KR101498613B1 - 경량 배열 안테나 항재밍 장치 및 방법 - Google Patents

경량 배열 안테나 항재밍 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

경량 배열 안테나 항재밍 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치는 위성에서 송출하는 GNSS(Global Navigation Satellite System) 신호를 수신하기 위한 복수개의 GNSS 안테나들을 포함하는 GNSS 배열 안테나부, 상기 복수개의 GNSS 안테나들이 수신하는 각각의 신호를 제 1 기준 신호 및 제 1 보조 신호로 입력받아 중합함으로써 서로 다른 빔을 형성하는 복수개의 중합부들을 포함하는 제 1 빔 형성부 및 상기 서로 다른 빔의 신호들을 입력 받아 중합함으로써 비가시 영역이 최소화된 항재밍 빔을 형성하는 제 2 빔 형성부를 포함한다.

Description

경량 배열 안테나 항재밍 장치 및 방법{COMPACT ARRAY ANTENNA APPARATUS AND METHOD FOR ANTI JAMMING}
본 발명은 GNSS(Global Navigation Satellite System) 항재밍 시스템에서 경량 배열 안테나 항재밍 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 항재밍용 배열 안테나 소자에 비해 적은 수의 안테나 소자를 사용하면서 재밍 신호를 제거하고, 동시에 GNSS 신호 비가시 영역을 최소화하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치 및 방법에 관한 것이다.
GNSS는 위성에서 송출하는 GNSS 신호를 지상에서 수신하여 수신기의 위치, 속도와 시각정보를 얻을 수 있는 위성항법시스템이다. GNSS 신호를 수신하여 위치 및 시간 정보를 얻기 위해서 수신기는 4개 이상의 위성으로부터 GNSS 신호를 수신해야만 한다. 이를 위해 GNSS 신호를 송출하는 위성은 전세계 어디에서도 동시에 4개 이상의 위성이 가시영역에 존재하도록 설계되어 있다.
한편, GNSS 위성은 2만km 상공에서 대략 25와트 정도의 파워로 GNSS 신호를 송출하기 때문에 지상에서 수신하는 GNSS 신호는 매우 미약하다. 이런 이유로 GNSS 신호는 전파 간섭에 취약하고 작은 파워의 전파 방해로도 쉽게 GNSS 수신을 방해할 수 있다.
한국 등록 특허 제0866565 등 GNSS 재밍에 대응하는 종래의 기술 중 하나로 배열 안테나를 사용하여 공간적으로 재밍 신호를 제거하는 방식이 존재한다. 배열 안테나를 이용한 항재밍 기술에서는 배열 안테나의 수신패턴을 조정하는 빔 형성 기법을 통해 재밍 신호 방향으로는 널을 형성하고 위성신호 방향으로 빔을 형성하는 방식으로 재밍을 방지한다.
복소수의 가중치를 신호에 적용하면 신호의 크기와 위상을 변경할 수 있다. GNSS 항재밍을 위한 배열 안테나 빔 형성 장치(beam-former)는 배열 안테나의 신호에 복소수 형태의 가중치를 적용하고 가산하여 널과 빔을 형성하는 방식으로 빔패턴을 제어한다. 이 때, 각 안테나 신호 가중치의 계산을 위해 전력 최소화(power minimization 혹은 power inversion) 기법이 가장 널리 사용되는데 빔 형성을 위해 GNSS 위성신호의 방향에 대한 사전정보를 필요로 하지 않는다는 장점을 갖는다.
반면, 빔패턴 제어를 통한 재밍신호 제거에서는 생성되는 널(NULL)과 빔의 형태에 의해, GNSS 위성의 위치에 따라 수신기에서 위성 신호의 수신이 불가한 위성 비가시 영역이 발생하게 된다. 위성 비가시 영역은 재밍신호의 세기 및 위치에 따라 변경되는 빔패턴에 의해 결정되는데, 빔패턴은 다시 배열 안테나의 구조와 배열 안테나를 구성하는 안테나 소자의 수에 의해 변경된다.
