KR102424784B1 - eLORAN receiver system to minimize a receiving time delay in an eLORAN system - Google Patents

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Abstract

An eLORAN receiver system for minimizing a reception time delay in an eLORAN system is disclosed. The eLORAN receiver system for minimizing the reception time delay in the eLORAN system, wherein the eLORAN system includes a control station, a dLORAN reference station, and a plurality of eLORAN transmission stations, comprises: a plurality of eLORAN transmission stations connected to the control station and having eLORAN transmitters; and eLORAN receivers receiving eLORAN signals including position, navigation and timing (PNT) information transmitted in all directions from m eLORAN transmitters. In the eLORAN receiver, an omnidirectional antenna is used so as to minimize the reception time delay in accordance with a gain and a phase change of an antenna in the eLORAN signals including the PNT information, and a monopole antenna or a dipole antenna is used as the omnidirectional antenna.

Description

eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템{eLORAN receiver system to minimize a receiving time delay in an eLORAN system}{eLORAN receiver system to minimize a receiving time delay in an eLORAN system}

본 발명은 eLORAN 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제어국, dLORAN 보정 기준국, 복수의 eLORAN 송신국을 포함하는 eLORAN 시스템에서, eLORAN 송신기로부터 omni-directional 전방향으로 송출되는 PNT(Position, Naviagtion, Timing - 위치, 항법, 시각) 정보가 포함된 eLORAN 신호를 수신하는 eLORAN 수신기를 구비하며, eLORAN 송신기와 eLORAN 수신기는 PNT 정보가 포함된 eLORAN 신호의 수신 시간 지연을 최소화하도록 전방향 안테나(모노폴 안테나, 또는 다이폴 안테나)를 사용하는, eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an eLORAN system, and more particularly, in an eLORAN system including a control station, a dLORAN calibration reference station, and a plurality of eLORAN transmitting stations, a PNT (Position, Navigation, Timing - having an eLORAN receiver that receives an eLORAN signal including location, navigation, and time information, wherein the eLORAN transmitter and the eLORAN receiver have an omni-directional antenna (monopole antenna, or dipole antenna), to an eLORAN receiver system that minimizes reception time delay in an eLORAN system.

현재, 한국에서 사용하고 있는 GNSS들은 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, 유럽 연합(EU)의 Galileo, 중국의 BeiDou, 일본의 미치비키 및 MSAS이 있으며, 전부 외국의 GNSS 시스템들이다. Currently, GPS in Korea, GLONASS in Russia, Galileo in the European Union, BeiDou in China, Michibiki and MSAS in Japan are used in Korea, all of which are foreign GNSS systems.

위성항법시스템 GNSS(Global Navigation Satellite Ssystem)로 주로 GPS를 사용한다. 3 또는 4기의 GPS 위성으로부터 신호를 수신하는 GPS 수신기는 저렴하며 높은 위치 정확도를 제공하지만, 전파 방해 장치(jammer)에 의한 GPS 전파교란 공격에 따른 '간섭'에 취약하다. 전파 방해 장치(jammer)는 통신 또는 레이더 체계의 사용을 방해·제한·격하시키는데 사용되는 장치이며, 광대역, 잡음, 불연속 주파수 반복기, 기만 장비를 포함한다. 전파 방해 장치(jammer)를 사용하여 GPS 신호 수신을 방해받으면, 위치, 시간 정보를 먹통으로 만들게 되고, 비행기, 전투기, 군함, 및 미사일에 운용에 차질이 발생된다. Global Navigation Satellite System (GNSS) mainly uses GPS. A GPS receiver that receives signals from three or four GPS satellites is inexpensive and provides high positioning accuracy, but is vulnerable to 'interference' caused by a GPS jammer attack by a jammer. A jammer is a device used to disrupt, limit, or downgrade the use of a communications or radar system, and includes broadband, noise, discontinuous frequency repeaters, and deceptive equipment. If GPS signal reception is interrupted using a jammer, location and time information is lost, and operation of airplanes, fighters, warships, and missiles is disrupted.

최근 국내에서도 GPS 전파 교란에 의해 GPS 신호를 이용하는 이동통신 기지국, 항공기 및 선박 등의 분야에서 많은 피해 사례가 발생하였으며, 차량 내비게이션, 스마트폰 등 다양한 기기에서 자신의 위치 정보와 시각 정보를 계산하는데 있어 GPS 신호를 사용하고 있다. 하지만, 20,000km 상공의 3~4대의 GPS 위성으로부터 지상에서 수신되는 GPS 수신기의 수신 신호는 세기가 매우 낮아 각종 전파교란 문제에 노출되어 있다. Recently, many cases of damage have occurred in the fields of mobile communication base stations, aircraft, and ships that use GPS signals due to GPS radio wave disturbance in Korea. GPS signals are being used. However, the received signal of the GPS receiver received on the ground from three or four GPS satellites at an altitude of 20,000 km is very low, so it is exposed to various radio disturbance problems.

이와 같은 이유로, 미연방항공국(FAA)은 1998년에 국제민간항공기구(ICAO)에서 GPS를 백업할 수 있는 무선 항법 기술의 필요성을 발표하였다. For this reason, the Federal Aviation Administration (FAA) announced in 1998 that the International Civil Aviation Organization (ICAO) needed a radio navigation technology capable of backing up GPS.

GNSS의 대체 항법으로써, 완전히 독립적이며 PNT(Position, Naviagtion, Timing - 위치, 항법, 시각) 정보를 제공하며 항공, 해양, 육상에서 사용가능한 백업 시스템의 필요성이 요구되었고, 그 결과 GNSS 이전부터 LORAN 시스템의 사용을 검토하게 되었다. As an alternative navigation to GNSS, the need for a backup system that is completely independent and provides PNT (Position, Navigation, Timing - Position, Navigation, Time) information and can be used in air, sea, and land was required. was considered for use.

LORAN(Long Range Navigation, 장거리 항법) 시스템은 2차 세계 대전 중에 미국과 영국에서 개발되었다. LORAN-A, LORAN-B, LORAN-C 시스템 이후 향상된 장거리 항법 시스템(eLORAN: enhanced LORAN)이 개발되고 있다. The Long Range Navigation (LORAN) system was developed in the United States and Britain during World War II. After the LORAN-A, LORAN-B, and LORAN-C systems, an enhanced long-distance navigation system (eLORAN: enhanced LORAN) is being developed.

지상파 무선 항법 기술은 전자기파를 사용한 무선 측위를 통해 PNT(위치, 항법, 시각 정보)를 쉽게 측정할 수 있다. 특히, PNT 정보는 바다를 항해하는 선박, 항공 분야 비행기에서 eLORAN 무선 항법 기술으로 널리 사용되고 있다. Terrestrial radio navigation technology can easily measure PNT (position, navigation, visual information) through radio positioning using electromagnetic waves. In particular, PNT information is widely used as eLORAN radio navigation technology in ships sailing the sea and airplanes in the aviation field.

한국은 GNSS 위성을 이용한 위성항법시스템을 대체하거나 백업할 수 있는 지상파 무선 항법 시스템이 필요하며, 북한의 GPS 전파교란 공격을 막고, eLORAN 무선 항법 시스템이 직접적으로 필요한 항공 및 항만에서 선박의 운항, 높은 측위 정확도의 시각 정보가 사용될 것이다.South Korea needs a terrestrial radio navigation system that can replace or back up a satellite navigation system using GNSS satellites, prevent North Korean GPS jamming attacks, operate ships in aviation and ports that directly require an eLORAN radio navigation system, and Visual information of positioning accuracy will be used.

LORAN-ALORAN-A

1943년 2차대전 당시, LORAN-A는 미국에서 태평양을 넘는 장거리 비행시 사용할 항법 시스템으로 개발되었다. LORAN-A는 200kW급 송신기에서 1950kHz를 사용하며 위치, 시간 지연, 지형과 날씨에 영향을 크게 받으며 그 위치 정확도가 자주 바뀌었고, 매우 낮은 정확도를 보였다.During World War II in 1943, the LORAN-A was developed in the United States as a navigation system for long-distance flights over the Pacific. LORAN-A uses 1950kHz in a 200kW class transmitter, and its location accuracy is frequently changed by location, time delay, terrain and weather, and it shows very low accuracy.

LORAN-BLORAN-B

위치 정확도가 떨어지는 LORAN-A의 단점을 보완하기 위해 개발된 LORAN-B는 LORAN-A에 위상 정합을 추가하였다. 1948년∼1955년 사이에 테스트된 LORAN-B 시스템은 위상 동기를 통한 위치 정확도의 향상을 추구하였고, 그 결과 LORAN-A에 비하여 정확도를 높일 수 있었다.LORAN-B, developed to compensate for the disadvantage of LORAN-A, which has poor positioning accuracy, added phase matching to LORAN-A. The LORAN-B system tested between 1948 and 1955 sought to improve the positional accuracy through phase synchronization, and as a result, the accuracy could be increased compared to the LORAN-A.

LORAN-CLORAN-C

지상파를 사용하는 LORAN-A와 LORAN-B 시스템은 장거리에서 사용할 경우, 그 안정성이 크게 떨어지는 문제점을 갖고 있다. USCG(US Coast Guard)는 1965년에 Loran-C의 기본이 되는 장거리 위상 펄스를 갖는 전파 송출 시험을 하였다. 실험을 토대로 1958년에 지중해와 북동부 대서양에 최초로 송신국이 세워졌고, LORAN-C 서비스가 시작되었다. LORAN-C는 위치 외에도 시각 정보를 제공할 수 있으며, 계기비행규칙(IFR)과 시계비행규칙(VFR)에서 공중항법시스템에 GNSS의 보조 수단으로 사용된다. LORAN-C의 위치정확도는 400m 이상으로 상당히 낮은 편이지만, LORAN-C의 최신 기술인 eLORAN 시스템을 적용할 경우, 30km이내 범위에서 위치 정확도 20m까지 상향된다. The LORAN-A and LORAN-B systems using terrestrial waves have a problem in that their stability is greatly reduced when used over long distances. The US Coast Guard (USCG) conducted radio transmission tests with long-range phase pulses that became the basis of Loran-C in 1965. Based on the experiments, the first transmitting stations were established in the Mediterranean and Northeast Atlantic in 1958, and the LORAN-C service was launched. In addition to location, LORAN-C can provide visual information and is used as an aid to GNSS in air navigation systems in the Instrument Flight Regulations (IFR) and Visual Flight Regulations (VFR). Although the location accuracy of LORAN-C is quite low (over 400m), when the eLORAN system, the latest technology of LORAN-C, is applied, the location accuracy is increased to 20m within a range of 30km.

eLORAN(enhanced Long Range Navigation)은 기존 LORAN-C를 바탕으로 GNSS의 보조 항법 장치로써의 성능을 개선시킨 지상파 무선 항법 시스템이다. LORAN의 장점은 전파 간섭이 적은 펄스 방식의 신호, 큰 송출 에너지의 저주파 반송파를 그대로 사용하면서 항법 성능과 GNSS의 보조 역할을 하며, 기존 LORAN-C 수신기 사용자도 계속 시스템을 사용할 수 있다. Enhanced Long Range Navigation (eLORAN) is a terrestrial radio navigation system that improves the performance of GNSS as an auxiliary navigation device based on the existing LORAN-C. The advantage of LORAN is that it uses a pulsed signal with less radio interference and a low-frequency carrier with large transmission energy as it is, and serves as an auxiliary to navigation performance and GNSS, and users of existing LORAN-C receivers can continue to use the system.

