KR101514666B1 - 자이로 및 칼만필터를 이용한 위성지향 안테나의 안정화 시스템 및 위성지향 안테나의 안정화 제어방법 - Google Patents

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조시훈
이호정
남병욱
허종완
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Abstract

본 명세서에 개시된 위성지향 안테나의 안정화 제어방법은, 자이로가 장착된 위성지향 안테나에 외란이 인가되는 상황에서, 상기 위성지향 안테나를 통해 모노펄스 신호와 자이로 신호를 출력하는 단계와, 상기 위성지향 안테나의 안정화 제어를 위해, 상기 출력된 모노펄스 신호와 상기 자이로 신호를 칼만필터에 입력시키는 단계와, 상기 모노펄스 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차각과 상기 자이로 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차 각속도를 기초로, 상기 칼만필터의 상태벡터를 정의하는 단계와, 상기 정의된 상태벡터를 기초로, 상기 모노펄스 신호의 왜곡 전 상태에 대응되는 모노펄스 원신호를 예측하고, 상기 모노펄스 원신호의 예측을 지속적으로 업데이트하는 단계와, 상기 예측된 모노펄스 원신호를 오차 입력값으로 하여 상기 위성지향 안테나의 안정화 제어를 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

자이로 및 칼만필터를 이용한 위성지향 안테나의 안정화 시스템 및 위성지향 안테나의 안정화 제어방법{STABILIZATION SYSTEM OF SATELLITE TRACKING ANTENNA BY USING Gyro AND Kalman FILTER, STABILIZATION CONTROL METHOD AND OF SATELLITE TRACKING ANTENNA}
본 발명은 자이로 및 칼만필터를 이용한 위성지향 안테나의 안정화 시스템 및 위성지향 안테나의 안정화 제어방법에 관한 것이다.
위성지향 안테나 또는 위성 추적 안테나는 지구궤도에 있는 인공위성과 통신하기 위해 사용되는 안테나를 의미한다. 이러한 위성지향 안테나는, 구조, 사용목적, 기능 등에 따라 그 종류가 다양하다.
가장 널리 알려진 위성지향 안테나로는, 주로 가정이나 차량에 설치되어 방송 수신용으로 사용되는 민수용 위성 안테나가 있다. 가정용 위성지향 안테나의 경우, 안테나가 위성을 지향하도록 고정하여 사용하는 것으로, 초기 설치 이후에는 별도의 조작이 필요하지 않다. 반면, 차량용 위성지향 안테나와 같이 이동체에 설치되는 경우, 차량이 이동하면서 지속적으로 위성을 지향해야 하므로, 별도의 구동장치가 장착되어서 안테나에 인가되는 외란을 극복하면서 위성을 지향할 수 있는 알고리즘의 적용이 필요하다. 그러나 차량용 위성지향 안테나의 경우에도, 일반적으로 빔 폭이 비교적 넓은 방송 수신용 전파를 사용하기 때문에 위성을 정밀하게 지향할 필요는 없다.
한편, 군용 위성 안테나의 경우 통신네트워크가 매우 중요하고, 전장환경에 변화에 따라 운용환경과 사용주파수, 요구되는 정밀도 등에서 민수용 안테나와 차이가 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 군용 이동형 장비에 장착되는 군용 위성 안테나는 외란이 심할 뿐 아니라, 사용되는 주파수의 빔 폭도 좁아서 위성을 지향해야하는 정밀도가 매우 높아야한다. 따라서 이러한 운용조건에서도 군용 위성 안테나가 위성을 지속적으로 지향하여 통신이 유지되도록 하기 위해 위성지향 안테나의 안정화제어 역할이 매우 중요하다.
이러한 위성지향 안테나의 안정화제어 방안으로, 플랫폼의 자세, 외란을 측정하는 센서, 그리고 비콘(beacon) 신호를 이용한 알고리즘이 가장 널리 사용된다.
이와 같은 안정화 제어 알고리즘은, 먼저 플랫폼의 자세를 판단하여 위성지향 방향을 결정한다. 이때, 센서의 성능과 기구 특성 등의 영향으로 인하여 정밀한 위성 지향이 어렵기 때문에, 위성에서 보내는 비콘(beacon)신호의 세기가 최대인 지점을 스캔하여 위성을 지향하게 된다. 이후, 플랫폼의 구동에 따라 안테나에 인가되는 외란을 측정하여 안테나를 안정화하기 위한 제어명령을 생성한다. 이와 함께, 비콘(beacon) 신호가 최대가 되는 지점을 지속적으로 탐색하여 위성지향을 계속 유지하는 프로세스를 사용한다.
