KR20040072955A - 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 지피에스 수신기,지피에스 클럭장치및 이중화 지피에스 클럭장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 GPS 수신기의 국부발진기를 제어할 수 있는 회로와 알고리즘을 제안하여 원자 시계급의 정확도와 안정도를 갖는 시각과 주파수를 공급할 수 있는 GPS 수신기 및 그를 이용한 GPS 클럭장치에 관한 것으로, 정밀 제어가 가능한 국부발진기와, 국부발진기를 제어하는 신호처리부를 포함하며, GPS 신호로부터 생성되는 내부 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 국부발진기를 분주하여 생성되는 출력 1PPS 신호의 위상차이 정보를 이용하여, 국부발진기의 시각 및 주파수의 오차를 예측하고 국부발진기의 제어값을 출력하며, 국부발진기의 온도 특성 데이터 및/또는 경년(Aging) 특성 데이터를 이용하여 제어값을 더 정밀하게 제어할 수 있다.
본 발명에 의하면, GPS 수신기의 국부발진기를 직접 제어함으로써 GPS 수신기 이외에 별도의 국부발진기 및 마이크로프로세서를 구비하고 있던 기존의 GPS 클럭장치에 비하여 시스템의 효용성과 경제성을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 위성의 추적상태가 불안정한 환경에서도 정밀하고도 안정된 시각정보를 보장한다.

Description

정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 지피에스 수신기, 지피에스 클럭장치및 이중화 지피에스 클럭장치 {GPS Receiver having Precise-Controlled Local Oscillator, GPS Clock Device and Duplexed GPS Clock Device using the GPS Receiver}
본 발명은 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 지피에스 수신기, 지피에스 클럭장치 및 이중화된 GPS 클럭장치, 더 상세하게는 소정의 제어회로에 의하여 정밀한 제어가 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기와, 별도의 시각 전용 GPS 수신기를 이용하지 않고 정밀 제어가 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기로 구성된 GPS 클럭장치와, 전술한 GPS 수신기를 이용한 두 개 이상의 GPS 클럭부로 이루어진 이중화 GPS 클럭장치에 관한 것이다.
일반적으로, GPS수신기의 국부발진기(Local Oscillator: LO)는 수신기의 RF부에 기준 주파수를 공급하는 장치이다. 일반적으로 GPS 수신기의 측정치(Measurements)는 각 GPS 위성에 고유한 PRN(Pseudo Random Noise) 코드의 위상, 수신된 캐리어(Carrier)의 위상과 주파수 정보들에 의한 도달시각(TOA; Timeof Arrival)에 기초를 두고 있기 때문에 GPS 수신기의 국부발진기는 매우 중요한 부분이라 할 수 있다.
그러나 우수한 안정도를 가지고 있는 발진기는 GPS 수신기의 다른 부분에 비하여 개발이 늦어져 GPS 수신기의 어느 부품보다 고가이고 가장 큰 부품이 되었다. 비용 또는 장치의 크기 등을 고려하여, 오늘날의 일반적인 GPS 수신기에서는 비록 안정도는 좋지 않지만 저가이고 소형인 TCXO (Temperature-Compensated Crystal Oscillator)를 국부발진기로 주로 사용하게 되었고, 이러한 TCXO의 온도와 주파수의 상관관계를 분석하여 그 주파수 오차를 보상하는 알고리즘은 이미 잘 알려져 있다. 그러나 특수한 목적의 GPS 수신기에는 전술한 TCXO보다 우수한 안정도를 가지고 있는 발진기를 사용할 필요성이 있다.
본 발명에서는 자체적으로 GPS 수신기의 국부발진기의 주파수를 제어할 수 있는 회로와 알고리즘을 이용하여 원자 시계급의 정확도와 안정도를 갖는 시각과 주파수를 공급할 수 있는 GPS 수신기를 제안하였다.
또한 기존의 GPS 클럭코어(Clock Core)를 이용한 GPS 클럭장치를 대신하여 국부발진기를 제어하는 본 발명에 의한 GPS 수신기를 이용한 GPS 클럭장치를 제안하고자 한다.
우선 종래의 GPS 수신기 및 GPS 클럭장치의 구성을 대략적으로 살펴본다.
GPS 수신기
GPS는 미국 국방부에서 군사용으로 개발한 새로운 위성항법 시스템으로 현재 24개의 GPS 위성을 이용한 항법 서비스를 전세계적으로 무료로 제공하고 있다. GPS는 기존 항법 시스템에 비해 정확성이 높고 사용이 간편하며 시간과 장소 그리고 기상상황에 관계없이 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또 이동하는 사용자의 3차원 위치, 속도, 자세, 시간에 대한 10가지 정보를 동시에 제공할 수 있는 기능을 갖고 있다. 위치정보는 WGS84라는 기준좌표로, 시간은 GPS 시간이라는 기준 시간으로 통일되어 제공된다. 따라서 사용자는 GPS 수신기만 있으면 자신의 시간과 공간에 대한 정보를 언제 어디서나 아주 손쉽게 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 GPS 수신기의 기능 블록도로서, 크게 GPS 신호를 수신하는 GPS 안테나(11)와, 다운 컨버터(Down Convertor; 12),상관기부(Correlation System; 13), 발진기(Oscillator; 14), 온도센서(15), 안테나 체크 회로(16) 및 신호처리부(마이크로프로세서; 17)로 이루어진다.
이러한 GPS 수신기는 먼저 수신된 GPS 신호를 다운컨버터(Down Convertor)를 통하여 신호를 중간 주파수 대역(Intermediate Frequency)으로 변환한뒤 상관기부(Correlation System)에 전달한다. 이러한 다운컨버터는 여러 개의 믹서(Mixer)들로 구성되는데 발 진기로부터 기준 주파수를 입력받아 VCO(Voltage Controlled Oscillator)를 제어하는 위상잠금루프(Phase Locked Loop; PLL)를 구성하고 합성(Synthesized)된 주파수를 각 믹서들로 공급하게 된다. 상관기부에서는 캐리어 추적 루프(Carrier Tracking Loop)를 이용하여 입력된 IF(Intermediate Frequency) 신호로부터 캐리어(Carrier)를 제거하고, GPS 신호를 구성하고 있는 PRN 코드는 수신기 내부에서 생성된 동일한 코드와 코릴레이션(Correlation)하여 적분된 데이터(Data)를 신호처리부(Microprocessor)에 전달한다.
신호처리부(Microprocessor)에서는 상관기부(Correlation System)에서 입력된 적분 데이터와 측정 데이터를 이용하여 각 위성들과의 의사거리(Pseudorange) 및 의사거리율(Pseudorange rate)을 계산하고 GPS 위성 데이터를 추출하게 되며, 소정의 항법알고리즘을 통하여 수신기의 위치, 속도, 시간 등의 정보를 산출한다.
오늘날의 일반적인 GPS 수신기에서는 비록 안정도는 좋지 않지만 저가이고 소형인 TCXO(Temperature-Compensated Crystal Oscillator)를 국부발진기로 주로 사용하게 되었고 TCXO의 온도와 주파수의 상관관계를 분석하여 그 주파수 오차를 보상하는 알고리즘은 이미 잘 알려져 있다.
GPS 클럭코어(Clock Core) 및 그를 이용한 GPS 클럭장치
일반적으로 GPS는 위치추적의 용도로만 사용되는 것으로 알려져 있으나 GPS로부터 획득할 수 있는 1PPS 신호와 TOD(Time Of Date)는 장기적으로 매우 안정된 시각원으로 사용할 수 있다.
22,000Km의 궤도를 돌고 있는 24개의 GPS위성은 각각 세슘 원자시계와 루비듐 원자시계를 탑재하고 있으며 이들 원자시계는 지상국(Control Segment)의 감시 및 제어를 받는다. 또한, 각 위성은 UTC(Universal Time Coordinate)에 대한 원자시계의 오차를 자신의 항법 메시지에 실어서 송출한다.
일반적으로 TCXO를 이용하는 GPS 수신기에서 얻을 수 있는 1PPS는 약 100nsec 이내로 단기안정도(Short Term Stability) 면에서는 1.0×10-8급으로 그리 우수한 편은 아니다. 그러나, GPS의 1PPS는 UTC에 대한 위상 편이(Phase Drift)가거의 없으므로 장기안정도(Long Term Stability) 면에서는 원자시계를 대체할 수 있는 매우 정확한 시각 및 주파수원이 될 수 있다.
일반적인 GPS 클럭 코어(Clock Core)는 단기적으로 불안정한 GPS의 1PPS를 필터링(Filtering)하기 위하여 구간평균이나 칼만필터(Kalman Filter) 등을 사용하고 있다. 이러한 필터는 GPS 클럭코어(C lock Core)의 출력이 단기 안정도 면에서는 우수한 발진기의 특성을 유지하고, 장기 안정도 면에서는 GPS의 1PPS 특성을 보이도록 구현된다. 결과적으로 GPS를 이용하여 장기 및 단기안정도가 모두 우수한 시각 및 주파수를 획득할 수 있다.
