KR101014050B1

KR101014050B1 - 약 신호 환경에서 효율적인 차량 항법 시스템용 ｇｐｓ수신기의 초기동기 방법

Info

Publication number: KR101014050B1
Application number: KR1020040111273A
Authority: KR
Inventors: 박상현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2011-02-14
Also published as: KR20060072595A

Abstract

본 발명은 차량 항법 시스템의 종래 GPS 초기동기 방법에 관한 것으로, 특히 약 신호 환경에서 GPS 위성 신호를 원활히 획득하여 정확한 차량 위치 정보를 출력하도록 하기 위한 GPS 수신기의 초기동기 방법에 관한 것이다.

본 발명의 차량 항법 시스템용 GPS 수신기의 초기동기 방법은, 수신한 GPS 신호를 무선주파수 기저대역 변환하여 처리 가능한 주파수 대역으로 변환한 값을 송출하는 제1단계, 변환된 상기 GPS 신호와 제6단계에서 생성된 확산 신호의 상관 상태를 상관기에서 확인하여 출력신호를 송출하는 제2단계, 상기 상관기의 출력신호를 스칼라 형태화하여 초기동기 결과값으로 출력하는 제3단계, 상기 스칼라화된 초기동기 결과값을 소정의 신호 검출 문턱값과 비교하여 초기동기에 성공하였는지 판단하는 제4단계, 상기 제4단계에서 실패로 판명된 경우 상기 제2단계에서 필요한 확산 신호의 성질인 의사 잡음코드 위상과 주파수 정보를 결정하는 제5단계, 상기 제5단계에 의해 결정된 정보를 이용해 확산 신호를 생성하여 상관기에 전달하는 제6단계로 이루어지는 차량 항법 시스템용 GPS 수신기의 초기동기 방법으로서, 상기 제3단계는, 상관기의 출력신호를 제1 동기누적하고, 제1 동기누적값을 차동 검출하며, 이 차동 검출값의 실수부를 양수화하여 제곱근을 구하고, 상기 제곱근을 제2 동기누적함으로써 스칼라화된 초기동기 결과값을 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

약 신호 환경에서 효율적인 차량 항법 시스템용 ＧＰＳ 수신기의 초기동기 방법{A method of initial synchronization of GPS receiver which is effective at weak signal environment}

도 1은 종래의 GPS 초기동기 방법을 나타낸 플로우차트;

도 2는 종래의 GPS 초기동기 방법의 신호와 구성을 나타낸 블록선도;

도 3은 본 발명에 의한 GPS 초기동기 방법을 나타낸 플로우차트;

도 4는 도 2의 동기 누적기(5-1), (5-2)와 함께, 그 사이에 위치한 차동 제곱근 필터를 나타낸 블록선도;

도 5는 시뮬레이션을 위한 GPS 신호 수집 방법의 개략도;

도 6은 도 5의 시뮬레이션에 의한 종래의 GPS 초기동기의 출력 결과를 나타낸 그래프;

도 7은 도 5의 시뮬레이션에 의한 본 발명의 GPS 초기동기의 출력 결과를 나타낸 그래프; 그리고,

도 8은 종래 및 본 발명의 GPS 초기동기 방법에 의할 때 GPS 입력 신호 세기에 따른 신호 획득 성공률을 비교하여 나타낸 그래프이다.

본 발명은 비동기 누적 기법을 사용하지 않고 동기 누적 기법만을 이용하며, 이를 위해 차동 검출기와 제곱근 연산자를 이용하여 고안한 차동 제곱근 필터(Differential Square Root Filter)를 동기누적기 다음에 추가함으로써, 약 신호 환경에서 겪는 성능 저하 문제를 해결하도록 하는 차량 항법 시스템용 GPS 수신기의 초기동기 방법에 관한 것이다.

전자통신분야의 발전은 자동차를 단순한 기계적 이동 수단에서 운전자 중심의 편리성과 안전성을 제공하는 이동 수단으로 변모시켰으며, 더 나아가 멀티미디어 환경을 제공하는 엔터테인먼트 공간으로 변화시켰다. 이런 전자통신분야의 자동차 접목이라는 변화 중에서 가장 주목 받고 있는 부분이 차량 항법 시스템(Car Navigation System)이다.

