GNSS 수신기 신호 추적 루프 모델링과 LQG 기반 벡터 신호 추적 알고리즘에 관한 연구

Abstract

GNSS를 통한 항법 서비스가 확산되면서 GNSS의 성능 향상을 위한 다양한 연구가 수행되어 왔다. GNSS 수신기 신호 추적 루프의 경우 종래의 루프 필터를 벗어나 다양한 추정 이론을 적용한 연구가 수행되었으며, 제어 관점의 연구 또한 시도된 바 있다. 그러나 추정 이론에 기반한 기존 연구들은 최적화 기법에 기반한 신호 추적을 수행하면서도 모호하게 남겨진 부차적인 필터 부분으로 인하여 완전한 최적의 신호 추적이 이루어지지 못하였고, 제어 관점의 시도 또한 신호 추적 루프 플랜트에 대한 분석과 모델링이 명확하게 이루어지지 않아 추가적인 연구가 이루어지지 못하였다. 본 논문에서는 이러한 기존 연구들의 문제점을 해결하고 다양한 제어 이론을 활용한 신호 추적 루프 연구가 수행될 수 있는 기반을 마련하고자, GNSS 수신기 신호 추적 루프를 제어 루프 관점에서 분석하고 플랜트를 명확히 설정하여 선형 시스템으로 모델링하였다. 이를 위하여 일반적인 NCO 업데이트식으로부터 상태공간 모델을 도출하고 이로부터 상태변수 간 동적 관계를 활용한 최종 모델을 제안하였다. 제안된 플랜트 모델을 기반으로 LQG 제어기를 이용한 신호 추적 알고리즘을 제안하였으며, VTL 수신기와의 통합 구현 또한 수행하였다. 제안된 알고리즘의 타당성과 성능을 평가하기 위하여 상용 시뮬레이터 신호를 이용한 테스트를 수행하였다. 먼저 종래의 루프 필터와의 성능 비교가 이루어졌으며, 제안된 알고리즘을 통하여 측정치 정밀도가 크게 향상될 수 있음을 확인하였다. 다음으로 기존 LQG 기반 신호 추적 기법과의 성능 비교를 수행하였다. 제안된 LQG 신호 추적의 경우 기존 기법에 비하여 반송파 NCO 정밀도가 크게 향상되었고, 동특성이 큰 환경에서의 코드 추적 강건성이 향상되었으며, 순간적인 신호 감쇄에 대한 강건성 또한 향상되었음을 확인하였다. 마지막으로 제안된 알고리즘을 VTL 수신기에 적용시 효과 분석이 이루어졌다. 앞서 확인한 결과들과 유사한 경향의 성능 향상을 보였으며, 특히 순간적인 신호 감쇄에 대한 강건성은 제안된 알고리즘과 VTL 수신기 구조와의 상승작용으로 크게 향상된 결과를 확인하였다. 본 논문에서 제안된 GNSS 수신기의 신호 추적 루프 플랜트 모델과 이를 통한 LQG 신호 추적 결과는 향후 신호 추적 루프에 다양한 제어 이론을 적용한 연구가 활발히 수행되는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.