KR20030041128A - 항공기의 밀집된 환경용 디지털 수신 시스템 - Google Patents

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KR20030041128A
KR20030041128A KR10-2003-7000524A KR20037000524A KR20030041128A KR 20030041128 A KR20030041128 A KR 20030041128A KR 20037000524 A KR20037000524 A KR 20037000524A KR 20030041128 A KR20030041128 A KR 20030041128A
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록키드 마틴 코포레이션
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Abstract

모드-S ADS-B 감시 레이터 시스템의 성능은 모드-S, 1/4 파장, 단일 소자, 스터브 안테나들로 이루어지는 방향성 어레이를 사용하여 상기 레이더 시스템을 부채꼴화함으로써 향상된다. 모드-S 안테나 소자들로 이루어지는 어레이로부터의 신호들의 앙상블은 전자적으로 처리된다. 신호 처리/수신기 아키텍처는 모드-S ADS-B 시스템의 성능을 향상시켜 매우 혼잡한 공역(highly congested airspace)에서 효과적으로 기능할 수 있다.

Description

항공기의 밀집된 환경용 디지털 수신 시스템{DIGITAL RECEIVING SYSTEM FOR DENSE ENVIRONMENT OF AIRCRAFT}
자동 종속 감시(automatic dependent Surveillance) 시스템에서, 항공기는 그것의 상태 벡터(수평 및 수직 위치, 수평 및 수직 속도)를 주기적으로 방송한다. 항공기는 온-보드 GPS(글로벌 위치 시스템) 수신기와 같은 온-보드 내비게이션 소스들 및 그것의 방송 송신 시스템들에 의존하여 감시 정보를 다른 사용자들에게 제공한다.
ADS-모드-S 개념은 항공기의 위치, 고도, 식별, 및 다른 정보에 관한 주기적인 방송(즉, "스퀴터(squitter)")을 제공하는 모드 S 스퀴터의 사용에 기초한다.
현재, 교통 경고 및 충돌 방지 시스템(Traffic Alert and Collision Avoidance System)(TCAS)은 모드-S 56-비트 스퀴터를 사용하여 모드-S 장착 항공기의 존재를 검출하고 있다. 상기 TCAS는 모드-S 스퀴터들을 청취하고 24-비트 모드-S 어드레스를 추출하며, 이 어드레스를 불연속적인 질문에 사용한다. 보다 긴 11256-비트 스퀴터 응답들은 다른 데이터 이외에, ADS 메시지 필드라 칭해지는 56-비트들을 포함한다. 상기 ADS 메시지 필드 내의 비트들은 (1) 기압 고도, (2) 위도 및 (3) 경도를 포함하는 데이터를 전달한다. 모드-S 트랜스폰더 및 GPS 수신기를 장착한 항공기는 초 당 1회 자신들의 위치를 결정하며, 이 위치 정보는 긴 스퀴터 응답(long squitter reply)의 56-비트 ADS 메시지 필드에 투입되며, 초 당 2회 방송하여 성공적인 수신의 확률을 증가시킨다. 현재의 56-비트 짧은 스퀴터는 TACS와의 호환성(compatibility)에 대해 초 당 1회 계속해서 방송한다. 그래서, 짧은 그리고 긴 스퀴터 송신 모두에 의해 잠재적 간섭이 야기된다.
본 발명은 항공기가 밀집해 있는 환경의 매우 혼잡한 공역(highly congested airspace) 내에서 효과적으로 기능하고 충분히 동작할 수 있는 ADS-모드-S 시스템용 디지털 수신 시스템에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 3가지 경우: 경우 1, x=9, n3=6; 경우 2, x=18, n3=12; 경우 3, x=144, n3=96에 있어서, 특정한 스퀴터가 정확하게 수신될 가능성과, 적어도 하나의 스퀴터가 정확하게 수신될 가능성의 그래프들을 각각 제공한다.
도 3은 본 발명에 따라 항공기의 밀집된 환경용 디지털 수신 시스템의 일실시예에 대한 개략적인 블록도이다.
본 발명은 기본 모드-S 안테나 소자들의 어레이를 사용함으로써 ADS-모드-S 메시지들을 수신하고, 신호들의 앙상블을 전자적으로 처리하도록, 기본 ADS-모드-S 시스템의 성능을 향상시킨다. 본 발명은 ADS-모드-S 메시지 에러 프리(message error free)를 수신하도록 기본 ADS-모드-S 시스템의 성능을 향상시켜, 매우 혼잡한 공역 내에서 효과적으로 기능할 수 있는 신호 처리/수신기 아키텍처를 제공한다.
ADS-모드-S 메시지에 의해 제공되는 정보는 근처의 항공기의 파일럿들이 자유 비행 계획(free flights plans)을 수행하는 것에 도움을 줄 수 있으며, 또한 ATS(항공 교통국)(Air Traffic Services)에 의해 모니터링되어 항공기가 그 의도된 궤도와의 일치를 유지하는 것을 보장한다.
