보고서 정보
주관연구기관 |
(주)텔에이스 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2015-12 |
과제시작연도 |
2014 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
과제관리전문기관 |
정보통신기술진흥센터 Institute for Information & Communications Technology Promotion |
등록번호 |
TRKO201600014559 |
과제고유번호 |
1711022032 |
사업명 |
ICT기술사업화기반구축 |
DB 구축일자 |
2016-12-17
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키워드 |
초절전.위성항법.측위.사물통신.ASIC.
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초록
▼
□ 핵심기술
위성항법 칩 기술, 저전력으로 글로벌 측위 방법
□ 최종목표
[총괄 목표]
● 위치기반서비스에 가장 많이 적용되는 위성항법기술을 저전력으로 구현하기 위한 위성 간 시간 차 전송 기술을 기반으로 하는 클라우드 기반 위성 항법 알고리즘 및 다중위성항법 칩 개발
■ 위성항법 처리 소비전력 : 0.15mAh
■ 측위 정밀도 : 5m
■ 수신 위성 항법신호 : GPS L1/L2, GLONASS, COMPASS
■ 시간차 정보 위성처리수 : 8개 위성
[기관별 목표]<
□ 핵심기술
위성항법 칩 기술, 저전력으로 글로벌 측위 방법
□ 최종목표
[총괄 목표]
● 위치기반서비스에 가장 많이 적용되는 위성항법기술을 저전력으로 구현하기 위한 위성 간 시간 차 전송 기술을 기반으로 하는 클라우드 기반 위성 항법 알고리즘 및 다중위성항법 칩 개발
■ 위성항법 처리 소비전력 : 0.15mAh
■ 측위 정밀도 : 5m
■ 수신 위성 항법신호 : GPS L1/L2, GLONASS, COMPASS
■ 시간차 정보 위성처리수 : 8개 위성
[기관별 목표]
● 주관기관 ㈜텔에이스
■ 다중 위성항법 RTL 및 SW 설계
■ 기저대역 칩 설계 및 제작
■ 위성 간 시간차 전송 및 측위 알고리즘 기술 개발
● 참여기관 한국전자통신연구원
■ 위성 간 시간차 전송 특허기반 측위 알고리즘 개발
■ 클라우드 기반 검증용 Testbed 구축 및 연동시험 총괄
● 참여기관 (주)에세텔
■ 초절전 위성항법 단말 시제품 개발
□ 개발내용 및 결과
[주관기관 ㈜ 텔에이스]
● 다중 위성항법 RTL 및 SW 설계
■ 다중 위성항법을 통한 가용성 확대
- GPS L1, GPS L2 및 GLONASS, COMPASS를 포함한 여러 GNSS를 통합하여 위성항법 RTL 및 SW 설계 진행
- GPS 뿐만 아니라 이미 실용화 되어 있는 GLONASS 및 향후 급속도로 전개될 가능성이 높은 COMPASS를 포함하여 통합항법을 개발함.
· GPS 등 각 시스템 단독으로 항법이 어려운 순시 필드환경에 대처 가능
· 가용 위성이 많아 (DOP 개선) 고 정밀 위성 항법 달성 가능
- 최근 GPS의 현대화에 따라 기존 L1 대역 신호 외에 추가적으로 L2 대역을 이용한 신호가 제공되고 있어 GPS L2를 포함한 위성항법을 개발함.
· 다중 대역을 이용하므로 정확한 전리층 보상이 가능
· 재밍에 대응하는 기술중 하나로서 신뢰성이 요구되는 군수에 대응가능
■ 위성신호의 고속 탐색 및 고 성능 복조 기술 적용
- 일반 기술의 개요 : 위성 항법의 초기 동기 획득은 특정 위성에 대하여 도플러 주파수, 부호 위상을 탐색하는 것으로, 위성 번호, 주파수 빈, 시간 빈의 3차원 공간에서 탐색을 수행해야 하므로 위성 신호의 상태에 따라 많은 시간이 소요됨.
