KR20190048596A - 기만 대응 위성항법 수신기 및 이를 이용한 기만 대응 방법 - Google Patents

기만 대응 위성항법 수신기 및 이를 이용한 기만 대응 방법 Download PDF

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국방과학연구소
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/015—Arrangements for jamming, spoofing or other methods of denial of service of such systems

Abstract

본 발명의 일실시예에 따르면, 기만 대응 위성항법 수신기에 있어서, 복수의 배열 안테나 중 하나의 기준 안테나에 대해서만 기저대역 신호처리부에 폐루프로 구성되는 신호추적 루프를 구성하고, 그 외에 나머지 배열 안테나의 기저대역 신호처리부에서는 신호추적 루프를 구성하지 않고, 기준 안테나의 폐루프 보정값을 사용함으로써 기만 대응 위성항법 수신기의 구조를 단순화할 수 있다.

Description

기만 대응 위성항법 수신기 및 이를 이용한 기만 대응 방법{GNSS RECEIVER FOR ANTI-SPOOFING AND METHOD FOR DETECTING GNSS SPOOFING ATTACK}
본 발명은 기만 대응 위성항법 수신기 및 이를 이용한 기만 대응 방법에 관한 것으로, 특히 기만 대응을 위한 배열 안테나가 적용된 위성항법 수신기에서 기저대역 신호처리부의 구조를 단순화하고 신호추적에 소요되는 처리량을 감소시키는 기만 대응 위성항법 수신기 및 이를 이용한 기만 대응 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 미국의 GPS로 대표되는 위성항법은 인위적인 교란인 재밍 공격과 기만 공격에 취약한 것으로 알려져 있다.
먼저, 위성항법 재밍 공격은 지상에서 수신되는 위성항법 신호보다 센 크기의 교란 신호원을 방송하여 위성항법 수신기로 하여금 위성항법 신호를 수신할 수 없도록 하는 방법이다. 이때, 지상에서 수신되는 위성항법 신호의 세기는 -130dBm 등으로 잡음 수준 이하의 매우 작은 크기를 갖기 때문에 위성항법은 재밍 공격에 매우 취약하다.
다른 한편 위성항법 기만 공격은 위성항법 신호원과 유사한 신호를 악의적으로 재생하여 위성항법 사용자에게 방송하는 공격 형태로, 위성항법 수신기가 악의적으로 재생된 신호원을 수신하여 잘못된 위치로 오인 또는 유도되도록 하는 방식이다. 현재 민간에 공개되는 위성항법 신호는 반송파, 코드의 특성 및 항법 메시지가 모두 공개되어 있으므로, 위성항법 신호와 유사한 형태로 방송되는 악의적인 공격 신호를 위성항법 수신기는 구분할 수 없는 한계를 갖게 된다.
따라서, 최근의 위성항법 수신기는 재밍 공격 대응(이하, "재밍 대응" 이라 함) 및 기만 공격 대응(이하 "기만 대응" 이라 함)을 위한 기법들을 적용하고 있으며, 대표적인 재밍 대응 기법과 기만 대응 기법으로는 다수의 안테나 소자로 구성되는 배열 안테나를 이용하는 방법이 있다.
그러나, 배열 안테나를 이용하는 종래 위성항법 수신기는 다수의 안테나에서 수신되는 RF 신호처리부와 RF 신호처리된 위성항법 신호를 양자화한 이후의 재밍 대응 또는 기만 대응 알고리즘 적용을 위한 하드웨어 등이 필요하게 되어 구성이 복잡해지는 단점이 있다. 특히, 기만 대응에 요구되는 위성항법 수신기 하드웨어 및 처리 기법은 매우 복잡하여 기존의 배열 안테나 수신기에 적용되기가 어려운 문제점이 있었다.
(특허문헌)
대한민국 등록특허번호 10-1498613호(등록일자 2015년 02월 26일)
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 기만 대응을 위한 배열 안테나가 적용된 위성항법 수신기에서 기저대역 신호처리부의 구조를 단순화하고 신호추적에 소요되는 처리량을 감소시키는 기만 대응 위성항법 수신기 및 이를 이용한 기만 대응 방법을 제공하고자 한다.
상술한 본 발명의 일실시예에 따른 기만 대응 위성항법 수신기로서, 위성항법 신호를 수신하는 복수의 안테나로 구성된 배열 안테나와, 상기 복수의 안테나 중 하나의 안테나에 연결되며, 상기 위성항법 신호의 코드 위상 및 반송파 위상과 각기 동기된 코드 재생 신호와 반송파 재생 신호를 생성하는 제1 기저대역 신호처리부와, 상기 복수의 안테나 중 상기 하나의 안테나 외에 나머지 안테나에 각각 연결되며, 상기 제1 기저대역 처리부로부터 생성된 상기 코드 재생 신호 및 상기 반송파 재생 신호를 인가받고, 상기 코드 재생 신호 및 상기 반송파 재생 신호와 상기 나머지 안테나 중 자신과 연결된 안테나로부터 수신된 상기 위성항법 신호간 코드 위상 오차와 반송파 위상 오차를 추정하는 적어도 하나의 제2 기저대역 신호처리부와, 상기 제1 기저대역 신호처리부로부터 상기 위성항법 신호에 대한 의사거리 측정치와 반송파 측정치를 입력받고, 상기 제2 기저대역 신호처리부로부터 출력되는 상기 나머지 안테나 각각의 상기 코드 위상 오차와 상기 반송파 위상 오차를 상기 의사거리 측정치와 상기 반송파 측정치와 조합하여 상기 나머지 안테나의 각각에서 수신된 상기 위성항법 신호에 대한 의사거리 측정치와 반송파 측정치를 추정하는 전처리부와, 상기 전처리부로부터 추정된 의사거리 측정치와 반송파 측정치에 기초하여 기만 신호 여부를 판별하는 기만 대응 및 PVT 처리부를 포함한다.