배열 안테나를 이용한 GNSS 항재밍 시스템에서 안테나 소자의 수가 증가할수록 좁은 빔(혹은 널) 폭을 갖는 빔(혹은 널)을 형성할 수 있기 때문에 넓은 가시영역을 확보할 수 있는 장점이 존재한다.
반면, 안테나 소자의 수가 증가하면 빔(혹은 널) 형성을 위해 얻어야 하는 상호공분산 행렬의 차원이 높아져 연산량의 증가와 함께 많은 소자를 운용하기 위한 구현 복잡도의 상승과 전력 소모의 증가가 단점으로 부각된다. 통상 군사용의 항재밍 배열 안테나의 경우 6~7개의 안테나 소자를 갖는 것으로 알려져 있다.
따라서 상기 단점을 극복하기 위해서는 적은 수의 안테나 소자를 사용하면서 재밍신호를 제거하고, GNSS 신호 비가시 영역을 최소화하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치 및 방법이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은, 전파간섭 재밍에 취약한 GNSS 수신 시스템에 있어서 소수의 안테나 소자를 갖는 배열 안테나를 이용하여 빔 형성을 통해 효과적으로 재밍신호를 널링(nulling)하는 것을 가능케 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 비가시 영역을 최소화 할 수 있도록 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 재밍 존재여부에 상관 없이 GNSS 신호의 비가시 영역을 최소화하면서 경량의 배열안테나를 적용하여, 기존 배열 안테나 시스템에 비해 구현 복잡도를 낮추고 전력효율을 높이는 것에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치는 위성에서 송출하는 GNSS(Global Navigation Satellite System) 신호를 수신하기 위한 복수개의 GNSS 안테나들을 포함하는 GNSS 배열 안테나부, 상기 복수개의 GNSS 안테나들이 수신하는 각각의 신호를 제 1 기준 신호 및 제 1 보조 신호로 입력받아 중합함으로써 서로 다른 빔을 형성하는 복수개의 중합부들을 포함하는 제 1 빔 형성부 및 상기 서로 다른 빔의 신호들을 입력 받아 중합함으로써 비가시 영역이 최소화된 항재밍 빔을 형성하는 제 2 빔 형성부를 포함한다.
이 때, 상기 제 1 빔 형성부는, 상기 복수개의 중합부들에게 서로 다른 제 1 기준 신호와 서로 다른 제 1 보조 신호들을 할당하는 할당부를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 중합부들은, 전력 최소화 기법을 적용하여 상기 제 1 기준 신호 및 상기 제 1 보조 신호들에게 서로 다른 가중치를 부여하여 중합할 수 있다.
이 때, 상기 제 1 보조 신호의 가중치는, 상기 제 1 기준 신호와 상기 제 1 보조 신호들의 조합 간 오차의 에너지를 최소화 하는 값일 수 있다.
이 때, 상기 중합부들은, 동일한 재밍 신호를 제거하기 위해 서로 동일한 방향의 널(Null)을 형성할 수 있다.
이 때, 상기 중합부들은, 위성에서 송출하는 GNSS 신호를 수신할 수 없는 영역인 비가시 영역이 서로 다른 빔을 형성할 수 있다.
이 때, 상기 제 2 빔 형성부는, 상기 서로 다른 빔의 신호들을 조합으로써 빔 패턴을 중첩시킬 수 있다.
이 때, 상기 항재밍 빔의 비가시 영역은, 상기 중합부들이 공통으로 형성하는 비가시 영역일 수 있다.
이 때, 상기 항재밍 빔의 이득은, 상기 중합부들이 형성하는 이득을 중첩한 값일 수 있다.
이 때, 상기 중합부들의 개수는, 상기 복수개의 GNSS 안테나들의 개수에 대응할 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 방법은, 복수개의 GNSS(Global Navigation Satellite System) 안테나들을 통하여 위성에서 송출하는 GNSS 신호를 수신하는 단계, 상기 복수개의 GNSS 안테나들이 수신하는 각각의 신호를 제 1 기준 신호 및 제 1 보조 신호로 입력받아 중합함으로써 서로 다른 빔을 형성하는 단계 및 상기 서로 다른 빔의 신호들을 입력 받아 중합함으로써 비가시 영역이 최소화된 항재밍 빔을 형성하는 단계를 포함한다.