GPS는 3대 내지 4대의 위성 신호를 이용하기 때문에 수신 신호의 세기가 약하며, 터널에서는 신호가 수신되지 않는 특성이 있다. 이 특성 때문에 GPS는 전파 교란에 취약하며 실내나 터널의 환경에서 위성이 GPS 수신기의 시야에 드러나지 않으면 사용하기 힘는 단점이 있다. eLORAN 시스템은 기존 GPS만 사용할 때의 단점을 보완하고, GPS 대체 항법시스템으로써 개발된 지상파 무선 항법시스템이다. eLORAN 시스템의 주요 특징은 송신 출력이 매우 높고 전파 교란에 강인하며, 파장(wavelength)이 긴 지상파를 사용하기 때문에 시야(line-of-sight)가 확보되지 않아도 측위가 가능하다. eLORAN 시스템 운영을 위해 최소 3개의 송신국이 필요하며, 한국은 기존 LORAN-C 시스템의 송신국인 포항 송신국과 광주 송신국이 있으며, 여기에 최소 1개의 새로운 eLORAN 송신국만 추가로 설치하면 해상의 일부 지역을 커버하는 독자적인 eLORAN 시스템을 운영할 수 있다. eLORAN 송신국은 100 m 이상의 높은 송신 안테나를 포함하는 송신 시스템을 구비하며 많은 설치 비용이 든다. 4대의 eLORAN 송신국 배치 상황에서 측위 정확도 성능을 예측하는 eLORAN 시스템의 성능 예측 시뮬레이션이 필요하며, Loran-C 신호의 실측을 통해 수집된 SNR 데이터를 바탕으로 eLORAN 정확도 시뮬레이션에 이용되는 SNR 예측값의 오차를 분석이 필요하다. 또한, 실측된 LORAN-C 신호의 SNR 실측값을 사용하여 신호의 표준편차를 얻고 이를 SNR 예측값과 비교하고, 이를 통해 항법성능 예측 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.Since the GPS uses three or four satellite signals, the strength of the received signal is weak, and the signal is not received in the tunnel. Due to this characteristic, GPS is vulnerable to radio wave disturbance and has a disadvantage in that it is difficult to use if the satellite is not visible in the field of view of the GPS receiver in an indoor or tunnel environment. The eLORAN system is a terrestrial radio navigation system developed as an alternative GPS navigation system by supplementing the disadvantages of using only the existing GPS. The main characteristics of the eLORAN system are high transmission output, strong resistance to radio wave disturbance, and use of long-wavelength terrestrial waves, so positioning is possible even if line-of-sight is not secured. At least three transmitters are required to operate the eLORAN system, and Korea has the Pohang and Gwangju transmitters of the existing LORAN-C system. It can operate its own eLORAN system covering some regions. The eLORAN transmission station has a transmission system including a high transmission antenna of 100 m or more, and the installation cost is high. Performance prediction simulation of the eLORAN system that predicts the positioning accuracy performance in the deployment situation of 4 eLORAN transmitting stations is required. Based on the SNR data collected through the actual measurement of the Loran-C signal, the error of the SNR prediction value used for the eLORAN accuracy simulation is evaluated. analysis is needed In addition, the standard deviation of the signal is obtained using the actually measured SNR value of the LORAN-C signal and compared with the SNR predicted value, thereby further improving the navigation performance prediction accuracy.

표 1은 미국에서 규정하고 있는 LORAN-C 시스템의 성능을 요약하였다. Table 1 summarizes the performance of the LORAN-C system specified in the United States.

[표 1][Table 1]

Figure 112021103111127-pat00001
Figure 112021103111127-pat00001

eLORAN 시스템은 항공, 해상, 육상에서, 400m 이상의 오차를 갖는 기존의 LORAN-C 시스템의 위치 정확도와 성능을 향상시킨 LORAN 시스템이며, GPS의 보조 백업시스템으로 사용된다. The eLORAN system is a LORAN system that improves the positional accuracy and performance of the existing LORAN-C system with an error of 400m or more in air, sea, and land, and is used as an auxiliary backup system for GPS.

표 2는 LORAN-C와 eLORAN의 특성을 비교하였다.Table 2 compares the characteristics of LORAN-C and eLORAN.

[표 2] [Table 2]

Figure 112021103111127-pat00002
Figure 112021103111127-pat00002

LORAN 항법은 Time Difference(TD)를 이용한 쌍곡선 기법(USCG, 1992)에 의 하여 항법해를 구하는 반면, eLORAN(enhanced LORAN) 항법은 TOA(time of arrival) 를 이용하여 사용자의 위치를 구한다. LORAN navigation uses a hyperbolic method (USCG, 1992) using Time Difference (TD) to find a navigation solution, whereas eLORAN (enhanced LORAN) navigation uses TOA (time of arrival) to find a user's location.

LORAN-C는 송신국의 높은 송신전력에 의해 신호 간섭에 강하며, TOT(Time of Transmission)통제를 실시하여 모든 송신국이 시각 동기 를 이루기 때문에 다수의 측정치를 사용하는 All-in-view가 가능하다 .LORAN-C is resistant to signal interference due to the high transmission power of the transmitting station, and all-in-view using multiple measurement values is possible because all transmitting stations achieve time synchronization by implementing TOT (Time of Transmission) control. do .

시각 동기를 통하여 모든 송신국의 전파 송신 시점을 알 수 있으므로 eLORAN 시스템은 LORAN-C와는 달리 TDOA(Time Differential of Arrival) 측정치가 아닌 TOA(Time Of Arrival) 기반 거리 측정치를 사용한다.Since the time of radio wave transmission of all transmitting stations can be known through time synchronization, the eLORAN system uses a Time Of Arrival (TOA)-based distance measurement, not a Time Differential of Arrival (TDOA) measurement, unlike LORAN-C.

eLORAN의 TOA 측정치는 거리에 비례하는 측위 오차 가 포함되기 때문에, 위치 추정 결과의 측위 정확도 향상을 위해 각 오차 요소에 따른 보상 방법을 적용해야 한다. eLORAN에서는 오차 모 델식이나 실측 과정을 통해 얻은 보정치를 위치 추정에 반영하고 있 다. 일반적으로, HEA(Harbor and Entrance Approach) 기준에 따르면, 측위 오차 보정을 거친 eLORAN의 항법 결과가 갖는 오차의 크기는 10 ~ 20m에 해당 하며, 이는 GNSS의 위치 정확도와 비슷한 수준이다.Since the TOA measurement of eLORAN includes a positioning error proportional to the distance, a compensation method according to each error element should be applied to improve the positioning accuracy of the location estimation result. In eLORAN, the correction value obtained through the error model equation or the actual measurement process is reflected in the position estimation. In general, according to the HEA (Harbor and Entrance Approach) standard, the size of the error of the navigation result of the eLORAN that has undergone the positioning error correction corresponds to 10 to 20 m, which is similar to the position accuracy of the GNSS.

미국에서는 eLORAN 계획이 중지된 상태이며, GPS 대 체 항법 시스템이 없는 한국은 LORAN-C의 성능을 향상시킨 eLORAN(e nhanced LORAN)은 대체항법으로써 GNSS 백업 시스템의 기술 확보가 필요하다. In the United States, the eLORAN plan has been suspended, and in Korea, where there is no GPS alternative navigation system, eLORAN (enhanced LORAN), which has improved the performance of LORAN-C, is an alternative navigation system, and it is necessary to secure the technology of the GNSS backup system.

eLORAN 시스템은 90 ~ 110 kHz의 주파수 대역에서 작동하는 저주파수를 사용 하는 지상파 무선 항법 시스템이다. eLORAN 시스템은 약 100 kHz의 중심 주파수에 서 LORAN 유형 항법 RF 펄스를 전송하며, eLORAN 전송이 GPS와 유사하게 UTC에 동 기화되는 점에서 LORAN-C와 다르며; 전송 시간 제어, 차동 GPS와 유사한 차동 보 정, '전체 보기' 추적 사용, 및 저속 데이터 메시징과 차동 보정과 역서(almanac) 정보를 제공하는 하나 이상의 eLORAN 데이터 채널을 포함한다. The eLORAN system is a terrestrial radio navigation system using a low frequency operating in the frequency band of 90 ~ 110 kHz. The eLORAN system transmits LORAN-type navigation RF pulses at a center frequency of about 100 kHz, and differs from LORAN-C in that the eLORAN transmission is synchronized to UTC similar to GPS; It includes transmission time control, differential compensation similar to differential GPS, use of 'full view' tracking, and one or more eLORAN data channels providing low-speed data messaging and differential compensation and almanac information.

항공 분야에서, 미국의 FAA는 기존의 L ORAN-C에 비해 이륙과 항공항법에서는 사용가능하나, 공항 접근 및 착륙에서 사용은 성대적으로 큰 위치 오차에 의해 승인하지 않았다. 그러나, eLORAN은 LORAN-C에 비해 높은 측위 정확도, 무결성을 제공 하므로 항만, 군사 분야에서 사용이 가능할 것으로 보인다.In the field of aviation, the US FAA can use it in take-off and air navigation compared to the existing L ORAN-C, but its use in airport approach and landing was not approved due to a large position error. However, since eLORAN provides higher positioning accuracy and integrity compared to LORAN-C, it is likely to be used in ports and military fields.

해양 분야에서, 특히 항만에서는, 사용가능 한 위치정확도를 제공하는 eLORAN 기술이 GNSS를 보완하는 eLORAN 시 스템은 한국의 독자적인 무선 항법 시스템이 사용될 것으로 기대된다 . 해양 분야에서, eLORAN은 항만 입출항, 선박 접근시에 사용이 가능 할 것으로 보인다. 8-20m의 위치 정확도는 IMO A915의 조건을 충족하며, 복 잡한 항만 내에서 8m 정도의 위치 오차는 선박의 안전 통항 및 입출항에 큰 도움이 될 것이다.In the maritime field, especially in ports, the eLORAN technology that provides usable positioning accuracy and the eLORAN system complements GNSS is expected to use Korea's independent radio navigation system. In the maritime field, eLORAN is expected to be used for port entry and departure and vessel approach. Positional accuracy of 8-20m satisfies the conditions of IMO A915, and a position error of about 8m within a complex port will be of great help to ships' safe passage and entry/exit port.

군사 분야에서, GPS 전파교란 공격에 강력한 이점을 가지는 eLORAN 시스템은 해상에서 군함의 항법장치에 eLORAN 시스템을 적용하거나 또는 레이더 운용 유도 미사일에 필요한 군사 무기, 군 차량에 활용될 수 있다. In the military field, the eLORAN system, which has a strong advantage in GPS jamming attacks, can be applied to the navigation system of warships at sea or used in military weapons and military vehicles required for radar-operated guided missiles.

표 2는 미 해안경비대(USCG)에서 요구하는 eL ORAN의 측위 성능은 8-20m로, LORAN-C의 460m보다 매우 높은 성능을 요구하고 있다. eLORAN 시스템에서 8-20m의 정확도를 보장하기 위해 dLORAN 기준국이 필수적이다. 특히, dLORAN 기준국은 eLORAN 시스템 에서 위치 정확도를 높이는 핵심적인 역할을 한다. dLORAN 기준국은 eLORAN 송신국에서 송출 신호를 수신받아, 지형이나 기타 환경에 의해 전파지연에 의한 측위 오차를 찾아내고, 그 오차를 보정하는 보정정보를 생성한다. 그리고, eLORAN 송신국으로 전달하여, eLORAN 신호에 이 보정정보 데이터를 포함하여 전송 함으로써 eLORAN 시스템의 측위 정확도를 크게 향상시킨다Table 2 shows that the positioning performance of eL ORAN required by the US Coast Guard (USCG) is 8-20m, which is much higher than 460m of LORAN-C. A dLORAN reference station is essential to ensure an accuracy of 8-20m in the eLORAN system. In particular, the dLORAN reference station plays a key role in increasing the location accuracy in the eLORAN system. The dLORAN reference station receives the signal transmitted from the eLORAN transmitting station, finds the positioning error due to propagation delay due to the terrain or other environment, and generates correction information to correct the error. And, by transmitting it to the eLORAN transmitting station and transmitting the correction information data in the eLORAN signal, the positioning accuracy of the eLORAN system is greatly improved.

