KR101724330B1 - 원격측정시스템 및 이를 이용한 도플러 주파수 천이 보상 장치 및 방법 - Google Patents

원격측정시스템 및 이를 이용한 도플러 주파수 천이 보상 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 항법데이터에서 수신한 속도와 자세각 데이터 및 지상계측시스템의 추적 안테나의 비행체에 대한 지향각(방위각, 고각)을 이용하여 고속, 고기동하는 비행체의 속도 변화에 따른 도플러 주파수 천이를 보상하는 시스템을 동작시킴으로써 비행체가 도플러 주파수 천이에 영향을 받지 않고 원활한 무선 통신이 이루어질 수 있는 원격측정시스템 및 이를 이용한 도플러 주파수 천이 보상 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

Description

원격측정시스템 및 이를 이용한 도플러 주파수 천이 보상 장치 및 방법{REMOTE MEASURING SYSTEM AND COMPENSATION METHOD OF THE DOPPLER FREQUENCY SHIFT USINF THE SAME, AND APPARATUS THEREOF}
본 발명은 원격측정시스템 및 이를 이용한 도플러 주파수 천이 보상 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 비행체는 비행시험을 통해 안정성 및 설계 파라미터의 적합성을 입증해야 한다. 개발 단계에 있는 비행체의 성능 확인을 위한 시험 과정에서 원격측정장치는 비행체에 부착된 센서들로부터 획득되는 다양한 계측 정보와 비행체를 구성하는 서브시스템의 상태 정보 등을 지상으로 송신하는 역할을 한다. 즉, 원격측정 시스템은 비행체 내에 원격측정장치가 탑재되어 비행체 내에서 얻어지는 정보들을 수집하고 무선통신을 이용해서 지상에 구축되어 있는 지상계측시스템으로 송신하는 시스템이다. 무선 통신 시스템 기반의 원격측정장치가 부착된 고속, 고기동하는 비행체는 지상계측시스템으로부터 급속히 멀어지면서 원격측정장치와 지상계측시스템 간 상대 속도에 의해 도플러 주파수 천이 현상이 발생하게 되어 해당 데이터의 신뢰성이 낮아지게 된다.
공개특허공보 제10-2015-0021293호(2015.03.02.)
본 발명의 목적은, 항법데이터에서 수신한 속도와 자세각 데이터 및 지상계측시스템의 추적 안테나의 비행체에 대한 지향각(방위각, 고각)을 이용하여 고속, 고기동하는 비행체의 속도 변화에 따른 도플러 주파수 천이를 보상하는 시스템을 동작시킴으로써 비행체가 도플러 주파수 천이에 영향을 받지 않고 원활한 무선 통신이 이루어질 수 있는 원격측정시스템 및 이를 이용한 도플러 주파수 천이 보상 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 원격 측정 장치는, 비행체와 지상계측시스템 간의 상대속도에 관계없이 항법 데이터를 송신하는 원격측정장치에 있어서, 상기 비행체에 탑재된 항법장치의 항법 데이터들 중 상기 비행체의 속도와 자세각 데이터를 수신하는 항법데이터 수신부와; 상기 수신된 비행체의 속도와 자세각 데이터를 상기 지상계측시스템으로 송신하는 신호 송신부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 지상계측시스템은, 비행체와 지상계측시스템 간의 상대속도에 관계없이 항법 데이터를 수신하는 지상계측시스템에 있어서, 상기 비행체를 추적하는 안테나로부터 상기 비행체의 지향각 데이터를 수신하는 지향각 수신부와; 상기 비행체의 원격 측정 장치로부터 상기 비행체에 탑재된 항법장치의 항법 데이터들 중 상기 비행체의 속도와 자세각 데이터를 수신하는 신호 수신부와; 상기 비행체와 상기 지상 계측 시스템간의 사잇각을 구하기 위해 상기 비행체의 속도와 자세각 데이터와 상기 비행체의 지향각 데이터를 동일 좌표계로 변환시켜주는 좌표 변환부와; 상기 변환된 좌표계에서 상기 비행체와 상기 지상계측시스템 간의 사잇각을 계산하여 상기 비행체와 상기 지상계측시스템 간의 상대속도를 구하고, 상기 구해진 상대속도를 이용하여 도플러 주파수 천이를 보상하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 비행체의 지향각은 방위각 및 