GNSS 고정밀 안테나 개발 개요

소개

위성 위치 측정 기술의 지속적인 발전과 향상으로 고정밀 위치 측정 기술은 현대 생활의 모든 분야에서 활용되고 있습니다. 예를 들어 측량 및 지도 제작, 정밀 농업, 드론, 무인 주행 등 다양한 분야에서 고정밀 위치 측정 기술을 찾아볼 수 있습니다. 특히 차세대 위성 항법 시스템인 베이더우(Beidou)의 네트워크 구축 완료와 5G 시대의 도래로 베이더우와 5G를 결합한 기술의 지속적인 발전은 공항 관제, 로봇 검사, 차량 모니터링, 물류 관리 등 다양한 분야에서 고정밀 위치 측정 기술의 적용을 더욱 확대할 것으로 기대됩니다. 고정밀 위치 측정 기술의 구현은 고정밀 안테나, 고정밀 알고리즘, 고정밀 보드의 지원 없이는 불가능합니다. 본 논문에서는 주로 고정밀 안테나의 개발 및 응용과 기술 현황에 대해 소개합니다.

1. GNSS 고정밀 안테나의 개발 및 응용

1.1 고정밀 안테나 소개
GNSS 분야에서 고정밀 안테나는 안테나 위상 중심의 안정성에 대한 특별한 요구 조건을 충족해야 하는 안테나 유형입니다. 이러한 안테나는 일반적으로 고정밀 보드와 함께 사용되어 센티미터 또는 밀리미터 수준의 고정밀 위치 측정을 구현합니다. 고정밀 안테나 설계 시에는 안테나 빔 폭, 저고도 이득, 비원형도, 롤오프 계수, 전후방비, 다중경로 저항 등과 같은 안테나 특성에 대한 특별한 요구 조건이 있습니다. 이러한 특성들은 안테나 위상 중심의 안정성에 직간접적으로 영향을 미치며, 결과적으로 위치 측정 정확도에 영향을 줍니다.

1.2 고정밀 안테나의 응용 및 분류
고정밀 GNSS 안테나는 초기에는 주로 측량 및 지도 제작 분야에서 엔지니어링 측량, 지형도 작성 및 다양한 제어 측정 과정에서 밀리미터 수준의 정적 위치 정확도를 달성하는 데 사용되었습니다. 고정밀 위치 측정 기술이 점차 성숙해짐에 따라 고정밀 안테나는 연속 작동 기준국, 변형 모니터링, 지진 모니터링, 측량 및 지도 제작, 드론, 정밀 농업, 자율 주행, 운전 시험 및 운전 교육, 건설 기계 및 기타 산업 분야를 포함한 점점 더 많은 분야에서 사용되고 있습니다. 또한, 각 응용 분야에서 요구되는 안테나의 성능 지표는 상당히 다릅니다.

1.2.1 CORS 시스템, 변형 모니터링, 지진 모니터링 - 기준국 안테나
고정밀 안테나를 연속 작동 기준국에 사용하면 장기간 관측을 통해 정확한 위치 정보를 얻을 수 있고, 관측 데이터는 데이터 통신 시스템을 통해 실시간으로 제어 센터로 전송됩니다. 제어 센터는 해당 영역의 오차 보정 매개변수를 계산한 후 지상 기반 보정 시스템, 광역 보정 시스템, 위성 기반 보정 시스템 등을 통해 오차 정보를 로버(사용자 측)로 전송하여 궁극적으로 사용자가 정확한 좌표 정보를 얻을 수 있도록 합니다[1].변형 모니터링 및 지진 모니터링과 같은 응용 분야에서는 변형량을 정확하게 모니터링하고 미세한 변형까지 감지하여 자연재해 발생을 예측하는 것이 필수적입니다.따라서 연속 작동 기준국, 변형 모니터링, 지진 모니터링과 같은 응용 분야에서 고정밀 안테나를 설계할 때 가장 먼저 고려해야 할 사항은 우수한 위상 중심 안정성과 다중경로 간섭 방지 능력입니다. 이를 통해 다양한 보정 시스템에 정확한 위치 정보를 실시간으로 제공할 수 있어야 합니다. 또한, 가능한 한 많은 위성 보정 파라미터를 제공하기 위해서는 안테나가 최대한 많은 위성 신호를 수신해야 하며, 4개 위성 시스템의 전체 주파수 대역을 커버하는 구성이 표준으로 자리 잡았습니다. 이러한 응용 분야에서는 일반적으로 4개 위성 시스템의 전체 주파수 대역을 커버하는 기준국 안테나(기지국 안테나)가 시스템의 관측 안테나로 사용됩니다.

