박호근
(Hokeun Park)
1iD
김경화
(Kyeong-Hwa Kim)
†iD
-
(Dept. of Railway Electrical Signaling Engineering, Graduate School of Railway, Seoul
National University of Science and Technology, Republic of Korea.E-mail : xhakxh815@seoultech.ac.kr)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
GNSS RTK, GNSS, Railway Position Detection, Train Control System
1. 서 론
제철소에서는 고온의 쇳물을 제강공정으로 이송하기 위해 다수의 기관차 및 TLC(Torpedo Ladle Car)가 운행되고 있다. 이들 차량은 복잡한
선로망과 제한된 시야 환경 속에서 고빈도로 운행되며, 운전은 대부분 기관사의 수동 조작에 의존하고 있다. 그러나 이러한 운전 방식은 정지신호 무시,
건널목 충돌, 곡선 구간에서의 과속 등 다양한 형태의 안전사고가 일어나고 있으며, 쇳물 이송 중 사고 발생 시 대형화재나 인명 피해로 이어질 위험이
매우 크다.
특히 제철소는 고온의 용선이 노출된 작업 환경과 분진, 고습도 등의 요소로 인해 운전자의 시야 확보가 어렵고, 약 300톤에 달하는 고하중 열차의
긴 제동거리로 인해 실시간 대응이 물리적으로 제한된다. 이에 따라 열차 운행의 안전성과 효율성을 확보하기 위한 열차 보호를 위한 열차제어시스템 구축이
필요하다.
현재 일부 제철소에서는 연동장치 및 궤도회로를 통해 신호기 및 선로전환기를 제어하고 있으나, 이는 열차의 위치 및 신호기, 선로전환기 제어를 위한
설비로 실제 운행 제어를 수행하는 시스템은 마련되어 있지 않다. 대부분의 운행은 기관사의 경험과 노하우에 의존하여 수동으로 이루어지고 있으며, 이는
시스템적인 안전 확보에 한계를 드러낸다. 또한, 철도 신호 설비인 발리스(Balise)와 같은 지상 장치는 제철소의 극한 환경(1,500℃ 이상의
온도, 철분 및 분진)에 의해 설치와 유지보수가 매우 곤란한 실정이다[1].
이러한 제약을 극복하기 위한 대안으로 GNSS(Global Navigation Satellite System) 기반의 위치 검지 기술이 주목받고 있다.
GNSS는 위성과 수신기 간 거리 측정을 통해 절대 위치를 산출하는 기술로, 지상설비에 대한 의존 없이도 열차의 위치를 실시간으로 파악할 수 있다.
특히 RTK(Real-Time Kinematic)는 기준국으로부터 송신되는 보정 데이터를 활용하여 수 cm급의 고정밀 측위를 제공함으로써 기존 GNSS
대비 우수한 정밀도를 확보할 수 있으며, 지상 장비 없이도 실시간 열차제어에 활용 가능하다는 점에서 큰 장점을 갖는다[2].
본 연구에서는 열차제어를 위한 철도 신호 지상설비 설치가 어려운 제철소와 같은 특수 산업 환경에서 GNSS RTK 기반의 위치 검지 기능과 무선통신
기술을 융합한 열차제어시스템을 제안하고, 실험을 통한 성능 평가를 수행하여 제안한 열차제어시스템의 기술적 유효성을 증명하였다.
2. 본 론
2.1 위성항법시스템
위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)은 지구 궤도상에 다수 배치된 항법 위성으로부터 송신되는 신호를
수신하여 사용자의 위치를 계산하는 글로벌 측위 시스템이다. 대표적인 GNSS 시스템으로는 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, 유럽의 Galileo,
중국의 BeiDou가 있으며, 이들은 상호보완적으로 사용되고 있다. GNSS는 도로, 해양, 항공, 국방 분야에 광범위하게 활용되고 있으며, 최근에는
철도 시스템에서도 위치 검지 기술로 주목받고 있다.
