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목차
제1장 서론 25
1.1. 연구 배경 25
1.2. 연구 동향 및 선행 연구 29
1.2.1. SDR 기반 GNSS 수신기 연구 동향 및 선행 연구 29
1.2.2. 신속 위치 결정 관련 연구 동향 및 선행 연구 34
1.3. 논문 구성 40
제2장 다중 GNSS/RNSS 다중 주파수 신호 42
2.1. L1 주파수 대역 44
2.2. L2 주파수 대역 46
2.3. L5 주파수 대역 48
2.4. L3/L6 주파수 대역 49
제3장 SDR 기반 다중 GNSS 수신기 51
3.1. GNSS 수신기 51
3.1.1. GNSS 신호 탐색 및 획득 54
3.1.2. GNSS 신호 추적 및 항법메시지 해독 62
3.2. SDR 기반 GNSS 신호 획득 69
3.2.1. SDR 기반 GNSS 신호 획득 모듈 설계 69
3.2.2. 다중 주파수 대역 GNSS 신호 획득 검증 72
3.3. SDR 기반 GNSS 신호 추적 81
3.3.1. SDR 기반 GNSS 신호 추적 모듈 설계 81
3.3.2. 다중 주파수 대역 GNSS 신호 추적 검증 83
제4장 Assisted-GNSS 89
4.1. Assisted-GNSS 동작 원리 90
4.2. Assisted-GNSS 작동 모드 93
4.3. 코드 위상/ 도플러 결합 기반 사용자 위치 해 추정 94
4.3.1. 코드 위상을 활용한 위치 추정 기법 94
4.3.2. 도플러를 활용한 위치 추정 기법 104
4.3.3. 코드 위상/도플러를 결합한 위치 추정 기법 105
4.4. C/N0 및 위성 elevation angle 가중치를 활용한 코드 위상/도플러 기반 위치 추정 기법[이미지참조] 107
4.5. 2차 함수를 통한 코드 위상 측정치 보간 기법 109
4.6. 코드 위상/도플러를 활용한 위치 추정 시뮬레이션 및 후처리 실험 112
4.6.1. 코드 위상/도플러를 활용한 위치 추정 시뮬레이션 113
4.6.2. 코드 위상/도플러를 활용한 후처리 위치 추정 실험 125
제5장 SDR 기반 A-GNSS 설계 및 구현 138
5.1. SDR A-GNSS 서버 소프트웨어 설계 139
5.1.1. BINEX 포맷 데이터 141
5.1.2. SDR A-GNSS 서버 수신기 구동 및 소프트웨어 구현 145
5.2. GPGPU를 활용한 SDR A-GNSS 사용자 수신기 설계 148
5.2.1. Main Thread 151
5.2.2. Data Grab Thread 155
5.2.3. Channel Thread 159
5.2.4. Processing/Positioning Thread 162
제6장 실험 171
6.1. 샘플링 주파수 및 누적 시간 변화에 따른 A-GNSS 수신기 성능 평가 및 검증 172
6.2. 단일 USRP/단일 주파수 대역 실시간 A-GNSS 수신기 성능 평가 및 검증 180
6.3. 다중 USRP/다중 주파수 대역 실시간 A-GNSS 수신기 성능 평가 및 검증 203
6.4. 다중 GNSS/다중 주파수 대역 신호 추적 실험 227
6.5. 다중 GNSS/단일 주파수 대역 신호 추적 실험 234
제7장 결론 및 향후 연구 242
7.1. 결과 요약 242
7.2. 향후 연구 244
참고문헌 246
SUMMARY 255
그림 1-1. GNSS-SDR 작동도 32
그림 1-2. GNSS-SDRLIB 작동 화면 33
그림 1-3. WIFI 기반 실내 위치 추정 시스템 작동도 35
그림 1-4. e-Call(왼쪽) 및 NG e-Call(오른쪽) 시스템 간 작동 차이 37
그림 2-1. GNSS/RNSS 서비스 종류 및 주파수 대역 43
그림 3-1. GNSS 수신기 작동 과정 51
그림 3-2. 중간주파수 하향 변환 과정 52
그림 3-3. 도플러 주파수 제거 과정 55
그림 3-4. Inphase, Quadrature 상관기 57
그림 3-5. GNSS 신호 탐색 영역 58
그림 3-6. FFT를 이용한 신호 획득 방법 59
그림 3-7. GNSS 신호의 상관기 출력 3차원 그래프 60
그림 3-8. GNSS 신호에 따른 ACF 비교 63
그림 3-9. GNSS 신호 추적 과정 65
그림 3-10. 디지털 2차 LPF 68
그림 3-11. 설계한 SDR 기반 신호 획득 모듈 72
그림 3-12. GNSS L1 신호의 주파수 영역 PSD 73
그림 3-13. GNSS L1 신호의 상관 결과값 (왼쪽 위: GPS L1, 오른쪽 위:... 74
그림 3-14. GNSS L1 신호 획득 결과 (왼쪽 위: GPS L1C/A, 오른쪽 위:... 75
그림 3-15. GNSS L2 신호의 주파수 영역 PSD 76
그림 3-16. GNSS L2 신호의 상관 결과값 (위: GLONASS G2, 왼쪽 아래:... 77
그림 3-17. GNSS L2 신호 획득 결과 (왼쪽 위: GPS L2CM, 오른쪽 위:... 78
그림 3-18. GNSS L5 신호의 주파수 영역 PSD 79
