[논문]소프트웨어 기반 의사위성 시각동기 기법 성능평가를 위한 오차 요소 분석

이주현; 이선용; 황소영; 유동희; 박찬식; 이상정

doi:10.12673/jant.2014.18.5.429

소프트웨어 기반 의사위성 시각동기 기법 성능평가를 위한 오차 요소 분석
An Analysis of Error Factors for Software Based Pseudolite Time Synchronization Performance Evaluation 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.18 no.5 = no.68, 2014년, pp.429 - 436

이주현 (충남대학교 전자공학과) , 이선용 (충남대학교 전자공학과) , 황소영 (부산가톨릭대학교 소프트웨어학과) , 유동희 (부산가톨릭대학교 소프트웨어학과) , 박찬식 (충북대학교 전자공학과) , 이상정 (충남대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 의사위성과 GPS 위성 사이의 시각동기를 위한 세가지 동기 방안을 제안하고 시각동기 기법의 성능 분석에 필요한 의사위성 시각동기 오차요소에 대해 분석한다. 제시한 세가지 시각동기 방안으로는 의사위성 시각동기 스테이션 구축 방안, UTC(KRIS)의 시각정보원을 활용한 의사위성 시각동기 방안, GPS 시각용 수신기를 활용한 시각동기 방안이 있다. 또한 제안한 의사위성 시각동기 방안의 성능평가를 위한 시뮬레이션 구성을 위해 의사위성 시각동기 방안의 오차요소를 의사위성 및 기준 클럭의 오차, 전송선로에 의해 발생하는 오차, TIC에 의해 발생하는 오차, 클럭 동기 알고리즘에 의해 발생하는 오차로 구분하고 각 오차 요소를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes three methods of the time synchronization for Pseudolite and GPS and analyzes pseudolite time synchronization error factors for software based performance evaluation on proposed time synchronization methods. Proposed three time synchronization methods are pseudolite time synchronization station construction method, method by using UTC(KRIS) clock source and GPS timing receiver based time synchronization method. Also, we analyze pseudolite time synchronization error factors such as errors of pseudolite clock and reference clock, time delay as clock transmission line, measurement error of time interval counter and error as clock synchronization algorithm to design simulation platform for performance evaluation of pseudolite time synchronization.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 의사위성 시각동기를 위한 3가지 구조로 의사위성 시각동기 스테이션 구축 방안, UTC(KRIS)의 시각정보원을 활용한 의사위성 시각동기 방안, GPS 시각용 수신기를 활용한 시각동기 방안을 제시하였다. 의사위성 시각동기 스테이션 구축 방안은 GPS와 의사위성의 시각동기 모니터링 및 보정을 위한 방안으로 활용되며 의사위성 수신기 및 GPS 수신기로부터 CGGTTS 생성하여 의사위성과 각 GPS 위성간의 시각오차를 모니터링하고, 누적한 시각오차정보를 활용하여 일정 주기마다 의사위성의 시각을 보정하는 개념이다.
본 논문에서는 제안한 3가지 의사위성 시각동기 기법을 대상으로 소프트웨어 기반 플랫폼을 통한 동기 성능 검증을 위해 의사위성 시각동기 시스템의 오차 요소를 분석하였다. 의사위성 시각동기 성능 분석을 위한 시스템 구조는 그림 5 와 같다.
본 절에서는 GPS 시각용 수신기를 활용한 의사위성 시각동기 기법을 소개한다. GPS 시각용 수신기를 활용한 의사위성 시각동기 방안은 그림 4와 같다.
본 절에서는 의사위성 시각동기를 위해 의사위성 시각동기 스테이션을 구축하여 의사위성과 GPS 위성간의 시각동기를 수행하는 기법을 소개한다. 의사위성 시각동기 스테이션 구축기법의 구조는 그림 2와 같다.

