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문제 정의
- 위성식 위치추적 기법은 전 세계적으로 이동하는 동물에 사용 가능한 장점을 가지고 있지만, 고가의 위성송신장비 구입비용, 별도의 위성사용료 추가발생 등의 비용이 발생하여 특정한 구역에서 서식하는 야생동물에게 적용하기에는 비용적 측면에서 비효율적이다. 위 두 가지 방법은 각각의 장단점을 가지고 있지만, 본 논문은 특정지역에 서식하는 야생동물의 생활 패턴과 습성을 관찰하기 위한 연구이다. 이를 위해서 첫 번째 방법인 라디오식 위치추적 기법을 기초로 하여 야생동물 위치추적을 위한 연구 개발을 진행 하였다.
- 4-element 형태의 Yagi-Antenna 는 휴대성에서 장점이 있지만 이득이 낮고 지향성이 약한 단점이 존재한다. 하지만 본 연구에서는 휴대성의 편리함 보다는 고정된 위치에 수신기를 설치하기 때문에 이득을 높이고, 지향성을 향상하기 위한 안테나를 제안한다[10]. 개발된 안테나는 그림 5 와 같이 6-element 로 제작하였으며 WSYA(:Wide Space Yagi-Antenna) 의 장점을 최대한 활용 할 수 있었다.
제안 방법
- Yagi-Antenna를 개발하기 위해 yagicad.com에서 무료로 제공한 VHF Yagi-Antenna 설계를 위한 YagiCAD6를 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다.
- 한 대의 수신기를 설치하여 정해진 위치에 송신기를 놓고 송신기의 방향을 추적하는 실험을 진행 하였다. 그림 9에서처럼 수신기를 임의의 장소에 설치하고 고정된 위치에 송신기를 설치하여 실시간으로 위치를 추적하는 실험과 추적한 방향으로 안테나가 가르켰을 때 오실로스코프를 이용하여 기저대역 신호의 크기를 측정하였다. 수신기는 송신기의 위치를 자동적으로 추적 하였으며, 그 순간 기저대역 신호는 오실로스코프로 확인 하였다.
- 이를 위해서 첫 번째 방법인 라디오식 위치추적 기법을 기초로 하여 야생동물 위치추적을 위한 연구 개발을 진행 하였다. 라디오식 위치추적 기술의 가장 큰 단점인 수동적 각도 측정 오차를 줄이기 위해 신호세기를 자동으로 측정하여 방향과 각도를 측정 할 수 있는 장치 개발, 송신기(Transmitter)의 신호를 정확하게 측정하기 위해 Yagi-Antenna 성능개선, 기저대역 신호 필터링 기술을 개발하였다. 3대의 수신기(Receiver)를 이용하여 AOA 위치측위 기술과 결합하여 야생동물 추적률을 80% 까지 향상 시키고 추적각도는 ±3도 이내의 정확도로 높일 수 있었다.
- 라디오식 위치측위 기술에 기반한 능동적 위치 추적 시스템은 야생동물의 서식반경, 행동패턴 분석을 위해 개발 하였다. 이 시스템의 성능을 향상하기 위해 최상의 Yagi-Antenna element 도출, 기저대역 신호 필터링 기술, 야생 환경 위치추적에 적합한 전계강도를 이용한 각도 추적기법 적용 등의 기술을 적용하였다.
- 본 논문에서는 야생동물 위치추적을 위해서 VHF(:Very High Frequency)를 사용 하였다. VHF는 30㎒에서 300㎒의 무선 주파수 범위를 사용하고 파장은 1 ~ 10m이다[7].
- 본 시스템은 전남대학교 산학협력관 앞에 그림 10과 같이 설치하여 필드테스트를 진행 하였다. 3개의 수신기를 반경 200m 이내에 설치하고 송신기는 임의의 위치에 고정시켰다.
- 본 연구에서 개발했던 시스템은 서버, 수신기, 송신기로 나눌 수 있다. 송신기는 신호를 주기적으로 발신 하고, 수신기는 송신기의 신호를 검출하여 전계강도에 따른 각도를 계산한다.
