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A Study on Development Direction of Navigation System for NAVWAR
A Study on Development Direction of Navigation System for NAVWAR
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2015. Mar, 19(3): 756-763
Copyright © 2015, The Korean 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 : December 31, 2014
  • Accepted : February 23, 2015
  • Published : March 31, 2015
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About the Authors
창묵 최
Department of Navigation, Naval Academy, Changwon 645-797, Korea
광섭 고
Division of International Maritime Transportation Science, Mokpo Maritime University, Mokpo 530-729, Korea
kwangsoob@hanmail.net

Abstract
군사적으로 미래전에서는 항법시스템을 무력화시키기 위한 방편으로 전자전 형태의 항법전(NAVWAR; NAVigation WARfare)이 대두 될 것으로 판단된다. 따라서 본 논문에서는 상용화 된 항법시스템을 지상항법 시스템과 위성항법 시스템으로 구분하여 발달과정을 조사하고, 항법전이 무엇인지 그리고 이에 대한 항법시스템의 취약성을 체계적으로 분석하여 미래 항법시스템 발전방향을 eLoran 시스템 구축, 통합수신기 개발, 통합감시체계 구축으로 경보단계 설정 등 다섯 가지 방향을 제시하였다.
Keywords
Ⅰ. 서 론
미래전은 과학기술의 발달로 네트워크 기반의 정밀 타격이 보편화되는 형태로 발전할 것이며, 이러한 형태로 운용되는 항법시스템을 무력화시키기 위해 전자전 형태의 항법전(NAVWAR; NAVigation WARfare) [1] 이 대두 될 것으로 판단된다.
항법이란 선박이 위치를 측정하며 목적지로 항해해 가는 방법을 말하며, 육상에서는 도로나 지형지물이 잘 표현되어 있어 손쉽게 목적지를 찾아갈 수 있으나 해상에서는 주위 표지가 없어 어렵기 때문에 해상에서 발달하였다. 그러나 요즘은 선박의 범주에서 확대하여 육상의 자동차나 공중의 비행기, 우주의 우주선까지 항법이란 용어를 사용한다 [2] . 항법은 육상의 물표를 관측하는 지문항법에서부터 시작하여 천문항법, 전파항법, 위성항법까지 발달하여 왔다.
위성항법 시스템은 전 세계적인 측위시스템으로 GNSS(Global Navigation Satellite System)라 불리고, 미국의 GPS(Global Positioning System), 러시아의 GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)가 운용되고 있으며, EU의 GALILEO, 중국의 COMPASS 등이 구축 중에 있어 향후 100기 이상의 항법위성이 널리 상용될 전망이다 [3 - 7] .
그러나 항법위성에서 보내는 신호는 주파수가 공개되어 있을 뿐만 아니라 중궤도에서 송신하기 때문에 지상에서의 수신 전계강도가 매우 미약하여 외부 간섭에 쉽게 노출될 수 있다. 최근 이동통신과 해상에서의 선박 항해 장애도 특정집단 또는 특정국가의 전파 교란에 의해 통신 네트워크 구축에 필요한 시각 정보와 위치 정보의 일시적 손실로 인해 발생하였다.
따라서 향후 미래전에 대비하기 위해 항법 시스템의 발달과정을 조사하고 항법전과 이에 대한 취약성을 분석하여 미래 항법시스템의 발전방향을 제시하고자 한다.
Ⅱ. 항법시스템
- 2.1. 개요
인류가 처음으로 항해를 할 때에는 수평선 너머에 대한 두려움 때문에 육지 가까이에서 육상물표를 보며 항해할 수밖에 없어 육상의 물표를 관측하여 위치를 구하는 지문항법을 이용하였다. 이후 천체의 앙각을 측정하여 천측력으로부터 위치를 결정하는 천문항법이 대두되어 선박이 해안에서 멀어져서 육지나 섬 등 육상물표를 확인할 수 없는 대양에서 사용되었다.
그러나 해상에서는 시계가 불량한 경우 항법을 해결할 수 있는 방법이 필요하여 전파를 매개체로 이용하는 전파항법이 시작되었다. 그 이후 1957년 구 소련의 스퓨트닉 1호 인공위성 발사 성공에서 시작된 우주개발 기술은 그 응용분야의 하나로 인공위성을 이용하여 위치를 구하는 항법기술의 촉진을 가져와 현재에 이르고 있다.