종래의 GPS 클럭코어는 도 2와 같은 구성을 하고 있으며, GPS 신호에 포함되어 있는 1PPS, TOD 등의 시간 정보를 제공하는 GPS 수신기(21)와, 클럭코어의 자체 발진기(22), GPS 수신기로부터의 시간정보와 자체 발진기의 출력 사이의 차이를 감지하기 위한 위상감지기(Phase Detector; 23), 위상차이에 따라 자체 발진기의 주파수 및 시간을 제어하기 위한 필터를 포함하는 신호처리부(24)를 포함한다. 신호처리부는 소정의 제어 알고리즘과 적절한 필터링에 의하여 위상차이에 따른 자체 발진기의 주파수 및 시간을 제어한다.
이렇듯, 현재 이용되고 있는 대부분의 GPS 클럭 코어(Clock Core)는 도 2에서와 같이 GPS 수신기 제조 회사에서 공급하는 시각(時刻) 전용 GPS 수신기를 기준시각 공급원으로 장착하고 있고, GPS 수신기의 국부발진기와 별도로 제공되는 GPS 클럭 코어용 발진기를 구비하고 있다. 따라서, 시각 전용 GPS 수신기의 출력과 별도의 GPS 클럭코어용 발진기의 출력으로부터 시각차를 측정하고 그에 따라 GPS클럭코어용 발진기를 제어하는 제어부가 독립적으로 구현된다. 여기서 독립적이란 의미는 두 부분이 물리적으로 분리 가능한 입력 출력관계로 연결되었다는 것을 의미하며, 다시 말해, 시각 전용 GPS 수신기 및 GPS클럭코어 두 부분의 동작을 관장하는 마이크로프로세서가 각각 독립적으로 존재함을 의미한다.
즉, 도 2에서와 같이 시각 전용 GPS 수신기로부터의 시각 정보를 입력받고 자체 발진기의 출력과 비교한 후, 그 차이에 따라 자체 발진기를 제어하는 구성을 하고 있다는 것이다 . 일반적인 GPS 수신기를 응용한 제품(GPS 클럭장치 등)들은 무수히 많이 있다. 그러나 대부분 GPS 수신기와의 단순한 인터페이스(Interface) 회로만 구현하고 수신기의 프로토콜(Protocol)만 맞추어 사용하고 있다.
이와 같이 GPS 수신기가 독립되어 있는 구조의 GPS 클럭 코어는 다음과 같은 단점을 가지고 있다. 첫째, GPS 기저대역 프로세스 부분과 발진기의 제어 프로세스 부분이 분리된 구조로 하드웨어 주변 장치들이 중복되어 있으므로 소형화, 집적화 되는 현재의 추세를 극복하는데 어려움이 있다. 둘째, 대부분의 시각전용 GPS 수신기에서 GPS 클럭코어(Clock Core)에 공급되는 정보가 한정되어 있으므로 GPS 항법 메시지 정보 등을 공유하고 처리할 수가 없으므로 응용분야가 제한된다. 셋째, 위성의 추적상태가 불안정한 환경에서 수신기의 1PPS가 순간적으로 UTC에 크게 벗어날 경우 발진기의 제어에 치명적인 영향을 줄 수 있다.
본 발명은 이러한 종래의 GPS 수신기 및 GPS 클럭장치가 가지는 단점을 극복하기 위하여 제안된 것으로 다음과 같은 목적을 가진다.
본 발명의 목적은 GPS 수신기에 구비된 국부발진기를 직접 제어할 수 있는 회로와 알고리즘을 추가하여 원자시계급의 정확도와 안정도를 갖는 시각과 주파수를 공급할 수 있는 GPS 수신기 및 그를 이용한 GPS 클럭장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 GPS 수신기의 국부발진기를 직접 제어함에 있어서, GPS 위성신호가 수신되는 상태에서는 GPS 잠금모드로 제어하고, GPS 위성신호가 없거나 오차가 임계치 이상인 경우에는 홀드오버 모드로 동작하는 GPS 수신기의 국부발진기 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 직접 정밀 제어되는 국부발진기를 구비하는 둘 이상의 GPS 클럭부로 이루어진 GPS 클럭장치와 그를 이용한 이중화 방법을 제공함으로써 더 안정적이고 정밀한 시간정보를 제공할 수 있도록 하는 것이다.
도 1은 종래의 일반적인 GPS 수신기의 블록도,
도 2는 종래의 일반적인 GPS 클럭 코어(GPS Clock Core)의 구조를 나타내는 도면,
도 3은 GPS 클럭 코어의 주파수 측정결과, 구체적으로는 정확도에 대한 측정결과 그래프,
도 4는 GPS 클럭 코어의 주파수 측정결과, 구체적으로는 안정도에 대한 측정결과 그래프,
도 5는 GPS 클럭 코어의 시각 측정결과, 구체적으로는 정확도에 대한 측정결과 그래프,
도 6은 일반적인 GPS 수신기를 이용한 GPS 클럭코어의 발진기 제어 블록도,
도 7은 본 발명에 의한 정밀 제어 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기의 블록도,
도 8은 본 발명에 의한 GPS 수신기 또는 GPS 클럭장치의 멀티태스킹 루틴에 의한 동작 순서도,
도 9는 본 발명에 의한 GPS 수신기 또는 GPS 클럭장치의 인터럽트 루틴에 의한 동작 순서도,
도 10은 본 발명에 의한 GPS 수신기 또는 GPS 클럭장치의 발진기 제어 동작 천이도,
도 11은 본 발명에 의한 GPS 수신기 또는 GPS 클럭장치의 GPS 잠금 모드(Locked Mode)에서의 발진기 제어 순서도,
도 12는 본 발명에 의한 GPS 수신기 또는 GPS 클럭장치의 홀드오버 모드(Holdover Mode)에서의 발진기 제어 순서도,
도 13은 본 발명에 의한 GPS 수신기 또는 GPS 클럭장치의 내부 1PPS 감시동작 순서도,
도 14는 본 발명에 의한 정밀 제어 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기를 이용한 GPS 클럭장치의 블록도,
도 15는 종래의 GPS 수신기를 이용한 GPS 클럭장치와 본 24발명에 의한 GPS 수신기를 이용한 GPS 클럭장치의 구성을 비교 도시하는 도면,
도 16은 별도의 시각 전용 GPS 수신기를 이용하던 종래의 기존의 GPS 클럭코어(Clock Core)의 하드웨어 구성도,
도 17은 본 발명에 의한 정밀 제어 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기의 하드웨어 구성도,
도 18은 본 발명에 의한 정밀 제어 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기의 신호처리부(Processing부)의 하드웨어 구성도,
도 19는 본 발명에 의한 정밀 제어 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기의 FPGA를 구성하는 하드웨어의 구성도,
도 20은 본 발명에 의한 정밀 제어 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기의 소프트웨어 구성도이다.
본 발명에 의한 정밀제어 가능한 국부발진기를 포함하는 GPS 수신기는 다음과 같은 구성을 가진다.
하나 이상의 GPS 신호 수신 안테나와, 안테나에서 수신된 GPS 신호를 중간주파수 대역 신호로 변환하는 다운컨버터(Downconvertor)와, 소정의 신호처리부에 의하여 정밀하게 제어되는 국부발진기와, 다운컨버터로부터의 중간 주파수 대역 신호의 캐리어를 제거하여 GPS 신호에 포함된 PRN코드를 추출하고 자체적으로 생성한 대응 코드와의 코릴레이션을 수행한 후 생성된 적분 데이터를 신호처리부로 전달하는 상관기부(Correlation System)와, 상기 상관기부로부터의 데이터를 기초로 내부 기준 시각(1PPS)을 생성하는 기준시각 생성부(1PPS Generator)와, 상기 국부발진기의 출력을 분주하여 생성된 출력 1PPS 신호와 상기 기준시각 생성부로부터의 내부 1PPS의 위상차이를 감지하는 위상탐지부 (Phase Detection System)와, 온도센서(Temperature Sensor)와, 안테나의 연결상태를 확인하는 안테나 체크 회로와, 위상탐지부, 온도센서 및 안테나 체크 회로 중 하나 이상으로부터의 데이터를 입력받아 국부발진기의 제어값을 출력하는 기능을 구비하는 신호처리부(또는 마이크로프로세서), 및 국부발진기의 제어 알고리즘에 대한 정보를 저장하고 있는 저장부를 포함한다.
