KR101475239B1 - 안테나 추적기 및 그의 제어방법 - Google Patents

안테나 추적기 및 그의 제어방법 Download PDF

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정진우
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박의영
한덕찬
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 가변 전송용량의 광대역 공용데이터링크용 유인 또는 무인 항공기의 안테나 추적에 관한 것으로, 유인 또는 무인 항공기로부터 신호를 수신하는 복수의 안테나와 상기 복수의 안테나로부터 수신된 복수의 신호를 이용하여, 합신호와 차신호를 생성하는 모노펄스 비교기와 상기 합신호 수신하고, 상기 합신호를 가변 전송용량에 따라 가변대역 대역 필터링한 대역 필터링 신호를 기저대역 송수신기로 전송하는 가변대역 RF처리기와 상기 대역 필터링 신호를 수신하고, 기 설정된 전송용량에 근거하여 대역폭 제어신호를 생성하는 기저대역 송수신기와 상기 가변대역 RF 처리기로부터 합신호를 수신하고, 상기 모노펄스 비교기로부터 복수의 차신호를 수신하며, 상기 기저대역 송수신기로부터 대역폭 제어신호를 수신하여, 상기 합신호, 차신호 및 대역폭 제어신호를 이용하여 방위각 및 고각의 오차각을 각각 생성하는 가변대역 모노펄스 수신기와 상기 생성된 방위각과 고각의 오차각을 기반으로 기 설정된 방식으로 추정 필터링을 수행하여, 상기 생성된 방위각 및 고각의 오차각과 각각 대응되는 보정된 오차각을 산출하는 추정필터 처리기 및 상기 보정된 오차 각에 근거하여, 상기 복수의 안테나의 동작을 제어하는 안테나 구동 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

안테나 추적기 및 그의 제어방법{DEVICE FOR TRACKING ANTENNA AND METHOD THEREOF}
본 발명은 군용으로 사용 가능한 가변 전송용량의 광대역 데이터링크용 유인 또는 무인 항공기의 안테나 추적에 관한 것이다.
본 발명은 수십 ~ 수백 km의 원거리에서 고속으로 이동하는 유인 또는 무인 항공기와 공지(空地) 또는 항공기 간 최소 수 Mbps ~ 최대 수백 Mbps의 범위에서 운용되는 가변 전송용량의 광대역 데이터링크(Data Link)를 위한 안테나 추적 시스템에 관한 것이다.
종래의 안테나 추적기는 이동하는 항공기의 GPS(Global Positioning System) 정보 및 고도 정보 등을 수신 안테나로 전달하고, 이 정보를 기반으로 수신 안테나에서 이동하는 항공기의 안테나를 추적하는 방식을 사용한다. 이 방법은 수신 안테나와 이동하는 항공기 안테나 사이의 정확한 위치정보를 알고 있다면 추적의 정확도를 높일 수 있다.
