KR101708199B1 - 전파원 위치 추정 시스템 - Google Patents

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허문범
천세범
임덕원
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한국항공우주연구원
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Abstract

전파원 위치 추정 시스템이 개시된다. 상기 전파원 위치 추정 시스템은 상호간 이격 설치되며 임의의 전파원으로부터 수신한 RF신호를 전달하는 복수개의 전파 전달 장치; 및 적어도 3개의 전파 전달 장치로부터 수신한 RF신호를 이용하여 상기 전파원의 위치를 추정하는 중앙 전파 수신 장치를 포함한다.

Description

전파원 위치 추정 시스템{SYSTEM FOR ESTIMATING THE LACATION OF RADIO SOURCE}
본 발명은 전파원 위치 추정 시스템에 관한 것이다.
지상에서 수신하는 GPS 신호는 약 -160dBW의 낮은 전력을 갖기 때문에 교란 신호에 영향을 받기 쉽다. 따라서 GPS 교란 신호의 영향을 줄이기 위한 연구와 교란원의 위치를 추정하여 대응하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
전파 송신원의 위치를 추적하기 위하여 충분히 이격되어 있는 원거리 전파 수신장치로부터 수신된 신호를 디지털 샘플링 하여 고속 통신선로를 통해 중앙 전파수신 장치로 전송한 후, 수신한 2개 이상 신호의 시간차분을 이용하는 방법이 사용되고 있다.
이러한 방법이 사용되기 위해서는 원거리 전파수신장치가 중앙 전파수신장치와 시각동기를 이루어야 있어야 하며, 고속 통신선로가 연결되어 있어 이동이 불가능하다는 문제가 있다.
특히, 원거리 전파수신장치와 중앙 전파수신장치간의 시각동기를 위해서 고가의 GPS와 원자시계가 원거리 전파수신장치에 탑재되어 있어야 하며, 원거리 전파수신장치에 고성능 디지털 샘플링 장치와 고속 통신장치를 위한 장비가 탑재되어 있어야 한다.
원거리 수신장치에 탑재되는 부가 장비는 시간차분의 오차로부터 야기되어 위치 추적 결과의 오차를 발생시키며, 장치간의 이동불가로 인한 정적인 위치 추적만이 가능하다는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 원거리 수신장치에 별도의 시각 동기화 장비나 디지털화 장비 탑재 없이, 정확도를 향상시킬 수 있는 전파원 위치 추정 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 전파 추적 장비의 이동성을 확보함으로써 신속하고 광범위하게 전파원의 위치를 추정할 수 있는 전파원 위치 추적 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상호간 이격 설치되며 임의의 전파원으로부터 수신한 RF신호를 전달하는 복수개의 전파 전달 장치; 및 적어도 3개의 전파 전달 장치로부터 수신한 RF신호를 이용하여 상기 전파원의 위치를 추정하는 중앙 전파 수신 장치를 포함하는 전파원 위치 추정 시스템을 제공한다.
상기 중앙 전파 수신 장치는, 상기 전파 전달 장치에 일대일 대응되도록 마련되어 상기 전파 전달 장치로부터 전달되는 RF신호를 수신하는 복수개의 수신안테나부; 기준시각을 제공하는 기준시각 제공부; 상기 수신안테나부로에서 수신한 RF신호에 대하여 디지털 샘플링을 독립적으로 수행하는 복수개의 아날로그-디지털 변환부; 디지털 샘플링 된 RF신호에 도달시간차(TDOA, Time Difference Of Arrival)방식을 적용하여 상기 전파원의 위치를 추정하는 위치 추정부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 아날로그-디지털 변환부는 상기 기준시각 제공부에서 제공하는 기준시각을 참조하여 상기 디지털 샘플링을 수행할 수 있다.
상기 전파 전달 장치는, 상기 임의의 전파원으로부터 RF신호를 수신하는 전파 수신안테나부; 상기 RF신호를 증폭하는 신호 증폭부; 및 증폭된 RF신호를 상기 중앙 전파 수신 장치로 전달하는 전파 송신안테나부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전파 수신안테나부 및 상기 송신안테나부 중 적어도 하나는 지향성 안테나일 수 있다.
