KR102449797B1

KR102449797B1 - 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템

Info

Publication number: KR102449797B1
Application number: KR1020220061474A
Authority: KR
Inventors: 한영훈; 서기열; 손표웅; 황태현; 김영기; 박상현; 박슬기
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2022-05-19
Filing date: 2022-05-19
Publication date: 2022-10-04
Also published as: KR102449797B9

Abstract

본 발명의 목적은 이로란 송신국에서 전송하는 저주파 펄스 신호를 보정 기준국 수신기에서 수신하여 전파 전달 경로 상의 오차 및 기타 오차를 제거하고, ASF Correctoin을 계산하여 이를 이로란 신호 변조에 의한 LDC 메시지를 통해 사용자에게 전송함으로서 사용자가 높은 위치 정확도를 얻을 수 있도록 하는 기능과 또한 수신한 이로란 신호 및 생성한 ASF Correction을 자체 검사하고, 이로란 송신국을 통해 방송된 LDC 메시지 내 ASF Correction 정보를 해석하여 이를 기반으로 이로란 측위를 수행하여 ASF Correction 품질을 감시하는 기능을 갖는 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템은, 이로란(eLoran) 신호를 수신하고 측정치를 생성하는 신호 수신부; 상기 신호 수신부에 의해 생성되는 측정치로부터 보정 정보를 생성하는 보정 정보 생성부; 및 상기 보정 생성부로부터 생성된 보정 정보를 송신국으로 방송하기 전 자체 및 송신국을 통해 방송 한 후 검사하여 위치 성능을 확인하고 이로란 신호 및 보정 정보의 이상을 감시하는 이상 감시부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템{DIFFERENTIAL ELORAN REFERENCE STATION SYSTEM OF TERRESTRIAL NAVIGATION SYSTEM BASED ON LOW FREQUENCY}

본 발명은 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저주파 지상파 항법 시스템 신호의 전파 도달 지연 시간을 실시간으로 측정하여 보정 정보를 계산하는 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템에 관한 것이다.

이로란(eLoran) 시스템은 지상의 여러 송신국이 저주파의 고출력 신호를 송출하면, 수신기는 각 신호의 전파 도달 시간(TOA)을 측정하여 사용자의 위치를 계산하는 측위 시스템이다.

이러한 이로란 시스템은 PNT(측위/항법/시각 동기)를 서비스하는 시스템이다.

특히, 이로란 LDC(Loran Data Channel)를 통해 UTC(Universal Time Coordinated) 시각 정보를 방송하며, 이에 따라 서비스 이용자는 시스템이 서비스하는 UTC에 시각을 동기시킬 수 있다.

그런데, 이로란 신호는 신호 전달 과정에서 지연이 발생하게 된다.

신호 전달 과정에서 발생하는 지연 오차 성분은 PF(Primary Factor), SF(Secondary Factor) 그리고 ASF(Additional Secondary Factor)로 구분한다.

PF는 진공 중의 전파 전달 속도와 대기 중의 전파 전달 속도의 차이에 의해 발생하는 오차이다.

SF는 로란 신호가 지표를 따라 전달되는 동안 지표의 유전율에 의해 지연되는 오차이다.

ASF는 로란 신호의 전파 전달 지연 중 PF와 SF에 의한 지연을 제외한 나머지를 의미한다.

ASF는 공간적인 특성에 따른 공간(Spartial) ASF와 시변 특성에 따라 변하는 시변(Temperal) ASF로 구분된다.

이로란 수신기는 PF와 SF에 해당하는 시간 지연을 Brunavs 모델을 이용하여 제거한다.

이로란 시스템은 사용자 수신기로 하여금 공간 ASF에 해당하는 시간 지연을 보상할 수 있도록 ASF Map을 제공한다.

또한 이에 더하여 시변 ASF 보정 정보(ASF Correction)를 방송한다.

이로란 수신기는 이 ASF Map과 ASF Correction을 모두 이용하여 ASF 오차를 보상한다.

일반적으로 ASF Map은 대상 항만에서 실측정을 진행한 후 내삽법과 외삽법을 통하여 작성을 한다.

ASF Correction은 ASF Map 오차 정보 기준에서 시변 특성에 따라 변화되는 오차로 이를 제거해야지만 사용자에게 높은 정확도(8 ~ 20 m (95 % 신뢰도))의 측위 성능을 제공할 수 있다.

따라서 ASF correction 제공을 위한 이로란 시스템 신호의 전파 도달 지연 시간을 실시간으로 측정하여 이로란 보정 정보를 계산하는 시스템 및 그 운영 방법이 요구되고 있다.

