KR101702890B1 - 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 서로 다른 형식의 다양한 위성 신호를 단일의 수신기로 모두 수신하여 처리할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치는, 복수의 PRN 코드를 포함하는 위성 신호를 수신하는 수신부와; 위성 신호의 수신 위치가 N 번째 PRN 코드인 것으로 가정하여 세운 가설을 입력 신호에 곱하여 N번째 결과를 발생시키는 과정을 복수의 PRN 코드 모두를 대상으로 수행하는 상관기와; N개의 결과를 역순으로 입력받아 N개의 결과에서 이웃한 결과들의 동일 극성 부분들이 짝을 이루도록 결합하는 정합 필터와; 결합의 결과들 가운데 에너지 레벨이 가장 큰 결과를 참조하여 위성 신호의 실제 수신 위치를 획득하는 제어부를 포함한다.

Description

글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RECEIVING SIGNAL OF GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM}

본 발명은 위성으로부터 신호를 수신하여 처리하는 위성 항법 장치에 관한 것이다.

글로벌 위성 항법 시스템(Global Navigation Satellite System)은 우주 궤도를 돌고 있는 인공위성을 이용하여 지상에 있는 물체의 위치·고도·속도에 관한 정보를 제공하는 시스템이다. 작게는 1m 이하 해상도의 정밀한 위치 정보까지 파악할 수 있으며, 군사적 용도뿐 아니라 항공기·선박·자동차 등 교통수단의 위치 안내나 측지·긴급구조·통신 등 민간 분야에서도 폭넓게 응용된다. 하나 또는 그 이상의 인공위성과 신호를 받을 수 있는 수신기, 지상의 감시국 및 시스템 보전성 감시 체계로 이루어진다. 인공위성에서 발신된 전파를 수신기에서 받아 위성으로부터의 거리를 구하여 수신기의 위치를 결정하는 방식이다. 사용자의 지리적 위치에 관계없이 수신기를 구비하면 신호를 이용할 수 있는 점, 수신기가 소형인 점, 실시간으로 출력을 얻을 수 있어 이동 중에도 작업할 수 있는 점 등이 장점으로 꼽힌다. 현존하는 GNSS는 미국 국방부가 개발하여 운영하고 있는 GPS(Global Positioning System)가 널리 사용되고 있으며, 이에 대응하여 러시아가 GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)를, 유럽 연합(EU)은 갈릴레오(Galileo)를, 중국은 BeiDou를 구축하고 있다.

이와 같은 글로벌 위성 항법 시스템에서 GPS와 GLONASS, BeiDou 등은 위성 신호의 포맷이 서로 다르며, 각각의 위성 신호에 대한 동기화가 필요하다.

본 발명은 글로벌 위성 항법 의 효율적인 고속 동기화가 가능하도록 하며, 동시에 서로 다른 형식의 위성 방법 신호에 대해 하나의 장치로 대응할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적의 본 발명에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치는, 복수의 PRN 코드를 포함하는 위성 신호를 수신하는 수신부와; 위성 신호의 수신 위치를 각 PRN 코드의 어느 한 위치인 것으로 가정하여 세운 가설을 입력 신호에 곱하여 N개의 누적한 결과를 발생시키는 과정을 복수의 PRN 코드 모두를 대상으로 수행하는 상관기와; N개의 결과를 저장하기 위한 N개의 메모리와; N개의 결과를 역순으로 입력받아 N개의 결과에서 이웃한 결과들의 동일 극성 부분들이 짝을 이루도록 결합하는 정합 필터와; 결합의 결과들 가운데 에너지 레벨이 가장 큰 결과를 참조하여 위성 신호의 실제 수신 위치를 획득하는 제어부를 포함한다.

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치에서, 메모리는 복수의 PRN 코드에 상응하는 번지의 저장 영역으로 구분되고; 메모리의 i번째 번지에는

을 만족하는 데이터가 저장된다(식에서 n은 메모리의 최대 번지).

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치에서, 메모리는 0~1022 번지와 0~2045 번지 가운데 어느 하나의 저장 영역으로 구분된다.

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치에서, 메모리가 동기 누적 메모리이다.

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치에서, 정합 필터는 누적된 결과에서 이웃한 결과들의 동일 극성 부분들이 짝을 이루도록 결합한다.

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치에서, 수신부가 서로 다른 형태의 복수의 위성 신호를 수신하되, 복수의 위성 신호의 PRN 코드가 일정하지 않다.

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치에서, 수신부가 GPS와 BeiDou, GLONASS 가운데 어느 하나의 위성 신호를 수신한다.

상술한 목적의 본 발명에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법은, 복수의 PRN 코드를 포함하는 위성 신호를 수신하는 단계와; 위성 신호의 수신 위치를 각 PRN 코드의 어느 한 위치인 것으로 가정하여 세운 가설을 입력 신호에 곱하여 N개의 누적한 결과를 발생시키는 과정을 복수의 PRN 코드 모두를 대상으로 수행하는 단계와; N개의 결과를 N개의 메모리에 저장하는 단계와; N개의 결과를 역순으로 정합 필터에 입력하고 N개의 결과에서 이웃한 결과들의 동일 극성 부분들이 짝을 이루도록 결합하는 단계와; 결합의 결과들 가운데 에너지 레벨이 가장 큰 결과를 참조하여 위성 신호의 실제 수신 위치를 획득하는 단계를 포함한다.

