KR20030094545A - 디지피에스 보정신호에 선형주파수변조를 이용하여지피에스와 독립된 항법해 및 측위를 구하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 현재 해상용 DGPS(Differential Global Positioning System) 보정신호 방송 규격인 RTCM(Radio Technical Commission Maritime Services) 포맷을 유지하며 285∼325KHz대의 선형주파수변조(Chirp)를 이용하여 GPS(Global Positioning System)와 독립된 항법해 및 측위를 구하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선형주파수변조는 레이더 등에서 사용하는 변조방법으로 잡음에 강한 특성을 가지고 있는 것으로 알려져 있는데, 선형주파수변조를 이용하여 285∼325KHz의 가변주파수를 짧은 시간 내에 선형적으로 증가시키며 MSK 변조신호에 실어 송출하면 기존의 해상용 DGPS 수신기는 선형주파수변조에 의한 영향을 받지 않게 된다.
다만, 선형주파수변조를 검출하는 모듈을 내장한 수신기만이 선형주파수변조에 의한 신호를 수신할 수 있게 된다.
선형주파수변조에 의한 신호를 285∼325KHz 주파수 범위대에서 고속 푸리에 변환하면 스펙트럼이 넓게 퍼지게 되어 기존의 MSK 변조에 의한 RTCM 보정정보는 왜곡되지 않게 된다.
각 해상용 DGPS 기준국 고유 주파수에 인가되는 선형주파수변조 성분은 각 기준국에서 정해진 시각에 송출됨으로써 각 기준국 송출신호를 검파하게 되면 각 기준국에서 수신기까지의 신호전달지연 시간을 검출할 수 있게 된다.
이러한 방법을 통해 3개의 기준국으로부터 송출되는 선형주파수변조 성분이포함된 신호를 수신하게 되면 3개의 기준국을 중심으로 한 수신기의 상대적 위치를 구할 수 있게 된다.
각 해상용 DGPS 기준국 고유 주파수에 인가되는 선형주파수변조 성분의 신호를 이용하게 되면 유사시 GPS를 사용하지 못하는 경우가 발생되더라도 독자적인 항법시스템 및 대체 측위시스템을 구축할 수 있게 된다.

Description

디지피에스 보정신호에 선형주파수변조를 이용하여 지피에스와 독립된 항법해 및 측위를 구하는 방법{a}
본 발명은 현재 MSK 변조방식을 이용한 해상용 DGPS(Differential Global Positioning System) 보정신호 방송 규격인 RTCM(Radio Technical Commission Maritime Services) 포맷을 유지하면서 선형주파수변조(Chirp) 신호를 각 해상용 DGPS 기준국의 특정 주파수에 인가함으로써 만약의 사태로 인해 그 사용이 불가능하게 될 개연성이 있는 GPS(Global Positioning System)와 독립된 항법해 및 측위를 구하는 방법에 관한 것이다.
해상용 DGPS 보정정보는 300KHz(285∼325KHz)의 반송파를 사용하여 RTCM SC-104 포맷에 맞추어 방송되고 있는데, 방송주파수 동기원과 항법보정정보는 미국에서 운영중인 GPS에 의존하고 있다.
최초 미 공군에 의해 개발되고 운영되어 온 GPS는 1980년대 일반에게 그 사용이 허용되었으며 1990년대 들어 그 이용이 크게 확대되고 있는 실정이다.
그러나, GPS는 정치적 또는 경제적인 이유 및 테러에 의해 그 사용이 불가능할 수 있다.
유럽에서는 이러한 점에 주목하여 독자적인 위성항법시스템을 구축해 나가고 있으며 Loran-C 등의 기존 지상시설을 이용한 EuroFix와 같은 그들만의 독자적인 대체항법시스템을 갖추어 가고 있다.
EuroFix는 Loran-C의 펄스에 ±1㎲의 3단계 부가변조를 이용하여 GPS 보정정보를 싣고 있으나 이러한 시스템은 복잡한 변조과정을 사용하므로 수신기 단가가 높아질 문제점이 있다.
유럽과 미국내의 많은 Loron-C 사용자를 고려할 때 EuroFix는 효과적인 대체항법기능을 할 수 있을 것으로 기대되나, 원양어선을 제외하곤 뚜렷한 Loran-C 사용자층이 없는 국내 사정을 고려하면 비용 대 효과면에서 효과적이지 못하다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 MSK 변조를 이용하여 RTCM 국제 표준 포맷에 따라 송출되는 해상용 DGPS 보정정보를 왜곡하지 않으며 부가적인 변조를 이용하여 만약의 사태로 인해 그 사용이 불가능하게 될 개연성이 있는 GPS와 독립된 항법해 및 측위를 구하는 방법에 관한 것이다.
