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KR101413876B1 - 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적 장치 및 방법 - Google Patents

위성항법시스템 수신기의 비동기 누적 장치 및 방법 Download PDF

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KR101413876B1
KR101413876B1 KR1020100113170A KR20100113170A KR101413876B1 KR 101413876 B1 KR101413876 B1 KR 101413876B1 KR 1020100113170 A KR1020100113170 A KR 1020100113170A KR 20100113170 A KR20100113170 A KR 20100113170A KR 101413876 B1 KR101413876 B1 KR 101413876B1
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code phase
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KR1020100113170A
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주인원
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한국전자통신연구원
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Abstract

위성항법 시스템 수신기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수신기의 기능 중 신호획득에서 비동기 누적과 관련된 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명은 신호획득시간 및 도플러의 영향에 따른 코드위상 변화를 고려하여 비동기 누적을 수행함으로써, 신호획득의 민감도가 향상된 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치 및 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 신호획득시간 및 도플러의 영향에 따른 코드위상 변화를 고려함으로써 동기 누적과 비동기 누적을 실시간으로 수행할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

Description

위성항법시스템 수신기의 비동기 누적 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR NON-COHERENT INTEGRATION IN GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM RECEIVER}
기술분야는 위성항법 시스템 수신기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수신기의 기능 중 신호획득에서 비동기 누적과 관련된 장치 및 방법에 관한 것이다.
GNSS(Global Navigation Satellite System) 항법 수신기는 기능에 따라 신호 획득, 신호 추적, 데이터 디코딩 및 항법을 수행하는 부분으로 구분될 수 있다. 항법 수신기는 안테나로부터 받은 위성신호를 RF(Radio Frequency) 대역에서 IF(Intermediate Frequency) 대역으로 하향 변환한다. 하향 변환된 IF 신호는 아날로그-디지털 변환(ADC)을 통하여 디지털 IF 신호로 이산화된다. 디지털 IF 신호는 신호획득부의 입력 신호가 된다. 신호획득부는 디지털IF 신호를 이용하여 가시위성을 탐색하고, 탐색된 위성의 코드위상과 도플러 주파수를 추정한다. 신호획득부는 코드위상과 도플러 주파수의 가능한 조합으로 2차원 공간을 검색한다. 신호획득부는 순차적 또는 병렬적으로 검색범위의 구간을 검색하고, 해당 도플러 주파수 및 코드에 대한 상관도 검사를 통하여 신호 획득 여부를 결정한다.
본 발명은 신호획득시간 및 도플러의 영향에 따른 코드위상 변화를 고려하여 비동기 누적을 수행함으로써, 신호획득의 민감도가 향상된 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 신호획득시간 및 도플러의 영향에 따른 코드위상 변화를 고려함으로써 동기 누적과 비동기 누적을 실시간으로 수행할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 실시간으로 비연속적인 데이터를 처리함으로써 데이터 저장에 필요한 메모리를 감소시키는 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치는 K번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호 및 K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호에 대하여, 신호획득 알고리즘을 수행하여 K번째 신호획득 결과값 및 K+1번째 신호획득 결과값을 획득하는 신호획득부, 상기 K번째 신호획득 결과값 및 상기 K+1번째 신호획득 결과값을 메모리에 저장하는 저장부, 상기 저장된 K번째 신호획득 결과값을 획득하는데 필요한 신호획득시간을 측정하는 신호획득시간 측정부, 상기 측정된 상기 신호획득시간에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산하고, 상기 K번째 신호획득 결과값을 상기 코드위상 변화량만큼 보상하는 코드위상 보상부 및 상기 코드위상 변화량만큼 보상된 상기 K번째 신호획득 결과값을 상기 K+1번째 신호획득 결과값에 비동기 누적하는 비동기 누적부를 포함한다.
상기 신호획득시간은 상기 K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호를 입력 받는 시간에 기초하여 측정될 수 있다.
상기 코드위상 보상부는 기 설정된 도플러 검색 범위의 전 구간에서 상기 K번째 신호획득 결과값을 상기 코드위상 변화량만큼 보상할 수 있다.
상기 코드위상 보상부는 상기 K번째 신호획득 결과값의 도플러 인덱스가 기 설정된 도플러 넘버보다 작은 경우, 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 보상을 결정하는 코드위상 보상 결정부, 상기 코드위상의 보상이 결정되면, 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 큰 값을 갖는지 여부에 따라 상기 코드위상의 시프트 방향을 결정하는 시프트 방향 결정부, 상기 신호획득시간 및 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산하는 코드위상 변화량 계산부, 상기 시프트 방향 및 상기 코드위상 변화량에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 시프트하는 코드위상 시프트 처리부 및 상기 도플러 인덱스를 1만큼 추가하는 카운터부를 포함할 수 있다.
