전술항행표지시설(TACAN : TACtical Air Navigation)은 군용항공기의 단거리(200~300mile) 항법 지원용으로 개발되었다. 따라서, TACAN은 미국 군용규격인 MIL-STD(Military Standards)-291C를 만족하도록 15Hz와 135Hz 변조도는 각각 $21{\pm}9%$를 준수 하여야 하며, 그 합이 55% 이내 이어야 한다. 기존 TACAN 안테나를 통해서는 안테나의 직경, 파장길이, 수신 경사 각도, 내부 변조방식 및 사용 주파수에 따라 15Hz와 135Hz에서의 변조도가 상이하게 생성되어도 변조도 조정기능이 없어 변조신호가 기준치(MIL-STD-291C규격)를 벗어 났을 때는 운용중지 후 수리를 해야만 하는 문제가 있다. 이에, FPGA를 이용한 변조신호발생기를 설계 제작하고, 실험을 통하여 15Hz와 135Hz의 변조도를 각각 설정값에 따라 변화 시킬 수 있음을 확인하는 한편, 안테나에서 방사되는 전파의 모니터링 신호에 따라 자동 조정되게 하고, 기준치를 벗어 나면 경보가 울리도록 하는 기능을 추가 사용할 수 있도록 한다.
전술항행표지시설(TACAN : TACtical Air Navigation)은 군용항공기의 단거리(200~300mile) 항법 지원용으로 개발되었다. 따라서, TACAN은 미국 군용규격인 MIL-STD(Military Standards)-291C를 만족하도록 15Hz와 135Hz 변조도는 각각 $21{\pm}9%$를 준수 하여야 하며, 그 합이 55% 이내 이어야 한다. 기존 TACAN 안테나를 통해서는 안테나의 직경, 파장길이, 수신 경사 각도, 내부 변조방식 및 사용 주파수에 따라 15Hz와 135Hz에서의 변조도가 상이하게 생성되어도 변조도 조정기능이 없어 변조신호가 기준치(MIL-STD-291C규격)를 벗어 났을 때는 운용중지 후 수리를 해야만 하는 문제가 있다. 이에, FPGA를 이용한 변조신호발생기를 설계 제작하고, 실험을 통하여 15Hz와 135Hz의 변조도를 각각 설정값에 따라 변화 시킬 수 있음을 확인하는 한편, 안테나에서 방사되는 전파의 모니터링 신호에 따라 자동 조정되게 하고, 기준치를 벗어 나면 경보가 울리도록 하는 기능을 추가 사용할 수 있도록 한다.
TACAN(TACtical Air Navigation) was created to support military aircraft's short range navigation (200~300 mile). TACAN must fulfill a condition of MIL-STD-291C, the U.S. Military Standards, which addresses the sum of 15Hz and 135Hz should be within 55%, following the factor of modulations for both t...
TACAN(TACtical Air Navigation) was created to support military aircraft's short range navigation (200~300 mile). TACAN must fulfill a condition of MIL-STD-291C, the U.S. Military Standards, which addresses the sum of 15Hz and 135Hz should be within 55%, following the factor of modulations for both to be $21{\pm}9%$ each. Within the existing TACAN antenna, modulation factor for 15Hz and 135Hz are created differently depending on its diameter, wavelength, angle of gradient, internal modulation method or using frequency code. It brings up a problem where applications needed to be stopped and repaired when modulating signal exceeds the standard of MIL-STD-291C since the existing TACAN antenna does not have coordination function. Hence, plan and produce a modulating signal generator using FPGA, and check the changes in the modulation factor for 15HZ and 135Hz, depending on the values that have been set in each criteria. Moreover, allow the modulating signal generator to be automatically adjusted based on the monitoring signal emitted by antenna, and place alarm sound just in case if it exceeds the standard.
