KR101677990B1 - 영상정보용 데이터링크 지상 통신장비의 안테나 제어방법 및 그 장치 - Google Patents

영상정보용 데이터링크 지상 통신장비의 안테나 제어방법 및 그 장치 Download PDF

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류영재
박의영
유정훈
정진우
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은, 직접경로와 반사경로의 수신 안테나 입사각 차이로부터 직접경로로 수신되는 신호 크기 감소를 최소화하면서 동시에 반사경로로 수신되는 신호 크기가 최대한으로 줄어들도록 지상 통신장비 안테나의 지향방향을 제어하는 지상 통신장비 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시 예에 따른 지상 통신장비의 제어 방법은, 비행체의 위치와 지상 통신장비의 위치를 근거로 상기 비행체와 상기 지상 통신장비 간의 상대거리를 계산하는 단계와; 상기 계산된 상대거리와 상기 비행체의 고도와, 상기 지상 통신장비의 고도를 근거로 상기 비행체에서 상기 지상 통신장비로 직접 수신되는 직접경로 신호와 상기 비행체에서 송신한 신호 중 지표면에서 반사되어 상기 지상 통신장비로 수신되는 반사경로 신호의 입사 각도 차이를 계산하는 단계와; 상기 직접경로 신호가 최대의 크기로 수신되는 지점을 추적하는 단계와; 상기 입사각도 차이에 따라 상기 추적된 지점에서 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

영상정보용 데이터링크 지상 통신장비의 안테나 제어방법 및 그 장치{METHOD FOR CONTROLLING ANTENNA OF DATA LINK COMMUNICATION DEVICE FOR IMAGE INFORMATION AND APPARATUS THEREOF}
본 발명은 유인 또는 무인의 감시정찰 플랫폼의 영상 및 신호탐지 센서가 획득한 영상(image) 데이터와 신호(intelligence) 데이터를 장거리에 떨어진 지상 통신장비에 송신하는 영상정보용 데이터링크 통신장비의 안테나 제어방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 영상정보용 데이터링크는 유인 또는 무인의 감시정찰 비행체가 찍은 영상 데이터를 수십 ~ 수백km의 장거리에 떨어진 지상 통신장비로 송신하는 무선 통신시스템이다.
본 발명의 목적은, 직접경로와 반사경로의 수신 안테나 입사각 차이로부터 직접경로로 수신되는 신호 크기 감소를 최소화하면서 동시에 반사경로로 수신되는 신호 크기가 최대한으로 줄어들도록 지상 통신장비 안테나의 지향방향을 제어하는, 영상정보용 데이터링크 지상 통신장비의 안테나 제어방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 지상 통신장비는,
비행체에서 송신한 영상정보와 항공기 상태정보를 포함하는 송신신호를 수신하는 안테나와;
상기 영상정보와 상기 항공기 상태정보를 수신하고, 상기 수신된 영상정보를 영상 전시기에 제공하고, 상기 항공기 상태정보를 항공기 상태정보 분석기에 제공하는 영상/상태정보 수신기와;
상기 영상/상태정보 수신기로부터 제공된 영상정보를 표시하는 영상 전시기와;
상기 영상/상태정보 수신기로부터 제공된 상기 항공기 상태정보에서 상기 비행체의 위치와 고도를 검출하는 항공기 상태정보 분석기와;
지상 통신장비의 위치와 고도를 제공하는 지상 통신장비 상태정보 제어기와;
상기 비행체의 위치와 상기 지상 통신장비의 위치를 근거로 상기 비행체와 상기 지상 통신장비 간의 상대거리를 계산하고, 상기 계산된 상대거리와 상기 비행체의 고도와, 상기 지상 통신장비의 고도를 근거로 상기 비행체에서 상기 지상 통신장비로 직접 수신되는 직접경로 신호와 상기 비행체에서 송신한 신호 중 지표면에서 반사되어 상기 지상 통신장비로 수신되는 반사경로 신호의 입사 각도 차이를 계산하는 입사각도 차이 계산기와,
상기 직접경로 신호가 최대의 크기로 수신되는 지점을 추적하는 최대수신 추적기와;
상기 입사각도 차이에 따라 상기 추적된 지점에서 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 이동시키는 안테나 제어기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 지상 통신장비의 제어 방법은,
비행체의 위치와 지상 통신장비의 위치를 근거로 상기 비행체와 상기 지상 통신장비 간의 상대거리를 계산하는 단계와;
상기 계산된 상대거리와 상기 비행체의 고도와, 상기 지상 통신장비의 고도를 근거로 상기 비행체에서 상기 지상 통신장비로 직접 수신되는 직접경로 신호와 상기 비행체에서 송신한 신호 중 지표면에서 반사되어 상기 지상 통신장비로 수신되는 반사경로 신호의 입사 각도 차이를 계산하는 단계와;
상기 직접경로 신호가 최대의 크기로 수신되는 지점을 추적하는 단계와;
상기 입사각도 차이에 따라 상기 추적된 지점에서 상기 지상 통신장비의 안테나를 고각 방향으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영상정보용 데이터링크 지상 통신장비의 안테나 제어방법 및 그 장치는, 직접경로와 반사경로의 수신 안테나 입사각 차이로부터 직접경로로 수신되는 신호 크기 감소를 최소화하면서 동시에 반사경로로 수신되는 신호 크기를 최소화할 수 있다.
