1. 서 론
우리나라의 위성항법보정시스템은 해양용 기준국 11개소와 내륙용 기준국 6개소가 구축 운영되고 있다(MOF, 2026). R-Mode (Ranging Mode)는 시설 중복투자를 막기 위해 기존 인프라인 위성항법보정시스템의 기준국과 감시국 등의 시설을 활용하고자 한다.
중파 대역의 DGPS(Differential Global Positioning System) 전송 신호는 지표파(Surface wave)로 전송되며, 전파환경이 거의 균일한 해상과 달리 육상에서는 전파 경로상의 다양한 요소와 낮은 대지 도전율로 인하여 전파 수신 환경이 좋지 못하다. 더욱이, 우리나라는 산악과 구릉이 많은 자연환경으로 이루어져 있으며, 내륙 기준국의 이용 범위는 80 km, 해양 기준국은 185km에 이른다(Norton, 1937).
R-Mode는 GNSS(Global Navigation Satellite System)의 취약성을 보완하고자 범 지구 위성 항법 시스템(GNSS)과 독립적으로 제안된 지상 백업(Backup) 내비게이션 시스템이다(IALA, 2012).
중파 R-Mode 신호를 전송하는 중파 대역의 전파는 지표면을 따라 전파하는 지표파(Surface wave)와 공간파(Skywave)로 전송되며, 대지의 유전율과 도전율, 전리층에 영향을 받는다. R-Mode 전파 신호를 공간파와 지표파로 분리하고 공간파의 저감 방법을 모색하고 불안정으로 나타날 수 있는 수신 지역의 변동폭을 줄여 안정된 서비스 영역을 제공하고자 한다.
Ren et al.(2018)은 실험값을 기반으로 신호 대 잡음비에 따라 수신 가능한 공간파(Skywave) 신호의 다중 반사 수를 계산할 수 있는 공간파 해상 통신 계산 프로세스를 제시하였다. 그러나 인접채널에 의한 주파수 간섭은 수신기의 필터 특성 및 신호처리를 통해 구현 가능하나, 동일채널에서 지표파와 전리층 반사파에 간 시간 지연차에 의한 간섭을 저감한 사례는 거의 보고되지 않았다.
2. 공간파 영향
중파대역 전파는 Fig. 1의 전리층 반사파 중 E층 반사파와 지표면을 따라 전파되는 지표파에 의하여 전송된다. 주간의 수신전계는 지표파에 의한 것이 대부분이며, 지표파의 전파는 주파수가 낮을수록 감쇠가 적어진다.
야간에는 D층이 소멸하고 E층의 전자밀도가 저하되므로 전파의 흡수가 적어져 수신 전계가 커지고 원거리까지 전파한다(Parsons, 2000).
따라서 Fig. 2와 같이 중파 대역을 사용하는 R-Mode 신호의 송·수신 안테나 간 전파전파 경로는 지표파 이외에 공간파인 전리층 반사파에 의한 신호 전송이 이루어진다. 지표파 이외에 수신되는 신호는 간섭신호로 작용하여 동일채널 간섭과 인접채널 간섭신호로 작용하여 R-Mode 신호의 품질을 열화시키며, 송·수신 서비스 영역을 제한할 수 있다. 요구된 송·수신 안테나 간 전송 신호인 전리층의 반사 신호(1)과 지표파는 동일채널 주파수를 사용하는 신호로 전파경로의 차이로 발생하는 시간 지연된 신호가 수신되는 동일채널 간섭신호로 나타난다. 타 송신안테나 1에 의해 전송되는 전리층 반사 신호(2)는 타 송신안테나로부터 전송된 R-Mode 신호가 수신 안테나에 수신되는 신호로 전송 주파수에 따라 동일채널 또는 인접채널 신호 간섭을 일으킬 수 있다. 또한, 타 송신안테나(2)로부터 전송되는 신호는 전리층에 의해 2-hop 반사되어 수신되는 간섭신호이다. 일정 거리 이격된 송·수신 안테나 간 신호 전송은 지표파에 의한 전송 신호로, 요구된 지표파 이외에 수신되는 신호는 시간 지연된 신호 간섭 및 주파수 간섭현상을 일으킨다. 아울러, 송·수신 안테나 간 이격 거리가 원거리일 경우, 사용주파수 및 전송 채널 특성에 따라 전리층에 의한 반사 신호가 지표파에 의한 신호 세기보다 높은 신호로 수신될 수 있다(Yang et al., 2018).