자유 비행은 연방 항공 관리국(Federal aviation Administration)(FAA) 및항공계(avation community)에 의해 점차적으로 개발, 검사, 및 수행되고 있는 개념이다. 자유 비행은 국가 공역 시스템(National Airspace System)(NAS)의 안전과 효율을 향상시키도록 설계된다. 상기 개념은 상기 NAS를, 파일럿들과 항공 교통 제어기들간의 중앙 명령-제어 시스템으로부터, 파일럿들이 실습할 때마다 자신들의 루트를 선택할 수 있는 분배 시스템(distributed system)으로 이동시키고, 가장 효과적이고 경제적인 루트를 따르는 비행 계획을 보관한다.
자유 비행의 실현은 항공기 사이에서 협조적인 판단을 요구할 것이다. 그러한 실현을 실행하기 위한 해결 시스템(key system)의 고려사항 중의 하나는 적절한 감시 아키텍처이다. 오늘날의 내비케이션 및 감시는 지상 장비들, 즉 비콘 레이더(beacon radars) 및 일제히 동작하지 않는 1차 레이더에 의해 주로 달성된다.
레이더는 오늘날 항공 교통 제어에서 두 가지 방식으로 사용된다. 첫째, 1차 레이터는 레이다로부터 펄스를 확산시키는 비행기까지 펄스의 일주 여행 시간(round-trip time)을 측정함으로써 항공기까지의 거리를 측정하는 장비이다. 상기 확산된 또는 재방사된 에너지의 일부는 통상적으로 레이더 송신기와 배치되는 레이더 수신기에 의해 검출된다. 항공 교통 제어에서 사용되는 제2 유형의 레이더를 2차 레이더라 칭한다. 이 장르의 레이더는 항공기를 타고 트랜스폰더를 설치해야할 필요가 있다. 항공기가 2차 레이터의 질문 펄스(interrogation pluse)에 의해 방사될 때, 상기 트랜스폰더는 항공기 식별 및 고도를 전달할 수 있는 디지털 신호를 방송한다.
ADS-B(자동 종속 감시-B)는 육상 이동 영역(surface movement area) 내에서 동작하는 항공기 또는 육상 운송 수단(surface vehicle) 상의 기능이며 그 상태 벡터(수평 및 수직 위치, 수평 및 수직 속도) 및 다른 정보를 주기적으로 방송한다. ADS-B는 송신을 유도하기 위한 외부 자극을 필요로 하지 않기 때문에 자동이며, 온-보드 내비게이션 소스들 및 온-보드 방송 송신 시스템들에 의존하여 감시 정보를 다른 사용자들에게 제공하기 때문에 종속적이다. 상기 방송을 발생하는 항공기 또는 운송 수단은 어떤 사용자들이 그 정보를 수신하는지에 대한 지식을 가질 수 있거나 또는 가지지 않을 수도 있으며, 상기 방송의 범위 내의 항공기 또는 지상-기반의 임의의 사용자는 ADS-B 감시 정보를 수신하고 처리하기 위해 선택할 수 있다. ADS-B를 이용해서, ATS(항공 교통국)(Air Traffic Services)는 항공기가 그 의도된 궤도와의 일치를 유지하도록 보장하는 ADS-B 메시지들을 모니터링할 것이다. 레이더 기반의 모니터링에 비해, (ADS-B를 통해) 항공기에 의해 직접 제공되는 향상된 정확성 및 추가의 정보에 따라, 실수를 보다 신속하게 검출할 수 있고 잘못된 경보를 줄일 수 있다.
국가 공역 시스템(NAS) 아키텍처(1997년 12월), 절(section) 7.9는 ADS-B가 감시 시스템으로서 의도된 것이지 회피 시스템으로서 의도된 것이 아님을 언급하고 있다. ADS-B 지상 감시 성능의 창조에 의존하여 보다 광범위한 애플리케이션이 이루질 것이다. 제한이 완화되고 유연성이 향상됨에 따라, ADS-B는 자유 비행 및 IFR(협정 비행 규칙)(Instrument Flight Rules) 협동-개별 모두를 이끄는 해결 성분(key component)이 될 것이다.
상기 ADS-B 시스템은 최대의 교통 환경(peak traffic environment)에서 충분히 동작하도록 요구된다. 이 요구는 로스앤젤레스 지역 교통 모델에 기반을 두고 있다. ADS-B 네트워크는 미리 예측된 최대 공중수송 교통 수준들뿐만 아니라, 범위 내의 임의의 공항 지상 장치들을 수용하도록 설계되어야만 한다. 미국에서, 예측된 최대 순간 공중수송 카운트(instantaneous airborne count)(IAC)는 로스앤젤레스 지역 교통 모델로 주어져 있다. 로스앤젤레스 지역뿐만 아니라, 일련의 다른 측정된 터미널 영역 분포 구역의 교통 분포 구역은 일정한 밀도 함수(uniform density function)(중심으로부터 한 구획(square)의 범위에 따라 증가하는 누적 수)에 의해 약 15 nmi까지 바싹 접근되어 있다. 이 포인트에서부터 60 nmi까지, 항공기의 누적 수는 상기 범위에 비례한다. 상기 로스앤젤레스 지역 모델에 근사하는 IAC 분포 구역은 750 항공기의 최대 카운트를 갖는다. 이것은 공항의 육상 수송에서 동작하는 항공기나 운송수단들을 포함하지 않는다. 이들 부가의 교통 요인들에 대한 추정치들은 운전 중인 100대의 운송수단과 정지하고 있는 150대의 육상 운송 장비들이다. 그래서, 전체 교통 밀도는 반경 60 nmi 내에서 총 1,000대의 유닛이 될 수 있다. 이것은 교통 노선(route traffic)에서 임의의 인접하는 섹터를 포함시키지 않은 것이다.
