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문제 정의
- 2장은 본론으로 3개의 절로 구성된다. 각각의 절은 위성항법 신호감시국용 수신기의 구조/안정적 수신동작을 위한 개선항목/개선된 수신기 Long Run 시험 결과에 대해서 기술하였다. 다음으로 3장에 결론을 기술하였다.
- 본 논문은 위성항법신호감시국 용도로 개발된 위성항법 수신기의 장기 시험 및 시험에 따른 수정보완 구현결과에 대해 기술하였다.
제안 방법
- 상기한 문제의 해결을 위해, 위성 위치 계산시 필요한 Ephemeris 정보의 TOW시간을 저장하고, 기존 수신기 시간과 Ephemeris TOW 시간 간의 차가 2시간 이상일 경우 Ephemeris 정보의 유효함에 대한 플래그를 초기화하여 기존 Ephemeris의 사용가능성을 없애도록 수정하였다. 또한 위성 위치를 계산할 때 기존 Ephemeris 정보에 대한 유효 Flag를 참조하여 정상 Ephemeris 정보에 대한 경우에만 위성 위치를 계산하도록 수정하였다. 또한, 지는 위성에 대해 PRN Ephemeris를 Clear하는 루틴을 삽입하였다.
- 또한 위성 위치를 계산할 때 기존 Ephemeris 정보에 대한 유효 Flag를 참조하여 정상 Ephemeris 정보에 대한 경우에만 위성 위치를 계산하도록 수정하였다. 또한, 지는 위성에 대해 PRN Ephemeris를 Clear하는 루틴을 삽입하였다. 이는 구현상의 특징에 따른 것으로 채널에 대한 Ephemeris와 PRN Ephemeris를 별도로 관리하는 데 따른 것이다.
- 수정 이전 조건은 CNo가 25dB-Hz 이상인 경우에 대해서만 PVT 계산을 수행하였다. 보다 상술하면, DSP 내부에 Calculate_PR이라는 함수가 실행되면, 해당 추적 위성의 의사거리가 유효함을 나타내는 신호가 발생하는 데, 이 신호의 발생 조건식을 추가 하였다. 또한, 채널의 상태가 한번 PVT 계산하는 집합에 포함되면, 해당 위성이 사라지지 않는 한은 계속해서 PVT 계산하는 집합에 포함되던 상태천이도를, 그림 6과 같이 일정 조건을 만족하지 않으면, PVT 계산하는 집합에서 제외시키는 루틴을 삽입하였다.
- 개선사항이 반영된 곳인 GPS L1 수신신호처리부는 FPGA와 DSP에 나뉘어 구현되었고, 해당 구성을 포함하는 한 장의 보드 형태이다. 보드와 MCB의 연결은 PCI 형태로 지원되는 데, 해당 구성을 포함하는 플랫폼을 사용하였고, MCB 내부의 UI 및 프로그램을 활용하여 개선사항 반영 결과 확인 및 장기시험 수행 결과를 확인 하였다.
- 본 응용에서는 그림 5의 민감도 동작 순서도를 바탕으로, 민감도 모드에서의 동작이 –130dBm까지 신호획득이 되도록 수정하였다.
- 수신기 장기 시험을 통한 원인 분석 및 개선 사항 반영 이전에는 그림 4에 나타난 바와 같이, 위성항법 신호감시국용 수신기로 활용 가능한 정도를 보였으나, 시험 기간이 길어지면, ENU 에러가 수백km까지 증가하는 등의 ENU burst(ENU 에러가 급격히 증가하는 상황)가 발생하면서, 수신기의 동작 상태가 비정상적인 상태로 천이하는 현상이 발생하였다. 본래의 용도인 위성항법 신호감시국용 수신기로 활용을 위해 장기시험을 통해 현상을 분석하고, 개선 사항을 반영하였다.
