KR102470953B1 - Apparatus and method for estimating location with low complexity based on lens antenna array using GPS information - Google Patents

Apparatus and method for estimating location with low complexity based on lens antenna array using GPS information Download PDF

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Abstract

본 발명은 기지정된 간격으로 이격되어 배열된 다수의 안테나와 다수의 안테나로부터 기지정된 초점 거리만큼 이격 배치되어 입사되는 RF 신호를 집속시키는 렌즈를 포함하는 렌즈 안테나부, 렌즈 안테나부를 통해 UAV로부터 전송되는 RF 비콘 신호인 수신 신호를 획득하는 RF 신호 수신부, UAV의 현재 위치에 대한 GPS 정보를 획득하고, 획득된 GPS 정보를 기반으로 UAV와의 상대 위치에 따라 GPS 입사각을 계산하는 GPS 정보 획득부 및 렌즈 안테나부로 입사되는 수신 신호의 입사각과 수신 신호에 대한 조건부 확률 밀도 함수로 계산되는 우도를 최대로 하는 추정 입사각을 테일러 근사 기법에 따라 GPS 입사각에 대한 근사식 형태로 근사하여 획득하는 방위 추정부를 포함하여 UAV의 GPS 정보 오차를 보상하여 UAV 방향을 정확하게 추정할 수 있는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.The present invention is transmitted from a UAV through a lens antenna unit including a plurality of antennas arranged at predetermined intervals and a lens arranged apart from the plurality of antennas by a predetermined focal distance to focus an incident RF signal, and through the lens antenna unit An RF signal receiving unit that acquires a received signal, which is an RF beacon signal, a GPS information acquisition unit that obtains GPS information on the current location of the UAV and calculates a GPS incident angle according to the relative position with the UAV based on the obtained GPS information, and a lens antenna UAV including an azimuth estimation unit obtained by approximating the angle of incidence of the received signal incident to the negative and the estimated angle of incidence that maximizes the likelihood calculated by the conditional probability density function for the received signal in the form of an approximate formula for the angle of incidence of GPS according to the Taylor approximation technique It is possible to provide a lens antenna-based orientation estimating device and method capable of accurately estimating the UAV direction by compensating for the GPS information error of the UAV.

Figure R1020200178186
Figure R1020200178186

Description

GPS 정보를 이용한 저복잡도 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치 및 방법{Apparatus and method for estimating location with low complexity based on lens antenna array using GPS information}Apparatus and method for estimating location with low complexity based on lens antenna array using GPS information}

본 발명은 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, GPS 정보를 이용한 저복잡도 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating a direction based on a lens antenna, and relates to an apparatus and method for estimating a direction based on a low-complexity lens antenna using GPS information.

무선 광통신(Free space optical communication: 이하 FSO)은 광섬유로 구성되는 전송선로 없이 대기를 매체로 광신호가 전달되므로, 전송속도, 전송 용량의 제한이 없으며, 주파수 사용에 대한 규제를 받지 않는다. 또한 공간을 매체로 데이터가 전달되므로, 유선광 통신에 비해 광섬유 가설에 필요한 비용 및 설치 시간이 획기적으로 절감되어 효과적인 통신망을 구성할 수 있다는 장점이 있다.Free space optical communication (FSO) is an optical signal transmitted through an air medium without a transmission line composed of optical fibers, so there are no restrictions on transmission speed and transmission capacity, and there are no restrictions on frequency use. In addition, since data is transmitted through space as a medium, cost and installation time required for fiber optic installation are drastically reduced compared to wired optical communication, and an effective communication network can be configured.

FSO는 일반적으로 레이저를 이용하여 광 신호를 전송하는 방식으로써 주로 실외에서 이용되며 수 km의 원거리에서 용이하게 통신을 수행할 수 있다.FSO is generally a method of transmitting an optical signal using a laser, and is mainly used outdoors and can easily perform communication at a distance of several km.

도 1은 FSO 통신 시스템의 일 예를 나타낸다.1 shows an example of an FSO communication system.

도 1에 도시된 바와 같이, FSO 시스템은 유연한 통신 네트워크 구축을 위하여 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle: 이하 UAV)를 이용하는 UAV 기반 네트워크 구조로 구성될 수 있다. UAV 기반 네트워크 구조에서 적어도 하나의 UAV와 지상 기지국(Ground Base Station: 이하 GBS)는 레이저 등을 이용하여 광 신호를 송수신함으로써 매우 넓은 대역폭을 통하여 초고속 통신을 제공할 수 있다.As shown in FIG. 1, the FSO system may be configured with a UAV-based network structure using an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to build a flexible communication network. In a UAV-based network structure, at least one UAV and a ground base station (GBS) transmit and receive optical signals using a laser or the like to provide high-speed communication through a very wide bandwidth.

이와 같이 UAV 기반으로 구축된 FSO 통신 네트워크는 LOS(Line-Of-Sight) 민감성이 높은 FSO 링크에 대하여 UAV의 이동성을 활용하여 유연한 LOS 링크를 확보할 수 있으며, 구축 비용 절감, 네트워크 커패시티 요구에 대한 대응 유연성 확보 등의 추가적인 이득이 있어, 차세대 초고속, 고효율 통신 시스템으로 주목받고 있다.As such, the FSO communication network built on the basis of the UAV can secure a flexible LOS link by utilizing the mobility of the UAV for the FSO link with high LOS (Line-Of-Sight) sensitivity, reducing construction cost and meeting network capacity requirements. It is attracting attention as a next-generation high-speed and high-efficiency communication system because it has additional benefits such as securing flexibility in response to

다만 레이저와 같이 직진성이 높은 광 신호를 이용하여 원거리에서 안정적인 통신을 수행하기 위해서는 광 신호를 정확하게 상대에게 조사할 수 있어야 한다. 즉 UAV와 GBS가 서로 상대의 위치를 정확하게 확인하고, 확인된 위치에 대응하는 방향으로 광 신호를 전송해야만 한다. GBS의 경우 지상의 고정된 위치를 가지지만 UAV는 이동성을 가지므로 수시로 위치의 변화가 발생하므로, FSO 통신을 위해서는 GBS가 UAV의 위치를 정확하게 확인하여, 확인된 방향으로 광 신호를 전송할 수 있어야만 한다.However, in order to perform stable communication at a long distance using an optical signal having high linearity such as a laser, it is necessary to accurately irradiate the optical signal to the other party. That is, the UAV and the GBS must accurately identify each other's location and transmit an optical signal in a direction corresponding to the confirmed location. In the case of GBS, it has a fixed location on the ground, but since UAV is mobile, its location changes from time to time. Therefore, for FSO communication, GBS must be able to accurately determine the location of the UAV and transmit optical signals in the confirmed direction. .

이에 기존에는 UAV가 인공위성(SAT)을 이용하여 자신의 위치를 나타내는 GPS(Global Positioning System) 정보를 획득하고, 획득된 GPS 정보를 GBS로 전송하여, 상호 FSO 통신이 수행될 수 있도록 하였다.Accordingly, conventionally, a UAV obtains GPS (Global Positioning System) information indicating its location using a satellite (SAT), and transmits the obtained GPS information to GBS, so that mutual FSO communication can be performed.

그러나 잘 알려진 바와 같이, GPS 정보 또한 일정 수준의 오차를 가지며, 이러한 GPS 정보의 오차는 통상적으로 FSO 통신에서 광 신호를 전송하기 위해 요구되는 오차 한계를 초과한다. 따라서 광 신호가 UAV로 안정적으로 전송되도록 UAV가 위치하는 방향을 정확하게 추정할 수 있는 기법이 요구되고 있다.However, as is well known, GPS information also has a certain level of error, and the error of this GPS information typically exceeds the error limit required to transmit optical signals in FSO communications. Therefore, there is a need for a technique capable of accurately estimating the direction in which the UAV is positioned so that the optical signal is stably transmitted to the UAV.

