[논문]GPS(L1)/Galileo(E1/E5a) 다중 신호 통합 수신 소프트웨어 플랫폼 개발

전상훈; 소형민; 이택진; 김강호; 전승일; 김종원; 기창돈; 조영수; 최완식; 이상욱; 김재훈

[국내논문] GPS(L1)/Galileo(E1/E5a) 다중 신호 통합 수신 소프트웨어 플랫폼 개발
The Development of Post-Processing GPS(L1)/Galileo(E1/E5a) Software Receiving Platform using MATLAB 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.13 no.3 = no.36, 2009년, pp.311 - 318

전상훈 (서울대학교 기계항공공학부) , 소형민 (서울대학교 기계항공공학부) , 이택진 (서울대학교 기계항공공학부) , 김강호 (서울대학교 기계항공공학부) , 전승일 (서울대학교 기계항공공학부) , 김종원 (서울대학교 기계항공공학부) , 기창돈 (서울대학교 기계항공공학부) , 조영수 (한국전자통신연구소) , 최완식 (한국전자통신연구소) , 이상욱 (한국전자통신연구소) , 김재훈 (한국전자통신연구소)

초록
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본 논문에서는 GPS L1 신호와 Galileo E1/E5a 신호를 통합 처리하는 소프트웨어 수신 플랫폼 개발에 관한 연구를 설명한다. 급변하고 다양화 되는 GNSS시스템의 현 상황에서 소프트웨어 수신 플랫폼은 새로운 신호 처리에 대한 연구를 그 특성에 맞는 프로그램 수정만으로 가능하게 한다. 논문에서는 샘플링된 중간 주파수데이터로부터 MATLAB 툴을 이용하여 GPS L1 및 Galileo E1/E5a 신호를 통합적으로 처리하는 GPS/Galileo L1/E1/E5a 통합 수신 소프트웨어 플랫폼의 구조를 설명하고 구현된 플랫폼을 이용하여 데이터를 처리한 결과를 살펴본다. 구현된 프로그램은 기능과 역할에 따라서 모듈화 되었으며 각 모듈은 위성신호에 따라서 필요한 기능을 선택적으로 활용할 수 있도록 구성된다. 구현된 플랫폼은 GPS 신호의 경우 L1 C/A 코드를 이용한 항법해를 계산하고, Galileo E1/E5a 신호에 대해서는 항법 데이터를 추출하도록 구현되었다. GPS/Galileo 실제 위성의 신호 데이터를 이용하여 테스트 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper shows the research about the development of software receiving platform processing GPS/Galileo L1/E1/E5a signal. Various researches for new GNSS signal character are possible using software receiving platform by facile program code modification. In addition, the program that processes GPS and Galileo signal integration is expected to help developing integration of receiver algorithm that deal with new various GNSS signal. In this paper, it is introduced the structure of GPS/Galileo receiving platform using sampled IF data as a program input. The function of the software platform embodied using MATLAB tool is tested by live data from Galileo test satellites. The software platform is modulated according to their roll and function. Each module is able to use selective function on GNSS signal.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

항법해 계산 모듈은 내부적으로 GPS 항법데이터 처리 부분과 Galileo E1/E5a 항법데이터 처리 부분으로 나뉜다. GPS 항법해 계산모듈은 추적모듈의 결과물로부터 최종 항법해를 계산하고 Galileo 항법데이터 처리부분은 신호 추적 결과로부터 코딩 되어 있는 항법데이터를 읽어 내어 디코딩된 항법 데이터를 얻는 것을 목표로 한다[7].
본 논문에서는 L1 신호 대역의 GPS(Global Positioning System), Galileo E1신호와 E5신호 대역의 Galileo E5a신호를 통합 처리하는 소프트웨어 수신 플랫폼에 대해 설명한다. 이 플랫폼은 두 항법 위성 시스템의 신호와 두 주파수 대역을 처리하고 MATLAB기반 프로그램을 이용하여 모듈별 소프트웨어로 구현되어있어 알고리즘 구현이나 디버깅이 용이하다.

