제4부 항법 — GNSS와 그 너머
4.12 차세대 PNT: 양자 관성·칩스케일 원자시계·PNT 복원력 정책
4.12.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자
GNSS(4.2)와 관성항법(4.3)은 약점이 서로 다르다. 그 약점을 시계와 센서 자체의 질로 줄이려는 기술이 이 장의 주제다. 한 가지 경계를 먼저 둔다. 이 분야는 홍보가 앞서 나간다. 그래서 이 장은 값을 네 가지로 구분해 적는다. 원리로 계산한 값, 공개 문헌의 측정값, 제조사의 공개 주장치, 성숙도에 대한 저자의 판단이다.
배우는 것:
- 시계 등급과 시각 유지(holdover) — TCXO·OCXO·칩스케일 원자시계(CSAC)·루비듐 시계가 GNSS를 잃은 뒤 시간 오차를 얼마나 쌓는지, 그 오차가 거리로 얼마인지(시간 오차에 광속을 곱한다).
- 안정한 시계가 항법에 주는 이점 — 미지수가 넷에서 셋으로 줄어 위성 세 개로도 해가 풀리는 것(DOP를 직접 계산한다), 재획득 탐색 범위, 시각 점프 감시.
- 칩스케일 원자시계의 공개 사양 — 크기·전력·안정도와 수출통제.
- 양자 관성 센서 — 원자 간섭계 가속도계의 원리와 감도, 공개 문헌의 값, 그리고 가속도계만 좋아져서는 위치 오차가 줄지 않는 이유(자이로 병목).
- 차세대 신호·궤도와 PNT 복원력 정책 — 신호 인증, 저궤도 PNT의 공개 실증, 미국·영국·EU·한국의 정책 문서.
선수 지식: GNSS의 오차와 DOP는 4.2, 관성 오차 전파는 4.3, 필터 결합은 4.4이 다룬다. GNSS 상실 절차는 2.6.6이다. 재밍·스푸핑의 원리는 5.2·5.3, 방호는 4.6이다.
특히 중요한 독자: 엔지니어는 4.12.3·4.12.4·4.12.6의 식과 계산을 본다. 정책·사업 담당자는 4.12.8과 4.12.10의 지도·비교를 본다. 수출통제·법무 담당자는 4.12.13을 본다.
기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로, 지식은 2026년 중반까지 반영했다. 수치 예시는 이 장의 식을 파이썬(표준 라이브러리
math)으로 계산한 것이고 입력은 가정이다. 제조사 주장은(공개 주장치), 문헌의 대략적 범위는(경험 범위), 저자가 단계를 판단한 것은(추정), 확인하지 못한 것은(확인 필요)로 표시했다. 정책 문서는 확인한 수준(원문 확인·2차 요약 확인)을 4.12.8에 적었다. 양자 센서와 원자시계의 성능은 마케팅 과장이 흔하다. 공개 시연이 있어도 그 조건(정지·실험실·모의 환경)이 이동하는 기체의 항법 성능과 같다고 보지 않는다.
4.12.2 개념·직관 — 시계는 시간의 기억, 관성은 움직임의 기억
GNSS는 본질적으로 방송되는 시계다. 위성이 보낸 시각과 내 수신기의 시각의 차에 광속을 곱한 것이 거리다. 시간 1 ns가 거리 0.3 m이므로 시계가 정확해야 위치가 정확하다(환산표는 4.1.9). 수신기 시계가 안정하면 GNSS가 끊긴 뒤에도 시각을 기억해 위성 수가 모자란 순간을 넘긴다. 관성은 움직임의 기억이다. 속도와 위치를 적분해 이어 간다.
두 기억은 모두 시간이 지날수록 흐려진다. 얼마나 오래 기억하는가가 곧 "GNSS 거부 시간 대 오차" 곡선이고, 이를 임무 요구에 맞추는 일이 4.13다. 이 장은 기억의 질을 올리는 두 기술(원자시계, 양자 관성 센서)과, 기억에 기대는 시간을 줄이는 두 방향(신호·궤도의 다양화, 정책)을 다룬다.
| 축 | 이 장의 기술에 대한 요구 |
|---|---|
| 군용 드론 | 장시간 GNSS 거부, 방사 없는 자립이 핵심이어서 시계·관성의 가치가 높고 비용을 감수한다. 수출통제가 걸림돌이다 |
| 민간 UAS | 단절은 짧고 비용·무게가 중요하다. 대부분 MEMS 관성과 TCXO로 충분하고, 정밀 시각이 임무인 곳(통신 동기·측정)에서만 원자시계를 사용한다 |
| AAM | 인증 가능한 무결성·가용성이 우선이고 도심 GNSS 열화(2.7.7)에 대비한다. 정책(복원력)과 인프라(15.15)가 중요하다 |
4.12.3 시계 — 등급·Allan 편차·시각 유지
4.12.3.1 시계 등급
| 등급 | 기준 | 1 s Allan 편차 | 노화 | 크기·전력 |
|---|---|---|---|---|
| TCXO | 수정 발진기+온도 보상 | 약 $10^{-9}$ (경험 범위) | 연 ±1 ppm (경험 범위) | 소형, mW급 |
| OCXO | 수정 발진기+항온조 | $10^{-11}$~$10^{-12}$ (경험 범위) | 일 $10^{-10}$ 안팎 (경험 범위) | 수 cm³, 수백 mW~W |
| CSAC | 원자 공진 기준 | $3\times10^{-10}$ (공개 주장치, SA.45s) | 월 $9\times10^{-10}$ 미만 (공개 주장치) | 약 16 cm³, 120 mW 미만 (공개 주장치) |
| 루비듐 | 원자 공진 기준 | 약 $2\times10^{-11}$ (경험 범위) | 월 $10^{-10}$ 안팎 (경험 범위, 제품별 확인 필요) | 수십~수백 cm³, 수 W |
4.12.3.2 주파수 오차에서 시간 오차로
결론부터: 시간 오차는 주파수 오차를 시간으로 적분한 것이어서, 보정이 끝난 뒤 남은 주파수 오프셋은 시간에 비례하는 오차를 만들고 노화는 시간의 제곱에 비례하는 오차를 만든다. 작은 무작위 잡음은 그 위에 중첩된다.
