[논문]GPS 수신기를 위한 모델 기반 다중경로 신호 추정 기법

임덕원; 최헌호; 허문범; 이상정

doi:10.5302/j.icros.2012.18.4.391

GPS 수신기를 위한 모델 기반 다중경로 신호 추정 기법
A Model-Based Multipath Estimation Technique for GPS Receivers 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.18 no.4, 2012년, pp.391 - 399

임덕원 (한국항공우주연구원) , 최헌호 (충남대학교 전자공학과) , 허문범 (한국항공우주연구원) , 이상정 (충남대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Multipath remains a dominant source of ranging errors in GNSS (Global Navigation Satellite System). And it is generally considered undesirable in the context of GNSS, since the reception of multipath can make significant distortion to the shape of the correlation function. In this paper, therefore, the model of the distorted shape of the correlation function is formulated and a MBME (Model-Based Multipath Estimation) technique for GPS L1/L5 receivers is proposed in order to estimate the parameters of the indirect signal such as the amplitude and the delay. The MBME technique does not require the any hardware modifications and it can estimate the parameters for both the short and long-delay multipath. Especially, it would be the very effective technique for the short-delay multipath if the L5 signal is available. Finally, the feasibility of the proposed technique has been confirmed by simulation results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 모델 기반 다중경로 신호 추정기법(MBME: Model-Based Multipath Estimator)을 제안한다. 제안하는 기법은 다중경로 신호를 추정하여 제거하는 방법으로서 상관기 하드웨어를 변경하지 않고도 간접경로 신호의 크기와 지연 시간을 추정할 수 있으며, 1칩 이내의 지연 시간을 갖는 간접경로 신호에 대하여 높은 정확도로 추정할 수 있다.

가설 설정

여기서 BX는 크기, sinc(x)≡sin(x)/x, T 는 적분주기, R(⋅)은 PRN 코드의 자기상관 함수로서 L1 PRN 코드와 L5 PRN 코드에 대하여 동일하다고 가정하였다.

제안 방법

GPS 위성은 BPSK (Binary Phase Shift Keying)방식을 이용하여 이진 형태의 항법메시지를 변조하고, 위성마다 가지고 있는 고유의 PRN (Pseudo-Random Noise) 코드를 이용하여 신호의 대역을 확산시켜서 방송한다. GPS 신호중에서 민간용으로 사용할 수 있는 신호로는 L1 C/A 신호, L2C 신호, L5 신호가 있으며, 이 중에서 L1 C/A 신호와 L5 신호의 특징을 요약하면 표 3과 같다.
소프트웨어 기반의 GPS L1/L5 IF 대역 신호생성기를 이용하여 신호를 생성하였고, GPS L1/L5 소프트웨어 수신기의 상관기 다음 블록에 MBME 기법을 구현하여 다중경로 신호를 추정하였다. 그런 다음 생성기에서 입력한 실제 값과 추정한 값을 비교하여 성능을 분석하였다. 이 때 간접경로 신호 파라미터로서 신호감쇄율(α)은 0, 0.
본 논문에서 제안한 MBME 기법의 성능을 검증하기 위하여 모의실험을 수행하였다. 모의실험 환경은 그림 6과 같다.
본 논문에서는 모델 기반 다중경로 신호 추정기법(MBME) 을 제안하였으며, MBME 기법은 상용 수신기의 상관기 하드웨어를 변경하지 않고도 간접경로 신호의 크기와 지연 시간을 추정할 수 있다. 또한 표 1과 표 2에서 언급한 다른 기법들은 일반적으로 단지연거리 또는 장지연거리에 대해서만 효과적인 것과 달리 MBME 기법은 300 m 이내의 모든 지연거리에 대하여 추정할 수 있다는 것을 확인하였다.
본 장에서는 II장에서 소개한 다중경로 신호 모델과 상관값 모델을 이용하여 간접경로 신호의 파라미터를 추정하는 기법을 제안한다. 간접경로 신호의 파라미터를 추정하기에 앞서서 식 (10)과 식 (11)에서 나타낸 상관함수를 식 (12)과같이 근사화 할 수 있다.
모의실험 환경은 그림 6과 같다. 소프트웨어 기반의 GPS L1/L5 IF 대역 신호생성기를 이용하여 신호를 생성하였고, GPS L1/L5 소프트웨어 수신기의 상관기 다음 블록에 MBME 기법을 구현하여 다중경로 신호를 추정하였다. 그런 다음 생성기에서 입력한 실제 값과 추정한 값을 비교하여 성능을 분석하였다.
이 때 간접경로 신호 파라미터로서 신호감쇄율(α)은 0, 0.25, 0.5, 0.75로 변경하였고 지연거리는 0 m에서 300 m까지 1 m간격으로 변경하였다.
본 논문에서는 모델 기반 다중경로 신호 추정기법(MBME: Model-Based Multipath Estimator)을 제안한다. 제안하는 기법은 다중경로 신호를 추정하여 제거하는 방법으로서 상관기 하드웨어를 변경하지 않고도 간접경로 신호의 크기와 지연 시간을 추정할 수 있으며, 1칩 이내의 지연 시간을 갖는 간접경로 신호에 대하여 높은 정확도로 추정할 수 있다.

