본 논문에서는 신호의 고각과 방위각을 추정하기 위한 위상비교 방식의 방향탐지 정확도에 대해 분석하였다. 안테나 4개를 균일 배치한 구조와 3개를 균일 배치한 구조의 고각과 방위각 추정에 대한 분석적 표현을 제시하였고, 방향탐지 오차를 분석하였다. 또한 정확도, 형상, 채널수 관점에서 두 구조를 비교하여 방향탐지 장치 설계에 대한 방향을 제시하였다. 방향탐지 분석결과는 시뮬레이션 결과와 유사한 분포를 나타내고, $1.2^{\circ}RMS$ 이내의 차이를 갖는 것을 확인하였다. 분석 결과로부터 SNR 20 dB, 베이스라인 길이가 반파장일 때, 안테나 4개를 균일 배치한 구조의 경우, 안테나 3개를 배치한 구조에 비해 고각 방향탐지 정확도는 1.15 배 높으며, 방위각 방향탐지 정확도는 서로 동일함을 확인하였다. 또한 2차원 방향탐지 구조는 1차원 방향탐지 구조에서 발생하는 코닝에러가 제거되는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 신호의 고각과 방위각을 추정하기 위한 위상비교 방식의 방향탐지 정확도에 대해 분석하였다. 안테나 4개를 균일 배치한 구조와 3개를 균일 배치한 구조의 고각과 방위각 추정에 대한 분석적 표현을 제시하였고, 방향탐지 오차를 분석하였다. 또한 정확도, 형상, 채널수 관점에서 두 구조를 비교하여 방향탐지 장치 설계에 대한 방향을 제시하였다. 방향탐지 분석결과는 시뮬레이션 결과와 유사한 분포를 나타내고, $1.2^{\circ}RMS$ 이내의 차이를 갖는 것을 확인하였다. 분석 결과로부터 SNR 20 dB, 베이스라인 길이가 반파장일 때, 안테나 4개를 균일 배치한 구조의 경우, 안테나 3개를 배치한 구조에 비해 고각 방향탐지 정확도는 1.15 배 높으며, 방위각 방향탐지 정확도는 서로 동일함을 확인하였다. 또한 2차원 방향탐지 구조는 1차원 방향탐지 구조에서 발생하는 코닝에러가 제거되는 것을 확인하였다.
In this paper, the author analyzes direction finding accuracy based on phase comparisons to estimate elevation and azimuth angles of arrival signals. This paper considers the uniform array configurations using four and three elements. In that direction finding structures, I present the analytic expr...
In this paper, the author analyzes direction finding accuracy based on phase comparisons to estimate elevation and azimuth angles of arrival signals. This paper considers the uniform array configurations using four and three elements. In that direction finding structures, I present the analytic expressions for estimated elevation and azimuth angles and then analyze the direction finding errors. And one presents the design guideline of direction finding system in comparison with aspects of accuracy, structure, the number of channels in that structures. The analysis result is similar with simulation one and has difference within $1.2^{\circ}RMS$. From the proposed analysis results, one knows that when SNR is 20 dB and the baseline is half of wavelength, the estimated elevation accuracy of the uniform array using four elements is 1.15 times better than the one of the uniform array using three elements and the estimated azimuth accuracy is same each other. In addition, one knows coning error is eliminated in 2-D direction finding structure.
In this paper, the author analyzes direction finding accuracy based on phase comparisons to estimate elevation and azimuth angles of arrival signals. This paper considers the uniform array configurations using four and three elements. In that direction finding structures, I present the analytic expressions for estimated elevation and azimuth angles and then analyze the direction finding errors. And one presents the design guideline of direction finding system in comparison with aspects of accuracy, structure, the number of channels in that structures. The analysis result is similar with simulation one and has difference within $1.2^{\circ}RMS$. From the proposed analysis results, one knows that when SNR is 20 dB and the baseline is half of wavelength, the estimated elevation accuracy of the uniform array using four elements is 1.15 times better than the one of the uniform array using three elements and the estimated azimuth accuracy is same each other. In addition, one knows coning error is eliminated in 2-D direction finding structure.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 2차원 공간에서 입사되는 신호의 도래각을 추정하기 위해 일반적인 형태의 위상차 수식을 도출하였다. 그림 1에 신호원의 도래각을 추정하기 위해 안테나 4개를 균일 배치한 구조를 직각좌표계에 나타내었다[4].
본 논문에서는 2차원 위상비교 방향탐지 정확도를 분석한 연구 결과를 기술하였다. 일반적인 형태의 위상차 수식을 이용하여 안테나 4개를 균일 배치한 구조와 3개를 균일 배치한 구조의 방향탐지 정확도를 분석하였다.
도래각을 갖는 신호원은 공간차에 따른 전파지연시간을 갖게 되어, 두 개의 수신 신호간 위상차가 발생되는 원리를 이용한 것이다. 본 논문에서는 위상비교 방향탐지 방식을 이용하여 두 개의 도래각을 추정하기 위한 2차원 위상비교 방향탐지 방식에 대해 다루었다.