GNSS는 위성으로부터 수신되는 전파의 도달 시간을 바탕으로 수신기와 위성 간의 의사거리(Pseudorange)를 계산하고, 삼변측량(Trilateration)을
통해 사용자의 위치를 추정한다. 그러나 일반적인 GNSS는 전리층 및 대류권 지연, 다중경로 오차 등의 영향으로 수 미터(m) 수준의 오차를 발생시키며,
이는 철도 제어 시스템과 같은 고정밀 운행 환경에서는 적용에 한계가 있다.
이러한 한계를 개선한 방식으로 GNSS의 신호의 반송파 위상을 이용하여, 실시간으로 위치를 측정할 수 있는 RTK(Real-Time Kinematic)
기술이 있다. RTK는 고정된 기준국(Base Station)에서 수신한 위성 신호와 이동국(Rover)의 신호를 비교하여, 이중 차분(Double
Difference) 연산을 통해 공통 오차를 제거하고, 반송파 위상 기반의 정밀 측정을 수행한다. 수식 (1)을 통해 GNSS 위치 오차를 수 cm 단위까지 줄일 수 있으며, 실시간 위치 추정이 가능하다[3,4].
$\Phi : 반송파 위상 관측값$
$\rho :기하학적거리$(수신기와 위성간의 실제거리)
$I:전리층지연$(Ionospheric delay)
$T_{r}:대류권지연$(Tropospheric delay)
$b_{Rx},\: b_{Sat}$ : 각각 수신기와 위성의 시계오차
$c :빛의속도$
$N:·모호정수$ (Integer Ambiguity)
$\lambda : 반송파 파장$
$\epsilon_{\Phi}: 잔여 노이즈 및 기타 오차$
2.2 GNSS RTK 기반 열차제어시스템 구성 및 적용
제철소와 같은 고온, 분진, 협소한 작업 공간 등 특수 환경에서는 발리스(Balise)와 같은 기존 신호용 지상설비의 설치 및 유지에 제약이 크며,
이로 인해 정밀한 열차 위치 검지 및 운행 제어에 한계가 존재한다. 본 연구에서는 이러한 제약을 극복하기 위해 GNSS RTK 기반의 고정밀 위치
정보와 차륜속도계(Tachometer)를 통합하여 실시간 열차 제어가 가능한 시스템을 구성하였다. 제안한 열차제어시스템은 크게 지상신호시스템과 차상신호시스템으로
나뉘며, 전체 시스템 구성은 Fig. 1에 나타내었다.
그림 1. 시스템 구성도
Fig. 1. System Configuration Diagram
시스템의 핵심은 GNSS RTK 수신기를 통해 수신된 수 cm 수준의 고정밀 위치 정보를 기반으로 지상과 차상의 제어 로직이 유기적으로 연동되는 구조이다.
이로써 실시간 위치 검지, 이동권한(MA: Movement Authority) 산정, 곡선 구간 속도 제어, 비상제동 제어 등 다양한 제어 기능을
수행함으로써 운행의 안전성과 효율성을 동시에 확보할 수 있다.
지상신호시스템은 열차의 실시간 위치 정보와 궤도 점유 상태를 종합적으로 분석하여 각 차량에 대한 이동권한(Movement Authority, MA)을
산정한다. 또한, 선행 열차와의 거리, 분기기 전환 상태, 건널목 개폐 상태 등 주요 인프라 정보를 통합적으로 고려하여 열차의 운행 경로를 설정하며,
필요 시 비상정지 제어 명령을 발령하는 기능을 포함한다.
이 시스템은 차상에서 송신된 RTK 기반 위치 정보를 수신하고, 이를 바탕으로 전체 선로의 상태 및 교통 흐름을 판단한다. 제어 판단 결과는 무선통신을
통해 해당 차량의 차상시스템으로 전송되며, Fig. 2는 지상신호시스템의 구성도를 나타낸다.
