KR102562690B1 - Mf r-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지및 완화 시스템 및 방법 - Google Patents

Mf r-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지및 완화 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 야간에 발생하는 스카이웨이브 효과를 제거하는 알고리즘을 제공하고 그 성능을 검증하는 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템은, 다른 거리와 다른 지형에 의한 전파 경로를 갖는 MF(중파) R-모드(range mode) 신호를 각각 송신하는 복수의 MF R-모드 송신부; 및 상기 MF R-모드 신호를 수신하여 시간 변동에 따른 위상 변화를 분석하여 보정하는 보정 정보를 생성하는 연속 운영 기지국(CORS: Continuous Operation Reference Stations);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템 및 방법{Skywave detection and mitigation system and method for MF R-mode continuous operation reference stations}
본 발명은 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
현대 세계에서 글로벌 내비게이션 위성 시스템(GNSS)은 필수적인 요소로, 교통, 지도 제작, 군사 작전 등 다양한 응용 분야에 정밀 위치 결정과 네비게이션을 가능하게 한다.
GNSS는 지구를 돌고 있는 위성 군집에 기반하며, 이 위성들이 지구에 있는 GNSS 수신기에 신호를 전송한다.
이 신호들은 수신기의 위치, 속도, 시간을 계산하는데 사용된다.
GNSS는 항공, 해상 및 기타 교통 수단의 내비게이션 시스템뿐만 아니라 금융 시스템, 통신 네트워크 및 에너지 그리드에서도 사용할 수 있다.
GNSS에 대한 광범위한 의존성은 그것을 현대 사회의 중요한 구성 요소로 만들었으며, 그 가용성과 정확성은 중요 시스템과 응용 프로그램의 안전, 효율성, 보안을 보장하는데 필수적이다.
그러나 GNSS 시스템은 재밍 및 스푸핑 등 다양한 유형의 간섭에 취약하며, 이는 그들의 정확성과 신뢰성을 손상시켜 GNSS 사용자에게 심각한 결과를 초래할 수 있다.
예를 들어, GNSS는 교통 부문에서, 특히 자율 시스템, 즉 자율 주행 자동차의 안전성과 효율성을 보장하는 데 있어 중요하다.
GNSS 간섭이 발생하면 이런 차량들은 길을 잃어 잠재적인 사고를 초래할 수 있다.
이러한 보안 문제를 고려할 때, 지상의 라디오 네비게이션 시스템을 사용하여 네비게이션 시스템을 다중화하면 GNSS 사용자에게 안전한 네비게이션을 보장할 수 있다.
지상 라디오 네비게이션 시스템, 예를 들어 개선된 장거리 네비게이션(eLoran) 시스템과 중파(MF) R-Mode(range mode) 시스템은 GNSS의 취약성을 완화하기 위한 백업을 제공할 수 있다.
이러한 시스템들은 지상 기반 라디오 신호를 사용하여 사용자에게 네비게이션 정보를 제공하며, GNSS에 대한 매우 정확하고 신뢰할 수 있는 대안을 제공한다.
재밍 및 간섭에 취약한 GNSS 신호와는 달리, 지상 네비게이션 신호는 이런 위협에 훨씬 덜 취약하며, GNSS 신호가 약하거나 사용할 수 없는 지역에서도 네비게이션 정보를 제공할 수 있다.
따라서 지상 네비게이션 신호의 배치는 네비게이션 시스템의 탄력성을 높이고, 특히 항공, 해상, 국방 등의 중요 응용 분야에서 네비게이션의 안전성과 효율성을 보장할 수 있다.
지상 라디오 네비게이션 신호는 전파 환경의 특성에 따라 전파 속도가 변화하며, 이는 네비게이션 신호의 비행 시간의 변화를 초래하고 위치 추정에서 주요한 오류 원인이 된다.
이 변화는 지형, 날씨, 계절 등의 지역적 및 시간적 요인에 영향을 받는다.
이를 보상하기 위해서는 서비스 영역에서 신호를 지속적으로 모니터링하고 교정 정보를 생성해야 한다.
이로란(eLoran) 시스템은 실시간 교정 정보를 적용함으로써 약 10 ~ 20 m 의 정확도로 위치 추정을 제공할 수 있다.
이는 GNSS가 운영하는 연속 운영 기준국(CORS: Continuously Operating Reference Stations)의 개념과 유사하다.
한편, 스카이웨이브 효과는 해가 지면서 전리층의 D층이 사라져 이로란 또는 MF R-모드 신호가 지구 표면으로 되돌아오는 현상이다.
이 효과는 대기의 굴절률의 변화로 네비게이션 신호의 이동 시간이 영향을 받음으로써 지상 라디오 네비게이션 시스템의 정확도를 크게 저하시킬 수 있다.
이로란 시스템은 펄스 신호를 사용하여 스카이웨이브 효과에 대한 저항성을 갖도록 설계되었지만, 연속파 신호를 사용하는 MF R-모드 시스템은 스카이웨이브 효과에 취약하여 시스템의 성능을 저하시킨다.
발트해에서 실시한 여러 MF R-모드 테스트는 스카이웨이브 효과의 영향으로 야간에 선박의 위치 정확도가 크게 감소한다는 것을 보여준다.
한국은 소청도(SC), 팔미도(PM), 충주(CJ), 어청도(EC)에 4개의 MF R-모드 전송 스테이션을 구현하고 근처 해역에서 10 m 의 위치 정확도를 달성하기 위해 하나의 CORS를 설치하여 GNSS 실패시 사용할 수 있는 MF R-모드 기술을 개발하였다.
MF R-모드 CORS는 넓은 지역에서의 변화를 모니터링하고 교정 정보를 생성한다.
그러나 스카이웨이브 효과는 전리층의 다른 영역에서 갑자기 불규칙하게 발생할 수 있어 예측하기 어렵고, 따라서 대규모 사용자에게 일관되게 적용하기 어려운 문제점이 있다.
따라서 MF R-모드 CORS의 정확한 교정 정보를 생성하려면 스카이웨이브 효과의 영향을 제외해야 한다.