한국 공개 특허 제10-2018-0094943호 (2018.08.24 공개)Korean Patent Publication No. 10-2018-0094943 (published on August 24, 2018)

본 발명의 목적은 수신되는 UAV의 GPS 정보 오차를 보상하여 UAV 방향을 정확하게 추정할 수 있는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating azimuth based on a lens antenna capable of accurately estimating a UAV direction by compensating for an error in GPS information of a received UAV.

본 발명의 다른 목적은 미리 획득된 GPS 정보와 렌즈 안테나를 통해 인가되는 RF 수신 신호를 기반으로 UAV가 위치하는 실제 방향과 GPS 정보에 따른 방향 사이의 오차를 추정하는 함수를 획득함으로써, 추가적인 정보 없이 GPS 정보만으로 UAV 방향을 정확하게 추정할 수 있는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to obtain a function for estimating the error between the actual direction in which the UAV is located and the direction according to the GPS information based on the previously obtained GPS information and the RF received signal applied through the lens antenna, without additional information. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating a direction based on a lens antenna capable of accurately estimating a UAV direction using only GPS information.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치는 기지정된 간격으로 이격되어 배열된 다수의 안테나와 상기 다수의 안테나로부터 기지정된 초점 거리만큼 이격 배치되어 입사되는 RF 신호를 집속시키는 렌즈를 포함하는 렌즈 안테나부; 상기 렌즈 안테나부를 통해 무인항공기(이하 UAV)로부터 전송되는 RF 비콘 신호인 수신 신호(x)를 획득하는 RF 신호 수신부; 상기 UAV의 현재 위치에 대한 GPS 정보를 획득하고, 획득된 GPS 정보를 기반으로 상기 UAV와의 상대 위치에 따라 GPS 입사각(øgps)을 계산하는 GPS 정보 획득부; 및 상기 렌즈 안테나부로 입사되는 상기 수신 신호(x)의 입사각(ø)과 수신 신호(x)에 대한 조건부 확률 밀도 함수(f(ø|x))로 계산되는 우도(likelihood)를 최대로 하는 추정 입사각(øest)을 테일러 근사 기법에 따라 GPS 입사각(øgps)에 대한 근사식 형태로 근사하여 획득하는 방위 추정부를 포함한다.In order to achieve the above object, a lens antenna-based orientation estimation device according to an embodiment of the present invention is a plurality of antennas arranged spaced apart at predetermined intervals and an RF signal incident from the plurality of antennas spaced apart from each other by a predetermined focal distance. A lens antenna unit including a lens for focusing; an RF signal receiving unit for obtaining a received signal ( x ) that is an RF beacon signal transmitted from an unmanned aerial vehicle (UAV) through the lens antenna unit; a GPS information acquisition unit that obtains GPS information about the current location of the UAV and calculates a GPS incident angle (ø gps ) according to a relative location with the UAV based on the obtained GPS information; and estimation that maximizes the likelihood calculated by the conditional probability density function (f(ø| x )) for the received signal ( x ) and the angle of incidence (ø) of the received signal ( x ) incident on the lens antenna unit. It includes an orientation estimating unit for approximating the incident angle (ø est ) in the form of an approximation formula for the GPS incident angle (ø gps ) according to a Taylor approximation technique.

상기 방위 추정부는 상기 수신 신호(x)에서 노이즈가 제거된 기대 신호와 수신 신호(x) 사이의 차이를 상기 GPS 입사각(øgps)과 실제 수신 신호(x)의 입사각(ø) 사이의 차이로 고려하여, 상기 추정 입사각(øest)을 근사된 수학식 The direction estimator converts the difference between the expected signal from which noise is removed from the received signal ( x ) and the received signal ( x ) into the difference between the GPS incident angle (ø gps ) and the incident angle (ø) of the actual received signal ( x ). Taking into account, the approximated equation for the estimated angle of incidence (ø est )

Figure 112020137867659-pat00001
Figure 112020137867659-pat00001

(여기서 g는 수신 신호(x)의 수신 파워, Agps)는 GPS 입사각(øgps)에 따른 수신 신호(x)의 진폭, s는 조향 벡터, ejb 는 각 안테나와 렌즈 중심 사이 거리(z)에 따른 위상 변화를 나타내고, γ는 수신 신호에 대한 신호대 잡음비(SNR)로서 γ = g2/2σn 2으로 계산되며, σgps 는 GPS 입사각(øgps)에 대한 표준 편차를 나타낸다.)에 따라 계산할 수 있다.(Where g is the received power of the received signal ( x ), A ( ø gps ) is the amplitude of the received signal ( x ) according to the GPS incidence angle ( ø gps ), s is the steering vector, e jb is the distance between each antenna and the center of the lens Represents the phase change according to (z), γ is the signal-to-noise ratio (SNR) for the received signal, calculated as γ = g 2 /2σ n 2 , and σ gps represents the standard deviation for the GPS incident angle (ø gps ). ) can be calculated according to

상기 방위 추정부는 수학식 The orientation estimation unit is expressed by Equation

Figure 112020137867659-pat00002
Figure 112020137867659-pat00002

(여기서 g는 수신 신호(x)의 수신 파워, A(ø)는 수신 신호(x)의 입사각(ø)에 따른 진폭을 나타내고, s는 조향 벡터, ejb 는 각 안테나와 렌즈 중심 사이 거리(z)에 따른 위상 변화를 나타내며, n은 노이즈를 나타낸다.)으로 표현되는 수신 신호(x)의 싱크 형태의 진폭(A(ø))을 수학식 (Where g is the received power of the received signal ( x ), A (ø) represents the amplitude according to the angle of incidence (ø) of the received signal ( x ), s is the steering vector, e jb is the distance between each antenna and the center of the lens ( Represents the phase change according to z), and n represents noise. The amplitude ( A (ø)) of the sink form of the received signal ( x ) expressed as Equation

Figure 112020137867659-pat00003
Figure 112020137867659-pat00003

(여기서 n은 안테나 인덱스, L은 렌즈의 직경, z는 안테나와 렌즈 중심 사이 거리, d는 안테나간 거리, λ는 RF 신호의 파장을 나타내며, sinc[]는 싱크 함수를 나타낸다.)으로 계산할 수 있다.(Where n is the antenna index, L is the diameter of the lens, z is the distance between the antenna and the center of the lens, d is the distance between the antennas, λ represents the wavelength of the RF signal, and sinc[] represents the sync function.) have.

상기 GPS 정보 획득부는 상기 UAV로부터 RF 신호 형태로 전송되는 상기 GPS 정보를 획득하여 미리 저장할 수 있다.The GPS information obtaining unit may acquire and store the GPS information transmitted in the form of an RF signal from the UAV in advance.

