위성 항법 시스템(GNSS)에서 신호 차단과 간섭 문제는 GNSS의 정확도와 신뢰성을 크게 위협하는 요인 중 하나이다. GNSS 신호는 매우 낮은 전력으로 송신되며, 지구 상의 수신기가 위성으로부터 받는 신호는 상당히 약해 다양한 환경적 요소와 인위적인 방해에 의해 쉽게 차단되거나 간섭될 수 있다. 이로 인해 수신기 성능이 저하되거나 위치 계산에 오류가 발생할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서는 다양한 기술적 접근이 필요하며, 각각의 원인과 해결책을 이해하는 것이 중요하다.

1. 신호 차단의 주요 원인

1.1 도시 환경 및 건물

도시 지역에서는 고층 건물들이 GNSS 신호를 물리적으로 차단하거나 반사시켜 신호가 직접적으로 수신되지 않거나 다중 경로 문제를 일으킨다. 이러한 현상은 주로 신호가 지상으로부터 높은 각도로 들어올 때 발생한다. 건물의 밀집도와 높이에 따라 GNSS 신호의 수신 품질이 크게 달라지며, 신호가 차단되는 경우에는 위치 정보가 정확하지 않거나 수신 불가 상태가 될 수 있다.

1.2 전파 장애물

또한, 나무나 터널과 같은 전파 장애물도 GNSS 신호를 차단할 수 있다. 이러한 환경에서는 위성 신호가 수신기에 도달하기 전에 감쇠되거나 완전히 차단될 수 있다. 특히 터널 내에서는 위성 신호를 직접 수신하기 어려우므로, 차량 내 GNSS 수신기의 경우 터널 입구에서 신호가 끊기고 터널을 벗어난 후에야 다시 신호를 수신할 수 있다.

1.3 전파 간섭원

주파수 대역에서 간섭을 일으키는 신호가 존재할 경우 GNSS 신호가 차단되거나 왜곡될 수 있다. 특정 대역에서 강한 전파가 발생하는 전자 기기나 통신 장비가 가까이 있으면 GNSS 수신기는 신호를 정확하게 처리하지 못할 수 있다.

2. 간섭 문제

2.1 스푸핑 공격

스푸핑(spoofing)은 GNSS 수신기를 속이기 위해 의도적으로 잘못된 신호를 송신하는 행위이다. 공격자는 GNSS 수신기 근처에서 위성 신호와 동일한 주파수 대역의 잘못된 신호를 생성하여 수신기의 위치를 잘못 계산하도록 유도할 수 있다. 이 경우 수신기는 잘못된 위치를 보고하게 되며, 이는 특히 보안이 중요한 군사적 또는 상업적 응용에서 큰 문제가 될 수 있다.

2.2 재밍(Jamming)

재밍은 GNSS 신호를 방해하는 강력한 신호를 송신하여 수신기를 무력화시키는 행위이다. 재밍 신호는 GNSS 신호보다 높은 전력으로 전송되어 수신기가 위성 신호를 감지하지 못하게 만든다. 재밍 공격은 GNSS 시스템의 신뢰성을 크게 저하시킬 수 있으며, 특히 긴급 상황에서 재밍이 발생하면 큰 피해를 초래할 수 있다.

2.3 다중 경로(Multipath) 문제

다중 경로 문제는 위성 신호가 여러 경로를 통해 수신기에 도달할 때 발생한다. 예를 들어, 위성 신호가 건물, 나무, 지면 등의 장애물에 반사되어 수신기에 여러 경로로 전달되면, 수신기는 이러한 신호들을 동일한 신호로 인식하지 못하고 오차를 발생시킨다. 다중 경로로 인한 신호 지연은 특히 고정밀도를 요구하는 응용에서 문제가 될 수 있으며, 이를 보정하기 위한 다양한 알고리즘들이 사용된다.

다중 경로 문제를 수학적으로 설명하면, 위성 신호가 직접 경로로 도달할 때의 거리 d_{\text{direct}}와 반사 경로로 도달할 때의 거리 d_{\text{reflected}}는 다르게 측정된다. 신호 도달 시간 차이는 다음과 같이 표현된다:

\Delta t = \frac{d_{\text{reflected}} - d_{\text{direct}}}{c}

여기서 c는 빛의 속도이다. 이로 인해 수신기에서 계산된 거리는 실제 거리보다 더 길게 측정될 수 있다.

3. 전파 차단 및 간섭 문제 해결 방법

GNSS 신호의 전파 차단 및 간섭 문제를 해결하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다. 이러한 기술들은 주로 수신기 설계, 신호 처리 알고리즘, 그리고 외부 보정 시스템을 통해 이루어진다.

