KR102541283B1 - 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법 및 이를 적용한 위성항법수신기 - Google Patents

주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법 및 이를 적용한 위성항법수신기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법 및 이를 적용한 위성항법수신기에 관한 것으로, 상기 위성항법수신기는 안테나를 통해 수신된 외부의 위성 신호를 기저대역 신호로 변환하는 RF 신호 처리부; 상기 기저대역 신호로부터 반송파 신호와 레인징 코드 신호를 제거하여 위성 데이터를 추출하는 기저대역 위성신호 처리부; 및 상기 위성 데이터의 제1 회전 신호와 모델링된 제2 회전 신호 간의 주파수영역 상대 상관연산을 통해 항체의 롤 회전속도와 롤 자세각을 산출하는 롤 회전속도 추정기;를 포함한다.

Description

주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법 및 이를 적용한 위성항법수신기{SPINNING VEHICLE ROLL ROTATION ANGLE CALCULATION METHOD USING FREQUENCY DOMAIN RELATIVE CORRELATION CALCULATION AND SATELLITE NAVIGATION RECEIVER APPLYING THE SAME}
본 발명은 항체 자세 제어 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전하는 항체에서 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법 및 이를 적용한 위성항법수신기에 관한 것이다.
위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)은 지구 주위를 선회하는 다수의 위성을 이용하여 삼각 측량법으로 사용자의 위치를 계산하는 시스템이다.
현재 운영중인 위성항법시스템은 미국의 GPS(Global Positioning System), 러시아의 GLONASS(GLObal Navigation Satellite System), EU의 Galileo, 중국의 BDS(BeiDou Navigation Satellite System) 등이 있다.
위성항법시스템은 정밀한 위치, 속도, 시간 정보를 지구 전지역에서 연속적으로 제공한다. 각 위성항법시스템은 각자의 시스템에 맞게 설계된 항법메시지를 위성별 레인징 코드(ranging code)를 이용하여 직접 시퀀스 대역 확산(DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) 방식으로 변조하여 사용주파수 전역으로 확산시킨 뒤 각 대역별 RF 반송파(RF, radio frequency carrier)를 이용하여 송신한다.
위성항법수신기는 사용자의 위치, 속도, 시간을 계산하기 위해 4개 이상의 위성 신호를 사용한다. 각 위성이 송신하는 항법메시지를 복조하기 위해 RF 반송파와 레인징 코드를 추적하여 제거하고 이 과정에서 위성에서 송출한 신호가 사용자에게 도달하기까지 걸린 시간을 추정해 위성과의 의사거리를 계산한다. 복조한 항법메시지로부터 계산된 위성 위치와 의사거리를 이용해 사용자의 위치를 계산한다.
다양한 사용자 요구사항에 따라 위성항법수신기가 탑재되는 장소와 물체 또한 다양해지고 있으며, 고속으로 움직이며 회전하는 항체(spinning vehicle) 또한 원하는 목표지점까지 안정적인 이동을 위해 위성항법수신기가 탑재된다. 이 경우 항체의 자세 정보를 얻기 위해 다양한 센서의 사용을 고려하게 되는데, 발사 시점의 높은 충격, 운용시의 회전, 크기와 무게 등 많은 제약 조건이 발생한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위한 방안으로 위성항법 수신기를 사용하는 다양한 기술들이 개발된 바 있다. 항체가 회전하는 경우 위성신호의 크기와 위상이 변하고 이를 모니터링 하면 탑재된 항체의 회전 속도와 롤 회전각을 계산할 수 있다.
한국등록특허 제10-0443550호 (2004.07.28)
본 발명의 일 실시예는 회전하는 항체에서 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법 및 이를 적용한 위성항법수신기를 제공하고자 한다. 본 발명의 일 실시예는 보조 센서 등의 추가 장착 없이 위성신호만으로 정확한 롤 회전각을 구할 수 있고 정확한 사용자의 위치, 속도 및 자세 정보를 제공함에 있어 소형화 및 저전력화를 가능하도록 하는 위성항법수신기에서 주파수영역 연산을 통해 항체의 롤 회전각을 구하는 방법을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법이 적용된 위성항법수신기는 안테나를 통해 수신된 외부의 위성 신호를 기저대역 신호로 변환하는 RF 신호 처리부; 상기 기저대역 신호로부터 반송파 신호와 레인징 코드 신호를 제거하여 위성 데이터를 추출하는 기저대역 위성신호 처리부; 및 상기 위성 데이터의 제1 회전 신호와 모델링된 제2 회전 신호 간의 주파수영역 상대 상관연산을 통해 항체의 롤 회전속도와 롤 자세각을 산출하는 롤 회전속도 추정기;를 포함한다.
