KR101032735B1

KR101032735B1 - 소프트웨어형 ｇｐｓ 프로세서모듈을 통한 실시간 ｇｐｓ 신호추적용 ｇｐｓ 수신기

Info

Publication number: KR101032735B1
Application number: KR1020100125520A
Authority: KR
Inventors: 김동성
Original assignee: 김동성; 주식회사 지아이에스이십일
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2011-05-06

Abstract

본 발명은 기존의 GPS 수신기가 칩셋기반 하드웨어모듈로 구성되어 있고, RF프론트엔드 변경시 수신기를 재설계해야 하므로 시스템의 유연성이 떨어지고, 무었보다 중간주파수 신호 활용이 불가능하고, 이와 더불어 중간주파수신호 획득장치가 없어서 에러와 잡음이 많이 발생되는 문제점을 개선하고자, RF 프론트 엔드부(RF-Front-End), 상관기(Correlator), 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈로 구성됨으로서, RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)를 통해 입력된 중간주파수 신호를 실시간으로 신호처리할 수 있고, FFT-IFFT기반 신호획득모듈을 통해 고속이 신호획득성능을 제공할 수 있으며, 신호동특성과 추적 정확도를 개선시킬 수 있고, 데이터의 이동없이 모든 채널에서의 접근과 처리가 가능하며, GPS 수신기의 측위성능을 체크할 수 있어, 소프트웨어적인 유연성과 신호처리연산의 효율성을 향상시키는 소프트웨어형 프로세서를 통한 실시간 GPS 신호추적용 GPS 수신기를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

소프트웨어형 ＧＰＳ 프로세서모듈을 통한 실시간 ＧＰＳ 신호추적용 ＧＰＳ 수신기{THE GPS RECEIVER}

본 특허는 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈을 통한 실시간 GPS 신호추적용 GPS 수신기에 관한 것이다.

일반적으로, GPS 수신기는 GPS 항법시스템의 기본장비로서, 위성신호를 수신하고 처리하여 사용자의 위치해를 제공하는다.

현재 대부분의 상용 GPS 수신기는 각 세부적인 기능을 담당하는 ASIC 기반칩셋으로 구성되고, 주 발진기(main oscillator)의 클락(clock)으로 동작한다.

여기서, 각 칩의 제어과정과 항법 알고리즘은 프로세서에서 동작되도록 구성되며, 원활한 실시간 동작을 위해 실시간 운영체제(Real Time Operating System : RTOS)를 기반으로 구성된다.

하지만, 기존의 GPS 수신기는 칩셋기반 하드웨어모듈로 구성되고, RF프론트엔드 변경시 수신기를 재설계해야 하므로 시스템의 유연성이 떨어지고, 무었보다 중간주파수 신호 활용이 불가능하고, 이와 더불어 중간주파수신호 획득장치가 없어서 에러와 잡음이 많이 발생되는 문제점이 있었다.

국내등록특허공보 제10-0892150호(2009년04월08일 공고)

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)를 통해 입력된 중간주파수 신호를 실시간으로 신호처리할 수 있고, FFT-IFFT기반 신호획득모듈을 통해 고속이 신호획득성능을 제공할 수 있으며, 신호동특성과 추적 정확도를 개선시킬 수 있고, 데이터의 이동없이 모든 채널에서의 접근과 처리가 가능하며, GPS 수신기의 측위성능을 체크할 수 있어, 소프트웨어적인 유연성과 신호처리연산의 효율성을 향상시키는 소프트웨어형 프로세서를 통한 실시간 GPS 신호추적용 GPS 수신기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈을 통한 실시간 GPS 신호추적용 GPS 수신기는

GPS 안테나를 통해 수신된 1.5GHz의 RF 신호를 1~9MHz의 중간주파수신호로 하향변환시키는 RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)와,

중간주파수신호의 처리를 통해 항법데이터의 추출과 원시측정치를 생성시키는 상관기(Correlator)와,

상관기의 출력데이터를 이용하여 항법해 추정과 사용자 인터페이스(UI :USER Interface)를 담당하는 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈로 구성됨으로서 달성된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 중간주파수 신호를 실시간으로 신호처리할 수 있고, 고속으로 신호획득성능을 제공할 수 있으며, 신호동특성과 추적 정확도를 향상시키며, 무엇보다 소프트웨어적인 유연성과 신호처리연산의 효율성을 향상시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈을 통한 실시간 GPS 신호추적용 GPS 수신기의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)를 통한 3단계 하향변환구조를 도시한 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 신호동기모듈(340)의 구성요소를 도시한 블럭도.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른소프트웨어형 GPS 프로세서모듈을 통한 실시간 GPS 신호추적용 GPS 수신기의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것으로, 이는 RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)(100), 상관기(Correlator)(200), 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈(300)로 구성된다.

