[논문]약 신호 환경에서의 Assisted-Galileo 신호 획득 성능 분석

임정민; 박지원; 성태경

doi:10.5302/j.icros.2013.12.1813

약 신호 환경에서의 Assisted-Galileo 신호 획득 성능 분석
Performance Analysis of Assisted-Galileo Signal Acquisition Under Weak Signal Environment 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.19 no.7, 2013년, pp.646 - 652

임정민 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 박지원 (한국원자력연구원 계측제어인간공학연구부) , 성태경 (충남대학교 전자전파정보통신공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

EU's Galileo project is a market-based GNSS (Global Navigation Satellite System) that is under development. It is expected that Galileo will provide the positioning services based on new technologies in 2020s. Because Galileo E1 signal for OS (Open Service) shares the same center frequency with GPS L1 C/A signal, CBOC (Composite Binary Offset Carrier) modulation scheme is used in the E1 signal to guarantee interoperability between two systems. With E1 signal consisting of a data channel and a pilot channel at the same frequency band, there exist several options in designing signal acquisition for Assisted-Galileo receivers. Furthermore, compared to SNR worksheet of Assisted-GPS, some factors should be examined in Assisted-Galileo due to different correlation profile and code length of E1 signal. This paper presents SNR worksheets of Galileo E1 signals in E1-B and E1-C channel. Three implementation losses that are quite different from GPS are mainly analyzed in establishing SNR worksheets. In the worksheet, hybrid long integration of 1.5s is considered to acquire weak signal less than -150dBm. Simulation results show that the final SNR of E1-B signal with -150dBm is 19.4dB and that of E1-C signal is 25.2dB. Comparison of relative computation shows that E1-B channel is more profitable to acquire the strongest signal in weak signal environment. With information from the first satellite signal acquisition, fast acquisition of the weak signal around -155dBm can be performed with E1-C signal in the subsequent satellites.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 Galileo OS 신호의 E1-B 및 E1-C 채널을 이용한 Assisted-Galileo 수신기의 최종 SNR 및 상대 계산량을 비교 분석하였다. SNR 분석표를 이용하여 최종 SNR을 해석하고 시뮬레이션을 통하여 이를 검증하였다.

가설 설정

E1-B 채널의 경우 동기 누적 시간이 4ms 이므로 이 때 1dB의 손실을 발생시키는 최대 잔여주파수는 65Hz 이므로 주파수 탐색 빈 크기를 130Hz로 설정하였다. E1-C 채널의 경우는 동기 누적 시간 길이에 제한이 없지만 동기 누적시간이 길어지면 주파수 탐색 빈 크기를 줄어야 하므로 본 논문에서는 E1-C 채널의 Tiered 코드 길이인 100ms의 동기 누적을 가정하였고 이 때 1dB의 손실을 발생시키는 주파수 탐색 빈 크기는 5.2Hz이다.
322MHz가 된다. 따라서 도플러 등을 고려하여 중간주파수 대역을 7.26MHz로 가정하였으며, 이러한 경우 잡음 전력은 다음과 같다[2].
Galileo의 항법 데이터는 E1-B 채널을 통하여 전송되는데 항법 데이터의 길이는 코드 길이인 4ms와 같으며 4ms 동기 누적을 수행하게 되면 항법 데이터의 비트 반전으로 인한 비트 조절 손실이 발생하지 않는다. 본 논문에서는 4ms의 동기 누적을 가정하였으며 비트 조절 손실을 제외한 세 가지 구현 손실만을 고려하였다.
본 장에서는 II 장에서 분석한 손실 및 이득을 갖는 수신기를 이용한다고 가정하고, 약 신호 환경에서 신호를 획득하기 위하여 혼합 중첩 기법을 도입한 경우의 SNR 분석표를 작성하였다. 데이터 채널인 E1-B에는 항법 메시지가 실려있기 때문에 최대 동기 누적 길이를 4ms로 설정하지만 파일럿 채널인 E1-C에는 데이터가 실려있지 않고 25비트의 Secondary 코드가 실려 있으므로 100ms 이내에서 필요에 따라 동기 누적 길이를 조절 할 수 있다.
식에서 W(τ) 와 S(τ) 는 각각 코드 위상의 검색 범위와 빈 크기로 단위는 chip이며, S(τ) =1/32칩으로 가정하였다.
842MHz의 표본화 주파수를 가져야 한다. 여기에서는 기본주파수 1.023MHz의 32배인 32.736MHz로 표본화를 하였다고 가정한다. 이러한 경우, 첨두값 근처에서의 기울기는 4.
736 µs 는 표본화 주기, N 은 비동기 누적 횟수이다. 정합 필터의 탭수 M =32,768로 가정하였다. 표 6은 Assisted-Galileo 수신기의 혼합 중첩 구조에 따른 상대 계산시간을 보인 것이다.
표 6은 Assisted-Galileo 수신기의 혼합 중첩 구조에 따른 상대 계산시간을 보인 것이다. 표에서 상대 계산 시간은 정합 필터의 동작 속도가 100Msps (symbol per second)로 가정하고 식 (6)의 상대 계산량을 이용하여 구하였다. 표에서 보는 바와 같이 첫 번째 위성의 경우, 동기 누적 길이를 길게 하면 최종 SNR이 높아지지만 계산량이 지수적으로 증가한다.