- 수신기는 송신기에서 전파된 신호를 수신하여 전계강도가 높은 방향으로 자동 추적이 가능한 구조로 설계 되었다. 송신기에서 발신하는 주파수는 160.2638MHz 이며 수신기는 마이크로 프로세서와 VCO(:Voltage Control Oscillator)를 이용하여 주파수 선택이 가능하게 설계 하였다. 수신은 슈퍼헤테로다인 방식의 기술을 사용하여 CW(:Continues Wave) 신호를 측정 할 수 있다.
- 본 연구에서 수신기 3개를 이용하여 위치계산을 수행 하였으며 제시한 방법은 그림 4에 나타내었다. 송신기에서 전파된 신호를 3개의 수신기 에서 측정하고 최대 전계강도를 추정하여 각도를 계산하여 위치를 계산하는 방법을 사용 하였다. 3개의 수신기에서 측정된 각도는 LoRa 무선통신을 이용하여 서버로 전송된 후 AOA 측위기술 알고리즘을 이용하여 송신기의 위치를 계산 할 수 있었다.
- 본 연구에서 개발한 수신기 구조는 그림 3 에 나타나 있다. 수신기는 송신기에서 전파된 신호를 수신하여 전계강도가 높은 방향으로 자동 추적이 가능한 구조로 설계 되었다. 송신기에서 발신하는 주파수는 160.
- 그림 9에서처럼 수신기를 임의의 장소에 설치하고 고정된 위치에 송신기를 설치하여 실시간으로 위치를 추적하는 실험과 추적한 방향으로 안테나가 가르켰을 때 오실로스코프를 이용하여 기저대역 신호의 크기를 측정하였다. 수신기는 송신기의 위치를 자동적으로 추적 하였으며, 그 순간 기저대역 신호는 오실로스코프로 확인 하였다.
- 필터링은 신호증폭을 위한 ABS 기법과 Audio 신호레벨에서 노이즈 제거가 가능한 필터링 기술을 적용 하였다. 수신된 신호를 실시간으로 분석한 후 정밀 모터를 이용하여 최대전계강도의 방향을 자동 추적 할 수 있는 장치를 개발하였다.
- 라디오식 위치측위 기술에 기반한 능동적 위치 추적 시스템은 야생동물의 서식반경, 행동패턴 분석을 위해 개발 하였다. 이 시스템의 성능을 향상하기 위해 최상의 Yagi-Antenna element 도출, 기저대역 신호 필터링 기술, 야생 환경 위치추적에 적합한 전계강도를 이용한 각도 추적기법 적용 등의 기술을 적용하였다. 최대한 야생동물 서식지와 유사한 환경에서 필드 테스트를 진행 하였으며, 실험결과 능동적 각도 추적에서 부터 수신기의 위치추적 오차는 ±3도 이내의 정확도를 가지는 시스템을 개발 하였다.
- TOF를 이용한 방법은 가시거리(:Line of Sight) 즉 시야가 확보된 장소에서는 거리계산 효율이 뛰어 나지만 수풀이 우거진 환경에서는 무선신호의 간섭이 심해 거리측정 오차가 많이 발생하는 문제점이 있어 본 연구 분야에는 적용이 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 전파의 도달시간 측정이 아닌 전파의 전계강도를 측정하여 방향을 추적 한 후 기준점에 대한 각도를 측정하여 거리 계산에 이용하였다. 이러한 방법은 AOA 방법으로 최소 2개의 수신기가 필요하며, 수신기에서 추적한 각도를 이용하여 송신기의 위치를 알아 낼 수 있다.
- 하지만 실제 야생 환경에 적용하는 경우 실험실이나 이상적인 일반 환경과 달리 다양한 장애물이 존재하여 이론상의 기대하는 만큼의 성능이 나오지 않는 경우가 많기 때문에 적용 모델에 따른 표준화 및 적용 방법을 정의 할 필요가 있다. 이를 위해 본 연구에서는 야생동물이 활동하는 환경과 유사한 장소에서의 테스트 결과 도출과 위치추적 계산 방법의 고도화, 서버, 송신기, 수신기의 규격화에 중점을 두고 시스템을 개발 하였다.
