KR101478642B1 - 신호원 위치탐지 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR101478642B1
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signal
fixed
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곽현규
김상원
이규송
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 신호원 위치탐지 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 미지의 신호원으로부터 수신되는 신호들의 위상차 변화율을 분석하여 신호원의 위치를 탐지하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 신호원 위치 탐지 시스템은, 고정 안테나(1); 고정 안테나(1)를 중심으로 일정 반경에서 일정한 각속도로 회전하는 회전 안테나(3); 고정 안테나(1)와 회전 안테나(3)에서 수신된 신호들의 위상차의 변화율을 회전 안테나(3)의 회전시 샘플링한 다수의 위치별로 산출하여 위상차의 변화율 및 회전 안테나(3)의 위치 데이터를 기초로 신호원의 위치를 추정하는 분석기(6)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 본 발명은 수신기가 갖고 있는 오차의 영향을 최소화하고 신호원의 위치를 알아낼 수 있는 정밀한 1 플랫폼 타입의 FDOA 위치탐지 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.

Description

신호원 위치탐지 시스템 및 방법{SYSTEM FOR LOCALIZING SIGNAL SOURCE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 신호원 위치탐지 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 미지의 신호원으로부터 수신되는 신호들의 위상차 변화율을 분석하여 신호원의 위치가 탐지되는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 수신 전파를 기초로 미지의 신호원 위치를 추적하는 방법에는 여러 지점에서 수신된 신호들의 주파수 차이를 이용하는 FDOA(Frequency Difference Of Arrival)방식과 수신된 시간차를 이용하는 TDOA(Time Difference Of Arrival)방식을 널리 이용한다.
그러나, TDOA 혹은 FDOA를 단독으로 이용한 위치추정 방법은 대체적으로 높은 정확도를 나타내지만, 안테나의 배치 및 위협의 위치 등의 기하학적 배치에 따른 GDOP(Geometric Dilution of Precision)현상으로 인하여 위치추정 정확도가 떨어진다.
하기 특허문헌은 TDOA 혹은 FDOA를 단독으로 이용한 위치추정 기술을 극복하기 위해 FDOA(Frequency Difference Of Arrival)방식과 TDOA(Time Difference Of Arrival) 방식을 결합한 기술의 예를 나타낸다. 이로부터, TDOA/FDOA를 이용한 Gauss-Newton 기법기반 신호원 위치추정 기술이 실시될 수 있다.
그러나하지만, FDOA를 사용하는 시스템은 여러 지점에 안테나와 수신기를 함께 설치하고 이들로부터 신호들을 수집하여 위치를 추정함으로써 주파수 차이가 수 mHz로 추정된 상황에서 각 수신기의 주파수 검출 오차 범위가 2 mHz 내외일 때, 이로부터 얻은 신호원의 위치를 신뢰하기 어렵게 된다.
그러므로, FDOA를 사용하는 시스템에서는 고가의 수신기를 사용하거나 또는 수신 안테나 사이의 상대적 운동 속도를 크게 함으로써 각 수신기에서 검출된 주파수 차가 수신기의 주파수 검출 오차보다 크지 않을 때 위치 추정 결과를 담보할 수 없는 단점을 해결할 수밖에 없다.
국내등록특허 10-1280513(2013년06월25일)
하지만, FDOA를 사용하는 시스템에서 주파수 오차를 줄일 수 있는 고가의 수신기를 사용하는 방식은 수신기의 측정 오차가 미치는 영향은 주파수 차가 미세한 경우에 여전히 클 수밖에 없으므로 정확성이 담보되기 어려울 수밖에 없다.
또한, 주파수 차를 높이기 위해서 수신 안테나 사이의 상대적 운동 속도를 크게 하는 방식은 다수의 항공기로부터 얻은 신호들을 이용하여 주파수 차를 높일 수 있지만, 이와 같은 경우 플랫폼의 이동 속도와 측정 위치 등의 불확실성이 증가할 뿐만 아니라 하나의 플랫폼에서 동작하도록 구현하기가 어렵다는 한계를 보여주는 방증이 될 뿐이다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 미지의 신호원으로부터 수신되는 신호들의 위상차 변화율을 분석하여 신호원의 위치가 탐지됨으로써 하나의 플랫폼상에서 동작가능하며 수신기의 오차 영향을 최소로 신호원의 위치를 측정할 수 있는 신호원 위치 탐지 시스템 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적은 본 발명의 일 양태에 따른 전파 신호를 수신하여 신호원의 위치를 탐지하는 위치탐지 시스템에 있어서, 고정 안테나; 상기 고정 안테나를 중심으로 일정 반경에서 일정한 각속도로 회전하는 회전 안테나; 상기 고정 안테나와 상기 회전 안테나에서 수신된 신호들의 위상차의 변화율을 상기 회전 안테나의 회전시 샘플링한 다수의 위치별로 산출하여 상기 위상차의 변화율 및 상기 회전 안테나의 위치 데이터를 기초로 상기 신호원의 위치를 추정하는 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호원 위치탐지 시스템에 의해 달성될 수 있다.