도 1은 영상정보용 데이터링크에서 비행체와 지상 통신장비 안테나가 상호 지향 및 추적하는 개념도이다.
도 2는 영상정보용 데이터링크에서 직접경로와 반사경로의 신호가 함께 수신되는 채널모델을 나타낸 도이다.
도 3은 직접경로와 반사경로 신호의 크기, 위상에 따른 수신전력 변화를 설명하는 개념도이다.
도 4는 비행체와 지상 통신장비 간의 거리에 따른 수신전력 변화를 나타낸다.
도 5는 반치각(Half Power Beam Width)가 2도인 지상 통신장비 안테나의 고각 방향의 빔패턴이다.
도 6a-6b는 신호의 입사각도 차이에 따라 직접경로와 반사경로 신호의 수신 안테나 이득을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따라 안테나 고각을 계산된 값만큼 상승하도록 제어했을 때 직접경로와 반사경로 신호의 수신 안테나 이득 변화를 나타내는 개념도를 나타낸다.
도 8a-8b는 수학식 8을 입사각 차이의 구간 별로 본 발명에 따라 지상 통신장비 안테나의 고각을 추가적으로 상승시키는 방법을 개념적으로 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 안테나 제어방법을 구현하기 위한 입사각도 차이 계산기를 포함하는 지상 통신장비의 구성도를 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 안테나 제어방법에 따라 지상 통신장비 안테나를 제어했을 때 통신거리에 따른 수신신호 전력의 변화를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 영상정보용 데이터링크에서 비행체와 지상 통신장비 안테나가 상호 지향 및 추적하는 개념도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 영상정보용 데이터링크의 비행체와 지상 통신장비는 대용량의 정보를 장거리에 전송하기 위해 지향성을 가진 고이득의 안테나를 사용하고 비행체의 움직임에 따라 안테나를 상호 추적한다.
영상정보용 데이터링크는 비행체와 지상 통신장비의 전파 가시선(LOS: Line of Sight)이 확보된 양호한 채널환경에서 운용되나 비행체의 고도가 대기권으로 제한되므로 통신거리가 증가할수록 전파경로가 점차로 지표면에 가까워진다.
도 2는 영상정보용 데이터링크에서 직접경로와 반사경로의 신호가 함께 수신되는 채널모델을 나타낸 도로서, 비행체가 지상 통신장비로 송신한 전파의 간략화된 2-ray 경로모델을 나타낸다. 비행체에서 지상 통신장비로 직접 수신되는 직접경로와 비행체에서 송신한 신호 중 지표면에서 반사되어 지상 통신장비로 수신되는 반사경로의 신호는 신호의 크기와 위상(Phase)이 달라진다.
도 3은 직접경로와 반사경로 신호의 크기, 위상에 따른 수신전력 변화를 설명하는 개념도이다.
직접경로와 반사경로 신호가 결합된 신호의 크기는 두 신호의 위상차에 따라 위상이 비슷할 경우 신호 크기가 증가하며 위상차가 180도에 가까워지면 신호 크기가 감소한다.
장거리 영상정보용 데이터링크에서 지표면 반사에 의한 수신신호 전력변화는 반사경로 신호의 크기가 커질수록 증가하는데, 반사경로 신호의 크기는 통신거리가 증가할수록 증가한다. 이는 반사경로의 신호가 지표면에서 반사되는 각도가 지표와 수평이 될수록 반사되는 신호의 크기가 커지는 원인도 있으나 가장 크게 영향을 미치는 것은 통신거리가 증가할수록 지상 통신장비의 안테나로 수신되는 직접경로 신호와 반사경로 신호의 입사각의 차이가 줄어들기 때문이다.
영상정보용 데이터링크 지상 통신장비의 안테나는 이득이 매우 높고 지향성이 강한 특성을 가지므로 직접경로 신호와 반사경로 신호의 입사각의 차이가 크면 반사경로 신호가 입사되는 방향의 안테나 이득은 매우 낮아 반사경로 신호의 영향을 무시할 수 있다.
