KR101290632B1 - 선박용 위성 방송 수신안테나 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저렴한 가격으로 요동 내지 진동이 심한 소형 선박에서 무궁화 위성신호를 안정되게 추적 수신할 수 있도록 한 선박용 위성 방송 수신 안테나 제어 장치에 관한 것으로, 위성으로부터 송출되는 신호를 파라볼라 안테나로 포착하고 위성튜너를 통해 영상과 오디오로 수신하는 위성 수신부에 연동되는 위성안테나에 있어서, 선박의 동요를 감지하여 신호로 출력하는 각속도 센서부; 상기 위성 수신부로부터 수신되는 위성신호를 이용하여 전파빔 영역내의 수신 레벨을 측정 및 상기 각속도 센서부로부터의 선박 동요에 대한 각속도 데이터를 취득하여 분석함으로써 초기의 탐색거리를 줄이는 위성탐색 모드와, 선택적 스텝트랙 및 동 요보정으로 위성 추적 상태를 유지하는 위성추적유지 모드와, 스텝트랙 윈도우를 피라미달 형태로 가변하는 위성 재탐색 모드로서 제어데이터를 출력하는 데이터처리부; 그리고 상기 데이터처리부의 출력을 받아 Az/El마운트를 제어토록 출력하는 제어부를 연동 결합하여서 구성된 것이다.

Description

선박용 위성 방송 수신안테나 제어장치 {Controller of satellite tracking DBS antenna}

본 발명은 중소형 선박용 위성방송수신안테나에 관한 기술로서 특히 저렴한 가격으로 요동 내지 진동이 심한 소형 선박에서 무궁화 위성신호를 안정되게 추적 수신할 수 있도록 한 선박용 위성 방송 수신 안테나 제어 장치에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 선박에서의 직접위성방송 수신을 설명하는 설명도이고, 도 2는 종래의 동요 보정 제어계를 구성하는 파라메터 구성 블럭도이다.

일반적으로, 무궁화 위성은 우리나라의 위성통신과 위성방송 사업을 담당하기 위한 통신위성이므로 다양한 첨단통신 서비스가 가능함은 물론 도서지역의 통신과 TV의 난시청 지역을 최소화 한다.

무궁화 위성은 직접위성방송(DBS)를 채택하고 있으므로 해상의 선박에서 안테나 추적기능만 있으면 직접 수신이 가능하다. 이와 같은 선박의 안테나 추적은 해양에서 선박의 요동에 불구하고 Az/El마운트를 제어하여 위성안테나의 초점을 항상 위성에 지향시키는 추미 기능을 기본으로 한다.

Az라 함은 수평면을 말하고 El이라 함은 수직면을 말한다. 마운트는 파라볼라 안테나를 지지하는 베이스 기구를 말하며 마운트의 제어에 따라 상하좌우 및 정역의 방향으로 초점이 움직인다.

위성 추적안테나에서 선박의 요동에 대응하여 전파를 추적하는 기술은 종래에도 있었다. 일예로 각속도 센서를 이용한 종래 제어계의 구성은, 도 2에 도시한 바와 같이, 선박에 설치된 안테나가 선박의 동요에서의 롤링(Rolling), 피칭(Pitching) 및 요잉(Yawing) 성분으로 나타남에 따라, 그 각도와 속도의 변화에 대응되는 반작용으로서 변환된 펄스를 출력하고 이를 이용하여 모터를 구동하며 적정한 토크를 갖도록 하는 기어비를 거쳐서 마운트를 제어해 왔다. 본 발명에서도 이를 동요보정이라고 정의하여 응용한다.

Az/El마운트의 동요보정을 기계적으로 실행하는 구조는 선박의 유니트가 수평 안정대(Stable Platform) 상에서 항상 수평을 유지함으로써 선박의 동요에 불구하고 안테나가 항상 위성을 추적할 수 있도록 자세를 유지시키는 것이 종래의 개념이었다. 이를 위한 제어기술로는 크게 서보(Servo)방식과 플라이-휠(Fly -Wheel)방식이 있으며, 선박의 피칭축과 롤링축에 평행으로 배치한 평판 상에 동요보정 센서를 설치하여 선체의 움직임을 검출하고 선체가 움직이더라도 항상 수평인 평면을 만들어 주는 것을 그 요지로 한다.

그 중에서 서보방식은 동요센서를 부착하고 그로부터 검출된 ±미소전압의 동요각도 및 각속도를 기초로서 안테나 마운트를 동요의 역방향으로 구동하는 전자제어 방식이며, 그것을 위해 센서의 출력이 항상 바이어스 전압을 유지하도록 제어하는 기술을 포함한다.

다른 하나의 플라이-휠 방식은 마운트에 부착된 플라이-휠을 고속으로 회전시킴으로써 회전체가 고정된 자세를 유지토록 하는 관성제어 방식이다. 종래 INMARSAT의 선박지구국에서는 위와 같은 서보방식에 플라이-휠 방식을 추가하는 혼합적 동요보정 방식을 많이 사용하고 있다.