따라서 동일채널에 의한 시간 지연된 간섭신호의 저감과 주파수 간섭에 의한 전송 신호 품질 저감 현상을 방지하기 위한 간섭신호 저감 기술이 필요하다.
3. 중파 대역 공간파(Sky Wave) 저감 기술
3.1 송신안테나
중파 대역을 사용하는 R-Mode 신호의 지표파에 간섭신호로 작용하는 전리층 반사파 신호의 영향을 저감하기 위하여, 중파 대역 송신안테나에서 고 앙각(Elevation angle)으로 방사되는 신호를 제한하는 송신안테나를 설계 및 구축 운영이 필요하다. 즉, 수 십 km 떨어진 지역을 대상으로 하는 소 전력국의 서비스 구역이 단지 지상파 전계 강도에 의해서 정해지는 반면에 대 전력국에서는 지상파 전계 강도보다는 오히려 전리층 반사파 등 페이딩(Fading)에 의해서 제한되므로 서비스 구역을 확대하기 위해서 페이딩 방지 안테나를 사용할 필요가 있다. 페이딩 방지는 송신안테나의 수직 지향성을 적절하게 제한하여 고 앙각 방사를 감소시킴으로써 가능하다. 일반적으로 송신안테나 지점으로부터 100km 부근의 공간파를 억제하기 위해서는 60° 이상의 앙각에 방사가 적어지도록 안테나 상의 전류 분포를 선택해서 수직 지향성을 얻고 있다. 페이딩 방지 안테나로서 가장 간단한 방법은 안테나 높이가 0.53λ(파장) 안테나를 사용한다. 그러나 중파 대역 신호의 파장은 매우 큰 파장이므로 물리적으로 0.53λ 길이를 갖는 안테나 설치 운용이 어려운 실정이다.
따라서 Fig. 3과 같은 단축형 지선식 모노 폴 안테나를 주로 설치 운용하고 있다. 단축형 지선식 모노 폴 안테나는 지선식 정관에 의해 정관식 부하용량을 갖도록 하여 등가적으로 안테나 길이 효과를 가지며 수직 지향성 방사 특성을 억제하는 안테나 특성을 갖는다(Devaney et al., 1966; Mahmud, 1987).
Fig. 4는 일반적인 단축형 지선식 모노 폴 안테나의 방사 패턴을 모사하기 위한 모형도(Modeling) 및 방사 패턴을 보여주고 있다.
Fig. 4로부터 고 앙각의 방사 신호가 약 5dB 이상 억압되고 있는 것을 알 수 있다. 수직 지향성을 억제하고 수평 지향 각을 갖는 중파 대역 안테나로부터 지표파의 간섭신호로 작용할 수 있는 전리층 반사파 신호의 세기를 줄여주는 페이딩 방지 효과를 나타내고 있다.
Fig. 5는 안테나 길이에 따라 고 앙각 방사 세기를 억제하는 페이딩 방지 패턴을 보여주고 있다. 반치각은 지향성의 방향을 나타내는 물리량으로 주엽의 날카로운 정도(첨예도)를 나타내며, 이 값이 작을수록 예리한 지향성을 의미한다. 또한 주엽의 최대 복사 방향에 대하여 -3dB 되는 두 방향 사이의 각이라고 한다.
l=0.311λ일 때 주엽의 방향(반치각: 70°)이 35°이므로 60°보다 작아 공간파를 저감 시킬 수 있다. 그러나 사용주파수가 300kHz일 때 안테나 길이가 311m로 실현 가능성이 작다.
