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- 이동통신과 광섬유 기반 측위 시스템은 간섭을 받기 쉬운 위성 신호에 독립적
- GPS 신호에 비해 대역폭이 높아 수신 스테이션이 건물, 장애물 간섭 인식하고 제거 가능
- TNPS에 사용되는 기술은 일반 모바일 네트워크에 쉽게 통합될 수 있다.
- 실제 테스트에서 연구팀은 도시 환경에서 최대 10cm의 정확도로 장치를 찾을 수 있었다.

GPS가 없는 정확한 내비게이션 시스템
이동통신과 광섬유를 기반으로 하는 측위 시스템은 간섭을 받기 쉬운 위성 신호에 독립적이다.

위성 대신 모바일 통신:
새로운 유형의 포지셔닝 시스템은 미래에 도시와 실내 지역에서 보다 안정적이고 정밀한 탐색을 가능하게 하고 일반적인 GPS 시스템을 대체할 수 있다. 새로운 TNPS 시스템은 로컬 이동 통신과 광섬유 네트워크를 사용하여 고층 건물 사이에서도 최대 10cm의 정확도로 위치를 보장하기 때문이다. 이것은 연구자들이 "Nature"에 보고한 것처럼 시간 동기화된 기가헤르츠 신호를 사용하여 가능해졌다. 

▲ 이동 통신과 광섬유 라인을 기반으로 하는 새로운 포지셔닝 시스템은 도시에서 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 내비게이션을 만들 수 있다. © TU Delft/ Stephan Timmers

휴대전화를 통해서든 자동차 내비게이션을 통해서든:
우리는 오랫동안 GPS 시스템의 도움으로 일상생활에서 길을 찾는 데 익숙해져 왔다. 이 포지셔닝은 여러 GPS 위성에서 수신기에 도착하는 신호의 전파 시간을 비교하여 수행된다. 그러나 이러한 위성 내비게이션 시스템에는 몇 가지 단점이 있다. 정확도가 약 2미터에 불과하고 밀집된 도시, 깊은 계곡 또는 실내에서는 위성 신호가 차단되거나 흩어지기 때문에 종종 전혀 작동하지 않는다.

따라서 연구원들은 오랫동안 인공위성이 필요하지 않고 실내나 지하 주차장에서도 사용할 수 있는 위치 확인 시스템에 대해 연구해 왔다. 일부는 특수 라디오 스틱에 의존하고 다른 일부는 모바일 통신과 WLAN의 조합에 의존한다.

셀룰러 플러스 광섬유

이제 위성 없는 내비게이션을 위한 새로운 기술이 있다. Vrije Universiteit Amsterdam의 Jeroen Koelemeij와 그의 팀이 개발한 TNPS(Terrestrial Networked Positioning System)는 휴대전화 신호의 편재성을 GPS 시스템과 유사하지만 위성이 없는 비행 시간 기반 포지셔닝 원리와 결합했다. 이들은 원자시계를 사용하여 신호를 1초 이내에 동기화하지만 이전에는 셀룰러 신호로는 불가능했다.

이것은 Gl로 모바일 신호를 보완하여 해결할 수 있다.
광섬유 네트워크. 새로운 포지셔닝 시스템에서 이것은 휴대폰 안테나를 시간에 맞춰 동기화하는 역할을 한다. 이를 위해 광섬유 라인을 통해 내부 시계를 중앙 기준 시계와 비교하는 장치로 보완된다. 특수 소프트웨어 및 측정 신호는 광섬유 네트워크에 지연이 있는지 여부를 지속적으로 결정한다.

그 결과 나노초 단위로 서로 동기화되는 세포 신호가 생성된다. TU Delft 캠퍼스의 테스트 시설에서 시간적 불확실성은 Koelemeij와 그의 팀이 보고한 것처럼 약 0.2나노초였다. 1나노초의 오차는 30cm의 공간 변위에 해당하므로 이러한 정밀도는 올바른 위치 결정에 중요하다.

멀티플렉싱 및 높은 대역폭

새로운 포지셔닝 시스템의 두 번째 구성 요소는 휴대폰 신호 자체로, GPS 위성의 장파 무선 신호와 달리 4G 및 5G 네트워크는 기가헤르츠 범위에서 작동한다. 따라서 TNPS는 3.6기가헤르츠(GHz)의 셀룰러 반송파를 사용한 다음 OFDM 멀티플렉싱이라는 기술을 사용하여 실제 신호를 160MHz 폭 범위의 여러 주파수 대역에 분배한다. TU Delft의 Gerard Janssen은 "우리는 큰 가상 대역폭에 분산된 여러 협대역 신호를 사용한다"고 설명했다.

여기에는 두 가지 장점이 있다. GPS 신호에 비해 대역폭이 높기 때문에 수신 스테이션이 건물이나 기타 장애물의 간섭을 인식하고 제거할 수 있다. Janssen은 "혼란스러운 신호 반사를 분류할 수 있으며 이를 통해 더욱 정밀한 위치 지정이 가능하다"고 설명했다. 실제 테스트에서 팀은 도시 환경에서 최대 10cm의 정확도로 장치를 찾을 수 있었다.

수도권 GPS 백업

연구원들에 따르면 이 기술은 특히 인구 밀도가 높은 도시 지역에서 포지셔닝을 크게 개선할 수 있는 새로운 기회를 열어주며 이는 기존 시스템을 기반으로 한다. Koelemeij는 "TNPS를 통해 우리는 셀룰러 및 WiFi 네트워크와 유사한 연결성을 갖지만 GPS와 같은 정확한 위치 지정 및 시간 동기화가 가능한 시스템을 성공적으로 개발했다"고 말했다. 따라서 이 시스템은 일반 위성 항법 시스템의 백업 및 보완 역할을 할 수 있다.

팀이 설명하듯이 TNPS에 사용되는 기술은 일반 모바일 네트워크에 쉽게 통합될 수 있다. 신호는 지금까지 거의 사용되지 않은 모바일 무선 스펙트럼의 주파수 틈새에 있기 때문이다. 시간 동기화에 사용되는 프로토콜도 표준화되고 상업적으로 이용 가능하며 표준화되어 있으며 일반적인 광섬유 신호의 파장과 호환된다. Koelemeij와 그의 동료들은 "이러한 신호는 이미 많은 양의 데이터를 병렬로 전송한 초지역 광 네트워크에 통합되었다"고 보고했다.

"우리의 작업은 통신 네트워크가 데이터 연결을 가능하게 할 뿐만 아니라 전례 없는 정밀도와 신뢰성으로 글로벌 포지셔닝 시스템과 독립적인 시간 및 위치 결정을 가능하게 하는 미래를 엿볼 수 있게 해준다"고 과학자들은 말했다.
(Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05315-7)
출처: Delft University of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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