KR20040016851A - 전파 펄스열 항행 시스템 - Google Patents

전파 펄스열 항행 시스템 Download PDF

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KR20040016851A
KR20040016851A KR10-2003-7013159A KR20037013159A KR20040016851A KR 20040016851 A KR20040016851 A KR 20040016851A KR 20037013159 A KR20037013159 A KR 20037013159A KR 20040016851 A KR20040016851 A KR 20040016851A
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폴조한네슨
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메가펄스, 인크.
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Abstract

항행 성능 및 시스템 보전에 악영향을 미치는 일 없이 Loran-C 고주파 펄스 항행 전송기 등이 부가된, 통신용으로 가능한 디지털 비트 데이터율을 증가시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 항행 시간에 사용된 개기 부분에 이어지는 각 펄스의 뒷부분에 대한 펄스 반송 주파수에 대하여 임계 하한 및 상한 사이의 펄스 반송 주파수를 주파수 소인하는 것을 포함한다.

Description

전파 펄스열 항행 시스템{RADIO WAVE PULSE TRAIN NAVIGATION SYSTEMS}
예컨대, 본 발명의 출원인 Megapulse Inc.가 공동으로 출원한 미국 특허 제4,800,391호 및 제4,821,038호에 개시된 Loran-C 및 기타 전파 펄스열 항행 시스템은 일반적으로 Loran-C 펄스를 위상 변조하기 전에 통신 메시지와 논리곱을 적당하게 엔코딩하고 엔코드된 신호를 반전하는 펄스-위치 변조(PPM)에 의해서 디지털 통신 메시지를 전송하고 수신하도록 설계되었다. Loran-C 100 ㎑ 반송 주파수 시스템을 사용하면 위 변조는 70 bps의 디지털 비트율이 가능하게 된다.
현재 알려진 위 PPM에 대한 한가지 예는 8-펄스 그룹의 최종 6 펄스를 사용하여 7-비트 워드가 생성되는 Eurofix System 이다. Loran 데이터 비트율 성능을 강화시키기 위하여, 펄스의 수를 300 pps에서 500 pps로 증가(Supernumerary Loran으로 불림)시키는 방안과, 그러한 시스템 펄스에 3-레벨 펄스내 주파수 변조(IFM;Intrapulse Frequency Modulation)를 사용하는 것이 논의되고 있다.
그러나, 기존에 잘 알려진 Loran-C 전송국을 이용하여 비트율을 250 bps 또는 기존의 전송국 장치보다 높게 증가시키더라도, Loran-C 시스템 항행 성능의 보전에 악영향을 미치지 않는다면, 그것이 더 바람직할 것이다.
본 발명은 신규한 형태의 주파수 변조를 Loran-C 전송기 펄스에 부가함으로써, 현재(또는 장래)의 Loran-C (및 그와 유사한) 전송기에 용이하게 실시할 수 있는 혁신적인 신규한 변조 방식을 제공한다.
본 발명은 전파 펄스열 항행 시스템(radio wave pulse train navigation systems)에 관한 것이다. 특히 본 발명은 기본적인 무선 항행 성능에 악영향을 미치지 않고 Loran-C 무선 항행 전송 등에서 보조적으로 전송되도록 메시지 통신용으로 가능한 디지털 비트율을 확장시키기 위한 새롭고 개선된 방법 빛 장치를 제공하는 것에 관한 것이다.
도 1은 Megapulse, Inc. 社에서 AN/FPN/64라는 명칭으로 시판되는 형태를 지니는 종래의 고체 Loran-C 전송기(SSX; solid-state transmitter)를 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 2는 도 1의 전송기에서 "테일바이터" 회로를 사용할 경우와 사용하지 않을 경우에 대한 안테나 전류의 엔벨로프를 도시하는 파형도이다.
도 3은 도 1의 "테일바이터"를 지니는 회로에 의해서 생성된 실제 안테나 전류의 파형도이다.
도 4A는 도 3의 안테나 전류 Loran C 펄스를 본 발명의 신규한 구성에 따른 새로운 주파수 변조(도 4B)와 동시적인 위상 변조(도 4C)와 시간적으로 관련하여 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4B와 도 4C에 도시된 동작을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 전송기 회로 형태를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 6은 변조되지 않은 파형과 -90°위상 변조를 일으키는 주파수 변조된 Loran-C 펄스의 합성 파형이다.
도 7은 도 6에 도시된 파형의 합성 스펙트럼으로, 직선은 변조된 스펙트럼이고, 점선은 변조되지 않은 스펙트럼이다.
