KR102415222B1 - 저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템 및 그 위성신호 송수신 방법 - Google Patents

저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템 및 그 위성신호 송수신 방법 Download PDF

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Abstract

저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템 및 그 위성신호 송수신 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 위성신호 송수신 시스템은 지표면으로부터 설정된 범위의 상공에서 비행하는 복수의 저궤도 위성; 복수의 저궤도 위성 중 적어도 둘 이상과 동시에 위성신호를 송수신하는 안테나; 및 안테나를 통해 각각의 저궤도 위성으로부터 수신되는 위성신호를 비교하며, 비교되는 위성신호 중 신호의 세기가 가장 큰 위성신호를 선택하는 위성신호 선택장치;를 포함하며, 각각의 저궤도 위성은, 설정된 거리범위 이내의 다른 저궤도 위성과 통신하는 위성간 통신부; 안테나로부터 수신되는 위성신호의 세기를 주변의 다른 저궤도 위성이 안테나로부터 수신한 위성신호의 세기와 비교하는 위성신호 비교부; 및 위성신호 비교부에 의해 비교되는 위성신호의 세기가 설정된 순위 이내로 높은 경우, 안테나로부터 수신되는 위성신호에 대응하는 응답신호를 송출하는 응답신호 송출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템 및 그 위성신호 송수신 방법{SATELLITE SIGNAL TRANSMITTING/RECEIVING SYSTEM AND METHOD USING LOW EARTH ORBIT SATELLITE}
본 발명은 저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템 및 그 위성신호 송수신 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 빠른 속도로 이동하는 저궤도 위성에 대하여 핸드오버 실패확률을 저감시킬 수 있는, 저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템 및 그 위성신호 송수신 방법에 관한 것이다.
저궤도 위성은 대체로 고도가 지상 200 ~ 1,500km 사이에 위치하는 위성을 말하며, 이들 위성의 경우 지구에 대한 위성의 공전주기는 수십분에서 수시간 사이로 정지궤도의 24시간보다 매우 짧다.
저궤도 위성의 장점은 지구에서의 거리가 가까운 관계로 전파의 감쇄가 적기 때문에 단말기의 안테나의 크기가 작아질 수 있으며, 위성과 지구국 사이에서 생기는 시간지연(delay)이 정지궤도 위성보다 훨씬 짧다는 점이다.
한편, 가입자가 통화 중에 위성 또는 사용자의 이동에 따라 셀(Cell)을 변경하게 되면, 인접한 셀로 채널을 전환함으로써 통화가 유지될 수 있도록 하는 과정을 핸드오버라고 한다.
저궤도 위성통신에서는 위성이 매우 빠른 속도로 이동하므로 핸드오버가 빈번하게 발생하게 된다. 그런데, 사용자의 입장에서는 초기에 통화가 실패하는 호 차단(Call block) 현상보다 통화가 도중에 끊기게 되는 호 중단(Call drop) 현상이 더 치명적이기 때문에, 저궤도 위성통신을 위해서는 핸드오버 실패확률을 줄이기 위한 방안이 반드시 논의되어야 할 필요가 있다.
등록특허공보 제10-2184290호 (등록일자: 2020.11.24)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 빠른 속도로 이동하는 저궤도 위성에 대하여 핸드오버 실패확률을 저감시킬 수 있는, 저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템 및 그 위성신호 송수신 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템은, 지표면으로부터 설정된 범위의 상공에서 비행하는 복수의 저궤도 위성; 복수의 상기 저궤도 위성 중 적어도 둘 이상과 동시에 위성신호를 송수신하는 안테나; 및 상기 안테나를 통해 각각의 저궤도 위성으로부터 수신되는 위성신호를 비교하며, 비교되는 위성신호 중 신호의 세기가 가장 큰 위성신호를 선택하는 위성신호 선택장치;를 포함하며, 각각의 상기 저궤도 위성은, 설정된 거리범위 이내의 다른 저궤도 위성과 통신하는 위성간 통신부; 상기 안테나로부터 수신되는 위성신호의 세기를 주변의 다른 저궤도 위성이 상기 안테나로부터 수신한 위성신호의 세기와 비교하는 위성신호 비교부; 및 상기 위성신호 비교부에 의해 비교되는 위성신호의 세기가 설정된 순위 이내로 높은 경우, 상기 안테나로부터 수신되는 위성신호에 대응하는 응답신호를 송출하는 응답신호 송출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 위성신호 선택장치는, 상기 안테나를 통해 특정 저궤도 위성으로부터 수신되는 위성신호의 세기를 저장하는 신호세기 저장부; 현재 수신되는 상기 특정 저궤도 위성의 위성신호의 세기를 기 저장된 상기 특정 저궤도 위성의 위성신호의 세기와 비교하는 신호세기 비교부; 상기 신호세기 비교부에 의해 비교되는 결과에 따라 상기 특정 저궤도 위성에 대한 위성신호 세기의 증감률을 산출하는 증감률 산출부; 및 상기 증감률 산출부에 의해 산출되는 증감률에 기반하여, 상기 복수의 저궤도 위성 중 주요 위성의 그룹을 예측하는 주요위성 예측부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 