KR20150056279A

KR20150056279A - 사인 위상 BOC(n,n) 신호 추적 성능 향상을 위한 주변 첨두 제거 방법

Info

Publication number: KR20150056279A
Application number: KR1020130139074A
Authority: KR
Inventors: 이성로; 김경호; 채근홍; 윤석호; 주양로
Original assignee: 목포대학교산학협력단
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-05-26

Abstract

본 발명은 사인 위상 BOC 신호를 수신하는 단계, 수신된 상기 BOC 신호를 다수의 구형 펄스 형태로 해석하는 단계, 해석된 상기 다수의 구형 펄스로부터 부분 상관들을 구하는 단계, 및 상기 부분 상관들을 조합하여 주 첨두 주변에서만 겹치는 대칭인 두 개의 상관함수를 생성하는 단계를 포함하는 사인 위상 BOC(n,n) 신호 추적 성능 향상을 위한 주변 첨두 제거 방법에 관한 것이다.

Description

사인 위상 BOC(n,n) 신호 추적 성능 향상을 위한 주변 첨두 제거 방법{A side-peak cancellation technique to improve tracking performance for sine-phased BOC(n,n) signal}

본 발명은 위성 항법 시스템에 관한 것으로, 특히 이진 옵셋 반송파(binary offset carrier, BOC) 신호의 추적 성능 향상하는 기술에 관한 것이다.

군사 목적으로 사용되어온 차세대 위성 항법 시스템은 (global navigation satellite system: GNSS) 민간 사용자들을 위한 측위(positioning) 정보를 제공하고 있으며, 최근에는 보다 정확한 측위에 대한 증가하는 요구를 충족시키기 위해, Galileo 및 현대화된 global positioning system와 modenized GPS 같은 새로운 위성 항법 시스템이 개발되고 있다. 이러한 새로운 위성 항법 시스템에서는 여러 신호 중 기존의 GPS에서 사용되던 phase shift keying(PSK) 변조 방식보다 더 높은 측위 정확도를 가지는 이진 옵셋 반송파(binary offset carrier, BOC) 변조 방식이 사용될 예정이다.

위성 항법 시스템에서는 시간 동기화 오차가 거리 측정 오차와 직결되므로, 정확한 신호 동기화는 신뢰성 있는 위성 항법 시스템의 구현에 있어 매우 중요하다. 그러나, BOC 신호의 자기상관함수(autocorrelation)는 다수의 주변 첨두(side-peak)를 가지기 때문에, 신호 동기화에서 주 첨두(main-peak)가 아닌 주변 첨두에서 신호가 추적되는 문제(false lock)가 발생할 수 있다. 즉, 주변 첨두로 인한 BOC 신호의 추적에 모호성 문제(ambiguity problem)가 발생할 수 있기 때문에 신뢰성 있는 측위 제공에 어려움이 생긴다.

이러한 주변 첨두로 인해 발생하는 모호성 문제를 해결하기 위해 BOC 자기상관함수의 주변 첨두를 직접 제거하는 방법들이 연구되고 있다. 일 예로, 기존의 주변 첨두를 제거하는 방법(기존 발명 1 및 2)은 BOC 자기상관함수의 주변 첨두를 완전히 제거할 수 있다. 그러나, 기존의 방법들은 주변 첨두를 제거하기 위해 보조 신호들(auxiliary signals)이 필요하며, 이로 인해 하드웨어 복잡도가 높아지는 단점이 있다. 다른 예로, 주변 첨두를 완전히 제거하면서도 보조 신호들 또한 필요하지 않는 주변 첨두 제거 방법(기존 발명 3)이 있으나, 이는 주변 첨두를 제거하는 것에만 초점이 맞추어져 있기 때문에, 신호 추적 성능 향상은 고려되지 않는다.

본 발명은 이진 옵셋 반송파(binary offset carrier, BOC) 신호 중 가장 널리 사용되는 사인 위상 BOC(n,n) 신호의 추적 성능 향상할 수 있도록 하는 기술적 방안을 제공함을 목적으로 한다.

전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 사인 위상 BOC(n,n) 신호 추적 성능 향상을 위한 주변 첨두 제거 방법은 사인 위상 BOC 신호를 수신하는 단계, 수신된 상기 BOC 신호를 다수의 구형 펄스 형태로 해석하는 단계, 해석된 상기 다수의 구형 펄스로부터 부분 상관들을 구하는 단계, 및 상기 부분 상관들을 조합하여 주 첨두 주변에서만 겹치는 대칭인 두 개의 상관함수를 생성하는 단계를 포함한다.

