[논문]미약신호 수신 알고리즘을 활용한 정지궤도위성 탑재용 소프트웨어 GPS 수신기 개발

김종원; 김강호; 기창돈

doi:10.12673/jant.2014.18.4.312

미약신호 수신 알고리즘을 활용한 정지궤도위성 탑재용 소프트웨어 GPS 수신기 개발
Development of Software GPS Receiver for GEO Satellites Using Weak Signal Receiver Algorithm 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.18 no.4 = no.67, 2014년, pp.312 - 318

김종원 (서울대학교 기계항공공학부 및 항공우주신기술연구소) , 김강호 (서울대학교 기계항공공학부 및 항공우주신기술연구소) , 기창돈 (서울대학교 기계항공공학부 및 항공우주신기술연구소)

초록
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본 연구의 대상인 정지궤도위성은 GPS위성 궤도보다 높은 고도에 위치하기 때문에 지상 사용자에 비하여 GPS 신호의 가시성과 신호 세기 면에서 큰 차이가 있다. 본 연구에서는 이러한 정지궤도위성환경에 탑재되는 GPS 수신기에서의 GPS 위성 신호 가시성을 분석하고, 미약신호 획득 및 추적 알고리즘인 CCMDB 알고리즘을 적용하여 정지궤도위성 탑재 GPS 수신기에서 활용 가능한 소프트웨어 GPS 수신기를 개발하였다. 개발된 소프트웨어 GPS 수신기의 검증을 위하여 상용 하드웨어 시뮬레이터로 정지궤도위성 탑재 GPS 수신기에서 수신되는 GPS 신호를 생성하였고 이를 처리하여 성능을 분석하였다. 항법해 계산 결과 평균 3축 위치 및 속도 오차는 각각 165.636 m와 0.5081 m/s로 계산되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The altitudes of GEO satellites are higher than those of GPS satellites. Therefore the visibility and the received power of GPS signals are totally different from those of the users near the Earth's surface. In this study, we analyzed the visibility of GPS signals received on GEO satellites. And we also developed a software GPS receiver that works on GEO satellites using CCMDB algorithm which is a weak signal receiver algorithm. GPS signals received on a GEO satellite are generated by a commercial hardware GPS simulator and used for the verification of the developed software GPS receiver. The mean 3D position and velocity error are calculated as 165.636 m and 0.5081 m/s.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 GEO 위성 탑재 GPS 수신기에서 수신되는 GPS 신호에 대하여 분석하고 이에 따라 GEO 위성 탑재 환경에서 사용 가능한 소프트웨어 GPS 수신기를 개발하였다. 미약한 GPS 신호를 수신 처리하기 위하여 CCMDB 알고리즘을 활용한 신호 획득 및 추적 모듈을 구현하였다.
본 연구에서는 미약 신호 처리 알고리즘을 적용하여 GEO 위성 환경에서 GPS 신호 처리가 가능한 수신 소프트웨어를 개발하였다. 신호 획득과 추적을 위하여 CCMDB 알고리즘을 활용하였고 항법 비트 경계 추정은 후보군 검색을 통해 수행하였다.
항법해 계산 모듈은 신호 추적 결과를 이용하여 의사거리와 도플러 측정치를 생성하고 이를 이용하여 항법해를 추정한다. 본 연구에서는 순수한 신호 추적 성능 확인을 위하여 필터 등의 사용 없이 kinematic 항법해만을 출력하도록 하였다.

가설 설정

항법 데이터 디코딩 결과에는 미약신호의 특성 상 비트 에러가 빈번히 나타나는 결과를 얻을 수 있었다. 디코딩 모듈 부분에서 설명했듯이 이 부분은 지상에서 데이터링크를 통해 위성 궤도 정보를 전달받을 수 있다고 가정하였다.