상기 시프트 방향 결정부는 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 크면, 상기 코드위상의 시프트 방향을 오른쪽으로 결정하고, 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 작거나 같으면, 상기 코드위상의 시프트 방향을 왼쪽으로 결정할 수 있다.
상기 비동기 누적부는 상기 신호획득시간이 경과한 시점에서, 상기 K번째 신호획득 결과값이 상기 코드위상 변화량만큼 보상된 값을, 상기 K+1번째 신호획득 결과값에 비동기 누적할 수 있다.
다른 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치는 상기 비동기 누적이 수행된 후, 신호획득 결과값 중 최대 값을 가지는 파워와 노이즈 중 최대 값을 가지는 파워의 비율을 임계 값과 비교하여 신호획득의 성공여부를 판단하는 판단부를 더 포함할 수 있다.
다른 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치는 상기 신호획득에 실패하는 경우, 추가적으로 비동기 누적을 수행하거나, 다른 위성에 대한 의사잡음코드(Pseudo Random Noise Code, PRN)를 생성하여 신호획득을 수행하는 처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법은 K번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호 및 K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호에 대하여, 신호획득 알고리즘을 수행하는 단계, 상기 신호획득 알고리즘 수행 결과, K번째 신호획득 결과값 및 K+1번째 신호획득 결과값을 획득하는 단계, 상기 K번째 신호획득 결과값을 획득하는데 필요한 신호획득시간을 측정하는 단계, 상기 신호획득시간에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산하는 단계, 상기 K번째 신호획득 결과값을 상기 코드위상 변화량만큼 보상하는 단계 및 상기 코드위상 변화량만큼 보상된 상기 K번째 신호획득 결과값을 상기 K+1번째 신호획득 결과값에 비동기 누적하는 단계를 포함한다.
다른 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법은 상기 K번째 신호획득 결과값의 도플러 인덱스가 기 설정된 도플러 넘버보다 작은 경우, 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 보상을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법은 상기 코드위상의 보상이 결정되면, 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 큰 값을 갖는지 여부에 따라 상기 코드위상의 시프트 방향을 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 코드위상 변화량을 계산하는 단계는 상기 신호획득시간 및 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산하고, 상기 보상하는 단계는 상기 시프트 방향 및 상기 코드위상 변화량에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 시프트 할 수 있다.
다른 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법은 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 시프트 한 후, 상기 도플러 인덱스를 1만큼 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법은 상기 비동기 누적이 수행된 후, 신호획득 결과값 중 최대 값을 가지는 파워와 노이즈 중 최대 값을 가지는 파워의 비율을 임계 값과 비교하는 단계 및 상기 비율이 상기 임계 값보다 큰 경우를 신호획득에 성공한 경우로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법은 상기 신호획득에 성공한 경우에 대응하는 상기 신호획득 결과값 중 최대 값을 가지는 파워에 기초하여, 상기 K번째 항법 데이터 및 상기 K+1번째 항법 데이터를 송신한 위성의 코드위상 및 도플러를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 신호획득시간 및 도플러의 영향에 따른 코드위상 변화를 고려하여 비동기 누적을 수행함으로써, 신호획득의 민감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 신호획득시간 및 도플러의 영향에 따른 코드위상 변화를 고려함으로써 동기 누적과 비동기 누적을 실시간으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 실시간으로 비연속적인 데이터를 처리함으로써 데이터 저장에 필요한 메모리를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 실시간으로 동작하는 신호획득뿐만 아니라, 비 실시간으로 동작하는 모든 신호획득기능에 적용이 가능하여 실제 하드웨어 수신기에 동작을 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 신호획득부분에서 추정한 코드위상 및 도플러는 가장 최근의 값을 가지므로 신호추적부분과 최적의 연동을 이룰수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 코드위상 변화를 고려한 비동기 누적의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 입력된 데이터를 비동기 누적하는 개념을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코드위상 보상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적 방법의 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
일반적인 환경에서 GPS L1신호의 최소레벨은 -130dBm 정도이며, 일반적으로 이렇게 높은 신호레벨에서는 GPS 수신기의 동작이 수월하다. 하지만 LOS(Line of Sight)가 보장되지 않고, 빌딩이 많은 도심지역 또는 건물 실내에서는 GPS 위성의 신호레벨이 감쇄한다. 이러한 이유로 낮은 신호레벨에서 동작할 수 있는 수신기의 민감도는 신호획득부분에서 중요한 요소 중 하나이다. 민감도는 수신감도라고 다르게 표현할 수 있다.