TACAN(TACtical Air Navigation) was created to support military aircraft's short range navigation (200~300 mile). TACAN must fulfill a condition of MIL-STD-291C, the U.S. Military Standards, which addresses the sum of 15Hz and 135Hz should be within 55%, following the factor of modulations for both to be $21{\pm}9%$ each. Within the existing TACAN antenna, modulation factor for 15Hz and 135Hz are created differently depending on its diameter, wavelength, angle of gradient, internal modulation method or using frequency code. It brings up a problem where applications needed to be stopped and repaired when modulating signal exceeds the standard of MIL-STD-291C since the existing TACAN antenna does not have coordination function. Hence, plan and produce a modulating signal generator using FPGA, and check the changes in the modulation factor for 15HZ and 135Hz, depending on the values that have been set in each criteria. Moreover, allow the modulating signal generator to be automatically adjusted based on the monitoring signal emitted by antenna, and place alarm sound just in case if it exceeds the standard.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 MIL-STD-291C 규격에 따라 TACAN 방사신호의 주요 성분인 방위각을 산출 하기에 적절한 변조도를 생성할 수 있는 변조신호발생기를 구현하였으며, 생성된 신호에 대한 DFT 처리를 하여 신호의 정확성 검증 및 분석을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 고정용 TACAN 안테나를 통하여 방사된 신호를 측정함으로서 성능을 검증하였다.
또한, 기존의 TACAN 안테나용 변조신호발생기는 변조도를 조절하는 기능이 없이 고정되어 생산되므로써, 주변환경의 변화나 변조신호발생기 내부 부품의 특성변화에 따른 변조도 변화에 적절히 대응할 수 없으며, 기준치(21±9%)를 벗어났을 때는 부득이 운용중지후 수리를 해야하는 심각한 단점이 있다. 이에 본연구에서는 TACAN 안테나용 변조신호발생기에 변조도 조정기능을 부가하여 어떠한 환경에서도 가장 적합한 변조도의 양질의 방위정보를 제공할수 있게 하고자 한다.
제안 방법
Composite 신호 생성을 위하여 식(5)를 엑셀로 구현하여 15Hz의 amplitude “A”와 135Hz의 amplitude “B”, 그리고, “DC offset”을 입력하여 파형을 생성하고, 식(9)에 따라 변조도를 계산한다. C언어를 사용하여 엑셀시트에서 구한 900개의 입력 데이터에 대한 DFT 연산을 수행한다[15].
고정용 TACAN 안테나 변조신호발생기를 구현하여 변조도 설정에 따른 다양한 경우에 대하여 실험하고 측정결과를 얻었다. [Table 7]은 파형 설정값에 따른 변조도 측정값을 보여 준다.
따라서, GUI 프로그램을 수정 보완하여 화면에 보이는 설정값은 실제 요구되는 변조도 값으로 표시하고, 모니터링 측정값이 가장 근접할 때까지 파형 설정값을 자동 조정토록 구현 하였으며, MIL-STD-291C 규격에서 벗어 났을 때 경보가 울리도록 하는 기능을 추가하여 사용할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 MIL-STD-291C 규격에 따라 TACAN 방사신호의 주요 성분인 방위각을 산출 하기에 적절한 변조도를 생성할 수 있는 변조신호발생기를 구현하였으며, 생성된 신호에 대한 DFT 처리를 하여 신호의 정확성 검증 및 분석을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 고정용 TACAN 안테나를 통하여 방사된 신호를 측정함으로서 성능을 검증하였다.
실험을 위한 TACAN 채널(주파수)는 1∼126X 중에서 70X(1157MHz)으로 하였으며 채널에 따라 고정용 TACAN 안테나에 의하여 방사되는 변조도는 안테나 상태 및 주파수에 따라 달리 측정되는데, 실험 ①은 15Hz와 135Hz의 파형의 크기를 각각 임의로 설정하였고, 이를 기준으로 파형 설정값을 조정하여 실제 변조도 측정값이 변화하는지 확인하였다. 실험 ②는 실험 ①에서 15Hz 설정값을 높이고, 135Hz 설정값을 낮게 조정하여 측정하였으며, 마지막 실험 ③은 국토교통부 비행점검센터 TACAN 비행검사 시 권장하는 변조도 값으로 안테나 방사신호의 15Hz와 135Hz 변조도 측정값이 약 20%가 형성되도록 실험 ②에서 15Hz 설정값을 다시 낮추고, 135Hz 설정값을 높게 올려서 조정하여 측정하였다.
실험을 위한 TACAN 채널(주파수)는 1∼126X 중에서 70X(1157MHz)으로 하였으며 채널에 따라 고정용 TACAN 안테나에 의하여 방사되는 변조도는 안테나 상태 및 주파수에 따라 달리 측정되는데, 실험 ①은 15Hz와 135Hz의 파형의 크기를 각각 임의로 설정하였고, 이를 기준으로 파형 설정값을 조정하여 실제 변조도 측정값이 변화하는지 확인하였다.