이 때, 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계는, 서로 다른 제 1 기준 신호와 서로 다른 제 1 보조 신호들을 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계는, 전력 최소화 기법을 적용하여 상기 제 1 기준 신호 또는 상기 제 1 보조 신호들에게 서로 다른 가중치를 부여하여 중합할 수 있다.
이 때, 상기 제 1 보조 신호의 가중치는, 상기 제 1 기준 신호와 상기 제 1 보조 신호들의 조합 간 오차의 에너지를 최소화 하는 값일 수 있다.
이 때, 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계는, 동일한 재밍 신호를 제거하기 위해 서로 동일한 방향의 널(Null)을 형성할 수 있다.
이 때, 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계는, 위성에서 송출하는 GNSS 신호를 수신할 수 없는 영역인 비가시 영역이 서로 다른 빔을 형성할 수 있다.
이 때, 상기 항재밍 빔을 형성하는 단계는, 상기 서로 다른 빔의 신호들을 조합으로써 빔 패턴을 중첩시킬 수 있다.
이 때, 상기 항재밍 빔의 비가시 영역은, 상기 서로 다른 빔들이 공통으로 형성하는 비가시 영역일 수 있다.
이 때, 상기 항재밍 빔의 이득은, 상기 서로 다른 빔들이 형성하는 이득을 중첩한 값일 수 있다.
이 때, 상기 서로 다른 빔의 개수는, 상기 GNSS 안테나들의 개수에 대응할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전파간섭 재밍에 취약한 GNSS 수신 시스템에 있어서 소수의 안테나 소자를 갖는 배열 안테나를 이용하여 빔 형성을 통해 효과적으로 재밍신호를 널링(nulling)할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 비가시 영역을 최소화 할 수 있도록 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치 및 방법을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 재밍 존재여부에 상관 없이 GNSS 신호의 비가시 영역을 최소화하면서 경량의 배열안테나를 적용하여, 기존 배열 안테나 시스템에 비해 구현 복잡도를 낮추고 전력효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명과 대비되는 단일 빔 형성 장치의 구성 및 작용을 설명하는데 참조되는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 6은 제 1 빔 형성부가 신호를 중합하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치 및 단일 빔 형성 장치의 시뮬레이션 결과 값을 나타낸 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명과 대비되는 단일 빔 형성 장치의 구성 및 작용을 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명과 대비되는 단일 빔 형성 장치의 구성 및 작용을 설명하는데 참조되는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 단일 빔 형성 장치는 GNSS(Global Navigation Satellite System) 배열 안테나부(10), 빔 형성부(20)를 포함하고 있으며, 상기 빔 형성 부(20)는 신호 중합부(21)와 가중치 추정부(22)를 포함하고 있다.
상기 GNSS 배열 안테나부(10)는 기준 안테나(11)와 제 1 보조 안테나(12) 및 제 2 보조 안테나(13)들로 구성되어 있다.
상기 가중치 추정부(22)는 상기 GNSS 배열 안테나부로 수신된 신호로부터 각 안테나 신호의 가중치를 추정하게 된다. 상기 가중치는 기준 안테나(11)가 수신하는 신호와 제 1 보조 안테나(12) 및 제 2 보조 안테나(13)가 수신하는 신호의 조합 간 오차의 에너지를 최소화하는 값이다. 이는 결국 기준 안테나(11)에서 수신한 GNSS 신호에 포함된 재밍 신호를 제 1 보조 안테나(12) 및 제 2 보조 안테나(13)에서 수신한 신호들의 가중치 합으로 조합하여 추정한다. 그리고 추정되는 재밍신호를 기준 안테나(11)의 수신 신호에서 빼줌으로써 재밍 신호를 제거하는 것이다. 한편, 위 과정은 안테나 빔 패턴 측면에서 보면 재밍 신호가 존재하는 방향으로 널(NULL)을 형성하여 재밍 신호를 제거하는 과정이다.