제안 방법

GPS data를 이용한 GPS-ICD 200에 근거하여 계산되었으며, 전리층 및 대류층 보정을 거쳤다. 그림 10의 위치해는 20ms동안 smoothing된 의사거리를 이용하여 20ms 간격으로 계산되었고, 도출된 위치해에 대해서는 별도의 필터를 구성하지 않은 결과이다.
완성된 결과물은 실제 Gaileo test 위성에서 수신한 GNSS 중간 주파수 샘플 데이터로 검증되었다. GPS 신호에 대해서는 위성 시계오차 보정, 전리층 및 대류층 보정을 수행하였다. 항법 정확도의 경우, 현재 상용 수신기에서 활용되고 있는 알고리듬에 대한 추가 연구를 통해 성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 예상된다.
E1신호의 경우 BOC(1,1)에 의한 자기 상관 모호성이 존재하기 때문에 이를 위해서 Bump-Jumping 방법을 적용하였지만, E5a 신호는 BPSK신호로 가정하고 수신 가능하므로 별도의 방법을 적용하지 않았다. Galileo항법 메시지 해독에 있어서는 ICD문서를 분석하여 구현된 코딩 기법 및 Interleaving, 메시지 구조에 맞는 해독 알고리듬을 구현하였다.
MATLAB기반의 GPS/Galileo L1/E1/E5a 통합 수신플랫폼을 구현하였다. 완성된 결과물을 이용하여 GPS위치해를 계산하였고, Galileo에 대해서는 항법 데이터를 해독하였다.
구현된 소프트웨어 수신 플랫폼에서는 신호의 종류를 포괄하는 통합적인 채널 추적 루프를 구현하고 설정만으로 선택적으로 적합한 신호를 선택하여 신호 추적 프로세스를 진행하도록 설계 되었다.
또한, Galileo의 테스트 위성인 GIOVE-A와 GIOVE-B 신호를 처리하여 항법 데이터를 해독하였다. E1신호의 경우 BOC(1,1)에 의한 자기 상관 모호성이 존재하기 때문에 이를 위해서 Bump-Jumping 방법을 적용하였지만, E5a 신호는 BPSK신호로 가정하고 수신 가능하므로 별도의 방법을 적용하지 않았다.
설계된 GPS/Galileo L1/E5a 통합 수신 플랫폼은 L1대역에 대해서는 GPS위성과 Galileo GIOVE-A 신호가 존재하는 저장된 실제 데이터를 이용하고, E5a대역에 대해서는 Galileo GIOVE-B 신호를 이용하여 검증하였다.
MATLAB기반의 GPS/Galileo L1/E1/E5a 통합 수신플랫폼을 구현하였다. 완성된 결과물을 이용하여 GPS위치해를 계산하였고, Galileo에 대해서는 항법 데이터를 해독하였다. 완성된 결과물은 실제 Gaileo test 위성에서 수신한 GNSS 중간 주파수 샘플 데이터로 검증되었다.
그림2에서 나타난 채널 추적루프는 In-phase와 Quad-phase의 반송파 상관 신호와, 각각 Early, Prompt, Late 3개의 코드 상관 신호를 구성하여 총 6개의 상관기를 기본적으로 포함하고, Galileo E1 신호의 경우 BOC신호에의한 자기상관 모호성을 고려하여 very early와 very late에 위치한 2쌍을 추가로 이용한다. 채널 별로 코드 한 주기 단위의 저장 데이터를 이용하며 저장된 IF 데이터로부터 얻은 신호를 수신기에서 생성한 반송파, 코드와 곱하고 누적하여 항법 신호에 대한 상관 값을 얻게 된다. 상관값을 바탕으로 코드 신호 추적을 위해서 DLL을, 반송파 신호 추적을 위하여 FLL/PLL을 이용한다[5][6].

대상 데이터

신호에 따른 샘플링 주파수 및 샘플링 비트 수, IF는 간단한 초기설정 변수의 수정만으로 저장된 신호 데이터 처리가 용이하게 설계 되었다. 데이터 처리 단위는 GPS L1신호와 Galileo E5a신호의 경우 코드 한 주기인 1ms, Galileo E1의 경우 E1B 코드의 한 주기인 4ms이다.
테스트 파일로는 L1 주파수 대역에 대해서는 안테나와 RF front-end를 거쳐 샘플링된 라이브 데이터를 사용하였고, Galileo E5a 대역에 대해서는 GIOVEB위성이 LOS(Line-Of-Sight)에 존재하는 시간에 RF front-end를 거친 라이브 데이터를 사용하였다. 사용된 파일에 대한 정보는 다음 표1과 같다.

