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문제 정의
- 본 논문에서는 소형 챔버를 이용하여 기존 시험방식이 가지고 있는 단점을 극복하는 할 수 있는 항재밍 위성항법장치 점검 시스템의 설계 및 검증결과에 대해 기술한다. 본론 II-1에서는 기존 시험 방식의 장·단점, II-2에서는 시스템 구성 및 설계 사양, II-3에서는 시스템 자체 성능시험 결과, II-4에서는 실제 항재밍 위성항법장치와 연동한 시험결과에 대해서 기술한다.
제안 방법
- 사용한 흡수체는 VHP-4 모델로 GPS 대역에서 약 30[dB]의 감쇄를 가진다. Far-filed 영역, 1차 multi-path의 신호 세기와 사용된 흡수체 감쇄율을 고려하여 재밍 안테나와 DUT 사이는 134[cm], DUT와 흡수체 사이는 45[cm]로 설계하였다. 이 설계 값으로 챔버를 설계 시 안테나와 DUT 사이에 far-field 조건과 1차 multi-path 크기 제약 조건을 모두 만족한다.
- 그리고 1개의 재밍신호 발생기의 출력을 8개의 재밍 안테나로 공급하기 위해 RF divider와 switch를 이용하여 18인치 rack mount 타입의 1×8 재밍 분배기를 설계하였다.
- 이때 인가되는 재밍 신호의 종류(주파수, 크기)와 개수는 운용자가 ethernet을 통해 원격으로 제어 가능하다. 그리고 위성 모의 기능은 위성 모의기에서 모의된 위성신호가 소형 점검 챔버에 장착된 위성안테나를 통해 항재밍 위성항법장치에 모의 위성신호를 인가하도록 설계하였다.
- 기존 점검 시스템의 단점을 극복하기 위해서 본 논문의 점검 시스템은 소형화, 시스템의 전용화, 시험환경의 재현성이 유지되게 설계되어야 한다. 이를 구현하기 위해 재밍 신호발생기, 재밍 분배기 및 안테나, 위성모의기, 소형 점검 챔버를 이용하여 전체 시스템을 구성하였다.
- 기존 항재밍 위성항법장치 점검 시스템의 단점으로 대형 무반향 챔버의 경우 고비용 및 낮은 가용성 문제가 있고 필드시험의 경우 매 시험 시 동일한 시험환경의 재현이 어려운 단점과 군용장비의 특성상 보안성에 문제가 있다. 기존 점검 시스템이 가지고 있는 단점을 극복하기 위해 항재밍 위성항법장치의 수신 dynamic range를 고려하여 대형 무반향 챔버 대비 시스템 검증 시 성능 저하가 발생하지 않은 최적 크기의 소형 챔버를 설계하였다. 그리고 대형 무반향 챔버 시설 구축에 발생하는 비용보다 저렴한 비용으로 시스템을 설계하여 개발비용 절감을 이루었으며 장비의 전용화로 높은 가용성을 확보하였고 필드시험의 단점인 보안문제를 해결하였다.
- 그리고 1×8 재밍 분배기를 설계를 통해 1개의 재밍 신호 발생기 출력을 이용하여 서로 다른 방향을 가진 8개의 재밍신호를 모의할 수 있어 검증의 효율성을 증대시켰다. 또한 자체 성능 시험과 항재밍 위성항법장치와의 연동 시험을 통해 점검 시스템의 신뢰성을 검증하였다. 본 논문에서 소개한 점검 시스템은 단일 재밍 신호발생기를 이용하여 1개의 재머 신호를 8개의 안테나를 통해 여러 방향으로 모의해주었다.
- 또한 자체 성능 시험과 항재밍 위성항법장치와의 연동 시험을 통해 점검 시스템의 신뢰성을 검증하였다. 본 논문에서 소개한 점검 시스템은 단일 재밍 신호발생기를 이용하여 1개의 재머 신호를 8개의 안테나를 통해 여러 방향으로 모의해주었다. 하지만 현재 개발되고 있는 항재밍 위성항법장치는 n개의 적응배열안테나(adaptive array antenna)을 이용하여 (n-1)개의 재머에 대응할 수 있게 진화되고 있다[8].
