[논문]GPS 항재밍을 위한 적응 배열 안테나의 성능 분석

정태희

doi:10.9766/kimst.2013.16.3.382

GPS 항재밍을 위한 적응 배열 안테나의 성능 분석
Performance Analysis of Adaptive Array Antenna for GPS Anti-Jamming 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.16 no.3, 2013년, pp.382 - 389

정태희 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In anti-jamming GPS receiver, adaptive signal processing techniques in which the radiation pattern of adaptive array antenna of elements may be adaptively changed used to reject interference, clutter, and jamming signals. In this paper, I describes adaptive signal processing technique using the sample matrix inversion(SMI) algorithm. This adaptive signal processing technique can be applied effectively to wideband/narrowband anti-jamming GPS receiver because it does not consider the satellite signal directions and GPS signal power level exists below the thermal noise. I also analyzed the effects of covariance matrix sample size and diagonal loading technique on the system performance of five-element circular array antenna. To attain near optimum performance, more samples required for calculation covariance matrix. Diagonal loading technique reduces the system nulling capability against low-power jamming signals, but this technique improves robustness of adaptive array antenna.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 GPS 항재밍을 위한 적응 배열 안테나를 설계하고, 이에 사용된 적응 신호처리 알고리즘의 성능을 분석하였다.
여기서 S는 수신 신호의 입사 방향을 나타내는 조향 벡터(steering vector)이다. 본 논문에서는 배열 안테나의 1번 소자를 통해 들어온 신호를 기준으로 위성 신호가 천정 방향에서 오는 것을 가정하여 최적 가중치 W_opt를 구하기 위해서 조향 벡터 S를 다음과 같이 설정하였다.
본 논문에서는 적응 배열 안테나에서 광대역 및 협대역 재밍 신호를 제거하기 위한 적응 신호처리 알고리즘 중 sample matrix inversion(SMI) 방식에 대해 설명하였고, 이 알고리즘에서 최적 가중치(weight vector)를 계산할 때 입력 신호의 공분산 행렬(covariance matrix)을 사용하는데, 이 공분산 행렬을 계산할 때 사용한 샘플의 수와 공분산 행렬의 대각 성분을 수정하는 대각 로드(diagonal loading) 기법이 성능에 미치는 영향을 분석하였다.