신호획득부분에서 민감도를 향상시킬 수 있는 방법에는 동기 누적과 비동기 누적이 있다. 동기 누적의 경우, 성능은 뛰어나지만 비트반전의 효과 때문에 누적하는 길이가 제한된다. 동기누적이 늘어나면 검색해야 하는 도플러 수가 증가함에 따라 계산 횟수가 증가한다. 비동기 누적은 동기누적의 결과값을 반복적으로 누적하는 방식으로 비트반전효과를 고려하지 않아도 되지만, 잡음신호를 제곱하면서 생기는 제곱손실(Squaring loss)의 영향으로 동기누적보다 성능이 떨어진다. 따라서 성능이 뛰어난 동기 누적과 비트반전의 영향을 받지 않는 비동기 누적의 적절한 조합으로 신호획득부분을 설계할 필요가 있다.
그리고 GPS 신호는 도플러의 영향에 의해 일정시간이 지나면, 코드위상이 변하는 현상이 발생한다. 코드위상의 변화량은 도플러가 클수록, 신호획득시간이 길어질수록 커지게 된다. 만약 신호획득시간에 따라 코드위상이 변경된 경우, 신호획득시간을 고려하지 않고, 비동기 누적을 적용하게 되면 오히려 SNR(Signal to Noise Ratio)이 감소하여 민감도가 떨어진다. 따라서 민감도를 향상시키기 위해서는 신호획득시간을 고려하되, 도플러에 따른 코드위상을 보상할 수 있는 비동기 누적기법이 필요하다. 여기서 언급되는 도플러는 도플러 주파수를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적 장치의 블록도이다.
일반적인 위성항법시스템 수신기는 안테나로 수신된 위성 신호를 중간 주파수(IF: Intermediate Frequency) 신호로 변환하고, 아날로그 중간 주파수 신호를 디지털 중간 주파수 신호로 변환한다. 코드위상여기서 2차원 검색은 코드위상 검색 구간 및 도플러 검색 구간의 검색을 통하여 이루어진다. 코드위상 검색 구간은 위성의 위치를 추정하기 위해 코드 위상을 검색하는 구간이고, 도플러 검색 구간은 위성의 위치를 추정하기 위해 도플러 주파수를 검색하는 구간을 의미한다. 코드위상 검색 구간은 칩(chip)단위로 구간이 설정되어 있다. 도플러 검색 구간은 Hz단위로 구간이 설정되어 있다. 일반적으로 코드위상 구간은 0.5칩 단위로, 도플러 검색 구간은 500Hz단위로 구간이 설정된다.
위성항법시스템 수신기에 입력되는 디지털 IF 신호(
Figure 112010074245063-pat00001
)는 [수학식 1]과 같이 모델링 된다.
[수학식 1]
Figure 112010074245063-pat00002
여기서,
Figure 112010074245063-pat00003
은 가시위성의 개수,
Figure 112010074245063-pat00004
는 위성의 채널번호,
Figure 112010074245063-pat00005
는 신호진폭,
Figure 112010074245063-pat00006
는 항법데이터,
Figure 112010074245063-pat00007
는 코드,
Figure 112010074245063-pat00008
는 코드위상,
Figure 112010074245063-pat00009
는 중간주파수,
Figure 112010074245063-pat00010
는 도플러 주파수,
Figure 112010074245063-pat00011
는 초기 반송파 위상,
Figure 112010074245063-pat00012
는 신호잡음,
Figure 112010074245063-pat00013
는 샘플링 타임이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적 장치는 신호획득부(110), 저장부(120), 신호획득시간 측정부(130), 코드위상 보상부(140), 비동기 누적부(150), 판단부(160) 및 처리부(170)를 포함한다.
신호획득부(110)는 K번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호 및 K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호에 대하여, 신호획득 알고리즘을 수행하여, K번째 신호획득 결과값 및 K+1번째 신호획득 결과값을 획득한다. 신호획득부(110)는 추적하고자 하는 위성으로부터 주기적으로 송신되는 위성 신호를 수신하여 신호획득 결과값을 획득할 수 있다. K번째 및 K+1번째 신호는 순차적으로 송신되는 위성 신호의 일 예를 나타낸 것이다. 신호획득 알고리즘으로는 다중 상관기, 정합필터, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transformation, FFT)을 이용한 방법들이 있다. 항법 데이터는 위성의 궤도, 위성위치 및 위성의 상태 정보 등을 포함한다.
저장부(120)는 K번째 신호획득 결과값 및 K+1번째 신호획득 결과값을 메모리에 저장한다. 저장부(120)는 K번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호 및 K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호가 신호획득부(110)에 입력되는 시간 각각을 저장할 수 있다. 또한, 저장부(120)는 K번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호에 대하여, 신호획득 알고리즘을 수행하여, K번째 신호획득 결과값을 획득하는데 소요된 시간(TK)을 저장할 수 있다.
