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항해 및 항법(Navigation)
항법은 지구상에서 길을 찾아가는 방법으로서, 더 정확하고 빠른 여행에 대한 요구가 높아짐에 따라 더욱 중요성이 커져왔다. 고대의 여행자들은 하늘의 별들을 이용하여 대략적인 위치파악이 가능하였다. 그러나 여행이 바다위에서 그치지않고 지구표면을 훌쩍 뛰어넘게되면서, 3차원 위치판독의 필요성이 요구되기 시작하였다.
이에 따라 20세기에 들어서면서 위도, 경도 및 고도의 실시간정보가 요구되었다. 이렇게 더 엄격해진 요구조건을 만족시키기위하여 Loran-C와 Omega와 같은 전파를 이용한 시스템이 개발되었다. 이는 지상에 구축된 시스템으로서 거대한 송신안테나를 이용하여 저주파(LF) 및 초저주파(VLF)를 지상에서 발사하여 이온층에 반사시킴으로써 먼 곳으로 전송한다(그림 1). 이온층은 태양의 자외선이 상층대기에 도달하여 구성원소들을 광이온화시킴으로써 형성된다.
그림1. 지상의 항법시스템으로부터 전송된 전파의 경로
최근에 와서는 우주공간에서 운용되는 GPS(Global Positioning System)와 같은 시스템이 탁월한 항법시스템으로 등장하였다(그림 2). 인공위성은 지상관측과 비교해볼때 지구상에서 더 광대한 영역을 볼 수 있으며, 매우 긴 시간의 지상여행에 있어서 지속적인 안내가 가능하다. 최소한 4개의 인공위성이 시야에 있다면, 사용자는 정확한 3차원위치를 얻을 수 있다. 4개 이상의 위성이 시야에 들어온다면, 계산된 위치의 정확도는 훨씬 높아진다(그림 3).
그림2. 지상기지에서는 위성에서 오는 정보를 모니터하고 항법정보의 정확성을 보증하는데 필요한 변동사항들을 재전송해준다.
그림3. GPS위성들은 지상 어디에서든 최소 4개이상의 위성들이 항상 보이도록 배치되어있다.
이온층은 이러한 지상 및 위성기반 시스템 모두에 있어서 중요한 역할을 한다. Omega 항법시스템에서도 필요하고, Loran 시스템 역시 마찬가지이며, GPS의 경우 오히려 이온층에 의해 지장을 받는다. 지상에서 이용되는 단파통신과는 달리 GPS에서는 전파신호가 이온층을 통과해야만 한다(그림 4). 지상으로부터 50km 위쪽으로 지구반지름의 수 배 정도의 거리까지 뻗어있는 이온층은 구조가 균일하지도않고 그 상태도 시시각각 변한다. 태양 및 지자기 활동이 이온층의 상태에 항상 영향을 미치며 결국 이는 항법시스템의 기능과도 직결된다. (SE-10 토픽, "전파의 전달"을 참고할것). 이러한 태양 및 지자기 활동은 11년 태양주기에 걸쳐 변화하기 때문에, 현재의 항법시스템들은 태양 극소기와 극대기의 상태가 서로 다른 것을 경험하게 된다. 특정한 환경들(즉, 사용되는 시스템, 사용자의 위치, 태양주기상의 단계, 1년중 언제인지 및 하루중 몇시인지 등)에 의하여 항법시스템으로 얻어지는 위치의 정확도가 많은 영향을 받게된다.
그림4. 가장 일반적인 항법신호 주파수
태양 플레어
태양표면에서 막대한 양의 에너지가 급격하게 방출되는 현상인 플레어는 지구의 이온층을 크게 교란시킨다. 이러한 플레어들은 대개 흑점으로 나타나는 강력한 자기장과 연관이 있으므로, 그 출현빈도는 태양활동주기와 맞물려 증감을 반복한다(그림 5). Loran-C나 Omega와 같은 항법시스템들은 태양극대기의 낮시간동안에는 원활한 이용이 더 어렵다. 반대로 극소기에는 별다른 문제가 없다. 이러한 플레어에 의한 효과는 태양의 X-선에 의한 것으로 GPS사용자들에게는 문제가 되지않는다. GPS신호는 일반적으로 태양 X-선의 대량유입에 의한 이온층의 변화에 별 영향을 받지않는다.
그림5. 흑점의 주기는 태양활동의 주기성을 잘 나타낸다. 이러한 주기는 전부는 아니지만 상당수의 항법시스템 교란에 직접 관련이 있다.