위성신호 선택장치는, 상기 특정 저궤도 위성의 위성신호의 세기가 감소되어 설정된 값 이하가 되는 시점을 예측하는 감소시점 예측부;를 더 포함할 수도 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 위성신호 송수신 방법은, 지표면으로부터 설정된 범위의 상공에서 비행하는 복수의 저궤도 위성을 이용하여 위성신호를 송수신하는 위성신호 송수신 시스템의 위성신호 송수신 방법에 있어서, 안테나가 복수의 상기 저궤도 위성 중 적어도 둘 이상과 동시에 위성신호를 송수신하는 단계; 위성신호 선택장치가 상기 안테나를 통해 각각의 저궤도 위성으로부터 수신되는 위성신호를 비교하는 단계; 및 상기 위성신호 선택장치가 비교되는 위성신호 중 신호의 세기가 가장 큰 위성신호를 선택하는 단계;를 포함하며, 각각의 상기 저궤도 위성은, 설정된 거리범위 이내의 다른 저궤도 위성과 통신하는 단계; 상기 안테나로부터 수신되는 위성신호의 세기를 주변의 다른 저궤도 위성이 상기 안테나로부터 수신한 위성신호의 세기와 비교하는 단계; 및 상기 안테나로부터 수신되는 위성신호의 세기가 설정된 순위 이내로 높은 경우에 응답신호를 송출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 전술한 위성신호 송수신 방법은, 상기 위성신호 선택장치가, 상기 안테나를 통해 특정 저궤도 위성으로부터 수신되는 위성신호의 세기를 저장하는 단계; 현재 수신되는 상기 특정 저궤도 위성의 위성신호의 세기를 기 저장된 상기 특정 저궤도 위성의 위성신호의 세기와 비교하는 단계; 비교되는 결과에 따라 상기 특정 저궤도 위성에 대한 위성신호 세기의 증감률을 산출하는 단계; 및 상기 산출되는 증감률에 기반하여, 상기 복수의 저궤도 위성 중 주요 위성의 그룹을 예측하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 빠른 속도로 이동하는 저궤도 위성에 대하여 핸드오버 실패확률을 저감시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 저궤도 위성의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 안테나 어레이의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 안테나 어레이가 저궤도 위성으로부터 위성신호를 수신하는 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도3에 나타낸 안테나의 지향각도를 제어하는 예를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 6은 주파수 스캐닝 효과를 이용한 저궤도 위성추적의 개념을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 7은 도 1에 나타낸 위성신호 선택장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 위성신호 송수신방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 다른 저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템은 복수의 저궤도 위성(100), 안테나(200) 및 위성신호 선택장치(300)를 포함할 수 있다.
복수의 저궤도 위성(100)은 지표면으로부터 설정된 범위 이내의 상공에서 비행한다. 이때, 각각의 저궤도 위성(100)은 지상 200 ~ 1,500km 사이의 고도에서 동일한 속도 및 동일한 방향으로 비행하는 것이 바람직하다.
여기서, 각각의 저궤도 위성(100)은 도 2에 도시한 바와 같이, 위성간 통신부(102), 위성신호 비교부(104), 응답신호 송출부(106), 위성신호 저장부(108), 신호세기 비교부(110) 및 증감률 산출부(112)를 포함할 수 있다.
위성간 통신부(102)는 설정된 거리범위 이내의 다른 저궤도 위성(100)과 통신한다. 즉, 위성간 통신부(102)는 현재의 저궤도 위성(100)의 위치로부터 설정된 거리범위 이내에서 선행하는 다른 저궤도 위성(100) 또는 설정된 거리범위 이내에서 후행하는 다른 저궤도 위성(100)과 통신한다.
위성신호 비교부(104)는 안테나(200)로부터 수신되는 위성신호의 세기를 주변의 다른 저궤도 위성(100)이 안테나(200)로부터 수신한 위성신호의 세기와 비교한다. 즉, 안테나(200)에서 송출되는 위성신호는 둘 이상의 복수의 저궤도 위성(100)이 동시에 수신할 수 있는데, 이 경우에 위성신호 비교부(104)는 안테나(200)로부터 수신되는 해당 위성신호의 세기를 주변의 다른 저궤도 위성(100)이 수신한 해당 위성신호의 세기와 비교한다.
응답신호 송출부(106)는 위성신호 비교부(104)에 의해 비교되는 위성신호의 세기가 설정된 순위 이내로 높은 경우, 안테나(200)로부터 수신되는 위성신호에 대응하는 응답신호를 송출한다. 이때, 둘 이상의 복수의 저궤도 위성(100)에서 안테나(200)로부터 수신되는 위성신호에 대응하여 응답신호를 송출하도록 2순위 이하의 순위가 기준순위로 설정되고, 해당 기준순위보다 높은 순위의 저궤도 위성(100)에서 응답신호를 송출할 수 있다.
위성신호 저장부(108)는 응답신호 송출부(106)에 의해 응답신호가 송출되면, 송출되는 응답신호에 대응하는 위성신호, 해당 위성신호가 수신된 시간정보, 해당 위성신호의 세기 등을 저장한다. 즉, 위성신호 저장부(108)는 응답신호 송출부(106)에 의해 응답신호가 송출되는 경우, 해당 응답신호의 원인이 되는 위성신호, 해당 위성신호가 수신된 시간정보, 해당 위성신호의 신호세기 등을 저장한다.