그러나 이 방법은 항공기의 GPS 정보 및 고도 정보 등 안테나의 추적에 필요한 정보의 전송을 위한 별도의 송수신 채널이 필요하다. 뿐만 아니라, 항공기의 고도 정보의 오차 및 GPS정보 갱신 속도의 제한에 의하여, 상기 항공기의 안테나 추적에 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 종래의 안테나 추적 시스템은 상기와 같은 오차에 의하여, 안테나의 추적의 정확도가 낮아지는 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 종래의 위치 정보를 이용한 항공기 안테나 추적에서 GPS 정보 등 안테나 추적과 관련된 정보를 사용하지 않고, 고속 이동하는 항공기 안테나를 추적하기 위한 것으로, 공지 또는 항공기 간 가변 전송용량의 광대역 데이터링크 신호를 가지고 수신 안테나에서 항공기 안테나를 추적하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 데이터링크는 광대역일 뿐만 아니라 운용상황에 따라 운용자가 전송용량을 가변할 수 있기 때문에, 본 발명은 가변 전송용량의 통신신호를 기반으로 고속 이동하는 항공기 안테나를 추적하기 위한 수신 안테나의 추적 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 수신 안테나 추적 시스템 및 그의 제어 방법을 이용하여 안테나 추적 성능을 높일 수 있도록 한 대역필터링 방법을 제공하는 것에 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 항공기 안테나의 추적 정확도를 높이기 위해, 유인 또는 무인 항공기 추적에 적합한 방위각 및 고각 기반의 시스템 상태모델과 측정모델을 제공하고 이를 이용한 칼만(Kalman)필터와 알파-베타(Alpha-beta)필터, 등추정필터 기법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유인 또는 무인 항공기용 안테나 추적기는 유인 또는 무인 항공기로부터 신호를 수신하는 복수의 안테나와 상기 복수의 안테나로부터 수신된 복수의 신호를 이용하여, 합신호와 차신호를 생성하는 모노펄스 비교기와 상기 합신호 수신하고, 상기 합신호를 가변 전송용량에 따라 가변대역 필터링한 대역필터링 신호를 주파수 하향 변환하여 기저대역 송수신기로 전송하는 가변대역 RF처리기와 상기 대역필터링 신호를 수신하고, 기 설정된 전송용량에 근거하여 대역폭 제어신호를 생성하는 기저대역 송수신기와 상기 가변대역 RF 처리기로부터 합신호를 수신하고, 상기 모노펄스 비교기로부터 복수의 차신호를 수신하며, 상기 기저대역 송수신기로부터 대역폭 제어신호를 수신하여, 상기 합신호, 차신호 및 대역폭 제어신호를 이용하여 방위각 및 고각의 오차각을 각각 생성하는 가변대역 모노펄스 수신기와 상기 생성된 방위각과 고각의 오차각을 기반으로 기 설정된 방식의 추정필터 기법을 수행하여, 상기 생성된 방위각 및 고각의 오차각과 각각 대응되는 보정된 오차각을 산출하는 추정필터 처리기 및 상기 보정된 오차 각에 근거하여, 상기 복수의 안테나의 동작을 제어하는 안테나 구동 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 모노펄스 비교기는 방위각 방향의 차신호 및 고각 방향의 차신호 중 적어도 하나를 생성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 가변대역 모노펄스 수신기는 기 설정된 기준 방위각 및 고각과 상기 수신된 방위각 및 고각을 비교하여 오차각을 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 추정필터 처리기는 칼만 필터 기법 및 알파-베타 필터 기법 중 적어도 하나의 필터 기법에 의하여 상기 오차각을 필터링하여 보정각을 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 추정필터 처리기는 상기 방위각과 고각에 따른 오차각, 각속도 및 각가속도로 구성되는 상태모델을 생성하고, 상기 생성된 상태모델, 측정 잡음 및 상기 오차각을 이용하여 측정 모델을 검출하며, 상기 산출된 측정모델에 근거하여, 상기 방위각과 고각에 따른 오차각의 보정각을 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 각가속도에 대한 분산은 안테나의 이동 속도에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 이동하는 항공기에서 송신하는 가변 전송용량의 광대역 신호를 수신 시, 대역폭에 맞게 가변대역 모노펄스 수신기가 신호를 대역필터링하여 신호 대역 외의 잡음에 강인할 수 있다.
또한, 본 발명은 통신신호를 이용한 모노펄스 추적 방식을 사용하여 GPS정보를 수신하기 위한 별도의 수신장비를 구비하지 않아도, 원거리의 항공기 안테나 추적이 가능하다.