모드 S는 원래 모드 A/C 2차 감시 레이더(항공 교통 제어 레이더 비콘 시스템 또는 ATCRBS)를 위한 필수의 감시 개선으로서 개발되었다. 이러한 모드들에서, 1030 MHz에서의 질문은 모드 S 트랜스폰더를 장착한 항공기로부터 1090 MHz에서의 응답을 트리거링한다. 모드 A는 항공기 식별 코드를 이송하는 20.3 마이크로초 재생으로 응답되는 8 마이크로초 질문으로 구성된다. 모드 C에서는, 상기 질문이 21 마이크로초이고 상기 응답이 20.3 마이크로초인 상태에서, 항공기 고도를 산출한다. 통상적으로, 항공기는 모드 A로 방사되고 및 그런 다음 모드 C로 방사된다.
모드 S에서, 동일한 주파수 계획(frequecy plan)을 사용해서, 질문은 지속기간 3.5 마이크로초의 프리앰블과, 그 뒤를 이어 56 또는 112 데이터 비트를 이송하는 16.26 마이크로초 또는 30.26 마이크로초의 데이터 블록으로 구성된다. (1 및 1/4 마이크로초는 동기화 위상 리버설 트레이닝(synchronization phase reversal training)에 사용된다.) 상기 질문은 초 당 4 메가비트의 속도에서의 DPSK이다. 상기 모드 S 응답은 6 마이크로초 프리앰블과, 그 뒤를 잇는 56 또는 112 마이크로초의 데이터 블록을 포함한다. 시그널링은 초 당 1 메가비트의 데이터 속도에서의 PPM이다.
상기 ADS-모드 S는 자동 종속 감시(ADS)와 모드 S 비콘 레이더의 성능들을 병합한 시스템 개념으로서 기재되었다. 그 결과는 심리스 감시(seamless surveillance) 및 데이터 링크를 위한 시스템의 통합이며, 이것은, 장착한 항공기가 ADS 또는 비콘 육상 운송 환경에 관여할 수 있게 한다. 이것은 비콘으로부터 ADS 기반의 감시 시스템으로의 이행에 신뢰도를 제공한다.
상기 ADS-모드 S 개념은 모드 S 스퀴터의 사용에 기초한다. 현재의 모드 S 스퀴터는 모드 S 24 비트 어드레스를 포함하는, 자연히 일어나고(spontaneous) 주기적인(초 당 1회) 56 비트 방송 메시지이다. 이 방송은 모든 모드 S 트랜스폰더들에 의해 제공되며 교통 경고 및 충돌 방지 시스템(Traffic Alert and CollisionAvoidance System)(TCAS)에 의해 사용되어, 근처의 모드 S 장착 항공기를 포착한다. 항공기 위치 메시지들은 2 Hz의 평균 속도로 전송될 것이다. 스퀴터들간의 실제의 공간은 2대의 항공기간의 동기 간섭을 방지하도록 약간 무작위화될 수 있다. 위치 스퀴터들간의 공간은 0.4와 0.5초 사이에서 일정하게 분배될 수 있다.
ADS-B 트랜스폰더들은 항공기의 위치, 고도, 식별, 및 다른 정보에 관한 주기적인 방송(즉, "스퀴터")을 제공할 것이다. 2005년까지, 이러한 트랜스폰더들은 또한 SSRs(2차 감시 레이더들)(Secondary Surveillance Radars)로부터의 질문들에 답할 것이다. 가장 정확한 (그리고 의도된) 위치 기준은 항공기 안에서 수행되는 GPS 수신기가 될 것이다. ADS-B 트랜스폰더는 모드 A/C 트랜스폰더들에 대해 직접 교체되거나 또는 모드 S 트랜스폰더들에 대한 업그레이드가 될 것이다.
제안된 ADS-모드 S 시스템의 동작 성능은 ATCRBS 질문들(20초의 지속기간)에 대한 트랜스폰더 응답들, "짧은" (56--비트) 모드 S 응답들, 및 "긴" 모드 S 응답들(112--비트)로 이루어지는 1090 주파수 상의 간섭에 의해 제한받을 것이다.