[표 3][Table 3]

Figure 112021103111127-pat00003
Figure 112021103111127-pat00003

육상에서, 기존 GNSS 수신기에 의존하던 차량의 네비게이션 시스템에 eLORAN 수신기(Hybrid 수신기: GPS 수신기 + eLORAN 수신기)를 통합 설치하여 사용될 수 있다. 위성과 이동통신 기지국이 설치된 환경에서, 90 ~ 110 kHz의 주파수 대역의 저주파를 이용하는 eLORAN은 빌딩숲 지역에서 취약함을 보이는 GNSS 수신기와 함께 사용하기에는 많은 비용이 소모되므로 무리가 있다. On land, the eLORAN receiver (Hybrid receiver: GPS receiver + eLORAN receiver) can be integrated and used in the vehicle's navigation system, which relied on the existing GNSS receiver. In an environment where satellites and mobile communication base stations are installed, eLORAN using a low frequency band of 90 ~ 110 kHz is too expensive to use with a GNSS receiver showing weakness in a building forest area, so it is difficult.

eLORAN은 한국의 독자항법시스템이자 GNSS의 백업 시스템으로 큰 역할을 해낼 것으로 기대하고 있다. 그러나, USCG에서 제시한 요구성능을 만족시키기 위해 최적의 eLORAN 송신국 위치 선정 부터 dLORAN 기준국의 보정정보 계산 알고리즘, 그리고 시각 동기 방 식까지 아직 해결해야 할 부분이 많이 남아 있다. 전파 송출과 수신 을 담당할 하드웨어나 보정정보를 계산하고, 시스템 제어 소프트웨어의 설계, 구현, 테스트, 한국의 독자적인 지상파 무선 항법시스템으로써 eLORAN 시스템의 서 비스가 시작될 것이다. eLORAN is expected to play a major role as Korea's independent navigation system and GNSS backup system. However, in order to satisfy the performance requirements suggested by the USCG, there are still many issues to be solved, from the selection of the optimal eLORAN transmitting station location to the correction information calculation algorithm of the dLORAN reference station and the time synchronization method. The eLORAN system service will be started as Korea's independent terrestrial radio navigation system, which calculates the hardware or correction information responsible for transmitting and receiving radio waves, designing, implementing, and testing the system control software.

이와 관련된 선행기술1로써, 특허공개번호 10-2013-0024300 (공개일자 2013 년 03월 08일)에서는 "eLORAN 수신기, 및 eLORAN 수신기의 측위 방법"이 공개되어 있으며, eLORAN 수신기 및 eLORAN 수신기의 측위 방법에 관한 것으로서, eLORAN 측 정치에 포함된 오차를 효과적으로 제거하여 측위 성능을 향상시키는 eLORAN 수신기 및 eLORAN 수신기의 측위 방법을 제공한다.As a related prior art 1, Patent Publication No. 10-2013-0024300 (published on March 08, 2013) discloses "eLORAN receiver and positioning method of eLORAN receiver", and positioning method of eLORAN receiver and eLORAN receiver To provide an eLORAN receiver and a positioning method of the eLORAN receiver, which improve positioning performance by effectively removing errors included in the eLORAN measurement.

eLORAN 수신기는, 4개 이상의 LORAN(Long Range Navigatio n) 송신기에서 전송되는 각각의 신호를 수신하는 수신부; 각각의 신 호가 전송된 시간과 각각의 신호가 수신된 시간의 차이에 광속을 곱 하여 거리 측정치를 계산하는 거리 측정부; 및 상기 거리 측정치의 오차는 cB + r*D (c는 광속, B는 시계 오차, r은 상기 송신기와 eLO RAN 수신기의 거리, D는 미지수)로 계산하며, 각각의 거리 측정치와 기준점 의 좌표, 기준점에서 시계 오차의 값(B0), 기준점에서 미지수의 값(D0)에 기초하여 위치를 계산하는 위치 추출부를 포함한다. The eLORAN receiver includes: a receiver for receiving each signal transmitted from four or more LORAN (Long Range Navigation) transmitters; a distance measuring unit that calculates a distance measurement value by multiplying the speed of light by the difference between the time each signal is transmitted and the time each signal is received; and the error of the distance measurement is calculated as cB + r*D (c is the speed of light, B is the clock error, r is the distance between the transmitter and the eLO RAN receiver, D is the unknown), and the coordinates of each distance measurement value and the reference point, and a position extracting unit for calculating a position based on a value B0 of the clock error at the reference point and an unknown value D0 at the reference point.

이와 관련된 선행기술2로써, 특허등록번호 10-1594322 (등록 일자 2016년 02월 05일)에서는 " 해상 전파항법신호 감시 및 그 신뢰 도 제공 시스템"이 등록되어 있다. As the related prior art 2, in Patent Registration No. 10-1594322 (registration date February 05, 2016), "a system for monitoring maritime radio navigation signals and providing their reliability" is registered.

eLORAN/GNSS 통합 수신기는 eLoran을 GNSS의 백업시스템으로 활용하는 대표적인 사례이다. 그러 나, GNSS 수신기가 이미 많은 회사에서 제품화되어 판매되고 있는 반 면, eLoran/GNSS 통합 수신기는 네덜란드의 Reelektronika와 미국의 CrossRate에서만 시판하고 있으며, 국내에서는 아직 연구가 미비하다. The eLORAN/GNSS integrated receiver is a representative example of using eLoran as a backup system for GNSS. However, while GNSS receivers have already been commercialized and sold by many companies, eLoran/GNSS integrated receivers are only marketed in Reelektronika in the Netherlands and CrossRate in the United States, and research in Korea is still lacking.

재밍(jamming)과 같은 GNSS의 신 호간섭 문제로 인한 대체항법의 요구가 증가하면 eLoran/GPS 통합 항 법 수신기에 대한 요구가 증가될 것으로 기대된다.If the demand for alternative navigation due to the signal interference problem of GNSS such as jamming increases, it is expected that the demand for the eLoran/GPS integrated navigation receiver will increase.

도 1 및 도 2는 항만 해상 전파항법신호 감시 시스템 의 구성도이다. 1 and 2 are block diagrams of a harbor maritime radio navigation signal monitoring system.

해상 전파항법신호 감시 및 그 신뢰도 제공 시스템은 Maritime radio navigation signal monitoring and reliability providing system

GNSS, eLORAN, DGNSS 안테 나(11,12,13)에 각각 연결된 GNSS, eLORAN, DGNSS 수신기(14,15,16) 와,GNSS, eLORAN, and DGNSS receivers (14, 15, 16) connected to GNSS, eLORAN, and DGNSS antennas (11, 12, 13) respectively;

분배기(17)를 이용하여 GNSS 안테나(11)에 추가로 연결되며, GNSS 수신 기(14)에 입력되는 GNSS 신호가 재밍신호 인지 여부를 확인하기 위하여 FFT 샘플링 기능을 수행하는 유에스알피(USRP)(18)와,It is additionally connected to the GNSS antenna 11 using the divider 17, and performs an FFT sampling function to check whether the GNSS signal input to the GNSS receiver 14 is a jamming signal (USRP) ( 18) and

상기 GNSS 수신기(14)와의 주파수 및 시각 동기를 위한 루비 듐 발진기(19),를 포함하는 통합 PNT 모듈(10)과;an integrated PNT module (10) comprising a rubidium oscillator (19) for frequency and time synchronization with the GNSS receiver (14);

상기 GNSS 수 신기, eLORAN 수신기, DGNSS 수신기(14,15,16), 유에스알피(18), 루 비듐 발진기(19)와 연결되어 재밍신호 입력 여부를 분석하고, 선박(70) 의 GNSS 신호를 입력받아 정상 신호인지를 분석하며, eLORAN 수신기(15)로부터 수 신된 TOA와 수신위치가 정상적인 데이터인지 유무를 분석하여 이루어진 각각의 분 석 자료 또는 분석 자료의 조합으로 신뢰성 평가 정보를 생성하여 통신망을 통해 선박(70)에 전송하는 산업용 PC(20);를 포함하며,It is connected to the GNSS receiver, eLORAN receiver, DGNSS receiver 14, 15, 16, USRP 18, and rubidium oscillator 19 to analyze whether a jamming signal is input, and input the GNSS signal of the ship 70 It receives and analyzes whether it is a normal signal, and generates reliability evaluation information with each analysis data or a combination of analysis data made by analyzing whether the TOA received from the eLORAN receiver 15 and the receiving location is normal data Industrial PC (20) for transmitting to (70); includes,

상기 신뢰성 평가 정보는 설정된 기준치를 기준으로 양호, 가용, 주의, 위험을 포함하는 신뢰성 지수 중 어느 하나가 설 정된 주기에 따라 택일되어 선박(70)에 제공되며,The reliability evaluation information is provided to the ship 70 by selecting any one of the reliability indices including good, available, caution, and risk based on the set reference value according to a set period,

상기 통신망은 중파 비컨(RTCM 헤더, RTCM #16), 이동통신망, AIS 메시지, DMB 채널 , 어업정보 통신망, TRS 통신망을 포함하며, 이 중 어느 하나이며,The communication network includes a medium-wave beacon (RTCM header, RTCM #16), a mobile communication network, an AIS message, a DMB channel, a fishery information communication network, and a TRS communication network, any one of them,

상기 산업용 PC(20)는 유에스알피(1 8)에서 생성한 FFT 샘플링 파일을 수신하여 FFT를 수행하기 위해 미 리 정한 크기의 데이터 사이즈만큼 추출하여, FFT를 수행하고 그 결 과를 이용하여 재밍 신호 인지를 인밴드(Inband) 에너지의 평균을 이 용하여 판단하고, 선박(70)의 항만 항법에 적용된다. The industrial PC 20 receives the FFT sampling file generated by the USRP 18, extracts as much as a data size of a predetermined size to perform FFT, performs FFT, and uses the result to obtain a jamming signal Recognition is determined using the average of in-band energy, and is applied to the port navigation of the vessel (70).

이와 관련된 선행기술3으로써, 특허공개번호 10- 2020-0135732 (공개일자 2020년 12월 03일)에서는 "강자성체와 권선 이 있는 eLORAN 수신기 및 안테나 및 관련된 방법"이 공개되어 있다 . As a related prior art 3, Patent Publication No. 10-2020-0135732 (published on December 03, 2020) discloses "eLORAN receiver and antenna with ferromagnetic material and winding and a related method".

장거리 항법(LORAN: Long Range Navigation) 시스템용 저주파수 전송 스테이 션은 보다 구체적으로는, eLORAN은 90 내지 110 kHz의 주파수 대역에서 작동하는 저주파수 무선 항법 시스템이다. 저주파수 eLORAN 전송은 지구를 껴안은 표면파의 일종인 지상파에 의해 전파될 수 있다. 전리층 반사 또는 공중파는 eLORAN파 전파 의 또 다른 중요한 메커니즘이다. 전형적인 저주파수 안테나에서는 타워 자체가 단 극 안테나로 사용된다. 작동 파장의 결과로 600 피트 이상일 수 있는 타워의 높이 때문에, 많은 상부 와이어들이 타워 상단에 연결되어 공진 커패시터를 형성한다. 상부 장하 소자(TLE: Top Loading Element)로 알려진 이러한 와이어들은 중실 원뿔 에 가까울 수 있다.A low-frequency transmission station for a Long Range Navigation (LORAN) system is more specifically, eLORAN is a low-frequency radio navigation system operating in a frequency band of 90 to 110 kHz. Low-frequency eLORAN transmissions can be propagated by terrestrial waves, which are a type of surface wave embracing the Earth. Ionospheric reflection, or airwaves, is another important mechanism of eLORAN wave propagation. In a typical low-frequency antenna, the tower itself is used as a unipolar antenna. Because of the tower's height, which can be over 600 feet as a result of the operating wavelength, many upper wires are connected to the top of the tower to form a resonant capacitor. These wires, known as Top Loading Elements (TLEs), can approximate a solid cone.

eLORAN 수신기는 안테나와, 이에 연결된 eLORAN 수신기 회로를 포함할 수 있 다. 안테나는 강자성 중앙부 및 이 강자성 중앙부로부터 바깥쪽으로 연장되는 강자 성 암을 포함하는 강자성 코어; 강자성 암 각각을 둘러싸는 각각의 전기 전도성 권 선; 및 상기 강자성 코어에 인접한 전기 전도성 패치 요소를 포함할 수 있다. The eLORAN receiver may include an antenna and an eLORAN receiver circuit connected thereto. The antenna includes a ferromagnetic core comprising a ferromagnetic central portion and a ferromagnetic arm extending outwardly from the ferromagnetic central portion; each electrically conductive winding surrounding each of the ferromagnetic arms; and an electrically conductive patch element adjacent the ferromagnetic core.

