KR20060093978A - Ｇｐｓ 수신기의 빠른 신호 획득 방법 및 이를 위한 이중주파수 상관기 - Google Patents

Ｇｐｓ 수신기의 빠른 신호 획득 방법 및 이를 위한 이중주파수 상관기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GPS 수신기의 빠른 신호 획득 방법 및 이를 위한 이중 주파수 상관기에 관한 것이다.
본 발명은, 첫번째 주파수를 가지는 반송파 신호를 생성하는 제 1 반송파 생성기; 두번째 주파수를 가지는 반송파 신호를 생성하는 제 2 반송파 생성기; 상기 제 1 반송파 생성기와 상기 제 2 반송파 생성기에서 생성한 신호들을 곱하는 제 1 반송파 혼합기; 이중 주파수 상관기로 입력되는 상관기 입력 신호와 상기 제 1 반송파 혼합기의 출력 신호를 곱하는 제 2 반송파 혼합기; 상기 제 2 반송파 혼합기의 출력 신호를 일정 간격의 코드 위상차를 갖는 코드들(E, P, L)과 상관시키는 코드 혼합기; 및 상기 코드 혼합기의 출력 신호를 선 검출 적분 시간 동안 적분하는 저역 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 상관기와 이중 주파수 상관기를 이용한 빠른 신호 획득 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, GPS 수신기에 이중 주파수 상관기를 적용하여 신호 획득을 위해 검색할 주파수 검색 격자의 개수를 줄임으로써 빠른 신호 획득을 가능하게 하는 효과가 있다.
GPS, GPS 수신기, 빠른 신호 획득, 이중 주파수 상관기, 반송파

Description

ＧＰＳ 수신기의 빠른 신호 획득 방법 및 이를 위한 이중 주파수 상관기{Method for Fast Signal Acquisition in GPS Receiver and Dual Carrier Correlator Therefor}
도 1은 신호 획득을 위한 신호 검색 범위를 나타낸 도면,
도 2는 GPS 수신기에서 사용하는 종래의 상관기의 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GPS 수신기의 이중 주파수 상관기의 구성을 나타낸 도면,
도 4는 종래의 상관기와 이중 주파수 상관기의 잡음 상관 특성을 나타낸 그래프,
도 5는 종래의 상관기와 이중 주파수 상관기의 신호 검출 확률을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 주파수 상관기를 이용한 GPS 수신기의 빠른 신호 획득 방법을 나타낸 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200: 반송파 생성기 210: 반송파 혼합기
220, 340: 코드 혼합기 230, 350: 저역 통과 필터
300: 제 1 반송파 생성기 310: 제 2 반송파 생성기
320: 제 1 반송파 혼합기 330: 제 2 반송파 혼합기
본 발명은 GPS 수신기의 빠른 신호 획득 방법 및 이를 위한 이중 주파수 상관기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 첫번째 주파수 성분의 반송파 신호를 생성하는 제 1 반송파 생성기, 두번째 주파수 성분의 반송파 신호를 생성하는 제 2 반송파 생성기, 제 1 반송파 생성기와 제 2 반송파 생성기에서 생성한 신호들을 곱하는 제 1 반송파 혼합기, 이중 주파수 상관기로 입력되는 상관기 입력 신호와 제 1 반송파 혼합기의 출력 신호를 곱하는 제 2 반송파 혼합기, 제 2 반송파 혼합기의 출력 신호를 일정 간격의 코드 위상차를 갖는 코드들(E, P, L)과 상관시키는 코드 혼합기 및 코드 혼합기의 출력 신호를 선 검출 적분 시간 동안 적분하는 저역 통과 필터를 포함하는 이중 주파수 상관기와 이중 주파수 상관기를 이용한 빠른 신호 획득 방법에 관한 것이다.
GPS(Global Positioning System)는 미국 국방부에서 군사용으로 개발한 위성 항법 시스템으로 GPS 인공 위성을 이용한 항법 서비스를 전세계적으로 무료로 제공하고 있다. GPS는 3차원 위치, 고도 및 시간을 정확하게 측정할 수 있기 때문에 기존 항법 시스템에 비해 정확성이 높고 사용이 간편하다는 장점을 가지고 있다. 또한, GPS는 전세계적인 공통 좌표계를 사용하여 24 시간 연속적으로 서비스를 제공할 수 있으며, 시간, 장소 및 기상 상황에 관계없이 사용할 수 있다는 특징이 있 다.