전통적으로 운전자는 지형지물 인지 능력과 공간 감각 그리고, 지도 정보를 이용하여 목적지까지 이동하였다. 그러나 전통적 방법은 운전자의 능력과 경험에 따라 이동 경비(소요시간, 연료비, 인건비 등)가 달라질 뿐만 아니라 운전자의 능력과 경험이 뛰어나더라도 운전자에게 익숙하지 않은 지역에서 이동 경비가 커지는 문제가 있었다. 차량 항법 시스템은 종래에 운전자의 능력과 경험에 의존할 수밖에 없었던 이동 경비 문제를 해결하고, 운전자의 이동 편리성을 향상시키기 위해 개발되었다. 따라서 차량 항법 시스템의 주요 기능은 차량 위치 정보를 기반으로 디지털 지도를 이용하여 목적지까지 최적의 경비로 이동할 수 있는 경로를 탐색하고, 운전자에게 탐색한 경로를 안내하는 것이다.

차량 위치 정보는 차량 항법 시스템의 기능 구현을 위해 반드시 필요한 필수 정보일 뿐만 아니라 차량 항법 시스템의 성능은 측정한 위치 정보의 정확도에 의존한다. 차량 위치 정보는 차량 항법 시스템 내부에 GPS/DR 측위 유닛(Positioning Unit)에 의해 획득된다. GPS/DR 측위 유닛은 GPS(Global Positioning System) 수신기와 저급의 관성센서로 구성된 DR(Dead Reckoning) 모듈로 구성되며, 여기서 GPS 수신기는 상대적 위치 정보를 측정하는 DR 모듈과 달리 차량의 절대적 위치를 측정하므로 차량 위치 정보 생성에 중요 요소로 동작한다. 따라서 GPS 수신기의 성능 저하는 차량 위치 정보의 정확도 저하를 초래하고, 최종적으로 차량 항법 시스템의 기능 저하를 불러온다.

GPS 수신기는 GPS 위성 신호가 상온의 잡음 신호 세기보다 낮을 뿐만 아니라 잎이 무성한 나무 밑에서 조차 신호 세기가 현저히 감소하는 특징이 있기 때문에 GPS 위성과 가시성이 확보된 실외 환경에서 측위하는 것을 전제로 하고 있다. 그러나, 일반적으로 B/M(Before Market)의 차량 항법 시스템은 자동차 형상과 스타일 그리고, 보안(security 도난 차량 추적 기능을 위해선 GPS 수신기 탈/부착이 어려운 곳에 탑재되어야 함)을 고려하여 GPS 수신기를 자동차 메인 크래쉬 패드(main crash pad) 내부와 같이 운전자에게 보이지 않는 공간에 탑재한다. 이상과 같이 차량 의장 내부에 장착되는 차량 항법 시스템의 GPS 수신기는 GPS 위성과 가시성을 확보하지 못하게 되므로 가시성이 보장된 차량 지붕에서 수신한 GPS 위성 신호 세기보다 15dB이상 낮은 GPS 위성 신호를 수신하게 되며, 이런 수신 환경을 약 신호 환경이라고 한다.

GPS 수신기는 GPS 위성 신호를 획득하기 위해 초기동기 과정을 수행한다. GPS 수신기의 초기동기는 추적루프의 인입영역(pull-in range) 범위 이내로 수신한 의사 잡음 코드의 지연과 수신 주파수를 알아맞히는 기능을 한다. GPS 수신기는 초기동기 과정을 거쳐 획득한 GPS 위성 신호만을 측위에 이용할 수 있다. 문제는 약 신호 환경에서 GPS 수신기의 종래 초기동기 방법이 GPS 위성 신호를 원활히 획득하지 못하는 성능 한계를 지니며, 이런 이유로 차량 항법 시스템은 불량한 위치 정보를 출력하게 된다는 점이다.

GPS 위성 신호 획득을 위한 종래 GPS 초기동기 방법은 도 1과 같다. 종래 방법은 N.F. Krasner의 연구 결과(미국특허 제6289041호)를 기반으로 만들어진 방법으로써 약 신호 환경에서 수신감도 강화를 위해 "동기 누적 기법(5)"과 "비동기 누적 기법(6)"을 함께 이용하고 있다. 수신감도 강화를 위해 동기 누적 기법과 비동기 누적 기법을 함께 이용하는 이유는 동기 누적 기법만을 단독으로 사용하는 경우에 긴 동기 누적이 주파수 검색 셀의 개수를 증가시키고, 비동기 누적 기법만을 단독으로 사용하는 경우에 약 신호의 비동기 누적이 제곱 손실(squaring loss; 신호 비검출 상태(잡음상태)에서 잡음 평균이 항상 양수이기 때문에 발생하는 손실)을 발생시키기 때문이다.