도 3은 종래의 Az/El 마운트의 구조를 설명하기 위한 설명도이고, 도 4는 종래의 선박 동요보정을 위한 각속도센서의 장착 위치와 원리를 설명하는 설명도이다.

상기 Az/El마운트 방식은, 도 3에 도시한 바와 같이, 수직축에 고정되어 회전하는 Az축과 여기에 수평으로 지지되어 회전하는 El축으로 구성된 것으로서, 우리나라처럼 중/저 앙각의 경우에는 원활하게 위성을 추적하는 동작이 가능하다(도 3의 2, 3 참조). 다만, 고앙각의 위성을 추적하는 경우 Az축의 회전속도와 구동각이 커지게 될 때 케이블이 꼬이는 문제가 있어 리미트 스위치를 이용하여 회전 각도를 제한할 필요가 있다.

또한, 도 4는 선박의 동요성분을 감지하기 위하여 각속도센서의 장착 위치와 각 동요성분을 판단하고 검출하는데 기준이 되는 각속도센서의 회전축을 도시한 것이다.

도 4에서 기본적으로 Az/El 마운트는 위성전파를 수신하기 위한 파라볼라 안테나(4)와 결합되며, 각속도 센서는 동요성분의 정확한 검출을 위해 피칭(Pitching), 롤링(Rolling), 요잉(Yawing) 축에 근거하여 장착된다. 즉 파라볼라 안테나 뒷면의 센서보드(5)에는 X축과 Y축을 기준으로 총 2개의 각속도센서가 설치되는바, X축 센서(6)는 롤링과 요잉 성분을 검출하고, Y축 센서(7)는 피칭 성분을 검출한다. 이와 같이 X축과 Y축에 설치된 각속도센서는 센서 자체의 축을 기준으로 회로적인 바이어스전압을 유지하다가, 동요가 발생하면 동요성분, 회전방향 그리고 각속도를 전압으로 출력하고 A/D변환된 후의 펄스로서 Az/El 마운트를 구동시킨다.

한편, 선박에 탑재되는 DBS 수신안테나의 전파빔 추적방식은 코니칼 스케닝(Conical Scanning) 방식과 스텝 트래킹(Step Tracking) 방식으로 분류된다.

그 중에서 코니칼 스케닝은 안테나의 빔을 미소각의 원추 형태로 회전시켜서 자기 추미를 행한다. 이 방식은 위성의 방향이 회전축의 중심에 있을 때에는 수신전력이 일정하지만 그렇지 않을 경우에는 수신전력의 세기가 빔의 방향에 따라 진폭변조로서 나타난다는 점을 역이용한다. 즉 이때 변조출력 주파수는 빔의 회전수와 같으므로 변조 신호의 진폭과 위상으로부터 방향오차를 검출하여 빔이 위성을 정확하게 향하도록 제어하는 것이다. 구조적으로는 비교적 간단하지만 별도의 장치와 오차를 검출하는 소프트웨어가 필요한 단점이 있다.

다른 하나인 스텝 트래킹은 일정한 시간간격으로 안테나를 미소 각도씩 스텝형태로 이동시키면서 수신레벨의 변화를 비교하여 수신레벨이 증가되는 방향으로 이동해 가는 방식이다. 스텝 이동 중 수신레벨이 감소하게 되면 다시 역방향으로 이동하여 최대의 수신방향을 지향하도록 안테나를 위성에 추미시킨다.

스텝 이동은 Az/El마운트의 스텝구동에 의하여 동시에 트래킹을 수행하므로 기계적인 구동 요소가 최소화되어 추적안테나 시스템 설계가 한층 수월해 지는 장점이 있다.

도 5는 위와 같은 원리가 적용되는 종래 위성안테나의 초기 위성탐색, 위성추적유지, 위성재탐색의 3가지 총괄 모드의 개념을 나타낸 것이다.

그런데, 종래 위성방송수신안테나는 전원이 인가된 후 위성포착을 위한 초기 위성탐색(8)에서 긴 탐색거리를 필요로 한다. 예를 들면 목표 고각 45°에 이르는 데에 처음에는 5° 상향하여 360° 회전하고 다음으로 10° 상향하여 다시 360° 회전하는 등으로 수행하여, 45°에 이르기까지의 전 수직 각도와 전 방향을 탐색해 왔다. 따라서 이 방식에서는 그 검색을 시작하여 위성신호를 포착하기까지의 여정인 긴 탐색거리가 필요하고 그 기간 내에서는 수신불능 상태를 갖는 것이 문제로 지적되어 왔다.

무엇보다 해양환경에서 파도의 요동에 대한 영향에 대처할 수 없다는 단점이 있다. 즉 위성탐색 도중에 파도에 의한 요동으로 위성의 초점 방향을 급히 지나쳐 버릴 수 있는 것이다.

위성 포착 후 위성안테나의 전파빔 영역내에 파라볼라 안테나의 초점을 유지(9)하기 위한 동요보정 및 스텝트랙을 수행함에 있어서도 경우에 따라서는 동요보정과 스텝트랙이 서로 엉키어 전파빔 영역내의 최대지점을 추적하는 기능이 저하되는 일도 있으며, 반복된 동요보정으로 인해 Az/El 마운트의 마모현상을 앞당기는 문제점도 있었다.

