Vector Tracking Loop 를 활용한 저궤도 위성용 GPS/Galileo 소프트웨어 수신기 구현에 관한 연구

Abstract

GPS를 이용한 항법은 항공, 선박, 측량뿐 아니라 개인 휴대폰에 빠지지 않을 정도로 생활에 밀접하게 되었다. GPS를 이용한 항법해는 실외에서 수 미터 이내의 정확도를 제공하지만 사용자들은 이보다 더 정밀하고 강건한 항법해에 대한 요구가 증가하고 있는 추세이다. 이러한 추세와 각 나라마다 자국의 위성항법시스템을 확보하려는 노력으로 러시아의 GLONASS나 유럽의 Galileo 신호등의 새로운 GNSS 시스템이 향후 몇 년 후에 정상가동을 할 계획이다. 이런 GNSS 시스템들은 지상 사용자들이 주된 서비스 대상이 되지만 위성 사용자들도 GNSS 시스템을 이용하여 항법 정확도 및 안정성을 높이고 있다. 지상 사용자와 다르게 위성용 수신기의 경우는 위성의 동적 특성과 환경을 고려한 고성능의 수신기 기술이 요구되므로, 많은 연구기관에서 위성용에 적합한 알고리듬을 개발하고 있다. 위성용 수신기의 초기 개발에 있어, 하드웨어 형태의 수신기는 많은 자본과 장비를 필요로 하며 급변하는 환경에 적합하지 않다. 현재 GLONASS 시스템은 FDMA 기법의 신호구조를 CDMA 구조로 변경하고 있고, Galileo 위성은 시험위성이 가동중이다. 또한 중국의 Beidou의 경우 2012년에 사용자를 위한 문서가 공개되는 등 신호 개발과 수신 기술 개발이 동시에 일어나는 상황이다. 따라서 여러 환경에 유연하게 대처할 수 있는 측면에서 소프트웨어 수신기가 위성용 수신기로 적합하다. 본 논문은 저궤도 위성 환경에 적용할 수 있는 위성항법 소프트웨어 수신기의 개발과정을 다루고 있다. 저궤도 위성 환경에서 기존의 GPS 시스템만을 사용하는 경우 상시 확보되는가시 위성 수가 적고 각 위성의 가시 시간 또한 짧기 때문에, 신호 추적 단계에서 신호 추적 루프의 수렴시간이 길어질 경우, 위성 측정치의 가용 시간이 매우 짧아질 수 있다. 따라서 본 논문에서는 GPS와 Galileo 시스템의 신호를 동시에 수신할 수 있는 소프트웨어 수신기를 개발하여 이러한 문제를 해결하고자 한다. 또한 저궤도 위성 환경에서는 신호의 동적 특성이 심하게 변화하기 때문에 신호 추적 루프를 개선하고, 또한 항법 위성과 사용자의 기하학적 배치를 이용하여 신호 추적을 진행하는 Vector Tracking Loop를 적용하여 성능을 향상시키는 연구를 진행한다. 이를 위하여 먼저 저궤도 위성 환경에서 위성의 위치를 계산하는데 유용하게 활용될 수 있는 GPS/Galileo 신호의 소프트웨어 수신기 구조를 설명한다. 소프트웨어 수신기는 RF단과 Baseband 신호처리단이 모두 하드웨어로 구성된 수신기와 달리, Baseband 신호 처리부터 항법해 계산까지의 과정을 소프트웨어로 처리하는 수신기 구조를 지칭한다. 소프트웨어 수신기의 구조는 크게 신호 획득, 추적, 항법 측정치 및 항법해 계산의 구조로 나누어진다. 본 논문에서는 저궤도 환경과 GPS/Galileo 통합 시스템 구현에 적합하도록 각 요소별 알고리즘을 개발하고, 이를 저궤도용 GPS/Galeilo 시뮬레이터를 활용하여 검증한다. 또한 저궤도용 GPS/Galileo 신호 수신 소프트웨어의 신호 추적 알고리즘으로 Vector Tracking Loop를 구현하고, 이에 대한 성능평가를 진행한다. 개발된 소프트웨어 수신기의 성능평가를 위한 실험 결과에서, 제안된 각 모듈 별 알고리즘이 저궤도 환경에 적합하며 GPS/Galileo 통합 항법 알고리즘도 정상 동작함을 확인하였다. 또한 Vector Tracking Loop를 사용하였을 경우 기존 신호 추적 루프를 사용하는 경우에 비하여 항법측정치 및 항법해 정확도가 향상 되는 것을 확인하였다. 향후 Galileo 시스템이 정상 가동되고 저궤도 위성 환경에서 GNSS 항법 시스템의 중요도가 부각되고 그 활용도가 높아지게 되면, 연속적인 항법해 획득, 항법 측정치와 항법해 성능의 중요성이 높아질 것으로 예상된다. 이 때, 제안된 저궤도 위성용 GPS/Galileo 수신기의 알고리즘은 GNSS 항법 시스템의 활용도를 높이는데 기여할 수 있을 것이다.

GPS navigation has been being essential to our lives in areas such as aviation, marine navigation, and surveying as well as personal mobile phones. Although the precision of GPS navigation is less than ten meters, it is increasing as users demand better performance and more robust navigation. Due to this trend and the goal of every nation to secure its own satellite navigation system, new global navigation satellite system (GNSS) systems such as GLONASS in Russia or Galileo in EU will be in normal operation in the very near future. This paper presents the development of a GNSS receiver for LEO. While GNSS has been widely used in ground and aviation applications, low earth orbit (LEO) also uses GNSS to obtain precise and robust navigational results. However, the receiver for LEO is different than the receiver used by ground users. Compared to the GNSS receiver for ground users, that for LEO requires additional technology for the highly dynamic movement and space environment. In the LEO environment, the number of satellites that have clear lines-of-sight (LOS) from the user is not always sufficient to calculate a navigational solution when the receiver uses only GPS. Even when the number of clear LOS satellites is sufficient, the LOS between the user antenna and the satellite vanishes rapidly because of high speed movement in LEO. For the development of a new algorithm for LEO, a hardware receiver, which is the most commonly used GNSS receiver for ground/aviation users, is not suitable as a LEO receiver because the development of a hardware GNSS receiver for LEO is not flexible and requires significant maintenance and equipment costs. However, the software receiver is able to adjust the algorithm to adapt to the rapidly changing GNSS environment. Therefore, this paper proposes a solution for the problem using a software receiver that is capable of processing the GPS/Galileo dual system. In addition, this paper proposes a new signal tracking algorithm for the highly dynamic LEO environment and applies a vector tracking loop that bases the tracking loop control input on the user and satellite position/velocity information. The simulation result shows that the proposed tracking algorithm and the vector tracking loop are adequate for the LEO environment when they use the herein-developed GPS/Galileo integrated navigation receiver. In addition, if the vector tracking loop is adopted, the performance in terms of measurement and navigation is improved compared to that of the conventional tracking loop. In the near future, when the Galileo system is fully operational, the importance of the GNSS navigation system will become apparent, and as its availability increases, it is expected that seamless navigation, accurate measurements and navigational solutions will become more important. Therefore, the proposed algorithm for the GPS/Galileo software receiver for LEO will increase the GNSS navigation availability of the LEO user. In near future, if Galileo system will fully operate, the importance of GNSS navigation system will stand out and the availability will increase, it is expected that the seamless navigation and the performance of measurements and navigation solution becomes more important. Then, the proposed algorithm of the GPS/Galileo software receiver for LEO will contribute the enhancement of GNSS navigation availability for the LEO user.