상기 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치는 획득된 추정 입사각(øest)에 따라 광 신호의 조향 방향을 조절하고 조절된 조향 방향으로 광 신호를 송수신하는 광 통신부를 더 포함할 수 있다.The lens antenna-based orientation estimating apparatus may further include an optical communication unit configured to adjust a steering direction of an optical signal according to the obtained estimated incident angle ø est and transmit/receive the optical signal in the adjusted steering direction.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 안테나 기반 방위 추정 방법은 기지정된 간격으로 이격 배열되어 렌즈에 의해 집속되는 RF 신호를 인가받는 다수의 안테나를 통해 무인항공기(이하 UAV)로부터 전송되는 RF 비콘 신호인 수신 신호(x)를 획득하는 단계; 상기 UAV의 현재 위치에 대한 GPS 정보를 획득하고, 획득된 GPS 정보를 기반으로 상기 UAV와의 상대 위치에 따라 GPS 입사각(øgps)을 계산하는 단계; 및 상기 수신 신호(x)가 상기 다수의 안테나로 입사되는 입사각(ø)과 수신 신호(x)에 대한 조건부 확률 밀도 함수(f(ø|x))로 계산되는 우도(likelihood)를 최대로 하는 추정 입사각(øest)을 테일러 근사 기법에 따라 GPS 입사각(øgps)에 대한 근사식 형태로 근사하여 획득하는 단계를 포함한다.A method for estimating a bearing based on a lens antenna according to another embodiment of the present invention for achieving the above object is arranged spaced apart at a predetermined interval from an unmanned aerial vehicle (UAV) through a plurality of antennas receiving RF signals focused by a lens. Obtaining a received signal ( x ) that is a transmitted RF beacon signal; Obtaining GPS information on the current location of the UAV, and calculating a GPS incident angle (ø gps ) according to a relative location with the UAV based on the obtained GPS information; And to maximize the likelihood calculated by the conditional probability density function (f(ø| x )) for the received signal ( x ) and the incident angle (ø) at which the received signal ( x ) is incident on the plurality of antennas. A step of approximating the estimated angle of incidence (ø est ) in the form of an approximate formula for the angle of incidence (ø gps ) of the GPS according to a Taylor approximation technique and obtaining it.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치 및 방법은 미리 획득된 GPS 정보와 렌즈 안테나를 통해 인가되는 RF 수신 신호를 기반으로 UAV가 위치하는 실제 방향과 GPS 정보에 따른 방향 사이의 오차를 추정하는 함수를 획득하고, 획득된 함수를 이용하여 이후 수신되는 UAV의 GPS 정보 오차를 보상하여 UAV 방향을 정확하게 추정할 수 있다. 그러므로 추가적인 정보 없이 GPS 정보만으로 UAV 방향을 정확하게 추정하여 안정적인 FSO 통신을 수행할 수 있도록 한다.Therefore, an apparatus and method for estimating azimuth based on a lens antenna according to an embodiment of the present invention is based on pre-obtained GPS information and an RF received signal applied through a lens antenna to determine the difference between the actual direction where the UAV is located and the direction according to the GPS information. A function for estimating an error may be obtained, and a UAV direction may be accurately estimated by compensating for an error in GPS information of the UAV received thereafter using the acquired function. Therefore, it is possible to perform stable FSO communication by accurately estimating the UAV direction only with GPS information without additional information.

도 1은 FSO 통신 시스템의 일 예를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치의 개략적 구조를 나타낸다.
도 3은 도 2의 렌즈 안테나부와 수신 신호가 입사되는 방위를 나타낸다.
도 4는 도 3의 렌즈 안테나에 수신되는 수신 신호와 기대 신호 사이의 차이의 일 예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 안테나 기반 방위 추정 방법을 나타낸다.
1 shows an example of an FSO communication system.
2 shows a schematic structure of an orientation estimation device based on a lens antenna according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a direction in which the lens antenna unit of FIG. 2 and a received signal are incident.
FIG. 4 shows an example of a difference between a received signal received by the lens antenna of FIG. 3 and an expected signal.
5 illustrates a lens antenna-based orientation estimation method according to an embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention and its operational advantages and objectives achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the described embodiments. And, in order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings indicate the same members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that it may further include other components, not excluding other components unless otherwise stated. In addition, terms such as "... unit", "... unit", "module", and "block" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware, software, or hardware. And it can be implemented as a combination of software.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치의 개략적 구조를 나타내고, 도 3은 도 2의 렌즈 안테나부와 수신 신호가 입사되는 방위를 나타내며, 도 4는 도 3의 렌즈 안테나에 수신되는 수신 신호와 기대 신호 사이의 차이의 일 예를 나타낸다.2 shows a schematic structure of an orientation estimation device based on a lens antenna according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 shows a direction in which the lens antenna unit of FIG. 2 and a received signal are incident, and FIG. 4 shows the lens antenna of FIG. 3 An example of the difference between the received signal and the expected signal is shown.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치는 렌즈 안테나부(110), RF 신호 수신부(120), GPS 정보 획득부(130), 방위 추정부(140) 및 광 통신부(150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the lens antenna-based orientation estimation device according to the present embodiment includes a lens antenna unit 110, an RF signal receiver 120, a GPS information acquisition unit 130, a direction estimation unit 140, and an optical communication unit ( 150) may be included.

본 실시예에서는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치가 GBS에 구비되어 UAV로부터 전송되는 RF 신호를 수신하거나 UAV로 RF 신호를 송신할 수 있는 것으로 가정하여 설명한다. 이는 UAV가 위치가 수시로 변화하는 이동 가능한 장치인 반면 GBS는 지상에 고정된 장치이기 때문이다. 도 1에 도시된 바와 같이, FSO 통신 시스템에서 GBS와 USV는 광 신호를 송수신하여 통신을 수행한다. 그러나 GBS와 UAV가 광 신호를 이용하여 통신을 수행하기 위해서는 서로 상대의 위치를 정확하게 인지하고, 인지된 위치에 따른 방위로 광 신호를 조사할 수 있어야만 한다. 따라서 위치가 정확하게 파악되기 이전에는 FSO 통신을 수행하기 어려우며, GBS는 항시 UAV를 제어하여 UAV가 이동해야 하는 위치를 지정할 수 있어야 하므로, 일반적으로 GBS와 USV는 FSO 통신 이외에도 RF 통신을 수행할 수 있도록 구성된다.In this embodiment, it is assumed that the lens antenna-based direction estimation device is provided in the GBS and can receive an RF signal transmitted from the UAV or transmit the RF signal to the UAV. This is because the UAV is a mobile device whose location changes frequently, whereas the GBS is a fixed device on the ground. As shown in FIG. 1, in the FSO communication system, GBS and USV perform communication by transmitting and receiving optical signals. However, in order for the GBS and the UAV to communicate using optical signals, they must be able to accurately recognize each other's position and irradiate the optical signal in a direction according to the recognized position. Therefore, it is difficult to perform FSO communication until the location is accurately determined, and GBS must always control the UAV to designate the location to which the UAV must move. It consists of

특히 본 실시예에서 UAV는 GBS에 구비되는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치가 미리 획득된 UAV의 위치를 나타내는 GPS 정보의 오차를 보정할 수 있도록 GBS로 RF 비콘 신호(RF Beacon Signal)(이하 RF 신호)를 전송할 수도 있다.In particular, in this embodiment, the UAV is an RF Beacon Signal (hereinafter referred to as RF signal) to the GBS so that the lens antenna-based orientation estimation device provided in the GBS can correct the error of the GPS information indicating the position of the UAV obtained in advance. can also be sent.

렌즈 안테나부(110)는 USV에서 전송되는 RF 신호를 RF 신호 수신부(120)로 전달한다.The lens antenna unit 110 transfers the RF signal transmitted from the USV to the RF signal receiver 120 .

