위성 항법 시스템(SBAS: Satellite-Based Augmentation System)은 GPS, GLONASS와 같은 GNSS 시스템의 정확도, 신뢰성, 가용성을 개선하기 위해 설계된 시스템이다. SBAS는 위성 기반으로 신호 보정을 제공하여 GNSS의 측위 성능을 향상시키는 역할을 한다. 이 섹션에서는 대표적인 SBAS 시스템으로 EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service), WAAS(Wide Area Augmentation System), MSAS(Multi-functional Satellite Augmentation System)에 대해 자세히 설명한다.

EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)

EGNOS는 유럽에서 운영되는 SBAS 시스템으로, 유럽의 GNSS 신호 보정을 위해 설계되었다. 이 시스템은 GPS와 Galileo의 신호 정확도를 개선하며, 항공, 해양, 육상 등 다양한 응용 분야에서 사용된다.

1. EGNOS의 구성 요소

EGNOS는 크게 세 가지 주요 요소로 구성된다: 1. Ranging Integrity Monitoring Stations (RIMS): GNSS 위성에서 수신된 신호를 모니터링하는 지상국 네트워크이다. 각 RIMS는 GPS 위성의 상태와 신호 정확도를 평가한다. 2. Mission Control Centers (MCCs): RIMS에서 수집된 데이터를 처리하고 오류를 계산하여 보정 신호를 생성하는 중앙 통제 센터이다. 3. Geostationary Satellites (GEOs): MCC에서 생성된 보정 신호를 사용자에게 전달하는 정지궤도 위성이다. 이 위성들은 GNSS 위성 신호와 함께 사용자의 수신기에 도달하여 신호 보정을 돕는다.

2. EGNOS의 보정 신호

EGNOS는 사용자가 수신하는 GPS 신호에 대한 다양한 오차를 보정하기 위해 3가지 주요 신호 보정 정보를 제공한다: 1. 오차 원점 보정 (Correction for Errors from Satellite): GPS 위성의 궤도와 시계 오차를 실시간으로 모니터링하고 보정한다. 2. 전리층 보정 (Ionospheric Delay Correction): 전리층에서 발생하는 신호 지연을 보정하여 더욱 정확한 위치를 제공하는 정보이다. 3. 신호 무결성 정보 (Integrity Information): GNSS 신호의 신뢰성에 관한 정보를 제공하여, 오차가 발생할 가능성을 실시간으로 모니터링한다.

3. EGNOS의 신호 처리 과정

사용자는 EGNOS 보정 신호를 수신하여 GNSS 신호의 정확성을 크게 향상시킬 수 있다. 보정 신호는 다음과 같은 방식으로 처리된다: 1. 사용자 GNSS 수신기는 정지궤도 위성에서 전달되는 보정 신호를 수신한다. 2. 수신기는 보정 신호와 GPS 신호를 결합하여 새로운 위치를 계산한다. 이때, 보정된 위성의 궤도와 시계 정보를 사용하여 더 정확한 위치를 추정한다. 3. 신호 무결성 정보는 수신기의 오류 감지 시스템을 강화하여, GNSS 신호의 신뢰성을 보장한다.

WAAS (Wide Area Augmentation System)

WAAS는 미국에서 운영되는 SBAS 시스템으로, 북미 지역에서의 GNSS 정확도와 신뢰성을 보장하기 위해 개발되었다. WAAS는 GPS의 측위 성능을 개선하며, 특히 항공 산업에서 중요한 역할을 한다.

1. WAAS의 구성 요소

WAAS는 다음과 같은 요소로 구성된다: 1. Ground Reference Stations (GRS): GPS 위성 신호를 모니터링하는 지상국 네트워크이다. GRS는 GPS 신호의 정확도와 무결성을 평가하는 역할을 한다. 2. WAAS Master Stations (WMS): GRS에서 수집된 데이터를 중앙에서 처리하고 보정 신호를 생성하는 중앙 제어 시스템이다. 3. Geostationary Satellites (GEOs): 생성된 보정 신호를 사용자에게 전달하는 정지궤도 위성이다.

2. WAAS의 보정 신호

WAAS는 다음과 같은 정보를 포함하여 사용자의 GNSS 성능을 개선한다: 1. 위성 궤도 및 시계 보정 (Satellite Orbit and Clock Corrections): GPS 위성의 위치 및 시계 오차를 보정하여 사용자에게 더 정확한 신호를 제공한다. 2. 전리층 보정 (Ionospheric Corrections): 전리층에서 발생하는 신호 지연을 보정하여, 특히 저고도에서의 신호 정확도를 높인다. 3. 신호 무결성 보장 (Signal Integrity Assurance): GPS 신호가 사용 가능한 상태인지 여부를 실시간으로 모니터링하고, 문제가 발생하면 즉각적으로 경고를 보낸다.

3. WAAS의 적용 분야

WAAS는 특히 항공 분야에서 널리 사용되며, 항공기의 이착륙 시 높은 정확도의 위치 정보를 제공한다. 또한, WAAS는 해상, 농업, 자율 주행 차량 등 여러 산업에서 GNSS 성능을 개선하는 데 기여한다.

MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System)

MSAS는 일본에서 운영되는 SBAS 시스템으로, 아시아-태평양 지역의 GNSS 성능을 향상시키기 위해 개발되었다. MSAS는 항공기 항법 지원을 주요 목적으로 설계되었지만, 다른 응용 분야에서도 사용 가능한다.

1. MSAS의 구성 요소

MSAS는 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있다: 1. Ground Monitoring Stations (GMS): GPS 신호의 정확도와 무결성을 모니터링하는 지상 기반 시설이다. GMS는 일본과 그 주변 지역에 위치하여 GPS 위성의 상태를 실시간으로 모니터링한다. 2. MSAS Master Control Centers (MCCs): GMS에서 수집된 데이터를 처리하고, 이를 통해 보정 신호를 생성하는 중앙 통제 시스템이다. MCC는 GPS 신호의 궤도 오차 및 전리층 지연 등의 보정값을 계산한다. 3. Geostationary Satellites (GEOs): MSAS 보정 신호를 사용자의 GNSS 수신기에 전달하는 역할을 한다. GEO는 정지궤도 위성으로, 넓은 지역에 걸쳐 안정적인 신호 전송을 보장한다.

2. MSAS의 보정 신호

MSAS는 다음과 같은 보정 정보를 제공한다: 1. 위성 궤도 및 시계 오차 보정 (Satellite Orbit and Clock Error Correction): GPS 위성의 궤도 및 시계 오차를 실시간으로 보정하여 위치 정확도를 개선한다. 2. 전리층 보정 (Ionospheric Correction): 전리층에서 발생하는 신호 지연을 보정하여 GNSS 수신기의 위치 추정에 더욱 높은 정확성을 제공한다. 3. 무결성 정보 (Integrity Information): GPS 신호의 신뢰성을 실시간으로 평가하여 사용자에게 신호가 신뢰할 수 있는지 여부를 알린다. 문제가 발생할 경우 경고 메시지가 즉시 전송된다.

3. MSAS의 적용 분야

MSAS는 항공기 항법 지원을 주요 목표로 하고 있지만, GPS 신호의 정확도와 신뢰성을 높이는 보정 신호를 제공하기 때문에 다른 분야에서도 광범위하게 활용된다. 예를 들어, 해상 항법, 차량 네비게이션, 지도 제작 등의 응용 분야에서도 MSAS 보정 신호를 통해 더욱 정확한 위치 데이터를 사용할 수 있다.

SBAS 시스템의 보정 메커니즘

SBAS 시스템은 GPS 신호에 다양한 보정값을 적용하여, 일반적으로 다음과 같은 수학적 모델을 사용해 위치를 보정한다. 각 SBAS 시스템이 제공하는 보정값을 수신기에서 수신한 후 다음의 수식을 통해 GPS 신호를 보정한다.

1. 측위 오차 보정 수식

위성에서 수신한 위치 값 \mathbf{P}_{\text{GPS}}에 SBAS 시스템이 제공하는 보정값을 적용하면 다음과 같이 보정된 위치 값을 얻을 수 있다.

\mathbf{P}_{\text{corrected}} = \mathbf{P}_{\text{GPS}} + \mathbf{C}_{\text{orbit}} + \mathbf{C}_{\text{clock}} + \mathbf{C}_{\text{iono}} + \mathbf{C}_{\text{tropo}}

여기서: - \mathbf{C}_{\text{orbit}}: 위성 궤도 오차에 대한 보정값 - \mathbf{C}_{\text{clock}}: 위성 시계 오차에 대한 보정값 - \mathbf{C}_{\text{iono}}: 전리층 지연 보정값 - \mathbf{C}_{\text{tropo}}: 대류권 지연 보정값

이 수식을 통해 SBAS 시스템이 제공하는 보정 신호를 GNSS 수신기에 적용하여 더욱 정확한 위치를 계산할 수 있다.

2. 무결성 정보

SBAS 시스템은 또한 GNSS 신호의 무결성을 보장하기 위한 정보도 제공하며, 이를 수학적으로 표현하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

I_{\text{integrity}} = \begin{cases} 0 & \text{GPS 신호의 무결성이 보장된 경우}\\ 1 & \text{무결성 위반 감지 시 경고 발행} \end{cases}

무결성 정보는 GPS 신호가 신뢰할 수 없는 경우 경고를 발행하며, 이를 통해 사용자에게 안전한 위치 서비스를 제공하는 것이 목표이다.

SBAS 시스템의 장점

SBAS 시스템은 일반적인 GNSS 시스템보다 다양한 환경에서 더욱 높은 정확도와 신뢰성을 제공한다. 특히, 다음과 같은 장점이 있다: - 높은 위치 정확도: 위성 궤도 및 시계 오차, 전리층 및 대류권에서 발생하는 신호 지연을 실시간으로 보정하여 GNSS 수신기의 위치 추정 성능을 향상시킨다. - 신호 무결성 보장: 항공기와 같은 안전이 중요한 시스템에서는 GNSS 신호의 무결성을 보장하는 것이 필수적이다. SBAS 시스템은 신호의 신뢰성을 실시간으로 모니터링하여 사용자가 안전하게 신호를 사용할 수 있도록 보장한다.