[논문]Ku 대역 다중모드 모노펄스 위성추적시스템을 위한 커플러 구현 및 안테나 추적정확도 분석

이재문; 임재성; 박도현

doi:10.9766/kimst.2016.19.3.363

Ku 대역 다중모드 모노펄스 위성추적시스템을 위한 커플러 구현 및 안테나 추적정확도 분석
Coupler Implementation and Antenna Tracking Accuracy Analysis for Ku-band Multi-mode Monopulse Satellite Tracking System 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.19 no.3, 2016년, pp.363 - 370

이재문 (국방과학연구소 제2기술연구본부) , 임재성 (아주대학교 컴퓨터공학과) , 박도현 (LIG넥스원(주) 통신연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a Ku-band multi-mode coupler and its monopulse tracking system, which can be applied to a unmaned aircraft vehicle(UAV) platform. In general, the carrier-to-noise(C/N) level of the beacon signal from a Ku-band commercial satellite is relatively weak compared to that of a military satellite because the Ku-band satellite has been designed for commercial services. Therefore, this paper proposes a coupler and its multi-mode monopulse tracking system satisfying the tracking accuracy under a low C/N environment and analyzes the tracking accuracy. After that, we perform a real satellite tracking test and compare the accuracy of the test with the analysis result before validating the performance of the architecture of the proposed satellite tracking system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러므로, 다중모드 모노펄스 오차신호 도출에 필요한 C/N 레벨 확보가 제한되어 추적정확도 만족을 위한 별도의 연구가 필요 하다. 따라서, 본 논문에서는 Ku 대역 상용 위성에서 낮은 C/N 환경에서도 추적 성능을 만족하도록 고차모드 커플러를 포함한 위성추적 시스템을 제안한다.
본 장에서는 Ku 대역 비콘 신호의 처리가 가능한 커플러 구조 설계 내용을 설명하고, 제작 및 시험 결과의 분석을 통해 수신된 신호로부터 요구 추적 성능을 만족시키기 위한 오차 정보가 적절히 산출되는지 확인한다.

가설 설정

이 때, ‘0.12’는 위성안테나 구동부의 기구적 정확도에 의해 발생하는 안정화 오차값을 의미하며 본 논문에서는 상수로 가정한다.

제안 방법

수식 (13)으로부터 위성통신링크의 C/N은 송신기의 유효등방성방사전력(EIRP)과 수신성능지수(G/T)의 합과 볼츠만 상수(k), 자유공간손실(L_p) 및 잡음측정대역폭(B )의 차로부터 계산할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 Ku대역 모노펄스 위성 추적 시스템의 C/N 계산을 위해 먼저 제안된 시스템의 수신성능지수(G/T)를 분석한다^[5]. 시스템의 수신성능지수는 수신안테나 이득 값 대비 시스템 잡음온도의 비를 나타내므로, 이를 위하여 Fig.
본 논문에서는 고속 이동 플랫폼에 장착되어 실시간으로 위성추적이 가능한 Ku대역 다중모드 모노펄스 추적 시스템을 위한 고차모드 커플러 시험 결과에 대해 분석하고, 이를 포함한 전체 추적 시스템의 구조를 제안하였으며 실 위성을 이용한 위성 추적 정확도 시험을 통하여 제안한 추적 시스템의 성능을 검증하였다. 추적 정확도 시험을 수행할 때 고차모드(TE₂₁)신호의 C/N 값을 이용하여 추적정확도 값을 예측하고이 값이 실측값과 유사함을 확인하였다.
본 장에서는 앞서 제안된 커플러를 포함한 다중모드 모노펄스 위성추적 시스템의 추적정확도를 분석한다. 추적정확도 분석은 먼저 설계요소를 기반으로 이론적 분석값을 산출하고, 이를 실 위성을 이용한 추적 정확도 시험 결과값과 비교 분석함으로써 두 결과값이 근사함을 검증한다.
따라서, 본 논문에서는 Ku대역 모노펄스 위성 추적 시스템의 C/N 계산을 위해 먼저 제안된 시스템의 수신성능지수(G/T)를 분석한다^[5]. 시스템의 수신성능지수는 수신안테나 이득 값 대비 시스템 잡음온도의 비를 나타내므로, 이를 위하여 Fig. 8의 시제를 이용하여 Fig. 9와 같이 안테나 이득 및 패턴을 측정하였다.

