KR102039047B1 - 이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법 및 장치 - Google Patents

이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법은, 비콘신호의 수준이 임계치 이하이면 탐색 모드(Search mode)를 수행하는 탐색 모드 수행 과정; 및 상기 비콘신호의 수준이 상기 임계치보다 높으면 추적 모드(Tracking mode)를 수행하는 추적 모드 수행 과정을 포함하고, 상기 탐색 모드 수행 과정은, 상기 비콘신호의 수준이 추적 수준 이하이면 라스터 스캔(Raster Scan)을 수행하고, 상기 비콘신호의 수준이 상기 추적 수준보다 높으면 상기 추적 모드 수행 과정으로 진행하여, 넓은 영역에서 위성추적이 가능하며, 고속, 고정밀의 위성추적성능을 확보할 수 있다.

Description

이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법 및 장치{Hybrid tracking method and apparatus consisting of step tracking and mono-pulse tracking for improve performance in tracking satellite in mobile satellite communication terminal}
본 발명은 차량, 선박, 항공기 등의 이동형 플랫폼에 장착되는 위성안테나 시스템의 위성추적방법에 관한 것으로서, 위성신호인 비콘신호를 이용하는 스텝 추적과 모노펄스신호을 이용하는 모노펄스 추적을 혼합적으로 이용하여 위성안테나 시스템의 위성추적성능을 개선하는 방법에 관한 것이다.
이동형 플랫폼에 장작되는 위성안테나가 안정적인 통신링크를 제공하기 위해서는 이동형 플랫폼의 위치, 자세변화 등의 외란이 안테나시스템에 인가되는 상황에서도 꾸준하고 정밀하게 위성을 지향할 수 있는 기술탑재가 필요하다. 위성지향 기술은 크게 개회로 방법(Open loop method)과 폐회로방법(closed loop method)로 분류할 수 있다.
개회로 방법은 안테나시스템의 위도, 경도, 고도를 계측하는 GPS 및 자세변화 오일러(Euler) 각을 계측하는 INS(Inertial navigation system)에 의존해 위성을 지향하는 방법이다. 이 방법에서는 우선 GPS를 통해 얻은 안테나의 위도, 경도, 고도 정보와 통신할 위성의 위도, 경도, 고도 정보를 이용해 지구표면좌표계(Earth surface, Global Coordinate) 상 안테나가 지향해야할 방위각, 앙각, 편파 사용여부에 따라 편파 각을 계산한다. 그리고 INS를 통해 외란 오일러 각을 계측하고 엔코더(Encoder)를 이용해 현재 안테나가 지향하고 있는 각을 계측한 다음, 현재의 외란을 고려해 역기구학을 풀어 안테나가 지구표면좌표계 상 위성방향을 지향할 수 있도록 안테나에 각도 명령을 인가하는 방법이다. 하지만 이 방법을 사용할 경우 안테나의 제작오차, 센서의 부착위치 오차, 자이로 편류(Gyro drift) 등의 센서의 계측오차는 위성지향 오차를 유발할 수 있으며 이는 통신성능을 저하시킬 수 있다.