안테나에서 귀환된 신호를 450개 샘플링 하여 위 DFT연산으로 Real 및 Imaginary 값을 구한다. 그 값에서 0Hz(DC), 15Hz, 135Hz의 magnitude를 구하게 된다.
파형 설정값 및 변조도 계산값과 안테나로 부터 방사된 신호의 측정값이 차이가 발생하는 것을 확인 하였으며, 이에 대한 원인 및 상관성을 분석하여 측정값 기준으로 파형값을 설정하여 변조도 조정이 이루어 지도록 개선해야 하는 필요성을 확인하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 변조신호발생기가 제어할 대상 안테나로 Rantec社 AT-100 안테나를 사용한다. AT-100 안테나는 36개의 컬럼으로 구성되어 있으며, 변조신호발생기에서는 10도씩 위상 차이가 있는 36개의 15Hz와 135Hz가 합성된 신호를 36개의 안테나 컬럼에 각각 전달한다.
사용주파수는 탑재장비의 송신에는 1,025∼ 1,150MHz, 지상국의 송신용은 962∼1,025MHz, 또는 1,151∼1,213MHz가 사용된다.
성능/효과
DC offset과 15Hz sin wave의 amplitude와 phase, 135Hz sin wave의 amplitude와 phase가 생성한 파형의 설정값과 매우 근사함을 확인할 수 있다.
실험 결과와 같이 파형 설정값에 따라 최종 측정값이 변화하는 것을 확인하였다, 즉, 파형 설정값을 높게 하면 변조도 측정값이 높게 측정이 되고, 낮게 설정하면 변조도 측정값 역시 낮게 측정이 되는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험을 통하여 변조도를 MIL-STD-291C 규격에 따른 가변 범위내에서 자유로이 조정할 수 있는 성능을 최종 확인 하였다.
실험 결과와 같이 파형 설정값에 따라 최종 측정값이 변화하는 것을 확인하였다, 즉, 파형 설정값을 높게 하면 변조도 측정값이 높게 측정이 되고, 낮게 설정하면 변조도 측정값 역시 낮게 측정이 되는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험을 통하여 변조도를 MIL-STD-291C 규격에 따른 가변 범위내에서 자유로이 조정할 수 있는 성능을 최종 확인 하였다.
평가 방법은 Composite 신호 생성을 위하여 식(5)를 엑셀로 구현하고, 15Hz의 amplitude “A”와 135Hz의 amplitude “B”, 그리고, “DC offset”을 입력하여 파형을 생성하고, 식(9)에 따라 변조도를 계산한 후, 장비에서 출력되는 composite 신호와 안테나를 통하여 방사된 신호에 대하여 Rodhe&Schwarz사 EDS-300 TACAN analyzer를 이용하여 측정하고 최종 방사신호의 변조도가 기준치내에서 조정될 수 있음을 확인한다.
후속연구
한편, 본 실험에서는 고정된 채널(70X)에서만 실험을 실시 할 수 있었는데, 향후 전 채널에 걸쳐 여러차례 실험을 실시하여 각 채널별로 15Hz와 135Hz의 파형크기에 대한 가장 적합한 설정값을 산정하고, 그 값들을 각 채널별 초기값(기본값)으로 설정 하여 프로그램 한다면 현장에서 훨씬 유용하게 사용될 것이다.
현재 전량 수입에 의존하던 고정용 TACAN 안테나 제어에 필수 장비인 변조신호발생기의 기술을 확보하고, 더 나아가 현존하는 변조신호발생기에는 없는 변조도 조정기능을 구현 및 검증함으로써 상용화를 통하여 국산화 및 수출도 가능하리라 본다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전술항행표지시설이란?
전술항행표지시설(TACAN : TACtical Air Navigation)은 항공기와 지상국의 상대적인 방위와 거리를 알아내기 위한 항법 장비이다. 주 목적은 군용항공기의 단거리(200∼300mile) 항법 지원용으로 개발되었다[1].
기존의 TACAN 안테나용 변조신호발생기의 단점은?
또한, 기존의 TACAN 안테나용 변조신호발생기는 변조도를 조절하는 기능이 없이 고정되어 생산되므로써, 주변환경의 변화나 변조신호발생기 내부 부품의 특성변화에 따른 변조도 변화에 적절히 대응할 수 없으며, 기준치(21±9%)를 벗어났을 때는 부득이 운용중지후 수리를 해야하는 심각한 단점이 있다. 이에 본연구에서는 TACAN 안테나용 변조신호발생기에 변조도 조정기능을 부가하여 어떠한 환경에서도 가장 적합한 변조도의 양질의 방위정보를 제공할수 있게 하고자 한다.