상기 전파 전달 장치는 이동체에 탑재될 수 있다.
본 발명인 전파원 위치 추정 시스템은 원거리 수신장치에 별도의 시각 동기화 장비나 디지털화 장비 탑재 없이, 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 전파 추적 장비의 이동성을 확보함으로써 신속하고 광범위하게 전파원의 위치를 추적할 수 있다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 전파원 위치 추정 시스템의 개념도이고,
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 전파원 위치 추정 시스템의 구성도이고,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 전파 전달 장치의 구성 블록도이고,
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 중앙 전파 수신 장치의 구성 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 전파원 위치 추정 시스템의 개념도이고, 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 전파원 위치 추정 시스템의 구성도이고, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 전파 전달 장치의 구성 블록도이고, 도4는 본 발명의 일실시예에 따른 중앙 전파 수신 장치의 구성 블록도이다.
도1 내지 도4를 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 전파원 위치 추정 시스템은 상호간 이격 설치되며 임의의 전파원으로부터 수신한 RF신호를 전달하고 중앙 전파 수신 장치(200)에 개별 위치가 알려진 복수개의 전파 전달 장치(100)와 적어도 3개의 전파 전달 장치(100)로부터 수신한 RF신호를 이용하여 전파원의 위치를 추정하는 중앙 전파 수신 장치(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
전파 전달 장치(100)는 이동체에 탑재될 수 있다. 전파 전달 장치(100)는 예를 들면, 차량, 유/무인 비행체, 함선, 선박 등에 탑재되어 이동할 수 있다. 전파 전달 장치(100)는 이동중에 있어 임의의 전파원으로부터 방사되는 RF신호를 지속적으로 수신하여 인접한 중앙 전파 수신 장치(200)에 전달한다.
중앙 전파 수신 장치(200)는 일정 범위내에 위치한 3개 이상의 전파 전달 장치(100)로부터 RF신호를 전달받아 전파원의 위치를 추정한다. 중앙 전파 수신 장치(200)와 전파 전달 장치(100)간에는 별도의 통신 선로가 마련되어 있지 않으며 무선 통신방식으로 데이터 통신을 수행한다.
전파 전달 장치(100)는 전파 수신 안테나부(110), 신호 증폭부(120) 및 전파 송신 안테나부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
전파 수신 안테나부(110)는 임의의 전파원으로부터 RF신호를 수신할 수 있다. 전파 수신 안테나부(110)는 임의의 전파원에서 방사되는 RF신호를 지속적으로 수신하여 신호 증폭부(120)로 전달한다. 임의의 전파원에서 방사되는 RF신호는 예를 들면, 특정 방향성을 가지고 있지 않은 구면파(spherical wave)일 수 있다.
신호 증폭부(120)는 전파 수신 안테나부(110)에서 수신한 RF신호를 증폭시킬 수 있다. 이 때 신호 증폭부(120)는 중앙 전파 수신 장치(200)와의 거리에 따라 신호 증폭도를 결정할 수 있으며, 복수개의 전파 전달 장치(100)는 신호 증폭도를 상이하게 결정할 수 있다.
전파 송신안테나부(130)는 증폭된 RF신호를 중앙 전파 수신 장치(200)로 전달할 수 있다.
전파 수신안테나부(110) 및 전파 송신안테나부(130) 중 적어도 하나는 지향성 안테나로 구성될 수 있다.
전파 수신안테나부(110)가 지향성 안테나로 구성되는 경우에는 중앙 전파 수신 장치(200)에서 추정한 전파원으로 안테나 방향을 변경함으로써 보다 정밀한 감시가 가능할 수 있으며, 이동체에 탑재된 전파 전달 장치(100)가 이동하는 경우 전파원 방향으로 안테나 방향을 수시로 변경시켜 전파원에 대한 지속적인 감시가 가능할 수 있다.
또한, 전파 송신안테나부(130)가 지향성 안테나로 구성되는 경우에는 이동체에 탑재된 전파 전달 장치(100)가 이동하는 경우 중앙 전파 수신 장치(200)로 안테나 방향을 정렬시킴으로써 전달되는 신호 세기의 감소를 최소화할 수 있다.
