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문제 정의
- 만일 무인헬기에 적합한 형태의 안테나를 개발하여 적용하면 방사 패턴이 좋아져서 안테나 1개로 링크 상태를 좋게 유지할 수도 있겠으나 본 논문에서 는 일반적으로 수월하게 확보할 수 있는 상용 안테나를 사용하여 탑재데이터링크를 설계하기 위한 것 으로 한정하였다.
- 본 논문의 안테나 선택로직에 대한 시험은 시뮬레이션, 안전줄 시험 및 비행시험을 통해 확인하였다. 일단 수식 (1)~(9)에 대한 검증을 위해 비행체정면 이 지상체를 바라보면 Bottom 안테나를 선택하고, 비행체 후면이 지상체를 바라보면 Top 안테나를 선택하도록 한 간단한 선택 기준을 적용하고 지상체 주변을 회전하는 다양한 비행 시험을 통하여 Bottom 및 Top 안테나가 예상대로 선택됨을 확인하여 수식(1)~(9)이 정상적으로 작동되는지를 확인하였다.
- 본 논문에서는 무인헬기 상부 및 하부에 장착되는 전방향성 안테나의 방사패턴을 시뮬레이션하고 전방향에 대해서 거리 및 고도에 따른 링크 마진을 분석하였다. 일반적으로 비행체는 고도가 지상체 고도 보다 높게 비행하기 때문에 대부분 하부 안테나가 상부 안테나의 경우보다 링크 마진이 좋으나, 상부 안테나는 비행체 뒤쪽에, 하부 안테나는 비행체 앞쪽에 장착한 관계로 비행체 후면이 지상체를 향하는 경우 등 특별한 지점에서는 상부 안테나가 유리하다.
가설 설정
- 본 논문에서는 비행체의 최대 고도를 3.6km로 가정하였고, 비행체 자세는 Roll 및 Pitch가 -15° ~ +15° 이내에서 운용된다고 가정하였을 때, 지상체와 비행체와의 거리 3.6km, 4km, 5km, 6km, 7km, 8km, 9km, 10km, 15km, 20km, 25km, 30km, 40km, 50km에서의 링크 마진 값들을 계산하였다.
제안 방법
- 먼저 안테나 방사패턴의 시뮬레이션은 무인헬기의 3D CATIA 모델을 Feko Tool로 가져와서 무인헬기에 적용한 C Band 전방향 안테나 모델을 비행체 모델의 전방 하부와 후방 상부에 추가하고, 5,030 ~ 5,150MHz 주파수 대역에서 모든 방향(고각 0° ~ 180°, 방위각 0° ~ 360°)으로의 안테나 방사 패턴을 시뮬레이션 하였다.
- 무인헬기 전방 하부 및 후방 상부에 장착된 안테나의 방사패턴을 시뮬레이션하고, 패턴을 분석하여 링크 마진을 계산하고, 선택 알고리즘을 도출하고, 비행 중에 비행체의 자세 및 위치에 따라 최적의 안테나를 자동으로 선택할 수 있도록 구현하는 방법을 순차적으로 기술하고자 한다.
- 먼저 안테나 방사패턴의 시뮬레이션은 무인헬기의 3D CATIA 모델을 Feko Tool로 가져와서 무인헬기에 적용한 C Band 전방향 안테나 모델을 비행체 모델의 전방 하부와 후방 상부에 추가하고, 5,030 ~ 5,150MHz 주파수 대역에서 모든 방향(고각 0° ~ 180°, 방위각 0° ~ 360°)으로의 안테나 방사 패턴을 시뮬레이션 하였다. 본 논문에서의 상향링크는 5,030~5,040MHz 대역을 사용하고, 하향링크는 5,100~5,150MHz 대역을 사용하여, 각 주파수 대역의 가장 낮은 주파수(상향링 크 5,030MHz, 하향링크 5,100MHz) 중간 주파수(상향 링크 5,035MHz, 하향링크 5,125MHz), 가장 높은 주파수(상향링크 5,040MHz, 하향링크 5,150MHz)에 대해서 분석하였다. Figs.