도 8은 변조되지 않은 파형과 +90°위상 변조를 일으키는 주파수 변조된 Loran-C 펄스의 합성 파형이다.
도 9는 도 8의 파형에 대한 합성 스펙트럼이다.
본 발명의 목적은, 기본적인 무선 항행 성능에 악영향을 미치지 않고 Loran-C 무선 항행 전송 등에서 보조적으로 전송되도록 메시지 통신용으로 가능한 디지털 비트율을 확장시키기 위한 새롭고 개선된 방법 빛 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 현재 널리 알려진 Loran-C (및 그와 유사한) 전송기 장치를 용이하게 변경한 전자 회로로 위 목적을 달성하는 것이다.
기타 다른 목적은 아래 설명 및 청구 범위로부터 자명해질 것이다.
본 발명의 한가지 중요한 특징에 따라 본 발명을 요약하면, 항행 성능 및 시스템 보전에 악영향을 미치지 않고 Loran-C 및 그와 유사한 고주파 항행 시스템 전송기 펄스열에 부가됨으로써, 통신용으로 가능한 디지털 비트율을 확장시키는 방법에 관한 것으로, 미리 정해진 반송 주파수 중심의 고주파 펄스를 발생하는 단계와, 사용자가 항행 시간과 위치에 대한 각 전송 펄스의 개시 부분을 수신하고 사용할 수 있도록 안테나에서 위 고주파 펄스를 전송하는 단계와, 상기 반송 주파수의 반대측에 있는 미리 정해진 상한과 하한 사이의 미리 정해진 대역 내에서 위 발생된 반송 주파수를 반대 방향으로 소인(즉, 각 전송 펄스의 나머지 부분에 대하여 우선 아래 또는 위로 소인한 다음 각 전송 펄스의 연속되는 뒷부분에 대하여 위 또는 아래로 소인함)하는 단계와, 상기 소인 과정에서 주파수 하한 이하 또는 주파수 상한 이상의 펄스 에너지를 실질적으로 각 펄스와 동일하도록 유지하는 단계와, 상기 소인에 의해서 실현된 주파수 변조를 사용하여 통신 비트를 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명을 실시하기 위한 바람직한 최선의 실시 태양 및 구조를 아래 상세히 설명한다.
우선, 바람직한 Loran-C 적용예로 사용되는 본 발명과의 대비를 위하여 종래의 전파 펄스열 고체 전송기에 대해서 설명하면, 도 1은 도 3의 Loran-C 펄스를 생성하는 일반적인 고체 Loran-C 전송기(SSX)를 간단하게 나타낸 회로도이고, 도면에서 표시한 바와 같이, 직렬 결합된 인덕턴스 LA, 커패시턴스 CA와 부하 저항 R로 구성된 전송 안테나가 병렬로 결합된, 결합 네트워크(coupling network)의 병렬 동조 회로 CC-LC를 임펄스 충전한다. 결합 네트워크와 안테나는 모두 위에 언급한 100 ㎑ 기초 Loran-C 반송 주파수로 정상적으로 변경된다. 임펄스 전송기는 결합 네트워크를 충전시키고, 결합 네트워크는 다시 안테나에 에너지를 전송하고, 그 결과 도 2에 도시하는 안테나 전류 파형 엔벨로프가 나타난다. 도 2의 우측에 "테일바이터가 없는 경우(without tailbiter)"라고 표시된 직선 파형의 최종 펄스에 나타나는 발진 테일(oscillating tail) 현상을 피하기 위하여, 도 1에 도시하는 바와 같이, 저항 RT와직렬로 연결된 고체 스위치 ST로 구성된 "테일바이터" 회로를 결합 네트워크와 병렬로 결합시킨다. 결합 네트워크 전압이 0인 경우, 스위치 ST를 닫으면 도 2의 "테일바이터가 있는 경우(with tailbiter)"라고 표시된 점선 파형, 즉 바람직하게 지수적으로 감쇠하는 안테나 전류 펄스를 생성하고, 도 3 및 도 4A의 Loran-C 고주파 (rf) 전류 펄스를 생성한다. 이것은 모두 본 명세서에서 종래 기술로 인용한 상기 특허에 개시되어 있다.