다음으로, 중앙 전파 수신 장치(200)는 수신안테나부(210), 기준시각 제공부(230), 아날로그-디지털 변환부(A/D변환부)(220), 위치 추정부(240)를 포함하여 구성될 수 있다.
수신안테나부(210)는 전파 전달 장치에 일대일 대응되도록 마련되어 전파 전달 장치(100)로부터 전달되는 RF신호를 수신할 수 있다. 수신안테나부(210)는 RF신호를 수신하기 위한 전파 전달 장치(100)의 개수에 대응되도록 마련되며 각각의 전파 전달 장치(100)로부터 RF신호를 전달받는다.
아날로그-디지털 신호 변환부(220)는 수신안테나부(210)에서 수신한 RF신호에 대하여 디지털 샘플링을 독립적으로 수행한다. 본 발명의 일실시예에서는 아날로그-디지털 신호 변환부(220)가 수신안테나부(210)의 개수에 대응되도록 마련되어 있으나 이와는 달리 하나의 아날로그-디지털 신호 변환부가 마련될 수 있다. 아날로그-디지털 신호 변환부(220)는 개수와 무관하게 수신안테나부(210)에서 수신한 RF신호에 대한 디지털 샘플링을 독립적으로 수행한다.
기준시각 제공부(230)는 기준시각을 제공할 수 있다. 아날로그-디지털 변환부(220)는 기준시각 제공부에서 제공하는 기준시각을 참조하여 디지털 샘플링을 수행할 수 있다.
복수개의 전파 전달 장치(100)로부터 수신한 RF신호는 시각 동기화가 이루어져 있지 않은 신호이기 때문에 위치 추정부(240)에서 전파원의 위치를 추정하게 되면 정확한 전파원의 위치를 추정할 수 없게 된다. 따라서, 본 발명에서는 중앙 전파 수신 장치(200)에 기준 시각을 제공할 수 있는 기준시각 제공부(230)를 마련하여 복수개의 전파 전달 장치(100)로부터 전달되는 RF신호에 대한 시각 동기화를 수행할 수 있도록 한다.
아날로그-디지털 변환부(220)는 기준시각을 이용하여 RF신호에 대한 디지털화를 수행하게되는데, 아날로그-디지털 변환 과정에서 발생하는 시간오차는 모든 아날로그-디지털 변환부(220)에 대해 공통적으로 적용되고 이는 도달시간차(TDOA, Time Difference Of Arrival)방식을 적용함으로써 제거될 수 있다.
위치 추정부(240)는 디지털 샘플링 된 RF신호에 도달시간차(TDOA, Time Difference Of Arrival)방식을 적용하여 전파원의 위치를 추정할 수 있다.
위치 추정부(240)는 복수개의 전파 전달 장치(100)로부터 수신한 시각 동기화 된RF신호의 도달지연 시간 차이를 이용하여 전파원의 위치를 추정할 수 있다. 먼저 위치 추정부(240)는 복수개의 전파 전달 장치(100) 중 하나의 전파 전달 장치를 기준 전파 전달 장치로 선정하고, 기준 전파 전달 장치에서 수신한 RF신호와 타 전파 전달 장치에서 수신한 RF신호와 교차상관을 행하여 교차 상관값이 최대값이 될 때의 시간을 TDOA측정치로 산출한다.
TDOA측정치는 기준 전파 전달 장치 및 타 전파 전달 장치의 위치 좌표를 이용하여 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015126938245-pat00001
수학식 1에서 τri는 TDOA측정치이고, ts는 전파원이 신호를 송신한 시간, tr는 기준 전파 전달 장치가 전파원의 RF신호를 수신한 시간, ti는 i번째 전파 전달 장치가 전파원의 RF신호를 수신한 시간, (x, y)는 전파원의 위치좌표, (xr, yr)는 기준 전파 전달 장치의 위치 좌표, (xi, yi)는 i번째 전파 전달 장치의 위치 좌표, c는 광속을 의미한다.
위치 추정부(240)는 TDOA측정치에 대한 수학식 1을 하기 수학식 2에 따라 선형화한다.
[수학식 2]
Figure 112015126938245-pat00002
Figure 112015126938245-pat00003
수학식 2에서 (x0, y0)는 전파원의 초기 위치 좌표이다.
