KR101812323B1

KR101812323B1 - 사인 위상 boc 신호를 추적하는 방법 및 사인 위상 boc 신호 추적 장치

Info

Publication number: KR101812323B1
Application number: KR1020160161002A
Authority: KR
Inventors: 윤석호; 채근홍
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2017-12-26

Abstract

사인 위상 BOC 신호를 추적하는 방법은 수신기가 사인 위상 BOC 신호를 수신하는 단계, 상기 수신기가 수신한 BOC 신호에서 PN 코드 칩 주기의 첫 번째 펄스를 이용하여 생성한 제1 국소 신호와 상기 수신한 BOC 신호를 이용하여 제1 부상관함수를 생성하는 단계, 상기 수신기가 수신한 BOC 신호에서 PN 코드 칩 주기의 마지막 펄스를 이용하여 생성한 제2 국소 신호와 상기 수신한 BOC 신호를 이용하여 제2 부상관함수를 생성하는 단계, 상기 수신기가 상기 BOC 신호의 자기상관함수와 상기 제1 부상관함수를 조합하여 제1 상관함수를 생성하고, 상기 BOC 신호의 자기상관함수와 상기 제2 부상관함수를 조합하여 제2 상관함수를 생성하는 단계, 상기 수신기가 상기 제1 상관함수와 상기 제2 상관함수를 조합하여 새로운 상관함수를 생성하는 단계 및 상기 수신기가 상기 새로운 상관함수를 이용하여 신호를 추적하는 단계를 포함한다.

Description

사인 위상 BOC 신호를 추적하는 방법 및 사인 위상 BOC 신호 추적 장치{TRACKING METHOD FOR SINE-PHASED BOC SIGNAL AND TRACKING APPARATUS FOR SINE-PHASED BOC SIGNAL}

이하 설명하는 기술은 사인 위상을 갖는 BOC 신호를 추적하는 기법에 관한 것이다.

BOC(binary offset carrier) 신호는 Galileo, GPS III와 같은 차세대 위성 항법 시스템의 (global navigation satellite system: GNSS) 변조 기법으로 채택되고 있다. GNSS에서는 동기화 과정에서 발생하는 시간 오류가 심각한 위치 오류로 나타날 수 있다. 따라서 신뢰성 있는 GNSS 기반 통신을 위해서는 신호 동기화가 매우 중요하다.

BOC 신호 중 가장 일반적이고 기본적인 형태는 사인 위상 BOC 신호로 (sine-phased BOC signal), 곱해지는 부반송파가 사인 위상을 띄기에 위와 같이 불리운다. 이러한 사인 위상 BOC 신호의 부반송파는, 그 부반송파의 주파수에 따라서 성능이 달라지게 되는데, 일반적으로 주파수가 향상될수록 상관함수 첨두가 더욱 첨예해지기에 더욱 우수한 성능을 보이게 된다.

한국공개특허 제10-2013-0046667호

사인 위상 BOC 신호의 자기상관함수에는 실제 신호 추적에 필요한 주 첨두 뿐 아니라, 신호 추적에 방해가 되는 주변 첨두가 함께 포함되어 있으며, 부반송파 주파수가 향상됨에 따라서 주변 첨두의 개수가 많아지고 그 형태가 더욱 복잡해지게 된다.

이하 설명하는 기술은 사인 위상 BOC 신호의 동기화를 위해 주변 첨두가 제거된 상관함수를 생성하는 방법을 제공하고자 한다.

사인 위상 BOC 신호 추적 장치는 사인 위상 BOC 신호를 수신하는 안테나 및 상기 BOC 신호에서 PN 코드 칩 주기의 첫 번째 펄스를 이용하여 생성한 제1 국소 신호와 상기 수신한 BOC 신호를 이용하여 제1 부상관함수를 생성하고, 상기 BOC 신호의 자기상관함수와 상기 제1 부상관함수를 조합하여 제1 상관함수를 생성하고, 상기 BOC 신호에서 PN 코드 칩 주기의 마지막 펄스를 이용하여 생성한 제2 국소 신호와 상기 수신한 BOC 신호를 이용하여 제2 부상관함수를 생성하고, 상기 BOC 신호의 자기상관함수와 상기 제2 부상관함수를 조합하여 제2 상관함수를 생성하고, 상기 제1 상관함수와 상기 제2 상관함수를 조합하여 신호 추적을 위한 새로운 상관함수를 생성하는 연산 장치를 포함한다.