그림 3-19. GNSS L5 신호의 상관 결과값 (위: GPS L5I, 왼쪽 아래:... 80
그림 3-20. GNSS L5 신호 획득 결과 (위: GPS L5I / 왼쪽 아래: Galileo... 81
그림 3-21. 설계한 SDR 기반 신호 추적 모듈 82
그림 3-22. GPS L2CM 신호(PRN:4) 추적 결과 (왼쪽 위:I-Q plot, 오른쪽 위:I 채널... 85
그림 3-23. 기준 수신기와 GPS L2CM 신호 도플러 추적 결과 비교 85
그림 3-24. Galileo E5a 신호(PRN:24) 추적 결과 (왼쪽 위:I-Q plot (I 데이터/Q 파... 87
그림 3-25. 기준 수신기와 Galileo E5a 신호 도플러 추적 결과 비교 87
그림 4-1. GPS LNAV 항법데이터 구성도 91
그림 4-2. A-GNSS의 일반적인 작동 과정 93
그림 4-3. 정수 형태의 코드 반복 횟수와 코드 위상을 활용하여... 97
그림 4-4. 개략 시간 오차에 따른 기하학적 거리 차이 비교 100
그림 4-5. 개략 위치 추정 기법의 기하학적 구조 102
그림 4-6. 2차 포물선함수 interpolation을 통한 코드 위상 측정 성능 개선 111
그림 4-7. 시뮬레이션 시나리오에서의 Skyplot 114
그림 4-8. 시뮬레이션 시나리오에서의 C/N0 및 elevation angle[이미지참조] 117
그림 4-9. 사용자 수평 위치 오차 (5 ㎒ 샘플링 주파수 시뮬레이션) 118
그림 4-10. 사용자 NED 방향 위치 오차 (5㎒ 샘플링 주파수 시뮬레이션) 119
그림 4-11. 사용자 수평 위치 오차 (10 ㎒ 샘플링 주파수 시뮬레이션) 120
그림 4-12. 사용자 NED 방향 위치 오차 (10 ㎒ 샘플링 주파수 시뮬레이션) 120
그림 4-13. 사용자 수평 위치 오차 (20 ㎒ 샘플링 주파수 시뮬레이션) 121
그림 4-14. 사용자 NED 방향 위치 오차 (20 ㎒ 샘플링 주파수 시뮬레이션) 122
그림 4-15. 사용자 수평 위치 오차 (25 ㎒ 샘플링 주파수 시뮬레이션) 123
그림 4-16. 사용자 NED 방향 위치 오차 (25 ㎒ 샘플링 주파수 시뮬레이션) 123
그림 4-17. SDR 기반의 다중 GNSS/다중 주파수 신호 수집 실험 상세 개형도 126
그림 4-18. 개활지 실험 장비 외관 사진 127
그림 4-19. 개활지 실험 Skyplot 128
그림 4-20. 개활지 실험에서의 가시위성 수 변화 129
그림 4-21. 개활지 실험에서의 DOP 변화(HDOP/PDOP/GDOP) 129
그림 4-22. 개활지 실험에서 계산된 수평 오차(위)/ 구글 어스로 plot한 위치(아래) 130
그림 4-23. 개활지 실험에서 계산된 수직 오차 131
그림 4-24. 도심지 유사 환경 실험 장비 외관 132
그림 4-25. 도심지 유사 환경 실험의 실제 신호 수신 주변 환경 133
그림 4-26. 도심지 유사 환경 실험 Skyplot 134
그림 4-27. 도심지 유사환경 실험에서의 가시위성 수 변화 135
그림 4-28. 도심지 유사 환경 실험에서의 DOP 변화(HDOP/PDOP/GDOP) 135
그림 4-29. 도심지 유사 환경 실험에서 계산된 수평 오차(위)/ 구글 어스로... 136
그림 4-30. 도심지 유사 환경 실험에서 계산된 수직 오차 137
그림 5-1. SDR 기반의 다중 GNSS 및 RNSS/다중 주파수 MS-Based A-GNSS... 139
그림 5-2. SDR 기반의 다중 GNSS 및 RNSS/다중 주파수 MS-Based A-GNSS... 141
그림 5-3. BINEX 데이터가 반복 저장되는 형태 143
그림 5-4. BINEX Record ID 0x01 내 저장되는 GNSS 항법메시지 구조 144
그림 5-5. Septentrio PolaRx5 내 BINEX 데이터 설정 화면 146
그림 5-6. Septentrio PolaRx5 구동 확인 및 주기적인 BINEX 데이터 저장 화면 147
그림 5-7. MFC로 구현 및 구축되어 운용 중인 SDR A-GNSS 서버용... 148
그림 5-8. GPGPU를 활용한 SDR A-GNSS 사용자 수신기 소프트웨어... 150
그림 5-9. SDR A-GNSS 사용자 수신기 소프트웨어 실행 시의 모습 151
그림 5-10. SDR A-GNSS 사용자 수신기 소프트웨어 내 신호 처리 관련... 152
그림 5-11. SDR A-GNSS 사용자 수신기 소프트웨어 내 USRP RF 관련... 152
그림 5-12. SDR A-GNSS 사용자 수신기 소프트웨어 내 A-GNSS 서버 연결... 153
그림 5-13. USRP에서 사용자로 전송되는 패킷 형태의 복소 샘플 및 1... 158
그림 5-14. 1 밀리 초 길이의 메모리 버퍼에서 사용자가 원하는 누적 시간... 158
그림 5-15. 각 채널에서의 신호 탐색 및 획득 state transition diagram 160
그림 5-16. GPGPU를 접목하여 병렬 처리를 수행하는 신호 획득부 164