또한 위성을 놓쳤을 경우 재탐색(10)을 수행하는 때에도 처음부터 위성탐색(8)이 수행되어 다시금 긴 탐색거리를 거쳐야 하는 문제가 있었다. 즉 해양환경에서는 구조적인 장애물과 급격한 동요가 있을 때는 파라볼라 안테나의 초점이 전파빔 영역을 이탈하게 되는데, 그때 재차 위성을 포착하기 위하여 초기 탐색 모드로 진입하면 위성을 놓쳤던 방향과 무관하게 처음부터의 긴 탐색거리로 재탐색을 해야 하므로 전파 추적에 대한 지연을 초래하는 단점이 있었다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하여 무궁화 위성 수신영역을 항해하는 중소형 선박의 DBS 수신 환경을 개선시키기 위한 것으로, 해상의 동요에 부합하여 중소형 선박용 위성전파 추적 수신용 안테나 를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 신속한 초기 위성탐색과 위성 재탐색 기능을 갖는 중소형 선박용 위성전파 추적 수신용 안테나를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 위성전파를 추적한 상태를 안정적으로 유지하는 제어 기능을 갖는 중소형 선박용 위성전파 추적 수신용 안테나를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박용 위성 방송 수신안테나 제어장치는, 위성으로부터 송출되는 신호를 파라볼라 안테나로 포착하고 위성튜너를 통해 영상과 오디오로 수신하는 위성 수신부에 연동되는 위성안테나에 있어서, 선박의 동요를 감지하여 신호로 출력하는 각속도 센서부; 상기 위성 수신부로부터 수신되는 위성신호를 이용하여 전파빔 영역내의 수신 레벨을 측정 및 상기 각속도 센서부로부터의 선박 동요에 대한 각속도 데이터를 취득하여 분석함으로써 초기의 탐색거리를 줄이는 위성탐색 모드와, 선택적 스텝트랙 및 동 요보정으로 위성 추적 상태를 유지하는 위성추적유지 모드와, 스텝트랙 윈도우를 피라미달 형태로 가변하는 위성 재탐색 모드로서 제어데이터를 출력하는 데이터처리부; 그리고 상기 데이터처리부의 출력을 받아 Az/El마운트를 제어토록 출력하는 제어부를 연동 결합하여서 구성됨에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 초기의 탐색거리를 줄이는 위 성탐색 모드는, 설정되는 적어도 2가지 이상의 조 건모드를 선택적으로 적용하는 다중모드 설정단계에 의해 구동됨에 특징이 있다.

상기 위성 추적 유지 모드는, 천정에 대하여 윈도우 형상을 그리는 스텝트랙 모드와 미소전압 검출로서 천정에 대한 안테나의 자세를 보정하는 동요 보정 모드를 선택적으로 적용함에 특징이 있다.

상기 위성 재탐색 모드는, 재탐색 직전의 윈도우 궤적을 저장하여 재탐색 기준점을 정함과 아울러 벡터 합성에 의한 윈도우 찌그러짐을 통해 피라미달 형태로 스텝트랙을 가변함에 특징이 있다.

상기 위성 재탐색 모드는, 상기 피라미달 형태로 스텝트랙을 가변하는 작동이 설정된 횟수를 초과할 때 위성탐색 모드로 순환 연계됨에 특징이 있다.

상기 각속도 센서부로부터의 선박 동요에 대한 각속도 데이터를 취득할 때는 선박의 진동 잡음을 억제하는 필터링 기술을 경유하여 취득함에 특징이 있다.

본 발명에 따른 중소형 선박용 위성전파 추적 수신용 안테나에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 선박의 요동과 Az/El마운트 제어를 연동하므로 위성 탐색에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.

둘째, 위성탐색에서 선박의 요동시, 실질적으로 불필요한 과도한 틸팅을 축소, 즉 탐색거리를 단축함으로써 각 전자장비의 수명을 연장하고 소형 경량화 할 수 있으며, 탐색시간을 감소시킬 수 있다.

셋째, 위성 재탐색 때에 종전에 기억하였던 범위를 먼저 검색 및 벡터 합성에 의해 윈도우 크기를 가변하여 재탐색을 함으로써 신속한 재탐색이 이루어지도록 할 수 있다.

