KR101466019B1 - 위성항법신호 생성 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기존 위성항법 시스템과 비교해 도플러 쉬프트와 간섭에 강인한 독자적인 위성항법 신호체계를 확보할 수 있는 위성 항법 신호 생성 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 본 명세서에 개시된 실시예에 따른 위성 항법 신호 생성 장치는, 기준 클럭 속도를 N 분주한 클럭을 근거로 2차 코드(Secondary Code)를 생성하는 2차 코드 생성부와; 상기 N의 길이의 이진 코드를 생성한 후 상기 생성된 이진 코드를 변조시켜 1차 코드(Primary code)를 생성하는 1차 코드 생성부와; 상기 1차 코드의 한 주기에 상기 2차 코드 1 칩을 곱함으로써 다상 코드(Tiered Polyphase code)를 생성하는 다상 코드(Tiered Polyphase code) 생성부를 포함할 수 있다.

Description

위성항법신호 생성 방법 및 그 장치{METHOD FOR GENERATING GLOBAL POSITIONING SIGNAL AND APPARATUS THEREOF}
본 명세서는 위성항법신호 생성 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로, GPS(global positioning system)의 현대화 및 최근의 중국의 COMPASS 운용 실시 등을 비롯해 여러 각국에서 위성항법시스템의 연구가 진행되고 있다. 다양한 위성항법시스템의 운영으로 인해 주파수 대역 및 시스템 간에 간섭문제가 시급한 해결점으로 남아있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 GPS는 기존 위성항법시스템에 새로운 신호와 주파수를 추가로 사용하는 위성을 운영 할 목표로 현대화를 진행 중에 있다. 기존 신호체계보다 간섭 영향이 적고 도플러 쉬프트에 강인한 새로운 위성항법신호체계에 대한 연구가 필요하다. 종래 기술에 따른 위성 항법 정보에 대한 설명은 한국 특허 출원 번호 제10-2007-0003587호에도 개시되어 있다.
본 발명은, 기존 위성항법 시스템과 비교해 도플러 쉬프트와 간섭에 강인한 독자적인 위성항법 신호체계를 확보할 수 있는 위성 항법 신호 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 명세서에 개시된 실시예에 따른 위성 항법 신호 생성 장치는, 기준 클럭 속도를 N 분주한 클럭을 근거로 2차 코드(Secondary Code)를 생성하는 2차 코드 생성부와; 상기 N의 길이의 이진 코드를 생성한 후 상기 생성된 이진 코드를 변조시켜 1차 코드(Primary code)를 생성하는 1차 코드 생성부와; 상기 1차 코드의 한 주기에 상기 2차 코드 1 칩을 곱함으로써 다상 코드(Tiered Polyphase code)를 생성하는 다상 코드(Tiered Polyphase code) 생성부를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 1차 코드 생성부는, 상기 N의 길이의 이진 코드를 생성한 후 상기 생성된 이진 코드를 +1/-1 변조시킴으로써 상기 1차 코드(Primary code)를 생성할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 위성으로부터 전송된 상기 다상 코드를 포함하는 수신 신호에 상기 1차 코드의 켤레복소수를 곱해 누적한 값을 제1 상관 값으로 저장하는 제1 상관값 생성부와; 상기 저장된 제1 상관 값에 상기 2차 코드 칩 간격마다 상기 2차 코드의 켤레복소수 값을 곱해 누적한 값을 제2 상관 값으로 저장하는 제2 상관값 생성부를 포함하는 수신기를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예에 따른 위성 항법 신호 생성 방법은, 기준 클럭 속도를 N 분주한 클럭을 근거로 2차 코드(Secondary Code)를 생성하는 단계와; 상기 N의 길이의 이진 코드를 생성한 후 상기 생성된 이진 코드를 변조시켜 1차 코드(Primary code)를 생성하는 단계와; 상기 1차 코드의 한 주기에 상기 2차 코드 1 칩을 곱함으로써 다상 코드(Tiered Polyphase code)를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 위성 항법 신호 생성 방법 및 그 장치는, 기존 위성항법 시스템과 비교해 도플러 쉬프트와 간섭에 강인한 독자적인 위성항법 신호체계를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 티어 다상(Tiered Polyphase) 코드의 주기를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 티어 다상(Tiered Polyphase) 코드 생성 장치를 나타낸 도이다.