그림 5-17. 동기 누적 시 시점 불일치 동기화 기법 166
그림 5-18. 총 4 개의 USRP를 동시에 작동했을 때 사용자 위치해 산출을... 168
그림 5-19. GPGPU를 접목하여 병렬 처리를 수행하는 신호 추적부 169
그림 6-1. 샘플링 주파수 변화에 따른 C/N0 histogram[이미지참조] 174
그림 6-2. 샘플링 주파수 변화에 따른 측정치 개수 histogram 174
그림 6-3. 샘플링 주파수 변화에 따른 수평/수직 위치 오차 175
그림 6-4. 누적 시간 변화에 따른 C/N0 histogram[이미지참조] 178
그림 6-5. 누적 시간 변화에 따른 측정치 개수 histogram 178
그림 6-6. 누적 시간 변화에 따른 수평/수직 위치 오차 179
그림 6-7. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신 실험 시나리오 도시화 182
그림 6-8. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 동작 개형도 183
그림 6-9. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 장비 1... 186
그림 6-10. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 장비 2... 187
그림 6-11. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 Skyplot 189
그림 6-12. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 1의... 190
그림 6-13. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 1에서... 191
그림 6-14. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 1의... 191
그림 6-15. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 2의... 192
그림 6-16. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 193
그림 6-17. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 2의... 193
그림 6-18. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 3의... 194
그림 6-19. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 3... 195
그림 6-20. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 3의... 195
그림 6-21. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 4의... 196
그림 6-22. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 4에서... 197
그림 6-23. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 4의... 197
그림 6-24. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 5의... 198
그림 6-25. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 5에서... 199
그림 6-26. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 5의... 199
그림 6-27. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 6의... 200
그림 6-28. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 6... 201
그림 6-29. 단일 USRP/단일 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오 6의... 201
그림 6-30. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 동작 개형도 205
그림 6-31. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 장비 1... 206
그림 6-32. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 장비 2... 207
그림 6-33. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 Skyplot 209
그림 6-34. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신 실험 시나리오 1의... 210
