KR101915959B1 - 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법 - Google Patents

달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법 Download PDF

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Abstract

달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법이 제공된다. 이 미약 신호 처리 기법은 위성 측위 시스템 수신기에 수신된 미약 신호에 대한 코히런트 적산 시간을 늘려서 상기 미약 신호에 대한 위성 측위 시스템 수신기의 민감도를 증가시키는 것이다.

Description

달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법{Weak Signals Processing Technique for Global Navigation Satellite System Receiver}
본 발명은 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법에 관한 것으로, 더 구체적으로 미약 신호에 대한 적산 시간을 늘려 추적부의 성능을 향상시킬 수 있는 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법에 관한 것이다.
일반적으로 인공 위성용 항법 수신기는 저궤도 인공 위성에 탑재하여 위치, 속도 및 시간에 대한 정보를 인공 위성에 전달하였다.
위성 측위 시스템(Global Navigation Satellite System : GNSS) 위성은 일반적으로 저궤도 인공 위성보다 높은 궤도에 위치한다. 저궤도 인공 위성은 위성 측위 시스템 위성의 주 방사군(main lobe)에 위치하여 비교적 안정적이며 강인한 무선 주파수 신호를 수신받을 수 있다.
달 탐사용 위성 측위 시스템 위성의 경우에는 지구에서부터 달 궤도까지 장시간 비행을 하기 때문에, 신호 품질의 저하와 인공 위성의 동적 특성으로 인해 저궤도용 위성 측위 시스템 수신기는 정상적인 동작을 수행할 수 없다. 이에 따라, 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기는 주 방사군이 아닌 미약한 사이드(side) 방사군 신호 처리를 수행해야 하며, 위성 측위 시스템 위성과의 원거리에 의한 미약 신호에 대한 처리가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 미약 신호에 대한 추적부의 성능을 향상시킬 수 있는 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법을 제공한다. 이 미약 신호 처리 기법은 위성 측위 시스템 수신기에 수신된 미약 신호에 대한 코히런트 적산 시간을 늘려서 미약 신호에 대한 위성 측위 시스템 수신기의 민감도를 증가시키는 것일 수 있다.
미약 신호에 대한 코히런트 적산 시간을 늘리는 것은 위성 측위 시스템의 항법 데이터 비트 보정 정보를 이용한 데이터 비트 전이 문제를 해결하는 것에 의한 것일 수 있다.
미약 신호에 대한 코히런트 적산 시간을 늘리는 것은 위성 측위 시스템의 파일럿 신호 채널을 사용하는 것에 의한 것일 수 있다.
미약 신호에 대한 코히런트 적산 시간을 늘리는 것은 위성 측위 시스템의 데이터 신호 채널과 파일럿 신호 채널 각각의 적산 시간을 다르게 하여 처리하는 것에 의한 것일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제의 해결 수단에 따르면 위성 측위 시스템 수신기에 수신된 미약 신호에 대한 코히런트 적산 시간을 늘림으로써, 미약 신호에 대한 위성 측위 시스템 수신기의 민감도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 미약 신호에 대한 추적부의 성능을 향상시킬 수 있는 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 측위 시스템 수신기의 블록 다이어그램이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 측위 시스템 수신기의 추적부의 블록 다이어그램들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법에 의한 결과 값들을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법 및 이에 의한 결과 값들을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
하나의 구성 요소(element)가 다른 구성 요소와 '접속된(connected to)' 또는 '결합한(coupled to)'이라고 지칭되는 것은, 다른 구성 요소와 직접적으로 연결된 또는 결합한 경우, 또는 중간에 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 '직접적으로 접속된(directly connected to)' 또는 '직접적으로 결합한(directly coupled to)'으로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소를 개재하지 않은 것을 나타낸다. '및/또는'은 언급된 아이템(item)들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 '아래(below)', '밑(beneath)', '하부(lower)', '위(above)', '상부(upper)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 장치 또는 구성 요소들과 다른 장치 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 장치의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 장치를 뒤집을 경우, 다른 장치의 '아래(below)' 또는 '밑(beneath)'으로 기술된 장치는 다른 장치의 '위(above)'에 놓일 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 '아래'는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 장치는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나(rounded) 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 장치의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 측위 시스템 수신기의 블록 다이어그램(block diagram)이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 측위 시스템 수신기의 추적부의 블록 다이어그램들이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법에 의한 결과 값들을 보여주는 그래프이고, 그리고 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법 및 이에 의한 결과 값들을 보여주는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기와 위성 측위 시스템 위성 및 지상 수신국과의 통신 경로가 보인다. 또한, 위성 측위 시스템 수신기의 구조가 보인다.
달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법은 위성 측위 시스템 수신기에 수신된 미약 신호에 대한 코히런트(coherent) 적산 시간을 늘려서 미약 신호에 대한 위성 측위 시스템 수신기의 민감도를 증가시키는 것일 수 있다.
위성 측위 시스템 수신기에 수신된 지구 위치측정 시스템(Global Positioning System : GPS) 신호의 민감도는 1 Hz 대역 폭 내의 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio : SNR)를 나타내는 캐리어 대 잡음 밀도 비(carrier to noise density ratio)인
Figure 112017011623218-pat00001
에 기반하여 측정된다.
Figure 112017011623218-pat00002
초 동안의 코히런트 적산 시간은
Figure 112017011623218-pat00003
를 갖는 저역 필터(low pass filter)처럼 동작한다. 수신 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density : PSD)가
Figure 112017011623218-pat00004
라고 가정하면, 코히런트 적산에 따른 총 잡음 파워는 아래 식과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112017011623218-pat00005

