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가설 설정
- 이는 동일한 환경일지라도 수신기가 받아들이는 신호의 상태가 달라짐을 의미하며, 항재밍 알고리즘의 성능 역시 달라질 수 있음을 추측 할 수 있다. 따라서 안테나에 입사되는 위성 신호와 재밍 신호 간 이루는 신호의 각도가 항재밍 알고리즘에 미치는 영향을 확인하기 위하여 다음과 같은 시나리오를 가정하였다. 7소자 배열 안테나는 비행체 위에 탑재되어 있으며, 수신기로 입사하는 신호 위치의 변화에 의한 영향을 관찰하기 위하여 표 1의 파라미터와 같이 A) 비행체의 고도를 변화시키거나 B) 비행체의 각도를 수평/수직으로 변화시키거나 C) 동일 개수의 재머를 원형/선형으로 배치하였으며, 이에 대한 설명을 그림 7, 8에 보였다.
- 모델링 간략화를 위해 안테나 하부, 즉 z < 0으로 입사되는 신호는 동체 및 안테나 패턴에 의하여 30 dB의 감쇄가 일어난다고 가정하였다.
- 이상의 시나리오에 따른 모의신호의 구체적인 파라미터는 표 1과 같다. 수신되는 GPS 위성 신호의 세기의 경우 각각의 위성에 대해서 -130 dBm으로 설정을 하였고 관찰되는 위성의 개수는 10개로 가정하였다.
제안 방법
- 3-1장에서는 PM, LCMV 알고리즘과 4, 7소자 배열안테나 그리고 동체에 의한 신호 감쇄를 적용하여 재밍 신호원 개수 변화에 따른 4, 7소자 배열안테나의 항재밍 성능 변화를 시뮬레이션을 통해 알아보았다. 그림 5는 비행체의 수직 또는 수평 자세에 따라 비행체의 안테나가 받는 재밍 신호(빨간선)와 위성 신호(파란선)의 상대적 공간적 배치를 보여준다.
- 시스템 모델링을 위한 전체 구조는 그림1과 같다. 먼저 GPS 신호의 모델링을 위해 신호 개수, 수신신호 전력, 입사각, 신호의 대역폭을 입력 파라미터로 받아 위성신호를 생성한다. 재머 신호 마찬가지로 재머 신호 개수, 수신신호 전력, 입사각, 대역폭을 입력 파라미터로 받아 재밍 신호를 생성한다.
- 이를 배열 안테나라고 하며 일반적으로 반파(half-wave) 안테나 소자를 반 파장(λ/2) 거리로 여러 개 배치하여 사용한다. 본 논문에서는 1개의 중심안테나를 기준으로 3개의 안테나가 삼각형 형태로 배치되어있는 4소자 배열안테나와 1개의 중심안테나를 기준으로 6개의 안테나가 육각형 형태의 배치를 가지는 7소자 배열안테나를 그림2와 같이 모델링 하였다. 동일한 위상의 신호가 수신되었을 때 각 단위 안테나 간 거리에 의해 안테나에 도달하는 신호의 수신 시간 지연이 발생하며 이에 의해 각 안테나에서의 수신 신호 위상 차이가 발생한다.
- 본 논문에서는 4, 7소자 배열안테나를 적용하는 항재밍 시스템을 Matlab을 이용하여 PM (power minimization) 기반의 널 스티어링 알고리즘과 LCMV (linear constraint minimum variance)기반의 빔 스티어링 알고리즘을 모델링 후 비행체의 고도 및 자세변화에 따라 배열안테나에 입사된 위성신호와 재밍 신호간의 상대적인 입사각도에 따른 항재밍 알고리즘의 성능 변화에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 주요 성능 분석 요소로는 각 위성에 대한 수신감도인 C/No [dB] 및 상대적인 재밍 신호의 수신 세기를 나타내는 JSR [dB]변화에 대해 결과를 제시하였으며, 배열안테나에 입사되는 두 신호 간 이루는 각도가 벌어짐에 따라 항재밍 성능 C/No [dB]의 성능이 증가함을 확인하였다.
