KR20180082889A - 신호원의 방향추정장치 및 이의 방법 - Google Patents

신호원의 방향추정장치 및 이의 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신호를 전송하는 신호원의 방향추정장치에 있어서, 회전 가능하게 구비되는 지향성 안테나와 무지향성 안테나를 포함하는 안테나부, 회전하는 지향성 안테나를 통하여 수신된 신호의 제 1패턴정보와 무지향성 안테나를 통하여 수신된 신호의 제 2패턴정보를 산출하는 측정부 및 제 1패턴정보와 제 2패턴정보를 이용하여, 신호의 보정 패턴정보를 생성하는 신호처리부를 포함하고, 신호처리부는 보정 패턴정보를 이용하여, 신호원의 방향을 추정하는 신호원의 방향추정장치를 제공한다.

Description

신호원의 방향추정장치 및 이의 방법{AN APPARATUS FOR ESTIMATING A DIRECTION OF SIGNAL SOURCE AND A METHOD OF THE SAME}
본 발명은 신호원의 방향추정장치 및 이의 방법에 관한 것이다.
전파를 측정하고 신호원의 방향을 추정할 때, 안테나를 통해 수신되는 신호의 간섭에 의한 오차를 최소화하는 것이 가장 중요하다. 실제 통신환경에서는 다양한 신호 잡음과 간섭이 존재하기 때문에, 신호 잡음 및 간섭을 고려하지 않고, 수신된 신호를 기초로 신호원의 방향을 추정하는 경우에는, 추정 오차가 크게 발생한다. 이 때문에, 신호 잡음 및 간섭을 최소화하거나 보정하는 형태로 추정 오차를 최소화하고 있다.
신호원의 방향을 추정하는 방법은 다중 안테나 배열을 사용하는 방법 또는 지향성 안테나를 사용하는 방법 등 다양한 방법들이 적용되고 있다.
이 중, 대수주기 다이폴 안테나, 반사기 안테나, 혼 안테나 및 루프 안테나 등의 지향성 안테나를 회전하여 수신 신호의 세기를 측정하고, 이를 기초로 신호원의 방향을 추정하는 방법이 구조의 단순함으로 자주 사용되고 있다. 하지만, 이러한 추정방법은 수신 신호의 시간 변화에 대한 오차 문제를 고려하고 있지 않아, 정확한 신호원의 방향 추정에는 한계가 있어, 이에 관한 추가적인 연구가 필요한 실정이다.
본 발명에서는 신호원의 방향추정장치 및 이의 방법, 구체적으로는 회전 가능하게 구비되는 지향성 안테나와 무지향성 안테나를 동시에 이용하여 신호원의 방향을 추정하는 장치 및 이의 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 신호를 전송하는 신호원의 방향추정장치에 있어서, 회전 가능하게 구비되는 지향성 안테나와 무지향성 안테나를 포함하는 안테나부, 회전하는 지향성 안테나를 통하여 수신된 신호의 제 1패턴정보와 무지향성 안테나를 통하여 수신된 신호의 제 2패턴정보를 산출하는 측정부 및 제 1패턴정보와 제 2패턴정보를 이용하여, 신호의 보정 패턴정보를 생성하는 신호처리부를 포함하고, 신호처리부는 보정 패턴정보를 이용하여, 신호원의 방향을 추정하는 신호원의 방향추정장치를 제공한다.