- 2의 (a)는 Combining 다이버시티 개념을 적용한 탑재데이터링크의 블록도 이며, (b)는 안테나 선택 방법을 적용한 탑재데이터 링크의 블록도 이다. Combining 다이버시티 개념을 적용하려면 안테나 외에 수신기, 듀플렉서, 송신기 및 Combiner 등을 추가하여야 하기 때문에, 본 논문 에서는 소형 경량화를 고려하여 2개의 안테나 중 1개를 선택하여 사용하는 방법으로 한정하였다.
- 본 논문에서는 5,030 ~ 5,150MHz 대역에서 시뮬레이션한 데이터를 분석하고 비행체 안테나에서 지상체를 바라보는 지향각 수식을 유도하여, 상/하부 안테나가 빈번하게 바뀌지 않도록 하는 실시간 선택 로직을 도출하였으며, 상향 링크의 5,030, 5,035, 5,040MHz 및 하향링크의 5,100, 5,125, 5,150MHz에서 동일한 선택 로직으로 비행체의 Pitch, Roll이 -15° ~ +15°, 거리 50km 이내, 고도 3.6km 이내에서는 LOS 확보 시 링크 마진을 0dB 이상으로 항상 유지할 수 있도록 하는 안테나 선택 알고리즘을 제시하였다.
- 이 알로리즘을 C#으로 프로그램하였으며, STANAC 4586을 준용하는 VSM(Vehicle Specific Module)을 통하여 비행체 및 지상체의 GPS 좌표(위도, 경도, 고도)를 받고 계산하여 비행체의 탑재통신장치에 상부 또는 하부 안테나를 선택하도록 하는 명령을 내보내도록 하였다.
- 6km 이내에서는 LOS 확보 시 링크 마진을 0dB 이상으로 항상 유지할 수 있도록 하는 안테나 선택 알고리즘을 제시하였다. 또한 본 논문에서는 지구상의 어떤 지점에서도 비행체 안테나에서 지상체를 지향하는 고각 및 방위각을 수식으로 도출하였다. 이 수식에 새로운 선택 기준을 적용하도록 제어 프로그램에 적용하면 새로운 안테나 선택 시스템을 구현할 수도 있다.
- 비행체 안테나에서 지상체를 바라보는 지향각은 비행체와 지상체와의 상대적 위치에 따라 변화한다. 따라서 본 논문에서는 지구상의 한 지점에 있는 비행체가 지상체를 바라보는 안테나 지향각을 수식으로 도출하였다. 또한 비행체 안테나의 지향각이 비행 체의 자세를 반영하기 위해서 비행체의 Roll, Pitch 및 Heading 변화에 따른 비행체 좌표축 회전 수식을 적용하였다.
- 따라서 본 논문에서는 지구상의 한 지점에 있는 비행체가 지상체를 바라보는 안테나 지향각을 수식으로 도출하였다. 또한 비행체 안테나의 지향각이 비행 체의 자세를 반영하기 위해서 비행체의 Roll, Pitch 및 Heading 변화에 따른 비행체 좌표축 회전 수식을 적용하였다. 결과적으로 전체 수식은 두 가지 행렬식을 곱하는 형태로 나타나며, 이 수식에 비행체와 지상체의 GPS 좌표(위도, 경도, 고도)와 비행체의 Roll, Pitch 및 Heading 값을 대입하면 비행체 안테나의 지향각이 계산된다.
