지구정지궤도 위성용 GNSS 신호의 고장 검출 및 제거기법에 관한 연구

Abstract

GNSS 수신기를 GEO 위성에서 이용할 경우 저비용으로 고정확도의 궤도 정보를 획득할 수 있는 이점이 있다. 그러나 GEO 위성에서는 GNSS 위성의 가시성이 부족하고 수신되는 신호의 강도가 약한 특성으로 인해서 위치해의 오차가 크게 나타나는 문제점과 함께 신호의 고장 발생 확률이 높다는 어려움이 있다. GEO 위성에서는 GNSS 신호의 측정치가 4기 미만인 경우가 많아서 신호의 고장이 발생할 경우 그 영향은 측정치가 4기 이상인 지상 사용자나 LEO 위성보다 더 치명적으로 작용하게 된다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 GEO 위성을 위한 신호의 고장 검출 및 제거 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 먼저 EKF 기반의 궤도 결정 필터에서 결정된 고장이 없는 과거 시점의 위성의 위치와 속도 데이터를 이용해서 정밀 궤도 전파기를 통해 현재 시점의 위성의 위치와 속도를 예측한 뒤 이를 측정치로 변환한다. 그리고 이를 각 GNSS 위성의 실제 측정치와 비교하여 신호에서 고장 발생 여부를 판단하고 고장이 발생한 GNSS 위성의 신호 측정치를 EKF 궤도결정 필터의 입력에서 제외한 뒤 이를 처리하는 방식을 취하고 있다. 신호 고장 발생 여부에 대한 판단은 EKF에서 추정된 상태변수의 오차 공분산과 정밀 궤도 전파기에서 발생하는 궤도전파의 오차 공분산을 활용하여 판단하도록 하였다. 그리고 약한 고장을 검출하기 위해서 본 논문에서는 snap-shot 측정치에서의 고장 판단만 아니라 여러 에폭의 데이터를 취합한 뒤 이동평균을 계산하고 여기에서 고장 발생 여부를 판단하도록 하여 고장 검출의 정확도를 높였다. 제안된 알고리즘의 타당성과 성능을 평가하기 위해서 GNSS 신호 고장 시뮬레이션을 수행하여 알고리즘을 적용하였다. 시뮬레이션 과정은 GEO 위성의 궤도를 생성한 뒤 이에 상응하는 GPS 위성의 궤도를 생성하고 GPS 위성의 가시성 여부를 판단한 뒤 가시성이 확보되는 GPS 위성에 대해서 의사거리 측정치를 생성하고 여러가지 형태와 크기의 고장 신호를 추가하여 제안된 알고리즘을 적용하는 방식으로 구성되었다. 시뮬레이션 과정을 통해서 제안된 알고리즘이 여러가지 종류와 크기의 신호 고장 상황에 대해서 각각의 고장을 잘 검출하였고 또한 빠른 시간 안에 고장을 검출하여 EKF 필터가 발산하지 않고 안정한 상태를 유지할 수 있었다. 이를 통해서 EKF 필터가 연속적으로 정상적인 동작을 수행하면서 안정적으로 GEO 위성의 정확한 궤도를 추정하는 것을 확인하였다.