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법에서, 메모리는 복수의 PRN 코드에 상응하는 번지의 저장 영역으로 구분되고; 메모리의 i번째 번지에는

을 만족하는 데이터가 저장된다(식에서 n은 메모리의 최대 번지).

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법에서, 메모리는 0~1022 번지와 0~2045 번지 가운데 어느 하나의 저장 영역으로 구분된다.

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법에서, 메모리가 동기 누적 메모리이다.

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법에서, 정합 필터에서의 결합은 누적된 결과에서 이웃한 결과들의 동일 극성 부분들이 짝을 이루도록 결합하는 것이다.

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법에서, 수신부가 서로 다른 형태의 복수의 위성 신호를 수신하되, 복수의 위성 신호의 PRN 코드가 일정하지 않다.

상술한 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법에서, 위성 신호가 GPS와 BeiDou, GLONASS 가운데 어느 하나의 위성 신호이다.

본 발명은 글로벌 위성 항법 시스템의 서로 다른 형식의 다양한 위성 신호를 단일의 수신기로 모두 수신하여 처리할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템(GNSS)을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 수신기(104)에 마련되는 초기 동기 신호 획득 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 보정 중첩 누적 메모리(2122)의 쓰기 및 읽기를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 혼성 동기 및 혼성 비동기 누적 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 초기 동기 신호 획득 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템에서 송수신 수신되는 GPS의 PRN 코드를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 BeiDou의 PRN 코드를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템에서 N개의 가설을 이용하여 실제의 신호 도달 위치를 판단하기 위한 장치 구성을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 동기 누적메모리의 데이터 저장 구조를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템에서 N개의 가설을 이용하여 실제의 신호 도달 위치를 판단하는 방법을 나타낸 도면이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템(GNSS)을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 글로벌 위성 항법 시스템은 복수의 위성(102)(엄밀하게는 네 개의 위성)에서 보내주는 항법 메시지를 받아 수신기(104)(또는 단말기)에서 위치를 계산함으로써 수신기(104)의 현재 위치를 파악한다. 수신기(104)가 자신의 현재 위치를 계산하기 위해서는 복수의 위성(102)이 발신하는 신호를 수신하기 위한 통신 수단이 필요하다.

GPS의 경우를 예로 들면, 위성(102)은 50bps의 속도로 항법 데이터를 발신한다. 이때 항법 데이터를 지구까지 전송하기 위해서는 항법 데이터를 반송파(Carrier)에 실어 보낸다. 위성(102)은 반송파로 L 대역의 두 개의 주파수 L1(1575.42 MHz), L2(1227.6 MHz)를 사용한다. 수신기(104)는 자신이 위성(102)으로부터 수신한 신호가 어떤 위성(102)으로부터 발신된 것인지를 식별할 수 있어야 한다. 그런데 각 위성(102)에서 모두 동일한 주파수의 반송파에 각자의 항법 데이터를 실어 보내기 때문에 주파수로는 위성(102)의 식별이 불가능하다. 대신 각 위성(102)마다 부여된 독립적인 ID를 통해 각각의 위성(102)을 식별한다. 이를 위해 CDMA(Code Division Multi Access) 방식이 사용된다. 즉 동일한 주파수를 이용해서 여러 사용자들이 동시에 송수신이 가능하도록 하기 위해 ID 코드를 할당하여 다른 사용자들과의 간섭을 피하는 방식이다. 위성(102)의 ID는 골드 코드(Gold Code)라고 불리는 1023 비트의 0과 1의 조합으로 이루어진다. 이 ID 는 반송파에 실려 1.023Mbps의 속도로 발신된다. 수신기(104)는 모든 위성(102)의 ID를 보유하고 있다. 수신기(104)는 위성(102)으로부터 발신되는 신호를 수신하면 보유하고 있는 ID 가운데 일치하는 ID를 찾아서 수신된 신호가 어느 위성(102)으로부터 발신된 신호인지를 파악한 후 항법 데이터를 얻고 위치를 계산한다.

항법 데이터는 시간(Time)과 위성 궤도, 기타 보정 모델 값의 데이터를 포함한다. 이 데이터를 이용하여 위성(102) 각각의 위치를 계산하고 위성(102)에서 발신된 신호가 수신기(104)에 도착하기까지의 소요된 시간을 계산하여 위성(102)과 수신기(104) 사이의 거리를 계산한다. 이때 계산된 거리는 신호 전송에 소요된 시간에 빛의 속도를 곱한 것으로 실제 거리와는 차이가 있을 수 있다. 위성(102)의 정밀한 시계와 수신기(104)의 일반적인 시계 사이에 100% 동기가 이루어 지지 않기 때문에 발생하는 오차가 있고 또 신호가 대기권을 지나면서 대기권의 구성 성분의 차이에 의한 지연 효과로 인해 발생하는 오차가 있다. 빛의 속도(300 만Km/sec)는 매우 빠른 속도여서 아주 작은 크기의 시간 지연에도 큰 거리 오차가 발생한다. 이 때문에 단순히 전파의 도달 시간에 빛의 속도를 곱해서 얻은 거리(여러 오차들을 포함하고 있는 거리)를 의사 거리(Pseudo range)라고 하여 실제 거리와 다르게 표현한다.