- 결과적으로 전체 수식은 두 가지 행렬식을 곱하는 형태로 나타나며, 이 수식에 비행체와 지상체의 GPS 좌표(위도, 경도, 고도)와 비행체의 Roll, Pitch 및 Heading 값을 대입하면 비행체 안테나의 지향각이 계산된다. 여기에 사전에 분석한 방사패턴에서 도출된 하부 및 상부 안테나 선택 알고리즘을 적용하여 하부 또는 상부 안테나 선택 결과값(1: Top 안테나, 2: Bottom 안테나)을 얻도록 하였다. 이 알로리즘을 C#으로 프로그램하였으며, STANAC 4586을 준용하는 VSM(Vehicle Specific Module)을 통하여 비행체 및 지상체의 GPS 좌표(위도, 경도, 고도)를 받고 계산하여 비행체의 탑재통신장치에 상부 또는 하부 안테나를 선택하도록 하는 명령을 내보내도록 하였다.
- 하향 링크는 비행체의 감시 영상 및 상태정보를 전송하기 위한 링크로 채널 대역폭이 상향 링크에 비해 상대적으로 넓다. 무인헬기에서 사용하는 하향링크의 주파수 대역은 5,100 ~ 5,150MHz이므로, 대역에서 가장 낮은 주파수 5,100MHz와 가장 높은 주파수 5,150MHz와 중간 주파수 5,125MHz에서의 안테나 방사 패턴을 분석하였으며, 상향링크의 주파수 대역은 5,030~5,040MHz이므로, 대역에서 가장 낮은 주파수 5,030MHz와 가장 높은 주파수 5,040MHz와 중간 주파수 5,035MHz에서의 안테나 방사 패턴을 분석하였다. Feko Tool로 시뮬레이션한 안테나 방사 패턴 (하부 안테나, 5,040MHz)은 Fig.
- 두 번째 방법은 무인헬기의 안테나에서 방사되는 모든 고각 및 방위각에 대한 안테나 Gain 데이터에 거리(3.6 ~ 50km)에 따른 감쇄값을 반영한 데이터를 계산하고, 비행체 안테나에서 지상체를 바라보는 지향각을 계산하여 링크 마진을 분석하는 방법으로 장점으로는 시뮬레이션 소요시간이 크게 줄어든다.
- 따라서 본 논문에서는 두 번째 시뮬레이션 방법을 선택하였다. 안테나 방사 패턴은 Fig.
- 3과 같이 나타나므로 특정 고각 및 방위각에서의 링크 마진을 정확하게 분석하기는 어렵다. 따라서 시뮬레이션을 통하여 얻은 모든 각도에 대한 Gain 값을 엑셀 데이터 로 변환하고 거리에 따른 loss 값을 반영한 데이터 테이블을 만들어서, 지상체와 비행체 간의 거리, 비행체에서 지상체를 바라보는 각도 및 비행체의 자세 변화에 따른 안테나 지향각에서의 거리에 따른 링크 마진을 정확하게 분석하였다
- 2.1에서 언급한 바와 같이 본 논문에서는 시뮬레이션 시간을 줄이기 위해서 무인헬기에 장착된 안테나의 방사 패턴을 고각 0° ~ 180° 범위에서 0.5° 간격과 방위각 0° ~ 360° 범위에서 1.5° 간격의 모든 각도에 대한 Gain 데이터 테이블을 만들고, 여기에 추가로 모든 각도에 대해서 거리 3.6km ~ 50km에서의 대기 전파 손실을 반영하였다.
- 6km, 4km, 5km, 6km, 7km, 8km, 9km, 10km, 15km, 20km, 25km, 30km, 40km, 50km에서의 링크 마진 값들을 계산하였다. 링크 마진 계산은 비행체 하부 안테나와 상부 안테나에 대해서 각각 계산하였다.
- Table 2는 비행체의 최대 고도 3.6km, 비행체의 Roll 및 Pitch가 –15° ~ +15° 이 내에서 운용된다고 가정하였을 때, 지상체와 비행체 와의 거리 3.6km ~ 50km에서 하부 안테나를 통한 링크 마진이 0dB 이하인 방위각 및 고각 범위를 찾아내고 이 조건에서 상부 안테나를 통한 링크 마진이 0dB 이상인지 확인하여 5,150MHz 이외의 다른 주파수들에서도 적용할 수 있도록 일반화 하였으며 다시 이 조건에서 상/하부 선택 기준을 적용하였을 때 링크 마진이 0dB 이상을 만족시키는지 재확인하는 방법으로 선택 기준을 도출하였다.