또한, 사인 위상 BOC(n,n) 신호 추적 성능 향상을 위한 주변 첨두 제거 방법은 생성된 상기 두 개의 상관함수를 결합하여 주변 첨두가 제거된 비모호 상관함수를 생성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명은 사인 위상 BOC(n,n) 신호의 부반송파 펄스를 여러 개의 구형 펄스들로 분할함으로써, BOC 자기상관함수를 구성하는 부분 상관들을 얻고, 이러한 부분 상관들을 조합하여 비모호 상관함수를 생성하여 차세대 위성 항법 시스템에서 더 정확한 측위 정확도를 제공할 수 있다.

또한, 모의실험의 결과를 통해, 본 발명의 상관함수가 BOC 자기상관함수 및 기존 발명의 상관함수들보다 더 좋은 TESD 성능을 제공하는 것을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 사인 위상 BOC(n,n) 신호 추적 성능 향상을 위한 주변 첨두 제거 방법 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 사인 위상 BOC(n,n) 신호에 대한 수신 신호와 분할한 구형 펄스 신호들을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 사인 위상 BOC(n,n) 신호에 대한 부분 상관들을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 상관함수를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 상관함수을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 BOC 자기상관함수와 기존 발명 및 본 발명의 상관함수들을 이용한 경우의 TESD 성능을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 상관함수의 TESD 성능을 나타내는 도면.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 사인 위상 BOC(n,n) 신호 추적 성능 향상을 위한 주변 첨두 제거 방법 흐름도이다.

먼저, 이진 옵셋 반송파(binary offset carrier, BOC) 신호는 일반적으로 부반송파(sub-carrier)의 위상에 따라, 사인 위상 BOC 및 코사인 위상 BOC로 구분된다. 사인 위상 BOC와 코사인 위상 BOC는 부반송파가 각각 사인 위상 및 코사인 위상을 가지는 경우를 의미하고, 사인 위상 BOC(kn,n) 및 코사인 위상 BOC(kn,n)으로 나타낼 수 있다. 여기서 k는 의사잡음코드(pseudorandom noise, PRN) 전송률과 부반송파 주파수와의 비를 나타내는 양의 정수이고, n은 PRN 코드 전송률과 1.023MHz와의 비를 나타내며, 이는 하나의 PRN 코드 칩 내부에 k 주기의 부반송파 펄스가 존재하는 것을 의미한다.

수신된 사인 위상 BOC(n,n) 신호는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, d(t)는 항법데이터, c(t)는 PRN 코드, 그리고

는 BOC 신호의 부반송파를 나타낸다.

PRN 코드는

와 같이 정의될 수 있으며, P는 신호 전력,

는 주기가 T인 PRN 코드의 i째 칩,

는 PRN 코드 칩 주기,

는

에 존재하는 단위 구형파이다.

부반송파는

와 같이 정의될 수 있으며,

은 m번째 부반송파 펄스의 부호,

는

에 존재하는 단위 구형파, 부반송파 펄스 구간은

이다.

일반적으로 위성 항법 시스템에서는 동기화를 위한 별도의 파일럿 채널을 제공하고, 파일럿 채널에서는 빠르고 정확한 동기화를 위해 d(t)=1인 특성을 지닌다. 본 발명은 파일럿 채널을 가정하는 신호 추적 기술에 사용되는 상관함수를 개발한다.

전술한 바와 같이 주 첨두가 아닌 주변 첨두에서 신호 추적이 되는 모호성 문제를 해결하고 신호 추적 성능의 향상을 위해, 본 발명에서는 하나의 부반송파 펄스를 신호 구간이

인 r개의 구형 펄스로 해석한다. 따라서, 사인 위상 BOC(n,n) 신호는

로 나타낼 수 있으며, 여기에서

이다.

이에 따르면, 사인 위상 BOC(n,n)에 대해 2r개의 펄스 중 l째 구형 펄스의 부호

과 구간

는

와 같이 정리될 수 있다. 여기서,

는 z보다 크지 않은 정수를 의미한다.

도 2는 본 발명에 따른 사인 위상 BOC(n,n) 신호에 대한 수신 신호와 분할한 구형 펄스 신호들을 나타낸다. 본 발명에서는 모든 PRN 코드 칩은 +1과 -1이 독립 확률 변수로 동일한 확률 분포로 발생한다고 가정한다. 또한, PRN 코드 주기 T는 일반적으로 PRN 코드 칩 주기

보다 매우 크며, 코드 추적 동안 데이터가 존재하지 않는 파일럿 채널(즉, d(t)=1)이 고려된다.

정규화된 BOC 자기상관 함수는 다음의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

여기서,

는 각파 형태의 함수로, 아래의 수학식 3과 같으며, l째의 부분 상관은 수학식 4와 같으며, 도 3에 나타낸 바와 같다.