도 3에 도시된 바와 같이, 렌즈 안테나부(110)는 기지정된 간격(d)으로 이격되어 배열된 다수의 안테나(ANT)와 다수의 안테나(ANT)로부터 초점 거리(Focal Length)(f)만큼 이격되어 배치되는 렌즈(Lens)를 포함한다. 여기서 렌즈(Lens)는 볼록 렌즈 구조를 가져 UAV에서 전송되어 평면파에 가까운 형태로 입사되는 RF 신호를 집속시킨다. 다수의 안테나(ANT) 각각은 렌즈(Lens)를 통해 집속된 RF 신호를 인가받는다.As shown in FIG. 3, the lens antenna unit 110 is spaced apart from each other by a focal length (f) from the plurality of antennas (ANT) and the plurality of antennas (ANT) arranged at a predetermined interval (d). It includes lenses disposed spaced apart from each other. Here, the lens has a convex lens structure and focuses the RF signal transmitted from the UAV and incident in a form close to a plane wave. Each of the plurality of antennas ANT receives a focused RF signal through a lens.

이때 다수의 안테나(ANT)는 렌즈(Lens)에 의해 집속된 RF 신호를 인가받게 되므로, 다수의 안테나(ANT)에 수신되는 RF 신호의 위상은 서로 상이하게 된다. 특히 다수의 안테나(ANT)에 수신되는 RF 신호의 위상은 렌즈(Lens)의 중심에 대해 각 안테나가 배치된 위치와 RF 신호의 입사되는 입사각(또는 도래각)(ø)에 따라 상이해지게 된다. 여기서는 n개의 안테나(ANT)가 1차원 배열 형태로 배치되는 것으로 가정하여 설명하며, 각 안테나의 인덱스를 n으로 표현하였다.At this time, since the plurality of antennas ANT receives the RF signals focused by the lens, the phases of the RF signals received by the plurality of antennas ANT are different from each other. In particular, the phase of the RF signal received by the plurality of antennas ANT is different depending on the location where each antenna is disposed with respect to the center of the lens and the angle of incidence (or angle of arrival) ø of the RF signal. . Here, it is assumed that n antennas (ANTs) are arranged in a one-dimensional array, and the index of each antenna is expressed as n.

그리고 RF 신호 수신부(120)는 렌즈 안테나부(110)의 다수의 안테나(ANT)로 전송된 RF 신호를 수신 신호(x)로 획득하여 GPS 정보 획득부(130)와 방위 추정부(140)로 전달한다.Further, the RF signal receiving unit 120 obtains the RF signal transmitted through the plurality of antennas ANT of the lens antenna unit 110 as a received signal ( x ) to the GPS information obtaining unit 130 and the direction estimation unit 140. convey

RF 신호가 평면파와 유사한 형태로 렌즈 안테나부(110)를 통해 수신되는 경우, RF 신호 수신부(120)는 싱크 형태의 진폭(A(ø))에 노이즈(n)가 추가된 형태의 수신 신호(x)를 획득하게 되며, 이에 수신 신호(x)는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.When an RF signal is received through the lens antenna unit 110 in a form similar to a plane wave, the RF signal receiver 120 receives a received signal (n) in the form of adding noise ( n ) to the amplitude ( A (ø)) of the sink form. x ) is obtained, and thus the received signal ( x ) can be expressed as in Equation 1.

Figure 112020137867659-pat00004
Figure 112020137867659-pat00004

여기서 g는 수신 신호(x)의 수신 파워, A(ø)는 수신 신호(x)의 입사각(ø)에 따른 진폭을 나타내고, s는 조향 벡터, ejb 는 각 안테나와 렌즈 중심 사이 거리(z)에 따른 위상 변화를 나타내며, n은 노이즈를 나타낸다.where g is the received power of the received signal ( x ), A (ø) represents the amplitude according to the angle of incidence (ø) of the received signal ( x ), s is the steering vector, e jb is the distance between each antenna and the center of the lens (z ), and n represents noise.

그리고 진폭(A(ø))은 수학식 2로 표현된다.And the amplitude ( A (ø)) is expressed by Equation 2.

Figure 112020137867659-pat00005
Figure 112020137867659-pat00005

(여기서 n은 안테나 인덱스, L은 렌즈의 직경, z는 안테나와 렌즈 중심 사이 거리, d는 안테나간 거리, λ는 RF 신호의 파장을 나타내며, sinc[]는 싱크 함수를 나타낸다.)(Where n is the antenna index, L is the diameter of the lens, z is the distance between the antenna and the center of the lens, d is the distance between the antennas, λ represents the wavelength of the RF signal, and sinc[] represents the sync function.)

여기서는 수신 신호(x)를 싱크 형태의 신호 모델로 모델링하여 수학식 2와 같이 싱크 함수(sinc[])를 사용하여 표현하였으나, 다른 형태의 신호 모델로 모델링될 수도 있다.Here, the received signal ( x ) is modeled as a signal model of a sink type and expressed using a sink function (sinc[]) as shown in Equation 2, but it may be modeled as a signal model of another type.

GPS 정보 획득부(130)는 UAV의 위치를 나타내는 GPS 정보를 획득한다. 여기서 GPS 정보는 일 예로 RF 통신으로 UAV로부터 GPS 정보를 수신할 수 있으며, 다른 방식으로 UAV에 대한 GPS 정보를 획득할 수도 있다. RF 통신으로 GPS 정보를 수신하는 경우, GPS 정보 획득부(130)는 신호 수신부(120)에서 획득된 수신 신호로부터 GPS 정보를 추출하여 획득할 수 있다.The GPS information acquisition unit 130 acquires GPS information indicating the location of the UAV. Here, the GPS information may receive GPS information from the UAV through RF communication, for example, and may obtain GPS information about the UAV in another method. When GPS information is received through RF communication, the GPS information obtainer 130 may extract and obtain GPS information from the received signal obtained by the signal receiver 120 .

그리고 획득된 GPS 정보에 따른 UAV의 위치로부터의 GPS 입사각(øgps)을 계산한다. GPS 정보 획득부(130)는 GBS에 RF 신호가 전송되기 이전 UAV로부터 사전에 인가되는 GPS 정보를 인가받아 GPS 입사각(øgps)을 계산한다. 여기서 GPS 입사각(øgps)은 UAV와 GBS에 대해 획득된 GPS 위치 정보를 기반으로 상대 위치를 계산하여 획득될 수 있다. 또한 계산된 GPS 입사각(øgps)으로부터 GPS 진폭(Agps))을 계산한다. GPS 진폭(Agps))은 수학식 2를 이용하여 계산될 수 있다.And calculates the GPS angle of incidence (ø gps ) from the position of the UAV according to the acquired GPS information. The GPS information acquiring unit 130 calculates a GPS incident angle (ø gps ) by receiving previously applied GPS information from the UAV before transmitting an RF signal to the GBS. Here, the GPS angle of incidence (ø gps ) may be obtained by calculating relative positions based on GPS location information obtained for the UAV and the GBS. In addition, the GPS amplitude ( Agps )) is calculated from the calculated GPS angle of incidence (ø gps ). The GPS amplitude ( Agps )) can be calculated using Equation 2.

방위 추정부(140)는 RF 신호 수신부(120)로부터 수신 신호(x)를 인가받고, 인가된 수신 신호(x)를 기반으로 GPS 정보 획득부(130)에서 계산된 GPS 입사각(øgps)의 오차를 보정하여, 수신 신호(x)의 입사각(ø)을 추정한다.The direction estimation unit 140 receives the received signal ( x ) from the RF signal receiver 120, and calculates the GPS incident angle (ø gps ) in the GPS information acquisition unit 130 based on the applied received signal ( x ). By correcting the error, the incident angle (ø) of the received signal ( x ) is estimated.