물론 , 상기 신호처리부는 전술한 기능 이외에 GPS 수신기가 가지는 기본적인 기능인, 상관기부로부터의 적분 데이터와 측정 데이터를 이용하여 위성과의 의사거리를 산출하고 소정의 항법알고리즘을 이용하여 현재 자신의 위치, 시간을 포함하는 항법해를 산출하는 항법해 산출 기능을 추가로 구비하고 있다.
상기 국부발진기는 OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)이며, 각각의 OCXO 마다 고유한 온도특성, 갱년특성 데이터가 상기 저장부에 저장되어 있는 것이 바람직하다.
상기 신호처리부는 위상탐지부로부터 입력되는 내부 1PPS 신호와 국부발진기의 출력을 분주하여 생성한 출력 1PPS 신호의 위상차이 정보를 이용하여, 국부발진기의 시각 및 주파수의 오차를 예측하고 국부발진기의 제어값을 출력하며, 이 때 저장부에 저장되어 있는 국부발진기의 온도 특성 데이터 및/또는 경년(Aging) 특성 데이터를 이용하여 제어값을 더 정밀하게 산출하도록 할 수 있다.
신호처리부는 1 이상의 GPS 신호가 정상적으로 수신되어 적절한 내부 1PPS신호를 출력하는 경우에는 전술한 바와 같은 GPS 잠금모드에 의하여 국부발진기 제어값을 산출하며, GPS 신호가 수신되지 아니하거나, 안테나에 장애가 발생한 경우 또는 내부 1PPS가 출력 1PPS와 임계치 이상 차이가 발생하는 경우에는 홀드오버 모드로 국부발진기 제어값을 산출하도록 한다.
상세하게 살펴보면, 신호처리부는 안테나 체크 회로로부터 모든 안테나가 작동하지 않는 상태 신호 또는 GPS 신호의 입력이 제한되는 상태 신호가 입력되거나, 내부 1PPS 신호와 출력 1PPS 신호의 차이가 소정의 임계값을 초과하는 경우에는 수신되는 GPS 신호로부터 산출되는 내부 1PPS 신호를 이용한 제어값 산출 대신, 저장부에 저장된 국부발진기의 온도 특성 데이터 및/또는 경년(Aging) 특성 데이터만을 이용하여 국부발진기의 제어값을 산출하는 홀드오버 모드(Holdover Mode)로 동작하는 것이 바람직하다.
또한, 신호처리부는 1 이상의 GPS 위성으로부터 신호가 수신되는 경우에는 GPS 잠금모드로 동작하며, GPS 잠금모드는 3개 이상의 GPS 위성 신호가 소정 시간 이상 수신되는 경우 해당 소정 시간동안의 위치정보를 기초로 현재 수신기의 위치를 확정한 후 제어값을 산출하는 위치 홀드 모드(Position Hold Mode)와, 3개 미만의 GPS 위성으로부터의 신호가 수신되는 경우에는 그 시점에서의 수신기 위치를 확정한 후 제어값을 산출하는 신속 위치 홀드 모드(Quick Position Hold Mode)로 이루어지는 것이 바람직하다.
GPS 잠금모드에서의 국부발진기 제어값 산출 방법을 더 상세하게 살펴보면, GPS 잠금모드에서 마이크로프로세서는 위상탐지부로부터 소정 시간마다 내부 1PPS신호와 출력 1PPS 신호 사이의 타임 인터벌(Time Interval) 값을 입력받아 제어주기에 따라서 소전 시간 주기동안 구간평균값을 계산하고, 구간 평균값과 칼만필터(Kalman Filter)를 사용하여 시각 및 주파수의 오차를 예측하고 발진기의 온도계수를 산출하여 제어값을 결정한다. 이 때, 발진기의 주파수 특성을 고려하여 초기에는 짧은 주기로 제어를 실행하고 어느 정도(약 1시간)의 시간이 경과되면 제어주기를 길게 하여 주파수의 정확도와 안정도를 보장할 수 있다. 이렇게 제어주기를 조절하는 것은 제어 루프의 응답 특성의 밴드폭을 조절하는 효과를 가진다. 즉, 주기를 짧게 하는 것은 응답 특성 밴드 폭을 넓혀 응답속도를 빠르게 하나, 1PPS의 잡음에 민감하게 하며, 주기를 길게 하는 것은 응답 밴드 폭을 좁혀 응답속도를 느리게 하고, 결과적으로 1PPS의 잡음을 제거하는 효과를 갖는다.
홀드오버 모드에서는 마이크로프로세서가 홀드오버 모드로 진행되기 이전의 GPS 잠금모드 동안 발진기를 제어하기 위한 제어값과 발진기의 현재 표면 온도 또는 발진기의 소모전류를 해당 시간과 함께 한 제어주기에 한 번씩 기록하다가, 홀드오버 모드로 전환되면 상기 기록된 정보를 이용하여 최소자승 알고리즘(Least Square Algorithm)을 이용하여 발진기의 경년(Aging) 계수와 온도 계수(온도에 따른 발진기의 주파수 출력변화율)를 추정한 후 발진기의 제어값을 산출한다.
홀드오버 모드에서의 제어값 산출은, 우선 추정된 경년계수와 온도계수의 적합성을 판단하고, 적합하게 추청된 경우에는 경과시간(dt), 온도변화(dT), 경년계수 중 하나 이상을 측정하여 제어값(DAC)의 증분(PRE_dDAC)을 구하고, 제어값의 증분을 직전 제어주기에서의 제어값(DAC_k-1)과 더하여 현재의 제어값(DAC_k)을 구하고, 발진기의 온도특성 테이블(Table)로부터 현재 온도와 매핑(Mapping)되는 온도특성 제어값 증분(TEMP_DAC)을 더함으로써 산출된다.
상기 국부발진기 및 위상탐지부로부터의 데이터를 기초로 필요한 정보를 출력하는 시간/주파수 구동부를 추가로 포함할 수 있다. 즉, 시간/주파수 구동부는 국부발진기로부터 주파수 관련 데이터를 입력받고, 위상탐지부로부터 시간 관련 데이터를 입력받은 후 필요한 시스템 클럭신호와 같은 주파수 출력, 시간 출력, TOD 출력 등을 생성하여 출력한다.
또한, 신호처리부로부터의 제어값을 아날로그 신호로 변환하고 필터링하여 아날로그 제어 신호를 생성하는 D/A컨버터 및/또는 필터수단을 추가로 포함할 수 있다.
상기 신호처리부는 아날로그 제어신호(S_con)가 N이상 N+1 미만의 값인 경우, N의 제어값을 (N+1-S_con)시간동안 출력하고, N+1의 제어값을 (S_con-N) 시간만큼 출력하되, 각각의 제어값을 짧은 셀로 나누어 교차적으로 출력함으로써 고루 분포하도록 하는 소프트웨어 펄스폭 변조 방식을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 GPS 클럭장치는 소정 장치에 정밀한 클럭을 제공하거나 시간정보를 제공하기 위한 것으로, 전술한 구성의 GPS 수신기와, GPS 수신기로부터의 기준 주파수를 입력받아 필요한 사양의 클럭 또는 시간정보를 생성하는 주파수 합성기를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 이중화 구조의 GPS 클럭장치는 두 개 이상의 GPS 클럭부로 이루어져 있으며, 각각의 GPS 클럭부는 전술한 구성의 GPS 수신기와, GPS 수신기로부터의 기준 주파수를 입력받아 필요한 사양의 클럭을 생성하는 주파수 합성부(Frequency Synthesizer)와, 서로의 자체 진단 데이터를 송수신하기 위한 중복 인터페이스부(Redundancy Interface)와, 외부로 클럭 또는 시간정보를 출력하고 활성화 또는 비활성화 제어되는 출력구동부(Output Driver)를 포함하며, 현재 활성화된 클럭부에 장애가 발생한 경우 해당 클럭부의 출력구동부를 비활성화시키고 다른 클럭부의 출력구동부를 활성화시키는 이중화동작을 수행한다.
이하에서는 첨부되는 도면을 참고로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
우선, 본 발명에 의한 GPS 수신기 또는 GPS 클럭장치의 성능(또는 요구되는 사양) 및 본 발명에 의한 GPS 수신기 및 GPS 클럭장치의 기본적인 제어 알고리즘에 대하여 간략히 알아본다.
본 발명에 의한 GPS 클럭 코어 및 GPS 클럭 장치의 성능(필요 사양)
1) 시각 및 주파수의 성능
기존의 GPS Clock Core를 대체하기 위해서는 기본적인 출력인 시각과 주파수의 정확도와 안정도가 확보되어야 한다.
먼저 주파수의 정확도는 기본적으로 가장 중요한 성능이다. 도 3의 결과는 본 발명에 의한 GPS 클럭 코어의 기본 주파수인 10MHz의 정확도를 주파수 카운터를 이용하여 측정한 것이다. 주파수 카운터의 기준 주파수는 세슘 원자시계의 10MHz 를 사용하였다.