이와 같이 수신기(104)의 현재 위치를 파악하는데 있어서 시간(Time)이 매우 중요하기 때문에 위치를 계산하는데 필요한 3차원 좌표 X, Y, Z에 시간 T를 함께 반영한다. 미지수의 수가 4개이기 때문에 독립된 4개 이상의 식이 필요하고 1개의 위성(102)에 대해 1개의 식이 만들어지므로 도 1에 나타낸 것처럼 적어도 4개의 위성(102)이 수신기(104)에 의해 포착되어야 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호를 나타낸 도면이다. GPS의 경우, 도 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 위성(102)은 L1 반송파와 L2 반송파로 알려진 두 개의 다른 주파수의 신호를 동시에 발생시킨다. L1 반송파는 1.57542 GHz 주파수의 신호로 구성되고, L2 반송파는 1.2276 GHz 주파수의 신호로 구성된다. 이와 같은 반송파에 중첩되는 정보는 PRN(Pseudo-Random Noise) 코드와 항법 메시지(Navigation Message)로 구성된다.

PRN 코드는 각 위성(102)마다 서로 다른 고유의 값을 갖는다. PRN 코드는 이진 부호(Binary Code)로 구성되는데 길고 복잡하기 때문에 신호 자체만 보았을 때는 의미를 파악할 수 없다. PRN 코드는 특정한 정보를 담고 있는 것이 아니라 그 명칭에서 알 수 있듯이(Random Noise) 불규칙한 이진 수열로써 위성(102)까지를 거리를 측정하는데 사용된다.

PRN 코드는 C/A 코드(Coarse Acquisition Code)와 P 코드(Precise Code)로 구성된다. C/A 코드는 민간 신호라고도 하며 특별히 허락 받지 않은 개인이나 단체도 이용할 수 있으나 P 코드는 암호화되어 있어서 허가를 받아야만 사용할 수 있다. L1 반송파에는 C/A 코드와 P 코드가 모두 실려 있고 L2 반송파에는 P 코드만 실려있으며, 항법 메시지는 L1 반송파와 L2 반송파 모두에 실려 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 수신기(104)에 마련되는 초기 동기 신호 획득 장치를 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 초기 동기 신호 획득 장치는, 도플러 주파수 보정부(21)와, 동기 및 비동기 계산부(22)와, 주파수 및 PRN 위상 동기 획득부(23)를 포함한다. 도플러 주파수 보정부(21)는 도플러 주파수 보정기(211)와 주파수 보정 중첩 누적기(212), 누적기 다중화기(213)를 포함한다. 동기 및 비동기 계산부(22)는 PRN 상관기(221)와 PRN 생성기(222), 동기 누적기(223), 비동기 계산기(224), 비동기 누적기(225)를 포함한다.

도 3에서, 도플러 주파수 보정부(21)의 구성은 다음과 같다. 도플러 주파수 보정부(21)의 도플러 주파수 보정기(211)는 도플러 주파수를 생성하는 도플러 주파수 생성기(2111)를 포함하며, 이를 이용하여 기저 대역 입력 신호에 포함된 도플러 주파수를 보정하여 제거한다. 이때, 도플러 주파수 보정기(211)는 동기 누적 기간별로 비례적인 적절한 보정 주파수 간격을 설정하고, 이 예상 도플러 주파수 값을 이용하여 입력 신호에 대하여 주파수 보정을 수행한다.

주파수 보정 중첩 누적기(212)는 주파수 보정 중첩 누적 크기 변환기(제 1 누적 크기 변환기)(2121)와 주파수 보정 중첩 누적 메모리(제 1 누적 메모리)(2122)를 포함하며, 이를 이용하여 도플러 주파수 보정기(211)에 의해 주파수가 보정된 신호(즉, 도플러 주파수 보정 신호)를 PRN 위상 별로 동기 및 비동기 누적 기간 동안 회귀 중첩 누적한다.

주파수 보정 중첩 누적 크기 변환기(2121)는 주파수 보정 중첩 누적 메모리(2122)의 사이즈를 줄이기 위하여 누적 기간 동안 주파수 보정 중첩 누적 메모리(2122)에 누적되는 데이터의 크기를 조절한다. 주파수 보정 중첩 누적 크기 변환기(2121)는 중첩 누적 값에 따라서 필요한 유효 숫자를 계산하여 입력 신호(도플러 주파수 보정 신호)의 크기를 조절하여, 주파수 보정 중첩 누적 메모리(2122)의 메모리 비트 폭(memory bit width)을 줄인다. 여기서 주파수 보정 중첩 누적 메모리(2122)의 쓰기 및 읽기에 대해 도 4를 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 보정 중첩 누적 메모리(2122)의 쓰기 및 읽기를 나타낸 도면이다. 특히 도 4에는 주파수 보정 중첩 누적 메모리(2122)로의 데이터 누적 위치에 대한 관계를 나타내었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 데이터는 1023 PRN 위상 별로 입력 신호가 중첩되어 누적된다. 이때, PRN 위상 동기는 요구되는 PRN 위상 동기 분해능 별로 다를 수 있는데, 예를 들어 분해능 값이 N일 때 주파수 보정 중첩 누적 메모리(2122)의 길이(depth)는 1023XN 값을 가질 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않지만, 편의를 위해 1023 PRN으로 설명하기로 한다.