폐회로 방법은 위성신호를 피드백(Feedback) 받아 위성지향에 이용하는 방법으로 개회 로방법 보다 강인한 위성추적을 가능하게 한다. 대표적인 폐회로방법은 스텝 추적(Step tracking)과 모노펄스 추적(Monopulse tracking)이 있다. 이 중 스텝 추적은 위성신호 중 비콘신호(Beacon)를 수신 받으며 한 스텝 당 써클(Circle) 혹은 박스(Box) 모양의 스캔을 수행하고 스캔 중 비콘신호의 수준이 가장 높았던 곳을 지향하며, 이 스텝을 반복해 위성을 추적하는 방법이다. 다만 비콘신호는 노이즈를 포함하고 있으며, 위성지향점 근방에서는 지향각 변화에 따라 비콘신호의 수준변화가 완만해지기 때문에 위성지향점 근방에서는 추적 불확실성이 커져 높은 추적성능은 기대할 수 없다. 폐회로방법 중 모노펄스 추적은 비콘신호를 가공해 만드는 모노펄스신호를 위성추적에 이용하는 방법이다. 이 모노펄스신호는 모노펄스오차라고도 하며, 이는 직접적인 안테나의 안테나좌표계 상 위성지향오차를 의미한다. 때문에 이를 직접적으로 위성추적에 이용하면 고속, 고정밀의 실시간 위성추적이 가능하다. 하지만, 이러한 모노펄스 추적은 위성지향점 근방 일부 영역에서만 사용이 가능하며 그 중 협소한 영역에서만 선형적인 특성을 갖기에 이 특정영역에서만 위성추적에 활용할 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법 및 장치를 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법은, 비콘신호의 수준이 임계치 이하이면 탐색 모드(Search mode)를 수행하는 탐색 모드 수행 과정; 및 상기 비콘신호의 수준이 상기 임계치보다 높으면 추적 모드(Tracking mode)를 수행하는 추적 모드 수행 과정을 포함하고, 상기 탐색 모드 수행 과정은, 상기 비콘신호의 수준이 추적 수준 이하이면 라스터 스캔(Raster Scan)을 수행하고, 상기 비콘신호의 수준이 상기 추적 수준보다 높으면 상기 추적 모드 수행 과정으로 진행하여, 넓은 영역에서 위성추적이 가능하며, 고속, 고정밀의 위성추적성능을 확보할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 추적 모드 수행 과정은, 모노펄스 추적이 가능한 환경에서는 모노펄스 추적을 수행하는 모노펄스 추적 과정; 및 상기 모노펄스 추적이 가능하지 않은 환경에서는 스텝 추적 가능 영역 내에서 스텝 추적을 수행하는 스텝 추적 과정을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 라스터 스캔의 소요시간 최소화를 위해 상기 라스터 스캔의 스캔 간격이 상기 스텝 추적 가능 영역 내에 최소 1회 이상 들어가도록, 상기 라스터 스캔 간격은 상기 스텝 추적 가능 영역보다 좁고, 상기 라스터 스캔 간격은 상기 비콘신호의 수준과 상기 추적 수준과의 차이에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 스텝 추적 과정에서, 상기 비콘신호의 수준이 안테나 방사 패턴의 부엽 수준을 상회하는 수준에서 상기 스텝 추적 가능 영역을 선정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 모노펄스 추적을 위한 모노펄스신호 사용 가능 여부에 따라 상기 모노펄스 추적 과정 또는 상기 스텝 추적 과정을 수행하고, 상기 모노펄스 추적 과정 또는 상기 스텝 추적 과정에서 상기 비콘신호의 수준이 상기 추적 레벨 이하이면 상기 탐색 모드로 진입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 모노펄스 추적 과정에서, 모노펄스 제어부로부터 안테나에 대한 포인팅 명령(Pointing Command)을 수신하고, 관성 센서(INS)로부터 외란(disturbance) 측정 각도를 수신하고, 상기 수신된 포인팅 명령 및 상기 외란 측정 각도에 기반하여 상기 안테나의 포인팅 각도를 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 모노펄스 추적 과정에서, 상기 안테나의 기준 각도와 상기 포인팅 명령에서의 제1 포인팅 각도의 합에서 상기 외란 측정 각도를 뺀 값을 입력으로, 상기 입력에 대한 3축 구동 시스템에 대한 영향을 고려하여 상기 안테나의 포인팅 각도를 출력할 수 있다.
본 발명에 따르면, 모노펄스 추적이 불가능한 통신환경에서는 스텝 추적을 통해 넓은 영역에서 위성추적이 가능하며, 모노펄스 추적이 가능한 통신환경에서는 위성지향점 근방 넓은 영역에서는 스텝 추적, 좁은 영역에서는 모노펄스 추적을 통해 위성추적이 가능하다. 이로 인해 모노펄스 추적 단독으로 운용되는 것보다 넓은 영역에서 위성추적이 가능하며 스텝 추적 단독으로 운용되는 것보다 모노펄스 추적을 통해 고속, 고정밀의 위성추적성능을 확보할 수 있다.