반면, 직접경로 신호와 반사경로 신호의 입사각의 차이가 지상 통신장비 안테나의 반치각(Half Power Beam Width) 이내일 경우 반사경로 신호의 크기가 직접경로 신호에 근접하고 두 신호의 위상차에 따라 신호전력이 급격하게 감소하는 딥 페이드(Deep Fade) 현상이 발생할 수 있다.
딥 페이드(Deep Fade)가 발생하여 지상 통신장비에 수신되는 수신 전력이 수신감도 이하로 떨어지면 무선링크에 오류가 발생하므로 영상정보용 데이터링크 통신 시스템은 딥 페이드(Deep Fade)를 고려하여 송신기 출력 향상, 안테나 이득 증가 등과 같은 추가적인 마진을 확보해야 하며, 이로 인해 통신장비의 크기, 무게, 전력 및 비용이 증가한다.
기존 영상정보용 데이터링크는 비행체에서 송신한 직접경로 신호가 최대로 수신되도록 지상 통신장비의 안테나의 지향방향을 제어하였다. 이로 인해 통신거리가 증가하여 지상 통신장비 안테나로 수신되는 직접경로와 반사경로의 입사각 차이가 지상 통신장비 안테나의 반치각에 근접하면 반사경로의 신호 크기가 직접경로 신호에 근접하여 두 신호가 결합될 경우 위상차에 따라 신호전력이 급격하게 줄어드는 딥 페이드(Deep Fade) 현상이 발생할 수 있다.
본 발명은 기존 영상정보용 데이터링크에서 지상 통신장비 안테나가 통신거리에 관계없이 항상 직접경로 신호가 최대로 수신되도록 지상 통신장비의 안테나의 지향방향을 제어하는 대신에 통신거리가 증가하여 직접경로와 반사경로의 수신 안테나 입사각 차이가 줄어들면 반사경로로 수신되는 신호 크기가 줄어들도록 지상 통신장비 안테나를 제어한다. 이때, 직접경로와 반사경로의 수신 안테나 입사각 차이는 비행체와 지상 통신장비의 고도, 통신거리에 의해 결정되는 값이므로 반사경로로 수신되는 신호 크기가 줄어들게 안테나를 제어하면 반대급부로 직접경로로 수신되는 신호 크기도 줄어든다.
따라서, 이하에서는, 직접경로와 반사경로의 수신 안테나 입사각 차이로부터 직접경로로 수신되는 신호 크기 감소를 최소화하면서 동시에 반사경로로 수신되는 신호 크기가 최대한으로 줄어들도록 지상 통신장비 안테나의 지향방향을 제어하는, 영상정보용 데이터링크 지상 통신장비의 안테나 제어방법 및 그 장치를 설명한다. 예를 들면, 본 발명에 따른 영상정보용 데이터링크 지상 통신장비의 안테나는 직접경로로 수신되는 신호 크기 감소를 최소화하면서 동시에 반사경로로 수신되는 신호 크기가 최대한으로 줄어들도록 지향방향을 제어하여 직접경로와 반사경로 신호가 결합된 신호의 수신전력 변화폭이 감소하도록 한다.
이를 위해 본 발명에서의 영상정보용 데이터링크 지상 통신장비는 기존의 지상 통신장비 구성에 항공기 위치, 고도로부터 직접경로와 반사경로의 입사각도 차이를 계산하고, 그 계산된 입사각도 차이로부터 지상 통신장비 안테나의 고각(Elevation angle)을 어느 정도 추가적으로 상승시킬 것인지를 결정하는 입사각도 차이 분석기를 추가한다.
본 발명에 의한 결과로 수신전력 변화폭을 감소할 수 있다는 것을 설명하기 위해 직접경로와 반사경로로 구성되는 도 2와 같은 2-ray 전파모델을 이용하여 영상정보용 데이터링크의 수신전력의 변화를 다음과 같이 분석한다.
도 2의 전파모델에서 직접경로의 거리(S1)와 반사경로의 거리(S2)는 수학식 1과 같다.
Figure 112015099934846-pat00001
여기서, D는 비행체와 지상 통신장비 간의 거리,
Figure 112015099934846-pat00002
는 비행체의 고도를 나타내며,
Figure 112015099934846-pat00003
는 지상 통신장비의 고도를 나타낸다.
비행체 안테나의 최대이득, 지상장비 안테나의 최대이득, 지표면에 반사되는 반사경로 신호의 반사계수(반사된 전계강도/입사된 전계강도)를 고려하지 않은 경우,지상 통신장비에서 수신하는 직접경로의 수신 전계강도(Er1)와 반사경로의 수신 전계강도(Er2)는 수학식 2와 같다.