제안 방법

논문에서는 Galileo E1 OS 신호를 이용한 수신기의 민감도를 SNR 분석표(SNR worksheet)를 작성하여 분석하였다. Galileo E1 OS 대역에서는 CBOC (Composite Binary Offset Carrier) 변조 기법을 사용하기 때문에 자기상관 특성이 GPS 신호와 다르며, 이를 고려하여 분석표를 작성하였다. 또한 E1 OS 신호는 데이터 채널인 E1-B와 파일럿 채널인 E1-C로 이루어져 있고 E1-C 채널에는 항법 데이터가 실려 있지 않기 때문에 이를 고려하여 두 개의 신호에 대한 SNR 분석표를 각각 작성하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. II 장에서는 Galileo 수신기의 주요 구현 손실 요소인 주파수 부정합 손실, 코드 조절 손실, 양자화 손실 등에 대하여 분석하였다. 이를 토대로 정상상태의 신호에 대하여 Galileo E1 OS SNR 분석표를 작성하였으며, 시뮬레이터를 통하여 이를 검증하였다.
이를 토대로 정상상태의 신호에 대하여 Galileo E1 OS SNR 분석표를 작성하였으며, 시뮬레이터를 통하여 이를 검증하였다. III 장에서는 -150dBm의 약 신호에 대하여 1.5초 간 동기 및 비동기 누적을 수행한 Galileo E1 OS SNR 분석표를 E1-B 및 E1-C 신호의 특성에 맞게 각각 작성하였으며, 시뮬레이터를 통하여 SNR 분석표를 검증하였다. IV 장에서는 1.
SNR 분석표 작성을 통하여 얻은 최종 SNR과 시뮬레이션을 통하여 얻은 최종 SNR을 비교하였다. 그림 7과 그림 8은 E1-B 채널과 E1-C 채널에 대하여 RF Front End 신호 세기에 따른 최종 SNR의 변화를 보인 것이다.
SNR 분석표를 검증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 중간주파수 (IF; Intermediate Frequency) 대역의 신호를 생성한후 동기 누적 및 비동기 누적을 수행하여 최종 SNR을 구하였다.
본 논문에서는 Galileo OS 신호의 E1-B 및 E1-C 채널을 이용한 Assisted-Galileo 수신기의 최종 SNR 및 상대 계산량을 비교 분석하였다. SNR 분석표를 이용하여 최종 SNR을 해석하고 시뮬레이션을 통하여 이를 검증하였다. CBOC으로 변조되는 Galileo E1 OS 신호는 코드 조절 손실이 GPS L1 C/A와 비교하였을 때 큰 것을 확인하였다.
논문에서는 Galileo E1 OS 신호를 이용한 수신기의 민감도를 SNR 분석표(SNR worksheet)를 작성하여 분석하였다. Galileo E1 OS 대역에서는 CBOC (Composite Binary Offset Carrier) 변조 기법을 사용하기 때문에 자기상관 특성이 GPS 신호와 다르며, 이를 고려하여 분석표를 작성하였다.