제안 방법

본 논문에서는 클럭 동기 알고리즘에 의해 발생하는 오차를 분석하기 위해 기준 클럭원으로 UTC(KRIS)를 가정한 6개의 원자시계 앙상블 클럭의 1PPS TIE와 의사위성 클럭으로 세슘 원자시계 클럭의 1PPS TIE를 대상으로 하였다. 각 알고리즘에 대한 보상주기를 300 샘플 간격으로 설정하였으며, 10만초 시간을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 의사위성 세슘 원자시계를 가정한 각 클럭 동기 알고리즘별 시각 오차 및 Allan 편차는 그림 10, 11과 같다[6]-[8].
전송선로에 의한 시각 오차는 동축케이블과 광케이블을 대상으로 하였으며 온도, 케이블 장력 및 전송길이에 의해 영향을 받는다. 또한 TIC에 의해 발생하는 오차는 입력 신호 특성 및 TIC 하드웨어 성능에 따라 결정되며, 클럭 동기 알고리즘의 경우 FLL 및 PLL 기반의 동기알고리즘으로 구분하여 의사위성 클럭원을 세슘 원자시계로 가정한 후 비교하였다.
또한 UTC(KRIS)를 대상으로한 기준 클럭원을 모사하기 위해 앙상블 알고리즘을 적용한 클럭 결과를 산출하였다. UTC(KRIS)는 4개의 세슘 클럭과 2개의 수소 메이저를 이용하여 운영되므로, 총 6개의 원자시계 i에 대한 앙상블 알고리즘 가중치 w_i는 다음 수식 (3)과 같고 이를 활용한 앙상블 클럭 ESB는 수식 (4)와 같다.
본 논문에서는 의사위성의 의사거리 측정치 활용을 위한 GPS위성과 의사위성 간의 3가지 시각동기 방안을 제시하였으며, 각 시각동기 방안의 동기 성능 평가를 위한 소프트웨어 기반 테스트 플랫폼 설계 시 필요한 시각동기 요차요소별 분석을 수행하였다. 본 논문에서는 의사위성 시각동기를 위해 의사위성 시각동기 스테이션을 활용한 기법, 한국표준과학연구원의 시각정보원을 활용한 기법, GPS 시각용 수신기를 활용한 기법을 제시하였으며, 시각동기 오차요소로 의사위성 및 기준 클럭의 오차, 전송선로에 의해 발생하는 오차, TIC에 의해 발생하는 오차, 클럭 동기 알고리즘에 의해 발생하는 오차로 구분하여 각 오차별 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 의사위성의 의사거리 측정치 활용을 위한 GPS위성과 의사위성 간의 3가지 시각동기 방안을 제시하였으며, 각 시각동기 방안의 동기 성능 평가를 위한 소프트웨어 기반 테스트 플랫폼 설계 시 필요한 시각동기 요차요소별 분석을 수행하였다. 본 논문에서는 의사위성 시각동기를 위해 의사위성 시각동기 스테이션을 활용한 기법, 한국표준과학연구원의 시각정보원을 활용한 기법, GPS 시각용 수신기를 활용한 기법을 제시하였으며, 시각동기 오차요소로 의사위성 및 기준 클럭의 오차, 전송선로에 의해 발생하는 오차, TIC에 의해 발생하는 오차, 클럭 동기 알고리즘에 의해 발생하는 오차로 구분하여 각 오차별 특성을 분석하였다.
본 장에서는 의사위성 시각동기를 위한 기법으로 의사위성 시각동기 스테이션을 활용한 기법, 한국표준과학연구원 시각 정보원을 활용한 기법, GPS 시각용 수신기를 활용한 기법의 3가지 방안을 제시한다.