대상 데이터

실 위성을 이용한 추적정확도 시험은 위성 단말기가 장착되는 무인기의 플랫폼과 동일한 움직임을 모의할 수 있는 모션 시뮬레이터를 이용하였으며, 모션 시뮬레이터에 인가된 모션의 Amplitude와 Frequency는 Table 3과 같다.

데이터처리

본 장에서는 앞서 제안된 커플러를 포함한 다중모드 모노펄스 위성추적 시스템의 추적정확도를 분석한다. 추적정확도 분석은 먼저 설계요소를 기반으로 이론적 분석값을 산출하고, 이를 실 위성을 이용한 추적 정확도 시험 결과값과 비교 분석함으로써 두 결과값이 근사함을 검증한다.

성능/효과

이를 위해서는 높은 추적 정확도를 갖고, 기동 또는 외부 간섭 신호에 의해 위성링크 단절시 빠른 재탐색이 가능해야 한다. 둘째, 신호 송신시 인접위성 간섭 방지를 위해 ITU-R에서 규정한 안테나 방사패턴을 만족해야 한다. 마지막으로 무인기에 장착, 운용할 수 있도록 소형/경량화가 가능하여야 한다.
12’는 위성안테나 구동부의 기구적 정확도에 의해 발생하는 안정화 오차값을 의미하며 본 논문에서는 상수로 가정한다. 또한 Fig. 11과 같이 참고 문헌 ^[1]에서 제안한 Ka 대역 커플러에서 생성된 기본모드 및 고차모드 신호의 출력값과 비교할 때 유사한 성능을 지니고 있음을 알 수 있어 추적에 필요한 커플러의 성능이 정상적으로 구현되었음을 확인할 수 있다.
위 결과로부터 모노펄스 추적시 추출되는 기본모드 (TE11)신호 및 고차모드(TE21) 신호의 위상차(Phi(Φ)값)이 추적 성능에 영향을 주지 않음을 확인하였다[1].
위상 측정 결과 기본 모드(TE11) 패턴은 신호원의 좌/우 이동시 모노펄스 추적이 가능한 각도 범위 내에서 동위상을 유지하고 있으며 고차모드(TE21) 패턴은 신호원의 좌/우 이동시 모노펄스 추적 가능한 각도 내에서 180° 위상차(Phase Difference) 특성을 보이고 있다.
5 K로 측정 되었다. 저잡음증폭기와 반사판안테나 수신포트 사이 도파관 및 케이블 손실을 고려한 안테나 실 이득은 37.4 dBi로 계산되어 모노펄스 추적 시스템의 수신성능지수(G/T)는 13.8 dB/K로 분석되었다. 따라서 본 논문에서 제안하는 Ku 대역 모노펄스 위성 추적 시스템의 C/N을 계산하면 Table 2와 같이 나타낼 수 있다.
본 논문에서는 고속 이동 플랫폼에 장착되어 실시간으로 위성추적이 가능한 Ku대역 다중모드 모노펄스 추적 시스템을 위한 고차모드 커플러 시험 결과에 대해 분석하고, 이를 포함한 전체 추적 시스템의 구조를 제안하였으며 실 위성을 이용한 위성 추적 정확도 시험을 통하여 제안한 추적 시스템의 성능을 검증하였다. 추적 정확도 시험을 수행할 때 고차모드(TE₂₁)신호의 C/N 값을 이용하여 추적정확도 값을 예측하고이 값이 실측값과 유사함을 확인하였다. 추적 정확도 측정 결과, 예측값에 비해 실측값이 다소 크게 측정되었지만, 이는 안테나 구동부의 오차값에 기인한 것으로 판단되며 제안한 시스템의 추적 정확도는 설계 목표값에 거의 근사하도록 적절히 설계되었음을 알 수 있다.
추적 정확도 시험을 수행할 때 고차모드(TE₂₁)신호의 C/N 값을 이용하여 추적정확도 값을 예측하고이 값이 실측값과 유사함을 확인하였다. 추적 정확도 측정 결과, 예측값에 비해 실측값이 다소 크게 측정되었지만, 이는 안테나 구동부의 오차값에 기인한 것으로 판단되며 제안한 시스템의 추적 정확도는 설계 목표값에 거의 근사하도록 적절히 설계되었음을 알 수 있다. 따라서, 제안한 추적 시스템은 추후 유사한 모노펄스 추적 시스템에서 비콘신호레벨 및 Null 패턴으로부터 추적정확도 분석에 유용할 것으로 예상된다.
9는 안테나 이득 측정 결과를 나타낸다. 측정 결과 반사판안테나의 이득은 40.2 dBi으로 측정되었으며 안테나의 패턴은 수식 (14)의 인접위성 간섭방지를 위한 방사 규격^[10]을 만족함을 알 수 있다. 단, d와 θ는 각각 안테나 직경 및 고각을 의미한다.
패턴 측정 결과 값은 기본모드(TE₁₁) 패턴 최대 이득 대비 약 13 dB 낮으며 고차모드(TE₂₁) 패턴의 Null Depth는 35 dB 이상으로 추적 정확도 만족이 가능함을 알 수 있다^[9].