- 본 논문에서는 재밍 신호원 개수 변화에 따른 4소자 및 7소자 배열안테나의 항재밍 성능 변화와 배열안테나에 입사되는 위성 신호와 재밍 신호간의 상대적인 입사각도에 따른 항재밍 알고리즘의 성능 변화에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 분석결과에 의하면 7소자 배열안테나를 적용한 경우가 4소자 적용의 경우보다 항재밍 성능이 우수 하였고, 두 신호간의 입사각 변화가 좁아질수록 소자 개수에 따른 항재밍 알고리즘의 성능 열화수준이 높아짐을 확인하였다.
- 재머 신호 마찬가지로 재머 신호 개수, 수신신호 전력, 입사각, 대역폭을 입력 파라미터로 받아 재밍 신호를 생성한다. 생성된 두 신호를 더한 후, 위성 신호 대역폭에 해당하는 가우시안 잡음을 추가하여 안테나에 입사되는 수신신호 x를 모델링한다. 배열 안테나의 각 안테나에서 위상 지연을 계산하여 수신 신호에 적용하고 빔 제어 알고리즘 구동에 따른 가중치 벡터 w를 생성한다.
- 87 dBm으로 설정하였고, 재밍 신호의 대역폭은 GPS 신호의 대역폭과 동일하게 하였다. 수신기의 안테나의 경우에는 2-1장에서 모델링한 7소자 배열안테나를 대상으로 하였으며, 2-2장에서 언급한 PM과 LCMV알고리즘을 적용하여 비행체의 자세와 고도에 따른 항재밍 알고리즘의 성능 분석을 하였다. 표 1의 JSR 60 dB일 때 위성 및 재머의 위치 그리고 비행체 자세와 고도에 따른 위성, 재밍 신호 간 이루는 평균 신호 입사각 및 이에 따른 항재밍 알고리즘의 성능(C/No)은 표2와 같다.
- 신호입사각 60° 미만에서는JSR 60 dB일때가 JSR 100 dB일 때보다 성능이 우수하며 신호 입사각 60° 이상에서는 재밍 신호에 대한 충분한 제어가 가능하므로 각 알고리즘의 성능이 포화 값에 도달하고 있음을 확인할 수 있다. 이와 함께 동일한 시나리오에 동체의 감쇄 및 안테나 패턴 및 경로손실을 적용하여 신호 감쇄가 항재밍 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 모델링 간략화를 위해 안테나 하부, 즉 z < 0으로 입사되는 신호는 동체 및 안테나 패턴에 의하여 30 dB의 감쇄가 일어난다고 가정하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 배열 안테나를 이용한 알고리즘 중 일반적으로 연구 및 사용되고 있는 LCMV 빔 형성 알고리즘과 PM 널제어알고리즘을 대상으로 한다. 두 알고리즘은 출력전력을 최소화하여 가중치를 얻는다는 점에서 동일하나 LCMV는 원하는 신호의 방향, 즉 위성 신호 방향으로 일정 값의 안테나 이득을 고정하도록 제한 조건을 두는 반면, PM은 특정 신호방향으로의 어떠한 제한 조건을 두지 않는다.
성능/효과
- GPS 위성 10개에 대하여 표2의 12가지 시나리오를 적용하였을 때의 신호 입사각 대비C/No의 관계는 그림 10과 같다. 결과로부터, LCMV와 PM의 알고리즘 상의 성능 차이는 존재하지만 신호 입사각이 증가할수록 항재밍 알고리즘의 성능이 향상되는 경향성을 동일하게 보이고 있다. 신호입사각 60° 미만에서는JSR 60 dB일때가 JSR 100 dB일 때보다 성능이 우수하며 신호 입사각 60° 이상에서는 재밍 신호에 대한 충분한 제어가 가능하므로 각 알고리즘의 성능이 포화 값에 도달하고 있음을 확인할 수 있다.