3.2 수신안테나
중파대역 수신 안테나는 소형구조를 위하여 능동형 소자의 증폭을 통한 능동형 안테나를 사용한다. 중파 대역 수신 안테나로 사용되는 루프 안테나는 8자형 방사 패턴으로, 전리층의 반사파 신호 수신이 가능한 방사 패턴을 갖는다. 전리층의 반사파 신호를 저감하기 위해서는 인접채널에 의한 주파수 간섭을 수신기의 필터 특성 및 신호처리 등 수신기 특성에 의해 구현할 수 있으며, 동일채널의 지표파와 전리층 반사파에 의한 간섭(시간 지연차)을 전송 특성(변조 특성) 구현으로부터 방지할 수 있다. 그러나 본 논문에서는 전리층 반사파 신호 수신 억제를 위한 수신 안테나에 대한 저감 수신 기술 구현 방안을 고려한다.
특정 방향에서 수신되는 신호의 감쇠 및 제거를 위한 능동 위상배열안테나 구조가 제시되고 있으나, 중파 대역 신호의 파장 길이에 따른 안테나 방사기(Radiator) 등 안테나 소자의 소형화와 구현성의 어려움 등으로 중파 대역에 적용하기에는 어려움이 있다. 아울러 능동소자를 사용한 송신안테나와 같은 모노 폴 안테나 구조를 적용하기에는 휴대 및 이동성이 용이한 중파 대역 수신 안테나 구현에 제한성이 있다.
따라서 여기에서는 지표파와 전리층 반사파의 전파전파 특성을 고려한 수신 안테나 구조를 고려한다. Fig. 6과 같이 지표파와 전리층 반사파의 수신 안테나에 입력되는 빔 각도가 상이하므로 이의 특성을 고려한 전파 차단 효과를 갖는 안테나 구조를 제시해야 한다.
수신 안테나에 입력되는 지표파(S1)는 수신 안테나의 설치 위치에 따라 다르나 수평 각도에서 입력되며, 전리층 반사파(S2)의 입력 각도는 송신안테나의 앙각 방사 특성(θ1)에 따라 수신 각 θ2(θ2=90°-θ1)로 수신된다. Fig. 7의 타 송신안테나의 전리층 반사파 S3는 S2 반사 신호보다 낮은 각도에서 수신될 수 있다. S2 전리층 반사파는 동일 주파수를 사용하는 시간 지연된 동일채널 간섭신호로 지표파인 S1 신호에 직접적으로 영향을 미치는 신호이며, S3 전리층 반사파 신호는 S1 신호와 다른 전송 주파수를 사용할 가능성이 높은 신호로, 인접채널 간섭신호로 작용할 가능성이 높은 신호이다. 그러나 수신 안테나는 수신하는 송신안테나 신호 이외에 타 송신안테나의 전리층 반사파 신호를 차단할 필요가 있다.
따라서 수신 안테나에서 전파전파 경로의 입사각에 따라 신호가 차단되는 구조를 갖는 안테나가 필요하다. Fig. 7과 같이 도전성 물질(금속)을 사용하여 특정한 입사각에 수신되는 신호를 차단하는 간단하면서 경제적인 수신 안테나 구조가 가능하다.
Fig. 7과 같은 구조는 중파 대역의 전파 흡수체 구현 및 경제성의 어려움을 해결할 수 있는 효과적인 전리층 반사파 저감을 실현할 수 있는 수신 안테나 구조이다. Fig. 8은 Fig. 7의 구조로 구현된 수신 안테나를 보여주고 있으며 접지판은 공간파의 저감이 되도록 Fig. 5를 참조하여 안테나에 대해 반치각이 70°가 되도록 하였으며 접지는 와전류를 감소시키는 역할을 한다.