또한, 본 발명은 추정필터 기법을 이용하여 오차각을 보정하거나, 추적 시스템의 상태모델 및 측정모델의 제공을 통해 추적의 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 추적기의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 추적기에 있어서, 안테나를 추적하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 추적기에 있어서, 추적의 정확도를 높이기 위한 추정필터 기법을 나타낸 흐름도이다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
레이더 분야에서 모노펄스 방식의 추적은 단일 펄스의 전파를 사용하여 순간적으로 방위 오차를 검출하여 추적하는 방식이다. 상기 모노펄스 방식은 전파가 오는 방향이 안테나의 중심축으로부터 벗어나는 경우, 급전부의 원형 도파관 내에 발생하는 고차 모드를 이용하여 추적하는 고차모드 방식과 여러개의 복사기를 각기 대칭적으로 배치하여 각 복사기로 수신하는 비컨파 또는 수신파의 지폭이나 위상의 상대 관계를 사용하여 추적하는 멀티혼 방식 등이 있다.
이하, 본 발명에 따른 가변 전송용량의 광대역 데이터링크 통신신호를 이용하는 유인 또는 무인 항공기 안테나 추적기 및 그 제어방법과 상기 추적의 정확도를 높이는 방법을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
원거리에서 고속으로 이동하는 유인 또는 무인 항공기의 광대역 데이터링크는 최소 수 Mbps ~ 최대 수백 Mbps의 고속, 대용량의 전송 속도로 수십 ~ 수백 Km의 장거리에 걸쳐 통신할 수 있다.
이때, 상기 데이터링크를 사용하는 항공기와 수신 장치에 있어서, 상기 수신 장치는 신호를 송수신하기 위하여 이동하는 항공기의 위치 정보를 판단하는 것이 필요하다.
이하, 본 발명에서는 상기 항공기의 위치 정보 없이도, 항공기의 위치를 추적하여 통신신호를 송수신하는 시스템 및 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 추적기의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 다른 안테나 추적기는 복수의 안테나(101), 모노펄스 비교기(102), 가변대역 RF처리기(106), 기저대역 송수신기(107), 가변대역 모노펄스 수신기(103), 추정필터 처리기(104) 및 안테나 구동 제어기(105) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 안테나 추척기는 유인 또는 무인 항공기로부터 송신된 데이터링크 통신신호를 복수의 안테나(101)를 이용하여 수신할 수 있다. 여기에서, 상기 안테나는 혼(horn) 안테나, 다이폴(dipole) 안테나, 모노폴(monopole) 안테나, 패치(patch) 안테나, 반사판 안테나 등 RF 시스템에서 사용가능한 다양한 안테나가 될 수 있다. 또한, 상기 안테나는 상하좌우에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 안테나는 상하좌우에 각각 1개씩 4개의 급전부를 갖는 혼 안테나가 될 수 있다.
모노펄스 비교기(102)는 상기 복수의 안테나(101)로부터 각각 수신된 복수의 신호를 수신할 수 있다. 이때, 상기 모노펄스 비교기(102)는 상기 수신된 복수의 신호를 합한 합신호, 방위각 방향의 차신호 및 고각 방향의 차신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 신호를 각각 A, B, C, D라고 정의하는 경우, 상기 합신호는 A+B+C+D, 상기 방위각 방향의 차신호는 (A+C)-(B+D), 상기 고각 방향의 차신호는 (A+B)-(B+D)가 될 수 있다.
한편, 가변대역 RF처리기(106)는 상기 합신호를 수신할 수 있다. 이때, 상기 가변대역 RF처리기(106)는 기본적인 데이터링크 정보의 송수신 역할을 위해 상기 합신호의 대역필터링과 주파수 변환을 할 수 있다. 여기에서, 상기 대역필터링은 상기 합신호를 기저대역 송수신기(107)로부터 입력받는 대역폭 제어신호에 근거하여, 대역필터링을 수행하는 것일 수 있다. 즉, 상기 대역필터링을 통하여, 상기 합신호의 대역폭이 변환될 수 있다. 또한, 상기 가변대역 RF처리기(106)는 합신호의 주파수를 하향 변환할 수 있다.
이때, 상기 가변대역 RF처리기(106)는 상기 합신호의 대역폭 변환 전 신호를 가변대역 모노펄스 수신기(103)로 전송할 수 있다. 또한, 상기 가변대역 RF처리기(106)는 상기 합신호의 주파수가 하향 변환된 신호를 기저대역 송수신기(107)에 전송할 수 있다.
