KR101971685B1 - 빔포밍 gps 항재밍 시스템의 자체 교정 장치 및 방법 - Google Patents

빔포밍 gps 항재밍 시스템의 자체 교정 장치 및 방법 Download PDF

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현종철
강행익
정준우
원현희
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엘아이지넥스원 주식회사
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    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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Abstract

본 실시예들은 직접 생성한 PRN 코드를 주파수 상향 변환하고, 복수의 안테나 중에서 선택된 하나의 안테나를 이용하여 GPS 신호를 방사하고, 각각의 채널에서 수신된 PRN 코드를 상관하여 각각의 시간 지연을 측정함으로써, 별도의 교정장비없이 실내에서 수 초 이내에 채널의 위상, 지연, 크기를 보정할 수 있는 GPS 항재밍 시스템을 제공한다.

Description

빔포밍 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치 및 방법 {Self-Calibration Apparatus of Beam Forming GPS Anti-Jamming System and Method Thereof}
본 발명이 속하는 기술 분야는 빔포밍 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
GPS는 위성 신호 구조가 공개되어 있고 20000km 이상의 장거리에서 전송되기 때문에 인위적인 재밍 등의 간섭신호에 매우 취약하다. 예를 들어 GPS 수신기에 도달하는 위성 신호 크기는 약 -160dBW(1Х10-16 Watt)인데 비해 휴대폰에 도달하는 이동통신 신호는 -60dBW(1Х10-6 Watt)로서 GPS 신호가 100억배 정도 약하다.
전자파 재밍(Jamming)이란 전파를 수신함에 있어 다른 전파 등에 의해서 수신에 장애가 생기는 것을 말하며, 수신되는 신호의 크기가 작을수록 전자파 재밍의 영향을 많이 받는다. 따라서 미약한 위성 신호를 사용하는 GPS는 전자파 재밍에 매우 취약하다.
GPS에 심각한 위협이 되는 전파 간섭 또는 재밍 신호에 대응하기 위한 가장 효과적인 방안은 배열 안테나를 사용하여 재밍 신호를 제거하는 방법이다.
배열 안테나를 이용한 GPS 항재밍 시스템은 여러 개의 안테나 소자로 구성된 배열 안테나에서 수신한 신호의 위상을 각각 제어함으로써 원하는 신호를 증대시키고 원치 않는 재밍 신호를 감소시키는 장치이다. 배열 안테나를 이용한 아날로그 GPS 항재밍 시스템은 아날로그 위상 변환기(Phase shifter)를 사용하여 GPS의 L밴드 신호의 위상을 변화시켜 특정방향으로 널(Null)을 형성하여 재밍 신호를 제거한다. GPS의 아날로그 L밴드 신호를 주파수가 낮은 중간주파수(IF, Intermediate Frequency)에서 A/D(Analog-to-Digital) 변환 후 디지털 위상 변환기로써 항재밍 신호처리를 구현하는 배열 안테나 기반 디지털 GPS 항재밍 시스템도 있다.
배열 안테나에 기반한 GPS 항재밍 시스템은 다수의 안테나 소자 및 RF단을 갖기 때문에 각각의 이득 및 위상, 지연이 다라질 수 있는 문제점이 있다. 배열안테나의 각 소자 및 RF단으로부터 수신한 신호의 이득 및 위상, 지연이 다르면 특정 방향으로 빔포밍을 수행할 때 원하는 방향과 다른 방향으로 빔이 형성되어 원하는 결과를 얻을 수 없다. 배열 안테나 기반 GPS 항재밍 시스템에서의 빔포밍은 각각의 소자 및 RF단에 대한 이득 및 위상, 지연을 동일하게 맞춰주는 교정(Calibration) 과정이 필수적이다.
특허문헌1은 별도의 교정장비없이 야외에서 GPS 위성 신호를 이용하여 자체 교정을 수행하지만, 이러한 방식은 야외에 설치해야 하고 GPS 위성 신호를 처리하는 교정 단계가 복잡하기 때문에 상당한 처리 시간이 요구된다.