- 위 두 가지 방법은 각각의 장단점을 가지고 있지만, 본 논문은 특정지역에 서식하는 야생동물의 생활 패턴과 습성을 관찰하기 위한 연구이다. 이를 위해서 첫 번째 방법인 라디오식 위치추적 기법을 기초로 하여 야생동물 위치추적을 위한 연구 개발을 진행 하였다. 라디오식 위치추적 기술의 가장 큰 단점인 수동적 각도 측정 오차를 줄이기 위해 신호세기를 자동으로 측정하여 방향과 각도를 측정 할 수 있는 장치 개발, 송신기(Transmitter)의 신호를 정확하게 측정하기 위해 Yagi-Antenna 성능개선, 기저대역 신호 필터링 기술을 개발하였다.
- 이 시스템의 성능을 향상하기 위해 최상의 Yagi-Antenna element 도출, 기저대역 신호 필터링 기술, 야생 환경 위치추적에 적합한 전계강도를 이용한 각도 추적기법 적용 등의 기술을 적용하였다. 최대한 야생동물 서식지와 유사한 환경에서 필드 테스트를 진행 하였으며, 실험결과 능동적 각도 추적에서 부터 수신기의 위치추적 오차는 ±3도 이내의 정확도를 가지는 시스템을 개발 하였다. 이 기술은 수동적 야생동물 위치추적 방법에서 벗어나 능동적으로 추적 가능한 기술로 미래에 다양한 환경에서 사용 될 수 있는 기반을 마련하였다.
- 한 대의 수신기를 설치하여 정해진 위치에 송신기를 놓고 송신기의 방향을 추적하는 실험을 진행 하였다. 그림 9에서처럼 수신기를 임의의 장소에 설치하고 고정된 위치에 송신기를 설치하여 실시간으로 위치를 추적하는 실험과 추적한 방향으로 안테나가 가르켰을 때 오실로스코프를 이용하여 기저대역 신호의 크기를 측정하였다.
- 수신은 슈퍼헤테로다인 방식의 기술을 사용하여 CW(:Continues Wave) 신호를 측정 할 수 있다. 회절/간섭의 영향을 받은 수신 신호는 논문에서 제안된 필터링 기술을 사용하여 제거 하였다. 필터링은 신호증폭을 위한 ABS 기법과 Audio 신호레벨에서 노이즈 제거가 가능한 필터링 기술을 적용 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 설계한 라디오식 위치측위 시스템의 하드웨어 구조는 서버, 수신기, 송신기로 나눠지며 블럭도는 그림 2에 나타나 있다. 서버는 안정적인 데이터 저장과 연산 수행, 수신기는 Atmega 임베디드 프로세서를 기반으로 한 11.
- 송신기는 Yagi-Antenna, RF Interface, Signal Filter, Battery, 임베디드MCU로 구성되어 있다. 송신기는 국립생태원에서 사용되는 제품을 사용 하였으며, 사양은 표 1에서 제시된 것과 같이 160MHz 대역, 10mW 송신 출력 특성을 가진다.
- com에서 무료로 제공한 VHF Yagi-Antenna 설계를 위한 YagiCAD6를 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 주파수 범위 134~146MHz, Material은 알루미늄, Boom Lengh는 1.59m 크기, 임피던스 25옴으로 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과 그림 6에서 보여 지듯이 3dB Beamwidths에서 E=48Degrees, H=62Degrees, Maximum Gain 은 10.
이론/모형
- 송신기에서 전파된 신호를 3개의 수신기 에서 측정하고 최대 전계강도를 추정하여 각도를 계산하여 위치를 계산하는 방법을 사용 하였다. 3개의 수신기에서 측정된 각도는 LoRa 무선통신을 이용하여 서버로 전송된 후 AOA 측위기술 알고리즘을 이용하여 송신기의 위치를 계산 할 수 있었다.