수학식 1의 수신 신호(x)에서 노이즈가 제거된 신호를 기대 신호(Expected signal)라고 하면, 기대 신호는

Figure 112020137867659-pat00006
로 나타날 수 있으며, GPS 정보에 따른 UAV의 위치에 따른 GPS 입사각(øgps)에서의 신호로 고려할 수 있다. 즉 실제 UAV의 위치에서의 수신 신호(x)의 입사각(ø)과 GPS 정보에 따른 UAV의 위치에서의 GPS 입사각(øgps) 사이의 오차로 인해 노이즈가 발생된 것으로 고려할 수 있다.If the signal from which noise is removed from the received signal ( x ) in Equation 1 is called an expected signal, the expected signal is
Figure 112020137867659-pat00006
, and can be considered as a signal at the GPS angle of incidence (ø gps ) according to the position of the UAV according to the GPS information. That is, it can be considered that noise is generated due to an error between the angle of incidence (ø) of the received signal ( x ) at the location of the actual UAV and the angle of incidence (ø gps ) of the GPS at the location of the UAV according to the GPS information.

그리고 각 안테나(ANT)의 위치에 따라 기대 신호와 실제 수신 신호(x) 사이의 차이가 서로 다르게 나타난다. 도 4는 다수의 안테나(ANT) 각각의 위치에 따른 수신 신호(x)와 기대 신호 사이의 진폭(A(ø)) 차이를 나타낸다. 따라서 In addition, the difference between the expected signal and the actual received signal ( x ) appears differently depending on the position of each antenna (ANT). 4 shows a difference in amplitude ( A (ø)) between a received signal ( x ) and an expected signal according to positions of each of a plurality of antennas (ANT). therefore

다수의 안테나(ANT)에 실제 수신되는 수신 신호(x)와 기대 신호 사이의 차이로부터 GPS 입사각(øgps)에 대한 수신 신호(x)의 입사각(ø)의 차이를 역으로 추정할 수 있다. 즉 다수의 안테나(ANT) 각각에 대한 수신 신호(x)와 기대 신호 사이의 차이를 이용하여 GPS 입사각(øgps)을 실제 수신 신호(x)에 대한 입사각(ø)을 추정할 수 있다.The difference between the incident angle ø of the received signal x with respect to the GPS incident angle ø gps can be inversely estimated from the difference between the received signal x actually received by the plurality of antennas ANT and the expected signal. That is, the GPS incidence angle (ø gps ) can be estimated using the difference between the received signal ( x ) for each of the plurality of antennas (ANT) and the expected signal (ø) for the actual received signal ( x ).

상기한 바와 같이, 수신 신호(x)와 기대 신호 사이의 차이를 노이즈로 고려한다면, 입사각(ø)에 따른 수신 신호(x)의 우도(likelihood)를 획득할 수 있다. 여기서 우도는 입사각(ø)이 결정될 때 수신 신호가 수학식 1과 같이 나타날 확률로서, 입사각(ø)과 수신 신호(x)에 대한 조건부 확률 밀도 함수(f(ø|x))를 이용하여 수학식 3과 같은 조건부 확률로 계산될 수 있다.As described above, if the difference between the received signal ( x ) and the expected signal is considered as noise, the likelihood of the received signal ( x ) according to the incident angle (ø) can be obtained. Here, the likelihood is the probability that the received signal appears as shown in Equation 1 when the incident angle (ø) is determined, and is calculated using the conditional probability density function (f(ø| x )) for the incident angle (ø) and the received signal ( x ). It can be calculated with the conditional probability as shown in Equation 3.

Figure 112020137867659-pat00007
Figure 112020137867659-pat00007

그리고 방위 추정부(140)는 수학식 3의 조건부 확률(f(ø|x))을 최대로 하는 입사각(øest)을 추정하는 것을 목적으로 한다. 즉 방위 추정부(140)의 목적 함수는 수학식 4로 표현될 수 있다.Further, the orientation estimator 140 aims to estimate an incident angle (ø est ) that maximizes the conditional probability (f(ø| x )) of Equation 3. That is, the objective function of the orientation estimator 140 may be expressed by Equation 4.

Figure 112020137867659-pat00008
Figure 112020137867659-pat00008

다만 여기서는 수신 신호(x)가 싱크 함수 형태를 갖는 것으로 가정하였으므로, 우도를 계산하기 위한 조건부 확률 밀도 함수 역시 볼록 함수 형태로 나타나지 않기 때문에, 최대 우도를 갖는 추정 입사각(øest)을 탐색하기 위해서는 즉, 수학식 4의 해를 찾기 위해서는 모든 가능한 모든 입사각(ø)에 대한 풀서치가 필요하다. 그러나 모든 입사각(ø)에 대한 풀서치는 매우 많은 연산을 요구하므로 실시간 처리가 어렵다는 한계가 있다. 특히 UAV의 위치가 수시로 이동될 수 있으므로, 저복잡도로 최대 우도를 갖는 추정 입사각(øest)을 추정할 수 있어야 한다.However, since it is assumed here that the received signal ( x ) has the form of a sync function, the conditional probability density function for calculating the likelihood also does not appear in the form of a convex function. , In order to find the solution of Equation 4, a full search for all possible angles of incidence (ø) is required. However, since full search for all angles of incidence (ø) requires a lot of computation, real-time processing is difficult. In particular, since the position of the UAV may be frequently moved, it is necessary to be able to estimate the estimated angle of incidence (ø est ) with a maximum likelihood with low complexity.

이에 본 실시예의 방위 추정부(140)는 GPS 정보 획득부(130)에서 획득된 GPS 정보를 기반으로 계산되는 GPS 입사각(øgps)의 오차를 보정하는 방식으로 최대 우도를 갖는 수신 신호(x)의 추정 입사각(øest)을 저복잡도로 추정한다.Accordingly, the direction estimation unit 140 of the present embodiment corrects the error of the GPS angle of incidence (ø gps ) calculated based on the GPS information acquired by the GPS information acquisition unit 130, and obtains the received signal ( x ) having the maximum likelihood. Estimate the estimated angle of incidence (ø est ) with low complexity.

수학식 3에서 수신 신호(x)와 입사각(ø)에 대한 조건부 확률(f(x|ø))과 확률 밀도 함수(f())에 따른 입사각(ø)에 대한 확률(f(ø))은 각각 수학식 5와 수학식 6으로 계산된다.In Equation 3, the conditional probability (f( x |ø)) for the received signal ( x ) and the angle of incidence (ø) and the probability (f(ø)) for the angle of incidence (ø) according to the probability density function (f()) are calculated by Equations 5 and 6, respectively.

Figure 112020137867659-pat00009
Figure 112020137867659-pat00009

여기서 *는 에르미트(Hermitian) 행렬을 나타내며, σn 은 N개의 안테나(ANT)의 입사각(ø)에 대한 표준 편차를 나타낸다.Here, * denotes a Hermitian matrix, and σ n denotes a standard deviation of incident angles (ø) of N antennas (ANT).

Figure 112020137867659-pat00010
Figure 112020137867659-pat00010

여기서 σgps 는 GPS 입사각(øgps)에 대한 표준 편차를 나타낸다.Here, σ gps represents the standard deviation for the GPS angle of incidence (ø gps ).

그리고 수학식 4를 만족시키는 추정 입사각(øest)을 획득하기 위해, 수학식 3으로부터 수학식 7을 획득할 수 있다.In addition, in order to obtain an estimated angle of incidence (ø est ) that satisfies Equation 4, Equation 7 may be obtained from Equation 3.

Figure 112020137867659-pat00011
Figure 112020137867659-pat00011

수학식 7을 만족하는 입사각(ø)이 조건부 확률(f(ø|x))의 극대 또는 극소점에 대한 입사각(ø)으로 추정 입사각(øest)이라 할 수 있다.The angle of incidence ø that satisfies Equation 7 is the angle of incidence ø for the maximum or minimum point of the conditional probability f(ø| x ), and may be referred to as the estimated incident angle ø est .