또한, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에서는 신호를 전송하는 신호원의 방향추정방법에 있어서, 회전 가능하게 구비되는 지향성 안테나와 무지향성 안테나를 포함하는 안테나부를 통하여 신호를 수신하는 단계, 회전하는 지향성 안테나를 통하여 수신된 신호의 제 1패턴정보와 무지향성 안테나를 통하여 수신된 신호의 제 2패턴정보를 산출하는 단계, 제 1패턴정보 및 제 2패턴정보를 이용하여, 신호의 보정 패턴정보를 생성하는 단계 및 생성된 보정 패턴정보를 이용하여, 신호원의 방향을 추정하는 단계를 포함하는 신호원의 방향추정방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 단순한 구조의 방향추정장치를 이용하여, 보다 정확하게 신호원의 방향을 추정할 수 있으며, 추정된 신호원의 방향으로 안테나를 회전하여 신호를 수신함으로써, 신호 수신 성능 또한 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원의 방향추정장치의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원의 방향추정방법을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 안테나를 통해 수신된 신호 패턴을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무지향성 안테나를 통해 수신된 신호 패턴을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정 신호 패턴을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보정 신호 패턴과 안테나 고유 패턴의 상호상관 결과를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, "또는", "적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나"는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원의 방향추정장치(100)의 구조를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 신호원의 방향추정장치(100)는 회전기, 지향성 안테나 및 무지향성 안테나를 포함하는 안테나부(110), 측정부(120), 메모리(130), 전자나침반(140) 및 신호처리부(150)를 포함할 수 있다.
신호원의 방향추정장치(100)는 안테나부(110)에 포함된 회전기, 회전기에 의해 회전하는 지향성 안테나와 무지향성 안테나를 통하여, 신호원으로부터 송신되는 신호를 각각 동시에 수신할 수 있다. 구체적으로는, 지향성 안테나와 무지향성 안테나 각각 2개의 코히런트(coherent)한 수신장치를 이용하여 수신할 수 있다.
지향성 안테나는 특정 방위각에서의 신호를 수신할 수 있도록 설계된다. 이러한 특성의 지향성 안테나를 회전시켜, 방위각에 따른 수신된 신호의 세기 등을 이용함으로써 신호원의 방향을 직접적으로 추정할 수 있다. 하지만, 지향성 안테나가 회전하는 동안, 내부 또는 외부 요인에 의한 신호의 변동이 발생하는 경우에, 이를 고려하지 않고 신호원의 방향을 추정하는 경우, 그 정확도가 크게 저하될 수 있다.
한편, 무지향성 안테나는 전 방향에서의 신호를 수신할 수 있도록 설계되며, 전 방향에서 동일한 신호 특성을 갖는다. 이러한 특성의 무지향성 안테나는 전 방향에서 시간의 흐름에 따른 신호의 변동을 수신할 수 있어, 지향성 안테나가 회전하는 동안 발생하는 신호의 변동에 대한 기준을 제공할 수 있다. 즉, 동일 시간에 동일 신호원에 의해 전송되는 신호의 변동은 무지향성 안테나와 지향성 안테나에 동일하게 적용되는 바, 무지향성 안테나를 통해 수신된 신호를 이용하여 지향성 안테나에서 측정된 신호에서 발생되는 신호변동의 오차를 보정할 수 있다.
측정부(120)는 회전하는 지향성 안테나를 통하여 수신된 신호를 제 1패턴정보로 산출할 수 있다. 제 1패턴정보는 수신된 신호의 세기 정보를 포함하며, 수신된 신호의 세기 정보는 수신 신호 강도(Received Signal Strength Indication, RSSI) 또는 I/Q 신호의 크기 및 위상(벡터)에 해당할 수 있다. 또한, 무지향성 안테나를 통하여 수신된 신호를 제 2패턴정보로 산출할 수 있으며, 제 2패턴정보는 수신된 신호의 세기 정보를 포함하고, 수신된 신호의 세기 정보는 수신 신호 강도(RSSI) 또는 I/Q 신호의 크기 및 위상에 해당할 수 있다.
메모리(130)는 안테나 고유 패턴정보가 저장될 수 있다. 안테나 고유 패턴정보는 주파수 대역에 따른 지향성 안테나의 방위각 응답 특성과 무지향성 안테나의 방위각 응답 특성의 비교 값을 포함하는 고유 응답이다. 예를 들어, 주파수 대역에 따른 지향성 안테나와 무지향성 안테나 각각의 방위각 응답 특성은 이상적인 통신환경 내 동일 시간의 각각의 주파수 대역에서, 방위각에 따른 신호 세기 값에 해당할 수 있으며, 비교 값은 지향성 안테나와 무지향성 안테나 각각의 신호 세기 값의 차이에 해당할 수 있다.
또한, 비교 값은 지향성 안테나와 무지향성 안테나 각각의 방위각 응답 특성에 대한 비율 비교 값 또는 벡터 거리 값에 해당할 수 있다.