- Table 2에서 나타나는 바와 같이 4km 이하에서는 거리에 따른 전파손실이 작아서 하부 안테나만 사용해도 링크 마진이 0dB 이상으로 유지될 수 있으나, 5km 이상에서는 하부 안테나의 Gain이 0dB 이하일 경우가 발생하는 경우가 있으며, 하부 안테나의 Gain이 0dB 이하로 나타날 수 있는 방위각 및 고각 범위는 5열과 6열의 흰색 부분, 옅은 회색 부분 및 짙은 회색 부분의 3영역으로 구분하였다. Bottom 안테나의 Gain 값에 의하여 링크 마진이 0dB 이하로 나타나는 고각 및 방위각의 범위를 2.3.4절에서 수식으로 도출하고자 영역을 구분하였으며, 구분 기준은 안테나 절체가 최소화 될 수 있도록 가능하면 연속적인 범위를 갖도록 하고자 최소 영역으로 나누고자 하였으며, 상기와 같이 3개 의 영역으로 구분하면 안테나 절체를 최소로 하면서 링크 마진을 0dB 이상으로 유지하는 것이 가능하다.
- 앞 절에서 도출한 상기 안테나 선택 기준을 실시간으로 무인헬기에 적용하기 위해 첫 번째 비행체 및 지상체의 위치를 위경도 좌표에서 지심 좌표로 변환하고, 두 번째 좌표 원점을 지구 구심에서 비행체 무게중심점으로 이동하고, 세 번째 임의의 위도와 경도에 대해서 비행체의 배면이 항상 지구 중심을 향하도록하고 비행체의 Heading이 항상 북극점을 향하도록 하며, 네 번째 비행체의 Roll, Pitch 및 Heading을 반영한 자세에서 탑재안테나가 지상체를 바라보는 지향각을 계산하였다.
- 네 번째 비행체의 위경도(θ1, ϕ1) 값에서 비행체가 배면이 지구 중심을 향하도록 하고 Heading 은 북극점을 향하도록 하며, 수신한 비행체의 자세 Roll, Pitch 및 Heading 값을 반영한 좌표값을 계산 한다.
- 안테나 선택 로직은 지상의 비행제어컴퓨터의 한 모듈로 구현하였다. 이 모듈에서는 비행체로부터 수신한 비행체의 GPS/INS로부터 수신한 비행체의 위치 및 자세 정보와 지상 안테나의 위치 정보를 가지고 계산한 안테나 선택 정보를 탑재데이터링크의 RF 스위치 제어부에 보내어 상/하부 안테나가 선택되도록 구현하였다.
- 본 논문의 안테나 선택로직에 대한 시험은 시뮬레이션, 안전줄 시험 및 비행시험을 통해 확인하였다. 일단 수식 (1)~(9)에 대한 검증을 위해 비행체정면 이 지상체를 바라보면 Bottom 안테나를 선택하고, 비행체 후면이 지상체를 바라보면 Top 안테나를 선택하도록 한 간단한 선택 기준을 적용하고 지상체 주변을 회전하는 다양한 비행 시험을 통하여 Bottom 및 Top 안테나가 예상대로 선택됨을 확인하여 수식(1)~(9)이 정상적으로 작동되는지를 확인하였다. 본문 2.