- Yagi-Antenna 를 통해 수신된 신호를 슈퍼 헤테로다인(:Super-Hererodyne) 방식을 이용하여 기저대역(Baseband) 주파수로 변환하는 수신 방식을 사용하였다. 슈퍼 헤테로다인 방식은 RF 신호에서 믹서(Mixer)를 통해 중간단계인 1차적인 IF(:Intermediate Frequency) 신호로 변환한 후 다시 기저대역으로 변환하는 기술이다.
- 2638MHz 이며 수신기는 마이크로 프로세서와 VCO(:Voltage Control Oscillator)를 이용하여 주파수 선택이 가능하게 설계 하였다. 수신은 슈퍼헤테로다인 방식의 기술을 사용하여 CW(:Continues Wave) 신호를 측정 할 수 있다. 회절/간섭의 영향을 받은 수신 신호는 논문에서 제안된 필터링 기술을 사용하여 제거 하였다.
- 회절/간섭의 영향을 받은 수신 신호는 논문에서 제안된 필터링 기술을 사용하여 제거 하였다. 필터링은 신호증폭을 위한 ABS 기법과 Audio 신호레벨에서 노이즈 제거가 가능한 필터링 기술을 적용 하였다. 수신된 신호를 실시간으로 분석한 후 정밀 모터를 이용하여 최대전계강도의 방향을 자동 추적 할 수 있는 장치를 개발하였다.
성능/효과
- 3대의 수신기(Receiver)를 이용하여 AOA 위치측위 기술과 결합하여 야생동물 추적률을 80% 까지 향상 시키고 추적각도는 ±3도 이내의 정확도로 높일 수 있었다.
- 하지만 본 연구에서는 휴대성의 편리함 보다는 고정된 위치에 수신기를 설치하기 때문에 이득을 높이고, 지향성을 향상하기 위한 안테나를 제안한다[10]. 개발된 안테나는 그림 5 와 같이 6-element 로 제작하였으며 WSYA(:Wide Space Yagi-Antenna) 의 장점을 최대한 활용 할 수 있었다. WSYA 의 장점은 임피던스 매칭이 쉽고, 안테나 효율 향상이 용이하며, 주파수 범위 넓다.
- 계산한 결과 1) 복사기 = λ/2*0.96=900mm, 2)반사기=복사기 *1.06=954mm, 3)1번 도파기=복사기*0.95=855mm, 4)2번 도파기=복사기*0.94=846mm, 5)3번 도파기=복사기 *0.93=837mm, 6)4번 도파기=복사기*0.92=828mm, 7) 반사기와 복사기 간격=0.2λ=375mm, 8)복사기와 1도 파기 간격=0.14λ=262.5mm, 9)도체의 직경은 λ /1000=1.875mm, 10)일반적 도파기 간격=0.25λ 로 계산 할 수 있었다.
- 기저대역으로 변환된 수신신호에는 잡음이 포함되어 있고, 신호 강도가 약한 양전원(:plus+minus) 신호로 수신된다. 미약한 양전원 신호를 ABS 기술인 마이너스 신호 플러스 극성으로 높임으로서 신호의 증폭 효과를 얻을 수 있다. 증폭된 신호는 기저대역 신호 검파와 LPF(:Low Pass Filter) 회로를 통해 송신 신호를 검출 할 수 있었다.
- 본 연구에서 제안한 자동 추적 장치는 그림 11에서 보이는 것과 같이 수신기 모두 ±3도 이내의 정확도를 가지는 것을 알 수 있었다.
- 59m 크기, 임피던스 25옴으로 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과 그림 6에서 보여 지듯이 3dB Beamwidths에서 E=48Degrees, H=62Degrees, Maximum Gain 은 10.41dBi의 Yagi-Antenna 성능이 도출 될 수 있었다.
후속연구
- 본 연구에서 제안한 자동 추적 장치는 그림 11에서 보이는 것과 같이 수신기 모두 ±3도 이내의 정확도를 가지는 것을 알 수 있었다. 그러므로 개발된 시스템이 야생동물 위치추적 및 행동패턴 파악에 효율적으로 활용 될 수 있음을 보여 준다. 만약 일정한 범위에서 야생동물 추적에 활용 된다면 능동적으로 편리하게 사용 될 수 있을 것이다.
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