성능/효과

그림 4와 그림 5는 상관기 칩간격이 1칩인 수신기에 신호 감쇄율이 0인 다중경로 신호가 입사하였을 때 지연거리에 따른 L1과 L5 판별기(discriminator) 출력값, 즉 L1과 L5 코드 추적 오차를 각각 나타낸 것이다. 두 결과에서 모두 각 코드의 1.5칩의 길이(L1의 경우 약 450 m, L5의 경우 약 45 m)에 해당하는 만큼의 지연거리까지 간접경로 신호의 영향을 받는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 모델 기반 다중경로 신호 추정기법(MBME) 을 제안하였으며, MBME 기법은 상용 수신기의 상관기 하드웨어를 변경하지 않고도 간접경로 신호의 크기와 지연 시간을 추정할 수 있다. 또한 표 1과 표 2에서 언급한 다른 기법들은 일반적으로 단지연거리 또는 장지연거리에 대해서만 효과적인 것과 달리 MBME 기법은 300 m 이내의 모든 지연거리에 대하여 추정할 수 있다는 것을 확인하였다. 추정 정확도는 신호감쇄율 및 적분시간에 따라 다르게 나타났으며, 신호감쇄율 α = 0이고 적분시간 T = 5 ms일 때 '구간1'에 대해서는 0.
참고문헌을 통하여 기존의 nEML, HRC, SBME 기법과 성능을 비교하면, 기존의 세 기법은 '구간1' ~ '구간2'에 대하여 2~4 m의 오차를 보이고 있으므로[22] 본 논문에서 제안한 MBME 기법이 더 좋은 성능을 보이는 것을 알 수 있다.
추정 정확도는 신호감쇄율 및 적분시간에 따라 다르게 나타났으며, 신호감쇄율 α = 0이고 적분시간 T = 5 ms일 때 '구간1'에 대해서는 0.69 m, '구간4'에 대해서 13.62 m의 추정 오차를 갖는 것으로 나타났다.
표 4는 간접경로 신호의 신호감쇄율과 수신기의 적분시간을 변화시키면서 구한 구간별 지연거리 추정 오차를 정리한 것이다. 표 4를 보면 신호감쇄율이 작고 지연거리가 짧을수록 추정 오차가 작게 나타나는 것을 알 수 있으며, 적분시간은 길수록 오차가 줄어들긴 하지만 5ms 이후부터는 크게 개선되지 않는 것을 알 수 있다.

후속연구

본 논문에서는 간접경로 신호가 1개인 경우에 대해서만 결과를 보였으나, 간접경로 신호가 여러 개인 경우에는 측정치 개수를 증가시켜서 본 논문에서 제안한 내용을 적용할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 본 논문에서 기준으로 삼은 모델에 대한 모델링 오차는 추후 실제 신호를 이용한 실험 시 분석할 예정이다.
본 논문에서는 간접경로 신호가 1개인 경우에 대해서만 결과를 보였으나, 간접경로 신호가 여러 개인 경우에는 측정치 개수를 증가시켜서 본 논문에서 제안한 내용을 적용할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 본 논문에서 기준으로 삼은 모델에 대한 모델링 오차는 추후 실제 신호를 이용한 실험 시 분석할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다중경로 신호 오차 감쇄 기법중에서 가장 간단한 방법은 무엇인가?	다중경로 신호 오차 감쇄 기법중에서 가장 간단한 방법은 다중경로 신호를 제거할 수 있는 안테나를 이용하는 것이며, 대표적으로 초크링 안테나와 다중빔 안테나가 있다. 초크링 안테나는 직접경로 신호가 RHCP (Right Hand Circular Polarization) 형태로 입사하고 간접경로 신호는 지형지물에 반사될 때 LHCP (Left Hand Circular Polarization) 형태로 변환되어 입사한다는 특징을 이용하여 간접경로 신호를 제거할 수 있는 기법이다.
	다중빔 안테나의 단점은?	다중빔 안테나는 배열 안테나를 이용하여 빔포밍(beam-forming) 또는 널링(nulling) 기법을 적용하여 간접경로 신호가 입사하는 방향의 안테나 이득을 줄이는 기법이다[1-5]. 하지만 안테나를 이용한 다중경로 신호 오차 감쇄 기법들은 구현이 복잡할 뿐만 아니라 비용이나 휴대성 측면에서 비효율적이라는 단점이 있다.
	초크링 안테나는 어떤 특징을 이용한 기법인가?	다중경로 신호 오차 감쇄 기법중에서 가장 간단한 방법은 다중경로 신호를 제거할 수 있는 안테나를 이용하는 것이며, 대표적으로 초크링 안테나와 다중빔 안테나가 있다. 초크링 안테나는 직접경로 신호가 RHCP (Right Hand Circular Polarization) 형태로 입사하고 간접경로 신호는 지형지물에 반사될 때 LHCP (Left Hand Circular Polarization) 형태로 변환되어 입사한다는 특징을 이용하여 간접경로 신호를 제거할 수 있는 기법이다. 다중빔 안테나는 배열 안테나를 이용하여 빔포밍(beam-forming) 또는 널링(nulling) 기법을 적용하여 간접경로 신호가 입사하는 방향의 안테나 이득을 줄이는 기법이다[1-5].

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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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