잘 알려져 있는 바와 같이, Loran-C 항행 시스템은 위치-고정을 위한 도착 시간을 결정하기 위하여 rf 펄스의 첫번째 3개의 사이클을 사용한다. 상기 특허에서 설명되어 있는 바와 같이, 통신 변조를 부가한 것이 위상 또는 주파수의 면에서 사이클을 방해해서는 안된다. 그러나, 위상 또는 주파수 변조는 30 ㎲ 또는 그 이후에 펄스에서 개시될 수 있다. 안테나에서 정상적으로 동조된 공진 주파수 100 ㎑ 를 변화시킴으로써, 고주파 안테나 전류도 그에 따라 변화할 것이다. 그러나, Loran-C 항행 시스템에서, Loran-C rf 펄스의 스펙트럼이 미리 정해진 주파수 대역 약 90 내지 110 ㎑ 사이에서 유지되고, 90 ㎑ 이하 또는 110 ㎑ 이상의 에너지 모두가 전체 펄스 에너지의 0.5 % 보다 작게 제한될 것을 요구한다.
도 4B에 도시하는 바와 같이, ±2.5 ㎑ 의 주파수 변조는, 도 4C에 도시하는 바와 같이, 시간 160 ㎲에서 +90°또는 -90°의 펄스로 위상 변이시킨다.
이 변조를 달성하기 위하여, 본 발명은 도 5에 개략적으로 도시되어 있는 신속하고 고도로 효율적인 고체 스위치 S1내지 S4를 사용한다. 이들 스위치는 안테나와 모두 직렬로 연결되어 있는 커패시터 CS!, CS2와 인덕터 LS3, LS4와 병렬로 결합된다. 도 4에 관하여 전술한 바와 같이, 펄스는 3개의 구간으로 분할된다. 구간 1에서 펄스 주파수는 100 ㎑이다. 구간 2에서 펄스 주파수는 97.5 ㎑ 또는 102.5 ㎑ 중 어느 하나이다. 구간 3에서 펄스 주파수는 102.5 ㎑ 또는 97.5 ㎑ 중 어느 하나이다. 펄스는 제로 상태, 펄스 상태, 및 마이너스 상태로 지정되는 3가지 상태를 지닌다. 제로 상태에서는 테일바이트 스위치 ST를 제외한 모든 스위치가 개방된다. 이 때, 테일바이트 스위치 ST는 시간 70 ㎲에서 닫히고, 아래 펄스가 개시되기 전에 개방된다. 펄스 상태에서 스위치 상태는 아래와 같다.
△f
0
구간 1 모든 스위치 개방
구간 2 ST및 S3닫힘. S3이 닫히는 것은 직렬 인덕턴스를
감소시키고, 다시 펄스 주파수를 증가시킴. 테일바이터
스위치 ST가 닫히면 도 2에 도시하는 테일 형상이
만들어짐 2.5 ㎑
구간 3 ST, S1, S2, 및 S3가 닫힘. S1과 S2가 닫히면 안테나
커패시턴스가 증가하고, 그에 따라 안테나 주파수가
감소함 -2.5 ㎑
마이너스 상태에서 스위치 위치는 아래와 같다.
△f
0
구간 1 모든 스위치 개방
구간 2 ST및 S2닫힘. -2.5 ㎑
구간 3 ST, S2, S3, 및 S3가 닫힘. +2.5 ㎑
고전력 레벨에서 고체 스위치를 닫는 것은 쉽지만, 스위치를 여는 것은 어렵다. 위에 기술된 스위칭 방법에서 스위치를 여는 동작이 저전력 레벨, 즉 펄스 테일의 단부에서 이루어지는 반면, 모든 스위치를 닫는 동작은 고전력 레벨에서 이루어진다.
도 4의 펄스 파형과 주파수 변조의 스펙트럼의 효과는 도 6 내지 도 9에 도시되어 있다. 90°양의 위상 변이 효과는 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 7의 직선은 변조 펄스의 스펙트럼이고, 점선은 비변조 펄스의 스펙트럼이다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 비변조 펄스는 변조 펄스보다 약간 증가하지만 원래 상태에서 1 % 대역외(out-of-band)이라는 스펙트럼 요건을 충족한다. 90°음의 위상 변이 효과는 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 다시 이 스펙트럼은 대역외 요건을 충족한다.
따라서, 본 발명은 예컨대 주파수를 100 ㎑에서 97.5 ㎑로 변이시키기 위하여 전송기 출력과 안테나 사이에 인덕턴스를 도입하고 제거한다. 그리고 102.5 ㎑를 달성하기 위하여 소인한 다음 100 ㎑로 복귀한다. 그 모두는 위에 설명한 임계적인 제약 조건 범위 내에서 이루어지고, 각 펄스에 대한 중심 주파수 스펙트럼을 100 ㎑ 가까이로 유지하고, 100 ㎑ 이하 및 이상의 에너지를 등화(equalizing) 처리한다. 이 주파수 변조는 상기 특허에서 설명한 바와 같이 통신 비트로 기능할 수 있다.