3.1 고정밀 안테나 설계

안테나 설계는 GNSS 신호의 전파 차단 및 간섭을 최소화하는 데 중요한 역할을 한다. 특히, 다중 경로 문제를 해결하기 위해 지향성 안테나를 사용하거나, 복수의 안테나를 설치하여 신호 경로의 차이를 보정하는 방법이 있다. 이를 통해 직접 경로 신호와 반사 신호를 구분할 수 있으며, 신호의 정확성을 높일 수 있다.

3.2 신호 처리 알고리즘

신호 처리 알고리즘에서는 다중 경로 신호를 보정하거나 제거하는 방법이 주로 사용된다. 예를 들어, 확장 칼만 필터(EKF)를 사용하여 GNSS 신호에서 다중 경로로 인한 오차를 최소화할 수 있다. EKF는 시스템 상태를 예측하고, 실제 측정값과 비교하여 상태를 갱신하는 방식으로 동작한다. 다중 경로 문제를 다루는 기본적인 EKF 알고리즘의 예는 다음과 같다.

상태 벡터 \mathbf{x}와 상태 천이 행렬 \mathbf{F}, 측정 벡터 \mathbf{z}는 각각 다음과 같이 정의된다.

\mathbf{x}_{k+1} = \mathbf{F} \mathbf{x}_{k} + \mathbf{w}_{k}
\mathbf{z}_{k} = \mathbf{H} \mathbf{x}_{k} + \mathbf{v}_{k}

여기서 \mathbf{w}_{k}는 시스템 노이즈, \mathbf{v}_{k}는 측정 노이즈이다. 이를 기반으로, 다중 경로로 인한 신호 왜곡을 보정할 수 있다.

3.3 보정 신호 사용

위성 신호 차단 및 간섭 문제를 해결하기 위한 또 다른 방법으로는 보정 신호를 사용하는 것이 있다. GNSS 보정 신호는 지상 기반 또는 위성 기반 보정 시스템을 통해 제공된다. 대표적으로 차분 GPS(DGPS), SBAS(위성 기반 보정 시스템), 그리고 GBAS(지상 기반 보정 시스템) 등이 있다.

3.4 전파 차단 대비 기술

위성 신호가 차단되는 경우, GNSS 신호 외에도 다른 기술을 결합하여 항법 성능을 보완할 수 있다. 특히, GNSS와 관성항법 시스템(INS)의 통합은 신호 차단 시에도 항법 시스템이 연속적으로 위치 정보를 제공할 수 있도록 한다.

관성항법 시스템은 가속도계와 자이로스코프를 사용하여 순간적인 움직임을 측정하며, 이를 GNSS 신호가 차단된 상태에서 보완할 수 있다. 이 통합 시스템에서, GNSS 신호는 주기적으로 관성항법 시스템의 오차를 보정하며, 두 시스템 간의 상호 보완적인 역할을 한다. 이를 통해 신호 차단 문제를 어느 정도 극복할 수 있다.

관성항법 시스템과 GNSS의 통합에서 사용하는 확장 칼만 필터(EKF) 알고리즘의 예는 다음과 같다. 이때 상태 벡터 \mathbf{x}는 위치, 속도, 가속도, 각속도를 포함하며, 다음과 같이 표현된다.

\mathbf{x} = \begin{bmatrix} \mathbf{p} \\ \mathbf{v} \\ \mathbf{a} \\ \mathbf{\omega} \end{bmatrix}

여기서, \mathbf{p}는 위치 벡터, \mathbf{v}는 속도 벡터, \mathbf{a}는 가속도 벡터, \mathbf{\omega}는 각속도 벡터이다. GNSS 신호가 차단되었을 때, 관성항법 시스템의 출력을 기반으로 다음과 같은 예측이 이루어진다.

\mathbf{x}_{k+1} = \mathbf{F} \mathbf{x}_k + \mathbf{G} \mathbf{u}_k

여기서 \mathbf{u}_k는 관성항법 시스템의 입력, \mathbf{F}는 상태 천이 행렬, \mathbf{G}는 입력 행렬이다. GNSS 신호가 다시 수신되면, 그 신호를 이용해 상태를 업데이트하여 오차를 보정할 수 있다.

4. 간섭 방지 및 보완 기술

4.1 안테나 기술

GNSS 신호를 수신할 때 간섭을 최소화하는 중요한 요소 중 하나는 안테나의 성능이다. 특히, 간섭이 많은 환경에서 다중 경로 신호를 필터링하거나 불필요한 신호를 차단하는 안테나 설계는 필수적이다. 예를 들어, 다음과 같은 고성능 안테나 기술이 있다.

4.2 재밍 방지 기술

GNSS 신호는 전파 간섭에 매우 민감하므로, 재밍을 방지하기 위한 다양한 기술이 개발되었다. 이 중 일부는 물리적 차단을 방지하고, 일부는 소프트웨어적으로 간섭 신호를 식별하여 대응하는 방식이다.