제안 방법

적응 배열 안테나를 통해 수신된 위성 신호와 재밍 신호가 각 채널의 RF / IF부를 통과한 뒤 14-bit ADC를 통해 DAQ 장비에 각 채널 별로 저장된다. 각 채널 별로 저장된 신호를 사용하여 적응 신호처리 알고리즘에 대해 전산 모의 실험하였다.
다음 장에서 실제 위성 신호 및 재밍 신호가 함께 수신 될 때 샘플의 수 K와 대각 로드 상수 δ의 크기가 적응 배열 안테나의 항재밍 성능에 미치는 영향을 분석한다.
배열 안테나에서의 상호 결합은 한 소자가 다른 소자에 미치는 영향을 말하는데, 서로의 이득 패턴 및 입력 임피던스에 영향을 미치므로 작을수록 좋다. 배열 안테나의 상호 결합은 적응 배열 안테나의 항재밍 성능의 열화 요인 중 하나이므로^[4] 본 논문에서는 상호결합을-12 dB 이하로 설계하였다.
배열 안테나에서 재밍 신호의 수신 방향을 예상하여 해당 영역에 널(null)을 형성하여 재밍 신호를 감쇄시키기 위한 안테나 이득 패턴 변경 방법과 적응 신호처리 알고리즘을 이용하여 수신된 재밍 신호의 파워를 감쇄시키는 방법, 관성 항법 측정을 통한 수신기의 코드/반송파 추적 루프의 변경 등이 있다. 이 중 본 논문에서는 적응 배열 안테나와 적응 신호처리 알고리즘을 이용하여 수신된 재밍 신호의 파워를 최소화하는 방법을 설명하고 성능을 분석하였다.
이때 배열 안테나의 상호 결합(mutual coupling) 및 이득 패턴을 고려하여 각 소자 간의 간격은 반파장(λ/2)으로 설계하였다.
적응 신호처리 알고리즘에서 최적 가중치를 계산할때 입력 신호의 공분산 행렬을 사용하는데, 이 공분산 행렬을 계산할 때 사용한 샘플의 수와 공분산 행렬의 대각 성분을 수정하는 대각 로드 기법이 항재밍 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
적응 신호처리 알고리즘의 성능을 분석하기 위해서 다음과 같은 방법으로 전산 모의 실험을 진행하였다. 첫 번째로 공분산 행렬을 계산할 때 사용한 샘플의 수 K의 크기를 변화시켜가면서 성능에 미치는 영향을 분석하였고, 두 번째로 대각 로드 기법의 영향을 확인하기 위해 샘플의 수 K의 크기는 고정시킨 후 상수 δ를 변화시켜가면서 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
적응 신호처리 알고리즘의 성능을 분석하기 위해서 실제 구현된 적응 배열 안테나에서 위성 신호 및 재밍 신호를 배열 안테나로 인가한 후 analog-to-digital converter(ADC) 및 data aquisition(DAQ) 장비를 이용해 추출하여 MATLAB을 통해 전산 모의 실험(computer simulation)을 수행하였다.
첫 번째로 공분산 행렬을 계산할 때 사용한 샘플의 수 K의 크기를 변화시켜가면서 성능에 미치는 영향을 분석하였고, 두 번째로 대각 로드 기법의 영향을 확인하기 위해 샘플의 수 K의 크기는 고정시킨 후 상수 δ를 변화시켜가면서 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
최적 가중치의 계산을 위해 사용한 공분산 행렬을 계산할 때 사용한 샘플의 수 K의 크기가 적응 신호처리 알고리즘의 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해서 샘플의 수 K의 값을 다음과 같이 변화시켜가면서 성능을 분석하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 적응 배열 안테나의 크기 및 4개 이하의 재밍 신호를 제거하기 위하여 5소자 원형 배열 안테나(Fig. 2)를 사용하였다. 이때 배열 안테나의 상호 결합(mutual coupling) 및 이득 패턴을 고려하여 각 소자 간의 간격은 반파장(λ/2)으로 설계하였다.

성능/효과

대각 로드 상수 δ의 크기가 0에서 0.1까지 증가되었을 때 제거 깊이는 51 dB에서 54 dB로 3 dB정도 향상되었다.
분석 결과 샘플의 수가 증가할수록 공분산 행렬의 추정이 더 정확해지기 때문에 이론적인 최적의 성능에 가까워짐을 알 수 있었고, 공분산 행렬을 계산할 때 사용한 샘플의 수가 작을 때 열화 현상이 존재하는데 이를 대각 로드 기법이 개선함을 확인하였다.
이 적응 배열 안테나를 위성 항법 수신기에 적용하면 특정 방향으로부터 입사되는 재밍 신호를 제거할 수 있고, 위성이 송신하는 위성 신호만을 수신할 수 있어 재밍 신호가 있을 때도 항법이 가능하다. 적응 배열 안테나는 광대역 및 협대역 재밍 신호를 모두 제거할 수 있어 효과적이며, 이론적으로 제거할 수 있는 재밍 신호의 수는 배열 안테나의 소자의 수와 관계가 있으며 소자의 수를 N이라고 했을 때 제거할 수 있는 재밍 신호의 수는 N-1개이다.
1까지 증가되었을 때 제거 깊이는 51 dB에서 54 dB로 3 dB정도 향상되었다. 즉, 항재밍 성능이 3 dB정도 향상됨을 알 수 있었다.
β의 크기가 20에서 50까지 증가되었을 때 제거 깊이는 51 dB에서 59 dB로8 dB정도 향상되었다. 즉, 항재밍 성능이 8 dB정도 향상됨을 알 수 있었다. 이는 샘플의 수 K가 증가함에 따라 공분산 행렬의 추정이 더 정확해지기 때문이다.