상기 위성항법수신기는 상기 위성 데이터를 기초로 사용자 위치 및 속도를 산출하는 신호제어 및 항법 수행부;를 더 포함할 수 있다.
상기 기저대역 위성신호 처리부는 상기 기저대역 신호로부터 반송파 복제신호를 생성하는 반송파 복제신호 생성기; 상기 기저대역 신호로부터 레인징 코드 복제신호를 생성하는 레인징 코드 복제신호 생성기; 상기 기저대역 신호와 상기 반송파 복제신호 간의 곱연산을 통해 상기 기저대역 신호로부터 상기 반송파 신호를 제거하여 제1 위성 데이터를 생성하는 반송파 곱셈기; 상기 제1 위성 데이터와 상기 레인징 코드 복제신호 간의 곱연산을 통해 상기 제1 위성 데이터로부터 상기 레인징 코드 신호를 제거하여 제2 위성 데이터를 생성하는 레인징 코드 곱셈기; 및 상기 제2 위성 데이터를 수신하고 상기 신호제어 및 항법 수행부와 연동하는 적분기;를 포함할 수 있다.
상기 기저대역 위성신호 처리부는 상기 반송파 복제신호 생성기 및 상기 레인징 코드 복제신호 생성기 각각이 GPS, GLONASS, GALILEO 및 BDS를 포함하는 위성항법 시스템에 따라 상기 반송파 복제신호 및 상기 레인징 코드 복제신호를 독립적으로 생성하도록 구현될 수 있다.
상기 롤 회전속도 추정기는 상기 기저대역 신호에서 저주파 성분을 추출하는 저대역 통과 필터; 추정된 롤 회전속도에 따라 샘플링 주파수를 조절하고 상기 저주파 성분에 대해 샘플링 신호를 추출하여 메모리에 저장하는 메모리 제어기; 상기 메모리에 저장된 샘플링 신호 및 회전 신호 모델부의 모델링 신호 간의 곱연산을 통해 상기 주파수영역 상대 상관연산을 수행하여 결과값을 생성하는 상관연산 처리모듈; 상기 결과값의 크기를 변환하는 포락 계산기; 상기 포락 계산기의 결과에 따라 오차를 계산하는 오차 계산기 및 상기 모델링 신호를 생성하는 회전 신호 모델에 대해 상기 오차에 따라 갱신하는 회전 신호 모델부;를 포함할 수 있다.
상기 롤 회전속도 추정기는 상기 저대역 통과 필터, 상기 메모리 제어기, 상기 포락 계산기, 상기 오차 계산기 및 상기 회전 신호 모델부 각각이 시분할 처리 가능하게 구현되고, 상기 기저대역 신호를 시분할하여 위성 별로 독립된 회전 신호 모델을 생성할 수 있다.
실시예들 중에서, 위성항법수신기에서 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법은 안테나를 통해 외부의 위성 신호를 수신하는 단계; 상기 위성 신호를 기저대역 신호로 변환하는 단계; 상기 기저대역 신호로부터 반송파 신호와 레인징 코드 신호를 제거하여 위성 데이터를 추출하는 단계; 및 상기 위성 데이터의 제1 회전 신호와 모델링된 제2 회전 신호 간의 주파수영역 상대 상관연산을 통해 항체의 롤 회전속도와 롤 자세각을 산출하는 단계;를 포함한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법 및 이를 적용한 위성항법수신기는 회전하는 항체에서 주파수영역 상대 상관연산을 이용해 롤 회전각을 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법은 회전하는 항체에 탑재되는 위성항법수신기에 적용하여 외부에 추가적인 보조센서의 장착에 따른 공간 및 전력 소모에 대한 부담을 줄이고 사용자의 위치 및 속도 정확도 개선을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 안테나 회전에 따른 위성 신호의 수신 전력 변화와 모델링된 회전 신호를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 롤 회전속도를 계산할 수 있는 위성항법수신기의 구조를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 롤 회전속도 추정기와 위성신호처리부의 세부 구조를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 오차 계산기의 출력 형태를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 주파수영역 연산부의 각 위성별 처리 구조를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 주파수영역 연산부의 시분할 처리 구조를 설명하는 도면이다.