상기 성능은 수신기에서 유해한 도착(Poisson arrival)을 가정하여 모델링된다. 상기 ADS-모드 S 스퀴터는 그 위에 겹치는 다른 모드 S 응답들이 없고 겹친다해도 기껏해야 하나의 ATCRBS 응답이 존재하면, 에러없이 수신되는 것으로 가정된다. 이러한 가정들로부터, ADS-모드 S 스퀴터가 에러없이 수신되는 확률 P는 다음과 같이 계산된다.
p = (1 + t1n1m)e-t1n1m* e-t2n2m* e-t3n3m(1)
여기서,
n1은 초 당 항공기 당 ATCRBS 응답들에 대한 평균 횟수이고,
n2는 초 당 항공기 당 짧은 모드 S 응답들에 대한 평균 횟수이고,
n3은 초 당 항공기 당 긴 모드 S 응답들에 대한 평균 횟수이고,
m은 응답들의 간섭을 시작할 수 있는 항공기의 수이고,
t1은 ADS-모드 S 스퀴터가 ATCRBS 응답의 시작에 취약성이 있는 지속기간(time duration)이고,
t2는 ADS-모드 S 스퀴터가 짧은 모드 S 응답들에 취약성이 있는 지속기간이고,
t3은 ADS-모드 S 스퀴터가 긴 모드 S 응답들에 취약성이 있는 지속기간이다.
{t1}은 다음과 같이 추정된다.
t1=0.000140 초이고,
t2=0.000184 초이고,
t3=0.000240 초이다.
이러한 값들로부터, 시스템의 성능에 대한 추정치가 계산된다. 신뢰도 99.5% 또는 그 보다 우수한 신뢰도에 대해서는 약 5초의 업데이트 속도를 필요로 한다.
이것은 다음과 같은 관점에서 비트 보전(bit conservative)이다. 보고 업데이트 주기(T)와 업데이트 가능성(P)의 받아들일 수 있는 조합은 공식 (1 - P)TC/T≤0.01로 주어지며, 여기서 TC는 99번째 백분위수 보고 업데이트 주기(percentile report update period)이다. 예를 들어, 충돌 회피를 위해서는, TC=6 초이고, T=3의 보고 업데이트 주기 P=0.9 이상을 요구할 것이다. 두번째 예로서, 충돌 회피를 위해서는, P=0.5이면, T는 0.9 초 이하가 되어야만 한다. TC는 해안 주기(coast period), 즉 상태 벡터 보고 업데이트들간의 최대 허용가능 시간을 나타낸다.
3가지 경우는 초 당 항공기 당 ATCRBS 응답들에 대한 평균 횟수 n1에 의해 위치가 정해지고 구별된다. 상기 경우들 중 가장 엄격한 경우는 n1=120인 경우이다. 다른 파라메터들은 3가지 경우 모두에 있어서 n2=8 및 n3=6으로 고정되어 있다. 항공기 성능은 이러한 가정들하에서 86 플레인들(planes)인 것으로 결정된다. 그렇지만, 이 결과는 전방향 안테나(omnidirectional antenna)의 경우임을 유념하라. (루트에 있어서) 6 섹터 안테나는 이 수를 215대의 항공기들에 대해 2와 1/2의 인자만큼 개선시킬 수 있다.
성능은 n1이 0으로 감소함에 따라 현저하게 향상되지만, 로스앤젤레스 지역 교통 모델의 전체 압박(full pressure)을 취급하기에는 충분하지 못하다. 성능을 향상시키기 위해 할 수 있는 것은 많이 있다. 시도할 수 있는 한 가지는 송신 속도를 증가시키는 것이며, 즉 n3을 증가시키는 것이다. n3을 증가시키면, 5초 이내에서의 시도 횟수를 증가시킴으로써 긴 모드-S를 에러없이 수신한다. 스퀴터 속도가 2 Hz으로 평균화되면, 5초 이내에 적어도 9번의 시도가 있게 될 것이다. x가 에러없는 스퀴터 메시지를 수신하는 시도 횟수를 나타낸다면, 항공기 당 적어도 하나의 스퀴터 메시지는 다음과 같이 에러없이 수신될 것이다.
1 - (1 - P)x(2)
여기서 P는 등식(1)에서 정의된 바와 같다. 도 1 및 2의 그래프들은 3가지 경우를 표시한다. x는 n3에 정비례해서 증가하는 것으로 가정한다. n3을 2배하면(경우 Ⅱ) 이득이 얻어지지만, n3를 16의 비율로 증가시키면(경우 Ⅲ) 단순히 n3를 2배하여 얻어진 것보다 그 이하로 성능이 감소한다는 것에 유념하라. 물론, n3을 증가시킬수록 더 많은 간섭이 생길 것이다.
본 발명은 방향성 모드-S 안테나의 사용을 부채꼴화함으로써, 특히 저렴한 모드-S, 1/4 파장, 단일 소자, 스터브 안테나를 사용함으로써, 모드-S 시스템의 성능을 향상시킨다.
본 발명은 기본 모드-S 안테나 소자들의 어레이를 사용하고, 신호들의 앙상블을 전자적으로 처리한다. 밀집된 환경에서의 동작을 위해, 더 많은 수의 안테나가 필요에 따라 부가될 수 있다. 일반적으로, N개의 안테나 소자들이 제공되면, N-1 널들(nulls)을 조종할 수 있다.
본 발명의 항공기의 밀집된 환경용 디지털 수신 시스템은 모드-S ADS-B 시스템의 성능을 향상시켜 매우 혼잡한 공역에서 효과적으로 기능할 수 있는 신호 처리/수신기 아키텍처이다.
