[논문]GPS 교란 환경에서 벡터추적루프 기반 수신기 성능평가

송종화; 임성혁; 지규인

doi:10.5302/j.icros.2013.19.2.152

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In this paper, we represent the implementation and performance analysis of vector tracking loop based GPS receiver for jamming environment. The vector tracking loop navigation performance is compared by simulation with conventional tracking loop. The simulation results shows that vector tracking loo...

In this paper, we represent the implementation and performance analysis of vector tracking loop based GPS receiver for jamming environment. The vector tracking loop navigation performance is compared by simulation with conventional tracking loop. The simulation results shows that vector tracking loop is more robust than conventional tracking loop in jamming environment. The vector tracking loop can gain 2dB in jamming performance capability over a conventional GPS receiver. Also, Anti-jamming performance of INS Doppler aiding and deep integration method are compared.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 벡터추적루프를 기반으로 수신기를 구현하고, GPS 교란 환경에서 성능을 시뮬레이션을 통해서 평가하였다. 추가적으로 INS 도플러 도움정보 기법과 초강결합 기법을 구현하고 교란대응 성능을 분석하였다.
본 논문에서는 벡터추적루프를 구현하고 교란 신호에 대한 대응 성능을 평가하고 분석하였다. 벡터추적루프가 일반적인 신호추적루프보다 JSR 2 dB 이상의 이득이 있음을 확인하였으며, 교란 신호의 영향이 거의 없을 때도 더 나은 성능을 갖는 것을 확인하였다.

가설 설정

즉, 항법필터의 상태변수가 위치, 속도, 가속도 모델인 경우 3차 루프필터와 동일한 기동 추적성능을 가지며, 위치, 속도 모델인 경우 2차 루프필터와 동일한 기동 추적성능을 갖는다. 본 논문에서는 상태변수를 위치, 속도, 가속도, 시계오차, 시계오차의 변화율로 가정하였다.
CW 교란 신호는 다른 종류에 비해서 생성이 쉽고, 위치오차에 가장 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있어 이를 이용하였다[2]. 본 논문에서는 1개의 CW 교란신호가 입력된다고 가정하였으며, JSR의 범위 0~30으로 설정하였다. 교란신호는 신호추적 1초 후부터 입력되며 총 데이터 길이는 10초로 설정하였다.
교란신호는 신호추적 1초 후부터 입력되며 총 데이터 길이는 10초로 설정하였다. IMU 센서는 전략용 등급(tactical grade)으로 가정하고 센서 오차를 설정하였다. 데이터 생성부에서는 입력된 데이터를 기반으로 GPS와 교란신호 그리고 IMU 센서데이터를 생성한다.

제안 방법

최근 국내에서 2010년 8월과 지난해 3월, 올해 4월 세 차례에 걸쳐 GPS 이용을 방해하는 교란 신호가 발생하였다. 올해 4월에 발생한 교란 신호에 의해서 수도권과 중부지역에서 운항하는 항공기와 선박의 GPS가 동작하지 않아 운항에 차질을 빚었으며, 고가 INS를 이용한 대체항법을 통해서 운항하였다.
본 논문에서는 벡터추적루프를 기반으로 수신기를 구현하고, GPS 교란 환경에서 성능을 시뮬레이션을 통해서 평가하였다. 추가적으로 INS 도플러 도움정보 기법과 초강결합 기법을 구현하고 교란대응 성능을 분석하였다. II 장에서는 제안된 벡터추적루프의 구조와 항법필터를 나타내고, INS가 결합된 구조를 III 장에 나타내었다.
측정치는 기존 항법필터와 동일하게 의사거리와 의사거리 변화율로 설정하였다. 하지만 실제 입력되는 값은 변별기 출력이므로 아래의 관계식을 통해서 필터의 측정치 유수값으로 변환하였다.
본 논문에서는 1개의 CW 교란신호가 입력된다고 가정하였으며, JSR의 범위 0~30으로 설정하였다. 교란신호는 신호추적 1초 후부터 입력되며 총 데이터 길이는 10초로 설정하였다. IMU 센서는 전략용 등급(tactical grade)으로 가정하고 센서 오차를 설정하였다.
GPS 와 교란신호는 각각 생성된 후 합쳐져서 출력된다. 데이터 처리부에서는 일반적인 신호추적루프, 벡터추적루프, INS 도플러 도움정보 그리고 초강결합 기법 총 4가지 방법으로 데이터를 처리한다. 아래의 표 1과 2에 GPS와 IMU 데이터 생성 변수를 정리하였다.
생성된 GPS와 IMU 데이터를 이용하여 교란 대응 성능을 평가하였다. 먼저 일반적인 신호추적루프의 주파수 추적루프는 2차 FLL 도움방식의 3차 PLL을 사용하였고, 코드 추적루프는 1차 DLL에 반송파 도움정보 방식을 사용하였다.
생성된 GPS와 IMU 데이터를 이용하여 교란 대응 성능을 평가하였다. 먼저 일반적인 신호추적루프의 주파수 추적루프는 2차 FLL 도움방식의 3차 PLL을 사용하였고, 코드 추적루프는 1차 DLL에 반송파 도움정보 방식을 사용하였다. 신호 추적루프 임계값은 C/N0 35 dB로 설정하였다.
교란 대응 성능은 항법 오차와 항법해가 계산가능한 JSR로 평가하였다. 교란 신호의 세기를 증가시키면서 각 신호처리 알고리즘을 성능을 비교하였다.
교란 대응 성능은 항법 오차와 항법해가 계산가능한 JSR로 평가하였다. 교란 신호의 세기를 증가시키면서 각 신호처리 알고리즘을 성능을 비교하였다. 그림 9는 JSR 변화에 따른 항법오차를 나타낸다.