그림 6-35. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신 실험 시나리오 1의... 211
그림 6-36. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 212
그림 6-37. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 213
그림 6-38. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 213
그림 6-39. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 214
그림 6-40. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신 실험 시나리오 2의... 215
그림 6-41. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신 실험 시나리오 2의... 216
그림 6-42. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 217
그림 6-43. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 218
그림 6-44. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 218
그림 6-45. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 219
그림 6-46. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신 실험 시나리오 3의... 220
그림 6-47. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신 실험 시나리오 3의... 221
그림 6-48. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 222
그림 6-49. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 223
그림 6-50. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 223
그림 6-51. 다중 USRP/다중 주파수 실시간 A-GNSS 수신기 실험 시나리오... 224
그림 6-52. 다중 GNSS/다중 주파수 신호 단기간 추적에서 사용될 변수... 228
그림 6-53. SBAS L1 신호(PRN:18) 단기간 추적 결과(왼쪽 위/중간/아래: 코드... 229
그림 6-54. Galileo E5aI/aQ 신호(PRN:07) 단기간 추적 결과(왼쪽 위/중간/아래:... 230
그림 6-55. 단기간 추적된 신호들의 I-Q plot (왼쪽: SBAS L1 신호(PRN:18)... 231
그림 6-56. 단기간 추적된 데이터 채널 신호들의 Early-Prompt-Late 결과 값... 231
그림 6-57. 모든 채널에서 단기간 추적되는 코드 위상 (왼쪽: 각 채널 별... 232
그림 6-58. 단기간 추적을 통한 사용자 위치 오차 변화 (왼쪽: 수평 위치... 233
그림 6-59. 단기간 추적을 통해 추정된 수신기 시계 오차(왼쪽 위), 개략... 233
그림 6-60. QZSS L1 신호(PRN:03) 10초 간 추적 결과(왼쪽 위/중간/아래: 코드... 236
그림 6-61. Galileo E1B+C 신호(PRN:30) 10초 간 추적 결과(왼쪽 위/중간/아래:... 236
그림 6-62. 10초 간 추적된 신호들의 I-Q plot (왼쪽: QZSS L1 신호(PRN:03)... 237
그림 6-63. 10초 간 추적된 데이터 채널 신호들의 EPL 및 EPL+VEVL 결과... 238
그림 6-64. 모든 채널에서 10초 간 추적되는 코드 위상 (왼쪽: 각 채널 별... 239
그림 6-65. 10초 간 신호 추적을 통한 사용자 위치 오차 변화 (왼쪽: 수평... 240
그림 6-66. 10초 간 추적을 통해 추정된 수신기 시계 오차(왼쪽), 개략 시간... 240
초록보기
현재 전세계를 대상으로 운용되는 Global Navigation Satellite System (GNSS) 와 특정 지역을 서비스하기 위한 Regional Navigation Satellite System (RNSS)들은 1~2 GHz 주파수 대역인 L 밴드와 2 GHz 이상의 주파수 대역인 S 밴드를 통해 다양한 기법으로 직접 확산 변조된 GNSS 신호를 지상으로 송신한다. 이와 같이 다중 주파수 대역으로 송출되는 모든 GNSS 및 RNSS 신호를 동시에 수신 및 처리하기 위해 다양한 무선 통신 방식을 소프트웨어의 변경만으로 이를 통합 수용하여 변조 기법 및 신호 처리의 전반적인 과정을 직접 접근하기 용이한 기술인 Software Defined Radio (SDR) 이 탑재된 소프트웨어 방식의 수신기 개발이 요구된다.