본 발명의 위와 같은 기술을 통해서, 항행 성능 및 기능 보전(integrity)에 아무런 악영향을 미치지 않고, 현재 또는 장래의 Loran-C 펄스 항행 전송기(그 외 펄스열 통신 시스템 등)용으로 사용 가능한 디지털 데이터 비트율 통신 변조를 실질적으로 증가시킬 수 있게 되었다. 이 변조 방식은 위에 설명한 바와 같이 Loran-C 항행 동작의 항행 성능에 악영향을 미치는 일 없이 Loran-C 신호에 250 bps 에 걸친 비트율을 허용한다는 것을 알게 되었다.
본 명세서에서는 비록 주파수 값의 범위에 따른 Loran-C 동작이 설명되어 있으나, 위에 정의한 요건 및 규격 범위 내에서 다른 주파수 변이값을 포함하여, 당해 기술 분야의 전문가에게 추가적인 변경이 있을 수 있다. 위에 지적한 바와 같이, 본 발명의 접근 방법은 본 발명과 청구 범위의 기술적 사상의 범위에 속하는 한 다른 형태의 항행 및 펄스열 통신 시스템 C에도 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 Loran-C 전송 장치를 이용하여 Loran-C 시스템 항행 성능의 보전에 악영향을 미치지 않으면서 비트율을 250 bps 또는 기존의 전송 장치보다 높게 증가시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. 항행 성능 및 시스템 보전에 악영향을 미치지 않고 Loran-C 및 그와 유사한 고주파 항행 시스템 전송기 펄스열에 부가됨으로써, 통신용으로 가능한 디지털 비트율을 확장시키는 방법에 있어서,
    미리 정해진 반송 주파수 중심의 고주파 펄스를 발생하는 단계와,
    사용자가 항행 시간과 위치에 대한 각 전송 펄스의 개시 부분을 수신하고 사용할 수 있도록 안테나에서 상기 고주파 펄스를 전송하는 단계와,
    상기 반송 주파수의 반대측에 있는 미리 정해진 상한과 하한 사이의 미리 정해진 대역 내에서 상기 발생된 반송 주파수를 반대 방향으로 소인(즉, 각 전송 펄스의 나머지 부분에 대하여 우선 아래 또는 위로 소인한 다음 각 전송 펄스의 연속되는 뒷부분에 대하여 위 또는 아래로 소인함)하는 단계와,
    상기 소인 과정에서 주파수 하한 이하 또는 주파수 상한 이상의 펄스 에너지를 실질적으로 각 펄스와 동일하도록 유지하는 단계와,
    상기 소인에 의해서 실현된 주파수 변조를 사용하여 통신 비트를 제공하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 각 펄스의 주파수 소인은 전송 펄스 발생기와 안테나 사이의 위치에 있는 인덕턴스와 커패시턴스 중 어느 하나 또는 그 2가지 모두의 변동에의해서 수행되고, 그에 따라 주파수가 증가하거나 감소하는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하한 주파수는 100 ㎑에서 생성되고, 상기 미리 정해진 대역은 97.5 ㎑ 내지 102.5 ㎑ 사이에서 형성되며, 90 ㎑ 이하 및 110 ㎑ 이상 에 해당하는 에너지는 모두 전체 펄스 에너지의 0.5 % 이하로 제어되는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 각 펄스의 주파수는 각 펄스의 단부에서 상기 반송 주파수로 복귀하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 각 펄스의 뒷부분은 평형 스펙트럼을 달성하기 위하여 서로 다른 지속 기간을 지니도록 구성되는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 제1 뒷부분의 지속 기간은 펄스 진폭 차이를 보상하기 위하여 제2 뒷부분의 지속 기간보다 짧게 구성되는 것인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 펄스의 개시 부분에 대한 펄스 시간 구간은 60 Fsec이고, 상기 제1 뒷부분에 대한 시간 구간은 약 60C160 Fsec이고, 상기 제2 뒷부분에 대한 시간 구간은 약 160C500 Fsec인 것인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 뒷부분에 대한 펄스 주파수는 97.5 ㎑ 또는 102.5㎑ 중 어느 하나이고, 상기 제2 뒷부분에 대한 펄스 주파수는 97.5 ㎑ 또는 102.5 ㎑ 중 어느 하나인 것인 방법.