이하 설명하는 기술은 주변 첨두가 제거된 상관함수를 이용하여 사인 위상 BOC 신호 추적에서 모호성을 제거하고 정밀한 신호 추적을 가능하게 한다. 또한 이하 설명하는 기술은 기존의 자기상관함수와 부반송파를 활용하여 종래 수신기에도 손쉽게 적용될 수 있다.

도 1은 사인 위상 BOC 신호의 구조를 도시한 예이다.
도 2는 사인 위상 BOC 신호에 대한 자기상관함수 및 부상관함수를 도시한 예이다.
도 3은 사인 위상 BOC 신호에 대한 상관함수를 도시한 예이다.
도 4는 사인 위상 BOC 신호를 추적하는 방법에 대한 순서도의 예이다.

이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.

또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

이하 설명하는 기술은 BOC 신호 중 사인 위상 BOC 신호에 대한 추적 성능을 향상시키기 위하여 주변 첨두가 제거하는 기법에 관한 것이다. 나아가 이하 설명하는 기술은 생성한 상관함수를 이용하여 사인 위상 BOC 신호를 추적하는 기법에 관한 것이다. 사인 위상 BOC 신호에서 주변 첨두를 제거하는 과정에 대해 설명한다. 이하 설명하는 과정은 사인 위상 BOC 신호를 수신하는 수신기(신호 추적 장치)가 수행한다.

BOC 신호는 의사잡음코드와 (pseudo random noise: PRN) 구형 펄스의 부반송파를 곱한 형태로써 나타난다. 사인 위상의 BOC 신호는 BOC_sin(kn,n)으로 표현될 수 있다. 여기서 k는 의사잡음코드 (pseudorandom noise: PRN) 전송률과 부반송파 주파수와의 비를 나타내는 양의 정수이고, n은 PRN 코드 전송률과 1.023 MHz와의 비를 나타낸다. 일반적인 BOC_sin(kn,n) 신호 B(t) 는 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.

여기서 P는 신호 전력을 나타낸다. e_i∈ {-1, 1}는 주기가 T인 PRN 코드의 칩이다. T_c는 PRN 코드 칩 주기이다. P_α(t)는 [0,α]에 존재하는 단위 구형파이고, d(t)는 항법 데이터를 의미한다.

일반적으로 위성 항법 시스템에서는 동기화를 위한 별도의 파일럿 채널을 제공한다. 이하 설명에서는 신호 동기화를 위해 신호 추적 동안 데이터가 존재하지 않는 파일럿 채널을 가정한다. c_i(t)는 i 번째 부반송파로 PRN 코드 한 개의 칩 안에서 폭 T_s를 갖는 N개의 구형파 펄스로 구성된다. BOC_sin(kn,n)는 한 개의 칩 안에서 2k개의 구형파 펄스를 갖는다. 도 1은 사인 위상 BOC 신호의 구조를 도시한 예이다. 도 1(a)는 k = 1인 경우에 대한 예이다. 도 1(b)는 k = 2인 경우에 대한 예이다. 도 1(c)는 임의의 k에 대한 예이다.

일반적으로 수신기는 수신 신호와 국소 신호의 상관을 통해 아래의 수학식 2와 같은 자기상관함수를 얻는다.

상기 수학식 2를 이용하여 수신기가 획득하는 자기상관함수를 도 2에 도시하였다. 도 2는 사인 위상 BOC 신호에 대한 자기상관함수 및 부상관함수를 도시한 예이다. 도 2에서 자기상관함수는 k = 4인 경우이다. k의 값에 따라 주변 첨두의 수는 2k - 2개를 갖는다. 주 첨두는 항상 하나이다.