그러나, 이러한 방식은 외란 측정 센서의 정밀도와 안테나의 페데스탈(pedestal)의 기구적 특성, 그리고 비콘(beacon) 신호의 잡음 및 시간지연 등의 문제로 인하여 안정화 제어 성능을 확보하기 어렵다는 단점이 있다.
이를 해결하기 위해, 외란 측정 센서의 정밀도와 관계없이 위성에서 보내는 기준신호로부터 지향오차가 직접적으로 생성되는 모노펄스 위성추적 안테나를 이용한 안정화 제어 방식이 활발히 연구되고 있다.
센서 측정치를 이용하지 않고 위성지향 오차가 출력되는 모노펄스 신호를 이용한 안정화제어 방법은, 초기에 위성지향 이후, 외란/자세 측정센서 및 페데스탈 특성이 안정화 제어의 정밀도에 영향을 미치지 않는다. 그러나, 모노펄스 신호 자체가 잡음과 시간지연 등으로 이미 왜곡되어 있는 경우가 많다. 특히, 수신되는 기준신호의 세기가 약한 위성통신의 경우, 모노펄스 안테나를 적용하게 되면, 신호를 증폭하는 과정에서 잡음도 함께 증폭되며, 이러한 신호를 처리과정에서 시간지연 등의 문제가 발생한다. 또한, 위성지향 안테나의 반사판의 크기를 작게 설계한 경우 이러한 문제가 더 심각해진다.
이에, 본 발명의 실시예들은, 위성지향 안테나에서 모노펄스 신호에 포함된 잡음과 시간지연 같은 왜곡을 제거하여, 원신호의 형태를 예측하기 위해, 위성지향 안테나의 부하단에 자이로를 추가하고 칼만필터를 이용하여 모노펄스 신호를 보상함으로써, 왜곡 전의 모노펄스 신호를 예측할 수 있도록 한, 자이로 및 칼만필터를 이용한 위성지향 안테나의 안정화 시스템 및 위성지향 안테나의 안정화 제어방법에 관한 것이다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 제어방법은, 자이로가 장착된 위성지향 안테나에 외란이 인가되는 상황에서, 상기 위성지향 안테나를 통해 모노펄스 신호와 자이로 신호를 출력하는 단계와; 상기 위성지향 안테나의 안정화 제어를 위해, 상기 출력된 모노펄스 신호와 상기 자이로 신호를 칼만필터에 입력시키는 단계와; 상기 모노펄스 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차각과 상기 자이로 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차 각속도를 기초로, 상기 칼만필터의 상태벡터를 정의하는 단계와; 상기 정의된 상태벡터를 기초로, 상기 모노펄스 신호의 왜곡 전 상태에 대응되는 모노펄스 원신호를 예측하고, 상기 모노펄스 원신호의 예측을 지속적으로 업데이트하는 단계와; 상기 예측된 모노펄스 원신호를 오차 명령으로 하여 상기 위성지향 안테나의 안정화 제어를 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.
일 실시예에서, 상기 업데이트하는 단계 이후, 상기 칼만필터에 의해 업데이트된 각속도값에 상기 부하단에 장착된 자이로를 통해 측정된 각속도값을 적용시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 업데이트하는 단계는, 상기 위성지향 안테나를 통해 측정된 모노펄스 신호를 사용하여 상기 칼만필터의 칼만게인 및 상기 모노펄스 원신호의 예측을 지속적으로 업데이트 하는 단계인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 모노펄스 원신호를 예측과 상기 업데이트하는 과정은, 상기 칼만필터에의 데이터 입력이 종료될 때까지 반복수행되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 칼만필터에 입력시키는 단계는, 상기 모노펄스 신호와 상기 자이로 각속도 측정값을 상기 칼만필터에 입력시키는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 시스템은, 위성지향 안테나와; 상기 위성지향 안테나의 반사판의 후단에 연결되어, 상기 위성지향 안테나 가 지향하는 위성에 대한 지향오차 각속도를 산출하기 위한 자이로 신호를 감지하는 자이로 모듈과; 상기 모노펄스 신호와 상기 감지된 자이로 신호를 입력신호로 하여, 상기 모노펄스 신호의 왜곡 전 상태에 대응되는 모노펄스 원신호의 예측값을 산출하는 칼만필터부와; 그리고, 상기 모노펄스 원신호의 예측값을 오차명령으로 입력받아 상기 위성지향 안테나의 안정화 제어를 수행하는 제어부를 포함하여 이루어진다.