후속연구

Ku 대역 위성은 일반적으로 상용 기반의 범용 서비스를 위한 목적으로 구현되어 군사 목적으로 운용중인 Ka 대역 위성에 비해 추적에 필요한 기준 신호인 비콘의 신호 대 잡음 비(C/N, Carrier to Noise Ratio)특성이 상대적으로 열악하다. 그러므로, 다중모드 모노펄스 오차신호 도출에 필요한 C/N 레벨 확보가 제한되어 추적정확도 만족을 위한 별도의 연구가 필요 하다. 따라서, 본 논문에서는 Ku 대역 상용 위성에서 낮은 C/N 환경에서도 추적 성능을 만족하도록 고차모드 커플러를 포함한 위성추적 시스템을 제안한다.
추적 정확도 측정 결과, 예측값에 비해 실측값이 다소 크게 측정되었지만, 이는 안테나 구동부의 오차값에 기인한 것으로 판단되며 제안한 시스템의 추적 정확도는 설계 목표값에 거의 근사하도록 적절히 설계되었음을 알 수 있다. 따라서, 제안한 추적 시스템은 추후 유사한 모노펄스 추적 시스템에서 비콘신호레벨 및 Null 패턴으로부터 추적정확도 분석에 유용할 것으로 예상된다. 또한 모노펄스 안테나 설계 시 효율적인 Null 패턴 설계에 응용될 수 있을 뿐만 아니라 및 모노펄스수신반의 신호 처리부를 설계할 때 측정대역폭 정의에 유용한 설계기준으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
따라서, 제안한 추적 시스템은 추후 유사한 모노펄스 추적 시스템에서 비콘신호레벨 및 Null 패턴으로부터 추적정확도 분석에 유용할 것으로 예상된다. 또한 모노펄스 안테나 설계 시 효율적인 Null 패턴 설계에 응용될 수 있을 뿐만 아니라 및 모노펄스수신반의 신호 처리부를 설계할 때 측정대역폭 정의에 유용한 설계기준으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위성을 경유한 비가시선 통신방식을 위해 필요한 것은 무엇인가?	특히 무인기를 이용한 감시 ․ 정찰 등의 서비스는 지속적으로 수요가 증가하고 있으나 기존의 가시선 통신 방식은 운용 거리 증가에 따라 지형차폐등의 이유로 신호의 가시선 확보가 제한되는 문제점이 있다. 따라서, 위성을 경유한 비가시선 통신방식이 반드시 필요하며, 이를 위하여 무인기에 탑재하여 운용 가능한 위성추적 시스템의 구현이 필수적이다[1]. 아래 Fig.
	일반적으로 무인기에서 운용되는 위성추적 시스템이 가지는 3가지 특성은 무엇인가?	일반적으로, 무인기에서 운용되는 위성추적 시스템은 다음과 같은 3가지 특성을 가진다. 첫째, 비행환경에 따른 수신신호세기의 변화에 대응 가능해야 한다. 이를 위해서는 높은 추적 정확도를 갖고, 기동 또는 외부 간섭 신호에 의해 위성링크 단절시 빠른 재탐색이 가능해야 한다. 둘째, 신호 송신시 인접위성 간섭 방지를 위해 ITU-R에서 규정한 안테나 방사패턴을 만족해야 한다. 마지막으로 무인기에 장착, 운용할 수 있도록 소형/경량화가 가능하여야 한다. 따라서, 이러한 요구사항을 만족시키기 위한 위성추적 시스템의 구현이 필요하다.
	기존의 가시선 통신 방식의 문제점은 무엇인가?	근래에는 기동성/융통성/생존성의 극대화를 위해 이동간 통신이 가능한 실시간 위성 추적 시스템의 구현이 지속적으로 요구되고 있다. 특히 무인기를 이용한 감시 ․ 정찰 등의 서비스는 지속적으로 수요가 증가하고 있으나 기존의 가시선 통신 방식은 운용 거리 증가에 따라 지형차폐등의 이유로 신호의 가시선 확보가 제한되는 문제점이 있다. 따라서, 위성을 경유한 비가시선 통신방식이 반드시 필요하며, 이를 위하여 무인기에 탑재하여 운용 가능한 위성추적 시스템의 구현이 필수적이다[1].