그러나, 상기 설명한 전력 최소화 재밍 신호 제거 기법은 생성되는 널의 특성에 따라 GNSS 신호를 수신할 수 없는 위성 비가시 영역이 발생하게 된다. 여기서, 위성 비가시 영역이라 함은 배열 안테나 전체의 빔패턴에서 이득이 낮아 위성신호를 수신할 수 없는 영역을 의미한다. 위성 비가시 영역은 널의 폭이 클수록 증가하고, 널 이외의 영역에서 빔패턴 이득이 일정하게 특정 값 이상을 유지해야 감소한다. 한편, 배열 안테나 소자가 많을수록 배열 안테나가 생성할 수 있는 널의 폭은 좁아지고 빔패턴 이득이 특정 값 이상을 갖도록 일정하게 유지할 수 있는 가능성이 증가한다.
이런 이유로 널링을 통해 재밍신호를 제거하면서 동시에 위성 비가시 영역을 최소화하기 위해서는 배열 안테나를 구성하는 안테나 소자의 수를 증가시켜야 한다. 하지만, 안테나 소자의 증가는 전체 시스템의 구현 복잡도와 비용을 증가시키는 요인이 된다.
따라서, 이하에서는 상기 단점을 개선하는 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치에 대하여 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치의 블록도이다. 도 3은 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치의 실시예를 나타낸 도면이다. 도 4 내지 도 6은 제 1 빔 형성부가 신호를 중합하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치(100)는 위성에서 송출하는 GNSS(Global Navigation Satellite System) 신호를 수신하기 위한 복수개의 GNSS 안테나들을 포함하는 GNSS 배열 안테나부(110), 상기 복수개의 GNSS 안테나들이 수신하는 각각의 신호를 제 1 기준 신호 및 제 1 보조 신호로 입력받아 중합함으로써 서로 다른 빔을 형성하는 복수개의 중합부(122a, 122b, 122c)들을 포함하는 제 1 빔 형성부(120) 및 상기 서로 다른 빔의 신호들을 입력 받아 중합함으로써 비가시 영역이 최소화된 항재밍 빔을 형성하는 제 2 빔 형성부(130)를 포함한다.
도 3을 계속 참조하여, 본 발명의 일 실시예를 설명한다. 상기 GNSS 배열 안테나부(110)는 제 1 안테나(111), 제 2 안테나(112), 제 3 안테나(113)를 포함한다. 즉, 복수개의 GNSS 안테나들(111,112,113)을 포함한다. 통상적인 GNSS 배열 안테나의 개수(6~7개)에 비해 적은 수의 안테나를 포함한다.
본 발명의 목적에 해당하는 적은 수의 안테나 소자를 사용하면서 재밍신호를 방지하고, GNSS 신호 비가시 영역을 최소화하기 위해서는 제 1 빔 형성부(120) 및 제 2 빔 형성부(130)로 구성되는 이중의 빔 형성부가 필요하다.
상기 제 1 빔 형성부(120)는 제 1 중합부(122a), 제 2 중합부(122b) 및 제 3 중합부(122c)가 존재한다. 즉 복수개의 중합부가 존재한다.
이 때, 상기 중합부들(122a, 122b, 122c) 의 개수는 상기 복수개의 GNSS 안테나들의 개수에 대응될 수 있다. 예를들어 GNSS 안테나들의 개수가 4개라면 중합부의 개수도 4개가 됨이 바람직하다.
이 때, 상기 중합부1(122a)은 상기 GNSS 배열 안테나부(110)의 제 1 안테나 (111)가 수신하는 신호를 제 1 기준 신호로 할당하고, 상기 GNSS 배열 안테나부(110)의 제 2 안테나(112)가 수신하는 신호를 제 1 보조 신호로 할당하고, 상기 GNSS 배열 안테나부(110)의 제 3 안테나(113)가 수신하는 신호 역시 제 1 보조 신호로 할당한다. 즉 어느 하나의 안테나가 수신하는 신호를 제 1 기준 신호로 할당하고, 나머지 안테나들이 수신하는 신호는 모두 제 1 보조 신호로 할당하게 된다.
