[논문]지역항법 신호에 의한 위성항법수신기 간섭상쇄 성능영향

이장용; 장재규; 안우근; 서승우; 이상정

doi:10.12673/jant.2017.21.3.258

지역항법 신호에 의한 위성항법수신기 간섭상쇄 성능영향
Effect of Regional Navigation Signals upon an Interference Cancellation Capable GNSS Receiver Performance 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.21 no.3 = no.84, 2017년, pp.258 - 263

이장용 (국방과학연구소) , 장재규 (국방과학연구소) , 안우근 (국방과학연구소) , 서승우 (국방과학연구소) , 이상정 (충남대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 간섭상쇄 기능을 갖춘 지역전파항법 수신기의 GNSS (global navigation satellite system) 위성항법신호 획득성능을 분석하였다. GNSS 항법신호와 동일 주파수영역에 지역전파항법 신호를 사용하여 통합 항법을 수행할 경우 혼신에 의한 영향이 발생하나, 이는 순차적 간섭신호상쇄 알고리즘 등과 같은 간섭상쇄 기술을 통해 어느 정도 극복 가능하다. 하지만 J/S(jamming-to-signal ratio)가 클 경우 잔여 신호와 GNSS신호와의 교차상관 특성에 의해 신호획득 시 잘못 된 검출결과를 보일 수 있다. 본 논문은 Kasami코드를 사용할 경우 GNSS신호와의 혼신에 의한 신호획득 성능저하를 Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 분석해 보았으며, 비교를 위해 GNSS Gold 코드의 신호획득 성능과 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyzed GNSS signal acquisition performance of a regional navigation receiver when an interference cancellation capability is applied. Intereference between the regional navigation and GNSS signal can be mitigated by the interference cancellation technique such as the successive interference cancellation (SIC) algorithm. However signal acquisition performance will be degraded when jamming-to-signal ratio (J/S) is large due to a cross-correlation properties of residual signals. In this paper we analyzed signal acquisition performance degradation due to the interference between the Kasami and GNSS Gold code signal. Monte Carlo simulation is used for the analysis and compared results with those of GNSS Gold code only condition.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

신호획득을 위해서는 P_fa(probability of false alarm) 10%로 설정하였으며, 간섭신호상쇄 알고리즘 적용유무 및 적용 신호에 상관없이 임계값을 공통으로 사용하였다. RF 대역폭 (single sided bandwidth)은 10 MHz로 가정하였다.
시뮬레이션을 위해 GPS 위성과 의사위성 송출기는 각각 한 개씩만 있는 것으로 가정하였으나, GPS 위성 신호가 상대적으로 매우 약하기 때문에 여러 개를 가정한 경우와 큰 차이는 없을 것으로 예상한다. SIC알고리즘에 의한 복제신호의 신호크기 예측오차는 약 2 %로 가정하였으며, 코드위상, 반송파위상, 주파수 오차는 0.1 % 이내로 매우 정확한 상태로 설정하여 실험실 시험 간섭상쇄 성능결과와 유사한 범위 내에 있도록 하였다. 신호획득을 위해서는 P_fa(probability of false alarm) 10%로 설정하였으며, 간섭신호상쇄 알고리즘 적용유무 및 적용 신호에 상관없이 임계값을 공통으로 사용하였다.
Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 성능분석을 수행하였으며, 경우 당 1,000회 반복을 하였다. 개방 환경에서의 C/N0는 45dB-Hz로 설정하였으며, GPS신호획득 알고리즘에서의 코드검색 간격은 0.5 chip, 주파수는 500 Hz 간격을 가정하였으며 실제 신호의 위치는 해당 구간 안에서 균일하게 분포하도록 하였다. 의사위성 송출신호와 GPS 항법신호 사이의 코드위상차이는 한 주기만큼 균일하게 분포하도록 하였다.
의사위성 송출신호인 Kasami신호가 GPS신호보다 27 dB 높게 수신되는 상황에서 간섭제거알고리즘으로 Kasami신호를 상당부분 상쇄한 이후의 신호 획득 검출기 출력 값을 모의한 것이다. 신호획득 검출기는 FFT (fast fourier transform)반의 순환 상관기술 (circular correlation)을 가정한 것으로, 특정 주파수에서의 병렬코드 위상검출 값에 해당한다.