본 발명은 스텝 추적이 모노펄스 추적 사용가능 영역까지 견인하기 때문에 라스터 스캔의 간격도 상대적으로 넓게 선정할 수 있어 재추적을 포함 위성추적 전반에 보다 적은 시간이 소요된다.
또한 본 발명의 모노펄스신호와 초기지향, 라스터 스캔, 스텝 추적의 각도명령을 동시에 입력할 수 있는 위성추적 제어구조는 모노펄스 추적 모드와 모노펄스 추적이 아닌 모드 간 변환에서 구동시스템의 안정성은 유지시킬 수 있는 특징을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 이동형 위성통신단말의 위성추적시스템의 개념도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 3축 구동 안테나시스템의 좌표계와 관성항법 센서 배치도를 나낸다.
도 3은 본 발명에 따른 고도각(elevation angle) 방향에서 수신되는 비콘신호의 수신 방사패턴을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 스텝 추적의 개념도를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 라스터 스캔의 개념도를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 이론적인 모노펄스신호 사용가능 영역을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법의 흐름도를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 혼합추적방법을 수행하는 적분제어기와 모드스위치를 사용하는 혼합추적 제어부의 상세 구성을 나타낸다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 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.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 모듈, 블록 및 부는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법 및 장치에 대해 살펴보기로 한다.
이와 관련하여, 본 발명은 상기의 추적방법들을 혼합하여 위성추적에 이용하는 방법이다. 우선 개회로 방법은 센서의 계측오차 중 INS의 자이로 편류에 가장 크게 영향을 받는다. 이로 인해 개회로 방법만으로 위성을 지향할 경우 안테나시스템은 엉뚱한 곳을 지향할 수 있다. 그리고 스텝 추적의 경우 비콘신호를 위성추적에 이용하는데, 비콘신호는 주엽(Main lobe) 상 최고점과 부엽(Side lobe) 상 최고점이 존재하기 때문에 부엽 상에서 스텝 추적을 수행할 경우 안테나시스템은 국부적인 최고점을 지향하게 되어 위성추적이 불가능할 수 있다. 그러므로 스텝 추적 또한 모노펄스 추적과 마찬가지로 비콘신호가 주엽 상 존재하는 특정영역에서만 사용할 수 있다. 이 스텝 추적이 가능한 영역은 비록 모노펄스 추적이 가능한 영역보다는 넓지만 스텝 1회 당 구동 시간이 소요되기에 고속의 위성추적은 불가능하며, 위성지향점 근방에서는 위성추적성능이 모노펄스 추적보다 좋지 않다는 한계가 있다. 모노펄스 추적의 경우 위성지향오차를 의미하는 모노펄스신호를 위성추적에 이용하므로 고속 실시간의 위성추적이 가능하지만 위성지향점 근방 스텝 추적보다 상대적으로 좁은 영역에서만 사용 가능하고 또한 위성통신환경에 따라 모노펄스신호를 획득할 수 없는 경우에는 모노펄스 추적을 이용할 수 없다는 특징이 있다. 만약 본 발명과 같이 스텝 추적과 모노펄스 추적을 혼합해 위성추적을 수행하고자 할 경우, 위성지향점 근방의 넓은 영역에서는 스텝 추적을 이용해 위성추적을 수행하고 위성지향점 근방의 좁은 영역에서는 모노펄스 추적을 이용해 고속 고정밀의 위성추적을 수행할 수 있다. 하지만 스텝 추적은 근본적으로 비콘수준 최고점지향을 위해 지향각제어를 수행하고, 모노펄스 추적은 모노펄스신호라는 위성지향오차를 피드백으로 이용하기 때문에 두 추적방법은 다른 제어시스템 구성을 갖는다. 서로 다른 제어시스템이 한 안테나시스템에 내장될 경우, 제어시스템 간 모드변화는 안테나시스템의 안정성을 떨어뜨릴 수 있다. 그러므로 두 추적시스템을 혼용하기 위해서는 시스템 안정성을 유지하는 새로운 제어알고리즘 개발이 필요하다.