본 발명은 매우 중요한 제1 및 제2 이득을 가지며, 축척될 수 있는 방식으로ADS-B 기능을 구현하는, 분명하고 저렴한 효과적인 경로를 제공할 수 있으며 현존하는 설비를 가능한 최대한도로 사용할 수 있다. 요약하면, 상기 이점들은 다음과 같다.
제1 이점은 본 발명은 축척가능하고, 향상된 성능에 대해 지속적으로 업그레이드가능하고, 반대로도 호환가능하고, 제조 비용이 상대적으로 저렴하며, 세계적인 주파수 스펙트럼 할당 및 승인, 트랜스폰더 발달(transponder maturity)을 제공하며, 상기 모드-S 시스템이 잘 알려져 있고 받아들일 수 있으며 또한 이득 방향을 감쇠시킴으로써 다중경로를 취소하고 무효화시키는데 사용될 수 있다는 점이다.
제2 이점은 본 발명은 우호적으로 자주 사용되고, 단파장은 상당히 실현가능한 구경(aperture)을 가능하게 하며, 안테나 구경(antenna aperture)에 대한 이동부들이 존재하지 않으고, 안테나 소자들의 능동 제어, 예를 들어 성분 위상 시프터들은 존재하지 않으고, 안전을 제공하며, 예를 들어 방해전파발신기(jammer) 및 방해 송신기를 용이하게 무효화시킬 수 있고, 고장난 GNSS(글로벌 내비게이션 위성 시스템)(Global Navigation Satellite System)을 백업하는데 사용될 수 있으며, 또한 다른 사용자의 GNSS의 일관성을 검사할 수 있으며, 또한 "가까운/먼" 문제("near/far" problem )를 해소하기 위해 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 통신을 지원하는데 사용될 수 있다는 점이다.
본 발명은 당 기술분야에 일반적으로 잘 알려진 방식으로 안테나 응답을 멀티-소자 안테나로 부채꼴화하는 모드-S 시스템의 성능을 향상시킨다. TCAS(교통 경고 및 충돌 방지 시스템)(Traffic Alert and Collision Avoidance System)는 항공기에 방향성 안테나를 제공한다. TCAS 및 모드-S가 장착된 항공기에서, 상기 TCAS 및 모드-S는 429 버스를 통해 내부적으로 통신한다. 상기 모드-S는 2" 하이(high), 1/4 파장, 단일 소자, 스터브 안테나를 사용한다. TCAS는 안테나 어레이를 사용한다. 이러한 어레이들 중 하나는 9＂직경을 갖는 "FRISBEE?" 및 항공기 표면에 관한 약 1＂의 돌출부를 나타낸다. 상기 안테나는 조종되어 수신된 신호의 베어링(bearing)의 추정치를 제공한다. 모드-S 안테나의 비용은 $150 또는 미만인 정도이다. TCAS 안테나의 비용은 $10K의 정도이다. 또한, TCAS 안테나는 특정한 TCAS 처리 장치에 정합되어야만 한다.
본 발명은 기본 모드-S 안테나를 사용하지만 더 많은 안테나를 추가할 수 있고 신호들의 앙상블을 전자적으로 처리한다. 전자공학의 비용은 계속해서 감소하고 있고 더욱 더 복잡하고 빠른 신호 처리를 수행하는 능력은 계속해서 성장하고 있다. 보다 밀집된 환경에서 동작하기 위해서는, 보다 많은 안테나 소자들이 필요에따라 추가될 수 있다. 일반적인 경험으로, N개의 안테나 소자들이 주어지면, N-1개의 널들(nulls)을 조종할 수 있다.
본 발명의 항공기의 밀집된 환경용 디지털 수신 시스템은 신호 처리/수신기 아키텍처를 포함하며, 이 아키텍처는 로스앤젤레스 지역 교통을 모델로 해서 설명되는 바와 같이 모드-S ADS-B 시스템의 성능을 향상시켜 매우 혼잡한 공역(highly congested airspace)에서 효과적으로 기능할 수 있으며, 다음과 같이 동작한다.
(1) 도 3을 참조하면, 안테나 소자들로 이루어지는 공간 어레이가 항공기 상에 설치된다.
(2) 각각의 안테나 소자(10)의 출력은 전치 증폭기(12)에 의해 증폭된다.
(3) 각각의 전치 증폭기(12)의 출력은 로컬 오실레이터(도시되지 않음)를 사용하는 다운 변환기(down converter)(14)에 의해 다운-변환된다.
(4) 각각의 다운 변환기(14)의 출력은 대역 신호 에너지에서 제거되도록 필터(16)에 의해 필터링된다.
(5) 필터들의 출력은 멀티플렉서(18)에 의해 고속(high-rate)의 아날로그/디지털 변환기(A/D)에 순차적으로 그리고 주기적으로 접속된다. 상기 A/D 변환기는, 이 A/D 변환기에 접속된 필터의 출력을 샘플링하며 각각의 필터 출력에 대한 시간-오프셋 샘플들의 쌍들을 생성한다. 대안의 실시예에서, 각각의 안테나 소자로부터의 각각의 신호와 디지털 멀티플렉서에 접속된 출력들을 위해 개별 A/D 변환기(36)가 제공될 수 있다.