한편, 메모리(130)는 안테나 고유 패턴정보를 이상적인 통신 환경에서 룩업 테이블 형태로 미리 측정하여 저장할 수 있다.
전자나침반(140)은 지도상의 방향 정보를 제공하여, 회전기의 방위각과 함께 처리되어 수신된 신호의 방위각을 지도상에 표시할 수 있게 한다.
신호처리부(150)는 측정부(120)에서 산출된 제 1패턴정보와 제 2패턴정보를 이용하여 수신된 신호의 보정 패턴정보를 생성할 수 있다. 보정 패턴정보는 산출된 제 1패턴정보와 제 2패턴정보를 상호 비교하여 생성할 수 있다. 구체적으로 제 1패턴정보와 제 2패턴정보의 차이를 이용하여 생성하거나, 제 1패턴정보와 제 2패턴정보의 비율 또는 제 1패턴정보와 제 2패턴정보의 벡터 거리를 이용하여 생성할 수 있다.
예를 들어, 제 1패턴정보 내 포함된 지향성 안테나를 통해 수신된 신호의 수신 신호 강도(RSSI) 또는 I/Q 신호의 크기 및 위상(벡터)과 제 2패턴정보 내 포함된 무지향성 안테나를 통해 수신된 신호의 수신된 신호의 세기 정보는 수신 신호 강도(RSSI) 또는 I/Q 신호의 크기 및 위상(벡터)의 상호 비교 값을 보정 패턴정보로서 생성할 수 있다. 구체적으로, 상호 비교 값은 차이 값, 비율 비교 값 또는 벡터 거리 값에 해당할 수 있다.
보정 패턴정보는 앞서 언급한 바와 같이, 지향성 안테나가 회전하는 동안 발생하는 신호의 변동을, 동일 시간에 무지향성 안테나에 의해 수신된 신호의 변동을 이용하여 보정한 보정 정보로서, 내부 또는 외부 요인에 의한 신호의 오차를 제거한 정보에 해당한다.
이후, 신호처리부(150)는 수신된 신호의 보정 패턴정보와 메모리(130)에 저장된 안테나 고유 패턴정보를 이용하여, 신호원의 방향을 추정할 수 있다.
구체적으로, 수신된 신호의 보정 패턴정보의 응답 특성과 안테나 고유 패턴정보의 응답 특성 간의 상호 상관 값을 산출하고, 산출된 상호 상관 값 중 최대 값의 방위각을 신호원의 방향으로 추정할 수 있다.
안테나 고유 패턴정보의 응답 특성은 이상적인 통신환경 내 각각의 주파수 대역에서, 신호원의 모든 방위각 위치에 따른 지향성 안테나의 수신 신호 세기 값의 패턴 또는 방위각 스펙트럼 벡터와 무지향성 안테나의 수신 신호 세기 값의 패턴 또는 방위각 스펙트럼 벡터의 비교 값을 포함할 수 있다. 이상적인 통신환경 내 수신 신호와 실제 통신환경 내 수신 신호 간의 상호 상관을 통하여 신호원의 방향 추정의 정확도 및 정밀도를 증가시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원의 방향추정방법을 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 지향성 안테나와 무지향성 안테나를 통하여 신호원으로부터 전송되는 신호를 수신할 수 있다(S100). 구체적으로, 회전하는 지향성 안테나를 통하여 신호원의 신호를 수신할 수 있으며, 동일한 시간에 무지향성 안테나를 통하여 동일한 신호원의 신호를 수신할 수 있다. 지향성 안테나로부터 수신된 신호를 제 1패턴정보로서 산출하고, 무지향성 안테나로부터 수신된 신호를 제 2패턴 정보로 산출한다(S110). 산출된 제 1패턴정보와 제 2패턴정보는 수신된 신호의 수신 신호 강도(RSSI) 또는 I/Q 신호의 크기 및 위상(벡터)에 해당할 수 있다.