- 2.2. 전파항법시스템
20세기에 들어오면서 전파를 이용한 과학기술이 급속도로 발달하여 먼 바다에서 배의 위치를 알 수 있는 방법이 제안되고 실현되었다. 먼저 개발된 것은 무선방위측정기로 육상송신국으로부터 전파 비컨을 이용하여 방위를 측정하였다 [8] . 초기에는 기상에 관계없이 사용할 수 있다는 장점으로 각광을 받았으나 이후 쌍곡선 항법기기가 개발되어 사용빈도가 낮아지고 탑재규정이 삭제되었다.
쌍곡선 항법은 특정 송신 주기를 갖는 한 쌍의 송신국 전파의 도착시간차를 구하면 수신자는 하나의 쌍곡선상에 있음을 알게 되고, 다른 한 쌍의 송신국에 의한 쌍곡선을 얻을 수 있으면, 그 두 쌍곡선의 교점으로 위치가 구해진다. 이와 같이 위치를 낼 때 사용하는 위치선(LOP; Line of Position)이 쌍곡선인 점에서 쌍곡선 항법이라 한다. 쌍곡선 항법도 초기에는 획기적인 항법체계였으나 정확도 측면에서 95% 확률 분포로 460m 이상의 오차범위를 가지고 있어 위치정확도가 뛰어난 위성항법시스템이 개발되면서 다소 쇠퇴하였으나 위성항법시스템의 취약점을 극복할 수 있는 대안으로서 발전된 시스템인 eLoran의 등장을 예고하고 있다.
eLoran은 장비 업그레이드와 데이터 채널 할당, 디지털신호처리 등을 통하여 쌍곡선 항법체계인 Loran-c 보다 우수한 정확도와 무결성, 지속성을 가지도록 향상된 시스템이다 [9] . 그림 1 은 Loran-c와 eLoran 시스템의 위치결정 원리를 보여주고 있다.
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Loran-c과 eLoran 위치결정 원리 Fig. 1 The concept of Loran-c and eLoran positioning
- 2.3. 위성항법시스템
인공위성을 이용하여 위치를 구하는 항법기술로 위성항법이라 부르고 있으며 이것은 전파항법의 범주라 할 수 있다.
위치 측정의 기본원리는 위치선을 위성 신호로부터 계산하여 위치를 구하는 것이다. 즉, 측위 원리는 기하학적 삼각법에 의한 위치 결정으로 위치를 정확히 아는 위성에서 출발한 위성신호를 수신하여 전파의 도달 시간을 측정하고, 이것이 위치선이 되어 사용자의 위치를 계산하는 것으로 최소 4개의 위성으로부터 신호를 받을 때 위치 및 시간을 정확하게 얻을 수 있다. 그림 2 는 위성항법의 위치결정 원리를 보여주고 있다.
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위성항법 위치결정 원리 Fig. 2 The concept of GNSS positioning
위성항법시스템인 GNSS는 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS가 운용되고 있으며, EU의 Galileo, 중국의 COMPASS 등이 구축 중에 있다. 또한 지역적으로는 일본의 QZSS, 인도의 IRNSS 위성항법시스템이 운용되고 있다.
전 세계적인 규모의 측위시스템에 사용되는 GNSS는 IMO(International Maritime Organization) 등의 국제 기구가 공식으로 채택한 용어로서 “인공위성을 이용한 항법 방식을 일반적으로 부르는 용어”이다 [7] . 현재 완료, 진행 중인 GNSS 시스템의 특성을 비교하면 표 1 과 같다 [10] .
GNSS 시스템 특성 비교Table. 1 Analysis of characteristics of GNSS
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* 지역항법시스템인 QZSS, IRNSS 제외
Ⅲ. 항법전 및 취약성 분석
- 3.1. 항법전
과학기술과 함께 발달한 전파항법은 과거 무기체계 운용개념을 획기적으로 바꾸어 미래전 양상을 바꾸어 가고 있다 [7] . 최근 새로이 대두되는 항법전은 항법시스템을 무력화시키는 것으로 전자전(EW: Electronic Warfare) 형태라 할 수 있다.
전자전은 크게 전자지원, 전자공격, 전자보호로 구분되며 그림 3 과 같다 [11] .
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전자전 Fig. 3 Electronic Warfare
전자지원은 전장에서 즉각적인 적 위협요소의 탐지를 목적으로 의도적 또는 비의도적으로 방사되고 있는 전자파 에너지를 탐색, 감청, 식별하고 방사위치를 탐지하기 위하여 취해지는 제반활동을 말한다.
