KR20100042710A - The structures for video telecommunication system of the uav(unmanned aerial vehicle) using wibro and adaptive vertical static beam-forming array antenna algorithm to overcome restriction of the altitude for uav - Google Patents
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Abstract
Description
WiBro 이동통신망, 통신시스템, 무인항공기, 배열안테나WiBro Mobile Network, Communication System, Unmanned Aerial Vehicle, Array Antenna
근래에 민간용 무인항공기의 수요가 늘고 있으며 UAV 의 영상 송수신 등을 위한 이동통신시스템의 적용이 요구되고 있다. Recently, the demand for civilian drones is increasing and the application of mobile communication system for video transmission and reception of UAV is required.
기존의 무인항공기의 영상송수신시스템은 VHF방식의 통신 시스템 및 안테나 시스템으로 구성된다. VHF방식은 일반적인 데이터 통신에서 이용하는 UHF보다 직진성이 강하고 최고 도달거리는 10km이며, 최대 통신속도는 10kbps이므로 가시거리의 UAV에 적합하다. 하지만 근래에 환경 및 산불감시, 해안감시, 기상관측, 원격탐지, GIS 정보수집, 통신중계, 항공방제, 밀수 및 밀입국감시, 전력선 점검 등 민간적인 목적으로도 장거리 무인항공기의 수요가 늘어나면서 대용량의 데이터를 언제나 어디서든지 실시간으로 확인할 수 있으며, 쉽게 적용할 수 있는 통신시스템이 필요하 게 되었고 저렴한 비용의 이동통신시스템을 적용할 방안이 요구되고 있다. The conventional unmanned aerial vehicle video transmission and reception system is composed of a VHF communication system and an antenna system. VHF method is more straight forward than UHF used in general data communication, maximum reach is 10km, and maximum communication speed is 10kbps, so it is suitable for visible distance UAV. In recent years, however, the demand for long-distance unmanned aerial vehicles has increased due to increased demand for civilian purposes such as environmental and forest fire surveillance, coastal surveillance, weather observation, remote sensing, GIS information collection, communication relay, air traffic control, smuggling and smuggling surveillance, and power line inspection. There is a need for a communication system that can check data in real time anywhere at any time, and is easily applicable, and a method of applying a low-cost mobile communication system is required.
상용 이통통신시스템 중 WiBro는 유연한 핸드오프를 지원하여 이동 중 끊김없는 데이터 송수신을 보장하며 OFDM 기술을 기반으로 하여 다중경로 채널 환경에서도 높은 통신 속도를 제공한다. 따라서 우수한 이동성과 고속의 데이터 전송을 보장하는 WiBro는 UAV의 영상송수신 시스템에 적용할 통신시스템의 대안으로 적합하다.Among commercial telecommunication systems, WiBro supports flexible handoff to ensure seamless data transmission and reception while moving, and provides high communication speed even in multipath channel environment based on OFDM technology. Therefore, WiBro, which guarantees excellent mobility and high speed data transmission, is suitable as an alternative to the communication system to be applied to the video transmission and reception system of UAV.
하지만 UAV 영상송수신시스템을 구축하는데 있어서 WiBro 기지국 안테나의 빔패턴이 지상을 향하고 있어 이러한 셀 커버리지의 한계로 인해 높게 비행하는 UAV에서는 통신 성능이 급격히 떨어져 고도 제한을 둘 수 밖에 없으며 고품질의 영상을 송수신하는데 무리가 있었다. 비행체에 탑재된 송수신 안테나 또한 일반적으로 지상용으로 사용하기에 적합한 전방향 이극 안테나를 사용하고 있어 안테나의 신호가 기지국까지 도달하기 힘들다. However, in the construction of the UAV video transmission and reception system, the beam pattern of the WiBro base station antenna is directed toward the ground, so the UAV which is flying high due to the limitation of cell coverage has a sharp drop in the communication performance, which limits the altitude and transmits and receives high quality video. There was a bunch. Transceiver antennas mounted on the aircraft also generally use omnidirectional dipole antennas suitable for ground use, making it difficult for the antenna signals to reach the base station.