Spec. < 5.8 10 -13 (1 day Average)
주파수의 안정도는 위 측정결과를 후처리하여 얻을 수 있다. 결과는 다음의 도 4에 도시하였다.
Spec. < 1.0 10 -11 (ADEV : 4<<8103, : Sampling Time )
GPS 클럭코어(Clock Core)의 기본 시각(1PPS)의 정확도 측정을 위하여 GPS의 1PPS와 동기시킨 세슘 원자시계의 1PPS출력을 기준으로 하여 시각 차이를 5일 동안 주파수 카운터를 이용하여 측정하였고 그 분포는 도 5에 도시하였다. 여기서 안테나 케이블(Cable)과 1PPS 연결 케이블 등에 의한 시각 오차 바이어스(Bias)는 측정 오차의 평균으로 가정하고 제거하였다. 결과는 다음과 같이 정리된다.
Spec. : 10ns (1σ) , 22ns (2σ)
2) 발진기 제어 알고리즘
본 발명에 의한 GPS 클럭코어의 발진기 제어에는 도 6에서와 같이 크게 GPS신호를 이용할 수 있는 GPS 잠금 상태(GPS Locked Mode)와, GPS신호를 사용할 수 없는 홀드오버 상태(Holdover Mode)를 위한 두 가지의 제어 알고리즘 (Algorithm)을 필요로 한다.
GPS 잠금모드의 경우에는 GPS 수신기의 1PPS 와 발진기의 출력주파수를 분주한 1PPS의 시각 차이를 측정하고 수 십초에서 수 백초 동안 이 값을 평균을 취하거나 확률 필터를 거치면 UTC와 GPS 클럭코어에서 생성되는 1PPS의 시각 오차를 추정할 수 있다. 또한 그 추정 시각오차의 변화량을 살펴보면 현재 GPS 클럭코어 자체 발진기로부터 출력되는 주파수 오차를 추정할 수가 있다. 발진기 제어부는 이 추정 오차를 최소화하도록 비례(Proportional) 또는 비례 적분(Proportional and Integral) 제어기로 구현된다.
GPS 위성 신호를 수신할 수 없는 경우에는 수신기의 1PPS를 신뢰할 수 없으므로 GPS 클럭코어는 홀드오버(Holdover) 상태로 동작하여야 한다. 루비듐 같이 외란 민감도 및 경년변화율 (Aging) 성능이 좋은 발진기를 사용하는 경우에는 GPS 잠금모드 상태의 최종 제어값을 그대로 유지하는 방법을 쓰지만 OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)와 같이 외란 민감도 및 경년변화율 성능이 요구되는 성능에 비하여 우수하지 못한 경우는 OCXO의 온도특성, 경년변화율 특성 등을 OCXO 마다 모델링하여 제어함으로써 성능을 개선시키는 것이 필요하다.
3) GPS 클럭장치의 필요 출력 성능
일반적으로 무선통신 네트워크 시스템에서 사용되고 있는 GPS 클럭장치는GPS 클럭코어에서 출력하는 10MHz. 1PPS, TOD 출력 이외에 시스템 클럭(System Clock), 1PP2S 등을 출력할 수 있어야 하며, GPS 잠금모드인 경우 이외에 위성을 정상적으로 추적하지 못하는 홀드오버 상태에서도 각 출력 성능이 보장되어야 한다. 일반적인 GPS 클럭장치의 필요 출력성능은 다음의 <표 1>과 같다.
GPS 클럭장치의 출력성능
Item Specification
10MHz Accuracy < 1.0 10-11(GPS Locked, 1 day Average)
< 1.0 10-10(Holdover, 1 day Average)
Stability < 1.0 10-11(ADEV : =100sec, : Sampling Time )
1PPS Accuracy < 200ns (GPS Locked, 2)
< 8sec (after 24hr of Holdover)
System Clock Accuracy < 1.0 10-11(1 day Average)
< 1.0 10-10(Holdover, 1 day Average)
Stability < 1.0 10-11(ADEV : =100sec, : Sampling Time )
1PP2S Accuracy <100ns (Time Difference with 1PPS)
또한 GPS 클럭장치는 필요에 따라서 이중화 동작을 수행하여야 한다. 이중화 동작이란 2개의 GPS 클럭 출력이 서로 연결되어 있는 상태에서 소프트웨어 및/또는 하드웨어의 동작에 문제가 발생할 때 문제가 생긴 시각 및 주파수의 출력들이 정상적인 시각 및 주파수의 출력들로 대체되도록 연속적으로 스위칭되는 동작을 의미한다. 기본적으로 GPS 클럭장치는 무선통신 네트워크 시스템의 핵심적인 장비이기 때문에 시스템 전체의 안정성을 강화하기 위하여 이러한 이중화 방식으로 설계가 되어 있다. GPS 클럭장치가 이중화 동작을 수행하기 위해서는 GPS 위성의 추적상태를 포함한 다양한 자체 진단 기능을 가지고 있어야 하며 출력이 연결되어 있는 상대 시스템에 자신의 진단 결과를 알려주고 상대방의 진단결과를 읽어오는 기능을 수행하여야 한다.
본 발명에 따른 시스템의 구성
본 발명에 따른 시스템, 즉 GPS 수신기는 도 7에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 GPS 신호 수신 안테나(GPS Antenna; 110)와, 안테나에서 수신된 GPS 신호를 중간주파수 대역 신호로 변환하는 다운컨버터(Down Convertor; 111)와, 소정의 신호처리부에 의하여 정밀하게 제어되는 국부발진기(Oscillator; 112)와, 다운컨버터로부터의 중간 주파수 대역 신호의 캐리어를 제거하여 GPS 신호에 포함된 PRN코드를 추출하고 자체적으로 생성한 대응 코드와의 코릴레이션을 수행한 후 생성된 적분 데이터를 신호처리부로 전달하는 상관기부(Correlation System; 113)와, 상기 상관기부로부터의 데이터를 기초로 내부 기준 시각(1PPS)을 생성하는 기준시각 생성부(1PPS Generator; 114)와, 상기 국부발진기의 출력을 분주하여 생성된 출력 1PPS 신호와 상기 기준시각 생성부로부터의 내부 1PPS의 위상차이를 감지하는 위상탐지부(Phase Detection System; 115)와, 온도센서(Temperature Sensor; 116)와, 안테나의 연결상태를 확인하는 안테나 체크 회로(Antenna Check Circuit; 117)와, 위상탐지부, 온도센서 및 안테나 체크 회로 중 하나 이상으로부터의 데이터를 입력받아 국부발진기의 제어값을 출력하는 기능을 구비하는 신호처리부로서의 마이크로프로세서(Microprocessor; 118), 국부발진기의 제어 알고리즘에 대한 정보를 저장하고 있는 저장부로서의 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory; 119)를포함한다.
물론, 국부발진기 제어값을 변환하고 필터링하기 위한 D/A 컨버터(120)와 필터(121), 위상탐지부와 국부발진기로부터의 입력을 기초로 필요한 주파수/시간 정보를 생성·출력하기 위한 시간/주파수 구동부(Time&Frequency Driver; 122), 안테나 체크 회로와 마이크로프로세서를 연결하는 인터페이스 회로(Interface Circuit; 123) 등이 추가로 포함되어 있을 수 있다.
또한 , 본 발명에 의한 GPS 클럭장치는 위와 같은 GPS 수신기로부터 정밀한 시간 또는 주파수 정보를 입력받고 클럭장치가 적용될 장치에 요구되는 클럭, 시간 정보, 주파수 정보를 합성하는 주파수 합성부를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 클럭은 임의의 시스템 클럭 등이 될 수 있다.
이러한 GPS 수신기 또는 GPS 클럭장치에 포함된 GPS 수신기의 동작은 다음과 같다.
국부발진기(112)를 제어하는 GPS 수신기는 먼저 수신된 GPS 신호를 다운컨버터(Down Convertor; 111)를 통하여 신호를 중간 주파수 대역신호(IF 신호)로 다운 변환한 뒤 상관기부(Correlation System; 113)에 전달한다. 이러한 다운컨버터(Down Convertor; 111)는 여러 개의 믹서(Mixer)들을 구비하고 있는데 제어가 진행중인 발진기로부터 기준 주파수를 입력받아 VCO(Voltage Controlled Oscillator)를 제어하는 PLL을 구성하고 합성된(Synthesizing) 주 파수를 각 믹서(Mixer)들에게 공급하게 된다.