국내 등록특허공보 제10-1199419호
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 야간에 발생하는 스카이웨이브 효과를 제거하는 알고리즘을 제공하고 그 성능을 검증하는 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템은, 다른 거리와 다른 지형에 의한 전파 경로를 갖는 MF(중파) R-모드(range mode) 신호를 각각 송신하는 복수의 MF R-모드 송신부; 및 상기 MF R-모드 신호를 수신하여 시간 변동에 따른 위상 변화를 분석하여 보정하는 보정 정보를 생성하는 연속 운영 기지국(CORS: Continuous Operation Reference Stations);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템에서, 상기 연속 운영 기지국은 수평 정밀도 저하(HDOP : Horizontal dilution of precision)를 사용하여 정확도 성능을 예측하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템에서, 상기 연속 운영 기지국은, 상기 MF R-모드 신호를 수신하는 MF R-Mode E-필드 패시브 안테나; 복수의 위성이 송신하는 GNSS 신호를 수신하는 GNSS 안테나; 및 상기 MF R-모드 신호와 상기 GNSS 신호를 수집하여 처리하는 MF R-Mode 수신기;를 포함하며, 시간에 따라 변화하는 상기 MF R-Mode 신호의 위상 변화를 보정하는 보정 정보를 생성하기 위해 연속적으로 상기 MF R-Mode 신호를 수신하고 모니터링하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템에서, 상기 MF R-모드 신호는 GNSS 보정 정보를 전송하는 차등 위성 항법 시스템(DGNSS : Differential Global Navigation Satellite System)을 업데이트하여 생성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템에서, 상기 MF R-모드 신호는 최소 시프트 키 변조(MSK)를 사용하여 전송되며, 연속파가 최소 시프트 키 변조 신호의 스펙트럼의 비어 있는 지점에 삽입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템에서, 상기 MF R-모드 신호는 지상파와 스카이웨이브로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템에서, 상기 MF R-Mode 수신기는 SNR(신호 대 잡음비) 값의 변동과 이동 평균 필터를 사용하는 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 존재를 감지하며, 수신하는 데이터의 고속 푸리에 변환(FFT) 스펙트럼에서 MF R-Mode 신호의 중심 주파수의 크기를 신호가 없는 주변 주파수의 크기와 비교하여 SNR을 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템에서, 상기 MF R-Mode 수신기는 신호 강도의 변동이 상기 MF R-Mode 신호의 SNR에 반영되어 스카이웨이브 효과의 존재를 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템에서, 상기 스카이웨이브 감지 알고리즘은, 상기 MF R-Mode 수신기에서 출력된 SNR에 대해 이동 평균 필터를 통해 처리한 결과의 표준 편차가 이동 평균 SNR의 평균값을 초과하면, 스카이웨이브 효과가 발생한 것으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템에서, 상기 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 감지된 스카이웨이브는 스카이웨이브 완화 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 영향을 감소시키며, 상기 스카이웨이브 완화 알고리즘은 MF R-Mode의 반송파 신호를 진폭과 위상이 분리된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호를 사용하여 변조시키며, 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호는 반송파 신호와 2개의 별도의 로컬 오실레이터 신호를 혼합함으로써 생성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템에서, 변조된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호의 IQ 복조에서 복소 기저 대역 신호의 위상각을 사용하는 복조 과정은 직교 신호와 동위상 신호의 비율의 아크탄젠트를 계산하여 반송파 신호의 위상을 나타내는 위상각 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법은, 복수의 MF R-모드 송신부에 의해 각각 송신되는 다른 거리와 다른 지형에 의한 전파 경로를 갖는 MF(중파) R-모드(range mode) 신호를 연속 운영 기지국(CORS: Continuous Operation Reference Stations)에 의해 수신하는 단계; 수신된 상기 MF R-모드 신호에 대해 MF R-Mode 수신기의 SNR(신호 대 잡음비) 값의 변동과 이동 평균 필터를 사용하는 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 존재를 감지하는 단계; 상기 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 감지된 스카이웨이브의 영향을 상기 MF R-Mode 수신기의 스카이웨이브 완화 알고리즘에 의해 감소시키는 단계; 및 상기 연속 운영 기지국에 의해, 완성된 상기 MF R-모드 신호의 표준 편차와 정밀도를 비교하여 스카이웨이브 완화의 효과를 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법에서, 상기 MF R-모드 신호는 GNSS 보정 정보를 전송하는 차등 위성 항법 시스템(DGNSS : Differential Global Navigation Satellite System)을 업데이트하여 생성되며, 상기 MF R-모드 신호는 최소 시프트 키 변조(MSK)를 사용하여 전송되며, 연속파가 최소 시프트 키 변조 신호의 스펙트럼의 비어 있는 지점에 삽입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법에서, 상기 MF R-Mode 수신기는, 수신하는 데이터의 고속 푸리에 변환(FFT) 스펙트럼에서 MF R-Mode 신호의 중심 주파수의 크기를 신호가 없는 주변 주파수의 크기와 비교하여 SNR을 계산하며, 상기 MF R-Mode 수신기는 신호 강도의 변동이 상기 MF R-Mode 신호의 SNR에 반영되어 스카이웨이브 효과의 존재를 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법에서, 상기 스카이웨이브 감지 알고리즘은, 상기 MF R-Mode 수신기에서 출력된 SNR에 대해 이동 평균 필터를 통해 처리한 결과의 표준 편차가 이동 평균 SNR의 평균값을 초과하면, 스카이웨이브 효과가 발생한 것으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법에서, 상기 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 감지된 스카이웨이브는 스카이웨이브 완화 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 영향을 감소시키며, 상기 스카이웨이브 완화 알고리즘은 MF R-Mode의 반송파 신호를 진폭과 위상이 분리된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호를 사용하여 변조시키며, 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호는 반송파 신호와 2개의 별도의 로컬 오실레이터 신호를 혼합함으로써 생성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법에서, 변조된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호의 IQ 복조에서 복소 기저 대역 신호의 위상각을 사용하는 복조 과정은 직교 신호와 동위상 신호의 비율의 아크탄젠트를 계산하여 반송파 신호의 위상을 나타내는 위상각 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템은, MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법에 의해 수행된다.
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, 야간에 발생하는 스카이웨이브 효과를 제거하기 위한 알고리즘을 제시하고 그 성능을 검증하는 효과가 있다.
도 1은 도 1은 4개의 MF R-모드 송신기의 기하학적 분포와 전파 경로의 길이(왼쪽) 및 Google 어스에서 획득한 각 전파 경로의 고도 프로파일(오른쪽)을 나타내는 도면.
도 2는 MF R-모드 신호를 수집하고 모니터링하기 위한 장비가 CORS에 설치되어 있으며, 좌측에는 옥상에 있는 MF R-모드 E-필드 패시브 안테나와 측량 등급 GNSS 안테나, 우측에는 대피소에 있는 Serco의 MF R-모드 수신기(MFR-1a) 및 디스플레이 장치를 나타내는 도면.
도 3은 CORS에서 24시간 캠페인 동안 미터 단위의 MF R-모드 신호의 위상 변화를 나타내고, 파란색 점은 수신기의 원시 측정값을 나타내며, 빨간색 점은 5초 이동 평균 필터로 평활화한 것을 의미하는 그래프.
도 4는 임계 각도, 스킵 거리, 전리층을 포함한 스카이웨이브 전파 현상 및 주요 매개 변수를 나타내는 도면.
도 5는 CORS에서 24시간 캠페인 동안 미터 단위의 MF R-모드 신호의 SNR 변화를 나타내며, 파란색 점은 수신기의 원시 측정값을 나타내고, 빨간색 점은 100 초 이동 평균 필터를 사용하여 평활화한 신호를 나타내는 그래프.
도 6은 CJ 송신기(파란색으로 표시)에서 MF R-모드 신호의 SNR 표준 편차 변화와 스카이웨이브 존재 여부를 판단하는 임계값(빨간색으로 표시)의 변화를 나타내는 그래프.
도 7은 CW1(위) 대 CW2(아래)를 비교한 CORS에서 1시간 동안 진행된 캠페인에서 CJ 송신기의 MF R-모드 신호의 위상 및 I/Q 신호 분석을 나타내는 그래프.
도 8은 제공된 알고리즘을 적용하여 CORS에서 스카이웨이브 효과 완화 개선을 나타내며, 검은색과 빨간색 점은 각각 수신기의 원시 측정값과 제안한 알고리즘의 결과를 나타내는 그래프.
도 9는 CORS의 기하학적 분포와 추가 두 개의 실험 사이트(왼쪽)와 차량의 식수 실험 환경(오른쪽)을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템의 구성을 나타내는 블록도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법의 전체 흐름을 나타내는 플로우 차트.
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.
글로벌 네비게이션 위성 시스템(GNSS)에 대한 의존도가 증가함에 따라 독립적인 지상 네비게이션 시스템에 대한 필요성이 증가하고 있다.
중파 대역(MF R-모드) 시스템은 유망한 대안으로 여겨지지만, 야간에 전리층 변화로 인한 스카이웨이브 효과가 위치 정확도를 저하시킬 수 있다.
이 문제를 해결하기 위해, MF R-모드 신호에 대한 스카이웨이브 효과를 감지하고 완화시키는 알고리즘을 제공한다.
제공된 알고리즘은 MF R-모드 신호를 모니터링하는 연속 운영 기준국(CORS)에서 수집한 데이터를 사용하여 테스트되었다.
스카이웨이브 감지 알고리즘은 지상파와 스카이웨이브 구성에 의해 유발되는 신호 대 잡음 비율(SNR)에 기반하며, 스카이웨이브 완화 알고리즘은 IQ 변조를 통해 얻은 신호의 I 및 Q 구성 요소에서 파생되었다.
그 결과는 CW1과 CW2 신호의 정밀도와 표준 편차의 중요한 개선을 보여주었다.