1.2.2 측정 및 매핑 - 내장 측정 안테나
측정 및 지도 제작 분야에서는 통합이 용이한 내장형 측정 안테나를 설계하는 것이 필수적입니다. 이러한 안테나는 일반적으로 RTK 수신기 상단에 장착되어 측정 및 지도 제작 분야에서 실시간 고정밀 위치 측정을 구현합니다.내장형 측정 안테나 설계 시 주요 고려 사항으로는 주파수 대역 범위, 빔 범위, 위상 중심 안정성, 안테나 크기 등이 있습니다. 특히 네트워크 RTK 애플리케이션의 보편화에 따라 4G, 블루투스, Wi-Fi를 통합한 풀 네트워크 내장형 측정 안테나가 시장에서 상당한 점유율을 차지하고 있습니다. 2016년 출시 이후 대부분의 RTK 수신기 제조업체에서 선호되어 왔으며, 널리 사용되고 보급되고 있습니다.
1.2.3 운전 시험 및 운전 교육, 자율주행 - 외부 측정 안테나
기존의 운전면허 필기시험 시스템은 높은 투자 비용, 운영 및 유지 보수 비용, 환경 영향, 낮은 정확도 등 여러 단점을 가지고 있습니다. 고정밀 안테나를 운전면허 필기시험 시스템에 적용하면 수동 판정에서 지능형 판정으로 전환되어 판정 정확도가 크게 향상되고, 운전면허 필기시험에 소요되는 인적 및 물적 비용이 크게 절감됩니다.최근 무인 주행 시스템이 급속도로 발전해 왔습니다. 무인 주행에서는 RTK 고정밀 측위와 관성 항법을 결합한 측위 기술이 일반적으로 사용되며, 이를 통해 대부분의 환경에서 높은 측위 정확도를 달성할 수 있습니다.운전 시험, 운전 교육, 자율주행 등의 시스템에서는 외부 측정 안테나가 흔히 사용되는데, 이러한 안테나는 다중 시스템 및 다중 주파수 대역에서 작동할 수 있어야 하고, 높은 위치 정확도를 달성할 수 있어야 하며, 다중 경로 신호를 억제하는 능력이 있어야 하고, 환경 적응성이 우수해야 하며, 장기간 실외 환경에서 고장 없이 사용할 수 있어야 합니다.

1.2.4 드론 고정밀 드론 안테나
최근 무인항공기(UAV) 산업은 급속도로 발전해 왔습니다. UAV는 농작물 보호, 측량 및 지도 제작, 전력선 검사 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 이러한 환경에서 정확성, 효율성, 안전성을 확보하기 위해서는 고정밀 안테나가 필수적입니다. 드론은 빠른 속도, 가벼운 탑재량, 짧은 비행 시간이라는 특징을 가지고 있기 때문에 고정밀 드론 안테나 설계는 무게, 크기, 전력 소비 등의 요소를 중점적으로 고려하여 최대한 넓은 대역폭을 확보하는 동시에 무게와 크기를 제한하는 데 중점을 둡니다.

2. 국내외 GNSS 안테나 기술 현황

2.1 해외 고정밀 안테나 기술의 현황
해외에서는 고정밀 안테나 연구가 일찍부터 시작되었고, 노바텔의 GNSS 750 시리즈 초크 코일 안테나, 트림블의 제프리르 시리즈 안테나, 라이카 AR25 안테나 등 성능이 우수한 다양한 고정밀 안테나 제품들이 개발되었습니다. 그중에는 혁신적인 형태의 안테나도 많았습니다. 따라서 오랫동안 우리나라의 고정밀 안테나 시장은 해외 제품이 장악해 왔습니다. 그러나 지난 10년간 국내 제조업체들이 대거 등장하면서 해외 고정밀 GNSS 안테나는 성능 면에서 우위를 점하지 못하게 되었습니다. 오히려 국내 고정밀 제조업체들이 해외 시장으로 진출하기 시작했습니다.또한 최근 몇 년 동안 Maxtena, Tallysman 등과 같은 해외 신규 GNSS 안테나 제조업체들이 등장했습니다. 이들 업체의 주요 제품은 드론, 차량 및 기타 시스템에 사용되는 소형 GNSS 안테나입니다. 안테나 형태는 일반적으로 고유전율 마이크로스트립 안테나 또는 4개의 암을 가진 헬리컬 안테나입니다. 이러한 유형의 안테나 설계 기술에서 해외 업체들의 우위는 더 이상 찾아볼 수 없으며, 국내외 제품들은 동질적인 경쟁 구도에 접어들고 있습니다.