구체적으로, 본 발명에서는 우선 안테나시스템은 개회로 방법에 의해 초기위성지향을 수행한다. 이때 각종 센서의 계측오차 때문에 위성 근방을 지향할 수 없는 경우 비콘신호를 수신받으며 라스터 스캔 라스터(Raster)주사 모양의 광범위 스캔을 수행하며 비콘신호가 주엽에 들어가게 한다. 그리고 안테나가 비콘신호의 주엽에 들어간 경우 스텝 추적을 이용해 위성추적을 진행하다가 모노펄스신호를 사용할 수 있을 경우 모노펄스신호가 선형구간에 들어가면 모노펄스 추적을 통해 위성추적을 수행한다. 이를 통해 모노펄스 추적이 가능한 통신환경에서는 광범위적인 영역에서 모노펄스 추적과 스텝 추적을 혼용해서 위성추적을 수행한다. 그리고 모노펄스신호를 획득할 수 없는 경우에는 스텝 추적까지만 이용해 위성을 추적할 수 있다. 혼합추적을 사용할 경우 기존 모노펄스 추적 단독으로 사용할 경우보다 위성지향점 근방 넓은 영역에서 위성추적이 가능하며 위성지향점 근방 좁은 영역에서는 모노펄스 추적과 동일한 고속 고정밀의 추적성능을 갖는다는 장점을 갖는다. 뿐만 아니라 본 발명에서는 스텝 추적과 모노펄스 추적을 혼합해 사용하기 위해 모노펄스 추적의 지향오차 피드백(모노펄스신호)와 초기지향, 라스터 스캔, 스텝 추적의 각도명령과 각도피드백을 동시에 입력받는 추적제어구조를 이용해 추적모드의 변환에도 안테나 구동시스템은 안정성을 유지할 수 있도록 한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법 및 장치에 대해 첨부된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
이와 관련하여, 도 1은 본 발명에 따른 이동형 위성통신단말의 위성추적시스템(1000)의 개념도를 나타낸다. 즉, 도 1과 같이 위성추적시스템은 안테나 시스템(100)을 포함하는 이동형 위성통신 단말을 구비한 차량이 위성(200)을 추적하는 시스템을 의미할 수 있다. 한편, 도 2는 본 발명에 따른 3축 구동 안테나시스템(100)의 좌표계와 관성항법 센서 배치도를 나낸다. 이동형 단말의 위성추적은 도 1과 같은 개념으로 운용된다. 이동형 플랫폼에 장착된 안테나시스템(100)은 이동형 플랫폼에 장작된 INS 및 GPS의 관성항법센서로 안테나시스템의 위치정보와 이동형장비가 유발하는 외란을 계측한다. 안테나시스템(100)이 이러한 외란을 보상하면서 위성을 정밀하게 지향할 경우 통신링크가 유지될 수 있다. 도 2는 안테나시스템(100)의 방위각, 앙각, 편파각 3축 구동과 관성항법 센서의 배치를 설명한 것이지만 이는 운용지역 및 편파사용 여부에 따라 변경될 수 있다. 위성추적 안테나시스템에 이용되는 좌표계를 설명하면 도 1, 도 2 에서와 같이 지구표면좌표계(Earth Surface, Global Coordinate), 안테나 바닥면 좌표계, 그리고 안테나좌표계로 구성된다. 위성신호를 피드백으로 이용하지 않는 개회로 방법의 경우, GPS를 이용해 안테나의 위도, 경도, 고도 정보와 위성의 위도, 고도, 경도 정보를 이용해 지구표면좌표계 상 안테나가 지향해야 방위각, 앙각, 편파여부에 따라 편파각을 계산한다. 그리고 외란을 고려해 역기구학을 풀어 안테나가 외란을 보상하고 위성을 지향할 수 있도록 하는 각 회전축의 각도 명령을 계산한다. 이어서 엔코더를 통해 현재 회전각을 피드백 받고 앞서 계산한 각도명령을 안테나 각 회전축이 추종하도록 제어한다. 위성신호를 피드백받아 이용하지 않는 이러한 개회로 방법은 관성항법센서의 오차로 인해 위성지향성능이 떨어지기 때문에 오직 초기위성지향에서만 사용한다.