다시 도 3으로 돌아와서, 이와 같은 구성 요소를 가지는 주파수 보정 중첩 누적기(212)는 비동기 계산 횟수만큼의 누적이 필요하다.

도플러 주파수 보정부(21)의 누적기 다중화기(213)는 주파수 보정 중첩 누적기(212)에 누적된 주파수 보정 중첩 누적기 값을 동기 및 비동기 계산부(22)의 PRN 상관기(221)의 입력으로 순차적으로 전달한다. 이러한 누적기 다중화기(213)의 기능은 주파수 보정 중첩 누적기(212)의 비동기 횟수가 2 이상인 경우에 수행된다.

본 발명의 일 실시 예에서는 이러한 도플러 주파수 보정부(21)를 복수 개 구비할 수 있으며, 이 경우에는 동시에 여러 도플러 주파수 보정 신호에 대한 판단이 이루어질 수 있어 GPS를 위한 초기 동기 획득 시간을 단축시킬 수 있다.

도 3에서, 동기 및 비동기 계산부(22)의 구성은 다음과 같다. 동기 및 비동기 계산부(22)의 PRN 상관기(221)는 주파수 보정 중첩 누적 메모리 값과 PRN 생성기(222)에 의해 생성된 역확산을 위한 PRN 패턴을 이용하여 하나의 주파수 보정 중첩 누적기(212)의 출력 동안(동기 누적 기간 동안) PRN 상관 값을 구한다. 즉, PRN 상관기(221)는 기저 대역 신호에 포함된 PRN 위상을 역확산하여 1023PRN 간격의 복조 심볼을 생성한다. 이때, PRN 상관기(221)는 시리얼 또는 정합 필터 상관기가 될 수 있다.

PRN 상관기(221)는 주파수 보정 중첩 누적 메모리 값을 사용하기 때문에 PRN 상관 값을 구하기 위한 입력 신호의 연속성을 확보하기 위하여 하나의 동기 누적 기간 동안의 모든 1023 PRN 위상에 대한 상관 값(PRN 상관 값)을 구할 때까지는 해당 주파수 보정 중첩 누적 메모리 값을 회귀하여 사용한다.

동기 및 비동기 계산부(22)의 동기 누적기(223)는 동기 누적 크기 변환기(제 2 누적 크기 변환기)(2231)와 동기 누적 메모리(제 2 누적 메모리)(2232)를 포함하며, 이를 이용하여 PRN 상관기(221)에 의해 획득된 PRN 상관 값을 PRN 위상별로 중첩 누적한다. 즉, 동기 누적기(223)는 복조 심볼을 중첩 누적한다(동기 누적).

동기 누적 크기 변환기(2231)는 동기 누적 메모리(2232)의 사이즈를 줄이기 위하여 동기 누적 기간 동안 동기 누적 메모리(2232)에 누적되는 데이터의 크기를 조절한다. 동기 누적 크기 변환기(2231)는 유효 숫자를 계산하여 입력신호(PRN 상관 값)의 크기를 조절하여, 동기 누적 메모리(2232)의 메모리 비트 폭을 줄인다.

비동기 계산기(224)는 동기 누적기(223)에 의해 누적된 1023 PRN 위상에 대한 모든 동기 상관 값을 이용하여 I, Q 상관 값에 대한 비동기 계산 값을 구한다.

비동기 누적기(225)는 비동기 누적 크기 변환기(제 3 누적 크기 변환기)(2251)와 비동기 누적 메모리(제 3 누적 메모리)(2252)를 포함하며, 이를 이용하여 비동기 계산기(224)에 의해 계산된 비동기 계산 값을 PRN 위상별로 중첩 누적한다(비동기 누적).

비동기 누적 크기 변환기(2251)는 비동기 누적 메모리(2252)의 사이즈를 줄이기 위하여 비동기 누적 계산 기간 동안 비동기 누적 메모리(2252)에 누적되는 데이터의 크기를 조절한다. 비동기 누적 크기 변환기(2251)는 유효 숫자를 계산하여 입력 신호(비동기 계산 값)의 크기를 조절하여, 비동기 누적 메모리(2252)의 메모리 비트 폭을 줄인다.

