[논문]전파 항법시스템을 위한 안테나 방향별 군지연 분석

정성훈; 설동민; 이철수; 선중규

doi:10.12673/jant.2019.23.5.386

전파 항법시스템을 위한 안테나 방향별 군지연 분석
Analysis of the Directional Group Delay of the Antenna for the Radio Navigation System 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.5, 2019년, pp.386 - 391

정성훈 (LIG넥스원 C4I연구소) , 설동민 (LIG넥스원 C4I연구소) , 이철수 (LIG넥스원 C4I연구소) , 선중규 (LIG넥스원 C4I연구소)

초록
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본 논문은 정밀한 전파항법시스템 구현을 위해 안테나의 방향별 군지연 차이가 시스템에 미치는 영향을 분석하였다. 분석은 안테나 시뮬레이션과 시험을 통해서 수행 하였고, 시험은 무반향 챔버에서 진행 하였다. 안테나의 방향별 군지연은 위상(phase)을 기반으로 분석 하였으며, 측정 분석 결과 안테나의 방향별로 최대 약 7.7 ns까지 군지연 차이가 발생했다. 분석된 군지연 차이를 거리로 환산하면 약 2.31 m이며, 이를 실제 TOA (time of arrival)기반의 전파항법시스템에서 시험 하였다. 시험 결과 2.1 m의 거리 변화를 확인 하였으며, 이는 시뮬레이션과 챔버 시험 분석 값과 유사한 수치이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents analysis results for the effect of the directional group delay of the antenna to implement a precision radio navigation system. The analysis was conducted through antenna simulation and test, and the test was performed in an anechoic chamber. The directional group delay of the antenna was calculated in phase-based analysis method. The results showed that a variation of up to 7.7ns in group delay occurred per antenna direction. The group delay variation from the analysis is 2.31 meters when converted into distance. It was tested using a real radio navigation system based on the time of arrival (TOA). The test verified the distance variation of 2.1 meters, and this value is similar to those obtained from the simulation and chamber test analysis.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 우선회 원형편파 패치 안테나 Fig. 1. RHCP(right hand circular polarization) patch antenna.
그림 그림 2. 방위각에 따른 위상 변화 차이(시뮬레이션) Fig. 2. Differential phase variation of azimuth angle(simulation).
그림 그림 3. 고도각에 따른 위상 변화 차이(시뮬레이션) Fig. 3. Differential phase variation of elevation angle(simulation).
그림 그림 4. 방위각에 따른 군지연 변화(시뮬레이션) Fig. 4. Group delay variation of azimuth angle(simulation).
그림 그림 5. 고도각에 따른 군지연 변화(시뮬레이션) Fig. 5. Group delay variation of elevation angle(simulation).
그림 그림 6. 방향별 군지연 측정을 위한 장비 설치 Fig. 6. Measurement setup of direction group delay.
그림 그림 7. 방위각에 따른 위상 변화 차이(측정) Fig. 7. Differential phase variation of azimuth angle (measurement).
그림 그림 8. 고각에 따른 위상 변화 차이(측정) Fig. 8. Differential phase variation of elevation angle(measurement).
그림 그림 9. 방위각에 따른 군지연 변화(측정) Fig. 9. Group delay variation of azimuth angle(measurement).
그림 그림 10. 고도각에 따른 군지연 변화(측정) Fig. 10. Group delay variation of elevation angle(measurement).
그림 그림 11. 시험 구성 Fig. 11. Test set-up.
그림 그림 12. 안테나 방향에 따른 의사거리 변화 Fig. 12. Pseudo range variation of antenna angle.
그림 그림 13. 의사거리와 안테나 방향별 군지연 Fig. 13. Pseudo range and antenna direction group delay.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 안테나 방향별 군지연을 시뮬레이션과 측정을 통해 분석 하였고, 실제 전파 항법시스템에 미치는 영향을 확인 했다. 시뮬레이션 값에 의하면 안테나에 의한 방향별 군지 연 차이는 7 ns였고, 제작된 안테나의 방향별 군지연 차이는 7.
본 논문은 전파 항법시스템에서 군지연이 미치는 영향을 분석해 보고, 항법용 안테나 시뮬레이션과 측정을 통해 방향별 군지연을 분석해 보았다. 또한, 최종적으로 TOA기반의 전파 항법시스템을 이용해 안테나 방향별 군지연의 차이가 거리 측정에 주는 영향을 확인 했다.