GPS 시스템은 고도 약 20,000 킬로미터 상공에서 지구 궤도를 도는 24개의 GPS 인공 위성, GPS 인공 위성에서 전송된 정보를 수집하고 동기화시키도록 지상에 설치된 컨트롤 스테이션(Control Station)과 같은 조정 센터 및 GPS 신호를 수신하여 위치 정보 및 시간 정보를 획득하는 GPS 수신기로 구성된다.
GPS 수신기는 초기화 과정, 신호 획득 및 추적 과정, 획득한 GPS 신호로부터 위성 항법 정보를 추출하는 정보 추출 과정 및 위성 항법 정보를 이용하여 위성 상태(위치, 속도, 가속도 등)를 계산하고 측정치에 대응하는 위성별 추정치를 계산하는 항법해 계산 과정 등을 거쳐 위치 정보 및 시간 정보를 획득하게 된다.
여기서, 신호 획득 및 추적은 GPS 수신기가 수행하는 가장 기본적이고 중요한 기능이다. 특히, 초기 동기라고도 불리는 신호 획득은 GPS 수신기의 정상적인 동작을 위해서 가장 먼저 필수적으로 수행하는 과정으로, GPS 위성 신호의 반송파 주파수와 코드 위상을 알아내는 과정이다. 이를 위해, 일정 범위의 코드 위상 및 반송파 주파수를 각각 일정 크기로 나눈 2차원 검색 격자를 탐색하는 과정을 거치게 되며, GPS 수신기의 성능을 향상시키기 위해서는 검색 격자를 보다 빨리 검색하여 평균 신호 획득 시간을 줄일 필요가 있다.
따라서, 빠른 신호 획득을 위해 여러 검색 격자를 동시에 검색하는 방법이 제시되고 있으며, 이러한 방법으로는 다중 상관기, 정합 필터, FFT(Fast Fourier Transform) 등을 이용하는 방법이 있다. 다중 상관기는 동시에 여러 개의 코드 위상 탐색을 위해 여러 개의 상관기를 사용하는 방법이다. 정합 필터는 다중 상관기 와 수학적으로 등가인 방법으로서 구현 방법을 달리하여 다중 상관기에 비해 자원을 적게 소비하는 특징이 있다. FFT를 이용한 상관기는 다중 상관기 또는 정합 필터와 주파수 영역에서 등가이며, 연산은 복잡하지만 신호 처리 시간이 상당히 짧은 특성을 가진다. 흔히, 능동 상관기라고 불리는 전술한 방법들은 코드 위상 검색 격자를 동시에 검색하여 코드 위상 탐색 시간을 줄임으로써 전체 신호 획득 시간을 줄이게 된다.