위치 추정부(240)는 N개의 전파 전달 장치에 대해 1번째 전파 전달 장치를 기준전파 전달 장치로 설정하고, 나머지 2∼N번째 센서를 i번째 전파 전달 장치로 설정한 상태에서, i번째 전파 전달 장치에 대해 하기 수학식 3의 목적함수에 대입하여 전개하여 하기 수학식 4에 따른 행렬식으로 표현할 수 있다.
[수학식3]
Figure 112015126938245-pat00004
[수학식4]
Figure 112015126938245-pat00005
수학식 3에서 Rri(·)는 기준 전파 전달 장치와 i번째 전파 전달 장치로부터 수신한 RF신호의 교차 상관값이고, mri는 Rri(·)가 최대가 되는 지연 시간, N은 전파 전달 장치의 개수이다.
수학식 4에서 Gxil은
Figure 112015126938245-pat00006
이고, Gyil는
Figure 112015126938245-pat00007
이고, τri|(x0, y0)는
Figure 112015126938245-pat00008
이고, δ는 위치변화량, Z는 측정치와 추정치의 차이값이다.
위치 추정부(240)는 하기 수학식 5에 따라 위치변화량 δ를 산출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112015126938245-pat00009
수학식 5에서 Q는 측정오차의 공분산 행렬이다.
위치 추정부(240)는 전파원의 위치좌표를 하기 수학식 6에 따라 추정할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112015126938245-pat00010
수학식 6에서 (
Figure 112015126938245-pat00011
)는 전파원의 추정 위치좌표이고, (x0, y0)는 전파원의 초기위치 좌표이다.
수학식 6에서 전파원의 추정 위치좌표는 초기 위치좌표에 따라 좌우되는데, 이에 따라 전파원의 최종적인 추정 위치는 수학식 6에 의해 산출된 추정 위치좌표를 다시 초기 위치좌표에 대입한 다음, 위 수학식 2에서 수학식 6까지의 과정을 반복함으로써 산출될 수 있다. 이러한 과정은 정지조건(Stop condition)을 만족할 때까지 반복되며, 이러한 정지조건은 예를 들면 δ의 변화량이 미리 선정된 임계치(TH, Threshold Value) 이하인 경우를 조건으로 할 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 전파 전달 장치
20: 중앙 전파 수신 장치

Claims (7)

  1. 상호간 이격 설치되며 임의의 전파원으로부터 수신한 RF신호를 전달하는 복수개의 전파 전달 장치; 및
    적어도 3개의 전파 전달 장치로부터 수신한 RF신호를 이용하여 상기 전파원의 위치를 추정하는 중앙 전파 수신 장치를 포함하며,
    상기 중앙 전파 수신 장치는,
    상기 전파 전달 장치에 일대일 대응되도록 마련되어 상기 전파 전달 장치로부터 전달되는 RF신호를 수신하는 복수개의 수신안테나부;
    기준시각을 제공하는 기준시각 제공부;
    상기 수신안테나부로에서 수신한 RF신호에 대하여 디지털 샘플링을 독립적으로 수행하는 복수개의 아날로그-디지털 변환부;
    디지털 샘플링 된 RF신호에 도달시간차(TDOA, Time Difference Of Arrival)방식을 적용하여 상기 전파원의 위치를 추정하는 위치 추정부를 포함하는 전파원 위치 추정 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환부는 상기 기준시각 제공부에서 제공하는 기준시각을 참조하여 상기 디지털 샘플링을 수행하는 전파원 위치 추정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전파 전달 장치는,
    상기 임의의 전파원으로부터 RF신호를 수신하는 전파 수신안테나부;
    상기 RF신호를 증폭하는 신호 증폭부; 및
    증폭된 RF신호를 상기 중앙 전파 수신 장치로 전달하는 전파 송신안테나부를 포함하는 전파원 위치 추정 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전파 수신안테나부 및 상기 송신안테나부 중 적어도 하나는 지향성 안테나인 전파원 위치 추정 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전파 전달 장치는 이동체에 탑재되어 있는 전파원 위치 추정 시스템.
  7. 삭제
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