일 실시예에서, 상기 칼만필터부는, 상기 모노펄스 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차각과 상기 감지된 자이로 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차 각속도를 기초로 상태벡터를 정의하는 상태벡터정의모듈과; 상기 정의된 상태벡터를 기초로, 상기 모노펄스 신호의 왜곡 전 상태에 대응되는 모노펄스 원신호를 예측하는 원신호예측모듈과; 상기 모노펄스 원신호의 예측을 지속적으로 업데이트하고, 상기 업데이트이후, 상기 업데이트된 모노펄스 신호의 각속도에 대응되는 상태변수에 상기 감지된 자이로 신호를 적용시키는 업데이트모듈과; 상기 예측된 모노펄스 원신호를 상기 제어부로 출력시키기 위한 출력모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자이로 및 칼만필터를 이용한 위성지향 안테나의 안정화 시스템 및 위성지향 안테나의 안정화 제어방법에 의하면, 왜곡 전의 모노펄스 원신호를 예측하여, 모노펄스 신호의 잡음 제거가 가능하고 모노펄스 신호 생성시 발생한 시간 지연의 일부 보상이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 자이로 및 칼만필터를 이용한 위성지향 안테나의 안정화 시스템 및 위성지향 안테나의 안정화 제어방법에 의하면, 위성지향 안테나의 안정화제어 방안을 위한 제어기 구조가 보다 간단해지고, 그에 따라 제어기의 연산 부하량이 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 구동축에 외란이 인가되는 경우, 자이로를 이용하여 구한 오차각과 모노펄스 신호를 이용한 오차각을 비교한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 플랫폼에 외란이 인가되는 경우, 자이로를 이용하여 구한 오차각과 모노펄스 신호를 이용한 오차각을 비교한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나에서, 플랫폼의 기울기 변화 및 안테나와 위성간의 거리에 따라 자이로를 이용하여 구한 오차각과 모노펄스신호를 이용한 오차각을 비교한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나에서, 시간 경과에 따라 자이로를 이용하여 구한 오차각과 모노펄스 신호를 이용한 오차각의 측정 차를 비교한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 제어의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라, 부하 자이로가 장착된 위성지향 안테나의 개략적인 구조를 보인 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 시스템의 개략적인 구조를 보인 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 시스템에서 칼만필터의 세부 구성을 보인 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 제어방법의 예시 흐름도이다.
이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 자이로 및 칼만필터를 이용한 위성지향 안테나의 안정화 시스템 및 위성지향 안테나의 안정화 제어방법에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
한편, 본 발명을 설명하는데 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략하는 것으로 한다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
위성지향 안테나가 이동형 플랫폼에 장착되어 위성지향을 유지하는 기능을 수행할 때, 안테나에 인가되는 외란을 극복하여 안정화 제어를 수행하는 방법에는 여러가지가 존재한다. 그 중에 하나로 모노펄스 신호를 이용한 안정화 제어는, 위성에서 보내는 기준신호(예, 비콘신호)를 이용하여 현재 위성지향 안테나가 지향하고 있는 방향과 지향해야하는 방향의 차이를 계산하여, 제어기에 피드백을 생성하는 오차와 같은 개념을 사용한다. 따라서, 모노펄스 신호를 이용하게 되면, 센서의 성능에 의존하지 않고 제어구조를 보다 간단하게 구현할 수 있는 장점이 있다.
모노펄스 신호는 위성지향 안테나가 현재 지향하고 있는 위치와 지향해야할 위치 사이의 각을 나타내는 오차 신호이다. 따라서, 위성지향 안테나가 위성을 정확히 지향하고 있으면, 모노펄스 신호는 0이 되고, 안테나의 안정화 제어를 위한 별도의 구동이 필요없다. 이후, 외란 등의 영향으로 위성지향 방향이 변경되면, 변경된 오차만큼 모노펄스 제어입력이 계산되어서, 안정화 제어의 제어입력으로 이용된다.