- 하지만 수평 자세일 경우 특정 위치에서 평면 안테나의 한계로 인해 위성 신호와 재밍 신호의 입사 방향이 유사 한 것으로 보이게 되어 신호 분리도 측면에서 불리하였다. 결과적으로 수직 자세가 수평자세에 비해 상대적으로 C/No 성능이 약 10dB이상 우수한 것을 결과를 통해 보았으며 알고리즘 성능은 PM보다 LCMV가 더 좋은 것으로 나타났다. 항재밍 알고리즘의 C/No 성능은 JSR 증가에 따라 감소하게 되지만 신호 분리도가 JSR보다 항재밍 성능에 더욱 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
- 두 신호 간 분리도가 적을 경우 위성의 방향으로 안테나 이득을 얻는 LCMV의 성능이 PM 성능에 비해 우수하고, PM의 경우 성능열화가 크게 발생함을 알 수 있다. 또한 7소자 배열안테나를 사용하는 경우 4소자에 비해 재머 개수증가에 대한 항재밍 성능이 좋음을 확인하였다.
- 시뮬레이션 분석결과에 의하면 7소자 배열안테나를 적용한 경우가 4소자 적용의 경우보다 항재밍 성능이 우수 하였고, 두 신호간의 입사각 변화가 좁아질수록 소자 개수에 따른 항재밍 알고리즘의 성능 열화수준이 높아짐을 확인하였다. 모의분석 결과를 종합하면, GPS 신호 및 재밍 신호의 근원지가 수신기의 자세 및 위치에 따라 입사되는 신호의 방향에 따라서 성능에 변화가 있음을 알 수 있었으며, 이는 두 가지 신호간의 입사각이 상대적인 배치에 따라서 입사각이 달라지는 효과에 의함을 확인 할 수 있었다. 신호 간 입사각이 커질수록 C/No의 성능이 좋아지는 경향을 보이며, 위성 신호와 교란 신호가 충분히 분리되면 교란 신호의 제어가 용이해져 알고리즘의 포화 성능에 근접하게 됨을 확인하였다.
- 모의실험으로 동일한 JSR 환경임에도 불구하고 두 신호 간 입사각이 상대적으로 큰 수직 자세의 경우 수평 자세보다 약 10dB 이상의 성능 이득이 있음을 알 수 있다. GPS 위성 10개에 대하여 표2의 12가지 시나리오를 적용하였을 때의 신호 입사각 대비C/No의 관계는 그림 10과 같다.
- 본 연구를 통하여 4, 7소자의 배열안테나에 대해서 7소자 배열안테나가 4소자 배열안테나에 비해 재밍의 영향에 더 안정적인 성능을 보장함을 직관적으로 확인 하였으며, 배열안테나에 입사되는 위성신호와 재밍 신호 간 이루는 상대적 각도 증가함에 따라 항재밍 알고리즘의 C/No 성능이 증가하는 추세를 보여주었고, 이 입사 각도가 빔 제어 알고리즘의 성능에 있어서 중요한 요소가 됨을 시뮬레이션을 통해 보여주었다.
- 본 논문에서는 재밍 신호원 개수 변화에 따른 4소자 및 7소자 배열안테나의 항재밍 성능 변화와 배열안테나에 입사되는 위성 신호와 재밍 신호간의 상대적인 입사각도에 따른 항재밍 알고리즘의 성능 변화에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 분석결과에 의하면 7소자 배열안테나를 적용한 경우가 4소자 적용의 경우보다 항재밍 성능이 우수 하였고, 두 신호간의 입사각 변화가 좁아질수록 소자 개수에 따른 항재밍 알고리즘의 성능 열화수준이 높아짐을 확인하였다. 모의분석 결과를 종합하면, GPS 신호 및 재밍 신호의 근원지가 수신기의 자세 및 위치에 따라 입사되는 신호의 방향에 따라서 성능에 변화가 있음을 알 수 있었으며, 이는 두 가지 신호간의 입사각이 상대적인 배치에 따라서 입사각이 달라지는 효과에 의함을 확인 할 수 있었다.