도 3은 수신기를 나타낸 예시도이다.
도 4는 두 개의 위성신호가 수신될 때의 수신 상관 결과를 나타낸 도이다.
도 5a-b는 도 3의 수신기를 통해 얻은 복소수 값을 절대 값을 취해 얻은 결과를 나타낸 예시도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
Galileo OS SIS ICD(Open Service Signal In Space Interface Control Document)에서 사용되는 확산 코드는 티어(Tiered) 코드라고 하며 1차(Primary) 코드와 2차(Secondary) 코드로 구성된다. 각각의 2차(Secondary) 코드 1칩에 1차(Primary) 코드 한 주기가 곱해져 2차(Secondary) 코드 길이를 가지는 티어(Tiered) 코드를 생성한다. 본 발명에서는 티어(Tiered) 코드의 구조만을 이용한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 티어 다상(Tiered Polyphase) 코드의 주기를 나타낸다. 여기서, N은 1차(Primary) 코드 길이, Ns는 2차(Secondary) 코드 길이이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 티어 다상(Tiered Polyphase) 코드 생성 장치를 나타낸 도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 티어 다상(Tiered Polyphase) 코드 생성 장치(100)는,
클럭 속도(fc)(기준 클럭 속도)를 N 분주한 클럭(fcs=fc/N)을 이용해 상기 2차 코드(Secondary Code)를 생성하는 2차 코드 생성부(101)와;
Gold, Kasami, Gold-like 코드 등 N 길이의 이진 코드를 생성한 후 그 생성된 이진 코드를 +1/-1 변조시켜 상기 1차 코드(Primary code)를 생성하는 1차 코드 생성부(102)와;
상기 1차 코드의 한 주기에 상기 2차 코드 1 칩을 곱함으로써 상기 티어 다상 코드(Tiered Polyphase code)를 생성하는 티어 다상 코드(Tiered Polyphase code) 생성부(103)로 구성된다. 본 발명의 실시예에 따른 티어 다상(Tiered Polyphase) 코드 생성 장치(100)는, 상기 생성한 티어 다상 코드(Tiered Polyphase code)를 위성 항법 신호로서 사용한다.
상기 2차 코드는 다상(Polyphase) 코드로 Ns의 양의 제곱근이 정수일 경우 Frank 코드로 생성되며 그 외의 경우는 Zadoff-Chu 코드로 생성된다.
상기 1차 코드 생성부(102)는 N 칩의 길이를 가지는 상관(Correlation)특성이 좋은 Gold, Kasami, Gold-like 코드 등 이진(Binary) 코드를 사용하여 생성한 후 +1/-1 변조를 시킴으로써 상기 1차 코드를 생성한다.
위성들은 서로 다른 1차 코드를 사용하므로 위성 간에 서로 구분이 가능하다. 2차 코드의 경우 Ns칩의 길이를 가지는 다상(Polyphase) 코드로 Frank, Zadoff-Chu 코드를 사용한다. 다상 코드는 도플러 쉬프트에 강인할 뿐 아니라 자기상관(Auto-Correlation) 특성은 동기가 정확히 맞을 때에 값을 가지고 나머지 경우에서는 '0' 값을 갖기 때문에 1차 코드 길이 이상의 시간지연(Time Delay) 간격을 두고 위성 신호들이 수신되는 경우 간섭에 의한 영향은 없게 된다. Ns의 양의 제곱근이 정수 일 경우 프랭크(Frank) 코드로 생성하며 이를 제외한 다른 경우는 Zadoff-Chu 코드를 이용해 생성한다. 수학식1은 Frank 코드 생성식이다.