- 상기한 문제의 해결을 위해, 위성 위치 계산시 필요한 Ephemeris 정보의 TOW시간을 저장하고, 기존 수신기 시간과 Ephemeris TOW 시간 간의 차가 2시간 이상일 경우 Ephemeris 정보의 유효함에 대한 플래그를 초기화하여 기존 Ephemeris의 사용가능성을 없애도록 수정하였다. 또한 위성 위치를 계산할 때 기존 Ephemeris 정보에 대한 유효 Flag를 참조하여 정상 Ephemeris 정보에 대한 경우에만 위성 위치를 계산하도록 수정하였다.
- 이러한 현상의 해결을 위해, PVT 계산에 포함되는 위성의 상태에 대한 조건을 강화하여 CNo가 40dB-Hz 이상이고, 앙각이 5도 이상인 위성에 한해 PVT 계산을 수행하도록 수정하였다. 수정 이전 조건은 CNo가 25dB-Hz 이상인 경우에 대해서만 PVT 계산을 수행하였다. 보다 상술하면, DSP 내부에 Calculate_PR이라는 함수가 실행되면, 해당 추적 위성의 의사거리가 유효함을 나타내는 신호가 발생하는 데, 이 신호의 발생 조건식을 추가 하였다.
- 개선된 수신기의 장기시험 결과는 다음과 같다. 시험 조건 중 특이사항은 PVT 계산식에 포함되는 위성의 조건을 추적 루프에서 계산된 CNo가 40dB-Hz 이상이며, 해당 위성의 앙각이 5도 이상인 경우로 한정하였다. 일주일 동안의 시험 결과를 발췌하여 Plotting 하였다.
- 이렇게 되는 이유는 위성 시간은 일주 후 TOW 값이 초기화되나, 수신기 시간은 계속 증가되어 생기는 현상이며, 따라서 두 값을 뺀 해당 값이 일정 범위를 벗어나게 된다. 여기에서는 의사거리 계산 시 수신기 시간과 위성 시간을 604,800(일주간 초) 모듈로 연산을 활용하여 나머지를 취하여 해결하였다. 또한, 이와 관련하여 FPGA의 카운터 값을 604,800초가 지나면 초기화 하는 형태로 수정 구현을 완료하였다.
- 위성항법 지상국 시스템은 위성항법 신호감시국과 감시제어시스템, 상향링크국으로 구성되나 본 논문에서는 위성항법 신호감시국용 L1 수신기의 기술개발 결과에 대한 Long Run 시험에 관한 사항만을 다룬다.
- 또한, 떠오르는 위성인 경우, 앙각이 높아지면서 CNo가 일정 값 이상을 넘어서는 경우, 일시적으로 커진 ENU Error 값이 정상범위로 수렴하는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상의 해결을 위해, PVT 계산에 포함되는 위성의 상태에 대한 조건을 강화하여 CNo가 40dB-Hz 이상이고, 앙각이 5도 이상인 위성에 한해 PVT 계산을 수행하도록 수정하였다. 수정 이전 조건은 CNo가 25dB-Hz 이상인 경우에 대해서만 PVT 계산을 수행하였다.
- 이상적인 환경에서 개발 및 시험을 완료한 수신기이지만, 실제 Live 신호 수신을 위해서 고려되어야 할 각각의 요소에 대해서 시험 및 시험 결과를 바탕으로 한 수정보완이 이루어졌다.
- 전 절에서 설명한 바와 같은 구조를 갖는 기 개발된 위성 항법 신호감시국용 수신기에 대한 장기 시험을 수행하였다.
- 채널초기화관련 기준 CNo를 33dB-Hz, 25dB-Hz의 2가지 경우에 대하여 채널제어를 수행하였다. 채널제어 변경 결과 CNo 값이 낮은 경우, 해당 위성 관련 신호처리에서 신호추적을 초기화 하여 신호획득부터 재 수행됨을 볼 수 있으며, 기존의 낮은 CNo에 따른 현상은 나타나지 않았다.