제안 방법
따라서 본 논문에서는 신호의 SNR에 의한 위상차 오차를 구하고, 이를 이용하여 방위각, 고각 방향탐지 오차를 구하였다.
이 두 구조는 제한된 안테나 배치 공간에서 구현할 수 있는 간단한 구조로, 도출한 식을 비교 분석하여 두 구조의 특징을 확인하였다. 또한 이를 1차원 위상비교 방향탐지 구조의 방향탐지 오차와 비교하였다.
본 논문에서는 일반적인 형태의 위상차 수식을 이용하여 간단한 2차원 위상비교 방향탐지 구조인 안테나 4개를 균일 배치한 구조와 3개를 균일 배치한 구조의 방향탐지 오차 수식을 도출하였다. 이 두 구조는 제한된 안테나 배치 공간에서 구현할 수 있는 간단한 구조로, 도출한 식을 비교 분석하여 두 구조의 특징을 확인하였다.
본 연구를 통하여 다양한 2차원 위상비교 방향탐지 구조에 대한 방향탐지 오차식을 도출하였다. 이를 이용하여 목표 방향탐지 정확도를 만족하기 위한 베이스라인의 길이, 방위각 고각 범위, SNR을 설정할 수 있어, 방향탐지 시스템 설계 시 폭넓게 활용할 수 있다.
본 논문에서는 일반적인 형태의 위상차 수식을 이용하여 간단한 2차원 위상비교 방향탐지 구조인 안테나 4개를 균일 배치한 구조와 3개를 균일 배치한 구조의 방향탐지 오차 수식을 도출하였다. 이 두 구조는 제한된 안테나 배치 공간에서 구현할 수 있는 간단한 구조로, 도출한 식을 비교 분석하여 두 구조의 특징을 확인하였다. 또한 이를 1차원 위상비교 방향탐지 구조의 방향탐지 오차와 비교하였다.
본 논문에서는 2차원 위상비교 방향탐지 정확도를 분석한 연구 결과를 기술하였다. 일반적인 형태의 위상차 수식을 이용하여 안테나 4개를 균일 배치한 구조와 3개를 균일 배치한 구조의 방향탐지 정확도를 분석하였다. 위 두 구조로 추정한 신호원의 고각은 방위각의 영향을 받지 않지만, 신호원 방위각의 경우 고각의 영향을 받는 것을 확인하였다.
데이터처리
Ⅱ장에서는 각 2차원 위상비교 방향탐지 구조에 맞는 도래각 추정식을 도출하고, 1차원의 결과와 비교하였다. Ⅲ장에서는 Ⅱ장에서 도출한 식을 이용하여 각 구조에 맞는 방향탐지 오차 수식을 도출하고, 비교 분석하였다. 그 후 논문의 결론을 맺었다.
방향탐지 정확도 수식을 검증하기 위해 NI사의 AWR Design Environment 11 VSS를 이용하여 시뮬레이션하였고, 이를 그림 7에 나타내었다.
성능/효과
1차원 위상비교 방향탐지 구조를 이용하여 방위각을 추정한 값은 고각이 증가할수록 오차가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 2차원 위상비교 방향탐지 구조를 이용한 방위각 추정 시, 이러한 오차는 발생하지 않는 것을 알 수 있다.
1차원 위상비교 방향탐지 구조로 방위각을 추정할 경우, 고각의 정보를 모르기 때문에 오차가 발생하며, 이를 고각에 의한 코닝 오차(coning error)라고 부른다[2],[6]. 2차원 위상비교 방향탐지 구조로 방위각을 추정할 경우, 고각정보가 있으므로 코닝 오차가 제거됨을 확인할 수 있다.
또한 본 논문에서 기술한 일반적인 형태의 위상차 수식을 이용한 도래각 추정식과 방향탐지 오차식의 도출 방법을 이용하면, 다양한 구조를 갖는 위상비교 방향탐지 구조에 대해서도 도래각 추정식과 방향탐지 오차식을 도출할 수 있다.
2 °RMS 이내의 차이를 갖는 것을 확인하였다. 또한, 1차원 위상비교 방향탐지 구조로 위상비교 방향탐지를 수행할 경우, 코닝 에러가 발생함을 확인하였고, 이는 2차원 위상비교 방향 탐지 구조를 사용하면 해결 가능함을 확인하였다.
그리고 신호원의 방위각 또는 고각이 클수록 방위각 방향탐지 오차가 커지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 보어 사이트에서는 고각과 방위각의 방향탐지 오차는 동일하지만, 도래각이 증가할수록 방위각의 방향탐지 오차는 고각에 비해 큰 것을 확인할 수 있다.
그림 5의 고각 방향탐지 오차의 경우, 방위각이 변할 때 방향탐지 오차가 변하지 않고, 고각이 변할 때 오차가 변하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 신호원의 고각이 클수록 고각 방향탐지 오차가 커지는 것을 확인할 수 있다. 그림 6의 방위각 방향탐지 오차의 경우, 고각과 방위각 영향을 모두 받는 것을 알 수 있다.
방향탐지 정확도 분석 결과를 시뮬레이션 결과와 비교하였고, 서로 유사한 추이로 1.2 °RMS 이내의 차이를 갖는 것을 확인하였다.