한편, 도 3은 본 발명에 따른 고도각(elevation angle) 방향에서 수신되는 비콘신호의 수신 방사패턴을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 비콘신호의 수신 방사패턴은 고도각의 변화에 따라 주엽(main lobe)과 부엽(side lobe)을 갖는다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 스텝 추적의 개념도를 나타낸다.
도 4와 관련하여, 초지기향 후 안테나시스템은 스텝 추적 혹은 모노펄스 추적이 가능한 경우 바로 스텝 추적 혹은 모노펄스 추적을 수행하지만 이를 수행할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 이러한 경우에는 라스터 스캔을 수행할 필요가 있다.
즉, 도 5는 본 발명에 따른 라스터 스캔의 개념도를 나타낸다. 도 5와 같은 형상의 라스터 스캔을 수행한다. 라스터 스캔은 지구표면좌표계상 초기지향점을 기준으로 수행하며, 이 스캔을 수행하는 동안 비콘신호를 수신받으며 도 3의 비콘패턴 상 비콘수준이 부엽을 상회하는지 확인한다. 스캔 중 부엽을 상회하는 경우 라스터 스캔을 중단하고 스텝 추적을 수행한다. 이러한 과정에서, 도 5의 라스터 스캔 간격은 도 3의 비콘수준이 주엽을 상회할 수 있는 영역에 최소 1회 이상 들어갈 수 있도록 선정한다. 이렇게 선정해야 라스터 스캔은 안정적으로 스텝 추적을 시동할 수 있고, 라스터 스캔 간격을 최대화 시켜 라스터 스캔에 소요되는 시간을 최소화 시킬 수 있다. 그러므로 이는 초기 위성추적 및 위성 재추적에 소모되는 시간을 단축시킬 수 있다.
비콘수준이 스텝 추적영역에 들어서면 안테나시스템은 비콘신호를 수신받으며 지구표면좌표계상 도 5와 같은 써클스캔을 수행한다. 그리고 스캔 중 비콘수준이 최고인 점을 지향한 다음 그 점을 기준으로 다시 써클스캔을 수행한다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 이론적인 모노펄스신호 사용가능 영역을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 고도각의 특정 각도를 기준으로 일정 각도 범위 내에서는 모노펄스신호를 사용할 수 있고, 이러한 범위를 모노펄스 선형 영역(Monopulse Linear Region)으로 지칭할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명에 따른 이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법의 흐름도를 나타낸다. 한편, 도 8은 본 발명에 따른 혼합추적방법을 수행하는 적분제어기와 모드스위치를 사용하는 혼합추적 제어부의 상세 구성을 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법은 탐색 모드 수행 과정(S100), 추적 모드 수행 과정(S200)을 포함한다. 탐색 모드 수행 과정(S100)과 관련하여, 비콘신호의 수준이 임계치 이하이면 탐색 모드(Search mode)를 수행한다. 추적 모드 수행 과정(S200)과 관련하여, 상기 비콘신호의 수준이 상기 임계치보다 높으면 추적 모드(Tracking mode)를 수행한다. 한편, 탐색 모드 수행 과정(S100)에서, 상기 비콘신호의 수준이 추적 수준 이하이면 라스터 스캔(Raster Scan)을 수행하고, 상기 비콘신호의 수준이 상기 추적 수준보다 높으면 상기 추적 모드 수행 과정(S200)으로 진행할 수 있다. 이때, 임계치는 도 7에 도시된 바와 같이 특정 값으로 정해질 수도 있지만, 위성통신에서 요구되는 사양 및 안테나 사양에 따라 적응적으로 변경 가능하다. 예를 들어, 도 7에서는 임계치가 -55dBm으로 설정되었으나, 도 2 및 도 7에서는 다른 값으로 설정될 수 있다. 도 2를 참조하면, 3dB 빔 폭을 고려하여 약 -60dBm 또는 추적 레벨에 따라 약 -65dBm으로 설정될 수 있다. 한편, 도 6을 참조하면, 모노펄스 선형 영역과 관련하여 임계치는 약 -60dBm으로 설정될 수 있다.
