright © 2014, The Korea Institute of Information and Commucation Engineering
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : January 24, 2014
  • Accepted : February 27, 2014
  • Published : June 30, 2014
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영완 김
ywkim@kunsan.ac.kr

Abstract
본 논문에서는 계절별 국내 해상 DGPS 기준국 신호의 전파 특성을 측정하고 기후 및 계절에 따른 서비스 영역을 분석한다. 해상 DGPS 기준국을 중심으로 내륙 서비스 영역에서 수신 신호의 전계 강도와 신호대 잡음비를 측정 분석한다. 산악지형과 대지 도전율이 낮은 안테나 사이트를 갖는 기준국을 제외한 해상 DGPS 기준국의 내륙 서비스 영역은 서비스 영역 대비 68 %이상의 양호한 서비스 영역을 제공하고 있다. 계절에 따른 안정된 서비스 영역을 갖기 위해서는 양호한 대지 도전율을 갖는 안테나 사이트와 보다 높은 안테나 효율을 갖는 해상 DGPS 기준국 설치 및 운영이 필요하다. 아울러 내륙 기준국과의 이중 서비스 영역 제공으로 전파 경로상의 장애물로 인한 불안정한 서비스 영역을 해소할 수 있다.
Keywords
Ⅰ. 서 론
우리나라는 1998년부터 팔미도와 어청도 기준국을 시작으로 우리나라 전 해상 및 내륙에 DGPS 기준국을 설치하여 운용 중에 있다. 해상 기준국은 2002년 소흑산도 기준국을 완료하여 11개소 DGPS 해상 기준국을 운영 중이며, 185 km의 해양 서비스 영역을 제공하고 있다 [1] . 아울러 내륙으로도 6개소의 내륙 기준국과 동일하게 일정범위에 서비스가 제공되고 있다. 해양은 높은 도전율과 기온 및 계절에 따른 도전율의 차가 크게 발생되지 않아 넓은 서비스 영역과 안정된 서비스가 제공되고 있다. 그러나, 내륙의 대지 도전율은 해양에 비해 낮은 편이며, 기후 및 계절에 따라 도전율의 변동이 높은 편이다 [2] .
대지 도전율은 지질의 특성에도 좌우되나, 지면에 포함된 각종 무기질의 전리현상(電離現象)에 의한 영향이 크게 나타난다. 따라서 대지에 포함된 습도와 온도의 변화에 따라 대지 도전율이 변화되며, 기후나 계절에 따라서 변화된다. 해상 기준국으로부터 해상 및 해안을 따라 전송되는 DGPS 신호는 안정적으로 전파되나, 섬지역에 설치된 해상 기준국 신호는 대지 도전율에 영향을 받는다. 또한, 내륙으로 전파되는 신호는 기후 및 계절에 따라 전파되는 신호 세기가 변동되어 안정된 서비스 영역을 제공하지 못할 수 있다.
본 논문에서는 해상 DGPS 기준국으로 부터 전파되는 DGPS 신호의 세기를 서비스 영역에서 계절별로 측정하여 기후에 따른 서비스 영역을 분석한다. 아울러, 수신 지역에서의 신호의 품질정도를 평가하기 위하여 수신 신호의 신호대 잡음비를 측정하여 서비스 영역의 품질을 분석한다. DGPS 신호 측정은 해상 DGPS 기준국에서 제공하는 내륙 서비스 영역을 중심으로 하며, 동일한 영역에서 동절기와 하절기에 측정하여 분석한다. 측정 분석된 결과를 통하여 해상 DGPS 기준국의 서비스 영역 향상을 위한 방안을 모색한다.
Ⅱ. 해상 DGPS 기준국
우리나라의 해상 DGPS 기준국은 그림 1 표 1 에 나타나 있다 [1] . 11개소의 해상 DGPS 기준국이 설치되어 운영 중이며, 해상으로의 서비스 영역은 185 km 이며 내륙으로의 서비스 영역은 내륙 DGPS 기준국과 동일하게 전파 지형과 대지 도전율에 영향을 받는다.
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해상 DGPS 기준국 사이트 Fig. 1 Site of ocean-based DGPS reference stations
해상 DGPS 기준국의 제원Table. 1Specifications of ocean-based DGPS reference station
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해상 DGPS 기준국의 제원 Table. 1 Specifications of ocean-based DGPS reference station
해상 DGPS 기준국은 내륙 기준국의 안테나 보다 작은 안테나를 사용하며 송신 출력도 300 W로 운영되고 있다. 따라서 해상 기준국에 의한 내륙 서비스 영역은 내륙 기준국에 의한 서비스 영역보다는 작다 [3 , 4] .