- 하지만 시험의 신뢰성과 신호 간 간섭 등을 고려하여 적정한 이격 거리에 대한 설계가 필요하다. 본 논문에서 제시하는 시스템의 챔버 크기를 결정하기 위해 안테나와 DUT 사이의 far-field 영역을 만족하고, 원래 재밍신호 대비 1차 multi-path가 65[dBm]이상 감쇄하도록 챔버 크기를 결정하였다. 사용되는 안테나의 크기는 GPS 파장의 1/2보다 작기 때문에 far-field 거리는 아래와 같이 정의된다[7].
- 본 논문에서는 재밍 신호발생기, 재밍 분배기 및 안테나, 위성모의기, 소형 점검 챔버를 이용하여 항재밍 위성항법장치 점검 시스템을 설계하였다. 기존 항재밍 위성항법장치 점검 시스템의 단점으로 대형 무반향 챔버의 경우 고비용 및 낮은 가용성 문제가 있고 필드시험의 경우 매 시험 시 동일한 시험환경의 재현이 어려운 단점과 군용장비의 특성상 보안성에 문제가 있다.
- 시스템 자체 성능 결과를 토대로 항재밍 위성항법장치와 연동시험을 수행하였다. 항재밍 위성항법장치에 적용되는 패치안테나의 특성상 시험의 신뢰도가 떨어질 수 있는 재밍 안테나#4, #8은 시험대상에서 제외하였다.
- 위성 안테나와 수신 안테나의 이격 거리는 수신 안테나에 인가되는 모의 위성 신호세기가 실제 위성신호 세기인 –130[dBm]과 유사한 값을 가지는 거리를 기준으로 삼았다.
- 이러한 실제 재밍 환경을 최대한 유사하게 모사하기 위해 [그림 4]와 같이 서로 다른 방향을 가진 8개의 재밍 안테나를 시스템에 적용하였고 1∼4번 안테나와 5∼8번 안테나를 좌·우 대칭구조로 배치하였다.
- 기존 점검 시스템의 단점을 극복하기 위해서 본 논문의 점검 시스템은 소형화, 시스템의 전용화, 시험환경의 재현성이 유지되게 설계되어야 한다. 이를 구현하기 위해 재밍 신호발생기, 재밍 분배기 및 안테나, 위성모의기, 소형 점검 챔버를 이용하여 전체 시스템을 구성하였다. 전체 시스템 구성은 [그림 3]과 같다.
- 재밍 모의 기능은 재밍 신호발생기에서 만들어진 재밍 신호가 재밍 분배기를 거쳐 소형 점검 챔버에 장착된 8개의 재밍 안테나를 통해 항재밍 위성항법장치에 재밍 신호를 인가하도록 설계하였다. 이때 인가되는 재밍 신호의 종류(주파수, 크기)와 개수는 운용자가 ethernet을 통해 원격으로 제어 가능하다.
- 재밍 신호발생기는 GPS L1(1575.42[MHz]), GPS L2C(1227.60[MHz], GLONASS L1(1602.0[MHz] 대역의 재밍 신호를 모의하기 위하여 dynamic range가 3[GHz]까지 가능하고 협대역 재밍 모의(CW : Continuous Wave) 및 광대역 재밍 모의(AWGN : Additive White Gaussian Noise)가 가능한 signal generator를 사용하였다.
대상 데이터
- 따라서 1차 multi-path에 의한 신호가 -100[dBm]보다 높게 되면 DUT는 multi-path로 발생한 신호를 다른 방향의 재밍 신호로 인식하여 원하는 방향에서의 재밍 신호 모의가 불가능하다. 사용한 흡수체는 VHP-4 모델로 GPS 대역에서 약 30[dB]의 감쇄를 가진다. Far-filed 영역, 1차 multi-path의 신호 세기와 사용된 흡수체 감쇄율을 고려하여 재밍 안테나와 DUT 사이는 134[cm], DUT와 흡수체 사이는 45[cm]로 설계하였다.
- 위성 모의기는 GPS L1, L2C, GLONASS L1 위성이 동시에 32채널 모의가 가능하고 출력 신호 세기가 -160 ∼ -65[dBm]인 시뮬레이터를 사용하였다.