- 모의분석 결과를 종합하면, GPS 신호 및 재밍 신호의 근원지가 수신기의 자세 및 위치에 따라 입사되는 신호의 방향에 따라서 성능에 변화가 있음을 알 수 있었으며, 이는 두 가지 신호간의 입사각이 상대적인 배치에 따라서 입사각이 달라지는 효과에 의함을 확인 할 수 있었다. 신호 간 입사각이 커질수록 C/No의 성능이 좋아지는 경향을 보이며, 위성 신호와 교란 신호가 충분히 분리되면 교란 신호의 제어가 용이해져 알고리즘의 포화 성능에 근접하게 됨을 확인하였다. 비행 시나리오에서 이러한 입사되는 신호의 모델링과 알고리즘을 적용하였을 때 동체의 자세에 따른 입사되는 신호들의 입사각이 변하기 때문에 항재밍 성능이 이에 영향을 받는다.
- 신호입사각 60° 미만에서는JSR 60 dB일때가 JSR 100 dB일 때보다 성능이 우수하며 신호 입사각 60° 이상에서는 재밍 신호에 대한 충분한 제어가 가능하므로 각 알고리즘의 성능이 포화 값에 도달하고 있음을 확인할 수 있다.
- 그림에서 볼 수 있듯이 비행체의 자세가 수평상태일 경우 재밍 신호와 위성 신호가 이루는 각, 즉 두 신호 간 분리도가 비행체의 자세가 수직상태의 경우의 신호가 이루는 분리도에 비해 적은 것을 알 수 있다. 이러한 경우 수신기가 재밍 신호에 의해 위성 신호를 수신 하는데 있어 간섭을 크게 받을 수 있음을 예측 할 수 있고, 그 결과 위성 신호를 수신하는데 있어 성능 열화가 발생함을 그림 6의 결과로 확인하였다. 그림 6은 표 1의 모의신호 파라미터 하에서 C/No 30 dB 기준으로 검출 가능한 위성수를 보여준다.
- 이는 평면 배열 안테나의 고도 각 대칭성에 의하여 수평 자세의 위성-재밍 신호 간 입사각이 상대적으로 낮아졌기 때문이다. 이에 따라 JSR에 비해 신호 간 이루는 입사각의 차이가 항재밍 성능에 더 큰 영향을 미치게 됨을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.
- 그림에서 확인할 수 있듯 수평 자세일 경우 위성 신호와 재밍 신호의 입사각이 유사하게 되며 수직 자세일 경우 위성 신호와 재밍 신호의 방향이 반대가 된다. 재머의 배치가 선형일 경우 원형 배치보다 재밍 신호가 좀 더 한 방향으로 밀집하여 비행체의 수신기에 수신됨을 확인할 수 있다. 이상의 시나리오에 따른 모의신호의 구체적인 파라미터는 표 1과 같다.
- 본 논문에서는 4, 7소자 배열안테나를 적용하는 항재밍 시스템을 Matlab을 이용하여 PM (power minimization) 기반의 널 스티어링 알고리즘과 LCMV (linear constraint minimum variance)기반의 빔 스티어링 알고리즘을 모델링 후 비행체의 고도 및 자세변화에 따라 배열안테나에 입사된 위성신호와 재밍 신호간의 상대적인 입사각도에 따른 항재밍 알고리즘의 성능 변화에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 주요 성능 분석 요소로는 각 위성에 대한 수신감도인 C/No [dB] 및 상대적인 재밍 신호의 수신 세기를 나타내는 JSR [dB]변화에 대해 결과를 제시하였으며, 배열안테나에 입사되는 두 신호 간 이루는 각도가 벌어짐에 따라 항재밍 성능 C/No [dB]의 성능이 증가함을 확인하였다.
- 결과적으로 수직 자세가 수평자세에 비해 상대적으로 C/No 성능이 약 10dB이상 우수한 것을 결과를 통해 보았으며 알고리즘 성능은 PM보다 LCMV가 더 좋은 것으로 나타났다. 항재밍 알고리즘의 C/No 성능은 JSR 증가에 따라 감소하게 되지만 신호 분리도가 JSR보다 항재밍 성능에 더욱 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
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