신호세기 비교부(110)는 응답신호 송출부(106)에 의해 응답신호가 송출되면, 현재의 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기와 직전에 송출된 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기를 비교한다.
증감률 산출부(112)는 신호세기 비교부(110)에 의해 비교되는 신호세기에 따라 직전의 응답신호에 대응하는 위성신호에 대한 현재의 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기의 증감률을 산출한다. 즉, 증감률 산출부(112)는 신호세기 비교부(110)에 의해 비교되는 신호세기에 따라, 직전의 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기에 대하여 현재의 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기가 증가 또는 감소되었는지를 판단하며, 직전의 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기에 비하여 증가 또는 감소된 정도가 어느 정도인지의 비율을 산출한다.
이때, 위성신호 비교부(104)는 증감률 산출부(112)에 의해 산출되는 신호세기의 감소율이 설정된 값 이상인 위성신호에 대해서는 이후에 안테나(200)로부터 위성신호가 수신되었을 때에 다른 저궤도 위성(100)과 그 위성신호의 신호세기를 비교하는 대상에서 제외하는 것이 바람직하다.
이로써, 저궤도 위성은 안테나(200)로부터 수신되는 위성신호의 세기가 점차적으로 증가하는 경우나 감소하더라도 그 감소율이 설정된 값 이하인 경우에만 다른 저궤도 위성과 위성신호에 대한 신호세기를 비교함으로써, 비교대상의 위성신호의 수를 줄일 수 있다.
안테나(200)는 각각의 저궤도 위성(100)과 위성신호를 송수신한다. 이때, 안테나(200)는 복수의 저궤도 위성(100) 중 적어도 둘 이상의 저궤도 위성(100)과 동시에 위성신호를 송수신할 수 있다. 즉, 안테나(200)는 복수의 저궤도 위성(100) 중 적어도 둘 이상의 저궤도 위성으로부터 동시에 위성신호를 수신할 수 있을 뿐만 아니라 각각의 저궤도 위성(100)으로부터 수신되는 위성신호에 대응하여 동시에 둘 이상의 저궤도 위성(100)에 응답신호를 송출할 수 있다.
한편, 안테나(200)는 도 3에 도시한 바와 같이, 안테나 어레이(202)로 구현될 수 있다. 이때, 각각의 안테나(200)는 반구의 표면에 복수로 배치되어 안테나 어레이(202)를 구성할 수 있다. 이 경우, 각각의 안테나(200)는 반구의 중심점으로부터 반구의 표면을 관통하는 법선의 방향을 지향하도록 배치된다. 즉, 반구의 중심점으로부터 반구의 표면을 관통하는 법선의 방향은 모두 상이하므로, 안테나 어레이(202)를 구성하는 각각의 안테나(10)가 지향하는 지향방향은 모두 상이하다.
위성신호 선택장치(300)는 안테나(200)를 통해 각각의 저궤도 위성(100)으로부터 수신되는 위성신호를 비교하며, 비교되는 위성신호 중 신호의 세기가 가장 큰 위성신호를 선택한다. 즉, 위성신호 선택장치(300)는 안테나(200)를 통해 둘 이상의 복수의 저궤도 위성(100)으로부터 수신되는 각각의 위성신호를 비교하며, 비교되는 위성신호들 중 신호의 세기가 가장 큰 위성신호를 선택한다.
이때, 위성신호 선택장치(300)는 안테나(200)가 안테나 어레이(202)의 형태로 구현된 경우, 각각의 안테나(200)는 도 4에 도시한 바와 같이, 어느 하나의 저궤도 위성(100)에 대하여 서로 평행한 위성신호를 수신하는 것으로 가정할 수 있다. 이 경우, 각각의 안테나(200) 중 지향방향이 저궤도 위성(100)을 향하는 안테나의 수신되는 위성신호의 신호세기가 가장 크며, 그 지향방향이 저궤도 위성(100)의 방향과 멀어질수록 수신되는 위성신호의 세기는 작아진다. 따라서, 위성신호 선택장치(300)는 안테나 어레이(202)의 각각의 안테나(200) 중 지향방향이 저궤도 위성(200)을 향하는 안테나(200)의 위성신호를 선택할 수 있다.
또한, 안테나 어레이(202)의 각각의 안테나(200)는 그 지향각도가 법선방향의 기준각도로부터 90°의 범위 내에서 상하좌우 방향으로 회전각도를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 좌우방향에서 각각 45°위쪽의 좌상 또는 우상 방향, 또는 좌우방향에서 각각 45°아래쪽의 좌하 또는 우하 방향으로 회전각도를 제어할 수 있다.