넷째, 소형 선박의 기관 운전시의 진동의 영향으로 일어나는 센서 잡음을 해소하여 안테나의 자세를 안정시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 선박에서의 직접위성방송 수신을 설명하는 설명도
도 2는 종래의 동요보정 제어계를 구성하는 파라메터 구성도
도 3은 종래의 Az/El 마운트의 구조를 설명하는 설명도
도 4는 종래의 선박 동요보정을 위한 각속도센서의 장착 위치와 원리를 설명하는 설명도
도 5는 종래의 위성 전파 신호추적 안테나의 작용에 관한 흐름도
도 6은 본 발명에 따른 DBS 수신을 위한 안테나 제어 장치의 블럭 구성도
도 7은 도 6의 상세 블록 구성도
도 8은 본 발명에 따른 초기 위성 탐색의 원리를 나타낸 흐름도
도 9는 본 발명에 따른 초기 위성 탐색에서 파도에 대한 반작용으로 탐색거리를 줄이는 원리를 나타낸 궤적도
도 10은 본 발명에 따른 위성 추적 유지를 포함한 총괄 흐름도
도 11은 본 발명에 따른 스텝트랙 구동원리를 설명하는 설명도
도 12는 본 발명에 따른 단일 방향 회전의 스텝트랙 과정을 설명하는 설명도
도 13은 본 발명에 따른 4사분면 벡터방향 스텝트랙 과정을 설명하는 설명도
도 14는 본 발명에 따른 주프로그램에 대한 흐름도
도 15는 본 발명에 따른 위성 재탐색에 대한 Az/El 마운트 구동형태인 피라미달 형태를 설명하는 설명도
도 16은 본 발명에 따른 위성 재탐색을 설명하는 흐름도
도 17은 본 발명에 따른 각속도센서의 축과 회전의 관계를 설명하는 좌표계
도 18은 본 발명에 따른 선박 동요 보정 제어계의 구성도
도 19는 본 발명에 따른 정상속도 편차에 대한 설명도

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 선박용 위성 방송 수신안테나 제어장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명에 따른 DBS 수신을 위한 안테나 제어 장치의 블럭 구성도이고, 도 7은 도 6의 상세 블록 구성도이다.

본 발명에 따른 DBS 수신을 위한 안테나 제어 장치는, 도 6에 도시한 바와 같이, 통신위성으로부터 송출되는 신호를 파라볼라 안테나로 포착하고 위성튜너를 통해 영상과 오디오를 수신하는 위성 수신부(15)에 연동되는 위성안테나에 있어서, 선박의 동요를 감지하여 신호로 출력하는 각속도 센서부(16); 상기 위성 수신부(15)로부터 수신되는 위성신호를 이용하여 전파빔 영역내의 수신레벨을 측정 및 상기 각속도 센서부(16)로부터의 선박 동요에 대한 각속도 데이터를 분석한 결과를 혼합함으로써 초기의 탐색거리를 줄이는 위성탐색 모드와, 선택적 스텝트랙 내지 동요 보정으로 위성 추적 상태를 유지하는 위성 추적 유지 모드와, 스텝트랙 윈도우를 피라미달 형태로 가변하는 위성 재탐색 모드로서 제어 데이터를 출력하는 데이터처리부(17); 상기 데이터 처리부(17)의 출력을 받아 Az/El마운트를 제어토록 출력하는 제어부(18);로서 탐색거리를 최소화 하는 선박용 위성안테나 제어장치를 구성하는 것을 특징으로 한다.

즉, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 각속도 센서부(16)는 Az/El 마운트 상의 파라볼라 안테나 후면에 장착된 X/Y축 각속도센서(11)가 이를 담당하여 각 동요 성분에 대응하는 전압을 출력하고 10bit A/D 변환부에서 디지털 데이터를 생성한다.

상기 위성 수신부(15)는 파라볼라 안테나에 수신된 위성 전파가 LNB(Low Noise Block down converter)에 의해, 예를 들면, 1GHz 대로 변환되고 AGC 출력용 튜너에 연결하여 위성전파 추적에 사용할 수신레벨을 취득함으로써 셋탑 박스를 경유하여 TV에 연결하는 한편 이를 12bit A/D 컨버터로 정밀 변환한 후 임베디드 시스템에 적용시키는 위성수신부 모듈(12)이 이를 담당한다.

상기 데이터 처리부(17)는 임베디드 모듈(14)이 CPU의 기능으로서 이를 수행한다.

여기서 CPU는 탐색거리를 줄이는 초기 위성탐색 모드와, 선택적 스텝트랙 내지 동요보정으로 위성추적 상태를 유지하는 위성추적유지 모드와, 스텝트랙 윈도우를 피라미달 형태로 확장 내지 축소하는 위성 재탐색 모드의 세 가지 모드를 수행하여 데이터를 출력하게 되는데 이는 본 발명의 특징적 구성에 상당하므로 별도로 각각 상세히 설명하기로 한다.

제어부(18)는 Az/El 마운트를 구동하기 위한 2개의 스텝모터와 드라이버 그리고 스텝트랙 펄스신호와 동요보정 펄스신호를 제어하는 3상 버퍼(13)가 이를 수행한다. 따라서 이와 같은 구성요소가 각종 제어 프로세서로서 결합하여 연동되는 기술적 구성 및 작용이 본 발명의 요지라고 이해하면 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 선박용 위성 방송 수신안테나 제어장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 8은 본 발명에 따른 위성탐색 모드에 대한 동작 순서도이고, 도 9는 본 발명에 따른 초기 위성 탐색에서 파도에 대한 반작용으로 탐색거리를 줄이는 원리를 나타낸 궤적도이다.

선박의 요동함수와 연계하여 탐색거리를 줄이는 목표로 초기화 단계(25, 26)와, 다중모드 설정단계(27, 28, 29, 30, 31)와 위성 포착단계(32, 33, 34, 35, 36)를 수행한다.

