다이나믹 포지셔닝 시스템(DPS) 기술 이슈
박세환 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원
키워드 : 스마트 미디어, GPS 위치추적 기술, 전리층 섬광현상, DPS 기술, GPS 신호, 국내 DPS 기술력, 배터리 동력원 선박, CCTV 관제시스템
서언
2010년부터 급속히 대중화되기 시작한 스마트폰 및 태블릿PC 등 스마트 미디어기기와 2011년 7월부터 서비스가 본격 개시된 4G-LTE(Long Term Evolution) 이동통신 서비스 등에 힘입어 LBS(Location Based Services) 기술 기반의 GIS(Geographic Information System) 서비스에 대한 수요가 빠르게 확대되고 있다.
최근에는 3D-GIS(3차원 GIS: 국토공간상의 자연물과 인공물의 속성정보와 위치정보를 컴퓨터에 입력하고 이를 3차원으로 지도화하는 정보시스템을 의미한다. 3D-GIS 기술은 클라이언트·서버 방식에서 웹(Web) 3D-GIS로 2차원에서 3차원 방식으로 변화해 가고 있으며 공간정보 획득 및 분석방법도 보다 다양화되어 가고 있다) 기술로 발전하면서 인터넷 기반의 주요 데이터 서비스로 자리잡아가고 있다.
이처럼 GIS 데이터 사용자의 요구가 다양해지면서 위치 데이터에 GIS 데이터를 연계한 복합적인 형태의 서비스 요구도 늘어나고 있다.
아울러 인공위성을 통한 모바일 GIS 및 GPS(Global Positioning System: 기후조건에 관계없이 이용자가 지구상 어디에 있더라도 시간·위치·이동속도 등 관련 데이터를 제공한다. 주 용도는 측량·지도작성·선박이나 항공기의 항법 및 측량·차량용 내비게이션 등이다) 위치추적 기술의 발달로 위치정보를 이용한 다양한 콘텐츠 및 응용서비스로 발전하고 있다.
운전자, 보행자, 여행자, 초행길 위치 탐색자, 주차장의 빈 공간 탐색자 등 다양한 목적을 가진 사용자들을 실시간으로 감지해 위치탐지 기능을 제공하고 있다. 이처럼 획기적인 발전을 거듭하고 있는 GPS 위치추적 기술이 한국과 반대편의 남미에서는 상황이 다르다. 한국에서는 문제없이 수신되는 GPS 신호가 남미에서는 가끔 말썽을 일으킨다고 한다.
그 원인은 전리층 섬광현상(ionospheric scintillation) 때문이다. 전리층 전자 밀도의 불규칙성에 의한 전리층(지구 표면에서부터 40~400㎞ 높이의 대기층으로서 이 층에는 공기 분자가 태양 에너지의 영향을 받아 전하를 얻으면서 생긴 자유전자가 밀집돼 있다) 신틸레이션 현상은 태양활동 극대기에 적도 부근에서 주로 관측된다.
강한 신틸레이션이 발생했을 경우 GPS 수신기가 위성 신호를 잃게 될 수도 있으며 여러 통신위성에서 동시에 신틸레이션으로 인한 신호 손실이 발생하게 되면 GPS에 기반한 항공기 운항에 큰 위협을 줄 수 있다.
특히 GPS 기술력이 빠르게 현대화되면서 민간사용자에게 코드가 공개되는 L2C 및 L5 주파수 신호가 추가됨으로써 다중 주파수 간 신틸레이션 현상이 점차 심해지고 있다(이를 해결하기 위해서는 강한 신틸레이션이 가장 많이 발생하는 적도 지방의 신틸레이션 자료 수집과 이를 토대로 자동화된 신틸레이션 검출 알고리즘을 개발해 다중 주파수 신틸레이션 자료수집 장비에 적용할 필요가 있다).
이 연구에서는 통신위성에서 발사된 전파가 전리층을 투과해 지상의 위성기지국에 전달될 때 나타나는 전리층 섬광현상을 해결할 수 있는 솔루션으로 주목받고 있는 다이나믹 포지셔닝 시스템(DPS) 기술 이슈, 국내 DPS 개발사례를 통한 국내 DPS 기술력 진단과 다양한 운용사례 등에 대해 설명한다.
다이나믹 포지셔닝 시스템 기술 이슈
전리층 섬광현상과 GPS 신호 = 통신위성에서 발사된 전파는 전리층을 투과해 지상의 위성기지국에 전달된다. 이때 전리층에 있는 자유전자(free electron)들의 전하밀도(electric charge density)가 일정하지 못하면 전파전달 과정에 문제가 발생해 전파 안에 담긴 정보가 손실되는 섬광현상이 발생할 수 있다.
전리층 섬광현상은 태양과 가까운 적도와 남극과 북극에서 주로 일어나기 때문에 적도에 가까운 남미에서는 GPS 신호가 종종 말썽을 일으키는 경우가 있다.
