KR20060093979A - Ｇｐｓ ｌ2ｃｓ 신호를 획득하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은, GPS 수신기에서 L2CS 신호를 획득하는 방법에 있어서, (a) GPS 인공 위성으로부터 수신한 GPS 신호에 포함된 L1CA 신호를 획득하는 단계; (b) 상기 L1CA 신호에 대한 프레임 동기를 수행하는 단계; 및 (c) 상기 L1CA 신호의 부프레임 시작 시각에서 L2CS 코드가 발생하도록 설정하여 상기 L2CS 코드의 위상을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, GPS 수신기에서 획득한 GPS L1CA 신호를 이용하여 빠르게 GPS L2CS 신호를 획득할 수 있는 효과가 있다.
GPS, GPS 수신기, L1CA, L2CS, 신호 획득, 이온층, 코드 위상

Description

ＧＰＳ Ｌ2ＣＳ 신호를 획득하는 방법{Method for Acquiring GPS L2 Civil Signal}
도 1은 GPS L1 및 L2 신호의 시간 관계와 이온층 지연 효과를 나타낸 도면,
도 2는 L1CA 코드로부터 L2CM 코드 위상을 찾기 위한 두 신호의 시간 관계를 나타낸 도면,
도 3은 L2CM 코드로부터 L2CL 코드 위상을 찾는 위한 두 신호의 시간 관계를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법을 나타낸 순서도,
도 5는 L1CA 부프레임과 L2CS 코드의 시간 관계를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명은 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, GPS 수신기에서 GPS 인공 위성으로부터 수신한 GPS 신호에 포함된 L1CA 신호를 획 득하고, L1CA 신호를 획득하는 과정에서 얻은 정보를 이용하여 L2CS 신호를 획득하는 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 있다.
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 위 상을 알아내는 과정이다.
GPS 인공 위성은 L 대역에 있는 두 가지의 다른 주파수의 신호를 동시에 발생시키는데, 1.57542 GHz의 주파수를 가지는 L1 반송파 신호와 1.2276 GHz의 주파수를 가지는 L2 반송파 신호로 구성되어 있다. 이러한 반송파에 중첩되는 정보는 항법 메시지(Navigation Message)와 PRN(Pseudo-Random Noise) 코드로 이루어져 있다.
여기서, 항법 메시지는 위성의 시각 보정 정보와 궤도 정보 이외에 다른 위성들에 대한 대략의 궤도 정보를 포함하며, L1 반송파와 L2 반송파에 모두 포함되어 있다. PRN 코드는 각 위성마다 유일하도록 서로 다른 이진 부호로 구성되어 있으며, 위성을 식별하고 위성까지의 거리를 측정하는데 사용된다.
GPS 인공 위성에서 송신되는 PRN 코드는 L1 주파수로 송신되는 L1CA(L1 Coarse Acquisition) 코드와 L2 주파수로 송신되는 L2CS(L2 Civil Signal) 신호가 있다. L1CA 코드는 민간용으로 개방되어 있으며, 기존의 GPS 서비스에서 위치 정보 및 시간 정보를 획득하기 위해 이용하는 코드이다. L2CS 코드는 번갈아가며 발생하는 L2CM과 L2CL 코드로 구성되며, 최근에 L2 주파수 대역에서 민간용으로 개방된 코드이다.
표 1은 L1CA, L2CM 및 L2CL 코드의 특성을 비교한 표이다.
코드 이름 주기 [msec] 칩 수 찾기 시간 [msec]
GPS L1CA 1 1,023 1,023
GPS L2CM 20 10,230 204,600
GPS L2CL 1,500 767,250 1,150,875,000
표 1에 표시된 값과 같이, L1CA 코드는 주기가 1 msec이고 1,023 개의 칩으로 구성되기 때문에, 한 칩 단위로 코드 위상 찾기를 수행할 경우에 1초 정도면 충분히 GPS 수신기에서 L1CA 코드 찾기를 마칠 수 있다. 그러나, L2CS 코드의 경우에는 L2CM 코드 찾기 시간만을 고려하더라도 L1CA 코드 찾기 시간보다 약 200 배의 시간이 더 소요된다. 게다가, L2CL 코드 찾기 시간과 반송파 주파수 찾기 시간을 고려하면 L2CS 신호를 획득하기 위해서는 L1CA 신호를 획득하는 과정보다 엄청나게 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다. 따라서, GPS 수신기에서 독립적으로 L2CS 신호를 획득하는 것은 GPS 수신기의 성능과 관련하여 바람직하지 않다.