또한, 상기 제1 기저대역 신호처리부는, 상기 반송파 재생 신호를 생성하는 반송파 생성기와, 상기 코드 재생 신호를 생성하는 코드 생성기와, 상기 기준 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호에 상기 반송파 재생 신호를 곱하는 반송파 처리기와, 상기 기준 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호에 상기 코드 재생 신호를 곱하는 코드 처리기와, 상기 반송파 처리기와 상기 코드 처리기를 통해 상기 반송파 재생신호 및 상기 코드 재생 신호와 곱해진 상기 위성항법 신호의 상관값을 누적한 상관 적분값을 이용하여 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 상기 코드 재생 신호의 코드 위상 차이를 추정하고, 상기 위성항법 신호의 반송파 위상과 상기 반송파 재생 신호간 반송파 위상 차이를 추정한 후, 상기 위상 차이를 폐루프 보상하여 상기 코드 재생 신호와 상기 반송파 재생 신호를 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 반송파 위상과 동기시키는 추적루프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 기저대역 신호 처리부는, 상기 제1 기저대역 신호 처리부로부터 제공된 상기 반송파 재생 신호와 상기 각 나머지 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호를 곱하는 반송파 처리기와, 상기 제1 기저대역 신호 처리부로부터 제공된 상기 코드 재생 신호와 상기 나머지 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호를 곱하는 코드 처리기와, 상기 반송파 처리기와 상기 코드 처리기를 통해 상기 반송파 재생신호와 상기 코드 재생 신호와 곱해진 상기 위성항법 신호의 상관값을 누적한 상관 적분값을 이용하여 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 상기 코드 재생 신호의 코드 위상 차이를 추정하고, 상기 위성항법 신호의 반송파 위상과 상기 반송파 재생 신호간 반송파 위상 차이를 추정하는 판별기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 안테나는, 상기 위성항법 신호의 반송파 주파수의 파장 이내에 위치하도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 안테나로 구성된 배열 안테나, 제1 기저대역 신호 처리부, 제2 기저대역 신호 처리부, 전처리부와 기만 대응 및 PVT 처리부를 포함하는 위성항법 수신기에 의한 기만 대응 방법으로서, 상기 복수의 안테나에서 위성항법 신호를 수신하는 단계와, 상기 제1 기저대역 신호 처리부에서 상기 복수의 안테나 중 하나의 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호의 코드 위상 및 반송파 위상과 각각 동기된 코드 재생 신호와 반송파 재생 신호를 생성하는 단계와, 상기 제2 기저대역 신호 처리부에서 상기 코드 재생 신호 및 상기 반송파 재생 신호와 상기 하나의 안테나를 제외한 나머지 안테나의 각각으로부터 수신된 상기 위성항법 신호간 코드 위상 오차와 반송파 위상 오차를 추정하는 단계와, 상기 전처리부에서 상기 하나의 안테나로부터 수신된 상기 위성항법 신호의 의사거리 측정치와 반송파 측정치와 상기 나머지 안테나 각각의 상기 코드 위상 오차와 상기 반송파 위상 오차를 조합하여 상기 나머지 안테나의 각각으로부터 수신된 상기 위성항법 신호의 의사거리 측정치와 반송파 측정치를 추정하는 단계와, 상기 기만 대응 및 PVT 처리부에서 상기 추정된 의사거리 측정치와 반송파 측정치에 기초하여 기만 신호 여부를 판별하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 생성하는 단계는, 상기 제1 기저대역 신호 처리부에서 상기 반송파 재생 신호 및 상기 코드 재생 신호를 생성하는 단계와, 상기 하나의 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호에 상기 반송파 재생 신호 및 상기 코드 재생 신호를 곱하는 단계와, 상기 반송파 재생신호 및 상기 코드 재생 신호와 곱해진 상기 위성항법 신호의 상관값을 누적하여 상관 적분값을 생성하는 단계와, 상기 상관 적분값을 이용하여 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 상기 코드 재생 신호의 코드 위상 차이를 추정하고, 상기 위성항법 신호의 반송파 위상과 상기 반송파 재생 신호간 반송파 위상 차이를 추정하는 단계와, 상기 위상 차이를 폐루프 보상하여 상기 코드 재생 신호와 상기 반송파 재생 신호를 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 반송파 위상과 동기시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 오차를 추정하는 단계는, 상기 제2 기저대역 신호 처리부에서 상기 반송파 