GPS 사용 불가 시 항공기 항로 유지하는 이중 항법 시스템 개발

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왼쪽부터: 샌디아 국립연구소 전기 엔지니어 Prabodh Jahveri, 인턴 Will Barrett, 기술자 Michael Fleigie, 인턴 Summer Czarnowski가 기상 관측 풍선 페이로드 준비를 하고 있다. (이미지: Craig Fritz)

뉴멕시코 상공 80,000피트 기상 관측 풍선에 매달린 스티로폼 쿨러에서 한 쌍의 안테나가 튀어나와 있다. 이 안테나들은 항공 여행을 더 안전하게 만들 수 있는 신호를 듣고 있다.

샌디아 국립연구소와 오하이오 주립대 연구진이 실험적 항법 기술을 하늘로 가져가, 글로벌 포지셔닝 시스템 위성에 의존할 수 없을 때 항공기를 항로에 유지하는 백업 시스템을 개척하고 있다.

떠다니는 쿨러 15마일 아래에서 셀타워가 무선 주파수 파동의 꾸준한 윙윙거림을 내보낸다. 수백 마일 위에서는 비GPS 통신 위성들이 똑같이 한다. 이 대체 신호들을 이용해 차량의 위치와 속도를 계산하는 것이 아이디어다.

"우리는 GPS를 대체하려는 게 아닙니다."라고 샌디아 수석 연구원 Jennifer Sanderson은 말했다. "단지 GPS가 저하되거나 손상된 상황에서 이를 보조하려는 것뿐입니다. 이는 조종사와 승객에게 위험한 상황으로 이어질 수 있습니다."

GPS가 여전히 항법의 골드 스탠더드임은 의심할 여지가 없다. 빠르고 정밀하며 신뢰할 수 있다. 그러면 왜 연구자들이 새로운 항법 방법을 개발하는지 의문이 들 수 있다. "백업 없이 너무 많이 의존하는 게 걱정됩니다."라고 항법 알고리즘 전문가인 Sanderson은 말했다.

GPS는 우리 현대 기술 세계의 구조 일부가 되었다고 그녀는 말했다. 사회로서 우리는 비행기 착륙, 시내 운전, 작물 수확량 매핑, 주식 시장 거래 타이밍 등 끊임없이 GPS에 연결되어 있다. 이 의존성은 Sanderson 같은 연구자들에게 연결 중단 시 결과에 대한 우려를 준다.

"GPS 상실의 영향은 사회 전반에 미칠 수 있습니다."라고 그녀는 말했다. GPS 중단은 드물지 않다. 분쟁 지역 근처를 비행하는 조종사들은 점점 더 GPS를 잃거나 신뢰할 수 없음을 발견한다. GPS 없이 비행하는 시간이 길어질수록 사고 위험이 높아진다.

"상용 GPS 수신기는 재밍(jamming) 같은 몇 가지 위협에 취약합니다."라고 Sanderson은 말했다. 재머는 GPS 주파수에서 무의미한 신호로 수신기를 압도하는 장치로, 불법이지만 상업적으로 구할 수 있다.

또 다른 문제는 스푸핑(spoofing)이다. 가짜 신호를 사용해 수신기가 다른 위치에 있다고 믿게 만드는 것이다. 이 기술은 비밀이 아니며, 게임 커뮤니티에서 포켓몬 고 같은 위치 기반 게임 치트에 사용한다.

"위치를 스푸핑할 수 있는 앱을 다운로드할 수 있고, 다양한 게임에 사용하는 방법을 보여주는 서브레딧 전체가 존재합니다."라고 Sanderson은 말했다.

게임 스푸핑은 비교적 무해할 수 있지만, 차량을 대상으로 할 때 실제 결과를 초래할 수 있다고 Sanderson은 강조했다. 조종사들은 신호가 스푸핑된 것인지 진짜인지 알 수 없어 잘못된 방향으로 갈 수 있다.

Sanderson이 근처에 있는 비GPS 신호로 항법하는 아이디어는 완전히 새로운 것은 아니다. 과학자들은 이를 '기회 신호(signals of opportunity)'라고 부르지만 주로 지상과 근지상에서 연구해 왔다. GPS 신호가 고층 건물에 차단되는 도시 협곡에서 자율주행차 항법 방법으로 제안되어 왔다.

그러나 간단한 작업은 아니다. GPS 신호에서 시간과 위치 정보를 추출하는 대신, 기회 신호 수신기는 때때로 무선 주파수 파동의 물리적 특성을 측정한다.

예를 들어 도플러 효과를 사용할 수 있다. 수신기를 향해 이동하는 위성의 전파는 이동하면서 압축되고, 멀어지는 위성의 전파는 늘어난다. 고급 수학과 충분한 신호로 과학자들은 신호 소스를 결정하고 수신기 위치를 계산할 수 있다.

Sanderson과 팀은 고고도에서 기회 신호 항법을 연구 중이다. 성층권에서 신호 데이터를 수집할 수 있다면 항공기 같은 차량을 대기 무선 주파수 파동 네트워크로 유도하는 방법을 개발할 수 있을 것이다. "그래서 페이로드를 기상 관측 풍선에 매달아 공중으로 발사합니다."라고 그녀는 말했다.

페이로드는 한 쌍의 안테나에 부착된 전자 패키지로 단열 폼 쿨러에 묶여 있으며, 구름 위 높은 곳의 신호를 이해하는 열쇠를 쥐고 있다. 위성 신호는 강할 것으로 예상되지만, 원뿔형 전송 패턴으로 소스 근처에서 좁아져 데드존이 있을 수 있다. 뉴멕시코 같은 시골 지역의 위성 커버리지는 너무 산발적이라 유용하지 않을 수 있다. 셀타워 신호 강도는 이론적으로 계산 가능하지만 실제 상황에서 유용하려면 특성화되어야 한다.

"지금까지 도달한 최고 고도는 약 80,000피트입니다. 비교하자면 우리가 본 다른 연구들은 5,000~7,000피트에 초점을 맞췄습니다."

"항법에서 매우 중요한 측면은 모든 오차 소스를 이해하는 것입니다."라고 Sanderson은 말했다. "내 목표는 실시간 시스템 알고리즘 개발을 위한 견고한 데이터셋을 확보하여 실제 라이브 스카이 데이터를 사용한 하드웨어 테스트를 가능하게 하는 것입니다."

결국 기능적인 항법 시스템은 실시간으로 신호를 송신기와 매칭하고 그 소스들에 대한 상대적 위치와 속도를 계산해야 한다. 그러나 연구 초기 단계에서 팀은 참조 데이터를 사용해 수신된 신호를 인근 위성과 수동으로 매칭하고 있다. "꽤 지루한 작업일 수 있습니다. 그래서 자동화해야 할 주요 측면 중 하나입니다."라고 그녀는 말했다.

"아직 비행 데이터를 처리 중이지만, 예비 결과에 따르면 약 82,000피트 최고 고도에서 셀타워 신호 비콘을 감지한 것으로 보입니다. 이 신호들이 항법에 충분히 깨끗하다면 대체 항법으로 가능하다고 생각했던 것을 크게 바꿀 것입니다."라고 Sanderson은 말했다.

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