상기 기저대역 송수신기(107)는 상기 가변대역 RF처리기(106)로부터 상기 주파수가 하향 변환된 합신호를 수신할 수 있다. 여기에서, 상기 주파수가 하향 변환된 합신호는 필터링 신호라고 명명될 수 있다. 여기에서, 상기 필터링 신호는 IF신호라고도 명명될 수 있다.
한편, 가변 전송용량을 갖는 광대역의 데이터링크는 운용과 임무 상황에 따라 전송량 조절을 통해 신호의 대역폭을 변경할 수 있다. 따라서, 상기 복수의 신호의 대역폭 변경을 위하여, 상기 기저대역 송수신기(107)는 기 설정된 데이터링크 시스템 운용 전송속도에 근거하여, 대역폭 제어신호를 생성할 수 있다. 여기에서, 상기 데이터링크 시스템 운용 전송 속도는 운용자에 의하여 설정될 수 있다.
이를 통하여, 본 발명의 안테나 추적기는 전송용량의 가변으로 인하여, 타겟 신호대역 이외의 신호대역 잡음을 억제할 수 있다.
가변대역 모노펄스 수신기(103)는 가변대역 RF처리기(106)로부터 합신호를 수신하고, 모노펄스 비교기(102)로부터 복수의 차신호를 수신할 수 있다. 또한, 상기 기저대역 송수신기로부터 대역폭 제어신호를 수신할 수 있다.
또한, 시스템 구성에 따라 가변대역 모노펄스 수신기(103)는 상기 합신호를 모노펄스 비교기(102)로부터 직접 수신도 가능하다.
상기 가변대역 모노펄스 수신기(103)는 상기 합신호 및 차신호의 기울기를 이용하여, 방위각 및 고각의 오차각을 산출할 수 있다.
이때, 상기 오차각을 산출하기 위하여, 상기 가변대역 모노펄스 수신기는 기 설정된 기준 방위각 및 고각과 상기 수신된 방위각 및 고각을 비교할 수 있다. 여기에서, 상기 기준 방위각 및 고각은 정상 상태의 신호가 수신된 경우의 방위각 및 고각일 수 있다.
또한, 상기 가변대역 모노펄스 수신기(103)는 상기 대역폭 제어신호를 이용하여, 상기 합신호 및 차신호의 대역폭을 제어하는 가변 필터의 조정할 수 있다.
상기 추정필터 처리기(104)는 상기 가변대역 모노펄스 수신기(103)로부터 방위각 및 고각의 오차각을 수신할 수 있다. 이때, 상기 추정필터 처리기(104)는 추적의 대상이 되는 항공기의 추적의 정확도를 높이기 위하여, 추적의 대상이 되는 목표 항공기를 추적하는 범위 내에서, 상기 방위각 및 고각의 오차각을 보정할 수 있다. 이를 통하여, 본 발명은 추적 대상이 되는 항공기의 지향각을 추정하는데 있어서, 추적의 정확도를 높일 수 있다.
여기에서, 상기 추정필터 처리기(104)는 상기 방위각 및 고각의 오차각을 보정하기 위하여, 기 설정된 추정필터링 기법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 상기 필터링 기법에는 칼만 필터링 기법, 알파-베타 필터링 기법 등이 사용될 수 있다.
안테나 구동 제어기(105)는 상기 추정필터 처리기(104)에서 보정된 오차각을 이용하여, 복수의 안테나의 동작을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 안테나 구동 제어기(105)는 상기 보정된 오차각 정보를 이용하여, 안테나의 자세를 변경하도록 제어신호를 상기 안테나의 자세를 변경하는 안테나 구동부(미도시 됨)에 송신할 수 있다.