재생 신호 및 상기 코드 재생 신호와 상기 나머지 안테나의 각각으로부터 수신되는 상기 위상항법 신호를 곱하는 단계와, 상기 반송파 재생신호와 상기 코드 재생 신호와 곱해진 상기 위성항법 신호의 상관값을 누적하여 상관 적분값을 생성하는 단계와, 상기 상관 적분값을 이용하여 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 상기 코드 재생 신호의 코드 위상 차이를 추정하고, 상기 위성항법 신호의 반송파 위상과 상기 반송파 재생 신호간 반송파 위상 차이를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 안테나는, 상기 위성항법 신호의 반송파 주파수의 파장 이내에 위치하도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기만 대응 위성항법 수신기에 있어서, 복수의 배열 안테나 중 하나의 기준 안테나에 대해서만 기저대역 신호처리부에 폐루프로 구성되는 신호추적 루프를 구성하고, 그 외에 나머지 배열 안테나의 기저대역 신호처리부에서는 신호추적 루프를 구성하지 않고, 기준 안테나의 폐루프 보정값을 사용함으로써 기만 대응 위성항법 수신기의 구조를 단순화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서와 같이 기만 대응 위성항법 수신기에서 신호추적 루프의 구성을 하나의 기저대역 신호처리부에만 구성함에 따라 FPGA(Field Programmable Gate Array) 용량을 감소시킬 수 있어 제작 비용을 절감할 수 있고, 신호추적에 필요한 DSP(Digital Signal Processing) 처리량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 위성항법 수신기의 구조도.
도 2는 재밍 대응을 위한 배열 안테나 위성항법 수신기의 구조도.
도 3은 일반적인 기만 대응을 위한 배열 안테나 위성항법 수신기의 구조도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 기저대역 신호처리 기법이 적용된 기만대응 배열 안테나 위성항법 수신기의 구조도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법 수신기에서 기만 대응 동작 제어 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 일반적인 위성항법 수신기의 구조를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 위성항법 수신기(100)에서는 단일 안테나(102)로부터 받은 수신 신호를 RF 신호처리부(104)를 통해 중간주파수로 변환하고 양자화한 후, 기저대역 신호처리를 위해서는 항법위성의 수에 따라 개별 기저대역 신호처리부(106)를 구성하여 수신된 RF 신호내에 포함된 개별 위성에 대한 신호추적을 수행한다. 이어, PVT(Positioning Velocity Timing) 처리부(108)를 통해 위성의 위치, 속도, 시각 정보를 산출한다.
도 2는 재밍 대응을 위한 배열 안테나 위성항법 수신기의 구조를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 도 2의 위성항법 수신기(200)는 도 1과 달리 다수의 안테나 소자(202)가 적용되기 때문에 각 안테나(202)에서 수신되는 RF 신호를 처리하는 RF 신호처리부(204) 외에 가중치 제어부(Weight control algorithm for anti-jamming)(206) 등의 장치가 부가적으로 요구된다. 이러한 가중치 제어부(206)는 각 RF 신호를 조합하여 재밍 신호에 대한 이득을 줄이고, 위성항법 신호에 대한 이득을 향상시키기 위한 가중치 조절 기능을 수행하게 된다.
이와 같이 다수의 안테나에서 수신된 RF 신호에 가중치를 적용하여 더한 후, 최종적으로는 하나의 중간주파수 양자화 신호가 생성된다. 이어 양자화된 신호는 기저대역 신호처리부(208)에서 기저대역 신호로 변환된 후, PVT 처리부(210)를 통해 위성의 위치, 속도, 시각 정보가 산출된다.
이때, 이러한 기저대역 신호처리부(208)의 구성은 도 1의 일반적인 위성항법 수신기(100)의 기저대역 신호처리부(102)의 구조와 동일하다. 따라서 다수의 안테나(202)를 포함하는 RF 신호 처리부(204)와 재밍 대응 알고리즘 구현을 위한 가중치 제어부(206) 등의 FPGA 장치 등이 추가되어 도 1의 일반적인 위성항법 수신기(100) 대비 하드웨어 복잡도가 증가하게 된다.
즉, 재밍 대응을 위한 배열 안테나 위성항법 수신기의 경우 재밍 신호원에 대해서는 이득을 낮추고 위성항법 신호원에 대해서는 이득을 향상시키는 알고리즘을 적용한다. 이때, 재밍 신호원과 위성항법 신호원을 구분하기 위하여 상대적으로 큰 세기로 방송되는 재밍 신호원의 크기를 최소화하는 기법이 적용되므로, 알고리즘의 적용은 양자화된 중간주파수 신호 단계에서 이루어진다.
따라서, 도 2에 도시된 재밍 대응을 위한 배열 안테나 위성항법 수신기(200)에서는 재밍 대응 알고리즘이 적용된 가중치 제어부(206) 이후의 기저대역 신호처리부(208)의 구성이 단순해진다.