이때, 동기 누적기(223)와 비동기 계산기(224), 비동기 누적기(225), 동기 누적 크기 변환기(2231), 동기 누적 메모리(2232), 비동기 누적 크기 변환기(2251), 비동기 누적 메모리(2252)는 혼성 동기 누적기와 혼성 비동기 계산기, 혼성 동기 누적기, 혼성 동기 누적 크기 변환기, 혼성 비동기 누적 크기 변환기, 혼성 비동기 누적 메모리로 각각 대체될 수 있다. 여기서, 혼성 동기 누적기는 차등 계산을 위하여 동기 누적을 2개 이상의 복수개를 계산하여 누적하고, 혼성 비동기 계산기는 비동기 계산과 차등 계산(혼성 비동기 계산)을 수행하며, 혼성 비동기 누적기는 혼성 비동기 계산 값을 누적한다. 이때, 혼성 동기 누적기, 혼성 비동기 계산기, 혼성 동기 누적기, 혼성 동기 누적 크기 변환기, 혼성 비동기 누적 크기 변환기, 및 혼성 비동기 누적 메모리를 이용하면 일반적인 동기 및 비동기 누적 방식에 비하여 1~2 dB 정도의 성능 향상을 이룰 수 있다.

본 발명에서 이러한 동기 및 비동기 계산부(22)는 복수 개를 둘 수 있으며, 이 경우에는 동시에 다수의 PRN 위상 동기에 대한 판단이 이루어질 수 있어 위성 신호의 초기 동기 획득 시간을 단축시킬 수 있다.

도 3에서, 주파수 및 PRN 위상 동기 획득부(23)는 비동기 누적 메모리 값을 이용하여 해당 도플러 주파수와 PRN 위상 값을 구한다. 여기서, 도플러 주파수는 PRN 상관 값을 구할 때 사용하는 예상 도플러 주파수가 되고, PRN 위상은 비동기 누적 메모리 값 중 지역 최대값 중에서 선택할 수 있다. 주파수 및 PRN 위상 동기 획득부(23)는 선택된 지역 최대값이 계산된 도플러 주파수 값과 PRN 위상 값을 전달한다. 여기서, 다른 PRN에 대해서는 주파수 보정 중첩 누적기 값을 다시 계산할 필요 없이 동기 및 비동기 계산부(22)와 주파수 및 PRN 위상 동기 획득부(23)로 반복적으로 구할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 혼성 동기 및 혼성 비동기 누적 방법을 나타낸 도면이다. 여기서, 동기 및 비동기 누적 방법과, 혼성 동기 및 혼성 비동기 누적 방법의 차이점을 명확히 하기 위하여 공통 항목인 제곱 항목(self product 항목으로서, const로 기술함)을 제외하고 상호 곱셈(cross product) 항목만을 기준으로 예시한다.

도 본 발명의 실시 예에 따른 혼성 동기 및 혼성 비동기 방법은 수학식 1과 같다.

<수학식 1>

이때, 혼성 비동기 계산 방식은 제곱 항목을 제거하는 기본 구조와 제거하지 않는 응용 구조를 둘 수 있으며, 비동기 계산 값과 차등 계산 값에 동등 또는 차등 가중치를 두어 최종 혼성 비동기 계산 값을 구한다. 여기서, 제곱 항목을 제거하는 기본 구조와 제거하지 않는 응용 구조를 둘 수 있다는 것은, 예를 들어 위 수식 중, const(일 예로,

)라고 된 값들을 혼성 계산 결과 값을 계산할 시에 넣을 수도 있고, 뺄 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 비동기 계산 값과 차등 계산 값에 동등 또는 차등 가중치를 둔다는 것은, 예를 들어 도 5의 덧셈기의 입력에서 비동기 계산 값 경로(즉, '2로 나눔'이 있는 경로)와 차등 계산 값 경로에 각각 크기 변환기(401, 402)를 두어 스케일(scale)을 동등하게 하거나 다르게 할 수 있다는 것을 의미한다. 이때, 크기 변환기(401, 402)는 혼성 비동기 계산 값의 품질을 조절할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 초기 동기 신호 획득 방법을 나타낸 도면이다.

먼저, 도플러 주파수 보정기(211)는 기저 대역 신호에 포함된 도플러 주파수를 보정하여 제거한다(501). 다음에, 주파수 보정 중첩 누적기(212)는 도플러 주파수가 보정된 신호(즉, 도플러 주파수 보정 신호)를 중첩 누적한다(502). 여기서, 주파수 보정 중첩 누적기(212)는 도플러 주파수 보정 신호를 중첩 누적할 시에 동기 누적 기간과 비동기 누적 기간 여부를 판단하여(503), 동기 및 비동기 누적 기간일 경우에는 도플러 주파수 보정 신호를 중첩 누적하고, 동기 및 비동기 누적 기간이 아닐 경우(즉, 동기 및 비동기 누적 기간이 완료되었을 경우)에는 중첩 누적을 완료한다.

PRN 상관기(221)는 PRN 생성기(222)에 의해 생성된 PRN 패턴(504)과 누적된 주파수 보정 신호를 이용하여, 기저 대역 신호에 포함된 PRN 위상을 역확산하여 1023 PRN 간격의 복조 심볼을 생성한다(505). 이후, 동기 누적기(223)는 생성된 복조 심볼을 중첩 누적하고(동기 누적)(506), 비동기 계산기(224) 및 비동기 누적기(225)는 동기 누적값의 비동기 계산을 중첩 누적한다(비동기 누적)(507).

이때, 동기 누적기(223) 대신에 혼성 동기 누적기가 동작할 수 있으며, 비동기 계산기(224) 및 비동기 누적기(225) 대신에 혼성 비동기 계산기 및 혼성 비동기 누적기가 동작하여 비동기 누적기(225)의 비동기 계산을 혼성 비동기 계산(비동기 계산값과 차등 계산값)으로 계산할 수 있다.