한국등록특허공보 제10-1405260호 (2014.06.02)
본 발명의 실시예들은 직접 생성한 PRN 코드를 주파수 상향 변환하고, 복수의 안테나 중에서 선택된 하나의 안테나를 이용하여 GPS 신호를 방사하고, 각각의 채널에서 수신된 PRN 코드를 상관하여 각각의 시간 지연을 측정함으로써, 별도의 교정장비없이 실내에서 수 초 이내에 채널의 위상, 지연, 이득을 보정하는 데 발명의 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치에 있어서, 일반 모드에서는 위성 신호를 수신하고 교정 모드에서는 교정 신호를 송신하는 복수의 안테나, 상기 위성 신호 또는 상기 교정 신호를 주파수 하향 변환하고 디지털 신호로 변환하는 복수의 주파수 하향 변환기, 상기 디지털 신호를 빔포밍하며 상기 교정 모드에서 제1 PRN(Pseudo Random Noise) 코드를 생성하고, 각 채널에서 수신한 디지털 코드를 제2 PRN 코드로 변환하는 디지털 신호 처리기, 상기 교정 모드에서 상기 제1 PRN 코드를 GPS 주파수 대역을 갖는 상기 교정 신호로 변환하는 주파수 상향 변환기, 상기 복수의 안테나의 신호 경로를 변경하며 상기 복수의 안테나를 상기 주파수 상향 변환기 또는 상기 주파수 하향 변환기에 연결하는 복수의 스위치, 및 상기 디지털 신호 처리기의 각 채널을 통하여 수신한 상기 제2 PRN 코드를 상관하여 이득 크기, 위상과 지연 시간을 측정하고 상기 지연 시간을 상기 디지털 신호 처리기로 전송하는 수신기를 포함하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 방법에 있어서, 복수의 안테나가 위성 신호를 수신하는 일반 모드에서 일부 안테나가 교정 신호를 송신하는 교정 모드로 변경하는 단계, 상기 복수의 안테나에 연결된 스위치를 이용하여 상기 일부 안테나를 주파수 상향 변환기에 연결하는 단계, 디지털 신호 처리기가 제1 PRN(Pseudo Random Noise) 코드를 생성하는 단계, 상기 주파수 상향 변환기가 상기 제1 PRN 코드를 GPS 주파수 대역을 갖는 상기 교정 신호로 변환하는 단계, 상기 일부 안테나가 상기 교정 신호를 방사하고 나머지 안테나가 상기 교정 신호를 수신하는 단계, 주파수 하향 변환기가 상기 교정 신호를 주파수 하향 변환하고 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호 처리기가 각 채널에서 수신한 디지털 신호를 제2 PRN 코드로 변환하고, 수신기는 상기 제2 PRN 코드를 상관하여 이득 크기, 위상과 지연 시간을 측정하는 단계, 상기 교정 신호를 송신하는 안테나를 다른 안테나로 변경하고 상기 이득 크기, 위상과 지연 시간을 다시 측정하는 단계, 및 상기 지연 시간을 상기 디지털 신호 처리기로 전송하는 단계를 포함하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 직접 생성한 PRN 코드를 주파수 상향 변환하고, 복수의 안테나 중에서 선택된 하나의 안테나를 이용하여 GPS 신호를 방사하고, 각각의 채널에서 수신된 PRN 코드를 상관하여 각각의 이득 크기, 위상과 지연 시간을 측정함으로써, 별도의 교정장비없이 실내에서 수 초 이내에 채널의 위상, 지연, 크기를 보정할 수 있는 효과가 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 방법을 예시한 흐름도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치가 안테나 간의 상대 지연 시간을 측정하는 것을 예시한 도면이다.
도 6 내지 도 7은 실시예들에 따른 GPS 항재밍 시스템이 측정한 위상 및 지연 시간을 예시한 도면이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
GPS 위성에서 송출되는 신호는 세 가지 성분을 갖는다. 첫 번째는 반송파(Carrier)로서 L1(1575.42MHz)과 L2(1227.60MHz)의 두 가지 주파수가 사용된다. 두 번째로는 PRN(Pseudo Random Noise)으로 위성의 식별과 의사거리 측정을 위해서 사용된다. PRN 코드는 두 가지 종류가 있으며, 하나는 C/A코드(Coarse/Acquisition code) 또는 SPS(Standard Positioning Service)라고 불리는 것으로 일반 사용자를 위한 것이고 다른 하나는 P코드(Precision code) 또는 PPS(Precise Positioning Service)라고 불리는 군용 신호이다. P코드는 제한적인 사용자만이 사용할 수 있도록 암호화된다. 세 번째는 항법신호(Navigation Message)이며 위성 시계/궤도력 계수(ephemeris) 및 위성배치(almanac), 위성의 건강상태(health) 등의 정보를 포함한다.
GPS 수신기(이하, 수신기)는 GPS 위성으로부터 수신한 신호를 이용하여 의사거리와 위성의 위치를 구하고, 이를 이용하여 수신기의 위치를 구한다. 사용하는 측정치에 따라 C/A 코드만 수신하는 수신기와 P코드까지 수신할 수 있는 수신기 및 반송파 위상까지 측정하는 수신기로 분류된다. 수신기는 채널의 수에 따라서도 분류되며 초기에는 한 개의 채널로 여러 위성을 동시에 추적하는 형태의 수신기가 사용되었으나, 최근에는 최소 12개 이상의 채널을 보유하는 수신기가 일반적으로 사용된다.