전자공격은 적의 전투능력을 저하 또는 무력화시키기 위하여 적의 인원, 장비, 시설에 대하여 전자기 에너지와 지향성 에너지를 사용하는 활동이다. 여기에는 방해 및 기만과 같이 전자파를 사용하여 적의 전자파 스펙트럼 사용을 방해 또는 저하시키는 행위와 고출력 전파에너지를 이용하여 적의 전투능력을 무력화 파괴시키는 행위를 포함한다.
전자보호는 대전자전이라고 부르기도 하는데 이는 적의 전자지원 및 전자공격에 대항하여 아군을 보호하기 위한 기술이다.
전자전의 세 분야 중에서 가장 중요한 것이 전자공격으로 전자파 에너지를 사용하여 적 인원, 시설, 장비를 공격하거나 전투기능을 무력화시키는 전자전의 한 부분이다. 전자공격 기술에는 방해(Jamming), 기만(Deception), 무력화(Neutralization) 등이 있다. 방해는 적 장비의 신호를 방해하기 위해 전자파 에너지를 방사하는 것을 말하고, 기만은 적을 혼란시키기 위해 오정보 또는 오신호를 흘려보내는 것이다. 또한 무력화는 적 전자 장비를 마비시키거나 영구 파괴하기 위해 전파 에너지를 사용하는 것이다 [11] .
방해의 목적은 사용 신호보다 큰 신호를 발생시켜 대상 수신기에 보냄으로서 시스템을 마비시키는 것이다. 그림 4 는 전파방해 신호 개념을 설명한 것이다. 기만의 목적은 적이 오판을 하게하거나 적에게 혼란을 유도하는 것으로 조작(Manipulation), 모사(Simulation), 모조(Imitation)의 세 가지가 있다. 조작은 아군의 전자 프로파일을 바꿈으로서 아군 활동의 징후가 변경 되는 것처럼 보이는 것을 말하고, 모사는 아군의 잘못된 위치정보나 능력을 조작하여 보여주기 위해 모의 통신 및 전자 장비를 사용하는 것이다. 모조는 적이 오판을 하거나 잘못된 정보를 얻도록 할 목적으로 적 통신 시스템에 침투하는 것을 말한다. 조작과 모사는 적의 전자지원 시스템이 표적이 되며, 모조는 적의 통신 시스템이 표적이 된다.
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전자방해 신호 개념 Fig. 4 The concept of Jamming signal
- 3.2. 취약성
과학기술의 발달과 함께 전파항법이 정밀한 PNT(Position, Navigation and Time) 서비스를 위해 눈부신 발전을 거듭하여 오늘의 위성항법까지 이르고 있지만 이 시스템들이 전파를 이용하기 때문에 앞서 언급한 항법전에서 전자공격의 전파방해와 기만에 취약한 단점을 가지고 있다.
항법위성에서 보내는 신호는 L밴드로 공개되어 있을 뿐만 아니라 약 20,000km 상공에서 송신하기 때문에 -160 dBW 이하로 매우 미약한 신호로 되어 외부 간섭에 쉽게 노출될 수 있어 [12] 전자공격에 의해 방해(Jamming) 및 기만(Spoofing)을 손쉽게 받을 수 있는 것이다 [10] .
그림 5 는 Jamming 실시전과 후의 GPS 수신기 상태를 보여준다. Jamming 전에는 위성에서 보내주는 신호가 안정적으로 수신되지만 Jamming 후에는 시스템의 전자파감수성(EMS; Electromagnetic Susceptibility)에 따라 다소 차이는 있을 수 있지만 수초 또는 수분 안에 위성의 신호를 소실하여 자신의 위치를 잃어버리게 된다.
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Jamming 수신기 특성 Fig. 5 The receiver characteristics from jamming
그림 6 은 Spoofing의 위협을 보여주는 것이다.
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Spoofing 위협 Fig. 6 Spoofing threat
적의 항법전 공격에 의해 함정의 위치가 잘못되어 있는 것을 인지하지 못하고 전장에서 적을 미사일로 공격하여 오폭하는 상황으로 아군에게도 매우 큰 위험을 초래할 수 있다.
이러한 문제점에 가장 취약한 것은 위성항법시스템이며 지상항법시스템은 강한 전파신호와 저주파를 이용하는 특성으로 인하여 다소 항법전에 강할 뿐만 아니라 건물 내부에서까지도 위치 측정이 가능한 장점이 있다. 그러나 현재의 지상항법시스템은 위성항법시스템 대비 정확도가 낮으며 서비스 지역이 다소 축소되는 단점이 있다.
위성항법과 지상항법 시스템이 특징과 취약점을 비교하여 분석하면 표 2 와 같이 나타낼 수 있다.