따라서, 신호 대 잡음 비는 아래 식과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112017011623218-pat00006

여기서
Figure 112017011623218-pat00007
은 수신 신호의 평균 파워 밀도를 나타낸다. 위의 식으로부터 사후 상관관계(post-correlation) 신호의 신호 대 잡음 비는 적산 시간
Figure 112017011623218-pat00008
가 증가함에 따라 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 따라서, 미약 신호 획득은 사후 상관관계 신호 대 잡음 비를 높이기 위해 긴 적산 시간을 요구한다는 것을 알 수 있다.
이때 적산 시간이 증가하면 위성 측위 시스템의 다이내믹(dynamic)에 의한 추적 오차가 증가하는 것이 일반적이므로, 무조건 적산 시간을 늘리는 것에 주의를 기해야 한다. 그러나 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 경우 저크(jerk) 형태의 다이내믹보다는 등속 형태의 다이내믹이 일반적이며, 궤도 결정 필터부 또는 기타 고가의 항법 센서(sensor)(예 : 관성 항법)를 이용할 수 있으므로, 다이내믹에 의한 오차 영향은 충분히 상쇄가 가능하다.
미약 신호에 대한 코히런트 적산 시간을 늘리는 것은 위성 측위 시스템의 항법 데이터 비트(data bit) 보정 정보를 이용한 데이터 비트 전이 문제를 해결하는 것에 의한 것일 수 있다.
긴 적산 시간을 사용하려면 항법 비트 시작점과 항법 시퀀스(sequence)에 대한 정보가 필요하다. 지구 위치추적 시스템 씨에이 코드(Coarse/Acquisition code : C/A code) 신호의 경우, 항법 비트의 지속 시간은 20 ms이고, 그 데이터 비트 에지(edge)는 1 ms 의사 랜덤 잡음(Pseudo Random Noise : PRN) 코드와 동기 되어 있기 때문에, 20가지의 가능한 비트 전이 점들이 존재한다. 적산 시간 동안에 데이터 비트 전이가 일어날 경우, 상관기 값이 떨어지게 되는 악영향을 받는다.
따라서, 외부 보정 데이터(예 : 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 경우에는 교란 억제 네트워크(Disruption-Tolerant Networks : DTN) 망)를 이용하여 항법 메시지(message) 데이터 비트를 알 수 있다면, 이를 추적 루프(loop)에서 효율적으로 사용하여 미리 항법 데이터 비트를 위성 측위 시스템 수신기의 추정 신호에 곱하여 데이터 비트 전이에 의한 영향이 제거될 수 있다. 이러한 방식으로 코히런트 적산 시간을 늘려서 위성 측위 시스템 수신기의 추적 성능이 향상될 수 있다.
미약 신호에 대한 코히런트 적산 시간을 늘리는 것은 위성 측위 시스템의 파일럿(pilot) 신호 채널(channel)을 사용하는 것에 의한 것일 수 있다.
현대화 지구 위치측정 시스템 신호 및 새로운 위성 측위 시스템 신호들은 항법 메시지 데이터 비트를 포함하지 않는 독립적인 파일럿 신호 채널을 갖도록 설계되었다.
여기서 도 2a는 독립적인 데이터 채널/파일럿 채널을 갖는 위성 측위 시스템 수신기의 추적부의 구성에 대한 블록 다이어그램이고, 그리고 도 2b는 통합된 데이터 채널/파일럿 채널을 갖는 위성 측위 시스템 수신기의 추적부의 구성에 대한 블록 다이어그램이다.