PRN 코드는 2진수화된 코드로 위성마다 고유의 CDMA(Code Division Multiple Access)코드가 있어, 수신기는 이 코드로 위성을 구분한다. 수신기는 미리 입력된 각 위성의 PRN 코드를 이용하여, GPS 시간 기준으로 발생시킨 항법신호를 수신된 각 위성의 PRN 코드의 도착시간과 비교하여 시간차를 구해 의사거리(Pseudo-range)를 계산한다. 코드는 두 가지가 있는데, 그 하나는 C/A 코드(Coarse Acquisition Code)이고, 다른 하나는 P 코드(Precision Code)이다. 민간 사용자는 L1 반송파에만 실리는 C/A 코드만 사용 가능한다. 이 코드의 전송율은 1.023Mbit/s 이며, 1m sec 마다 반복된다. 수신한 GPS 신호를 구성하는 C/A코드(Coarse Acquisition Code) 에 대해, GPS 수신기의 내부 시계에 기초하여 생성한 C/A 코드를 시간을 이동(shift)하면서 차례로 적산하고, 적산의 결과가 최대가 된 경우에서의 시간의 이동량을 GPS 신호의 도달 시간으로 하는 상관 처리가 행해지고 있다. 그러나, GPS 신호의 강도가 미약한 경우(즉, C/A 코드의 강도가 미약한 경우)에는, 적산의 결과 중 어느 것이 최대인 것인지를 판단할 수 없게 된다. 이 때문에, 고감도의 GPS 수신기에서는, GPS 신호의 강도가 미약한 경우라도 적산의 결과 중 어느 것이 최대인 것인지를 판단할 수 있도록 하기 위해, 상관 처리에 앞서, C/A 코드를 누적 가산하여 크게 하는 코히런트 처리를 수행할 수 있다.
GPS 수신기의 신호 획득 과정은 수신한 위성 신호의 대략적인 반송파 주파수와 코드 위상을 알아내는 과정이다. 즉, 신호 획득은 반송파 주파수 검색 범위를 반송파 주파수 검색 격자 크기(dF)로 나누고, 코드 위상 검색 범위를 코드 위상 검색 격자 크기(dT)로 나눈 검색 칸(Cell)들을 일일이 검사한다.
GPS 수신기가 항법 정보 및 위성 정보를 가지고 있는 않은 상태에서는 코드 위상 검색 범위는 전체 코드 위상이 되고, 반송파 주파수 검색 범위는 위성과 GPS 수신기의 상대 속도로 유발되는 주파수 변위량과 GPS 수신기의 클럭(Clock) 오차로 인해 발생하는 변위량을 더한 범위가 된다. 코드 위상 검색 격자(dT)의 크기는 코드 상관기 사이의 코드 위상 간격에 따라 정한다. 주파수 검색 격자(dF)의 크기는 선 검출 적분 시간(T)에 의해 결정한다. 즉, dF = 1/2T로 정한다. 예컨대, 선 검출 적분 시간이 1 msec이면, 주파수 검색 격자의 크기는 500 Hz가 된다.
위성 신호 상관기(Correlator)는 위성의 수신 신호에 대응해서 수신기에서 자체 생성된 C/A 코드와 반송파 주파수를 맞추어 해당 위성의 수신 신호를 포착한다. 위성 신호 상관기에서 해당 위성의 수신 신호를 포착하지 못했을 경우 반송파 주파수와 코드 생성부의 C/A 코드 위상 또는 주파수를 설정된 값으로 변경되게 제어한다. 위성 신호 상관기의 C/A 코드를 탐색 범위 내에서 설정된 값으로 생성한다. 위성 신호 상관기의 반송파 주파수를 탐색 범위 내에서 설정된 값으로 생성한다.
상관기는 반송파 혼합기를 통과한 신호에 일정 간격의 코드 위상차를 갖는 코드들 (E(Early), P(Prompt), L(Late))을 혼합하고, 코드 혼합기를 통과한 신호를 선 검출 적분 시간 동안 적분하는 저역 통과 필터를 포함할 수 있다. 코드 혼합기에서 혼합하는 코드들(E, P, L)에 의한 상관 결과는 코드 위상 오차가 '0'이 되도록 하는 코드 추적 과정을 위해 이용된다. 코드 위상 오차가 없으면 P 코드에 해당하는 상관 결과는 최대치가 되고, E와 L 코드에 해당하는 상관 결과는 같은 값이 된다.