분수 주파수 오차 $y(t)=(f-f_0)/f_0$를 적분한 시간 오차는 다음처럼 사용한다.
$$x(t)=x_0+y_0\,t+\tfrac12 D\,t^{2}+x_{\mathrm{rand}}(t),\qquad \Delta r=c\,x(t)$$
| 기호 | 뜻 |
|---|---|
| $x_0$ | 마지막 보정 시각의 시간 오차(GNSS로 맞춘 직후는 작다) |
| $y_0$ | 보정 뒤 남은 잔차 주파수 오프셋(무차원) |
| $D$ | 노화율 [1/s] |
| $x_{\mathrm{rand}}$ | 무작위 항. 백색 FM이 지배하는 구간에서 $\sigma_x(\tau)\approx\tau\,\sigma_y(\tau)/\sqrt3$ |
| $c$ | 광속. 1 ns는 0.2998 m |
Allan 편차 $\sigma_y(\tau)$는 평균 시간 $\tau$마다 이웃한 주파수 평균의 차로 잡은 불안정도의 척도다(IEEE 1139). 이 장의 무작위 항은 작아서 뺐다. CSAC의 공개 주장치(1 s에 $3\times10^{-10}$, 1000 s에 $10^{-11}$ 미만)로 보면 1 s에서 $0.3$ ns, 1시간에서 $3600\times10^{-11}/\sqrt3\approx21$ ns다. 같은 시간에 잔차 주파수 항이 182 ns로 훨씬 크다. 시각 유지 시간은 마지막 보정의 질이 정한다.
4.12.3.3 계산 — 등급별 시각 유지
입력은 가정이다. 잔차 주파수 오프셋 $y_0$는 TCXO $10^{-7}$, OCXO $5\times10^{-10}$, CSAC $5\times10^{-11}$(출하 정확도 공개 주장치 $\pm5\times10^{-11}$ 수준), 루비듐 $10^{-11}$이고 노화는 4.12.3.1의 표 값이다.
| 등급 | 100 s | 1시간 | 24시간 | 10 ns(3 m) 도달 | 1 µs(300 m) 도달 |
|---|---|---|---|---|---|
| TCXO | 10 µs (3 km) | 360 µs (108 km) | 8.8 ms (2,630 km) | 0.1 s | 10 s |
| OCXO | 50 ns (15 m) | 1.8 µs (542 m) | 47.5 µs (14 km) | 20 s | 2,000 s(0.55시간) |
| CSAC | 5 ns (1.5 m) | 182 ns (55 m) | 5.6 µs (1.7 km) | 200 s | 18,800 s(5.2시간) |
| 루비듐 | 1 ns (0.3 m) | 36 ns (11 m) | 1.0 µs (302 m) | 998 s | 85,800 s(23.8시간) |
읽는 법은 세 가지다. 첫째, 등급이 한 단계 오를 때마다 오차는 대략 한 자릿수 줄고, 같은 오차에 닿는 시간은 한 자릿수 늘어난다. 둘째, 오프셋 항이 지배하므로 GNSS를 잃기 직전에 보정이 잘 돼 있어야 한다. 제조사는 CSAC가 24시간에 약 1 µs를 쌓는다고 전망하는데 (공개 주장치, 노화율만 반영한 예측), 이 장의 노화 항만 계산하면 24시간에 1.3 µs로 같지만 오프셋 $5\times10^{-11}$을 가산하면 5.6 µs다. 셋째, 온도가 변하면 $y_0$가 달라진다. CSAC의 공개 사양은 온도 −10~70 °C에서 주파수 변화 $\pm5\times10^{-10}$ 이내이고 (공개 주장치), 급한 온도 변화에는 수정 발진기보다 강하다고 제조사가 설명한다 (공개 주장치).
4.12.3.4 더 높은 등급
세슘 빔 시계와 수소 메이저는 랙 크기의 지상·시험장 설비이고 기체 탑재 대상이 아니다. 광격자 시계 같은 광학 시계는 안정도가 한두 자릿수 더 좋지만 실험실 단계다 (문헌 정성). 소형화는 연구 주제이고 항공기 탑재 시연의 성능은 확인하지 못했다 (확인 필요). 이 책이 비교하는 기체 탑재 후보는 위 네 등급이다.
