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DGPS service analysis in the korean coastal ferry route
DGPS service analysis in the korean coastal ferry route
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2014. Sep, 18(9): 2073-2078
Copyright © 2014, The Korea Institute of Information and Commucation Engineering
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  • Received : May 24, 2014
  • Accepted : June 25, 2014
  • Published : September 30, 2014
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영완 김
ywkim@kunsan.ac.kr

Abstract
본 논문에서는 우리나라의 서해와 남해 그리고 동해의 연안과 해상의 DGPS 전파 환경을 측정하여 연안 여객선 항로 구간에서의 DGPS 서비스 영역을 분석한다. 전파 장애물로 작용할 수 있는 다도해 지역과 섬 지역의 지형적 장애물에 대한 영향을 측정하여 국내 연안 지역의 서비스 영역을 분석한다. 해상 DGPS 기준국은 40dB㎶/m이상의 전계 강도와 10 dB 이상의 신호대 잡음비를 갖는 넓은 해상 서비스 영역을 제공하고 있으며, DGPS 기준국간 서비스 영역의 중복으로 다도해를 포한한 연안 여객선 항로 구간에서 양호한 DGPS 서비스를 제공하고 있다. 전파 장애물이 산재되어있는 지역에서는 전력 증강 및 안테나 효율 보강 시 더욱더 양호한 서비스 영역을 제공할 수 있다.
Keywords
Ⅰ. 서 론
우리나라 DGPS는 해양 기준국과 내륙 기준국을 설치하여 전국토를 대상으로 위치보정 서비스를 제공하고 있다 [1] . 중파대역을 사용하는 DGPS 신호는 전파 경로상의 도전율에 지배적으로 영향을 받는다. 아울러 전파 경로상의 산악 등 장애물에 의한 전파 감쇠도 발생되고 있다. 전송 매체의 도전율이 높을수록 전파 감쇠가 낮아 서비스 영역은 보다 넓은 지역으로 확대될 수 있다. 해수의 도전율은 내륙의 대지 도전율보다 매우 높아서 적은 송신 출력에도 장거리 전송이 가능하다. 그러나 전파경로상의 장애물이 있을 경우에는 장애물의 지형적 특성과 도전율에 따라 반사 및 회절, 감쇠 등으로 전파전파(傳波)에 영향을 미친다 [2 , 3] . 동해안을 제외한 연안은 많은 섬들이 위치하는 지형을 갖고 있으며, 해수의 높은 도전율에 따른 양호한 전송에도 불구하고 장애물에 의한 영향이 나타날 수 있다. 해상 DGPS 기준국은 섬지역과 해안에 설치되어 있으며, 섬지역의 기준국은 기준국 주위의 산과 고도가 높은 지형에 의해 반대 방향으로의 신호 전송이 어려울 수 있다. 따라서 이러한 불안정한 서비스 영역은 근접 지역에 설치된 섬지역의 DGPS 기준국 또는 해안 DGPS 기준국에 의해 서비스 제공이 가능하여야 한다. 우리나라의 서해안과 남해안은 많은 섬들로 이루어진 다도해로 연안의 DGPS 서비스 영역 및 중파대역 DGPS 전파전파(傳波) 환경이 불안정할 수 있다.
본 논문에서는 국내 연안을 중심으로 전파 환경을 측정하여 연안 여객선 항로 구간의 DGPS 서비스 영역을 분석한다. 다도해 구간인 서해안과 남해안은 섬지역과 해안 지역에 설치된 DGPS 기준국을 중심으로 해안 및 해상의 DGPS 전파 환경을 측정한다. 동해안은 장애물이 비교적 적으므로 포항 울릉도를 운행하는 여객선 항로 구간에서 전파환경을 직접 측정한다. DGPS 수신 지역에서 수신 신호의 전계 강도와 신호대 잡음비를 측정하여 수신 임계 레벨과 비교하여 연안 여객선 항로 중심의 서비스 영역을 분석한다.
Ⅱ. 국내 연안 DGPS 기준국과 전파측정
- 2.1. 국내 연안 DGPS 기준국
우리나라의 해상 DGPS 기준국은 한반도 연안 및 해상을 서비스 영역으로 DGPS 서비스를 제공하고 있으나, 인접한 내륙에도 신호가 전파되어 서비스가 제공되고 있다. 해상 DGPS 기준국은 그림 1 과 같이 11개소로 섬지역에 7개소, 그리고 해안에 4개소가 설치되어 운용되고 있다 [1] . 해상의 양호한 도전율에 따라 먼거리까지 DGPS 신호가 전파되어 넓은 범위에서 DGPS 서비스가 가능하다. 그러나 도전율이 낮은 대지나 전파경로상의 전파 장애물에 의해 전파전파(傳波)에 영향을 받아 서비스 영역이 달라질 수 있다. 그림 2 는 국내 해상 DGPS 안테나 사이트 지형 및 전파 경로상의 장애물 등에 의한 기준국별 서비스 영역을 일반적으로 보여주고 있다.