이처럼, 코드 위상을 빨리 획득하는 방법에 대하여는 여러 가지 방안이 제시되어 있으나, 빠른 신호 획득을 위해 반송파 주파수 검색 격자를 동시에 검색하여 반송파 주파수를 획득하는 방법은 아직 제시되지 않고 있는 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 첫번째 주파수 성분의 반송파 신호를 생성하는 제 1 반송파 생성기, 두번째 주파수 성분의 반송파 신호를 생성하는 제 2 반송파 생성기, 제 1 반송파 생성기와 제 2 반송파 생성기에서 생성한 신호들을 곱하는 제 1 반송파 혼합기, 이중 주파수 상관기로 입력되는 상관기 입력 신호와 제 1 반송파 혼합기의 출력 신호를 곱하는 제 2 반송파 혼합기, 제 2 반송파 혼합기의 출력 신호를 일정 간격의 코드 위상차를 갖는 코드들(E, P, L)과 상관시키는 코드 혼합기 및 코드 혼합기의 출력 신호를 선 검출 적분 시간 동안 적분하는 저역 통과 필터를 포함하는 이중 주파수 상관기와 이중 주파수 상관기를 이용한 빠른 신호 획득 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 목적에 의하면, GPS(Global Positioning System) 수신기에서 빠른 신호 획득을 위해 사용하는 이중 주파수 상관기(Dual Carrier Correlator)에 있어서, 첫번째 주파수를 가지는 반송파 신호를 생성하는 제 1 반송파 생성기; 두번째 주파수를 가지는 반송파 신호를 생성하는 제 2 반송파 생성기; 상기 제 1 반송파 생성기와 상기 제 2 반송파 생성기에서 생성한 신호들을 곱하는 제 1 반송파 혼합기; 상기 이중 주파수 상관기로 입력되는 상관기 입력 신호와 상기 제 1 반송파 혼합기의 출력 신호를 곱하는 제 2 반송파 혼합기; 상기 제 2 반송파 혼합기의 출력 신호를 일정 간격의 코드 위상차를 갖는 코드들(E, P, L)과 상관시키는 코드 혼합기; 및 상기 코드 혼합기의 출력 신호를 선 검출 적분 시간 동안 적분하는 저역 통과 필터(Low Pass Filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 상관기를 제공한다.
본 발명의 제 2 목적에 의하면, 제 1 반송파 생성기, 제 2 반송파 생성기, 제 1 반송파 혼합기, 제 2 반송파 혼합기, 코드 혼합기 및 저역 통과 필터를 포함하여 구성된 이중 주파수 상관기를 이용하여 GPS 수신기에서 빠르게 신호를 획득하는 방법에 있어서, (a) 첫번째 주파수를 가지는 반송파 신호와 두번째 주파수를 가지는 반송파 신호를 생성하여 곱하는 단계; (b) 상기 (a) 단계의 수행 결과 출력된 신호를 상기 이중 주파수 상관기로 입력되는 상관기 입력 신호와 곱하는 단계; (c) 상기 (b) 단계의 수행 결과 출력된 신호를 일정 간격의 코드 위상차를 갖는 코드들(E, P, L)과 상관시키는 단계; (d) 상기 (c) 단계의 수행 결과 출력된 신호를 선 검출 적분 시간 동안 적분하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계의 적분 결과 획득한 두 개의 주파수 성분을 동시에 검색하여 GPS 위성 신호의 반송파 주파수를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 수신기의 빠른 신호 획득 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 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.
도 1은 신호 획득을 위한 신호 검색 범위를 나타낸 도면이다.
GPS 수신기의 신호 획득 과정은 수신한 위성 신호의 대략적인 반송파 주파수와 코드 위상을 알아내는 과정이다. 즉, 신호 획득은 도 1에 도시된 바와 같이 반송파 주파수 검색 범위를 반송파 주파수 검색 격자 크기(dF)로 나누고, 코드 위상 검색 범위를 코드 위상 검색 격자 크기(dT)로 나눈 검색 칸(Cell)들을 일일이 검사하는 과정이다.
GPS 수신기가 항법 정보 및 위성 정보를 가지고 있는 않은 상태에서는 코드 위상 검색 범위는 전체 코드 위상이 되고, 반송파 주파수 검색 범위는 위성과 GPS 수신기의 상대 속도로 유발되는 주파수 변위량과 GPS 수신기의 클럭(Clock) 오차로 인해 발생하는 변위량을 더한 범위가 된다. 코드 위상 검색 격자(dT)의 크기는 코드 상관기 사이의 코드 위상 간격에 따라 정한다. 주파수 검색 격자(dF)의 크기는 선 검출 적분 시간(T)에 의해 결정한다. 즉, dF = 1/2T로 정한다. 예컨대, 선 검출 적분 시간이 1 msec이면, 주파수 검색 격자의 크기는 500 Hz가 된다.
이 때, 상관기의 구조에 따라 반송파 주파수 검색 격자의 변화가 나타난다. 본 발명의 이중 주파수 상관기는 두 개의 주파수 성분을 동시에 검색할 수 있으므로 종래의 상관기의 반쪽만 검색하는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 이중 주파수 상관기를 이용하면 종래의 상관기와 비교하여 검색할 주파수 검색 격자수를 반 이하로 줄일 수 있게 된다. 본 발명의 이중 주파수 상관기의 구성에 대하여는 도 3에 대한 설명에서 후술하도록 한다.