이 경우, 위성신호 선택장치(300)는 각각의 안테나(200)의 법선방향의 지향각도를 저장하며, 안테나 어레이(202) 중의 수신되는 위성신호의 세기가 가장 큰 위성신호에 대응하는 안테나의 지향각도와 저장된 각각의 안테나의 법선방향의 지향각도의 차이에 기초하여, 신호의 세기가 가장 큰 위성신호에 대응하는 안테나의 주변의 적어도 하나의 안테나의 지향각도를 제어할 수 있다. 즉, 수신되는 위성신호의 세기가 가장 큰 안테나의 지향각도는 위성신호의 방향에 대향하며, 임의의 안테나의 지향각도와 위성신호의 세기가 가장 큰 안테나 사이의 지향각도의 차이는 계산될 수 있으므로, 위성신호 선택장치(300)는 도 5에 도시한 바와 같이, 적어도 하나의 안테나의 지향각도를 위성신호의 신호세기가 가장 큰 안테나의 지향방향으로 제어각도를 제어함으로써, 안테나 어레이(202) 중의 복수의 안테나(200)가 저궤도 위성(100)의 방향을 지향하도록 제어할 수 있다.
도 6은 주파수 스캐닝 효과를 이용한 저궤도 위성추적의 개념을 설명하기 위하여 도시한 도면이다. 여기서, 주파수 스캐닝(frequency scanning) 효과는 원래 위상배열 안테나에서 주파수가 변할 때 안테나의 지향방향이 변하는 성질을 말하며, 출력이 하나이지만 주파수가 다른 필터를 통과한 두 개의 출력의 신호세기를 비교하면 위성방향이 어느 쪽에 있는지가 구분 가능하여 결과적으로 위성추적으로 활용할 수 있는 새로운 형태의 위성추적 방법이다. 여기서, 저궤도 위성과 안테나 어레이(202) 사이의 거리에 대한 안테나 어레이(202)를 구성하는 각각의 안테나(200)의 높낮이의 차이는 무시할 수 있으며, 따라서 각각의 안테나(200)는 평면상에 놓은 것으로 가정할 수 있다.
주파수 스캐닝 효과를 이용한 위성추적 방법을 이론적으로 설명하기 위하여 도 5과 같이 2개의 안테나 즉, 안테나1과 안테나2로 구분하여 설명할 수 있다. 이때, 각각의 안테나를 합하여 하나의 안테나로 만들 때 각 안테나와 안테나 출력부의 전력 결합기와의 거리가 각각 a, b의 길이가 되도록 전송선을 구성한다.
주파수가 변하면 파장도 변하며, 위성의 중계기 주파수가 f0, f1, f2,..,fn이라고 하면 a와 b의 거리차가 nλ0 (λ0: 주파수 f0의 파장, n: 정수)가 되도록 설계한다. 여기서, λ0는 주파수 f0의 파장이며, n은 정수이다. 즉,
[수학식 1]
b - a = nλ0 (λ0: 주파수 f0의 파장, n: 정수)
이와 같이 설계된 안테나의 두 급전라인 a와 b를 경유하는 주파수의 위상은 주파수가 f0일 때 동위상이 되므로 안테나 빔이 수직방향으로 형성된다.
그러나 주파수가 fn일 때는 파장이 λn이 되므로 두 급전라인 a와 b는 동위상을 갖지 않는다. 만약, f0 < fn이라면, λ0 > λn이므로 위성신호의 주파수가 fn일 때 제2안테나의 위상이 Δl만큼 지연되며, 따라서 안테나의 빔이 ΔΦ만큼 제2안테나 쪽으로 기울어지게 된다.
이때의 제1안테나와 제2안테나 간의 위상차를 계산하면 다음과 같다.
[수학식 2]
Figure 112021122802754-pat00001
여기서, ΔΦ는 삼각함수 공식에 의해,
[수학식 3]
Figure 112021122802754-pat00002
이고, 따라서
[수학식 4]
Figure 112021122802754-pat00003
이다. 여기서, 정수 n과 d를 변화시키면, 주파수의 변화에 따른 안테나 빔의 기울어지는 각도 ΔΦ를 조정할 수 있다.
도 7은 도 1에 나타낸 위성신호 선택장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 위성신호 선택장치(300)는 신호세기 저장부(302), 신호세기 비교부(304), 증감률 산출부(306), 주요위성 예측부(308) 및 감소시점 예측부(310)를 포함할 수 있다.
신호세기 저장부(302)는 안테나(200)를 통해 특정 저궤도 위성(100)으로부터 수신되는 위성신호의 세기를 저장한다. 이때, 신호세기 저장부(302)는 특정 저궤도 위성(100)의 식별정보, 수신되는 위성신호의 수신시간을 포함하는 정보를 함께 저장하는 것이 바람직하다.
신호세기 비교부(304)는 현재 수신되는 특정 저궤도 위성(100)의 위성신호의 세기를 해당 특정 저궤도 위성(100)에 대하여 기 저장된 위성신호의 세기와 비교한다. 즉, 신호세기 비교부(304)는 안테나(200)를 통해 특정 저궤도 위성(100)로부터 위성신호가 수신되면, 해당 위성신호의 신호세기를 해당 특정 저궤도 위성(100)에 대하여 기 저장된 직전의 위성신호의 신호세기와 비교한다.