이후, 주파수 및 PRN 위상 동기 획득부(23)는 비동기 누적값 중 최대값이 계산된 도플러 주파수 값과 PRN 위상 값을 전달한다(508).

다른 PRN 신호를 검색할 필요가 있다면, "504" 과정으로 진행하여, 주파수 보정 중첩 누적기 값을 다시 계산할 필요 없이 주파수 보정 중첩기에 누적된 데이터를 이용하여 다른 PRN을 반복적으로 구할 수 있다. 한편, 다른 PRN 신호를 검색할 필요가 없을 경우, PRN 신호 검색을 완료한다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템에서 송수신 수신되는 GPS의 PRN 코드를 나타낸 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, GPS의 PRN 코드는 1ms 크기의 PRN 코드가 20ms 동안 20회 반복된다. 각각의 PRN 코드는 1024 칩(1024 chips)으로 이루어진다. 위성 신호는 반송파에 항법 메시지와 PRN 코드가 복조되어 이루어진다. 수신기(104)는 수신된 위성 신호의 PRN 코드를 분석하여 위성(102)까지의 거리를 측정한다.

GPS에서는 20ms 데이터 구간에서의 PRN 코드의 극성(Polarity)이 모두 동일하기 때문에 PRN 코드를 곱하지 않은 상태에서 누적하면 동일 위상이 누적된다. 다만, 다른 글로벌 위성 항법 시스템(예를 들면 BeiDou)에서는 20ms 데이터 구간에서의 PRN 코드의 극성(Polarity)이 모두 동일한 것은 아니어서 그대로 누적하면 서로 다른 극성의 PRN 코드가 서로 상쇄되어 온전한 누적 결과를 기대할 수 없다. 하나의 수신기(104)로 서로 다른 규격의 위성 신호를 수신하기 위해서는 이 문제가 해결되어야 한다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 BeiDou의 PRN 코드를 나타낸 도면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, BeiDou 위성 항법 시스템의 위성 신호는 반송파에 NH 코드(Neumann-Hoffman Code)와 항법 메시지가 복조되어 이루어진다. 앞서 도 7에 나타낸 것처럼 GPS의 PRN 코드는 20ms 데이터 구간에서의 PRN 코드의 극성(Polarity)이 모두 동일하지만, 도 8에 나타낸 BeiDou의 NH 코드에서는 20ms 구간 내에서의 PRN 코드의 위상이 일정하지 않다. 따라서 수신기(104)에서 그대로 누적하면 서로 다른 극성의 PRN 코드가 서로 상쇄되어 온전한 누적 결과를 기대할 수 없다. GLONASS의 경우에도 PRN 코드의 위상이 일정하지 않아서 BeiDou의 경우와 동일한 문제를 가지고 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템에서는 GPS처럼 PRN 코드의 위상이 모두 일정한 경우는 물론 Beidou나 GLONASS처럼 PRN 코드의 위상이 일정하지 않은 경우에도 초기 동기 신호를 획득할 수 있도록 한다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템에서 N개의 가설을 이용하여 실제의 신호 도달 위치를 판단하기 위한 장치 구성을 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 입력 신호에 N개의 서로 다른 가설(Hypothesis)(가설 #1~#N)을 각각 곱하고 각각의 결과를 N개의 누적기(902)를 이용하여 각각 누적한 후 N개의 동기 누적 메모리(2332)에 저장한다. 여기서 N개의 가설은 신호 도달 위치가 N개의 1ms 길이의 PRN 코드 각각인 경우를 가정한 것이다. 예를 들면 신호 도달 위치가 첫 번째 1ms 길이의 PRN 코드인 것으로 가정하여 가설을 세우고 입력 신호에 곱한 후 누적하여 첫 번째 동기 누적 메모리(2332#1) 저장한다. 또한 신호 도달 위치가 두 번째 1ms 길이의 PRN 코드인 것으로 가정하여 가설을 세우고 입력 신호에 곱한 후 누적하여 두 번째 동기 누적 메모리(2332#2) 저장한다. 이와 같은 방식으로 신호 도달 위치가 N 번째 1ms 길이의 PRN 코드인 것으로 가정하여 가설을 세우고 입력 신호에 곱한 후 누적하여 N 번째 동기 누적 메모리(2332#N) 저장한다.

또한 도 9에 나타낸 바와 같이, 각각의 동기 누적 메모리(2332)에는 앞 단의 동기 누적 메모리(2332)에 입력되는 누적기(902)의 출력도 함께 입력된다. 예를 들면, 동기 누적 메모리(2332#D)에는 누적기(902#D)의 출력과 함께 앞 단의 누적기(#D-1)의 출력이 입력되어 함께 저장된다. 첫 번째 동기 누적 메모리(2332#1)에는 첫 번째 누적기(902#1)의 출력과 마지막 누적기(902#N)의 출력 N이 입력되어 함께 저장된다.