상기 강자성 코어 및 각 각의 전기 전도성 권선은 복수의 H-필드 신호에 응답하도록 구성되고 , 상기 전기 전도성 패치 요소는 E-필드 신호에 응답하도록 구성된다 . The ferromagnetic core and each electrically conductive winding are configured to respond to a plurality of H-field signals, and the electrically conductive patch element is configured to respond to an E-field signal.

상기 eLORAN 수신기 회로는 복수의 H-필드 신호 및 E-필드 신호에 기초하여 위치를 보정하도록 구성된다. The eLORAN receiver circuitry is configured to correct position based on a plurality of H-field signals and E-field signals.

상기 eLORAN 수신기 회로는 E-필드 대 H-필드 진폭비, E-필드 대 H-필드 위상차, 및 E-필드 대 H-필드 펄스 도달 시간 차이를 계산하도록 구 성되며, 또한 상기 eLORAN 수신기 회로는 E-필드 대 H-필드 진폭비, E-필드 대 H-필드 위상차, 및 E-필드 대 H-필드 펄스 도달 시간 차이 에 기초하여 위치를 보정하도록 구성된다. wherein the eLORAN receiver circuit is configured to calculate an E-field to H-field amplitude ratio, an E-field to H-field phase difference, and an E-field to H-field pulse arrival time difference, wherein the eLORAN receiver circuit is configured to: and correct the position based on the field-to-H-field amplitude ratio, the E-field to H-field phase difference, and the E-field to H-field pulse arrival time difference.

그러나, eLoran 시스템의 송신국의 eLORAN 송신기의 안테나 는 100kHz 대역의 저주파에서 첨두 전력 200-1500kW으로 방사되므로 전파 방해에 쉽게 교란되지 않는다. 따라서 eLoran 시스템은 GPS의 전파교한과 간섭 방해 취약성을 극복하기 위한 보조 수단으로 사용된 다. However, since the antenna of the eLORAN transmitter of the transmitting station of the eLoran system is radiated at a peak power of 200-1500kW at a low frequency of 100kHz band, it is not easily disturbed by radio wave interference. Therefore, the eLoran system is used as an auxiliary means to overcome the GPS interference and vulnerability to interference.

eLoran 송신 안테나의 구조는 상부 장하 소자가 연결된 모노폴, 역삼각형 와 이어를 묶어 한 점에서 급전되는 모노폴 안테나, 역 피라미드형모노폴 안테나이 있 으며 일반적으로 0.05-0.15파장의 높이와 1-2Ω 정도의 낮은 방사 저항을 갖는다. The structure of the eLoran transmit antenna consists of a monopole connected with an upper load element, a monopole antenna fed from one point by tying an inverted triangle wire, and an inverted pyramid monopole antenna. Generally, it has a height of 0.05-0.15 wavelength and low radiation of about 1-2Ω. have resistance

eLORAN 수신기의 안 테나는 전기장(E-field) 안테나, 루프 안테나, 자기장(H-field) 안테 나를 사용할 수 있다. E-field 안테나는 모든 방향으로부터 전방향 수 신 특성이 일정하며 우수한 신호 수신 성능을 갖지만, 주변 전자장비에 영향을 받 고 접지(ground)를 해야 한다. The antenna of the eLORAN receiver may use an electric field (E-field) antenna, a loop antenna, or a magnetic field (H-field) antenna. E-field antenna has constant omnidirectional reception characteristics from all directions and has excellent signal reception performance, but it is affected by surrounding electronic equipment and must be grounded.

H-field 안테나는 안테나의 방사패턴이 서로 직교하는 2 루프 안테나를 쌍으로 배치하여 안테나 방사효율을 높이고 위상을 보상하고 있다. The H-field antenna improves the antenna radiation efficiency and compensates the phase by arranging two loop antennas in which the antenna radiation patterns are orthogonal to each other in pairs.

그러나, H-field 안테나는 접지가 필요없고, 상대적으로 주변 전자장비의 잡 음에 강인하며 서로 직교하는 2개의 Loop 안테나를 사용하여 안테나의 방향과 전자 기파 수신 방향에 따라 Loop 안테나간 위상과 이득이 변화가 발생되고 일정한 원형 지향성을 가지지 못하여 측위 오차가 발생된다. 특히, 지향성을 갖는 H-field 안테 나와 루프 안테나는 안테나의 방향성에 따라 eLORAN 신호의 세기가 변경되어 eLORAN 수신기의 안테나의 이득과 위상변화에 따라 수신 시간 지연이 발생된다. However, the H-field antenna does not need grounding, is relatively robust against noise from surrounding electronic equipment, and uses two loop antennas that are orthogonal to each other. There is a change and it does not have a constant circular directivity, so a positioning error occurs. In particular, in the case of the H-field antenna and the loop antenna having directivity, the strength of the eLORAN signal is changed according to the directionality of the antenna, so that the reception time delay occurs according to the gain and phase change of the antenna of the eLORAN receiver.

특허공개번호 1 0-2013-0024300 (공개일자 2013년 03월 08일), "eLORAN 수신기, 및 eLORAN 수신기의 측위 방법", 한양네비콤주식회사Patent Publication No. 1 0-2013-0024300 (published on March 08, 2013), "eLORAN receiver and positioning method of eLORAN receiver", Hanyang Navicom Co., Ltd. 특허등록번호 10-1594322 (등록일자 20 16년 02월 05일), " 해상 전파항법신호 감시 및 그 신뢰도 제공 시스 템", 한국해양과학기술원Patent Registration No. 10-1594322 (Registration date: February 05, 2016), "Sea radio navigation signal monitoring and reliability providing system", Korea Institute of Ocean Science and Technology 특허공개번호 10-2020-0135732 (공개일자 2020년 12월 03일), " 강자성체와 권선이 있는 eLORAN 수신기 및 안테나 및 관련된 방법", 이글 테크놀로 지, 엘엘씨Patent Publication No. 10-2020-0135732 (published on December 03, 2020), "eLORAN receiver and antenna with ferromagnetic material and winding and related method", Eagle Technology, LLC

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 제어국, dLORAN 보정 기준 국, 복수의 eLORAN 송신국을 포함하는 eLORAN 시스템에서, eLORAN 송신기로부터 omni-directional 전방향으로 송출되는 PNT(Position, Naviagtion, Timing - 위치, 항법, 시각) 정보가 포함된 eLORAN 신호를 수신하는 eLORAN 수신기를 구비하며, eLORAN 송신기와 eLORAN 수신기는 전방향 안테나(모노폴 안테나, 또는 다이폴 안테 나)를 사용하며, eLORAN 수신기에서 PNT 정보가 포함된 eLORAN 신호의 수신 시간 지연을 최소화하는, eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신 기 시스템을 제공한다.It is an object of the present invention to solve the above problems, in an eLORAN system including a control station, a dLORAN calibration reference station, and a plurality of eLORAN transmitting stations, PNT (Position, Navigation, Timing - It has an eLORAN receiver that receives an eLORAN signal including location, navigation, and time) information. Provided is an eLORAN receiver system that minimizes the reception time delay of the eLORAN signal, which minimizes the reception time delay in the eLORAN system.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, eLOR AN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템은 , 제어국, dLORAN 기준국, 복수의 eLORAN 송신국을 포함하는 eLORAN 시스템에 있어서: 상기 제어국과 연결되며, eLORAN 송신기를 구비하 는 복수의 eLORAN 송신국; 및 m개의 eLORAN 송신국의 송신기로부터 전방향으로 송출되는 PNT(Position, Naviagtion, Timing - 위치, 항법, 시각) 정보가 포함된 eLORAN 신호를 수신하는 eLORAN 수신기를 구비하며, In order to achieve the object of the present invention, an eLORAN receiver system that minimizes reception time delay in an eLOR AN system is an eLORAN system including a control station, a dLORAN reference station, and a plurality of eLORAN transmitting stations: connected to the control station, , a plurality of eLORAN transmitting stations having an eLORAN transmitter; and an eLORAN receiver for receiving an eLORAN signal including PNT (Position, Navigation, Timing - Position, Navigation, Time) information transmitted in all directions from the transmitters of the m eLORAN transmitting stations,

상기 eLORAN 수신기는 상기 PNT 정보가 포함된 e LORAN 신호의 안테나의 이득과 위상 변화에 따른 수신 시간 지연을 최소화하도록 전방향 안테나를 사용하며, 상기 전방향 안테나는 모노 폴 안테나 또는 다이폴 안테나를 사용한다.The eLORAN receiver uses an omni-directional antenna to minimize a reception time delay according to a gain and phase change of an antenna of the eLORAN signal including the PNT information, and the omni-directional antenna uses a monopole antenna or a dipole antenna.

본 발명의 eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템은 제어국, dLORAN 기준국, 복수의 eLORAN 송신 국을 포함하는 eLORAN 시스템에서, LORAN-C 시스템의 송신기 또는 e LORAN 송신기로부터 모든 방향(omni-directional)으로부터 전방향으 로 송출되는 PNT(Position, Naviagtion, Timing - 위치, 항법, 시각 ) 정보가 포함된 eLORAN 신호를 수신하는 eLORAN 수신기를 구비하며 , eLORAN 송신기와 eLORAN 수신기는 전방향 안테나(모노폴 안테나, 또는 다이폴 안테나)를 사용하며, 20mm 측위 정확도를 갖는 eLORAN 수신기의 수신 시간 지연을 최소화하게 되었다.The eLORAN receiver system that minimizes the reception time delay in the eLORAN system of the present invention is an eLORAN system including a control station, a dLORAN reference station, and a plurality of eLORAN transmitting stations in all directions (omni) from the transmitter of the LORAN-C system or the eLORAN transmitter. -directional) and an eLORAN receiver that receives an eLORAN signal including PNT (Position, Navigation, Timing - position, navigation, time) information transmitted in omni-directional directions, the eLORAN transmitter and the eLORAN receiver are Antenna, or dipole antenna) is used, and the reception time delay of the eLORAN receiver with 20mm positioning accuracy is minimized.

특히, 항만의 입출항과, 군함, 해경 소속의 함정 및 특수정 등에 eLORAN 수 신기를 탑재하여 군·관 선박에 측위 항법 관련 GPS 수신 장비의 백업 기기로 활용 하여 항만에 선박의 입출항, 해상 안전관리의 측위에 사용하게 되었다. In particular, eLORAN receivers are mounted on ships, ships, and special ships belonging to the Coast Guard, as a backup device for GPS receivers related to positioning and navigation to military and government ships, and are used to control the entry and departure of ships into and out of ports and maritime safety management. It was used for positioning.

또한, eLORAN 시스템은 송신국 으로부터 100kHz 고출력 신호를 송출하여 GPS 전파교란 공격에 강하 며, 항만 내의 선박 또는 해상에서 해군 기지의 군함의 항법장치에 eLORAN 시스템을 적용하거나 또는 육상에서 레이더 운용 유도 미사일에 필 요한 유도 무기체계, 군 차량에 활용될 수 있다.In addition, the eLORAN system is strong against GPS jamming attacks by transmitting a 100kHz high-output signal from the transmitting station. It can be used for Johan guided weapon systems and military vehicles.