Galileo E1 OS 대역에서는 CBOC (Composite Binary Offset Carrier) 변조 기법을 사용하기 때문에 자기상관 특성이 GPS 신호와 다르며, 이를 고려하여 분석표를 작성하였다. 또한 E1 OS 신호는 데이터 채널인 E1-B와 파일럿 채널인 E1-C로 이루어져 있고 E1-C 채널에는 항법 데이터가 실려 있지 않기 때문에 이를 고려하여 두 개의 신호에 대한 SNR 분석표를 각각 작성하였다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
2dB의 최종 SNR을 얻을 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 네 가지의 혼합 중첩 구조에 대하여 최종 SNR 및 상대 계산량을 분석하였다. 수신감도 성능과 신호획득 시간을 고려할 때, 첫 번째 위성 신호의 검색 시에는 상대적으로 신호가 강한 위성을 선택하여 4ms 동기 누적, 375번 비동기 누적하여 신호 획득을 수행하고 두 번째 위성 이후의 신호 검색 시에는 100ms 동기 누적, 15번 비동기 누적을 수행하는 것이 최적임을 확인하였다.
반대로 동기 누적 시간 T_c 를 줄이게 되면 최종 SNR이 낮아지므로 미약 신호 검출이 어려워진다. 본 논문에서는 주파수 부정합 손실이 -1.0dB가되도록 수신기를 설계하였으며, 이를 위하여 f_mT_c가 0.26이 되도록 설정하였다. E1-B 채널의 경우 동기 누적 시간이 4ms 이므로 이 때 1dB의 손실을 발생시키는 최대 잔여주파수는 65Hz 이므로 주파수 탐색 빈 크기를 130Hz로 설정하였다.
한편, 첫 번째 위성의 신호를 획득하면 두 번째 위성 신호 검출을 위해 찾아야 하는 코드 위상과 주파수 탐색 공간을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서는 첫 번째 위성의 신호를 탐색하는 경우와 첫 번째 위성의 신호를 탐색한 이후 다른 위성의 신호 검출하는 경우의 상대 계산량을 각각 분석하였다.
6dB이다[2]. 양자화 비트 수를 2로 설정하는 것이 충분함을 보이기 위하여 SNR 분석표를 작성하였다. -130dBm의 수신 신호를 7.
SNR 분석표를 검증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 중간주파수 (IF; Intermediate Frequency) 대역의 신호를 생성한후 동기 누적 및 비동기 누적을 수행하여 최종 SNR을 구하였다. 중간주파수가 7.
코드 조절 손실을 정량적으로 분석하기 위해 기존의 GPS 신호의 코드 조절 손실에 대한 식 [2]을 변형하여 Galileo 신호에 대한 식을 유도하였다. 하나의 코드 칩을 M번 표본화하는 시스템에서 발생할 수 있는 최대 잔여 코드 위상은 1/2M칩이다.

데이터처리

II 장에서는 Galileo 수신기의 주요 구현 손실 요소인 주파수 부정합 손실, 코드 조절 손실, 양자화 손실 등에 대하여 분석하였다. 이를 토대로 정상상태의 신호에 대하여 Galileo E1 OS SNR 분석표를 작성하였으며, 시뮬레이터를 통하여 이를 검증하였다. III 장에서는 -150dBm의 약 신호에 대하여 1.

이론/모형

Galileo E1 OS 수신기의 민감도를 분석하기 위하여 SNR 분석표[2]를 작성하였다. Galileo E1 OS 신호는 GPS L1 C/A 신호와 칩률은 같지만 CBOC 변조 기법을 거치면서 최고 주파수 성분은 1.