한편, 이와 같은 모노펄스 신호를 연산에 이용하기 위해서는 기준신호가 잡음이 없는 깨끗한 형태로 제공되어야 한다. 따라서, 자체적으로 기준신호를 충분히 증폭할 수 있는 시스템에 적용되는 것이 일반적이다. 하지만, 위성지향 안테나의 경우, 위성에서 보내주는 신호의 세기가 제한되어 있기 때문에 모노펄스 신호 자체에 잡음이 많이 포함될 수 밖에 없다. 특히, 안테나의 반사판 직경이 작으면 작을수록 신호 대 잡음비(SNR)가 커지게 된다.
신호 대 잡음비(SNR)가 큰 경우에 모노펄스 신호는 바로 제어입력으로 사용하게 되면, 제어 대역폭을 넘어서는 잡음 주파수가 시스템을 발산시킬 수 있는 문제가 있다. 이러한 이유로, 일반적으로는 모노펄스 신호를 저주파통과필터에 적용시켜서 잡음을 제거한다. 그러나, 이러한 방법은 깨끗한 신호를 얻을 수는 있겠지만, 모노펄스 신호의 연산시 저주파통과필터를 적용함에 따라 시간지연 문제가 더욱 악화되는 문제가 발생된다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 제어방법은, 부하단에 장착된 자이로를 이용하여 측정되는 자이로 신호와 모노펄스 신호를 근거로, 왜곡 이전 상태인 모노펄스 원신호를 예측하고, 예측된 모노펄스 원신호를 안정화 제어를 위한 오차명령으로 사용하여 위성지향 안테나의 안정화 제어를 수행할 수 있도록 구현하였다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나는 도 6에 도시된 바와 같이 위성지향 안테나의 후면에 부하 자이로를 장착한 구조를 갖도록 형성된다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따라, 부하 자이로가 장착된 위성지향 안테나의 개략적인 구조를 보인 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나는 주 반사판(10), 부 반사판(20), 혼 복사기(30), 및 자이로(50)를 포함한다.
상기 주 반사판(10)은, 포물선 형태의 단면을 가지며 그 표면은 도전성 재질로 형성되어 입사하는 전파를 초점으로 집중시켜 반사하거나, 초점에서 방사된 전파를 실질적으로 평행하게 반사하는 역할을 한다. 이와 같은 주 반사판(10)에 의해 전파가 초점으로 집중됨으로써 미약한 전파도 용이하게 수신할 수 있으며, 역으로 송신시에는 원거리까지 전파를 전달할 수 있다.
상기 혼 복사기(30)는 피드 혼이라고도 하며, 전파를 송수신하기 위한 안테나 소자(antenna element)의 일종이다. 혼 복사기(30)는 저잡음증폭기 및 전력분배기, 고주파 위상 천이기, 고주파 혼합기(Mixer), 다운컨버터(Down Converter) 등이 포함된 신호 처리를 수행한다. 또한, 혼 복사기(30)는 다양한 방향의 모노펄스 신호를 위한 전파의 송수신과 데이터의 통신을 위한 전파의 송수신을 수행할 수 있다. 이러한 혼 복사기(30)는 균일한 모노펄스 신호가 생성되도록 복수 개의 개구(예, 2*2 개)가 동일한 크기의 개구를 갖도록 형성되는 것이 바람직한다.
상기 부 반사판(20)은, 혼 복사기(30)의 개구 측에 배치되어, 혼 복사기 (30)로부터의 전파를 주 반사판(10)으로 반사하거나, 또는 주 반사판(10)으로부터의 전파를 혼 복사기(30)로 반사한다.
상기 부하 자이로(50)는 상기 위성지향 안테나의 주 반사판(10)의 후단에 연결되어, 위성지향 안테나에 인가되는 외란이나 안테나의 구동에 따라 발생되는 자이로 신호를 측정한다.
상기 부하 자이로(50)의 구체적인 동작과 관련하여, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 구동축에 외란이 인가되는 경우, 자이로를 이용하여 구한 오차각과 모노펄스신호를 이용한 오차각을 비교한 도면을 보여준다.
도 1에서, L1은 위성지향 안테나와 표적까지의 거리이고, L2는 위성지향 안테나와 (이동)플랫폼까지의 거리를 나타낸다. 또한, θ1은 부하 자이로(50)에 의해 측정된 자이로 신호의 적분각이고, θ2는 모노펄스 신호의 각도(즉, 오차생성각)을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 외란에 의해 틀어진 각은 자이로 드리프트(drift) 없다고 가정할 때, 자이로 각속도를 적분한 각인 θ1과 같게 된다. 따라서, 부하의 움직임에 따라 틀어진 각으로 정의가능한 모노펄스 신호의 오차각 θ2는 θ1과 크기가 같고 방향이 반대인 관계가 성립한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 (이동)플랫폼에 외란이 인가되는 경우, 자이로를 이용하여 구한 오차각과 모노펄스 신호를 이용한 오차각을 비교한 도면이다.