도 1은 종래의 GPS 초기동기 방법을 나타낸 플로우차트이고, 도 2는 종래의 GPS 초기동기 방법의 신호와 구성을 나타낸 블록선도이다. 도 1과 도 2에 보인 종래 GPS 초기동기의 기능별 블록의 역할과 신호는 다음과 같다.

(1)은 수신한 GPS 신호이다.

(2)는 무선주파수 기저대역 변환(RF Down-conversion)으로서 입력된 GPS 신호를 처리 가능한 주파수 대역으로 변환하는 기능을 한다. 출력 신호는

이 된다. 여기서

는 입력 신호 전력,

는 50bps 항법 데이터,

는 C/A 의사 잡음 코드,

는 C/A 의사 잡음 코드 지연,

,

는 도플러(doppler) 주파수,

는 GPS 수신 시스템의 클럭 오차로 발생하는 주파수 오차,

는 위상 지연,

는 C/A 의사 잡음 코드의 칩률(chip rate), 그리고

는 가산성 백색 가우시안 잡음(additive white Gaussian noise)이다.

(3)과 (4)는 각각 역확산 믹서(De-spreading Mixer)와 저역 통과 필터(Low-pass Filter)를 나타내는데, 이는 수신한 GPS 신호와 생성한 확산 신호의 상관 (correlation) 상태를 확인하는 기능을 한다. 즉, 수신한 GPS 신호와 초기동기 과정을 거쳐 생성한 확산 신호와 서로 얼마나 일치하는지 확인한다. 달리 설명하면 수신한 GPS 신호와 생성한 확산 신호가 서로 동기가 맞았는지 확인한다는 것이다. 출력 신호는

이 된다. 여기서

,

는 수신된 C/A 의사 잡음 코드와 생성한 C/A 의사 잡음 코드의 상관 함수,

는 chip 단위의 코드 위상 오차,

그리고

,

는

의 동위상과 직교 성분이다.

(5)는

인 동기누적(Coherent Integration)이다. 출력 신호는

이 된다.

(6)은

인 비동기누적(Non-coherent Integration)이다. 출력 신 호는 스칼라 형태의 초기동기 결과값이 된다.

(7)은 신호 검출 판단(Decision)으로, 신호 검출 유무를 미리 결정한 신호 검출 문턱값과 비교하여 판정하는 기능을 한다.

(8)은 복제 신호 생성 제어(Replica Signal Control)로, 신호 검출 즉 초기동기에 실패한 경우에 다시 확인할 자체 생성 확산 신호의 성질(의사 잡음 코드 위상, 주파수)을 결정하는 기능을 한다.

(9)는 확산 신호 생성(Spreading Signal Generation)으로, 신호 생성 제어부에서 전달받은 정보를 이용하여 확산 신호를 생성하여 역확산 믹서에 전달하는 기능을 한다.