CW1과 CW2 신호의 표준 편차는 각각 39.01 m 와 39.28 m 에서 7.94 m 와 9.12 m 로 감소하였으며, 95% 정밀도 수준은 각각 92.12 m 와 79.82 m 에서 15.62 m 와 17.84 m 로 증가하였다.
이러한 결과는 제공된 알고리즘이 MF R-모드 시스템의 정확도와 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
본 발명에 따른 성능 검증은 다음과 같은 방식으로 수행된다.
먼저 MF R-모드 시스템을 위한 CORS의 구성을 자세히 설명한다.
다음, CORS에서 시간 변동에 따른 MF R-모드 신호의 위상 변화를 분석한다.
이어서 신호 대 잡음비(SNR) 기반 스카이웨이브 검출 방법과 IQ 변조 기반 스카이웨이브 감소 알고리즘을 제공한다.
마지막으로 CORS 근처에서 실제 실험을 통해 해당 알고리즘의 유효성을 검증한다.
- 한국형 MF R-모드 시스템의 연속 운영 기준국 -
본 발명에서 MF R-모드의 성능을 검증하기 위해 테스트베드로 사용하는 대산 항 주변 지역은 4개의 MF R-모드 전송소(소청도(SC), 팔미도(PM), 충주(CJ), 어청도(EC)) 각각에 대해 다른 거리와 지형을 가진 다양한 전파 경로를 가지고 있다.
SC 및 PM 전송소로부터의 신호 전파 경로는 각각 약 171 ㎞ 와 39 ㎞ 로 가장 길고 가장 짧으며 대부분 바다 위를 통과한다.
CJ 전송소에서 오는 신호의 전파 경로 길이는 약 119 ㎞ 로, 대부분 육지를 통과하며 전송 스테이션 근처의 산지를 통과한다.
EC 전송소에서 오는 신호는 일정 부분 육지와 바다를 통과하는 특성을 가지고 있다.
도 1은 4개의 MF R-모드 송신기의 기하학적 분포와 전파 경로의 길이(왼쪽) 및 구글 어스에서 획득한 각 전파 경로의 고도 프로파일(오른쪽)을 나타내는 도면이다.
도 1의 왼쪽 지도는 4개의 MF R-모드 송신기와 대산 CORS의 기하학적 배치 및 신호의 거리를 나타내는 기하학적 배치를 나타낸다.
도 1의 오른쪽의 파형은 구글 어스에서 생성된 각 송신기의 신호 전파 경로의 고도 프로파일을 나타낸다.
- 수평 정밀도 저하
위치 정밀도 저하(PDOP : Position Dilution of Precision)는 GPS와 같은 위성 내비게이션 시스템에서 수신기가 본 위성 구성의 기하학적 품질을 설명하는 용어이다.
PDOP 값은 현재 위성의 기하학적 구성에 따른 GPS 위치 해결책의 상대적 정확도에 대한 정보를 제공한다.
PDOP 값은 위성의 기하학적 구성에 의해 발생하는 위치 오차와 이론적 최소 위치 오차의 비율로 계산된다.
PDOP 값이 작을수록 위성의 기하학적 구성이 더 우수하고, 위치 결정 솔루션이 더 정확하다는 것을 의미한다.
또한 PDOP의 개념은 지상 기반 내비게이션 시스템에도 적용될 수 있다.
송신기와 사용자 간의 낮은 PDOP는 동일한 신호 품질을 받을 때 위치 추정의 더 높은 정확도를 달성할 수 있음을 의미한다.
따라서 CORS의 PDOP에 근거한 위치 정확도 성능을 분석하면 다른 해양 지역에서 사용자가 사용할 수 있는 위치 정확도 성능을 예측하는 데 도움이 될 수 있다.
일반적으로 PDOP에는 지구 중심의 지구 고정 좌표계(ECEF) 좌표계를 기반으로 위성과 수신기의 x축, y축, z축 분포를 포함한다.
그러나 지상 신호를 기반으로 하는 전파 시스템은 위성 내비게이션 시스템과 다르며 World Geodetic System 1984(WGS84) 좌표계를 기반으로 수평 위치만 계산하므로 수평 정밀도 저하(HDOP)가 사용된다.
HDOP는 다음과 같이 도출할 수 있다:
[수식 1]
[수식 2]
[수식 3]
여기서, 는 CORS 위치와 i번째 MF R-모드 송신기 사이의 방위각을 나타낸다.
수식 (1) ~ (3)에 따르면, 대산항에서의 HDOP는 1.01로, CORS에서 수신한 MF R-모드 신호의 거리 측정 정확도가 추정된 위치의 정확도와 거의 유사하다는 것을 알 수 있다.
- 데이터 수집을 위한 장비 설치
도 2는 CORS에 MF R-모드 신호를 수집하고 모니터링하기 위한 장비가 설치되어 있으며, 좌측에는 옥상에 설치된 MF R-모드 E-필드 패시브 안테나와 측량 등급 GNSS 안테나, 우측에는 보호소에 있는 Serco의 MF R-모드 수신기(MFR-1a) 및 디스플레이 장치를 나타내는 도면이다.
MF R-모드 CORS 테스트베드에서는, 시간에 따라 변화하는 MF R-모드 신호의 위상 변화를 보정하는 보정 정보를 생성하기 위해, 계속적으로 MF R-모드 신호를 수신하고 모니터링하는 시설이 구축되었다.
이를 위해 도 2와 같이 MF R-모드 CORS 시험대에서는 CORS 시설의 지붕에 MF R-모드와 GNSS 안테나가 설치되었으며, Serco의 MF R-모드 수신기(Model: MFR-1a)가 신호 수집 및 처리 장치로 설치되었다.
Serco의 수신기는 미국 교통부가 수행한 보완 위치, 내비게이션, 타이밍(PNT) 성능 검증을 통해 성능이 검증된 유일한 상업용 MF R-모드 수신기이다.
MFR-1a의 사양에는 해상 비콘 대역 프론트 엔드가 포함되어 있으며, 이는 인접한 저주파(LF) 및 진폭 변조(AM) 대역의 잡음과 간섭을 제거하여 신호를 강화하도록 설계되었다.
이 프론트 엔드는 0 ~ 20 ㏈ 의 이득 범위를 가지며, 285 ~ 325 ㎑ 의 주파수 범위에서 신호를 증폭한다.
그런 다음 신호는 전체 해상 비콘 대역을 동기 처리를 위한 단일 신호로 기록하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 처리된다.
ADC는 외부 루비듐 클록의 10 ㎒ 클록 신호로 작동하며, 샘플링 속도는 1 ㎒ 이고, 16 비트 해상도를 가진 넓은 동적 범위를 위해 작동한다.
또한, MFR-1a 사양에는 초기 수신기 보정을 위한 위치를 제공하고 루비듐 클럭의 장기 안정성을 보장하는 별도의 GNSS 수신기가 포함되어 있다.
- MF R-모드 CORS에서의 일일 위상 변화
MF R-모드 신호는 GNSS 보정 정보를 전송하는 차등 위성 항법 시스템(DGNSS) 인프라를 업데이트하여 생성된다.
신호는 100 또는 200 bps 의 대역폭을 가지고 있이며, 약 300 ㎑ 의 주파수에서 최소 시프트 키 변조(MSK) 변조를 사용하여 전송된다.
MF R-모드 신호를 생성하기 위해, 연속파(CW)가 MSK 신호의 스펙트럼의 빈지점에 삽입된다.
신호 대역폭이 100 bps 인 유럽에서는 중심 주파수에서 225 ㎐ 떨어진 곳에 빈 칸이 생성된다.
반면 신호 대역폭이 200 bps 인 한국에서는 중심 주파수에서 250 ㎐ 떨어진 곳에 CW 신호가 추가된다.
LF 또는 MF 신호의 일일 위상 변화 현상은 이러한 신호의 위상이 표면의 효과 전도도 및 대기의 습도로 인해 하루 동안 변화하는 것을 의미한다.