이처럼 PRN 코드가 20ms이면 20개의 가설을 생성할 수 있고, 이를 입력 신호에 곱한 20개의 결과를 20개의 동기 누적 메모리(2332)에 저장한다. N개의 동기 누적 메모리(2332)에 저장된 결과 값 가운데 가장 큰 값을 PRN 코드의 실제의 신호 도달 위치인 것으로 판단한다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 동기 누적메모리의 데이터 저장 구조를 나타낸 도면이다. 먼저 도 10(A)에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템에서, 각각의 동기 누적 메모리(2332)에는 PRN 코드의 1023 칩에 대응되는 1023개의 메모리 영역(0~1022 번지)이 할당된다. 동기 누적 메모리(2332)의 1023개의 메모리 영역(0~1022 번지) 각각에는 앞서 설명한 두 종류의 누적기의 출력(즉 당해 누적기의 출력 + 앞 단 누적기의 출력)이 하나의 쌍을 이루어 저장된다.

단, 동기 누적 메모리(2332)의 각 번지마다 당해 누적기의 출력과 앞 단 누적기의 출력이 점진적으로 감소 및 증가한다. 동기 누적 메모리(2332)의 i번째 번지에는

을 만족하는 데이터가 저장된다. n은 메모리의 최대 번지(1022 또는 2045)이다. 즉 0번지의 메모리 영역에는 온전히 가설 #D의 누적 값만이 저장된다. 메모리 영역의 번지가 증가할수록 가설 #D의 누적 값은 점차 감소하고 가설 #D-1의 누적 값은 점차 증가한다. 마지막 메모리 영역에는 온전히 가설 #D-1의 누적 값만이 저장된다. 이를 모식적으로 나타내면 도 10(B)와 같다. 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템에서는, N개의 동기 누적 메모리(2332)마다 저장되는 1023개의 누적 값 가운데 가장 큰 값을 나타내는 번지의 위치가 위성 신호의 실제 도달 위치로 인정한다. 예를 들면 D번째 동기 누적 메모리(2332#D)의 i번째 번지의 누적 값이 가장 크다면, D번째 PRN 코드의 i번째 칩의 위치가 위성 신호의 실제 도달 위치가 된다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템에서 N개의 가설을 이용하여 실제의 신호 도달 위치를 판단하는 방법을 나타낸 도면이다. 도 11(A)는 실제로 위성 신호 수신기(104)에 수신된 입력 신호로서, ta로 표시된 부분이 실제의 도달 위치이다.

도 11(B)는 신호 도달 위치가 첫 번째 1ms 길이의 PRN 코드인 것으로 가정하여 가설을 세우고 입력 신호에 곱한 후 첫 번째 동기 누적 메모리(2332#1) 저장한 것을 나타낸 것이다. 실제로는 N번째 1ms 길이의 PRN 코드의 후반부가 도달 위치이지만 현재는 그 사실을 알 수 없으므로 신호 도달 위치가 첫 번째 1ms 길이의 PRN 코드인 것으로 가정하여 가설을 세운 것이다. 도 11(B)의 ?嘯? 1?? 나타낸 것처럼 실제의 입력 신호와 첫 번째 가설(#1)을 곱하면 입력 신호와 첫 번째 가설(#1)의 극성이 서로 동일한 구간에서는 곱한 결과의 극성 역시 동일하게 나타나고 극성이 서로 반대인 구간에서는 곱한 결과의 극성 역시 다르게 나타난다. 도 11(B)에서 곱한 결과를 1ms 단위로 나누어 세로로 쌓아보면(누적하면) 극성이 동일한 부분과 동일하지 않은 부분으로 구분되는 것으로 알 수 있다.

도 11(C)는 신호 도달 위치가 N 번째 1ms 길이의 PRN 코드인 것으로 가정하여 가설을 세우고 입력 신호에 곱한 후 첫 번째 동기 누적 메모리(2332#N) 저장한 것을 나타낸 것이다. 실제로는 N번째 1ms 길이의 PRN 코드의 후반부가 도달 위치이지만 현재는 그 사실을 알 수 없으므로 신호 도달 위치가 N 번째 1ms 길이의 PRN 코드인 것으로 가정하여 가설을 세운 것이다. 도 11(C)의 ?嘯? 1?? 나타낸 것처럼 실제의 입력 신호와 N 번째 가설(#N)을 곱하면 입력 신호와 N 번째 가설(#N)의 극성이 서로 동일한 구간에서는 곱한 결과의 극성 역시 동일하게 나타나고 극성이 서로 반대인 구간에서는 곱한 결과의 극성 역시 다르게 나타난다. 도 11(C)에서 곱한 결과를 1ms 단위로 나누어 세로로 쌓아보면(누적하면) 극성이 동일한 부분과 동일하지 않은 부분으로 구분되는 것으로 알 수 있다.

도 1(B)의 결과 1과 도 11(C)의 결과 2와 같은 N개의 결과가 N개의 동기 누적 메모리(2232)에 저장되면, 각 동기 누적 메모리(2232)의 결과 데이터를 역순으로 정합 필터에 입력하여 이웃한 결과들의 동일 극성 부분들이 짝을 이루도록 하면 상쇄가 발생하지 않은 동일 극성 결과만을 취할 수 있어서 N개의 가설 각각을 곱한 결과 값 가운데 어느 결과 값의 에너지 레벨이 가장 큰 지를 확인할 수 있다. 이와 같이 획득한 에너지 레벨이 가장 큰 결과 값의 PRN 코드를 참조하여 신호 도달 위치(20ms 경계 도는 10ms 경계)를 파악하고 어느 위성에서 언제 발신된 신호인지를 확인할 수 있다.