도 2에 도시된 상황에서는 플랫폼이 기울어지면서 위성지향 안테나의 구동축과 타겟과의 거리가 변경되므로, 도 1과는 다르게 θ1과 θ2의 크기는 달라진다. 그리고, 그 오차값 θ3 = θ1 - θ2 으로 정의된다. 수학식1은 이러한 정의를 수학식으로 표현한 것이다.
Figure 112013096949915-pat00001
여기서, 상기 오차값 θ3는, θ1이 뒤쪽으로 기울어졌을 때는 (+) 값을 갖는다. 또, L2가 고정된 경우에는 L1값이 오차값 θ3에 주로 영향을 미친다. 즉, 위성지향 안테나와 타겟과의 거리가 멀어질수록 오차값 θ3는 작아진다. 예를 들어, L2=1m 일 때, L1와 플랫폼이 기울어지는 각도에 따른 오차값 θ3의 변화는 도 3에 도시된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나에서, 플랫폼의 기울기 변화 및 안테나와 위성간의 거리에 따라 자이로를 이용하여 구한 오차각에 따라 자이로를 이용한 각과 모노펄스신호를 이용한 오차각을 비교한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, L1이 멀어질수록 모노펄스 신호와 자이로 신호의 적분값의 차이가 작아진다. 따라서, 위성지향 안테나가 정지위성을 지향하는 경우라면, L1은 약 35,000Km 이므로, θ3는 거의 '0'에 가까운 값이 되고, 플랫폼이 움직이더라도, 도 1에 도시된 상황과 같이 모노펄스 신호의 오차각 θ2는 θ1과 크기가 같고 방향이 반대인 관계가 정의될 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나에서, 시간 경과에 따라 자이로를 이용한 각과 모노펄스신호를 이용한 오차각의 측정 차를 비교한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 모노펄스 신호와 자이로 신호의 적분값은 유사한 패턴을 가짐을 알 수 있다. 즉, 글로벌 좌표계에서 부하가 움직인 각을 정확하기 측정할 수 있다면, 모노펄스 신호를 사용하지 않고도(즉, 자이로 신호의 적분값을 사용하여), 위성지향을 유지할 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.
하지만, 부하 자이로의 성능을 결정하는 물리적인 특성 중에 하나인 드리프트를 고려하는 경우, 모노펄스 신호 대신에 자이로 신호의 적분값을 그대로 사용하여 제어할 수 없다. 자이로 드리프트는 임의성을 가지는 특성으로 각속도, 잡음 등과 함께 포함되어 측정되지만, 크기가 작기 때문에 매 순간 측정되는 각속도는 신뢰할 수 있다. 하지만, 각속도를 적분하여 각을 구할 때는 시간이 지남에 따라 오차도 같이 적분되기 때문에 그 크기를 무시할 수 없게 된다. 따라서, 자이로 신호의 적분값은 초기에만 모노펄스 신호와 같고, 시간에 지날수록 모노펄스 신호와의 차이가 커지게 된다. 이러한 특성은 도 4에서도 확인된다.
모노펄스 신호는 시간지연이나 비선형적인 특성을 배제한다면, 원 신호에 노이즈가 섞여있는 것으로 모델링 할 수 있다. 여기서, 노이즈를 특정 정규분포를 따르는 가우시안 노이즈라고 가정할 때, 본 발명의 실시예에 따라 칼만필터를 적용하여 모노펄스 신호의 원신호를 예측하는 것이 가능하다. 이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나는 도 6에 도시된 것처럼 주 반사판(10)의 후면의 부하단에 자이로(50)가 장착된 구조를 갖도록 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 시스템의 개략적인 구조를 보인 블록도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 시스템은 안테나 시스템(100), 칼만 필터(200), 및 상기 안테나 시스템(100)의 안정화 제어를 위한 제어기(300)를 포함하여 이루어진다.
안테나 시스템(100)은 위성지향 안테나와, 자이로 모듈(50)을 포함한다.