각각의 프로세스에서, 상기 초기화 단계(25, 26)는 전원을 인가하면 포트 및 레지스터를 초기화 하는 것으로, 이 단계는 통상적인 전자회로가 다 그러하듯이 각종 파라메터를 준비단계로 초기화하여 시스템 프로그램이 엉키지 않는 것을 주목적으로 한다. 여기에는 워치독 리세트 등의 구성으로서 사용 중 불의의 동작에 대처하는 수단도 포함될 수 있다.

상기 다중모드 설정단계는 임베디드에서 위성 탐색 명령이 호출되면 선박 동요의 방향과 변화량을 얻기 위해 각속도 센서의 데이터를 취득(28)하고 이 후 다중 조건 모드를 판별하는 제어문(29)을 거쳐 모드를 결정한다. 예를 들면 선택된 2가지의 조건 모드(30, 31)를 입력받음과 동시에 Az/El 마운트가 그에 대응하여 구동을 시작하게끔 작동하는 것이다. 2가지의 조건모드(30, 31)에 대하여는 이하에서 도 9와 연계하여 보충 설명하기로 한다.

상기 위성 전파 포착단계는 파라볼라 안테나의 초점이 위성 전파빔 영역내를 선회하는지를 판단하기 위해 구동 중에 위성 튜너의 AGC 전압을 취득(32)하면서 전파빔 영역내의 기준전압 값 K와 비교하여(35) 위성 포착 여부를 결정하고, 파라볼라 안테나의 Az축이 리미트 스위치의 접촉 여부를 판단하여 접촉할 경우 좌우 방향과 속도를 가변시켜, 이하 도 9의 원리를 충족시키는 작동을 수행한다(33, 34). 이후 위성을 포착하고 다음의 위성추적유지 모드로 진입하게 된다(36).

한편, 소형 선박에서는 기관 운전에 의한 진동이거나 파도로부터 가해지는 충격이 대형 선박보다 훨씬 크다. 따라서 도시 생략하였지만, 본 발명에서 각속도 센서부로부터 선박 동요에 대한 각속도 데이터를 취득할 때는 선박의 진동 잡음을 억제하는 필터링 기술이 적용되고 이 필터 적용의 일실시예는 각속도 센서부(16)의 출력단에 부가하는 구성으로 나타날 수 있다.

도 9는 위성탐색 모드에서 상기 2가지로 예를 든 조건모드가 결정되는 원리를 설명하기 위한 Az/El 마운트의 구동 궤적이다.

그 하나는 El축에서 예상되는 위성지향각도 45°를 기준으로 파라볼라 안테나가 ±30° 만큼 상향 하향 동작을 반복하는 체계의 조건모드 인데, 이는 파도에 반향하여 마운트가 크게 움직이는 광범위의 틸팅(tilting) 각도 제어를 의미한다. 다만 그 틸팅은 파도에 반대로 작동하므로 틸팅 제어가 없을 때 높은 파도에서 일어나는 천정에 대한 긴 탐색거리를 대폭 줄일 수 있게 되는 것이다(도 9의 궤도 19 참조).

다른 하나는 잔잔한 바다 내지 선박의 정박시에 요동이 없는 때를 고려한 경우의 조건모드로서 예상 45° 각도를 기준으로 ±5°의 범위만을 틸팅하는 협범위의 틸팅이다(도 9의 궤도 24 참조). 파도가 없는 때에 불필요하게 마운트를 크게 움직이는 것은 천정에 대하여 탐색거리를 오히려 길게 하는 부작용을 낳을 수 있기 때문에 본 발명에서는 위와 같은 다중모드 설정단계를 두고 있는 것이다.

따라서 본 발명의 위성 포착단계는 각속도 센서의 결과를 이용하여 2가지의 조건모드는 물론 무수한 경우의 수로 모델링하여 천정에 대하여 과도한 틸팅을 방지하는 조건모드를 구성할 수 있다.

위와 같은 위성 탐색 모드에 관한 제반 구성 및 작용의 설명은 본 발명의 청구범위에 “설정되는 적어도 2가지 이상의 조건모드를 선택적으로 적용하는 다중모드 설정단계에 의해 구동되는 구성”이라고 축약하였으므로, 만약 그 문언이 애매하여 이를 해석하고자 할 때는 위에서 설명한 사항을 우선적으로 참작하여야 한다.

도 10은 본 발명에 따른 위성 추적 유지 프로세스를 설명하는 흐름도이고, 도 11은 본 발명에 따른 스텝트랙 구동원리를 설명하는 설명도이며, 도 12는 본 발명에 따른 단일 방향 회전의 스텝트랙 과정을 설명하는 설명도이고, 도 13은 본 발명에 따른 4사분면 벡터방향 스텝트랙 과정을 설명하는 설명도이다.

또한, 도 14는 본 발명에 따른 주프로그램에 대한 흐름도이고, 도 15는 본 발명에 따른 위성 재탐색에 대한 Az/El 마운트 구동형태인 피라미달 형태를 설명하는 설명도이며, 도 16은 본 발명에 따른 위성 재탐색을 설명하는 흐름도이다.