4.12.4 안정한 시계가 항법에 주는 이점
4.12.4.1 시계 보조 위치 해
수신기 시계 오차가 미지수이면 위치 세 축과 합쳐 네 개를 풀어야 한다. 시계를 알면 세 개이고, 위성 세 개로도 해가 나온다. 선형화한 관측 행렬 $H$의 한 행은 위성 $k$의 시선 단위 벡터이고, 시계 미지수가 있으면 1이 한 열 더 붙는다(4.1.5.2).
$$\mathbf h_k^{(4)}=\begin{bmatrix}u_{e,k} & u_{n,k} & u_{u,k} & 1\end{bmatrix},\qquad \mathbf h_k^{(3)}=\begin{bmatrix}u_{e,k} & u_{n,k} & u_{u,k}\end{bmatrix},\qquad \mathrm{HDOP}=\sqrt{Q_{ee}+Q_{nn}},\ \ \mathrm{VDOP}=\sqrt{Q_{uu}}$$
여기서 $Q=(H^{\top}H)^{-1}$이다. 결론부터: 시계가 알려져 있으면 수직 DOP가 3~4.4배 좋아진다. 위성이 모두 머리 위쪽에 있어 위쪽 성분이 모두 양수이고, 이 열이 시계 열(모두 1)과 닮아 두 미지수를 구분하기 어려웠기 때문이다. 수평 DOP는 거의 그대로다. 아래는 합성 위성 배치(방위·앙각 [도]: 열린 하늘 (10, 70)·(75, 40)·(140, 25)·(200, 55)·(260, 30)·(320, 45), 도심 협곡 (0, 25)·(12, 55)·(178, 30)·(185, 70)·(5, 80))에서 계산한 값이다. 부분집합은 GDOP이 가장 작은 조합이다.
| 하늘 | 위성 수 | 시계 미지: HDOP·VDOP | 시계 기지: HDOP·VDOP |
|---|---|---|---|
| 열린 하늘 | 6 | 1.27 · 2.61 | 1.18 · 0.59 |
| 열린 하늘 | 4(최적) | 1.65 · 3.34 | 1.44 · 0.77 |
| 열린 하늘 | 3(최적) | 해 없음 | 1.70 · 0.80 |
| 열린 하늘 | 3(중앙값) | 해 없음 | 2.36 · 1.32 |
| 도심 협곡 | 5 | 9.26 · 1.95 | 9.20 · 0.65 |
| 도심 협곡 | 3(최적) | 해 없음 | 10.35 · 0.85 |
도심 협곡에서는 길 방향으로만 위성이 보여 HDOP가 9~10에 머문다(도심 가림의 모형은 4.2.8). 시계 보조는 수직을 살리지만 수평 기하는 못 고친다. 이득은 시계 오차가 거리로 환산돼 측정 오차(4.2의 UERE, 수 m)보다 작을 때만 있다. 10 ns(3 m)에 머무는 시간은 위 표처럼 OCXO 20 s, CSAC 200 s, 루비듐 약 1,000 s다. 곧 CSAC급 시계는 수 분의 위성 부족을 넘기는 데 사용하고, 길게 사용하려면 위성이 넷 이상 보일 때 잔차 $y_0$를 계속 다시 추정한다(필터의 시계 상태, 4.4).
4.12.4.2 그 밖의 이점
- 재획득 탐색. C/A 부호의 칩 길이는 $1/1.023\ \mathrm{MHz}=977.5$ ns, 곧 293 m다. 시각 불확실성이 1 µs 안이면 부호 위상 탐색을 칩 한두 개 안에서 하고, 수 ms이면 1,023칩(1 ms) 전체를 뒤진다. 주파수도 같다. L1(1575.42 MHz)에서 $y_0$가 $10^{-7}$이면 도플러 탐색에 157 Hz가 더해지고, $5\times10^{-11}$이면 0.08 Hz다. 탐색이 작으면 재획득이 빠르고 낮은 C/N0에서도 된다(4.5.4.1의 추적 문턱과 연결).
- 이상 감시. GNSS가 주는 시각이 국부 시계와 어긋나 갑자기 점프하면 이상 신호의 단서다(4.6). 안정한 시계가 있어야 "점프"를 정의할 수 있다.
- 통신 동기. TDMA 슬롯(3.10.5.1의 보호 시간 133 µs)이 GNSS 시각에 맞춰져 있으면 GNSS 거부 시 통신 동기도 불안정해진다. 같은 모형으로 한 노드의 어긋남이 133 µs에 닿는 시간은 TCXO 약 22분(1,330 s), OCXO 약 59시간, CSAC 약 206시간이다. 통신 동기는 위치 해(수 ns)보다 요구가 수만 배 느슨해 TCXO도 분 단위로 유지하지만, 서로 다른 노드의 어긋남이 중첩되면 절반 이하로 줄어든다.
4.12.5 칩스케일 원자시계의 현재
칩스케일 원자시계(CSAC)는 원자 공진을 기준 삼는 시계를 손바닥 부피로 줄인 것이다. 가장 널리 인용되는 상용 제품(Microchip SA.45s)의 공개 사양은 다음과 같다. 2차 요약으로 확인했고 판에 따라 값이 다르므로 (공개 주장치, 데이터시트 판 확인 필요)다.
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 1 s Allan 편차 | $3.0\times10^{-10}$(옛 판 $2.5\times10^{-10}$) |
| 1000 s Allan 편차 | $10^{-11}$ 미만(제품 요약) |
| 노화 | 월 $9\times10^{-10}$ 미만 |
| 온도 변화 | −10~70 °C에서 $\pm5\times10^{-10}$ |
| 출하 정확도 | $\pm5\times10^{-11}$(재판매 사양) |
| 크기·질량 | 약 16 cm³(41×35×11 mm), 35 g 미만 |
| 전력 | 120 mW 미만(판에 따라 140 mW 최대) |
2 kg급 쿼드콥터(1.7.7.1)의 이상 호버 동력 123.3 W에 견주면 CSAC 120 mW는 0.1 % 안팎이어서 SWaP 부포함한 작다(2.9). 걸림돌은 단가, 수출통제, 진동과 충격에서의 성능이다. 원자 주파수 표준은 수출통제 대상일 수 있고(19.15~19.17, 분류와 임계는 확인 필요), 핵심 부품(레이저·증기 셀)의 공급은 19.19의 문제다. 수정 발진기도 소프트웨어 보상으로 24시간에 1.5 µs 미만의 시각 유지를 주장하는 제품이 있어 (제조사 주장, 확인 필요), 어느 시계가 필요한지는 요구되는 시각 유지 시간으로 정한다.