이러한 문제를 해결하기 위해 현재 사용중인 기지국의 안테나를 교체하거나 사용중인 모든 안테나의 빔패턴을 수정해야 하는 현실적 어려움이 없이도 고도 제한을 극복하여 수신률을 높이고 영상의 QoS을 보장할 수 있는 방안이 필요하다. To solve this problem, there is a need for a method that can improve the reception rate and guarantee the QoS of the image by overcoming the altitude limitation without the real difficulty of replacing the antenna of the base station currently used or modifying the beam pattern of all the antennas in use. .
한편 배열안테나에 의해 형성되는 안테나의 빔패턴은 위상을 조절하여 원하는 형태의 패턴으로 날카롭게 만들 수 있으며 그 각도 또한 조절할 수 있다. 본 발명은 이를 응용한 기술로서 실제적으로 가능하면서도 우수한 성능을 기대할 수 있는 알고리즘이다.On the other hand, the beam pattern of the antenna formed by the array antenna can be sharpened to the desired pattern by adjusting the phase and the angle can also be adjusted. The present invention is an algorithm that can be expected to achieve excellent performance while being practically possible.
근래에 민간용 무인항공기의 수요가 늘면서 여기에 고속의 데이터 송수신이 가능한 이동통신시스템의 적용이 요구되고 있다. 그런데 기존의 무인항공기에 적용된 VHF방식의 통신 시스템 및 안테나 시스템으로 구성되며 이는 일반적인 데이터 통신에서 이용하는 UHF보다 직진성이 강하고 최고 도달거리는 10km이며, 최대 통신속도는 10kbps이므로 가시거리의 UAV에 적합하다. 따라서 장거리 비행에서 고속의 데이터를 송수신하기에는 부적합하다.Recently, as the demand for civilian unmanned aerial vehicles increases, the application of a mobile communication system capable of high-speed data transmission and reception is required. However, it is composed of VHF-type communication system and antenna system applied to the existing unmanned aerial vehicle, which is more straight forward than UHF used in general data communication, the maximum reach is 10km, and the maximum communication speed is 10kbps, which is suitable for the UAV of visible distance. Therefore, it is not suitable for transmitting and receiving high speed data in long distance flight.
한편 현재의 이동통신시스템의 기지국은 주변 환경에 따라 적절한 수직/수평 빔패턴을 가진 안테나를 사용하는데 트래픽이 많은 도심의 마이크로셀의 경우에 주빔(Main Beam)이 트래픽 밀집 지역을 향하도록 하고 트래픽이 적은 교외의 매크로셀의 경우에는 주빔이 셀 가장자리를 향하도록 빔패턴을 조정한다. 또한 커버리지를 넓히고 타셀로의 간섭을 줄이기 위해서 안테나 Tilt를 사용하여 빔패턴을 조정한다. 그런데 이는 지상의 이동단말을 기준으로 한 수평방향의 빔패턴 조정이기 때문에 지상의 기지국보다 높은 고도에서 이동하는 무인항공기의 경우 오히려 기지국 안테나의 빔패턴 범위를 벗어나게 되어 통신 성능이 급격히 떨어지며 고품질의 영상을 송수신하는데 어려움이 있어 고도를 제한해야만 했다. On the other hand, the base station of the current mobile communication system uses an antenna having an appropriate vertical / horizontal beam pattern according to the surrounding environment. In the case of a high-traffic microcell, the main beam is directed to the traffic-intensive area and the traffic is In the case of a small suburban macrocell, the beam pattern is adjusted so that the main beam is directed toward the cell edge. In addition, the beam pattern is adjusted using the antenna Tilt to increase coverage and reduce interference to other cells. However, since this is a horizontal beam pattern adjustment based on the mobile terminal on the ground, the unmanned aerial vehicle moving at a higher altitude than the base station on the ground is rather out of the beam pattern range of the base station antenna, so the communication performance is drastically deteriorated and high quality video is displayed. Difficulty sending and receiving, had to limit the altitude.