도 8에서 설명된 위성 탐색(37)의 수행으로 위성 신호를 이미 포착한 상태이므로 그에 이어서 스텝트랙을 실시하는데, 이때 Az/El 마운트의 각속도 센서를 센싱하여(38, 39) 동요 보정이 필요하다고 판단되는 기준값S를 초과할 경우(40) 구동중인 스텝트랙 모드를 일시 정지 시킨 후에 각속도 센서의 출력을 근거로 피칭(Pitching), 롤링(Rolling), 요잉(Yawing) 동요에 대한 동요 보정을 수행하고, 동요 보정이 완료되면 이어서 스텝트랙을 수행한다. 스텝트랙이 실행되면, 위성 튜너로부터 실시간으로 AGC 데이터를 얻어(43) 이전 AGC 값과 현재의 AGC 값을 비교하여(44), 스텝트랙을 계속 진행하되, 현재의 AGC 값이 전파빔 영역내를 벗어나는 경우에 해당하는 최저 AGC값 K와 비교후(45) 만약 벗어나면 위성 재탐색(46) 모드를 수행한다.

즉, 도 11은 위성으로 향하는 파라볼라 안테나의 전파빔 영역과 이를 선회하는 Az/El 마운트의 움직임을 도시한 개념도이다. 무궁화 위성에서 수신되는 전파빔은 타원 형태의 모양을 형성하므로 스텝트랙을 이용해 사각형(47)의 윈도우 형태를 그리며 위성을 추적하는 방법이 가장 이상적인 것이다(48).

나아가 본 발명에서는 고정적인 윈도우가 아니라 이를 피라미달 형태로 가변시키는 구성으로 확장시켜서 위성재탐색 모드와 연계시킨다. 그 원리를 설명한다.

먼저, 도 12는 사각형 ①→②→③→④의 단방향 스텝트랙을 달성하기 위하여 진행 중인 때의 El_up출력을 도식하고 있는바, El_up출력은 궤적 ①에 해당된다.

같은 이치로서 단방향 스텝트랙은 ②→③→④에 대하여, 모두 Az_right→El_down→Az_left 의 순차 출력을 발생하여 하나의 4각형 윈도우 궤적을 그린다는 것을 이해할 수 있을 것이다(48, 54). 그러나 Az축과 El축으로 방향 데이터가 중첩되는 경우(55)에는, 예를 들어, 도 13와 같이, ①과 ②, 즉 El_up과 Az_left가 동시에 출력을 발생할 것이고, 이때는 벡터로서 합성된 방향으로 윈도우 궤적을 그려, 이전의 궤적에 대하여 찌그러진 형태의 윈도우가 만들어 진다. 즉 천정에 대하여 고정적인 윈도우 궤도를 형성할 수 있음은 물론, 이를 역이용으로 응용하면 고정적인 궤도가 아니라 벡터 합성을 통하여 윈도우 크기를 점진적으로 확장하거나 축소도 가능하다는 것이다.

참고로, 기본적인 스텝트랙의 기본원리는 안테나를 1-스텝 이동할 때마다 이전의 수신레벨과 비교하여 수신레벨이 최대인 점으로 추적해 가는 방식이고, 안테나 마운트의 제어는 위와 같이 생성된 제어 데이터를 펄스열로 변환하여 스텝모터를 구동하면 모터와 마운트간에 결합된 기어비에 따라 안테나를 천정에 대한 윈도우 범위로 움직이는 종합적인 연동작용을 통해 실행된다.

도 14는 도 10 내지 도 13에서 설명한 본 발명의 위성추적유지 모드를 스텝트랙과 동요보정 모드를 조합하는 관점에서 총괄적으로 설명하는 흐름도로서, 초기의 위성탐색을 수행하여 위성을 포착한 후 스텝트랙과 동요 보정을 시차적인 교호로서 수행하는 구성이다(60).

즉, Az/El 축의 각속도 센서가 센싱을 한 결과를 기초로 하되 각속도 센서의 임계 기준값 S를 이에 대비하여 동요 보정 여부를 판별하는데(61, 62), 스텝트랙 동작으로 추적이 불가능한 기준값 S를 초과할 경우 스텝트랙 동작을 정지시킨 후 동요 보정(63)을 수행하며, 이후 완료된 동요 보정에 관한 4가지의 방향 데이터를 근거로 스텝트랙을 구동한다(64, 65). 이때 최초의 스텝트랙은 임의의 방향 데이터를 제공함으로서 시계방향으로 구동시킬 수 있다. 이후에는 1스텝 별로 구동하면서 취득하는 AGC를 근거로 이전 값과 비교하며 미소 각씩 움직여 전파빔 영역내의 수신강도가 가장 강한 곳을 찾게 한다. 이때 스텝과 스텝사이에는 일정한 주기의 지연 타이머를 삽입하여 스텝트랙의 속도를 설정하는 것으로, 주기가 짧을수록 추적의 동작은 빨라지나 마운트가 진동하여 기구적인 불안정이 일어나고 주기가 길어지면 추적의 성능이 떨어지므로 제품화 할 때는 적정한 계수로 설정이 필요하다.

Az-drive중에 왼쪽동작에 해당하는 과정은 도13의 66~69, 오른쪽은 74~77이며, El-drive중에 상향동작에 해당하는 과정은 70~74, 하향동작은 78~81에 해당된다.