국내 등록특허공보 제10-1758751호

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 이로란 송신국에서 전송하는 저주파 펄스 신호를 보정 기준국 수신기에서 수신하여 전파 전달 경로 상의 오차 및 기타 오차를 제거하고, ASF Correctoin을 계산하여 이를 이로란 신호 변조에 의한 LDC 메시지를 통해 사용자에게 전송함으로서 사용자가 높은 위치 정확도를 얻을 수 있도록 하는 기능과 또한 수신한 이로란 신호 및 생성한 ASF Correction을 자체 검사하고, 이로란 송신국을 통해 방송된 LDC 메시지 내 ASF Correction 정보를 해석하여 이를 기반으로 이로란 측위를 수행하여 ASF Correction 품질을 감시하는 기능을 갖는 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템은, 이로란(eLoran) 신호를 수신하고 측정치를 생성하는 신호 수신부; 상기 신호 수신부에 의해 생성되는 측정치로부터 보정 정보를 생성하는 보정 정보 생성부; 및 상기 보정 생성부로부터 생성된 보정 정보를 송신국으로 방송하기 전 자체 및 송신국을 통해 방송 한 후 검사하여 위치 성능을 확인하고 이로란 신호 및 보정 정보의 이상을 감시하는 이상 감시부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템에서, 상기 신호 수신부는 이로란(eLoran) 안테나와, 이로란 수신기를 포함하며, 상기 이로란 안테나는 E-field 안테나 또는 H-field 안테나를 포함하고, 기준국 시스템(RS: Reference Station)용 수신기와 감시국 시스템(IM: Integrity Monitor)용 수신기를 포함하는 상기 이로란 수신기와 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템에서, 상기 신호 수신부는 원자 시계로부터 정밀 시계를 수신하고, 송신국으로부터 이로란 신호를 수신하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템에서, 상기 신호 수신부는 상기 이로란 수신기에서 해석한 로란 데이터 채널(LDC) 메시지 정보와, 생성한 측정치를 수신기 메시지 형태로 전송하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템에서, 상기 보정 정보 생성부는, 상기 신호 수신부로부터 수신 메시지를 입력받아 데이터 저장부에 저장하며, 보정 정보를 생성하고, 생성된 보정 정보를 송신국, 통합 운영 제어국, 보정 기준국의 이상 감시부로 eLM 메시지 형식으로 전송하고, 외부로부터 eLM 메시지를 수신하며, 기준국 시스템(RS) UI로부터 설정 명령을 수신하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템에서, 상기 이상 감시부는, 상기 신호 수신부로부터 수신 메시지를 입력받아 데이터 저장부에 저장하며, 감시 결과를 송신국, 통합 운영 제어국, 보정 기준국의 보정 정보 생성부로 eLM 메시지 형식으로 전송하고, 외부로부터 eLM 메시지를 수신하며, 감시국 시스템(IM) UI로부터 설정 명령을 수신하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템은, 원자 시계를 포함하며 정밀 시계 제공 기능을 수행하는 정밀 시각 생성부;를 포함하며, 상기 정밀 시각 생성부는 상기 신호 수신부로 1PPS 신호를 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템은, UPS를 포함하며, 보정 기준국 각각의 장비와 연결되어 전원 공급 중단시 일정 시간 동안 보정 기준국이 정상 운영되도록 전원을 공급하는 무정전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템은, 보정 기준국과, 통합 운영 제어국과, 송신국 사이의 통신 연결을 수행하는 인터페이스부;를 포함하며, 상기 인터페이스부는 상기 송신국, 상기 통합 운영 제어국과의 인터페이스를 위한 eLM(eLoran Message) 메시지를 기반으로 정보를 송수신하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템은, 기준국 시스템(RS) 운영을 담당하는 RS UI와 감시국 시스템(IM) 운영을 담당하는 IM UI를 포함하는 운영부;를 포함하며, 상기 운영부의 UI는, 보정 기준국의 시스템을 설정하는 시스템 제어 모듈과, 상기 보정 기준국의 시스템 운영 화면을 표시하는 화면 표시 모듈과, 상기 보정 기준국의 데이터를 관리하는 데이터 관리 모듈과, 상기 보정 기준국의 동작 상태를 감시하는 시스템 상태 감시 모듈과, 상기 보정 기준국의 데이터를 저장하는 저장 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템은, 상기 신호 수신부의 이로란 수신기와 상기 이로란 수신기의 안테나 기준 위치를 통해 ASF Correction을 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템에서, 상기 ASF Correction은 상기 신호 수신부의 이로란 수신기가 제공한 측정된 거리(MR)로부터, 측정된 송수신 안테나 위치로 구한 거리를 제외하고, Brunavs 모델을 이용하여 PF와 SF 오차를 제거한 잔여 거리에 Least square를 이용하여 구한 수신기 시계 오차를 제거하여 남은 성분인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템은, 원자 시계를 포함하며 정밀 시계 제공 기능을 수행하는 정밀 시각 생성부; UPS를 포함하며, 보정 기준국 각각의 장비와 연결되어 전원 공급 중단시 일정 시간 동안 보정 기준국이 정상 운영되도록 전원을 공급하는 무정전부; 이로란(eLoran) 신호를 수신하고 측정치를 생성하는 신호 수신부; 및 보정 정보를 생성하고 이상을 감시하는 RSIM부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템에서, 상기 RSIM부는, 상기 신호 수신부에 의해 생성되는 측정치로부터 보정 정보를 생성하는 보정 정보 생성부; 상기 보정 정보 생성부로부터 생성된 보정 정보를 송신국을 통한 방송 전과 방송 후에 각각 수신하여 수평 위치 오차 검사를 통해 보정 정보의 이상을 감시하는 이상 감시부; 보정 기준국과, 통합 운영 제어국과, 송신국 사이의 통신 연결을 수행하는 인터페이스부; 및 기준국 시스템(RS) 운영을 담당하는 RS UI와 감시국 시스템(IM) 운영을 담당하는 IM UI를 포함하는 운영부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템은, 송신국에서 방송된 이로란 신호를 안테나를 통해 수신하며, 수신된 이로란 신호의 측정치를 수집하는 신호 수신부; 상기 이로란 수신기가 측정치를 생성할 수 있도록 정밀 시계를 제공하는 정밀 시각 생성부; 및 상기 신호 수신부에 의해 생성되는 측정치로부터 보정 정보를 생성하고 감시국 시스템(IM)과, 통합 운영 제어국과, 송신국으로 전송하는 보정 정보 생성부;를 포함하며, 상기 신호 수신부는, 수집한 측정치를 dLoran RS로 전송하여 실시간 보정 정보를 생성하는 기준국 시스템(RS)용 수신기와, dLoran 감시국 시스템(IM)으로 전송하여 감시국 시스템(IM)에서 이상 감시를 수행하는 감시국 시스템(IM)용 수신기를 포함하고, 감시국 시스템(IM)은 기준국 시스템(RS)에서 만든 실시간 보정 정보를 적용한 위치해의 결과를 확인함으로써, 수평 위치 오차 검사를 통해 보정 정보의 이상 감시를 수행하고 수행 결과를 RS와 통합 운영제어국에 전송하는 것을 특징으로 한다.

기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.

본 발명에 의하면, 이로란 송신국에서 송출하는 이로란 펄스 신호를 수신하여 전파전달경로 상의 오차 및 기타 오차를 제거하고, ASF Correction을 계산하여 이를 이로란 송신국에 전송하여(통합 운영국을 경유하여 전송하는 것도 가능) 이를 이로란 신호 변조에 의한 LDC 메시지를 통해 사용자에게 전송함으로서 사용자가 높은 위치 정확도를 얻을 수 있도록 하는 기능과 또한 수신한 이로란 신호 및 생성한 ASF Correction을 자체 검사하고, 이로란 송신국을 통해 방송된 LDC 메시지 내 ASF Correction 정보를 해석하여 이를 기반으로 이로란 측위를 수행하여 ASF Correction 품질을 감시하는 효과가 있다.

도 1은 지상파 항법 시스템의 전체 구성의 개념을 나타내는 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 개념을 나타내는 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 구성을 나타내는 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 정밀 시각 생성부의 개념을 나타내는 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 무정전부의 개념을 나타내는 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 신호 수신부의 개념을 나타내는 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 RSIM부의 개념을 나타내는 개념도.
도 8은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 RSIM부의 구성을 나타내는 블록도.
도 9는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 RSIM부에서 보정 정보 생성부의 개념을 나타내는 개념도.
도 10은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 RSIM부에서 이상 감시부의 개념을 나타내는 개념도.
도 11은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 RSIM부에서 인터페이스부의 개념을 나타내는 개념도.
도 12는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 RSIM부에서 운영부의 개념을 나타내는 개념도.
도 13은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 메인 화면을 나타내는 도면.
도 14는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 ASF 측정 개념을 나타내는 개념도.
도 15는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 이로란 오차 요소를 나타내는 도면.
도 16은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 이로란 신호 전파 오차를 나타내는 도면.
도 17은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 측지선 계산 기법을 계산하기 위한 측지선을 나타내는 도면.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 지상파 항법 시스템의 전체 구성의 개념을 나타내는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 지상파 항법 시스템(1000)은 통합 운영 제어국(100)과, 보정 기준국(200)과, 송신국(300)을 포함한다.

지상파 항법 시스템(1000)은 안전하게 위치 정보와 시각 정보를 제공할 수 있는 첨단 시스템으로, 본 실시예에서는 이로란(eLoran)을 예로 설명한다.

이 이로란은 2016년부터 2020년까지 연구 및 개발되었으며, 2023년 하반기 상용화 서비스를 목표로 현재는 시범 서비스를 운영하고 있다.

이로란은 전파 교란 신호보다 훨씬 강한 신호를 지상의 송신국에서 송신하며 20 m 이내 정확도를 가진 위치 정보와 0.1 ㎲ 이하의 정밀한 시각 정보 제공할 수 있어, 방송, 통신, 국방, 금융 등 국내의 주요 산업 분야에서 사용 가능할 것으로 예상된다.

즉, 이로란은 국내 최초로 유일한 독자 항법 시스템으로. 위성 항법 시스템의 취약성을 보완하고 국가 보조 위치, 항법, 시각(PNT: Positioning Navigation Timing) 서비스 및 데이터 서비스를 제공하기 위한 첨단 지상파 항법 시스템이다.

국가 보조 위치, 항법, 시각(PNT) 정보는 통신 시설, 송전 시설, 방송 설비, 금융망 등 산업 전반과 스마트폰, 내비게이션 등 일상에서 필수적으로 사용되는데, 현재는 미국에서 운용하는 위성 항법 시스템(GPS)에 전적으로 의존하고 있다.