4. 중파대역 공간파(Skywave) 저감 실험
Fig. 9는 공간파 저감용 안테나 특성을 보여주며 Fig. 9 (a), (b)에서 3번 마크(Marker)는 팔미도 기준국에서 송신한 신호로서 36Km 떨어진 장고항에서는 각각 -92.95dBm과 -91.90dBm으로 캡(전리층 반사파(공간파) 차단용 금속판)을 장착할 경우 1.05dB의 손실이 발생한다. 이것은 36Km 떨어진 팔미도에서 지표파와 공간파 동시에 전파되지만 1.05dB의 손실은 공간파에 의한 것으로 유추된다.
Fig. 9 (b)의 2번 마크(Marker)는 주간에는 수신되지 않고 야간에 수신된 충주 기준국 신호이다. 본 측정 지점은 장고항이며, 충주 기준국과 장고항 거리는 약 106km이다. 장고항에서 수신된 충주 기준국의 공간파는 안테나에 장착한 캡의 효과로 -95.49dBm에서 -97.52dBm로 2.03dB의 저감되었다.
5. R-Mode 수신기를 이용한 전파 환경 측정
R-Mode 수신기는 Serco사의 MFR-1a 모델을 사용하여 전파환경을 측정하였으며, Loop 안테나를 이용하여 지표파와 공간파 저감용 접지판이 있을 때와 없을 때 R-Mode 송신소별 주파수인 318kHz(충주) 송신국으로부터의 거리 데이터를 수집하였다.
Trimble R8s를 이용하여 대산항 측정 안테나의 위치를 측정하였으며, 충주 R-Mode 송신국에서 안테나까지 거리는 119.05km로 측정되었다. 송신국에서 안테나까지 거리 및 주파수(318kHz)와 전자파 속력(299,800,000m/s)을 이용하여 파장 수(Cycle)와 위상(Phase)을 계산한 결과 파장 수는 126개이고, 위상은 100.80°로 산출되었다.
공간파(Skywave) 차단 효과를 확인하기 위해 공간파 저감용 접지판 없이 1시간(2021.9.30.(목) 19:15∼20:14) 동안 데이터 수집 후, 공간파 저감용 접지판을 이용하여 1시간(2021.9.30.(목) 20:15∼21:14) 동안 데이터를 수집하여 파장 수와 위상값을 분석하였다.
Fig. 10과 같이 공간파 저감용 접지판 유무와 관계없이 파장 수는 126으로 안정적으로 수신되었으나 위상값이 다르게 수신되었다.
Fig. 11과 같이 공간파 저감용 접지판 이용 시 위상 평균이 640.21°에서 294.90°로 개선되었다. 기준값 100.80°로부터 위상 오차는 539.41°(거리오차 1,412.60m)에서 194.10°(거리오차 508.30m)로 64%가 개선되었다. 또한 표준편차는 99.66에서 93.29로 6.4%가 개선되었다.
6. 결 론
R-Mode 수신기를 이용한 전파 환경 측정에서 위상(Phase)은 공간파 저감용 접지판을 사용한 경우 64.0% 개선되었으며 표준편차는 6.4%가 개선되었다. 공간파 저감용 접지판을 사용하였음에도 불구하고 여전히 위상 오차가 발생하였는데 이것은 금속 표면 끝에 전파가 부딪히면 산란이 일어나고 금속 표면의 와전류, 공간파 저감용 접지판이 완벽히 공간파를 차단하지 못해서 일어난 현상으로 유추된다.
공간파 저감용 접지판은 수신 안테나에서 전파전파 경로의 입사각에 따라 신호 차단되는 구조임을 알 수 있다.
R-Mode는 GNSS 불능 시 백업(Backup) 환경을 구축하기 위한 목적의 지상파 항법 시스템 확보를 목적으로 두고 있어 공공의 해양 안전 확보라는 측면에서 공익 추구 및 해양안전 제고를 위한 PNT(Position, Navigation, and Timing) 보조 항법 시스템으로 활용할 수 있다.
다만, 본 연구는 단일 측정 지점에서 수행된 현장 기반 검증 연구로서 공간적 일반화에는 한계가 있으며, 향후에는 다양한 전파 환경을 반영할 수 있도록 다지점ㆍ다계절 반복 측정을 통한 추가 검증이 필요하다.