상관기부(Correlation System; 113)에서는 소정의 반송파 추적 루프(CarrierTracking Loop)를 이용하여 입력된 IF(Intermediate Frequency) 신호의 캐리어(Carrier; 또는 반송파)를 제거하고 GPS 신호를 구성하고 있는 PRN 코드를 추출한다. 그 뒤 수신기 내부에서 생성된 동일한 코드와 추출한 PRN 코드를 코릴레이션(Correlation)하여 적분된 데이터를 생성하여 마이크로프로세서(118)로 전달한다. 또한 상관기부(Correlation System; 113)에서는 기준시각 생성부(1PPS Generator; 114)가 발진기 제어를 위한 기준 시각(1PPS)을 제공할 수 있도록 기본적인 클럭(Clock)을 제공한다.
위상탐지부(Phase Detection System; 115)는 기준시각 생성부(1PPS Generator; 114)로부터 UTC에 동기 되어진 내부 1PPS와 국부발진기로부터의 10MHz 클럭을 입력으로 한다. 국부발진기로부터 입력 받은 10MHz 클럭을 분주하여 출력 1PPS를 생성하고 제어 초기에는 내부 1PPS와 동기를 맞추어 준다. 한번 동기가 이루어 지고 나면 그 이후에는 발진기의 드리프트(Drift)로 인하여 내부 1PPS와 출력 1PPS는 위상차이가 발생하게 되고 이 위상차이 데이터가 마이크로프로세서(118)에 전달되어 진다.
온도센서(Temperature Sensor; 116)는 발진기의 온도를 측정하여 인터페이스회로(Interface Circuit; 123)를 통하여 마이크로프로세서(Microprocessor; 118)에 전달하고 안테나 체크 회로(Antenna Check Circuit; 117)는 GPS 안테나의 연결상태를 모니터링(Monitoring) 하여 안테나의 연결상태가 정상인 지 아니면 오픈(Open)혹은 단락(Short)인지 여부를 표시하는 안테나 상태 신호를 인터페이스 회로(123)를 통하여 마이크로프로세서(118)로 전달한다.
시간/주파수 구동부(Time & Frequency Driver; 122)는 국부발진기(112)로부터 주파수를 입력받고 위상탐지부(Phase Detection System; 115)로부터 시각을 입력받아 출력 사양에 따라 적절히 출력한다.
D/A 컨버터(120) 및 필터(121)는 마이크로프로세서(118)로부터 입력 받은 발진기의 제어값을 아날로그값으로 변환하고 필터링하여 발진기 제어에 사용될 수 있는 제어신호를 발생시킨다.
마이크로프로세서(Microprocessor; 118)는 상관기부(Correlation System; 113)에서 입력된 적분 데이터와 측정 데이터를 이용하여 각 위성들과의 의사거리(Pseudorange) 및 의사거리율(Pseudorange rate)을 계산하고 GPS 위성 데이터를 추출하게 되는데 항법알고리즘을 통하여 수신기의 위치, 시간 등의 정보를 출력한다. 또한 위상탐지부(Phase Detection System; 115)로부터 내부 1PPS 와 출력 1PPS의 위상차를 입력받아 시각 및 주파수의 오차를 예측하고 보정하여 발진기의 제어값을 출력하는데 이때 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory; 119)에 저장되어 있는 발진기의 온도 특성 데이터, 경년 데이터 등을 활용하여 더욱 정밀한 제어값을 결정한다.
이 때, 만약 안테나가 오픈되어 있거나 위성을 더 이상 추적하지 못하는 경우 혹은 내부 1PPS가 상대적으로 안정된 출력 1PPS보다 특정값 이상 벗어나는 경우는 내부 1PPS를 기준으로 하지 않는 홀드오버(Holdover) 제어를 하게 된다. 이때는 발진기의 경년(Aging) 특성과 온도특성 만을 활용하는 홀드오버(Holdover) 알고리즘을 이용하여 발진기를 제어하게 된다. 이러한 홀드오버 모드의 제어 알고리즘에대해서는 아래에서 다시 설명한다.
본 발명에 따른 GPS 수신기의 동작 소프트웨어
본 발명에 따른 GPS 수신기 또는 그를 이용한 GPS 클럭장치의 동작 소프트웨어(Software)는 태스크 스위칭(Task Switching) OS(Operating System)를 기반으로 하고 있는데 크게 인터럽트 루틴(ISR)과 멀티태스킹 루틴으로 구성되고, 멀티태스킹 루틴은 100ms 마다 발생하는 TIC을 기준으로 구성하였으며 100ms 태스크와 1s 태스크가 있다.
인터럽트 루틴은 멀티태스킹 루틴보다 우선 순위를 가지고 상관기부(Correlation System)에서 900㎲ 마다 발생되는 인터럽트 신호에 의하여 수행된다. 도 8은 멀티태스킹 루틴에 의한 각 태스크의 동작을 우선순위에 따라서 나타낸 것이다.
우선순위가 매겨진 각 태스크의 동작은 다음과 같다.
1.측정 태스크(Take Meas. Task)로 측정 데이터(Measurement Data)를 수집하고 국부 반송파 주파수를 업데이트한다(S81).
2.항법 태스크(Nav. Task)로 측정 데이터를 처리하여 항법해를 구하고 위치를 업데이트한다. 그러나 GPS 클럭 코어의 특성상 1시간 동안 계산되어진 위치를 평균 내어 그 평균위치로 수신기의 위치를 확정하는 위치 홀드 모드(Position Hold Mode)인 경우는 더 이상 위치를 업데이트하지 않는다(S82).
3.제어 태스크(Control Task)로 GPS 잠금조건(GPS Locked Condition)이 만족할 경우 GPS 잠금 제어를 수행하고 그렇지 않은 경우는 홀드오버 모드(Holdover)로 발진기의 온도특성, 경년(Aging) 특성 등을 고려하여 제어를 수행한다(S83, S84, S85). 여기서 GPS 잠금조건은 추적하고 있는 위성의 수가 1개 이상이고 인핸스드 T-RAIM(Enhanced T-RAIM) 알고리즘에 의하여 내부 1PPS가 정상이라고 판단된 경우이다.
4.디스플레이 태스크 (Display Task)로 모니터링용 데이터를 UART을 통하여 전송한다(S86).
5.대화 태스크(Diag. Task)로 발진기의 온도와 안테나 연결상태에 관련된 정보를 가져와 처리한다. 또한 사용자에 의하여 입력된 명령어를 점검하고 이벤트가 발견되면 그 내용을 플래쉬 메모리에 저장한다(S87).
6.프로세싱 태스크(ProcSbf. Task)로 수신되어진 항법 메시지 정보를 처리하고 저장한다(S88).
7.할당 태스크(Alloc. Task)는 GPS 위성을 할당하는 역할을 한다(S89).
도 9는 인터럽트 루틴에 의한 각 동작을 시간 순서에 따라 나타낸 것이다.
인터럽트 루틴은 멀티태스킹 루틴보다 우선 순위를 가지고 Correlation System에서 900㎲ 마다 발생되는 인터럽트 신호에 의하여 수행된다. 인터럽트 루틴의 각 단계의 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
1.PRN 코드의 상관값은 코드의 한 주기(1ms)동안 상관기부(Correlation System)에서 적분된다. 따라서 마이크로프로세서(Microprocessor)는 1ms를 넘지 않는 주기로 적분값을 읽어야 하므로 900㎲ 마다 발생하는 인터럽트로 처리된다.각 채널(Channel)로부터 입력된 적분값은 반송파 추적 루프(Carrier Tracking Loop)와 코드 추적 루프(Code Tracking Loop)를 업데이트하는데 사용되는데 위성을 추적하기 위하여 필수적인 부분이라 할 수 있다(S91).
2.UTC에 동기된 내부 1PPS를 생성하기 위하여 내부 1PPS의 생성에 필요한 기본 클럭인 TIC의 주기를 조정하고 적절한 타이밍(Timing)에 내부 1PPS를 출력한다(S92).
3.내부 1PPS가 발생된 이후 적절한 타이밍(Timing)에 TOD를 업데이트(Update)하고 출력한다(S93).
4.제어 태스크(Control Task)에서 업데이트(Update)된 발진기의 제어값(DAC)을 읽어와 PWM(Pulse Width Modulation)을 수행하고 출력한다(S94).
마이크로프로세서(Microprocessor)로부터 출력되는 발진기의 제어값은 D/A 컨버터에 입력되어 발진기의 제어 전압(Control Voltage)을 생성한다. 본 발명에 사용한 D/A 컨버터는 16-Bits의 시리얼 데이터(Serial Data)를 입력으로 한다. 따라서 발진기 제어값의 범위는 0에서 65535까지의 정수이다. 그러나 본 발명에서는 더욱 정밀한 제어를 위하여 제어값의 스텝(Step)을 0.01로 할 수 있는 방법을 고안하였다. 따라서, 마이크로프로세서는 10ms 마다 제어값을 D/A 컨버터에 전달하는데, 만약 30000.46의 제어값을 출력한다면 30000의 값을 540ms동안 30001의 값을 460ms동안 출력하는 소프트웨어 펄스폭 변조(Software PWM)의 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법은 발진기의 안정도를 낮추는 결과를 가지고 올 수 있으므로 본 발명에서는 540ms, 460ms의 시간을 각각 연속되게 출력한 것이 아니라 10ms 단위로 나누어규칙적으로 고루 분포하도록 하는 PWM의 응용방식을 사용한다.