도 3은 종래 기만 대응을 위한 배열 안테나 위성항법 수신기(300)의 구조를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면 기만 대응을 위한 배열 안테나 위성항법 수신기(300)는 도 2의 재밍 대응 수신기(200)에서와는 달리, 각 안테나(302)에서 수신되는 반송파 위상 정보를 이용하기 때문에 RF 신호 처리부(304)와 기저대역 신호처리부(306)가 각 안테나별로 구성되어야 한다. 기저대역 신호처리부(306)의 후단에는 기만 대응 및 PVT 추정부(Anti-spoofing algorithm and PVT Estimation)(308)가 연결되어 기만 신호를 추출하고 위성신호의 위치, 속도, 시각 정보를 산출한다.
이때, 기만 공격 신호원은 재밍과 달리 위성항법 신호와 유사한 세기로 방송되기 때문에 기존의 재밍 대응 기법을 이용해서는 검출이 불가능하다. 따라서 개별 안테나에서 수신되는 반송파 신호의 위상 정보를 추출하고, 이를 간섭계(interferometer) 기법을 적용하여 수신되는 신호원이 실제 위성의 위치에서 방송되는지 아니면 지상의 기만 송출기에서 방송되는지를 검출하는 방식을 적용한다. 따라서, 도 3에 보여지는 바와 같은 기만 대응을 위한 배열 안테나 위성항법 수신기(300)는 안테나 수 만큼의 기저대역 신호처리부(306)를 필요로 한다.
한편, 일반적인 단일주파수/단일시스템 위성항법 수신기의 경우 최소 12개의 기저대역 신호처리 채널을 구성하여야 한다. 또한, 최근의 다중 주파수 다중 시스템 위성항법 수신기에 대해서는 사용하는 주파수와 시스템 수의 배수 만큼 기저대역 신호처리부(306)를 구성하여야 한다.
따라서, N개의 소자를 갖는 배열 안테나를 적용하는 단일 주파수/단일 시스템 위성항법 수신기의 경우 최소 12×N개의 기저대역 신호처리부(306)가 필요하고, 2중 주파수 GPS/GLONASS 위성항법 수신기의 경우에는 최소 12×4×N개의 기저대역 신호처리부(306)가 요구된다. 이로 인해 기저대역 신호처리부(306) 구성에 필요한 FPGA의 용량 또는 수량의 증가를 가져온다. 또한 개별 기저대역 신호처리부(306)에 대한 신호추적 제어를 위한 DSP(digital signal processing) 프로세싱이 필요하기 때문에 메모리 증가 및 고성능 DSP를 필요로 하게 된다. 따라서, 위성항법 수신기(300)의 하드웨어 구성이 복잡해지고 제작 비용이 증가하는 문제점이 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 기저대역 신호처리 기법이 적용된 기만대응 배열 안테나 위성항법 수신기(400)의 구조를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기만 대응 위성항법 수신기(400)는 도 3에 도시된 종래 위성항법 수신기(300)의 구조와 달리, RF 신호 처리부(404)에 연결되는 기저대역 신호처리부(410, 420)의 구성을 안테나별로 다르게 구성한다.
즉, 배열 안테나 중 하나의 기준 안테나(402)를 선택하고, 선택된 하나의 기준 안테나(402)에 연결된 기저대역 신호처리부(404)에만 반송파 처리기(412), 코드 처리기(414), 추적루프(tracking loop)(416), 반송파 생성기(Carrier NCO)(419), 코드 생성기(Code NCO)(418) 등이 포함된 폐루프 신호추적 루프를 적용하여 구성한다.
그리고, 기준 안테나(402) 외에 나머지 안테나(403)에 연결된 기저대역 신호처리부(405)에는 반송파 생성기(Carrier NCO)(419), 코드 생성기(Code NCO)(418)를 포함하는 신호추적을 위한 폐루프가 구비되지 않도록 한다. 대신 기준 안테나(402) 외에 나머지 안테나(403)에 연결된 기저대역 신호처리부(420)는 기준 안테나(402)의 기저대역 신호처리부(410)에서 생성된 반송파 재생 신호(Carrier NCO 1), 코드 재생 신호(Code NCO1)값을 반송파와 코드 신호 추적에 필요한 입력으로 그대로 사용하는 방식이다.
한편, 추적루프(tracking loop)(416), 반송파 생성기(Carrier NCO)(419), 코드 생성기(Code NCO)(418) 등을 포함하는 신호추적 루프는 기저대역 신호처리부(410)를 구성하는 핵심 구성 요소로서 상당한 수준의 FPGA 용량을 소모하게 된다. 따라서, 도 4에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법 수신기(400)에서는 하나의 기준 안테나(402)를 제외한 나머지 안테나(403)에 연결되는 기저대역 신호처리부(420)에 신호추적 루프를 구성하지 않도록 함으로써 FPGA 용량을 저감할 수 있다. 이때, 기저대역 신호처리부(420)는 신호추적 루프의 구성이 없기 때문에 신호 추적을 위해 요구되는 DSP 기능을 필요로 하지 않으므로 DSP 연산량도 저감시킬 수 있다.