먼저, 본 발명에 따른 RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)(100)에 관해 설명한다.

상기 RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)(100)는 GPS 안테나를 통해 수신된 1.5GHz의 RF 신호를 1~9MHz의 중간주파수신호로 하향변환시키는 것으로, 이는 4MHz의 중심주파수(ceter frequency)와 2MHz의 신호대역폭(null-to-null bandwidth)을 가지는 Zarlink사의 GP2015로 구성된다.

본 발명에 따른 RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)는 3단계 하향변환과 2비트 A/D 변환기를 통해 1.405MHz의 디지털 중간 주파수신호를 최종 출력한다.

이때 출력신호는 A/D 변환기를 통해 부호와 절대치를 의미하는 SIGN과 MAG 신호로 분리되어 출력된다.

도 2는 본 발명에 따른 RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)를 통한 3단계 하향변환구조를 도시한 블럭도에 관한 것이다.

이는 1.575MHz RF 입력신호가 들어오면, 제1스테이지 믹서기(1.4GHz(los)범위내)(110)에서 1.750MHz로 출력시키고, 제1 대역통과여과기(BPF)(120)에서 제2스테이지 믹서기에 유효한 신호대역을 추출시킨다.

제2스테이지 믹서기(140GHz(los)범위내)(130)에서 35.42MHz로 출력시키고, 제2 대역통과여과기(BPF)(140)에서 AGC(Automatic Gain Controller)에 유효한 신호대역을 추출시킨다.

AGC(Automatic Gain Controller)(150)는 입력신호를 제3 스테이지 믹서기의 일정 범위내로 유지시키는 것으로서, 정확한 A/D가 이루어지도록 조정되고, 잡음입력을 일정수준으로 억제함으로서, 잡음수준의 측정이 가능하고, 신호처리의 임계치로 활용할 수가 있다.

제3 스테이지 믹서기(31.111MHz(los)범위내)(160)에서 4.309MHz로 출력시키고, 제3 대역통과여과기(BPF)(170)에서 A/D변환기에 유효한 신호대역을 추출시킨다.

A/D변환기(180)는 4.309MHz의 아날로그 신호를 5.714MHz의 표본주파수로 표본화한 MAG신호인 1.405MHz 디지털 중간주파수 신호가 된다.

다음으로, 본 발명에 따른 상관기(Correlator)(200)에 관해 설명한다.

상기 상관기(Correlator)(200)는 중간주파수신호의 처리를 통해 항법데이터의 추출과 원시측정치를 생성시키는 것으로, 이는 입력된 중간주파수 신호와 신호발생기로부터 출력된 국부 반송파신호를 신호곱 및 적산하여 I와 Q신호를 생성시킨다.

다음으로, 본 발명에 따른 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈(300)에 관해 설명한다.

상기 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈(300)는 상관기의 출력데이터를 이용하여 항법해 추정과 사용자 인터페이스(UI :USER Interface)를 담당하는 것으로, 이는 FFT-IFFT기반 신호획득모듈(310), 신호추적모듈(320), 중간주파수 신호제어모듈(330), 신호동기모듈(340), 의사거리 측정치 생성모듈(350), 항법필터 모듈(360), 신호처리 성능분석모듈(370)로 구성된다.

상기 FFT-IFFT기반 신호획득모듈(310)은 실시간으로 FFT-IFFT를 처리하기 위해 도플러주파수 검색공간을 적용하여 국부생성신호의 FFT를 미리 연산하는 중간주파수대역 순환상관함수(Circular correlation function)를 구하고, 이를 통해 중간주파수 신호에 대한 FFT와 IFFT의 1회 연산으로 신호획득을 완료하는 것으로, 이는 기저대역의 FFT-IFFT 신호획득부(311)와, 구현된 중간주파수대역의 FFT-IFFT신호획득부(312)로 구성된다.

상기 기저대역의 FFT-IFFT 신호획득부(311)는 국부발진기로부터 출력된 반송파신호를 중간주파수신호와 신호곱하여 기저대역으로 주파수천이 시킨 후, 코드에 대한 FFT 연산을 수행하는 역할을 한다.