여기서, 위성지향 안테나는 위성을 추적하는 안테나 소자이며, 일반적인 위성안테나와 달리 모노펄스 신호를 출력할 수 있는 구조를 가져야 한다. 또, 자이로 모듈(50)은 위성지향 안테나의 반사판의 후단에 연결되어, 상기 위성지향 안테나 가 지향하는 위성에 대한 각속도를 감지한다. 계속해서, 모노펄스 신호와 상기 감지된 자이로 신호가 실시간으로 칼만필터(200)에 출력된다.
상기 칼만 필터(200)는 모노펄스 신호와 상기 감지된 자이로 신호를 입력신호로 하여, 모노펄스 신호의 왜곡 전 상태에 대응되는 모노펄스 원신호의 예측값을 산출한다. 칼만 필터(200)의 세부 구성과 구체적인 프로세스는 도 8을 참조하여 이하에서 보다 자세히 설명하기로 한다.
상기 제어기(300)는 칼만 필터(200)로부터 모노펄스 원신호의 예측값을 오차값으로 입력받아, 제어신호를 생성하고 생성된 제어신호를 안테나 시스템(100)에 전달하여 위성지향 안테나의 안정화 제어를 수행한다. 예를 들어, 위성지향 안테나를 제어신호에 대응되는 각도만큼 회전되도록 함으로써, 지향을 변경시킬 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 시스템에서 칼만 필터(200)의 세부 구성을 보인 블록도이다.
도 8에 도시된 것처럼, 칼만 필터(200)는, 상태벡터정의모듈(210), 원신호예측모듈(220), 업데이트모듈(230), 그리고 출력모듈(240)을 포함할 수 있다.
상기 상태벡터정의모듈(210)은, 모노펄스 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차각과 상기 자이로(50)에 의해 감지된 자이로 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차 각속도를 기초로 상태벡터를 정의한다. 즉, 상태벡터는 수학식2로 정의될 수 있다.
Figure 112013096949915-pat00002
여기서, 마찰력과 같은 비선형요소를 무시한다면, 간단한 운동법칙에 의해 근사적으로 이하의 수학식3이 성립될 수 있다.
Figure 112013096949915-pat00003
이때, 사용자 입력이 없는 상태에서 임의의 각속도를 갖는 것을 고려하여, 상태방정식은 다음과 같은 수학식4로 표현될 수 있다.
Figure 112013096949915-pat00004
여기서,
Figure 112013096949915-pat00005
이다. 그리고, 각속도의 평균이 0이고, 표준편차가
Figure 112013096949915-pat00006
인 정규분포를 따른다고 가정하면,
Figure 112013096949915-pat00007
의 공분산
Figure 112013096949915-pat00008
는
Figure 112013096949915-pat00009
이다. 이와 같이 표준편차가
Figure 112013096949915-pat00010
인 정규분포를 따른다고 가정하면 다음과 같은 수학식5가 도출될 수 있다.
Figure 112013096949915-pat00011
여기서,
Figure 112013096949915-pat00012
으로 정의될 수 있다.
이와 같이 칼만 필터(200)의 상태벡터들이 정의되면, 상기 원신호예측모듈(220)은 정의된 상태벡터를 기초로 하여, 상기 모노펄스 신호의 왜곡 전 상태에 대응되는 모노펄스 원신호를 예측한다. 그리고, 상기 업데이트모듈(230)은 상기 모노펄스 원신호의 예측을 지속적으로 업데이트하고, 상기 업데이트이후, 상기 업데이트된 모노펄스 신호에 각속도에 대응되는 상태변수에 상기 감지된 자이로 신호를 적용한다.
구체적으로, 먼저 각속도 및 측정잡음
Figure 112013096949915-pat00013
에 대한 정보를 입력한다. 이때, 해당 변수들은 시스템의 특성에 따라서 가변되는 특성을 갖기 때문에 일관된 값을 적용하기가 어렵다. 이에, 먼저, 원신호의 예측과 업데이트 과정을 반복적으로 수행하기 위하여,
Figure 112013096949915-pat00014
의 초기값을 설정한다. 또한, 이하에 상세히 기술되는 원신호의 예측과 업데이트 과정은 입력 데이터가 없을 때까지 계속 반복된다.
먼저, 예측 단계에서는, 다음의 수학식6과 같이 상태를 예측하고, 그리고 수학식7과 같이 공분산을 예측한다.
Figure 112013096949915-pat00015
Figure 112013096949915-pat00016
여기서, x는 상태변수로서, 상기 수학식3에서의 각도와 각속도로 이루어지는 행렬이다. 또한, 여기서,
Figure 112013096949915-pat00017
은 k-1시점에서의 측정값을 기초로 한 k시점의 상태를 의미한다.
