KR100401123B1 - 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수보상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 초기에 측정된 도플러 천이 주파수 값 및 위성 위치를 이용하여 수신 이동 단말기의 위치를 파악한 후, 이를 이용하여 도플러 천이 주파수의 예측 및 오차 보정을 수행한다.

이로 인해, 전자 계산에 의한 정확하고 신속한 주파수 동기를 이룸으로서, 수신 이동 단말기에 요구되는 주파수 동기 회로 장치의 복잡도를 줄이고 신호 수신을 용이하게 할 수 있다.

Description

비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법 {Compensation Method of the Doppler Shift Frequency in the Non-Geostationary Satellite Orbit Mobile Satellite Communication System}

본 발명은 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, 비 정지궤도 위성을 통해 추정된 도플러 천이 주파수를 보상하는 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법에 관한 것이다.

기존의 위성통신 시스템에서 사용되어 온 정지궤도(Geostationary Satellite Orbit) 위성은 적도 상공 고도로 36,000㎞ 에 위치하므로, 전파 지연과 경로 손실이 클 뿐만 아니라, 고위도 지역의 지구국은 위성에 대한 충분한 양각을 가질 수가 없었다. 이러한 문제는 비 정지궤도 위성의 사용으로 인해 상당 부분 해결할 수 있어, 1990년대 이후, 이동위성통신이나 초고속 위성통신용으로 비 정지궤도 위성통신 시스템이 부각되어 왔다. 그러나, 비 정지궤도 위성통신시스템에서는 이동 단말기 및 기지국 기준 시, 상대적인 위성의 이동 때문에 도플러 천이 현상이 발생한다. 즉, 이동 단말기를 사용하는 사람의 보통 도보 속보는 약 0.001㎞/s, 자동차의 속도는 0.016㎞/s ∼ 0.04㎞/s 정도이며, 지구의 자전 속도는 적도 지역에서 0.46㎞/s 인데, 저궤도 위성은 고도가 700㎞ 일 때 약 7.5㎞/s, 고도가 2,000㎞ 일 때는 약 7.0㎞/s 의 속도로 이동하므로, 이와 같은 위성통신링크의 송수신단간의 상대 속도로 인해, 전송 신호는 상당히 큰 도플러 주파수 천이 현상으로부터 영향을 받게 된다. 이와 같은 도플러 주파수 천이 효과는 정확한 동기 복조를 요구하는 디지털 통신에서 매우 유해하다. 이로 인해, 각 시스템에서는 도플러 천이의 영향에 강한 복조 방식이나 도플러 천이 효과를 적절히 보상할 수 있는 방식을 적용해야만 한다.

이와 같이, 비 정지궤도 위성통신에서 발생하는 도플러 주파수 천이의 주요 원인은 규칙적인 운동이다. 이로 인해, 발생 패턴도 규칙성을 갖는다. 이로 인해, 근래에는 다양한 도플러 천이 주파수 예측 보상 방법이 제시된다. 제시된 예측 방법 중의 하나는 위성 내에 자체적으로 제어되며 추적 가능한 다중 빔 사용자링크 안테나가 있어서, 위성 커버리지 내에서 다중 빔을 송수신할 때, 재생가능 위성 중계기 내에서 각 빔에 해당하는 도플러 천이 주파수를 보상해 주는 방법이다. 그러나, 이와 같은 도플러 천이 주파수 예측 방법은 위성 중계기가 반드시 재생가능 시스템이어야 한다는 제한 조건이 수반된다. 제시된 예측 방법 중, 또 다른 방법은 위성과 이동 단말기가 최대 앙각을 이루는 시각을 기준 시점으로, 위성과 이동 단말기간의 순시 위치에 대한 상대 시간을 이용하여 도플러 주파수 천이를 예측함으로서, 이에 따른 도플러 주파수 천이를 보상하는 방법이다. 그러나, 이와 같은 도플러 천이 주파수보상 방법은 계산량이 매우 간단해지는 장점이 있으나, 초기 예측 이후 발생하는 예측 오차가 너무 크기 때문에, 실제 시스템에 적용하기는 어렵다.

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 초기에 측정된 도플러 천이 주파수 및 위성 위치와 이를 통해 추정한 이동 단말기의 위치를 이용함으로서, 전자 계산에 의한 정확하고 신속한 주파수 동기를 이루어 수신 이동 단말기에 요구되는 주파수 동기 회로 장치의 복잡도를 줄이면서 신호 수신이 용이한 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 지구관성 좌표계에서의 비 정지궤도 위성과 이동 단말기의 위치를 도시한 도면,

도 2는 위성 고도 500㎞, 1000㎞, 1500㎞ 에 따른 최대 도플러 천이 주파수발생 곡선을 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법에 이용되는 도플러 천이 주파수 예측치와 그에 따른 가중치를 도시한 도면,

도 4는 결정계수를 이용한 도플러 천이 주파수 예측 방법과 예측 방법의 성능 비교를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법을 도시한 전체 흐름도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