수신기는 주변 첨두를 제거하기 위하여 제1 부상관함수와 제2 부상관함수를 생성한다. 제 1 부상관함수와 제 2 부상관함수는 종래의 국소 신호 대신 새로운 신호를 사용하여 생성한다. 여기서 새로운 신호는 종래의 국소 신호에 곱해진 BOC 부반송파 대신, 첫 번째 펄스 f_i(t) 및 마지막 펄스 l_i(t)를 이용함으로써 얻어진다. 도 1은 다양한 k 값의 경우에 대해 첫 번째 펄스 f_i(t)와 마지막 펄스 l_i(t)를 표시하였다. 도 1에서 첫 번째 펄스 f_i(t)는 음영으로 표시하였고, 마지막 펄스 l_i(t)는 검은색으로 표시하였다. 예컨대, k = 1인 경우 사인 위상 BOC 신호의 부반송파는 2개의 펄스를 지니므로 2개의 펄스가 각각 각각 첫 번째 및 마지막 펄스가 된다. f_i(t) 및 l_i(t)는 i 번째 PN 코드에 해당되는 첫째 및 마지막 펄스를 의미한다. 새로운 국소 신호는 아래의 수학식 3과 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

F(t)는 하나의 칩 주기에서 첫 번째 펄스를 사용하여 생성된 새로운 국소신호이다. 이하 F(t)를 제1 국소 신호라고 명명한다.

L(t)는 하나의 칩 주기에서 마지막 펄스를 사용하여 생성된 새로운 국소신호이다. 이하 L(t)를 제2 국소 신호라고 명명한다.

수신기는 새로운 국소신호를 이용하여 새로운 부상관함수를 생성한다. 수신기는 아래의 수학식 5 내지 수학식 6과 같이 각각 새로운 국소신호와 수신한 신호를 상관하여 부상관함수를 생성한다.

R_f(τ)는 제1 국소신호와 수신한 신호를 상관하여 생성한 부상관함수이다. 이하 R_f(τ)를 제1 부상관함수라고 명명한다. 도 2에서 제1 부상관함수를 도시하였다.

R_l(τ)는 제2 국소신호와 수신한 신호를 상관하여 생성한 부상관함수이다. 이하 R_l(τ)를 제2 부상관함수라고 명명한다. 도 2에서 제2 부상관함수를 도시하였다.

제1 부상관함수 및 제2 부상관함수는 주변 첨두의 형태가 자기상관함수의 형태와 유사하다. 구체적으로 각 부상관함수는 자기상관함수와 첨두의 크기는 다르지만 첨두의 위치는 자기상관함수와 동일하다. 다만 각 부상관함수는 자기상관함수처럼 좌우대칭이 아니고, 어느 한쪽으로만 첨두가 발생한다. 따라서, 아래와 같은 수식의 성질을 이용하여 주변 첨두를 제거하는 방법을 제안한다.

먼저 상관함수의 조합에 사용되는 결합 연산을 설명한다. 제안하는 결합 연산은 아래의 수학식 7과 같다.

상기 수학식 7의 결합 연산은 만약 두 상관함수 A와 B의 부호가 같을 경우, 결과 X의 값은 양수를 갖게하고, 만약 A와 B의 부호가 다르거나 A와 B 중 0의 값을 가지는 상관함수가 있을 경우 그 값의 크기에 무관하게 X의 값은 항상 0을 갖게 한다.

도 2를 살펴보면, 제 1부상관함수와 제 2부상관함수는 중점을 중심으로 우측 혹은 좌측에만 첨두가 분포한다. 따라서 수신기는 제 1부상관함수와 자기상관함수를 결합하여 중점을 중심으로 우측에 위치한 자기상관함수의 첨두를 제거할 수 있고, 또 제 2부상관함수와 자기상관함수를 결합하여 중점을 중심으로 좌측에 위치한 자기상관함수의 첨두를 제거할 수 있다.

수신기는 결합 연산을 이용하여 아래의 수학식 8 내지 수학식 9와 같이 새로운 상관함수를 생성한다.

F(τ)는 자기상관함수와 제1 부상관함수를 결합하여 생성한 상관함수이다. 이하 F(τ)를 제1 상관함수라고 명명한다.

L(τ)는 자기상관함수와 제2 부상관함수를 결합하여 생성한 상관함수이다. 이하 L(τ)를 제2 상관함수라고 명명한다.