도 7은 다른 위성항법시스템을 포함하여 신호처리 가능한 구조를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 항체의 롤 회전각 계산 방법을 설명하는 도면이다.
도 1은 안테나 회전에 따른 위성 신호의 수신 전력 변화와 모델링된 회전 신호를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 롤 회전속도를 계산할 수 있는 위성항법수신기의 구조를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 롤 회전속도 추정기와 위성신호처리부의 세부 구조를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 오차 계산기의 출력 형태를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 주파수영역 연산부의 각 위성별 처리 구조를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 주파수영역 연산부의 시분할 처리 구조를 설명하는 도면이다.
도 7은 다른 위성항법시스템을 포함하여 신호처리 가능한 구조를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 항체의 롤 회전각 계산 방법을 설명하는 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 안테나 회전에 따른 위성 신호의 수신 전력 변화(101)와 모델링된 회전 신호(102)를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 항체가 회전함에 따라 안테나의 장착면과 위성 사이의 벡터가 수직이 되었을 때 위성 신호의 수신 전력은 최대가 될 수 있고, 각도의 차이가 증가할수록 수신 전력은 작아질 수 있다. 롤 회전속도 추정기는 위성 신호의 수신 전력과 모델링된 회전 신호의 주파수영역 상대 상관결과를 이용하여 각 위성별 벡터의 각도가 수직이 되는 지점을 찾을 수 있고 이를 이용하여 항체의 롤 회전각을 계산할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 롤 회전속도를 계산할 수 있는 위성항법수신기의 구조를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 위성항법수신기(200)는 안테나(201)를 통해 수신된 외부의 위성 신호를 기저대역 신호로 변환하는 RF 신호 처리부(202), 기저대역 신호로부터 반송파 신호와 레인징 코드 신호를 제거하여 위성 데이터를 추출하는 기저대역 위성신호 처리부(203), 위성 데이터를 기초로 사용자 위치 및 속도를 산출하는 신호제어 및 항법 수행부(204) 및 위성 데이터의 제1 회전 신호와 모델링된 제2 회전 신호 간의 주파수영역 상대 상관연산을 통해 항체의 롤 회전속도와 롤 자세각을 산출하는 롤 회전속도 추정기(205)를 포함하여 구현될 수 있다.
보다 구체적으로, 위성항법수신기(200)는 안테나(201)를 통해 외부의 위성 신호를 수신할 수 있고, RF 신호 처리부(202)를 통해 기저대역의 신호로 변환할 수 있다. RF 신호 처리부(202)와 연결된 기저대역 위성신호 처리부(203)는 기저대역의 신호를 반송파 복제신호 및 레인징 코드 복제신호와의 곱연산을 통해 제거함으로써 위성 데이터를 추출하는 동작을 수행할 수 있다.
이후, 추출된 위성 데이터는 신호제어 및 항법 수행부(204)에 전달될 수 있으며, 사용자의 위치 및 속도 연산을 위해 사용될 수 있다. 또한, 기저대역 위성신호 처리부(203)의 출력은 롤 회전속도 추정기(205)로 전달되어 주파수영역 상대 상관연산을 통해 항체의 롤 회전속도와 롤 자세각을 산출하는데 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 롤 회전속도 추정기와 위성신호 처리부의 세부 구조를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 위성항법수신기(200)는 기저대역 위성신호 처리부(203) 및 롤 회전속도 추정기(205)를 포함할 수 있다. 여기에서, 기저대역 위성신호 처리부(203)는 기저대역 신호로부터 반송파 복제신호를 생성하는 반송파 복제신호 생성기(302), 기저대역 신호로부터 레인징 코드 복제신호를 생성하는 레인징 코드 복제신호 생성기(304), 기저대역 신호와 반송파 복제신호 간의 곱연산을 통해 기저대역 신호로부터 반송파 신호를 제거하여 제1 위성 데이터를 생성하는 반송파 곱셈기(301), 제1 위성 데이터와 레인징 코드 복제신호 간의 곱연산을 통해 제1 위성 데이터로부터 레인징 코드 신호를 제거하여 제2 위성 데이터를 생성하는 레인징 코드 곱셈기(303) 및 제2 위성 데이터를 수신하고 신호제어 및 항법 수행부(204)와 연동하는 적분기(305)를 포함하여 구현될 수 있다.