- 또한 비행체의 위치 및 자세와 지상체의 위치를 주기적으로 수신하여 지구 상공의 임의 지점(위도, 경도)에서 비행체 자세(Roll, Pitch, Heading)를 반영하여 지상체가 비행체를 어떤 각도(고각, 방위각)로 지향하는지를 수식 (1)~(9)를 통해 자동으로 계산되 도록 하였고, 실제 위도, 경고 및 고도 좌표값을 대입하여 동작을 확인하였으며 비행 시뮬레이터에 연동하여 안테나 선택로직이 정상적으로 작동되는지를 확인하였다. 또한 이와 같은 수식 및 개념은 탑재 및 지상의 지향성 추적 안테나에 적용도 가능하며, 지상 지향성 추적 안테나에 적용하여 정상적으로 작동하는 것을 확인하였다.
- 여기에 2.3.4절의 안테나 선택 기준을 적용하여 자동 계산된 고각 및 방위각과 비교하여 상부 안테나 또는 하부 안테나를 선택하도록 하였고 비행통제기에 구현하였다. 또한 안전줄 시험 및 비행 시험을 통하여 비행체 Heading 변화에 따라 상/하부 안테나 가 예측한 대로 자동 선택되는 것을 확인하였다.
- 또한 일반적으로 비행 중에는 비행체가 지상체에 비하여 고도가 높기 때문에 비행체 하부 안테나를 기본적으로 사용하고 하부 안테나의 Gain이 낮은 조건에서는 상부 안테나를 선택하도록 안테나 선택 로직을 구현하였다.
대상 데이터
- 본 논문에 언급한 무인헬기 데이터링크 안테나는 C band 대역을 사용하는 주링크용 안테나로 상향 링크는 지상체의 제어 명령을 전송하기 위한 링크로 채널 대역폭이 하향 링크에 비해 상대적으로 좁다. 하향 링크는 비행체의 감시 영상 및 상태정보를 전송하기 위한 링크로 채널 대역폭이 상향 링크에 비해 상대적으로 넓다.
- 14와 같다. 첫 번째 VSM (Vehicle Specific Module) 메시지 4000번으로부터 비행체의 위도, 경도, 고도, Roll, Pitch 및 Heading 데이터를 수신한다. VSM은 비행체 및 지상체로부터 주기적으로 수신한 상기 데이터를 비행통제기에 송신한다.
- 비행체의 위도, 경도 및 고도 좌표값(θ1, ϕ1, h1)을 가지고 지심 좌표값(X1, Y1, Z1)으로 변환한다. 두 번째 VSM 메시지 32503번으로부터 지상체의 위도, 경도 및 고도 데이터를 수신한다. 지상체의 위도, 경도 및 고도 좌표값(θ2, ϕ2, h2)을 가지고 지심 좌표값(X2, Y2, Z2)으로 변환한다.
성능/효과
- 4~7은 링크 마진이 가장 낮은 하향링크 대역 중에서 가장 높은 주파수인 5,150MHz 에서의 시뮬레이션 데이터에 대한 분석 결과이다. 본 논문에서 제시한 안테나 선택로직은 5,150MHz 이외의 나머지 주파수에서도 동일하게 적용할 수 있도록 구현하였다.
- 또한 비행체 안테나의 지향각이 비행 체의 자세를 반영하기 위해서 비행체의 Roll, Pitch 및 Heading 변화에 따른 비행체 좌표축 회전 수식을 적용하였다. 결과적으로 전체 수식은 두 가지 행렬식을 곱하는 형태로 나타나며, 이 수식에 비행체와 지상체의 GPS 좌표(위도, 경도, 고도)와 비행체의 Roll, Pitch 및 Heading 값을 대입하면 비행체 안테나의 지향각이 계산된다. 여기에 사전에 분석한 방사패턴에서 도출된 하부 및 상부 안테나 선택 알고리즘을 적용하여 하부 또는 상부 안테나 선택 결과값(1: Top 안테나, 2: Bottom 안테나)을 얻도록 하였다.
- 6km ~ 50km에서의 대기 전파 손실을 반영하였다. 이 데이터 테이블을 활용하면 임의의 고각 및 방위각에서 특정 거리에서의 링크 마진을 간단한 방법으로 확인할 수 있다.