그러나, GPS는 약 2만 ㎞ 떨어진 상공에서 인공 위성을 통해 전파를 송출하기 때문에 전파 간섭이나 교란에 매우 취약한 한계를 가진다.

GPS 전파 간섭이나 교란이 발생하면 항공기와 선박이 자신의 위치를 파악하지 못해 운항이 중단되고, 일부 지역에서는 표준시 정보를 받지 못해 휴대 전화 사용이 중지되는 등 큰 혼란을 일으킬 수 있다.

국내에서도 2010년 이후 4차례나 GPS 전파 교란으로 큰 피해를 입었던 사례가 발생하였다.

이에 따라 정부는 2016년부터 위성이 아닌 지상의 송신탑을 활용하여 안정적으로 국가 보조 위치, 항법, 시각(PNT) 정보를 제공할 수 있는 첨단 지상파 항법 시스템을 개발해 왔다.

이러한 이로란은 통합 운영 제어국(100)과, 보정 기준국(200)과, 송신국(300)으로 구성된다.

본 발명에서는 보정 기준국(200)에 대해 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 개념을 나타내는 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 보정 기준국(200)은 정밀 시각 생성부(210)와, 무정전부(220)와, 신호 수신부(230)와, RISM부(240)를 포함한다.

정밀 시각 생성부(210)는 보정 기준국(200)의 정밀 시각 정보를 제공하며, 원자 시계(211)를 포함한다.

무정전부(220)는 보정 기준국(200)의 지속적이고 안정적인 운영을 위해 정전 시에도 보정 기준국(200)에 전원을 공급하는 역할을 담당한다.

신호 수신부(230)는 이로란(eLoran) 신호를 수신하고 측정치를 생성한다.

이러한 신호 수신부(230)는 이로란 안테나(10)와 이로란 수신기(231)로 구성된다.

RSIM부(240)는 도 8에서 후술하는 바와 같이 보정 정보 생성부(241)와, 이상 감시부(242)와, 인터페이스부(243)와, 운영부(244)를 포함한다.

보정 정보 생성부(241)는 보정 기준국(200)의 핵심 기능을 담당하며, 디로란 기준국(dLoran Reference Station)을 포함한다.

이상 감시부(242)는 디로란 IM(dLoran Integrity Monitor)으로 구성된다.

인터페이스부(243)는 보정 기준국(200)과, 송신국(300)과, 통합 운영 제어국(100)의 통신 연결 및 관리를 담당한다.

운영부(244)는 기준국(RS)과 IM의 전반적인 운영을 담당하며, 각각 RS UI(User Interface)와, IM UI로 구성되고, 이로란 시스템(1000)의 상태 감시와 데이터 저장 기능을 포함한다.

이와 같은 보정 기준국(200)에서 생성한 보정 정보와 이상 감시 결과는 네트워크를 통해 송신국(300)으로 전송되며, 송신국(300)을 통해 사용자에게 방송되고, 운영 및 제어를 위해 통합 운영 제어국(100)으로도 전송된다.

한편, 보정 기준국(200)은 통합 운영 제어국(100)으로부터 운영 및 제어, 감시를 위한 메시지를 수신하여 원격 운영되며, 운영 및 유지 보수를 위해 로컬에서의 자체 운영도 가능하다.

보정 기준국(200)은 다음과 같이 구성된다.

송신국(300)에서 방송된 이로란 신호는 보정 기준국(200)의 안테나를 통하여 수신되며, 수신기와 연결되어 측정치를 수집한다.

이때, LDC 메시지가 포함된 신호는 LDC 메시지를 해석하여 정보를 확인한다.

원자 시계(212)는 수신기가 정밀한 측정치를 생성할 수 있도록 정밀 시계를 공급한다.

RS용 수신기에서 수집한 측정치는 dLoran RS로 전송하여 실시간 보정 정보를 생성하는데 활용되며, 생성된 보정 정보는 인터페이스부(243)를 거쳐 eLM 메시지 형태로 송신국(300)에 전달된다.

송신국은 eLM 메시지로 수신한 실시간 보정 정보를 LDC 메시지에 실어 사용자에게 방송하는 과정을 반복한다.

IM용 수신기는 dLoran IM으로 전송하여 IM에서 이상 감시를 수행하는데 활용되며, 이때 IM은 RS에서 만든 실시간 보정 정보를 적용한 결과를 확인함으로써 수평 위치 오차 검사를 수행한다.

RS UI와 IM UI를 통해 보정 기준국(200) 제어가 가능하며, 기본적으로 운영은 원격 제어를 통해 통합 운영 제어국(100)에서 수행한다.

UPS에서는 정전 시에도 일정 시간 시스템이 운영될 수 있도록 전원을 공급한다.

하기 표 1은 보정 기준국 세부 구성 요소에 대해 설명한다.

[표 1]

환언하면, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템(1000)은, 이로란(eLoran) 신호를 수신하고 측정치를 생성하는 신호 수신부(230)와, 신호 수신부(230)에 의해 생성되는 측정치로부터 보정 정보를 생성하는 보정 정보 생성부(241)와, 보정 생성부(241)로부터 생성된 보정 정보를 송신국(300)으로 방송하기 전 자체 및 송신국(300)을 통해 방송 한 후 검사하여 위치 성능을 확인하고 이로란 신호 및 보정 정보의 이상을 감시하는 이상 감시부(242)를 포함 한다.

도 4는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 정밀 시각 생성부의 개념을 나타내는 개념도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 보정 기준국(200)에서 정밀 시각 생성부(210)는 원자 시계(211)를 포함한다.

즉, 정밀 시각 생성부(210)는 원자 시계(211)를 포함하며, 정밀 시계 제공 기능을 수행한다.

무정전부(220)와 연결되어 정전 시에도 전원을 공급받으며, 이로란 수신기(231)로 1PPS 신호를 제공한다.

원자 시계(211)의 성능은 루비듐급으로 한다.

이로란 수신기(231)는 이로란 신호를 수신하며, 측정치를 생성한다.

즉, 신호 수신부(230)는 원자 시계(211)로부터 정밀 시계를 수신하고, 송신국(300)으로부터 이로란 신호를 수신 한다.

환언하면, 정밀 시각 생성부(210)는 원자 시계를 포함하며 정밀 시계 제공 기능을 수행하고, 신호 수신부(230)로 1PPS 신호를 제공한다.

도 5는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 무정전부의 개념을 나타내는 개념도이다.

도 5를 참조하면, 무정전부(220)는 UPS(221)를 포함하며, 보정 기준국(200) 장비와 연결하여 전원 공급 중단 시에도 일정 시간 동안 보정 기준국(200)이 정상 운영되도록 한다.

UPS(221)는 RSIM부(240), 원자 시계(211), 이로란 수신기(231)와 연결된다.

UPS(221)는 전원 공급 중단시 30분 이상 보정 기준국(200) 장비에 전원을 공급할 수 있어야 한다.

환언하면, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템(1000)의 무정전부(220)는 UPS를 포함하며, 무정전부(220)는 보정 기준국(200) 각각의 장비와 연결되어 전원 공급 중단시 일정 시간 동안 보정 기준국(200)이 정상 운영되도록 전원을 공급한다.

도 6은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 신호 수신부의 개념을 나타내는 개념도이다.

도 6을 참조하면, 신호 수신부(230)는 이로란 안테나(10)와, 이로란 수신기(231)를 포함하며, 신호 수신 및 측정치 생성 기능을 수행한다.

이로란 안테나(10)는 E-field 또는 H-field 안테나로 구성되며, RS와 IM용 이로란 수신기(231)와 연결된다.

이로란 수신기(231)는 원자 시계(211)로부터 정밀시계를 수신하고 이로란 안테나(10)로부터 송신국(300)의 이로란 신호를 수신한다.