한편, 상기 추정필터 처리기(104)는 본 발명의 필수적인 구성요소는 아니며, 상기 가변대역 모노펄스 수신기(103)에서 직접 오차를 보정하여 상기 안테나 구동 제어기(105)로 전송하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 추정필터 처리기(104)에서 처리되는 필터링 기법은 상기 가변대역 모노펄스 수신기(103)에서 동일하게 처리될 수 있다. 이 경우, 상기 가변대역 모노펄스 수신기(103)는 상기 안테나 구동 제어기(105)로 보정된 오차 정보를 직접 전송할 수 있다. 이때, 상기 가변대역 모노펄스 수신기(103)는 상기 오차를 보정하기 위하여 이동평균 필터, 루프(loop) 필터 기법 등 공지된 다양한 필터 기법을 사용하여 오차를 보정할 수 있다.
또한, 상기 안테나 구동 제어기(105)에서도 직접 오차를 보정하여 안테나 구동부를 제어할 수 있다.
이상에서는 안테나 추적기의 구성을 중심으로 설명하였다. 이를 통하여, 본 발명은 데이터링크 신호에 대하여 모노펄스 추적 방식을 사용하여 GPS정보를 수신하기 위한 별도의 수신장비를 구비하지 않아도, 원거리의 항공기 안테나 추적이 가능하다.
이하에서는 항공기의 안테나를 추적하는 방법에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다. 도 2는 상기 도 1에 의한 추적기가 항공기를 추적하는 방법을 설명한 흐름도이다.
우선, 본 발명에 따른 안테나 추적기는 광대역 데이터링크의 운용과 임무 상황에 따라 전송용량을 설정하는 단계를 진행할 수 있다(S200).
보다 구체적으로, 상기 가변 전송용량 광대역 데이터링크 시스템에서는 운용 및 임무 상황에 따라 전송용량 조절을 위하여, 통신신호 형태가 변경되어 사용될 수 있다. 따라서, 상기 기저대역 송수신기(107)는 상기 전송용량 설정값에 근거하여 대역폭 제어신호를 생성할 수 있다.
이를 통하여, 본 발명의 안테나 추적기는 상기 전송용량의 가변으로 인하여 발생할 수 있는 안테나 추적과 관련된 신호 이외의 잡음 신호를 억제할 수 있다.
전송용량이 설정된 후, 본 발명에 따른 안테나 추적기는 복수의 안테나를 이용하여 유인 또는 무인 항공기로부터 복수의 신호를 수신하는 단계를 진행할 수 있다(S210).
본 발명에 따른 안테나 추적기는 복수의 안테나를 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 안테나는 상기 도 1에서 살펴본 바와 같이, 상하좌우 4개의 급전부를 갖는 혼 안테나일 수 있다.
또한, 상기 복수의 안테나는 추적의 대상이 되는 항공기의 안테나로부터 데이터링크 통신신호를 수신할 수 있다.
상기 복수의 신호가 수신된 후, 본 발명에 따른 안테나 추적기는 상기 복수의 신호를 이용하여 합신호 및 복수의 차신호를 생성하는 단계를 진행할 수 있다(S220).
상기 복수의 안테나로부터 수신된 복수의 신호는 모노펄스 비교기(102)에서 처리될 수 있다. 상기 모노펄스 비교기(102)는 상기 수신된 복수의 신호의 합신호, 차신호 등을 생성할 수 있다. 이때, 상기 차신호는 방위각 방향의 차신호 및 고각 방향의 차신호일 수 있다.
상기 합신호 및 차신호가 생성되면, 상기 합신호를 기 설정된 전송용량에 따라 생성된 대역폭 제어신호에 근거하여 가변대역 필터링한 필터링 신호를 기저대역 송수신기로 전송하는 단계를 진행할 수 있다(S230).