신호획득시간 측정부(130)는 상기 저장된 K번째 신호획득 결과값을, 획득하는데 필요한 신호획득시간(TK)을 측정한다. 신호획득시간 측정부(130)는 K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호를, 신호획득부(110)가 입력 받는 시간에 기초하여 신호획득시간을 측정할 수 있다. 왜냐하면, K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호는 K번째 신호획득 결과값을 획득하는 시점에 신호획득부(110)에 입력될 수 있기 때문이다.
코드위상 보상부(140)는 상기 측정된 상기 신호획득시간(TK)에 기초하여, 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산하고, 상기 K번째 신호획득 결과값을 상기 코드위상 변화량만큼 보상한다. 코드위상 보상부(140)는 기 설정된 도플러 검색 범위의 전 구간에서, K번째 신호획득 결과값을, 상기 코드위상 변화량만큼 보상할 수 있다. 코드위상 보상부(140)는 일정 크기로 분할된 도플러 검색 범위의 전 구간에서, 측정된 신호획득시간(TK)에 기초하여 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산할 수 있다.
또한, 코드위상 보상부(140)는 코드위상 보상 결정부(141), 시프트 방향 결정부(143), 코드위상 변화량 계산부(145), 코드위상 시프트 처리부(147) 및 카운터부(149)를 포함할 수 있다.
코드위상 보상 결정부(141)는 K번째 신호획득 결과값의 도플러 인덱스가 기 설정된 도플러 넘버보다 작은 경우, 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 보상하기로 결정할 수 있다. 코드위상 보상 결정부(141)는 K번째 신호획득 결과값이 도플러 검색 범위의 전 구간에서 코드위상 변화량만큼 보상될 수 있도록, 도플러 인덱스를 이용한다.
도플러 넘버는 도플러 검색 범위의 구간을, 일정 간격으로 분할하였을 때, 최대 값을 가진 인덱스보다 큰 값일 수 있다. 예를 들면, 도플러 검색 범위를 일정 간격으로 분할하여 도플러 인덱스를 0부터 20까지로 정의하면, 도플러 넘버는 21일 수 있다. 이때, 코드위상 보상부(140)는 도플러 인덱스가 0인 경우부터 20인 경우까지, K번째 신호획득 결과값의 코드위상이 보상될 수 있도록 결정할 수 있다.
시프트 방향 결정부(143)는 상기 코드위상의 보상이 결정되면, 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 큰 값을 갖는지 여부에 따라, 상기 코드위상의 시프트 방향을 결정할 수 있다. 예들 들면, 도플러 주파수는 ㅁ5KHz의 주파수 편이가 발생한다. 편이가 발생하는 구간을 500Hz로 분할하면 총 20개의 구간으로 분할되고, 각각의 구간에 대응하는 도플러 인덱스를 설정할 수 있다. 시프트 방향 결정부(143)는 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 양수 또는 음수인지에 따라 코드위상의 시프트 방향을 결정할 수 있다.
시프트 방향 결정부(143)는 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 크면, 상기 코드위상의 시프트 방향을 오른쪽으로 결정하고, 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 작거나 같으면, 상기 코드위상의 시프트 방향을 왼쪽으로 결정할 수 있다.
코드위상 변화량 계산부(145)는 상기 신호획득시간(TK) 및 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산할 수 있다. 코드위상 변화량 계산부(145)는 다음의 [수학식 2]를 통하여 코드위상 변화량을 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112010074245063-pat00014
여기서,
Figure 112010074245063-pat00015
는 코드위상 변화량,
Figure 112010074245063-pat00016
는 기 설정된 코드 주파수,
Figure 112010074245063-pat00017
는 기 설정된 반송파 주파수,
Figure 112010074245063-pat00018
는 각 도플러 인덱스에 해당하는 도플러 주파수,
Figure 112010074245063-pat00019
은 K번째 신호획득 결과값을 획득하는데 필요한 신호획득시간, i는 도플러 인덱스를 의미한다.
이때, 코드위상 변화량은 코드 시프트 칩으로 계산될 수 있다. 또한, 코드위상 변화량 계산부(145)는 신호획득시간(TK +1) 및 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수에 기초하여 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산할 수도 있다.
코드위상 시프트 처리부(147)는 상기 시프트 방향 및 상기 코드위상 변화량에 기초하여, 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 시프트할 수 있다. 코드위상 시프트 처리부(147)는 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수 값이 0보다 크면, 코드위상 변화량 계산부(145)에서 계산된 코드위상 변화량만큼, K번째 신호획득 결과값 중에서, 도플러 인덱스에 대응하는 코드위상을 오른쪽으로 시프트한다.