L1 주파수로 송신되는 L1CA 신호를 빠르게 획득하는 방법에 대하여는 기존에 여러 가지 방안이 제시되어 있으나, L2 주파수로 송신되는 L2CS 신호를 빠르게 획득하는 방법은 아직 제시되지 않고 있는 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, GPS 수신기에서 GPS 인공 위성으로부터 수신한 GPS 신호에 포함된 L1CA 신호를 획득하여 L1CA 신호에 대한 프레임 동기를 수행하고, L1CA 신호의 부프레임 시작 시각에서 L2CS 코드가 발생하도록 설정하여 L2CS 코드의 위상을 획득하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 L1CA 신호를 획득한 GPS 수신기에서 L1CA 코드 주기 단위로 20 개의 L2CM 코드의 위상을 비교하여 L2CM 코드 위상을 획득하고, L2CM 코드 주기 단위로 75 개의 L2CL 코드의 위상을 비교하여 L2CL 코드 위상을 획득하여 L2CS 코드 위상을 획득하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 목적에 의하면, GPS(Global Positioning System) 수신기에서 L2CS(L2 Civil Signal) 신호를 획득하는 방법에 있어서, (a) GPS 인공 위성으로부터 수신한 GPS 신호에 포함된 L1CA(L1 Coarse Acquisition) 신호를 획득하는 단계; (b) 상기 L1CA 신호에 대한 프레임 동기를 수행하는 단계; 및 (c) 상기 L1CA 신호의 부프레임 시작 시각에서 L2CS 코드가 발생하도록 설정하여 상기 L2CS 코드의 위상을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법을 제공한다.
본 발명의 제 2 목적에 의하면, GPS 수신기에서 L2CS 신호를 획득하는 방법에 있어서, (a) GPS 인공 위성으로부터 수신한 GPS 신호에 포함된 L1CA 신호를 획득하는 단계; (b) L1CA 코드 주기 단위로 20 개의 L2CM 코드의 위상을 비교하여 L2CM 코드 위상을 획득하는 단계; (c) L2CM 코드 주기 단위로 75 개의 L2CL 코드의 위상을 비교하여 L2CL 코드 위상을 획득하는 단계; 및 (d) 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계에서 획득한 상기 L2CM 코드 위상과 상기 L2CL 코드 위상을 이용하여 L2CS 코드 위상을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS L2CS 신호를 획득하는 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 GPS L1 및 L2 신호의 시간 관계와 이온층 지연 효과를 나타낸 도면이다.
표 1에서 전술한 대로, L1CA 코드의 주기는 1 msec이고 L2CM 코드의 주기는 20 msec이므로, 하나의 L2CM 코드의 주기 동안 L1CA 코드는 20번 반복된다. 또한, L2CL 코드의 주기는 1500 msec이므로, 하나의 L2CL 코드의 주기 동안 L2CM 코드는 75번 반복된다. GPS L1 신호와 L2 신호는 하나의 GPS 인공 위성으로부터 같은 시각을 기준으로 생성되므로, L1 및 L2 신호의 시간 관계는 도 1과 같이 나타낼 수 있다.
한편, GPS 위성 신호는 GPS 수신기로 전달되는 과정에서 이온층을 지나게 되는데, 약 350 km 고도 상에 집중적으로 분포되어 있는 이온층의 자유 전자(Free Electron)와 위성 신호와의 간섭(Interference) 현상에 의해 이온층 지연 효과가 발생하게 된다. 이 때, L1 신호와 L2 신호는 서로 다른 반송파 주파수를 가지기 때문에, 서로 다른 이온층 지연 시간을 갖게 되어 두 신호 간에 이온층 지연 시간차가 발생한다.
다만, L1 신호와 L2 신호 간의 이온층 지연 시간차는 수십 nsec 정도로서 1 칩 미만이므로 초기 코드 위상을 찾는 과정에서 L1CA 코드를 이용하더라도 코드 상관(Correlation)에 미치는 영향이 적기 때문에 상관 손실은 크지 않다. 따라서, GPS 수신기에서 L1CA 신호를 획득하면, 별도의 시각 정보가 없는 경우에도 L2CS 신 호를 획득하는 것이 가능하며, 본 발명에서는 L1CA 신호를 획득하고 이로부터 L2CS 신호를 획득하는 방법을 제안한다.