Figure 112015099934846-pat00004
여기서, E0는 비행체에서 송신한 전계강도를 나타내며, λ는 비행체에서 송신한 영상정보용 데이터링크의 반송파 주파수 파장을 나타낸다. 즉, 비행체에서 송신한 전계강도 E0는 지상 통신장비에서 직접경로와 반사경로로 전계강도 Er1과 Er2로 동시에 수신되는데 각 경로의 수신 전계강도와 위상은 수학식(2)와 같다.
단, 수학식 2에서 Er1과 Er2는 비행체 안테나의 최대 송신이득, 지상 통신장비의 최대 수신이득이 포함되지 않았다.
또한 직접경로 신호가 최대 이득으로 송신되도록 비행체 안테나를 지향하고 직접경로 신호가 최대 이득으로 수신되도록 지상 통신장비 안테나가 지향했을 때 반사경로 신호가 겪는 비행체 안테나의 송신이득 감소, 반사경로 신호가 겪는 지상 통신장비 안테나의 수신이득 감소가 포함되지 않았다.
또한 반사경로 신호가 지표면에서 반사될 때 지표면 매질의 종류와 상태에 따라 입사된 전계강도 대비 반사된 전계강도의 비율을 반사계수라고 하며 일반적으로 1보다 낮은 반사계수를 가지나 수학식 2에서는 반사계수가 1인 전반사(입사된 전계강도=반사된 전계강도)를 가정하였다.
따라서 수학식 2는 비행체 안테나의 최대 송신이득, 지상 통신장비의 최대 수신이득, 반사경로 신호가 겪는 비행체 안테나의 송신이득 감소, 반사경로 신호가 겪는 지상 통신장비 안테나의 수신이득 감소 및 반사경로 신호가 지표면에서의 반사계수를 포함하여 직접경로 신호의 수신 전계강도(Er1)는 수학식 3으로 반사경로 신호의 수신 전계강도(Er2)는 수학식 4로 수정되어야 한다.
Figure 112015099934846-pat00005
Figure 112015099934846-pat00006
수학식 3에서 gtx는 비행체 안테나의 최대 송신이득의 크기, grx는 지상 통신장비 안테나의 최대 수신이득의 크기를 나타내며, (gtx)2과 (grx)2이 일반적으로 말하는 dBi 단위의 안테나의 최대 이득을 나타낸다.
안테나의 최대 이득은 설계된 특정 방향에서만 얻을 수 있으며 최대 이득의 방향에서 벗어난 방향에서의 이득은 최대 이득에 비해 낮아진다. 최대 이득의 방향에 비해 전력 이득이 1/2(3dB)로 낮아지는 지점을 반치각(Half Power Beam Width)라고 하며 안테나의 크기가 클수록 반치각이 좁아진다.
도 1에서와 같이 영상정보용 데이터링크에서 비행체와 지상 통신장비는 직접경로의 신호전력이 최대가 되도록 안테나 방향을 제어한다. 도 2에서 직접경로 신호와 반사경로 신호는 비행체 안테나에서 송신될 때의 송신각도와 지상 통신장비 안테나에서 수신될 때 수신각도에서 차이가 발생한다.
수학식 4에서 g'tx는 영상정보용 데이터링크에서 비행체가 직접경로의 신호전력이 최대가 되도록 안테나 방향을 제어했을 때 반사경로의 신호가 송신되는 방향에서의 비행체 안테나의 송신이득의 크기을 나타내며, g'rx는 영상정보용 데이터링크에서 지상 통신장비가 직접경로의 신호전력이 최대가 되도록 안테나 방향을 제어했을 때 반사경로의 신호가 수신되는 방향에서의 지상 통신장비 안테나의 수신이득의 크기를 나타낸다. g'tx 는 비행체 안테나의 최대 송신이득의 크기인 gtx보다 같거나 작은 값을 가지며, g'rx는 지상 통신장비 안테나의 최대 수신이득의 크기인 grx보다 같거나 작은 값을 가진다.
수학식 4에서 ρ는 지면 반사계수로 반사경로 신호가 지표면에서 반사될 때 입사되는 전계강도 대비 반사되는 전계강도의 비율을 나타내며, 1보다 작은 값을 가진다. 지표면의 상태, 입사각도 및 안테나의 편파종류에 따라 다른 값을 가지나 본 발명에 따른 성능 변화에는 영향이 없으므로 본 발명에서는 상수로 취급한다.
도 2에서 직접경로와 반사경로가 비행체 안테나에서 송신될 때의 각도 차이와 지상 통신장비 안테나에서 수신될 때의 각도 차이를 계산하면 수학식 6과 같으며, 도 2에서 직접경로의 신호가 gtx와 grx 크기로 송신 및 수신될 때 반사경로의 신호는 수학식 6과 같이 안테나 빔 중심에서 < > 값만큼 벗어난 크기인 g'tx와 g'rx로 송신 및 수신된다. 수학식 6의
Figure 112015099934846-pat00007
와
Figure 112015099934846-pat00008
는 도 2에서 비행체와 지상 통신장비 간의 상대적인 거리차(D), 비행체의 고도(htx), 지상 통신장비의 고도(hrx)로부터 수학식 (5)와 같이 계산할 수 있다.