도 2는 GPS 수신기에서 사용하는 종래의 상관기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 상관기는 특정 주파수 성분의 반송파 신호를 생성하는 반송파 생성기(200), 상관기 입력 신호와 반송파 신호를 혼합하는 반송파 혼합기(210), 반송파 혼합기(210)를 통과한 신호에 일정 간격의 코드 위상차를 갖는 코드들(E, P, L)을 혼합하는 코드 혼합기(220) 및 코드 혼합기(220)를 통과한 신호를 선 검출 적분 시간 동안 적분하는 저역 통과 필터(LPF: Low Pass Filter)(230) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 코드 혼합기(220)에서 혼합하는 코드들(E, P, L)에 의한 상관 결과는 코드 위상 오차가 '0'이 되도록 하는 코드 추적 과정을 위해 이용된다. 코드 위상 오차가 없으면 P 코드에 해당하는 상관 결과는 최대치가 되고, E와 L 코드에 해당하는 상관 결과는 같은 값이 된다. 다만, 본 발명은 반송파 주파수를 빠르게 획득하는 방안에 대한 것이므로, 코드 위상 오차가 없다고 가정하여 코드 혼합기 (220)를 통과한 신호 중에서 P 코드와의 상관 결과인
Figure 112005009672148-PAT00001
와
Figure 112005009672148-PAT00002
를 중심으로 설명하도록 한다.
종래의 상관기를 이용하는 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이 반송파 주파수 검색 격자는 (2F/dF+1) 개이고, 코드 위상 검색 격자는 (1023/dT) 개이다. 종래의 상관기의 상관 특성을 살펴보기 위해 상관기 입력 신호 r(t)를 수학식 1과 같이 나타낸다.
Figure 112005009672148-PAT00003
여기서, A는 수신된 위성 신호의 크기, G(t)는 C/A(Coarse/Acquisition) 코드, D(t)는 50 bps 데이터, ω는 IF(Intermediate Frequency) 반송파 주파수, θ는 IF 반송파 위상, 그리고 n(t)는 백색 잡음이다.
종래의 상관기의 반송파 생성기(210)는
Figure 112005009672148-PAT00004
성분의 반송파 신호를 생성하며, 반송파 신호는 수학식 2로 표현된다.
Figure 112005009672148-PAT00005
Figure 112005009672148-PAT00006
반송파 혼합기(210)와 코드 혼합기(220)를 통과한 결과 신호는 수학식 3과 같다.
Figure 112005009672148-PAT00007
Figure 112005009672148-PAT00008
Figure 112005009672148-PAT00009
Figure 112005009672148-PAT00010
Figure 112005009672148-PAT00011
Figure 112005009672148-PAT00012
수학식 3의 결과를 선 검출 적분 시간(T) 동안 적분하면, 즉 1/2T의 대역폭을 갖는 저역 통과 필터(230)를 통과하면, 수학식 4의 결과를 얻을 수 있다.
Figure 112005009672148-PAT00013
Figure 112005009672148-PAT00014
Figure 112005009672148-PAT00015
Figure 112005009672148-PAT00016
여기서, R(τ)는 입력 의사 잡음(Pseudo Noise) 신호와 생성 의사 잡음 신호의 상관 함수로 수학식 5와 같다.
Figure 112005009672148-PAT00017
또한, 잡음 성분들의 기대치들은
Figure 112005009672148-PAT00018
이 된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GPS 수신기의 이중 주파수 상관기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이중 주파수 상관기는 종래의 상관기와 반송파 생성 부분에서 차이가 있으며, 두 개의 주파수 성분을 갖는 반송파를 생성하여 반송파 혼합기에 인가하는 구조를 가지고 있다. 이렇게 함으로써, 여러 주파수 성분의 상관 결과를 동시에 얻을 수 있게 되어, 동시에 여러 주파수 성분을 검색하는 것이 가능해진다.