한편, 라스터 스캔 수행과 관련하여, 상기 라스터 스캔의 소요시간 최소화를 위해 상기 라스터 스캔의 스캔 간격이 상기 스텝 추적 가능 영역 내에 최소 1회 이상 들어가도록, 상기 라스터 스캔 간격은 상기 스텝 추적 가능 영역보다 좁게 구성될 수 있다. 상기 라스터 스캔 간격은 상기 비콘신호의 수준과 상기 추적 수준과의 차이에 비례하여 증가할 수 있다.
추적 모드 수행 과정(S200)은, 모노펄스 추적이 가능한 환경에서는 모노펄스 추적을 수행하는 모노펄스 추적 과정(S210), 및 상기 모노펄스 추적이 가능하지 않은 환경에서는 스텝 추적 가능 영역 내에서 스텝 추적을 수행하는 스텝 추적 과정(S220)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 모노펄스 추적을 위한 모노펄스신호 사용 가능 여부에 따라 상기 모노펄스 추적 과정(S210) 또는 상기 스텝 추적 과정(S220)을 수행할 수 있다. 상기 모노펄스 추적 과정(S210) 또는 상기 스텝 추적 과정(S220)에서 상기 비콘신호의 수준이 상기 추적 레벨 이하이면 상기 탐색 모드(S100)로 진입할 수 있다.
한편, 스텝 추적 과정(S220)에서, 상기 비콘신호의 수준이 안테나 방사 패턴의 부엽 수준을 상회하는 수준에서 상기 스텝 추적 가능 영역을 선정할 수 있다.
한편, 초기위성지향, 라스터 스캔, 스텝 추적은 안테나구동시스템에 지구표면좌표계상 각도명령을 인가한다는 면에서, 도 8의 점선박스를 제외한 제어알고리즘을 이용한다. 도 8의 각도명령과 INS에 의한 외란의 차 그리고 좌표변환은 역기구학을 연산을 이해하기 쉽게 1차원적으로 설명한 것이다.
이론적으로 모노펄스신호는 도 6의 비콘신호의 기본보드와 고차모드의 교차점 이내에서 사용 가능하다. 하지만, 이 모노펄스신호는 교차점 이내 위성지향점 근방의 더 좁은 영역에서만 선형성을 띄기에 이 선형영역에서만 추적시스템에 사용 가능하다. 스텝 추적을 통해 모노펄스 추적 가능한 영역까지 진입한 경우 모노펄스 추적 제어기는 모드 스위치를 통해 작동될 수 있다. 이 경우 일반적인 1자유도 2차 시스템에서 설명한다면 아래의 수학식 1과 같은 특징을 갖는다.
Figure 112018004839737-pat00001
여기서, J는 관성모멘트, b는 점성마찰, c는 스프링 계수가 된다. 이어 각 축의 구동장치는 아래의 수학식 2와 같은 PI제어기로 구성가능하다.
Figure 112018004839737-pat00002
여기서, KP는 위치이득, KI는 적분이득이 된다. 이어서, 모노펄스신호에 있는 적분제어기는 아래의 수학식 3과 같다.