고각을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 좌표 변환부는 상기 속도 데이터를 상기 자세각 데이터로 속도 값을 회전시켜 지표면과 좌표축 방향을 정렬시키고, 상기 정렬된 좌표축을 상기 안테나의 방위각으로 회전시켜 상기 비행체에 대한 가시선 방향으로 정렬시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 지상 계측 시스템의 도플러 주파수 천이 보상 방법은, 비행체와 지상계측시스템 간의 상대속도에 관계없이 항법 데이터를 수신하는 지상 계측 방법에 있어서, 상기 비행체를 추적하는 안테나로부터 상기 비행체의 지향각 데이터를 수신하는 단계와; 상기 비행체의 원격 측정 장치로부터 상기 비행체에 탑재된 항법장치의 항법 데이터들 중 상기 비행체의 속도와 자세각 데이터를 수신하는 단계와; 상기 비행체와 상기 지상 계측 시스템간의 사잇각을 구하기 위해 상기 비행체의 속도와 자세각 데이터와 상기 비행체의 지향각 데이터를 동일 좌표계로 변환시켜주는 단계와; 상기 변환된 좌표계에서 상기 비행체와 상기 지상계측시스템 간의 사잇각을 계산하여 상기 비행체와 상기 지상계측시스템 간의 상대속도를 구하고, 상기 구해진 상대속도를 이용하여 도플러 주파수 천이를 보상하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원격측정시스템 및 이를 이용한 도플러 주파수 천이 보상 장치 및 방법은, 항법데이터에서 수신한 속도와 자세각 데이터 및 지상계측시스템의 추적 안테나의 비행체에 대한 지향각(방위각, 고각)을 이용하여 고속, 고기동하는 비행체의 속도 변화에 따른 도플러 주파수 천이를 보상하는 시스템을 동작시킴으로써 비행체가 도플러 주파수 천이에 영향을 받지 않고 원활한 무선 통신이 이루어질 수 있다. 결과적으로, 예상치 못한 이유로 비행체의 속도가 급격히 변하는 환경에서도 도플러 주파수 천이에 구애받지 않는 원격측정시스템을 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 항법데이터 수신부 및 신호 송신부를 포함하는 원격측정장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지상계측시스템의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지상계측시스템의 수신기 모델을 예로 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치의 속도 및 자세각 데이터를 이용한 도플러 주파수 천이를 보상하는 방법을 나타낸 순서도이다.
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.
본 발명은 빠른 속도로 비행하는 비행체 내부에 부착된 원격측정장치 및 지상계측시스템에 적용 가능한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 고속, 고기동하는 비행체와 지상계측시스템 간의 상대 속도에 관계없이 도플러 주파수 천이에 영향을 받지 않고 신뢰성 있는 원격측정 데이터를 송수신할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.
비행체가 지상계측시스템에서 멀어지면 비행체는 수학식 1과 같이 반송파 주파수와 비례함과 동시에 비행체와 지상계측시스템 간의 상대속도만큼 도플러 주파수 천이가 발생한다.
Figure 112015092478549-pat00001
여기서,
Figure 112015092478549-pat00002
는 도플러 주파수이고,
Figure 112015092478549-pat00003
는 반송파 주파수이고,
Figure 112015092478549-pat00004
는 비행체와 지상계측시스템의 상대속도이고, C는 광속을 의미한다.
수학식 1의 도플러 주파수 천이를 보상하기 위해서는 비행체와 지상계측시스템 간의 상대속도가 필요하며, 그 상대속도는 비행체의 관성항법장치에서 계측하는 비행체의 롤(roll) 각, 피치(pitch) 각, 요(yaw) 각의 자세각 데이터와 X축, Y축, Z축의 속도 데이터, 지상계측시스템의 추적 안테나가 비행체를 지향하는 안테나 지향각(방위각, 고각)을 이용하여 구할 수 있다.