여러 주파수 성분의 반송파 생성 방법은 서로 다른 주파수 성분의 신호를 더해서 생성하거나, 서로 다른 주파수 성분의 신호를 곱해서 생성할 수 있다. 전자의 경우는 반송파 생성을 반송파 생성기를 각각 제어해야 하는 불편함이 있는 반면에, 후자의 경우는 하나의 반송파 생성기만 제어해서 서로 다른 주파수 성분을 만들 수 있는 용이함이 있다. 따라서, 본 발명의 이중 주파수 상관기는 두 개의 주파수 성 분을 갖는 신호를 곱해서 반송파를 생성하는 구조를 가진다.
본 발명의 이중 주파수 상관기는 첫번째 주파수 성분의 반송파 신호를 생성하는 제 1 반송파 생성기(300), 두번째 주파수 성분의 반송파 신호를 생성하는 제 2 반송파 생성기(310), 제 1 반송파 생성기(300)와 제 2 반송파 생성기(310)에서 생성된 반송파 신호들을 곱하는 제 1 반송파 혼합기(320), 상관기 입력 신호와 제 1 반송파 혼합기(320)를 통과한 신호를 곱하는 제 2 반송파 혼합기(330), 제 2 반송파 혼합기(330)를 통과한 신호에 일정 간격의 코드 위상차를 갖는 코드들(E, P, L)을 상관시키는 코드 혼합기(340) 및 코드 혼합기(340)를 통과한 신호를 선 검출 적분 시간 동안 적분하는 저역 통과 필터(350) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
전술한 대로, 본 발명의 이중 주파수 상관기는 두 개의 반송파 생성기(300, 310)를 가지고 있다. 제 1 반송파 생성기(300)는 반송파 검색 범위의 중심 주파수(
Figure 112005009672148-PAT00019
) 성분의 신호를 발생시키며, 제 2 반송파 생성기(310)는 반송파 주파수 검색 격자(dF) 단위로 주파수를 변화시키면서 신호를 발생시킨다. 이렇게 두 개의 반송파 생성기(300, 310)에서 생성한 신호를 곱하면 두 개의 주파수 성분을 갖는 신호를 얻을 수 있다. 여기서, 제 2 반송파 생성기(310)는 신호 획득 과정에서만 사용하므로, 제 1 반송파 생성기(300)만큼 정밀한 분해능을 가질 필요는 없다.
본 발명의 이중 주파수 상관기를 이용하는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 반송파 주파수 검색 격자는 (F/dF) 개이고, 코드 위상 검색 격자는 (1023/dT) 개이다. 따라서, 반송파 주파수 검색 격자의 개수는 종래의 상관기를 이용하는 경우의 50 % 미만이 된다.
본 발명의 이중 주파수 상관기의 상관 특성을 살펴보면 아래와 같다.
이중 주파수 상관기의 반송파 신호는 제 1 반송파 생성기(300)와 제 2 반송파 생성기(310)에서 발생한 신호를 제 1 반송파 혼합기(320)에서 곱하여 출력되며, 반송파 신호는 수학식 6으로 표현된다.
Figure 112005009672148-PAT00020
Figure 112005009672148-PAT00021
Figure 112005009672148-PAT00022
Figure 112005009672148-PAT00023
Figure 112005009672148-PAT00024
상관기 입력 신호 r(t)와 수학식 6의 반송파 신호가 제 2 반송파 혼합기(330) 및 코드 혼합기(340)를 통과한 결과 신호는 수학식 7과 같다.
Figure 112005009672148-PAT00025
Figure 112005009672148-PAT00026
Figure 112005009672148-PAT00027
Figure 112005009672148-PAT00028
Figure 112005009672148-PAT00029
Figure 112005009672148-PAT00030
Figure 112005009672148-PAT00031
Figure 112005009672148-PAT00032
수학식 7의 결과 신호를 1/2T의 대역폭을 갖는 저역 통과 필터(350)를 통과시키면, 수학식 8의 결과를 얻을 수 있다.