또한, 위성항법 배열 안테나의 안테나 소자는 항법위성 신호의 반송파 주파수의 파장 이내에 놓이도록 설계된다. 따라서 다수의 안테나 소자에 수신되는 위성항법 신호는 수 cm 이내의 전파전달 경로 차이를 갖게 되어 상호간의 상관성이 높다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법 수신기에서의 병렬 신호처리는 위와 같은 다수의 안테나에서 수신되는 위성항법 신호의 상관성을 이용하여, 기준 안테나에서 생성되는 반송파 재생 신호 및 코드 재생 신호를 다른 안테나에서 수신되는 기저대역 신호 처리에 입력으로 활용하고, 이로 인해 발생하는 오차를 추정하여 측정치를 보상하도록 한다.
도 4를 참조하면, 기준 안테나(402)의 기저대역 신호처리부(410)로 인가되는 안테나 입력 신호(Sk)는 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
위 [수학식 1]에서 A는 입력 신호의 세기, C는 코드 신호의 위상, D는 항법 데이터 비트,
Figure pat00002
는 도플러와 위상이 반영된 값이다.
도 4의 반송파 생성기(carrier NCO)(419)와 코드 생성기(code NCO)(418)에서는 각각 반송파 재생 신호와 코드 재생 신호를 생성하여 [수학식 1]에서와 같이 나타낸 안테나 입력 신호와 코드 위상, 반송파 도플러, 위상 동기를 맞추게 된다.
반송파 생성기(419)에서는 인페이즈(in-phase)와 쿼드 페이즈(quad-phase)의 반송파 신호를 아래의 [수학식 2]에서와 같이 생성하여 입력신호와 곱한다.
Figure pat00003
위 [수학식 2]에서
Figure pat00004
는 입력신호의 반송파 위상을 추정하기 위한 반송파 추적필터의 결과물이다.
코드 생성기(418)에서 생성되는 코드 재생 신호는 Early, Prompt, Late으로 구분되어 추적하고자 하는 목표 코드위상(Prompt)에 1/2 코드 위상이 지연(Late)되거나, 또는 1/2 코드 위상이 앞서는(Early) 신호를 생성하여 코드 추적 루프의 입력으로 사용하게 된다. 아래의 [수학식 3]은 코드 생성기(418)에서 생성되는 코드 재생 신호의 모델식이다.
Figure pat00005
여기서
Figure pat00006
는 추적루프(416)에 의해서 수신된 신호의 코드 위상과 동기되는 코드 위상값이고, d는 코드 1 chip에 해당하는 시간 지연을 의미한다.
위와 같이 생성되는 반송파 재생신호와 코드 재생신호를 곱하여 추적루프(Tracking loop)(416)의 입력으로 사용하는 상관 적분값은 아래의 [수학식 4] 내지 [수학식 6]에서와 같이 총 6개의 I, Q로 모델링된다.
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
위 [수학식 4] 내지 [수학식 6]에서
Figure pat00010
는 도플러 오차, T는 상관적분 시간,
Figure pat00011
는 입력 신호의 세기, No는 잡음 수준,
Figure pat00012
는 입력신호와 동기된 위상 지연
Figure pat00013
를 입력으로 했을 경우의 상관값, D는 항법 데이터 비트,
Figure pat00014
는 반송파 위상 오차를 의미한다.
위와 같은 [수학식 4] 내지 [수학식 6]의 상관 적분값을 이용하여 기저대역 신호처리부(410)의 신호추적루프는 매 시간 수신기가 재생한 반송파 위상
Figure pat00015
과 코드 위상
Figure pat00016
가, 실제 입력되는 위성항법 신호의 반송파 위상 및 코드 위상과의 차이를 추정하고, 그 오차 만큼을 폐루프 보상한다.
따라서, 도 4의 기준 안테나(402)에 연결된 기저대역 신호처리부(410)에서와 같이 폐루프로 구성되는 신호추적루프가 구비되는 경우, 적절한 반송파 위상 및 코드 위상이 재생되어 신호추적 입력 반송파 생성기(419)와 코드 생성기(418)를 제어하는 경우 추적 오차는 0으로 수렴한다. 이때, 추적루프(416)에는 [수학식 4] 내지 [수학식 6]을 처리하여 입력되는 위성항법 신호와 수신기(400)가 재생하는 재생 신호의 오차를 추정하는 기능을 판별기(discriminator)가 포함될 수 있으며, 반송파와 코드에 대해 일반적으로 사용되는 판별기는 [수학식 7], [수학식 8]에 나타난 바와 같이 오차를 추정하게 된다. 이 때,
Figure pat00017
는 각각 반송파와 코드의 위상 오차이다.
Figure pat00018
Figure pat00019
앞에서 설명한 바와 같이 도 4의 기준 안테나에 연결되는 기저대역 신호처리부(410)에서 처리되는 기저대역 신호의 반송파 및 코드 위상 오차는 0으로 수렴한다.
하지만 기준 안테나(402) 이외의 나머지 안테나(403)로부터 입력되는 신호를 처리하는 기저대역 신호처리부(420)에서는 자체 폐루프 보상 입력이 아닌 기준 안테나에서 수신된 신호에 기준된 반송파 및 코드 위상 추정값인 반송파 재생 신호(Carrier NCO1) 및 코드 재생 신호(Code NCO1)를 입력으로 사용하기 때문에 [수학식 7]과 [수학식 8]에서 계산되는 반송파 및 코드 위상의 오차가 발생하게 된다.