그림 2. 지상설비 시스템 구성도
Fig. 2. Wayside Signaling System Configuration
차상신호시스템은 GNSS RTK 수신기와 차륜속도계로부터 수집된 데이터를 기반으로 열차의 위치와 속도를 정밀하게 추정하며, 이를 바탕으로 실시간 동적
속도 프로파일을 생성한다. 생성된 속도 프로파일은 지상신호시스템으로부터 수신한 이동권한(Movement Authority, MA), 제한속도(Most
Restrictive Speed Profile, MRSP) 등의 정보를 반영하여 작성되며, 프로파일을 초과할 경우 자동으로 제동 명령을 발령하는 기능을
수행한다.
특히 RTK 신호 수신이 어려운 음영구간에서는 차륜속도계 데이터를 활용하여 차량의 상대 이동거리를 보완하고, 이를 RTK 기반 위치 정보와 연동함으로써
위치 추정 오차를 최소화한다. 이러한 방식은 제동거리, 곡선 통과속도, 정지 위치 등 주요 운행 변수의 정밀 제어를 가능하게 한다. Fig. 3은 차상신호시스템의 구성도를 나타낸다.
그림 3. 차상설비 시스템 구성도
Fig. 3. Onboard Signaling System Configuration
제시한 GNSS RTK 기반 열차제어시스템을 제철소 현장에 적용하여, 실제 산업 환경에서의 운용 가능성과 제어성능을 검증하기 위한 시험을 수행하였다.
2.2.1 GNSS RTK의 위치 정확도 측정 시험
GNSS RTK 정확도를 확인하기 위한 실험을 다음과 같은 순차적 절차로 구현하였다. 기존에 설치된 궤도를 GNSS 수신기를 활용하여 좌표(Coordinate)
데이터를 수집한 후, PPK(Post-Processing Kinematic) 방법을 통해 설치된 레일의 정확한 좌표를 획득하였다. GNSS 안테나에서
수신된 신호는 스플리터를 통해 분할되어 RTK(Real-Time Kinematic) 수신기와 PPP(Precise Point Positioning)
수신기에 동시에 입력되었으며, RTK 측위를 위해 수신기의 내장 Ntrip client 기능을 활성화하고 한국국토지리정보원(VRS) 서버(rts2.ngii.go.kr:2101
포트, VRS-RTCM32 마운트 포인트)에 모뎀을 기준국으로 설정하여 실시간 연결을 구성하였다[5,6].
PPP 측위를 위해 L-band 신호 수신이 가능한 안테나를 기반으로, NovAtel사의 TerraStar-C Pro 데모 라이선스를 적용하여 추가
보정장치 없이 자체적으로 위성궤도 및 시계 오차 보정 정보를 수신할 수 있도록 설정하였다. 최종적으로 두 수신기에서 1 Hz 샘플링 주기로 획득한
관측 데이터는 NovAtel NAS UI의 Grafnav 데이터셋 형식으로, 각각의 내부 저장매체에 동기화된 UTC 타임스탬프 기반으로 기록되도록
구성하였다. 수집된 데이터를 QGIS를 통해 시각화한 결과를 Fig. 4에서 보는 바와 같이 RTK(파랑), PPP(주황), PPK(빨강)로 나타내었다.
그림 4. GNSS PPP, RTK 시험 결과
Fig. 4. GNSS PPP, RTK Test Result
Fig. 5는 개활지에 설치된 레일 중심부에서 GNSS RTK 방식과 PPP방식의 측위 결과를 비교한 것이다. 그림에서 확인할 수 있듯이, 양 방식 간에는 약
2 m 수준의 위치 오차가 발생하였으며, 이는 PPP 방식이 초기 수렴 시간 동안 위성 오차, 대기 지연, 안테나 위치 보정 등의 요소에 대한 보정
정보가 실시간으로 적용되지 않기 때문에 상대적으로 정밀도에서 차이를 보이는 것으로 분석된다.