제안 방법

그 외러시아의 경우 GLONASS(global navigation satellite system)-K에서 Kasami-large 코드를 사용할 것으로 알려져 있다. Kasami-small 코드의 경우 패밀리 수가 매우 적어 위성항법용으로 적합하지는 않으므로, 본 논문에서는 지상항법 시스템 신호로 사용하였다.
하지만 실제 성능은 최댓값으로만 결정되는 것은 아니기 때문에, 수치 모의실험을 통해 열화 정도를 분석해야 한다. 본 논문에서는 Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 신호획득 성능을 비교 분석하였다.
본 논문에서는 간섭신호상쇄 알고리즘 적용이후 GPS신호 획득 성능을 분석하였으며, 지역전파항법 시스템의 신호로Kasami 코드를 사용하였다. 이종 신호에 대한 교차상관 특성은분석적해로 정의되지 않기 때문에, Monte Carlo 시뮬레이션을 통하여 성능분석을 수행하였다.
고감도 신호획득의 경우 GPS(global positioning system) 신호 간 상호간섭이 발생하며, 의사위성을 GPS의 보강신호로 사용할 경우 GPS신호와 의사위성 신호 간 이종코드 상호간섭이 발생한다. 본 연구에서는 지역전파항법에 사용되는 의사위성을 위하여 Kasami 코드와 Gold 코드를 사용하여 교차상관 특성을 분석하였다. 원칙적으로 교차상관 특성은 동일 코드 패밀리 내에서 최적의 특성을 갖기 때문에 의사위성 용으로 할당 된 GPS Gold코드를 사용할 경우 최고 성능을 보인다.
본 장은 Kasami코드를 의사위성 송출신호로 사용했을 경우 간섭상쇄 수신기에서의 GPS신호 획득성능을 분석하였다. 비교를 위해 GPS신호를 의사위성 송출신호로 사용했을 경우도 동시에 분석하였다.
본 장은 Kasami코드를 의사위성 송출신호로 사용했을 경우 간섭상쇄 수신기에서의 GPS신호 획득성능을 분석하였다. 비교를 위해 GPS신호를 의사위성 송출신호로 사용했을 경우도 동시에 분석하였다.
1 % 이내로 매우 정확한 상태로 설정하여 실험실 시험 간섭상쇄 성능결과와 유사한 범위 내에 있도록 하였다. 신호획득을 위해서는 P_fa(probability of false alarm) 10%로 설정하였으며, 간섭신호상쇄 알고리즘 적용유무 및 적용 신호에 상관없이 임계값을 공통으로 사용하였다. RF 대역폭 (single sided bandwidth)은 10 MHz로 가정하였다.
본 논문에서는 간섭신호상쇄 알고리즘 적용이후 GPS신호 획득 성능을 분석하였으며, 지역전파항법 시스템의 신호로Kasami 코드를 사용하였다. 이종 신호에 대한 교차상관 특성은분석적해로 정의되지 않기 때문에, Monte Carlo 시뮬레이션을 통하여 성능분석을 수행하였다. 결과적으로 GPS신호와 비교하였을 경우 동일한 신호획득 성공률을 달성하기 위해 약 1~2dB 강한 C/N₀를 필요로 하였으며, 마찬가지로 신호획득 감도도 약 1~2 dB 수준 열화 되었다.

데이터처리

Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 성능분석을 수행하였으며, 경우 당 1,000회 반복을 하였다. 개방 환경에서의 C/N0는 45dB-Hz로 설정하였으며, GPS신호획득 알고리즘에서의 코드검색 간격은 0.