이로란 수신기(231)에서 해석한 LDC 메시지 정보 및 생성한 측정치는 수신기 메시지 형태로 RS 또는 IM의 인터페이스부(243)로 전송된다.

이로란 안테나(10) 및 이로란 수신기(231)는 예를 들어, UrsaNav 사의 안테나와 UN-151B 수신기를 기반으로 할 수 있다.

이러한 이로란 안테나(10) 및 이로란 수신기(231)의 요구 사항으로는 이로란 및 로란-C(Loran-C) 신호 수신이 가능해야 하고, E-field와 H-Field 안테나 사용이 가능해야 한다.

또한, 원자 시계(211)로부터 1PPS신호를 수신하여 수신기 프로세싱에 사용 가능해야 하고, 9th pulse와 Euro-fix 방식의 LDC 메시지를 수신하고 해석할 수 있어야 한다.

SS(Signal Strength), SNR, TOA 측정치 생성이 가능해야 하고, 측정치 및 메시지 정보를 메시지 형태로 제공 가능해야 하며, 메시지 프로토콜이 오픈되어 있어야 한다.

한편, 시리얼 통신과 이더넷 통신을 지원해야 하고, 데이터 출력이 1 ㎐ 이상이어야 한다.

환언하면, 신호 수신부(230)는 이로란(eLoran) 안테나와, 이로란 수신기를 포함하며, 이로란 안테나는 E-field 안테나 또는 H-field 안테나를 포함하고, 기준국 시스템(RS: Reference Station)용 수신기와 감시국 시스템(IM: Integrity Monitor)용 수신기를 포함하는 이로란 수신기와 연결된다.

또한, 신호 수신부(230)는 이로란 수신기에서 해석한 로란 데이터 채널(LDC) 메시지 정보와, 생성한 측정치를 수신기 메시지 형태로 전송한다.

도 7은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 RSIM부의 개념을 나타내는 개념도이고, 도 8은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 RSIM부의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 보정 기준국(200)에서 RSIM부(240)는 보정 정보 생성부(241)와, 이상 감시부(242)와, 인터페이스부(243)와, 운영부(244)를 포함한다.

RSIM부(240)는 하나의 PC에 각각의 기능을 담당하는 소프트웨어(SW) 형태이다.

도 9는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 RSIM부에서 보정 정보 생성부의 개념을 나타내는 개념도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 보정 기준국(200)의 RSIM부(240)에서 보정 정보 생성부(241)는 수신기 I/F 모듈(241-1), 수신기 측정치 해석 모듈(241-2), RS 엔진(241-3), eLM 메시지 생성 모듈(241-4), eLM 메시지 해석 모듈(241-5), RS Config 모듈(241-6)로 구성되며, PC의 소프트웨어 형태이다.

이로란 수신기(231)로부터 수신기 메시지를 입력받아 데이터 저장 장치(241-7)에 저장하며, 보정 정보를 생성하고, 생성한 보정 정보를 eLM 메시지로 외부 I/F부(241-8)로 전송한다.

또한, 외부 인터페이스부(241-8)로부터 eLM 메시지를 수신하고 RS UI(241-9)로부터 설정 명령을 수신한다.

환언하면, 보정 정보 생성부(240)는, 신호 수신부(230)로부터 수신 메시지를 입력받아 데이터 저장부에 저장하며, 보정 정보를 생성하고, 생성된 보정 정보를 송신국, 통합 운영 제어국(100), 보정 기준국(200)의 이상 감시부(242)로 eLM 메시지 형식으로 전송하고, 외부로부터 eLM 메시지를 수신하며, 기준국 시스템(RS) UI로부터 설정 명령을 한다.

도 10은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 RSIM부에서 이상 감시부의 개념을 나타내는 개념도이다.

도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 보정 기준국(200)의 RSIM부(240)에서 이상 감시부(242)는 수신기 모듈 I/F(242-1), 수신기 측정치 해석 모듈(242-2), IM 엔진(242-3), eLM 메시지 생성 모듈(242-4), eLM 메시지 해석 모듈(242-5), RS Config 모듈(242-6)을 포함하며, PC의 소프트웨어(SW) 형태이다.

이로란 수신기(231)로부터 수신기 메시지를 입력받아 저장 장치(242-7)에 저장하며, 보정 기준국(200)에서 생성한 보정 정보를 수신하여 위치 성능 측면에서 이상을 감시한다.

감시 결과는 eLM 메시지로 외부 인터페이스부(242-8)로 전송한다.

또한 외부 인터페이스부(242-8)로부터 eLM 메시지를 수신하고, IM UI(242-9)로부터 설정 명령을 수신한다.

환언하면, 이상 감시부(242)는, 신호 수신부(230)로부터 수신 메시지를 입력받아 데이터 저장부에 저장하며, 감시 결과를 송신국(300), 통합 운영 제어국(100), 보정 기준국(200)의 보정 정보 생성부(241)로 eLM 메시지 형식으로 전송하고, 외부로부터 eLM 메시지를 수신하며, 감시국 시스템(IM) UI로부터 설정 명령을 수신한다.

도 11은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 RSIM부에서 인터페이스부의 개념을 나타내는 개념도이다.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 보정 기준국(200)의 RSIM부(240)에서 인터페이스부(243)는 보정 기준국(200)과 기타 이로란 시스템(1000) 간의 통신 연결 기능을 담당한다.

이러한 인터페이스부(243)는 RS I/F 모듈(243-1), IM I/F 모듈(243-2), 송신국 I/F 모듈(243-3), IOCS I/F 모듈(243-4)로 구성된다.

각 I/F 모듈은 eLM 메시지를 기반으로 정보를 송수신하며 통신 규격은 TCP/IP를 사용한다.

RS(243-5)는 보정 정보를 eLM 메시지를 통해 송신국(300)과 IOCS(243-7)로 전송하며, IOCS(243-7)로부터 제어 명령을 수신한다.

IM(243-6)은 보정 모드에 따라 RS(243-5)로부터 보정 정보를 수신할 수 있으며, 이상 감시 결과를 RS(243-5)와 IOCS(243-7)로 전송하고, IOCS(243-7)로부터 제어 명령을 수신한다.

환언하면, 인터페이스부(243)는 보정 기준국(200)과, 통합 운영 제어국(100)과, 송신국(300) 사이의 통신 연결을 수행한다.

이러한 인터페이스부(243)는 송신국(300)과, 통합 운영 제어국(100)과의 인터페이스를 위한 eLM(eLoran Message) 메시지를 기반으로 정보를 송수신한다.

도 12는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 RSIM부에서 운영부의 개념을 나타내는 개념도이다.

도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 보정 기준국(200)의 RSIM부(240)에서 운영부(244)는 RS 운영을 담당하는 RS UI와 IM 운영을 담당하는 IM UI(244-1)로 구성되며, 각각의 UI는 시스템 제어 모듈(244-2), 화면 표시 모듈(244-3), 데이터 관리 모듈(244-4), 시스템 상태 감시 모듈(244-5), 저장 모듈(244-6)로 구성된다.

좀 더 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템(1000)은, 기준국 시스템(RS) 운영을 담당하는 RS UI와 감시국 시스템(IM) 운영을 담당하는 IM UI를 포함하는 운영부(244)를 포함한다.

이러한 운영부(244)의 UI는, 보정 기준국(200)의 시스템을 설정하는 시스템 제어 모듈(244-2)과, 보정 기준국(200)의 시스템 운영 화면을 표시하는 화면 표시 모듈(244-3)과, 보정 기준국(200)의 데이터를 관리하는 데이터 관리 모듈(244-4)과, 보정 기준국(200)의 동작 상태를 감시하는 시스템 상태 감시 모듈(244-5)과, 보정 기준국(200)의 데이터를 저장하는 저장 모듈(244-6)을 포함 한다.