증감률 산출부(306)는 신호세기 비교부(304)에 의해 비교되는 결과에 따라 특정 저궤도 위성에 대한 위성신호의 신호세기의 증감률을 산출한다. 즉, 증감률 산출부(306)는 신호세기 비교부(304)에 의해 비교되는 신호세기에 따라, 특정 저궤도 위성으로부터 직전에 수신한 위성신호의 신호세기에 대하여 현재 수신한 위성신호의 신호세기가 증가 또는 감소되었는지를 판단하며, 직전에 수신한 위성신호의 신호세기에 비하여 증가 또는 감소된 정도가 어느 정도인지의 비율을 산출한다.
주요위성 예측부(308)는 증감률 산출부(306)에 의해 산출되는 증감률에 기반하여, 복수의 저궤도 위성(100) 중 주요 위성의 그룹을 예측한다. 이때, 주요위성 예측부(308)는 안테나(200)를 통해 위성신호가 수신되는 복수의 저궤도 위성 중에서 증감률 산출부(306)에 의해 산출되는 증감률이 설정된 값 이상인 저궤도 위성의 그룹을 예측할 수 있다. 즉, 주요위성 예측부(308)는 복수의 저궤도 위성(100) 중 안테나(200)의 방향으로 점차적으로 접근하는 저궤도 위성(100)의 그룹을 예측할 수 있다.
감소시점 예측부(310)는 특정 저궤도 위성(100)에 대한 위성신호의 신호세기가 점차적으로 감소되어 설정된 값 이하가 되는 시점을 예측한다. 이때, 감소시점 예측부(310)는 증감률 산출부(306)에 의해 산출되는 특정 저궤도 위성(100)에 대한 위성신호의 증감률이 증가에서 감소로 전환된 후, 이전에 산출된 위성신호 세기의 감소율과 현재에 산출되는 위성신호 세기의 감소율을 비교하며, 비교되는 결과에 기반하여 특정 저궤도 위성(100)에 대한 위성신호의 세기가 설정된 값 이하가 되는 시점을 예측할 수 있다. 이때, 신호세기 저장부(302)는 위성신호의 세기가 설정된 값 이하로 되는 특정 저궤도 위성(100)에 대해서는 위성신호의 세기를 저장하는 대상에서 제외할 수 있다.
본 발명에 따르면, 빠른 속도로 비행하는 복수의 저궤도 위성에 대하여 위성신호가 가장 강한 위성신호를 선택하여 송수신하기 때문에 핸드오버 실패확률을 효율적으로 저감시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 위성신호 송수신방법을 나타낸 흐름도이다. 본 발명의 실시예에 따른 위성신호 송수신 방법은 도 1에 나타낸 저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템에 의해 수행될 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 안테나(200)는 복수의 저궤도 위성(100)과 위성신호를 송수신할 수 있다(S102).
여기서, 복수의 저궤도 위성(100)은 지표면으로부터 설정된 범위 이내의 상공에서 비행한다. 이때, 각각의 저궤도 위성(100)은 지상 200 ~ 1,500km 사이의 고도에서 동일한 속도 및 동일한 방향으로 비행하는 것이 바람직하다.
또한, 각각의 저궤도 위성(100)은 설정된 거리범위 이내의 다른 저궤도 위성(100)과 통신할 수 있다(S104). 즉, 각각의 저궤도 위성(100)은 현재의 비행위치로부터 설정된 거리범위 이내에서 선행하는 다른 저궤도 위성(100) 또는 설정된 거리범위 이내에서 후행하는 다른 저궤도 위성(100)과 통신한다.
이때, 각각의 저궤도 위성(100)은 안테나(200)로부터 수신되는 위성신호의 세기를 주변의 다른 저궤도 위성(100)이 안테나(200)로부터 수신한 위성신호의 세기와 비교한다(S106). 즉, 안테나(200)에서 송출되는 위성신호는 둘 이상의 복수의 저궤도 위성(100)이 동시에 수신할 수 있는데, 이 경우에 각각의 저궤도 위성(100)은 안테나(200)로부터 수신되는 해당 위성신호의 세기를 주변의 다른 저궤도 위성(100)이 수신한 해당 위성신호의 세기와 비교한다.
각각의 저궤도 위성(100)은 비교되는 위성신호의 세기가 설정된 순위 이내로 높은 경우, 안테나(200)로부터 수신되는 위성신호에 대응하는 응답신호를 송출한다(S108). 이때, 둘 이상의 복수의 저궤도 위성(100)에서 안테나(200)로부터 수신되는 위성신호에 대응하여 응답신호를 송출하도록, 2순위 이하의 순위가 기준순위로 설정되고, 해당 기준순위보다 높은 순위의 저궤도 위성(100)에서 응답신호를 송출할 수 있다.
저궤도 위성(100)은 위성신호에 대응하는 응답신호가 송출되면, 송출되는 응답신호에 대응하는 위성신호, 해당 위성신호가 수신된 시간정보, 해당 위성신호의 세기 등을 저장할 수 있다. 즉, 저궤도 위성(100)은 응답신호가 송출되는 경우, 해당 응답신호의 원인이 되는 위성신호, 해당 위성신호가 수신된 시간정보, 해당 위성신호의 신호세기 등을 저장한다.
또한, 저궤도 위성(100)은 응답신호가 송출되면, 현재의 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기와 직전에 송출된 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기를 비교할 수 있다.