상기 중간주파수대역의 FFT-IFFT신호획득부(312)는 반송파와 코드를 함께 처리해서 미리 FFT 연산된 국부생성신호를 이용함으로서, 연산효율을 증가시키는 역할을 한다.

상기 신호추적모듈(320)은 반송파 추적을 위한 FLL-PLL 결합 추적루프와 코드 추적을 위한 반송파 도움방식 DLL 추적루프를 통해 주파수 오차 및 위상오차를 추정하고 제어하는 역할을 한다.

신호추적시 항체의 기동특성이 요구되는 경우에는 선적분시간을 1ms으로 하고, 광대역의 잡음대역폭을 가진 FLL구조로 구성되고, 수신기 잡음특성과 약신호에 대한 추적성능의 개선이 요구되는 경우에는 선적분시간을 10ms으로 하고, 협대역의 잡음대역폭을 가진 PLL구조로 구성된다.

이에 본 발명에서는 반송파 추적을 위한 FLL-PLL 결합 추적루프와 코드 추적을 위한 반송파 도움방식 DLL 추적루프를 하이브리드 방식으로 혼합해서 구성한다.

그리고, 본 발명에서는 완전한 주파수 오차의 제거를 위하여 FLL은 2차 루프필터로, PLL은 3차 루프필터로 구성된다.

상기 중간주파수 신호제어모듈(330)은 FFT-IFFT기반 신호획득모듈로부터 입력된 중간주파수신호를 1ms 단위의 연속된 데이터블록으로 생성하고 제어하는 역할을 한다.

여기서, 1ms 데이터블럭은 표분주파수에 의해 크기가 결정되며, 수신기 시각정보로 사용된다.

1ms 데이터블럭은 각 위성의 코드주기와 비동기된 데이터 단위이므로, 각 위성의 코드주기와 일치된 적산기 누적시간(Integration and Dump Time)을 재정의하고, 이를 통해 신호처리가 수행되어야 한다.

적산기 누적시간은 연속된 1ms 데이터블록에 걸쳐 존재하며, 앞선 1ms 데이터 블록과의 차이를 오프셋으로 정의할 때, 최대 1ms의 오프셋을 보이게 된다.

이러한 적산기 누적시간을 고려하지 않은, 즉 중간주파수신호의 1ms 단위 데이터블록을 그대로 이용한다면, 코드 변별기로부터 정확한 코드위상오차의 검출이 어려움에 따라 신호추적성능의 열화가 불가피하며, 정확한 항법데이터의 비트반전의 검출에도 문제점을 지니게 된다.

이에, 본 발명에서는 중간주파수 신호제어모듈을 통해 정확한 I-Q신호의 적산치 산출 및 신호처리를 위하여 2ms 데이터블록으로부터 오프셋을 고려한 1ms 데이터블록을 재생성시킨다.

상기 신호동기모듈(340)은 GPS 위성신호와 데이터 동기화시키는 것으로, 이는 비트동기부(341)와 프레임동기부(342)로 구성된다.

상기 비트동기부(341)는 GPS 위성신호와의 비트데이터 동기화시키는 것으로, 신호추적의완료여부를 나타내는 캐리어 록 인디케이터(Carrier Lock Indicator : CLI)와 1ms 계수기(counter)를 이용하여 동기여부를 판단한다.

즉, CLI가 임계치 이상을 유지하는 시점부터 1ms 계수기가 동작하며, 1ms 계수기가 20ms를 나타낼때, 비트반전 발생여부를 체크한다.

상기 프레임동기부(342)는 GPS 위성신호의 서브프레임 데이터를 동기화시키는 것으로, 이는 TLM(Transparent Layer Mechanism) 워드 내부의 선처리검사부와, 하우(HOW)워드 내부의 서브프레임 번호(1-5번)검사부와, 하우(HOW) 워드 내부의 제로비트 검사(29,30)부와, 패러티(Parity)검사부로 구성된다.

즉, 비트동기후, 20ms 계수기가 60이상일 때부터 프레임동기 조건검사를 수행하며, 조건검사를 통과한 경우, 해당되는 60비트 데이터는 TLM과 HOW 워드를 나타나게 된다.

이때, TLM(Transparent Layer Mechanism) 워드 내부의 선처리검사부와, 하우(HOW)워드 내부의 서브프레임 번호(1-5번)검사부와, 하우(HOW) 워드 내부의 제로비트 검사(29,30)부와, 패러티(Parity)검사부를 통해 GPS 위성신호의 서브프레임 데이터를 동기화시킨다.