위 위성추적유지 모드에 관한 제반 구성 및 작용은 본 발명의 청구범위에 “천정에 대하여 윈도우 형상을 그리는 스텝트랙 모드와 미소전압 검출로서 천정에 대한 안테나의 자세를 보정하는 동요보정 모드를 선택적으로 적용하는 구성”으로 정리하였으므로, 문언에서 애매할 경우는 위에서 설명한 내용을 해석에 우선적으로 참작하여야 한다.

위성 추적 유지 모드에서 만약 AGC 값이 감소하면 전파빔 영역과 수신 불능 지점의 전압값인 K와 비교후(67, 68) 위성재탐색 모드의 진입 여부를 결정하는바(69), 도 15는 그에 관한 재탐색 모드를 설명하는 것이다.

즉, 위성통신이나 DBS에서는 위성 수신한계 영역을 벗어났거나 선박의 주위에 위성의 전파를 차단하는 구조물과 지형이 존재할 경우 또는 선박의 과도한 동요 발생시 위성을 놓치는 경우가 있는데, 이때는 위성을 재탐색하여야 한다. 도 15는 그에 관한 피라미달 형태로 수행하는 본 발명의 위성 재탐색 원리를 궤적 형태로 나타낸 개념도이다. 앞서 스텝트랙의 원리를 설명하면서 벡터 합성에 의한 찌그러진 윈도우의 원리는 이 경우에 적용되어서 그 윈도우가 피라미달 형태로 점차 확대되거나 축소되는 작용을 하는 것이다. 다만 그 적용에는 다음의 부가적인 기술이 더 적용된다.

도 16은 스텝트랙과 동요보정 모드를 수행 중 선박 또는 주변의 상황에 의한 수신 불능 현상이 발생하는 경우에, 도 15처럼 피라미달 위성 재탐색 개념을 달성하는 프로세서를 흐름도로서 도시한 것이다. 이때 스텝트랙의 근거가 되는 방향 데이터 4가지 중에 가장 최종적으로 취득되었던 방향을 저장(84, 85)하고, 이를 기준으로 약 ±10° 확장시키는 피라미달 형태로서 Az/El 마운트를 구동하여 파라볼라 안테나의 초점이 위성을 재포착하도록 한다(85, 86). 윈도우를 전개하여도 찾지 못하면 축소하면서 다시 찾을 수도 있고, 나아가 각속도 센서부(16)로부터의 선박 동요에 대한 각속도 데이터를 분석한 결과를 혼합하여 천정에 대하여 이루는 윈도우 각도의 확장 내지 축소를 안정적으로 행하도록 할 수도 있다.

이와 같은 본 발명에 의하여 위성을 놓치기 직전의 방향을 근거로 피라미달 스케닝을 시작하므로, 직전에 놓친 근방의 위치에서 위성을 재포착하여 위성 재탐색 시간을 대폭 단축하는 효과가 있다(86). 피라미달 탐색 동작을 2~3회 반복하며 이때 일정 간격으로 AGC출력 전압을 취득하여(87) 파라볼라 안테나의 초점이 전파빔 영역내에 재진입시 주프로그램인 스텝트랙과 동요 보정 조합 알고리즘을 수행하고(88), 피라미달 탐색 동작이 3회 이상 지속(89, 90)되어도 전파빔 영역내에 진입하지 못하는 경우에는 설정된 횟수에 도달하였는지를 부가적으로 판단하여 초기 위성 탐색 모드를 수행하여 위성 포착을 시도한다. 물론 초기의 위성 탐색 모드에서도 본 발명에 의하면 탐색거리를 짧게 하는 효과가 있음은 앞에서 설명한 바 있다.

상기 위성 재탐색 모드에 관한 제반 구성 및 작용의 설명은 본 발명의 청구범위에 “재탐색 직전의 윈도우 궤적을 저장하여 재탐색 기준점을 정함과 아울러 벡터 합성에 의한 윈도우 찌그러짐을 통해 피라미달 형태로 스텝트랙을 가변하는 구성”으로 간결하게 정리하였으므로 애매한 경우는 위 설명을 우선적으로 참작하여야 함은 물론이다. 또한 위와 같이 위성 재탐색 모드와 위성 탐색 모드가 연계되는 구성에 관하여 본 발명에서는 “상기 피라미달 형태로 스텝트랙을 가변하는 작동이 설정된 횟수를 초과할 때 위성탐색 모드로 순환 연계되는 구성”으로 정의하였다.

본 발명의 용어 중 스텝트랙 윈도우를 피라미달 형태로 가변한다는 것은 스텝트랙 윈도우의 크기를 피라미달 형태로 점차 확장하거나 축소한다는 의미이다. 본 발명에서 천정이란 용어는 천구와 만나는 점을 의미한다.

본 발명은 상기 실시 외에도 다양한 실시로 나타날 수 있다.

도 17은 본 발명에 따른 각속도센서의 축과 회전의 관계를 설명하는 좌표계이고, 도 18은 본 발명에 따른 선박 동요 보정 제어계의 구성도이며, 도 19는 본 발명에 따른 정상속도 편차에 대한 설명도이다.