또한, 저궤도 위성(100)은 비교되는 신호세기에 따라 직전의 응답신호에 대응하는 위성신호에 대한 현재의 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기의 증감률을 산출할 수 있다. 즉, 저궤도 위성(100)은 비교되는 신호세기에 따라, 직전의 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기에 대하여 현재의 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기가 증가 또는 감소되었는지를 판단하며, 직전의 응답신호에 대응하는 위성신호의 신호세기에 비하여 증가 또는 감소된 정도가 어느 정도인지의 비율을 산출한다.
이때, 저궤도 위성(100)은 산출되는 신호세기의 감소율이 설정된 값 이상인 위성신호에 대해서는 이후에 안테나(200)로부터 위성신호가 수신되었을 때에 다른 저궤도 위성(100)과 그 위성신호의 신호세기를 비교하는 대상에서 제외하는 것이 바람직하다.
이로써, 저궤도 위성은 안테나(200)로부터 수신되는 위성신호의 세기가 점차적으로 증가하는 경우나 감소하더라도 그 감소율이 설정된 값 이하인 경우에만 다른 저궤도 위성과 위성신호에 대한 신호세기를 비교함으로써, 비교대상의 위성신호의 수를 줄일 수 있다.
안테나(200)는 각각의 저궤도 위성(100)과 위성신호를 송수신한다. 이때, 안테나(200)는 복수의 저궤도 위성(100) 중 적어도 둘 이상의 저궤도 위성(100)과 동시에 위성신호를 송수신할 수 있다. 즉, 안테나(200)는 복수의 저궤도 위성(100) 중 적어도 둘 이상의 저궤도 위성으로부터 동시에 위성신호를 수신할 수 있을 뿐만 아니라 각각의 저궤도 위성(100)으로부터 수신되는 위성신호에 대응하여 동시에 둘 이상의 저궤도 위성(100)에 응답신호를 송출할 수 있다.
한편, 안테나(200)는 안테나 어레이(202)로 구현될 수 있다. 이때, 각각의 안테나(200)는 반구의 표면에 복수로 배치되어 안테나 어레이(202)를 구성할 수 있다. 이 경우, 각각의 안테나(200)는 반구의 중심점으로부터 반구의 표면을 관통하는 법선의 방향을 지향하도록 배치된다. 즉, 반구의 중심점으로부터 반구의 표면을 관통하는 법선의 방향은 모두 상이하므로, 안테나 어레이(202)를 구성하는 각각의 안테나(10)가 지향하는 지향방향은 모두 상이하다.
위성신호 선택장치(300)는 안테나(200)를 통해 각각의 저궤도 위성(100)으로부터 수신되는 위성신호를 비교하며(S110), 비교되는 위성신호 중 신호의 세기가 가장 큰 위성신호를 선택한다(S112). 즉, 위성신호 선택장치(300)는 안테나(200)를 통해 둘 이상의 복수의 저궤도 위성(100)으로부터 수신되는 각각의 위성신호를 비교하며, 비교되는 위성신호들 중 신호의 세기가 가장 큰 위성신호를 선택한다.
이때, 위성신호 선택장치(300)는 안테나(200)가 안테나 어레이(202)의 형태로 구현된 경우, 각각의 안테나(200)는 어느 하나의 저궤도 위성(100)에 대하여 서로 평행한 위성신호를 수신하는 것으로 가정할 수 있다. 이 경우, 각각의 안테나(200) 중 지향방향이 저궤도 위성(100)을 향하는 안테나의 수신되는 위성신호의 신호세기가 가장 크며, 그 지향방향이 저궤도 위성(100)의 방향과 멀어질수록 수신되는 위성신호의 세기는 작아진다. 따라서, 위성신호 선택장치(300)는 안테나 어레이(202)의 각각의 안테나(200) 중 지향방향이 저궤도 위성(200)을 향하는 안테나(200)의 위성신호를 선택할 수 있다.
또한, 안테나 어레이(202)의 각각의 안테나(200)는 그 지향각도가 법선방향의 기준각도로부터 90°의 범위 내에서 상하좌우 방향으로 회전각도를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 좌우방향에서 각각 45°위쪽의 좌상 또는 우상 방향, 또는 좌우방향에서 각각 45°아래쪽의 좌하 또는 우하 방향으로 회전각도를 제어할 수 있다.