또한 비행체의 통신시스템에 탑재된 송수신 안테나는 일반적으로 지상에서 사용하기에 적합한 전방향 이극 안테나를 사용하고 있어 이러한 안테나의 빔패턴으로는 송출 신호가 크더라도 그 신호가 기지국까지 도달하기 힘들다.In addition, since the transmitting and receiving antennas mounted on the communication system of the aircraft generally use omnidirectional dipole antennas suitable for use on the ground, even if the transmitted signal is large, it is difficult for the signal to reach the base station.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안이 필요하며 기존에 제시된 적응배열안테나 시스템을 도입하여 송수신률을 높히는 방법이 있다. 이는 배열안테나에 적응형 위상 조절 알고리즘을 사용하여 신호대 잡음비(SNR)가 높은 방향의 도래각을 추정함으로써 신호 세기가 큰 각도로 적응적으로 빔패턴을 형성하는 기법이다. 그러나 이 시스템은 복잡도가 높고 계산량이 많으며 현실적인 구현에 있어 어렵다는 단점이 있다.There is a need for a solution to this problem, and there is a method of increasing the transmit / receive rate by introducing an adaptive array antenna system. This is a technique of adaptively forming a beam pattern at an angle with a large signal strength by estimating the angle of arrival in the direction of high signal-to-noise ratio (SNR) using an adaptive phase adjustment algorithm on an array antenna. However, this system has the disadvantages of high complexity, high computational complexity, and difficulty in realistic implementation.
UAV용 통신시스템으로서 WiBro 이동통신시스템을 적용한다. WiBro는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)방식을 기반으로 하여 고속의 안정적인 데이터 전송 환경을 보장하며 다양한 서비스의 응용을 가능케 한다. 특히 도플러 확산 및 멀티패스 페이딩으로 인한 신호의 왜곡을 효과적으로 보상해주어 고속의 이동환경에서도 통신이 가능할 뿐만 아니라 유연한 핸드오프를 지원하여 이동 중 끊김없는 데이터 송수신을 보장한다. 따라서 이를 보장하는 Wibro를 UAV 통신시스템의 대안으로 활용할 수 있다.WiBro mobile communication system is applied as a communication system for UAV. WiBro is based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) to guarantee a high speed and stable data transmission environment and to enable various services. In particular, it effectively compensates for signal distortion due to Doppler spreading and multipath fading, enabling communication even in high-speed mobile environments, and supporting flexible handoff to ensure seamless data transmission and reception during movement. Therefore, Wibro, which guarantees this, can be used as an alternative to the UAV communication system.
또한 비행고도에 따른 데이터송수신률의 저하 및 커버리지 이탈의 문제를 해결하기 위해 현재 사용중인 기지국안테나의 교체 및 상공방향으로의 빔패턴 수정하거나 기지국에서 오는 신호의 세기와 방향을 예측하는 적응형 페이즈 조절 알고리즘을 적용하는 방법 대신, UAV의 WiBro 통신시스템에 배열안테나를 적용하되 UAV의 비행자세정보를 바탕으로 송수신 안테나의 빔패턴을 날카롭게 만들고 적응적으로 항상 지상에 수직이 되는 방향으로 형성하는 기법을 사용한다. Also, in order to solve the problem of data transmission rate decrease and deviation from coverage according to flight altitude, adaptive phase adjustment is performed to replace the currently used base station antenna and to modify the beam pattern in the air direction or to predict the strength and direction of the signal from the base station. Instead of applying the algorithm, the array antenna is applied to the UAV's WiBro communication system, but based on the flight attitude information of the UAV, the beam pattern of the transmit / receive antenna is sharpened and adaptively always perpendicular to the ground. do.
무인항공기(UAV)의 영상 송수신 등의 통신시스템에 WiBro을 적용함으로써 끊김없이 고속으로 데이터의 무선송수신이 가능하다.By applying WiBro to communication systems such as video transmission and reception of unmanned aerial vehicles (UAV), wireless transmission and reception of data is possible without interruption.