산출된 제 1패턴정보와 제 2패턴정보를 이용하여, 신호원으로부터 전송된 신호의 보정 패턴정보를 생성할 수 있다(S120). 보정 패턴정보는 제 1패턴정보와 제 2패턴정보를 상호 비교하여 산출된 상호 비교 값에 해당할 수 있다. 구체적으로, 상호 비교 값은 제 1패턴정보와 제 2패턴정보 간의 차이를 산출한 차이 값, 비율의 비교 값 또는 벡터 거리 값에 해당할 수 있다.
안테나 고유 패턴정보와 산출된 보정 패턴정보의 상호 상관 값을 산출한다(S130). 안테나 고유 패턴정보는 방향추정장치 내 메모리로부터 획득하거나, 계산 또는 외부기기로부터 유무선을 통하여 획득할 수 있다. 안테나 고유 패턴 정보는 이상적인 통신환경 내 각각의 주파수 대역에서, 신호원의 모든 방위각 위치에 따른 지향성 안테나의 수신 신호 세기 값의 패턴 또는 방위각 스펙트럼 벡터와 무지향성 안테나의 수신 신호 세기 값의 패턴 또는 방위각 스펙트럼 벡터의 비교 값을 미리 측정하고 계산한 값에 해당할 수 있다.
산출된 상호 상관 값을 이용하여, 가장 큰 상호 상관 값을 가지는 방위각을 산출하고, 이를 신호원의 방위각으로 추정할 수 있다(S140).
한편, 본 실시예에서는 보정 패턴정보를 생성하고, 생성된 보정 패턴정보와 안테나 고유 패턴 정보를 상호 상관하는 단계를 특징으로 기재하였으나, 지향성 안테나로부터 수신되어 산출된 제 1패턴정보와 지향성 안테나 고유 패턴 정보를 상호 상관하고, 상호 상관된 패턴 정보를 무지향성 안테나로부터 수신되어 산출된 제 2패턴정보를 이용하여 보정하는 단계로 적용할 수 있음은 자명하다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원의 방향추정 과정을 설명하기 위한 도면으로, 방위각 150도에서 신호원이 위치하여 신호를 전송하는 경우를 예로서 설명한다. 구체적으로, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지향성 안테나를 통해 수신된 신호 패턴을, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무지향성 안테나를 통해 수신된 신호 패턴을, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 보정 신호 패턴을, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보정 신호 패턴과 안테나 고유 패턴의 상호상관 결과를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 회전하는 지향성 안테나를 통해 수신된 신호 패턴을 보면, 150도의 방위각에서 신호원이 위치하여 신호를 전송하고 있음에도, 신호 변동의 오차를 고려하지 않은 관계로, 120도의 방위각에서 신호 수신 특성이 가장 좋은 것을 알 수 있다. 도 4를 참조하면, 회전하는 지향성 안테나와 동일한 시간에 동일한 신호원으로부터 수신된 신호패턴으로, 시간에 따른 신호 수신 특성이 변동되고 있음을 알 수 있다. 도 5를 참조하면, 지향성 안테나의 신호 패턴과 무지향성 안테나의 신호 패턴의 차이 값을 나타낸 보정 신호 패턴으로 150도의 방위각에서 보정 신호 수신 특성이 가장 좋은 것을 확인할 수 있다. 도 6을 참조하면, 보정 신호 수신 패턴과 안테나 고유 패턴의 상호상관 결과를 도시한 것으로, 상관 값이 최대인 방위각 150도를 신호원의 방향으로 추정할 수 있으며, 이는 실제로 위치하는 신호원의 방향인 방위각 150도와 일치하는 것을 알 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 방향추정장치 110: 안테나부
120: 측정부 130: 메모리
140: 전자나침반 150: 신호처리부

Claims (11)

  1. 신호를 전송하는 신호원의 방향추정장치에 있어서,
    회전 가능하게 구비되는 지향성 안테나와 무지향성 안테나를 포함하는 안테나부;
    회전하는 상기 지향성 안테나를 통하여 수신된 상기 신호의 제 1패턴정보와 상기 무지향성 안테나를 통하여 수신된 상기 신호의 제 2패턴정보를 산출하는 측정부; 및