이 경우, 위성신호 선택장치(300)는 각각의 안테나(200)의 법선방향의 지향각도를 저장하며, 안테나 어레이(202) 중의 수신되는 위성신호의 세기가 가장 큰 위성신호에 대응하는 안테나의 지향각도와 저장된 각각의 안테나의 법선방향의 지향각도의 차이에 기초하여, 신호의 세기가 가장 큰 위성신호에 대응하는 안테나의 주변의 적어도 하나의 안테나의 지향각도를 제어할 수 있다. 즉, 수신되는 위성신호의 세기가 가장 큰 안테나의 지향각도는 위성신호의 방향에 대향하며, 임의의 안테나의 지향각도와 위성신호의 세기가 가장 큰 안테나 사이의 지향각도의 차이는 계산될 수 있으므로, 위성신호 선택장치(300)는 적어도 하나의 안테나의 지향각도를 위성신호의 신호세기가 가장 큰 안테나의 지향방향으로 제어각도를 제어함으로써, 안테나 어레이(202) 중의 복수의 안테나(200)가 저궤도 위성(100)의 방향을 지향하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 안테나(200)는 주파수 스캐닝 효과를 이용하여 저궤도 위성(100)을 추적할 수 있다. 여기서, 주파수 스캐닝(frequency scanning) 효과는 원래 위상배열 안테나에서 주파수가 변할 때 안테나의 지향방향이 변하는 성질을 말하며, 출력이 하나이지만 주파수가 다른 필터를 통과한 두 개의 출력의 신호세기를 비교하면 위성방향이 어느 쪽에 있는지가 구분 가능하여 결과적으로 위성추적으로 활용할 수 있는 새로운 형태의 위성추적 방법이다. 이때, 저궤도 위성과 안테나 어레이(202) 사이의 거리에 대한 안테나 어레이(202)를 구성하는 각각의 안테나(200)의 높낮이의 차이는 무시할 수 있으며, 따라서 각각의 안테나(200)는 평면상에 놓은 것으로 가정할 수 있다.
주파수 스캐닝 효과를 이용한 위성추적 방법을 이론적으로 설명하기 위하여 도 5과 같이 2개의 안테나 즉, 안테나1과 안테나2로 구분하여 설명할 수 있다. 이때, 각각의 안테나를 합하여 하나의 안테나로 만들 때 각 안테나와 안테나 출력부의 전력 결합기와의 거리가 각각 a, b의 길이가 되도록 전송선을 구성한다.
주파수가 변하면 파장도 변하며, 위성의 중계기 주파수가 f0, f1, f2,..,fn이라고 하면 a와 b의 거리차가 nλ0 (λ0: 주파수 f0의 파장, n: 정수)가 되도록 설계한다. 여기서, λ0는 주파수 f0의 파장이며, n은 정수이다. 즉,
[수학식 1]
b - a = nλ0 (λ0: 주파수 f0의 파장, n: 정수)
이와 같이 설계된 안테나의 두 급전라인 a와 b를 경유하는 주파수의 위상은 주파수가 f0일 때 동위상이 되므로 안테나 빔이 수직방향으로 형성된다.
그러나 주파수가 fn일 때는 파장이 λn이 되므로 두 급전라인 a와 b는 동위상을 갖지 않는다. 만약, f0 < fn이라면, λ0 > λn이므로 위성신호의 주파수가 fn일 때 제2안테나의 위상이 Δl만큼 지연되며, 따라서 안테나의 빔이 ΔΦ만큼 제2안테나 쪽으로 기울어지게 된다.
이때의 제1안테나와 제2안테나 간의 위상차를 계산하면 다음과 같다.
[수학식 2]
Figure 112021122802754-pat00004
여기서, ΔΦ는 삼각함수 공식에 의해,
[수학식 3]
Figure 112021122802754-pat00005
이고, 따라서
[수학식 4]
Figure 112021122802754-pat00006
이다. 여기서, 정수 n과 d를 변화시키면, 주파수의 변화에 따른 안테나 빔의 기울어지는 각도 ΔΦ를 조정할 수 있다.
위성신호 선택장치(100)는 안테나(200)를 통해 특정 저궤도 위성(100)으로부터 수신되는 위성신호의 세기를 저장한다(S114). 이때, 위성신호 선택장치(100)는 특정 저궤도 위성(100)의 식별정보, 수신되는 위성신호의 수신시간을 포함하는 정보를 함께 저장하는 것이 바람직하다.
위성신호 선택장치(100)는 현재 수신되는 특정 저궤도 위성(100)의 위성신호의 세기를 해당 특정 저궤도 위성(100)에 대하여 기 저장된 위성신호의 세기와 비교한다(S116). 즉, 위성신호 선택장치(100)는 안테나(200)를 통해 특정 저궤도 위성(100)로부터 위성신호가 수신되면, 해당 위성신호의 신호세기를 해당 특정 저궤도 위성(100)에 대하여 기 저장된 직전의 위성신호의 신호세기와 비교한다.
위성신호 선택장치(100)는 비교되는 결과에 따라 특정 저궤도 위성에 대한 위성신호의 신호세기의 증감률을 산출한다(S118). 즉, 위성신호 선택장치(100)는 비교되는 신호세기에 따라, 특정 저궤도 위성으로부터 직전에 수신한 위성신호의 신호세기에 대하여 현재 수신한 위성신호의 신호세기가 증가 또는 감소되었는지를 판단하며, 직전에 수신한 위성신호의 신호세기에 비하여 증가 또는 감소된 정도가 어느 정도인지의 비율을 산출한다.
위성신호 선택장치(100)는 산출되는 증감률에 기반하여, 복수의 저궤도 위성(100) 중 주요 위성의 그룹을 예측한다(S120). 이때, 위성신호 선택장치(100)는 안테나(200)를 통해 위성신호가 수신되는 복수의 저궤도 위성 중에서 산출되는 증감률이 설정된 값 이상인 저궤도 위성의 그룹을 예측할 수 있다. 즉, 위성신호 선택장치(100)는 복수의 저궤도 위성(100) 중 안테나(200)의 방향으로 점차적으로 접근하는 저궤도 위성(100)의 그룹을 예측할 수 있다.