4.12.6 양자 관성 센서
4.12.6.1 원리와 감도
원자 간섭계 가속도계는 냉각한 원자(예: 루비듐-87)를 시험 질량으로 사용한다. 레이저 펄스 세 번($\pi/2$-$\pi$-$\pi/2$)을 간격 $T$로 쏘아 원자 파동을 갈랐다 합치면 위상이 가속도에 비례한다.
$$\Delta\phi=k_{\mathrm{eff}}\,(a-2\,\boldsymbol\Omega\times\mathbf v)\,T^{2},\qquad k_{\mathrm{eff}}=\frac{4\pi}{\lambda}$$
원자는 모두 같고 레이저 파장이 기준이어서 환산계수와 바이어스가 장기적으로 안정하다는 것이 약속이다. 감도는 $T^{2}$에 비례한다. Rb-87의 780 nm에서 $k_{\mathrm{eff}}=1.61\times10^{7}$ rad/m이고, 위상 분해능 1 mrad일 때 감도는 다음과 같다.
| 간격 $T$ | 가속도 분해능 | 자유낙하 거리 $\tfrac12 g(2T)^{2}$ |
|---|---|---|
| 10 ms | 0.063 µg | 2 mm |
| 100 ms | 0.00063 µg(0.63 ng) | 0.20 m |
| 300 ms | 0.00007 µg(0.07 ng) | 1.77 m |
$T$를 키울수록 좋아지지만 낙하 거리가 늘어 장치가 커진다. 그래서 소형 장치는 $T$를 줄이고 위상 분해능으로 만회한다. 이동하는 기체에는 세 가지 어려움이 더 있다. ① 위 식의 $2\boldsymbol\Omega\times\mathbf v$ 항은 회전이 가속도로 위장되는 것이다. 기체가 0.1 rad/s(약 6°/s)로 돌고 원자의 가로 속도가 1 cm/s이면 가짜 가속도가 2 mm/s², 곧 204 µg로 항법급 바이어스(수십 µg)보다 크다. 회전을 보상해야 한다. ② 측정은 주기적(사이클 시간, 대역 수 Hz)이고 진동에 위상이 변동해 고전 가속도계와 하이브리드로 사용한다. ③ 동적 범위가 좁다. 원자 센서는 고전 센서를 대체하기보다 바이어스를 잡아 주는 기준으로 사용되는 경우가 많다.
4.12.6.2 공개 문헌의 값
아래는 arXiv의 초록을 직접 읽어 확인한 값이다. 본문은 읽지 못했다 (본문 확인 필요).
| 문헌 | 조건 | 값 |
|---|---|---|
| Cheiney 외(2018), Phys. Rev. Applied 10, 034030 (arXiv:1805.06198) | 고전 가속도계와 원자 센서의 하이브리드, 칼만 필터 | 대역 400 Hz, 11시간 적분 뒤 10 ng 안정도. 초록은 장기 항법이 자이로와 가속도계의 바이어스 드리프트로 제한된다고 사용한다 |
| Battelier 외(2016), Proc. SPIE (arXiv:1605.02454) | 항공기 탑재 시험(수평·수직 축) | 단발 감도 $2.3\times10^{-4}$ g(범위 약 0.1 g). 원자 가속도계의 첫 항공기 탑재 관성 측정이라고 서술한다 |
| Templier 외(2022), arXiv:2209.13209 | 원자 간섭계 3축과 고전 항법급 가속도계 삼조의 하이브리드 | 안정도 $6\times10^{-8}$ g(60 ng), 고전 가속도계보다 50배. 적분 시간은 초록에 없다 |
| Salducci 외(2024), arXiv:2405.13689 | 가속도·회전을 함께 재는 원자 센서 | 가속도 $7\times10^{-7}$ m/s²(약 70 ng), 회전 $4\times10^{-7}$ rad/s(약 0.08°/h), 이틀 적분. 고전 센서와 하이브리드하면 가속도계 안정도 100배, 자이로는 3배 |
세 가지를 읽어야 한다. 첫째, ng급 값은 정지·실험실·적분 시간이 긴 조건의 값이다. 이동하는 기체의 항법 성능과 같지 않다. 둘째, 같은 장치의 회전 안정도 0.08°/h는 항법급 고전 자이로(4.3의 0.01°/h)보다 나쁘다. 셋째, 하이브리드의 이득도 가속도계 100배 대 자이로 3배로 벌어져 있다. 원자 자이로는 가속도계보다 한참 뒤처져 있다. 검색 요약은 항법급 고전 가속도계의 장기 바이어스를 약 10 µg로 소개하나 (본문 확인 필요), 4.3의 항법급 가정은 25 µg이다.