- 주관기관의 특화된 기술을 활용하여 고 성능 항법 Solution 개발
· 탐색 소요시간 1초 이하 @ GPS L1 -130dBm (특허 기술)
· 정확도 CEP < 2m @ SigGen -130dBm
· 신호 획득 감도 (Acquisition Sensitivity) -145dBm 이하(Standalone)
· 항법 수신 감도 (Tracking Sensitivity) -160dBm 이하(Standalone)
● 항법 SW 설계
■ Acq
- Search Signals: GNSS 신호를 Searching 하는 블록
■ Demod
- Accumulation: GNSS 신호를 일정 크기의 단위로 누적
- BBD, DLL, FLL, PLL: Demodulation의 필터 기능 일부를 S/W로 구현
- CNR: Pilot 혹은 Data 신호를 이용하여 CNR을 측정
- Bit Decision: PLL을 통하여 Bit을 판별
- H/W Demod Control : Demodulation의 동작을 제어
■ Navi
- Decoding: GNSS 신호를 Decoding (Parsing 포함)
- Fix Position: Least Square, Kalman Filer 등을 사용하여 위치를 계산
- Calculate Errors: 신호 및 위치 계산 오차를 추정
- Release: L1, L2, E1의 할당된 Demodulator를 해제
- Assign: L1, L2, E1의 위성별 Acquisition 및 Demodulator 할당
■ IO
- NMEA/TGB Command: 기저 대역 모뎀을 NMEA혹은 TGB Protocol를 통하여 제어
- NMEA/TGB Output: 기저 대역 모뎀의 정보를 NMEA혹은 TGB Protocol를 통하여 출력
- Debug: 기저 대역 모뎀의 Debugging을 위한 메시지 추가
● 필드엔지니어링 기술 적용
■ 구현된 위성항법 RTL 및 SW는 우선 Lab에서 신호 발생기를 이용하여 시험을 진행하고, 이후 실제 필드에서 재검증을 진행하게 되지만, 일반적으로 신호 발생기를 이용한 실험은 실제 환경을 완벽히 재현하지 못하여 기술적인 많은 문제가 필드환경에서 발견됨.
■ 필드 데이터 확보 및 성능 분석, 반복적 보완 진행
■ 필드 시험을 통하여 문제에 대처하는 다양한 내부 파라미터 확보
● 기저대역 칩 설계 및 제작
■ 상용 및 저전력 칩 설계 기술 적용
- 상용화 및 SoC 설계 경험 활용
· 다중 항법 신호의 핵심 방식인 CDMA 방식과 동일한 방식을 사용하는 위성 DMB 수신용 상용 칩 개발 및 양산 경험을 바탕으로 (삼성전자, LG 전자, 모토롤라, 팬택 &큐리텔의 휴대폰에 적용) 동기 획득 및 유지, 복조를 비롯한 신호처리 기술을 확보하고 있으며, 자원 공유 및 시간 다중화, 저 전력화 등 칩 설계 기술을 보유하고 있음.
· 위성 항법을 수행하는 도중 미사용 로직에 대한 클럭 게이팅, 미사용 로직 블록에 대한 전원 차단, 신호처리 량에 따른 다중 클록 사용 등 저 전력화 기술 적용
. RTC (Real Time Clock)을 제외한 모든 블록의 전원을 차단 가능
. 활성화 주기에 따른 Wakeup 운영
- FPGA와 ASIC 간 단일 설계 모델 구축
· ASIC 설계 시 필요한 고려사항을 사전 반영하여 두 칩 간 상이한 특성으로 인하여 발생할 수 있는 설계 오류 배제
. Critical Path, Clock Skew, Clock Gating, 다중 클럭 블록 간 동기, IP 고려 등
. ASIC 진행에서 모두 합성 가능한 구문으로만 HDL 설계
. FPGA-to-ASIC 설계를 1-pass로 진행 가능
- 칩 구성 및 Front-end, Back-end 설계
· 다중 위성항법의 공유 가능한 Core를 구성하고 각 응용 분야 대해서 SW에 의한 설정 변경을 통하여 운영
. RTL 및 SW 간 항법 기능 (복조기능 포함)의 최적화 Partition 수행
· 칩 제작
. FAB 조사를 통하여 공정 선택
. ROM, RAM, EMI, GPS Core, 1PPS, RTC, 등 내부 Block 및 UART, SPI, I2C, Timer, Interrupt Controller, GPIO 등 I/O 통합
. Battery Backup Logic 검증, Power Control Logic 검증
. Pre-netlist 합성, Pre-netlist STA 검증
. IO 설계 및 Pin Configuration 검증
. DFT 합성 및 검증 (SCAN, BIST)
. Post-netlist STA 검증
. Power 분리 Logic 검증
. Backend 작업 (P&R, CTS, LVS, DRC, ERC, PG)
. FAB 공정
. Packaging
● 위성 간 시간 차 전송 및 측위 알고리즘 기술 개발
■ 위성 정보 추출 최적화 기능 설계
- 일반 기술의 개요 : 항법 SW의 절차는 현재 시각으로 부터 위성의 위치를 계산하고 (계산 전 위성의 궤도 정보 필요) 측정된 위성 신호의 도달 시각으로부터 의사 거리를 추출한 다음 사용자의 위치를 포함한 미지수 N (ECEF 좌표 등)에 대하여 N개 이상의 위성에 대한 연립 방정식의 해를 구하는 것임.