LF 신호를 사용하는 이로란 시스템에서는 도착 시간(TOA)이 시간에 따라 변화하므로, 차등 이로란 스테이션에서 TOA의 변화를 보정하기 위한 실시간 보정 정보가 생성된다.
도 3은 CORS에서 24시간 캠페인 동안의 MF R-모드 신호의 미터 단위에서의 위상 변화를 나타내고, 파란색 점은 수신기의 원시 측정값을 나타내며, 빨간색 점은 5초 이동 평균 필터로 부드럽게 처리(평활화)된 값을 의미하는 그래프이다.
도 3은 2023년 1월 8일 24시간 동안 4개의 MF R-모드 송신기의 신호 위상을 미터 단위로 변환한 결과를 보여준다.
MF R-모드 신호의 위상은 0 ~ 2 파이 범위 내에 있으며, 이는 신호의 주파수에 해당하는 파장 범위 내에서 0 m 범위로 변환될 수 있다.
파란색 점은 수신기가 출력하는 MF R-모드 신호의 위상을 나타내며, 빨간색 점은 노이즈를 제거하고 시간에 따른 변화를 관찰하기 위해 100 초 이동 평균 함수를 적용한 결과를 나타낸다.
하루 동안 4개의 MF R-모드 신호의 위상은 30 m 의 변화를 보여주며, 본 발명에서 95 % 확률로 10 m 의 위치 정확도를 달성하기 위해서는 CORS에서 일일 변화를 보정하는 실시간 보정 정보를 생성해야 한다.
일부 섬에 위치한 송신기들은 전력 문제로 인해 안정적인 MF R-모드 신호를 전송하는데 어려움이 있다.
결과적으로 수신된 신호의 위상은 특정 시간에 임의의 값을 가졌으며, 도 3의 첫 번째와 세 번째에서 보여지는 것과 같다.
따라서 CORS는 이러한 신호를 위치 추정에 사용하지 말 것을 사용자에게 경고해야 한다.
또한 24시간 MF R-모드 신호 데이터에서 가장 중요한 관찰 사항 중 하나는 위상이 09:00 ~ 23:00 UTC 사이에 큰 변동을 보였다는 것이다.
당일 한국에서 일출과 일몰이 각각 23:32 UTC와 08:43 UTC에 발생한 것을 고려할 때, 이것은 스카이웨이브 간섭 때문일 가능성이 높다.
또한, 스카이웨이브 간섭의 강도는 각 송신국과의 거리, 신호 전파의 환경과 같은 요소에 따라 다를 수 있지만, 10 m 의 위치 정확도를 달성하기 위해서는 스카이웨이브의 영향을 줄이는 것이 필요하다.
- MF R-모드 CORS에서의 스카이웨이브 효과
MF 신호의 스카이웨이브 효과는 전리층에서 MF 라디오파가 반사되어 지구로 돌아오는 것을 의미한다.
일몰 후 지구가 어두워지면 전리층의 D층이 사라져 전리층의 높이가 증가한다.
이는 MF 신호가 더 이상 D층에 의해 흡수되지 않고 대신 전리층의 더 높은 E층에 의해 지구로 반사된다는 것을 나타낸다.
이것은 MF 신호가 지평선을 넘어 더 먼 거리까지 도달할 수 있게 되므로, 장거리 통신 측면에서 야간 MF 신호에 대한 스카이웨이브 효과가 더 효과적이다.
신호의 위상 변화를 통해 거리를 계산하는 MF R-모드 시스템에서 스카이웨이브 효과의 존재는 지면파와 함께 새로운 복합 신호를 생성할 수 있으며, 이 지면파는 표면 경로를 따라 이동한다.
따라서, 수신기는 신호 강도와 위상면에서 잘못된 측정값을 수신하게 되며, 이는 신호의 감쇠나 다중 경로 형태를 취할 수 있다.
궁극적으로, 스카이웨이브 효과는 통신 관점보다는 네비게이션 시스템의 관점에서 위치 정확도에 악영향을 미친다.
야간에 전리층의 D층이 사라져도 스카이웨이브 효과로 인해 모든 지역에서 반사 신호를 수신할 수 없다.
전리층에서 반사된 신호는 스킵 거리보다 먼 거리에서만 수신할 수 있다.
스킵 거리는 라디오파가 지구 표면을 따라 이동할 수 있는 최대 거리로, 전리층에 의해 다시 지구로 반사되는 거리를 말한다.
반대로 임계각은 라디오파가 전리층에 의해 다시 지구로 반사되기 위해 전송되어야 하는 최대 각을 말한다.
도 4는 임계각, 스킵 거리, 전리층을 포함하는 스카이웨이브 전파 현상 및 주요 매개 변수를 나타내는 도면이다.
도 4와 하기 수식 4에서 보여지는 것처럼, 스킵 거리 는 임계각 과 전리층 E 층의 높이 에 의해 결정된다.
[수식 4]
이는 MF R-모드 신호 송신기로부터 45 ㎞ 이상 떨어진 지역에서는 밤에 위치 정확도에 영향을 미칠 수 있다는 것을 나타낸다.
이는 MF R-모드 신호 송신기에서 45 ㎞ 이상 떨어진 지역에서 야간에 위치 정확도가 영향을 받을 수 있음을 나타낸다.
최근의 실험 결과는 송신기에서 약 60 ㎞ 떨어진 위치에서는 스카이웨이브 효과가 없는 것으로 나타났다.
그러나 송신 경로를 따라 갑작스러운 산지가 있는지에 따라 약 50 ㎞ 범위 내에서 스카이웨이브 효과가 관찰될 수 있다.
기존에는 MF 신호가 오직 표면과 해양 표면으로 구성된 경로를 통해 각각 60 ㎞ 와 500 ㎞ 를 이동할 때 경험하는 신호 감쇠를 비교할 수 있었다.
송신기로부터의 거리뿐만 아니라 전파 경로의 구성은 다양한 수준의 진폭 감쇠가 발생할 수 있다.
따라서, 송신기로부터의 거리에 단순히 의존하는 대신, 전파 경로의 특징을 바탕으로 SNR의 변화와 지상파 감소의 변동성을 고려하여 스카이웨이브 효과의 존재를 평가하는 것이 더 적절하다.
- 스카이웨이브 감지 및 완화 알고리즘 -
- SNR 기반 스카이웨이브 감지 알고리즘
수신기 에서 수신된 신호가 오직 지상파와 스카이웨이브로만 구성되어 있고, 다양한 다른 잡음을 고려하지 않는다고 가정하면, 하기 수식 5와 같이 표현할 수 있다.
[수식 5]
여기서, 는 지상파의 진폭을 나타내고, 는 MF R-모드 신호의 중심 주파수를 나타내며, 는 지상파의 전파 경로에 따른 위상을 나타내고, 는 스카이웨이브의 진폭을 나타내며, 는 원홉 스카이웨이브의 전파 경로에 따른 위상을 나타낸다.
주간에는 대부분의 스카이웨이브가 전리층의 D층에 흡수되므로 는 0으로 수렴한다고 가정할 수 있다.
결과적으로 는 의 진폭과 거의 동일하며, 따라서 전파 경로를 따라 빠르게 변하지 않는 한 안정적인 값을 나타낼 수 있다.
그러나 밤에 스카이웨이브가 지표면에 도달할 때, 와 의 비율은 중요해지며 무시할 수 없다.
MF R-모드 CORS에 설치된 Serco 사의 MF R-모드 수신기는 1초 간격의 수신 데이터의 고속 푸리에 변환(FFT) 스펙트럼에서 MF R-모드 신호의 중심 주파수의 크기를 신호가 없는 주변 주파수의 크기와 비교하여 SNR을 계산한다.
이를 통해 신호 강도의 변동이 MF R-모드 신호의 SNR에 반영되어, 스카이웨이브 효과의 존재를 감지하는 수단을 제공한다.