상대속도를 구하기 위해 먼저 관성항법장치에서 수신한 비행체의 자세각을 이용하여 속도 값을 회전시켜 지표면으로 좌표축 방향을 정렬시키고 추적 안테나의 방위각으로 좌표축을 회전시켜 가시선 방향으로 정렬시켜 비행체와 지상계측시스템 간의 사잇각을 구한다. 여기서 계산된 비행체와 지상계측시스템 간의 사잇각과 관성항법장치에서 획득한 비행체의 속도 데이터를 이용하여 비행체와 지상계측시스템 간의 상대속도와 도플러 주파수 천이를 계산하고, 계산된 상대속도를 이용하여 지상계측시스템의 수신기에서 도플러 주파수 천이를 보상한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 항법데이터 수신부 및 신호 송신부를 포함하는 원격측정장치의 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 원격측정장치가 탑재된 비행체와 지상계측시스템 간의 상대속도에 관계없이 신뢰성 있는 원격측정 데이터(비행체의 속도와 자세각 데이터)를 송신하도록, 상기 원격측정장치는, 비행체에 탑재된 항법장치의 항법 데이터들 중 비행체의 속도와 자세각 데이터를 수신하는 항법데이터 수신부(110); 그 수신된 항법데이터(비행체의 속도와 자세각 데이터를)를 지상계측시스템으로 송신하는 신호 송신부(120)를 포함할 수 있다.
상기 원격측정장치는 비행체 내부의 관성항법장치가 유도전자장치로 항법데이터를 전송하면, 유도전자장치를 통해 항법데이터인 비행체의 X축, Y축, Z축 속도 데이터와 롤(roll) 각, 피치(pitch) 각, 요(yaw) 각의 자세각 데이터를 항법데이터 수신부(110)를 통해 수신한다. 상기 원격측정장치는 상기 수신된 데이터를 신호 송신부(120)을 통해 지상계측 시스템으로 송신한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지상계측시스템의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 지상계측시스템은,
추적 안테나로부터 비행체 지향각(방위각, 고각) 데이터를 수신하는 지향각 수신부(210);
항법 데이터의 속도 및 자세각 데이터를 수신하는 신호 수신부(220);
비행체와 지상계측시스템간의 사잇각을 구하기 위해 상기 항법 데이터와 상기 추적 안테나 데이터(비행체 지향각(방위각, 고각) 데이터)를 동일 좌표계로 변환시켜주는 좌표 변환부(230);
상기 변환된 좌표계에서 상기 비행체와 상기 지상계측시스템 간의 사잇각을 계산하여 상기 비행체와 지상계측시스템 간의 상대속도를 구하고, 그 구해진 상대속도를 이용하여 도플러 주파수 천이를 보상하는 신호 처리부(240)를 포함할 수 있다.
상기 지향각 수신부(210)는 추적 안테나에서 비행체에 대한 지향각(방위각, 고각)을 수신하고, 그 수신한 지향각(방위각, 고각)을 좌표 변환부(230)에 출력한다.
상기 신호 수신부(220)는 원격측정장치로부터 항법 데이터(속도, 자세각)를 수신하고, 그 수신한 항법 데이터(속도, 자세각)를 좌표 변환부(230)에 출력한다.
상기 좌표 변환부(230)는 수신된 항법 데이터의 속도 데이터를 자세각 데이터로 속도 값을 회전시켜 지표면과 평행하도록 좌표축 방향을 정렬시키고, 추적 안테나의 방위각으로 Z축을 회전시켜 가시선 방향으로 정렬한다.
신호 처리부(240)는 상기 정렬된 좌표축으로 변환된 항법 데이터와 추적 안테나의 고각 데이터를 이용하여 비행체와 지상계측시스템 간의 상대속도를 계산하는 속도 계산부와; 그 계산된 상대속도를 이용하여 도플러 주파수 천이 보상값을 구하는 보상값 검출부를 포함할 수 있다.
상기 도플러 주파수 천이 보상값은 하기의 수학식 2를 통해 구할 수 있다.