상기 의사거리 측정치 생성모듈(350)은 신호동기모듈로부터 추출된 GPS 위성시각을 통해 GPS 수신기의 신호 수신시각(Received time)과 위성의 신호 발신시각(transmitted time)을 추정하고, 추정한 수신기의 신호 수신시각에서 GPS 위성의 신호 발신시각을 차감한 전달지연시간에다가 광속을 곱해서 의사거리 측정치를 생성시키는 역할을 한다.

즉, 동작초기에는 위성의 발신시각에 평균적 전달지연시간인 0.076ms를 합산하여 GPS 수신기의 신호 수신시각을 설정한 후, 수신기 내부클락(internal clock)에 해당하는 중간주파수신호의 1ms 데이터블록 계수값을 합산하여 수신시각으로 사용한다.

이때, 부정확한 초기의 수신시각은 항법필터의 시계오차 추정치를 이용하여 보정함으로서, 시간천이에 따라 정확한 수신시간으로 수렴하게 된다.

본 발명에서는 의사거리 측정치 생성모듈을 통해 신호 수신시각이 GPS 시스템 시각과 ±0.5초 이내로 동기된 것으로 가정하여 전달지연시간을 보정한다.

상기 항법필터 모듈(360)은 의사거리 측정치 생성모듈을 통해 산출된 의사거리 측정치를 활용하여 최적의 항법해를 제공하는 역할을 하는 것으로, 이는 위성으로부터 제공된 항법데이터를 활용하고, 위성시계오차와, 전리층 및 대류층 지연오차, 그리고 지구자전에 의한 회전오차의 측정치 보정, 의사거리 보정을 수행한다.

상기 신호처리 성능분석모듈(370)은 GPS 수신기의 신호처리 성능확인을 위하여 후처리방식을 통한 성능평가를 수행하는 역할을 한다.

이는 성능평가 시뮬레이션 어플리케이션을 통해 신호처리 성능의 확인을 위해서 각 채널당 대량의 처리데이터를 저장해야됨에 따라 실시간 상태에서의 성능확인 어려운 점에 기인하여, 후처리 방식의 성능평가를 위하여 10분정도의 중간주파수신호 데이터를 저장하여 처리하고, 저장완료 후, 연속실험을 통해 실시간 동작성능을 확인한다.

그리고, 각 위성으로부터 획득된 도플러주파수와 코드 지연에 대한 2차원 검색공간으로부터 최대상관치를 검출함으로서, 신호획득이 성공적으로 이루어졌음을 평가한다.

이하, 본 발명에 따른 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈을 통한 실시간 GPS 신호추적용 GPS 수신기의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.

먼저, RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)에서 GPS 안테나를 통해 수신된 1.5GHz의 RF 신호를 1~9MHz의 중간주파수신호로 하향변환시킨다.

다음으로, 상관기(Correlator)에서 중간주파수신호의 처리를 통해 항법데이터의 추출과 원시측정치를 생성시킨다.

다음으로, 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈에서 상관기의 출력데이터를 이용하여 항법해 추정과 사용자 인터페이스(UI :USER Interface)를 출력시킨다.

이하, 본 발명에 따른 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.

먼저, FFT-IFFT기반 신호획득모듈을 통해 중간주파수 신호에 대한 FFT와 IFFT의 1회 연산으로 신호획득한다.

이어서, 신호추적모듈을 통해 주파수 오차 및 위상오차를 추정하고 제어한다.

이어서, 중간주파수 신호제어모듈을 통해 FFT-IFFT기반 신호획득모듈로부터 입력된 중간주파수신호를 1ms 단위의 연속된 데이터블록으로 생성하고 제어한다.

이어서, 신호동기모듈을 통해 GPS 위성신호와 데이터 동기화시킨다.

이어서, 의사거리 측정치 생성모듈에서 신호동기모듈로부터 추출된 GPS 위성시각을 통해 GPS 수신기의 신호 수신시각(Received time)과 위성의 신호 발신시각(transmitted time)을 추정하고, 추정한 수신기의 신호 수신시각에서 GPS 위성의 신호 발신시각을 차감한 전달지연시간에다가 광속을 곱해서 의사거리 측정치를 생성시킨다.

이어서, 항법필터 모듈에서 의사거리 측정치 생성모듈을 통해 산출된 의사거리 측정치를 활용하여 최적의 항법해를 제공한다.