신호에 따라 다르나 데이터 채널 및 파일럿 채널 사이의 신호 파워의 비율은 대략 50 : 50이다(25 : 75도 존재, 예 : GPS L1C). 이에 따라, 이론상으로 50 %의 신호 감쇄 현상이 나타나게 된다(즉, -3 dB 손실). 그러나 파일럿 신호들은 코히런트 추적 방식을 이용하는 순수 위상 동기 루프(pure Phase Locked Loop : pure PLL) 사용이 가능함에 따라, 1-시그마(sigma) 추적 문턱이 기존 45 도에서 90 도로 늘어나게 되므로, 가용한 캐리어 파워 오버 잡음 파워(carrier power over noise power, C/N0)가 넓어지게 된다.
따라서, 파일럿 신호 채널을 사용함에 따라 적산 시간이 비약적으로 늘어날 수 있으며, 그리고 추적 문턱이 90 도로 늘어남에 따라 가용 캐리어 파워 오버 잡음 파워가 증가(즉, 캐리어 파워 오버 잡음 파워 문턱이 낮아짐)하게 되므로 미약 신호를 처리할 때 이득이 나타날 수 있다. 같은 적산 시간을 사용하는 50 : 50인 데이터 채널 신호 및 파일럿 채널 신호의 경우, 파일럿 채널 신호가 6 dB 이득이 있다. 적산 시간을 비약적으로 늘린다면 이득이 더 늘어날 수 있다.
도 4는 위에서 설명된 파일럿 채널 신호의 사용에 따른 캐리어 파워 오버 잡음 파워 문턱의 이득에 대한 것이다.
미약 신호에 대한 코히런트 적산 시간을 늘리는 것은 위성 측위 시스템의 데이터 신호 채널과 파일럿 신호 채널 각각의 적산 시간을 다르게 하여 처리하는 것에 의한 것일 수 있다.
이를 좀 더 발전시켜 신호 파워가 분배되어 있는 데이터 채널 신호와 파일럿 채널 신호를 적산 시간을 다르게 하여 각각 처리한 후 최적으로 통합하는 알고리즘(algorithm)을 이용하면 좀 더 이득을 얻을 수 있다.
도 3을 참조하면, 코히런트 적산 시간의 증가에 따라 위성 측위 시스템 수신기의 추적부의 데이터 채널에 대한 성능이 향상되고, 그리고 파일럿 채널과 같이 적산 시간을 항법 데이터 비트 시간 이상으로 늘릴 경우 비약적으로 위성 측위 시스템 수신기의 추적부의 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상 합성 기술은 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법은 위성 측위 시스템 수신기에 수신된 미약 신호에 대한 코히런트 적산 시간을 늘림으로써, 미약 신호에 대한 위성 측위 시스템 수신기의 민감도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 미약 신호에 대한 추적부의 성능을 향상시킬 수 있는 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법이 제공될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (4)

  1. 위성 측위 시스템 수신기에 수신된 미약 신호에 대한 코히런트 적산 시간을 늘려서 상기 미약 신호에 대한 상기 위성 측위 시스템 수신기의 민감도를 증가시키며,
    상기 위성 측위 시스템의 데이터 신호 채널과 파일럿 신호 채널 각각의 적산 시간을 다르게 하여 처리함으로써 상기 미약 신호에 대한 상기 코히런트 적산 시간을 증가시키되,
    신호 파워가 분배되어 있는 상기 데이터 신호 채널와 상기 파일럿 신호 채널의 적산 시간을 다르게 하여 각각 처리한 후 통합하는 알고리즘을 이용하는 달 탐사용 위성 측위 시스템 수신기의 미약 신호 처리 기법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
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