Figure 112015092478549-pat00005
여기서, fd(t)는 도플러 주파수(도플러 주파수 천이 보상값)이고, fc는 반송파 주파수이고, V(t)는 비행체와 지상계측시스템의 상대속도, Vc(t)는 속도 계산부에서 계산된 상대속도이며, C는 광속을 의미한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지상계측시스템의 수신기 모델을 예로 나타낸 예시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 지상계측시스템은 수신기 안테나(310)를 통해 원격측정 데이터(비행체의 속도와 자세각 데이터)를 수신한다. 수신된 데이터(비행체의 속도와 자세각 데이터)는 LNA(Low Noise Amplifier)(320)를 통과하여 도플러 주파수 천이가 보상된 오실레이터(330)의 주파수와 합성되어 LPF(Low-pass filter)(340)와 검출기(Dectector)(350)를 통과하여 신호 복조를 수행한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치의 속도 및 자세각 데이터를 이용한 도플러 주파수 천이를 보상하는 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 지상계측 시스템은 추적 안테나에서 비행체에 대한 지향각(방위각, 고각)을 수신하고(S10), 원격측정장치 송신기로부터 항법 데이터(속도, 자세각)를 수신한다(S20).
지상계측 시스템은 수신된 항법 데이터의 속도 값(속도 데이터)을 자세각으로 회전시켜 추적 안테나 지향각과 좌표축을 정렬시키고(S30), 추적 안테나의 방위각을 회전시켜 좌표축을 가시선 방향으로 정렬하여(S40), 비행체와 지상계측시스템간의 사잇각을 계산한다(S50).
지상계측 시스템은 상기 계산된 사잇각을 이용하여 비행체와 지상계측시스템 간의 상대속도를 계산하여(S60), 도플러 주파수 천이 보상 값을 계산하고(S70) 계산된 도플러 주파수 천이 보상값을 이용하여 지상계측시스템 수신기에서 도플러 주파수 천이를 보상한다(S80).
이상에서 살펴본 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원격측정시스템의 도플러 주파수 천이 보상 장치 및 방법은, 항법데이터에서 수신한 속도와 자세각 데이터 및 지상계측시스템의 추적 안테나의 비행체에 대한 지향각(방위각, 고각)을 이용하여 고속, 고기동하는 비행체의 속도 변화에 따른 도플러 주파수 천이를 보상하는 시스템을 동작시킴으로써 비행체가 도플러 주파수 천이에 영향을 받지 않고 원활한 무선 통신이 이루어질 수 있다. 결과적으로, 예상치 못한 이유로 비행체의 속도가 급격히 변하는 환경에서도 도플러 주파수 천이에 구애받지 않는 원격측정시스템을 구성할 수 있다.
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. 삭제
  2. 비행체와 지상계측시스템 간의 상대속도에 관계없이 항법 데이터를 수신하는 지상계측시스템에 있어서,
    상기 비행체를 추적하는 안테나로부터 상기 비행체의 지향각 데이터를 수신하는 지향각 수신부와;
    상기 비행체의 원격 측정 장치로부터 상기 비행체에 탑재된 항법장치의 항법 데이터들 중 상기 비행체의 속도와 자세각 데이터를 수신하는 신호 수신부와;
    상기 비행체와 상기 지상 계측 시스템간의 사잇각을 구하기 위해 상기 비행체의 속도와 자세각 데이터와 상기 비행체의 지향각 데이터를 동일 좌표계로 변환시켜주는 좌표 변환부와;
    상기 변환된 좌표계에서 상기 비행체와 상기 지상계측시스템 간의 사잇각을 계산하여 상기 비행체와 상기 지상계측시스템 간의 상대속도를 구하고, 상기 구해진 상대속도를 이용하여 도플러 주파수 천이를 보상하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상 계측 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비행체의 지향각 데이터는 방위각 및 고각을 포함하는 것을 특징으로 하는 지상 계측 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 좌표 변환부는,
    상기 속도 데이터를 상기 자세각 데이터로 속도 값을 회전시켜 지표면과 좌표축 방향을 정렬시키고, 상기 정렬된 좌표축을 상기 안테나의 방위각으로 회전시켜 상기 비행체에 대한 가시선 방향으로 정렬시키는 것을 특징으로 하는 지상 계측 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
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