110 : 이동 단말기 120 : 이동 위성

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법에 있어서, 위성의 위치와, 위성 및 이동 단말기간의 사이각을 이용하여 이동 단말기의 위치를 추정하는 제1 단계; 위성의 위치와 상기 추정한 이동 단말기의 위치를 이용하여 이동 단말기의 순간 도플러 천이 주파수를 추측하는 제2 단계; 및 앙각과 위성의 고도를 이용하여 가중치를 계산하고, 상기 가중치를 상기 추측한 순간 도플러 천이 주파수에 적용하여 오차를 보정하는 제3 단계를 포함하며, 상기 위성 및 이동 단말기간의 사이각은 위성과 이동 단말기간의 거리를 이용하여 계산되고, 상기 위성과 이동 단말기간의 거리는 측정된 초기 도플러 천이 주파수와 상기 측정된 초기 도플러 천이 주파수에 대한 도플러 천이 변화율에 의해 계산되는 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법을 제공한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법에 대해 보다 자세하게 설명하기로 한다. 도 1은 지구관성 좌표계에서의 비 정지궤도 위성과 이동 단말기의 위치를 도시한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 비 정지궤도 위성(120)과 이동 단말기(110)의 위치를 지구관성 자표계(X, Y, Z)로 나타낸 개념도이다.

도 1에 적용됨과 동시에 도플러 현상에 의한 주파수 천이 f_D(t)는 아래의 [수학식 1]과 같이, 반송파 주파수에 비례함과 동시에 송/수신기의 상대 속도와 전파 속도의 비율만큼 천이된다.

여기서의 f_c는 반송파 주파수이며, c 는 광속, v(t) 는 위의 [수학식 2]로 표현되는 이동 단말기와 위성간의 상대 속도, s(t)는 위성과 이동 단말기 사용자간의 거리이다. 이 때, 위성과 이동 단말기 사용자간의 거리는 아래의 [수학식 3]과 같이 시간 함수로 표현된다.

여기서의 a 는 위성 궤도 반경이며 r 은 지구 반경, Ψ(t) 는 위성과 이동 단말기간의 사이각을 의미한다. 따라서, 도플러 천이 주파수, f_D(t) 는 [수학식 1]과 [수학식 2] 및 [수학식 3]을 이용하여 아래의 [수학식 4]와 같이 표현된다.

또한, 도플러 천이 주파수의 변화율은 아래의 [수학식 5]와 같이 표현된다

도 2는 위성 고도 500㎞, 1000㎞, 1500㎞ 에 따른 최대 도플러 천이 주파수 발생 곡선을 도시한 도면이다. 이동 단말기 수신단에 적절한 도플러 천이 보상 방법을 도입하지 않는 경우, 도시된 도 2와 같은 도플러 주파수 천이로 인해, 원하는통신 신호를 획득하기 어렵다. 이로 인해, 본 발명에서는, 규칙성을 가지고 발생하는 비 정지궤도 위성에 의한 도플러 천이 주파수를 사전에 추정하고 보상할 수 있도록 하는 방법을 제시한다. 즉, 본 발명에서 제안하는 도플러 천이 주파수 예측 기법은 지구고정 좌표계(x, y, z)를 이용하여 이동 단말기의 위치를 위도 T_e, 경도 G_e로 나타내고 위성의 위치를 위도 T_s(t), 경도 G_s(t) 라 나타내어 이동 단말기와 위성간의 사이각 Ψ(t) 을 아래의 [수학식 6]과 같이 표현한다.

[수학식 3] 내지 [수학식 5]로부터 도출된 [수학식 7]의 해 s(t)를 구한 후, 구한 s(t)를 [수학식 3]에 대입하여 cosψ(t)를 계산한다. 계산된 cosψ(t)를 [수학식 6]에 대입함으로서 이동 단말기의 경도, 위도 위치를 아래의 [수학식 8] 내지 [수학식 10]과 같이 구한다.

위의 [수학식 7] 내지 [수학식 10]에서의 변수 값은 아래의 [수학식 11] 내지 [수학식 17] 과 같다.

이와 같은 특징을 포함하는 본 발명은, 시간 t_1,t₂일 때, T_s(t), G_s(t), ψ(t)를 안다면(ψ(t)는 s(t)로부터 구해지고, s(t)는 f_D(t), f_D′(t)로부터 구해짐), 이동 단말기의 위도(T_e) 및 경도(G_e)를 구할 수 있으며, 위성의 규칙적인 이동 위치 정보가 이동 단말기에 입력되어 있다면, 이동 단말기는 임의의 순간에 대한 도플러 천이 주파수를 아래의 [수학식 18]을 통해 예측할 수 있다.