상기 제 1 빔 형성부는 상기 복수개의 중합부들에게 서로 다른 제 1 기준 신호를 할당하는 할당부(121)를 포함할 수 있다. 즉 복수개의 안테나들 가운데 특정 안테나가 수신하는 신호를 제 1 기준 신호로 정하는 역할을 한다. 상기와 같은, 할당부(121)는 중합부들(122a, 122b, 122c) 과 독립하여 구성되는 것은 아니며, 복수개의 중합부 내부에 각각 존재할 수도 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면 상기 제 N 안테나를 기준 안테나로 하는 상기 제 N 중합부(122a, 122b, 122c)는 서로 다른 제 1 기준 신호와 제 1 보조 신호들을 할당받게 되고 각 중합부의 제 1 보조 신호들에게 각각 다른 가중치를 부여하여 중합하게 된다. 구체적으로, 상기 제 N 중합부의 제 1 기준 신호의 가중치 W1, W5, W9는 1의 값을 부여하고, 상기 제 1 보조 신호들의 가중치는 아래의 수학식1을 반영하여 부여한다.
Figure 112014017633784-pat00001
상기 수학식 1에서, WaN=[W1,..WK|WN 제외]T 는 상기 제 N 중합부의 제 1 보조 신호들의 가중치 벡터이고, 상기 RaN=E{XAnXaN H}는 상기 제 N 중합부의 제 1 보조 신호들의 상호공분산 행렬이다. 여기서, T는 전치를 의미하고 H는 Hermitian 전치를 의미한다. 그리고 paN=E{XaNXN *}는 상기 제 N 중합부의 제 1 기준 신호와 상기 제 N 중합부의 제 1 보조신호들 간의 상호분산 벡터이고, XN 는 상기 제 N 중합부의 제 1 기준 신호, XaN=[X1,...XK|XN 제외]T는 상기 제 N 중합부의 제 1 보조 신호 벡터이다. 여기서 *는 켤레복소수를 의미한다. 또한, E{}는 기대값을 의미하며, K는 안테나 소자의 수를 나타낸다.
상기 제 1 보조 신호의 가중치는 제 1 기준 신호와 제 1 보조 신호들의 조합 간 오차의 에너지를 최소화하는 값이다. 이는 결국 제 1 기준 신호에 포함된 재밍 신호를 제 1 보조 신호들의 가중치 합으로 조합하여 추정하고 이를 제 1 기준 신호에서 빼줌으로써 재밍 신호를 제거하게 된다. 한편, 위 과정은 안테나 빔 패턴 측면에서 보면 재밍 신호가 존재하는 방향으로 널을 형성해 재밍신호를 제거하는 과정이다.
상기 제 2 빔 형성부(130)는 상기 제 1 빔 형성부(120)에서 형성하는 서로 다른 빔을 입력 받아 중합함으로써 비가시 영역이 최소화된 항재밍 빔을 형성한다. 상기 제 2 빔 형성부는 상기 제 1 빔 형성부의 제 1 보조 신호들의 가중치를 조합화함으로써 가중치를 부여하고, 상기 제 1 빔 형성부(120)에서 형성하는 서로 다른 빔을 중합한다.
즉, 제1 빔 형성부(120)에서 부여하는 가중치는 전력최소화 기법을 통해 계산하는 것이고, 제 2 빔 형성부(130)에서 부여하는 가중치는 상기 제 1 빔 형성부에서 부여하는 가중치를 조합하는데 구체적으로 아래의 수학식 2를 반영하여 부여한다.
Figure 112014017633784-pat00002
상기 수학식 2에서, 상기 W는 제 2 빔 형성부의 가중치이고, WaN(k)는 상기 수학식 1로 계산한 상기 제 N 중합부의 제 1 보조 신호의 k번째 가중치이며, || ||는 L2-norm 이다.
이렇게 계산된 가중치를 적용하면 제 1 빔 형성부의 서로 다른 빔 출력 신호를 중합하여 세 빔 패턴을 중첩한 신호를 얻게 된다.
결과적으로, 복수 개의 중합부들은(122a, 122b, 122c) 는 동일한 재밍신호를 제거하기 위해 동일한 위치에 널을 생성한다. 이때, 각 중합부들이 형성하는 빔은 널 위치를 제외하고는 상이하여 위성 비가시 영역도 각각 다르게 나타난다.