또한, 롤 회전속도 추정기(205)는 기저대역 신호에서 저주파 성분을 추출하는 저대역 통과 필터(306), 추정된 롤 회전속도에 따라 샘플링 주파수를 조절하고 저주파 성분에 대해 샘플링 신호를 추출하여 메모리(308)에 저장하는 메모리 제어기(307), 메모리(308)에 저장된 샘플링 신호 및 회전 신호 모델부(311)의 모델링 신호 간의 곱연산을 통해 주파수영역 상대 상관연산을 수행하여 결과값을 생성하는 상관연산 처리모듈, 결과값의 크기를 변환하는 포락 계산기(313), 포락 계산기(313)의 결과에 따라 오차를 계산하는 오차 계산기(314) 및 모델링 신호를 생성하는 회전 신호 모델에 대해 오차에 따라 갱신하는 회전 신호 모델부(311)를 포함하여 구현될 수 있다. 이때, 상관연산 처리모듈은 고속 푸리에 변환기(309, 310) 및 고속 푸리에 역변환기(312)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2의 RF 신호 처리부(202)를 통과한 위성신호는 기저대역 위성신호 처리부(203)에서 반송파 복제신호 생성기(302)와 반송파 곱셈기(301), 레인징 코드 복제신호 생성기(304)와 레인징 코드 곱셈기(303)를 통과한 결과 반송파와 위성별 레인징 코드가 제거될 수 있다. 이후, 적분기(305)로 전달되는 경로와 롤 회전속도 추정기(205)로 전달되는 경로가 구분될 수 있다.
적분기(305)로 전달되는 경우, 도 1의 신호 제어 및 항법 수행부(204)와 연동하여 위성 데이터가 추출될 수 있고, 사용자의 위치 및 속도 연산을 위해 사용될 수 있다. 롤 회전속도 추정기(205)로 전달되는 경우, 먼저 반송파 곱셈 성분 중 저주파 성분만을 사용하기 위해 저대역 통과 필터(306)를 통과할 수 있다. 이후, 메모리 제어기(307)는 추정된 롤 회전속도에 따라 샘플링 주파수를 조절하여 추출된 데이터를 메모리(입력)(308)에 저장할 수 있다.
메모리 제어기(307)는 메모리(308)에 데이터가 모두 쌓인 경우 고속 푸리에 변환기(309)로 전달하여 회전 신호 모델부(311)의 고속 푸리에 변환기(310)를 통과한 결과와의 곱연산을 수행할 수 있다. 그 다음, 고속 푸리에 역변환부(209)를 통해 모델링된 회전 신호와 실제 입력된 데이터 간의 상관 계산 결과값이 계산될 수 있고, 크기 변환을 위한 포락 계산기(313)를 통과한 이후 오차를 계산하는 오차 계산기(314)로 전달될 수 있다. 결과적으로, 오차 계산기(314)의 결과를 이용해 회전 신호 모델링이 갱신되고 갱신된 회전 신호 모델은 다음 단계의 데이터 연산에 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 오차 계산기의 출력 형태를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 오차 계산기(314)는 일정한 범위 내에서 시간에 따라 움직이는 정현파 형태(401)의 출력을 생성할 수 있다. 이때, 오차값이 0인 지점은 롤 회전각이 0도인 지점을 의미할 수 있으며, 롤 회전속도 추정기(205)는 0을 지나는 지점을 기준으로 선형성을 보이는 구간에서 오차값에 따라 롤 회전각을 추정할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 주파수영역 연산부의 각 위성별 처리 구조를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 위성항법수신기(200)는 각 위성별 기저대역 위성신호 처리부(203)와 롤 회전속도 추정기(205)가 쌍으로 연결된 복수의 주파수영역 연산부(501)들을 포함할 수 있다. 즉, 위성항법수신기(200)는 N개의 위성을 각각 독립적으로 처리하기 위해 동일한 수의 주파수영역 연산부(501)들을 포함하여 구현될 수 있다. 결과적으로, 위성항법수신기(200)는 총 N개의 기저대역 위성신호 처리부(203)와 롤 회전속도 추정기(205)들을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 주파수영역 연산부의 시분할 처리 구조를 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 위성항법수신기(200)는 모든 위성에 대해 하나의 모듈 내에서 처리 가능한 시분할 구조를 갖는 시분할 롤 회전속도 추정기(601)를 포함하여 구현될 수 있다. 즉, 시분할 롤 회전속도 추정기(601)는 도 3의 저대역 통과 필터(306), 메모리 제어기(307), 포락 계산기(313), 오차 계산기(314) 및 회전 신호 모델부(311) 각각이 시분할 처리 가능하게 구현된 결과, 기저대역 신호를 시분할하여 위성 별로 독립된 회전 신호 모델을 생성할 수 있다.