빔포밍 기능이 포함된 배열 안테나를 이용하는 GPS 항재밍 시스템에서는 배열 안테나 소자 수 만큼의 수신 채널에 대한 교정이 필수적이다. 여기서 교정 이라함은 일반적으로 배열 안테나에서 각 안테나 소자로 수신된 신호가 각 채널의 RF 하향변환을 거쳐 디지털로 변환되어 신호 처리기에 도착할 때까지의 특성을 동일하게 맞추는 것을 의미한다. 상기 교정을 통해 각 채널마다 차이가 나는 위상, 지연 시간, 이득 크기를 보정한다.
본 실시예에 따른 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치는 직접 생성한 PRN 코드를 주파수 상향 변환하고, 복수의 안테나 중에서 선택된 하나의 안테나를 이용하여 GPS 신호를 방사하고, 각각의 채널에서 수신된 PRN 코드를 상관하여 각각의 시간 지연을 측정함으로써, 별도의 교정장비없이 실내에서 수 초 이내에 채널의 위상, 지연, 이득 크기를 보정할 수 있다.
도 1은 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치를 예시한 도면이다.
GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치에 있어서는 복수의 안테나(101, 102, 103, 104), 복수의 스위치(201, 202, 203), 주파수 상향 변환기(300), 복수의 주파수 하향 변환기(401, 402, 403, 404), 디지털 신호 처리기(500), 및 수신기(600)를 포함한다. 도 1에서는 안테나가 4개, 스위치가 3개, 주파수 하향 변환기가 4개 도시되어 있으나, 이는 예시일 뿐이며 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 개수가 사용될 수 있다.
GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치는 일반 모드와 교정 모드에서 동작한다.
복수의 안테나(101, 102, 103, 104)는 일반 모드에서는 위성 신호를 수신하고 교정 모드에서는 교정 신호를 송신한다.
복수의 스위치(201, 202, 203)는 복수의 안테나(102, 103, 104)의 신호 경로를 변경하며 복수의 안테나(102, 103, 104)를 주파수 상향 변환기(300) 또는 주파수 하향 변환기(102, 103, 104)에 연결된다. 디지털 신호 처리기(500)는 복수의 스위치(201, 202, 203)의 동작을 제어하는 스위치 제어기(510)를 포함한다.
스위치 제어기(510)는 일반 모드에서 복수의 안테나 전부를 주파수 하향 변환기(402, 403, 404)에 각각 연결시킨다. 스위치 제어기(510)는 교정 모드에서 복수의 안테나(102, 103, 104) 중에서 적어도 하나를 주파수 상향 변환기(300)에 연결시키고 나머지 안테나를 주파수 하향 변환기(402, 403, 404)에 연결시킨다.
디지털 신호 처리기(500)는 교정 모드에서 주파수 상향 변환기(300)으로 송신하기 위한 제1 PRN(Pseudo Random Noise) 코드를 생성하고, 수신기(600) 내 상관기(610)로 전달하기 위해 각 채널에서 수신한 디지털 코드를 제2 PRN 코드로 변환한다. 디지털 신호 처리기(500)는 교정 모드에서 제1 PRN 코드를 생성하고 제1 PRN 코드를 주파수 상향 변환기로 전송하는 PRN 코드 생성기(520)를 포함한다.
주파수 상향 변환기(300)는 교정 모드에서 제1 PRN 코드를 GPS 주파수 대역을 갖는 교정 신호로 변환한다. 주파수 상향 변환기(300)는 정현파를 곱하여 두 주파수의 합을 만들어 주파수를 천이시키는 믹서를 이용하여 주파수를 상향 변환한다.
복수의 주파수 하향 변환기(401, 402, 403, 404)는 위성 신호 또는 교정 신호를 주파수 하향 변환하고 디지털 신호로 변환한다. 주파수 하향 변환기는 정현파를 곱하여 두 주파수의 차를 만들어 주파수를 천이시키는 믹서를 이용하여 주파수를 하향 변환한다.
수신기(600)는 디지털 신호 처리기(500)의 각 채널을 통하여 수신한 제2 PRN 코드를 상관하여 이득 크기, 위상 및 지연 시간을 측정하고 상기 정보를 디지털 신호 처리기(500)로 전송한다.
교정 모드에서 디지털 신호 처리기(500)는 복수의 안테나(101, 102, 103, 104) 중에서 교정 신호를 방사하는 방사 안테나, 교정 신호를 수신하는 기준 안테나 및 대상 안테나를 선택한다. 수신기(600)는 (i) 방사 안테나로부터 기준 안테나를 통과하여 기준 안테나에 대응하는 채널까지 교정 신호의 전송에 따른 제1 지연 시간 및 (ii) 방사 안테나로부터 대상 안테나를 통과하여 대상 안테나에 대응하는 채널까지 교정 신호의 전송에 따른 제2 지연 시간을 측정한다. 디지털 신호 처리기(500)는 제1 지연 시간과 제2 지연 시간을 기초하여 기준 안테나로부터 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출한다.