예를 들어 심해에서 석유를 채취하는 시추선의 경우 시추선이 움직이지 않고 한 자리에 고정되어 있는 것이 매우 중요하다. 그런데 망망대해에서 전리층 섬광현상이 발생하면 GPS 신호에 오류가 발생하고 거대한 시추선의 위치제어가 불가능해지는 상황이 초래될 수 있다.(이처럼 시추선의 위치가 흐트러진다면 자동차에서 내비게이션이 잘못 알려준 길을 따라 가다가 시간을 낭비하는 것과는 차원이 다른 거대한 경제적 손실이 발생할 수 있다)
다이나믹 포지셔닝 시스템의 기능 = 전리층 섬광현상으로 인해 GPS 신호에 오류가 발생하는 문제를 해결할 수 있는 솔루션이 다이나믹 포지셔닝 시스템(DPS: Dynamic Positioning System)이다.
이는 이름 그대로 다이내믹하게 출렁이는 바다에서도 위치를 정확하게 유지시켜주는 내비게이션 시스템이다.(미국의 GE파워컨버전(Power Conversion)은 ‘다이내믹 포지셔닝’이라는 내비게이션 시스템을 개발한 바 있다). DP의 기능을 간단히 요약하면 다음과 같다.
- 공해상에서 비행기나 선박을 조종하기 위해 만든 DPS 시스템은 수많은 하드웨어와 산업용 인터넷과 연결돼 시시각각 변하는 풍속과 해류의 강도, 위치를 실시간으로 감지하고 3대의 GPS와 2대의 음향장치를 통해 해저에서 올라오는 초음파 신호를 오차범위가 3~5m를 벗어나지 않을 정도로 정확한 위치를 파악해 전달한다(망망대해에서 거대한 시추선이나 무한 상공의 항공기 등에서 3~5m미터 오차는 자동차의 내비게이션과 비교한다면 오차범위가 3~5cm에 불과한 수준이다).
- DPS 시스템을 통해 감지한 위치정보는 여러 대의 LCD 화면을 통해 한 눈에 확인할 수 있으며 시추선이나 항공기가 정해진 위치를 벗어날 경우 이 사실을 즉각 알려준다.
- 시추선이나 항공기에서 근무하는 작업자들 역시 태블릿PC를 이용해 간단하게 정보를 확인할 수 있으며 기기를 점검하거나 사진이나 비디오 등의 자료도 공유할 수 있다.
2013년은 11년 만에 태양의 흑점활동이 거세지면서 태양폭풍이 몰아닥친 적이 있다. 이로 인해 전리층 섬광현상이 발생해 인공위성을 통한 GPS 신호 수신을 포함한 무선통신에 심각한 영향을 초래한바 있다.
DPS 개발사례
개요 = 다이나믹 포지셔닝 시스템(DPS)은 다양한 형태의 렌즈 및 감시카메라(IP카메라, HD-SDI 카메라 및 열상카메라 등)와 연계해 고속회전이 가능한 시스템으로 개발되고 있다. 현재까지 국내에서 개발된 DPS의 용도는 불법주정차 단속, 재난재해 감시, 특수경계지역 감시 등의 분야에서 주로 이용되고 있다.
점차 상용화된 보다 더 다양한 렌즈와 카메라의 조합을 통해 사용자의 수요니즈에 맞는 솔루션을 구성해 여러 분야에서 사용될 수 있는 솔루션으로 자리잡아가고 있다. 국내 한 기업에서 개발한 DPS 시스템 사례를 [그림1]에 나타낸다.
국내 DPS 기술력 진단 = 국내에서 개발된 DPS 시스템들의 주요 특징을 간단히 요약하면 다음과 같다.
- 렌즈와 카메라를 장착하고 HD-SDI급 화질의 영상신호를 아날로그 방식으로 촬영해 네트워크를 통해 관제시스템에 전송하는 구조로 설계돼 있다.
- 팬과 틸트 양쪽에 2개의 슬립 링(SLIP-RING)을 채용해 최적의 성능과 안정성을 제공한다.
- 카메라 하단에 장착된 센서를 통해 이벤트 위치를 감지해 관제시스템에 전송하고 나서 자동으로 촬영위치를 원래 설정위치로 복구한다.
- 가볍고 사이즈가 작은 메인 바디와 받침대를 한 방향으로 조립할 수 있도록 설계돼 있어 용이하게 설치할 수 있으며 비교적 넓은 커버리지를 갖는 특징이 있다.
국내 DPS 시스템 기술력은 시추선이나 항공기에 적용할 수 있을 정도로 고도의 기술을 구현하기까지는 좀 더 시일이 걸릴 것으로 예상된다. 렌즈나 카메라 같은 하드웨어 기술력은 세계 일류 수준의 기술력을 보유하고 있다.