위성신호 선택장치(100)는 특정 저궤도 위성(100)에 대한 위성신호의 신호세기가 점차적으로 감소되어 설정된 값 이하가 되는 시점을 예측한다. 이때, 위성신호 선택장치(100)는 산출되는 특정 저궤도 위성(100)에 대한 위성신호의 증감률이 증가에서 감소로 전환된 후, 이전에 산출된 위성신호 세기의 감소율과 현재에 산출되는 위성신호 세기의 감소율을 비교하며, 비교되는 결과에 기반하여 특정 저궤도 위성(100)에 대한 위성신호의 세기가 설정된 값 이하가 되는 시점을 예측할 수 있다. 이때, 위성신호 선택장치(100)는 위성신호의 세기가 설정된 값 이하로 되는 특정 저궤도 위성(100)에 대해서는 위성신호의 세기를 저장하는 대상에서 제외할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 지표면으로부터 설정된 범위의 상공에서 비행하는 복수의 저궤도 위성;
    복수의 상기 저궤도 위성 중 적어도 둘 이상과 동시에 위성신호를 송수신하는 안테나; 및
    상기 안테나를 통해 각각의 저궤도 위성으로부터 수신되는 위성신호를 비교하며, 비교되는 위성신호 중 신호의 세기가 가장 큰 위성신호를 선택하는 위성신호 선택장치;
    를 포함하며, 각각의 상기 저궤도 위성은,
    설정된 거리범위 이내의 다른 저궤도 위성과 통신하는 위성간 통신부;
    상기 안테나로부터 수신되는 위성신호의 세기를 주변의 다른 저궤도 위성이 상기 안테나로부터 수신한 위성신호의 세기와 비교하는 위성신호 비교부; 및
    상기 위성신호 비교부에 의해 비교되는 위성신호의 세기가 설정된 순위 이내로 높은 경우, 상기 안테나로부터 수신되는 위성신호에 대응하는 응답신호를 상기 안테나로 송출하는 응답신호 송출부;
    를 포함하고, 상기 위성신호 선택장치는,
    상기 안테나를 통해 특정 저궤도 위성으로부터 수신되는 위성신호의 세기를 저장하는 신호세기 저장부;
    현재 수신되는 상기 특정 저궤도 위성의 위성신호의 세기를 기 저장된 상기 특정 저궤도 위성의 위성신호의 세기와 비교하는 신호세기 비교부;
    상기 신호세기 비교부에 의해 비교되는 결과에 따라 상기 특정 저궤도 위성에 대한 위성신호 세기의 증감률을 산출하는 증감률 산출부; 및
    상기 증감률 산출부에 의해 산출되는 증감률에 기반하여, 상기 복수의 저궤도 위성 중 주요 위성의 그룹을 예측하는 주요위성 예측부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위성신호 선택장치는,
    상기 특정 저궤도 위성의 위성신호의 세기가 감소되어 설정된 값 이하가 되는 시점을 예측하는 감소시점 예측부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 저궤도 위성을 이용한 위성신호 송수신 시스템.
  4. 지표면으로부터 설정된 범위의 상공에서 비행하는 복수의 저궤도 위성을 이용하여 위성신호를 송수신하는 위성신호 송수신 시스템의 위성신호 송수신 방법에 있어서,
    안테나가 복수의 상기 저궤도 위성 중 적어도 둘 이상과 동시에 위성신호를 송수신하는 단계;
    위성신호 선택장치가 상기 안테나를 통해 각각의 저궤도 위성으로부터 수신되는 위성신호를 비교하는 단계; 및
    상기 위성신호 선택장치가 비교되는 위성신호 중 신호의 세기가 가장 큰 위성신호를 선택하는 단계;
    를 포함하며, 각각의 상기 저궤도 위성은,
    설정된 거리범위 이내의 다른 저궤도 위성과 통신하는 단계;
    상기 안테나로부터 수신되는 위성신호의 세기를 주변의 다른 저궤도 위성이 상기 안테나로부터 수신한 위성신호의 세기와 비교하는 단계; 및
    상기 안테나로부터 수신되는 위성신호의 세기가 설정된 순위 이내로 높은 경우에 상기 안테나로 응답신호를 송출하는 단계;
    를 포함하고, 상기 위성신호 선택장치는,
    상기 안테나를 통해 특정 저궤도 위성으로부터 수신되는 위성신호의 세기를 저장하는 단계;
    현재 수신되는 상기 특정 저궤도 위성의 위성신호의 세기를 기 저장된 상기 특정 저궤도 위성의 위성신호의 세기와 비교하는 단계;
    비교되는 결과에 따라 상기 특정 저궤도 위성에 대한 위성신호 세기의 증감률을 산출하는 단계; 및
    상기 산출되는 증감률에 기반하여, 상기 복수의 저궤도 위성 중 주요 위성의 그룹을 예측하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 위성신호 송수신 방법.
  5. 삭제
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