도 6에서, 기존 롤 회전속도 추정기(205)와 달리, 시분할 저대역 통과 필터(602), 시분할 메모리 제어기(603), 확장된 메모리(입력)(604), 시분할 회전 신호 모델부(606) 등이 여러 위성에 대해 처리가 가능하도록 시분할 처리로 구현될 수 있다.
보다 구체적으로, 위성별 기저대역 위성신호 처리부(103)의 데이터는 시분할 저대역 통과 필터(602)를 거쳐 시분할 메모리 제어기(603)로 전달되고, 각 위성별 데이터는 확장된 메모리(입력)(608)에 저장될 수 있다. 이때, 시분할 메모리 제어기(603)는 고속 푸리에 변환기(309, 310), 고속 푸리에 역변환기(312), 포락 계산기(604) 및 오차 계산기(605)를 포함하는 주파수영역 연산 및 오차 계산 단계를 각 위성별로 시간을 구분하여 동작시킬 수 있다. 각 위성별로 구분되어 동작한 결과는 시분할 회전 신호 모델부(606)에 전달될 수 있고 시분할 회전 신호 모델부(606)는 입력된 오차를 이용하여 각 위성별로 구분된 회전 신호 모델을 생성할 수 있다.
도 7은 다른 위성항법시스템을 포함하여 신호처리 가능한 구조를 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 위성항법수신기(200)는 사용 가능한 위성의 숫자를 늘릴 수 있도록 여러 위성항법시스템을 신호 처리할 수 있는 확장된 기저대역 위성신호 처리부(701)를 포함하여 구현될 수 있다.
기존의 기저대역 위성신호 처리부(203)와 달리, 확장된 반송파 복제신호 생성기(702)와 확장된 레인징 코드 복제신호 생성기(703)는 여러 종류의 위성항법시스템에 맞도록 각각 복제신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 확장된 반송파 복제신호 생성기(702)와 확장된 레인징 코드 복제신호 생성기(703) 각각은 GPS, GLONASS, GALILEO 및 BDS를 포함하는 위성항법 시스템에 따라 반송파 복제신호 및 레인징 코드 복제신호를 독립적으로 생성하도록 구현될 수 있다.
결과적으로, 사용할 수 있는 위성항법시스템이 많아지면 그 만큼 계산에 사용 가능한 위성의 숫자가 늘어나게 되어 산출되는 자세 정보의 정확도를 높일 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 항체의 롤 회전각 계산 방법을 설명하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 위성항법수신기(200)는 안테나(201)를 통해 외부의 위성 신호를 수신할 수 있다(단계 S810). 위성항법수신기(200)는 RF 신호 처리부(202)를 통해 위성 신호를 기저대역 신호로 변환할 수 있다(단계 S830). 위성항법수신기(200)는 기저대역 위성신호 처리부(203)를 통해 기저대역 신호로부터 반송파 신호와 레인징 코드 신호를 제거하여 위성 데이터를 추출할 수 있다(단계 S850).
위성항법수신기(200)는 롤 회전속도 추정기(205)를 통해 위성 데이터의 제1 회전 신호와 모델링된 제2 회전 신호 간의 주파수영역 상대 상관연산을 수행할 수 있으며(단계 S870), 이를 통해 항체의 롤 회전속도와 롤 자세각을 산출할 수 있다(단계 S890).
보다 구체적으로, 위성항법수신기(200)로 입력되는 신호는 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021043437299-pat00001
여기에서, A(t)는 위성 신호 세기, D(t)는 위성 데이터, c(t-τ)은 레인징 코드(위상 정보 포함), fc 및 θ는 반송파 주파수와 위상에 해당한다.