도 1 및 도 2는 항만 해상 전파항법신호 감시 시스 템의 구성도이다.
도 3 은 GPS 전파 교란 간섭을 차단하는 eLORAN 시스템의 개념도이다.
도 4 는 본 발명을 실시하기 위한 eLORAN 시스템 구성도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 eLORAN 시스템에서 수 신 시간 지연을 최소화하는 전방향 안테나(모노폴 안테나, 또는 다이 폴 안테나)를 구비하는 eLORAN 수신기 시스템 블록도이다.
1 and 2 are diagrams of a port maritime radio navigation signal monitoring system.
3 is a conceptual diagram of an eLORAN system that blocks GPS jamming interference.
4 is an eLORAN system configuration diagram for implementing the present invention.
5 is a block diagram of an eLORAN receiver system having an omni-directional antenna (monopole antenna, or dipole antenna) that minimizes reception time delay in the eLORAN system according to the present invention.

이하, 본 발명의 바 람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상 세하게 설명한다. 본 발명의 설명에 있어서 관련된 공지의 기능 또는 공 지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 자세한 설명을 생략한다. 또한, 도면 번호는 동일한 구성을 표기 할 때에 다른 도면에서 동일한 도면번호를 부여한다. Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the invention. In the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or a known configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, when the drawing numbers indicate the same configuration, the same reference numbers are given in different drawings.

eLORAN 시스템은 3대의 eLORAN 송신국(Transmitting Station)과 dLORAN 보정 기준국(Monitor Site), 및 제어국(Control Center)으로 구성된다. The eLORAN system consists of three eLORAN transmitting stations, a dLORAN calibration reference station (Monitor Site), and a control station (Control Center).

eLORAN 송신국은 eLORAN 신호를 dLORAN 보정정보와 함께 송출하는 역할을 하고, dLORAN 보정 기준국은 eLORAN 신호의 오차정보를 보정한다. The eLORAN transmitting station serves to transmit the eLORAN signal together with the dLORAN correction information, and the dLORAN correction reference station corrects the error information of the eLORAN signal.

dLORAN 보정 기준국은 특정 기준점 좌표(X0, Y0)에 설치되며, 보정정보를 계산하는 모듈(Differential eLoran Reference Station)에서 이를 처리하여 보정정보를 생성하여 eLORAN 송신국으로 전송한다.The dLORAN calibration reference station is installed at specific reference point coordinates (X0, Y0), and the module (Differential eLoran Reference Station) that calculates the calibration information processes it to generate the calibration information and transmits it to the eLORAN transmitting station.

eLORAN 수신기를 통해 시각 동기 후 eLORAN 신호를 수신하고, Receive the eLORAN signal after time synchronization through the eLORAN receiver,

도 3 은 GPS 전파 교란 간섭을 차단하는 eLORAN 시스템의 개념도이다. 3 is a conceptual diagram of an eLORAN system that blocks GPS jamming interference.

도 4 는 본 발명을 실시하기 위한 eLORAN 시스템 구성도이다.4 is an eLORAN system configuration diagram for implementing the present invention.

도 5 는 본 발명에 따른 eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 전방향 안테나(모노폴 안테나 또는 다이폴 안테나)를 구비하는 eLORAN 수신기 시스템 블록도이다 . 5 is a block diagram of an eLORAN receiver system having an omni-directional antenna (monopole antenna or dipole antenna) that minimizes reception time delay in the eLORAN system according to the present invention.

eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템은 The eLORAN receiver system that minimizes the reception time delay in the eLORAN system is

모니터링 PC(210)와 연결된 제어국(200), 상기 제어국(200)과 연결된 dLORAN 보정 기준국(220), 상기 제어국(200)에 연결된 LORAN-C 시스템의 송신기 또는 eLORAN 송신기를 구비하는 복수의 eLORAN 송신국(230)을 포함하는 지상파 항법 시스템으로 사용되는 eLORAN 시스템에 있어서: A control station 200 connected to the monitoring PC 210 , a dLORAN calibration reference station 220 connected to the control station 200 , a LORAN-C system transmitter or an eLORAN transmitter connected to the control station 200 . In the eLORAN system used as a terrestrial navigation system including the eLORAN transmitting station 230 of:

모니터링 PC(210)와 연결된 제어국(200); a control station 200 connected to the monitoring PC 210;

상기 제어국(200)에 연결된 dLORAN 보정 기준국(220); a dLORAN calibration reference station 220 coupled to the control station 200;

상기 제어국(200)에 연결되며, 세슘 원자 시계(cesium atomic clock)가 eLORAN 송신기를 ±100 ns 내로 동기화(synchronization)하기 위해 사용하며, 90 내지 110 kHz의 저주파수를 사용하여 변조하여 송출하는 eLORAN 송신기를 구비하는 3대 이상의 복수의 eLORAN 송신국(230); 및 Connected to the control station 200, a cesium atomic clock is used to synchronize the eLORAN transmitter within ±100 ns, and modulates and transmits the eLORAN transmitter using a low frequency of 90 to 110 kHz. A plurality of eLORAN transmission stations 230 or more having a; and

m개의 eLORAN 송신국(230)의 송신기로부터 모든 방향(omni -directional)으로부터 전방향으로 송출되는 PNT(Position, Naviagt ion, Timing - 위치, 항법, 시각) 정보가 포함된 eLORAN 신호를 수신하는 eLORAN 수신기(300k)를 구비하며, An eLORAN receiver for receiving an eLORAN signal including PNT (Position, Naviagt ion, Timing-position, navigation, time) information transmitted in all directions from the transmitter of the m eLORAN transmitting stations 230 in all directions (omni-directional) (300k) is provided,

상기 eLORAN 수신기(300k)는 상기 PNT 정보가 포함된 eLORAN 신호의 안테나의 이득과 위상 변화에 따라 수신 시간 지연을 최소화하도록 전방향 안테나를 사용 한다.The eLORAN receiver 300k uses an omni-directional antenna to minimize the reception time delay according to the gain and phase change of the antenna of the eLORAN signal including the PNT information.

eLORAN 송신국(230)은 D-GPS(Differential-Global Positioning System) 보정 데이터를 전송하는 추가 펄스를 포함한다. The eLORAN transmitting station 230 includes an additional pulse that transmits Differential-Global Positioning System (D-GPS) correction data.

eLORAN 송신국(230)은 주전원 배전반, 제어부(Control Console), 증폭부(PGA, Pules Generator Assembly), 송출 출력부(Output Network), 송신기와 안테나 사이를 전기적으로 정확하게 매칭시켜 최대출력이 효율적으로 방사되도록 하는 출력 네트워크(Output Network), 그룹Ⅰ이나 그룹Ⅱ 출력 및 커플링 네트워크의 출력과 안테나 입력부를 서로 연결시켜 주는 스위치 네트워크(Switch Network) 및 안테나부를 포함하며, 안테나는 탑로딩 모노폴형(TLM) 수직 안테나를 사용한다.The eLORAN transmitting station 230 electrically accurately matches the main power switchboard, the control console, the amplification unit (PGA, Pules Generator Assembly), the output network, and the transmitter and the antenna to efficiently radiate the maximum output. It includes an output network, a group I or group II output, a switch network that connects the output of the coupling network and an antenna input, and an antenna part, and the antenna is a top-loading monopole type (TLM) Use a vertical antenna.

eLORAN 송신국(230)은 UTC(Coordinated Universal Time, 협정 세계 표준시) 동기 시스템으로 Loran-C 신호 또는 eLORAN 신호를 세계표준시(UTC)와 동기시켜 표준 시간으로 이용할 수 있다. The eLORAN transmitting station 230 may synchronize a Loran-C signal or an eLORAN signal with universal time (UTC) in a coordinated universal time (UTC) synchronization system and use it as a standard time.

eLORAN 송신국(230)은 제어국(200)에 구비된 UTC 동기 시스템과 동기되며, TOA(time of arrival)를 사용하여 위치를 계산하며, 비행기, 선 박, 자동차 등에 구비된 eLORAN 수신기(300k)는 eLORAN 송신국(230)으로부터 LDC(Loran Data Channel)을 통해 송신국의 eLORAN 신호를 수신하고, 고정된 위치에서 eLORAN 신호에 동기된 후의 TOA 값을 측정하며, 신호 전파 경로(ASF)에 따른 시간 지연 및 측위 오차를 갖는다. 2대 또는 3대 또는 4대의 UTC 동기된 송신국이 쌍곡선 위치선을 제공할 수 있는 전파의 도착 시간차의 측정 원리로 동작한다. 위치 측정에는 2개 이상의 위치선의 교차점으로 가능하며 각 위치선의 시간차 측정은 주국(제어국)과 종국(eLORAN 송신국)간 UTC 동기되고 그들간의 경과 시간의 측정으로 수신된 펄스 포락선(Pulse Envelope) 또는 싸이클 리딩엣지의 비교에 의해서 결정된다. 주국은 일정한 간격으로 송신하며 이러한 신호의 수신 후에 종국이 시작하며 서로 동기되어 있다. 연속 하는 주국 신호 사이의 지연 시간은 커버리지내의 수신기가 주국의 다음 전송이 있기 전에 종국의 전송을 수신할 수 있도록 충분해야 된다. LORAN 체인은 보통 삼각형, 스타 결선형, 사각형 등의 송신국 배열로서 구성되며, 각 구성은 시스템 커버리지 및 정확도에 서로 장단점을 갖고 있다.The eLORAN transmitter 230 is synchronized with the UTC synchronization system provided in the control station 200, calculates a location using time of arrival (TOA), and an eLORAN receiver 300k provided in an airplane, ship, car, etc. receives the eLORAN signal of the transmitting station through the LDC (Loran Data Channel) from the eLORAN transmitting station 230, measures the TOA value after being synchronized with the eLORAN signal at a fixed location, and time according to the signal propagation path (ASF) It has delay and positioning error. Two or three or four UTC synchronized transmitting stations operate on the principle of measurement of the time difference of arrival of radio waves, which can provide a hyperbolic position line. Position measurement is possible with the intersection of two or more position lines, and the measurement of the time difference between each position line is UTC synchronized between the master station (control station) and the slave station (eLORAN transmitting station), and the received pulse envelope or It is determined by the comparison of the cycle leading edges. The master station transmits at regular intervals and the slave station starts after receiving these signals and is synchronized with each other. The delay time between successive master signals shall be sufficient to allow a receiver within coverage to receive the last transmission before the master's next transmission. The LORAN chain is usually composed of a triangular, star-connected, or rectangular array of transmitters, and each configuration has advantages and disadvantages in terms of system coverage and accuracy.

단순히 펄스 도착 시간차(Time Difference, TD)를 측정하기 위해 송신국의 주국과 종국이 각 1개의 펄스만 송신해도 되나, 실제의 경우는 다수(8-9개)의 펄스그룹을 송신하는데 이는 송신기의 출력 을 높이지 않고 수신기측에 더 많은 에너지를 공급하기 위함이다. 주 국에서 발사되는 펄스군은 9개 펄스로 이루어지며 처음 8개 펄스는 1000㎲간격으로 송신되며, 최종으로 9번째 펄스는 8번째 펄스의 2000㎲ 후방에 위치하게 된다. 종국의 경우는 8개 펄스만 송신하며 Loran-C 정밀도 향상을 위해 100kHz를 반송 주파수로 이용하는데 이를 주기 정합(Cycle Matching) 이라고 한다.In order to simply measure the pulse arrival time difference (TD), the master station and the slave station of the transmitting station may transmit only one pulse each, but in reality, a large number of (8-9) pulse groups are transmitted. This is to supply more energy to the receiver side without increasing the output. The pulse group emitted from the main station consists of 9 pulses, and the first 8 pulses are transmitted at intervals of 1000 μs, and finally the 9th pulse is located 2000 μs behind the 8th pulse. In the case of the final station, only 8 pulses are transmitted and 100kHz is used as the carrier frequency to improve Loran-C precision, which is called cycle matching.

수신측에서는 최대의 정확도를 얻기 위해 반송주파수의 처음 수 주기안에 TD 값 측정이 이루어져야 하며, 그 이유는 펄스 뒷부분은 늦게 도달된 공간파에 의해 간섭이 발생하기 때문이다. 따라서 처음 수 주기안에 정확한 측정을 하기 위하여 펄스는 급격히 상승하도록 설계되고 있다.At the receiving end, the TD value should be measured within the first few cycles of the carrier frequency in order to obtain maximum accuracy, because the rear part of the pulse is interfered with by the late arriving space wave. Therefore, the pulse is designed to rise rapidly in order to make an accurate measurement within the first few cycles.