이 때, 상기 제 2 빔 형성부(120)은 상기 제 1 빔 형성부(120)의 중합부들(122a, 122b, 122c)에 의해 형성된 빔 패턴을 중첩하게 된다. 중첩된 빔 패턴에서 동일한 위치에 존재하는 널의 위치는 유지되고 서로 다른 빔 패턴 이득은 중첩되어 보상된다.
따라서, 상기 제 1 빔 형성부(120)의 중합부들(122a, 122b, 122c)에 의해 형성된 서로 다른 빔의 비가시 영역 중 공통되는 영역만이 비가시 영역으로 남게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 방법에 대하여 설명하도록 한다. 도 7은 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 방법의 흐름도이다. 도 4 내지 도 6은 제 1 빔 형성부가 신호를 중합하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 방법은 복수개의 GNSS(Global Navigation Satellite System) 안테나들을 통하여 위성에서 송출하는 GNSS 신호를 수신하는 단계(S10), 상기 복수개의 GNSS 안테나들이 수신하는 각각의 신호를 제 1 기준 신호 및 제 1 보조 신호로 입력받아 중합함으로써 서로 다른 빔을 형성하는 단계(S30), 및 상기 서로 다른 빔의 신호들을 입력 받아 중합함으로써 비가시 영역이 최소화된 항재밍 빔을 형성하는 단계(S40)를 포함한다.
본 발명의 목적에 해당하는 적은 수의 안테나 소자를 사용하면서 재밍신호를 방지하고, GNSS 신호 비가시 영역을 최소화하기 위해서는 서로 다른 빔을 형성하는 단계 및 항재밍 빔을 형성하는 단계로 이루어지는 이중의 빔 형성 단계가 필요하다.
상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계는 상기 GNSS 신호를 수신하는 단계에서어느 하나의 안테나가 수신하는 신호를 제 1 기준 신호로 할당하고, 나머지 안테나들이 수신하는 신호를 제 1 보조 신호로 할당한다. 즉 어느 하나의 안테나가 수신하는 신호를 제 1 기준 신호로 할당하고, 나머지 안테나들이 수신하는 신호는 모두 제 1 보조 신호로 할당하게 된다.
이 때 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계(S30)는, 서로 다른 제 1 기준 신호와 서로 다른 제 1 보조 신호들을 할당하는 단계(S20)를 포함할 수 있다.
즉, 복수개의 안테나들 가운데 특정 안테나가 수신하는 신호를 제 1 기준 신호로 정하는 역할을 한다.
도 4 내지 도 6을 참조하면 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계(S30)는 상기 제 1 기준 신호와 상기 제 1 보조 신호들에게 각각 다른 가중치를 부여하여 중합하게 된다. 구체적으로, 상기 제 N 중합부의 제 1 기준 신호의 가중치 W1, W5, W9는 1의 값을 부여하고, 상기 제 1 보조 신호들의 가중치는 아래의 수학식1을 반영하여 부여한다.
Figure 112014017633784-pat00003
상기 수학식 3에서, WaN=[W1,...WK|WN 제외]T 는 상기 제 N 중합부의 제 1 보조 신호들의 가중치 벡터이고, 상기 RaN=E{XAnXaN H}는 상기 제 N 중합부의 제 1 보조 신호들의 상호공분산 행렬이다. 여기서, T는 전치를 의미하고 H는 Hermitian 전치를 의미한다. 그리고 paN=E{XaNXN *}는 상기 제 N 중합부의 제 1 기준 신호와 상기 제 N 중합부의 제 1 보조신호들 간의 상호분산 벡터이고, XN 는 상기 제 N 중합부의 제 1 기준 신호, XaN=[X1,...XK|XN 제외]T는 상기 제 N 중합부의 제 1 보조 신호 벡터이다. 여기서 *는 켤레복소수를 의미한다. 또한, E{}는 기대값을 의미하며, K는 안테나 소자의 수를 나타낸다.
상기 제 1 보조 신호의 가중치는 제 1 기준 신호와 제 1 보조 신호들의 조합 간 오차의 에너지를 최소화하는 값이다. 이는 결국 제 1 기준 신호에 포함된 재밍 신호를 제 1 보조 신호들의 가중치 합으로 조합하여 추정하고 이를 제 1 기준 신호에서 빼줌으로써 재밍 신호를 제거하게 된다. 한편, 위 과정은 안테나 빔 패턴 측면에서 보면 재밍 신호가 존재하는 방향으로 널을 형성해 재밍신호를 제거하는 과정이다.