Ⅲ. 해상 DGPS 기준국 전파 측정 및 서비스 영역 분석
- 3.1. 해상 DGPS 기준국 전파 측정
해상 DGPS 기준국의 전파 측정은 내륙이 중첩되는 서비스 영역에서 측정한다. 해양 DGPS 기준국의 유효 서비스 범위인 185 km(100NM)는 해양을 기준으로 한 범위로서, 해양 서비스 영역은 내륙 서비스 영역보다는 안정적으로 제공되고 있으므로 본 논문에서는 해상 DGPS 기준국에서 내륙으로 전파되는 전파 특성을 측정한다. 기후 및 계절에 따른 서비스 역역을 분석하기 위하여 해상 DGPS 기준국을 중심으로 내륙 서비스 영역에서 측정하며, 동절기와 하절기로 구분하여 동일한 측정 지역 내에서 측정한다. 측정 데이터의 신뢰성과 정확성을 높이기 위하여 해상 DGPS 기준국의 전파가 수신 또는 예측되는 내륙 지역을 도상 검토하여 실측하며, 이동 가능한 고속도로와 국도를 측정 지점으로 한다. 그림 2 는 해상 DGPS 기준국의 전파 특성을 측정하기 위한 측정 구성도를 보여준다.
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해상 DGPS 전파 특성 측정도 Fig. 2 Block diagram of ocean-based DGPS radio wave measurement
전파 측정 데이터는 추출한 위치 좌표 데이터와 전계강도 수치값을 맵핑할 수 있는 프로그램을 이용하여 측정하며, Graphic Mapping Tool을 사용하여 전파 측정 데이터 분류 방법을 사용하여 전계강도 레벨 및 색상을 통일성을 가지고 지정하여 GIS Data와 연계하여 측정한다.
- 3.2. 해상 DGPS 서비스 영역 분석
서비스 지점에서 어느 한 기준국의 신호를 수신하기 위해서는 수신 신호의 신호대 잡음비( S/N:Signal to Noise)가 신호를 재생할 수 있는 일정 S/N 비보다 높아야 한다. ITU-R 823에 의하면 DGPS 수신기는 수신 대역폭 500Hz의 범위에서 S/N비 7dB 이상으로 1000비트당 1비트 이내의 오차율로 신호의 재생이 가능하여야 하는 것으로 규정하고 있다 [5] . 또한, DGPS 서비스 영역은 USCG 규정인 40 dB㎶/m를 한계 레벨로 설정하고 있다 [6] . 본 논문에서는 규정과 수신기 특성을 고려하여 표 2 와 같은 기준으로 서비스 영역을 분석한다.
DGPS 서비스 영역 분석 기준Table. 2Reference level for DGPS service coverage
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DGPS 서비스 영역 분석 기준 Table. 2 Reference level for DGPS service coverage
그림 3 ~ 그림 6 , 그리고 표 3 표 4 는 마라도 기준국을 중심으로 동절기와 하절기에 측정한 수신 신호의 전계 강도 및 신호대 잡음비이다.
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마라도 기준국의 전계 강도 측정(동절기) Fig. 3 Measured signal strength for Mara-do reference station(winter)
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마라도 기준국의 전계 강도 측정(하절기) Fig. 4 Measured signal strength for Mara-do reference station(summer)
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마라도 기준국의 신호대 잡음비 측정(동절기). Fig. 5 Measured signal to noise ratio for Mara-do reference station(winter)
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마라도 기준국의 신호대 잡음비 측정(동절기) Fig. 6 Measured signal to noise ratio for Mara-do reference station(summer)
마라도 기준국 전계강도 측정치Table. 3Measured signal strength for Mara-do reference station
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마라도 기준국 전계강도 측정치 Table. 3 Measured signal strength for Mara-do reference station
마라도 기준국의 신호대 잡음비 측정치Table. 4Measured signal to noise ratio for Mara-do reference station
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마라도 기준국의 신호대 잡음비 측정치 Table. 4 Measured signal to noise ratio for Mara-do reference station
그림 3 ~ 그림 6 그리고 표 3 표 4 는 한라산을 중심으로 마라도 기준국과 반대편 지역에서 나타나는 불안정한 서비스 영역을 보여준다. 제주도의 동서 지형의 길이는 약 80 km가 조금 넘고, 전파 경로 상에 산악지형 (한라산)이 위치하여 감쇄 영향이 나타나고 있다. 일반적으로 산악지형이 파장에 비해 작으면 큰 문제가 없지만 파장보다 큰 산악지형은 전파 경로의 증가, 흡수, 회절 및 굴절 등의 영향이 DGPS 신호 전파에 나타나고 있다. 내륙 서비스 영역까지 고려할 경우, 표 3 표 4 로부터 마라도 기준국은 서비스 영역 대비 약 41.3 % ~73.1%의 영역에서 서비스를 제공할 수 있다.