제안 방법

CST MWS를 통해서 3.5 GHz 주파수의 패치 안테나를 설계했으며(안테나 급전용 파형은 continuos wave), 패치 안테나는 원형편파를 구현하기 위해 마이크로스트립기판에 모서리의 일정부분을 없애는 기법을 사용 하였다. 설계된 안테나의 크기는 43 × 43 × 0.
거리측정은 전파 항법시스템이 외부 영향을 받지 않게 위해 무반향 챔버에서 포지셔너를 이용하여 안테나의 방향을 돌려가며 시험을 진행 하였다. 시험은 방향별 군지연을 측정한 안테나를 90° 씩 일정한 방향으로 돌려서 전파 항법시스템이 계산하는 의사거리를 확인 했다.
본 논문은 전파 항법시스템에서 군지연이 미치는 영향을 분석해 보고, 항법용 안테나 시뮬레이션과 측정을 통해 방향별 군지연을 분석해 보았다. 또한, 최종적으로 TOA기반의 전파 항법시스템을 이용해 안테나 방향별 군지연의 차이가 거리 측정에 주는 영향을 확인 했다.
시뮬레이션을 마친 패치 안테나를 제작하여 안테나 방향별 군지연을 무반향 챔버에서 측정해 보았다. 패치 안테나의 방향별 군지연을 측정하기 위해서 그림 6와 같이 일반적인 무반향 챔버에 장비를 설치하였고, 특성을 알고 있는 기준 안테나와 케이블 등을 사용하여 보정했다.
시험은 방향별 군지연을 측정한 안테나를 90° 씩 일정한 방향으로 돌려서 전파 항법시스템이 계산하는 의사거리를 확인 했다.
안테나 방향별 군지연 값은 고각이 90°일 때 방위각 값을 매칭 하였고, 군지연 값을 거리 값으로 환산하여 분석 하였다.
안테나 방향별 군지연을 측정하는 방법은 기본적으로 안테나 방사패턴 측정방법과 동일하며, 보정이 완료 된 후에는 각도별로 정밀하게 회전하는 안테나 치구용 포지셔너 위에 측정할 안테나를 설치하였다. 군지연은 네트워크 분석기 자체적으로 측정 할 수도 있지만, 방향별 위상의 상태를 구체적으로 보기 위해 위상을 확인 했다.
안테나 방향별 군지연이 전파 항법시스템에 미치는 영향을 분석하기 위해서 패치 안테나를 시뮬레이션 하였다. 패치 안테나는 접지판이 붙어있는 유전체 기판 위에 금속 패치가 부착된 구조로 높이가 낮으며 주파수, 임피던스, 방사패턴, 편파를 조절하기 쉬운 구조의 안테나 이다.
제작된 안테나의 방향에 따른 군지연의 차이가 실제 거리에 미치는 영향을 확인하기 위해 실제 전파 항법시스템에 적용하여 시험을 진행 하였다. 적용할 시스템은 TOA를 기반으로 하는 전파 항법시스템으로 안테나를 제외한 거리오차가 0.4 m이내를 갖는 정밀한 항법시스템이다. 항법시스템은 의사신호를 송출하는 송신기와 이를 수신하여 거리를 계산하는 수신기가 있으며, 정밀한 시각동기를 위해 원자시계를 사용하였다.
제작된 안테나의 방향에 따른 군지연의 차이가 실제 거리에 미치는 영향을 확인하기 위해 실제 전파 항법시스템에 적용하여 시험을 진행 하였다. 적용할 시스템은 TOA를 기반으로 하는 전파 항법시스템으로 안테나를 제외한 거리오차가 0.
측정된 위상 값을 가지고 방향별 군지연을 계산 하였다. 계산결과 측정값과 시뮬레이션 값이 평균 약 4 ns 차이 나는데, 이는 안테나 레이돔 내부의 케이블과 단자 등에 의해서 추가로 생긴 군지연 차이이기 때문이다.
시뮬레이션을 마친 패치 안테나를 제작하여 안테나 방향별 군지연을 무반향 챔버에서 측정해 보았다. 패치 안테나의 방향별 군지연을 측정하기 위해서 그림 6와 같이 일반적인 무반향 챔버에 장비를 설치하였고, 특성을 알고 있는 기준 안테나와 케이블 등을 사용하여 보정했다.

대상 데이터

설계된 안테나의 크기는 43 × 43 × 0.65 mm 이다.