Figure 112015099934846-pat00009
Figure 112015099934846-pat00010
직접경로와 반사경로의 통신거리 차이, 반사경로 신호의 지면 반사계수 및 안테나 빔 패턴에 따른 직접경로와 반사경로 신호의 크기 변화를 함께 고려하면 수학식 3과 4는 수학식 7의 결합신호 모델로 변환할 수 있다.
Figure 112015099934846-pat00011
도 3은 직접경로와 반사경로가 결합된 모델에서 두 신호의 위상 차이인
Figure 112015099934846-pat00012
에 의해 수신신호 크기의 변화를 나타내는 것이다. 이때 반사경로 신호의 크기는 직접경로 신호의 크기를 1로 정규화했을 때
Figure 112015099934846-pat00013
이 된다.
수학식 7의 결합신호 모델에서 Er1 부분은 비행체와 지상 통신장비 간의 거리인 S1과 신호의 파장 λ으로부터 계산되는 자유공간손실(Free Space Loss) 값으로 동일 거리에서는 동일한 값을 가지며 도 3에서는 ①에 해당한다.
결합신호에서 직접경로와 반사경로 신호의 위상이 같을 때에는 자유공간손실에 비해 크기가 큰 신호가 수신되며 이를 업 페이드(Up Fade)라고 한다. 업 페이드(Up Fade)의 이론적인 최대 크기는 반사경로 신호의 크기가 직접경로 신호와 같을 때 발생하며 크기로는 2배, 전력으로는 6dB가 증가한다.
직접경로와 반사경로 신호의 위상이 역위상(180도 반전)이 되면 자유공간손실에 비해 크기가 작은 신호가 수신되며 이를 다운 페이드(Down Fade)라고 한다. 반사경로 신호 크기가 직접경로 신호 크기와 비슷해질수록 다운 페이드(Down Fade) 시 수신전력 변화가 심각하며 이를 딥 페이드(Deep Fade)라고 한다. 극단적으로 반사경로 신호 크기가 직접경로 신호 크기와 같고 위상이 역위상이면 수신신호 크기가 0이 된다.
도 4는 비행체와 지상 통신장비 간의 거리에 따른 수신전력 변화를 나타낸다. 도 4에서 가로축은 km단위의 거리를 나타내고 세로축은 1mW(0dBm)을 송신했을 때 수신 안테나 최대이득 grx를 0dBi로 정규화(Normalized)한 안테나로 수신했을 때의 수신전력을 나타낸다.
도 4에서 반사경로 신호를 제외한 결과는 자유공간손실로 전파 가시선(Line of Sight)가 확보되면 비행체 및 지상 통신장비의 고도와는 무관하며 단지 통신거리와 운용 주파수에 의해서 결정된다.
도 4에서 반사경로 신호를 포함한 결과는 수학식 7에 의한 결과로 통신거리가 증가함에 따라 수학식 7에서 반사경로 신호의 크기가 증가하고 자유공간손실을 평균값으로 하여 Up Fade와 Down Fade가 발생한다.
수학식 7에서 반사경로 신호 크기는 직접경로 신호의 크기를 1로 정규화했을 때
Figure 112015099934846-pat00014
이며, 통신거리가 짧은 경우에는 수학식 6의
Figure 112015099934846-pat00015
에서 직접경로와 반사경로의 입사각도 차이인
Figure 112015099934846-pat00016
가 커서 수신 안테나 빔패턴에 의해 g'rx가 매우 작은 크기를 가져 반사경로 신호의 영향을 무시할 수 있다.
반면에 통신거리가 증가함에 따라
Figure 112015099934846-pat00017
가 작아져 g'rx가 grx에 근접하면 반사경로 신호도 이득이 높은 수신 안테나의 주빔(Main Lobe)으로 수신되어 반사경로 신호의 크기가 커지게 된다.
반사경로 신호에 의해 큰 크기의 Down Fade인 Deep Fade가 발생하게 되면 영상정보용 데이터링크 시스템은 직접경로 신호 크기인 자유공간 손실을 기준으로 수신전력 기준을 결정하는 대신 반사경로 신호에 의해 감소된 수신 전력까지 수신할 수 있도록 수신전력 기준을 결정해야 한다. 이 경우 영상정보용 데이터링크 시스템은 송신출력, 안테나 이득 등을 증가시켜 더 낮은 수신전력까지 수신할 수 있게 설계해야 한다.