Figure 112018004839737-pat00003
여기서, KMI는 적분이득이 된다. 모노펄스신호를 사용할 수 있을 경우에는 수학식 3을 제외하고 수학식 1 및 2를 통해 입출력 전달함수와 외란대비 출력에 대한 전달함수를 아래의 수학식 4 및 5를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112018004839737-pat00004
Figure 112018004839737-pat00005
여기서, Gco는 개회로 방법 지향명령 대비 안테나 지향각의 전달함수가 되고, Gdo는 외란대비 지향각 전달함수가 된다. 최종값 정리를 통해 최종 각 시스템 입력이 안테나지향에 미치는 영향을 보면, 아래의 수학식 6 및 7과 같다.
Figure 112018004839737-pat00006
Figure 112018004839737-pat00007
이어서, 모노펄스신호가 사용가능할 경우, 수학식 1 내지 3을 통해 입출력 전달함수를 구하면 아래의 수학식 8 내지 10과 같다.
Figure 112018004839737-pat00008
Figure 112018004839737-pat00009
Figure 112018004839737-pat00010
여기서, Gco는 개회로 방법 지향명령 대비 안테나 지향각의 전달함수가 되고, Gdo는 실제 위성위치 대비 안테나 지향각의 전달함수가 된다. 그리고, Gmo는 외란대비 안테나 지향각의 전달함수가 된다. 수학식 8 내지 10으로 표현되는 전달함수의 각 루프 전달함수는 모노펄스 추적 제어기에 대한 수학식 3이 포함된 것을 확인할 수 있다. 이러한 적분제어기는 시스템 형수를 높여 안테나 지향각에 기존 개회로 방법의 지향명령이 영향을 못 미치게 하는 역할을 한다. 최종값 정리를 통해 이를 확인하면 아래의 수학식 11 내지 13과 같다.
Figure 112018004839737-pat00011
Figure 112018004839737-pat00012
Figure 112018004839737-pat00013
따라서, 상술한 도 7 및 도 8을 참조하면, 모노펄스 추적 과정(S210)에서, 제어부(800)는 모노펄스 제어부(810)로부터 안테나에 대한 포인팅 명령(Pointing Command)을 수신하고, 관성 센서(INS)로부터 외란(disturbance) 측정 각도를 수신하고, 상기 수신된 포인팅 명령 및 상기 외란 측정 각도에 기반하여 상기 안테나의 포인팅 각도를 출력할 수 있다. 한편, 모노펄스 추적 과정(S210)에서, 상기 안테나의 기준 각도와 상기 포인팅 명령에서의 제1 포인팅 각도의 합에서 상기 외란 측정 각도를 뺀 값을 입력으로, 상기 입력에 대한 3축 구동 시스템(820)에 대한 영향을 고려하여 상기 안테나의 포인팅 각도를 출력할 수 있다.
이를 통해, 구동시스템(820)은 도 8과 마찬가지로 동일한 제어루프 내에 존재하고 모노펄스 추적이 이용 가능할 경우에만 추가적인 제어루프를 병렬로 연결시켜 부드러운 모노펄스 추적 모드전환을 수행한다. 이렇게 혼합하는 추적방법은 도 7과 같은 구조로 설명가능하다. 기본적으로 초기위성지향 및 라스터 스캔을 탐색모드로 정의하고 탐색모드에서 스텝 추적이 이용가능할 경우 안테나시스템은 추적모드로 전환한다. 추적모드에서 모노펄스 추적이 가능한 경우 모노펄스 추적을 수행하고 모노펄스 추적이 불가능할 경우 스텝 추적을 수행한다. 추적과정 중 모노펄스 추적도 수행할 수 없으며, 스텝 추적도 수행할 수 없는 경우 다시 탐색모드를 동작시켜 위성 재추적을 수행할 수 있다. 이를 통해 모노펄스 추적 단독으로 사용할 경우보다 넓은 영역에서 빠르게 위성추적을 가능하게 할수 있으며 통신환경에 따라 모노펄스 추적이 불가능한 경우에는 스텝 추적을 통해 위성추적을 가능하게 할 수 있다. 또한 모노펄스 추적이 가능한 경우에는 모노펄스 추적을 통해 고속 고정밀의 위성추적을 유지할 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능뿐만 아니라 각각의 구성 요소들에 대한 설계 및 파라미터 최적화는 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.