본 절에서 제안하는 시각동기 기법은 국제도량형국(BIPM)에서 세계협정시(UTC; coordinated universal time)를 관리하는 구조에 착안하여 제안하였다. 제안한 방안은 GPS 위성과 의사 위성간의 시각 오차를 산출하기위해 의사위성 신호를 수신하는 의사위성 수신기와 GPS 수신기로부터 RINEX데이터를 얻고 이로부터 각 GPS위성과 의사위성 간의 시각 비교를 위해CGGTTS(CCTF group on GNSS time transfer standards) 데이터 양식으로 변환하여 시각 오차 모니터링 및 시각 동기를 수행한다[1].
의사위성 시각동기 성능 분석을 위한 시스템 구조는 그림 5 와 같다. 의사위성 시각동기 시스템의 오차를 의사위성 자체의 클럭 오차 및 기준 클럭원의 클럭 오차, 전송 선로에 의한 클럭 오차,TIC(time interval counter)에 의해 발생하는 오차, 클럭 동기 알고리즘에 의해 발생하는 오차로 구분하였으며, 각 오차요소에 대해 분석하였다.
UTC(KRIS)의 시각정보원을 활용한 의사위성 시각동기 방안과 GPS 시각용수신기를 활용한 시각동기 방안은 각각 UTC(KRIS)의 시각원 혹은 GPS 시각용 수신기의 1 PPS 클럭을 활용하여 시각동기를 수행하는 방안으로 해당 기준 클럭원에 의사위성의 클럭을 동기하므로 GPS 위성과 간접적으로 시각동기를 달성하는 방안이다. 제안한 3가지 시각동기 구조를 소프트웨어 기반의 시뮬레이션을 통해 분석하기 위해 시각동기 오차요소를 의사위성 및 기준 클럭 자체의 오차, 전송선로에 의해 발생하는 오차,TIC에 의해 발생하는 오차, 클럭 동기 알고리즘에 의해 발생하는 오차로 구분하였으며 각 오차요소에 대해 시뮬레이션 기반으로 분석하였다. 의사위성의 클럭은 세슘 클럭, 루비듐 클럭,TCXO, OCXO를 대상으로 하였으며, 기준 클럭을 위한 UTC(KRIS)모사 목적의 앙상블 1 PPS TIE 측정치를 생성하였다.
본 절에서 제안하는 시각동기 기법은 국제도량형국(BIPM)에서 세계협정시(UTC; coordinated universal time)를 관리하는 구조에 착안하여 제안하였다. 제안한 방안은 GPS 위성과 의사 위성간의 시각 오차를 산출하기위해 의사위성 신호를 수신하는 의사위성 수신기와 GPS 수신기로부터 RINEX데이터를 얻고 이로부터 각 GPS위성과 의사위성 간의 시각 비교를 위해CGGTTS(CCTF group on GNSS time transfer standards) 데이터 양식으로 변환하여 시각 오차 모니터링 및 시각 동기를 수행한다[1].
클럭 동기를 위한 방안으로 FLL 기반의 동기 알고리즘과 PLL 기반의 동기 알고리즘을 대상으로 분석하였으며, 각 알고리즘의 연산 흐름은 다음 그림 9와 같다. PLL 기반의 클럭 동기 알고리즘의 경우 FIR 필터 hli, Hold 필터 #, LP 필터 #으로 구성되며 생성한 기준 클럭의 TIE 측정치와 의사위성의 TIE 측정치간의 클럭 동기를 수행, 의사위성의 클럭 오차를 보상한다.