또한, A(t)는 다음의 수학식 1-1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1-1]
Figure 112021043437299-pat00002
Figure 112021043437299-pat00003
Figure 112021043437299-pat00004
위성항법수신기(200)는 기저대역 위성신호 처리부(203)를 통해 위성 신호에서 위성 신호의 레인징 코드와 반송파 주파수 성분을 제거하고 위성 데이터를 추출하기 위해 복제신호(replica signal)를 생성할 수 있다. 이때, 기저대역 위성신호 처리부(203)에서 생성하는 복제신호는 다음의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112021043437299-pat00005
여기에서, △τ는 코드 위상 오차, △f는 반송파 주파수 오차, △θ는 반송파 위상 오차에 해당한다.
또한, 기저대역 위성신호 처리부(203)는 입력된 위성 신호와 내부 생성한 복제신호를 이용하여 다음의 수학식 3과 같이 표현되는 연산 과정은 수행할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021043437299-pat00006
Figure 112021043437299-pat00007
Figure 112021043437299-pat00008
레인징 코드 곱셈 성분은 다음의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다. 이때, 코드 위상 오차(△τ)가 시간에 따라 일정할 경우 상수로 처리될 수 있다.
[수학식 4]
(레인징 코드 곱셈 성분)
Figure 112021043437299-pat00009
또한, 반송파 곱셈 성분은 다음의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
(반송파 곱셈 성분)
Figure 112021043437299-pat00010
Figure 112021043437299-pat00011
Figure 112021043437299-pat00012
다음으로, 반송파 곱셈 후에 롤 회전속도 추정기(205)의 입력단에 있는 저대역 통과 필터(306)를 통과시킨 결과는 다음의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]
(반송파 곱셈 성분, LPF 필터 통과)
Figure 112021043437299-pat00013
Figure 112021043437299-pat00014
또한, 저대역 통과 필터(306)와 연결되어 있는 주파수영역 상대 상관연산의 결과에 대해 크기 변환을 위해 실수부와 허수부로 나누어 제곱근 처리하면 남아있는 반송파 주파수 오차 성분(△f)과 반송파 위상 오차 성분(△θ)이 서로 상쇄되어 제거될 수 있으며, 다음의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]
(반송파 곱셈 성분, 상대 상관연산 결과 제곱근 처리)
Figure 112021043437299-pat00015
상기의 수학식 3에 대해 상기의 수학식 4 내지 7을 적용하면 롤 회전속도 추정기(205)의 주파수영역 상대 상관연산 단계로 입력되는 신호는 다음의 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112021043437299-pat00016
여기에서, 코드 위상 오차(△τ)가 시간에 따라 일정하다고 가정하여 레인징 코드 곱셈 성분(C(△τ))을 상수로 하고 위성신호 데이터(D(t))는 신호제어 및 항법 수행부(204)에서 입력해준다고 가정하면 롤 회전속도 추정기(205)의 주파수영역 상대 상관연산 단계의 입력 신호에는 위성 신호 세기 성분(A(t))만 남게 될 수 있다.