여기에서, 상기 회전 안테나를 상기 고정 안테나를 중심으로 일정 반경의 미리 결정된 궤도를 따라 이동시키는 회전 구동부를 더 포함할 수 있고, 상기 분석기는 상기 다수의 위치 중 하나의 제1 위치에서 상기 회전 안테나의 수신 신호가 상기 고정 안테나의 수신 신호와의 사이에서 나타내는 위상차와, 상기 제1 위치로부터 회전에 의한 다음 샘플링 위치인 제2 위치에서 상기 회전 안테나의 수신 신호가 상기 고정 안테나의 수신 신호와의 사이에서 나타내는 위상차 사이의 변동량을 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치에서의 샘플링 시간차로 나누어 상기 위상차의 변화율을 산출하는 것이 가능하다.
그리고, 상기 분석기는 상기 다수의 위치로부터 측정되는 복수의 위상차 변화율을 기초로 반복적 LSE(Least Squares Estimation)를 적용하여 상기 신호원의 위치를 추정할 수 있다.
또한, 상기 목적은 본 발명의 다른 양태에 따른 신호원 위치탐지 방법에 있어서, 고정 안테나 및 상기 고정 안테나를 중심으로 일정 반경의 궤도를 회전하는 회전 안테나로부터 수신 신호를 샘플링하는 단계; 상기 샘플링 시점마다 상기 고정 안테나의 수신 신호 및 상기 회전 안테나의 수신 신호 사이의 위상차를 추출하는 단계; 상기 위상차의 변화율을 산출하는 단계; 상기 샘플링 시점에서의 상기 회전 안테나의 위치 정보를 기초로 신호원의 추정 위치에 따른 상기 위상차 변화율을 추정하는 단계; 및 상기 추정된 위상차 변화율과 상기 산출된 위상차 변화율간의 차이를 기초로 상기 신호원의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호원 위치탐지 방법에 의해 달성될 수 있다.
이러한 본 발명은 미지의 신호원으로부터 수신되는 신호들의 위상차 변화율을 분석하여 신호원의 위치가 탐지됨으로써 고가의 수신기를 사용하거나 또는 수신 안테나 사이의 상대적 운동 속도를 크게 하지 않는 FDOA 시스템이 구현되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 수신기가 갖고 있는 오차의 영향을 최소화하고, 신호원의 위치를 알아낼 수 있는 정밀한 1 플랫폼 타입 FDOA 시스템이 구현되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 신호원 위치탐지 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2 및 도 3의 각각은 본 발명의 모델링 도출 과정을 설명하기 위한 개념도이며, 도 4 및 도 5의 각각은 LSE(Least Squares Estimation)방법이 적용되는 과정을 설명하기 위한 블록도이고, 도 6 및 도 7의 각각은 본 발명의 신호측정모델 및 LSE(Least Squares Estimation)적용시 신호원 위치 추정 결과들을 추적한 그래프이며, 도 8은 본 발명에 따른 시스템의 위상차 오차 크기에 따른 방위각 오차 영향을 표시하는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신호원 위치탐지 시스템의 개략적인 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 신호원 위치탐지 시스템은 고정 안테나(1), 지주(2), 회전 안테나(3), 회전 암(4), 회전 구동부(5), 분석기(6)를 포함해 구성된다.
상기 고정 안테나(1)는 일정 위치에 설치되는 지주(2)에 고정되고, 반면 상기 회전 안테나(3)는 지주(2)에 부착된 회전 암(4)에 설치된다. 특히, 상기 고정 안테나(1) 및 상기 회전 안테나(3)는 옴니 안테나로 구현된다.
상기 회전 구동부(5)는 지주(2)를 축으로 회전 암(4)이 회전하도록 지주(2)를 회전시킨다. 그러므로, 상기 회전 구동부(5)가 구동되면, 회전 안테나(3)는 고정 안테나(1)를 중심으로 일정 반경의 궤도를 일정한 각속도로 회전할 수 있다.