카운터부(149)는 상기 도플러 인덱스를 1만큼 추가할 수 있다. 카운터부(149)는 다음 도플러 인덱스에 대응하는 코드위상을 보상하기 위해, 코드위상 변화량이 계산된 도플러 인덱스를 1 증가시킨다. 즉, 카운터부(149)는 도플러 인덱스 1에 대해 코드위상 변화량이 계산되었다면, 도플러 인덱스를 2로 증가시킨다.
비동기 누적부(150)는 상기 코드위상 변화량만큼 보상된, 상기 K번째 신호획득 결과값을, 상기 K+1번째 신호획득 결과값에 비동기 누적한다. 비동기 누적부(150)는 상기 신호획득시간이 경과한 시점에서, 상기 K번째 신호획득 결과값이 상기 코드위상 변화량만큼 보상된 값을, 상기 K+1번째 신호획득 결과값에 비동기 누적할 수 있다. 비동기 누적 결과는 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112010074245063-pat00020
여기서,
Figure 112010074245063-pat00021
은 K+1번째 신호획득 결과값,
Figure 112010074245063-pat00022
은 코드위상 변화량만큼 보상된 K번째 신호획득 결과값, i는 코드위상의 인덱스, j는 도플러 인덱스를 의미한다. 비동기 누적부(150)는 K번째 신호획득 결과값이 K+1번째 신호획득 결과값의 획득 시점으로, 코드위상 보상된 값을, K+1번째 신호획득 결과값에 비동기 누적함으로써, 신호획득 결과값의 실시간 누적을 가능하게 한다.
판단부(160)는 상기 비동기 누적이 수행된 후, 신호획득 결과값 중 최대 값을 가지는 파워와, 노이즈 중 최대 값을 가지는 파워의 비율을, 임계 값과 비교하여 신호획득의 성공여부를 판단할 수 있다. 신호획득 결과값은 파워값으로 구성된 행렬 구조를 가진다. 비동기 누적된 신호획득 결과값 중에서 최대 값을 가지는 파워를
Figure 112010074245063-pat00023
라 하고, 노이즈 중에서 최대값을 가지는 파워를
Figure 112010074245063-pat00024
이라고 하면, 비율(
Figure 112010074245063-pat00025
)은
Figure 112010074245063-pat00026
와 같이 정의된다. 판단부(160)는 비율(
Figure 112010074245063-pat00027
)이 임계값(
Figure 112010074245063-pat00028
) 보다 크면 신호획득에 성공한 것으로 판단한다. 신호획득에 성공하였다는 것은 임계값 보다 큰 경우의 파워로부터, 위성의 코드위상 및 도플러를 추정할 수 있음을 의미한다. 또한, 신호획득에 성공한 경우의 파워를
Figure 112010074245063-pat00029
로 정의할 수 있다. 이때, c는 코드위상의 인덱스, d는 도플러의 인덱스를 의미한다. 판단부(160)는 c에 대응하는 코드위상을, 추적하고자 하는 위상의 코드위상으로, d에 대응하는 도플러 주파수를, 추적하고자 하는 위상의 도플러 주파수로 추정할 수 있다.
처리부(170)는 신호획득에 실패하는 경우, 추가적으로 비동기 누적을 수행하거나, 다른 위성에 대한 의사잡음코드(Pseudo Random Noise Code, PRN)를 생성하여 신호획득을 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라, 코드위상 변화를 고려한 비동기 누적의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, (A)는 2개의 입력 신호에 대해 비동기 누적이 이루어 지는 경우이고, (B)는 N개의 입력 신호에 대해 비동기 누적이 이루어지는 경우를 나타낸다.
(A)를 참조하면, 첫 번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호(r1(ts))를 입력 받는 시점을 T0라고 한다. T1은 r1(ts)가 신호획득부(110)에 입력되는 시간(Tdata_1, 201) 및 신호획득 알고리즘을 수행하여, 첫 번째 신호획득 결과값을 획득하는 시간(TACQ_1, 203)이 경과한 시점이다. 이때, 첫 번째 신호획득 결과값을 P1i,j라고 할 수 있다. P1i,j는 입력된 신호에 대하여 코드위상과 도플러를 2차원으로 검색한 결과이다. i는 코드위상의 인덱스, j는 도플러 인덱스이다.
두 번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호(r2(ts))는 T1에 입력될 수 있다. T1은 위성으로부터 수신되는 신호의 코드의 주기가 동일한 시점이다. 즉, T1은 입력 신호 코드의 길이의 배수에 해당하는 시점이다. T2는r2(ts)가 신호획득부(110)에 입력되는 시간(Tdata_2, 205) 및 신호획득 알고리즘을 수행하여, 두 번째 신호획득 결과값을 획득하는 시간(TACQ_2, 207)이 경과한 시점이다. 이때, 두 번째 신호획득 결과값을 P2i,j라고 할 수 있다.