현재 MSK 변조방식을 이용한 해상용 DGPS 보정신호 방송 규격인 RTCM 포맷을 유지하면서 선형주파수변조 신호를 각 해상용 DGPS 기준국의 특정 주파수에 인가함으로써 기 구축된 해양용 DGPS 기준국의 고유 송출 주파수(285∼325KHz)에 선형주파수변조를 이용하여 285∼325KHz의 가변주파수를 짧은 시간 내에 선형적으로 증가시키며 MSK 변조신호에 실어 송출하면, 선형주파수변조에 의한 신호는 스펙트럼이 넓게 퍼지게 되어 기존의 MSK 변조에 의한 RTCM 보정정보는 왜곡되지 않게 된다.
그러므로, 기존의 해상용 DGPS 수신기는 선형주파수변조에 의한 영향을 받지 않게 되는데 선형주파수변조를 검출하는 모듈을 내장한 수신기만이 선형주파수변조에 의한 신호를 수신할 수 있게 된다.
각 해상용 DGPS 기준국 고유 주파수에 인가되는 선형주파수변조 성분은 각기준국에서 정해진 시각에 송출됨으로써 각 기준국 송출신호를 검파하게 되면 각 기준국에서 수신기까지의 신호전달지연 시간을 검출할 수 있게 된다.
이러한 방법을 통해 3개의 기준국으로부터 송출되는 선형주파수변조 성분이 포함된 신호를 수신하게 되면 3개의 기준국을 중심으로 한 수신기의 상대적 위치를 구할 수 있게 된다.
도 1 은 선형주파수변조 신호를 나타낸 그래프
도 2 는 선형주파수변조 신호의 고속 푸리에 변환을 나타낸 그래프
도 3 은 고정된 해상용 DGPS 기준국 1에서 수신기 채널 1까지 선형주파수 변조 신호가 도착되는데 소요되는 시간지연(dτ)을 나타낸 그래프
도 4 는 4개의 기준국을 중심으로 한 수신기의 상대적 위치 및 거리를 나타낸 도면
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
1 : 고정된 해상용 DGPS 기준국 1에서 송출된 선형주파수변조 신호
2 : 수신기 채널 1에서 수신된 선형주파수변조 신호
3 : 고정된 해상용 DGPS 기준국 1에서부터 수신기 채널 1까지 선형주파수변조 신호가 도착되는데 소요된 시간지연(dτ)
4, 5, 6, 7 : 각 기준국의 위치좌표(Xi, Yi, Zi)
8, 9, 10, 11 : 수신기로부터 각 기준국까지의 거리(Pi U)
12 : 수신기의 위치좌표(UX, UY, UZ)
본 발명은 현재 해상용 DGPS 보정신호 방송 규격인 RTCM 포맷을 유지하며 285∼325kHz대의 선형주파수변조를 이용하여 GPS와 독립된 항법해 및 측위를 구하는 방법에 관한 것이다.
도 3 과 같이 해상용 DGPS 기준국에서 원자시계를 기준으로 각 기준국별로 특정한 스케줄을 따라 285∼325kHz대의 선형주파수변조 신호를 송출하게 된다.
수신기에서는 각 채널마다 선형주파수변조 신호가 인가된 서로 다른 해상용 DGPS 기준국 신호를 수신하게 된다.
수신기 채널은 최소 3개이상으로 구성되는데 각 채널에서는 고정된 해상용 DGPS 기준국의 선형주파수변조 신호 송출 스케줄(1)과 수신기채널에서 수신한 신호(2)에서 선형주파수변조 신호 검출 시각을 비교하여 고정된 특정 해상용 DGPS 기준국에서부터 수신기까지 신호가 도착되는 데에 소요된 시간지연(dτ)(3)을 구하게 된다.