다만, 본 발명은 본 실시예의 회전 메카니즘에 한정되는 것은 아니며, 회전 안테나(3)가 고정 안테나(1)를 중심으로 회전하도록 하는 다양한 메카니즘으로 구현될 수 있음에 주의한다. 즉, 예컨대, 회전 구동부(5)는 지주(2)와 분리 설치된 회전 암(4)만을 회전시키고 지주(2)는 고정되도록 구현될 수 있으며, 또는 회전 암(4)이 생략된 상태로 회전 안테나(3)만 일정 궤도를 따라 주행하도록 하는 구조 및/또는 메카니즘으로 구현될 수도 있다.
상기 분석기(6)는 고정 안테나(1) 및 회전 안테나(3)의 각각에서 신호들을 수신하며, 이를 위해 고정 안테나(1) 및 회전 안테나(3)의 각각에는 신호 송신가 구비되고 분석기(6)에서 신호 수신기가 구비된다. 특히, 회전 안테나(3)가 회전 운동함에 따라 일정 시간 간격으로 샘플링되는 시점에서 회전 안테나(3)에서 수신되는 신호와 고정 안테나(1)에서 수신된 신호가 각각 분석기(6)로 주기적으로 전송될 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3의 각각은 본 발명의 실시예에서 모델링 도출 과정을 설명하기 위한 개념도를 나타낸다. 이하에서는 분석기(6)가 회전 안테나(3)에서 수신된 신호를 회전 수신신호로 정의하고, 고정 안테나(1)에서 수신된 신호를 고정 수신신호라 정의하여 설명된다.
도시된 바와 같이, 분석기(6)가 회전 안테나(3)의 회전 수신신호와 고정 안테나(1)의 고정 수신신호를 각각 수신하면, 분석기(6)에서는 회전 수신신호와 고정 수신신호에 대한 위상차의 변화율을 샘플링 위치별로 산출하고, 샘플링 시점에서의 회전 안테나(3) 위치 데이터를 기초로 신호원의 위치가 추정될 수 있다.
나아가, 분석기(6)에서는 고정 수신신호와 회전 수신신호 사이의 위상차가 각 샘플링 시점마다 축적되고, 인접한 위상차 데이터의 변화율을 샘플링 시간 간격으로 나누어 위상차의 변화율을 각 샘플링 위치마다 구할 수 있으며, 이러한 측정치로 인해 각 샘플링 시점에서의 회전 안테나(3)의 위치 정보를 기초로 신호원 위치가 역산될 수 있다.
이를 위해, 다음의 수학식1이 적용된다.
<수학식 1>
Figure 112014054966638-pat00001
여기에서, △F는 위상차의 변화율, F는 수신 신호의 주파수, C는 광속, ω는 회전 안테나(3)의 각속도, (xant, yant)는 고정 안테나(1)를 원점으로 한 직각 좌표계에서 샘플링 시점의 안테나 위치 혹은 두 샘플링 시점의 안테나 위치의 중간 위치, (x, y)는 신호원의 위치이다.
상기 수학식1에서 신호원의 좌표는 미지수이고, △F 및 F는 각각 측정되는 값이며, C는 상수이고, ω는 회전 안테나(3)의 각속도로서 미리 결정된 상수이며, 안테나의 위치는 알고 있는 샘플링 시점으로 결정된 값이다. 그러므로, 1000개의 샘플링이 수행된 경우, 회전 수신신호와 고정 수신신호 사이의 위상차 데이터는 1000개가 되고, 샘플링 시점 사이의 위상차의 변화값은 999개가 되며, 이를 일정한 샘플링 시간 간격으로 나누면 999개의 △F를 얻게 되어 총 999개의 방정식이 얻어지고, 이로부터 미지수인 신호원의 좌표가 구해질 수 있다.
이러한 근거는 <수학식 1>의 도출 과정을 통해 증명될 수 있다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 수신원으로부터 고정 안테나(1)와 회전 안테나(3)에 도달하는데 소요되는 시간차 즉, 위상차(△Φ)/각속도(2πF) = 경로차(△d=dsinθ)/전파속도(C) 관계식으로부터 다음의 수학식2가 정리될 수 있다.
<수학식 2>
Figure 112014054966638-pat00002
여기에서, 변수의 정의는 <수학식 1>과 같으며, 다만, d는 회전 안테나(3)의 회전 반경, θ는 도2에 도시된 바와 같은 직각 좌표계 상에서 회전 안테나(3)가 X축과 이루는 각이다.
상기 <수학식 2>의 위상차의 변화율을 구하면, 다음의 <수학식 3>과 같은 과정으로 전개된다.