P1i,j는 P2i,j를 획득하는 시점에서 도플러와 시간 T1에 의해 코드위상의 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 실시간으로 T1의 시점에서 신호획득 결과값을 비동기 누적하기 위해서는, P2i,j에, P1i,j이 코드위상의 변화량만큼 보상된 결과를 더하여야 한다. 이때, 코드위상의 변화량은 [수학식 2]를 이용하여, 시간 T1 및 도플러 검색 범위의 전 구간에서 계산될 수 있다. 코드위상의 변화량이 보상된 P1i,j를 P1i,j'라고 하면, 비동기 누적 결과 P2i,j = P2i,j + P1i,j'과 같다. 비동기 누적 결과 P2i,j에는 두 번째 신호획득 결과값 P2i,j 및 코드위상의 변화량이 보상된 P1i,j'이 저장된다.
(B)를 참조하면, N-1 번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호(rN-1(ts))를 입력 받는 시점을 TN-2라고 한다. TN-1은 rN-1(ts)가 신호획득부(110)에 입력되는 시간(Tdata_N-1, 209) 및 신호획득 알고리즘을 수행하여, N-1 번째 신호획득 결과값을 획득하는 시간(TACQ_N-1, 211)이 경과한 시점이다. 이때, N-1 번째 신호획득 결과값을 P(N-1)i,j라고 할 수 있다.
N 번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호(rN(ts))는 TN-1에 입력될 수 있다. TN은 rN(ts)가 신호획득부(110)에 입력되는 시간(Tdata_N, 213) 및 신호획득 알고리즘을 수행하여, N 번째 신호획득 결과값을 획득하는 시간(TACQ_N, 215)이 경과한 시점이다. 이때, 두 번째 신호획득 결과값을 P(N)i,j라고 할 수 있다. TN의 시점에서 신호획득 결과값을 비동기 누적하면 P(N)i,j = P(N)i,j + P(N-1)i,j'과 같다. P(N-1)i,j'은 TN의 시점에서 코드위상의 변화량이 보상된 P(N-1)i,j이다.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따라 입력된 데이터를 비동기 누적하는 개념을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 주기적으로 입력되는 각 신호에 대한 신호획득 결과값이 보상되고, 실시간으로 비동기 누적되는 과정을 개념적으로 살펴볼 수 있다.
P1(301)은 첫 번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호에 대하여 신호획득 알고리즘을 수행하여, 획득한 첫 번째 신호획득 결과값이다. P2(305)는 두 번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호에 대하여 신호획득 알고리즘을 수행하여, 획득한 두 번째 신호획득 결과값이다. P2(305)의 획득 시점에서 비동기 누적을 위해 P1(301)은 P1'(303)으로 코드위상이 보상되고, P2(305)에 더해진다. 즉, P2(307)= P2(305)+ P1'(303)이 된다. P2'(309)은 비동기 누적된 결과 (P2(307))를 P3(311)의 획득 시점에서 코드위상을 보상한 결과이다. 따라서, P3(313)= P3(311)+ P2'(309)이 된다. 반복적으로 N개의 입력 신호에 대해 비동기 누적을 수행하면, PN(319)= PN(317)+ PN-1'(315) 이 된다. PN-1'(315)은 비동기 누적된 결과 (PN-1)를 PN(317)의 획득 시점에서 코드위상을 보상한 결과이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코드위상 보상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 코드위상 보상은, 계산된 코드위상 변화량만큼 코드위상을 시프트 시킴으로써 이루어 진다. 코드위상 시프트 처리부(147)는, 시프트 방향 결정부(143)에서 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수 값이 0보다 작으면, 코드위상 변화량 계산부(145)에서 계산된 코드위상 변화량(401)만큼, 코드위상(403)을 왼쪽으로 시프트시킨다. 그 결과 코드위상이 보상된 블록(405)이 생성된다. 또한, 코드위상 시프트 처리부(147)는, 시프트 방향 결정부(143)에서 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수 값이 0보다 크면, 코드위상 변화량 계산부(145)에서 계산된 코드위상 변화량(409)만큼, 코드위상(407)을 오른쪽으로 시프트시킨다. 그 결과 코드위상이 보상된 블록(411)이 생성된다. 이때, 코드위상 변화량(409)은 코드 시프트 칩으로 표현될 수 있다. 도플러 인덱스 별로 코드위상이 시프트된다. 코드위상의 보상은 도플러 인덱스의 전 범위에서 이루어지므로, 도플러 검색 범위의 전 구간에 대해, 도플러 인덱스 별로 코드위상이 시프트된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적 방법의 흐름도이다.