성능/효과

결과적으로 GPS신호와 비교하였을 경우 동일한 신호획득 성공률을 달성하기 위해 약 1~2dB 강한 C/N₀를 필요로 하였으며, 마찬가지로 신호획득 감도도 약 1~2 dB 수준 열화 되었다. J/S기준 25 dB수준까지는 열화정도가 완만하나, 그 보다 큰 신호에 대해서는 급격한 신호획득 성능열화가 관측되어 간섭신호상쇄 알고리즘을 적용하더라도 원만한 GPS신호획득은 힘들 것으로 분석되었다.
이종 신호에 대한 교차상관 특성은분석적해로 정의되지 않기 때문에, Monte Carlo 시뮬레이션을 통하여 성능분석을 수행하였다. 결과적으로 GPS신호와 비교하였을 경우 동일한 신호획득 성공률을 달성하기 위해 약 1~2dB 강한 C/N₀를 필요로 하였으며, 마찬가지로 신호획득 감도도 약 1~2 dB 수준 열화 되었다. J/S기준 25 dB수준까지는 열화정도가 완만하나, 그 보다 큰 신호에 대해서는 급격한 신호획득 성능열화가 관측되어 간섭신호상쇄 알고리즘을 적용하더라도 원만한 GPS신호획득은 힘들 것으로 분석되었다.
교차상관특성으로 최대 부엽크기를 비교하였으며, Kasami-small (이하 Kasami)의 경우 1,023개 칩 길이에서 약 –30 dB로 매우 좋은 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
앞 절에서 설명했듯이 교차 상관특성이 최적이 아니기 때문에 발생하는 현상이나, 수치모의시험결과 큰 성능차이를 유발하지는 않는 것으로 분석된다. 위 결과로 볼 때 간섭신호상쇄 알고리즘을 적용한 GPS 수신기의 경우 약 25 dB 수준의 신호차이 까지는 1~2 dB 수준의 열화를 겪어 원활한 신호 획득이 가능하지만, 그 보다 강한 신호에 대해서는 신호획득이 원활하지 않을 것으로 분석된다.
그림 6은 GPS신호를 송출기에서 사용하였을 경우 신호획득 성능을 분석한 것이다. 주어진 주파수 후보에 대해 참 코드 위상을 1-chip 이내에서 검출한 비율이며, 간섭신호상쇄이후에도 J/S가 올라갈수록 신호획득 성능이 떨어지는 것을 보여준다. J/S 25 dB 근처에서부터 급격히 성능저하를 보여주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연속간섭신호상쇄기법이란?	연속간섭신호상쇄기법은 입력신호 중에서 세기가 강한 간섭신호를 정밀 추정 후 생성한 복제신호를 통해 간섭신호를 제거한 이후, 나머지 신호성분을 획득 및 처리하는 기법이다. 다른 기법들에 비해 강건성이 좋고 구현이 용이해서 주로 사용되는 방법으로, 해당 알고리즘은 그림 1과 같은 형태로 수신기에 구현된다.
	GNSS 항법 시스템이 무선 통신과 다른 점은 무엇인가?	직접 대역확산 다중접속 (DS-CDMA; direct sequence code division multiple access)신호를 사용하는 무선 통신/항법 시스템은 상황에 따라 상대적으로 강한 송신 신호에 의해 상호 간섭이 발생할 수 있다. 무선 통신과는 달리 GNSS 항법 시스템은 전지구상에서 수 dB 이내의 차이를 갖고 일정한 크기의 수신신호를 유지하도록 설계가 되기 때문에, 항공기의 일반적인 이착륙 단계에서는 상호 간섭에 의한 영향이 크지 않다[1].
	상호 간섭에 의한 문제를 해결하기 위해 어떤 연구가 진행되었는가?	하지만 도심지를 포함하는 지상항법 응용분야 또는 의사위성을 사용한 실내 또는 지역전파항법 시스템의 경우 송수신기 사이의 거리가 상대적으로 가깝기 때문에 상호 간섭에 의한 영향이 매우 크다. 이 문제를 해결하기 위해 간섭신호상쇄 알고리즘에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 통신 분야에서 사용자 수를 늘리기 위해 주로 개발되어 사용된[2],[3] 연속간섭신호상쇄기법(SIC; successive interference cancellation)이 고감도 GNSS신호획득 분야에서 적용되기 시작되었다[4],[5]. 의사위성을 사용하는 경우 간섭효과를 최소화하기 위해 시분할접속기법, 주파수 오프셋 등 을 사용해 왔으나 최근에 연속간섭상쇄기법을 사용하는 연구도 진행 중이다[6],[7]. 고감도 신호획득의 경우 GPS(global positioning system) 신호 간 상호간섭이 발생하며, 의사위성을 GPS의 보강신호로 사용할 경우 GPS신호와 의사위성 신호 간 이종코드 상호간섭이 발생한다.

참고문헌 (7)

E. D. Kaplan and C. J. Hegarty, Understanding GPS Principles and Applications, 2nd ed. Norwood, MA: Artech House, 2006.
A. J. Viterbi, "Very low rate convolutional codes for maximum theoretical performance of spread-spectrum multiple-access channels," IEEE Journal of Selected Areas in Communications, Vol. 8, No. 4, pp. 641-649, 1990.

상세보기
S. Moshavi, "Multi-user detection for DS-CDMA communications," IEEE Communication Magazine, Vol. 34, No. 10, pp. 124-136, 1996.
P. H. Madhani, P. Axelrad, K. Krumvieda, and J. Thomas, "Application of successive interference cancellation to the GPS pseudolite near-far problem," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 39, No. 2, pp. 481-488, 2003.

상세보기
Y. T. Morton, M. Miller, J. Tsui, D. Lin, and Q. Zhou, "GPS civil signal self-interference mitigation during weak signal acquisition," IEEE Transactions on Signal Processing, Vol, 55, No. 12, pp. 5859-5863, 2007.

상세보기
S. W. Seo, J. G. Jang, and W. G. Ahn, "The study of the receiver using interference cancellation technique for selective-jamming system," in 2016 Korea GNSS Society Conference, Jeju: Korea, pp. 112-115, Dec. 2016.
W. G. Ahn, S. W. Seo, J. G. Jang, J. Y. Lee, and J. P. Park, "The study on the interference cancellation performance by clock in selective-jamming system," in 2016 Korea GNSS Society Conference, Jeju: Korea, pp. 17-20, Dec. 2016.

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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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