대상 데이터
- 개선된 수신기의 장기시험을 위한 환경은 다음과 같다. GPS L1 live 신호 수신을 위한 안테나로 위성항법 지상국 용으로 제작된 것을 연구소의 옥상에 설치하여 사용 하였다. 주파수 하향 변환기 또한 위성항법 지상국 용으로 자체 제작된 것을 사용 하였다.
- GPS L1 live 신호 수신을 위한 안테나로 위성항법 지상국 용으로 제작된 것을 연구소의 옥상에 설치하여 사용 하였다. 주파수 하향 변환기 또한 위성항법 지상국 용으로 자체 제작된 것을 사용 하였다. 개선사항이 반영된 곳인 GPS L1 수신신호처리부는 FPGA와 DSP에 나뉘어 구현되었고, 해당 구성을 포함하는 한 장의 보드 형태이다.
성능/효과
- 결과적으로 낮은 앙각의 떠오르는 위성에 대해서 정상적로 신회획득이 이루어지며, 상용 수신기와 동일한 수의 위성에 대해서 신호처리가 가능함을 확인하였다.
- 본 수신기와 상용 수신기를 동일 수신 신호에 대하여 수신 결과를 비교하면, 수신기 동작 시작 시 신호획득 되는 위성의 수가 2~3개 적은 것을 볼 수 있으며, CNo는 적절하나 앙각이 낮은 새로 올라오는 위성의 경우 신호처리 하지 않는 현상을 발견하였다.
- ENU Error가 순간적으로 큰 값을 갖는 ENU Burst 발생 이전과 발생 시점의 수신 상태를 분석해본 결과, 새로운 위성이 PVT (Position, Velocity, Time) 계산하는 데 포함되는 시점이었다. 새로운 위성의 상태가 앙각이 낮고, CNo가 낮은 경우, 특히 지는 위성에 관한 경우는 ENU Burst에 대해서 좋지 않은 결과를 보였다. 보다 상술하면 다음과 같다.
- 또한, 채널의 상태가 한번 PVT 계산하는 집합에 포함되면, 해당 위성이 사라지지 않는 한은 계속해서 PVT 계산하는 집합에 포함되던 상태천이도를, 그림 6과 같이 일정 조건을 만족하지 않으면, PVT 계산하는 집합에서 제외시키는 루틴을 삽입하였다. 이 결과 ENU Burst 발생 빈도가 현격히 감소하였다.
- 해당 위성이 더욱 시간이 흘러 다시 앙각이 낮아지더라도 신호처리가 되는 현상이 발생하였다. 이러한 현상을 분석한 결과 이미 신호 획득이 완료된 위성에 대한 신호 추적은 해당 위성의 앙각이 낮아도 신호처리가 유지 되지만, 처음 낮은 앙각에서 시작하는 위성에 대한 신호획득 단계에서 문제가 되는 것으로 판단되었다.
- 채널초기화관련 기준 CNo를 33dB-Hz, 25dB-Hz의 2가지 경우에 대하여 채널제어를 수행하였다. 채널제어 변경 결과 CNo 값이 낮은 경우, 해당 위성 관련 신호처리에서 신호추적을 초기화 하여 신호획득부터 재 수행됨을 볼 수 있으며, 기존의 낮은 CNo에 따른 현상은 나타나지 않았다. 이는 성능 향상의 접근이라기보다는 상태 천이도의 정비에 따른 채널 제어 최적화로 볼 수 있다.
- 이후 정수 부분에 대하여 따로 604,800 초만큼 나머지를 구하고 소수점 이하 값을 더하면 수신기 시간과 위성 시간 모두 604,800을 넘지 않고 정상적인 의사거리 범위 내에 존재하게 된다. 해당 부분의 수정을 반영한 후, 채널수가 줄어들거나 수신기 시간이 틀어져 항법해가 나오지 않던 기존 현상이 사라졌다.
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