(6) 상기 시간-오프셋 샘플들 중 하나는 힐버트 변환 필터(22)에 의해 힐버트 변환되어(근사치), 직각 I 및 Q 샘플쌍을 생성한다.
(7) 상기 샘플쌍들은 2개의 직렬접속된 메모리/버퍼 장치(24 및 26)에 저장된다.
(8) 표면 음파(surface acoustic wave)(SAW) 필터(28) 또는 등가의 필터는 스퀴터 프리임블(squitter preamble)의 존재를 지속적으로 찾고, 즉 단일의, 그래서 거의 전방향의, 안테나 소자의 코히어런트 출력(coherent output)을 스퀴터 프리앰블 시그내처를 이용해서 콘볼빙(convolve)한다. SAW 필터(28)의 출력은 제어기 장치(30)로 입력된다.
(9) 디지털 신호 처리 장치(32)는 제어기 장치(30)와 인터페이스하고, 모드-S 수신기(RCVR)(34)에 대한 출력을 생성한다.
(10) 상기 제어기 장치(30)는 신뢰도(responsibility)에 관한 복소수 세트를 갖는다. SAW 필터(28)에 의해 스퀴터 필터가 존재한다는 것이 통지되면, 상기 제어기(30)는,
a. 최우측 메모리/버퍼(26)에서 상기 모드-S 메시지를 격리시키며, 이에 의해 상기 모드-S 메시지는 처리가 종료될 때까지 유지되고,
b. 상기 제어기(30)는 모든 안테나 소자 샘플들의 복소 가중치들을 조정하도록 상기 디지털 신호 처리 장치(32)를 지향시켜 상기 격리된 모드-S 메시지의 신호 대 잡음비를 최대화시킨다. 이를 달성할 수 있는 복수의 알고리즘이 존재한다. 예를 들어, 알려진 바와 같이, 상기 프리앰블은 적응성 빔 형성 알고리즘(adaptive beamforming algorithm) 또는 결정 방향 탐색(decision directed search)을 안내하는데 사용될 수 있다.
c. 상기 신호 대 잡음비가 최대화되었다면, 상기 제어기(30)는 상기디지털 신호 처리 장치(32)가 클리닝된 모드-S 메시지를 모드-S 수신기(34)로 출력하게 하며, 상기 메모리/버퍼 장치들(24 및 26)이 순차적으로 동작을 다시 시작할 수 있게 한다.
상기 디지털 신호 처리 장치(32)의 기능은 일반적으로 당 기술분야에 알려져 있으며, 모드-S 신호가 검출된 후, 상기 디지털 신호 처리 장치(32)는 개별 안테나 소자들의 신호들에 대한 디지털 신호들의 복소 가중치들을 처리하고 조정하여, 당 기술분야에 일반적으로 잘 알려진 바와 같이, 수신된 모드-S 신호의 신호 대 잡음비를 최대화한다.
상기 제어기 장치(30)는 기본적으로 상기 메모리 버퍼들(24, 26) 및 상기 디지털 신호 처리기(32)에 의해 수행되는 기능들을 제어한다. 상기 제어기 장치(30)는 상기 메모리/버퍼들(24, 26) 및 상기 디지털 신호 처리 장치(32)를 제어한다. 상기 제어기 장치(30)는, 상기 스퀴터 필터(28)로부터 스퀴터 프리앰블이 검출되었다는 신호를 수신하면, 상기 메모리/버퍼들(24, 26)를 제어하여, 상기 메모리/버퍼들(24, 26)에서 상기 모드-S 신호를 격리시키고 상기 모드-S 신호는 처리가 종료될 때까지 유지된다. 상기 제어기 장치(30)는 또한 처리를 시작하도록 상기 디지털 신호 처리 장치(32)를 지향시켜 모든 안테나 소자 디지털 신호들의 복소 가중치들을 조정하고 상기 격리된 모드-S 신호의 신호 대 잡음비를 최대화한다. 상기 디지털 처리 장치가 상기 신호 대 잡음비를 최대화하기 위한 처리를 완료환 후, 상기 제어기 장치(32)는 상기 모드-S 신호가 상기 모드-S 수신기(34)로 출력되도록 상기 디지털 신호 처리 장치(30)를 지향시키고, 상기 메모리/버퍼(24, 26)가 정상 시퀀스 동작을 다시 시작하게 한다.
상기 DSP(32)에 의해 많은 가능성 있는 알고리즘들이 수행될 수 있다. 예를 들어, 방향-도착 추정(direction-of-arrival estimation)이 모드-S 메시지의 프리앰블에 대해 행해졌다면, 다른 메시지들은 거절될 수 있다. 거절은 일시적으로 될 수 있으며, 즉 후자의 메시지(들)는 후속의 처리를 위해 지연될 수 있거나 병렬 연결 처리로 핸드오프될 수 있다. 상기 거절은 메시지 송신기의 방향으로 응답 압박(response constraint)을 갖는 전력 최소화 기술을 이용할 수 있다.