이러한 다중 경로 감지 기술은 SNR 변화의 감지를 활용하여 GNSS-R과 같은 분야에서 이미 사용되고 있다.
도 5는 CORS에서 24시간 캠페인 동안의 MF R-모드 신호의 미터 단위에서의 SNR 변화를 나타내며, 파란색 점들은 수신기로부터 원시 측정값을 나타내고, 빨간색 점들은 100 초 이동 평균 필터를 사용하여 부드럽게 처리(평활화)된 신호를 나타내는 그래프이다.
도 5는 24시간 동안 각 송신기 EC, CJ, PM, SC로부터 수신한 SNR을 보여준다.
데이터는 도 3에 표시된 것과 동일하게 수집되었다.
파란색과 빨간색 점은 각각 수신기에서 출력된 SNR과 100 초 동안 이동 평균 필터를 통과한 결과를 나타낸다.
제공된 스카이웨이브 감지 알고리즘은 다음 단계를 포함한다.
수신기에서 출력된 SNR은 100 초 이동 평균 필터를 통해 처리된다(도 5의 빨간색 점으로 표시됨).
이 결과의 표준 편차가 100 초 이동 평균 SNR의 평균값을 초과하면, 하기 수식 6에 따라 스카이웨이브 효과가 발생한다.
이 감지의 임계값과 이동 평균 필터의 길이는 CORS에서 수집한 장기 데이터를 사용하여 실험적으로 설정되었다.
[수식 6]
예를 들어, 제공된 알고리즘이 CJ 송신기에서 온 MF R-모드 신호에 적용되었다.
이 신호는 송신기에서 CORS까지의 전파 경로의 거리와 지형 특성을 고려할 때, CORS에서 수신된 신호 중에서 스카이웨이브의 영향을 가장 많이 받을 것으로 예상된다.
도 6은 CJ 송신기로부터의 MF R-모드 신호의 SNR 표준 편차 변화(파란색으로 표시)와 스카이웨이브 존재 여부를 결정하는 임계값(빨간색으로 표시)의 변화를 나타내는 그래프이다.
스카이웨이브 효과를 감지하기 위한 통계적 값은 파란색 점으로, 임계값은 빨간색 선으로 도 6에 표시되어 있다.
통계적 값이 임계값을 초과하는 시간은 도 4와 같이 위상이 갑자기 변하는 시간과 거의 유사하다.
- IQ 변조를 사용한 스카이웨이브 완화 알고리즘
IQ 변조에서는 반송파 신호의 진폭과 위상이 분리된 두 신호, 즉 인페이즈(I : in-phase) 신호와 쿼드라쳐(Q : quadrature) 신호를 사용하여 변조된다.
I 및 Q 신호는 일반적으로 반송파 신호와 두 개의 별도의 로컬 오실레이터 신호를 혼합함으로써 생성되며, 이 중 하나는 위상이 90°씩 이동된다.
I 및 Q 신호는 수학적으로 하기 수식 7과 같이 표현할 수 있다.
[수식 7]
여기서, 는 반송파 주파수이고 와 는 각각 동위상 및 직교 신호이다.
동위상 신호는 반송파 신호의 진폭을 제어하며, 직교 신호는 반송파 신호의 위상을 제어한다.
수신된 신호는 IQ 변조를 사용하여 I 및 Q 성분으로 분리될 수 있으므로, 각 성분을 독립적으로 분석하고 조작할 수 있다.
이는 신호가 수신기에 도달하는 다중 경로가 있어 다중 경로 간섭과 신호 페이딩이 발생하는 상황에서 특히 유용하다.
I와 Q 성분을 독립적으로 분석함으로써 다중 경로 간섭의 영향을 감지하고 보정할 수 있으므로, 더 정확하고 신뢰할 수 있는 신호를 얻을 수 있다.
IQ 복조에서 복소 기저 대역 신호의 위상각을 사용하는 복조 과정은 직교 신호와 동위상 신호의 비율의 아크탄젠트를 계산하는 것이다.
이로 인해 원래 반송파 신호의 위상을 나타내는 위상각 값이 산출된다.
일반적으로 복소 기저 대역 신호는 복소수로 표현되며, 동위상 및 직교 신호는 각각 복소수의 실수 부분과 허수 부분을 형성한다.
복소 기저 대역 신호의 위상각 은 하기 수식 8과 같이 계산할 수 있습니다.
[수식 8]
Serco MF R-모드 수신기인 MFR-1a는 MF R-모드 신호의 복소 기저 대역의 I와 Q 성분으로부터 계산된 위상각을 활용하여 신호의 범위를 추정하며, 이를 라디안에서 미터로 변환한다.
MFR 1a는 최대 5개의 MF R-모드 송신기로부터 동시에 신호를 수신하고, 매초마다 계산된 I와 Q 값을 출력할 수 있다.
도 7은 CW1(위) 대 CW2(아래)를 비교한 CORS에서 1시간 캠페인 동안 CJ 송신기로부터의 MF R-모드 신호의 위상 및 I/Q 신호 분석을 나타내는 그래프이다.
도 7은 24시간 동안의 스카이웨이브 효과로 인해 상당한 위상 변화가 있는 1시간 동안의 CJ 송신기로부터의 MF R-모드 신호의 위상 및 I/Q를 나타낸다.
MF R-모드 신호는 중심 주파수에서 양방향으로 동일한 주파수 차이만큼 이동된 두 개의 CW를 포함한다.
본 발명에서는 중심 주파수보다 높은 주파수의 신호를 CW1로, 중심 주파수보다 낮은 주파수를 가진 신호를 CW2로 정의하였다.
도 7의 첫 번째 행은 CW1 신호를 보여주며, 두 번째 행은 CW2 신호를 보여준다.
도 7의 1열에 있는 위상 그래프를 관찰할 때, CW1과 CW2 모두 스카이웨이브 효과로 인해 1시간 동안 수백 미터의 상당한 위상 변화를 경험하는 것을 확인할 수 있다.
또한 이러한 변화의 추세는 서로 반대 방향성을 보인다.
그러나 이 상관 관계는 도 7의 2열에 있는 IQ 그래프를 살펴보면 더욱 명확하게 나타난다.
IQ 그래프에서 빨간색과 파란색 선은 각각 I와 Q를 나타낸다.
또한 CW1의 I 성분(오른쪽 상단 그래프의 빨간색 선)은 CW2의 Q 성분(오른쪽 하단 그래프의 파란색 선)과는 완전히 반대이 추세를 보인다.
또한 CW1의 Q 성분(오른쪽 상단 그래프의 파란색 선)은 CW2의 I 성분(오른쪽 하단 그래프의 빨간색 선)의 추세와 유사한 추세를 보인다.
CORS에서 수집한 장기 데이터를 기반으로, 앞서 언급한 특성은 일관되게 관찰되었다.
이러한 관찰을 바탕으로 스카이웨이브 효과가 발생할 때 나타나는 특성에 대해 두 가지 가정을 설정하였다.
가정 1 : CW1의 I 성분의 변화는 CW2의 Q 성분의 변화와 음의 상관 관계를 가진다.
가정 2 : CW1의 Q 성분의 변화는 CW2의 I 성분의 변화와 양의 상관 관계가 있다.
두 가정을 구현하기 위한 알고리즘은 하기 수식 9 및 수식 10과 같이 표현할 수 있다.
[수식 9]
[수식 10]
여기서, 와 는 각각 스카이웨이브 효과를 완화한 두 개의 MF R-모드 신호의 위상을 나타낸다.
제공된 알고리즘은 대산항의 CORS에서 스카이웨이브에 가장 영향을 받는 CJ 송신기의 MF R-모드 신호에 적용되어 성능을 검증하였다.
도 8은 제공된 알고리즘을 적용하여 CORS에서의 스카이웨이브 효과를 완화시키는 개선을 나타내며, 검은색과 빨간색 점은 각각 수신기의 원시 측정값과 제공된 알고리즘의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 MRF-1a 수신기로부터 수신된 CW1, CW2 신호의 위상(검은색 선)과 제공된 알고리즘을 적용한 후 다시 추정된 위상(빨간색 선)을 나타낸다.