Figure 112005009672148-PAT00033
Figure 112005009672148-PAT00034
Figure 112005009672148-PAT00035
Figure 112005009672148-PAT00036
Figure 112005009672148-PAT00037
Figure 112005009672148-PAT00038
여기서, 잡음 성분들의 기대치는
Figure 112005009672148-PAT00039
,
Figure 112005009672148-PAT00040
이다.
본 발명의 이중 주파수 상관기를 이용하면, 수학식 8과 같이
Figure 112005009672148-PAT00041
와
Figure 112005009672148-PAT00042
성분의 상관 관계를 동시에 얻을 수 있다.
Figure 112005009672148-PAT00043
와
Figure 112005009672148-PAT00044
는 각각 첫번째 주파수와 두번째 주파수를 더한 주파수 성분과 첫번째 주파수에서 두번째 주파수를 뺀 주파수 성분, 즉 주파수 검색 범위의 중심 주파수(
Figure 112005009672148-PAT00045
)를 중심으로 반송파 주파수 검색 격자(dF) 단위로 주파수를 옮긴 두 개의 주파수 성분을 가진다. 따라서, GPS 수신기는 전술한 두 개의 주파수 성분을 이중 주파수 상관기로부터 전달받아 동시에 검색할 수 있게 되어 주파수 검색 격자의 개수를 50 % 가량 줄일 수 있다.
한편, 하나의 위성 신호는 하나의 주파수 성분을 가지므로,
Figure 112005009672148-PAT00046
와
Figure 112005009672148-PAT00047
에서 실제 신호의 도플러에 가까운 성분만 남고 다른 성분들은 사라지게 된다. 따라서, 이중 주파수 상관기 출력의 신호 성분의 최대 전력 (
Figure 112005009672148-PAT00048
)은
Figure 112005009672148-PAT00049
이 된다. 마찬가지로, 종래의 상관기 출력의 신호 성분의 최대 전력도
Figure 112005009672148-PAT00050
이 된다.
반면에, 신호 성분과 달리 잡음 성분은
Figure 112005009672148-PAT00051
와
Figure 112005009672148-PAT00052
가 모두 남는다. 종래의 상관기 출력의 잡음 전력을
Figure 112005009672148-PAT00053
이라고 하면, 이중 주파수 상관기 출력의 출력 잡음은 수학식 9와 같다.
Figure 112005009672148-PAT00054
Figure 112005009672148-PAT00055
Figure 112005009672148-PAT00056
따라서, 종래의 상관기와 비교할 때, 본 발명의 이중 주파수 상관기를 이용할 경우 신호 대 잡음비가 최대 1/2(=3dB) 감소한다. 즉, 신호 획득 감도의 열화가 발생하므로, 본 발명의 이중 주파수 상관기를 GPS 수신기에 적용시에 고려 요인이 된다.
표 1은 종래의 GPS 수신기와 본 발명의 이중 주파수 상관기가 적용된 GPS 수신기의 신호 획득 성능을 비교한 표이다.
반송파 주파수 검색 격자수 신호 검색 소요 시간 최소/최대 [sec] 메시지 복원 시간 최소/최대 [sec] TTFF 최소/최대 [sec]
종래의 수신기 45 0.0/57.6 30/60 30/121.4
제안하는 수신기 22 0.0/28.16 30/60 30/88.16
표 1은 GPS 수신기가 항법 결과 및 위성 정보가 없을 때에 대략적인 신호 획득 성능을 표시한 것으로, 반송파 주파수 검색 범위를 -11 kHz에서 +11 kHz로 하고, 반송파 주파수 검색 격자 크기를 500 Hz로 하여 산출한 결과이다. 표 1에 나타난 결과와 같이, 이중 주파수 상관기를 사용하는 경우, 신호 검색 소요 시간을 기존의 방식보다 50 % 가량 감소시킬 수 있는 것을 볼 수 있다.
도 4는 종래의 상관기와 이중 주파수 상관기의 잡음 상관 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4의 그래프는 수집한 IF 데이터를 후처리 프로그램을 이용하여 산출한 것으로 시간에 따른 잡음 상관 결과값을 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이중 주파수 상관기를 이용할 경우 약 3.6 dB 가량의 잡음 전력이 증가된 것을 알 수 있다.