본 발명은 장거리 영상정보용 데이터링크 시스템에서 통신거리가 증가할 때 지상 통신장비의 수신 안테나로 수신되는 직접경로 신호와 반사경로 신호 간의 입사각도 차이가 줄어듦으로 인해서 반사경로 신호가 지상 통신장비 안테나의 이득이 높은 주빔(Main Lobe)으로 수신되지 않도록 안테나 고각(Elevation Angle)을 제어한다.
도 5는 반치각(Half Power Beam Width)가 2도인 지상 통신장비 안테나의 고각 방향의 빔패턴이다. 가로축은 안테나 고각 중심에서 이격된 각도를 나타내고 세로축은 안테나 중심의 이득을 1(0 dBi)로 정규화했을 때 해당 이격 각도의 안테나 이득을 나타낸다. 영상정보용 데이터링크의 지상 통신장비 안테나는 높은 이득을 확보하기 위해 지향성이 강하며 세부적인 성능 지표는 일부 상이할 수 있으나 도 5에서 예를 든 안테나 빔패턴과 유사한 특성을 가진다.
도 6a-6b는 신호의 입사각도 차이에 따라 직접경로와 반사경로 신호의 수신 안테나 이득을 나타낸다. 도 1에서 설명한 바와 같이 영상정보용 데이터링크의 비행체와 지상 통신장비는 직접경로 신호가 최대로 수신되도록 안테나의 방향을 제어하므로 직접경로는 항상 안테나의 최대 이득지점으로 수신된다.
도 6a와 같이 통신거리가 짧아 직접경로와 반사경로 신호의 입사각도가 큰 경우에는 반사경로 신호의 수신 이득은 직접경로 신호에 비해 매우 작은 값을 가진다. 반면, 도 6b와 같이 직접경로와 반사경로 신호의 입사각도가 반치각 수준으로 작은 경우에는 반사경로 신호의 수식 이득이 직접경로 신호의 수신 이득에 가까워져 반사경로 신호의 크기가 증가한다.
도 7은 본 발명에 따라 안테나 고각을 계산된 값만큼 상승하도록 제어했을 때 직접경로와 반사경로 신호의 수신 안테나 이득 변화를 나타내는 개념도를 나타낸다. 본 발명에 따른 지상 통신장비 안테나 제어방법은 직접경로의 신호 크기를 최대로 수신하는 대신 직접경로 신호 크기를 일부 희생하면서 직접경로 신호크기가 줄어든 것보다 더 크게 반사경로 신호 크기를 줄이는데 목적이 있다.
즉, 수학식 7의
Figure 112015099934846-pat00018
에서
Figure 112015099934846-pat00019
값을 조건에 따라 최저로 유지하도록 지상 통신장비 안테나 고각을 제어한다. 도 6b와 도 7에서 직접경로와 반사경로 신호의 입사각도 차이는 1도로 동일하지만 도 6b에서
Figure 112015099934846-pat00020
인데 반하여 도 7의
Figure 112015099934846-pat00021
로 안테나 고각을 제어했을 때 직접경로 대비 반사경로 신호의 크기가 1/4로 감소함을 알 수 있다. 이때 grx , g'rx는 크기 값이며 도 6, 도 7의 빔 패턴은 안테나 이득으로 전력 값이므로 이를 계산에 고려해야 한다.
본 발명에 따른 안테나 제어방법은 다음과 같다. 기존 지상 통신장비의 안테나 구성(최대수신 추적기 및 안테나 제어기)에 입사각도 차이 계산기를 추가로 구성한다.
입사각도 차이 계산기는 지상 통신장비 상태정보 제어기로부터 지상 통신장비의 고도를 입력받고, 상태정보 분석기로부터 지상 통신장비 상태정보 제어기를 거쳐 비행체의 고도와 거리를 입력받는다.
입사각도 차이 계산기는 지상 통신장비 고도, 비행체 고도, 지상 통신장비와 비행체의 상대거리로부터 직접경로와 반사경로 신호의 입사 차이각을 계산한다.
입사각도 차이 계산기는 지상 통신장비 안테나의 고각(Elevation) 방향의 빔 패턴 정보 중 반치각(Half Power Beam Width)의 1/2이 되는 각도와 빔 패턴에서 첫 번째 널(Null)이 되는 각도를 저장한다. 도 5를 예시로 하면 반치각의 1/2 지점은 1도, 첫 번째 널(null)은 약 2.2도가 된다.