- 이 각도 범위에서의 상부 안테나 Gain이 0dB 이 상임을 확인하고, 다른 주파수 5,125MHz, 5,100MHz, 5,040MHz, 5,035MHz, 5,030MHz에도 동일한 방법으로 적용하여 모든 조건에서 안테나 Gain이 0dB를 유 지하는 각도 범위를 보정한 결과 방위각 범위는 68° ~350°이며, 고각 범위는 119°~130°를 도출하였다.
- 시뮬레이션한 데이터를 분석해 보면 5,150MHz 조건에서 안테나 이득의 범위는 52.8dB이며, 안테나 선택 로직을 적용하였을 때 40.6%가 링크 마진이 0dB 이하로 나타나며, 비행체의 Roll 및 Pitch가 -15° ~ +15°로 제한하면 링크 마진이 항상 0dB 이상을 유지 하는 것으로 나타난다.
- 이 각도 범위에서의 상부 안테나 Gain이 0dB 이상임을 확인하고, 다른 주파수에 대해서도 동일한 방법으로 적용하여 모든 조건에서 안테나 Gain이 0dB를 유지하는 각도 범위를 보정한 결과 방위각 범위는 35° ~ 37°이며, 고각 범위는 107° ~ 110°를 도출하 였다.
- 이 각도 범위에서의 상부 안테나 Gain이 0dB 이상임을 확인하고, 다른 주파수에 대해서도 동일한 방법으로 적용하여 모든 조건에서 안테나 Gain 이 0dB를 유지하는 각도 범위를 보정한 결과 방위각 범위는 150° ~ 210°이며, 고각 범위는 0° ~ 130°를 도출 하였다.
- 또한 비행체의 위치 및 자세와 지상체의 위치를 주기적으로 수신하여 지구 상공의 임의 지점(위도, 경도)에서 비행체 자세(Roll, Pitch, Heading)를 반영하여 지상체가 비행체를 어떤 각도(고각, 방위각)로 지향하는지를 수식 (1)~(9)를 통해 자동으로 계산되 도록 하였고, 실제 위도, 경고 및 고도 좌표값을 대입하여 동작을 확인하였으며 비행 시뮬레이터에 연동하여 안테나 선택로직이 정상적으로 작동되는지를 확인하였다. 또한 이와 같은 수식 및 개념은 탑재 및 지상의 지향성 추적 안테나에 적용도 가능하며, 지상 지향성 추적 안테나에 적용하여 정상적으로 작동하는 것을 확인하였다.
- 4절의 안테나 선택 기준을 적용하여 자동 계산된 고각 및 방위각과 비교하여 상부 안테나 또는 하부 안테나를 선택하도록 하였고 비행통제기에 구현하였다. 또한 안전줄 시험 및 비행 시험을 통하여 비행체 Heading 변화에 따라 상/하부 안테나 가 예측한 대로 자동 선택되는 것을 확인하였다.
후속연구
- 이 수식에 새로운 선택 기준을 적용하도록 제어 프로그램에 적용하면 새로운 안테나 선택 시스템을 구현할 수도 있다. 또한 본 논문에서 도출한 수식을 활용하면 지향성 안테나의 추적 알고리즘으로도 활용이 가능하다.
- 일단 수식 (1)~(9)에 대한 검증을 위해 비행체정면 이 지상체를 바라보면 Bottom 안테나를 선택하고, 비행체 후면이 지상체를 바라보면 Top 안테나를 선택하도록 한 간단한 선택 기준을 적용하고 지상체 주변을 회전하는 다양한 비행 시험을 통하여 Bottom 및 Top 안테나가 예상대로 선택됨을 확인하여 수식(1)~(9)이 정상적으로 작동되는지를 확인하였다. 본문 2.2.3의 패턴 분석에 따른 기준을 적용한 시험은 시뮬레이션 및 안전줄 시험에서만 수행하였으며, 3차년도 비행시험을 통해 확인할 예정이다.
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