- 클라우드 기반의 경우 단말이 위성 신호를 획득하여 위성 간 수신시간차를 서버에 전송하지만 위성 및 자신의 위치에 대한 계산을 수행하지 않음.
- 서버에서는 기 확보한 위성의 궤도 정보로부터 위성의 위치를 계산하고 (제공된 의사 거리에 대한 시간 추정 필요), 위성 간 시간차로부터 의사 거리를 추정한 다음, 연립 방정식의 해를 계산하는 절차를 거침.
- 위성 간 수신시간 차는 의사 거리 정보에 대응이 되며 추가 정보를 통한 적응형 구조 설계 수용
· 추가 정보는 GNSS 위성의 수신 시간 자체 및 관련 부가 정보 포함
· 위성 신호의 수신 환경 및 다양한 응용 분야의 요구사항에 대응
· 성능 대비 정보 전송 요구량의 최적화 설계 진행
● 개략 시각 동기 기반의 측위 알고리즘 설계
■ 단말은 단말 내 개략 시각만을 이용하여 해당 시각 근처의 위성 간 시간차를 서버에 전송
- 단말은 위성 및 자신의 위치에 대한 계산을 수행하지 않을 뿐만 아니라 절대 시간 추출을 제외하여 전력 소모를 최소화함. (GPS의 경우 절대 시간 추출에 평균 6초 소요)
- 망에서는 가용 위성의 위치 및 단말의 개략 위치에 따라 개략 시각과 위성 간 수신시간차를 보정하여 절대 시각과 의사 거리를 추정하고 이에 따라 단말의 위치를 계산
[참여기관 한국전자통신연구원]
● 클라우드 기반 모의 시스템 개발 및 자체 평가
■ 위성 간 수신시간 차 정보 송신 프로토콜 설계
- GNSS 수신기인 단말과 모의 시스템의 망 서버 간 프로토콜은 특정 무선 통신 시스템에 제한되지 않도록 응용 레벨에서 설계
- 물류, 민군을 포함 다양한 응용 분야에 적용 가능하도록 각 분야에 따른 요소 파라미터를 발굴
■ 서버 기반 위성 간 수신시간 차 항법 해 알고리즘
- 단말기-서버간 위성 간 수신시간 차 정보 송/수신 프로토콜 설계 및 구현
- 서버 기반 위성 항법 정보 추출 및 의사거리 추정 알고리즘 개발
- 서버 기반 위성 간 수신시간 차 항법 해 알고리즘 개발
■ 특정 시각 동기 측위계산 알고리즘
- 위성 항법 정보 및 측위계산 정보 저장 및 DB 설계
- 특정 해당 시각 측위계산 알고리즘 동기화 설계 및 구현
● 개발 환경 구축
■ 기능 및 성능 검증을 위하여 1단계로 FPGA 기반의 개발 환경 플랫폼을 구축하고 2단계로 Chip-out 이후에 대비한 ASIC 기반의 EV 보드를 개발함.
■ CPU 변경 및 RF 변경에 대응하여 해당 형상은 모듈로 구성
■ GNSS의 RF는 독립적인 성능 분석이 가능하도록 각 시스템에 따라 별도의 경로를 구성하면서 SW 설정에 의하여 입력 변경이 가능하도록 설계 (GPS L2의 경우 독립적인 경로로만 운영)
[참여기관 (주)에세텔]
● 초절전 위성항법 단말 시제품 개발
■ GNSS 수신기인 단말은 단말 내의 개략 시각과 함께 위성 간 수신 시간차를 서버에 전송함.
- ‘위성 정보 추출 최적화 기능 설계’에 따라 부가 정보도 전송 가능
- 별도의 Stand-alone 응용을 위하여 GNSS 신호 처리 및 위치 계산도 수행 가능
■ GNSS 수신기인 단말과 모의 시스템의 망 서버 간은 무선 인터페이스를 기본으로 함.
■ 망의 서버는 PC를 기반으로 측위 알고리즘을 수용하되, 이를 기준으로 응용 분야에 따라 목표 서버의 연산 성능 요구량을 추정 함.