참고문헌 (10)

Kun-Sup Kwon, Jong-Wan Heo, Ki-Min Hwang, "A Design of Mode-Coupler with a Pair of Slots for Ka Band Multi-Mode Monopulse Tracking System," J. Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science(KIEES), pp. 158-164, Feb. 2015.
D. H. Park, C. H. Song, C. W. Jun, D. H. Park, G. H. Baek, and S. P. Kim, "A Multi-mode Monopulse Tracking System for Satellite Communication," In Proc. KIEES Conf., p. 104, Incheon, Korea, Dec. 2009.
G. J. Hawkins, D. J. Edwards, and J. P McGeehan, "Tracking Systems for Satellite Communications," Radar and Signal Processing, Vol. 135, No. 5, pp. 393-407, Oct. 1988.

상세보기
Telecommunications Technology Association, Tracking system, Retrieved Jan. 6, 2014, from http://www.tta.or.kr.
G. J. Hawkins, D. J. Edwards, and J. P McGeehan, "Tracking Systems for Satellite Communications," Radar and Signal Processing, Vol. 135, No. 5, pp. 393-407, Oct. 1988.

상세보기
Dr. Lofty Sakr, "The Higher Order Modes in the Feeds of the Satellite Monopulse Tracking Antennas," IEEE Melecon, Egypt Cairo, 2002.
D. H. Ga, D. H. Park, C. H. Song, S. J. Ahn, C. W. Jun, and J. M. Lee, "Design of a Higher-order Mode Coupler Using Coaxial-Structure Waveguide for Ku-Band Monopulse Satellite Tracking," KICS, '14-04 Vol. 39C, No. 4, pp. 393-407, 2014.
D. M. Pozar, Microwave Engineering 4th Edition, John Wiley & Sons, 2011.
G. Maral, M. Bousquet "Satellite Communications Systems, Systems, Techniques and Technology," 5th Edition, Wiley, 2009.
INTELSAT Signatory Training Program, "EARTH STATION TECHNOLOGY," Revision 5, Jun. 1999.

저자의 다른 논문 :

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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