하지만 안테나의 위치가 서로 근접하기 때문에 위성의 위치와 각 배열 안테나 배치의 기하 관계에 따라 발생하는 안테나-위성간의 거리 차이만큼의 오차 수준으로 제한되는 특징을 갖게 된다.
따라서 본 발명의 일실시예에서는 도 4와 같이 기준 안테나(402) 이외의 다른 안테나(403)에 연결되는 기저대역 신호처리부(420)에는 폐루프 제어기 대신 반송파 처리기(422), 코드 처리기(424), 판별기(discriminator)(426)만을 적용하고 이후 기만 대응 알고리즘에서 전처리 과정을 적용하여 수신기의 구조를 단순화하였다.
또한, 도 4의 기준 안테나(402)에 연결된 기저대역 신호처리부(410)는 기준 안테나(402)로부터 입력된 위성항법 신호에 대한 기저대역 신호처리를 수행한 후, 의사거리 측정치와 반송파 측정치를 출력하게 되며, 이러한 의사거리 측정치와 반송파 측정치는 기만 대응 알고리즘의 전처리를 수행하는 전처리부(pre-processing)(430)로 입력될 수 있다. 이때, 이러한 의사거리 측정치와 반송파 측정치는 아래의 [수학식 9]와 [수학식 10]에서와 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00020
Figure pat00021
위 [수학식 9]와 [수학식 10]에서 아래 첨자는 안테나의 번호(1번을 기준 안테나로 가정), 위 첨자는 수신되는 위성에 대해 할당되는 채널 번호이다.
한편, 기준 안테나(402) 이외의 다른 안테나(403)로부터 입력되는 신호를 처리하는 기저대역 신호처리부(420)는 반송파 생성기(Carrier NCO) 및 코드 생성기(Code NCO)가 없기 때문에 의사거리 및 반송파 측정치를 생성할 수 없다. 따라서 본 발명의 일실시예의 전처리부(430)가 기준 안테나(402)를 제외한 나머지 안테나(403)의 판별기(426)에서 출력되는 오차와 기준 안테나(402)의 기저대역 신호처리부(410)에서 출력되는 의사거리 측정치와 반송파 측정치를 나타내는 [수학식 9], [수학식 10]을 조합하여 기준 안테나(402) 이외에 나머지 안테나(403)에서의 측정치를 추정하도록 구현한다.
이때, 예를 들어 기준 안테나(402)인 1번 안테나에서 수신되는 신호를 추정하는 반송파 재생 신호(Carrier NCO1) 및 코드 재생 신호(Code NCO1) 값을 2번 안테나(403)에서 수신되는 신호와 상관(correlation)하여 획득되는 상관 적분값은 아래와 [수학식 11] 내지 [수학식 13]과 같이 모델링할 수 있다. 여기서
Figure pat00022
는 각각 반송파와 코드위상의 오차를 의미한다.
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
위 [수학식 11] 내지 [수학식 13]의 상관적분결과를 [수학식 7]과 [수학식 8]의 판별기(426) 입력으로 처리하면 2번 안테나(403)의 신호를 1번 안테나인 기준 안테나(402)의 신호로 처리하기 때문에 발생하는 오차인
Figure pat00026
를 각 위성에 대하여 계산할 수 있고, 이것은 물리적으로 1번 안테나(402)와 2번 안테나(403)에서 수신되는 반송파 위상과 의사거리의 차이를 의미한다. 아래의 [수학식 14]와 [수학식 15]는 2번 안테나(403)에서 추정된 각 위성에 대한 반송파 및 코드 위상 오차를 정의한 식이다.
Figure pat00027
Figure pat00028
이에 따라, 최종적으로 2번 안테나(403)에 연결된 기저대역 신호처리부(420)로부터 출력되는 의사거리 및 반송파 측정치는 아래의 [수학식 16]과 [수학식 17]과 같이 추정될 수 있다. 이때, C는 빛의 속도를 의미한다.
Figure pat00029
Figure pat00030
위 [수학식 14] 내지 [수학식 17]에서 기술한 2번 안테나(403)에 대한 코드 및 반송파 위상 오차와 의사거리 및 반송파 측정치 추정은 1번 기준 안테나(402) 이외의 모든 안테나(403)에 연결되는 기저대역 신호처리부(420)에 적용될 수 있다. 즉, 전처리부(430)에서는 1번 기준 안테나(402)를 제외한 임의의 i번째 안테나(403)에 대한 의사거리 및 반송파 측정치 추정값을 아래의 [수학식 18]과 [수학식 19]과 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00031
Figure pat00032
즉, 본 발명의 일실시예에 따르면, 자체 폐루프 신호추적 루프를 구성하지 않는 기저대역 신호처리부(420)에서도 위 [수학식 18]과 [수학식 19]에서과 같이 의사거리 및 반송파 측정치를 추정할 수 있도록 하여 기만 대응 위성항법 수신기(400)의 기저대역 신호처리부(410, 420)의 회로 구조를 상대적으로 간단히 구성할 수 있어, 기만 대응 위성항법 수신기의 하드웨어의 복잡성을 개선할 수 있고, 제작 비용도 절감할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 기저대역 신호처리 기법이 적용된 기만대응 배열 안테나 위성항법 수신기(400)에서 기만 대응 동작 제어 흐름을 도시한 것이다. 이하, 도 4 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법 수신기(400)는 위성항법 신호를 수신하는 복수의 안테나로 구성된 배열 안테나에서 위성항법 신호를 수신한다(S500).