그림 7 그림 8 그리고 표 5 는 팔미도 기준국을 중심으로 동절기와 하절기에 측정한 수신 신호의 전계 강도 및 신호대 잡음비이다.
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팔미도 기준국의 전계 강도 측정(동절기) Fig. 7 Measured signal strength for Palmi-do reference station(winter)
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팔미도 기준국의 전계 강도 측정(하절기). Fig. 8 Measured signal strength for palmi-do reference station(summer).
팔미도 기준국의 신호대 잡음비 측정치Table. 5Measured signal to noise ratio for Palmi-do reference station
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팔미도 기준국의 신호대 잡음비 측정치 Table. 5 Measured signal to noise ratio for Palmi-do reference station
팔미도 기준국의 경우, 내륙 서비스 영역까지 고려한 서비스 영역 대비 약 73.4 % ~ 81.1 %의 영역에서 서비스가 가능함을 나타낸다. 산악지형이 많은 영역에서 전파되는 기준국보다는 평탄한 지형이 많은 내륙에서 전파되므로 넓은 지역에서 양호한 신호가 수신된다.
표 6 표 7 은 국내 해상 DGPS 기준국으로부터 전파되는 수신지역에서 측정한 DGPS 신호 전계강도와 신호대 잡음비이다. 표 6 표 7 과 같이 해상 DGPS 기준국의 경우, 섬 지역에 있는 기준국과 해안 지역에 있는 기준국 간의 측정차가 나타난다. 섬 지역의 경우, 섬에서 측정이 어려워 가까운 내륙 해안지역에서 측정을 하였으며, 이 경우 해안에 도달한 전파의 전계강도는 40~50 dB㎶/m 정도로 해안지역에 있는 기준국과의 차이가 발생한다. 따라서, 섬 지역에 설치 운용중인 대부분의 DGPS 기준국으로부터 내륙 방향으로 전파되는 전송 거리가 짧게 나타난다. 해안 지역에 위치하는 기준국은 해안선을 따라서 멀리까지 양호하게 전파되고 있으며, 내륙 방향으로도 내륙 DGPS 기준국에서 전파되는 신호와 거의 비슷한 전파 거리를 나타내고 있다.
국내 해양 DGPS 기준국의 전계강도 측정치Table. 6Measured signal strength for ocean-based DGPS reference station in korea
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국내 해양 DGPS 기준국의 전계강도 측정치 Table. 6 Measured signal strength for ocean-based DGPS reference station in korea
국내 해양 DGPS 기준국의 신호대 잡음비 측정치Table. 7Measured signal to noise ratio for ocean-based DGPS reference station in korea
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국내 해양 DGPS 기준국의 신호대 잡음비 측정치 Table. 7 Measured signal to noise ratio for ocean-based DGPS reference station in korea
S/N비 측정인 경우, 섬 지역에 위치해 있는 DGPS 기 준국으로부터 해안으로 전파가 도달하였을 시에 전계 강도는 균일하게 떨어지는 양상을 보이지만, S/N 측정값은 전계강도의 감소폭보다는 적은 비율로 낮아지고 있다. 이는 전계강도는 송신기와의 거리에 따라 비례하여 감쇄되는 반면, S/N 값은 해상에서의 장애조건이 내륙에 비해 적기 때문에 비교적 먼 거리에도 수신이 원활하게 이루어지는 것을 의미한다. 표 6 으로부터 중파대역 DGPS 신호는 하절기보다는 동절기에 비교적 멀리 전파되고 있으며, 내륙 서비스 영역을 포함한 서비스 영역 대비 약 41.3 % ~ 91.4 % 영역에서 양호한 서비스를 제공할 수 있다. 아울러 표 7 로부터 S/N 값은 전계강도 분포보다 넓은 서비스 지역을 나타내고 있다.
