레이 바움법(Ray Baum Act)과 E911

2018년 3월, 미국 의회는 발신자가 유선 전화, 휴대폰, VoIP 또는 기타 기술 등 어떤 방식을 이용하든 상관없이 응급 서비스에 대한 응대가 신속하게 이루어질 수 있도록 하기 위해 레이 바움법(RAY BAUM'S Act)을 통과시켰습니다.  2022년부터 FCC(연방통신위원회)는 E911 통화의 층수 데이터를 제공하는 것을 목표로 가이드라인과 메트릭을 채택했습니다¹. 이러한 규정으로 인해, 휴대폰, 태블릿, 스마트워치 및 기타 음성 지원 제품을 만드는 회사들은 이제 기압을 측정하여 고도 변화를 감지할 수 있는 보다 정확한 압력 센서를 통합하는 방향으로 전환하고 있습니다.

기압 vs 고도

기압은 고도와 직접적인 관계가 있습니다. 간단히 말하자면, 상공의 기단이 두터울수록 사람에게 가해지는 압력은 더 높아집니다. 바닥 감지를 위해 압력 센서를 활용하는 것은 일반적으로 건물 자동화 및 엘리베이터 시스템과 관련이 있습니다.

그림 1: 기압과 층수의 관계. (이미지 출처: STMicroelectronics)

엘리베이터가 층 간을 이동할 때 센서가 기압 변화를 측정합니다. 엘리베이터가 올라갈수록 센서 위에는 대기가 적기 때문에 기압이 감소합니다.

새로운 요구 사항을 충족하기 위한 숙제

고도의 변화가 크지 않은 경우 그림 2와 같이 기압과 고도 사이의 관계는 선형적입니다. 상온의 이상적인 조건에서 압력은 25.8피트마다 약 1mbar씩, 즉 일반적인 고층 빌딩의 경우 층당 약 0.5mbar씩 변합니다.

그림 2: 기압과 고도의 관계. (이미지 출처: STMicroelectronics)

하지만 실제로 층수 감지에 기압을 사용하는 데는 큰 어려움이 두 가지 있습니다.  첫째, 압력 및 온도 작동 범위 전반에 걸친 센서 정확도, 둘째, 날씨, 온도, 대기 난기류 등 현지 조건에 따른 압력 변화를 보정하는 방법입니다.

센서 정확도

지난 10년 동안 MEMS 압력 센서는 모든 작동 조건에서 정확도와 안정성을 개선하는 데 상당한 진전을 이루었습니다.  이제 압력 센서에는 온도 보정 기능이 내장되어 있으며, 칩 제조업체는 시간과 온도에 따른 압력 센서의 정확도와 안정성을 개선하기 위해 공장 보정 작업을 강화하고 있습니다.

표 1에서는 이러한 점이 강조되어 있으며, 초기 MEMS 압력 센서와 오늘날의 최첨단 LPS22DF 절대 압력 센서를 비교하고 있습니다.

표 1: 레거시 압력 센서와 최신 압력 센서의 주요 매개변수.

LPS22DF에는 납땜 후 드리프트를 크게 줄이고 회복을 가속화하는 고급 MEMS 설계가 적용되어 있습니다. 또한 LPS22DF의 설계는 시간 경과에 따른 드리프트를 제한하여 장기적인 안정성을 제공합니다. LPS22DF와 같은 최신 압력 센서는 층수의 변화를 안정적으로 감지할 수 있습니다.

현지 날씨

기상 조건, 특히 매일의 온도와 습도 변화는 대기 기압에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 하루에도 기압은 단 몇 시간 만에도 여러 층 높이만큼 달라질 수 있습니다. 아래 예에서 기압 3mbar의 변화는 고도가 78피트 이상 변화하는 것과 같습니다.

그림 3: 뉴욕시의 시간별 대기압⁴. (이미지 출처: https://barometricpressure.app/new-york)

날씨 및 지역 기압 보정

날씨에 대한 보정에는 실시간 대기압 데이터를 기반으로 보정을 구현하고 압력 수치를 지속적으로 조정하는 작업이 포함됩니다.

그림 4: 변화하는 기상 조건에 대한 조정 및 보정. (이미지 출처: STMicroelectronics)

NextNav³와 같은 회사는 정교한 알고리즘과 센서 융합 기술을 제공하여 외부 요인을 보정합니다. NextNav의 Pinnacle®은 기압 센서를 활용하여 지리적 위치 애플리케이션에 정밀한 '층수'의 수직 위치 정보를 제공하는 시스템 제품입니다.  또한 전체 대도시 지역을 커버하는 관리형 서버와 레퍼런스 스테이션을 구축하여 도시 환경에서 포괄적인 Z축 커버리지를 제공하고 있습니다.

NextNav는 또한 'NextNav 인증' 프로그램을 통해 기압 센서의 품질과 정확도를 개선하기 위해 노력하고 있습니다. NextNav는 장치 제조업체와 협력하여 센서 모델에 맞는 테스트 계획을 개발하고 합의된 프레임워크에 따라 테스트 결과를 평가합니다. 최종 인증이 완료되면 NextNav에서 인증서를 발급하여 NextNav 인증 표준을 준수했음을 증명합니다. 절대 정확도와 저드리프트 아키텍처가 크게 개선된 LPS22DF는 ST의 압력 센서 중 최초로 NextNav 인증²을 획득한 제품입니다.

결론

2022년부터 규제 당국은 음성 지원 시스템의 경우 모두 레이 바움법과 FCC에서 정한 요구 사항을 충족하도록 의무화했습니다. 휴대폰, 태블릿, 스마트워치 및 기타 음성 지원 IoT 제품의 장비 제조업체는 새로운 표준을 충족하기 위해 보다 정확한 압력 센서를 통합하고 있습니다. NextNav와 같은 업체는 요구되는 수직 위치 정확도를 달성하기 위한 소프트웨어 및 하드웨어 솔루션뿐만 아니라 인증 서비스를 제공합니다. E911과 같은 서비스 외에도 이러한 새로운 하드웨어 및 소프트웨어 기능을 활용할 수 있는 애플리케이션이 다양하게 존재합니다.

참고 자료

1. Dispatchable Location for 911 Calls: https://www.fcc.gov/911-dispatchable-location(영문)
2. LPS22DF, ST’s first pressure sensor to receive the NextNav Certification thanks to unique capabilities: https://blog.st.com/lps22df-nextnav/(영문)
3. NextNav adds new dimensions to geolocation : www.nextnav.com(영문)
4. New York Barometric Pressure Forecast and History: https://barometricpressure.app/new-york(영문)
5. LPS001WP & LPS331AP barometric pressure sensors: LPS001WP - MEMS pressure sensor, 300-1100 mbar absolute digital output barometer - STMicroelectronics(영문)