한편, 보정 기준국(200)의 RSIM부(240)의 소프트웨어 설계는 다음의 단계를 포함한다.

제 1 단계(S10)에서는, 이로란 수신기(231)로부터 이로란 측정치를 수신한다.

제 2 단계(S20)에서는, 보정 정보 생성부(241)에 의해 수신기 측정치를 해석한다.

제 3 단계(S30)에서는, 보정 정보 생성부(241)에 의해 수신기 측정치의 품질 검사를 한다.

제 4 단계(S40)에서는, 보정 정보 생성부(241)에 의해 수신기 측정치를 이용하여 보정 정보를 생성한다.

제 5 단계(S50)에서는, 보정 정보 생성부(241)에 의해 생성한 보정 정보의 품질을 검사한다.

제 6 단계(S60)에서는, 보정 정보 생성부(241)에 의해 eLM 메시지를 송수신한다.

제 7 단계(S70)에서는, 보정 정보 생성부(241)에 의해 전송할 eLM 메시지를 생성한다.

제 8 단계(S80)에서는, 보정 정보 생성부(241)에 의해 수신한 eLM 메시지를 해석한다.

제 9 단계(S90)에서는, 보정 정보 생성부(241)에 의해 수신기 메시지, eLM 메시지, 보정 정보 등 운영 중 사용된 데이터를 Text 파일로 저장한다.

제 10 단계(S100)에서는, 보정 정보 생성부(241)에 의해 RSS 운영에 필요한 정보들을 설정한다.

제 11 단계(S110)에서는, 인터페이스부(243)에 의해 수신기와 시리얼(Serial) 통신, 외부 시스템과 TCP/IP 통신을 제어한다.

제 12 단계(S120)에서는, 인터페이스부(243)에 의해 네트워크 상태, 수신기 상태, MSS 연결 상태 등 시스템 상태를 감시한다.

도 13은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템의 메인 화면을 나타내는 도면이다.

도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 보정 기준국(200)의 메인 화면을 확인할 수 있다.

이러한 메인 화면은 보정 기준국의 Main 화면으로 연결 및 설정 등의 메뉴를 호출하거나 각종 데이터들의 상태를 확인 하는 화면이다.

여기서, 1번은 메뉴 바 영역을 나타내고, 2번은 수신기 데이터 도시 영역을 나타내며, 3번은 상태 감시 도시 영역을 나타내고, 4번은 검사 결과 도시 영역을 나타내며, 5번은 ELM 및 Serial 로그 영역을 나타낸다.

메뉴 바는 수신기 및 외부 시스템과의 연결을 설정하는 화면 및 각종 설정들을 할 수 있는 설정 화면을 호출 할 수 있는 메뉴 영역이다.

수신기 데이터 도시는 수신기 데이터를 도시하는 영역이다.

상태 감시 도시는 외부 시스템과의 연결 상태 및 신호의 상태 등을 도시하는 영역이다.

검사 결과 도시는 수신기 신호 검사 및 생성된 보정 정보의 검사 결과를 도시하는 영역이다.

ELM 및 Serial 로그는 수신하는 ELM 및 Serial Data를 도시하는 영역이다.

도 14는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 ASF 측정 개념을 나타내는 개념도이고, 도 15는 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 이로란 오차 요소를 나타내는 도면이다.

보정 기준국(200)의 핵심 기술은 보정 정보 생성 기술과 ASF 측정 기술이다.

이로란 수신기(231)를 이용한 ASF 측정 및 보정 기법을 설계한다.

ASF 측정 기법은 ASF Map을 제작하기 위해 한 지점에서 수신된 이로란 신호에 포함된 ASF를 측정하는 기법이다.

ASF 보정 기법은 디로란(dLoran) 보정치를 생성하고 이를 적용하기 위한 기법이다.

환언하면, 본 발명에 따른 저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템(1000)은, 신호 수신부(230)의 이로란 수신기와 이로란 수신기의 안테나 기준 위치를 통해 ASF Correction을 계산 한다.

ASF Correction은 신호 수신부(230)의 이로란 수신기가 제공한 측정된 거리(MR)로부터, 측정된 송수신 안테나 위치로 구한 거리를 제외하고, Brunavs 모델을 이용하여 PF와 SF 오차를 제거한 잔여 거리에 Least square를 이용하여 구한 수신기 시계 오차를 제거하여 남은 성분이다.

도 14를 참조하면, ASF를 측정하기 위해서는 이로란 수신기(231)와 정밀하게 측정된 이로란 수신기(231)의 안테나 기준 위치(ARP: Antenna Reference Position)가 필요하다.

이로란 수신기(231)가 제공한 측정된 거리(MR: Measured Range)에서 정밀하게 측정된 송수신 안테나 위치로 구한 거리(R: Range)를 제한 나머지에서 기타 오차 성분(ASF 외)을 제거하여 남은 성분을 ASF 측정치로 결정한다.

ASF 측정치는 계절이나 시간 별로 변동이 심하여 최종적인 ASF 맵의 작성을 위해서는 같은 장소에서 다수의 측정이 실행되어야 하나, 본 실시예에서는 1회의 측정 방법만을 설명하도록 한다.

도 15를 참조하면, 오차 요소는 송신 과정에서 발생한 오차 수신 과정에서 발생한 오차, 수신 과정에서 발생한 오차, 전파의 전달 과정에서 발생한 오차로 개략적으로 구분할 수 있다.

송신 과정에서 발생한 오차는 송신기 시계 오차, ECD(T), 송신 잡음 등이 포함된다.

수신 과정에서 발생한 오차는 수신기 시계 오차와 수신 잡음 등이 포함된다.

전파의 전달 과정에서 발생한 지연은 PF(Primary Phase Factor), SF(Secondary Phase Factor), ASF(Additional SF), ECD(Envelope to Cycle Difference)(P)로 구분한다.

여기서, 이로란 신호의 주요 오차 요인으로 정확도 저하 요인으로 전파 지연과, 수신기 시계 오차와, 송신기 시계 오차를 설명한다.

전파 지연은 저주파수 전자기파의 전파 특성에 기인하며, 짧은 시간에 대해서는 안정적인 것으로 가정한다.

이러한 전파 지연은 수신된 TOA에 대한 하나의 값과, 시간차에 대한 하나의 통합된 값이다.

수신기 시계 오차는 수신기 시계의 불안전성에 기인하며, 통상 상당한 드리프트를 보인다.

또한, 동일한 방식으로 모든 TOA 값에 영향을 미친다.

통상 상당한 드리프트를 보이고, 시간차를 계산할 때 상쇄된다.

송신기 시계 오차는 송신기 시계의 불안정성에 기인하며, 하나의 TOA에 대해 하나의 송신기 시계 오차이다.

이러한 송신기 시계 오차는 일반적인 경우 송신기 시계의 고성능에 의해 무시할 수 있다고 가정한다.

오차 제거시 고려 사항으로는 송신국 내부 시스템이나 수신기 내부에서 자체적으로 제거하는 방법을 고려한다.

송신국이나 수신국 시스템의 오차 중에서는 사용자로 하여금 제거하도록 보상치를 방송/제공할 수 있다.

이러한 보상치를 이용하는 방법을 고려한다.

사용자가 측정하여 제거하는 방법을 고려한다.

모델을 이용한 지연 보상시 일반 사용자가 이용하는 모델과 동일한 모델을 이용하여야 할 가능성을 고려한다.

위의 모든 방법을 이용하였음에도 잔여하는 오차를 고려한다.