하지만 공해상에서 비행기나 선박을 조종할 수 있을 정도의 시스템을 구현하기 위해서는 수많은 하드웨어와 산업용 인터넷과 연결되는 사물인터넷(IoT : Internet of Things) 기술력이나 고도의 GPS단말기 및 음향장치 등이 함께 개발돼야만 가능할 수 있을 것이다. 즉, 소프트웨어나 플랫폼과 관련된 기술개발이 뒷받침돼야 한다.
국내 DPS 기술 운용사례 = 국내 DPS 시스템 기술력은 시추선이나 항공기에 적용할 수 있을 정도로 고도의 기술력은 아직은 아니지만 최근 들어 다양한 분야에서 다음과 같이 응용영역을 넓혀가고 있다.
- 해안이나 산악 지형 등과 같은 혹독한 운영 환경에서의 운용사례가 점차 증가하고 있는 추세다. 해안이나 산악 지형 등과 같은 혹독한 운영 환경에서는 염분 등으로 인해 장비의 손상을 막을 수 있도록 케이블 노출구간을 최소화 할 필요가 있다.([그림2] 참조)
- 폭우시 하천의 범람상황을 감시하기 위해 열상 카메라 및 실상 카메라를 병행해 특수감시가 가능하도록 구성함으로써 특수지역 경계 시스템을 위한 운용사례가 증가하고 있다. 이는 대기가 불안정하고 조도가 낮은 야간이나 기상변화가 심한 경우 수위를 감지해 대처시간을 확보할 수 있도록 하기 위해서는 열화상 카메라에 지능형 수위감지 기능을 추가해 신뢰도를 확보할 필요가 있다.([그림3] 참조)
- 정밀 제어를 통한 불법 주정차 차량 단속에 운용사례가 증가하고 있다. 영상 자동감지 및 분석과 추적을 위해서는 렌즈와 P/T의 정밀제어 기술과 좌표간 인터페이스 기술력이 필요하다.([그림4] 참조)
결언
이 연구에서는 전리층 섬광현상으로 인해 GPS 신호가 말썽을 일으켜 정보가 손실되는 문제를 해결할 수 있는 솔루션으로 주목받고 있는 다이나믹 포지셔닝 시스템 기술 이슈, 국내 DPS 개발사례를 통한 국내 DPS 기술력 진단과 다양한 운용사례 등에 대해 설명했다.
노르웨이의 선박 산업 분야에서는 다이나믹 포지셔닝 시스템 기술력을 적용한 배터리를 동력으로 사용하는 선박들을 개발하고 있다(세계 최초로 개발된 하이브리드 선박들이 2013년과 2014년에 운항을 시작했으며 2015년에는 노르웨이에서 가장 큰 피오르드를 정기적으로 운행하는 세계에서 가장 큰 전기에너지를 이용한 페리호를 운행할 계획이다).
선박에 설치된 대용량 배터리에 저장된 전기는 미래의 에너지 믹스(Energy mix)를 위한 또 다른 기회이자 새로운 기술경쟁이 시작되고 있음을 시사하고 있다. 배터리를 동력으로 사용하는 선박산업의 중심에 DPS 기술이 포지셔닝돼 있다. 해양 공급 선박에 DSP 기술력이 적용하면 에너지 소비를 훨씬 더 절감시켜 줄 수 있기 때문이다.
항구에 정박 중에는 배터리의 전력을 이용할 수도 있고 기계의 저 유지비용과 소음과 진동도 줄일 수 있는 장점이 있는 것이다.
국내에서도 기존의 CCTV 관제시스템을 기반으로 점차 DSP 기술력이 빠르게 발전하고 있는 추세다. 아직은 망망대해의 대형 시추선이나 누한 상공을 비행하는 항공기에 적용할 수 있을 정도로 고도의 기술력은 아니지만 최근 들어 다양한 분야에서 응용영역을 넓혀가고 있다.
향후에는 DSP 기술력이 일상생활 전반에 적용될 것으로 예상되는바 이 기술 분야의 하드웨어, 수프트웨어 및 플랫폼 관련 핵심(원천) 기술개발에 주력할 필요가 있다.
참고문헌
- 박세환, ‘국내외 GIS 산업동향’, 측량, 대한측량협회, 2012.7.
- 이진실 외, ‘전리층 신틸레이션 검출을 위한 자동화 알고리즘 설계’, 한국항공우주학회 2012년도 추계학술대회 발표논문, 2012.11.
- www.dbpia.co.kr/Journal/ArticleDetail/3088873
- ‘물결치는 바다에서 정확한 위치를 찾다
- 다이내믹 포지셔닝 시스템’, 상상지기 GEKOREA, 2013.6.
- gekorea.tistory.com/m/post/367#
- ‘포지셔닝 시스템 솔루션 소개’, SARADA, 2014.10.
- www.saradainc.co.kr/04_solution/?mcode= 0404090000
- www.greencarcongress.com/2013/02/dnv-20130206.html