CW1 및 CW2 신호의 측정된 위상 값은 각각 39.01 m 및 39.28 m 의 표준 편차를 나타냈으며, 95 % 수준의 정밀도로는 각각 92.12 m 및 79.82 m 의 값을 산출하였다.
그러나 제공된 알고리즘을 적용한 결과, CW1 및 CW2 신호의 표준 편차는 각각 7.94 m 와 9.12 m 로 감소되었으며, 95 % 수준의 정밀도는 각각 15.62 m 와 17.84 m 로 향상되었다.
결과는 하기 표 1과 같다.
[표 1]
제공된 알고리즘이 수신기 위치에 관계없이 적용될 수 있는지 확인하기 위해, CORS 근처의 두 지점에서 추가 실험을 진행하였다.
차량 루프에 GNSS 및 MF R-모드 안테나를 설치하기 위해 안테나 파크를 구축하고, CORS와 동일한 신호 수집 설정을 MFR-1a 수신기를 사용하여 구현하였다.
도 9는 CORS의 기하학적 분포와 추가로 두 개의 실험 사이트(왼쪽)와, 차량 위의 휴대용 실험 설정(오른쪽)을 나타내는 도면이다.
도 9에 나타난 것처럼, 추가 실험 지점은 CORS에서 각각 약 11 ㎞ 와 24 ㎞ 떨어진 곳으로, 지형의 영향을 최소화하기 위해 해안이 맑은 지역이 선정되었다.
새로운 측정 지점(#1, #2)과 CJ 송신기 사이의 거리는 각각 CORS와 CJ 송신기 사이의 거리보다 약 10 ㎞, 20 ㎞ 더 길지만, 한국의 복잡한 지형 때문에 정확도 저하가 거리에 비례적으로 증가하지는 않는다.
두 지점에서의 추가 검증을 통해, 제공된 알고리즘이 스카이웨이브의 영향을 상당히 감소시키고 정밀도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
특히, 두 번째 추가 실험 지점에서 스카이웨이브에 의한 오차 감소 효과가 뚜렷하며, 10 배 ~ 20 배까지 감소하는 것을 확인하였다.
하기 표 2는 추가로 두 곳에서의 스카이웨이브 효과 완화 개선에 대한 통계를 나타낸다.
[표 2]
본 발명에서는 야간 전리층 변화로 인해 발생하는 MF R-모드 신호의 스카이웨이브 효과를 감지하고 완화하기 위한 알고리즘을 개발하고 그 성능을 평가하였다.
MF R-모드 시스템은 열악한 환경에서 해양에서 GNSS를 사용할 수 없을 때 독립적인 내비게이션 시스템으로 작동하는 지상파 내비게이션 시스템으로, 중간 주파수 대역의 신호를 사용한다.
하지만 이 신호는 밤에 전리층 D층이 사라지면서 E층에서 반사되는 스카이웨이브의 부정적인 영향을 받아 시스템의 정확도가 크게 감소한다.
스카이웨이브 효과를 감지하고 최소화하기 위해 CORS를 설치하고 2021년부터 신호를 수집하여 조사를 진행하였다.
스카이웨이브는 다중 경로 신호의 일종이므로, 지상을 통해 전파되는 지상파와 결합되어 SNR에 급격한 변화를 일으킨다.
따라서 SNR을 사용한 스카이웨이브 감지 알고리즘을 제공하였다.
또한 전리층 변화는 매우 불규칙하고 예측하기 어렵기 때문에 스카이웨이브 발생에 대한 정확한 사실을 확보하기 어렵다.
하지만, SNR의 변화를 통해 위상이 크게 변화하는 순간을 감지할 수 있음을 확인하였다.
또한, 장기간 데이터를 관찰함으로써 IQ 변조에서 생성된 I 및 Q 신호를 사용하여 스카이웨이브를 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하고, 스카이웨이브 효과가 가장 심한 시간의 데이터를 사용하여 알고리즘의 성능을 검증하였다.
또한, CORS의 데이터와 함께 추가적인 두 곳에서 실험을 수행함으로써, 제공된 알고리즘이 수신기의 위치에 관계없이 적용될 수 있음을 확인하였다.
본 발명에서 제공된 알고리즘은 스카이웨이브 효과로 인해 위치 결정에 사용할 수 없었던 신호를 활용할 수 있으며, MF R-모드 시스템의 가용성 및 정확성 성능에 긍정적인 영향을 가져올 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템(1000)은 MF R-모드 송신부(100)와, 연속 운영 기지국(200)을 포함한다.
MF R-모드 송신부(100)는 복수 개이며, 다른 거리와 다른 지형에 의한 전파 경로를 갖는 MF(중파) R-모드(range mode) 신호를 각각 송신한다.
연속 운영 기지국(200)은 MF R-모드 신호를 수신하여 시간 변동에 따른 위상 변화를 분석하여 보정하는 보정 정보를 생성한다.
여기서, 연속 운영 기지국(200)은 수평 정밀도 저하(HDOP : Horizontal dilution of precision)를 사용하여 정확도 성능을 예측한다.
또한, 연속 운영 기지국(200)은 MF R-모드 신호를 수신하는 MF R-모드 E-필드 패시브 안테나와, 복수의 위성이 송신하는 GNSS 신호를 수신하는 GNSS 안테나와, MF R-모드 신호와 GNSS 신호를 수집하여 처리하는 MF R-모드 수신기를 포함할 수 있다.
이와 같은 연속 운영 기지국(200)은 시간에 따라 변화하는 MF R-모드 신호의 위상 변화를 보정하는 보정 정보를 생성하기 위해 연속적으로 MF R-모드 신호를 수신하고 모니터링할 수 있다.
또한, MF R-모드 신호는 GNSS 보정 정보를 전송하는 차등 위성 항법 시스템(DGNSS : Differential Global Navigation Satellite System)을 업데이트하여 생성될 수 있다.
MF R-모드 신호는 최소 시프트 키 변조(MSK)를 사용하여 전송되며, 연속파가 최소 시프트 키 변조 신호의 스펙트럼의 비어 있는 지점에 삽입될 수 있다.
또한, MF R-모드 신호는 지상파와 스카이웨이브로 구성될 수 있다.
MF R-모드 수신기는 SNR(신호 대 잡음비) 값의 변동과 이동 평균 필터를 사용하는 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 존재를 감지하며, 수신하는 데이터의 고속 푸리에 변환(FFT) 스펙트럼에서 MF R-모드 신호의 중심 주파수의 크기를 신호가 없는 주변 주파수의 크기와 비교하여 SNR을 계산할 수 있다.
MF R-모드 수신기는 신호 강도의 변동이 MF R-모드 신호의 SNR에 반영되어 스카이웨이브 효과의 존재를 감지할 수 있다.
스카이웨이브 감지 알고리즘은, MF R-모드 수신기에서 출력된 SNR에 대해 이동 평균 필터를 통해 처리한 결과의 표준 편차가 이동 평균 SNR의 평균값을 초과하면, 스카이웨이브 효과가 발생한 것으로 수행할 수 있다.
스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 감지된 스카이웨이브는 스카이웨이브 완화 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 영향을 감소시키며, 스카이웨이브 완화 알고리즘은 MF R-모드의 반송파 신호를 진폭과 위상이 분리된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호를 사용하여 변조시키며, 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호는 반송파 신호와 2개의 별도의 로컬 오실레이터 신호를 혼합함으로써 생성될 수 있다.
변조된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호의 IQ 복조에서 복소 기저 대역 신호의 위상각을 사용하는 복조 과정은 직교 신호와 동위상 신호의 비율의 아크탄젠트를 계산하여 반송파 신호의 위상을 나타내는 위상각 값을 산출할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법의 전체 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법은 4개의 단계를 포함한다.