주 첨두 부분에서만 겹치며(overlap), 서로 대칭(symmetric)인 두 상관함수

와

가 존재한다면,

와

를

와 같은 형태로 조합함으로써, 주변 첨두가 완전히 제거된 비모호 상관함수를 생성할 수 있다. 뿐만 아니라,

와

의 주 첨두들이 더 좁다면, 보다 더 날카로운 주 첨두를 얻을 수 있다.

상기 언급한 대칭인 상관함수들을 만들기 위해, 먼저 수학식 5와 같이

를

와 결합하여 상관함수

를 얻는다.

여기에서,

연산은

을 나타내며, 또한 수학식 6과 같이

를

와 결합하여 상관함수

를 얻을 수 있다.

도 4는 상관함수

과

, 최종 상관함수

을 나타낸다. 도 4로부터

와

가 주 첨두 주변에서만 겹치는 대칭 상관함수임을 확인할 수 있으며, 따라서 수학식 7을 이용하여 주변 첨두가 완전히 제거된 비모호 상관함수

를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 4로부터 본 발명에서의 상관함수가 기존의 발명의 상관함수들 보다 더 날카로운 주 첨두를 가짐을 알 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 상관함수의 주 첨두의 정규화된 높이는 r=1일 때 1이며, r≥2일 때

이다. 또한, 주 첨두의 폭은 r=1일 때

이고, r≥2일 때

이다.

도 5는 전술한 본 발명의 최종 상관함수

를 생성하는 과정을 나타낸다. BOC 신호 코드 추적을 위한 판별기(discriminator) 출력은 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.

여기서

는 선후간격이며, 판별기 출력은 지연고정루프(delay lock loop) 내의 수치 제어된 오실레이터(numerically controled oscillator)에 의해 가 0이 될 때까지 동작한다.

나아가, BOC 자기상관함수와 기존 발명의 상관함수들, 및 본 발명의 상관함수를 이용하여 tracking error standard deviation(TESD) 성능을 모의실험을 통해 비교할 수 있다. TESD는

로 정의되고, 여기서

는 D(0)의 표준 편차,

은 루프필터의 대역폭,

는 적분시간, 그리고

이다. 모의실험은 다음과 같은 파라미터로 가정하여 진행될 수 있다.

,

, 기존 발명 2에서는

이며,

로 가정할 수 있다.

도 6은 사인 위상 BOC(n,n) 신호에 대한 반송파 대 잡음비(carrier-to-noise ratio, CNR)에 따른 BOC 자기상관함수와 기존 발명 및 본 발명의 상관함수들을 이용한 경우에 대한 TESD 성능을 나타낸다. 여기서, CNR은

로 정의되며,

는 잡음 전력 밀도이다. 기존 발명 2는 국소 신호 생성 파라미터인

의 값에 따라 모의실험 성능이 다르게 나타나기 때문에 TESD 성능이 가장 좋은 경우인

으로 모의실험 한다. 또한, 기존 발명3은 본 발명에서

인 경우이므로,

에서는 본 발명의 상관함수와 기존 발명 3의 TESD 성능은 동일하다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 상관함수는 낮은 CNR 범위(

)에서 기존 발명의 상관함수보다 월등히 좋은 TESD 성능을 보여주며, r에 따라 성능이 다르게 나타나고 r의 값이 증가함에 따라 더 좋은 TESD 성능을 보여줌을 알 수 있다.

도 7은 사인 위상 BOC(n,n) 신호에 대한

일 때, 본 발명의 상관함수의 TESD 성능을 r에 따라 나타내었다. r이 증가함에 따라 본 발명의 상관함수의 추적 성능이 향상되지만, 최종적으로는 본 발명의 상관함수의 TESD는 수렴하게 된다.

이와 같이, 본 발명은 사인 위상 BOC(n,n) 신호의 부반송파 펄스를 여러 개의 구형 펄스들로 분할함으로써, BOC 자기상관함수를 구성하는 부분 상관들을 얻고, 이러한 부분 상관들을 조합하여 비모호 상관함수를 생성하였다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

사인 위상 BOC 신호를 수신하는 단계;
수신된 상기 BOC 신호를 다수의 구형 펄스 형태로 해석하는 단계;
해석된 상기 다수의 구형 펄스로부터 부분 상관들을 구하는 단계; 및
상기 부분 상관들을 조합하여 주 첨두 주변에서만 겹치는 대칭인 두 개의 상관함수를 생성하는 단계;
를 포함하는 사인 위상 BOC(n,n) 신호 추적 성능 향상을 위한 주변 첨두 제거 방법.
제1항이 있어서,
생성된 상기 두 개의 상관함수를 결합하여 주변 첨두가 제거된 비모호 상관함수를 생성하는 단계;
를 더 포함하는 사인 위상 BOC(n,n) 신호 추적 성능 향상을 위한 주변 첨두 제거 방법.