그림 5. 개활지에서의 시험 결과
Fig. 5. Test results in open space
Fig. 6는 배관, 제강공장 등 기관차 이동 중 GNSS 신호가 구조물에 의해 수신에 방해를 받는 구간에서, 위치 정확도가 순간적으로 현저히 감소하는 현상을
보여주고 있다. 이러한 환경에서는 구조물에 의해 GNSS 신호가 차단되거나, 구조물 표면에 반사된 신호로 인해 다중경로 간섭이 발생하여 오차가 확대되므로,
차륜센서(Tachometer)와 궤도회로(Track Circuit)를 활용한 복합적 위치 보정이 필수적이다.
그림 6. 구조물 간섭 환경에서의 시험 결과
Fig. 6. Test results in obstructed spaces
이러한 실험 결과는 GNSS RTK를 활용한 정밀한 열차 위치 검지가 가능함을 보여주며, 차륜센서 및 궤도회로를 통한 보완을 통해 발리스 설치가 어려운
제철소와 같은 특수 환경에서도 효과적으로 적용할 수 있음을 확인하였다.
2.2.2 GNSS RTK 열차제어시스템 적용 시험
Fig. 7과 Fig. 8은 각각 정지신호기와 건널목 구간에서 열차제어시스템이 작동하는 상황을 나타내고 있다. 실측된 속도는 기관사의 수동 운전 데이터를 기반으로 하며, 제한속도를
초과한 경우 곡선을 따라 속도를 감속하는 제어 특성이 안정적으로 나타났다.
그림 7. 정지 신호기 접근 시 속도제어 결과
Fig. 7. Speed Control Result During Approach to Stop Signal
그림 8. 건널목 구간 접근 시 속도제어 결과
Fig. 8. Speed Control Result During Approach to Level Crossing
이러한 시험 결과는 GNSS RTK 기반 열차제어시스템이 실제 산업 환경에서도 신뢰성 있게 적용될 수 있음을 보여주고 있다.
3. 결 론
본 연구에서는 특수한 환경으로 인해 기존 열차제어시스템의 적용이 어려운 제철소를 대상으로, GNSS RTK 기반의 고정밀 위치 검지 기술과 무선통신을
결합한 열차제어시스템을 제안하고, 현장 실험을 통해 그 성능을 검증하였다.
제안된 시스템은 정지 신호기 및 건널목 구간 등 주요 제어 지점에서 제한속도 및 제동 곡선을 안정적으로 추종하였으며, 제어 로직이 의도한 대로 작동함을
확인할 수 있었다. 이는 GNSS RTK 기반 제어 구조가 지상설비 없이도 실제 운행 환경에서 신뢰성 있는 제어를 구현할 수 있음을 입증하는 결과로,
제철소와 같은 특수 산업 환경에서도 열차 운행의 안전성과 효율성 향상 가능성을 보여준다.
또한, GNSS RTK 음영지역에서는 차륜센서 및 궤도 점유 정보를 함께 활용함으로써 위치 정보의 연속성을 확보하고, 시스템 전반의 안정성을 높였다.
이를 통해 지상설비의 설치가 어렵거나 열차제어시스템 구축시 경제적 부담이 큰 구간에서도 안전한 운행을 위한 열차제어가 가능함을 확인할 수 있었다.
향후에는 GNSS RTK 음영지역에서의 위치 보정 성능을 더욱 향상시키기 위한 방안에 대한 지속적인 연구가 필요하다
References
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National Geographic Information Institute (NGII), “National Spatial Information Platform,”
accessed April 2025. https://map.ngii.go.kr
저자소개
He received the B.S degree from Woosong University, Daejeon, Korea, in 2019 and M.S
degree from Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea in 2021.
Currently, he is pursuing a Ph.D. at the Department of Railway Electrical Signaling
Engineering at Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea Since
2021. Since 2024, he has been working at the DL E&C Co. Ltd.
He received his B.S. degree from Hanyang University, Seoul, Korea, in 1991; and his
M.S. and Ph.D. degrees from the Korea Advanced Institute of Science and Technology
(KAIST), Daejeon, Korea, in 1993 and 1998, respectively, all in electrical engineering.
Since August 2002, he has been with the Seoul National University of Science and Technology,
Seoul, Korea, where he is presently working as a Professor.