시뮬레이션 결과, 계산결과와 유사한 추이를 나타내었고, 시뮬레이션 결과와 식을 이용한 계산결과의 차이는 1.2 °RMS 이내임을 확인하였다.
위 결과를 이용하면, 방향탐지 시스템의 FOV(Field of View)에 따른 방향탐지 오차를 확인할 수 있다. 일반적으로 FOV는 안테나의 반전력 빔폭 또는 안테나의 배치 구조에 따라 결정되며, 위 결과를 이용하여 목표 방향탐지 정확도를 만족시키는 적절한 FOV를 설정할 수도 있다.
일반적인 형태의 위상차 수식을 이용하여 안테나 4개를 균일 배치한 구조와 3개를 균일 배치한 구조의 방향탐지 정확도를 분석하였다. 위 두 구조로 추정한 신호원의 고각은 방위각의 영향을 받지 않지만, 신호원 방위각의 경우 고각의 영향을 받는 것을 확인하였다. 고각 방향탐지 정확도의 경우, 신호의 SNR과 신호의 고각, 베이스라인의 길이에 따라 변하며, 방위각 방향탐지 정확도의 경우, 신호의 SNR과 신호의 방위각, 고각, 베이스라인의 길이에 따라 변함을 수식을 통해 나타내었다.
표 2를 살펴보면 SNR이 증가할수록 방향탐지 정확도가 개선되는 것을 확인할 수 있다. SNR이 약 20 dB 이상이면 FOV 35°, 반파장 길이의 베이스라인에서 방향탐지 정확도는 3 °RMS 이내를 만족하는 것을 알 수 있다.
후속연구
방향탐지 시스템 설계 관점에서 목표 방향탐지 정확도를 만족하기 위해, 목표 탐지 신호의 형태와 수신기 구조, FOV, 안테나 배치 공간 등 여러 고려 사항을 설계과정에서 결정해야 한다. 목표 탐지 신호의 형태와 수신기 구조는 수신 신호의 SNR과 FOV는 방위각과 고각의 범위와, 안테나 배치 공간은 베이스라인 길이와 연관이 있으며, 이를 본 논문에서 제안한 수식을 이용하면 설계과정에서 각 변수 값을 결정하는데 활용할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
위상비교 방향탐지 방식은 어떤 원리를 이용하여 방향탐지를 하는가?
위상비교 방향탐지 방식은 하나의 베이스라인에 배치된 두 개 안테나에 수신된 신호의 위상차를 이용하여 방향탐지를 수행하는 방식이다[1],[2]. 도래각을 갖는 신호원은 공간차에 따른 전파지연시간을 갖게 되어, 두 개의 수신 신호간 위상차가 발생되는 원리를 이용한 것이다. 본 논문에서는 위상비교 방향탐지 방식을 이용하여 두 개의 도래각을 추정하기 위한 2차원 위상비교 방향탐지 방식에 대해 다루었다.
탐지 대상의 신호원의 방향을 탐지하는 기술은 어떻게 분류되는가?
탐지 대상의 신호원의 방향을 탐지하는 기술은 크게 수동형 방향탐지 방식과 능동형 방향탐지 방식으로 나뉜다. 능동형 방향탐지 방식은 레이다와 같이 신호를 송신하여 목표물에 맞고 돌아오는 신호를 수신하여 방향을 탐지하는 방식이다.
능동형 방향탐지 방식은 무엇인가?
탐지 대상의 신호원의 방향을 탐지하는 기술은 크게 수동형 방향탐지 방식과 능동형 방향탐지 방식으로 나뉜다. 능동형 방향탐지 방식은 레이다와 같이 신호를 송신하여 목표물에 맞고 돌아오는 신호를 수신하여 방향을 탐지하는 방식이다. 반면, 수동형 방향탐지 방식은 탐지 대상의 신호원을 수신하여 방향을 탐지하는 방식이다.
참고문헌 (11)
Stephen. E. Lipsky, Microwave Passive Direction Finding, John Wiley & Sons, USA, 1987.
임중수, 정철구, 채규수, "원형 배열 복합 방식을 이용한 초고주파 방향 탐지 기술", 한국전자파학회논문지, 1(6), pp. 549-555, 2005년 6월.
John Haystead, "New signals, new threats, new challengesadvanced DF systems and techniques rise to meet the challenge", The Journal of Electronic Defense, pp. 26-31, Jun. 2016.
Ernest Jacobs, Elizabeth W. Ralston, "Ambiguity resolution in interferometry", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, AES-17, no. 6, pp. 766-780, Nov. 1981.
Lionel Nicholas Menegozzi, "Azimuth and elevation direction finding system based on hybrid amplitude/phase comparison", US Patent # 6,061,022, May 2000.
Josph H. Acoraci, "Linear interferometer antenna capable of making error-free azimuth and elevation angle measurements", US Patent # 5,955,990, Sep. 1999.
박철순, 김대영, "2차원 멀티베이스라인 방향탐지 배열 구조 설계", 한국통신학회논문지, 31(10), pp. 988- 995, 2006년 10월.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.