4.12.6.3 위치 오차의 비교 — 자이로가 병목이다
가속도계 바이어스 $b$와 자이로 바이어스 $\varepsilon$가 만드는 1축 위치 오차는 지구 반지름 $R$과 Schuler 각주파수 $\omega=\sqrt{g/R}$(주기 84.4분)로 정확히 사용한다. 작은 $t$에서는 4.3가 사용하는 $\tfrac12 bt^{2}$와 $\tfrac16 g\varepsilon t^{3}$가 된다.
$$x_a=\frac{b}{\omega^{2}}\bigl(1-\cos\omega t\bigr),\qquad x_g=R\,\varepsilon\left(t-\frac{\sin\omega t}{\omega}\right),\qquad x=\sqrt{x_a^{2}+x_g^{2}}$$
결론부터: 두 항이 같아지는 시간 $t^{*}$ 뒤에는 자이로 항이 지배한다. 작은 $t$의 식으로는 $t^{*}=3b/(g\varepsilon)$이고 정확해로는 이보다 조금 짧다. 항법급(25 µg·0.01°/h)에서는 정확해로 약 1,390 s(23분)이지만 가속도계를 0.1 µg로 올리면 $t^{*}$가 6 s로 줄어 거의 처음부터 자이로가 오차를 정한다.
| 가정한 센서 | 300 s | 600 s | 1,800 s | 50 m 도달 | 100 m 도달 |
|---|---|---|---|---|---|
| 전술 MEMS (100 µg·1°/h) | 217 m | 1,670 m | 36 km | 182 s | 230 s |
| 항법급 (25 µg·0.01°/h) | 11.1 m | 45.3 m | 442 m | 630 s | 881 s |
| 가속도계만 양자 (0.1 µg·0.01°/h, 가정) | 2.13 m | 16.6 m | 360 m | 875 s | 1,116 s |
| 가속도계·자이로 모두 (0.1 µg·0.0005°/h, 가정) | 0.115 m | 0.85 m | 18 m | 2,890 s | 7,010 s |
가속도계를 250배 좋게 해도 100 m 도달이 881 s에서 1,116 s로 1.27배일 뿐이고, 자이로까지 20배 좋게 한 뒤에야 8배가 된다. 앞의 두 행의 센서 값은 4.3의 등급 가정(전술 MEMS 0.1 mg·1°/h, 항법급 25 µg·0.01°/h)에서 가져왔고 이 장의 모형은 바이어스만 넣었다. 4.3의 모형은 초기 기울기와 백색잡음을 더해 조금 더 크다(항법급이 50 m에 닿는 시간이 이 장은 630 s, 4.3는 422 s). 아래 두 양자 행은 무엇이 이뤄져야 하는지를 보이는 가정이고 어떤 제품·시제의 성능이 아니다. 앞 절의 문헌 값으로 보면 가속도계 쪽은 ng~수십 ng까지 나왔지만 자이로는 0.08°/h로 가정의 160배 나쁘다. 양자 관성은 가속도계에서 먼저 의미가 생기고, 자이로·회전 보상이 열쇠다. 이 장의 모형은 1축·수평 채널·정지 기반이다. 기동과 센서 결합은 4.3·4.4을 본다.
4.12.6.4 현재 단계
공개된 시연은 다음과 같다. 두 건은 전문지 보도(2차)를 직접 읽었고 정량 성능은 어느 쪽도 보도에 없다.
| 시연 | 주체 | 내용 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 항공기 탑재 시험 | 영국 Infleqtion 주도, BAE Systems·QinetiQ 협력 | 소형 광학 원자시계(Tiqker)와 냉원자 기반 양자 시스템을 QinetiQ의 RJ100 시험기에 싣고 보스콤다운에서 시험. 마지막 시험 비행 2024년 5월 9일, 정부 지원 약 800만 파운드, 2030년까지 항공기 탑재가 목표 | GPS World 2024-05-20, 정량 성능 없음 |
| 우주기 탑재 | 미국 DIU·공군 신속능력실, Honeywell·Vector Atomic | X-37B OTV-8에 양자 관성 센서 탑재, 2025년 8월 21일 발사. 드리프트와 오차 누적을 피한다고 소개(주장) | Quantum Computing Report, 궤도상 성능 없음 |
| 해상 시험 | 영국(HARLEQUIN 계열) | 루비듐-87 1축 가속도계 시제의 해상 환경 시험 | 2025~2026년 SPIE 논문, 2차 요약 |
성숙도 (추정): 가속도계는 시제·현장 시연 단계이고, 소형 UAS에 실리는 상용품은 2030년대 이전에는 보기 어렵다고 판단한다. 근거는 크기(진공·레이저·자기 차폐), 진동 환경, 회전 보상, 자이로의 격차다. 이 판단은 개발 속도가 빠르면 틀릴 수 있다. 정밀 관성 부품은 수출통제 대상일 수 있고 양자 센서도 논의 대상이다(19.15~19.17, 확인 필요).