대상 데이터

IMU 센서는 전략용 등급(tactical grade)으로 가정하고 센서 오차를 설정하였다. 데이터 생성부에서는 입력된 데이터를 기반으로 GPS와 교란신호 그리고 IMU 센서데이터를 생성한다. GPS 와 교란신호는 각각 생성된 후 합쳐져서 출력된다.

이론/모형

따라서 GPS 수신기는 일반적인 신호추적루프 구조로 동작하다가 항법해가 추정되면 벡터추적루프 구조로 변경하도록 구현된다. 항법해가 추정되면 항법필터에서는 칼만필터 예측식을 이용해서 다음 순간에 항법해를 예측한다. 각 채널로 입력되는 의사거리와 주파수는 아래의 식과 예측된 항법해로부터 계산된다.
위의 그림 4는 초강결합 기법의 구조를 나타낸다. 기존의 벡터추적루프 구조에서 항법필터만 기존의 GPS/INS 약결합/강결합 기법을 적용함으로써 구현된다.
벡터추적루프는 일반적인 신호추적루프보다 5~7 dB 이득을 가지므로 신호추적루프 임계값을 C/N0 30 dB로 설정하였다. INS 항법알고리즘은 약결합 기법을 사용하였으며 상태변수를 위치, 속도, 자세, 자이로 바이어스, 가속도 바이어스 총 15차로 설정하였다.

성능/효과

먼저 파란색은 일반적인 신호추적루프를 기반으로 한 방법을 나타내며, 빨간색이 벡터추적루프 기반 방법의 결과를 나타낸다. 결과를 보면 전체적으로 일반적인 신호추적루프보다 벡터추적루프의 항법오차가 더 작음을 알 수 있다. 또한 두 방법 모두 JSR 25 dB 에서 항법오차가 갑자기 증가하는데 이는 C/A 의 교란에 대한 이득이 25 dB 이기 때문이다.
또한 두 방법 모두 JSR 25 dB 에서 항법오차가 갑자기 증가하는데 이는 C/A 의 교란에 대한 이득이 25 dB 이기 때문이다. JSR 25 dB 이후 증가하는 항법오차를 보면 벡터추적루프가 일반적인 신호추적루프보다 증가율이더 낮음을 알 수 있다. 또한 항법해 계산 가능한 JSR을 보면 일반적인 신호추적루프는 JSR 28 dB까지 계산가능하고, 벡터추적루프는 30 dB 이후에도 항법해 계산 가능함을 알 수 있다.
JSR 25 dB 이후 증가하는 항법오차를 보면 벡터추적루프가 일반적인 신호추적루프보다 증가율이더 낮음을 알 수 있다. 또한 항법해 계산 가능한 JSR을 보면 일반적인 신호추적루프는 JSR 28 dB까지 계산가능하고, 벡터추적루프는 30 dB 이후에도 항법해 계산 가능함을 알 수 있다. 위 결과로부터 벡터추적루프가 일반적인 신호추적루프보다 교란에 더 강인함을 알 수 있다.
또한 항법해 계산 가능한 JSR을 보면 일반적인 신호추적루프는 JSR 28 dB까지 계산가능하고, 벡터추적루프는 30 dB 이후에도 항법해 계산 가능함을 알 수 있다. 위 결과로부터 벡터추적루프가 일반적인 신호추적루프보다 교란에 더 강인함을 알 수 있다.
아래의 그림에서 점선은 INS와 결합된 방법을 나타낸다. 결과를 보면 INS 도플러 도움정보 기법이 벡터추적루프 기법보다 항법오차가 큰 것을 알 수 있다. 하지만 INS 결합 전 후 결과를 보면 INS를 결합한 경우 성능이 더 나아졌지만, 향상이 많이 되지 않음을 알 수 있다.
본 논문에서는 벡터추적루프를 구현하고 교란 신호에 대한 대응 성능을 평가하고 분석하였다. 벡터추적루프가 일반적인 신호추적루프보다 JSR 2 dB 이상의 이득이 있음을 확인하였으며, 교란 신호의 영향이 거의 없을 때도 더 나은 성능을 갖는 것을 확인하였다. INS 센서를 결합한 경우 성능향상이 크지 않았는데 이는 결합방법과 GPS 항법오차에 증가에 대한 IMU 결합을 판단하는 알고리즘이 없기 때문이다.