지상을 향한 기지국 안테나의 빔패턴으로 형성된 셀 커버리로 인해 발생하는 무인항공기의 고도제한을 극복하기 위해 '적응형 수직 고정 빔패턴 형성 배열안테나'를 적용하여 높은 수신률을 달성하여 신뢰성있는 데이터 송수신을 가능하게 한다.In order to overcome the high limit of the unmanned aerial vehicle caused by the cell coverage formed by the beam pattern of the base station antenna facing the ground, 'Adaptive Vertical Fixed Beam Pattern Formation Array Antenna' is applied to achieve high reception and reliable data transmission and reception. Let's do it.
본 발명에서 제안하는 WiBro를 적용한 UAV 영상송수신시스템의 구조는 <도 1>과 같다.The structure of a UAV video transmission / reception system applying WiBro proposed in the present invention is shown in FIG.
<도 1>에서 볼 수 있듯이 UAV에 탑재되는 시스템인 FCC(Flight Control Center)와 지상관제국인 GCS(Ground Control Center)로 구성된다. As shown in FIG. 1, the system includes a flight control center (FCC), which is mounted on a UAV, and a ground control center (GCS), which is a ground control station.
FCC는 카메라부, 아날로그 비디오 신호수신부, 비디오 스트림 변환부, 중앙처리부, GPS데이타수신부, WiBro접속부, WiBro모뎀부로 구성되며, 카메라에서 획득한 아날로그 비디오 신호를 디지털신호로 변환하고 인코딩 및 압축처리하여 GPS모듈에서 얻은 GPS데이터와 합성한다. 이 데이터는 WiBro 모뎀을 통해 WiBro 네트워크로 전송되어 GCS로 전달된다. The FCC consists of a camera unit, analog video signal receiver, video stream converter, central processor, GPS data receiver, WiBro connection, and WiBro modem, and converts the analog video signal obtained from the camera into a digital signal, encodes and compresses the GPS. Synthesize with GPS data obtained from the module. This data is sent through the WiBro modem to the WiBro network and forwarded to the GCS.
GCS는 원격지에 위치하면서 FCC데이타접속부, 중앙처리부, 비디오 스트림 변환부, 영상 및 데이터 표시부로 구성되며, FCC에 각종 환경 변수 및 제어 정보를 전송하는 한편 FCC로부터 전송된 영상 및 GPS 데이터를 수신하여 화면에 출력한다.GCS is composed of FCC data access unit, central processing unit, video stream converting unit, image and data display unit located at remote location. It transmits various environmental variables and control information to FCC and receives image and GPS data transmitted from FCC screen. Output to.
<표 1>은 WiBro를 적용한 UAV 영상송수신 시스템의 성능을 나타낸다. <Table 1> shows the performance of UAV video transmission and reception system using WiBro.
여기서 A는 비행고도, V는 비행속도이다. 결과값은 실제 비행을 통해 얻었으며 비행속도와 비행고도에 따라 통신 성능의 변화가 있으며 특히 비행고도에 따른 통신 성능의 변화가 심한 것을 알 수 있다. 이는 352 x 288 픽셀 해상도의 영상을 20프레임/초 이상으로 원활하게 송수신하기 위해 1Mbps이상의 업링크속도를 보장해야하는 영상 송수신 시스템에서 운용에 심각한 문제를 초래한다는 것을 알 수 있다.Where A is flight altitude and V is flight speed. The results were obtained through actual flight, and the communication performance varies depending on flight speed and flight altitude. It can be seen that this causes serious problems in operation in a video transmitting / receiving system that must guarantee an uplink speed of 1Mbps or more in order to smoothly transmit and receive an image of 352 x 288 pixel resolution at 20 frames / sec or more.
이를 해결하기 위해 제안하는 UAV의 WiBro 모뎀에 지상용 전방향안테나 대신에 배열안테나를 적용하여 송수신 안테나의 빔패턴을 날카롭게 만들고 기체 각도에 적응적으로 항상 지상에 수직이 되는 방향으로 형성하는 적응형 수직 고정 빔패턴 형성 배열안테나 기법을 도입한다. In order to solve this problem, UAV's WiBro modem is applied with an array antenna instead of a ground omni-directional antenna to sharpen the beam pattern of the transmit / receive antenna and to adapt it to the angle of the aircraft. A fixed beam pattern forming array antenna technique is introduced.
