GPS 기반 타이밍 기술이 셀룰러 기지국 동기화, 전력망 모니터링, 초단타 금융 거래의 시간 동기화 등 점점 더 다양한 애플리케이션으로 활용 범위를 넓혀가고 있다.

어떻게 해서 GPS 수신기는 멀리 떨어진 위성에서 쏘아 보낸 미약한 전자기 신호를 활용해 사물의 위치를 수 미터, 심지어는 수 센티미터 이내의 정확도로 계산할 수 있는 것일까? 그 이유는 이들 수신기가 위성 궤도에서부터 위성 신호가 자신에게 도달하기까지 걸린 시간을 기반으로 정확한 위치를 계산할 수 있는 고성능 타이밍 디바이스이기 때문이다. 전자기 신호는 빛의 속도로 이동하기 때문에 단 1마이크로초의 지연만으로도 300미터 대에 이르는 오차가 발생할 수 있다. 이것은 오늘날 사용자들이 기대하는 수 미터 혹은 센티미터급 단위의 정확도와는 거리가 먼 것이다.

GPS 수신기가 위치를 정확하게 계산하기 위해서는 자신의 내부 클럭을 위성의 원자시계와 동기화해야 한다. 이를 위해서는 적어도 4개 이상의 위성으로부터 동시에 신호를 수신 및 처리해서 x, y, z 좌표와 시간을 구해야 한다. 반대로 생각하면 정확한 x, y, z 좌표가 주어지면, GNSS(global navigation satellite system) 수신기는 위성으로부터 방사된 신호를 사용해서 위성의 원자시계에 근접하는 정확도로 시간을 계산할 수 있는 것이다. 도심지처럼 스카이 뷰가 제한적일 때는 단일 위성 신호만으로 충분할 수 있다. 단, 여러 개의 위성을 추적할 때보다 타이밍 정확도는 낮을 수 있다.

다양한 산업 분야에서 정확도가 매우 뛰어난 타이밍과 동기화를 제공하기 위해 특수한 GPS 수신기들이 사용되고 있다. 수년 전부터 4G LTE 모바일 네트워크 기지국들은 유블럭스(u-blox)의 GNSS 기반 타이밍 모듈 제품을 사용하여 기지국들 간의 간섭을 최소화하고, 모바일 사용자들이 셀 경계를 지날 때 핸드오버가 매끄럽게 이루어지도록 하고 있다. 이러한 타이밍 모듈이 달성할 수 있는 정확도가 마이크로초 단위에서 나노초 단위로 향상됨에 따라, 이 같은 정확도 이점을 활용하는 다양한 적용 사례들이 점점 늘어나고 있다.

타이밍 정확도에 있어서의 향상은 위치추적 정확도의 향상으로 이어진다. 특히, 대량 시장에 합리적인 가격대로 확장이 가능한, 데시미터 수준의 고정밀 위치추적 성능을 제공하는 유블럭스의 F9 GNSS 수신기 플랫폼은 새로운 세대의 다중위성군 다중대역 고정확도 GNSS 수신기를 사용하여 타이밍 정확도를 크게 향상시켰다. 이는 산업용 애플리케이션에서 유선 타이밍 및 동기화 솔루션 비용의 불과 몇 분의 1 수준으로, 절대 시간 기준 5나노초(상대 시간으로는 이보다 훨씬 낮은 수치)에 이르는 타이밍 정확도를 가능하게 한다.

갈수록 더 엄격한 타이밍이 요구되는 또 다른 애플리케이션으로 전력망(power grid)를 들 수 있다. 전력 생산에 있어서 풍력이나 태양광 같이 예측이 쉽지 않은 에너지원이 차지하는 비중은 점점 늘어나고 있다. 이와 함께 전력을 공급해야 하는 애플리케이션들 역시 주로 저항성 부하(가령 저항 발열을 통해서 동작을 이끌어냄)에서 용량성 부하(AC에서 DC로 변환할 때 콘덴서를 통해서 동작을 이끌어냄)로 변화하고 있다.

이러한 변화들은 전력망 관리를 더욱 까다롭게 만든다. 일례로, 전력망 관리자는 이제 전력망으로 주입되는 전력이 매 시점마다 어디에선가 소비되도록 해야 한다. 그런데 예를 들어서 구름이 지나가거나 돌풍이 부는 것에 따라서 전력 생산이 늘거나 줄 수 있는데, 이것은 예측하기가 매우 어렵다. 그러면 용량성 부하(유도성 부하(용량성 부하의 3분의 1)와 마찬가지로)가 전압과 전류 사이에 위상 편이를 유발하고, 이는 다시 관리가 필요한 불안정성을 초래할 수 있다.

이러한 이유로 오늘날의 전력망에서는 싱크로페이저(synchrophasor)라고 하는 위상 관리 유닛이 필수 부품이 되었다. 싱크로페이저를 사용하면 전력망의 여러 부분들에 걸쳐 위상을 모니터링해서 전력망의 안정성을 위협하는 시스템 차원의 발진을 감지할 수 있다. 이로부터 유의미한 데이터를 추출하기 위해서는 싱크로페이저의 샘플링 주파수가 전력망의 50Hz 펄스보다 높아야 하며, 다른 모든 싱크로페이저들과 마이크로초 대의 상대적 타이밍 정확도로 동기화해야 한다.

예컨대 단락과 같이, 전력망에서 전력망 일부를 중단시키는 문제가 발생하면 어떻게 해야 할까? 문제를 빠르게 해결하기 위해서는 결함 부위를 찾아내는 것이 중요하다. 문제 발생 위치를 정확하게 찾아낼수록 수리 기사가 더욱 효과적으로 문제를 해결할 수 있다. 인접한 파동 검출기들 사이에서 상대적 타이밍 정확도가 100나노초이면 결함 부위를 30미터 이내의 정확도로 식별할 수 있다.

무선 타이밍 및 동기화 기술이 점점 더 다양한 산업용 애플리케이션으로 도입되고 있다. 스마트 공장의 고속 생산 라인은 엄밀한 동기화를 필요로 하는데, 이는 초단타 매매 같은 시간 민감형 금융 애플리케이션의 데이터 네트워크 역시 마찬가지다. GNSS 기반 무선 타이밍은 이러한 다양한 애플리케이션을 위해 협정 세계시(coordinated universal time, UTC)를 기준으로 하는 구현하기 손쉽고 비용이 적게 드는 타이밍 솔루션을 제공한다.

모든 기술 변화가 그렇듯이, 단일 대역에서 다중대역 GNSS로 전환하면 경쟁에서 앞서 나가고 경쟁 우위를 달성할 수 있는 기회를 얻을 수 있다. 이 경우에 경쟁 우위는 바로 ‘향상된 타이밍 정확도’이다.

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