<수학식 3>
Figure 112014054966638-pat00003
여기에서, ω는 도3에 도시된 바와 같이 회전 안테나(3)의 각속도이고, R은 도3에 도시된 바와 같이 회전 안테나(3)의 회전 반경이다.
최종적으로, 상기<수학식 3>의 우변은 <수학식 1>과 같은 수식으로 귀결됨을 알 수 있고, 이로부터 <수학식 1>의 결과는 <수학식 2>의 위상차의 변화율을 구함으로써 <수학식 3>과 같은 과정을 통해 얻어짐이 증명된다. 따라서, 전술한 바와 같이, 신호원의 위치 좌표를 제외한 모든 변수는 상수 또는 측정치로서 1000개의 샘플링이 수행되면 999개의 방정식이 얻어지게 되며, 방정식의 해를 구하여 신호원의 위치를 추정할 수 있음도 증명된다.
이로부터 추정된 신호원의 위치는 근사화를 위한 방법이 적용됨으로써 한 포인트로 결정되어야 한다. 이러한 이유는 이론적으로 추정된 신호원의 위치가 한 포인트로 나타나야 하나 측정 오차로 인해 다수의 해가 얻어질 수 있기 때문이다.
통상, 신호원의 위치를 근사화하기 위한 추가의 작업에서는 확률적으로 평균적인 위치 혹은 기하학적 평균의 위치 등으로 신호원의 위치가 추정되거나 또는 LSE(Least Squares Estimation)방법을 사용하여 신호원의 위치가 결정될 수 있다. 그러므로, 본 발명에서는 신호원 위치의 근사화에 따른 특정 방법에 제한되지 않으며 어떠한 방법과 함께 병행하여 이용될 수 있다.
도 4 및 도 5는 분석기(6)가 신호측정모델(10)을 이용하고, LSE(Least Squares Estimation)방법을 통하여 신호원까지의 거리 및 방향 정보를 도출하여 신호원 위치 추정을 수행할 수 있음을 나타낸다.
도 4를 참조하면, N은 샘플링 횟수를 의미하고, fd[n]은 <수학식 1>의 우변 수식에 신호원의 추정 위치를 입력했을 때 n번째 샘필링 위치에서 얻어지는 이론적인 위상차 변화값을 의미하며, △F[n]은 <수학식 1>의 좌변 수식에 해당하는 것으로 n번째 샘플링 위치에서 얻어지는 위상차 변화율 측정값을 의미한다.
그러므로, LSE(Least Squares Estimation)방법에서는 추정한 신호원의 위치에 따른 이론적인 위상차 변화율(fd[n])과 실측값(△F[n])의 오차(e[n])의 제곱의 합을 자코비안 행렬로 다음의 <수학식4>로 정의할 수 있다.
<수학식 4>
Figure 112014054966638-pat00004
도 5를 참조하면, 신호원의 위치를 추정하여 초기값을 대입하고(S1), N개의 fd를 계산하며(S2), 측정치와의 차이를 계산하고(S3), 상기 <수학식4>의 자코비안 행렬 값을 계산하여 준다(S4). 이어, 추정 위치를 자코비안 행렬 값으로 갱신하고(S5), 갱신된 추정 위치가 수렴하는지 확인한 다음 반복적으로 자코비안 행렬 값을 계산함으로써 수렴하는 위치 좌표로 신호원의 위치를 추정해 나간다(S6).
도 6, 도 7, 도 8은 LSE(Least Squares Estimation)방법을 적용한 결과의 예로서, 이는 신호원의 위치를 x=150m, y=220m로 하고, 주파수를 10GHz로 하며, 회전 안테나(3)의 속도를 30rpm을 하고, 샘플링 시간을 2초로 하며, 회전 암(4)의 길이를 1.5m로 하고, 위상차 측정오차를 3.22도로 적용하여 실험한 결과를 나타낸다.
도 6, 7을 참조하면, 신호원의 위치에 가깝게 수렴해 가는 것을 볼 수 있으며 최종적으로 x=148.7m, y=218m 의 수렴 값을 얻을 수 있었고, 방위각(AOA, Angle of Arrival)은 거의 일정하게 57.5도를 유지하는 결과를 얻었다.