위성항법시스템과 지상항법시스템의 특징 및 취약점Table. 2 Characteristics and vulnerability of satellite and ground radio navigation
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위성항법시스템과 지상항법시스템의 특징 및 취약점 Table. 2 Characteristics and vulnerability of satellite and ground radio navigation
Ⅳ. 항법시스템 발전 방향
과학기술의 발달과 강대국들의 다양한 위성항법시스템 구축으로 시스템이 안정적으로 넓은 주파수 대역이 사용되어 전파방해에 다소 우수하게 대처 가능하여 우연한 잡음이나 단순 방해 전파간섭은 제어가 가능하다. 그러나 의도적인 항법전의 전파방해는 다소 감소시킬 수는 있으나 전파의 특성상 완전히 전파방해를 없애는 것은 불가능한 일이다.
모든 강대국들이 위성항법 시스템을 구축하고 있어 미래 항법시스템의 발전방향은 정해져 있다고 해도 과언이 아니다. 그러나 위성항법 시스템은 취약점을 가지고 있기 때문에 이를 보완하기 위한 방법과 유사시 사용할 수 있는 대체항법시스템 개발을 위해 지상항법시스템도 발전할 것이다. 또한 잠시 서비스 불가 지역에서도 항법이 가능한 보조시스템(관성항법 등)이 발달할 것으로 보인다.
따라서 다음과 같이 우리나라의 미래 항법시스템의 발전방향을 제시하고자 한다.
첫째, 우리나라 국토는 육지만볼 때 남한 약 10만 km 2 , 한반도 전체 약 22만 km 2 로 다른 나라들에 비해 작기 때문에 지상항법시스템(eLoran)으로 국가 인프라로 구축하는 것이다. 비록 3차원이 아닌 2차원으로 위치를 구하는 문제점은 있지만 유용성 측면에서 매우 효과적일 것이다.
기존 Loran 시스템의 우리나라 기지국을 이용하고 추가적으로 3~4개 기지국을 설치하여 인프라를 구축할 경우 국가적으로 더욱 효과적일 것이다.
둘째, 세계적인 강대국들이 구축하거나 구축하고 있는 GPS, GLONASS, GALILEO, COMPASS 등 GNSS 위성항법 시스템을 효과적으로 사용할 수 있는 통합수신기를 개발하여 사용하는 것이다. 또한 eLoran 시스템까지 통합할 경우 그 효과는 매우 클 것이다.
통합수신기로 사용 시 항법전에도 다소 강건해질 뿐만 아니라 도심이나 산 등의 위성 가시영역이 문제가 되는 지역에서도 많은 위성으로부터 신호를 받아 정확한 위치를 구할 수 있을 것이다.
그림 7 에서 보이듯 GPS와 GLONASS 시스템을 통합 수신하여 분석한 결과 DOP(Dilution of precision) 측면에서 GDOP(Geometric DOP)가 0.3 ~ 0.8, TDOP(Time DOP)가 0.1 ~ 0.3 향상됨을 확인하였다 [13] . DOP는 위치 측정시 위성의 기하학적 배치를 확인하는 척도이다 [14 , 15] . 그림 7 의 DOP 향상 정도는 위성 가시영역에서 향상된 데이터이며, 도심이나 산악 등 GPS 위성 가시영역 밖에서는 더욱 효과가 클 것으로 예측된다.
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GPS와 GNSS의 GDOP 및 TDOP 비교 분석 Fig. 7 Analysis of GDOP & TDOP from GPS & GNSS
위성항법 시스템의 취약점은 강대국들이 잘 파악하고 있기 때문에 각국들은 자국의 위성항법 시스템에 대해 현대화 정책을 추진하여 Power를 올리고 새로운 암호화 체계를 구현하는 등 시스템 강화를 위해 노력하고 있다. 우리 이용국의 입장에서는 환경변화에 주목하여 잘 활용하는 것이 무엇보다도 중요하다고 본다.
셋째, 통합수신기에 추가하여 Beamforming 기법이나 필터링 기법을 이용한 수신기 신호 제어 기술로 항법전 재밍 신호를 제어하여 수신신호를 보호하는 것이다.
넷째, 서비스가 되지 않는 지역에서 일시적으로 사용할 수 있도록 관성항법장치 등의 보조시스템을 발전시키는 것이다.
위성항법이나 지상항법시스템을 개발할 지라도 터널 안에서나 대도시의 건물과 건물 근처에서는 항법서비스 사용이 매우 어렵기 때문에 서비스되지 않는 짧은 시간에도 정확한 위치를 예측하며 사용가능한 보조시스템의 발전이 필요하다.