- 이때 Pt, Gr, Gt의 값이 0[dB] 기준으로 공간손실 값을 계산하였다. 적용된 케이블은 재밍 모의 계통이 15[m], 위성 모의 계통은 12.5[m]이다. 케이블은 LMR-200을 사용하였으며 삽입손실은0.
- 5[m]이다. 케이블은 LMR-200을 사용하였으며 삽입손실은0.424[dB]/m이다.
데이터처리
- 이는 [그림 7]과 같이 자체 점검용 패치 안테나의 방사패턴에 의한 결과이다. [표 4]의 결과로 설계 대비 측정한 total loss의 값의 일치성과 좌우대칭(bilateral symmetry) 구조 시스템의 균형성을 검증하였다.
- 설계된 시스템의 자체 성능 시험을 위해 스펙트럼 분석기와 자체점검용 패치 안테나를 이용하여 재밍 모의계통과 위성 모의 계통의 실제 total loss를 측정하여 설계한 값과 비교 분석하였다.
성능/효과
- JNR(Jamming to Noise Ratio)값은 항재밍 위성항법장치가 측정하여 내부 알고리듬을 통해 계산한 값이다. [표 5]와 [그림 9]의 결과로 본 점검 시스템에서 인가 한 재밍 세기에 따른 항재밍 위성항법장치의 JNR 값이 선형성을 유지함을 확인 할 수 있었다. 이에 본 논문에서 설계한 위성항법장치 점검 시스템이 시간과 장소에 대한 제약조건 없이 안정적으로 항재밍 위성항법장치의 성능을 확인할 수 있음을 검증하였다.
- 그리고 대형 무반향 챔버 시설 구축에 발생하는 비용보다 저렴한 비용으로 시스템을 설계하여 개발비용 절감을 이루었으며 장비의 전용화로 높은 가용성을 확보하였고 필드시험의 단점인 보안문제를 해결하였다. 그리고 1×8 재밍 분배기를 설계를 통해 1개의 재밍 신호 발생기 출력을 이용하여 서로 다른 방향을 가진 8개의 재밍신호를 모의할 수 있어 검증의 효율성을 증대시켰다. 또한 자체 성능 시험과 항재밍 위성항법장치와의 연동 시험을 통해 점검 시스템의 신뢰성을 검증하였다.
- 기존 점검 시스템이 가지고 있는 단점을 극복하기 위해 항재밍 위성항법장치의 수신 dynamic range를 고려하여 대형 무반향 챔버 대비 시스템 검증 시 성능 저하가 발생하지 않은 최적 크기의 소형 챔버를 설계하였다. 그리고 대형 무반향 챔버 시설 구축에 발생하는 비용보다 저렴한 비용으로 시스템을 설계하여 개발비용 절감을 이루었으며 장비의 전용화로 높은 가용성을 확보하였고 필드시험의 단점인 보안문제를 해결하였다. 그리고 1×8 재밍 분배기를 설계를 통해 1개의 재밍 신호 발생기 출력을 이용하여 서로 다른 방향을 가진 8개의 재밍신호를 모의할 수 있어 검증의 효율성을 증대시켰다.
- Far-filed 영역, 1차 multi-path의 신호 세기와 사용된 흡수체 감쇄율을 고려하여 재밍 안테나와 DUT 사이는 134[cm], DUT와 흡수체 사이는 45[cm]로 설계하였다. 이 설계 값으로 챔버를 설계 시 안테나와 DUT 사이에 far-field 조건과 1차 multi-path 크기 제약 조건을 모두 만족한다.
- [표 5]와 [그림 9]의 결과로 본 점검 시스템에서 인가 한 재밍 세기에 따른 항재밍 위성항법장치의 JNR 값이 선형성을 유지함을 확인 할 수 있었다. 이에 본 논문에서 설계한 위성항법장치 점검 시스템이 시간과 장소에 대한 제약조건 없이 안정적으로 항재밍 위성항법장치의 성능을 확인할 수 있음을 검증하였다.
후속연구
- 이에 항재밍 위성항법장치 시험시스템도 위성항법장치의 발전방향에 따라 멀티 재밍 기능을 가진 시스템에 대한 추가 설계 및 시험이 필요하다. 그리고 보다 최적화된 소형 점검 챔버 설계를 위해 안테나 이격 거리에 따른 점검 시스템 안정성 및 신뢰성 확보를 위한 추가 연구가 필요하다.
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