후속연구

이는 샘플의 수 K가 증가함에 따라 공분산 행렬의 추정이 더 정확해지기 때문이다. 더 정확한 값으로 추정된 공분산 행렬을 이용해 최적 가중치를 계산하므로 좀 더 이론적으로 최적인 가중치에 가까워진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적응 배열 안테나란 무엇인가?	적응 배열 안테나(Fig. 1)는 배열 안테나에 적응 신호처리 알고리즘을 이용하여 배열 안테나의 이득 패턴을 제어하여 원하지 않는 방향의 신호는 제거하고, 원하는 방향의 신호는 더 크게 수신할 수 있는 안테나이다. 이 적응 배열 안테나를 위성 항법 수신기에 적용하면 특정 방향으로부터 입사되는 재밍 신호를 제거할 수 있고, 위성이 송신하는 위성 신호만을 수신할 수 있어 재밍 신호가 있을 때도 항법이 가능하다.
	재밍 신호를 억제하는 방법 중 가장 효과적인 방법은 무엇인가?	재밍 신호를 억제하는 방법 중 가장 효과적인 방법은 배열 안테나와 적응 신호처리 알고리즘을 이용하여 원하는 신호와 재밍 신호가 함께 수신된 신호에서 의도적인 재밍 신호만을 제거하는 방법이다[2,3]. 이러한 방법은 수신되는 신호에 따라 배열 안테나의 이득 패턴을 조정함으로써 원하는 신호는 더 잘 수신하며, 원치 않는 신호(재밍 신호)는 제거한다.
	배열 안테나가 위성 신호와 재밍 신호를 함께 수신하는 경우 원하지 않는 재밍 신호만을 제거하기 위한 기법은 무엇이 있는가?	배열 안테나가 위성 신호와 재밍 신호를 함께 수신하는 경우 원하지 않는 재밍 신호만을 제거하기 위한 기법들은 다양하게 존재한다[3,5]. 배열 안테나에서 재밍 신호의 수신 방향을 예상하여 해당 영역에 널(null)을 형성하여 재밍 신호를 감쇄시키기 위한 안테나 이득 패턴 변경 방법과 적응 신호처리 알고리즘을 이용하여 수신된 재밍 신호의 파워를 감쇄시키는 방법, 관성 항법 측정을 통한 수신기의 코드/반송파 추적 루프의 변경 등이 있다. 이 중 본 논문에서는 적응 배열 안테나와 적응 신호처리 알고리즘을 이용하여 수신된 재밍 신호의 파워를 최소화하는 방법을 설명하고 성능을 분석하였다.

참고문헌 (9)

E. D. Kaplan, "Understanding GPS : Principles and Applications", Artech House, 1996.
D. H. Johnson and D. E. Dudgeon, "Array Signal Processing : Concepts and Techniques", Prentice Hall, 1993.
R. Klemm, "Principles of Space-Time Adaptive Processing", The Institution of Electrical Engineers, 2002.
I. J. Gupta and A. A. Ksienski, "Effect of Mutual Coupling on the Performance of Adaptive Arrays", IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-31, No. 5, Sept. 1983.
M. V. Maksimov et al., "Radar Anti-Jamming Techniques", Artech House, 1979.
O. L. Frost, III, "An Algorithm for Linearly Constrained Adaptive Array Processing", Proc. IEEE, Vol. 60, No. 8, pp. 926-935, Aug. 1972.

상세보기
D. M. Boroson, "Sample Size Considerations for Adaptive Arrays", IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., Vol. 16, No. 4, pp. 446-451, Jul. 1980.
B. D. Carlson, "Covariance Matrix Estimation Errors and Diagonal Loading in Adaptive Arrays", IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., Vol. 24, No. 4, pp. 397-401, Jul. 1988.

상세보기
J. Li, P. Stoica, and Z. Wang, "On Robust Capon Beamforming and Diagonal Loading", IEEE Trans. Signal Processing, Vol. 51, No. 7, pp. 1702-1715, Jul. 2003.

상세보기

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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