후속연구

이를 위해서 GPS 항법해 이상을 판단하는 기법과, 강결합기반 GPS/INS 결합이 필요하다. 이러한 내용은 추후 연구를 통해서 진행할 예정이다. 교란 신호 입력에 따른 가시 위성수와 위치 오차를 표 3과 4에 정리하였다.
INS 센서를 결합한 경우 성능향상이 크지 않았는데 이는 결합방법과 GPS 항법오차에 증가에 대한 IMU 결합을 판단하는 알고리즘이 없기 때문이다. 향후 연구를 통해서 GPS/INS 강결합에 따른 교란 대응 성능을 분석할 계획이다. 또한 다양한 등급의 IMU 센서에 대해서 교란 대응 성능을 평가하고 분석할 계획이다.
향후 연구를 통해서 GPS/INS 강결합에 따른 교란 대응 성능을 분석할 계획이다. 또한 다양한 등급의 IMU 센서에 대해서 교란 대응 성능을 평가하고 분석할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	벡터추적루프란 어떠한 방법인가	벡터추적루프는 신호추적 채널간 상관관계를 이용하여 신호추적루프 구성함으로써 성능을 향상시키는 방법이다. 일반적인 신호추적루프는 각 채널이 독립적이고 병렬로 동작하며, 각 채널은 그림 1과 같이 변별기, 루프필터 그리고 DCO로 구성되어있다.
	GPS가 일반 사용자 분야에서 이용이 증가되고 있는 이유는 무엇인가	이와 같이 위치정보의 활용분야가 확대됨에 따라 연속적이고 안정적이며, 그리고 정확한 항법해에 대한 요구가 커지고 있다. GPS 는 신호수신만 가능하면 비교적 정확하고 쉽게 위치를 계산할 수 있으므로 일반 사용자 분야에서 이용이 증가하고 있다.
	GPS와 같이 전파를 기반으로 하는 항법시스템의 단점은 무엇인가	GPS는 위성에서 송출되는 신호를 이용하여 수신기와 위성 사이의 거리를 계산하고 위치를 추정한다. 이와 같이 전파를 기반으로 하는 항법시스템은 다른 간섭신호나 의도된 교란 신호에 취약성을 갖고 있다. 최근 국내에서 2010년 8월과 지난해 3월, 올해 4월 세 차례에 걸쳐 GPS 이용을 방해하는 교란 신호가 발생하였다.

참고문헌 (6)

R. Landry and A. Renard, "Analysis of potential interference sources and assessment of present solutions for GPS/GNSS receivers," Proc. of the 4th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, May 1997.
S. H. Im, "A Design of GPS Receiver with Anti-Jamming Capability," Konkuk University, Thesis (M.A) (in Korean), 2005.
M. Trinkle and D. Gray, "GPS interference mitigation: overview and experimental results," SatNav 2001, July 2001.
B. W. Parkinson and J. J. Spilker Jr., "Global positioning system: theory and application volume I," AIAA, Washington, pp. 290- 312, 1996.
D. Benson, "Interference VDLL (Benefits of a Vector Delay Lock Loop) GPS receiver," Proc. of the 63rd Annual Meeting of The Institute of Navigation, Cambridge, MA, pp. 749-756, April 2007.
M. G. Petovello and G. Lachapelle, "Comparison of vectorbased software receiver implementations with application to ultra-tight GPS/INS integration," Proc. of the 19th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2006), Fort Worth, TX, pp. 1790-1799, Sep. 2006.

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