다섯째, 항법시스템에 대한 통합감시체계를 구축하여 시스템 모니터링에 의해 항법전 수위에 따라 실시간 정상, 경고, 위험 등을 방송해 주어 이용 가능한 타 시스템으로 전환토록 하는 것이다 [10] . 통합감시체계는 기존 구축되어 있는 관측소 또는 DGPS 기준국에서 손쉽게 수행 가능할 것으로 보이며, 그림 8 처럼 기준선을 설정하여 방송하면 될 것으로 본다.
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항법전 감시체계 경보 단계 Fig. 8 Alert steps of watch system for NAVWAR
Ⅴ. 결 론
미래전에서는 항법시스템을 무력화시키기 위한 방편으로 전자전 형태의 항법전까지 대두 될 것으로 보여 이에 대한 대비가 필요하다.
또한 우리나라는 향후 동북아 항공 및 항만 허브역할의 적극적인 수행을 위해 독자적인 항법시스템을 구축할 필요가 있어 미래 항법시스템 발전방향으로 다음과 같이 제시하였다.
첫째, 지상항법 시스템인 eLoran으로 국가 측위 인프라를 구축하는 것이다.
둘째, GNSS 시스템을 효과적으로 사용할 수 있는 통합수신기를 개발하여 사용하는 것이다. 또한 eLoran까지 통합할 경우 매우 효과적일 것이다.
셋째, 수신기 신호제어 기술로 항법전 재밍 신호를 제어하여 수신신호를 보호하는 것이다.
넷째, 서비스가 되지 않는 지역에서 일시적으로 사용할 수 있도록 관성항법장치 등의 보조시스템을 발전시키는 것이다.
다섯째, 다양한 항법시스템에 대한 통합감시체계를 구축하여 시스템 모니터링에 의해 항법전 수위에 따라 대처할 수 있도록 하는 것이다.
Acknowledgements
본 논문은 해군사관학교 해양연구소의 지원을 받아 게재되었음.
BIO
최창묵(Chang-Mook Choi)
1996년 해군사관학교 기계공학과 공학사
2001년 군사과학대학원 해양공학과 공학석사
2008년 한국해양대학교 전파공학과 공학박사
2008년 ~ 현재 해군사관학교 교수
※관심분야 : 전파/위성항법, 전파흡수체 개발
고광섭(Kwang-Soob Ko)
1979년 해군사관학교 공학사
1983년 한국해양대학교 공학석사
1991년 미 클락슨대 전자공학과 공학박사
1983년 ~ 2008 해군사관학교 교수
2012년 ~ 현재 목포해양대학교 교수
※관심분야 : 전파/위성항법, 해양통신
References
Forssell Borje , Olsen Trond Birger 2003 “Jamming GPS: Susceptibility of some Civil GPS Receiver,” GPS World 14 (1) 54 -
Park Y. G. , Park S. G. 1997 Geo Navigation Yeongyeong Munhwasa
GPS Website htt://www.gps.gov
GLONASS Website http://www.glonass-center.ru
GALILEO Website http://www.ec.europa.eu/galileo
Beidou Navigation Satellite System Website http://www.beidou.gov.cn
Ko K. S. 2010 “Circumstance Change of GNSS & Application Strategy of Navigation Technology for Modem Weapon System,” International Journal of Information and Communication Engineering 14 (1) 267 - 275
Groves P. D. 2008 Principles of GNSS,Inertial and Multisensor Integrated Navigation Systems Artech House MA 196 - 211
Internation Loran Association 2007 Enhanced Loran(eLoran) Definition Document
Choi C. M. “An Analysis on Recent Construction Trends of GNSS,” in Proceeding of Conference on Information and Communication Engineering May 2013 vol. 17, no. 1 1027 - 1030
Hwang C. S. 2009 Information warfare for the future Goldegg
John A. Volpe National Transportation Systems Center 2001 Vulnerability assessment of the Transportation Infrastructure relying on the Global Positioning System, Final report
Choi C. M. , Ko K. S. 2011 “A Study on the DOP Improvement using Hybrid Satellite Navigation System,” International Journal of Information and Communication Engineering 15 (9) 2045 - 2049
Kaplan E. , Heganty C. 2006 Introduction to GPS 2nd-ed. Artec House MA
Phillips A. H. 1984-85 "Geometrical Determination of PDOP," J. of Navigation 31 (4) 329 - 333    DOI : 10.1002/j.2161-4296.1984.tb00883.x