여기에 적용하는 배열 안테나는 M x N 평면 안테나 이며 이는 <도 2>의 구조로 이루어져 있으며 <수학식 1>과 같이 표현된다.The array antenna applied here is an M x N plane antenna, which is composed of the structure of <Fig. 2>, and is represented by Equation 1.
여기서 ,은 각각 M 배열 소자들과 N 배열 소자들의 전류세기이며 ,는 위상지연 값이다.here , Are the current strengths of the M array elements and N array elements, respectively. , Is the phase delay value.
적응형 수직 고정 빔패턴 형성 배열안테나 알고리즘'의 기본개념은 <도 3>와 같다. The basic concept of the adaptive vertical fixed beam pattern forming array antenna algorithm is shown in FIG. 3.
이 시스템은 비행체가 회전 또는 고도를 변경할 때 <도 4>과 같이 기체가 기울어지며 rolling의 각도 α와 pitching의 각도 β에 의해서 안테나의 주빔의 각도는 θ',φ'만큼 수직에서 벗어나 기울어진다. In this system, when the aircraft changes the rotation or altitude, the aircraft is inclined as shown in Fig. 4, and the angle of the main beam of the antenna is inclined out of the vertical direction by θ ', φ' by the angle α of the rolling and the angle β of the pitching.
배열안테나에 의해 형성되는 주빔의 각도는 <수학식 2>로 나타나며 θ0,φ0는 각각 0도로서 지상에 수직인 주빔의 각도를 형성하고 θ',φ'만큼 수직에서 기울어지게 된다. The angle of the main beam formed by the array antenna is represented by Equation 2, and θ 0 and φ 0 are 0 degrees, respectively, to form an angle of the main beam perpendicular to the ground, and are inclined vertically by θ 'and φ'.
자세한 알고리즘의 과정은 <도 5>의 시스템과 같다.The detailed algorithm process is the same as the system of FIG.
<도 5>의 측정장치부에서는 자이로센서와 엑셀레로미터를 이용하여 UAV가 비행고도를 상승하거나 회전을 할 때 변화하는 rolling과 pitching의 각도를 측정한다. 이 값을 기울어진 주빔의 방향을 바꾸기 위한 값으로 변환한 뒤 역으로 적용하여 <도 6>와 같이 다시 지상에 수직이 되도록 보정할 수 있다. In the measuring device of FIG. 5, the angle of rolling and pitching that is changed when the UAV raises or rotates the flight altitude is measured using a gyro sensor and an accelerometer. This value can be converted to a value for changing the direction of the tilted main beam and then applied in reverse to correct it to be perpendicular to the ground again as shown in FIG. 6.
즉, α,β는 <도 5>와 <도 6>에서 측정 센서부를 통해 계측된 비행체에 대해 기체가 기울어진 각도이며, 이것은 위상보정부에서 배열 안테나의 빔패턴 형성에 대한 각도, θ',φ'로 변환되어 주빔을 형성하는 각도에 -θ',-φ'로 적용되어 빔패턴이 지상에 수직인 주빔으로 보정된다. 각도 변환 과정은 다음의 <수학식 3>으로 설명된다.That is, α and β are angles at which the gas is inclined with respect to the aircraft measured through the measuring sensor in FIG. 5 and FIG. 6, which are angles for forming the beam pattern of the array antenna in phase compensation, θ ', The beam pattern is corrected to the main beam perpendicular to the ground by applying -θ 'and -φ' to the angle converted into φ 'to form the main beam. The angle conversion process is described by
따라서 끊임없이 각도가 바뀌어 움직이는 비행체에서도 안테나의 빔패턴은 적응적으로 보정되어 항상 지상에 수직을 유지할 수 있게 해준다.As a result, the antenna's beam pattern is adaptively corrected to ensure that it is always perpendicular to the ground, even when the aircraft is constantly changing angles.