도 5는 종래의 상관기와 이중 주파수 상관기의 신호 검출 확률을 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이중 주파수 상관기를 이용하는 경우에는 종래의 상관기를 이용하는 경우와 비교하여 신호 검출 확률이 떨어지는데, 이는 신호 획득 감도가 3 dB 가량 감소한 것이 원인이 된다.
한편, 잡음 전력의 스펙트럼 밀도는 -175 dBm-Hz 정도이고 GPS가 보장하는 L1 C/A 신호의 전력 수준은 -130 dBm이므로, GPS L1 C/A 신호에 대한 CNR은 45 dB-Hz 이상이 된다. 따라서, 도 5의 결과값에 따라 이중 주파수 상관기를 이용한 경우에는 90 % 이상의 신호 검출 확률을 가지게 된다. 즉, 신호 획득 감도의 열화가 발생하더라도 GPS가 보장하는 신호 전력에서 신호 획득이 가능하므로, 본 발명의 이중 주파수 상관기를 GPS 수신기에 적용시에 신호 획득 감도의 감소는 문제가 되지 않는다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 주파수 상관기를 이용한 GPS 수신기의 빠른 신호 획득 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 이중 주파수 상관기의 제 1 반송파 생성기(300)는 첫번째 주파수(
Figure 112005009672148-PAT00057
)를 가지는 반송파 신호를 생성하며(S600), 제 2 반송파 생성기(310)는 두번째 주파수(
Figure 112005009672148-PAT00058
)를 가지는 반송파 신호를 생성한다(S602). 여기서, S600 단계를 수행한 후에 S602 단계를 수행하는 것으로 한정되는 것은 아니며, S602 단계를 수행한 후에 S600 단계를 수행하는 것도 물론 가능하다.
S600 단계와 S602 단계에서 생성된 두 신호는 제 1 반송파 혼합기(320)에서 서로 곱해진다(S604). S604 단계에서 생성된 신호는 제 2 반송파 혼합기(330)에서 상관기 입력 신호와 서로 곱해진다(S606). S606 단계에서 생성된 신호는 코드 혼합기(340)로 전달되어, 일정 간격의 코드 위상차를 갖는 코드들(E, P, L)과 상관시킨다(S608). S608 단계에서 생성된 신호는 저역 통과 필터(350)로 전달되어, 선 검출 적분 시간 동안 적분을 수행한다(S610).
S610 단계의 적분이 수행되면,
Figure 112005009672148-PAT00059
와
Figure 112005009672148-PAT00060
의 주파수 성분을 가지는 상관 결과를 얻게 된다. GPS 수신기는 S610 단계의 적분 결과 획득한 두 개의 주파수 성분을 동시에 검색하여 GPS 위성 신호의 반송파 주파수를 획득하게 된다(S612). 한편, GPS 위성 신호의 코드 위상을 획득하기 위하여는 기존의 코드 위상 검색 격자를 동시에 검색하는 방안을 적용할 수 있으며, 그 결과 반송파 주파수와 코드 위상을 빠르게 획득하여 신호 획득 시간을 최소화할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 두 개의 반송파 주파수 성분을 동시에 검색할 수 있도록 이중 주파수 상관기 구조를 중심으로 설명하였으나, 필요에 따라 다중 주파수 상관기를 구성하여 여러 개의 반송파 주파수 성분을 동시에 검색하는 것도 가능할 것이다. 다만, 전술한 대로 다중 주파수 상관기를 적용하게 되면, 잡음 전력도 그만큼 증가하게 되므로, GPS가 보장하는 신호 전력에서 신호 획득이 가능한 범위에서 다중 주파수 상관기를 적용하여야 할 것이다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 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.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, GPS 수신기에 이중 주파수 상관기를 적용하여 신호 획득을 위해 검색할 주파수 검색 격자의 개수를 줄임으로써 빠른 신호 획득을 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 기존의 코드 위상 검색 격자를 동시에 검색하는 방안과 본 발명의 이중 주파수 상관기를 복합적으로 적용하여 신호 획득 시간을 최소화함으로써 GPS 수신기의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. GPS(Global Positioning System) 수신기에서 빠른 신호 획득을 위해 사용하는 이중 주파수 상관기(Dual Carrier Correlator)에 있어서,
    첫번째 주파수를 가지는 반송파 신호를 생성하는 제 1 반송파 생성기;
    두번째 주파수를 가지는 반송파 신호를 생성하는 제 2 반송파 생성기;