- 위성 궤도 등 위성에 대한 정보를 획득하기 위하여 서버 용 GNSS 수신기능도 수행
- ‘개략 시각 동기 기반의 측위 알고리즘 설계‘에 따라 절대 시각과 의사 거리를 추정하고 단말의 위치를 계산
□ 기술개발 배경
[초절전 위성항법 시스템의 필요성]
● 전력소모를 줄이기 위한 노력으로 A-GPS 등의 적용이 되어 운영되고 있으나, 배터리의 충전이 가능한 형태 또는 전원이 제공되는 형태의 단말인 주체형 서비스에서는 일정의미가 있으나, 배터리 기반으로 매우 긴 시간 운용이 되어야 하는 객체형 서비스에 적용하기에는 전력소모를 더욱 낮출 필요가 있음.
● 이러한 문제로 객체형 서비스에 위성항법시스템외의 WiFi 나 ZigBee와 같은 솔루션을 적용하려는 노력이 되고 있으나 역시 전력소모의 문제나 시스템 설치/유지의 문제로 한계가 있고, 활성화에 제한이 되고 있음.
● 따라서 특히 객체형 위치추적서비스 단말이 저전력으로 효과적으로 동작하기 위해서는 초절전 개념의 위성항법 측위기술이 개발이 된다면, 이를 활용한 위치추적서비스의 폭발적인 활성화가 이루어 질 수 있을 것으로 예상됨.
[본 과제에서 추진하고자 하는 개발의 의미]
● 본 과제에서는 위성항법 시스템의 발전방향에 맞도록 GPS외의 위성항법 시스템 고도화 및 현대화에 대응할 수 있는 다중 위성항법 기술 (GPS L1, GPS L2, GLONASS, COMPASS) 을 개발함과 동시에 단말기에서의 초절전 운용이 가능하도록 클라우드 기반의 위성간 시간차 측위 알고리즘을 적용한 초절전 다중 위성항법 핵심칩을 개발하고자 함.
□ 핵심개발 기술의 의의
● 최근 각광받고 있는 IoT/M2M 분야에서 위치기반 서비스 및 응용이 늘어나고 또 요구되고 있는데, 이에 적용될 수 있는 저전력 GPS 솔루션으로서 제시할 수 있는 기술임
● 이를 통하여 장시간 대상을 추적/관리하는 저전력 시스템 분야에 적용하여 사업화 추진이 가능함.
● 가능분야: 물류추적, Asset-Tracking, 동식물 생태관리, 사회적 약자 추적
□ 적용 분야
[사업 적용 분야]
● 컨테이너 이동추적
■ 선 하적 및 이동 중인 컨테이너의 위치를 자동으로 파악하여 컨테이너 물류와 관련된 효율성을 높이기 위한 자동화 시스템 구축에 적용
● Pallet Pooling 시스템에 적용
■ 당 과제의 구매의향을 제시한 유로지스넷은 국내에서 Pallet 물류 tracking사업을 하고 있으나, 저전력 위성항법 기반의 Tag 제품이 절대적으로 필요한 상황이며, Pallet Tracking 및 Electric Display Tag 시스템에 적용할 경우의 활용시스템 및 예상 향후 수출 수요는 아래와 같음
● 야생동물 관리 서비스
■ 야생동물 부착형 위치파악 단말은 동물에 직접 부착하여 위치 및 생육 환경 등을 파악하기 위한 것으로 GPS와 3G모듈을 통합한 M2M 기반의 모듈이 적용되고 있으나 GPS와 3G모듈은 위치파악을 위한 동작시간이 길고 또한 전력을 많이 소비하므로 본 과제의 개발칩을 야생동물 부착형 위치파악 단말에 적용
● 철새의 이동경로 추적
■ 조류의 생태 환경 조사 및 AI 질병관리를 위하여 저전력으로 광역이동 추적이 필요한 철새의 이동경로 추적 서비스에 적용
● 해양환경용 부이시스템
■ 해양 항해 시설 안전지역 표시, 온도, 적조 등의 수질 환경 파악, 양식장 유실 시 위치파악 등을 위한 해양환경용 부이시스템에 적용
● 신차 출고 관리
■ 현재 신차관리시스템은 바코드를 이용하여 추진하고 있으나 생상성 향상을 위해 GPS 기반의 위치관리시스템의 도입을 요구하고 있으나 GPS를 이용하는 경우 전력소비 문제로 적용이 보류된 상태이므로 본 과제의 저전력 위성항법칩을 신차 출고관리 시스템에 적용
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