본 발명은 매우 중요한 제1 및 제2 이득을 가지며, 축척될 수 있는 방식으로 ADS-B 기능을 구현하는 분명하고 저렴한 효과적인 경로를 제공할 수 있으며 현존하는 설비를 가능한 최대한도로 사용할 수 있다. 요약하면, 상기 이점들은 다음과 같다.
제1 이점은 본 발명은 축척가능하고, 향상된 성능에 대해 지속적으로 업그레이드가능하고, 반대로도 호환가능하고, 제조 비용이 상대적으로 저렴해야 하며, 세계적인 주파수 스펙트럼 할당 및 승인, 트랜스폰더 발달(transponder maturity)을 제공하며, 상기 모드-S 시스템이 잘 알려져 있고 받아들일 수 있으며 또한 이득 방향을 감쇠시킴으로써 다중경로를 취소하고 무효화시키는데 사용될 수 있다는 점이다.
제2 이점은 본 발명은 우호적으로 자주 사용되고, 단파장은 상당히 실현가능한 구경(aperture)을 가능하게 하며, 안테나 소자들의 능동 제어, 예를 들어 성분 위상 시프터들은 존재하지 않고, 안전을 제공하며, 예를 들어 방해전파발신기(jammer) 및 방해 송신기를 용이하게 무효화시킬 수 있고, 고장난 GNSS(글로벌 내비게이션 위성 시스템)(Global Navigation Satellite System)을 백업하는데 사용될 수 있으며, 또한 다른 사용자의 GNSS의 일관성을 검사할 수 있으며, 또한 "가까운/먼" 문제("near/far" problem )를 해소하기 위해 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 통신을 지원하는데 사용될 수 있다는 점이다.
항공기의 밀집된 환경용 디지털 수신 시스템에 대한 본 발명의 몇몇 실시예 및 변형을 여기에 상세히 서술하였지만, 본 발명의 개시 및 설명은 당 분야의 기술인들에게 많은 대안의 설계를 제시한다는 것은 자명하다.

Claims (15)

  1. 항공기의 밀집된 환경(dense environment)에서 동작하는 항공기의 모드-S 신호들을 수신하고 처리하는 모드-S 디지털 수신 시스템에 있어서,
    a. 상기 항공기 상에 장착된 모드-S 안테나 소자들로 이루어지는 공간 어레이(spacial array)와;
    b. 각각의 개별 안테나 소자에 대한 개별 신호를 생성하고 처리하는 신호 처리 수신기와;
    c. 상기 개별 안테나 소자들에 대한 신호들을 대응하는 디지털 신호들로 변환시키는 적어도 하나의 아날로그/디지털(A/D) 변환기와;
    d. 상기 개별 안테나 소자들에 대한 신호들 또는 디지털 신호들을 순차적으로 그리고 주기적으로 샘플링하는 멀티플렉서와;
    e. 상기 수신 시스템에 의해 수신된 모드-S 신호에서 스퀴터 프리앰블(squitter preamble)의 존재를 결정하는 스퀴터 필터와;
    f. 모드-S 신호에 대한 존재 결정에 응답해서, 상기 개별 안테나 소자 신호들에 대한 상기 디지털 신호들의 복소 가중치들(complex weights)을 처리하고 조정하여, 상기 수신된 모드-S 신호의 신호 대 잡음비를 최대화하는 디지털 신호 처리 장치와;
    g. 상기 디지털 신호 처리 장치의 출력에 결합되어, 상기 모드-S 신호에 의해 전달된 기술적 데이터를 처리하고 식별하는 모드-S 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드-S 디지털 수신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    a. 메모리/버퍼가 상기 신호들을 순차적으로 저장하며;
    b. 제어기 장치가 상기 스퀴터 필터의 출력에 결합되고 상기 메모리/버퍼 및 상기 디지털 신호 처리 장치를 제어하며,
    상기 스퀴터 필터가 프리앰블이 존재한다는 것을 통보하면 상기 제어기 장치는,
    처리가 완료될 때까지 상기 모드-S 신호가 유지되고 있는 상기 메모리/버퍼 에서 상기 모드-S 신호를 격리시키며,
    모든 안테나 소자 디지털 신호들의 복소 가중치들을 조정하도록 상기 디지털 신호 처리 장치를 지향시켜, 상기 격리된 모드-S 신호의 신호 대 잡음비를 최대화하며, 그리고
    상기 신호 대 잡음비가 최대화된 후, 상기 제어기 장치는 상기 모드-S 신호가 상기 모드-S 수신기로 출력되도록 상기 디지털 신호 처리 장치를 지향시키고, 순차적인 동작이 다시 시작되도록 상기 메모리/버퍼를 지향시키는 것을 특징으로 하는 모드-S 디지털 수신 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    a. 상기 아날로그/디지털(A/D) 변환기는 각각의 신호에 대한 한 쌍의 시간오프셋 디지털 신호들을 생성하며;
    b. 힐버트 변환 필터는 상기 한 쌍의 시간 오프셋 디지털 신호들 중 하나를 힐버트 변환시켜 상기 메모리/버퍼에 대한 입력으로서 송신되는 직각 I 및 Q 샘플쌍(quadrature I and Q sample pair)을 생성하는 것을 특징으로 하는 모드-S 디지털 수신 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 각각의 모드-S 안테나 소자는 4/1 파장, 단일 소자, 스터브 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드-S 디지털 수신 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리 수신기에서, 각각의 안테나 소자는,
    a. 상기 안테나 소자의 출력을 증폭하는 전치 증폭기와;
    b. 상기 전치 증폭기의 출력을 주파수 다운 변환시키는 주파수 다운 변환기와; 그리고