Loran-C 대역은 90-110kHz로서 방사된 펄스형태중 99%의 송신 에너지가 이 20kHz 대역내에 분포되도록 설계되어 있다.The Loran-C band is 90-110 kHz and is designed so that 99% of the transmit energy of the radiated pulse form is distributed within this 20 kHz band.

eLORAN 수신기(300k)는 신호의 도착 시간(Time of Arrival, TOA) 측정치에 광속을 곱하여 거리 측정치를 계산한다. eLORAN 송신국의 송신기(Xi, Yi)와 수신 기(Xk, Yk)의 거리는 시간 x 속도에 의해 계산된다. The eLORAN receiver 300k calculates a distance measurement by multiplying the signal's Time of Arrival (TOA) measurement by the speed of light. The distance between the transmitter (Xi, Yi) and the receiver (Xk, Yk) of the eLORAN transmitting station is calculated by time x speed.

TOA 측정치는 eLORAN 송신국(230)의 송신기(Xi, Yi)와 수신기(Xk, Yk) 사이의 실제 거리, 수신기의 시계 오차(B), 프라이머리 팩터(Primary Factor, PF), 세컨드리 팩터(Secondary Factor, SF), 추가 세컨더리 팩터(Additional Secondary Factor, ASF) 등 오차, 잡음을 포함할 수 있다. TOA measurements are the actual distance between the transmitter (Xi, Yi) and the receiver (Xk, Yk) of the eLORAN transmitting station 230, the receiver's clock error (B), the primary factor (PF), the secondary factor ( Secondary Factor (SF), an additional secondary factor (Additional Secondary Factor, ASF), etc. may include errors and noise.

상기 eLORAN 수신기(300k)는 The eLORAN receiver 300k is

eLORAN 안테나, GPS 안테나, D-GPS 안테나를 구비하는 안테나부(310); An antenna unit 310 having an eLORAN antenna, a GPS antenna, and a D-GPS antenna;

eLORAN 안테나, GPS 안테나, D-GPS 안테나에 각각 연결된 eLORAN 수신신호 입력부(311), GPS 수신기부(312), D-GPS 수신기부(313)와, 상기 GPS 수신기부(312)에 입력되는 GPS 신호에 포함된 재밍신호의 존재여부를 확인하기 위해 FFT 샘플링을 수행하는 유에스알피(USRP) (317)와, 상기 GPS 수신신호 입력부(311)와의 주파수 및 시각 동기를 위한 루비듐 발진기(도면 미도시)를 포함한다. The eLORAN reception signal input unit 311, the GPS receiver unit 312, the D-GPS receiver unit 313 and the GPS signal inputted to the GPS receiver unit 312 respectively connected to the eLORAN antenna, the GPS antenna, and the D-GPS antenna. A rubidium oscillator (not shown) for frequency and time synchronization with a USRP (USRP) 317 that performs FFT sampling to check the presence of a jamming signal included in the GPS signal input unit 311 include

또한 상기 eLORAN 수신기(300k)는, In addition, the eLORAN receiver 300k,

3개 또는 4개 이상의 송신국의 LORAN-C 송신기 또는 eLORAN(Lon g Range Navigation) 송신기에서 송출되는 각 신호를 수신하여 복조 하는 수신기 회로부(321); 오차 보상부(322); 및 위치 추출부(323)와 연결되는 제어부(324)와; 상기 제어부에 각각 연결되는 시각 동기부 (327)와 통신부(328) 및 저장부(329)를 구비하는 제어 프로세서(AD 보드, DSP 보드, CPU 보드)(320)를 더 포함한다. a receiver circuit unit 321 for receiving and demodulating each signal transmitted from the LORAN-C transmitter or eLORAN (Long Range Navigation) transmitter of three or more transmitting stations; error compensating unit 322; and a control unit 324 connected to the location extraction unit 323; It further includes a control processor (AD board, DSP board, CPU board) 320 having a time synchronization unit 327, a communication unit 328, and a storage unit 329 respectively connected to the control unit.

상기 eLORAN 수신기의 제어 프로세서(320)는, The control processor 320 of the eLORAN receiver,

UTC 시각 동기가 되도록 하며, 위치, 항법, 시각 정보가 포함된 PNT 정보를 제공하도록 제어하는 제어부(324); a control unit 324 for controlling to provide UTC time synchronization and PNT information including location, navigation, and time information;

eLORAN 신호, 추가적으로 GPS 신호 또는 D-GPS 신호를 수신받고, eLORAN 수신신호 입력부(311)를 통해 eLORAN 신호를 수신받고 재밍신호 제거부(필터)를 구비하는 수신기 회로부(321); a receiver circuit unit 321 that receives an eLORAN signal, additionally a GPS signal or a D-GPS signal, receives an eLORAN signal through an eLORAN reception signal input unit 311, and includes a jamming signal removing unit (filter);

각 신호가 송출된 시간과 각 신호가 수신된 시간의 차이에 광속을 곱하여 거리 측정치를 계산하는 거리 측정부(미도시); a distance measuring unit (not shown) that calculates a distance measurement value by multiplying the speed of light by the difference between the time each signal is transmitted and the time each signal is received;

상기 제어부(324)에 연결되며, 상기 거리 측정치에서 프라이머리 팩터(Primary Factor, PF), 세컨더리 팩터(Secondary Factor, SF ), 추가 세컨더리 팩터(Additional Secondary Factor, ASF), 타원 팩터(Ellipsoidal Factor, EF) 오차 중 적어도 하나를 보상하는 오차 보상부(322); 및 It is connected to the control unit 324, and in the distance measurement, a Primary Factor (PF), a Secondary Factor (SF), an Additional Secondary Factor (ASF), an Ellipsoidal Factor (EF) ) an error compensating unit 322 for compensating for at least one of the errors; and

상기 제어부(324)에 연결되며, 각각의 송신국과의 거리 측정치와 dLORAN 기 준점의 좌표(x,y), 상기 dLORAN 기준점에서 시계 오차(B)의 값에 기초하여 3각 측위에 의해 위치를 계산하는 위치 추출부(323)를 포함한다.It is connected to the control unit 324, and based on the measured distance to each transmitting station, the coordinates (x,y) of the dLORAN reference point, and the value of the clock error (B) at the dLORAN reference point, the position is determined by triangulation. It includes a position extraction unit 323 to calculate.

상기 제어 프로세서(320)는 AD 보드와 DSP 보드와 CPU 보드를 포함한다. The control processor 320 includes an AD board, a DSP board, and a CPU board.

상기 eLORAN 수신기(300k)는 상기 제어부(324)에 연결되며, LAN을 통해 PC 와 연결되는 이더넷 통신부(328)를 더 포함한다. The eLORAN receiver 300k is connected to the control unit 324 and further includes an Ethernet communication unit 328 connected to a PC through a LAN.

상기 eLORAN 수신기(300k)는 상기 제어부(324)에 수신기 회로부(321)가 연결되며, 상기 유에스알피(USRP)(317)에 의해 GPS 신호에 포함된 재밍 신호가 존재하 면, GPS 신호에 포함된 재밍 신호를 필터로 제거하도록 수신기 회로부(321)내에 구비된 항재밍 주파수 신호 처리부(필터 회로 구비)를 구동하는 재밍 신호 제거부를 더 포함한다. The eLORAN receiver 300k has a receiver circuit 321 connected to the control unit 324, and when there is a jamming signal included in the GPS signal by the USRP 317, the It further includes a jamming signal removing unit for driving an anti-jamming frequency signal processing unit (with a filter circuit) provided in the receiver circuit unit 321 to remove the jamming signal with a filter.

현재 eLORAN 수신기의 측정치는 큰 값의 수신기 시계 오차(B) 이외에 다양한 요인에 따른 오차(예를들면, PF, SF, ASF, EF에 의한 오차)가 존재한다.Currently, the measured value of the eLORAN receiver has errors (eg, errors due to PF, SF, ASF, and EF) according to various factors in addition to the large value of the receiver clock error (B).

상기 송신국의 eLORAN 송신기는 모든 방향에서 상기 eLORAN 신호를 수신하는 100m ~ 210m 크기의 전방향 안테나를 사용하며, 상기 전방향 안테나는 모노폴 안테 나를 사용한다. The eLORAN transmitter of the transmitting station uses an omni-directional antenna with a size of 100m to 210m that receives the eLORAN signal in all directions, and the omni-directional antenna uses a monopole antenna.

상기 eLORAN 수신기(300k)는 모든 방향에서 상기 eLORAN 신호를 수신하는 상 기 전방향 안테나를 사용하며, 상기 전방향 안테나는 E-field 안테나로써, 모노폴 안테나 또는 다이폴 안테나를 사용한다. The eLORAN receiver 300k uses the omni-directional antenna for receiving the eLORAN signal in all directions, and the omni-directional antenna is an E-field antenna and uses a monopole antenna or a dipole antenna.

실시예에서는, 항만에 진입하는 다수의 선박에 eLORAN 수신기를 구비한다. In an embodiment, a number of vessels entering a port are equipped with eLORAN receivers.

eLORAN 송신국(230)의 송신기는 LDC(Loran Data Channel)을 통해 전방향으로 변조(modulation)된 eLORAN 신호를 송출하며, eLORAN 송신기의 송신 시각과 eLoran 신호의 수신 시간 지연 없이 전방향 안테나(모노폴 안테나 또는 다이폴 안테나)를 구비하는 eLORAN 수신기의 수신 시간(TOA, Time of Arrival)에 의해 eLORAN 송신국과 각 수신기의 거리를 측정하며, 3대의 eLORAN 송신국의 3각 측위에 따라 선박에 구비되는 eLORAN 수신기의 위치를 측정한다.The transmitter of the eLORAN transmitting station 230 transmits an omnidirectionally modulated eLORAN signal through a Loran Data Channel (LDC), and an omni-directional antenna (monopole antenna) without delay between the transmission time of the eLORAN transmitter and the reception time of the eLoran signal. Or, the distance between the eLORAN transmitting station and each receiver is measured by the time of arrival (TOA) of the eLORAN receiver having a dipole antenna), and the eLORAN receiver provided on the ship according to the triangulation of three eLORAN transmitting stations. measure the position of

Loran 신호의 주파수는 100 KHz로 지상에서 송출하기 때문에 Jamming이 어려운 장점을 가지고 있다. eLoran 시스템은 3대 또는 4대의 송신국으로부터 LDC(Loran Data Channel)을 통해 D-GPS Data, dLoran Data, UTC Data를 포함하여 eLORAN 수신기로 수신하므로 우수한 위치 정보를 제공할 수 있다. Since the frequency of Loran signal is 100 KHz, it is transmitted from the ground, so Jamming is difficult. The eLoran system can provide excellent location information because it receives D-GPS Data, dLoran Data, and UTC Data from three or four transmitting stations through an LDC (Loran Data Channel) to the eLORAN receiver.

eLORAN 시스템에서, eLORAN 수신기(300k)의 안테나는 E-field 안테나 또는 H-field 안테나를 사용 환경에 따라 적합한 것을 사용한다. In the eLORAN system, the antenna of the eLORAN receiver 300k uses an E-field antenna or an H-field antenna suitable for use environment.

E-field 안테나는 모든 방향으로부터 전방향 수신 특성이 일정하며 우수한 신호 수신 성능을 갖지만, 주변 전자장비에 영향을 받고 접지(ground)를 해야 한다. The E-field antenna has constant omni-directional reception characteristics from all directions and has excellent signal reception performance, but it is affected by surrounding electronic equipment and must be grounded.