제안 방법

GEO 위성 탑재 GPS 수신기에서는 수신되는 GPS 신호의 세기가 약하기 때문에 미약 신호 획득을 위하여 CCMDB 알고리즘을 활용하였다. CCMDB 알고리즘에서는 20 ms의 배수 만큼의 적분 시간을 사용하게 되는데, 본 연구에서는 20 ms의 coherent 적분 시간과 400 ms의 noncoherent 적분 시간을 사용하였다. 이와 같이 긴 적분시간을 사용할 경우 코드의 도플러 편이량에 대한 고려가 필요하다.
다음으로 신호 획득을 통해 얻은 4개의 GPS 위성신호에 대하여 각각 신호 추적이 이루어졌다. 그림 10은 PRN 7번 위성 신호의 신호추적 결과를 나타낸 것이다.
먼저 항법 비트 시작점은 1부터 20까지 연속된 코드 시작점을 20개의 후보로 하여 각각에 대하여 적분된 상관값을 비교하는 방식으로 수행하였다. 다음으로 항법 비트 시퀀스에 대한 추정은 400 ms 데이터에 대하여 가능한 모든 항법 비트 시퀀스 조합에 대하여 역시 각각의 20 ms coherent 적분값을 곱하여 더함으로써 최종 400 ms 적분값을 구하고 이 값을 비교함으로써 결정하였다. 그림 5는 CCMDB 알고리즘의 구동 단계를 나타낸 것이다.
신호 획득과 추적을 위하여 CCMDB 알고리즘을 활용하였고 항법 비트 경계 추정은 후보군 검색을 통해 수행하였다. 또한 신호 추적 모듈에 가추적 단계를 추가함으로써 신호 획득 결과의 오차를 보상하였다.
이와 같이 긴 적분 시간을 사용하려면 항법 비트 시작점과 항법 비트 시퀀스에 대한 정보를 알아야 한다. 먼저 항법 비트 시작점은 1부터 20까지 연속된 코드 시작점을 20개의 후보로 하여 각각에 대하여 적분된 상관값을 비교하는 방식으로 수행하였다. 다음으로 항법 비트 시퀀스에 대한 추정은 400 ms 데이터에 대하여 가능한 모든 항법 비트 시퀀스 조합에 대하여 역시 각각의 20 ms coherent 적분값을 곱하여 더함으로써 최종 400 ms 적분값을 구하고 이 값을 비교함으로써 결정하였다.
본 연구에서는 GEO 위성 탑재 GPS 수신기에서 수신되는 GPS 신호에 대하여 분석하고 이에 따라 GEO 위성 탑재 환경에서 사용 가능한 소프트웨어 GPS 수신기를 개발하였다. 미약한 GPS 신호를 수신 처리하기 위하여 CCMDB 알고리즘을 활용한 신호 획득 및 추적 모듈을 구현하였다. 개발된 소프트웨어를 이용하여 상용 시뮬레이터 신호를 처리한 결과 성공적으로 신호 획득 및 추적이 이루어지고 항법해 계산 결과를 확인할 수 있었다.
본 소프트웨어 GPS 수신기는 MATLAB을 이용하여 후처리 구조로 개발되었다. 그림 4는 본 연구로 개발된 소프트웨어 GPS 수신기의 구조를 나타낸 것이다.
신호 추적 모듈의 전처리 구간에서는 이러한 조건을 활용하여 신호 획득 모듈로부터 전달받은 도플러 편이값으로부터 –12.5 Hz부터 +12.5 Hz까지의 구간을 1 Hz 간격으로 나누어 각 신호를 총 26개 채널에 할당하여 신호 추적을 수행한다.
본 연구에서는 미약 신호 처리 알고리즘을 적용하여 GEO 위성 환경에서 GPS 신호 처리가 가능한 수신 소프트웨어를 개발하였다. 신호 획득과 추적을 위하여 CCMDB 알고리즘을 활용하였고 항법 비트 경계 추정은 후보군 검색을 통해 수행하였다. 또한 신호 추적 모듈에 가추적 단계를 추가함으로써 신호 획득 결과의 오차를 보상하였다.
항법해 계산 모듈에서는 신호 추적 모듈에서 얻은 코드 시작점 정보와 항법 데이터 디코딩 모듈에서 얻은 위성 궤도 정보를 바탕으로 의사거리 측정치와 도플러 측정치를 생성하고 이로부터 위치 및 속도를 계산하였다.