Figure 112013090185821-pat00001
여기서, Frank는 Frank 코드 식,
Figure 112013090185821-pat00002
는 페이즈 값, i,j는 인덱스로 1부터 코드길이 Ns 값을 갖는다. A는
Figure 112013090185821-pat00003
의 값을 행렬로 나타낸 것으로 1행부터 차례대로 값을 읽어 Frank 코드를 생성한다. 수학식 2는 Zadoff-Chu 코드 생성식이다.
Figure 112013090185821-pat00004
여기서 Ns는 코드의 길이, u는 코드 인덱스로 Ns와는 서로소(Prime Number) 관계에 있는 값을 가진다. 만약 Ns가 소수일 경우 Ns-1개의 다른 코드가 생성될 수 있다.
도 3은 수신기를 나타낸 예시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 수신기(200)는,
상기 위성으로부터 전송된 수신 신호(상기 생성된 타이 다상 코드))에 1차 코드의 켤레복소수를 곱해 누적한 값을 제1 상관 값(첫 번째 상관 값)으로 저장하는 제1 상관값 생성부(201)와;
상기 저장된 제1 상관 값(첫 번째 상관 값)에 상기 2차 코드 칩 간격마다 상기 2차 코드의 켤레복소수 값을 곱해 누적한 값을 제2 상관 값(두 번째 상관 값)으로 저장하는 제2 상관값 생성부(202)로 구성된다. 상기 수신 신호에 1차 코드의 켤레복소수를 곱해 누적한 값을 첫 번째 상관 값(제1 상관 값)으로 저장한다. 첫 번째 상관 값에 저장 된 값을 가지고 2차 코드 칩 간격마다 2차 코드의 켤레복소수 값을 곱해 누적한 값을 두 번째 상관 값(제2 상관 값)으로 저장한다.
도 4는 두 개의 위성신호가 수신될 때의 수신 상관 결과를 나타낸 도로서, 두 개의 위성신호가 1차 코드 길이의 시간 지연을 가지고 수신될 때 도 3의 수신 알고리즘을 통해 얻은 복소수 값을 절대 값을 취해 타이 다상(Tiered Polyphase) 코드 길이로 정규화한 결과이다. 예를 들면, 상기 생성한 타이 다상(Tiered Polyphase) 코드의 1차 및 2차 코드 클럭 속도는 10.23MHz, 1KHz 길이는 1msec, 20msec로 Galileo E5a와 같도록 설계했다. 두 신호는 1차 코드의 경우 서로 다른 코드를 사용했으며 2차 코드로 같은 Zadoff-Chu 코드를 사용했다. 두 신호 간에는 1차 코드 길이만큼의 시간지연이 있을 때를 가정해서 도 3에서 제안한 수신기(200)를 이용해 두 번째 상관 값을 절대 값을 취해 본 결과이다. 상기 타이 다상(Tiered Polyphase) 코드의 1차 및 2차 코드 클럭 속도는 10.23MHz, 1KHz 길이는 1msec, 20msec이다. 타이 다상(Tiered Polyphase) 코드 길이마다 1의 결과 값을 얻게 되는데 이는 1차 코드 길이만큼 시간지연 되서 들어오는 두 번째 신호가 첫 번째 신호에 아무 간섭도 주지 않기 때문이다. 정확한 시간 동기가 맞은 경우 최대값을 가지며 시간 동기가 맞은 점을 중심으로 앞 뒤 1차 코드 길이 만큼 간격으로 30dB 이하의 값을 가지게 되는데 이는 1차 코드를 이용한 1차 상호 상관에서 1차 코드의 시간 동기가 맞은 점 앞 뒤 1차 코드 길이 만큼 간격의 값은 오류가 있지만 시간 동기가 맞았을 때 얻은 2차 코드 값을 포함하고 있기 때문이다.