도 3은 사인 위상 BOC 신호에 대한 상관함수를 도시한 예이다. 도 3은 우측 주변 첨두만 존재하는 제1 상관함수 및 좌측 주변 첨두만 존재하는 제2 상관함수를 도시한다. 제1 상관함수 및 제2 상관함수는 주변 첨두들 중 어느 한 쪽만이 제거된 형태이다. 이제 수신기는 아래의 수학식 10과 같이 제1 상관함수와 제2 상관함수를 결합하여 주변 첨두를 제거한다.

도 3을 살펴보면, 제1 상관함수와 제2 상관함수를 상관연산하여 생성한 상관함수(제안한 상관함수)는 주변 첨두가 완벽하게 제거된 것을 알 수 있다.

도 4는 사인 위상 BOC 신호를 추적하는 방법(100)에 대한 순서도의 예이다. 수신기는 사인 위상 BOC 신호를 수신한다(110). 수신기는 BOC 신호에서 PN 코드 칩 주기의 첫 번째 펄스를 이용하여 새롭게 생성한 제1 국소신호와 수신한 BOC 신호를 이용하여 제1 부상관함수를 생성한다(120). 수신기는 제1 부상관함수와 자기상관함수를 조합하여 제1 상관함수를 생성한다(130).

수신기는 BOC 신호에서 PN 코드 칩 주기의 마지막 펄스를 이용하여 새롭게 생성한 제2 국소신호와 수신한 BOC 신호를 이용하여 제2 부상관함수를 생성한다(140). 수신기는 제2 부상관함수와 자기상관함수를 조합하여 제2 상관함수를 생성한다(150).

수신기는 제1 상관함수와 제2 상관함수를 상관연산하여 새로운 상관함수를 생성한다(160). 수신기는 새로운 상관함수를 이용하여 신호를 추적할 수 있다(170).

신호 추적 장치인 수신기는 사인 위상 BOC 신호를 수신하는 안테나 및 수신한 신호를 전술한 바와 같이 처리하는 연산 장치 및 생성한 상관한수를 이용하여 신호를 추적하는 판별기를 포함할 수 있다. 연산 장치가 전술한 바와 같이 자기상관함수와 제곱 상관함수를 조합하여 신호 추적을 위한 새로운 상관함수를 생성한다.

생성된 새로운 상관함수는 지연 고정 루프 (delay lock loop: DLL) 입력으로 사용되어, 최종적으로 신호 추적에 이용된다. 사인 위상 BOC 신호 신호 추적을 위한 판별기 출력은 (discriminator output) 아래의 수학식 11과 같이 나타낸다.

판별기 출력은 지연 고정 루프의 (delay lock loop) 수치 제어된 오실레이터에 의해 (numerically controlled oscillator) τ가 0이 될 때까지 동작한다.

본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

Claims

수신기가 사인 위상 BOC 신호를 수신하는 단계;
상기 수신기가 수신한 BOC 신호에서 PN 코드 칩 주기의 첫 번째 펄스를 이용하여 생성한 제1 국소 신호와 상기 수신한 BOC 신호를 이용하여 제1 부상관함수를 생성하는 단계;
상기 수신기가 수신한 BOC 신호에서 PN 코드 칩 주기의 마지막 펄스를 이용하여 생성한 제2 국소 신호와 상기 수신한 BOC 신호를 이용하여 제2 부상관함수를 생성하는 단계;
상기 수신기가 상기 BOC 신호의 자기상관함수와 상기 제1 부상관함수를 조합하여 제1 상관함수를 생성하고, 상기 BOC 신호의 자기상관함수와 상기 제2 부상관함수를 조합하여 제2 상관함수를 생성하는 단계;
상기 수신기가 상기 제1 상관함수와 상기 제2 상관함수를 조합하여 새로운 상관함수를 생성하는 단계; 및
상기 수신기가 상기 새로운 상관함수를 이용하여 신호를 추적하는 단계를 포함하는 사인 위상 BOC 신호를 추적하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 수신기가 아래의 수식을 이용하여 상기 제1 부상관함수를 생성하는 사인 위상 BOC 신호를 추적하는 방법.