성능/효과

그림 7의 고각 90° 일 때 방위각 그래프가 일정하지 않은데, 이는 패치 안테나 구조상 고각 90°는 접지 면에 인접하기 때문에 방사패턴이 균일 하지 않다. 또한 전체적으로 모든 방위에서 위상 변화가 시뮬레이션 위상 보다 짧은 주기로 변화 하였는데 이는 안테나 설치 시 포지셔너의 정중앙에 완벽하게 설치되지 않았기 때문이며, 포지셔너의 정중앙에서 벗어난 만큼 위상 변화가 짧은 주기를 갖고 변화 하였다. 시뮬레이션 보다 동일 주파수에서 위상 변화가 커 보이지만, 군지연은 주파수 대역 내에서 낮은 주파수와 높은 주파수의 위상차이 값만으로 계산하기 때문에 군지연 값을 계산 할 수 있다.
안테나 방향별 군지연 값은 고각이 90°일 때 방위각 값을 매칭 하였고, 군지연 값을 거리 값으로 환산하여 분석 하였다. 비교 분석 결과 전파 항법시스템에서의 의사거리 값과 안테나 방향별 군지연 값의 동일한 거리 경향성을 확인 했다. 이 시험을 통해 안테나에서 발생하는 방향별 군지연의 차이가 전파 항법 시스템에서 의사거리 오차로 이어지는 것을 확인 했다.
6°(방위각 115°) 위상차이가 변화하였다. 시뮬레이션 결과를 통해서 고각에서 보다 방위각에서의 위상차이 변화가 더 큰 것을 확인 할 수 있다. 이 위상차이는 군지연에 직접적으로 영향을 준다.
1 ns이다. 시험 결과 전파 항법시스템에 안테나를 적용하는 경우 제작된 안테나의 방위각 방향에 따라 최대 약 2.31 m의 거리 차이를 발생 시킬 것이라고 예상된다.
비교 분석 결과 전파 항법시스템에서의 의사거리 값과 안테나 방향별 군지연 값의 동일한 거리 경향성을 확인 했다. 이 시험을 통해 안테나에서 발생하는 방향별 군지연의 차이가 전파 항법 시스템에서 의사거리 오차로 이어지는 것을 확인 했다.
7 ns 이었다. 이는 최대 약 2.31 m까지 거리 변화를 발생 시키는 수치며, 실제 전파를 기반으로 하는 항법시스템에서 적용한 결 과 방향에 따라 2.1 m의 거리 변화가 발생하는 것을 확인 했다. 이에 서브미터 급의 정밀한 항법 시스템의 구현을 위해서는 안테나 방향별 군지연 분석을 통한 시스템 설계 및 운용을 고려해 야 할 것으로 판단된다.
패치 안테나의 시뮬레이션 및 군지연 값을 분석한 결과 고각에서의 방향별 군지연은 방위각에서의 방향별 군지연에 비해 변화량이 적으며, 변화가 많이 발생하는 지점도 고각 90° 이상의 미사용 영역에서 발생하기 때문에 항법 시스템에 미치는 영향은 적을 것으로 판단된다.

후속연구

1 m의 거리 변화가 발생하는 것을 확인 했다. 이에 서브미터 급의 정밀한 항법 시스템의 구현을 위해서는 안테나 방향별 군지연 분석을 통한 시스템 설계 및 운용을 고려해 야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SBAS같은 보정 시스템들의 군지연 특징은?	SBAS는 오차 성분을 세분화하여 넓은 지역에 공 통적으로 적용 가능한 보정정보를 생성하고 이를 정지궤도 위 성을 통하여 방송함으로써 해당 지역 내에 위치한 사용자들에 게 높은 정확도와 무결성을 가진 항법 해를 획득할 수 있도록 하는 시스템이다. 이러한 보정 시스템들은 기본적으로 안테나 의 방향에 따른 군지연이 동일하다는 가정 하에 이루어지고 있으나, 실제로는 안테나의 방향에 따른 군지연 차이가 존재한다 [3],[4].
	전파를 이용한 항법시스템의 활용 용도는?	전파를 이용한 항법시스템은 휴대폰, 내비게이션, 비행기, 선박, 무기에 이르기 까지 다방면에서 활용되고 있다. 많은 곳에서 전파 항법이 사용되고 있지만, 대표적 전파 항법 시스템인 위성 항법시스템의 오차는 아직 약 15 m수준으로 발생하고 있 다.
	DGPS는 무엇인가?	이와 같은 이유로 보다 정밀한 항법을 구현하기 위해서 DGPS(differential GPS), SBAS(satellite-based augmentation system) 등의 보정방법 들이 제시되고 있다. DGPS는 반송파 위상 (carrier phase)등을 이용하여 정확한 위치를 파악하고 있는 지 상 고정국에서 실시간 수신되는 위성 항법 신호의 오차를 계산 하여 다른 사용자들에게 오차의 범위를 전송하여 보정하게 하 는 방법이다. SBAS는 오차 성분을 세분화하여 넓은 지역에 공 통적으로 적용 가능한 보정정보를 생성하고 이를 정지궤도 위 성을 통하여 방송함으로써 해당 지역 내에 위치한 사용자들에 게 높은 정확도와 무결성을 가진 항법 해를 획득할 수 있도록 하는 시스템이다.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
Y. J. Cho, K. H. Kim, D. H. Choi, S. S. Lee, and S. O. Park, “A miniature UWB monopole antenna with 5-GHz band- rejection filter and the time-domain characteristics,” IEEE Transactions on Antenna and Propagation, Vol. 54, No. 5, pp. 1453-1460, May. 2006.

상세보기
S. J. Jang, J. H. Hwang, N. H. Choi, and J. M. Kim, “Location error reduction method using iterative calculation in UWB system,” The Institute of Electronic Engineers of Korea - Telecommunication, Vol. 45, No. 12, pp. 105-113, Dec. 2008.
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H. W. Noh, J. H. Park, I. H. Kang, M. G. Choi, and K. W. Kim, “The phase difference measurement module development for amplitude modulated range measurement System,” The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 22, No. 2, pp. 182-190, Feb. 2011.

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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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