대상 데이터

따라서 광케이블을 사용하는 것이 시각원의 전달에 유리하며 광케이블의 경우 온도 및 케이블 길이에 따른 지연 오차 TCD(Thermal Coefficient of Delay)가 케이블의 온도와 장력에 의해 영향을 받는다. 본 논문에서는 기존에 연구되었던 총 7가지 광케이블을 대상으로 지연 값을 도출하였다[4].
PLL 기반의 클럭 동기 알고리즘의 경우 기준 충격 계수(Duty Cycle)임을 가정하였을 경우 기준 클럭의 상승에지로부터 의사위성 클럭의 이전 및 다음 시점의 하강에지를 도출하며, 추가로 LP 필터를 통과하여 의사위성 클럭 오차에 대한 보정을 수행한다. 본 논문에서는 클럭 동기 알고리즘에 의해 발생하는 오차를 분석하기 위해 기준 클럭원으로 UTC(KRIS)를 가정한 6개의 원자시계 앙상블 클럭의 1PPS TIE와 의사위성 클럭으로 세슘 원자시계 클럭의 1PPS TIE를 대상으로 하였다. 각 알고리즘에 대한 보상주기를 300 샘플 간격으로 설정하였으며, 10만초 시간을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.
제안한 3가지 시각동기 구조를 소프트웨어 기반의 시뮬레이션을 통해 분석하기 위해 시각동기 오차요소를 의사위성 및 기준 클럭 자체의 오차, 전송선로에 의해 발생하는 오차,TIC에 의해 발생하는 오차, 클럭 동기 알고리즘에 의해 발생하는 오차로 구분하였으며 각 오차요소에 대해 시뮬레이션 기반으로 분석하였다. 의사위성의 클럭은 세슘 클럭, 루비듐 클럭,TCXO, OCXO를 대상으로 하였으며, 기준 클럭을 위한 UTC(KRIS)모사 목적의 앙상블 1 PPS TIE 측정치를 생성하였다. 전송선로에 의한 시각 오차는 동축케이블과 광케이블을 대상으로 하였으며 온도, 케이블 장력 및 전송길이에 의해 영향을 받는다.

이론/모형

3. The time synchronization method by using UTC(KRIS).
본 절에서 제안한 또 다른 의사위성 시각동기 방안은 한국표준과학연구원(KRISS; Korea research institute of standards and science)의 세계협정시(이하 UTC(KRIS))를 활용한 의사위성 시각동기 기법이며, 전체적인 시각동기 개념은 그림 3과 같다.

성능/효과

따라서 GPS와 UTC 간의 윤초에 해당하는 오차를 보정할 경우, BIPM기관에 의해 국내의 UTC(KRIS) 시각원이 GPS 시각과 동기 되어 있다고 가정할 수 있으며, 일반적으로 10 ns의 불확도로 동기를 유지하고 있다. 결과적으로 본 절에서 제안한 UTC(KRIS) 시각원을 활용한 방안을 통해 의사위성과 GPS 위성간의 시각동기를 달성할 수 있다.