제 1 단계(S100)에서는, 복수의 MF R-모드 송신부(100)에 의해 각각 송신되는 다른 거리와 다른 지형에 의한 전파 경로를 갖는 MF(중파) R-모드(range mode) 신호를 연속 운영 기지국(200)에 의해 수신한다.
제 2 단계(S200)에서는, 수신된 MF R-모드 신호에 대해 MF R-모드 수신기의 SNR(신호 대 잡음비) 값의 변동과 이동 평균 필터를 사용하는 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 존재를 감지한다.
제 3 단계(S300)에서는, 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 감지된 스카이웨이브의 영향을 MF R-모드 수신기의 스카이웨이브 완화 알고리즘에 의해 감소시킨다.
제 4 단계(S400)에서는, 연속 운영 기지국(200)에 의해, 완성된 MF R-모드 신호의 표준 편차와 정밀도를 비교하여 스카이웨이브 완화의 효과를 평가한다.
여기서, MF R-모드 신호는 GNSS 보정 정보를 전송하는 차등 위성 항법 시스템(DGNSS : Differential Global Navigation Satellite System)을 업데이트하여 생성되며, MF R-모드 신호는 최소 시프트 키 변조(MSK)를 사용하여 전송되며, 연속파가 최소 시프트 키 변조 신호의 스펙트럼의 비어 있는 지점에 삽입될 수 있다.
MF R-모드 수신기는 수신하는 데이터의 고속 푸리에 변환(FFT) 스펙트럼에서 MF R-모드 신호의 중심 주파수의 크기를 신호가 없는 주변 주파수의 크기와 비교하여 SNR을 계산하며, MF R-모드 수신기는 신호 강도의 변동이 MF R-모드 신호의 SNR에 반영되어 스카이웨이브 효과의 존재를 감지할 수 있다.
스카이웨이브 감지 알고리즘은, MF R-모드 수신기에서 출력된 SNR에 대해 이동 평균 필터를 통해 처리한 결과의 표준 편차가 이동 평균 SNR의 평균값을 초과하면, 스카이웨이브 효과가 발생한 것으로 수행할 수 있다.
스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 감지된 스카이웨이브는 스카이웨이브 완화 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 영향을 감소시키며, 스카이웨이브 완화 알고리즘은 MF R-모드의 반송파 신호를 진폭과 위상이 분리된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호를 사용하여 변조시키며, 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호는 반송파 신호와 2개의 별도의 로컬 오실레이터 신호를 혼합함으로써 생성될 수 있다.
변조된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호의 IQ 복조에서 복소 기저 대역 신호의 위상각을 사용하는 복조 과정은 직교 신호와 동위상 신호의 비율의 아크탄젠트를 계산하여 반송파 신호의 위상을 나타내는 위상각 값을 산출할 수 있다.
환언하면, 본 발명에서는 MF R-모드 시스템(1000)에서 발생하는 스카이웨이브 효과를 탐지하고 완화하기 위한 알고리즘을 개발하고 성능을 평가하였다.
MF R-모드 시스템은 GNSS가 어려운 상황에서 독립적인 내비게이션 시스템으로 작동하는데, 이 시스템은 중간 주파수 대역의 신호를 사용한다.
그러나 이 신호는 밤에 이온권 변화로 인해 스카이웨이브의 부정적인 영향을 받아 시스템의 정확도가 크게 저하될 수 있다.
이를 해결하기 위해 연속 운영 기지국(200)을 설치하고, MF R-모드 신호를 수집하여 조사하였다.
스카이웨이브는 다중 경로 신호로서 지상파와 결합되어 SNR의 변화를 초래하는데, 이를 탐지하기 위해 SNR을 이용한 알고리즘을 제안하였다.
이외에도 IQ 변조에서 생성된 I와 Q 신호를 활용하여 스카이웨이브를 제거하는 알고리즘을 개발하였다.
이 알고리즘을 CJ 송신기에서 수신한 MF R-모드 신호에 적용하여 성능을 확인하였고, 또한 CORS 데이터와 추가 실험 결과를 통해 알고리즘이 수신기의 위치에 상관없이 적용될 수 있음을 확인하였다.
실험 결과, 제공된 알고리즘을 적용하면 CW1과 CW2 신호의 표준 편차와 정밀도가 크게 개선되었다.
이를 통해 스카이웨이브의 영향을 효과적으로 줄일 수 있으며, MF R-모드 시스템의 가용성과 정확성 성능을 향상시킬 수 있음이 확인되었다.
본 발명에서는 MF R-모드 시스템에서 사용되는 송신 신호가 스카이웨이브의 영향을 받는 방식을 다루었다.
스카이웨이브 효과란, 지구로부터 이온권으로 반사된 MF 라디오파가 다시 지구로 돌아오는 현상을 의미한다.
해가 지면 밤이 되면 이온권의 D층이 사라져 이온권의 높이가 상승하게 된다.
이는 MF 신호가 더 이상 D층에 흡수되지 않고 더 높은 E층에 의해 지구로 반사되어 멀리까지 전파될 수 있게 한다.
이러한 스카이웨이브 효과는 밤에 장거리 통신에서 효과적으로 작용하는 특징을 가지고 있다.
본 MF R-모드 시스템에서는 신호의 위상 변화를 통해 거리를 추정하는데, 스카이웨이브의 존재로 인해 지상파와 결합된 새로운 복합 신호가 생성된다.
이로 인해 수신기는 신호 강도와 위상의 잘못된 측정값을 받게 되는데, 이는 신호의 감쇠나 다중 경로로 나타날 수 있다.
이는 내비게이션 시스템의 관점에서 위치 정확도에 부정적인 영향을 미친다.
스카이웨이브 효과는 밤에 이온권의 D층이 사라지면서 발생하며, 이온권의 특성에 따라 모든 지역에서 반사 신호를 수신할 수 있는 것은 아니다.
반사 신호를 이온권에서 수신할 수 있는 거리는 스킵 거리(skip distance)라 한다.
스킵 거리는 라디오파가 이온권에 의해 지구로 다시 반사되기 전에 지구 표면을 따라 이동할 수 있는 최대 거리를 의미한다.
이에 대조적으로, 임계각은 이온권에 의해 지구로 다시 반사되기 위해 라디오파가 송신되어야 하는 최대 각도를 의미한다.
종래에는 MF 신호에 대한 스카이웨이브의 영향에 대한 조사가 수행되었으며, 스킵 거리는 송신기로부터 약 45 ㎞ 라 보고되었다.
이는 MF R-모드 신호 송신기로부터 45 ㎞ 이상 떨어진 지역에서는 밤에 위치 결정 정확도에 영향을 줄 수 있다는 것을 의미한다.
최근에는 송신기로부터 약 60 ㎞ 떨어진 위치에서 스카이웨이브 효과가 없음을 확인하였다.
그러나 산악 지형이 있는 경우 약 50 ㎞ 의 근처에서도 스카이웨이브 효과를 관찰할 수도 있다.
본 발명에서는 스카이웨이브의 영향을 감소시키기 위한 알고리즘을 개발하고 검증하였다.
제공된 알고리즘은 CJ 송신기로부터 수신된 MF R-모드 신호에 적용되어 그 성능을 확인하였으며, 연속 운영 기지국에서 수집한 데이터와 추가 실험 결과를 통해 수신기의 위치에 상관없이 알고리즘이 적용될 수 있음을 확인하였다.
이를 통해 스카이웨이브의 영향을 효과적으로 줄이고 MF R-모드 시스템의 가용성과 정확성 성능을 향상시킬 수 있음이 확인되었다.
또한, 제공된 알고리즘에 대한 자세한 설계를 수행한다.
이 알고리즘은 스카이웨이브 검출과 완화를 위한 두 가지 단계로 구성된다.
스카이웨이브 검출 알고리즘은 신호 대 잡음비(SNR)를 기반으로 하며, 완화 알고리즘은 IQ 변조를 사용하여 스카이웨이브 영향을 감소시킨다.
데이터 수집과 관련하여 연속 운영 기지국에서 데이터를 수집한다.