상기 복수의 안테나로부터 수신된 복수의 신호는 가변 전송용량을 가지는 광대역 데이터링크 신호일 수 있다. 따라서, 가변대역 RF처리기(106)는 상기 합신호가 적합하게 송수신되도록 상기 가변 전송용량에 근거하여, 가변대역 필터링을 수행할 수 있다. 여기에서, 상기 가변대역 필터링은 상기 합신호를 상기 가변 전송용량의 대역폭에 근거하여, 적합한 대역폭으로 변환하는 것을 의미할 수 있다.
또한, 상기 합신호가 가변 전송용량에 근거하여 대역필터링 된 신호를 대역 필터링 신호라고 명명할 수 있다. 그리고, 상기 대역필터링 신호의 주파수를 하향 변환한 신호는 IF신호일 수 있다.
본 발명에 따른 안테나 추적기는 상기 합신호, 복수의 차신호 및 대역폭 제어신호 중 적어도 하나를 수신하여, 상기 합신호, 차신호 및 대역폭 제어신호를 이용하여 방위각 및 고각의 오차각을 각각 생성하는 단계를 진행할 수 있다(S240).
가변대역 모노펄스 수신기(103)는 가변대역 RF처리기(106)로부터 합신호를, 모노펄스 비교기(103)으로부터 차신호를, 기저대역 송수신기(107)로부터 대역폭 제어신호를 수신할 수 있다. 여기에서, 상기 가변대역 RF처리기(106)로부터 수신된 합신호는 대역 필터링 되기 전 합신호일 수 있다.
상기 가변대역 모노펄스 수신기(103)는 상기 합신호 및 상기 차신호를 상기 대역폭 제어신호에 따라 대역 필터링할 수 있다. 그 후, 상기 대역 필터링된 합신호 및 차신호의 모노펄스 기울기를 이용하여 방위각 및 고각에 대한 오차각을 각각 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 안테나 추적기는 상기 생성된 방위각과 고각의 오차각을 기반으로 추정 필터링을 수행하여, 상기 생성된 방위각 및 고각의 오차각과 각각 대응되는 보정된 오차각을 산출하는 단계를 진행할 수 있다(S250).
추정필터 처리기(104)는 상기 오차각들을 수신한 후, 추적의 정확도를 높이기 위하여, 상기 오차각들에 대하여 추정 필터링을 수행하여, 상기 보정된 오차각을 산출할 수 있다. 한편, 본 발명은 추정필터 처리기(104)를 별도로 구비할 수도 있지만, 반드시 필수적인 요소는 아니며, 상기 가변대역 모노펄스 수신기(103) 또는 상기 안테나 구동 제어기(105)에서 상기 추정필터 처리기(104)의 기능을 모두 수행할 수 있다.
또한, 추정필터링 없이 모노펄스 수신기(103)에서 직접 안테나 구동 제어기(105)로 오차각 정보를 전송할 수 있다. 이 경우, 상기 모노펄스 수신기(103)는 상기 오차각 정보를 추가적으로 널리 알려진 이동평균 필터, 루프(loop) 필터 기법 등을 이용하여 필터링 할 수 있다.
상기 추정필터링은 다양한 필터기법에 의하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 칼만 필터 방식, 알파-베타 필터 방식 등이 사용될 수 있다. 도 3은 상기 칼만 필터 방식 및 알파-베타 필터 방식의 제어방법의 흐름도이다.
우선, 칼만 필터 방식을 기준으로 살펴보면, 칼만 필터 방식을 사용하는 추정필터 처리기(104)는 우선 가변대역 모노펄스 수신기로부터 방위각 및 고각의 오차각을 각각 수신할 수 있다(S310). 그 후, 상기 수신한 방위각 및 고각의 오차각에 대하여 사전 추정을 수행한다(S320). 상기 사전 추정된 방위각 및 고각의 오차각과 측정각을 이용하여 사후 추정을 수행한다(S330). 또한, 상기 알파-베타 필터 방식은 상기 칼만 필터 방식에서 이득값을 고정한 것이다. 여기에서, 상기 사전 추정 및 사후 추정은 통상의 기술자에게 널리 알려진 방법이므로 자세한 설명은 생략한다.