도 2는 L1CA 코드로부터 L2CM 코드 위상을 찾기 위한 두 신호의 시간 관계를 나타낸 도면이고, 도 3은 L2CM 코드로부터 L2CL 코드 위상을 찾기 위한 두 신호의 시간 관계를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, GPS 수신기에서 L1CA 신호를 획득하면, L1CA 코드의 한 주기 단위로 20 개의 L2CM 코드 위상을 비교하는 방법으로 L2CM 코드 위상을 찾을 수 있다. 즉, L2CM 코드가 첫번째 주기의 L1CA 코드와 동시에 시작되는 시점의 코드 위상을 취하여 L2CM 코드 위상을 찾을 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, GPS 수신기에서 L2CM 코드 위상을 찾으면, L2CM 코드의 한 주기 단위로 75 개의 L2CL 코드 위상을 비교하는 방법으로 L2CL 코드 위상을 찾을 수 있다. 즉, L2CL 코드가 첫번째 주기의 L2CM 코드와 동시에 시작되는 시점의 코드 위상을 취하여 L2CL 코드 위상을 찾을 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, GPS 수신기는 GPS 인공 위성으로부터 GPS 신호를 수신하고 반송파 주파수와 코드 위상을 알아내는 과정을 수행하여 GPS 신호에 포함된 L1CA 신호를 획득한다(S400). 이를 위해, GPS 수신기는 반송파 주파수 검색 범위와 코드 위상 검색 범위를 설정하고, 검색 범위를 일정 크기의 검색 격자로 나눈 검색 칸(Cell)들을 일일이 검사하는 과정을 거치게 된다. L1CA 신호를 획득하는 과 정은 통상의 당업자들에게 공지된 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
GPS 수신기에서 L1CA 신호를 획득하면, 도 2에 대한 설명에서 전술한 대로 L1CA 코드 주기 단위로 20 개의 L2CM 코드 위상을 비교하여 L2CM 코드 위상을 획득한다(S402). L2CM 코드 위상을 획득한 GPS 수신기는 도 3에 대한 설명에서 전술한 대로 L2CM 코드 주기 단위로 75 개의 L2CL 코드 위상을 비교하여 L2CL 코드 위상을 획득한다(S404). L2CS 신호는 L2CM 및 L2CL 코드로 구성되어 있으므로, 획득한 L2CM 코드 위상과 L2CL 코드 위상을 이용하여 L2CS 코드 위상을 획득하게 된다. 따라서, GPS 수신기는 L2CS 코드 위상을 획득하고, L2CS 신호에 대한 반송파 주파수를 검색하여 L2CS 신호를 획득할 수 있다(S406). 여기서, L2CS 신호에 대한 반송파 주파수 검색 방식은 L1CA 신호에 대한 반송파 주파수 검색 방식과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
전술한 본 발명의 제 1 실시예는 L2CS 코드 위상을 획득하기 위해 L1CA 코드 위상을 찾고 L2CM 코드 위상, L2CL 코드 위상을 순차적으로 찾는 방식이며, L1CA 코드 위상을 찾고 최대 95 msec 이내에 L2CS 코드 위상을 획득할 수 있게 된다.
도 5는 L1CA 부프레임과 L2CS 코드의 시간 관계를 나타낸 도면이다.
L1CA 신호는 정보 전송을 위해 30 초의 주기를 가지는 프레임 단위로 구성되어 있다. 한 개의 프레임은 6 초의 주기를 가지는 5 개의 부프레임으로 구성되고, 한 개의 부프레임은 10 개의 단어로 이루어져 있으며, 한 개의 단어는 30 비트(Bit)로 구성된다. 그런데, L2CS 코드는 1.5 초를 주기로 반복적으로 발생하므로, 도 5에 도시된 바와 같이 L2CS 코드가 L1CA 부프레임과 동기되어 발생한다. 따라 서, L1CA 신호 획득 과정에서 프레임 동기가 수행된 경우에는, 프레임의 시작 시각에 L2CS 코드가 처음부터 발생하도록 설정함으로써 L2CS 코드 위상을 곧바로 획득할 수 있게 된다.