이 데이터는 MF R-모드 수신기로부터 수집된 CW1 및 CW2 신호의 I 및 Q 구성 요소로 구성된다.
스카이웨이브 검출과 관련하여, 수집된 데이터를 사용하여 스카이웨이브 검출 알고리즘을 적용한다.
SNR 값의 변동과 이동 평균 필터를 사용하여 스카이웨이브의 존재를 감지한다.
이를 통해 스카이웨이브가 발생하는 시간을 식별할 수 있다.
스카이웨이브 완화와 관련하여, 검출된 스카이웨이브에 대해 완화 알고리즘을 적용한다.
I 및 Q 구성 요소를 사용하여 스카이웨이브의 영향을 줄이고, MF R-모드 신호의 정확도를 향상시킨다.
성능 평가와 관련하여, 완화된 신호의 성능을 평가한다.
측정된 CW1 및 CW2 신호의 표준 편차와 정밀도를 비교하여 스카이웨이브 완화의 효과를 확인한다.
연속 운영 기지국과는 독립적인 두 개의 실험 지점에서 알고리즘을 검증한다.
이를 통해 알고리즘이 수신기 위치와 관계없이 동작하는지 확인하고, 스카이웨이브 영향을 크게 감소시킬 수 있는지 확인한다.
구현 및 최적화와 관련하여, 알고리즘을 실제 시스템에 구현하고, 성능을 개선하기 위해 최적화 작업을 수행한다.
이 단계에서 하드웨어 및 소프트웨어 측면에서 구현의 효율성과 성능을 고려한다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 야간에 발생하는 스카이웨이브 효과를 제거하기 위한 알고리즘을 제시하고 그 성능을 검증하는 효과가 있다.
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.
100 : MF R-모드 송신부
200 : 연속 운영 기지국
1000 : MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템

Claims (18)

  1. 다른 거리와 다른 지형에 의한 전파 경로를 갖는 MF(중파) R-모드(range mode) 신호를 각각 송신하는 복수의 MF R-모드 송신부; 및
    상기 MF R-모드 신호를 수신하여 시간 변동에 따른 위상 변화를 분석하여 보정하는 보정 정보를 생성하는 연속 운영 기지국(CORS: Continuous Operation Reference Stations);을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 운영 기지국은 수평 정밀도 저하(HDOP : Horizontal dilution of precision)를 사용하여 정확도 성능을 예측하는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 운영 기지국은,
    상기 MF R-모드 신호를 수신하는 MF R-모드 E-필드 패시브 안테나;
    복수의 위성이 송신하는 GNSS 신호를 수신하는 GNSS 안테나; 및
    상기 MF R-모드 신호와 상기 GNSS 신호를 수집하여 처리하는 MF R-모드 수신기;를 포함하며,
    시간에 따라 변화하는 상기 MF R-모드 신호의 위상 변화를 보정하는 보정 정보를 생성하기 위해 연속적으로 상기 MF R-모드 신호를 수신하고 모니터링하는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 MF R-모드 신호는 GNSS 보정 정보를 전송하는 차등 위성 항법 시스템(DGNSS : Differential Global Navigation Satellite System)을 업데이트하여 생성되는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 MF R-모드 신호는 최소 시프트 키 변조(MSK)를 사용하여 전송되며, 연속파가 최소 시프트 키 변조 신호의 스펙트럼의 비어 있는 지점에 삽입되는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 MF R-모드 신호는 지상파와 스카이웨이브로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 MF R-모드 수신기는 SNR(신호 대 잡음비) 값의 변동과 이동 평균 필터를 사용하는 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 존재를 감지하며,
    수신하는 데이터의 고속 푸리에 변환(FFT) 스펙트럼에서 MF R-모드 신호의 중심 주파수의 크기를 신호가 없는 주변 주파수의 크기와 비교하여 SNR을 계산하는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 MF R-모드 수신기는 신호 강도의 변동이 상기 MF R-모드 신호의 SNR에 반영되어 스카이웨이브 효과의 존재를 감지하는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 스카이웨이브 감지 알고리즘은, 상기 MF R-모드 수신기에서 출력된 SNR에 대해 이동 평균 필터를 통해 처리한 결과의 표준 편차가 이동 평균 SNR의 평균값을 초과하면, 스카이웨이브 효과가 발생한 것으로 수행하는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 감지된 스카이웨이브는 스카이웨이브 완화 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 영향을 감소시키며,
    상기 스카이웨이브 완화 알고리즘은 MF R-모드의 반송파 신호를 진폭과 위상이 분리된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호를 사용하여 변조시키며,
    인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호는 반송파 신호와 2개의 별도의 로컬 오실레이터 신호를 혼합함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서
    변조된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호의 IQ 복조에서 복소 기저 대역 신호의 위상각을 사용하는 복조 과정은 직교 신호와 동위상 신호의 비율의 아크탄젠트를 계산하여 반송파 신호의 위상을 나타내는 위상각 값을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
  12. 복수의 MF R-모드 송신부에 의해 각각 송신되는 다른 거리와 다른 지형에 의한 전파 경로를 갖는 MF(중파) R-모드(range mode) 신호를 연속 운영 기지국(CORS: Continuous Operation Reference Stations)에 의해 수신하는 단계;
    수신된 상기 MF R-모드 신호에 대해 MF R-모드 수신기의 SNR(신호 대 잡음비) 값의 변동과 이동 평균 필터를 사용하는 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 존재를 감지하는 단계;
    상기 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 감지된 스카이웨이브의 영향을 상기 MF R-모드 수신기의 스카이웨이브 완화 알고리즘에 의해 감소시키는 단계;
    상기 연속 운영 기지국에 의해, 완성된 상기 MF R-모드 신호의 표준 편차와 정밀도를 비교하여 스카이웨이브 완화의 효과를 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 MF R-모드 신호는 GNSS 보정 정보를 전송하는 차등 위성 항법 시스템(DGNSS : Differential Global Navigation Satellite System)을 업데이트하여 생성되며,
    상기 MF R-모드 신호는 최소 시프트 키 변조(MSK)를 사용하여 전송되며, 연속파가 최소 시프트 키 변조 신호의 스펙트럼의 비어 있는 지점에 삽입되는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 MF R-모드 수신기는,
    수신하는 데이터의 고속 푸리에 변환(FFT) 스펙트럼에서 MF R-모드 신호의 중심 주파수의 크기를 신호가 없는 주변 주파수의 크기와 비교하여 SNR을 계산하며,
    상기 MF R-모드 수신기는 신호 강도의 변동이 상기 MF R-모드 신호의 SNR에 반영되어 스카이웨이브 효과의 존재를 감지하는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 스카이웨이브 감지 알고리즘은, 상기 MF R-모드 수신기에서 출력된 SNR에 대해 이동 평균 필터를 통해 처리한 결과의 표준 편차가 이동 평균 SNR의 평균값을 초과하면, 스카이웨이브 효과가 발생한 것으로 수행하는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 스카이웨이브 감지 알고리즘에 의해 감지된 스카이웨이브는 스카이웨이브 완화 알고리즘에 의해 스카이웨이브의 영향을 감소시키며,
    상기 스카이웨이브 완화 알고리즘은 MF R-모드의 반송파 신호를 진폭과 위상이 분리된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호를 사용하여 변조시키며,
    인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호는 반송파 신호와 2개의 별도의 로컬 오실레이터 신호를 혼합함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    변조된 인페이즈(I) 신호와 쿼드라쳐(Q) 신호의 IQ 복조에서 복소 기저 대역 신호의 위상각을 사용하는 복조 과정은 직교 신호와 동위상 신호의 비율의 아크탄젠트를 계산하여 반송파 신호의 위상을 나타내는 위상각 값을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법.
  18. 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는,
    MF R-모드 연속 운영 기준국을 위한 스카이웨이브 감지 및 완화 시스템.
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KR101199419B1 (ko) 2011-12-23 2012-11-09 한국해양연구원 Ｄｇｎｓｓ의 기준국
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