이때, 상기 추정필터 처리기(104)는 상기와 같은 필터 기법을 사용하기 위하여, 상태모델 및 측정모델을 설정할 수 있다.
상기 상태모델은 하기의 [수학식 1]에 의하여 상태모델 방정식으로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112014041015314-pat00001
(
Figure 112014041015314-pat00002
: k시점에서의 안테나의 상태벡터,
Figure 112014041015314-pat00003
: 안테나의 각가속도, A 및 B : 상태전이 행렬)
여기에서, 상태벡터
Figure 112014041015314-pat00004
는
Figure 112014041015314-pat00005
일 수 있다. 이때,
Figure 112014041015314-pat00006
과
Figure 112014041015314-pat00007
은 방위각에 대한 오차각 및 각속도,
Figure 112014041015314-pat00008
과
Figure 112014041015314-pat00009
은 고각에 따른 오차각 및 각속도일 수 있다. 또한, 상기
Figure 112014041015314-pat00010
는 평균이 0이고, 공분산 행렬이 Q인 정규분포 N(0,Q)를 따르는 각가속도로 설정될 수 있다. 여기에서, 상기 공분산 행렬 Q는 추적의 대상이 되는 항공기의 운동 형태에 따라 결정될 수 있다. 즉, 상기 공분산 행렬 Q의 값은 항공기의 이동정도에 따라 비례하여 증가할 수 있다. 따라서, Q가 높아지면, 상기 항공기는 직선 운동형태보다 곡선의 운동형태를 띌 수 있다.
또한, 상태전이 행렬 A와 B는 가변대역 모노펄스 수신기(103)의 측정 주기 T에 대하여 하기의 [수학식 2] 및 [수학식 3]에 의하여 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112014041015314-pat00011
[수학식 3]
Figure 112014041015314-pat00012
또한, 상기 측정모델은 하기의 [수학식 4]에 의하여 측정모델 방정식으로 정의될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112014041015314-pat00013
(
Figure 112014041015314-pat00014
: 측정벡터,
Figure 112014041015314-pat00015
: 측정 잡음,
Figure 112014041015314-pat00016
: 측정 행렬)
상기
Figure 112014041015314-pat00017
는
Figure 112014041015314-pat00018
일 수 있다. 여기에서,
Figure 112014041015314-pat00019
은 방위각에 대한 오차각의 보정각,
Figure 112014041015314-pat00020
은 고각에 대한 오차각의 보정각일 수 있다. 상기
Figure 112014041015314-pat00021
는 평균이 0이고, 공분산 행렬이 R인 정규분포 N(0, R)를 따르는 측정 잡음이다. 여기에서, 상기 R은 추정필터 처리기(104)가 없는 경우, 가변대역 모노펄스 수신기(103)에서의 오차의 각 출력 정확도를 측정하여 결정될 수 있다.
그리고, 상기 측정 행렬 H는 오차각만을 사용하기 위하여 하기의 [수학식 5]로 정의될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112014041015314-pat00022
상기 추정필터 처리기(104)는 상기 상태모델 및 측정모델을 이용하여 칼만 필터 및 알파-베타 필터 기법을 이용하여 오차각을 보정할 수 있다.
본 발명에 따른 안테나 추적기는 상기 보정된 오차각에 근거하여, 상기 복수의 안테나의 동작을 제어하는 단계를 진행할 수 있다(S270).
상기 오차각이 보정된 후, 상기 보정된 보정각을 수신한 안테나 구동 제어기(105)는 상기 복수의 안테나에게 상기 보정된 보정각에 근거하여, 안테나 제어신호를 전송할 수 있다. 즉, 상기 안테나 구동 제어기(105)는 상기 보정된 보정각을 이용하여, 현재 안테나의 상태가 항공기의 안테나의 상태와 송수신하기 적합한 상태로 변경되도록 상기 안테나의 자세를 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 안테나가 향하는 위치를 변경할 수 있다.