이러한 종래의 GPS 초기 동기 방법은 동기 누적 기법과 비동기 누적 기법을 병행함에도 불구하고 제곱 손실이 여전히 존재할 뿐만 아니라, 발생한 제곱 손실이 초기동기 손실들 중에서 가장 큰 성분이라는 문제점과, 입력 신호 세기가 낮아질수록 제곱 손실 양이 커진다는 문제점이 있다. 즉, 이와 같은 종래의 GPS 초기 동기 방법은 첫째, 약 신호 환경에서 제곱손실이 발생하여, GPS 위성 획득이 어렵고, 둘째, 약 신호 환경에서 GPS 위성 획득 수가 감소하여 측위 정확도가 나빠지고, 셋째, 차량 내부에 GPS 수신기 탑재 위치 선정이 어렵다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 동기 누적 기법만을 이용하고 차동 제곱근 필터를 동기누적기 다음에 추가함으로써, 비동기 누적기 없이도 제곱손실을 제거해주어 수신감도를 높이고, 이로 인해 GPS 신호 약화 현상을 극복함으로써 많은 GPS 위성을 수신하여 GPS 수신기의 측위 정확도를 향상시키고 자동차 항법시스템의 GPS 안테나 탑재 위치에 탄력성을 제공하며, 약신호환경에서 빨리 GPS 위성을 획득하여 빠른 측위(위치 획득) 성능을 제공하는 차량 항법 시스템용 GPS 수신기의 초기동기 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 본 발명의 차량 항법 시스템용 GPS 수신기의 초기동기 방법은, 수신한 GPS 신호를 무선주파수 기저대역 변환하여 처리 가능한 주파수 대역으로 변환한 값을 송출하는 제1단계, 변환된 상기 GPS 신호와 제6단계에서 생성된 확산 신호의 상관 상태를 상관기에서 확인하여 출력신호를 송출하는 제2단계, 상기 상관기의 출력신호를 스칼라 형태화하여 초기동기 결과값으로 출력하는 제3단계, 상기 스칼라화된 초기동기 결과값을 소정의 신호 검출 문턱값과 비교하여 초기동기에 성공하였는지 판단하는 제4단계, 상기 제4단계에서 실패로 판명된 경우 상기 제2단계에서 필요한 확산 신호의 성질인 의사 잡음코드 위상과 주파수 정보를 결정하는 제5단계, 상기 제5단계에 의해 결정된 정보를 이용해 확산 신호를 생성하여 상관기에 전달하는 제6단계로 이루어지는 차량 항법 시스템용 GPS 수신기의 초기동기 방법으로서, 상기 제3단계는, 하기의 [수학식 A]와 같이, 상기 상관기의 출력신호를 제1 동기누적하고, 제1 동기누적값을 차동 검출하며, 이 차동 검출값의 실수부를 양수화하여 제곱근을 구하고, 상기 제곱근을 제2 동기누적함으로써 스칼라화된 초기동기 결과값을 출력하는 것을 특징으로 하는 차량 항법 시스템용 GPS 수신기의 초기동기 방법.
[수학식 A]

여기서, M_P는 제1 동기누적 횟수, N_P는 제2 동기누적 횟수, *는 켤레 복소,

:

의 실수부, sqr은 제곱근(Square Root)을 각각 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 차량 항법 시스템용 GPS 수신기의 초기동기 방법의 일실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 GPS 초기동기 방법을 나타낸 플로우차트이고, 도 4는 도 2의 동기 누적기(5-1), (5-2)와 함께, 그 사이에 위치한 차동 제곱근 필터를 나타낸 블록선도이다. 본 발명의 GPS 초기동기 방법은 도 3과 같다. 이 방법은 종래 방법과 달리 비동기 누적 기법을 사용하지 않고 동기 누적 기법만을 이용하며, 이를 위해 차동 검출기와 제곱근 연산자를 이용하여 고안한 차동 제곱근 필터(10)(Differential Square Root Filter)를 종래 방법의 "동기누적기(5-1)" 다음에 추가하였다. 도 3의 동기 누적기 (5-1)과 (5-2)는 동일한 구조이다. 차동 제곱근 필터는 도 4와 같으며, 차동 제곱근 필터 전후의 동기 누적기(5-1)과 (5-2)를 포함한 식은

이 된다. 여기서

: 제 1 동기 누적기(5-1)의 동기 누적 횟수,

: 제 2 동기 누적기(5-2)의 동기 누적 횟수,

*: 켤레 복소,

:

의 실수부,

그리고

이다.

이하는 본 발명에 따른 방법과 종래 방법의 성능 평가 결과로써 볼 발명에 따른 방법이 종래 방법보다 더 우수한 신호 획득 능력을 보유함을 확인시키며, 이는 본 발명의 방법의 적용을 통해 본 발명에 의한 효과를 얻을 수 있음을 확신시킨다.

도 5는 시뮬레이션을 위한 GPS 신호 수집 방법의 개략도, 도 6은 도 5의 시뮬레이션에 의한 종래의 GPS 초기동기의 출력 결과를 나타낸 그래프, 도 7은 도 5의 시뮬레이션에 의한 본 발명의 GPS 초기동기의 출력 결과를 나타낸 그래프, 그리고 도 8은 종래 및 본 발명의 GPS 초기동기 방법에 의할 때 GPS 입력 신호 세기에 따른 신호 획득 성공률을 비교하여 나타낸 그래프이다.

실제에 가까운 성능 평가를 위해 도 5에 보인 것과 같이 GPS 시뮬레이터를 이용하여 신호 세기를 달리한 이산 신호를 수집하고, 본 발명의 GPS 초기동기 방법과 종래 GPS 초기동기 방법을 소프트웨어로 구현한 뒤에 후처리 시뮬레이션(simulation)하였다. 도 6 및 도 7은 각각의 방법에 -152dBm의 GPS 신호를 입력한 상태에서 신호 검출 판단기 전에 출력되는 초기동기 결과값이다.