무인항공기는 장거리 광범위 지역에서 대용량의 데이터를 언제나 어디서든지 실시간으로 확인할 수 있으므로 환경 및 산불감시, 해안감시, 기상관측, 원격탐지, GIS 정보수집, 통신중계, 항공방제, 밀수 및 밀입국감시, 전력선 점검 등에 유용하게 활용할 수 있으며 과학적인 응용으로는 환경 모니터링, 기상 및 대기 데이터 수집, 해양학 데이터 수집, 농업 모니터링, 고고도에서의 지질학적 매핑 등이 가능하다. 이것은 전문 기술 인력이 탑승하지 않은 무인항공기를 이용하여 모니터링하므로 인건비의 절약 및 전문기술인력의 안전을 도모하는 산업적인 효과가 있다. Unmanned aerial vehicles can check large amounts of data anytime, anywhere, in a wide range of long-distance areas, enabling environment and forest fire monitoring, coastal monitoring, weather observation, remote detection, GIS information collection, communication relay, air traffic control, smuggling and smuggling surveillance, and power line inspection. Scientific applications include environmental monitoring, meteorological and atmospheric data collection, oceanography data collection, agricultural monitoring, and geological mapping at high altitudes. This monitors using unmanned aerial vehicles without professional technical personnel, which has the industrial effect of saving labor costs and promoting the safety of professional technical personnel.
도 1 : UAV 탑재시스템인 FCC(Flight Control Center) 측과 원격 지상관제국인 GCS(Ground Control Center)로 영상 정보와 GPS 정보를 송수신하는 시스템 구조1: System structure for transmitting / receiving image information and GPS information to FCC (Flight Control Center) side of UAV mounted system and GCS (Ground Control Center) of remote ground control station
도 2 : 무인항공기의 통신 안테나로 사용되는 M x N 평면 배열 안테나구조2: M x N plane array antenna structure used as a communication antenna of an unmanned aerial vehicle
도 3 : 기지국 빔패턴 셀 커버리지로 인해 제한되는 비행고도의 한계를 극복하기 위해 비행체의 통신 시스템에 배열안테나를 적용하고 빔패턴을 지상에 수직으로 유지되도록 적응적으로 주빔의 방향을 보정하는 알고리즘의 개념도Fig. 3: An algorithm of applying an array antenna to a communication system of an aircraft and adaptively correcting the direction of the main beam to keep the beam pattern perpendicular to the ground in order to overcome the limitation of flight altitude limited by the base station beam pattern cell coverage. Conceptual diagram
도 4 : 비행체가 상승/하강 및 회전할 때 바뀌는 기체의 rolling 및 pitching의 각도로 인해 배열 안테나의 주빔의 방향이 크게 변화하는 것을 나타내는 개념도4 is a conceptual diagram showing that the direction of the main beam of the array antenna is greatly changed due to the angle of the rolling and pitching of the aircraft is changed when the aircraft is raised / lowered and rotated
도 5 : 배열안테나 빔패턴의 적응적 보정 알고리즘의 블록도로서 기체가 움직일 때 변화하는 rolling과 pitching의 각도를 계측하여 안테나 빔 형성을 위한 각도로 변환한 후 주빔의 각도를 보정한다.FIG. 5 is a block diagram of an adaptive correction algorithm of an array antenna beam pattern. The angle of rolling and pitching that changes when an aircraft moves is measured and converted to an angle for forming an antenna beam, and then the angle of the main beam is corrected.
도 6 : 기체가 움직일 때 변화하는 α,β의 각도를 θ',φ'로 변환한 후 주빔을 형성하는 각도에 -θ',-φ'로 적용하여 주빔의 빔패턴이 적응적으로 항상 지상에 대해 수직인 빔패턴이 되도록 보정하는 개념도6: The beam pattern of the main beam is adaptively always applied by converting the angle of α, β that changes when the gas moves to θ ', φ' and then applying -θ ',-φ' to the angle forming the main beam. Conceptual diagram to correct the beam pattern perpendicular to the
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