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국내 해상 DGPS 기준국 Fig. 1 Ocean-based DGPS reference stations in korea
그림 2 와 같이 대지 도전율이 낮고 사이트 주변에 안테나 방사 패턴에 영향을 미치거나 전파 경로상에 장애물이 있을 경우, 서비스 영역에 영향이 나타날 수 있음을 알 수 있다. 중파 대역을 사용하는 DGPS 신호는 섬과 산 같은 고도를 갖는 지형에 의해 전파 반사가 발생하거나 전송 매체에서의 낮은 도전율에 따라 신호 감쇠가 발생한다. 따라서 우리나라의 서해안과 남해안은 다도해 지역으로 DGPS 전파 경로상의 장애물로 작용하여 전송되는 DGPS 신호가 감소되어 서비스 영역이 줄어들거나 일부 방향에서 낮은 신호가 나타날 수 있다.
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해상 DGPS 기준국의 전형적인 서비스 영역 Fig. 2 Typical service coverage of ocean-based DGPS reference stations
- 2.2. 전파 측정
그림 3 과 같은 인천과 제주, 부산과 제주, 그리고 울릉도와 포항간 국내 연안 여객선 항로에서의 DGPS 서비스를 분석하기 위하여 서해안과 남해안, 그리고 동해안에서 DGPS 전파환경을 측정한다. 다도해인 서해안과 남해안에서는 해상 DGPS 기준국별로 전파 환경을 측정하며, 동해안에서는 울릉도와 포항간 여객선 항로에서 측정한다.
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국내 연안 여객선 항로 구간 Fig. 3 Korean coastal ferry route segment
그림 4 와 같이 측정 장치를 선박에 장착하고 수신 지역에서의 전계강도 및 신호대 잡음비(SNR) 데이터를 전자해도 GIS와 연동하여 측정한다 [4 , 5] .
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측정 장치 구성도 Fig. 4 Block diagram of measurement equipment
Ⅲ. 연안 여객선 항로구간 서비스 분석
- 3.1. 다도해 연안 전파 서비스 분석
그림 5 에서 그림 7 까지는 서해안의 DGPS 기준국을 중심으로 측정된 연안 및 해상 지역의 수신신호 전계강도 및 신호대 잡음비를 나타내고 있다.
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어청도 DGPS 기준국 전계강도 측정 Fig. 5 Measured signal strength of Eocheong-do DGPS reference station
어청도 기준국으로부터 전파되는 DGPS 신호는 USCG 규정인 40 dB㎶/m를 이용 범위로 고려할 경우 [6] , 인천항으로부터 남쪽으로는 거문도 DGPS 기준국까지 서비스 영역을 제공하며, 12 dB 이상의 양호한 신호대 잡음비를 나타내고 있다.
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소흑산도 DGPS 기준국 전계강도 측정 Fig. 6 Measured signal strength of Soheugsan-do DGPS reference station
소흑산도 DGPS 기준국의 서비스 영역은 연안으로는 태안반도로부터 제주항까지 서비스가 제공되고 있으며, 해상으로는 다소 줄어들고 있으나 넓은 영역에서 서비스가 이루어지고 있다. 다도해 지역에도 40 dB㎶/m 이상의 전계강도가 나타나고 있다.
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마라도 DGPS 기준국의 (a) 전계강도 및 (b) 신호대잡음비 측정 Fig. 7 Measured (a) signal strength and (b) signal-tonoise ratio of Mara-do DGPS reference station
마라도 DGPS 기준국은 제주도 남단에 위치하여 전파 경로상의 장애물인 한라산의 영향이 나타나고 있음을 알 수 있다. 소흑산도의 서해안 방향으로는 전파가 양호하게 전달되고 있으나, 한라산을 통과하는 남해안 지역으로는 40 dB㎶/m 이하의 전계강도가 나타나고 있으며 서비스가 어려울 수 있음을 알 수 있다. 그러나 남해안 일부 지역에서도 신호대 잡음비는 일정한 값을 유지하고 있으므로 전파 경로상의 신호 감쇠에 대한 전력을 증강하거나, 안테나의 효율을 보강할 경우에는 더욱더 양호한 서비스가 제공될 수 있을 것이다 [7 , 8] .
그림 5 에서 그림 7 까지의 결과에서 서해안 연안 여객선 항로 구간의 DGPS 서비스는 양호하게 제공되고 있음을 알 수 있다. 해상 DGPS 기준국의 서비스 영역이 이중으로 중복되어 있어 팔미도와 마라도 기준국을 제외하더라도 어청도와 소흑산도의 기준국에 의해 40 dB㎶/m 이상의 전계강도와 12 dB 이상의 신호대 잡음비를 갖는 양호한 DGPS 서비스 제공이 이루어질 수 있다. 그림 8 그림 9 는 남해안의 DGPS 기준국을 중심으로 측정된 연안 및 해상 지역의 수신신호 전계강도이다.