각 기준국 선형주파수변조 신호 송출 스케줄에 따라 신호를 송출하는 기준국과 수신기 사이에 존재하는 전파전달지연을 시간이동(dτi)(3)을 통해 측정할 수 있으며, 이 측정값(전파전달지연)을 이용하여 기준국과 수신기 사이의 참거리 ρ를 다음식과 같이 구할 수 있게 된다
ρ= dτ×c
ρ: 실제 참거리(기준국과 수신기 간)
dτ: 시간이동(time shift)
c : 빛 속도
위 식을 이용하는 조건은 기준국의 시계와 수신기 내부의 시계가 정확히 동기되어 있는 상황으로 이는 현실적으로 불가능하므로 현실적인 오차 요인을 감안한 의사거리 개념을 도입하면 의사거리와 참거리간의 관계식은 다음식과 같이 표현할 수 있다.
P : 의사거리
ρ: 참거리
c : 빛 속도
dt : 기준국 시계 편차(세계표준시각 기준)
dT : 수신기 시계 편차(세계표준시각 기준)
dS: 지표면 영향에 의한 전파전달지연
εp: 다중경로 및 수신기 잡음에 의한 오차원인
도 4 과 같이 4개의 인공위성을 중심으로 하여 구하고자 하는 수신기 위치좌표(12)는 UX, UY, UZ로 세개의 미지수이다.
기준국에서 송출되는 항법정보로부터 기준국의 위치좌표 Xi, Yi, Zi(4∼7)는 알 수 있고, 수신기로부터 기준국까지의 거리 Pi U(8∼11)는 기준국 송출신호 스케줄과 수신기 수신신호 시각사이의 시간지연을 이용한 측정에 의해서 알 수 있는 값이다.
이를 수식을 통해 정리하면 다음식과 같다.
기준국 1로부터 수신기 채널 1간의 항법해
기준국 2로부터 수신기 채널 2간의 항법해
기준국 3으로부터 수신기 채널 3간의 항법해
기준국 4로부터 수신기 채널 4간의 항법해
여기서, UX, UY, UZ: 수신기의 위치좌표를 나타내고 Xi, Yi, Zi: 각 기준국의 위치좌표(i = 1, 2, 3, 4), dTU: 수신기의 시계 오차를 나타낸다.
위의 식들을 통해 얻고자 하는 값은 수신기의 위치좌표 UX, UY, UZ(12)와 수신기 시계 오차 dTU이다.
Xi, Yi, Zi는 기준국에서 송출되는 항법정보로부터 알 수 있고 미지수 UX, UY, UZ및 dTU의 해를 구하기 위해 4개의 식이 구성된다.
즉, 4개의 기준국으로부터의 선형주파수변조 신호를 측정하면 수신기의 위치좌표(12)와 수신기의 시계오차 dTU를 구할 수 있게 된다.
이로써 얻고자 하는 수신기의 위치와 항법해를 얻을 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명은 DSP(Digital Signal Processing)칩에 이식되어 DGPS 수신기에 장착되면 GPS에 독립적인 대체 항법시스템 및 대체 측위시스템의 구축이 가능하게 된다.
DGPS 보정 신호에 부가적인 선형주파수변조 신호를 통해 GPS에 의존하지 않으면서 GPS와 유사한 방법으로 위치 및 항법해를 구할 수 있으므로 이를 이용한 대체 측위시스템 및 대체 항법시스템의 구축이 가능하게 되어 유사시 GPS를 사용하지 못하는 경우에도 대비할 수 있으며 새로운 시스템과 관련한 새로운 수요 창출을 통해 관련 산업의 활성화 및 독자적인 측위 및 항법시스템의 구축을 통해 국가 안보에 기여할 수 있다.

Claims (2)

  1. 기존의 MSK 변조방식에 의한 DGPS 보정신호에 선형주파수변조 신호를 부가하여 각 해상용 DGPS 기준국별 특정한 스케줄에 의해 송출하는 기준국의 신호를 수신하여 수신기의 상대적인 위치와 항법해를 구하는 것을 특징으로 하는 디지피에스 보정신호에 선형주파수변조를 이용하여 지피에스와 독립된 항법해 및 측위를 구하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서 디지피에스 보정신호의 고유 송출 주파수(285∼325KHz)에 선형주파수변조를 이용하여 285∼325KHz의 가변주파수를 짧은 시간 내에 선형적으로 증가시키며 MSK 변조신호를 실어 각 해상용 DGPS 기준국별 특정한 스케줄에 의해 송출하는 것을 특징으로 하는 디지피에스 보정신호에 선형주파수변조를 이용하여 지피에스와 독립된 항법해 및 측위를 구하는 방법.
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