성능/효과

SNR 분석표를 이용하여 최종 SNR을 해석하고 시뮬레이션을 통하여 이를 검증하였다. CBOC으로 변조되는 Galileo E1 OS 신호는 코드 조절 손실이 GPS L1 C/A와 비교하였을 때 큰 것을 확인하였다. 약 신호 환경에서 Galileo 신호의 최종 SNR을 분석하였고 이를 통하여 -150 dBm의 E1-B 신호를 4ms 동기 누적, 375번 비동기 누적을 수행하면 19.
그림에서 E1-C(T_c, N_nc)는 E1-C 신호를 T_c 동안 동기 누적한 후 N_nc 번 비동기 누적을 하였음을 나타낸다. E1-C 혹은 E1-B 채널 단독으로 4ms 동기 누적, 375번 비동기 누적을 하는 경우의 성능이 가장 좋지 않고 동기 누적 시간이 25ms, 100ms로 늘어날수록 최종 SNR이 높아지는 것을 확인할 수 있다. E1-B와 E1-C 채널을 동시에 이용하는 것은 E1-C(25, 60)과 대등한 성능을 가진다.
9dB 로 감소한다. 그 결과, 최종 SNR은 25.2dB로 5.8dB 개선됨을 알 수 있다. 동기 누적이 길어지면 동기 누적 후 SNR이 높아지므로 제곱 손실이 적게 발생하여 보다 높은 최종 SNR을 얻을 수 있다.
그러므로 Assisted-Galileo 수신기의 경우, 수신감도 성능과 신호획득 시간을 고려할 때 첫 번째 위성에 대해서는 E1-B 와 E1-C를 동시에 이용하여 4ms 동기누적, 375번 비동기 누적 방식이 가장 유리하다. 그리고 두 번째 위성 이후에는 100ms 동기누적, 15번 비동기 누적 방식이 유리함을 알 수 있으며, 성공적인 신호획득을 위해서는 신호세기가 가장 강한 위성을 첫 번째 위성으로 선택하는 것이 유리하다.
4dB의 최종 SNR을 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한 -150dBm의 E1-C 신호를 100ms 동기 누적, 15번 비동기 누적을 수행하면 E1-B 신호보다 5.8dB 더 큰 25.2dB의 최종 SNR을 얻을 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 네 가지의 혼합 중첩 구조에 대하여 최종 SNR 및 상대 계산량을 분석하였다.
마지막으로 네 가지의 혼합 중첩 구조에 대하여 최종 SNR 및 상대 계산량을 분석하였다. 수신감도 성능과 신호획득 시간을 고려할 때, 첫 번째 위성 신호의 검색 시에는 상대적으로 신호가 강한 위성을 선택하여 4ms 동기 누적, 375번 비동기 누적하여 신호 획득을 수행하고 두 번째 위성 이후의 신호 검색 시에는 100ms 동기 누적, 15번 비동기 누적을 수행하는 것이 최적임을 확인하였다.
그림에서 시뮬레이션 결과값은 100회 시뮬레이션을 수행한 결과의 평균값이다. 시뮬레이션을 통하여 얻은 값이 SNR 분석표에서 예측했던 최종 SNR과 1dB 이내의 오차로 일치함을 확인하였다.
CBOC으로 변조되는 Galileo E1 OS 신호는 코드 조절 손실이 GPS L1 C/A와 비교하였을 때 큰 것을 확인하였다. 약 신호 환경에서 Galileo 신호의 최종 SNR을 분석하였고 이를 통하여 -150 dBm의 E1-B 신호를 4ms 동기 누적, 375번 비동기 누적을 수행하면 19.4dB의 최종 SNR을 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한 -150dBm의 E1-C 신호를 100ms 동기 누적, 15번 비동기 누적을 수행하면 E1-B 신호보다 5.
5dB 간격의 히스토그램을 보인 것이다. 최종 SNR값의 평균은 21.3dB로 실제 이론치에 근접한 것을 확인하였다. 따라서 Galileo E1 OS 채널의 디지털 기반 신호처리 시 양자화 비트 수를 2로 설정하는 것이 충분함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Galileo 계획은 어떻게 나뉠 수 있나?	유럽연합의 Galileo 계획은 군 주도의 GPS, GLONASS 등과 다르게 시장 기반의 독립적인 측위 시스템이다. 계획은 크게 IOV (In-Orbit Validation)와 FOC (Full Operational Capability)로 나뉠 수 있다. ESA (European Space Agency)는 두 대의 Galileo 테스트베드 위성에 대한 시험을 마쳤으며, 2011년 10월에 두 대의 IOV 위성을 발사하였고 2012년 10월에 남은 두 대의 IOV 위성을 발사하여 우주 및 지상국에 대한 성능 평가를 진행 중에 있다.
	유럽연합의 Galileo 계획은 무슨 시스템인가?	유럽연합의 Galileo 계획은 군 주도의 GPS, GLONASS 등과 다르게 시장 기반의 독립적인 측위 시스템이다. 계획은 크게 IOV (In-Orbit Validation)와 FOC (Full Operational Capability)로 나뉠 수 있다.
	동기 누적 방식에서 동기 누적 이득을 높이기 위하여 동기 누적 길이를 길게 할 때 생기는 주파수 부정합 오차를 줄이는 작업은 어떠한 문제점이 있는가?	동기 누적 방식은 신호의 주기적 특성을 이용 하여 일정 개수의 주기 신호를 누적하여 수신감도를 향상시키는 기법이나, 동기 누적 이득을 높이기 위하여 동기 누적 길이를 길게 하면 주파수 부정합 오차가 증가한다[5]. 주파수 부정합 오차의 영향을 줄이기 위하여 주파수 탐색 간격을 줄이면 신호 획득에 필요한 계산량이 증가하는 단점이 있다[6]. 한편, 동기 누적 후 이득이 작으면 비동기 누적 시 제곱 손실이 크게 발생하여 혼합 장기 중첩의 전체 이득이 낮아지는 문제가 있다[2].