반면, 접지가 필요없고, 상대적으로 주변 전자장비의 잡음에 강한 H-field안 테나는 서로 직교하는 2개의 Loop 안테나로 구성되며 루프 안테나간 위상과 이득차 이로 일정한 원형의 지향성을 가지지 못한다. 그러므로, 수신한 신호의 방향에 따라 측정치의 변화가 발생하므로 H-field 안테나를 사용 시에는 수신하는 신호의 방향에 따른 오차를 보정해야 한다. On the other hand, the H-field antenna, which does not require grounding and is relatively resistant to noise from surrounding electronic equipment, consists of two loop antennas orthogonal to each other and does not have a constant circular directivity due to the phase and gain difference between the loop antennas. Therefore, since the measurement value changes depending on the direction of the received signal, it is necessary to correct the error according to the direction of the received signal when using the H-field antenna.

상기 eLORAN 수신기(300k)는 E-field 안테나를 사용한 경우 동적 환경에서 10m 이내의 측위 오차를 갖지만, H-field 안테나를 사용한 경우 20m 까지 측위 오차가 발생한다. H-field 안테나는 이론적으로 2개의 Loop 안테나가 서로 직교로 구성되지만, 루프 안테나간 위상과 이득차이로 원형의 등방성(isotropic)을 갖지 못하며, H-field 안테나의 지향성 오차가 발생된다. The eLORAN receiver 300k has a positioning error within 10m in a dynamic environment when an E-field antenna is used, but a positioning error up to 20m occurs when an H-field antenna is used. Although the H-field antenna is theoretically composed of two loop antennas orthogonal to each other, it does not have circular isotropic property due to the phase and gain difference between the loop antennas, and a directivity error of the H-field antenna occurs.

측정값 TOA(time of arrival)은 The measured value TOA (time of arrival) is

TOA = TTOR - TTOT = τ(RX-TX) + PF + SF + ASF + ΔRx TOA = TTOR - TTOT = τ(RX-TX) + PF + SF + ASF + ΔRx

여기서, TTOR : 수신 시각(Time of Reception), Here, TTOR: Time of Reception,

TTOT : 송신 시각(Time of Transmission), TTOT: Time of Transmission,

τ(RX-TX) : 송신기 시계 기준 수신기 시계의 동기 오차τ(RX-TX) : Synchronization error of the receiver clock relative to the transmitter clock

PF : 1차 지연요소 (거리 에 의한 시간지연)PF: 1st delay element (time delay by distance)

SF : 2차 지연요소 (바다에 의한 시간지연)SF: Secondary delay factor (time delay due to sea)

ASF : 육지에서 발생하는 추가 지연ASF: Additional delays caused by land

ΔRx : 수신기 내부 지연 ΔRx : Receiver internal delay

실시예에서는, eLORAN 시스템은 1대의 제어국(200), 1대의 dLORAN 보정 기준 국(220), 3대의 eLORAN 송신국(230)을 포함하며, In an embodiment, the eLORAN system comprises one control station 200 , one dLORAN calibration reference station 220 , and three eLORAN transmitting stations 230 ,

상기 eLORAN 수신기(300k)는 전방향 안테나를 구비하는 eLORAN 수신기와 D-GPS 또는 S-GPS 수신기를 구비하며, eLORAN 안테나부와 수신기 회로부와 제어 프로세서(AD 보드, DSP 보드, CPU 보드)와 저장부와 시각 동기부(327)를 구비하는 PNT(GPS, eLoran) 수신 장비를 사용한다. The eLORAN receiver 300k includes an eLORAN receiver having an omni-directional antenna and a D-GPS or S-GPS receiver, and includes an eLORAN antenna unit, a receiver circuit unit, a control processor (AD board, DSP board, CPU board), and a storage unit. and PNT (GPS, eLoran) receiving equipment having a time synchronization unit 327 is used.

제어 프로세서(320)의 DSP 보드는 고속 퓨리에 변환(FFT)을 사용하여 GNSS 주파수 대역에 포함된 전파교란 신호를 필터(filter)에 의해 차단되도록 한다. 필터는 BPF 또는 HPF를 사용할 수 있다.The DSP board of the control processor 320 uses a fast Fourier transform (FFT) to block a radio disturbance signal included in the GNSS frequency band by a filter. The filter can use BPF or HPF.

eLORAN 시스템은 1대의 dLORAN 보정 기준국과 3대의 eLORAN 송신 국으로부터 eLoran 신호를 수신하여 삼각 측위을 실시하며, 동시에 eLORAN 신호에 포함된 LDC(Loran Data Channel)를 분석하고 보정 정보를 추출하여 측위 시 이를 적용하여 위치 정확도를 높일 수 있다. The eLORAN system performs triangulation by receiving eLoran signals from one dLORAN calibration reference station and three eLORAN transmitting stations. Thus, the positioning accuracy can be improved.

dLORAN 보정 기준국에서 생성한 보정 정보는 30km 이내의 비교적 짧은 거리 내에서 측위가 가능하므로, 항만 등의 주요 거점을 중심으로 사용된디. The calibration information generated by the dLORAN calibration reference station can be positioned within a relatively short distance within 30 km, so it is used mainly at major bases such as ports.

eLORAN 수신기(300k)는 H-field 안테나를 사용하는 경우, 실제 Loran 측정치 TOA(Time Of Arri val)는 식(1)과 같이 나타낼 수 있다(Hartnett et al, 2003).When the eLORAN receiver 300k uses an H-field antenna, the actual Loran measurement time of arrival (TOA) may be expressed as Equation (1) (Hartnett et al, 2003).

Figure 112021103111127-pat00004
Figure 112021103111127-pat00004

여기서, ρ는 송신국과 수신기의 거리, Primary Factor(PF)는 대기에서의 신 호 전달지연 오차, Secondary Factor(SF)는 해수면을 지날 때의 신호 전달 지연오 차를 나타내며, 미리 알려진 Brunavs equation을 통하여 추정한다. 그리고 Additional Secondary Factor(ASF)는 지표면을 지날 때의 신호 전달 지연오차로 시뮬레이션 모델링을 통하여 계산 또는 실제 측정한 TOA에서 실제 송신국과 수신기와의 거리, PF, SF를 제거한 값을 이용하여 제거한다. δ는 신호 잡음이다. 여기서 ASF는 공간적인 영역에서 발생하는 오차인 ASFS , 시간에 따라 발생하는 오차인 ASFT, H-field 안테나의 특성에 의해 발생하는 오차인 ASFD 로 나뉜다.Here, ρ is the distance between the transmitting station and the receiver, Primary Factor (PF) is the signal transmission delay error in the atmosphere, and the Secondary Factor (SF) is the signal transmission delay error when crossing the sea level. estimated through In addition, the Additional Secondary Factor (ASF) is a signal propagation delay error when passing through the ground surface. It is removed using the value obtained by subtracting the distance between the transmitting station and the receiver, PF, and SF from the TOA calculated or actually measured through simulation modeling. δ is the signal noise. Here, ASF is divided into ASF S which is an error that occurs in the spatial domain, ASF T which is an error that occurs with time, and ASF D which is an error that occurs due to the characteristics of the H-field antenna.

또한, eLORAN 수신기(300k)는 H-field 안테나를 사용하는 경우, 안테나의 회전에 따른 루프 안테나 시간 지연에 의한 H τ 와 루프 위상 지연에 의한 지향성 오차

Figure 112021103111127-pat00005
로 나타낼 수 있다.In addition, when the eLORAN receiver 300k uses the H-field antenna, H τ due to the loop antenna time delay according to the rotation of the antenna and the directivity error due to the loop phase delay
Figure 112021103111127-pat00005
can be expressed as

Figure 112021103111127-pat00006
Figure 112021103111127-pat00006

여기서, A는 eLORAN 송신국으로부터 수신된 eLORAN 수신기의 신호에서 정현 파의 진폭, θ는 송신국과 수신기 안테나의 각이다. Here, A is the amplitude of the sine wave in the signal of the eLORAN receiver received from the eLORAN transmitting station, and θ is the angle between the transmitting station and the receiver antenna.

본 발명의 eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템은 제어국, dLORAN 보정 기준국, 복수의 eLORAN 송신국을 포함하는 eLORAN 시스템에서, LORAN-C 시스템의 송신기 또는 eLORAN 송신기로부터 모든 방향(omni- directional)으로부터 전방향으로 송출되는 PNT(Position, Naviagtion, Timing - 위치, 항법, 시각) 정보가 포함된 eLORAN 신호를 수신하는 eLORAN 수신기를 구비하 며, eLORAN 송신기와 eLORAN 수신기는 전방향 안테나(모노폴 안테나 또는 다이폴 안테나)를 사용하며, 20mm 측위 정확도를 갖는 eLORAN 수신기의 수신 시간 지연을 최소화하게 되었다.The eLORAN receiver system that minimizes the reception time delay in the eLORAN system of the present invention is an eLORAN system including a control station, a dLORAN calibration reference station, and a plurality of eLORAN transmitting stations, in all directions (omni - It has an eLORAN receiver that receives an eLORAN signal including PNT (Position, Navigation, Timing - Position, Navigation, Time) information transmitted in all directions from a directional), and the eLORAN transmitter and eLORAN receiver are Antenna or dipole antenna) is used, and the reception time delay of the eLORAN receiver with 20mm positioning accuracy is minimized.

특히, 항만의 입출항과, 군함, 해경 소속의 함정 및 특수정 등에 eLORAN 수 신기를 탑재하여 군·관 선박에 측위 항법 관련 GPS 수신 장비의 백업 기기로 활용 하여 항만에 선박의 입출항, 해상 안전관리의 측위에 사용하게 되었다. 현실적으로, eLORAN 수신기는 항만 내의 선박, 또는 군용 비행기에 사용이 가능하다. In particular, eLORAN receivers are mounted on ships, ships, and special ships belonging to the Coast Guard, and used as a backup device for GPS receivers related to positioning and navigation in military and government ships, and are used to control the entry and departure of ships into and out of ports and maritime safety management. It was used for positioning. Realistically, the eLORAN receiver can be used on a ship in a port or a military plane.

또한, eLORAN 시스템은 송신국으로부터 100kHz 고출력 신호를 송출하여 GPS 전파교란 공격에 강하며, 항만 내의 선박 또는 해상에서 해군 기지의 군함의 항법장치 에 eLORAN 시스템을 적용하거나 또는 육상에서 레이더 운용 유도 미사일에 필요한 유도 무기체계, 군 차량에 활용될 수 있다. In addition, the eLORAN system is strong against GPS jamming attacks by transmitting a 100kHz high-output signal from the transmitting station. It can be used in guided weapon systems and military vehicles.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터의 소프트웨어를 이용하여 읽을 수 있는 형태로 기록매체(CD-ROM, RAM, ROM, 메모리 카드, 하드 디스크, 광자기 디스크, 스토리지 디바이스 등)에 저장될 수 있다. As described above, the method of the present invention is implemented as a program and is readable using computer software in the form of a recording medium (CD-ROM, RAM, ROM, memory card, hard disk, magneto-optical disk, storage device, etc.) ) can be stored in

본 발명의 구체적인 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기와 같 이 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하 게 변형하여 실시될 수 있으며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.Although described with reference to a specific embodiment of the present invention, the present invention is not limited only to the same configuration and operation as the specific embodiment to illustrate the technical idea as described above, and within the limit not departing from the technical spirit and scope of the present invention. can be implemented with various modifications, and the scope of the present invention should be determined by the claims to be described later.