Claims (7)

  1. 이동형 위성통신 단말의 위성추적 성능개선을 위한 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법에 있어서,
    비콘신호의 수준이 임계치 이하이면 탐색 모드(Search mode)를 수행하는 탐색 모드 수행 과정; 및
    상기 비콘신호의 수준이 상기 임계치보다 높으면 추적 모드(Tracking mode)를 수행하는 추적 모드 수행 과정을 포함하고,
    상기 탐색 모드 수행 과정은,
    상기 비콘신호의 수준이 추적 수준 이하이면 라스터 스캔(Raster Scan)을 수행하고, 상기 비콘신호의 수준이 상기 추적 수준보다 높으면 상기 추적 모드 수행 과정으로 진행하고,
    상기 추적 모드 수행 과정은,
    모노펄스 추적이 가능한 환경에서는 모노펄스 추적을 수행하는 모노펄스 추적 과정; 및
    상기 모노펄스 추적이 가능하지 않은 환경에서는 스텝 추적 가능 영역 내에서 스텝 추적을 수행하는 스텝 추적 과정을 포함하고,
    상기 스텝 추적 과정에서,
    상기 비콘신호의 수준이 안테나 방사 패턴의 부엽 수준을 상회하는 수준에서 상기 스텝 추적 가능 영역을 선정하고, 상기 스텝 추적 가능 영역에서 상기 라스터 스캔을 중단하고 스텝 추적을 수행하는 것을 특징으로 하는, 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스텝 추적 가능 영역에서 상기 안테나를 통해 상기 비콘신호를 수신하면서 써클스캔을 수행하고, 상기 비콘신호의 수준이 최고인 지점으로 상기 안테나를 지향하고, 상기 지점을 기준으로 다시 써클스캔을 수행하는 것을 특징으로 하는, 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 라스터 스캔의 소요시간 최소화를 위해 상기 라스터 스캔의 스캔 간격이 상기 스텝 추적 가능 영역 내에 최소 1회 이상 들어가도록, 상기 라스터 스캔 간격은 상기 스텝 추적 가능 영역보다 좁고,
    상기 라스터 스캔 간격은 상기 비콘신호의 수준과 상기 추적 수준의 차이에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는, 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모노펄스 추적을 위한 모노펄스신호 사용 가능 여부에 따라 상기 모노펄스 추적 과정 또는 상기 스텝 추적 과정을 수행하고,
    상기 모노펄스 추적 과정 또는 상기 스텝 추적 과정에서 상기 비콘신호의 수준이 상기 추적 수준 이하이면 상기 탐색 모드로 진입하는 것을 특징으로 하는, 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모노펄스 추적 과정에서,
    모노펄스 제어부로부터 안테나에 대한 포인팅 명령(Pointing Command)을 수신하고, 관성 센서(INS)로부터 외란(disturbance) 측정 각도를 수신하고, 상기 수신된 포인팅 명령 및 상기 외란 측정 각도에 기반하여 상기 안테나의 포인팅 각도를 출력하는 것을 특징으로 하는, 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모노펄스 추적 과정에서,
    상기 안테나의 기준 각도와 상기 포인팅 명령에서의 제1 포인팅 각도의 합에서 상기 외란 측정 각도를 뺀 값을 입력으로, 상기 입력에 대한 3축 구동 시스템에 대한 영향을 고려하여 상기 안테나의 포인팅 각도를 출력하는 것을 특징으로 하는, 스텝 추적과 모노펄스 추적의 혼합추적방법.
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