- 송신 과정에서 발생한 오차 -

송신 과정에서 발생한 오차 중 송신기 시계 오차를 설명한다.

송신기 시계 오차는 송신기 시각과 이로란 기준시의 차이로 발생하는 오차를 의미하며, 이는 송신국의 시각 동기 수행으로 제거되거나, 송신기 시계 오차를 제거하기 위한 요소를 송신기가 방송하고 수신기가 수신 및 보상하는 방법으로 제거될 수 있으며, 이는 하기 수학식 1로 표현된다.

[수학식 1]

여기서,

이다.

ECD(T)(Envelope to Cycle Difference, TX system)

ECD(T)는 개별 펄스 신호 내에서 실제 신호의 포락선과 이상적인 신호 포락선의 차이에 대한 시간 값으로 여기서는 송신국 측면에서의 값이다.

ECD(T)는 송신 시스템에서 측정된 값을 이용하여 직접 보상하여 제거하거나 송신기가 방송하고 수신기가 수신 및 보상하여 제거할 수 있으며, 이는 하기 수학식 2로 표현된다.

[수학식 2]

송신 시각 오차(

)는 송신기 시계 오차(

)와 ECD(T)(

)의 합으로 구성되며, 이는 하기 수학식 3으로 표현된다.

[수학식 3]

송신 시각 오차를 보정하기 위한 송신 시각 오차 보정치(

)는 하기 수학식 4와 같이 계산한다.

[수학식 4]

여기서,

이다.

수신기 시계 오차(

)는 수신기 시각(

)과 이로란 기준시(

)의 차이로 발생하는 오차를 의미하며, 이로란 수신기(231)가 제공하는 값을 이용하고, 이는 하기 수학식 5로 표현된다.

[수학식 5]

- 수신 과정에서 발생한 오차 -

수신 시각 오차(

)는 수신기 시계 오차(

)와 같다.

수신 시각 오차를 보정하기 위한 수신 시각 오차 보정치(

)는 하기 수학식 6과 같이 계산한다.

[수학식 6]

안테나의 지연 오차는 H-field 안테나의 ferrite core의 응답 시간이며, 안테나의 온도에 크게 영향을 받는다.

안테나 지연 오차(

) 보정치는 하기 수학식 7과 같이 계산한다.

[수학식 7]

케이블 지연 오차(

)는 수신기와 안테나 사이의 신호 지연 오차로 일정한 오프셋 값을 가지며 시간이 지나도 변하지 않는다.

케이블 지연 오차 보정치(

)는 하기 수학식 8과 같이 계산한다.

[수학식 8]

수신기 처리 지연 오차 오차(

)는 는 전처리 필터와 아날로그 디지털 변화 지연 오차이며, 신호의 필터링과 전처리가 얼마나 필요한지에 따라 값이 달라진다.

수신기 처리 지연 오차 보정치(

)는 하기 수학식 9와 같이 계산한다.

[수학식 9]

H-field 안테나의 Head-direction에 의한 위상 변화(Directional Term)은 다음과 같다.

이상적인 안테나는 안테나를 중심으로 원형의 지향성을 갖지만, 대부분의 일반적인 안테나는 그렇지 못하다.

따라서, 안테나의 방향에 따라 수신한 신호의 위상이 다르게 측정되며 수신기가 추적하는 표준 영 교차점의 위치에 영향을 준다.

E-field 안테나를 제외한 H-field 안테나와 루프 안테나는 방향성에 따라서 신호의 세기가 달라진다.

신호의 세기가 달라지게 되면 위상 측정값도 달라질 수 있기 때문에 동일한 위치에서 신호를 수신하더라도 방향성을 갖는 안테나를 사용할 경우에 이의 영향을 고려해야 한다.

E-field 안테나를 이용하여 오차를 보상하거나, 방향별 오차 지연을 측정하여 보상한다.

- 전파의 전달 과정에서 발생하는 지연 -

이로란 신호는 100 ㎑의 반송파를 사용하고 있으므로 주파수 분류상 장파에 속하며, 지표파와 공간파에 의하여 전파되어 전파 전송 과정에서 전파 경로를 통과하면서 진폭이 감쇠하거나 위상이 지연된다.

신호의 전파 경로에 따른 감쇠는 전도율(Conductivity), 유전율(Dielectric Constant), 지표의 불규칙성, 지구의 곡률과 같은 여러 가지 요소의 영향을 받는다.

특히, 전파가 통과하는 육지의 전도율은 신호의 감쇠에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터이다.

실제로 어떤 지점의 전도율은 날씨로 인한 대기의 건조 상태 기온 및 동결상태 등에 따라 시간적으로 변한다.

육지의 전도율은 균일하지 않기 때문에 송수신기의 위치에 따라 달라진다.

해수의 전도율은 온도와 염분 농도에 따라 달라지지만, 변동 폭은 육지에 비하면 작은 편이어서 일반적으로 고정된 값을 사용한다.

PF(Primary Factor)

대기 중 신호의 전달 속도가 자유 공간(진공)에 비해 약간 느려지는 현상에 대한 지연 오차(

)이다.

진공에서 빛의 속도는 161,875 NM/sec(6.17761 ㎲/NM)이고 대기에서 속도는 161,829 NM/sec(6.17936 ㎲/NM)이다.

SF(Secondary Factor)

이로란 지상파가 대기를 통과할 때가 아닌 해수면을 지날 때 더욱 지연되는 현상을 반영한 것이다.

이로란 신호가 송신되면서 전자기파의 일부는 공기중으로, 일부는 지구의 표면을 관통한다.

이때 해수는 공기만큼 전자기 전도가 좋지 못하여 해수위를 지날 때 느려진다.

SF는 신호의 전달 속도를 조절하는 요소가 아닌 전달 시간에 대한 보정치로 사용되며, 밀링톤 모델 등으로 계산할 수 있다.

ASF(Additional Secondary Factor)

PF와 SF의 적용으로 해수면을 지나는 이로란의 시간차 계산이 가능하다.

실제로 이로란 신호는 혼합 경로를 통과하거나 부분적으로 전도율이 다른 다양한 육지를 지나거나 부분적으로 해수면을 통과한다.

이로 인해 추가적인 지연으로 인한 보정치가 필요하다.

신호 송신 경로를 따라 육지의 전도도를 포함하며, 대지를 통과한 거리 등 다양한 요소(지표면의 지형, 전도율, 지표의 임피던스 등)가 ASF 값에 영향을 미친다.

일반적으로 ASF는 3 ㎲ ~ 4 ㎲의 전파 지연을 야기한다고 알려져 있으며, 장거리 전파시에는 10 ㎲ 이상의 전파 지연도 발생 가능하다.

ASF에는 공간적 변화량인 Nominal Term(Spatial Term)과 시간적 변화량인 Temporal Term으로 구분된다.

Spatial Term은 실측을 이용하여 map을 구성하여 제거하며, Temporal Term은 Spatial Term을 보정하고 남은 오차의 보정치이다.

Temporal Term은 지역적으로 짧은 시간에 발생하고, 시간과 계절의 영향으로 내륙의 전도율을 변화시켜 오차가 발생한다.

또한 온도, 압력, 습도의 변화는 PF의 오차를 발생시키는데, 이는 ASF를 변화시키지 않지만 사용자는 PF 변화가 ASF 변화와 함께 변하므로 보상이 가능하다.

보정 기준국(200)은 이러한 변화량인 Temporal ASF를 연속적으로 측정하여 로란 데이터 채널(Loran Data Channel)을 이용하여 방송한다.

ECD(P)(Envelope to Cycle Difference, Propagation)

ECD(P)는 전파 전달 과정에서 발생하는 신호 군지연이다.

수신기에서 측정이 가능할 수 있다.