성능/효과

L1 데이터 신호로 신호 획득 과정을 수행해 본 결과 GPS C/A코드를 이용하여 수행하였을 경우는 5개의 위성 PRN = [ 3 11 19 25 27 ]에 대해서 신호를 획득하였고, Galileo E1B코드를 이용한 경우는 GIOVEA에 해당하는 PRN 1번 위성이 획득 되었다.
데이터를 처리해 본 결과 수평방향으로는 5m정도의 bias와 5m정도의 표준편차를, 수직 방향으로는 13m정도의 bias와 30m정도의 표준편차를 나타내었다.

후속연구

GPS와 Galileo 두 GNSS시스템의 통합 항법해를 계산하고, L1/E5a 이중 주파수를 활용하여 정밀위치측정이 가능한 수신기의 개발이 구현된 플랫폼을 기반으로 발전 가능하다. 또한 E1신호의 경우 광대역 RF front-end에 적합한 CBOC(Composite Binary Offset Carrier)변조에 대해서도 활용 가능하도록 하는 연구가 기대된다.
GPS 신호에 대해서는 위성 시계오차 보정, 전리층 및 대류층 보정을 수행하였다. 항법 정확도의 경우, 현재 상용 수신기에서 활용되고 있는 알고리듬에 대한 추가 연구를 통해 성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MATLAB기반의 GPS/Galileo L1/E1/E5a 통합 수신플랫폼의 기대효과는?	완성된 결과물은 실제 Gaileo test 위성에서 수신한 GNSS 중간 주파수 샘플 데이터로 검증되었다. GPS 신호에 대해서는 위성 시계오차 보정, 전리층 및 대류층 보정을 수행하였다. 항법 정확도의 경우, 현재 상용 수신기에서 활용되고 있는 알고리듬에 대한 추가 연구를 통해 성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 예상된다. 또한, Galileo의 테스트 위성인 GIOVE-A와 GIOVE-B 신호를 처리하여 항법 데이터를 해독하였다. E1신호의 경우 BOC(1,1)에 의한 자기 상관 모호성이 존재하기 때문에 이를 위해서 Bump-Jumping 방법을 적용하였지만, E5a 신호는 BPSK신호로 가정하고 수신 가능하므로 별도의 방법을 적용하지 않았다.
	신호 추적 모듈란 무엇인가?	신호 추적 모듈은 신호 획득 부에서 얻은 위성 PRN, 도플러 주파수, 코드 지연값에 대한 정보를 이용하여 도플러 값과 코드 위상에 대한 정보를 DLL(Delay Lock Loop)/PLL(Phase Lock Loop)/FLL(Frequency Lock Loop)의 추적 루프를 통해서 정밀하게 추적하는 단계를 말한다. GPS L1 C/A코드와 Galileo E5a의 경우 BPSK신호의 특성을 가지므로 추적 루프의 구조가 유사하나 E1신호의 경우 BOC변조에 의한 자기 상관 최대 크기에 대한 모호성이 존재하여 추가적인 상관기와 알고리듬이 필요하다[4].
	신호 획득 모듈의 역할은?	신호 획득 모듈은 위성이 제공하는 항법 신호로부터 코드에 해당하는 대역폭과 주파수에 대해서 필요한 정보를 얻고 신호를 추적하기 위한 정보를 신호추적 모듈로 전달하는 역할을 한다. 이 모듈에서는 GPS L1과 Galileo E1/E5a 신호 각각 신호 획득이 이루어지게 되지만 기본적인 함수의 구조와 입출력 형식은 같도록 유지한다.

참고문헌 (7)

http://www.esa.int/esaNA/galileo.html
James Bao, Yen Tsui, Fundamentals of Global Positioning System Receivers, Wiley-interscience, 2005
Galileo Project Office, GIOVE-A+B SIS ICD ,2008
전상훈, 소형민, 김강호, 기창돈, 조영수, 최완식, “Galileo E1B신호 소프트웨어 수신 프로그램 개발”, 한국항행학회 논문지, vol 12. no. 6, pp 574-582, Dec 2008

원문보기 상세보기
Elliot D.Kaplan, Understanding GPS, 2nd Edition Artech house, pp 173-179
S. A. Stephens, J.B. Thomas, "Controlled-Root Formulation for Digital Phase-Locked Loops", IEEE Transactions on aerospace and electronics systems, vol 31, No 1. Jan 1995, pp73-95
전상훈, 소형민, 김강호, 기창돈, 조영수, 최완식, “Matlab을 이용한 후처리 GPS(L1) /Galileo(E1) 통합신호 수신 플랫폼 개발”, 2008 GNSSWORKSHOP, Oct. 2008

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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