4.12.7 차세대 신호와 궤도
| 항목 | 내용 | 확인 수준 |
|---|---|---|
| 현대화 신호·다중 위성군 | 신호·주파수와 오차 예산은 4.2, 규격은 9.16이 맡는다. 이 장은 인증과 저궤도만 다룬다 | — |
| 신호 인증(Galileo OSNMA) | 항법 메시지에 서명을 넣어 위조를 알아채게 한다. 2021년 11월 공개 관측 단계로 시작했고 2025년 7월 24일 초기 서비스가 선언됐다(EUSPA 공지는 선언 주체를 EUSPA로, ESA 공지는 유럽 집행위로 적는다). 수신기가 OSNMA 규약을 구현하고 유럽 GNSS 서비스 센터에서 인증서 공개키를 받아 사용한다. 무료라는 보도가 있다. 메시지 인증은 신호의 지연·재전송까지 막지 못한다(4.6·5.3) | EUSPA 공지 직접 확인, 나머지 2차 |
| 한국형 위성항법(KPS) | 8기(정지궤도 3기·경사 지구동기궤도 5기)를 2035년까지 구축한다. 1호기 발사는 2027년 12월에서 2029년 9월로 늦춰졌다고 보도됐다(상세 4.2.7) | 2차 보도, 확인 필요 |
저궤도(LEO) PNT. 전용 항법 신호를 저궤도에서 보내는 시도다. Xona Space Systems의 Pulsar-0가 2025년 중반에 발사됐다는 보도가 다수다 (2차 보도, 확인 필요). 원리 계산: 천정에서 MEO(약 20,200 km)와 LEO(550 km)의 자유공간 손실 차는 $20\log_{10}(20200/550)=31$ dB이다. 같은 등가 방사 전력이면 저궤도 신호가 31 dB 강하다는 뜻이고(재밍 내성에 유리, 5.2), 실제 위성의 방사 전력은 달라 확인이 필요하다 (확인 필요). 대신 가시 시간이 짧아 많은 위성이 필요하다. 기존 셀룰러·통신 위성의 신호를 항법에 사용하는 기회신호 항법은 4.9가 다룬다.
4.12.8 PNT 복원력 정책
결론부터: 각국 정책의 공통 논리는 GNSS 하나에 기대지 말고 서로 다른 물리의 원천을 중첩해 두자는 것이다. 미국 DOT의 2021년 보고서는 초록에서 복원력 있는 PNT를 얻는 가장 좋은 전략은 여러 기술을 추구하는 것이라고 서술한다(직접 확인). 보도 요약은 타이밍은 성숙한 대체 기술이 있고 GPS의 위치·항법을 모두 대신할 단일 기술은 없다고 전한다 (2차 요약). 4.13의 의사결정 쟁점이 여기서 나온다.
| 문서 | 기관 | 시점 | 요지 | 확인 수준 |
|---|---|---|---|---|
| 행정명령 13905 | 미국 대통령 | 2020-02-12 서명(85 FR 9359) | 중요 인프라의 PNT "책임 있는 사용." 상무부가 1년 내 PNT 프로파일, DHS가 취약성 시험 계획, OSTP가 GNSS에 의존하지 않는 PNT의 연구·시험 국가 계획을 만들고, 상무부가 180일 내 GNSS 독립 협정세계시 원천을 제공 | 원문 확인(연방관보). 현재 효력은 확인 필요 |
| NIST IR 8323 | 미국 NIST | 2021 | 행정명령 이행의 기초 PNT 프로파일 | 2차 확인 |
| 상보 PNT·GPS 백업 시연 보고서(DOT-VNTSC-20-07) | 미국 DOT(Volpe) | 2021-01-15 | 2020년 3월 NASA 랭글리·케이프코드 합동기지 시연, 후보 11개. 초록: 여러 기술을 추구하는 것이 최선. 타이밍·위치 구분은 보도 요약 | 초록 직접 확인, 구분은 2차 |
| DOT 상보 PNT 행동계획 | 미국 DOT | 2023-09 | 상보 PNT 도입 촉진 행동 | 2차 확인 |
| PNT 복원력 정책 틀 | 영국 정부 | 2023-10-18 | 서로 독립인 층을 중첩함. 국가 PNT 사무소(DSIT), 국가 시각 센터 제안, eLoran 강화 | 2차+의회 서면 진술 |
| Galileo OSNMA 초기 서비스 | EU(EC·EUSPA) | 2025-07-24 | 신호 인증 서비스 | 2차(기관 공지) |
| KPS·eLoran | 한국 | KPS 2035 목표, eLoran 추진 | 위성항법과 지상파 보완 | 2차 보도, 운용 상태 확인 필요 |
미국이 행정명령에서 요구한 것은 특정 기술이 아니라 프로파일과 조달 요건(연방 계약에 PNT 요건을 넣는다)이다. 원문(연방관보)의 구조는 이렇다. 4조 (a)는 프로파일이 PNT에 의존하는 시스템의 식별, 적절한 PNT 서비스의 선택, 교란·기만의 탐지, 위험 관리를 가능하게 해야 한다고 사용한다. (d)·(e)는 프로파일이 공개된 뒤 90일 안에 계약 문구를 만들고 그 뒤 180일 안에 연방조달규정에 넣도록 한다. (h)는 GNSS에 의존하지 않는 PNT와 여러 PNT의 통합 사용을 연구·시험하는 국가 계획을, (i)는 GNSS 독립 협정세계시 원천을 요구한다. 무인기 사업자에게 이것은 정부 조달에서 PNT 의존성 목록, GNSS 상실과 교란 시 거동 명세, 이상 탐지 기능을 증명하라는 요구로 올 수 있다 (저자 해석). 미국 행정명령이라는 수단 자체는 17.10가, 정책 문서의 법적 분석은 19.10·19.24이, 한국의 전파 교란 대응은 18.9이 맡는다. Galileo와 EGNOS는 EU 우주 프로그램 규정(규정 (EU) 2021/696)이 근거 법이다 (조항 확인 필요).