    상기 제 1패턴정보 및 제 2패턴정보를 이용하여, 상기 신호의 보정 패턴정보를 생성하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 신호처리부는 상기 보정 패턴정보를 이용하여, 상기 신호원의 방향을 추정하는 신호원의 방향추정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 상기 제 1패턴정보와 상기 제 2패턴정보를 상호 비교하여 비교 값을 산출하고, 산출된 비교 값을 이용하여 상기 보정 패턴정보를 생성하며,
    상기 비교 값은 상기 제 1패턴정보와 상기 제 2패턴정보의 차이 값, 상기 제 1패턴정보와 상기 제 2패턴정보의 비율 비교 값 및 상기 제 1패턴정보와 상기 제 2패턴정보의 벡터 거리 값 중 적어도 하나를 포함하는 신호원의 방향추정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    주파수 대역에 따른 안테나 고유 패턴정보를 저장하는 메모리를 더 포함하고,
    상기 신호처리부는 상기 보정 패턴정보와 상기 안테나 고유 패턴정보를 상호 상관하여 상관 값을 산출하고, 상기 산출된 상관 값을 이용하여, 상기 신호원의 방향을 추정하는 신호원의 방향추정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나 고유 패턴정보는 상기 지향성 안테나의 주파수 대역에 따른 방위각 응답 특성과 상기 무지향성 안테나의 주파수 대역에 따른 방위각 응답 특성의 상호 비교 값을 포함하는 신호원의 방향추정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1패턴정보는 상기 회전하는 지향성 안테나의 각 방위각에서 수신된 상기 신호의 세기에 관한 정보이며, 상기 제 2패턴정보는 상기 제 1패턴정보와 동일한 시간에 무지향성 안테나에서 수신된 상기 신호의 세기에 관한 정보인 신호원의 방향추정장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 지향성 안테나의 방위각을 측정하는 전자나침반을 더 포함하는 신호원의 방향추정장치.
  7. 신호를 전송하는 신호원의 방향추정방법에 있어서,
    회전 가능하게 구비되는 지향성 안테나와 무지향성 안테나를 포함하는 안테나부를 통하여 상기 신호를 수신하는 단계;
    회전하는 상기 지향성 안테나를 통하여 수신된 상기 신호의 제 1패턴정보와 상기 무지향성 안테나를 통하여 수신된 상기 신호의 제 2패턴정보를 산출하는 단계;
    상기 제 1패턴정보 및 제 2패턴정보를 이용하여, 상기 신호의 보정 패턴정보를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 보정 패턴정보를 이용하여, 상기 신호원의 방향을 추정하는 단계를 포함하는 신호원의 방향추정방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 신호의 보정 패턴정보를 생성하는 단계는
    상기 제 1패턴정보와 상기 제 2패턴정보를 상호 비교하여 비교 값을 산출하고, 산출된 비교 값을 이용하여 상기 보정 패턴정보를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 비교 값은 상기 제 1패턴정보와 상기 제 2패턴정보의 차이 값, 상기 제 1패턴정보와 상기 제 2패턴정보의 비율 비교 값 및 상기 제 1패턴정보와 상기 제 2패턴정보의 벡터 거리 값 중 적어도 하나를 포함하는 신호원의 방향추정방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 신호원의 방향을 추정하는 단계는
    상기 보정 패턴정보와 안테나 고유 패턴정보를 상호 상관하여 상관 값을 산출하고, 상기 산출된 상관 값을 이용하여, 상기 신호원의 방향을 추정하는 단계를 포함하는 신호원의 방향추정방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 안테나 고유 패턴정보는 상기 지향성 안테나의 주파수 대역에 따른 방위각 응답 특성과 상기 무지향성 안테나의 주파수 대역에 따른 방위각 응답 특성의 상호 비교 값을 포함하는 신호원의 방향추정방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1패턴정보는 상기 회전하는 지향성 안테나의 각 방위각에서 수신된 상기 신호의 세기에 관한 정보이며, 상기 제 2패턴정보는 상기 제 1패턴정보와 동일한 시간에 무지향성 안테나에서 수신된 상기 신호의 세기에 관한 정보인 신호원의 방향추정방법.
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