디지털 신호 처리기(500)는 제1 지연 시간에서 방사 안테나로부터 기준 안테나까지의 물리적인 거리에 따른 지연 시간을 차감한 제1 보정 지연 시간을 산출하고, 제2 지연 시간에서 방사 안테나로부터 기준 안테나까지의 물리적인 거리에 따른 지연 시간을 차감한 제2 보정 지연 시간을 산출한다. 제1 보정 지연 시간 및 제2 보정 지연 시간의 차이를 이용하여 기준 안테나로부터 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출한다.
교정 모드에서 디지털 신호 처리기(500)는 복수의 안테나 중에서 기준 안테나로 선택된 안테나와 대상 안테나로 선택된 안테나를 제외한 나머지 안테나 중에서 방사 안테나를 변경해가며 제1 보정 지연 시간과 제2 보정 지연 시간을 산출하여, 기준 안테나로부터 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출한다.
디지털 신호 처리기(500)는 방사 안테나를 변경해가면 산출한 제1 보정 지연 시간과 제2 보정 지연 시간 간의 차이의 평균을 상대 지연 시간으로 설정하는 교정기(530)를 포함한다.
교정 모드에서 디지털 신호 처리기(500)는 복수의 안테나 중에서 기준 안테나로 선택된 안테나를 제외한 나머지 안테나 중에서 대상 안테나를 변경해가며 상기 제1 보정 지연 시간과 상기 제2 보정 지연 시간을 산출하여, 기준 안테나로부터 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출한다.
수신기(600)는 제2 PRN 코드를 신호 처리하여 시간과 위상을 출력하는 상관기(610)를 포함하며, 상관기(610)는 16 비트 이상의 입/출력 디지털 인터페이스를 갖는다.
도 2는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 방법을 예시한 흐름도이다.
단계 S210에서, 복수의 안테나가 위성 신호를 수신하는 일반 모드에서 일부 안테나가 교정 신호를 송신하는 교정 모드로 변경한다.
단계 S220에서 복수의 안테나에 연결된 스위치를 이용하여 일부 안테나를 주파수 상향 변환기에 연결한다. 일부 안테나를 주파수 상향 변환기에 연결하는 단계(S220)에서 디지털 신호 처리기는 복수의 안테나 중에서 상기 교정 신호를 방사하는 방사 안테나, 상기 교정 신호를 수신하는 기준 안테나 및 대상 안테나를 선택한다.
단계 S230에서 디지털 신호 처리기가 제1 PRN(Pseudo Random Noise) 코드를 생성한다.
단계 S240에서 주파수 상향 변환기가 제1 PRN 코드를 GPS 대역을 갖는 교정 신호로 변환한다.
단계 S250에서 일부 안테나가 교정 신호를 방사하고 나머지 안테나가 교정 신호를 수신한다.
단계 S260에서 주파수 하향 변환기가 교정 신호를 주파수 하향 변환하고 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호 처리기가 각 채널에서 수신한 디지털 신호를 제2 PRN 코드로 변환하고, 수신기는 제2 PRN 코드를 상관하여 지연 시간을 측정한다.
지연 시간을 측정하는 단계(S260)에서 수신기는 (i) 방사 안테나로부터 기준 안테나를 통과하여 기준 안테나에 대응하는 채널까지 교정 신호의 전송에 따른 제1 지연 시간 및 (ii) 방사 안테나로부터 대상 안테나를 통과하여 대상 안테나에 대응하는 채널까지 교정 신호의 전송에 따른 제2 지연 시간을 측정한다. 디지털 신호 처리기는 제1 지연 시간과 제2 지연 시간을 기초하여 기준 안테나로부터 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출한다.
지연 시간을 측정하는 단계(S260)에서 디지털 신호 처리기는 제1 지연 시간에서 방사 안테나로부터 기준 안테나까지의 물리적인 거리에 따른 지연 시간을 차감한 제1 보정 지연 시간을 산출하고, 제2 지연 시간에서 방사 안테나로부터 기준 안테나까지의 물리적인 거리에 따른 지연 시간을 차감한 제2 보정 지연 시간을 산출한다. 제1 보정 지연 시간 및 제2 보정 지연 시간의 차이를 이용하여 기준 안테나로부터 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출한다.
단계 S270에서 교정 신호를 송신하는 안테나를 다른 안테나로 변경하고 지연 시간을 다시 측정한다.