이어, 위성항법 수신기(400)는 복수의 안테나 중 선택된 하나의 기준 안테나(402)로부터 수신된 위성항법 신호에 대해 추적루프(tracking loop)(416), 반송파 생성기(Carrier NCO)(419), 코드 생성기(Code NCO)(418) 등을 포함하는 신호추적루프를 통해 위성항법 신호의 코드 위상 및 반송파 위상과 각기 동기된 코드 재생 신호와 반송파 재생 신호를 생성한다(S502).
그리고, 위성항법 수신기(400)는 위와 같이 생성된 코드 재생 신호 및 반송파 재생 신호와 하나의 기준 안테나(402)를 제외한 나머지 안테나(403)의 각각으로부터 수신된 위성항법 신호간 코드 위상 오차와 반송파 위상 오차를 추정한다(S504).
이어, 위성항법 수신기(400)는 하나의 기준 안테나(402)로부터 수신된 위성항법 신호를 통해 산출된 위성항법 신호의 의사거리 측정치 및 반송파 측정치를 나머지 안테나(403) 각각에서 추정된 각각의 코드 위상 오차와 상기 반송파 위상 오차를 조합한다(S506).
그런 후, 위성항법 수신기(400)는 위와 같은 조합을 통해 나머지 안테나(403)의 각각으로부터 수신된 각 위성항법 신호에 대한 위성항법 신호의 의사거리 측정치와 반송파 측정치를 추정한다(S508).
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 기만 대응 위성항법 수신기에 있어서, 복수의 안테나 중 하나의 기준 안테나에 대해서만 기저대역 신호처리부에 폐루프로 구성되는 신호추적 루프를 구성하고, 그 외에 나머지 안테나의 기저대역 신호처리부에서는 신호추적 루프를 구성하지 않고, 기준 안테나의 폐루프 보정값을 사용함으로써 기만 대응 위성항법 수신기의 구조를 단순화할 수 있다.
본 발명에 첨부된 각 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
404, 405 : RF 신호처리부 410, 420 : 기저대역 신호처리부
412 : 반송파 처리기 414 : 코드 처리기
416 : 추적루프 418 : 코드 생성기
419 : 반송파 생성기 426 : 판별기
430 : 전처리부

Claims (8)

  1. 위성항법 신호를 수신하는 복수의 안테나로 구성된 배열 안테나와,
    상기 복수의 안테나 중 하나의 안테나에 연결되며, 상기 위성항법 신호의 코드 위상 및 반송파 위상과 각기 동기된 코드 재생 신호와 반송파 재생 신호를 생성하는 제1 기저대역 신호처리부와,
    상기 복수의 안테나 중 상기 하나의 안테나 외에 나머지 안테나에 각각 연결되며, 상기 제1 기저대역 처리부로부터 생성된 상기 코드 재생 신호 및 상기 반송파 재생 신호를 인가받고, 상기 코드 재생 신호 및 상기 반송파 재생 신호와 상기 나머지 안테나 중 자신과 연결된 안테나로부터 수신된 상기 위성항법 신호간 코드 위상 오차와 반송파 위상 오차를 추정하는 적어도 하나의 제2 기저대역 신호처리부와,
    상기 제1 기저대역 신호처리부로부터 상기 위성항법 신호에 대한 의사거리 측정치와 반송파 측정치를 입력받고, 상기 제2 기저대역 신호처리부로부터 출력되는 상기 나머지 안테나 각각의 상기 코드 위상 오차와 상기 반송파 위상 오차를 상기 의사거리 측정치와 상기 반송파 측정치와 조합하여 상기 나머지 안테나의 각각에서 수신된 상기 위성항법 신호에 대한 의사거리 측정치와 반송파 측정치를 추정하는 전처리부와,
    상기 전처리부로부터 추정된 의사거리 측정치와 반송파 측정치에 기초하여 기만 신호 여부를 판별하는 기만 대응 및 PVT 처리부를 포함하는
    기만 대응 위성항법 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 기저대역 신호처리부는,
    상기 반송파 재생 신호를 생성하는 반송파 생성기와,
    상기 코드 재생 신호를 생성하는 코드 생성기와,
    상기 기준 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호에 상기 반송파 재생 신호를 곱하는 반송파 처리기와,
    상기 기준 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호에 상기 코드 재생 신호를 곱하는 코드 처리기와,
    상기 반송파 처리기와 상기 코드 처리기를 통해 상기 반송파 재생신호 및 상기 코드 재생 신호와 곱해진 상기 위성항법 신호의 상관값을 누적한 상관 적분값을 이용하여 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 상기 코드 재생 신호의 코드 위상 차이를 추정하고, 상기 위성항법 신호의 반송파 위상과 상기 반송파 재생 신호간 반송파 위상 차이를 추정한 후, 상기 위상 차이를 폐루프 보상하여 상기 코드 재생 신호와 상기 반송파 재생 신호를 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 반송파 위상과 동기시키는 추적루프를 포함하는
    기만 대응 위성항법 수신기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 기저대역 신호 처리부는,
    상기 제1 기저대역 신호 처리부로부터 제공된 상기 반송파 재생 신호와 상기 각 나머지 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호를 곱하는 반송파 처리기와,
    상기 제1 기저대역 신호 처리부로부터 제공된 상기 코드 재생 신호와 상기 나머지 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호를 곱하는 코드 처리기와,
    상기 반송파 처리기와 상기 코드 처리기를 통해 상기 반송파 재생신호와 상기 코드 재생 신호와 곱해진 상기 위성항법 신호의 상관값을 누적한 상관 적분값을 이용하여 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 상기 코드 재생 신호의 코드 위상 차이를 추정하고, 상기 위성항법 신호의 반송파 위상과 상기 반송파 재생 신호간 반송파 위상 차이를 추정하는 판별기를 포함하는
    기만 대응 위성항법 수신기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나는,
    상기 위성항법 신호의 반송파 주파수의 파장 이내에 위치하도록 배열되는
    기만 대응 위성항법 수신기.
