[논문]Design Considerations for KPS Navigation Message

Noh, Jae Hee; Lim, Deok Won; Heo, Moon Beom; Jo, Gwang Hee; Lee, Sang Jeong

doi:10.11003/jpnt.2020.9.4.305

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Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.9 no.4, 2020년, pp.305 - 317

Noh, Jae Hee (Department of Electronics Engineering, Chungnam National University) , Lim, Deok Won (Satellite Navigation Team, Korea Aerospace Research Institute) , Heo, Moon Beom (Satellite Navigation Team, Korea Aerospace Research Institute) , Jo, Gwang Hee (Department of Electronics Engineering, Chungnam National University) , Lee, Sang Jeong (Department of Electronics Engineering, Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The navigation message is composed of the information contained in the message and the structure for transmitting this information. In order to design a navigation message, considerations in terms of message content and message structure must be elicited. For designing a Korea Positioning System (KPS) navigation message, this paper explains performance indicators in terms of message structure and message content. Most of the performance analysis of GNSS navigation messages already in operation was performed only for Time-to-first-fix-Data (TTFFD). However, in the navigation message, the message content is composed of Clock-Ephemeris Data (CED) and additional information. So, this paper proposes a new performance indicator R_(Non-CED) that can be analyzed from the viewpoint of receiving additional information along with an explanation of TTFFD focusing on the CED reception time. This paper analyze the performance in terms of message structure using these two performance indicators. The message structures used for analysis are the packetized message protocol like GPS CNAV and the packetized and fixed pattern message protocol like GPS CNAV-2. From the results, it is possible to proffer how KPS navigation messages can have better performance than GPS navigation messages. And, these two performance indicators, TTFFD and RNon-CED, can help to design the minimum TTFF required performance of KPS navigation messages.

주제어

표/그림 (19)

표 Table 1. Characteristics of GNSS navigation message.
표 Table 2. Contents of conventional GNSS Navigation message.
그림 Fig. 1. The message structure of the packetized message protocol.
표 Table 3. Cases of the message broadcasting schedule.
표 Table 5. Comparison the length of CED for each GNSS.
표 Table 4. Parameter setting for performance analysis.
그림 Fig. 2. Time to read CED as a function of the reading epochs in the case of error free data.
그림 Fig. 3. PDF of the time to read the CED in the case of error free data.
그림 Fig. 4. CDF of the time to read the CED in the case of error free data.
그림 Fig. 5. TTFFD according to lengths of the CED and packet.
그림 Fig. 6. R_Non-CED according to lengths of the CED and packet.
그림 Fig. 7. The message structure of the packetized and fixed pattern message protocol.
그림 Fig. 8. A method of the time to read CED from GPS CNAV-2 message as a function of the reading epochs.
그림 Fig. 9. Time to read CED as a function of the reading epochs in the case of error free data.
그림 Fig. 10. PDF of the time to read the CED in the case of error free data.
표 Table 6. Parameter setting for performance analysis.
그림 Fig. 11. CDF of the time to read the CED in the case of error free data.
그림 Fig. 12. TTFFD according to lengths of the CED and message frame.
그림 Fig. 13. R_Non-CED according to lengths of the CED and message frame.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 KPS의 항법메시지 설계를 위해 메시지 구조에 따른 해석적 TTFFD 뿐만 아니라 부가 정보 수신 측면에서 분석 가능한 지표를 제시한다. 이를 이용하여 KPS 항법메시지 구조 후 보군들에 대한 성능 분석을 수행한다.

제안 방법

GPS는 GPS IIA와 GPS IIR 위성으로부터 L1 주파수의 C/A 코드를 가지는 항법신호를 제공했으며, 고정된 형태의 legacy GPS 항법메시지를 함께 제공했다. 2005년 이후부터는 GPS 현대화 계획에 따라 민간용 L2C 신호, 군용 M-code 신호를 시작으로 L5, L1C 등의 현대화 신호를 제공하고 있다.
GPS L2C/L5 신호를 설계한 이후, GPS는 더 정확하고 수 신 성능이 우수한 GPS L1C 신호를 설계하였다. 그리고 TTFF 성능을 향상하기 위해 고정된 형태의 GPS Legacy 항법메시지와 패킷 단위의 GPS CNAV를 상호 결합한 형태의 항법메시지 구조를 채택하였다. GPS L1C 신호의 항법메시지 구조는 GPS CNAV-2 라 불리며, 1개의 프레임은 길이는 1,800 bits이고, 1개의 프레임은 3개의 subframe으로 구성되어 있다.
헤더는 일반적으로 메시지 시작 지점을 판단하기 위한 Preamble, 위성 PRN 정보, 메시지 타입 정보, 메시지 생성 시각을 포함한다. 아직 KPS의 항법메시지 구성 내용 과 오류정정부호를 설계하는 단계이기 때문에 본 논문에서는 헤더와 CRC 길이를 현재 GPS CNAV에 정의된 길이와 동일하게 적용했다. 패킷 단위의 항법메시지는 타입 별로 정의된 메시지들이 각각 최대 전송 주기가 정해져 있고, 그 주기에 맞춰 메시지 방송 스케줄이 설계되어 있다 (IS-GPS-200J 2018).
본 논문에서는 KPS의 항법메시지 설계를 위해 메시지 구조에 따른 해석적 TTFFD 뿐만 아니라 부가 정보 수신 측면에서 분석 가능한 지표를 제시한다. 이를 이용하여 KPS 항법메시지 구조 후 보군들에 대한 성능 분석을 수행한다. 이 논문은 2장에서 기존 위 성항법시스템들의 항법메시지 구조에 대해 비교 및 분석한다.

대상 데이터

항법메시지 내용은 타입으로 정의되어 관리되지만 각 시점마다 보내야하는 메시지가 정해져 있기 때문에 고정된 형태의 메시지 구조를 가진다. Galileo E1B, E5b-I 신호의 항법메시지는 I/NAV라고 불리며, 1개의 frame이 24개의 subframe으로 구성된다. 1개의 subframe은 15개의 페이지로 구성된다.
기존의 GPS CNAV 메시지 스케줄링 방식을 참고하여 CED 크기와 정보 비트 길이에 따른 메시지 방송 방법을 선정하였다. CED 크기와 정보 비트 길이 관계에 따라 총 3 가지의 스케줄링 방법이 설계 가능하며, 이는 Table 3에 정리하였다.

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