501단계에서, 비동기 누적 장치는 K번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호 및 K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호에 대하여, 신호획득 알고리즘을 수행한다. K번째 및 K+1번째 신호는 순차적으로 송신되는 위성 신호의 일 예를 나타낸 것이다. 신호획득 알고리즘으로는 다중 상관기, 정합필터, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transformation, FFT)을 이용한 방법들이 있다.
503단계에서, 비동기 누적 장치는 상기 신호획득 알고리즘 수행 결과, K번째 신호획득 결과값 및 K+1번째 신호획득 결과값을 획득한다. K번째 신호획득 결과값 및 K+1번째 신호획득 결과값은 메모리에 저장될 수 있다. 또한, K번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호, K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호 및 K+2번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호가 비동기 누적 장치에 입력되는 시간 각각은 메모리에 저장될 수 있다.
505단계에서, 비동기 누적 장치는 K번째 신호획득 결과값을 획득하는데 필요한 신호획득시간(TK)을 측정한다. 비동기 누적 장치는 메모리에 저장된, K번째 신호획득 결과값을 획득한 시간에 기초하여, 신호획득시간을 측정할 수 있다. 비동기 누적 장치는 K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호를 입력 받는 시간에 기초하여 신호획득시간을 측정할 수 있다.
507단계에서, 비동기 누적 장치는 K번째 신호획득 결과값의 도플러 인덱스가 기 설정된 도플러 넘버보다 작은 경우, 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 보상하기로 결정한다. 비동기 누적 장치는 기 설정된 도플러 검색 범위의 전 구간에서, K번째 신호획득 결과값을 코드위상 변화량만큼 보상할 수 있다. 도플러 넘버는 도플러 검색 범위의 구간을, 일정 간격으로 분할한 경우의 최대 값을 가진 인덱스보다 큰 값일 수 있다.
509단계에서, 비동기 누적 장치는 코드위상의 보상이 결정되면, 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이, 0보다 큰 값을 갖는지 여부에 따라 상기 코드위상의 시프트 방향을 결정한다.
511단계 및 513 단계에서, 비동기 누적 장치는 K+1번째 신호획득 결과값을 획득하는데 필요한 신호획득시간 및 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수에 기초하여 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산한다. [수학식 2]를 통하여 코드위상 변화량을 계산할 수 있다.
515단계에서, 비동기 누적 장치는 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 크면, 계산된 코드위상 변화량에 기초하여, K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 오른쪽으로 시프트한다.
517단계에서, 비동기 누적 장치는 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 작으면, 계산된 코드위상 변화량에 기초하여, K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 왼쪽으로 시프트한다.
519단계에서, 비동기 누적 장치는 K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 시프트 한 후, 상기 도플러 인덱스를 1만큼 추가한다. 다음 도플러 인덱스에 대응하는 코드위상을 보상하기 위해, 코드위상 변화량이 계산된 도플러 인덱스를 1 증가시킨다.
521단계에서, 비동기 누적 장치는 코드위상 변화량만큼 보상된 K번째 신호획득 결과값을 K+1번째 신호획득 결과값에 비동기 누적한다. 비동기 누적 장치는 K번째 신호획득 결과값을, K+1번째 신호획득 결과값의 획득 시점으로 코드위상을 보상함으로써, 신호획득 결과값의 실시간 누적을 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적 장치는 상기 비동기 누적이 수행된 후, 신호획득 결과값 중 최대 값을 가지는 파워와, 노이즈 중 최대 값을 가지는 파워의 비율을 임계 값과 비교하고, 상기 비율이 상기 임계 값보다 큰 경우를, 신호획득에 성공한 경우로 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적 장치는 상기 신호획득에 성공한 경우에 대응하는, 상기 신호획득 결과값 중 최대 값을 가지는 파워에 기초하여, 상기 K번째 항법 데이터 및 상기 K+1번째 항법 데이터를 송신한 위성의 코드위상 및 도플러를 추정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (14)

  1. K번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호 및 K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호에 대하여, 신호획득 알고리즘을 수행하여 K번째 신호획득 결과값 및 K+1번째 신호획득 결과값을 획득하는 신호획득부;
    상기 K번째 신호획득 결과값 및 상기 K+1번째 신호획득 결과값을 메모리에 저장하는 저장부;
    상기 저장된 K번째 신호획득 결과값을 획득하는데 필요한 신호획득시간을 측정하는 신호획득시간 측정부;
    상기 측정된 상기 신호획득시간에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산하고, 상기 K번째 신호획득 결과값을 상기 코드위상 변화량만큼 보상하는 코드위상 보상부; 및
    상기 코드위상 변화량만큼 보상된 상기 K번째 신호획득 결과값을 상기 K+1번째 신호획득 결과값에 비동기 누적하는 비동기 누적부
    를 포함하는 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호획득시간은