이어서, 신호처리 성능분석모듈에서 GPS 수신기의 신호처리 성능확인을 위하여 후처리방식을 통한 성능평가를 수행시킨다.

100 : RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)
200 : 상관기(Correlator)
300 : 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈

Claims

GPS 안테나를 통해 수신된 1.5GHz의 RF 신호를 1~9MHz의 중간주파수신호로 하향변환시키는 RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)(100)와,
중간주파수신호의 처리를 통해 항법데이터의 추출과 원시측정치를 생성시키는 상관기(Correlator)(200)와,
상관기의 출력데이터를 이용하여 항법해 추정과 사용자 인터페이스(UI :USER Interface)를 담당하는 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈(300)로 구성되어 하나의 모듈로서 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈을 통한 실시간 GPS 신호추적용 GPS 수신기.
제1항에 있어서, RF 프론트 엔드부(RF-Front-End)(100)는
1.575MHz RF 입력신호가 들어오면, 제1스테이지 믹서기(1.4GHz(los)범위내)(110)에서 1.750MHz로 출력시키고, 제1 대역통과여과기(BPF)(120)에서 제2스테이지 믹서기에 유효한 신호대역을 추출시키며, 제2스테이지 믹서기(140GHz(los)범위내)(130)에서 35.42MHz로 출력시키고, 제2 대역통과여과기(BPF)(140)에서 AGC(Automatic Gain Controller)에 유효한 신호대역을 추출시키며, AGC(Automatic Gain Controller)(150)에서 입력신호를 제3 스테이지 믹서기의 31.111MHz(los)범위내로 유지시키고, 제3 스테이지 믹서기(31.111MHz(los)범위내)(160)에서 4.309MHz로 출력시키고, 제3 대역통과여과기(BPF)(170)에서 A/D변환기에 유효한 신호대역을 추출시키며, A/D변환기(180)에서 4.309MHz의 아날로그 신호를 5.714MHz의 표본주파수로 표본화한 MAG신호인 1.405MHz 디지털 중간주파수 신호로 변환시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈을 통한 실시간 GPS 신호추적용 GPS 수신기.
제1항에 있어서, 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈(300)는
실시간으로 FFT-IFFT를 처리하기 위해 도플러주파수 검색공간을 적용하여 국부생성신호의 FFT를 미리 연산하는 중간주파수대역 순환상관함수(Circular correlation function)를 구하고, 이를 통해 중간주파수 신호에 대한 FFT와 IFFT의 1회 연산으로 신호획득을 완료하는 FFT-IFFT기반 신호획득모듈(310)과,
반송파 추적을 위한 FLL-PLL 결합 추적루프와 코드 추적을 위한 반송파 도움방식 DLL 추적루프를 통해 주파수 오차 및 위상오차를 추정하고 제어하는 신호추적모듈(320)과,
FFT-IFFT기반 신호획득모듈로부터 입력된 중간주파수신호를 1ms 단위의 연속된 데이터블록으로 생성하고 제어하는 중간주파수 신호제어모듈(330)과,
GPS 위성신호와 데이터 동기화시키는 신호동기모듈(340)과,
신호동기모듈로부터 추출된 GPS 위성시각을 통해 GPS 수신기의 신호 수신시각(Received time)과 위성의 신호 발신시각(transmitted time)을 추정하고, 추정한 수신기의 신호 수신시각에서 GPS 위성의 신호 발신시각을 차감한 전달지연시간에다가 광속을 곱해서 의사거리 측정치를 생성시키는 의사거리 측정치 생성모듈(350)과,
의사거리 측정치 생성모듈을 통해 산출된 의사거리 측정치를 활용하여 최적의 항법해를 제공하는 항법필터 모듈(360)과,
GPS 수신기의 신호처리 성능확인을 위하여 후처리방식을 통한 성능평가를 수행하는 신호처리 성능분석모듈(370)로 구성되는 것을 특징으로 하는 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈을 통한 실시간 GPS 신호추적용 GPS 수신기.
제3항에 있어서, 신호동기모듈(340)은
GPS 위성신호와의 비트데이터 동기화시키는 비트동기부(341)와,
GPS 위성신호의 서브프레임 데이터를 동기화시키는 프레임동기부(342)로 구성되는 것을 특징으로 하는 소프트웨어형 GPS 프로세서모듈을 통한 실시간 GPS 신호추적용 GPS 수신기.