상기 항재밍 빔을 형성하는 단계(S40)는 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계(S30)에서 형성하는 서로 다른 빔을 입력 받아 중합함으로써 비가시 영역이 최소화된 항재밍 빔을 형성한다. 상기 항재밍 빔을 형성하는 단계(S40)는 상기 제 1 보조 신호의 가중치들을 조합함으로써 가중치를 부여하고, 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계(S30)에서 형성하는 서로 다른 빔을 중합한다.
상기 서로 다른 빔의 개수는, 상기 GNSS 안테나들의 개수에 대응할 수 있다. 구체적으로 상기 GNSS 안테나들의 개수가 4개라면 상기 서로 다른 빔의 개수도 4개가 됨이 바람직하다.
결론적으로, 서로 다른 빔을 형성하는 단계(S30)에서 부여하는 가중치는 전력최소화 기법을 통해 계산하는 것이고, 항재밍 빔을 형성하는 단계(S40)에서 부여하는 가중치는 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계(S30)에서 부여하는 가중치를 정규화하는데 구체적으로 아래의 수학식 2를 반영하여 부여한다.
Figure 112014017633784-pat00004
상기 수학식 4에서, 상기 W는 제 2 빔 형성부의 가중치이고, WaN(k)는 상기 수학식 1로 계산한 상기 제 N 중합부의 제 1 보조 신호의 k번째 가중치이며, || ||는 L2-norm 이다.
이렇게 계산된 가중치를 적용하면 제 1 빔 형성부의 서로 다른 빔 출력 신호를 중합하여 세 빔 패턴을 중첩한 신호를 얻게 된다.
결과적으로, 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계(S30)에서 형성하는 각각의 빔들은 동일한 재밍 신호를 제거하기 위해 동일한 위치에 널을 생성한다. 이때, 각 각의 빔들은 널 위치를 제외하고는 상이하여 위성 비가시 영역도 각각 다르게 나타난다.
이 때, 항재밍 빔을 형성하는 단계(S40)에서는 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계(S30)에서 형성하는 서로 다른 빔들의 빔 패턴을 중첩하게 된다. 중첩된 빔 패턴에서 동일한 위치에 존재하는 널의 위치는 유지되고 서로 다른 빔 패턴 이득은 중첩되어 보상된다.
결국, 상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계(S30)에서 형성되는 빔들의 비가시 영역 중 공통되는 영역만이 비가시 영역으로 남게 되는 것이다.
이하 단일 빔 형성 장치와 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치의 성능을 비교하여 본다. 도 8은 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치의 시뮬레이션 결과 값을 나타낸 도면이다.
본 발명에서는 세 개의 원형으로 배치된 배열 안테나 및 제 1 빔 형성부를 적용하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 시뮬레이션 결과 원형으로 배치된 세 개의 안테나만으로 위성 비가시 영역을 최소화할 수 있기 때문이다.
물론, 이는 바람직한 실시예일뿐, 이에 한정되는 것은 아니며 임의 개수의 안테나 소자로 확장 가능하다.
도 8을 참조하면 단일 빔 형성 장치와 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치의 성능 비교 결과 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치가 적은 수의 배열 안테나 소자만으로도 단일 빔 형성 장치에서 7개의 안테나 소자를 사용한 경우보다 비가시 영역이 적음을 알 수 있다.
