GNSS 수신기에서의 초정밀 신호 추적을 위한 Correlated 다중경로 제거 기법

Abstract

GNSS (Global Navigation Satellite System)은 최소 3개의 위성으로부터 전송된 신호의 시간 지연을 이용하여 삼각측량법을 통해 사용자의 위치, 속도, 시간 동기 정보를 제공하는 시스템이다. 대표적인 GNSS 는 미국의 GPS (Global Positioning System) 가 있으며 상용화를 목표로 개발중인 유럽연합의 Galileo 가 있다. 현대 사회는 무선 통신 기술의 비약적인 발전으로 이동성이 크게 강조되고 있으며 자신의 위치를 파악하고자 하는 요구가 크게 증가하고 있다. 이와 관련하여 대표적인 위성항법시스템인 GPS (Global Positioning System)를 활용하는 부가서비스 산업이 크게 확장되고 있다. 또한 GNSS 기술은 경제, 산업전반에 매우 큰 영향을 미치는 시스템이며 국가 안보에도 지대한 관련을 가지고 있는 기술이기 때문에 선진국에서는 성능을 개선시킬 수 있는 기법들을 활발히 연구 중에 있다. 그럼에도 불구하고 GNSS 수신기 주변의 장애물들에 의해 발생하는 다중경로는 여전히 GNSS 의 측위 성능을 악화시키는 주요 요인으로 작용하고 있다. 가시신호와 다중경로 신호가 함께 수신될 경우 수신 신호의 자기 상관 함수가 왜곡되기 때문에 심한 경우 측위 오차가 100 미터까지 발생할 수 있다. 따라서 GNSS 수신기 성능 향상을 위해 다중경로 간섭제거 알고리즘을 개발하는 것은 차세대 GNSS 수신기의 측위 성능을 향상시키고 위성항법수신기 관련 원천기술을 확보하는데 매우 중요한 일이라 할 수 있다. 기존의 다중경로 완화 기법인 standard 상관기는 early-late 상관기 간격이 1 칩인 DLL (Delay Lock Loop) 로 구성되어 있으며 narrow 상관기는 early-late 상관기 간격이 0.1 칩인 DLL로 구성되어 있다. 그러나 다중경로의 의해 상관 함수의 대칭성이 크게 왜곡되기 때문에 여전히 추적 편이 (tracking error)가 발생하고 있다. 본 논문에서는 이러한 추적 편이를 효과적으로 줄이기 위해 다중경로 성분을 추정하고 제거하기 위한 방법으로 단일 안테나 기반으로는 채널 추정 알고리즘인 OMP (Orthogonal Matching Pursuit) 알고리즘을 사용하였다. OMP 알고리즘은 추정된 신호 성분들로 이루어진 공간을 이용하여 신호를 추정하기 때문에 신호 성분의 상관 관계를 이용하는 MP 알고리즘보다 신호 사이에 존재하는 상관 관계에 영향을 덜 받는다. 따라서 수신 신호에 포함되어 있는 신호 성분들을 추정하는데 효과적이다. OMP 알고리즘에 의해 추정된 다중경로 신호만을 수신 신호에서 제거함으로써 다중경로에 의한 추적 편이를 크게 줄일 수 있다. 배열 안테나 관련 연구에서는 고유공간 해석에 기반을 둔 도래각 추정 알고리즘과 빔형성 알고리즘을 효과적으로 결합하였다. MN 알고리즘은 입사 신호 사이에 존재하는 상관 관계에 영향을 받지 않으며 낮은 SNR 에서도 도래각 추정 성능이 우수하다. SPT-LCMV 빔형성기는 입사 신호 사이에 존재하는 상관 관계를 제거할 수 있는 빔형성 알고리즘이다. 도래각 추정 알고리즘으로 가시신호와 다중경로 신호의 정확한 도래각 정보를 빔형성 알고리즘에 제공함으로써 가시신호와 다중경로 신호 사이에 존재하는 상관 관계를 효과적으로 제거할 수 있으며 배열 안테나의 최적 가중치를 획득하여 다중경로를 제거할 수 있다. 본 논문에서 제안된 기법들을 사용하여 GNSS 수신기의 측위 성능을 크게 향상시킬 수 있으며 다양한 GNSS 신호 모델에 확장 적용할 수 있을 것이다.