도 6에서는 신호 대 잡음비가 21.5 dB이고, 도 7에서는 신호 대 잡음비가 26.0 dB이다. 따라서, 도 6 및 도 7은 본 발명의 초기동기 방법이 더 높은 신호 대 잡음비 특성을 갖고 있음을 확인시켜준다. 또한 종래 초기동기 방법은 신호 비검출 상태(즉 잡음 상태)에서 평균이 항상 양수인 반면에 제안한 초기동기 방법은 양수 와 음수 모두 존재하는 영-평균(zero-mean) 특성을 지니고 있음을 알려준다. 이것은 본 발명에 의한 방법이 종래 방법과는 달리 제곱손실이 없는 방법임을 확인시켜준다. 다시 말해 제안한 방법은 종래 방법보다 제곱손실 만큼의 수신감도 이득이 발생하며, 입력 신호가 커질수록 증가하는 제곱손실의 특성을 고려할 때 본 발명에 의한 방법이 약 신호에 대한 종래 방법의 한계를 극복하는 방법임을 알려 주는 것이다. 도 8은 GPS 입력 신호 세기에 따른 각 방법의 신호 획득 성공률을 측정 결과로써 제안한 방법이 약 신호 환경에서 종래 방법보다 우수한 신호 획득 능력을 갖고 있음을 보여준다.

상기 실시예의 GPS 초기동기 방법은 차량 항법 시스템에 적용되는 것을 예로 들어 설명하였지만, 본 발명의 GPS 초기동기 방법은 텔레매틱스 단말기 및 GPS를 채용하는 모든 차량용 전장 시스템에 사용할 수 있다.

이상, 상술한 바와 같이, 본 발명의 차량 항법 시스템용 GPS 수신기의 초기동기 방법은, 차량 의장 내부에 장착됨으로써 발생하였던 GPS 신호 약화 현상을 극복하여 종래 방법보다 많은 GPS 위성을 수신할 수 있고, 종래 방법보다 많은 GPS 위성을 수신함으로써 GPS 수신기의 측위 정확도 향상을 기대할 수 있다. 또한 약 신호 환경을 극복할 수 있기 때문에, 설계 시 차량 항법 시스템용 GPS 수신기 탑재 위치를 보다 자유롭게 결정할 수 있다. 또한 약 신호 환경에서 종래 방법보다 빨리 GPS 위성을 획득하여 빠른 측위를 할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정하는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위 를 벗어나지 않는 한 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 당업자에게 자명하다고 할 수 있는 바, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것이다.

Claims

차량 항법 시스템, 텔레매틱스 단말기 및 GPS를 채용하는 차량용 전장 시스템의 GPS 초기동기 방법에 있어서,

수신한 GPS 신호를 무선주파수 기저대역 변환하여 처리 가능한 주파수 대역으로 변환한 값을 송출하는 제1단계;

변환된 상기 GPS 신호와 제6단계에서 생성된 확산 신호의 상관 상태를 상관기에서 확인하여 출력신호를 송출하는 제2단계;

상기 상관기의 출력신호를 스칼라 형태화하여 초기동기 결과값으로 출력하는 제3단계;

상기 스칼라화된 초기동기 결과값을 소정의 신호 검출 문턱값과 비교하여 초기동기에 성공하였는지 판단하는 제4단계;

상기 제4단계에서 실패로 판명된 경우 상기 제2단계에서 필요한 확산 신호의 성질인 의사 잡음코드 위상과 주파수 정보를 결정하는 제5단계;

상기 제5단계에 의해 결정된 정보를 이용해 확산 신호를 생성하여 상관기에 전달하는 제6단계로 이루어지며,

상기 제3단계는,

하기의 [수학식 A]와 같이, 상기 상관기의 출력신호를 제1 동기누적하고, 제1 동기누적값을 차동 검출하며, 이 차동 검출값의 실수부를 양수화하여 제곱근을 구하고, 상기 제곱근을 제2 동기누적함으로써 스칼라화된 초기동기 결과값을 출력하는 것을 특징으로 하는 차량 항법 시스템용 GPS 수신기의 초기동기 방법.

[수학식 A]

여기서, M_P는 제1 동기누적 횟수, N_P는 제2 동기누적 횟수, *는 켤레 복소,
:
의 실수부, sqr은 제곱근(Square Root)을 각각 의미한다.