그런 다음, 업데이트 단계에서는, 다음의 수학식8과 같이 예측값과 측정값간의 오차를 산출하고, 수학식9와 같이 칼만 필터(200)의 칼만 게인을 업데이트하고, 수학식10 및 수학식11과 같이 상태 보정과 공분산 보정을 수행한다.
Figure 112013096949915-pat00018
Figure 112013096949915-pat00019
Figure 112013096949915-pat00020
Figure 112013096949915-pat00021
이때, 모노펄스 측정치를 이용하여 칼만 게인과 상태 변수의 예측값을 업데이트한 이후에, 측정잡음이 거의 없는 자이로 신호를 모노펄스 각속도로 가정하여 업데이트에 사용한다. 즉, 상기 칼만필터에 의해 업데이트된 모노펄스 신호의 각속도에 대응되는 상태변수에 상기 자이로를 통해 측정된 신호를 적용시킨다. 이는, 각속도 상태변수값을 실제 각속도 측정값이 아닌 모노펄스 신호를 기반으로 하였기 때문에, 다음 예측 단계에서 부정확한 모노펄스 신호가 예측될 확률이 높기 때문이다. 따라서, 모노펄스의 각속도에 대응하는 상태변수로 가정할 수 있고, 측정잡음 및 신호지연이 거의 없는 자이로 신호를 업데이트에 사용함으로써, 측정된 모노펄스 신호에 포함된 잡음과 모노펄스 신호 연산시 발생한 시간지연이 보상할 수 있어, 보다 정밀한 모노펄스 원신호 예측값이 획득될 수 있다.
이와 같이 예측된 모노펄스 원신호는, 안정화 제어를 위해 출력모듈(240)을 통해 제어부(300)로 입력된다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 제어의 성능을 나타낸 그래프이다. 도 5에서, 엔코더는 실제 측정된 오차로, 엔코더와 얼마나 근접한지가 성능을 판단하는 기준이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 모노펄스 신호는 잡음이 많이 포함되어 있고, 약간의 시간 지연 및 비선형성 또한 포함되어 있음을 확인할 수 있다. 또한, 자이로 신호의 적분값은 시간이 지남에 따라 오차가 커지는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 일반적인 칼만 필터를 적용한 것보다, 본 발명의 실시예에 따라 자이로 및 칼만필터를 이용한 방식을 사용하는 방법이 오차가 더 작은 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자이로 및 칼만필터를 이용한 위성지향 안테나의 안정화 시스템에 의하면, 왜곡 전의 모노펄스 신호를 보다 정밀하게 예측하는 것이 가능하고, 모노펄스 신호의 잡음 제거가 가능하며 모노펄스 신호 생성시 발생한 시간 지연의 일부 보상까지 가능해진다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 위성지향 안테나의 안정화 제어방법의 예시 흐름도이다.
먼저, 자이로(50, 도 7 참조)가 장착된 위성지향 안테나에 외란이 인가되는 상황에서, 상기 위성지향 안테나를 통해 모노펄스 신호와 자이로 신호를 출력한다(S910).
출력된 모노펄스 신호와 상기 자이로 신호는 위성지향 안테나의 안정화 제어를 위해, 칼만 필터(200, 도 7 참조)에 입력된다(S920). 즉, 상기 모노펄스 신호와 상기 자이로 신호는 칼만 필터(200)에 입력된다.
계속해서, 칼만 필터(200)에서는, 상기 모노펄스 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차각과 상기 자이로 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차 각속도를 기초로, 칼만 필터(200)의 상태벡터를 정의한다.
그리고, 정의된 상태벡터를 기초로, 상기 모노펄스 신호의 왜곡 전 상태에 대응되는 모노펄스 원신호를 예측한다(S940).
그리고, 상기 모노펄스 원신호의 예측을 지속적으로 업데이트하는 과정을 반복한다(S950). 구체적으로, 상기 업데이트하는 과정(S950)은, 상기 위성지향 안테나를 통해 측정된 모노펄스 신호를 사용하여 칼만 필터(200)의 칼만 게인과 상기 모노펄스 원신호의 예측값을 지속적으로 업데이트 한다.
이때, 상기 업데이트하는 과정(S950) 이후에, 칼만 필터(200)에 의해 업데이트된 각속도값에 상기 자이로(50)를 통해 측정된 자이로 신호의 각속도값을 적용시킴으로써, 다음 예측 단계에서 부정확한 모노펄스 신호가 예측되지 않도록 한다.