서비스 영역이 낮은 DGPS 기준국은 안테나 주변에 산악 등 장애물이 있거나 대지 도전율이 낮은 안테나 사이트를 갖는 경우이며, 더욱이 전파 경로상에 큰 산이나 산맥이 존재하는 경우이다. 따라서, 해상 DGPS 기준국에 의한 안정한 서비스 영역을 제공하기 위해서는 안테나 사이트의 대지 도전율 개선과 안테나 효율을 향상하여 보다 높은 방사 전력으로 DGPS 신호를 전파할 필요가 있다.
- 3.3. 해상 DGPS 기준국의 서비스 영역 향상
DGPS 신호 주파수 대역인 중파대역 신호는 표면파로 전파되며, 수직편파를 사용한다. 중파 대역의 수직편파의 전계세기는 다음과 같이 표현할 수 있다 [7] .
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여기서 P(kW)는 방사된 전력이며, r(km)은 경로거리, 그리고 Ez (mV/m)는 전계 강도이다. A는 전파경로에서 발생되는 전파 손실이며, 주파수( f )와 송ㆍ수신단 거리( r ), 그리고 대지 도전율(𝜎)과 유전율(ε)에 의해 구할 수 있다.
방사 전력(P)은 안테나 입력 전력과 안테나 효율에 의해 표현되며 안테나 효율이 증가하면 방사 전력도 증가한다. 따라서 안테나 방사 전력을 증가하여 서비스 영역을 확장하기 위해서는 안테나 효율의 향상이 중요하다. 중파대역 안테나의 효율(𝜂)은 다음과 같다.
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여기서, P r , P i , P l 은 각각 방사 전력과 안테나에 인가되는 전력, 그리고 전력 손실을 나타낸다.
전력 손실은 안테나 대지면의 대지 손실이 가장 크게 나타나므로 안테나 접지면의 대지 도전율을 양호하게 유지하여 손실을 줄여 안테나 효율을 증가할 수 있다. 따라서, 안테나 접지면의 도전율 향상을 위한 방사 접지면(radial ground)의 보강 및 구축이 필요하다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 해상 DGPS 기준국의 기후 및 계절에 따른 서비스 영역을 분석하기 위하여 해상 DGPS 기준국 신호의 세기 및 신호대 잡음비를 서비스 영역에서 측정하였다. DGPS 전파 측정은 내륙 서비스 영역에서 동절기와 하절기에 동일 지역에서 측정하였으며, 측정된 데이터를 통하여 기후에 따른 서비스 영역을 분석하였다. 마라도 및 소청도를 제외한 해상 DGPS 기준국은 내륙 서비스 영역을 포함한 서비스 영역 대비 약 68 % 이상의 양호한 DGPS 서비스를 제공하고 있다. 보다 넓고 안정된 DGPS 서비스 영역은 해상 DGPS 안테나 사이트의 개선을 통하여 확보할 수 있을 것이다.
BIO
김영완(Young-wan Kim)
1983년 경북대학교 전자공학사
1985년 경북대학교 전자공학석사
2003년 충남대학교 전자공학박사
1984~1990 동양정밀공업(주) 중앙연구소 과장
1990~1992 (주) 유영통신 이사
1992~2004 한국전자통신연구원 책임연구원
2004~현재 군산대학교 전파공학과 교수
※관심분야 : RF/Microwave 시스템 및 회로설계, 디지털 위성방송/통신시스템, 마이크로파 소자
References
Ministry of Oceans and Fisheries, DGNSS Central Office http://www.ndgps.go.kr
DeMinco N 1986 “Ground-wave analysis model for MR broadcasting systems”
Kim Young-wan 2011 Service Coverage Enhancement due to Output Power of Korean Land-based DGPS Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering http://dx.doi.org/10.6109/jkiice.2011.15.10.2059 15 (10) 2059 - 2064    DOI : 10.6109/jkiice.2011.15.10.2059
Kim Young Wan 2012 “Antenna Radiation Efficiency of the Korean NDGPS Based on Radiation Power Measurements” Journal of information and communication convergence engineering http://dx.doi.org/10.6109/jicce.2012.10.2.097 10 (2) 97 - 102    DOI : 10.6109/jicce.2012.10.2.097
2006 Technical characteristics of differential transmissions for global navigation satellite systems from maritime radio beacons in the frequency band 283.5-315 kHz in Region 1 and 285-325 kHz in Regions 2 and 3
U.S. Coast Guard http://www.navcen.uscg.gov
Li R 1983 “The Accuracy of Norton’s Empirical Approximations for Groundwave Attenuation” IEEE Trans. on AP. http://dx.doi.org/10.1109/TAP.1983.1143096 31 (4) 624 - 628    DOI : 10.1109/TAP.1983.1143096