5.TIC이 발생되어진 시점이라면 진행중인 태스크를 저장하고 가장 우선순위가 높은 태스크를 실행시킨다(S95).
발진기 제어 동작
도 10은 본 발명에 의한 GPS 수신기 또는 GPS 클럭장치의 발진기 제어 동작 천이도이다.
도 10에 의하면 GPS 잠금모드(GPS Locked Mode)는 GPS 위성을 정상적으로 추적하고 있는 경우이며 내부 1PPS를 기준으로 하여 발진기를 제어한다. 시스템에 전원이 인가되고 정상적으로 위성을 추적하여 3차원 픽스(3D-Fix)가 되면 시스템은 자동 사이트 서베이(Automatic Site Surveying)를 소정 기간, 예를 들면 1시간 동안 수행하고 수집된 위치의 평균을 계산하여 시스템의 위치를 고정시키는 위치 홀드 모드(Position Hold Mode)를 적용한다. 이는 위치를 정확하게 확정함으로써 더욱 정확한 시각정보를 얻기 위함이다. 그런데 만약 사이트 서베이(Site Surveying)를 진행하고 있는 중에 GPS 위성 신호의 수신상태가 좋지 않아 가시 위성의 개수가 3개 미만으로 된 경우에는 그 때까지 서베이된 위치로 빠르게 위치를 고정시켜 정확한 시각정보를 보장하는 신속 위치 홀드 모드(Quick Position Hold Mode)로 동작하도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 홀드오버 모드(Holdover Mode)는 GPS 위성을 단 1개도 추적하지 못하는 경우, 또는 내부 1PPS가 출력 1PPS와 임계치 이상 차이가 발생한 경우에 적용되며, 홀드 오버 모드에서는 저장된 경년(Aging) 특정 정보 및 온도 특성정보만을 이용하여 발진기를 제어한다.
복구 모드(Recovery Mode)는 홀드오버(Holdover Mode)에서 위성을 다시 추적하게 되면 이를 점검하는 일과 출력 1PPS를 내부 1PPS와 동기시키는 일을 수행하며 자동적으로 GPS 잠금 모드(GPS Locked Mode)로 전환하는 역할을 한다.
마이크로프로세서는 GPS 잠금 모드에서 도 11과 같은 제어 동작을 수행한다.
GPS 잠금모드에서 마이크로프로세서의 동작을 살펴보면, 마이크로프로세서 는 위상탐지부로부터 매초마다 타임 인터벌(Time Interval) 값을 입력받아 제어주기에 따라서 5초, 20초, 50초 동안 평균을 낸다(S111 내지 S113). 발진기의 주파수 특성을 고려하여 초기에는 짧은 주기로 제어를 실행하고 약 1시간의 시간이 경과되면 제어주기를 길게 하여 주파수의 정확도와 안정도를 보장할 수 있다. 구간 평균값이 계산되어 지면 칼만필터(Kalman Filter)를 사용하여 시각 및 주파수의 오차를 예측하고 발진기의 온도계수를 예측하여 제어값(제어전압)을 결정하고 제어를 수행한다(S114 내지 S117).
또한 마이크로프로세서는 홀드오버 모드에서는 도 12와 같은 제어동작을 수행한다.
홀드오버 모드에서의 마이크로프로세서의 동작을 살펴보면, 마이크로프로세서는 홀드오버 모드로 진행되기 이전의 GPS 잠금모드 동안 발진기를 제어하기 위한 DAC값과 발진기의 표면 온도 또는 발진기의 소모전류를 해당 시간과 함께 한 제어주기에 한 번씩 기록한다. 홀드오버 모드로 전환되면 이 정보를 이용하여 최소자승알고리즘(Least Square Algorithm)을 이용하여 발진기의 경년(Aging) 계수와 온도 계수(온도에 따른 발진기의 주파수 출력변화율)를 추정한다(S121).
국부발진기는 일반적으로 온도변화에 대해 비선형적인 주파수 출력 변화특성을 보이므로 본 발명에서는 이 비선형 특성을 테이블(Table)화하여 발진기 제어 시에 적용한다.
홀드오버 모드에서는 경년(Aging)계수와 온도계수를 한꺼번에 추정하거나 경년(Aging) 계수만을 추정하는 방식을 이용한다. 그리고 한꺼번에 추정한 경년(Aging) 계수와 온도계수의 적합성을 판단하고 적합하게 추정되었을 경우에는 경과시간(dt)과 온도변화(dT)를 측정하여 DAC의 증분(PRE_dDAC)을 구한다. 적합성 판단에서 온도계수가 잘못 추정된 것으로 판단되면 경년(Aging) 계수와 경과시간(dt) 만을 이용하여 DAC의 증분(PRE_dDAC)을 구한다(S122 내지 S124).
앞에서 구한 증분(PRE_dDAC)을 전 제어주기에서의 DAC_k-1과 더하여 현재의 DAC_k를 구하고, 발진기의 온도특성 테이블(Table)로부터 현재 온도와 매핑(Mapping)되는 TEMP_DAC를 더하여 D/A 컨버터를 제어하기 위한 제어값으로서의 CONTROL DAC값을 구한다(S125).
내부 1PPS 감시동작
원자 시계급의 정확도와 안정도를 갖는 시각과 주파수를 공급하기 위해서는 내부 1PPS의 정확도가 보장되어야 한다. 본 발명을 통하여 개발된 시스템에서는 내부 1PPS를 감시하기 위하여 T-RAIM 알고리즘과 높은 단기 안정도를 갖고 있는 발진기의 주파수 출력을 이용하는 방법을 혼용하여 사용하고 있다. 도 13은 GPS 위성들의 예외적인 문제 발생시 혹은 안테나 주변환경의 예외적인 변화에 의한 내부 1PPS를 감시하는 동작 방법을 나타내고 있다.
도 13을 참고하면, 먼저 내부 1PPS와 높은 단기 안정도를 가지고 있는 발진기의 주파수를 분주하여 생성된 출력1PPS와의 타임 인터벌(Time Interval)을 매초 측정하여 10초 동안 평균을 낸다(S131). 그 평균값이 300ns이상의 값을 가지고 있는 경우 T-RAIM 알고리즘을 적용할 수 있는지 판단한다(S132, S133). 그 조건은 먼저 시스템의 위치가 고정되어야 하며 추적하는 위성의 개수가 8개 이상 되어야 하며 의사거리잔차(Pseudorange Residual)가 300ns이상 되어야 한다. 이러한 조건이 만족될 경우 오류가 발생한 위성을 찾고 제거할 수 있다(S134). 만약 위의 조건이 만족되지 못할 경우에는 홀드오버 모드(Holdover Mode)로 발진기 제어 모드를 변경하여 동작한다(S135).
그 이후 계속 타임 인터벌(Time Interval)을 동일한 방법으로 감시하여 타임 인터벌(Time Interval)이 300ns이내가 되는 경우 GPS 잠금모드(GPS Locked Mode) 로 발진기의 제어 모드를 다시 변경하여 동작한다(S136 내지 S140). 만약 300ns 이상의 값을 계속 유지 할 경우 다시 T-RAIM 알고리즘 적용 조건이 만족하는지 확인하여 만족할 경우 오류가 발생한 위성을 찾아 제거하여 GPS 잠금모드로 변경하고 그렇지 않은 경우는 계속하여 타임 인터벌(Time Interval)을 감시하며 홀드오버 모드(Holdover Mode)를 유지한다.
본 발명에 의한 GPS 클럭장치의 구성
국부발진기를 제어하는 본 발명에 의한 GPS 수신기를 이용한 GPS 클럭장치의 구성의 일예는 도 14와 같다.
우선, 본 발명에 의한 이중화 기능을 가지는 GPS 클럭장치는 두 개의 GPS 클럭부(A, B; 140)로 이루어져 있으며, 각각의 GPS 클럭부는 도 7에 도시된 바와 같은 본 발명에 의한 GPS 수신기(GPS Receiver controlling Local Oscillator; 141)와, 주파수 합성부(Frequency Synthesizer; 142), 다른 GPS 클럭부와의 진단 데이터를 교환하기 위한 중복 인터페이스(Redundancy Interface; 143), 출력구동부(Output Driver; 144)를 포함하여 구성된다. 또한, 필요한 경우 1PPS2S를 생성하기 위한 분주기(Divider; 145)를 추가로 포함할 수 있다.