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거문도 DGPS 기준국 전계강도 측정 Fig. 8 Measured signal strength of Geomun-do DGPS reference station
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영도 DGPS 기준국 전계강도 측정 Fig. 9 Measured signal strength of Young-do DGPS reference station
거문도 DGPS 기준국의 DGPS 신호는 한라산 반대편의 제주 지역을 제외한 다도해 지역과 인근 연안해에 40 dB㎶/m 이상의 전계강도로 양호하게 전파되고 있다. 대흑산도 다도해 해상국립공원과 부산항 인근에서는 수신 강도가 40 dB㎶/m 이하로 나타나고 있으며, 다도해의 많은 섬 등에 의한 신호 감쇠가 나타나고 있음을 알 수 있다. 아울러, 영도 DGPS 기준국의 DGPS 신호도 다도해 지역과 인근 연안해에 40 dB㎶/m 이상의 전계강도로 양호하게 전파되고 있다. 소인도의 다도해 해상국립공원부근에서는 수신 강도가 40 dB㎶/m 이하로 나타나고 있으며, 전파 경로상의 많은 섬에 의한 신호 감쇠가 나타나고 있다. 그림 8 그림 9 로부터 남해안의 대표적인 연안 여객선 항로인 제주항에서 부산항에 이르는 여객선 항로에서의 DGPS 서비스는 양호하게 제공되고 있음을 알 수 있다.
- 3.2. 동해안 여객선 항로 서비스 분석
그림 10 그림 11 은 울릉도와 포항구간인 연안 여객선 항로에서 측정한 DGPS 전파 환경이다.
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울릉도 기준국 중심 DGPS 기준국 전파 측정 Fig. 10 Measured radio wave characteristics from Ulleung-do DGPS reference station
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호미곶 기준국 중심 DGPS 기준국 전파 측정 Fig. 11 Measured radio wave characteristics from Homigot DGPS reference station
여객선 항로에서 울릉도 기준국과 호미곶 기준국을 중심으로 측정한 동해안의 DGPS 전파 환경은 48 dB㎶/m 이상의 전계강도와 10 dB 이상의 신호대 잡음비를 나타내고 있다. 그림 12 그림 13 과 같이 한 기준국을 송신국으로 설정하여 DGPS 신호를 수신하여도 안정되고 양호한 서비스 환경을 가질수 있음을 알 수 있다. 동해안은 섬 등 해상 전파 경로상에서 장애물로 작용할 수 있는 감쇠요소가 없으므로 동해안 연안 및 해상에서 DGPS 수신 환경이 양호하다.
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울릉도 기준국 중심 DGPS 기준국 전파 측정 분석 Fig. 12 Analysis of radio wave characteristics from Ulleung-do DGPS reference station
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호미곶 기준국 중심 DGPS 기준국 전파 측정 분석 Fig. 13 Analysis of radio wave characteristics from Homigot DGPS reference station
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 우리나라의 다도해인 서해와 남해, 그리고 동해의 연안을 중심으로 전파 환경을 측정하여 연안 여객선 항로 구간의 DGPS 서비스 영역을 분석하였다. 제주도의 한라산 영향을 받는 마라도 기준국을 제외한 섬 지역과 연안에 설치된 DGPS 기준국은 해상과 연안에 양호한 서비스를 제공하고 있다. 다도해 지역에서는 섬 등의 영향으로 전파 감쇠가 발생되어 수신 신호가 약한 지역이 발생되나, 인근의 다른 기준국과의 이중 서비스 중복으로 연안 여객선 항로 구간에서 양호한 DGPS 서비스 영역을 갖는다.
BIO
김영완(Young-wan Kim)
1983년 경북대학교 전자공학사
1985년 경북대학교 전자공학석사
2003년 충남대학교 전자공학박사
1984년~1990년 동양정밀공업(주) 중앙연구소 과장
1990년~1992년 (주) 유영통신 이사
1992년~2004년 한국전자통신연구원 책임연구원
2004년~현재 군산대학교 전파공학과 교수
※관심분야 : RF/Microwave 시스템 및 회로설계, 디지털 위성방송/통신시스템, 마이크로파 소자
References
DGNSS Central Office http://www.ndgps.go.kr
Norton K. A. 1937 “The Propagation of Radiowaves over the Surface of the Earth and in the upper Atmosphere” Proceedings of the Institute of Radio Engineers 25 (9) 1203 - 1236
Kim Young-Wan 2011 “Propagation Analysis of DGPS Antenna for Radial Ground and Obstacle” Journal of information and communication convergence engineering 9 (4) 363 - 368    DOI : 10.6109/jicce.2011.9.4.363
DeMinco N. 1986 Ground-wave analysis model for MR broadcasting systems
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, ITU-R M 823
U.S. Coast Guard http://www.navcen.uscg.gov
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 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 10 (2) 97 - 102    DOI : 10.6109/jicce.2012.10.2.097