본 연구에서는 미래지향적이며 신호 처리에 유연한 특징을 가지는 SDR 개념을 적극적으로 활용하여 현재 전세계적으로 운용 중인 GNSS (GNSS : GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) 및 RNSS (RNSS : QZSS, IRNSS, SBAS)에서 송출하는 L 밴드 주파수 대역 내 모든 Open Service (OS) 신호 처리가 가능한 SDR 기반의 A-GNSS 수신기를 제안 및 설계하고 구현하였다. 실제 A-GNSS 와 동일하게 별도의 A-GNSS 서버 소프트웨어를 설계하여 천체력 데이터 보조 정보를 A-GNSS 사용자의 요구에 따라 즉시 전달할 수 있도록 하였으며, 설계한 A-GNSS 사용자 수신기는 제공받은 천체력 데이터와 순간적인 밀리 초 길이 단위의 샘플만을 이용하여 최단 기간 내에 신뢰성 있는 위치해를 산출할 수 있도록 하였다.
제안된 SDR A-GNSS 수신기는 별도의 중간주파수로 하향 변환되는 슈퍼 헤테로다인 방식으로 설계되었으며, SDR RF 프론트엔드의 샘플링 주파수 및 수신 가능 대역폭 제한으로 인해 모든 GNSS OS 신호를 수신하기 위해서 다수의 SDR 을 동시에 작동하여 획득하고자 하는 각 L 밴드 주파수 대역 별로 각기 다른 Local Oscillator 를 사용하는 방식을 택하였다. SDR 장비로는 USRP N210를 사용하였으며 모든 부분을 소프트웨어로 제어가 가능하도록 C++ API 인 USRP Hardware Driver 를 활용하였다. 모든 GNSS OS 신호들을 실시간으로 수집 및 처리하기 위해 직렬 처리 방식인 중앙 처리 장치 (CPU : Central Processing Unit)만으로는 불가능므로 병렬 처리 방식에 특화된 그래픽 처리 장치 (GPGPU : General-Purpose computing on Graphics Processing Units)를 결합하여 NVIDIA Compute Unified Device Architecture (CUDA)를 활용한 SDR A-GNSS 수신기를 구성하였으며 모든 기저대역 신호 처리 과정을 소프트웨어로 구현하였다.
본 논문에서 제안 및 설계한 GPGPU 기반 실시간 SDR A-GNSS 수신기의 성능 검증 및 실제 활용 가능 적절성을 판단하기 위해 다수의 실험을 수행하였다. 실험에서는 모든 GNSS 와 RNSS 및 모든 L 밴드내 주파수 (L1, L2, L3, L5, L6)를 활용하는 실험을 통해 매우 짧은 밀리 초 길이 단위의 샘플들만 활용해도 실제 A-GNSS 에서 요구하는 정확도 조건과 Time To First Fix (TTFF) 조건을 충분히 만족할 수 있음을 확인하였다. 또한, 수백 밀리 초 길이 또는 10 초 길이의 샘플만으로 신호 추적을 하여도 일반적인 GNSS 수신기와 유사한 성능을 보일 수 있음을 실험으로 확인하였다. 제안된 수신기는 GPGPU 를 활용한 미래 지향적인 SDR 구조를 고려하였으므로, 향후 개발될 KPS 뿐만 아니라 다양한 주파수 대역 신호, 칩률 (chipping rate) 그리고 변조 기법을 활용하는 미래 GNSS 신호의 처리에도 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.MARC 보기
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