전술항행표지시설의 주목적은?
전술항행표지시설(TACAN : TACtical Air Navigation)은 항공기와 지상국의 상대적인 방위와 거리를 알아내기 위한 항법 장비이다. 주 목적은 군용항공기의 단거리(200∼300mile) 항법 지원용으로 개발되었다[1]. 항공기의 탑재된 TACAN 장치에서 지상 TACAN의 채널을 맞추기만 하면 자동적으로 지상국에 전파가 보내어지고, 지상국으로부터 수신 되는 전파에 의해, 지상국과의 방위와 거리가 동시에 항공기의 지시기에 나타나서 항공기의 비행위치를 알 수 있다[2].
참고문헌 (20)
K. H. Lee, The Use of Airforce Microwave, "The Magazine of the IEEE", Vol. 1, No. 1, pp.61-71, 1963.
W. L. Garfield, "TACAN: a navigation system for aircraft", Proceeding of the IEEE - Part B: Radio and Electronic Engineering, Vol. 105, Issue9, Part S, pp.298-306, 1958.
S. J. Park and K. H. Koo, "Optimization of Broadband Antenna Parasitic Elements for TACAN", Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 26, No. 5, pp.483-491, 2015.
DNC News, Updated Business Project Plan of a Portable TACAN from the 55th Policyand Planning Subcommittee, etc. http://dcn.or.kr/66344
S. H. Dodington, "Development of 1000-mHz Distance Measuring" IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. ANS-16, NO. 4, pp.533-540, 1980.
T. W. Kim and J. Grabowski, "Validation of GPS L5 coexistence with DME/TACAN and link-16 systems", Proceedings of the 16th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GPS/GNSS 2003), pp.1455-1469, 2003.
T. H. Kim, "Study on Structure and Performance Improvement of TACAN(Tactical Air Navigation) Antenna", Kwangwoon University, 2010.
M. T. Decker, "Tacan Coverage and Channel Requirements" IRE Transactions on Aeronautical and Navigational Electronics, Vol. ANE-4, Issue 4, pp.135-143, 1957.
Korea Office of Civil Aviation at MOLIT, "Theory and Practice of Checkout Flight for navigation safety facility(1)" VOR / DME / TACAN, National Archive, Policy Information, 2005.
W. T. De and T. Latimer, "Azimuth Errors of the TACAN System" Aeronautical and Navigational Electronics, IRE Trans, Vol.ANE-3, Issue 4, pp.150-156, 1956.
H. von Viebahn, H. Brandtberg, "Advances in Avionics and Navigation Systems" International Council of the Aeronautical Sciences 2006, pp. 7-9, 2006.
L. D. Van, C. T, Lin, Y. C. Yu, "Digital Signal Processing" IEICE transactions on fundamentals of electronics, communications and computer sciences Vol. 90 No. 8, pp. 1644-1652, 2007.
Y. H. Seo, H. J. Chio and D. W. Kim, "FPGA Design of Digital Circuit for TACAN", Korea Institute Of Communication Sciences, Vol. 35, No. 12, pp.1775-1782, 2010.
J. S. Lim and G. S. Chae, Analysis of Direction Finding Accuracy for Amplitude-Phase Comparison and Correlative Interferometer Method. Journal of Digital Convergence, Vol. 14, No. 1, pp.195-201, 2016.
S. W. Lee, A Study on 8kbps PC-MPC by Using Position Compensation Method of Multi-Pulse, Journal of Digital Convergence, Vol. 11, No. 5, pp.285-290, 2013.
S. H. Lee, N. S. Park, K. H. Lee, A remote device authentication scheme in M2M communications, Journal of Digital Convergence, Vol. 11, No. 2, pp.309-316, 2013.
Joong-Soo Lim, Gyoo-Soo Chae, Min-Nyun Kim, Young-Ho Kim, "Analysis of DOP using Radionavigation Transmitter", Journal of the Korea Convergence Society, Vol. 2, No. 2, pp. 7-12, 2011.
AutJunyan TAN ,Virginie FRESSE ,Frederic ROUSSEAU, A Generic Design Flow for the Generation of a Dedicated Emulation Noc-Based Plateform on FPGA, Journal of Small & Medium Business Convergence Society, Vol. 1, No. 1, pp.221-230, 2014.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.