각 구성요소의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
국부발진기를 제어하는 본 발명에 의한 GPS 수신기(141)는 주파수 합성부(Frequency Synthesizer; 142)에 기준주파수 (10MHz)를 공급하며 주파수 합성부(Frequency Synthesizer) 내부의 PLL을 초기화하기 위한 신호를 출력하고 발진기의 주파수(10MHz), 출력 1PPS, TOD의 출력을 출력 구동부(Output Driver)에 전달한다. 또한 중복 인터페이스(Redundancy Interface; 143)를 통하여 GPS 클럭부 자체 진단결과를 상대 GPS 클럭부에 전달하고 상대 GPS 클럭부의 진단 결과를 입력받을 뿐만 아니라 그 진단 결과에 따라 출력구동부(Output Driver; 144)를 활성화(Enable) 혹은 비활성화(Disable)하는 역할을 수행하게 된다.
주파수 합성부(Frequency Synthesizer; 142)는 국부발진기를 제어하는 GPS수신기로부터 기준주파수(10MHz)를 입력받아 필요한 시스템 클럭을 생성하고 분주기(Divider; 145)를 통하여 1PP2S를 생성한다. 이렇게 생성된 시스템 클럭과 1PP2S는 출력 구동부(Output Driver; 144)룰 통하여 출력된다.
이러한 이중화 구조의 GPS 클럭장치는, GPS 클럭장치에 전원이 인가되면 그 중 하나의 GPS 클럭부의 출력 구동부(Output Driver)가 활성화(Enable)되고 나머지 하나는 비활성화(Disable)된다. 만약 하나의 GPS 클럭부(Clock A)의 출력 구동부(Output Driver)가 활성화(Enable) 되었다면 나머지 GPS 클럭부(Clock B)는 GPS 클럭부 A의 주파수를 추적하여 동일한 위상의 주파수와 시각을 생성한다. 만약 GPS 클럭부 A의 소프트웨어 또는 하드웨어에 문제가 진단되면 GPS 클럭부 A의 출력 구동부는 비활성화되고, 동시에 다른 GPS 클럭부 B의 출력 구동부가 활성화된다. 이러한 이중화 방식으로 주파수 및 시각 출력이 스위칭됨으로써 하나의 GPS 클럭부에 장애가 발생한 경우에도 문제없이 제 기능을 수행할 수 있게 된다.
물론, 이중화 기능이 구비되지 않은 단순한 GPS 클럭장치는 본 발명에 의한 GPS 수신기 이외에, GPS 수신기로부터의 시간/주파수 정보를 입력받아 필요한 소정의 시간/주파수 신호를 생성하기 위한 주파수 합성부를 포함하여 구성할 수도 있을 것이다.
도 15는 종래의 GPS 수신기를 이용한 GPS 클럭장치와 본 발명에 의한 GPS 수신기를 이용한 GPS 클럭장치의 구성을 비교 도시하는 도면으로, 도면 왼쪽 블록은 종래 방식에 의한 GPS 클럭장치(150)를, 우측 블록은 본 발명에 의한 GPS 클럭장치(150')를 도시한다.
종래의 시각전용 GPS 수신기를 구비하는 GPS 클럭장치의 경우에는, 발진기, 저장부 및 마이크로프로세서를 구비하는 GPS 수신기 이외에, 별도의 GPS 클럭코어용 마이크로프로세서와 저장부(미도시) 및 발진기(제어부)를 추가로 구비하여야 하므로 구성요소가 중복으로 구비됨으로써 장치가 복잡해지고 제작 비용이 증가하였으나, 본 발명에 의한 GPS 클럭장치(150')의 경우에는 본 발명에 의한 정밀제어 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기 이외에 주파수합성부 및 중복 인터페이스와 같이 반드시 필요한 구성요소만으로 이루어지므로 장치가 간단해질 수 있는 것이다.
도 16은 별도의 시각 전용 GPS 수신기를 이용하던 종래의 기존의 GPS 클럭코어(Clock Core)의 하드웨어 구성도로서, GPS 안테나, 자체 발진기를 구비하는 디지털 신호 프로세서(DSP)와, GPS 수신기 제어부, RAM, 플래쉬메모리, 안테나 체크 회로 등으로 이루어진 시각전용 GPS수신기를 별도로 구비하고 있으며, GPS 클럭코어용 제어부, 클럭코어용 플래쉬메모리와 RAM, 클럭코어용 발진기 등을 추가로 구비하고 있음을 알 수 있다. 이 경우, GPS 수신기의 제어부는 단순히 GPS 신호부터 산출되는 주파수 또는 시간 데이터를 클럭코어용 제어부에 넘겨주는 역할을 하며, 정밀한 시각 제어를 위한 알고리즘의 수행은 별도의 클럭코어용 제어부와 플래쉬메모리(또는 RAM)를 이용하여 이루어졌다. 따라서, 다수의 구성요소가 중복으로 소요됨으로써 시스템의 효율성을 감소시키는 것을 알 수 있다.
이에 반해서, 도 17은 본 발명에 의한 정밀 제어 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기의 하드웨어 구성도로서 , 도 16의 종래 GPS 클럭코어와 비교할때, 발진기, 제어부 및 저장부 등 다수의 구성요소가 통합됨으로써 훨씬 간단한 구조를 가지게 됨을 알 수 있다.
도 18은 본 발명에 의한 정밀 제어 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기의 신호처리부(Processing부)의 하드웨어 구성도로서, 데이터 전송을 위한 UART와, 12채널 상관기, 타임마크 생성부, ARM7 타입의 마이크로프로세서, MPC, 내부 RAM, PLC, RTC, GPIO 등으로 이루어져 있다.
도 19는 본 발명에 의한 정밀 제어 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기의 FPGA를 구성하는 하드웨어의 구성도로서, 도 17에 도시된 FPGA는 10MHz 카운터와, 안테나 오픈/단락 감지신호를 전달하기 위한 안테나 체크 인터페이스, 발진기의 온도 데이터를 전달하기 위한 온도센서 인터페이스, PLL 인터페이스, 리드/라이트 인터페이스, 진단 지시기(Diagnostic Indicator), 1PPS 생성부 등으로 이루어져 있다.
도 20은 본 발명에 의한 정밀 제어 가능한 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기의 소프트웨어 구성도로서, 누적된 데이터의 동기를 위한 비트 및 프레임 동기 모듈, 반송파 추적 루프로서의 FLL 또는 PLL 모듈, 코드 추적 로프로서의 DLL 모듈, 의사거리 및 의사거리 비율 획득 모듈, 홀드오버 제어 알고리즘 모듈, 발진기 제어 모듈, 시간/주파수 오차 예측 모듈, TOD 생성 모듈, 항법해 산출 모듈, 위성 데이터 추출 모듈 등을 포함하고 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 의한 GPS 수신기 또는 GPS 클럭장치는 GPS 수신기의 국부발진기를 직접 제어함으로써 GPS 수신기 이외에 별도의 국부발진기 및 마이크로프로세서를 구비하고 있던 기존의 GPS 클럭장치를 대체할 수 있는 시각 및 주파수를 공급할 수 있다.
따라서 기존의 GPS 클럭장치가 별도의 GPS 수신기를 사용함으로써 가지고 있는 많은 단점을 해결하였다.
첫째, GPS 기저대역 프로세스 부분과 발진기의 제어 프로세스 부분이 통합되어 있어 시스템의 효용성과 경제성을 더욱 향상시킬 수 있다.
둘째, 대부분의 시각전용 GPS 수신기에서 GPS 클럭장치 또는 GPS 클럭코어에 공급되는 정보가 한정되어 있으므로 GPS 항법 메시지 정보 등을 공유하고 처리할 수가 없는 반면 본 발명을 통하여 제시된 시스템은 이 문제를 해결하여 많은 응용분야에 널리 사용될 수 있다.
셋째 , 기존의 GPS 클럭장치 또는 클럭코어는 위성의 추적상태가 불안정한 환경에서 수신기의 1PPS가 순간적으로 UTC에 크게 벗어날 경우 발진기의 제어에 치명적인 영향을 줄 수 있는 반면 본 발명을 통하여 제시된 시스템은 앞에서 제시한 내부 1PPS감시 알고리즘을 적용하여 고도로 안정된 시각정보를 보장할 수 있다.
넷째, GPS 수신기의 발진기를 직접 제어하므로 항법 알고리즘에서의 클럭 오차를 최소화하여 더욱 정확한 위치 및 시각정보를 보장한다.