지자기 폭풍
지자기는 태양에 의한 자극이 그 활동주기에 따라 주기와 강도가 변함에 따라 영향을 받는다. 지자기 폭풍은 이온층의 교란을 일으키며 항법시스템에 영향을 끼친다. 태양이 비치는 낮시간에만 영향을 주는 태양의 X-선과는 달리 지자기 폭풍은 어디에서든 일어난다. 그러나 이에 의한 이온층의 반응정도는 위도에 따라 다르므로, 사용자가 적도 또는 극지방에 가까우냐에 따라 그 상태가 달라진다. 역설적으로, 지자기상태가 조용하고 아무 변동이 없다고해서 적도부근의 이온층이 조용하리란 보장은 없다. 이는 이러한 환경의 높은 가변성을 강조하는 것이다. 지자기 폭풍은 방해가 되지만, 때로는 도움이 될 때도 있다.
지구상에서의 GPS 작동은 지자기 폭풍이 있을때 지상과 위성 사이 이온층의 총전자함량(TEC)의 변화에 영향을 받는다. 이온층 플라즈마의 TEC의 급격한 증감은 단일주파수 GPS의 정확도에 직접적으로 영향을 준다. 이중 주파수 GPS의 경우 이러한 이온층에 의한 영향을 측정하여 보정을 하는 것이 가능하다.
더 작은 규모에서는 TEC의 불균일성에 의한 산란효과가 일어나며, 그 정도는 위도에 따라 다르다. 예를 들어, 자기장 적도의 남북으로 위도 15~20도이내의 영역은 지자기폭풍이 일어나지않을때에도 이온층의 불균일성이 가장 크다(그림 6). 겉으로 봐선 예측 불가능한 이온층상부의 밀도증가현상은 저녁시간에도 발생하여 전파를 잘못된 방향으로 보낼수도 있다. 이러한 산란현상으로 GPS의 작동은 단일 및 이중 주파수의 경우 모두 지장을 받게된다.
그림6. 전세계의 이온층 지역.
태양의 고에너지 입자들
때때로(태양극대기에는 더 자주), 태양에서는 많은 양의 고에너지 양성자 및 전자들이 방출된다. 이러한 사건은 한번에 수일정도 지속되며, 지상 및 위성기반 시스템에 서로 다른 방법으로 영향을 미친다. 특히 극지방위도에서 이러한 입자들(주로 양성자)의 유입에 의한 이온층의 반응으로 인하여 Loran-C와 Omega로 전달되는 신호가 감쇄된다. GPS 및 다른 위성들은 고에너지 입자들이 탑재시스템에 미치는 피해에 맞서야만 한다.
항법은 하늘의 별들로 길을 찾던 시절로부터 상당한 진보를 이루어왔다. 이제 우리와 가장 가까운 별인 태양이 항법시스템의 기능을 억누르고있는 것이다.
우주환경에 영향받는 시스템
Loran-C : 가용범위의 한계에서 무선파의 간섭으로 인한 위상 및 진폭의 변이
GPS : 태양 또는 지자기 활동으로 인한 이온층 밀도 변동에 의한 carrier loss-of-lock
Omega : 태양 또는 지자기 활동으로 인한 이온층의 반사고도 변화에 의한 위상의 이상
우주환경 서비스센터에서 감시 및 예보하는 현상들
항법시스템을 와해시킬만큼 충분한 에너지를 방출하는 태양 플레어
이온층의 상태에 영향을 주는 지자기 폭풍
이온층을 국부적 그리고 전지구적으로 교란시키는 태양 양성자 이벤트
참고문헌
- N. Cohen and K. Davies, Radio-Wave Propagation, Space Environment Laboratory, SE-10, 4 pp., 1994.
- K. Davies, Ionospheric Radio, P. Peregrinus, London, 580 pp., 1990.
- G. Hefley, "The deveopment of LORAN-C navigation and timing", National Bureau of Standards Monograph, no. 129, 118 pp.,1972.
- M. Jackson, R. Reilinger, M. Bevis, C. Rocken, B. Stephens, and J. Stowell, "Impact of ionospheric effects on GPS campaigns in southern California and the South Pacific", EOS, p. 1049, October 24, 1989.
- J. Klobuchar, "Ionospheric effects on GPS", GPS World, vol. 2, no. 4, p. 48, April 1991.
- A. L. Vampola, "Solar cycle effects on trapped energetic particles", J. Spacecraft and Rockets, no. 26 (6), p. 422, 1989.
- L. Wanninger, "Effects of Equatorial Ionosphee on GPS", GPS World, vol. 4, no. 7, p. 48, July 1993.
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