    c. 대역 신호 에너지에서 제거하여 출력 신호를 생성하도록 상기 다운 변환기의 출력을 필터링하는 필터와 관계하는 것을 특징으로 하는 모드-S 디지털 수신 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 메모리/버퍼는 제1 및 제2 종속된 메모리/버퍼 장치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 모드-S 디지털 수신 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어기 장치는 스퀴터 프리앰블이 존재함을 통지받으면, 상기 제1 메모리/버퍼 장치에서 상기 모드-S 신호를 격리시키는 것을 특징으로 하는 모드-S 디지털 수신 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 스퀴터 필터는, 안테나 소자의 필터링된 출력을 스퀴터 프리앰블 시그내처(squitter preamble signature)로 지속적으로 콘볼빙하여 스퀴터 프리앰블의 존재를 결정하는 표면 음파 필터(surface acoustic wave filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드-S 디지털 수신 시스템.
  9. 밀집된 환경(dense environment)에서 동작하는 항공기의 모드-S 신호들을 수신하고 처리하는 방법에 있어서,
    a. 상기 항공기 상에 모드-S 안테나 소자들로 이루어지는 공간 어레이를 장착하는 단계와;
    b. 각각의 개별 안테나 소자에 대한 개별 신호를 생성하고 처리하는 단계와;
    c. 상기 개별 안테나 소자들에 대한 신호들을 대응하는 디지털 신호들로 변환시키는 단계와;
    d. 상기 개별 안테나 소자들에 대한 신호들 또는 디지털 신호들을 순차적으로 그리고 주기적으로 샘플링하는 단계와;
    e. 수신 시스템에 의해 수신된 모드-S 신호에서 스퀴터 프리앰블의 존재를 결정하는 단계와;
    f. 모드-S 신호에 대한 존재 결정에 응답해서, 상기 개별 안테나 소자 신호들에 대한 상기 디지털 신호들의 복소 가중치들을 처리하고 조정하여, 상기 수신된 모드-S 신호의 신호 대 잡음비를 최대화하는 단계와;
    g. 상기 최대화된 신호 대 잡음비 모드-S 신호에 의해 전달된 기술적 데이터를 처리하고 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드-S 신호의 수신 및 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    a. 상기 디지털 신호들을 메모리/버퍼에 순차적으로 저장하는 단계와;
    b. 스퀴터 프리앰블의 존재를 검출하면,
    처리가 완료될 때까지 상기 모드-S 신호가 유지되고 있는 상기 메모리/버퍼 에서 상기 모드-S 신호를 격리시키는 단계와,
    모든 안테나 소자 디지털 신호들의 복소 가중치들을 조정하여 상기 격리된 모드-S 신호의 신호 대 잡음비를 최대화하는 단계와, 그리고
    상기 신호 대 잡음비가 최대화된 후, 상기 모드-S 신호를 출력하고, 상기 메모리/버퍼의 순차적인 동작을 다시 시작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드-S 신호의 수신 및 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    a. 각각의 신호에 대한 한 쌍의 시간 오프셋 디지털 신호들을 생성하는 단계와;
    b. 상기 한 쌍의 시간 오프셋 디지털 신호들 중 하나를 변환시켜 상기 메모리/버퍼에 대한 입력으로서 송신되는 직각 I 및 Q 샘플쌍을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드-S 신호의 수신 및 처리 방법.
  12. 제9항에 있어서, 4/1 파장, 단일 소자, 스터브 안테나들로 이루어지는 공간 어레이를 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드-S 신호의 수신 및 처리 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    a. 각각의 안테나 소자의 출력을 미리 증폭하는 단계와;
    b. 각각의 전치 증폭기의 출력을 주파수 다운 변환하는 단계와;
    c. 대역 신호 에너지에서 제거하도록 각각의 다운 변환된 출력의 상기 출력을 필터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드-S 신호의 수신 및 처리 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    제1 및 제2 종속된 메모리/버퍼 장치들을 제공하는 단계와;
    스퀴터 프리앰블의 존재를 통지받으면, 상기 제2 메모리/버퍼 장치에서 상기 모드-S 신호를 격리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드-S 신호의 수신 및 처리 방법.
  15. 제9항에 있어서, 안테나 소자의 필터링된 출력을 스퀴터 프리앰블 시그내처로 지속적으로 콘볼빙하여 스퀴터 프리앰의 존재를 결정하는 표면 음파 필터를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드-S 디지털 수신 시스템.
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