도 5a-b는 도 3의 수신기를 통해 얻은 복소수 값을 절대 값을 취해 얻은 결과를 나타낸 예시도로서, 도플러 쉬프트가 각각 250Hz, 500Hz 있을 때 도 3의 수신기를 통해 얻은 복소수 값을 절대 값을 취해 타이 다상(Tiered Polyphase) 코드 길이로 정규화 한 결과를 나타낸다. 예를 들면, 250Hz에서는 최대 값은 0.1 줄어들고 5msec 시간 이동 된 점에서 값을 가지며 500Hz에서는 최대 값은 0.37 줄어들고 10msec 시간 이동 된 점에서 값을 가졌다. 도플러 쉬프트가 있을 경우 2차 상호 상관 최대 값은 도플러 쉬프트가 없을 때 최대 값과 비교해 크기는 작아지며 시간 이동(Time shift) 된 형태로 가진다. 즉, 도플러 쉬프트가 커질수록 최대 값은 크기는 작아지며 더 큰 시간 이동이 된 점에서 값을 갖는다.
타이 다상(Tiered Polyphase) 코드는 각각의 위성에서 송신되는 신호가 1차 코드 주기 이상의 시간지연을 가지고 수신되는 경우를 가정 했을 때 자기 신호에 의한 간섭이 없으며 도플러 쉬프트에 의한 오차가 발생하더라도 오차 보상 없이 긴 시간의 신호 누적 값을 얻을 수 있어 신호 추적에 용이하다. 또한 신호 누적 값을 통해 1차 코드와 데이터 비트의 시작점을 찾을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 위성 항법 신호 생성 방법 및 그 장치는, 기존 위성항법 시스템과 비교해 도플러 쉬프트와 간섭에 강인한 독자적인 위성항법 신호체계를 확보할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 기준 클럭 속도를 N 분주한 클럭을 근거로 2차 코드(Secondary Code)를 생성하는 2차 코드 생성부와;
    상기 N의 길이의 이진 코드를 생성한 후 상기 생성된 이진 코드를 변조시켜 1차 코드(Primary code)를 생성하는 1차 코드 생성부와;
    상기 1차 코드의 한 주기에 상기 2차 코드 1 칩을 곱함으로써 다상 코드(Tiered Polyphase code)를 생성하는 다상 코드(Tiered Polyphase code) 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성 항법 신호 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 1차 코드 생성부는,
    상기 N의 길이의 이진 코드를 생성한 후 상기 생성된 이진 코드를 +1/-1 변조시킴으로써 상기 1차 코드(Primary code)를 생성하는 것을 특징으로 하는 위성 항법 신호 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    위성으로부터 전송된 상기 다상 코드를 포함하는 수신 신호에 상기 1차 코드의 켤레복소수를 곱해 누적한 값을 제1 상관 값으로 저장하는 제1 상관값 생성부와;
    상기 저장된 제1 상관 값에 상기 2차 코드 칩 간격마다 상기 2차 코드의 켤레복소수 값을 곱해 누적한 값을 제2 상관 값으로 저장하는 제2 상관값 생성부를 포함하는 수신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위성 항법 신호 생성 장치.
  4. 기준 클럭 속도를 N 분주한 클럭을 근거로 2차 코드(Secondary Code)를 생성하는 단계와;
    상기 N의 길이의 이진 코드를 생성한 후 상기 생성된 이진 코드를 변조시켜 1차 코드(Primary code)를 생성하는 단계와;
    상기 1차 코드의 한 주기에 상기 2차 코드 1 칩을 곱함으로써 다상 코드(Tiered Polyphase code)를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성 항법 신호 생성 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 1차 코드를 생성하는 단계는,
    상기 N의 길이의 이진 코드를 생성한 후 상기 생성된 이진 코드를 +1/-1 변조시킴으로써 상기 1차 코드(Primary code)를 생성하는 단계인 것을 특징으로 하는 위성 항법 신호 생성 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    위성으로부터 전송된 상기 다상 코드를 포함하는 수신 신호에 상기 1차 코드의 켤레복소수를 곱해 누적한 값을 제1 상관 값으로 저장하는 단계와;
    상기 저장된 제1 상관 값에 상기 2차 코드 칩 간격마다 상기 2차 코드의 켤레복소수 값을 곱해 누적한 값을 제2 상관 값으로 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위성 항법 신호 생성 방법.
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