도 16은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 이로란 신호 전파 오차를 나타내는 도면이다.

- ASF 보정 기법 설계 -

ASF 보정 기법은 보정 기준국(200)에서 보정치를 생성하는 방법과 일반 이로란 사용자가 보정치를 적용하는 방법을 의미한다.

dLoran 보정치를 생성하기 위해서는 이로란 수신기(231)와 정밀하게 측정된 이로란 수신기(231)의 안테나 기준 위치(ARP: Antenna Reference Position)가 필요하다.

dLoran 보정치(

)를 생성하기 위한

는 이로란 신호를 수신하여 측정된 거리에 포함된 오차이며, 이를 측정하기 위해서는 이로란 수신기(231)가 측정한 거리(MR: Measured Range) 외에 정밀하게 측정된 보정 기준국(200) 이로란 수신기(231)의 안테나 기준 위치(ARP: Antenna Reference Position)와 이로란 송신국(300)의 송신 안테나 기준 위치로 구한 거리(R: Range) 그리고 PF, SF, ASF 값이 필요하다.

ASF 보정 기법에서 사용되는 PF, SF와 ASF 값은 이로란 수신기(231)가 제공하는 값을 이용한다.

이로란 수신기(231)가 측정한 거리(MR: Measured Range)에서 정밀하게 측정된 송수신 안테나 위치로 구한 거리 값(R: Range)을 제하고 PF, SF, ASF를 제거한 나머지 성분으로 dLoran 보정치를 구한다.

- 송신기 오차 보정 기법 -

송신기 시계 오차는 송신기 시계와 이로란 기준 시각의 차이로 발생하는 오차를 의미하며, 이는 송신국의 시각 동기 수행으로 제거되거나, 그 결과를 방송함으로써 수신기가 직접 제거하는 것이 가능하다.

송신기의 시각 동기 수행으로 제거되지 못하는 오차(Time of emission drift)는 ASF temporal correction에 포함되어 제거 가능하다.

- 수신기 오차 보정 기법 -

수신기 오차 보정 기법은 다음과 같다.

안테나 지연 오차, 케이블 지연 오차, 수신기 처리 지연 오차는 측정을 통해 보정한다.

시뮬레이터를 이용하여 생성한 신호를 안테나로 연결 또는 방사하여 수신기에서 수신한 신호와 비교하여 지연 오차를 측정한다.

- PF(Primary Factor)와 SF(Secondary Factor) 오차 보정 기법 -

PF 오차 보정 기법은 다음과 같다.

PF의 경우 계산 식은 하기 수학식 10으로 표현된다.

[수학식 10]

여기서,

이다.

SF 오차 보정 기법은 다음과 같다.

SF는 하기 수학식 11의 예측 모델식으로 표현된다.

[수학식 11]

PF와 SF 오차 보정 기법은 다음과 같다.

PF와 SF는 각각 예측하여 추정 가능하며, 하기 수학식 12와 같이 제거 가능하다.

즉, PF와 SF는 Brunavs 식으로 제거 가능하다.

[수학식 12]

여기서,

이다.

하기 표 2는 Brunavs 상수를 나타낸다.

[표 2]

도 17은 본 발명에 따른 보정 기준국 시스템에서 측지선 계산 기법을 계산하기 위한 측지선을 나타내는 도면이다.

도 17을 참조하면, PF와 SF 계산 뿐만 아니라 ASF에서도 송신국과 수신기 사이의 거리 계산이 필요하다.

GNSS와는 다르게 로란 신호는 지표파로 송신국과의 거리는 직선거리가 아닌 구면 거리로 계산해야 한다.

이를 측지선(Geodesic)이라 한다.

와

사이의 거리

는 도 17에 나타낸 바와 같이 곡선 거리이며 북극점으로부터

의 방위각이 생긴다.

A와 B의 위치를 알고 있을 경우, 둘 사이의 거리

와 방위각

를 계산할 수 있다.

이를 Inverse Geodesic solution이라고 한다.

이 측지선을 계산하는 식은 다양하게 정리되지만, Bessel, Jordan & Eggert, Rapp, Vincenty, Gauss Midlatitude 등이 대표적이며, 본 발명에서는 Vincenty 기법을 사용하였다.

- Vincenty 기법 -

Vincenty 기법은 WGS84 ellipsoid에서 20,000 ㎞ 이내에서 ㎝ 에서 ㎜ 까지의 정확도를 가진다.

그러나 지구 반대편으로 수렴하는 오차가 발생한다.

Vincenty 기법은 반복적으로 계산하여 처리 시간이 긴 것으로 알려져 있다.

Vincenty 기법의 inverse solution은 다음과 같다

a는 장반경이고, b는 단반경이다.

로 초기치를 잡으며 반복 계산으로

가 될 때까지 계산한다.

로부터

를 계산한다.

이고,

이며,

이다.

이고,

이다.

상술한 수식을

이 될 때까지 반복적으로 계산하고 나서 거리와 방위각은 다음과 같이 계산한다.

이고,

이며,

이고,

이다.

거리는 하기 수학식 13과 같다.

[수학식 13]

또한, 방위각은 하기 수학식 14와 같다.

[수학식 14]

- Nominal ASF 보정 기법 -

Nominal ASF(

)는 측정된 TOA로부터 송신국, 수신기 지연 오차와 PF, SF, 실제 거리를 제거한 값이다.

Nominal ASF는 하기 수학식 15와 같다.

[수학식 15]

여기서,

는 Emission Delay를 나타낸다.

Emission Delay는 같은 GRI 내에서 주국과 종국 전송 사이의 시간 간격을 나타내며 항상 일정하다.

한국의 chain인 9930에서의 ED는 하기 표 3과 같다.

[표 3]

본 설계에서 ASF 계산을 위한 오차 계산은 다음과 같다.

측지선 거리(

)는 Vincenty 기법을 이용하며, 식은 다음과 같다.

PF와 SF는 Brunavs 상수를 이용하며, 식은 다음과 같다.

- Temporal ASF 보정 기법

Nominal ASF를 보정하고 남은 오차의 보정치로 지역적으로 짧은 시간에 발생하는 TOA variation 값이다.

시간에 따라 TOA 값이 변한다.

신호의 SNR 크기에 따라 TOA 값의 variance 값이 변한다.

장마와 겨울 눈과 같은 계절 영향은 내륙의 전도율을 변화시켜 ASF 값을 변화시킨다.

보정 기준국 서비스는 이러한 변화량인 temporal ASF를 연속적으로 측정하여 제거가 가능하며, Loran Data Channel을 이용하여 방송한다.

Temporal ASF 값은 하기 수학식 16과 같다.

[수학식 16]

- 오차 보정 기법 -

각 오차 요소별 오차 보정 기법과 입력 값은 하기 표 4와 같다.

[표 4]

- 사용자의 보정치(

) 적용 -

사용자의 이로란 수신기(231)가 측정한 송신국별 거리 측정치(

)에서, 송신국 오차, 수신기 오차와 PF, SF, nominal ASF, temporal ASF를 적용하여 보정된 거리 측정치(

)를 계산한다.

이러한 보정된 거리 측정치는 하기 수학식 19와 같다.

[수학식 19]

- 이상 감시 기법 설계 -

수평 위치 오차 계산을 위한 수평 위치는 다음 식으로부터 추정한다.

다음 식으로부터 지구 타원체의 곡률을 계산한다.

다음 식으로부터 H 행렬을 계산한다.