(R_f(τ)는 상기 제1 부상관함수, P는 신호 전력, T는 주기, B(t)는 수신한 BOC 신호, F(t)는 상기 제1 국소신호임)
제1항에 있어서,
상기 수신기가 아래의 수식을 이용하여 상기 제2 부상관함수를 생성하는 사인 위상 BOC 신호를 추적하는 방법.

(R_l(τ)는 상기 제2 부상관함수, P는 신호 전력, T는 주기, B(t)는 수신한 BOC 신호, L(t)는 상기 제2 국소신호임)
제1항에 있어서,
상기 수신기가 아래의 수식을 이용하여 상기 제1 상관함수를 생성하는 사인 위상 BOC 신호를 추적하는 방법.

(F(τ)은 상기 제1 상관함수, R(τ)는 자기상관함수, R_f(τ)는 제1 부상관함수임)
제1항에 있어서,
상기 수신기가 아래의 수식을 이용하여 상기 제2 상관함수를 생성하는 사인 위상 BOC 신호를 추적하는 방법.

(L(τ)은 상기 제2 상관함수, R(τ)는 자기상관함수, R_l(τ)는 제2 부상관함수임)
제1항에 있어서,
상기 수신기가 아래의 수식을 이용하여 상기 새로운 상관함수를 생성하는 사인 위상 BOC 신호를 추적하는 방법.

(R_pro(τ)는 상기 새로운 상관함수, F(τ)은 상기 제1 상관함수, L(τ)은 상기 제2 상관함수임)
사인 위상 BOC 신호를 수신하는 안테나; 및
상기 BOC 신호에서 PN 코드 칩 주기의 첫 번째 펄스를 이용하여 생성한 제1 국소 신호와 상기 수신한 BOC 신호를 이용하여 제1 부상관함수를 생성하고, 상기 BOC 신호의 자기상관함수와 상기 제1 부상관함수를 조합하여 제1 상관함수를 생성하고,
상기 BOC 신호에서 PN 코드 칩 주기의 마지막 펄스를 이용하여 생성한 제2 국소 신호와 상기 수신한 BOC 신호를 이용하여 제2 부상관함수를 생성하고, 상기 BOC 신호의 자기상관함수와 상기 제2 부상관함수를 조합하여 제2 상관함수를 생성하고,
상기 제1 상관함수와 상기 제2 상관함수를 조합하여 신호 추적을 위한 새로운 상관함수를 생성하는 연산 장치를 포함하는 사인 위상 BOC 신호 추적 장치.
제7항에 있어서,
상기 연산 장치는 아래의 수식을 이용하여 상기 제1 부상관함수를 생성하는 사인 위상 BOC 신호 추적 장치.

(R_f(τ)는 상기 제1 부상관함수, P는 신호 전력, T는 주기, B(t)는 수신한 BOC 신호, F(t)는 상기 제1 국소신호임)
제7항에 있어서,
상기 연산 장치는 아래의 수식을 이용하여 상기 제2 부상관함수를 생성하는 사인 위상 BOC 신호 추적 장치.

(R_l(τ)는 상기 제2 부상관함수, P는 신호 전력, T는 주기, B(t)는 수신한 BOC 신호, L(t)는 상기 제2 국소신호임)
제7항에 있어서,
상기 연산 장치는 아래의 수식을 이용하여 상기 제1 상관함수를 생성하는 사인 위상 BOC 신호 추적 장치.

(F(τ)은 상기 제1 상관함수, R(τ)는 자기상관함수, R_f(τ)는 제1 부상관함수임)
제7항에 있어서,
상기 연산 장치는 아래의 수식을 이용하여 상기 제2 상관함수를 생성하는 사인 위상 BOC 신호 추적 장치.

(L(τ)은 상기 제2 상관함수, R(τ)는 자기상관함수, R_l(τ)는 제2 부상관함수임)
제7항에 있어서,
상기 연산 장치는 아래의 수식을 이용하여 상기 새로운 상관함수를 생성하는 사인 위상 BOC 신호 추적 장치.

(R_pro(τ)는 상기 새로운 상관함수, F(τ)은 상기 제1 상관함수, L(τ)은 상기 제2 상관함수임)