후속연구

본 논문에서 제안한 3가지 의사위성 시각동기 방안 및 4가지 오차요소 분석 결과를 활용하여 추후 연구를 통해 소프트웨어 기반의 동기 성능분석 기법 설계가 가능할 것으로 기대되며, 의사위성 시각동기분야 뿐만 아니라 기타 시스템의 시각유지를 위한 목적으로 활용할 것으로 예상된다.
GBAS 시스템은 이와 같이 항공기 이착륙을 위한 항법보조시스템 뿐만 아니라 일반 사용자의 항법 측위 성능 향상에도 기여하고 있으며, 항법 오차보정 시스템에서 중요한 위치를 차지하고 있다. 이러한 GBAS 운용에 있어 의사위성을 활용할 경우 GPS 수신기가 기존에 사용하던 L1 대역을 활용하여 보정 데이터를 전송하므로 추가적인 대역확보 없이 서비스를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 의사위성으로부터 수신한 신호를 통해 추가적인 의사거리 측정치 활용, 항법 성능 향상을 기대할 수 있다. 현재 유럽의 SBAS 시스템인 EGNOS에 의사위성을 추가하여 운용하려는 연구가 개발 중에 있으며, 다음 그림 1과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대표적인 space-based augmentation systems은?	한편 GPS의 위치결정 정확도 및 정밀도 향상을 목적으로 오차보정시스템이 운용되고 있으며, 보정정보 전달 방안에 따라 GBAS(ground-based augmentation systems),SBAS(space-based augmentation systems), ABAS(airplane-based augmentation systems), GRAS(ground-based regional augmentation systems)로 나뉜다. SBAS는 정지궤도 위성을 활용하여 GPS 사용자에게 고장여부 전달 및 의사거리 오차 정보 전달 등의 기능을 수행하여 무결성, 정확성, 가용성 향상을 기대할 수 있으며 대표적인 시스템으로 미국의 WAAS(wide area augmentation system), 유럽의 EGNOS(europeangeostationary navigation overlay service), 일본의 MSAS(multi-functional satellite augmentation system)등이 존재한다. ABAS의 경우 항공기 기반으로 항법 보정정보를 전송하는 시스템이며 GBAS는 지상에 기준국을 설치하여 GPS 수신기에 오차 보정정보 전송하는 시스템으로 주로 항공기 이착륙을 위한 측위 정확도 향상을 목적으로 운용되고 있다.
	GPS의 위치결정 정확도 및 정밀도 향상 목적의 오차보정시스템을 보정정보 전달 방안에 따라 분류하면?	따라서 이러한 의사위성을 활용한 다양한 GPS 오차 보정 시스템이 연구 및 운용되고 있다. 한편 GPS의 위치결정 정확도 및 정밀도 향상을 목적으로 오차보정시스템이 운용되고 있으며, 보정정보 전달 방안에 따라 GBAS(ground-based augmentation systems),SBAS(space-based augmentation systems), ABAS(airplane-based augmentation systems), GRAS(ground-based regional augmentation systems)로 나뉜다. SBAS는 정지궤도 위성을 활용하여 GPS 사용자에게 고장여부 전달 및 의사거리 오차 정보 전달 등의 기능을 수행하여 무결성, 정확성, 가용성 향상을 기대할 수 있으며 대표적인 시스템으로 미국의 WAAS(wide area augmentation system), 유럽의 EGNOS(europeangeostationary navigation overlay service), 일본의 MSAS(multi-functional satellite augmentation system)등이 존재한다.
	ABAS란?	SBAS는 정지궤도 위성을 활용하여 GPS 사용자에게 고장여부 전달 및 의사거리 오차 정보 전달 등의 기능을 수행하여 무결성, 정확성, 가용성 향상을 기대할 수 있으며 대표적인 시스템으로 미국의 WAAS(wide area augmentation system), 유럽의 EGNOS(europeangeostationary navigation overlay service), 일본의 MSAS(multi-functional satellite augmentation system)등이 존재한다. ABAS의 경우 항공기 기반으로 항법 보정정보를 전송하는 시스템이며 GBAS는 지상에 기준국을 설치하여 GPS 수신기에 오차 보정정보 전송하는 시스템으로 주로 항공기 이착륙을 위한 측위 정확도 향상을 목적으로 운용되고 있다. 현재 GBAS 시스템은 미국, 유럽, 일본, 호주 등의 국가사업으로 연구 및 운용되고 있으며, 보잉사 및 에어버스사가 개발 중인 모든 신규 개발 항공기에 탑재되어 활용되고 있다.

참고문헌 (8)

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상세보기
L. Qian and Z. Shan, Coaxial cable modeling and verification, B. S. dissertation, Blekinge Institute of Technology, Karlskrona, Sweden, 2012.
M. Bousonville et al., "New phase stable optical fiber," in Proceeding of Beam Instrumentation Workshop 2012, Newport News: VA, pp. 101-103, 2012.
Fundamentals of Time Interval Measurements Application Note 200-3, Hewlett-Packard Company Copyright, 5965-7663E, 1997.
A. Babu, , B. Daya, B. Nagasundaram, and N. Veluchamy, All Digital Phase Locked Loop Design and Implementation, University of Florida, Gainesville, FL, Project report 32608, pp 1-4, 2009.
L. Arceo-Miquel et al., "Optimal synchronization of local clocks by GPS 1PPS signals using predictive FIR filters," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 58, No. 6, pp. 1833-1839, June, 2009.

상세보기
G. Zhou et al., "PLL based time synchronization in wireless sensor networks," in 2009 15th IEEE International Conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications, Beijing: China, pp.51-56, 2009.

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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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