본 발명에 따른 안테나 제어방법은 기존의 직접경로 신호가 최대로 수신되도록 추적하는 최대수신 추적기가 계산한 안테나 제어방향에서 입사각도 차이 계산기가 계산한 고각 방향을 + 값(상승)으로 추가하여 안테나 방향을 제어한다. 이때, 입사각도 차이 계산기가 고각 방향으로 추가하여 보정하는 각도를
Figure 112015099934846-pat00022
, 직접경로와 반사경로 신호의 입사 차이각을
Figure 112015099934846-pat00023
, 지상 통신장비 안테나 반치각의 1/2 지점의 각도를
Figure 112015099934846-pat00024
, 첫 번째 널(null) 지점의 각도를
Figure 112015099934846-pat00025
로 하면, 본 발명에 따른 입사각도 차이 계산기가 고각 방향으로 추가하여 보정하는 각도(
Figure 112015099934846-pat00026
)는 수학식 8과 같이 구간 별로 결정된다.
Figure 112015099934846-pat00027
도 8a-8b는 수학식 8을 입사각 차이의 구간 별로 본 발명에 따라 지상 통신장비 안테나의 고각을 추가적으로 상승시키는 방법을 개념적으로 나타낸 것이다.
입사각 차이가 안테나의 첫 번째 널(null)보다 크면 별도의 제어없이 직접경로 신호가 최대로 수신되는 지점으로 안테나 고각을 제어한다. 만약 입사각 차이가 첫 번째 널(null)보다 작고
Figure 112015099934846-pat00028
보다 크면 반사경로 신호가 지상 통신장비 안테나의 널(null) 부분으로 입사되도록 직접경로 신호가 최대로 수신되는 지점보다
Figure 112015099934846-pat00029
만큼 고각을 높게 제어한다. 마지막으로 입사각 차이가 첫 번째 널(null)보다 작고 지상 통신장비 안테나의 반치각의 1/2 이내가 되면 직접경로 신호가 최대로 수신되는 지점보다 반치각의 1/2만큼 고각을 높게 제어한다.
도 9는 본 발명에 따른 안테나 제어방법을 구현하기 위한 입사각도 차이 계산기를 포함하는 지상 통신장비의 구성도를 나타내며, 입사각도 차이 계산기를 제외한 나머지 구성은 통상적인 범주에서 구현이 가능하다.
도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 지상 통신장비는,
비행체에서 송신한 영상정보와 항공기 상태정보를 포함한 송신신호를 수신하는 안테나(10)와;
상기 비행체에서 송신한 영상정보와 항공기 상태정보를 수신하고, 상기 수신된 영상정보를 영상 전시기(30)에 제공하고, 상기 항공기 상태정보를 항공기 상태정보 분석기(40)에 제공하는 영상/상태정보 수신기(20)와;
상기 영상/상태정보 수신기(20)로부터 수신된 영상정보를 전시(표시)하는 영상 전시기(30)와;
상기 영상/상태정보 수신기(20)로부터 수신된 상기 항공기 상태정보에서 상기 비행체의 위치와 고도를 분석(검출)하는 항공기 상태정보 분석기(40)와;
지상 통신장비의 위치와 고도를 제공하는 지상 통신장비 상태정보 제어기(50)와;
상기 비행체의 위치와 상기 지상 통신장비의 위치를 근거로 상기 비행체와 상기 지상 통신장비 간의 상대거리를 계산하고, 그 계산된 상대거리와 상기 비행체의 고도와, 상기 지상 통신장비의 고도를 근거로 상기 비행체에서 상기 지상 통신장비로 직접 수신되는 직접경로의 신호와 상기 비행체에서 송신한 신호 중 지표면에서 반사되어 상기 지상 통신장비로 수신되는 반사경로의 신호의 입사 차이각을 계산하는 입사각도 차이 계산기(60)와,
상기 직접경로 신호가 최대의 크기로 수신되는 지점을 추적하는 최대수신 추적기(70)와;
상기 입사각도 차이에 따라 상기 추적된 지점에서 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 이동시키는 안테나 제어기(80)를 포함할 수 있다. 상기 안테나 제어기(80)는 상기 추적된 지점에서 상기 입사각도 차이에 따라 추가적으로 고각 방향으로 상기 지상 통신장비 안테나를 들어(위쪽 방향)주는 역할을 한다.
단, 상기 안테나 제어기(80)는 상기 계산한 입사각도 차이가 상기 지상 통신장비 안테나의 첫 번째 널(null)의 각도보다 클 경우에는 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 보정하지 않는다. 반면, 상기 안테나 제어기(80)는, 상기 입사각도 차이 계산기(60)가 계산한 입사각도 차이가 지상 통신장비 안테나의 첫 번째 널(null)의 각도보다 작을 경우에는 상기 지상 통신장비 안테나를 상기 추적된 지점에서 고각 방향으로의 보정이 필요한 것으로 결정하고, 상기 추적된 지점에서 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 이동시킨다.