이를 통하여, 본 발명은 상기 안테나 구동 제어기(105)를 이용하여 항공기의 안테나와 데이터의 송수신이 원활히 이루어질 수 있도록 한다.
본 발명은 이동하는 항공기에서 송신하는 가변 전송용량의 광대역 신호를 수신 안테나에서 수신 시, 대역폭에 맞게 가변대역 모노펄스 수신기가 신호를 대역필터링을 통하여 신호 대역 외의 잡음에 강인할 수 있다.
또한, 본 발명은 통신신호를 이용한 모노펄스 추적 방식을 사용하여 GPS정보를 수신하기 위한 별도의 수신장비를 구비하지 않아도, 원거리의 항공기 안테나 추적이 가능하다.
또한, 본 발명은 추정필터기법을 이용하여 오차각을 보정하거나, 추적 시스템의 상태모델 및 측정모델의 제공을 통해 추적의 정확도를 높일 수 있다.
101 : 안테나 102 : 모노펄스 비교기
103 : 가변대역 모노펄스 수신기 104 : 추정필터 처리기
105 : 안테나 구동 제어기 106 : 가변대역 RF 처리기
107 : 기저대역 송수신기

Claims (6)

  1. 유인 또는 무인 항공기로부터 신호를 수신하는 복수의 안테나;
    상기 복수의 안테나로부터 수신된 복수의 신호를 이용하여, 합신호와 차신호를 생성하는 모노펄스 비교기;
    상기 합신호 수신하고, 상기 합신호를 상기 유인 또는 무인 항공기의 가변 전송용량에 따라 가변대역 필터링한 대역필터링 신호를 기저대역 송수신기로 전송하는 가변대역 RF처리기;
    상기 대역필터링 신호를 수신하고, 상기 가변 전송용량에 기초하여 대역폭 제어신호를 생성하는 기저대역 송수신기;
    상기 가변대역 RF 처리기로부터 합신호를 수신하고, 상기 모노펄스 비교기로부터 복수의 차신호를 수신하며, 상기 기저대역 송수신기로부터 대역폭 제어신호를 수신하여, 상기 합신호, 차신호를 상기 대역폭 제어신호에 기초하여, 대역 필터링을 수행하고, 상기 대역 필터링이 수행된 합신호 및 차신호를 이용하여, 방위각 및 고각의 오차각을 각각 생성하는 가변대역 모노펄스 수신기;
    상기 생성된 방위각과 고각의 오차각을 기반으로 기 설정된 방식의 추정필터링 기법을 수행하여, 상기 생성된 방위각 및 고각의 오차각과 각각 대응되는 보정된 오차각을 산출하는 추정필터 처리기; 및
    상기 보정된 오차각에 근거하여, 상기 복수의 안테나의 동작을 제어하는 안테나 구동 제어기를 포함하고,
    상기 추정필터 처리기는
    칼만필터 기법 및 알파-베타 필터 기법 중 적어도 하나의 필터 기법에 의하여 상기 오차각을 필터링하여 보정각을 산출하고,
    상기 방위각과 고각에 따른 오차각, 각속도 및 각가속도로 구성되는 상태모델을 생성하고,
    상기 생성된 상태모델, 측정 잡음 및 상기 오차각을 이용하여 측정 모델을 검출하며,
    상기 산출된 측정모델에 근거하여, 상기 방위각과 고각에 따른 오차각의 보정각을 산출하며,
    상기 각가속도에 대한 분산은 안테나의 이동 속도에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 안테나 추적기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모노펄스 비교기는
    방위각 방향의 차신호 및 고각 방향의 차신호 중 적어도 하나를 생성하는 것을 특징으로 하는 안테나 추적기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가변대역 모노펄스 수신기는
    기 설정된 기준 방위각 및 고각과 상기 수신된 방위각 및 고각을 비교하여 오차각을 산출하는 것을 특징으로 하는 안테나 추적기.

  4. 삭제
  5. 삭제
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