대상 데이터

그림 7은 시뮬레이션 테스트를 위한 세팅을 나타낸 것이다. Spirent 사의 GSS8000 GPS 시뮬레이터가 사용되었으며 NI 사의 RF 데이터 수집 장비를 이용하여 기저대역 샘플 데이터 파일을 생성하였다. 생성된 파일은 개발된 소프트웨어 GPS 수신기로 처리하였다.
GEO 위성 탑재 GPS 수신기는 궤도 특성 상 지구 반대편에서 방송되는 GPS 신호를 수신 처리하기 때문에 일반적인 경우와 달리 지구 중심 방향을 천정으로 하여 skyplot이 그려졌다. 시뮬레이션 시나리오에서 GEO 위성 탑재 GPS 수신기에서는 4개의 GPS 위성 신호가 수신되었으며 수신 신호 세기는 PRN 7, 11, 13, 31번에서 각각 24.0, 28.7, 24.6, 27.0 dB-Hz였다.
그림 4는 본 연구로 개발된 소프트웨어 GPS 수신기의 구조를 나타낸 것이다. 입력 데이터로는 기저대역 샘플 데이터 파일 (baseband sample data file)이 사용된다. 해당 파일은 GPS 신호 수신 안테나 혹은 GPS 시뮬레이터 신호 등을 RF 신호 수집 장비 등을 이용하여 수집함으로써 얻을 수 있다.

데이터처리

개발된 GEO 위성용 소프트웨어 GPS 수신기를 검증하기 위하여 상용 하드웨어 GPS 시뮬레이터를 이용하여 시뮬레이션 테스트를 수행하였다. 그림 7은 시뮬레이션 테스트를 위한 세팅을 나타낸 것이다.

이론/모형

이러한 신호 획득은 GPS C/A 코드의 상관 특성을 이용하여 이루어진다. GEO 위성 탑재 GPS 수신기에서는 수신되는 GPS 신호의 세기가 약하기 때문에 미약 신호 획득을 위하여 CCMDB 알고리즘을 활용하였다. CCMDB 알고리즘에서는 20 ms의 배수 만큼의 적분 시간을 사용하게 되는데, 본 연구에서는 20 ms의 coherent 적분 시간과 400 ms의 noncoherent 적분 시간을 사용하였다.
한 예로 Nesreen. I. Ziedan은 CCMDB (circular correlation with multiple data bits)와 MDBZP (modified double block zero padding) 알고리즘을 사용하여 신호 획득 및 추적을 수행하고 EKF (extended Kalman filter)를 이용하여 항법 비트의 추정과 항법해 계산을 수행하였다[1].

성능/효과

그림 10(a)는 코드지연 오차, 주파수 오차, 반송파 위상 오차가 0 근처에서 제어되고 상관 파워(I²+Q²)가 유지되고 있는 모습을 나타낸 것이며, 그림 10(b)는 inphase와 quadrature phase 측정치를 각각 나타내고 또한 I/Q plot에서 나타낸 것이다. GEO 위성 탑재 GPS 수신기에서 수신되는 미약한 GPS 신호에 대하서 신호추적이 정상적으로 이루어짐을 확인할 수 있다.
미약한 GPS 신호를 수신 처리하기 위하여 CCMDB 알고리즘을 활용한 신호 획득 및 추적 모듈을 구현하였다. 개발된 소프트웨어를 이용하여 상용 시뮬레이터 신호를 처리한 결과 성공적으로 신호 획득 및 추적이 이루어지고 항법해 계산 결과를 확인할 수 있었다. 항법해 계산 결과 평균 3축 위치 오차와 표준편차가 각각 165.
위치 및 속도 계산 결과 수치를 표 1에 정리하였다. 계산된 수치를 살펴보면 평균 3축 위치 오차와 표준편차가 각각 165.636 m와 1334.8 m로 계산되었으며 평균 3축 속도 오차와 표준편차는 각각 0.5081 m/s와 2.2232 m/s로 계산되었다. 지상 사용자 기준으로 생각하면 매우 큰 위치 오차로 생각될 수 있으나, 이는 GEO 위성 탑재 GPS 수신기의 환경 특성 상 기하학적인 상태가 좋지 않아서 생기는 자연스러운 결과이다.
본 연구는 미약신호 수신 처리 기법을 GEO 위성 탑재 GPS 수신기에서의 GPS 신호 처리에 적용하여 초기 결과를 확인한 것으로, 상용 시뮬레이터로 생성한 데이터를 처리한 결과 의사거리 측정치 생성과 항법해 계산이 가능함을 확인하였다. 실제 GEO 탑재 항법 모듈에서는 GPS 수신기의 출력에만 의지하지 않고 궤도 모델을 적용한 필터를 사용하게 되며 GPS 수신기의 측정치나 항법 결과는 필터의 측정치로 활용되는 것이 바람직하다.
시뮬레이터에서 출력된 4개의 GPS 위성신호에 대하여 신호 획득이 성공적으로 이루어졌다. 그 중 가장 수신 신호 세기가 약한 PRN 7번 위성 신호에 대한 신호획득 결과를 그림 9에 나타내었다.
항법 데이터 디코딩 결과에는 미약신호의 특성 상 비트 에러가 빈번히 나타나는 결과를 얻을 수 있었다. 디코딩 모듈 부분에서 설명했듯이 이 부분은 지상에서 데이터링크를 통해 위성 궤도 정보를 전달받을 수 있다고 가정하였다.
개발된 소프트웨어를 이용하여 상용 시뮬레이터 신호를 처리한 결과 성공적으로 신호 획득 및 추적이 이루어지고 항법해 계산 결과를 확인할 수 있었다. 항법해 계산 결과 평균 3축 위치 오차와 표준편차가 각각 165.636 m와 1334.8 m로 계산되었으며 평균 3축 속도 오차와 표준편차는 각각 0.5081 m/s와 2.2232 m/s로 계산되었다.
그림 11와 12는 각각 ECEF (earth centered earth fixed) 좌표계에서 위치와 속도 계산 결과를 나타낸 것이다. 항법해 계산이 성공적으로 이루어짐을 알 수 있으며, 수신기의 신호 추적 모듈에서 적분시간을 길게 사용함에 따라 항법해에 필터링 효과가 나타나는 것 또한 확인할 수 있다. 위치 및 속도 계산 결과 수치를 표 1에 정리하였다.