또한, 항체가 회전할 때 위성 신호 세기가 일정한 주기(T)에 따라 변화한다고 가정하면 푸리에 급수를 사용하여 다음의 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112021043437299-pat00017
Figure 112021043437299-pat00018
Figure 112021043437299-pat00019
상기의 수학식 9의 신호 성분 중 크기가 가장 큰 성분을 추출하기 위해 푸리에 변환을 사용하면 다음의 수학식 10과 같이 표현될 수 있다. 해당 성분의 주파수는 거친 롤 회전 속도로 사용될 수 있으며, 회전 신호 모델부(311)에 전달될 수 있다. 해당 값은 또한 회전 신호 모델링의 초기값으로 사용될 수 있다. 이때, 주파수의 해상도는 롤 회전속도 추정기 입력 신호의 샘플링 주파수와 푸리에 변환 탭 수에 관한 다음의 수학식 11와 같이 표현될 수 있다. 주파수 해상도를 높이기 위해 메모리 제어기(307)에서 롤 회전 속도 추정기 입력 신호의 샘플링 주파수를 조정할 수 있다. 예를 들어, 롤 회전속도 추정기 입력 신호의 샘플링 주파수가 1kHz이고 푸리에 변환 탭 수가 2048라고 한다면 거친 롤 회전 속도의 해상도는 0.49Hz에 해당할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112021043437299-pat00020
[수학식 11]
(주파수 해상도)=
Figure 112021043437299-pat00021
거친 롤 회전 속도가 반영된 회전 신호 모델부(311)의 출력 신호는 다음의 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112021043437299-pat00022
회전 신호 모델부(311)의 출력 신호와 입력된 신호의 상대 상관을 위해 각각의 신호를 푸리에 변환을 하여 곱한 뒤 푸리에 역변환이 수행될 수 있다. 해당 과정을 수식으로 나타내면 다음의 수학식 13 내지 15와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112021043437299-pat00023
[수학식 14]
Figure 112021043437299-pat00024
Figure 112021043437299-pat00025
Figure 112021043437299-pat00026
Figure 112021043437299-pat00027
Figure 112021043437299-pat00028
[수학식 15]
Figure 112021043437299-pat00029
오차 계산기(314)는 푸리에 역변환된 결과를 이용해 오차함수를 계산할 수 있으며, 이는 일반적인 위성항법수신기의 판별기 역할과 동일할 수 있다. 사용 환경에 따라 선택된 위치(p(τ0),P(τ1))의 값을 이용해 그 값의 크기 차를 정규화한 값으로 표현할 수 있으며, 다음의 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112021043437299-pat00030
본 발명에 따른 위성항법수신기(200)는 위성신호 상관값과 회전 모델 신호를 이용하여 주파수영역 상대 상관연산을 통해 항체의 롤 회전속도와 롤 회전각을 계산할 수 있도록 구현될 수 있다.
즉, 위성항법수신기(200)는 기존 위성항법 신호처리 알고리즘에서 출력되는 상관값(Correlation value)을 이용해 거친 롤 회전 속도(coarse roll rate)를 계산하고 이를 회전 신호 모델링에 적용할 수 있다. 위성항법수신기(200)는 회전 모델 신호와 입력 신호를 기초로 주파수영역 상관 연산을 수행할 수 있고 해당 결과를 이용하여 오차를 계산할 수 있으며 이를 다시 회전 신호 모델링에 반영할 수 있다. 위성항법수신기(200)는 오차 계산기(314)의 출력을 이용하여 롤 회전속도(roll rate)와 롤 회전각(roll angle)을 산출할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 위성항법수신기(200)는 외부에 추가적인 보조센서의 장착에 따른 공간 및 전력 소모에 대한 부담을 줄일 수 있고, 사용자의 위치 및 속도에 관한 정확도를 개선할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
101: 안테나 회전에 따른 위성 신호의 수신 전력 변화
102: 모델링된 회전 신호 200: 위성항법수신기
201: 위성항법용 안테나 202: 광대역 RF 신호 처리부
203: 기저대역 위성신호 처리부 204: 신호제어 및 항법 수행부
205: 롤 회전속도 추정기
301: 반송파 곱셈기 302: 반송파 복제신호 생성기
303: 레인징 코드 곱셈기 304: 레인징 코드 복제신호 생성기
305: 적분기 306: 저대역 통과 필터
307: 메모리 제어기 308: 메모리(입력)
309: 고속 푸리에 변환기(위성신호용)
310: 고속 푸리에 변환기(회전 신호 모델용)
311: 회전 신호 모델부 312: 고속 푸리에 역변환기
313: 포락 계산기(Envelope) 314: 오차 계산기
401: 오차 계산기의 출력 파형
501: 주파수영역 연산부
601: 시분할 롤 회전속도 추정기 602: 시분할 저대역 통과 필터
603: 시분할 메모리 제어기 608: 확장된 메모리(입력)
604: 시분할 포락 계산기 605: 시분할 오차 계산기
606: 시분할 회전 신호 모델부