100: GPS 위성 200: 제어국
210: PC 220: dLORAN 보정 기준국
230: eLORAN 송신국 300k: eLORAN 수신기
100: GPS satellite 200: control station
210: PC 220: dLORAN calibration reference station
230: eLORAN transmitter 300k: eLORAN receiver

Claims (9)

제어국, dLORAN 기준국, 복수의 eLORAN 송신국을 포함하는 eLORAN 시스템에 있어서:
상기 제어국과 연결되며, eLORAN 송신기를 구비하는 복수의 eLORAN 송신국; 및
m개의 eLORAN 송신국의 송신기로부터 전방향으로 송출되는 PNT(Position, Naviagtion, Timing - 위치, 항법, 시각) 정보가 포함된 eLORAN 신호를 수신하는 eLORAN 수신기를 구비하며,
상기 eLORAN 수신기는 PNT 정보가 포함된 eLORAN 신호의 안테나의 이득과 위상 변화에 따른 수신 시간 지연을 최소화하도록 전방향 안테나를 사용하며,
상기 eLORAN 수신기는
eLORAN 안테나, GPS 안테나, D-GPS 안테나를 구비하는 안테나부;
eLORAN 안테나, GPS 안테나, D-GPS 안테나에 각각 연결된 eLORAN 수신신호 입력부, GPS 수신기부, D-GPS 수신기부와, 상기 GPS 수신기부에 입력되는 GPS 신호에 포함된 재밍신호의 존재여부를 확인하기 위해 FFT 샘플링을 수행하는 유에스알피(USRP)와, GPS 수신신호 입력부와의 주파수 및 시각 동기를 위한 루비듐 발진기를 포함하며,
m개 이상의 송신국의 LORAN-C 송신기 또는 eLORAN(Long Range Navigation) 송신기에서 송출되는 각 신호를 수신하여 복조하는 수신기 회로부; 오차 보상부; 및 위치 추출부와 연결되는 제어부와; 상기 제어부에 각각 연결되는 시각 동기부와 저장부 및 통신부를 구비하는 제어 프로세서를 더 포함하고,
상기 eLORAN 수신기의 제어 프로세서는,
UTC 시각 동기가 되도록 하며, 위치, 항법, 시각 정보가 포함된 PNT 정보를 제공하도록 제어하는 제어부;
eLORAN 신호, 추가적으로 GPS 신호 또는 D-GPS 신호를 수신받고, eLORAN 수신신호 입력부를 통해 eLORAN 신호를 수신받고 재밍신호 제거부를 구비하는 수신기 회로부;
각 신호가 송출된 시간과 각 신호가 수신된 시간의 차이에 광속을 곱하여 거리 측정치를 계산하는 거리 측정부;
상기 제어부에 연결되며, 상기 거리 측정치에서 프라이머리 팩터(Primary Factor, PF), 세컨더리 팩터(Secondary Factor, SF), 추가 세컨더리 팩터(Additional Secondary Factor, ASF), 타원 팩터(Ellipsoidal Factor, EF) 오차 중 적어도 하나를 보상하는 오차 보상부; 및
상기 제어부에 연결되며, 각각의 송신국과의 거리 측정치와 dLORAN 기준점의 좌표(x,y), 상기 dLORAN 기준점에서 시계 오차(B)의 값에 기초하여 3각 측위에 의해 위치를 계산하는 위치 추출부를 포함하며,
Loran 측정치 TOA(Time Of Arri val)는 아래식과 같이 나타낼 수 있으며,
TOA = ρ + PF + SF + ASFS + ASFT + ASFD + δ
여기서, ρ는 송신국과 수신기의 거리, Primary Factor(PF)는 대기에서의 신호 전달지연 오차, Secondary Factor(SF)는 해수면을 지날 때의 신호 전달 지연오차, Additional Secondary Factor(ASF)는 공간적인 영역에서 발생하는 오차인 ASFS , 시간에 따라 발생하는 오차인 ASFT, H-field 안테나의 특성에 의해 발생하는 오차인 ASFD, δ는 신호 잡음이며,
eLORAN 수신기(300k)는 H-field 안테나를 사용하는 경우 발생하는 오차인 ASFD, 안테나의 회전에 따른 루프 안테나 시간 지연에 의한 Hτ , 루프 위상 지연에 의한 지향성 오차 Hθ 관계는 아래식과 나타낼 수 있으며,
ASFD,= Hτ + Hθ, Hθ = A cos (π + θ )
A는 eLORAN 송신국으로부터 수신된 eLORAN 수신기의 신호에서 정현 파의 진폭, θ는 송신국과 수신기 안테나의 각이며,
항만의 입출항과, 군함, 해경 소속 함정 및 특수정에 eLORAN 수 신기를 탑재하여 군·관 선박에 측위 항법 관련 GPS 수신 장비의 백업 기기로 활용하여 항만에 선박의 입출항, 해상 안전관리의 측위에 사용하게 되고,
eLORAN 시스템은 송신국으로부터 100kHz 고출력 신호를 송출하여 GPS 전파교란 공격에 강하며, 항만 내의 선박 또는 해상에서 해군 기지의 군함의 항법장치에 eLORAN 시스템을 적용하거나 또는 육상에서 레이더 운용 유도 미사일에 필요한 유도 무기체계, 군 차량에 활용될 수 있는 것을 특징으로 하는 eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템.
In an eLORAN system comprising a control station, a dLORAN reference station, and a plurality of eLORAN transmitting stations:
a plurality of eLORAN transmitting stations connected to the control station and having an eLORAN transmitter; and
Equipped with an eLORAN receiver for receiving an eLORAN signal including PNT (Position, Navigation, Timing - position, navigation, time) information transmitted in all directions from transmitters of m eLORAN transmitting stations,
The eLORAN receiver uses an omni-directional antenna to minimize the reception time delay according to the gain and phase change of the antenna of the eLORAN signal including PNT information,
The eLORAN receiver is
An antenna unit including an eLORAN antenna, a GPS antenna, and a D-GPS antenna;
The eLORAN antenna, the GPS antenna, and the eLORAN reception signal input unit connected to the D-GPS antenna, the GPS receiver unit, the D-GPS receiver unit, and the GPS signal inputted to the GPS receiver unit to check the presence of jamming signals It includes a rubidium oscillator for frequency and time synchronization with a USRP (USRP) that performs FFT sampling and a GPS reception signal input unit,
a receiver circuit unit for receiving and demodulating each signal transmitted from a LORAN-C transmitter or an eLORAN (Long Range Navigation) transmitter of m or more transmitting stations; error compensation unit; and a control unit connected to the location extraction unit; Further comprising a control processor having a time synchronization unit, a storage unit, and a communication unit respectively connected to the control unit,
The control processor of the eLORAN receiver,
a control unit for controlling to provide PNT information including location, navigation, and time information to be synchronized with UTC time;
a receiver circuit unit for receiving an eLORAN signal, additionally a GPS signal or a D-GPS signal, receiving an eLORAN signal through an eLORAN receiving signal input unit, and having a jamming signal removing unit;
a distance measuring unit calculating a distance measurement value by multiplying the difference between the time each signal is transmitted and the time at which each signal is received;
It is connected to the control unit, and in the distance measurement value, a Primary Factor (PF), a Secondary Factor (SF), an Additional Secondary Factor (ASF), an Ellipsoidal Factor (EF) error of an error compensating unit compensating for at least one; and
It is connected to the control unit, and based on the measured distance from each transmitting station, the coordinates (x,y) of the dLORAN reference point, and the value of the clock error (B) at the dLORAN reference point. Position extraction for calculating the position by triangulation includes wealth,
Loran measurement TOA (Time Of Arri val) can be expressed as the following formula,
TOA = ρ + PF + SF + ASF S + ASF T + ASF D + δ
Here, ρ is the distance between the transmitting station and the receiver, Primary Factor (PF) is the signal propagation delay error in the atmosphere, Secondary Factor (SF) is the signal propagation delay error when crossing the sea level, and Additional Secondary Factor (ASF) is the spatial ASF S , which is an error occurring in the region, ASF T , which is an error that occurs over time, ASF D, δ, which is an error caused by the characteristics of an H-field antenna, is signal noise,
In the eLORAN receiver 300k, the relationship between ASF D, which is an error occurring when an H-field antenna is used, H τ due to loop antenna time delay due to antenna rotation, and directional error H θ due to loop phase delay, can be expressed by the following equation there is,
ASF D, = H τ + H θ, H θ = A cos (π + θ)
A is the amplitude of the sine wave in the signal of the eLORAN receiver received from the eLORAN transmitting station, θ is the angle of the transmitting station and the receiver antenna,
The eLORAN receiver is mounted on ships, ships belonging to the Coast Guard, and special boats for port entry and departure, and is used as a backup device for GPS receiving equipment related to positioning and navigation on military and government ships. will do,
The eLORAN system is strong against GPS jamming attacks by transmitting a 100kHz high-output signal from the transmitting station, and the eLORAN system is applied to the navigation system of ships in harbors or warships of naval bases at sea, or guided weapons required for radar operation guided missiles on land. The eLORAN receiver system that minimizes the reception time delay in the eLORAN system, characterized in that it can be utilized in systems and military vehicles.
제1항에 있어서,
상기 eLORAN 시스템은 1대의 제어국, 1대의 dLORAN 기준국, 3대의 eLORAN 송신국을 포함하는 것을 특징으로 하는,
eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템.
According to claim 1,
The eLORAN system comprises one control station, one dLORAN reference station, and three eLORAN transmitting stations,
An eLORAN receiver system that minimizes reception time delay in the eLORAN system.
제1항에 있어서,
상기 eLORAN 송신기는 세슘 원자 시계(cesium atomic clock)가 eLORAN 송신기를 ±100 ns 내로 동기화(synchronization)하기 위해 사용하며, 90 ~ 110 kHz의 저주파수를 사용하여 변조하여 송출하는,
eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템.
According to claim 1,
The eLORAN transmitter uses a cesium atomic clock to synchronize the eLORAN transmitter within ±100 ns, and modulates and transmits using a low frequency of 90 to 110 kHz,
An eLORAN receiver system that minimizes reception time delay in the eLORAN system.
제1항에 있어서,
상기 eLORAN 수신기는 전방향 안테나를 구비하는 eLORAN 수신기와 D-GPS 또는 S-GPS 수신기를 구비하며, 안테부와 수신기 회로부와 제어 프로세서(AD 보드, DSP 보드, CPU 보드)와 저장부와 시간을 계측하는 타이머를 구비하는 PNT(GPS, eLoran) 수신 장비를 사용하는,
eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템.
According to claim 1,
The eLORAN receiver includes an eLORAN receiver having an omni-directional antenna and a D-GPS or S-GPS receiver, and measures time with an antenna, a receiver circuit, a control processor (AD board, DSP board, CPU board), and a storage unit Using PNT (GPS, eLoran) receiving equipment having a timer to
An eLORAN receiver system that minimizes reception time delay in the eLORAN system.
제1항에 있어서,
상기 eLORAN 수신기는 모든 방향에서 상기 eLORAN 신호를 수신하는 상기 전 방향 안테나를 사용하며,
상기 전방향 안테나는 E-field 안테나로써, 모노폴 안테나 또는 다이폴 안테나를 사용하는,
eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템.
According to claim 1,
The eLORAN receiver uses the omni-directional antenna for receiving the eLORAN signal in all directions,
The omni-directional antenna is an E-field antenna, using a monopole antenna or a dipole antenna,
An eLORAN receiver system that minimizes reception time delay in the eLORAN system.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 eLORAN 수신기는 상기 제어 프로세서에 연결되며, LAN을 통해 PC와 연 결되는 이더넷 통신부를 더 포함하는,
eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화 하는 eLORAN 수신기 시스템.
According to claim 1,
The eLORAN receiver is connected to the control processor, further comprising an Ethernet communication unit connected to the PC through a LAN,
An eLORAN receiver system that minimizes the reception time delay in the eLORAN system.
제1항에 있어서,
상기 eLORAN 수신기는
상기 제어부에 상기 수신기 회로부가 연결되며, 상기 유에 스알피(USRP)에 의해 GPS 신호에 포함된 재밍 신호가 존재하면, GPS 신호에 포함된 재밍 신호를 필터로 제거하도록 상기 수신기 회로부 내에 구비된 항재밍 주파수 신호 처리부를 구동하는 재밍 신호 제거부를 더 포함하는,
eLORAN 시스템에서 수신 시간 지연을 최소화하는 eLORAN 수신기 시스템.
According to claim 1,
The eLORAN receiver is
The receiver circuit unit is connected to the control unit, and when there is a jamming signal included in the GPS signal by the USRP, anti-jamming provided in the receiver circuit unit to remove the jamming signal included in the GPS signal with a filter Further comprising a jamming signal removing unit for driving the frequency signal processing unit,
An eLORAN receiver system that minimizes reception time delay in the eLORAN system.
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