도 9 내지 도 11에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치 및 방법은 PRN 코드의 극성이 일정한 GPS(도 8)는 물론 PRN 코드의 극성이 일정하지 않은 BeiDou(도 9) 및 GLONASS의 위성 신호도 모두 수신할 수 있도록 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.

또한 위의 설명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 위에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

21: 도플러 주파수 보정부
22: 동기 및 비동기 계산부
23: 주파수 및 PRN 위상 동기 획득부
102 : 위성
104 : 수신기
211: 도플러 주파수 보정기
212: 주파수 보정 중첩 누적기
213: 누적기 다중화기
221: PRN 상관기
222: PRN 생성기
223: 동기 누적기
224: 비동기 계산기
225: 비동기 누적기
2111: 도플러 주파수 생성기
2121: 주파수 보정 중첩 누적 크기 변환기
2122: 주파수 보정 중첩 누적 메모리
2231: 동기 누적 크기 변환기
2232: 동기 누적 메모리
2251: 비동기 누적 크기 변환기
2252: 비동기 누적 메모리

Claims (14)

1. 복수의 PRN 코드를 포함하는 위성 신호를 수신하는 수신부와;
   상기 위성 신호의 수신 위치를 각 PRN 코드의 어느 한 위치인 것으로 가정하여 세운 가설로서의 PRN 코드를 수신된 상기 위성 신호에 곱하여 N개의 누적한 결과를 발생시키는 과정을 상기 복수의 PRN 코드 모두를 대상으로 수행하는 상관기와;
   상기 N개의 결과를 저장하기 위한 N개의 메모리와;
   상기 N개의 결과를 역순으로 입력받아 상기 N개의 결과에서 이웃한 결과들의 동일 극성 부분들이 짝을 이루도록 결합하는 정합 필터와;
   상기 결합의 결과들 가운데 에너지 레벨이 가장 큰 결과를 참조하여 상기 위성 신호의 실제 수신 위치를 획득하는 제어부를 포함하는 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 메모리는 상기 복수의 PRN 코드에 상응하는 번지의 저장 영역으로 구분되고;
   상기 메모리의 i번째 번지에는

   

   을 만족하는 데이터가 저장되는 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치(상기 식에서 n은 상기 메모리의 최대 번지).
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 메모리는 0~1022 번지와 0~2045 번지 가운데 어느 하나의 저장 영역으로 구분되는 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 메모리가 동기 누적 메모리인 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 정합 필터는 상기 누적된 결과에서 이웃한 결과들의 동일 극성 부분들이 짝을 이루도록 결합하는 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 수신부가 서로 다른 형태의 복수의 위성 신호를 수신하되, 상기 복수의 위성 신호의 PRN 코드가 일정하지 않은 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 수신부가 GPS와 BeiDou, GLONASS 가운데 어느 하나의 위성 신호를 수신하는 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 장치.
8. 복수의 PRN 코드를 포함하는 위성 신호를 수신하는 단계와;
   상기 위성 신호의 수신 위치를 각 PRN 코드의 어느 한 위치인 것으로 가정하여 세운 가설로서의 PRN 코드를 수신된 상기 위성 신호에 곱하여 N개의 누적한 결과를 발생시키는 과정을 상기 복수의 PRN 코드 모두를 대상으로 수행하는 단계와;
   상기 N개의 결과를 N개의 메모리에 저장하는 단계와;
   상기 N개의 결과를 역순으로 정합 필터에 입력하고 상기 N개의 결과에서 이웃한 결과들의 동일 극성 부분들이 짝을 이루도록 결합하는 단계와;
   상기 결합의 결과들 가운데 에너지 레벨이 가장 큰 결과를 참조하여 상기 위성 신호의 실제 수신 위치를 획득하는 단계를 포함하는 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 메모리는 상기 복수의 PRN 코드에 상응하는 번지의 저장 영역으로 구분되고;
   상기 메모리의 i번째 번지에는

   

   을 만족하는 데이터가 저장되는 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법(상기 식에서 n은 상기 메모리의 최대 번지).
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 메모리는 0~1022 번지와 0~2045 번지 가운데 어느 하나의 저장 영역으로 구분되는 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 메모리가 동기 누적 메모리인 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 정합 필터에서의 결합은 상기 누적된 결과에서 이웃한 결과들의 동일 극성 부분들이 짝을 이루도록 결합하는 것인 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법.
13. 제 8 항에 있어서,
    서로 다른 형태의 복수의 위성 신호를 수신하되, 상기 복수의 위성 신호의 PRN 코드가 일정하지 않은 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법.
14. 제 8 항에 있어서,
    상기 위성 신호가 GPS와 BeiDou, GLONASS 가운데 어느 하나의 위성 신호인 글로벌 위성 항법 시스템의 위성 신호 수신 방법.

Images