(i는 위성궤도 경사각임)

하지만, 위와 같은 도플러 천이 주파수 예측 방법만으로는 근사식으로 인한 약간의 오차를 포함한다. 도 3에서는 위와 같은 예측 오차를 도시한 도면이다. 따라서, 이와 같은 예측 오차를 보정하기 위해, 본 발명에서는 [수학식 18]의 순간 도플러 천이 주파수 예측치에 적절한 가중치를 부과하여 보다 정확한 도플러 천이 주파수를 예측하도록 한다. 따라서, 도시된 도 3과 같이, 각 위성의 고도에 대해 발생하는 오차에 근사하는 가중치를 아래의 [수학식 19]와 같이 적용하도록 한다.

이 때, A_h는 위성의 고도에 따라 적용되는 정규화 요소이고, α(t)는 앙각이며, sin α(t)는 아래의 [수학식 20]을 통해 구할 수 있다.

가중치를 고려한 도플러 주파수 예측치는 아래의 [수학식 21]을 통해 구할 수 있다.

위와 같은 과정을 통한, 본 발명에 따른 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법의 성능에 대해 알아보면 다음과 같다. 도 4는 결정계수를 이용한 도플러 천이 주파수 예측 방법과 그에 따른 성능 비교를 도시한 도면이다. 도시된 도면과 같이, 가중치를 적용한 주파수 천이 예측 보상 기법의 성능이 이를 적용하지 않은 예측 방법에 비해 매우 우수하다.

즉, 위성의 고도가 1,000㎞ 인 경우, 요구되는 예측 정확도가 99.5% 일 때, 본 발명에 따른 적응 보상 방법은 입력 주파수 오프셋(offset)을 260㎐ 까지 허용하는 반면, 종래 기술에 따른 적응 보상 방법에서는 허용되는 입력 주파수 오프셋이 최고 90㎐ 정도에 이른다. 또한, 위성 고도가 2,000㎞ 인 경우, 가중치를 적용한 본 발명에 따른 예측 보상 방법의 정확도는 입력 주파수 오프셋에 상관없이 거의 정확하게 도플러 천이 주파수를 예측한다.

위와 같은 특징을 포함하는 본 발명에 따른 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법에 대해 알아보면 다음과 같다. 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법을 도시한 흐름도이다.

먼저, 비 정지궤도 위성의 운용으로 발생된 도플러 천이 주파수를 적응적으로 보상하기 위해, 위성으로부터 수신되는 파일럿 신호를 이용하여 초기 입력 도플러 천이 값을 세팅한다(S510). 이 후, 순시 위성 위치 파라미터를 입력받은(S520) 후, 위성과 이동 단말기간의 거리를 추정한다(S530). 측정된 초기 도플러 천이 주파수 값과 위성 위치를 이용하여 수신 이동 단말기의 위치를 추정(S540)한 후, 추정된 수신 이동 단말기의 위치를 이용하여 순간 도플러 천이 주파수를 예측한다(S550). 마지막으로, 예측된 순간 도플러 천이 주파수에 적절한 가중치를 적용함으로서, 예측 오차를 보정한다(S560).

위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 초기 측정된 도플러 천이 주파수 값 및 위성 위치를 이용하여 수신 이동 단말기의 위치를 파악하고, 이를 통해, 도플러 천이 주파수를 예측 및 오차 보정을 수행함으로서, 전자 계산에 의한 정확하고 신속한 주파수 동기를 이뤄 수신 이동 단말기에 요구되는 주파수 동기 회로 장치의 복잡도를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 신호 수신을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법에 있어서,

   시간 t₁, t₂일 때의 위성 및 이동 단말기간의 사이각과 위성의 위치를 이용하여 이동 단말기의 위치를 추정하는 제1 단계;

   위성의 위치와 상기 추정한 이동 단말기의 위치를 이용하여 이동 단말기의 순간 도플러 천이 주파수를 추측하는 제2 단계; 및

   앙각과 위성의 고도를 이용하여 가중치를 계산하고, 상기 가중치를 상기 추측한 순간 도플러 천이 주파수에 적용하여 오차를 보정하는 제3 단계를 포함하며, 상기 위성 및 이동 단말기간의 사이각은 위성과 이동 단말기간의 거리를 이용하여 계산되고, 상기 위성과 이동 단말기간의 거리는 측정된 초기 도플러 천이 주파수와 상기 측정된 초기 도플러 천이 주파수에 대한 도플러 천이 변화율에 의해 계산되는 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 단계에서의 상기 위성 및 이동 단말기의 위치는 경도와 위도로 표현되는 것을 특징으로 하는 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제3 단계에서의 상기 가중치는 식 1 인 것을 특징으로 하는 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법.

   식 1

   (A_h는 상기 위성의 고도에 따라 적용되는 정규화 요소이고, α(t)는 앙각임)
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 sin α(t) 는 식 2 인 것을 특징으로 하는 비 정지궤도 이동통신 시스템에서의 도플러 천이 주파수 보상 방법.

   식 2

   (a는 위성의 궤도반경이고, r은 지구반경이며, s는 위성과 이동 단말기간의 거리임)