그리고 수학식 7에서

Figure 112020137867659-pat00012
는 수학식 5로부터 수학식 8과 같이 획득될 수 있다.And in Equation 7
Figure 112020137867659-pat00012
Can be obtained from Equation 5 as in Equation 8.

Figure 112020137867659-pat00013
Figure 112020137867659-pat00013

수학식 8에서

Figure 112020137867659-pat00014
는 수학식 9로 계산된다.in Equation 8
Figure 112020137867659-pat00014
is calculated by Equation 9.

Figure 112020137867659-pat00015
Figure 112020137867659-pat00015

한편 GPS 정보가 일반적인 수준의 신뢰도를 갖는다고 할 때, GPS 입사각(øgps)이 주어지면, 확률 밀도 함수(f())에 따른 GPS 확률(f(øgps))과 조건부 확률(f(x|ø))의 곱은 실제 UAV에서 인가된 수신 신호(x)에 대한 조건부 확률(f(ø|x))과 비례한다. 따라서 입사각(ø)과 수신 신호(x)에 대한 조건부 확률(f(ø|x))을 GPS 확률(f(øgps))과 조건부 확률(f(x|ø))로부터 계산될 수 있다.On the other hand, assuming that GPS information has a general level of reliability, given the GPS incident angle (ø gps ), the GPS probability (f(ø gps )) and the conditional probability (f( x ) according to the probability density function (f()) The product of |ø)) is proportional to the conditional probability (f(ø| x )) for the received signal ( x ) applied from the actual UAV. Therefore, the conditional probability f(ø| x ) for the incident angle ø and the received signal x can be calculated from the GPS probability f(ø gps ) and the conditional probability f( x |ø).

따라서 GPS 입사각(øgps)이 주어지면, 수학식 2의 진폭(A(ø))은 테일러 근사(Taylor approximation) 기법에 따라 수학식 10과 같이 근사될 수 있다. Therefore, given the GPS incident angle (ø gps ), the amplitude ( A (ø)) of Equation 2 can be approximated as in Equation 10 according to the Taylor approximation technique.

Figure 112020137867659-pat00016
Figure 112020137867659-pat00016

여기서 A'gps)는 Agps)의 미분을 나타낸다.Here , A'gps ) represents the derivative of Agps ).

그리고 수학식 9에 수학식 10의 테일러 근사된 진폭을 적용하면, 수학식 8은 수학식 11로 표현된다.And when the Taylor approximated amplitude of Equation 10 is applied to Equation 9, Equation 8 is expressed as Equation 11.

Figure 112020137867659-pat00017
Figure 112020137867659-pat00017

또한 수학식 7의 f'(x|ø)는 수학식 12로 표현된다.Also, f'( x |ø) in Equation 7 is expressed by Equation 12.

Figure 112020137867659-pat00018
Figure 112020137867659-pat00018

수학식 11과 수학식 12의 근사식을 이용하여, 수학식 7을 계산하면, 추정 입사각(øest)은 수학식 13에 따라 계산될 수 있다.When Equation 7 is calculated using the approximations of Equations 11 and 12, the estimated incident angle (ø est ) can be calculated according to Equation 13.

Figure 112020137867659-pat00019
Figure 112020137867659-pat00019

여기서 γ는 수신 신호에 대한 신호대 잡음비(SNR)로서 γ = g2/2σn 2으로 계산될 수 있다.Here, γ is the signal-to-noise ratio (SNR) of the received signal and can be calculated as γ = g 2 /2σ n 2 .

결과적으로 본 실시예에 따른 방위 추정부(140)는 테일러 근사 기법에 의해 근사된 수학식 13에 GPS 정보로부터 획득되는 GPS 진폭 Agps)과 수신 신호(x)로부터 UAV의 위치에 대응하는 추정 입사각(øest)을 적은 연산량으로 간단하게 획득할 수 있다.As a result, the orientation estimator 140 according to the present embodiment corresponds to the position of the UAV from the GPS amplitude Agps ) obtained from the GPS information and the received signal ( x ) in Equation 13 approximated by the Taylor approximation technique The estimated angle of incidence (ø est ) can be easily obtained with a small amount of computation.

광 통신부(150)는 방위 추정부(140)에서 추정된 추정 입사각(øest)에 따라 UAV 방향으로 조향하여 광 신호를 송수신한다. 광 통신부(150)는 광 조향부(151)와 광 송수신부(152)를 포함할 수 있다. 광 조향부(151)는 방위 추정부(140)에서 추정된 추정 입사각(øest)에 따라 광 신호를 송신하거나, 수신하기 위한 방향을 조절한다. 그리고 광 송수신부(152)는 광 조향부(151)에 의해 조향된 방향에서 광 신호를 송신하거나, 수신되는 광 신호를 감지하여 전기 신호로 변환할 수 있다. 광 송수신부(152)는 레이저 소자나 광 디텍터 등을 포함하여 구성될 수 있다.The optical communication unit 150 transmits and receives an optical signal by steering in the UAV direction according to the estimated incident angle (ø est ) estimated by the azimuth estimation unit 140 . The optical communication unit 150 may include a light steering unit 151 and an optical transmission/reception unit 152 . The light steering unit 151 adjusts the direction for transmitting or receiving the light signal according to the estimated incident angle ø est estimated by the direction estimation unit 140 . Further, the light transmission/reception unit 152 may transmit an optical signal in the direction steered by the light steering unit 151 or may detect a received optical signal and convert it into an electrical signal. The light transmitting/receiving unit 152 may include a laser device or a light detector.

상기에서는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치가 GBS에 구비되는 경우를 예로 들어 설명하였으나, UAV의 이동에 의해 UAV 또한 GBS로 광 신호를 조사할 수 있도록 방향을 조절할 필요성이 발생할 수 있다. 따라서 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치는 UAV에도 구비될 수도 있다.In the above, the case where the lens antenna-based direction estimation device is provided in the GBS has been described as an example, but the movement of the UAV may cause the need to adjust the direction so that the UAV can also irradiate an optical signal to the GBS. Accordingly, the lens antenna-based direction estimation device may also be provided in a UAV.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 안테나 기반 방위 추정 방법을 나타낸다.5 illustrates a lens antenna-based orientation estimation method according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 4를 참조하여, 도 5의 렌즈 안테나 기반 방위 추정 방법을 설명하면, 우선 UAV의 위치 정보를 나타내는 GPS 정보를 획득한다(S10). 그리고 획득된 GPS 정보를 기반으로 자신의 위치와 GPS 정보에 따른 위치 사이의 상대 위치를 확인하여 GPS 입사각(øgps)을 계산한다(S20). 이후, UAV로부터 기지정된 간격(d)으로 이격되어 배열된 다수의 안테나(ANT)와 다수의 안테나(ANT)로부터 초점 거리(f)만큼 이격 배치되어 입사되는 RF 신호를 다수의 안테나(ANT)로 집속시키는 렌즈(Lens)를 포함하는 렌즈 안테나부(110)로 RF 비콘 신호가 수신되는지 판별한다(S30). 렌즈 안테나부(110)의 다수의 안테나(ANT)로 RF 비콘 신호가 수신되면, 다수의 안테나(ANT)로 수신된 RF 비콘 신호를 수신 신호(x)로 획득하고, 획득된 수신 신호(x)를 기반으로 수학식 13에 따라 이전 획득된 GPS 입사각(øgps)의 오차를 보정하여, 실제 UAV가 전송하여 획득된 수신 신호(x)에 대한 입사각(øest)을 추정한다(S40).Referring to FIGS. 1 to 4, the lens-antenna-based direction estimation method of FIG. 5 is described. First, GPS information indicating location information of a UAV is acquired (S10). Then, based on the acquired GPS information, the relative position between the user's position and the position according to the GPS information is checked to calculate the GPS incidence angle (ø gps ) (S20). Thereafter, a plurality of antennas (ANT) arranged at a predetermined interval (d) from the UAV and an RF signal incident from the plurality of antennas (ANT) spaced apart from each other by a focal distance (f) to the plurality of antennas (ANT) It is determined whether the RF beacon signal is received by the lens antenna unit 110 including the focusing lens (S30). When the RF beacon signal is received by the plurality of antennas (ANT) of the lens antenna unit 110, the RF beacon signal received by the plurality of antennas (ANT) is acquired as a received signal ( x ), and the obtained received signal ( x ) Based on Equation 13, the error of the previously obtained GPS angle of incidence (ø gps ) is corrected to estimate the angle of incidence (ø est ) for the received signal ( x ) obtained by transmitting the actual UAV (S40).

