[논문]지상수신국의 가상 TOA 및 AOA를 이용한 우주발사체 3차원 위치 추정 기법 성능분석

권순호; 김대오; 문상미; 추명훈; 이지혜; 배사라; 김한종; 김대진; 황인태; 김철성

doi:10.5573/ieie.2017.54.9.3

[국내논문] 지상수신국의 가상 TOA 및 AOA를 이용한 우주발사체 3차원 위치 추정 기법 성능분석
3D Localization for Launch Vehicle using Virtual TOA and AOA of Ground Stations

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.54 no.9 = no.478, 2017년, pp.3 - 13

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일반적으로 우주발사체 발사 임무에 있어서 지상의 원격측정신호 수신국의 안테나시스템은 자동추적기능만 갖고 있다. 따라서 발사체에 대한 위치정보 측정은 별도의 레이더 장비에 의존한다. 신호원의 도달시간(Time of Arrival, TOA) 및 도래각(Angle of Arrival, AOA)은 신호 발생원에 대한 전형적인 위치 추정기법에 속한다. 본 논문에서는 2개 지상 수신국을 이용하여 우주발사체에 대한 Combined TOA-AOA 위치추정 기법을 제안한다. 우주발사체와 지상 수신국간에는 시간 동기가 되어 있지 않기 때문에 TOA 정보를 추출하기 위해서는 가상의 온보드 타이머 생성이 필요하다. 이는 발사체가 송출하는 스트리밍 프레임에서 프레임 카운터를 이용하여 구현이 가능하다. 가상 온보드 타이머를 이용하여 송신시각과 수신시각 차이를 추정하여 레이더에 의존하지 않더라도 거리정보를 획득할 수 있다. 두 지상국의 TOA 및 AOA를 결합하기 위해서 TOA를 통해 획득한 거리정보를 반지름으로 하는 구의 방정식과 AOA 방향의 평면 및 직선의 방정식을 연립하여 해를 구한다. 이렇게 얻어진 해는 발사체의 3차원 위치정보에 해당한다. 본 논문에서는 실제 발사 임무에서 우주발사체에 탑재된 GPS 측정정보를 레퍼런스로 하여 TOA, AOA 및 Combined TOA-AOA 위치 추정기법에 대한 성능을 분석하였다.

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Generally, a ground telemetry station for a launch vehicle (LV) only includes a tracking function only; therefore, position measurements depend on radar. Time of arrival (TOA) and angle of arrival (AOA) are typical location techniques for emitting targets. In this paper, we propose a combined TOA-AOA localization method for a LV using two ground stations. When the transmitter (Tx) time is not known, the initial target position (for example, launch pad or radar-measured position) is necessary for TOA. By using the position, the initial range and time delay can be calculated. With this time delay and a frame counter in the streaming frame, a virtual on-board timer can be created, which generate time stamp for the streaming frame according to the data rate. By comparing the time stamps of the Tx and receiver (Rx) from the streaming frame, the range can be obtained without using radar. In ordet to combine TOA and AOA, we create sphere equations with the obtained range radius and vertical plane equations, to include unit vectors for the AOA direction. By solving these equations, a three-dimensional (3D) target point can be obtained. We confirm the localization performance by means of comparison with an on-board GPS of a real launch mission.

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