먼저, 시뮬레이션을 위한 환경은 다음과 같다. 각 안테나 소자는 등방위성을 갖고 서로 GNSS 신호의 반파장 간격으로 원형 배치된다. 널이 생성되는 경우에 전체 상공(반구상)에서 안테나 이득이 -5dBic 미만인 영역을 위성 비가시 영역으로 설정하고 반구 표면적 대비 위성 비가시 영역의 표면적을 백분율로 표시하여 성능을 분석한다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 경량 배열 안테나 항재밍 장치 및 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100: 경량 배열 안테나 항재밍 장치
110: GNSS 배열 안테나부
120: 제 1 빔 형성부
121: 할당부
122a: 제 1 중합부
122b: 제 2 중합부
122c: 제 3 중합부
130: 제 2 빔 형성부

Claims (20)

  1. 위성에서 송출하는 GNSS(Global Navigation Satellite System) 신호를 수신하기 위한 복수개의 GNSS 안테나들을 포함하는 GNSS 배열 안테나부;
    상기 복수개의 GNSS 안테나들이 수신하는 각각의 신호를 제 1 기준 신호 및 제 1 보조 신호로 입력받아 중합함으로써 서로 다른 빔을 형성하는 복수개의 중합부들을 포함하는 제 1 빔 형성부; 및
    상기 서로 다른 빔의 신호들을 입력 받아 중합함으로써 비가시 영역이 최소화된 항재밍 빔을 형성하는 제 2 빔 형성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 빔 형성부는,
    상기 복수개의 중합부들에게 서로 다른 제 1 기준 신호와 서로 다른 제 1 보조 신호들을 할당하는 할당부를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 중합부들은,
    전력 최소화 기법을 적용하여 상기 제 1 기준 신호 및 상기 제 1 보조 신호들에게 서로 다른 가중치를 부여하여 중합하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 보조 신호의 가중치는,
    상기 제 1 기준 신호와 상기 제 1 보조 신호들의 조합 간 오차의 에너지를 최소화 하는 값인 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 중합부들은,
    동일한 재밍 신호를 제거하기 위해 서로 동일한 방향의 널(Null)을 형성하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 중합부들은,
    위성에서 송출하는 GNSS 신호를 수신할 수 없는 영역인 비가시 영역이 서로 다른 빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 2 빔 형성부는,
    상기 서로 다른 빔의 신호들을 조합으로써 빔 패턴을 중첩시키는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 항재밍 빔의 비가시 영역은,
    상기 중합부들이 공통으로 형성하는 비가시 영역인 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 항재밍 빔의 이득은,
    상기 중합부들이 형성하는 이득을 중첩한 값인 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 중합부들의 개수는,
    상기 복수개의 GNSS 안테나들의 개수에 대응하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 장치.
  11. 복수개의 GNSS(Global Navigation Satellite System) 안테나들을 통하여 위성에서 송출하는 GNSS 신호를 수신하는 단계;
    상기 복수개의 GNSS 안테나들이 수신하는 각각의 신호를 제 1 기준 신호 및 제 1 보조 신호로 입력받아 중합함으로써 서로 다른 빔을 형성하는 단계; 및
    상기 서로 다른 빔의 신호들을 입력 받아 중합함으로써 비가시 영역이 최소화된 항재밍 빔을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계는,
    서로 다른 제 1 기준 신호와 서로 다른 제 1 보조 신호들을 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계는,
    전력 최소화 기법을 적용하여 상기 제 1 기준 신호 또는 상기 제 1 보조 신호들에게 서로 다른 가중치를 부여하여 중합하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 1 보조 신호의 가중치는,
    상기 제 1 기준 신호와 상기 제 1 보조 신호들의 조합 간 오차의 에너지를 최소화 하는 값인 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계는,
    동일한 재밍 신호를 제거하기 위해 서로 동일한 방향의 널(Null)을 형성하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 서로 다른 빔을 형성하는 단계는,
    위성에서 송출하는 GNSS 신호를 수신할 수 없는 영역인 비가시 영역이 서로 다른 빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 항재밍 빔을 형성하는 단계는,
    상기 서로 다른 빔의 신호들을 조합으로써 빔 패턴을 중첩시키는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 방법.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 항재밍 빔의 비가시 영역은,
    상기 서로 다른 빔들이 공통으로 형성하는 비가시 영역인 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 방법.
  19. 청구항 11에 있어서,
    상기 항재밍 빔의 이득은,
    상기 서로 다른 빔들이 형성하는 이득을 중첩한 값인 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 방법.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 서로 다른 빔의 개수는,
    상기 GNSS 안테나들의 개수에 대응하는 것을 특징으로 하는 경량 배열 안테나 항재밍 방법.
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