후속연구

실제 GEO 탑재 항법 모듈에서는 GPS 수신기의 출력에만 의지하지 않고 궤도 모델을 적용한 필터를 사용하게 되며 GPS 수신기의 측정치나 항법 결과는 필터의 측정치로 활용되는 것이 바람직하다. 향후 GEO 위성에서 실제 탑재하여 활용할 수 있는 항법 모듈과 GPS 수신기를 개발하기 위해서는 본 연구 결과를 기반으로 추가적인 연구개발이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지구 정지 궤도 환경에서 발생하는 도플러 편이량은 얼마인가?	그림 3은 GEO 위성 탑재 GPS 수신기에서 수신되는 GPS 신호의 도플러 편이량을 나타낸 것이다. 지상 신호가 약 5 kHz 이하의 도플러 편이량을 나타내는 데 비하여 GEO 환경에서는 약 15 kHz 이하의 도플러 편이가 일어남을 확인할 수 있으며 이러한 사항은 수신기의 신호 획득 및 추적 모듈의 설계에 반영되어야 한다.
	일반적인 미약신호 처리 알고리즘에서 사용하는 방법은 무엇인가?	미약신호의 획득 및 추적을 위하여 다양한 연구가 수행된 바 있다[1]-[6]. 대부분의 미약신호 처리 알고리즘은 수신기의 적분시간을 늘리는 방법을 사용하고 있다. 한 예로 Nesreen.
	정지궤도위성과 GPS위성의 차이는 무엇인가?	본 연구의 대상인 정지궤도위성은 GPS위성 궤도보다 높은 고도에 위치하기 때문에 지상 사용자에 비하여 GPS 신호의 가시성과 신호 세기 면에서 큰 차이가 있다. 본 연구에서는 이러한 정지궤도위성환경에 탑재되는 GPS 수신기에서의 GPS 위성 신호 가시성을 분석하고, 미약신호 획득 및 추적 알고리즘인 CCMDB 알고리즘을 적용하여 정지궤도위성 탑재 GPS 수신기에서 활용 가능한 소프트웨어 GPS 수신기를 개발하였다.

참고문헌 (6)

N. I. Ziedan, GNSS Receivers for Weak Signals, Boston, MA: Artech House, 2006.
D. M. Lin, and J. B. Y. Tsui, "An efficient weak signal acquisition algorithm for a software GPS receiver," in Proceeding of ION GPS, Salt Lake City: UT, pp. 115-119, 2001.
D. M. Lin, and J. B. Y. Tsui, "A software GPS receiver for weak signals," in Proceeding of IEEE MTT-S Digest, Phoenix: AZ, pp. 2139-2142, 2001.
M. L. Psiaki, "Block Acquisition of weak GPS signals in a software receiver," in Proceeding of ION GPS, Salt Lake City: UT, pp. 2838-2850, 2001.
D. M. Akos, et al., "Low power global navigation satellite system (GNSS) signal detection and processing," in Proceeding of ION GPS, Salt Lake City: UT, pp. 784-791, 2000.
M. L. Psiaki and H. Jung, "Extended Kalman filter methods for tracking weak GPS signals," in Proceeding of ION GPS,

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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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