참고문헌 (11)

http://www.esa.int/esaNA/galileo.html
F. V. Diggelen, AGPS: Assisted GPS, GNSS, and SBAS, Artech House, 2009.
S. H. Song, J. W. Park, J. H. Park, and T. K. Sung, "Performance analysis of signal acquisition in L2C Assisted GPS receivers," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 17, no. 1 pp. 61-67, Jan. 2011.

원문보기 상세보기
S. H. Park and S. J. Lee, "An efficient Assisted-GPS method in weak signal environment," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 10, no. 1, pp. 96-102, Jan. 2004.

원문보기 상세보기
J. W. Park, J. M. Lim, and T. K. Sung, "Enhancement of hearability in geolocation using mobile WiMAX network with interference cancellation and long integration," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 18 no. 4, pp. 375-383, Apr. 2012.

원문보기 상세보기
J. H. Park, H. J. Im, S. H. Song, and T. K. Sung, "Performance analysis of a residual frequency estimator for weak AGPS signals in frequency domain," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 16 no. 7, pp. 720-725, Jul. 2010.

원문보기 상세보기
E. Rebeyrol, O. Julien, C. Macabiau, L. Ries, A. Delatour, and L. Lestarquit, "Galileo civil signal modulations," GPS Solution, vol. 11, pp. 159-171, Jul. 2007.

상세보기
K. Borre, D. M. Akos, N. Bertelsen, P. Rinder, and S. H. Jensen, A Software-defined GPS and Galileo Receiver, Birkhauser, 2007.
T. Pany, Navigation Signal Processing for GNSS Software Receivers, Artech House, 2010.
A. Bensky, Wireless Positioning Technologies and Applications, Artech House, 2008.
G. W. Hein, J.-A. Avila-Rodriguez, S. Wallner, A. R. Pratt, J. Owen, J. Issler, J. W. Betz, C. J. Hegarty, S. Lenahan, J. J. Rushanan, A. L. Kraay, and T. A. Stansell, "MBOC: the new optimized spreading modulation recommended for GALILEO L1 OS and GPS L1C," Proc. of IEEE/ION PLANS 2006, San Diego, pp. 883-892, Apr. 2006.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증