특히, 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 모델은 위상차의 RMS 에러에 강인하여, RMS 오차값이 12가 되더라도 방위각의 RMS 에러는 0.01도 미만인 것으로 확인될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명에서는 고정 안테나(1), 고정 안테나(1)를 중심으로 일정 반경에서 일정한 각속도로 회전하는 회전 안테나(3), 고정 안테나(1)와 회전 안테나(3)에서 수신된 신호들의 위상차의 변화율을 회전 안테나(3)의 회전시 샘플링한 다수의 위치별로 산출하여 위상차의 변화율 및 회전 안테나의 위치 데이터를 기초로 신호원의 위치를 추정하는 분석기(6)가 포함됨으로써 정밀한 1 플랫폼 타입의 FDOA 위치탐지 시스템이 구현되고, 미지의 신호원으로부터 수신되는 신호들의 위상차 변화율을 분석하여 신호원의 위치를 탐지함으로써 수신기가 갖고 있는 오차의 영향을 최소화하고 신호원의 위치를 알아낼 수 있는 정밀한 1 플랫폼 타입의 FDOA 위치탐지 방법이 제공된다.
지금까지 기술된 본 발명의 실시예는 예시적인 것으로서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 기술된 실시예를 일부 변형하는 것이 용이하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 실시예는 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안 될 것이며 본 발명의 기술적 사상의 예시적인 실시 형태를 기술한 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 기술적 사상은 특허청구범위에 기재된 발명으로부터 정해지며, 그 보호범위는 균등물에 미치는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 고정 안테나 2 : 지주
3 : 회전 안테나 4 : 회전 암
5 : 회전 구동부 6 : 분석기(6)
10 : 신호측정모델

Claims (7)

  1. 전파 신호를 수신하여 신호원의 위치를 탐지하는 위치탐지 시스템에 있어서,
    고정 안테나;
    상기 고정 안테나를 중심으로 일정 반경에서 일정한 각속도로 회전하는 회전 안테나;
    상기 고정 안테나와 상기 회전 안테나에서 수신된 신호들의 위상차의 변화율을 상기 회전 안테나의 회전시 샘플링한 다수의 위치별로 산출하여 상기 위상차의 변화율 및 상기 회전 안테나의 위치 데이터를 기초로 상기 신호원의 위치를 추정하는 분석기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호원 위치탐지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전 안테나를 상기 고정 안테나를 중심으로 일정 반경의 미리 결정된 궤도를 따라 이동시키는 회전 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호원 위치탐지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분석기는, 상기 다수의 위치 중 하나의 제1 위치에서 상기 회전 안테나의 수신 신호가 상기 고정 안테나의 수신 신호와의 사이에서 나타내는 위상차와, 상기 제1 위치로부터 회전에 의한 다음 샘플링 위치인 제2 위치에서 상기 회전 안테나의 수신 신호가 상기 고정 안테나의 수신 신호와의 사이에서 나타내는 위상차 사이의 변동량을 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치에서의 샘플링 시간차로 나누어 상기 위상차의 변화율을 산출하는 것을 특징으로 하는 신호원 위치탐지 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분석기는 다음 수식에 의해 상기 신호원의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 신호원 위치탐지 시스템.
    Figure 112014054966638-pat00005

    여기에서, △F는 추정되는 위상차 변화율, F는 수신 신호의 주파수, C는 광속, ω는 회전 안테나의 각속도, (xant, yant)는 고정 안테나를 원점으로 한 직각 좌표계에서 샘플링 시점의 회전 안테나의 위치, (x, y)는 신호원의 추정 위치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분석기는 상기 다수의 위치로부터 측정되는 복수의 위상차 변화율을 기초로 반복적 LSE(Least Squares Estimation)를 적용하여 상기 신호원의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 신호원 위치탐지 시스템.
  6. 신호원 위치탐지 방법에 있어서,
    고정 안테나 및 상기 고정 안테나를 중심으로 일정 반경의 궤도를 회전하는 회전 안테나로부터 수신 신호를 샘플링하는 단계;
    상기 샘플링 시점마다 상기 고정 안테나의 수신 신호 및 상기 회전 안테나의 수신 신호 사이의 위상차를 추출하는 단계;
    상기 위상차의 변화율을 산출하는 단계;
    상기 샘플링 시점에서의 상기 회전 안테나의 위치 정보를 기초로 신호원의 추정 위치에 따른 상기 위상차 변화율을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 위상차 변화율과 상기 산출된 위상차 변화율간의 차이를 기초로 상기 신호원의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호원 위치탐지 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 회전 안테나의 위치 정보 및 상기 신호원의 위치에 따른 상기 위상차 변화율 추정 단계는 다음 수식에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 신호원 위치 탐지 방법.
    Figure 112014054966638-pat00006

    여기에서, △F는 추정되는 위상차 변화율, F는 수신 신호의 주파수, C는 광속, ω는 회전 안테나의 각속도, (xant, yant)는 고정 안테나를 원점으로 한 직각 좌표계에서 샘플링 시점의 회전 안테나의 위치, (x, y)는 신호원의 추정 위치.
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