도 17은 각속도 센서의 좌표계를 나타낸 것으로, 상기 각속도 센서를 X축, Y축 그리고 Z축에 설치하면 각각의 축에 대한 동요에 의하여 각 방향으로 회전 성분을 검출하고 동요 보정을 위한 각속도 데이터로 사용할 수 있는 바, 각각의 마운트 축에서 발생하는 각속도 검출에 대한 역방향의 각속도로서 마운트를 회전시키면 결국 안테나는 일정한 방향을 항상 지향하게 된다.

본 발명에 대한 논리적 구성을 제시한 도 18은 선박 동요보정 제어계의 구성도이며 각속도 센서의 출력을 디지털 크기로 변환하고 연속데이터에서 적분형태로 구동펄스를 생성하며 스텝모터를 구동이 타이밍 기어에 전달되는 루프를 구성한다.

도 19는 정상속도 편차(Ep)에 대한 해설도이며, 도 18의 이용으로 이에 대하여 분석하면 입력과 피드백의 전달함수에 의하여 전개된다.

여기서, Wc는 폐루프 전달함수이며,

스텝모터의 정속 입력(ei)를 라플라스 변환하면,

이것을 일정한 속도 1 에서 증가하는 정속도 입력에 대한 Ep를 구하면

최종값은 S=0일 때의 S(Ei-Eo)에서 구해지므로

즉 Ep는 “0”이 되지 않고 1/KaKcKmKp가 되므로 이에 대한 오차는 스텝트랙 알고리즘으로 교정하게 된다.

1~3 : 위성안테나의 X축 및 Y축 구동의 원리
4 : 파라볼라 안테나의 개구면
5 : 자이로센서 보드
6 : Az각속도센서
7 : El각속도센서
8 : 위성탐색 모드
9 : 위성추적유지 모드(스텝트랙과 동요보정)
10 : 위성재탐색 모드
11, 15 및 16 : 위성수신부
12 및 17 : 데이터처리부
13, 14 및 18 : 제어부
19~24 : 선박의 요동에 반작용하는 궤도
25~36 : 위성탐색 모드
37~46 : 위성추적유지 모드
47~50 : 스텝트랙의 원리를 설명하는 부호
51~54 : 스텝트랙이 2차원 평면에서 이루어질 때의 작용을 설명하는 부호
55~59 : 스텝트랙이 벡터면에서 이루어질 때의 작용을 설명하는 부호
60~82 : 스텝트랙과 동요보정 모드를 교호로 수행하는 프로세스를 설명하는 부호
83~91 : 위성재탐색 모드 프로세스를 설명하는 부호

Claims (6)

1. 위성으로부터 송출되는 신호를 파라볼라 안테나로 포착하고 위성튜너를 통해 영상과 오디오로 수신하는 위성 수신부에 연동되는 선박용 위성방송 수신안테나 제어 장치에 있어서,
   선박의 동요를 감지하여 신호로 출력하는 각속도 센서부;
   상기 위성 수신부로부터 수신되는 위성신호를 이용하여 전파빔 영역내의 수신 레벨을 측정 및 상기 각속도 센서부로부터의 선박 동요에 대한 각속도 데이터를 취득하여 분석함으로써 초기의 탐색거리를 줄이는 위성탐색 모드와, 선택적 스텝트랙 및 동요보정으로 위성 추적 상태를 유지하는 위성추적유지 모드와, 스텝트랙 윈도우를 피라미달 형태로 가변하는 위성 재탐색 모드로서 제어 데이터를 출력하는 데이터 처리부; 그리고
   상기 데이터 처리부의 출력을 받아 Az/El마운트를 제어토록 출력하는 제어부를 연동 결합하여서 구성되는 것을 특징으로 하는 선박용 위성방송 수신안테나 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 초기의 탐색거리를 줄이는 위성탐색 모드는, 설정되는 적어도 2가지 이상의 조건모드를 선택적으로 적용하는 다중모드 설정단계에 의해 구동되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 위성방송 수신안테나 제어장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 위성 추적 유지 모드는, 천정에 대하여 윈도우 형상을 그리는 스텝트랙 모드와 미소전압 검출로서 천정에 대한 안테나의 자세를 보정하는 동요 보정 모드를 선택적으로 적용하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 위성방송 수신안테나 제어장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 위성 재탐색 모드는, 재탐색 직전의 윈도우 궤적을 저장하여 재탐색 기준점을 정함과 아울러 벡터 합성에 의한 윈도우 찌그러짐을 통해 피라미달 형태로 스텝트랙을 가변하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 위성방송 수신안테나 제어장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 위성 재탐색 모드는, 상기 피라미달 형태로 스텝트랙을 가변하는 작동이 설정된 횟수를 초과할 때 위성탐색 모드로 순환 연계되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 위성방송 수신안테나 제어장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 각속도 센서부로부터의 선박 동요에 대한 각속도 데이터를 취득할 때는 선박의 진동 잡음을 억제하는 필터링 기술을 경유하여 취득하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 위성방송 수신안테나 제어장치.

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