    K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호를 입력 받는 시간에 기초하여 측정되는
    위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코드위상 보상부는
    기 설정된 도플러 검색 범위의 전 구간에서 상기 K번째 신호획득 결과값을 상기 코드위상 변화량만큼 보상하는
    위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코드위상 보상부는
    상기 K번째 신호획득 결과값의 도플러 인덱스가 기 설정된 도플러 넘버보다 작은 경우, 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 보상을 결정하는 코드위상 보상 결정부;
    상기 코드위상의 보상이 결정되면, 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 큰 값을 갖는지 여부에 따라 상기 코드위상의 시프트 방향을 결정하는 시프트 방향 결정부;
    상기 신호획득시간 및 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산하는 코드위상 변화량 계산부;
    상기 시프트 방향 및 상기 코드위상 변화량에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 시프트하는 코드위상 시프트 처리부; 및
    상기 도플러 인덱스를 1만큼 추가하는 카운터부
    를 포함하는 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 시프트 방향 결정부는
    상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 크면, 상기 코드위상의 시프트 방향을 오른쪽으로 결정하고,
    상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 작거나 같으면, 상기 코드위상의 시프트 방향을 왼쪽으로 결정하는
    위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 비동기 누적부는
    상기 신호획득시간이 경과한 시점에서, 상기 K번째 신호획득 결과값이 상기 코드위상 변화량만큼 보상된 값을, 상기 K+1번째 신호획득 결과값에 비동기 누적하는
    위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 비동기 누적이 수행된 후, 신호획득 결과값 중 최대 값을 가지는 파워와 노이즈 중 최대 값을 가지는 파워의 비율을 임계 값과 비교하여 신호획득의 성공여부를 판단하는 판단부
    를 더 포함하는 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 신호획득에 실패하는 경우, 추가적으로 비동기 누적을 수행하거나, 다른 위성에 대한 의사잡음코드(Pseudo Random Noise Code, PRN)를 생성하여 신호획득을 수행하는 처리부
    를 더 포함하는 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적장치.
  9. K번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호 및 K+1번째 항법 데이터를 포함한 중간 주파수 신호에 대하여, 신호획득 알고리즘을 수행하는 단계;
    상기 신호획득 알고리즘 수행 결과, K번째 신호획득 결과값 및 K+1번째 신호획득 결과값을 획득하는 단계;
    상기 K번째 신호획득 결과값을 획득하는데 필요한 신호획득시간을 측정하는 단계;
    상기 신호획득시간에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산하는 단계;
    상기 K번째 신호획득 결과값을 상기 코드위상 변화량만큼 보상하는 단계; 및
    상기 코드위상 변화량만큼 보상된 상기 K번째 신호획득 결과값을 상기 K+1번째 신호획득 결과값에 비동기 누적하는 단계
    를 포함하는 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 신호획득시간을 측정한 후, 상기 K번째 신호획득 결과값의 도플러 인덱스가 기 설정된 도플러 넘버보다 작은 경우, 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 보상을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 코드위상의 보상이 결정되면, 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수의 값이 0보다 큰 값을 갖는지 여부에 따라 상기 코드위상의 시프트 방향을 결정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 코드위상 변화량을 계산하는 단계는 상기 신호획득시간 및 상기 도플러 인덱스에 대응하는 도플러 주파수에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상 변화량을 계산하고,
    상기 보상하는 단계는 상기 시프트 방향 및 상기 코드위상 변화량에 기초하여 상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 시프트하는
    위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 K번째 신호획득 결과값의 코드위상을 시프트 한 후, 상기 도플러 인덱스를 1만큼 추가하는 단계
    를 더 포함하는 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 비동기 누적이 수행된 후, 신호획득 결과값 중 최대 값을 가지는 파워와 노이즈 중 최대 값을 가지는 파워의 비율을 임계 값과 비교하는 단계; 및
    상기 비율이 상기 임계 값보다 큰 경우를 신호획득에 성공한 경우로 결정하는 단계
    를 더 포함하는 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 신호획득에 성공한 경우에 대응하는 상기 신호획득 결과값 중 최대 값을 가지는 파워에 기초하여, 상기 K번째 항법 데이터 및 상기 K+1번째 항법 데이터를 송신한 위성의 코드위상 및 도플러를 추정하는 단계
    를 더 포함하는 위성항법시스템 수신기의 비동기 누적방법.
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