4.12.9 워크스루 — 도심 협곡 5분
가정: 도심 접근 중 위성이 5분(300 s) 동안 세 개로 줄어든다. 직전까지 위성이 넷 이상 보여 시계가 보정돼 있고, 위성은 4.12.4.1의 열린 하늘 배치의 세 개 조합이다. 시계 오차가 모든 거리에 같은 바이어스를 주면 위치 오차로 옮겨진다. 이 장의 기하로 계산하면 거리 바이어스 1 m당 수직 1.36 m·수평 0.21 m(최적 조합), 수직 1.17 m·수평 0.57 m(중앙값 조합)다.
| 시계 | 300 s 뒤 시간 오차 | 거리 바이어스 | 수직 오차(최적·중앙) |
|---|---|---|---|
| OCXO | 150 ns | 45 m | 61 m · 53 m |
| CSAC | 15 ns | 4.5 m | 6.1 m · 5.3 m |
| 루비듐 | 3 ns | 0.9 m | 1.2 m · 1.1 m |
OCXO는 5분 만에 수직 오차가 수십 m가 돼 사용할 수 없고, CSAC는 수 m에서 2.7.8.1의 단독 GNSS 항법 오차(1σ 1.5 m)보다 몇 배 큰 수직 오차를 낸다. 루비듐은 그 자릿수에 머문다. 곧 시계 보조로 5분은 유지해도 정밀 착륙(2.7)은 못 한다. 그래서 이 구간은 시계가 아니라 마커·거리계 같은 상대 센서(2.7.3, 4.11.10.2)가 최종 접근을 맡는 구조가 필요하다. 시계는 위성이 다시 보일 때까지 해가 튀지 않게 이어 주는 역할이다.
4.12.10 설계 트레이드오프 — 어디에 투자하나
아래 지도는 이 장의 기술을 성숙도(추정)와 정책 연표로 모은 것이다.
선택은 세 갈래다.
① 기체에 고급 시계를 싣는다(CSAC급). 수 분~수 시간의 GNSS 열화를 흡수하고 재획득이 빠르다. 단가·수출통제·공급이 대가다. 이해관계자는 군(장시간 GNSS 거부)과 통신 중계·정밀 측정 사업자다.
② 양자 관성의 성숙을 기다리며 고전 센서와 다중 센서로 버틴다. 광섬유·링 레이저 자이로(4.3)와 시각·지형·무선 대체 항법(4.7~4.9)으로 오차 성장을 제한한다. 위험이 낮고 비용이 예측된다.
③ 인프라와 신호원의 다양화에 기댄다. 신호 인증(OSNMA)·저궤도 PNT·eLoran을 사용한다. 기체 비용은 낮지만 정책과 인프라에 의존하고 서비스 중단·요금 위험이 있다. 이해관계자는 민간 운용자(AAM 포함)와 정부다.
견해: 소형 UAS와 AAM에는 ②를 기본으로, ③은 인증·타이밍이 요구되는 곳에서 보태는 것이 낫다고 본다. 근거는 두 가지다. 첫째, 이 장의 계산에서 가속도계의 개선만으로는 위치 오차가 크게 줄지 않았고(4.12.6.3) 양자 자이로의 공개 값은 고전 항법급보다 나빠, 양자 관성은 2030년대 이전에 소형 기체의 요구를 채우리라 기대하기 어렵다(
추정). 둘째, 시계는 도심 5분 구간에서 수직 오차를 몇 m 안으로 막지 못했다(4.12.9). 반대로 군용 장기 체공·함정·잠수함 같은 곳은 ①과 정밀 관성의 가치가 크다. 이 판단은 성숙도 가정에 민감하다.
4.12.11 세 축 비교
| 항목 | 군용 드론 | 민간 UAS | AAM |
|---|---|---|---|
| 요구하는 시각 유지 | 수 시간~일 | 수 초~분 | 수 분(최종 접근 중 해 유지) |
| 현실적 선택 | 고급 관성+원자시계, 방사 없는 자립 | MEMS+TCXO, 필요 시 인증 신호 | 다중 센서 융합+인증 신호(15.15) |
| 양자 관성 | 시험·시연 대상(장기) | 사실상 대상 아님 | 인증 요건 정립 이전 |
| 정책 연결 | 수출통제·공급망 | PNT 프로파일, 조달 | 인프라 복원력, 감항 |
| 관련 장 | 5.8 | 14.9 | 15.15 |
4.12.12 관련 규격·프로토콜
| 문서 | 발행 | 무엇을 정하나 | 상세 |
|---|---|---|---|
IEEE Std 1139 (판 확인 필요) | IEEE | 주파수·시간 계측의 무작위 불안정도 정의(Allan 편차 등) | 4.12.3.2 |
IS-GPS-200 (판 확인 필요) | 미국 | GPS 신호 인터페이스(L1 C/A, L2C 등) | 9.16 |
| Galileo OSNMA 인터페이스 문서 | EU | 항법 메시지 인증 방식 | 9.16 |
| NIST IR 8323 | NIST | PNT 프로파일 | 4.12.8 |
| 행정명령 13905 | 미국 | PNT 책임 있는 사용 | 4.12.8 |
4.12.13 관련 규제·인증 요구와의 연결
| 대상 | 요구 | 이 장과의 연결 | 상세 |
|---|---|---|---|
| 수출통제 | 정밀 관성·원자 주파수 표준·양자 센서가 통제 대상일 수 있다(분류·임계 확인 필요) | 군용 시제·해외 반출 | 19.15~19.17 |
| 공급망 | 레이저·증기 셀·정밀 가공 부품의 의존 | CSAC·양자 센서 국산화 | 19.19 |
| 항공 항법 요건 | PBN의 성능 요건(4.1)과 GNSS 상실 대비 | 시계·관성으로 요건 충족 여부 | 17.2·15.12 |
| 주파수 | 저궤도 PNT·eLoran의 신호 대역 허가 | 신규 서비스의 전파 허가 | 17.19·18.16 |
| 정책의 법적 지위 | 행정명령·정책 틀의 구속력 | 조달·인프라 요건 | 17.10·19.10·19.24 |
4.12.14 함정과 한계
| 오해 | 실제 | 더 볼 곳 |
|---|---|---|
| "원자시계를 달면 GNSS 없이도 정확하다" | 시각 유지는 마지막 보정의 질이 정한다. CSAC도 1시간에 수십 m, 24시간에 km 규모의 시계 오차를 쌓을 수 있다 | 4.12.3.3 |
| "시계가 좋으면 위치가 다 좋아진다" | 수직은 좋아지지만 수평 기하는 그대로다 | 4.12.4.1 |
| "양자 가속도계가 나오면 관성항법이 해결된다" | 가속도계만 250배 좋아도 100 m 도달이 1.27배다. 자이로가 병목이다 | 4.12.6.3 |
| "ng급 측정 결과가 항법 성능이다" | 정지·실험실·긴 적분 시간의 값이다. 이동 기체에서는 회전·진동·주기 측정이 걸림돌이다 | 4.12.6.2 |
| "저궤도 PNT는 재밍에 면역이다" | 31 dB는 같은 방사 전력을 가정한 거리 비일 뿐 방호가 아니다 | 5.2 |
| "정책이 정해졌으니 인프라가 있다" | 정책은 방향이고 서비스의 운용 상태는 따로 확인해야 한다 | 4.12.8 |
이 장의 한계도 밝혀 둔다.