여기서, 프레임 동기는 시작 단어(헤더)를 찾고, 시작 단어를 포함한 모든 단어들을 비트 오류 없이 수신한 경우를 말한다. L1CA 신호에서 한 개의 부프레임은 항상 TLM(TeLeMetry) 단어와 HOW(HandOver Word) 단어로 시작한다. TLM 단어는 항상 고정된 시작 비트열(Preamble, 10001011)로 시작하고, HOW 단어의 마지막 2 비트는 항상 '0'이다. L1CA 신호의 경우, 온전한 부프레임을 수신한 경우에 프레임 동기가 되었다고 인정하게 되며, 온전한 부프레임의 수신은 TLM 단어와 HOW 단어로 시작해서 TLM 단어 및 HOW 단어를 포함한 10 개의 단어를 비트 오류 없이 수신한 경우를 말한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, GPS 수신기는 반송파 주파수와 코드 위상을 알아내는 과정을 수행하여 L1CA 신호를 획득한다(S600). L1CA 신호를 획득하면, L1CA 부프레임을 구성하는 10 개의 단어를 비트 오류 없이 수신하여 L1CA 신호에 대한 프레임 동기를 수행한다(S602). 프레임 동기를 수행한 GPS 수신기는 프레임 시작 시각에 L2CS 코드가 발생하도록 설정하여, L1CA 부프레임과 L2CS 코드를 동기시킨다(S604). 따라서, GPS 수신기는 L1CA 부프레임의 시작 시각에서 코드 위상을 취하여 L2CS 코드 위상을 획득하게 되며, L2CS 신호에 대한 반송파 주파수를 검색하여 L2CS 신호를 획득하게 된다(S606).
전술한 본 발명의 제 2 실시예에는 L1CA 부프레임의 시작 시각을 이용하여 L2CS 코드 위상을 획득하는 방식으로 제 1 실시예와 달리 순차적으로 L2CM 코드 위상 및 L2CL 코드 위상을 찾을 필요없이 곧바로 L2CS 코드 위상을 획득할 수 있게 된다.
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 수신기에서 독립적으로 L2CS 신호를 획득하는 경우에 많은 시간이 소요되는 문제점을 개선하여, GPS 수신기에서 L1CA 신호를 먼저 획득하고 L1CA 신호를 획득하는 과정에서 얻은 정보를 이용하여 빠르게 L2CS 신호를 획득할 수 있게 되어, L2CS 신호를 이용하는 GPS 수신기의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. GPS(Global Positioning System) 수신기에서 L2CS(L2 Civil Signal) 신호를 획득하는 방법에 있어서,
    (a) GPS 인공 위성으로부터 수신한 GPS 신호에 포함된 L1CA(L1 Coarse Acquisition) 신호를 획득하는 단계;
    (b) 상기 L1CA 신호에 대한 프레임 동기를 수행하는 단계; 및
    (c) 상기 L1CA 신호의 부프레임 시작 시각에서 L2CS 코드가 발생하도록 설정하여 상기 L2CS 코드의 위상을 획득하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 L1CA 신호의 부프레임을 구성하는 10 개의 단어를 비트 오류 없이 수신하여 상기 프레임 동기를 수행하는 것을 특징으로 하는 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 L1CA 신호의 상기 부프레임 시작 시각에서 상기 L2CS 코드를 발생시켜 L1CA 부프레임과 상기 L2CS 코드를 동기시키고, 상기 부프레임 시작 시각에서 코드 위상을 취하여 상기 L2CS 코드의 위상을 획득하는 것을 특징으로 하는 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법.
  4. GPS(Global Positioning System) 수신기에서 L2CS(L2 Civil Signal) 신호를 획득하는 방법에 있어서,
    (a) GPS 인공 위성으로부터 수신한 GPS 신호에 포함된 L1CA(L1 Coarse Acquisition) 신호를 획득하는 단계;
    (b) L1CA 코드 주기 단위로 20 개의 L2CM 코드의 위상을 비교하여 L2CM 코드 위상을 획득하는 단계;
    (c) L2CM 코드 주기 단위로 75 개의 L2CL 코드의 위상을 비교하여 L2CL 코드 위상을 획득하는 단계; 및
    (d) 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계에서 획득한 상기 L2CM 코드 위상과 상기 L2CL 코드 위상을 이용하여 L2CS 코드 위상을 획득하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 L2CM 코드가 첫번째 주기의 L1CA 코드와 동시에 시작되는 시점의 코드 위상을 취하여 상기 L2CM 코드 위상을 획득하는 것을 특징으로 하는 GPS L2CS 신호 를 획득하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 L2CL 코드가 첫번째 주기의 상기 L2CM 코드와 동시에 시작되는 시점의 코드 위상을 취하여 상기 L2CL 코드 위상을 획득하는 것을 특징으로 하는 GPS L2CS 신호를 획득하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190027628A (ko) * 2017-09-07 2019-03-15 한국항공우주연구원 멀티밴드 gnss 수신기 및 멀티밴드 gnss 수신기의 운용 방법

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