지연 시간을 다시 측정하는 단계(S270)에서 디지털 신호 처리기는 복수의 안테나 중에서 기준 안테나로 선택된 안테나와 대상 안테나로 선택된 안테나를 제외한 나머지 안테나 중에서 방사 안테나를 변경해가며 제1 보정 지연 시간과 제2 보정 지연 시간을 산출하여, 기준 안테나로부터 상기 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출한다.
지연 시간을 다시 측정하는 단계(S270)에서 방사 안테나를 변경해가면 산출한 제1 보정 지연 시간과 제2 보정 지연 시간 간의 차이의 평균을 상대 지연 시간으로 설정한다.
지연 시간을 다시 측정하는 단계(S270)에서 디지털 신호 처리기는 복수의 안테나 중에서 기준 안테나로 선택된 안테나를 제외한 나머지 안테나 중에서 대상 안테나를 변경해가며 제1 보정 지연 시간과 제2 보정 지연 시간을 산출하여, 기준 안테나로부터 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출한다.
단계 S280에서 지연 시간을 디지털 신호 처리기로 전송한다.
도 3 내지 도 5는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치가 안테나 간의 상대 지연 시간을 측정하는 것을 예시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 5개로 구성된 안테나를 가정할 때, 자체 교정 장치는 제1 안테나, 제2 안테나, 제3 안테나, 제4 안테나, 제5 안테나 중에서 제1 안테나를 기준 안테나로 설정하고 제2 안테나를 대상 안테나로 설정하고 제3 안테나를 방사 안테나로 설정한다.
절대적인 시간 지연을 구할 필요없이, 제1 안테나 대비 각 안테나의 상대적인 차이를 알면 교정이 가능하다. 제1 안테나에 대응하는 제1 채널과 제2 안테나에 대응하는 제2 채널에 대한 시간 지연을 구하는 방법은 제3 안테나에서 신호를 송신하여 제1 채널 및 제2 채널에서 수신한다. 제1 채널 및 제3 채널 간의 지연 시간과 제2 채널 및 제3 채널 간의 지연 시간에 절대적인 안테나 간의 거리에 따른 지연 시간을 빼고 두 지연 시간의 차를 구하면, 제1 채널 및 제2 채널 간의 상대적인 지연 차이를 산출할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제4 안테나를 방사 안테나로 설정하여 신호를 송신하고 제1 채널 및 제2 채널 간의 상대적인 지연 차이를 산출할 수 있다. 도 5를 참조하면, 제5 안테나를 방사 안테나로 설정하여 신호를 송신하고 제1 채널 및 제2 채널 간의 상대적인 지연 차이를 산출할 수 있다.
제1 채널 및 제2 채널에 관한 3개의 상대적인 지연 값을 평균 처리하여 제1 채널 및 제2 채널 간의 지연을 구할 수 있다.
Tx3_D1는 제3 안테나에서 송신하고 제1 채널에서 수신한 지연이고, Tx3_D2는 제3 안테나에서 송신하고 제2 채널에서 수신한 지연이라고 할 때, Tx3_D1(a)는 Tx3_D1 - dist_31(Tx3_D1에서 제1 및 제3 안테나의 거리에 따른 시간 지연을 뺀 제1 채널 및 제3 채널 간의 지연)과 같고, Tx3_D2(a)는 Tx3_D2 - dist_32(Tx3_D2에서 제2 및 제3 안테나의 거리에 따른 시간 지연을 뺀 제2 채널 및 제3 채널 간의 지연)과 같다.
Tx3_d12는 Tx3_D1(a) - Tx3_D2(a)(제3 안테나에서 송신할 때, 제1 및 제2 채널 간의 지연)이고, Tx4_d12는 Tx4_D1(a) - Tx4_D2(a)(제4 안테나에서 송신할 때, 제1 및 제2 채널 간의 지연)이고, Tx5_d12는 Tx5_D1(a) - Tx5_D2(a)(제5 안테나에서 송신할 때, 제1 및 제2 채널 간의 지연)이다.
제1 및 제2 채널 간의 지연은 평균이며, Delay_12는 (Tx3_d12 + Tx4_d12 + Tx5_d12)/3과 같이 표현된다. 이러한 과정을 반복하여 제1 및 제3 채널 간의 상대 지연, 제1 및 제4 채널 간의 상대 지연, 제1 및 제5 채널 간의 상대 지연을 측정할 수 있다. 즉, Delay_12, Delay_13, Delay_14, Delay_15를 구하면 교정에 필요한 모든 시간 지연을 파악할 수 있다.
도 6 내지 도 7은 GPS 항재밍 시스템이 각 채널에서 측정한 위상 및 지연 시간을 예시한 도면이다.