그런 다음, 상기 예측된 모노펄스 원신호를 오차명령으로 제어기(300)에 입력하여, 상기 위성지향 안테나의 안정화 제어를 수행한다.
이상에서와 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자이로 및 칼만필터를 이용한 위성지향 안테나의 안정화 시스템 및 위성지향 안테나의 안정화 제어방법에 의하면, 왜곡 전의 모노펄스 신호를 예측하여, 모노펄스 신호의 잡음 제거가 가능하고 모노펄스 신호 생성시 발생한 시간 지연의 일부 보상이 가능하다. 또한, 위성지향 안테나의 안정화제어 방안을 위한 제어기 구조가 보다 간단해지고, 그에 따라 제어기의 연산 부하량이 감소될 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되고 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 범위에 의해 정해져야 한다.
100 - 안테나 시스템
200 - 칼만필터
300 - 제어기

Claims (6)

  1. 최종 부하단에 자이로가 장착된 위성지향 안테나에 외란이 인가되는 상황에서, 상기 위성지향 안테나를 통해 모노펄스 신호와 자이로 신호를 출력하는 단계;
    상기 위성지향 안테나의 안정화 제어를 위해, 상기 출력된 모노펄스 신호와 상기 자이로 신호를 칼만필터에 입력시키는 단계;
    상기 모노펄스 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차각과 상기 자이로 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차 각속도를 기초로, 상기 칼만필터의 상태벡터를 정의하는 단계;
    상기 정의된 상태벡터를 기초로, 상기 모노펄스 신호의 왜곡 전 상태에 대응되는 모노펄스 원신호를 예측하고, 상기 자이로 신호를 이용하여 상기 모노펄스 원신호의 예측을 지속적으로 업데이트하는 단계; 및
    상기 예측된 모노펄스 원신호를 오차 입력값으로 하여 상기 위성지향 안테나의 안정화 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성지향 안테나의 안정화 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 업데이트하는 단계 이후,
    상기 칼만필터에 의해 업데이트된 각속도값에 상기 자이로 부하를 통해 측정된 자이로 신호의 각속도값을 적용시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위성지향 안테나의 안정화 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 업데이트하는 단계는, 상기 위성지향 안테나를 통해 측정된 모노펄스
    신호를 사용하여 상기 칼만필터의 칼만게인 및 상기 모노펄스 원신호의 예측을 지속적으로 업데이트 하는 단계인 것을 특징으로 하는 위성지향 안테나의 안정화 제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모노펄스 원신호를 예측과 상기 업데이트하는 과정은,
    상기 칼만필터에의 데이터 입력이 종료될 때까지 반복수행되는 것을 특징으로 하는 위성지향 안테나의 안정화 제어방법.
  5. 위성지향 안테나;
    상기 위성지향 안테나의 최종 부하단에 장착되고, 상기 위성지향 안테나 가 지향하는 위성에 대한 각속도를 산출하기 위한 자이로 신호를 감지하는 자이로 모듈;
    상기 위성지향 안테나로부터 출력된 모노펄스 신호와 상기 감지된 자이로 신호를 입력신호로 하여, 상기 모노펄스 신호의 왜곡 전 상태에 대응되는 모노펄스 원신호의 예측값을 산출하는 칼만필터부; 및
    상기 모노펄스 원신호의 예측값을 오차값으로 입력받아 상기 위성지향 안테나의 안정화 제어를 수행하는 제어부를 포함하고,
    상기 칼만필터부는,
    상기 신호 증폭된 모노펄스 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차각과 상기 감지된 자이로 신호에 대응되는 위성지향의 지향오차 각속도를 기초로 상태벡터를 정의하는 상태벡터정의모듈;
    상기 정의된 상태벡터를 기초로, 상기 모노펄스 신호의 왜곡 전 상태에 대응되는 모노펄스 원신호를 예측하는 원신호예측모듈;
    상기 모노펄스 원신호의 예측을 지속적으로 업데이트하되, 상기 업데이트된 모노펄스 신호의 각속도에 대응되는 상태변수에 상기 감지된 자이로 신호를 적용시키는 업데이트모듈; 및
    상기 예측된 모노펄스 원신호를 상기 제어부로 출력시키기 위한 출력모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 위성지향 안테나의 안정화 시스템.
  6. 삭제
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