    상기 제 1 반송파 생성기와 상기 제 2 반송파 생성기에서 생성한 신호들을 곱하는 제 1 반송파 혼합기;
    상기 이중 주파수 상관기로 입력되는 상관기 입력 신호와 상기 제 1 반송파 혼합기의 출력 신호를 곱하는 제 2 반송파 혼합기;
    상기 제 2 반송파 혼합기의 출력 신호를 일정 간격의 코드 위상차를 갖는 코드들(E, P, L)과 상관시키는 코드 혼합기; 및
    상기 코드 혼합기의 출력 신호를 선 검출 적분 시간 동안 적분하는 저역 통과 필터(Low Pass Filter)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 상관기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이중 주파수 상관기의 반송파 주파수 검색 범위는 GPS 인공 위성과 상기 GPS 수신기의 상대 속도로 유발되는 주파수 변위량과 상기 GPS 수신기의 클럭 오차로 인해 발생하는 변위량을 더한 범위로 결정하는 것을 특징으로 하는 이중 주 파수 상관기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수 생성기는 반송파 주파수 검색 범위의 중심 주파수를 상기 첫번째 주파수로 하여 반송파 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 상관기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 주파수 생성기는 반송파 주파수 검색 격자 단위로 주파수를 변화시킨 상기 두번째 주파수를 가지는 반송파 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 상관기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 반송파 주파수 검색 격자는, 수학식
    dF = 1/2T
    (dF: 반송파 주파수 검색 격자, T: 선 검출 적분 시간)
    를 이용하여 상기 선 검출 적분 시간에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 상관기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 저역 통과 필터는 상기 첫번째 주파수와 상기 두번째 주파수를 더한 제 1 주파수 성분과 상기 첫번째 주파수에서 상기 두번째 주파수를 뺀 제 2 주파수 성분을 가지는 상관 결과를 출력하는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 상관기.
  7. 제 1 반송파 생성기, 제 2 반송파 생성기, 제 1 반송파 혼합기, 제 2 반송파 혼합기, 코드 혼합기 및 저역 통과 필터(Low Pass Filter)를 포함하여 구성된 이중 주파수 상관기(Dual Carrier Correlator)를 이용하여 GPS(Global Positioning System) 수신기에서 빠르게 신호를 획득하는 방법에 있어서,
    (a) 첫번째 주파수를 가지는 반송파 신호와 두번째 주파수를 가지는 반송파 신호를 생성하여 곱하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계의 수행 결과 출력된 신호를 상기 이중 주파수 상관기로 입력되는 상관기 입력 신호와 곱하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계의 수행 결과 출력된 신호를 일정 간격의 코드 위상차를 갖는 코드들(E, P, L)과 상관시키는 단계;
    (d) 상기 (c) 단계의 수행 결과 출력된 신호를 선 검출 적분 시간 동안 적분하는 단계; 및
    (e) 상기 (d) 단계의 적분 결과 획득한 두 개의 주파수 성분을 동시에 검색하여 GPS 위성 신호의 반송파 주파수를 획득하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 수신기의 빠른 신호 획득 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    반송파 주파수 검색 범위의 중심 주파수를 상기 첫번째 주파수로 설정하고, 반송파 주파수 검색 격자 단위로 상기 두번째 주파수를 변화시켜 상기 첫번째 주파수를 가지는 반송파 신호와 상기 두번째 주파수를 가지는 반송파 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 GPS 수신기의 빠른 신호 획득 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 두 개의 주파수 성분은 상기 첫번째 주파수와 상기 두번째 주파수를 더한 주파수 성분과 상기 첫번째 주파수 성분에서 상기 두번째 주파수 성분을 뺀 주파수 성분을 가지는 것을 특징으로 하는 GPS 수신기의 빠른 신호 획득 방법.
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