  9. 항행 성능 및 시스템 보전에 악영향을 미치지 않고 Loran-C 및 그와 유사한 고주파 항행 시스템 전송기 펄스열에 부가됨으로써, 통신용으로 가능한 디지털 비트율을 확장시키는 장치에 있어서,
    미리 정해진 반송 주파수 중심의 고주파 펄스를 생성하기 위한 고주파 펄스 발생 전송기 수단과,
    미리 정해진 반송 주파수 중심의 전파 펄스를 생성하기 위하여 상기 전송기 수단에 결합된 안테나 수단과,
    사용자가 항행 시간과 위치에 대한 각 전송 펄스의 개시 부분을 수신하고 사용할 수 있도록 상기 고주파 펄스를 전송하기 위하여 상기 전송기 수단에 결합된 안테나 수단과,
    상기 반송 주파수의 반대측에 있는 미리 정해진 상한과 하한 사이의 미리 정해진 대역 내에서 상기 발생된 반송 주파수를 반대 방향으로 소인(즉, 각 전송 펄스의 나머지 부분에 대하여 우선 아래 또는 위로 소인한 다음 각 전송 펄스의 연속되는 뒷부분에 대하여 위 또는 아래로 소인함)하는 동작을 수행하는 주파수 변조 수단과,
    상기 소인 과정에서, 각 펄스의 주파수 스펙트럼의 중심을 상기 반송 주파수로 유지하면서, 주파수 하한 이하 또는 주파수 상한 이상의 펄스 에너지를 실질적으로 각 펄스와 동일하도록 유지시키는 동작을 수행하는 수단과,
    상기 소인에 의해서 실현된 주파수 변조를 사용하여 통신 비트를 제공하는 수단
    을 포함하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 각 펄스의 주파수 소인을 수행하는 주파수 변조 수단이 전송 펄스 발생 수단과 안테나 사이의 위치에 있는 인덕턴스 수단을 변동시키기 위한 수단 또는 커패시턴스를 변동시키기 위한 수단 중 어느 하나 또는 그 2가지 수단 모두에 제공되고, 그에 따라 주파수가 증가하거나 감소하는 것인 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 반송 주파수는 100 ㎑에서 생성되고, 상기 미리 정해진 대역은 90 ㎑ 내지 110 ㎑ 사이에서 형성되며, 90 ㎑ 이하 및 110 ㎑ 이상에 해당하는 에너지는 모두 전체 펄스 에너지의 0.5 % 이하로 제어되는 것인 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 주파수 변조 수단은 각 펄스의 주파수를 각 펄스의 단부에서 상기 반송 주파수로 복귀시키는 것인 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 타이밍 수단은 각 펄스의 뒷부분이 평형 스펙트럼을 달성하기 위하여 서로 다른 지속 기간을 지니게 하기 위하여 제공되는 것인 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 타이밍 수단은 제1 뒷부분의 지속 기간이 펄스 진폭 차이를 보상하기 위하여 제2 뒷부분의 지속 기간보다 짧게 구성하는 것인 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 펄스의 개시 부분에 대한 펄스 시간 구간은 60 ㎲로 조정되고, 상기 제1 뒷부분에 대한 시간 구간은 약 60C160 ㎲로 조정되고, 상기 제2 뒷부분에 대한 시간 구간은 약 160C500 ㎲로 조정되는 것인 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 뒷부분에 대한 펄스 주파수는 97.5 ㎑ 또는 102.5 ㎑ 중 어느 하나에서 소인되고, 상기 제2 뒷부분에 대한 펄스 주파수는 97.5 ㎑ 또는 102.5 ㎑ 중 어느 하나에서 소인되는 것인 장치.
  17. 제9항에 있어서, 주파수 변조 수단은 원하는 전송 통신 비트 데이터에 따라 전송기 펄스 발생 수단과 안테나 사이에서 회로 연결의 개폐를 위하여 스위칭 가능한 보조적인 커패시턴스 및 인덕턴스의 조합을 포함하는 것인 장치.
  18. 제17항에 있어서, 복수의 커패시터 및 인덕턴스가 각각 고속 고체 스위치에 의하여 분기되도록 전송기 발생 수단과 안테나 사이에서 직렬로 결합되는 것인 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 전송기 수단은 결합 네트워크를 통하여 안테나 수단에 결합되고, 고속 고체 스위치에 의해서 각각 분기되는 직렬로 결합된 커패시터와 인덕터를 포함하는 직렬로 결합된 스위칭 네트워크와, 고속 고체 스위치에 의해서 각각 분기되는 분기-결합된 커패시터와 인덕터를 포함하는 분기-결합 스위칭 네트워크 두가지 모두 결합 네트워크와 안테나 수단 사이에 결합되는 것인 장치.
  20. 제19항에 있어서, 고속 스위치의 스위칭이 각 펄스에 소인 주파수 변조를 생성하는 것인 장치.
KR10-2003-7013159A 2001-04-11 2002-04-09 전파 펄스열 항행 시스템 KR20040016851A (ko)

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