그리고 추정된 추정 입사각(øest)에 따라 광 신호를 송신하거나, 수신하기 위한 방향을 UAV 방향으로 조절한다(50). 이후 광 송수신부(152)는 광 조향부(151)에 의해 조향된 방향에서 광 신호를 송신하거나, 수신한다(S60).Then, the direction for transmitting or receiving the optical signal is adjusted to the UAV direction according to the estimated angle of incidence (ø est ) (50). Thereafter, the light transmission/reception unit 152 transmits or receives an optical signal in the direction steered by the light steering unit 151 (S60).

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.The method according to the present invention may be implemented as a computer program stored in a medium for execution on a computer. Here, computer readable media may be any available media that can be accessed by a computer, and may also include all computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data, including read-only memory (ROM) dedicated memory), random access memory (RAM), compact disk (CD)-ROM, digital video disk (DVD)-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, and the like.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is only exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

SAT: 인공 위성 UAV: 무인항공기
GBS: 지상 기지국 110: 렌즈 안테나부
120: RF 신호 수신부 130: GPS 정보 획득부
140: 방위 추정부 150: 광 통신부
151: 광 조향부 152: 광 송수신부
SAT: artificial satellite UAV: unmanned aerial vehicle
GBS: terrestrial base station 110: lens antenna unit
120: RF signal receiver 130: GPS information acquisition unit
140: direction estimation unit 150: optical communication unit
151: light steering unit 152: optical transmission and reception unit

Claims (10)

기지정된 간격으로 이격되어 배열된 다수의 안테나와 상기 다수의 안테나로부터 기지정된 초점 거리만큼 이격 배치되어 입사되는 RF 신호를 집속시키는 렌즈를 포함하는 렌즈 안테나부;
상기 렌즈 안테나부를 통해 무인항공기(이하 UAV)로부터 전송되는 RF 비콘 신호인 수신 신호(x)를 획득하는 RF 신호 수신부;
상기 UAV의 현재 위치에 대한 GPS 정보를 획득하고, 획득된 GPS 정보를 기반으로 상기 UAV와의 상대 위치에 따라 GPS 입사각(øgps)을 계산하는 GPS 정보 획득부; 및
상기 렌즈 안테나부로 입사되는 상기 수신 신호(x)의 입사각(ø)과 수신 신호(x)에 대한 조건부 확률 밀도 함수(f(ø|x))로 계산되는 우도(likelihood)를 최대로 하는 추정 입사각(øest)을 테일러 근사 기법에 따라 GPS 입사각(øgps)에 대한 근사식 형태로 근사하여 획득하는 방위 추정부를 포함하는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치.
A lens antenna unit including a plurality of antennas spaced apart from each other at predetermined intervals and a lens arranged spaced apart from the plurality of antennas by a predetermined focal distance to focus an incident RF signal;
an RF signal receiving unit for obtaining a received signal ( x ) that is an RF beacon signal transmitted from an unmanned aerial vehicle (UAV) through the lens antenna unit;
a GPS information acquisition unit that obtains GPS information about the current location of the UAV and calculates a GPS incident angle (ø gps ) according to a relative location with the UAV based on the obtained GPS information; and
The estimated incident angle maximizing the likelihood calculated by the incident angle ø of the received signal x incident on the lens antenna unit and the conditional probability density function f(ø| x ) for the received signal x A lens antenna-based orientation estimating device including an orientation estimating unit for approximating (ø est ) in the form of an approximate formula for a GPS incidence angle (ø gps ) according to a Taylor approximation technique.
제1항에 있어서, 상기 방위 추정부는
상기 수신 신호(x)에서 노이즈가 제거된 기대 신호와 수신 신호(x) 사이의 차이를 상기 GPS 입사각(øgps)과 실제 수신 신호(x)의 입사각(ø) 사이의 차이로 고려하여, 상기 추정 입사각(øest)을 근사된 수학식
Figure 112020137867659-pat00020

(여기서 g는 수신 신호(x)의 수신 파워, Agps)는 GPS 입사각(øgps)에 따른 수신 신호(x)의 진폭, A'gps)는 Agps)의 미분, s는 조향 벡터, ejb 는 각 안테나와 렌즈 중심 사이 거리(z)에 따른 위상 변화를 나타내고, γ는 수신 신호에 대한 신호대 잡음비(SNR)로서 γ = g2/2σn 2으로 계산되며, σgps 는 GPS 입사각(øgps)에 대한 표준 편차를 나타낸다.)
에 따라 계산하는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치.
The method of claim 1, wherein the direction estimation unit
Considering the difference between the expected signal from which noise is removed from the received signal ( x ) and the received signal ( x ) as the difference between the GPS incident angle (ø gps ) and the incident angle (ø) of the actual received signal ( x ), Equation approximating the estimated angle of incidence (ø est )
Figure 112020137867659-pat00020

(Where g is the received power of the received signal ( x ), Agps ) is the amplitude of the received signal ( x ) according to the GPS incidence angle (ø gps ), A'gps ) is the derivative of Agps ), s is the steering vector, e jb represents the phase change according to the distance (z) between each antenna and the center of the lens, γ is the signal-to-noise ratio (SNR) for the received signal, calculated as γ = g 2 /2σ n 2 , and σ gps represents the standard deviation for the GPS angle of incidence (ø gps ).
A lens antenna-based orientation estimation device that calculates according to
제2항에 있어서, 상기 방위 추정부는
수학식
Figure 112020137867659-pat00021

(여기서 g는 수신 신호(x)의 수신 파워, A(ø)는 수신 신호(x)의 입사각(ø)에 따른 진폭을 나타내고, s는 조향 벡터, ejb 는 각 안테나와 렌즈 중심 사이 거리(z)에 따른 위상 변화를 나타내며, n은 노이즈를 나타낸다.)
으로 표현되는 수신 신호(x)의 싱크 형태의 진폭(A(ø))을 수학식
Figure 112020137867659-pat00022

(여기서 n은 안테나 인덱스, L은 렌즈의 직경, z는 안테나와 렌즈 중심 사이 거리, d는 안테나간 거리, λ는 RF 신호의 파장을 나타내며, sinc[]는 싱크 함수를 나타낸다.)
으로 계산하는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치.
The method of claim 2, wherein the direction estimation unit
math formula
Figure 112020137867659-pat00021

(Where g is the received power of the received signal ( x ), A (ø) represents the amplitude according to the angle of incidence (ø) of the received signal ( x ), s is the steering vector, e jb is the distance between each antenna and the center of the lens ( represents the phase change according to z), and n represents the noise.)
The amplitude ( A (ø)) of the sink form of the received signal ( x ) expressed by Equation
Figure 112020137867659-pat00022