701: 확장된 기저대역 위성신호 처리부
702: 확장된 반송파 복제신호 생성기
703: 확장된 레인징 코드 복제신호 생성기

Claims (8)

  1. 안테나를 통해 수신된 외부의 위성 신호를 기저대역 신호로 변환하는 RF 신호 처리부;
    상기 기저대역 신호로부터 반송파 신호와 레인징 코드 신호를 제거하여 위성 데이터를 추출하는 기저대역 위성신호 처리부; 및
    상기 위성 데이터의 위성 신호 세기 성분에 해당하는 제1 회전 신호와 회전 신호를 모델링 신호로서 출력하도록 구현된 회전 신호 모델에 의해 모델링된 제2 회전 신호 간의 주파수영역 상대 상관연산을 통해 항체의 롤 회전속도와 롤 자세각을 산출하는 롤 회전속도 추정기;를 포함하는 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법이 적용된 위성항법수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위성 데이터를 기초로 사용자 위치 및 속도를 산출하는 신호제어 및 항법 수행부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법이 적용된 위성항법수신기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기저대역 위성신호 처리부는
    상기 기저대역 신호로부터 반송파 복제신호를 생성하는 반송파 복제신호 생성기;
    상기 기저대역 신호로부터 레인징 코드 복제신호를 생성하는 레인징 코드 복제신호 생성기;
    상기 기저대역 신호와 상기 반송파 복제신호 간의 곱연산을 통해 상기 기저대역 신호로부터 상기 반송파 신호를 제거하여 제1 위성 데이터를 생성하는 반송파 곱셈기;
    상기 제1 위성 데이터와 상기 레인징 코드 복제신호 간의 곱연산을 통해 상기 제1 위성 데이터로부터 상기 레인징 코드 신호를 제거하여 제2 위성 데이터를 생성하는 레인징 코드 곱셈기; 및
    상기 제2 위성 데이터를 수신하고 상기 신호제어 및 항법 수행부와 연동하는 적분기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법이 적용된 위성항법수신기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기저대역 위성신호 처리부는
    상기 반송파 복제신호 생성기 및 상기 레인징 코드 복제신호 생성기 각각이 GPS, GLONASS, GALILEO 및 BDS를 포함하는 위성항법 시스템에 따라 상기 반송파 복제신호 및 상기 레인징 코드 복제신호를 독립적으로 생성하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법이 적용된 위성항법수신기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 롤 회전속도 추정기는
    상기 기저대역 신호에서 저주파 성분을 추출하는 저대역 통과 필터;
    추정된 롤 회전속도에 따라 샘플링 주파수를 조절하고 상기 저주파 성분에 대해 샘플링 신호를 추출하여 메모리에 저장하는 메모리 제어기;
    상기 메모리에 저장된 샘플링 신호 및 회전 신호 모델부의 모델링 신호 간의 곱연산을 통해 상기 주파수영역 상대 상관연산을 수행하여 결과값을 생성하는 상관연산 처리모듈;
    상기 결과값의 크기를 변환하는 포락 계산기;
    상기 포락 계산기의 결과에 따라 오차를 계산하는 오차 계산기 및
    상기 모델링 신호를 생성하는 회전 신호 모델에 대해 상기 오차에 따라 갱신하는 회전 신호 모델부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법이 적용된 위성항법수신기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 롤 회전속도 추정기는
    상기 저대역 통과 필터, 상기 메모리 제어기, 상기 포락 계산기, 상기 오차 계산기 및 상기 회전 신호 모델부 각각이 시분할 처리 가능하게 구현되고,
    상기 기저대역 신호를 시분할하여 위성 별로 독립된 회전 신호 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법이 적용된 위성항법수신기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기저대역 위성신호 처리부 및 상기 롤 회전속도 추정기 간의 쌍이 복수개로 형성된 결과 외부의 위성마다 독립적으로 할당되어 동작하는 것을 특징으로 하는 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법이 적용된 위성항법수신기.
  8. 안테나를 통해 외부의 위성 신호를 수신하는 단계;
    상기 위성 신호를 기저대역 신호로 변환하는 단계;
    상기 기저대역 신호로부터 반송파 신호와 레인징 코드 신호를 제거하여 위성 데이터를 추출하는 단계; 및
    상기 위성 데이터의 위성 신호 세기 성분에 해당하는 제1 회전 신호와 회전 신호를 모델링 신호로서 출력하도록 구현된 회전 신호 모델에 의해 모델링된 제2 회전 신호 간의 주파수영역 상대 상관연산을 통해 항체의 롤 회전속도와 롤 자세각을 산출하는 단계;를 포함하는 위성항법수신기에서 주파수영역 상대 상관연산을 이용한 항체의 롤 회전각 계산 방법.
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