수신기에서 PRN 코드를 수신하면 상관기를 거쳐 나온 출력을 통해서 시간 지연을 측정할 수 있다. 상관기 출력을 통해 시간과 위상 값을 도출하면 정확한 시간 지연을 측정할 수 있다. 정확한 지연을 측정하기 위해서는 상관기의 출력이 일반적인 GPS 수신기의 2-BIT 인터페이스가 아닌 16-BIT 정도의 인터페이스가 필요하다.
자체 교정 장치에 포함된 구성요소들이 도 1에서는 분리되어 도시되어 있으나, 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.
자체 교정 장치는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.
자체 교정 장치는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.
도 2에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 2에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
본 실시예들에 따른 동작은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는 데 참여한 임의의 매체를 나타낸다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자기 매체, 광기록 매체, 메모리 등이 있을 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드, 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101 ~ 104: 안테나 201 ~ 203: 스위치
300: 주파수 상향 변환기 401 ~ 404: 주파수 하향 변환기
500: 디지털 신호 처리기 510: 스위치 제어기
520: PRN 코드 생성기 530: 교정기
600: 수신기 610: 상관기

Claims (15)

  1. GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치에 있어서,
    일반 모드에서는 위성 신호를 수신하고 교정 모드에서는 교정 신호를 송신하는 복수의 안테나;
    상기 위성 신호 또는 상기 교정 신호를 주파수 하향 변환하고 디지털 신호로 변환하는 복수의 주파수 하향 변환기;
    상기 디지털 신호를 빔포밍하며, 상기 교정 모드에서 제1 PRN(Pseudo Random Noise) 코드를 생성하고, 각 채널에서 수신한 디지털 코드를 제2 PRN 코드로 변환하는 디지털 신호 처리기;
    상기 교정 모드에서 상기 제1 PRN 코드를 GPS 주파수 대역을 갖는 상기 교정 신호로 변환하는 주파수 상향 변환기;
    상기 복수의 안테나의 신호 경로를 변경하며 상기 복수의 안테나를 상기 주파수 상향 변환기 또는 상기 주파수 하향 변환기에 연결하는 복수의 스위치; 및
    상기 디지털 신호 처리기의 각 채널을 통하여 수신한 상기 제2 PRN 코드를 상관하여 지연 시간을 측정하고 상기 지연 시간을 상기 디지털 신호 처리기로 전송하는 수신기
    를 포함하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교정 모드에서,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 복수의 안테나 중에서 상기 교정 신호를 방사하는 방사 안테나, 상기 교정 신호를 수신하는 기준 안테나 및 대상 안테나를 선택하고,
    상기 수신기는 (i) 상기 방사 안테나로부터 상기 기준 안테나를 통과하여 상기 기준 안테나에 대응하는 채널까지 상기 교정 신호의 전송에 따른 제1 지연 시간 및 (ii) 상기 방사 안테나로부터 상기 대상 안테나를 통과하여 상기 대상 안테나에 대응하는 채널까지 상기 교정 신호의 전송에 따른 제2 지연 시간을 측정하고,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 제1 지연 시간과 상기 제2 지연 시간을 기초하여 상기 기준 안테나로부터 상기 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 제1 지연 시간에서 상기 방사 안테나로부터 상기 기준 안테나까지의 물리적인 거리에 따른 지연 시간을 차감한 제1 보정 지연 시간을 산출하고,
    상기 제2 지연 시간에서 상기 방사 안테나로부터 상기 기준 안테나까지의 물리적인 거리에 따른 지연 시간을 차감한 제2 보정 지연 시간을 산출하고,
    상기 제1 보정 지연 시간 및 상기 제2 보정 지연 시간의 차이를 이용하여 상기 기준 안테나로부터 상기 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 교정 모드에서,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 복수의 안테나 중에서 상기 기준 안테나로 선택된 안테나와 상기 대상 안테나로 선택된 안테나를 제외한 나머지 안테나 중에서 상기 방사 안테나를 변경해가며 상기 제1 보정 지연 시간과 상기 제2 보정 지연 시간을 산출하여, 상기 기준 안테나로부터 상기 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리기는,
    상기 방사 안테나를 변경해가면 산출한 상기 제1 보정 지연 시간과 상기 제2 보정 지연 시간 간의 차이의 평균을 상기 상대 지연 시간으로 설정하는 교정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 교정 모드에서,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 복수의 안테나 중에서 상기 기준 안테나로 선택된 안테나를 제외한 나머지 안테나 중에서 상기 대상 안테나를 변경해가며 상기 제1 보정 지연 시간과 상기 제2 보정 지연 시간을 산출하여, 상기 기준 안테나로부터 상기 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 복수의 스위치의 동작을 제어하는 스위치 제어기를 포함하며,
    상기 스위치 제어기는 상기 일반 모드에서 상기 복수의 안테나 전부를 상기 주파수 하향 변환기에 각각 연결시키고,
    상기 스위치 제어기는 상기 교정 모드에서 상기 복수의 안테나 중에서 적어도 하나를 상기 주파수 상향 변환기에 연결시키고 나머지 안테나를 상기 주파수 하향 변환기에 연결시키는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 교정 모드에서 상기 제1 PRN 코드를 생성하고 상기 제1 PRN 코드를 상기 주파수 상향 변환기로 전송하는 PRN 코드 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 제2 PRN 코드를 신호 처리하여 시간과 위상을 출력하는 상관기를 포함하며, 상기 상관기는 16 비트 이상의 출력 인터페이스를 갖는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 장치.