(Where n is the antenna index, L is the diameter of the lens, z is the distance between the antenna and the center of the lens, d is the distance between the antennas, λ represents the wavelength of the RF signal, and sinc[] represents the sync function.)
A lens antenna-based orientation estimation device that calculates with
제1항에 있어서, 상기 GPS 정보 획득부는
상기 UAV로부터 RF 신호 형태로 전송되는 상기 GPS 정보를 획득하여 미리 저장하는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치.
The method of claim 1, wherein the GPS information obtaining unit
A lens antenna-based orientation estimation device for obtaining and pre-stores the GPS information transmitted in the form of an RF signal from the UAV.
제1항에 있어서, 상기 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치는
획득된 추정 입사각(øest)에 따라 광 신호의 조향 방향을 조절하고 조절된 조향 방향으로 광 신호를 송수신하는 광 통신부를 더 포함하는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 장치.
The method of claim 1, wherein the lens antenna-based orientation estimation device
A lens antenna-based orientation estimating device further comprising an optical communication unit configured to adjust a steering direction of an optical signal according to the obtained estimated angle of incidence (ø est ) and to transmit and receive an optical signal in the adjusted steering direction.
기지정된 간격으로 이격 배열되어 렌즈에 의해 집속되는 RF 신호를 인가받는 다수의 안테나를 통해 무인항공기(이하 UAV)로부터 전송되는 RF 비콘 신호인 수신 신호(x)를 획득하는 단계;
상기 UAV의 현재 위치에 대한 GPS 정보를 획득하고, 획득된 GPS 정보를 기반으로 상기 UAV와의 상대 위치에 따라 GPS 입사각(øgps)을 계산하는 단계; 및
상기 수신 신호(x)가 상기 다수의 안테나로 입사되는 입사각(ø)과 수신 신호(x)에 대한 조건부 확률 밀도 함수(f(ø|x))로 계산되는 우도(likelihood)를 최대로 하는 추정 입사각(øest)을 테일러 근사 기법에 따라 GPS 입사각(øgps)에 대한 근사식 형태로 근사하여 획득하는 단계를 포함하는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 방법.
Acquiring a received signal ( x ), which is an RF beacon signal transmitted from an unmanned aerial vehicle (hereinafter referred to as UAV) through a plurality of antennas spaced apart at predetermined intervals and receiving RF signals focused by lenses;
Obtaining GPS information on the current location of the UAV, and calculating a GPS incident angle (ø gps ) according to a relative location with the UAV based on the obtained GPS information; and
Estimation that maximizes the likelihood calculated by the conditional probability density function (f(ø| x )) for the received signal ( x ) and the incident angle (ø) at which the received signal ( x ) is incident on the plurality of antennas. A method for estimating a direction based on a lens antenna, comprising approximating and obtaining an angle of incidence (ø est ) in the form of an approximate formula for the angle of incidence (ø gps ) of GPS according to a Taylor approximation technique.
제6항에 있어서, 상기 GPS 입사각(øgps)을 근사하여 획득하는 단계는
상기 수신 신호(x)에서 노이즈가 제거된 기대 신호와 수신 신호(x) 사이의 차이를 상기 GPS 입사각(øgps)과 실제 수신 신호(x)의 입사각(ø) 사이의 차이로 고려하여, 상기 추정 입사각(øest)을 근사된 수학식
Figure 112020137867659-pat00023

(여기서 g는 수신 신호(x)의 수신 파워, Agps)는 GPS 입사각(øgps)에 따른 수신 신호(x)의 진폭, s는 조향 벡터, ejb 는 각 안테나와 렌즈 중심 사이 거리(z)에 따른 위상 변화를 나타내고, γ는 수신 신호에 대한 신호대 잡음비(SNR)로서 γ = g2/2σn 2으로 계산되며, σgps 는 GPS 입사각(øgps)에 대한 표준 편차를 나타낸다.)
에 따라 계산하는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 방법.
The method of claim 6, wherein the step of obtaining by approximating the GPS incidence angle (ø gps )
Considering the difference between the expected signal from which noise is removed from the received signal ( x ) and the received signal ( x ) as the difference between the GPS incident angle (ø gps ) and the incident angle (ø) of the actual received signal ( x ), Equation approximating the estimated angle of incidence (ø est )
Figure 112020137867659-pat00023

(Where g is the received power of the received signal ( x ), A ( ø gps ) is the amplitude of the received signal ( x ) according to the GPS incidence angle ( ø gps ), s is the steering vector, e jb is the distance between each antenna and the center of the lens Represents the phase change according to (z), γ is the signal-to-noise ratio (SNR) for the received signal, calculated as γ = g 2 /2σ n 2 , and σ gps represents the standard deviation for the GPS incident angle (ø gps ). )
A lens antenna-based orientation estimation method calculated according to.
제7항에 있어서, 상기 수신 신호는
수학식
Figure 112020137867659-pat00024

(여기서 g는 수신 신호(x)의 수신 파워, A(ø)는 수신 신호(x)의 입사각(ø)에 따른 진폭을 나타내고, s는 조향 벡터, ejb 는 각 안테나와 렌즈 중심 사이 거리(z)에 따른 위상 변화를 나타내며, n은 노이즈를 나타낸다.)
으로 표현되고, 상기 수신 신호(x)의 싱크 형태의 진폭(A(ø))은 수학식
Figure 112020137867659-pat00025

(여기서 n은 안테나 인덱스, L은 렌즈의 직경, z는 안테나와 렌즈 중심 사이 거리, d는 안테나간 거리, λ는 RF 신호의 파장을 나타내며, sinc[]는 싱크 함수를 나타낸다.)
으로 계산되는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 방법.
The method of claim 7, wherein the received signal is
math formula
Figure 112020137867659-pat00024

(Where g is the received power of the received signal ( x ), A (ø) represents the amplitude according to the angle of incidence (ø) of the received signal ( x ), s is the steering vector, e jb is the distance between each antenna and the center of the lens ( represents the phase change according to z), and n represents the noise.)
It is expressed as, and the amplitude ( A (ø)) of the sink form of the received signal ( x ) is expressed by Equation
Figure 112020137867659-pat00025

(Where n is the antenna index, L is the diameter of the lens, z is the distance between the antenna and the center of the lens, d is the distance between the antennas, λ represents the wavelength of the RF signal, and sinc[] represents the sync function.)
A lens antenna-based orientation estimation method calculated by
제6항에 있어서, 상기 GPS 입사각(øgps)을 계산하는 단계는
상기 UAV로부터 RF 신호 형태로 전송되는 상기 GPS 정보를 획득하여 미리 저장하는 단계; 및
저장된 상기 GPS 정보로부터 상기 UAV에 대한 상대 위치를 계산하여 상기 GPS 입사각(øgps)을 획득하는 단계를 포함하는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 방법.
The method of claim 6, wherein the step of calculating the GPS angle of incidence (ø gps )
obtaining and previously storing the GPS information transmitted in the form of an RF signal from the UAV; and
and obtaining the GPS incidence angle (ø gps ) by calculating a relative position to the UAV from the stored GPS information.
제6항에 있어서, 상기 렌즈 안테나 기반 방위 추정 방법은
획득된 추정 입사각(øest)에 따라 광 신호의 조향 방향을 조절하는 단계; 및
조절된 조향 방향으로 광 신호를 송수신하는 단계를 더 포함하는 렌즈 안테나 기반 방위 추정 방법.
The method of claim 6, wherein the lens antenna-based orientation estimation method
adjusting the steering direction of the optical signal according to the obtained estimated incident angle (ø est ); and
A method for estimating a bearing based on a lens antenna, further comprising transmitting and receiving an optical signal in the adjusted steering direction.
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