도 10은 본 발명에 따른 안테나 제어방법에 따라 지상 통신장비 안테나를 제어했을 때 통신거리에 따른 수신신호 전력의 변화를 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 안테나 제어방법에 의해 직접경로 신호가 최대 반치각의 1/2인 3dB까지 감소할 수 있으나 최적 제어조건에 따라 반사경로 신호를 억압함으로써 수신전력 변화폭을 기존 방법에 비해 감소시킬 수 있다.
이상에서 살펴본 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영상정보용 데이터링크 지상 통신장비의 안테나 제어방법 및 그 장치는, 최적 제어조건에 따라 반사경로 신호를 억압함으로써 수신전력 변화폭을 기존 방법에 비해 감소시킬 수 있다. 수신전력 변화폭이 감소함으로써 지상 통신장비가 수신해야할 최저 수신전력 레벨이 상승하여 영상정보용 데이터링크 시스템에서 기존보다 낮은 송신 출력, 안테나 이득 등을 보유하더라도 통신이 가능하게 된다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (6)

  1. 비행체에서 송신한 영상정보와 항공기 상태정보를 포함하는 송신신호를 수신하는 안테나와;
    상기 영상정보와 상기 항공기 상태정보를 수신하고, 상기 수신된 영상정보를 영상 전시기에 제공하고, 상기 항공기 상태정보를 항공기 상태정보 분석기에 제공하는 영상/상태정보 수신기와;
    상기 영상/상태정보 수신기로부터 제공된 영상정보를 표시하는 영상 전시기와;
    상기 영상/상태정보 수신기로부터 제공된 상기 항공기 상태정보에서 상기 비행체의 위치와 고도를 검출하는 항공기 상태정보 분석기와;
    지상 통신장비의 위치와 고도를 제공하는 지상 통신장비 상태정보 제어기와;
    상기 비행체의 위치와 상기 지상 통신장비의 위치를 근거로 상기 비행체와 상기 지상 통신장비 간의 상대거리를 계산하고, 상기 계산된 상대거리와 상기 비행체의 고도와, 상기 지상 통신장비의 고도를 근거로 상기 비행체에서 상기 지상 통신장비로 직접 수신되는 직접경로 신호와 상기 비행체에서 송신한 신호 중 지표면에서 반사되어 상기 지상 통신장비로 수신되는 반사경로 신호의 입사 각도 차이를 계산하는 입사각도 차이 계산기와,
    상기 직접경로 신호가 최대의 크기로 수신되는 지점을 추적하는 최대수신 추적기와;
    상기 입사각도 차이에 따라 상기 추적된 지점에서 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 이동시키는 안테나 제어기를 포함하며,
    상기 안테나 제어기는,
    상기 계산한 입사각도 차이가 지상 통신장비 안테나의 첫 번째 널(null)의 각도보다 클 경우에는 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 보정하지 않는 것을 특징으로 하는 지상 통신장비.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 안테나 제어기는,
    상기 계산한 입사각도 차이가 상기 지상 통신장비 안테나의 첫 번째 널(null)의 각도보다 작을 경우에는 상기 지상 통신장비 안테나를 상기 추적된 지점에서 고각 방향으로의 보정이 필요한 것으로 결정하고, 상기 추적된 지점에서 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 이동키는 것을 특징으로 하는 지상 통신장비.
  4. 비행체의 위치와 지상 통신장비의 위치를 근거로 상기 비행체와 상기 지상 통신장비 간의 상대거리를 계산하는 단계와;
    상기 계산된 상대거리와 상기 비행체의 고도와, 상기 지상 통신장비의 고도를 근거로 상기 비행체에서 상기 지상 통신장비로 직접 수신되는 직접경로 신호와 상기 비행체에서 송신한 신호 중 지표면에서 반사되어 상기 지상 통신장비로 수신되는 반사경로 신호의 입사 각도 차이를 계산하는 단계와;
    상기 직접경로 신호가 최대의 크기로 수신되는 지점을 추적하는 단계와;
    상기 입사각도 차이에 따라 상기 추적된 지점에서 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 이동시키는 단계와;
    상기 계산한 입사각도 차이가 지상 통신장비 안테나의 첫 번째 널(null)의 각도보다 클 경우에는 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 보정하지 않는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상 통신장비의 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 이동시키는 단계는,
    상기 계산한 입사각도 차이가 상기 지상 통신장비 안테나의 첫 번째 널(null)의 각도보다 작을 경우에는 상기 지상 통신장비 안테나를 상기 추적된 지점에서 고각 방향으로의 보정이 필요한 것으로 결정하고, 상기 추적된 지점에서 상기 지상 통신장비 안테나를 고각 방향으로 이동키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상 통신장비의 제어 방법.
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