수형 위치 오차 계산은 상술한 과정으로부터 도출한 수평 위치 결과를 알고 있는 수신 안테나의 참 값과 비교하여 오차를 계산하고 임계값과 비교한다.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

10 : 이로란 안테나
100 : 통합 운영 제어국
200 : 보정 기준국
210 : 정밀 시각 생성부
220 : 무정전부
230 : 신호 수신부
240 : RSIM부
241 : 보정 정보 생성부
242 : 이상 감시부
243 : 인터페이스부
244 : 운영부
300 : 송신국
400 : 모니터링국
1000 : 지상파 항법 시스템

Claims

이로란(eLoran) 신호를 수신하고 SS(Signal Strength), SNR, TOA 측정치를 생성하는 신호 수신부;
상기 신호 수신부에 의해 생성되는 측정치로부터 상기 이로란 신호의 송신, 전달, 수신 과정에서 발생한 오차에 대한 보정 정보를 생성하는 보정 정보 생성부; 및
상기 보정 정보 생성부로부터 생성된 보정 정보를 송신국으로 방송하기 전 자체 및 송신국을 통해 방송 한 후 수평 위치 오차 검사를 수행하여 위치 성능을 확인하고 이로란 신호 및 보정 정보의 이상을 감시하는 이상 감시부;를 포함하며,
상기 신호 수신부는 이로란(eLoran) 안테나와, 이로란 수신기를 포함하며,
상기 이로란 안테나는 E-field 안테나 또는 H-field 안테나를 포함하고,
기준국 시스템(RS: Reference Station)용 수신기와 감시국 시스템(IM: Integrity Monitor)용 수신기를 포함하는 상기 이로란 수신기와 연결되는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 신호 수신부는 원자 시계로부터 정밀 시계를 수신하고, 송신국으로부터 이로란 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 신호 수신부는 상기 이로란 수신기에서 해석한 로란 데이터 채널(LDC) 메시지 정보와, 생성한 측정치를 수신기 메시지 형태로 전송하는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 보정 정보 생성부는,
상기 신호 수신부로부터 수신 메시지를 입력받아 데이터 저장부에 저장하며,
보정 정보를 생성하고, 생성된 보정 정보를 송신국, 통합 운영 제어국, 보정 기준국의 이상 감시부로 eLM 메시지 형식으로 전송하고, 외부로부터 eLM 메시지를 수신하며, 기준국 시스템(RS) UI로부터 설정 명령을 수신하는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 이상 감시부는,
상기 신호 수신부로부터 수신 메시지를 입력받아 데이터 저장부에 저장하며,
감시 결과를 송신국, 통합 운영 제어국, 보정 기준국의 보정 정보 생성부로 eLM 메시지 형식으로 전송하고, 외부로부터 eLM 메시지를 수신하며, 감시국 시스템(IM) UI로부터 설정 명령을 수신하는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
제 1 항에 있어서,
원자 시계를 포함하며 정밀 시계 제공 기능을 수행하는 정밀 시각 생성부;를 포함하며,
상기 정밀 시각 생성부는 상기 신호 수신부로 1PPS 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
제 1 항에 있어서,
UPS를 포함하며, 보정 기준국 각각의 장비와 연결되어 전원 공급 중단시 일정 시간 동안 보정 기준국이 정상 운영되도록 전원을 공급하는 무정전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
제 1 항에 있어서,
보정 기준국과, 통합 운영 제어국과, 송신국 사이의 통신 연결을 수행하는 인터페이스부;를 포함하며,
상기 인터페이스부는 상기 송신국, 상기 통합 운영 제어국과의 인터페이스를 위한 eLM(eLoran Message) 메시지를 기반으로 정보를 송수신하는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
제 1 항에 있어서,
기준국 시스템(RS) 운영을 담당하는 RS UI와 감시국 시스템(IM) 운영을 담당하는 IM UI를 포함하는 운영부;를 포함하며,
상기 운영부의 UI는,
보정 기준국의 시스템을 설정하는 시스템 제어 모듈과, 상기 보정 기준국의 시스템 운영 화면을 표시하는 화면 표시 모듈과, 상기 보정 기준국의 데이터를 관리하는 데이터 관리 모듈과, 상기 보정 기준국의 동작 상태를 감시하는 시스템 상태 감시 모듈과, 상기 보정 기준국의 데이터를 저장하는 저장 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 신호 수신부의 이로란 수신기와 상기 이로란 수신기의 안테나 기준 위치를 통해 ASF Correction을 계산하는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 ASF Correction은 상기 신호 수신부의 이로란 수신기가 제공한 측정된 거리(MR)로부터, 측정된 송수신 안테나 위치로 구한 거리를 제외하고, Brunavs 모델을 이용하여 PF와 SF 오차를 제거한 잔여 거리에 Least square를 이용하여 구한 수신기 시계 오차를 제거하여 남은 성분인 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
원자 시계를 포함하며 정밀 시계 제공 기능을 수행하는 정밀 시각 생성부;
UPS를 포함하며, 보정 기준국 각각의 장비와 연결되어 전원 공급 중단시 일정 시간 동안 보정 기준국이 정상 운영되도록 전원을 공급하는 무정전부;
이로란(eLoran) 신호를 수신하고 SS(Signal Strength), SNR, TOA 측정치를 생성하는 신호 수신부; 및
상기 이로란 신호의 송신, 전달, 수신 과정에서 발생한 오차에 대한 보정 정보를 생성하고 이상을 감시하는 RSIM부;를 포함하며,
상기 신호 수신부는 이로란(eLoran) 안테나와, 이로란 수신기를 포함하며,
상기 이로란 안테나는 E-field 안테나 또는 H-field 안테나를 포함하고,
기준국 시스템(RS: Reference Station)용 수신기와 감시국 시스템(IM: Integrity Monitor)용 수신기를 포함하는 상기 이로란 수신기와 연결되는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 RSIM부는,
상기 신호 수신부에 의해 생성되는 측정치로부터 보정 정보를 생성하는 보정 정보 생성부;
상기 보정 정보 생성부로부터 생성된 보정 정보를 송신국을 통한 방송 전과 방송 후에 각각 수신하여 수평 위치 오차 검사를 통해 보정 정보의 상을 감시하는 이상 감시부;
보정 기준국과, 통합 운영 제어국과, 송신국 사이의 통신 연결을 수행하는 인터페이스부; 및
기준국 시스템(RS) 운영을 담당하는 RS UI와 감시국 시스템(IM) 운영을 담당하는 IM UI를 포함하는 운영부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.
송신국에서 방송된 이로란 신호를 안테나를 통해 수신하며, 수신된 이로란 신호의 SS(Signal Strength), SNR, TOA 측정치를 수집하는 신호 수신부;
상기 신호 수신부가 측정치를 생성할 수 있도록 정밀 시계를 제공하는 정밀 시각 생성부; 및
상기 신호 수신부에 의해 생성되는 측정치로부터 상기 이로란 신호의 송신, 전달, 수신 과정에서 발생한 오차에 대한 보정 정보를 생성하고 감시국 시스템(IM)과, 통합 운영 제어국과, 송신국으로 전송하는 보정 정보 생성부;를 포함하며,
상기 신호 수신부는,
수집한 측정치를 dLoran RS로 전송하여 실시간 보정 정보를 생성하는 기준국 시스템(RS)용 수신기와,
dLoran 감시국 시스템(IM)으로 전송하여 감시국 시스템(IM)에서 이상 감시를 수행하는 감시국 시스템(IM)용 수신기를 포함하고,
감시국 시스템(IM)은 기준국 시스템(RS)에서 만든 실시간 보정 정보를 적용한 위치해의 결과를 확인함으로써, 수평 위치 오차 검사를 통해 보정 정보의 이상 감시를 수행하고 수행 결과를 RS와 통합 운영제어국에 전송하는 것을 특징으로 하는,
저주파 기반 지상파 항법시스템의 보정 기준국 시스템.