결론적으로 임베디드 (Embedded) 응용 시스템을 개발할 경우, 이미 만들어진 GPS 수신기를 이용하는 것보다는 정밀한 제어가 가능한 GPS 수신기 기능을 포함하는 GPS 칩세트를 이용함으로써, 시스템의 효용성과 경제성을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 하나 이상의 GPS 신호 수신 안테나;
    상기 안테나에서 수신된 GPS 신호를 중간주파수 대역 신호로 변환하는 다운컨버터(Downconvertor);
    소정의 신호처리부에 의하여 정밀하게 제어되는 국부발진기;
    상기 다운컨버터로부터의 중간 주파수 대역 신호의 캐리어를 제거하여 GPS 신호에 포함된 PRN코드를 추출하고 자체적으로 생성한 대응 코드와의 코릴레이션을 수행한 후 생성된 적분 데이터를 신호처리부로 전달하는 상관기부(Correlation System);
    상기 상관기부로부터의 데이터를 기초로 내부 기준 시각(1PPS) 신호를 생성하는 기준시각 생성부(1PPS Generator);
    상기 국부발진기의 출력을 분주하여 생성된 출력 1PPS 신호와 상기 기준시각 생성부로부터의 내부 1PPS 신호의 위상차이를 감지하는 위상탐지부(Phase Detection System);
    온도센서(Temperature Sensor);
    안테나의 연결상태를 확인하는 안테나 체크 회로;
    상기 위상탐지부, 온도센서 및 안테나 체크 회로 중 하나 이상으로부터의 데이터를 입력받아 국부발진기의 제어값을 출력하는 기능을 구비하는 신호처리부; 및
    국부발진기의 제어 알고리즘에 대한 정보를 저장하고 있는 저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 상기 상관기부로부터의 적분 데이터와 측정 데이터를 이용하여 위성과의 의사거리를 산출하고 소정의 항법알고리즘을 이용하여 현재 자신의 위치, 시간을 포함하는 항법해를 산출하는 항법해 산출 기능 및 상기 산출된 항법해 및 상기 국부발진기의 제어값을 이용하여 국부발진기의 주파수 및 시각오차를 정밀 보정하는 기능을 구비하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 국부발진기는 OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)를 포함하는 제어 가능 오실레이터(발진기)이며, 해당 오실레이터(발진기)마다 고유한 온도특성 및 갱년특성 데이터 중 하나 이상이 상기 저장부에 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 위상탐지부로부터 입력되는 내부 1PPS 신호와 출력 1PPS 신호의 위상차이 정보를 이용하여, 국부발진기의 시각 및 주파수의 오차를 예측하고 국부발진기의 제어값을 산출하여 출력하며, 상기 제어값 산출시에는 제어값을 더 정밀하게 산출하기 위하여 상기 저장부에 저장되어 있는 해당 국부발진기의 온도 특성 데이터 및 경년(Aging) 특성 데이터 중 하나 이상을 이용하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기 .
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 GPS 신호가 수신되지 아니한 경우, 상기 안테나 체크회로로부터 안테나 장애 발생신호가 입력되는 경우, 및 내부 1PPS가 출력 1PPS 와 임계치 이상 차이가 발생하는 경우 중 하나 이상의 경우에는 홀드오버 모드로 국부발진기 제어값을 산출하며, 상기 홀드오버 모드에서는 수신되는 GPS 신호로부터 산출되는 내부 1PPS 신호를 이용한 제어값 산출하는 GPS 잠금모드 대신, 저장부에 저장된 국부발진기의 온도 특성 데이터 및/또는 경년(Aging) 특성 데이터만을 이용하여 국부발진기의 제어값을 산출하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 1 이상의 GPS 위성으로부터 신호가 수신되는 경우에는 GPS 잠금모드로 동작하여 상기 국부발진기 제어값을 산출하며,
    상기 GPS 잠금모드에서는 3개 이상의 GPS 위성 신호가 소정 시간 이상 수신되는 경우 해당 소정 시간동안의 위치정보를 기초로 현재 GPS 수신기의 위치를 확정한 후 제어값을 산출하는 위치 홀드 모드(Position Hold Mode)와,
    3개 미만의 GPS 위성으로부터의 신호가 수신되는 경우에는 그 시점에서의 수신기 위치를 확정한 후 제어값을 산출하는 신속 위치 홀드 모드(Quick Position Hold Mode) 중 하나 이상에 의하여 제어값을 산출하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기 .
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 GPS 잠금모드에서 신호처리부는 위상탐지부로부터 소정 시간마다 내부 1PPS 신호와 출력 1PPS 신호 사이의 타임 인터벌(Time Interval) 값을 입력받아 제어주기에 따라서 소정 시간 주기동안 구간평균값을 계산하고, 구간 평균값과 칼만필터(Kalman Filter)를 사용하여 시각 및 주파수의 오차를 예측하고 발진기의 온도계수를 산출하며, 예측된 오차값과 산출된 온도계수를 이용하여 제어값을 결정하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기 .
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 국부발진기의 주파수 특성을 고려하여 제어 초기에는 짧은 주기로 제어를 실행하고 소정 기간이 경과되면 제어주기를 길게 하여 주파수의 정확도와 안정도를 보장하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기 .
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 홀드오버 모드에서 신호처리부는 홀드오버 모드로 진행되기 이전의 GPS 잠금모드 동안 발진기를 제어하기 위한 제어값과 발진기의 현재 표면 온도 또는 발진기의 소모전류를 해당 시간과 함께 한 제어주기에 한 번씩 기록하다가, 홀드오버 모드로 전환되면 상기 기록된 정보를 이용하여 최소자승 알고리즘(Least Square Algorithm)을 이용하여 발진기의 경년(Aging) 계수와 온도 계수를 추정한 후 추정된 경년계수 및 온도계수 중 하나 이상을 이용하여 발진기의 제어값을 산출하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 홀드오버 모드에서의 제어값은, 추정된 상기 경년계수와 온도계수의 적합성을 판단하고, 적합하게 추청된 경우에는 국부발진기의 경과시간(dt), 온도변화(dT), 경년계수 중 하나 이상을 측정하여 제어값(DAC)의 증분(PRE_dDAC)을 구하고, 제어값의 증분을 직전 제어주기에서의 제어값 (DAC_k-1)과 더하여 현재의 제어값(DAC_k)을 구하며, 상기 저장부에 저장되어 있는 국부발진기의 온도특성 테이블(Table)로부터 현재 국부발진기의 온도와 매핑(Mapping)되는 온도특성 제어값 증분(TEMP_DAC)을 더함으로써 산출되는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리부로부터의 국부발진기 제어값을 아날로그 신호로 변환하고 필터링하여 아날로그 제어 신호를 생성하는 D/A컨버터 및/또는 필터수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 아날로그 제어신호(S_con)가 N이상 N+1 미만의 값인 경우, N의 제어값을 (N+1-S_con)시간동안 출력하고, N+1의 제어값을 (S_con-N) 시간만큼 출력하되, 각각의 제어값을 짧은 셀로 나누어 교차적으로 출력함으로써 고루 분포하도록 하는 소프트웨어 펄스폭 변조 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기 .
  13. 상기 제 1 항 내지 제 12 항 중 하나의 항에 의한 GPS 수신기와, 상기 GPS 수신기로부터의 기준 주파수를 입력받아 필요한 사양의 클럭 신호, 주파수 신호 또는 시간 신호를 생성하여 제공하는 주파수 합성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기를 이용한 GPS 클럭장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 클럭신호는 상기 GPS 클럭장치가 이용되는 장치 또는 시스템의 시스템 클럭인 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기를 이용한 GPS 클럭장치.
  15. 두 개 이상의 GPS 클럭부로 이루어진 이중화 구조의 GPS 클럭장치로서,
    각각의 GPS 클럭부는 상기 제 1 항 내지 제 12 항 중 하나의 항에 의한 GPS 수신기와,
    상기 GPS 수신기로부터의 기준 주파수를 입력받아 필요한 사양의 클럭을 생성하는 주파수 합성부(Frequency Synthesizer)와,
    상기 GPS 클럭부 서로의 자체 진단 데이터를 송수신하기 위한 중복 인터페이스부(Redundancy Interface)와,
    외부로 클럭 또는 시간정보를 출력하기 위한 것으로, 활성화 또는 비활성화 제어되는 출력구동부(Output Driver)를 포함하며,
    현재 활성화된 클럭부에 장애가 발생한 경우 해당 클럭부의 출력구동부를 비활성화시키고 다른 클럭부의 출력구동부를 활성화시키는 이중화동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기를 이용한 이중화 구조의 GPS 클럭장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 GPS 클럭장치는 상기 주파수 합성부로부터의 입력을 기초로 1PPS2S 신호를 출력하기 위한 분주기(Divider)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 제어 가능 국부발진기를 구비하는 GPS 수신기를 이용한 이중화 구조의 GPS 클럭장치.
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