  5. 복수의 안테나로 구성된 배열 안테나, 제1 기저대역 신호 처리부, 제2 기저대역 신호 처리부, 전처리부와 기만 대응 및 PVT 처리부를 포함하는 위성항법 수신기에 의한 기만 대응 방법으로서,
    상기 복수의 안테나에서 위성항법 신호를 수신하는 단계와,
    상기 제1 기저대역 신호 처리부에서 상기 복수의 안테나 중 하나의 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호의 코드 위상 및 반송파 위상과 각각 동기된 코드 재생 신호와 반송파 재생 신호를 생성하는 단계와,
    상기 제2 기저대역 신호 처리부에서 상기 코드 재생 신호 및 상기 반송파 재생 신호와 상기 하나의 안테나를 제외한 나머지 안테나의 각각으로부터 수신된 상기 위성항법 신호간 코드 위상 오차와 반송파 위상 오차를 추정하는 단계와,
    상기 전처리부에서 상기 하나의 안테나로부터 수신된 상기 위성항법 신호의 의사거리 측정치와 반송파 측정치와 상기 나머지 안테나 각각의 상기 코드 위상 오차와 상기 반송파 위상 오차를 조합하여 상기 나머지 안테나의 각각으로부터 수신된 상기 위성항법 신호의 의사거리 측정치와 반송파 측정치를 추정하는 단계와,
    상기 기만 대응 및 PVT 처리부에서 상기 추정된 의사거리 측정치와 반송파 측정치에 기초하여 기만 신호 여부를 판별하는 단계를 포함하는
    위성항법 수신기에 의한 기만 대응 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는,
    상기 제1 기저대역 신호 처리부에서 상기 반송파 재생 신호 및 상기 코드 재생 신호를 생성하는 단계와,
    상기 하나의 안테나로부터 수신되는 상기 위성항법 신호에 상기 반송파 재생 신호 및 상기 코드 재생 신호를 곱하는 단계와,
    상기 반송파 재생신호 및 상기 코드 재생 신호와 곱해진 상기 위성항법 신호의 상관값을 누적하여 상관 적분값을 생성하는 단계와,
    상기 상관 적분값을 이용하여 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 상기 코드 재생 신호의 코드 위상 차이를 추정하고, 상기 위성항법 신호의 반송파 위상과 상기 반송파 재생 신호간 반송파 위상 차이를 추정하는 단계와,
    상기 위상 차이를 폐루프 보상하여 상기 코드 재생 신호와 상기 반송파 재생 신호를 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 반송파 위상과 동기시키는 단계를 포함하는
    위성항법 수신기에 의한 기만 대응 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 오차를 추정하는 단계는,
    상기 제2 기저대역 신호 처리부에서 상기 반송파 재생 신호 및 상기 코드 재생 신호와 상기 나머지 안테나의 각각으로부터 수신되는 상기 위상항법 신호를 곱하는 단계와,
    상기 반송파 재생신호와 상기 코드 재생 신호와 곱해진 상기 위성항법 신호의 상관값을 누적하여 상관 적분값을 생성하는 단계와,
    상기 상관 적분값을 이용하여 상기 위성항법 신호의 코드 위상과 상기 코드 재생 신호의 코드 위상 차이를 추정하고, 상기 위성항법 신호의 반송파 위상과 상기 반송파 재생 신호간 반송파 위상 차이를 추정하는 단계를 포함하는
    위성항법 수신기에 의한 기만 대응 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나는,
    상기 위성항법 신호의 반송파 주파수의 파장 이내에 위치하도록 배열되는
    위성항법 수신기에 의한 기만 대응 방법.



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