- 시계 모형은 결정적 항 중심이다. 입력 $y_0$·$D$는 가정이고 제품별로 크게 다르다. 온도·충격에 따른 변화는 넣지 않았다.
- DOP 계산은 합성 기하다. 위성 배치는 임의이고 실제 하늘과 다르다.
- 양자 항목은 초록 수준 확인이다. 문헌 값은 arXiv 초록을 직접 읽어 확인했고 본문을 읽지 못했다. 공개 시연(영국·미국)은 2차 보도다.
- 정책의 현재 효력과 일정은 확인 필요다(KPS·eLoran·행정명령 13905).
4.12.15 체크포인트·연구 질문
체크포인트
- 시간 오차 10 ns가 거리로 얼마이고, CSAC가 그 오차에 닿는 데 걸리는 시간을 식으로 어림하라.
- 시계 보조 위치 해에서 미지수가 몇 개로 줄고, 수직 DOP는 왜 크게 좋아지는가?
- 시각 유지가 마지막 보정의 질에 달린 이유를 $x(t)=y_0t+\tfrac12Dt^{2}$로 설명하라.
- 원자 간섭계 가속도계의 위상 식에서 감도가 $T^{2}$에 비례하는 것과 회전이 가속도로 위장되는 것을 설명하라.
- 가속도계 바이어스를 낮춰도 위치 오차가 크게 줄지 않는 조건을 두 항이 같아지는 시간 $t^{*}=3b/(g\varepsilon)$로 설명하라.
- 행정명령 13905가 요구한 것을 세 가지 말하라.
연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)
- 이동 기체에서의 양자 가속도계 성능 — 회전·진동 속에서 하이브리드 센서의 바이어스 안정도를 공개 시험으로 어떻게 정량화하나?
- 원자 자이로의 격차 — 항법급 고전 자이로를 따라잡으려면 어떤 장치 크기·사이클 시간이 필요한가?
- 시각 유지의 열 민감도 — CSAC와 OCXO의 급한 온도 변화 성능을 비행 환경에서 비교한 공개 데이터는 얼마나 있나?
- PNT 복원력 정책의 효과 측정 — 프로파일과 조달 요건이 실제로 GNSS 의존을 줄였는지 어떤 지표로 볼 수 있나?
1차 출처(이 장)
- Executive Order 13905 (85 FR 9359, 2020-02-18), Strengthening National Resilience Through Responsible Use of Positioning, Navigation, and Timing Services, Federal Register — 원문 확인.
- NIST IR 8323, Foundational PNT Profile, 2021
(판 확인 필요). - U.S. DOT, Complementary PNT and GPS Backup Technologies Demonstration Report, DOT-VNTSC-20-07, 2021; DOT Complementary PNT Action Plan, 2023
(2차 요약 확인). - Microchip, SA.45s CSAC 데이터시트(문서 00002985A)
(판 확인 필요). - Titterton, D. H.; Weston, J. L., Strapdown Inertial Navigation Technology, 2nd ed., IET, 2004.
- Kitching, J., "Chip-scale atomic devices," Applied Physics Reviews, 5, 031302, 2018
(권·쪽 확인 필요). - 양자 관성 문헌(arXiv 초록을 직접 읽어 확인): Cheiney 외, Phys. Rev. Applied 10, 034030(2018, arXiv:1805.06198); Battelier 외, Proc. SPIE(2016, arXiv:1605.02454); Templier 외(2022, arXiv:2209.13209); Salducci 외(2024, arXiv:2405.13689).
- IEEE Std 1139; ITU-R TF.538
(판 확인 필요).
출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.
다음 장: 4.13에서 제4부 전체를 한 구성 문제로 모은다. 요구에서 GNSS 거부 시나리오를 거쳐 구성 후보를 정하고, 후보별 GNSS 거부 시간 대 위치 오차를 한 그림에 놓고, 단일 GNSS 의존·다중 센서 자립·인프라 기반 대체의 세 입장을 비교해 임무별 구성 매트릭스와 검증 절차로 이어 간다.