  10. GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 방법에 있어서,
    복수의 안테나가 위성 신호를 수신하는 일반 모드에서 일부 안테나가 교정 신호를 송신하는 교정 모드로 변경하는 단계;
    상기 복수의 안테나에 연결된 스위치를 이용하여 상기 일부 안테나를 주파수 상향 변환기에 연결하는 단계;
    디지털 신호 처리기가 제1 PRN(Pseudo Random Noise) 코드를 생성하는 단계;
    상기 주파수 상향 변환기가 상기 제1 PRN 코드를 GPS 대역을 갖는 상기 교정 신호로 변환하는 단계;
    상기 일부 안테나가 상기 교정 신호를 방사하고 나머지 안테나가 상기 교정 신호를 수신하는 단계;
    주파수 하향 변환기가 상기 교정 신호를 주파수 하향 변환하고 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호 처리기가 각 채널에서 수신한 디지털 신호를 제2 PRN 코드로 변환하고, 수신기는 상기 제2 PRN 코드를 상관하여 지연 시간을 측정하는 단계;
    상기 교정 신호를 송신하는 안테나를 다른 안테나로 변경하고 상기 지연 시간을 다시 측정하는 단계; 및
    상기 지연 시간을 상기 디지털 신호 처리기로 전송하는 단계
    를 포함하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 일부 안테나를 주파수 상향 변환기에 연결하는 단계는,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 복수의 안테나 중에서 상기 교정 신호를 방사하는 방사 안테나, 상기 교정 신호를 수신하는 기준 안테나 및 대상 안테나를 선택하고,
    상기 지연 시간을 측정하는 단계는,
    상기 수신기는 (i) 상기 방사 안테나로부터 상기 기준 안테나를 통과하여 상기 기준 안테나에 대응하는 채널까지 상기 교정 신호의 전송에 따른 제1 지연 시간 및 (ii) 상기 방사 안테나로부터 상기 대상 안테나를 통과하여 상기 대상 안테나에 대응하는 채널까지 상기 교정 신호의 전송에 따른 제2 지연 시간을 측정하고,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 제1 지연 시간과 상기 제2 지연 시간을 기초하여 상기 기준 안테나로부터 상기 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 지연 시간을 측정하는 단계는,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 제1 지연 시간에서 상기 방사 안테나로부터 상기 기준 안테나까지의 물리적인 거리에 따른 지연 시간을 차감한 제1 보정 지연 시간을 산출하고,
    상기 제2 지연 시간에서 상기 방사 안테나로부터 상기 기준 안테나까지의 물리적인 거리에 따른 지연 시간을 차감한 제2 보정 지연 시간을 산출하고,
    상기 제1 보정 지연 시간 및 상기 제2 보정 지연 시간의 차이를 이용하여 상기 기준 안테나로부터 상기 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 지연 시간을 다시 측정하는 단계는,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 복수의 안테나 중에서 상기 기준 안테나로 선택된 안테나와 상기 대상 안테나로 선택된 안테나를 제외한 나머지 안테나 중에서 상기 방사 안테나를 변경해가며 상기 제1 보정 지연 시간과 상기 제2 보정 지연 시간을 산출하여, 상기 기준 안테나로부터 상기 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 지연 시간을 다시 측정하는 단계는,
    상기 방사 안테나를 변경해가면 산출한 상기 제1 보정 지연 시간과 상기 제2 보정 지연 시간 간의 차이의 평균을 상기 상대 지연 시간으로 설정하는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 지연 시간을 다시 측정하는 단계는,
    상기 디지털 신호 처리기는 상기 복수의 안테나 중에서 상기 기준 안테나로 선택된 안테나를 제외한 나머지 안테나 중에서 상기 대상 안테나를 변경해가며 상기 제1 보정 지연 시간과 상기 제2 보정 지연 시간을 산출하여, 상기 기준 안테나로부터 상기 대상 안테나까지의 상대 지연 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 GPS 항재밍 시스템의 자체 교정 방법.
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