JPNT 10(1), 1-12 (2021)
https://doi.org/10.11003/JPNT.2021.10.1.1
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JPNT
Journal of Positioning, Navigation, and Timinghttp://www.ipnt.or.kr Print ISSN: 2288-8187 Online ISSN: 2289-0866
1. IntroductIon
1900년대 후반부터 미국을 시작으로 하여 전역위성항법시스 템으로 불리는 Global Navigation Satellite System (GNSS)의 개 발이 전세계적으로 이루어져 왔다. 지상으로부터 수만 km에 위 치한 GNSS 위성들을 활용하여 국방, 금융, 통신, 의료분야 이외 에도 근래에 들어 활발히 연구되는 자율주행에 이르기까지 다양 한 분야에서 GNSS를 활용한 기술 개발이 이루어지고 있다.
GNSS 위성들에서 송출되는 신호를 지상의 GNSS 사용자 들이 수신하여 활용할 수 있도록 GNSS 신호들의 Interface
Design of SDR-based Multi-Constellation Multi-Frequency GNSS Signal Acquisition/Tracking Module
Won Jae Yoo, Lawoo Kim, Yu Dam Lee, Taek Geun Lee, Hyung Keun Lee†
Department of Electronics and Information Engineering, Korea Aerospace University, Gyeonggi-do 10540, Korea
ABStrAct
Due to the Global Navigation Satellite System (GNSS) modernization, the recently launched GNSS satellites transmit signals at various frequency bands of L1, L2 and L5. Considering the Korea Positioning System (KPS) signal and other GNSS augmentation signals in the future, there is a high probability of applying more complex communication techniques to the new GNSS signals. For the reason, GNSS receivers based on flexible Software Defined Radio (SDR) concept needs to be developed to evaluate various experimental communication techniques by accessing each signal processing module in detail.
In this paper, we introduce a multi-constellation (GPS/Galileo/BeiDou) multi-band (L1/L2/L5) SDR by utilizing Ettus USRP N210. The signal reception module of the developed SDR includes down-conversion, analog-to-digital conversion, signal acquisition, and tracking. The down-conversion module is designed based on the super-heterodyne method fitted for MHz sampling. The signal acquisition module performs PRN code generation and FFT operation and the signal tracking module implements delay/phase/frequency locked loops only by software. In general, it is difficult to sample entire main lobe components of L5 band signals due to their higher chipping rate compared with L1 and L2 band signals. Experiment result shows that it is possible to acquire and track the under-sampled signals by the developed SDR.
Keywords: SDR, multi-GNSS, multi-constellation, signal acquisition, signal tracking
Control Document (ICD)가 민간에 공개되었다. 각종 천체력 데이터 및 시간 정보, 전리층 보정 정보, almanac 정보 등을 담 고 있는 항법메시지들은 GNSS의 종류에 따라 interleaving/de- interleaving, Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH) 코드 또는 Convolutional 코드와 같이 Forward Error Correction (FEC)를 통한 메시지 변조가 이루어 진다. 이후, 이와 같은 항법메시지들 이 반송파 주파수에 실리는 과정에서 Binary Phase Shift Keying (BPSK) 또는 Binary Offset Carrier (BOC) 기법을 통해 추가 변 조되며, L 밴드로 불리는 약 1~2 GHz 반송파 주파수를 통해 직 접 확산 변조 기법으로 지상으로 송출된다 (Borre et al. 2007, Bhuiyan et al. 2014). GNSS 신호는 사용 목적에 따라 민간용 신 호는 L 밴드 주파수 대역 중 약 1.5~1.6 GHz 대역의 L1, 군사용 및 상업용 신호는 약 1.1~1.3 GHz 대역의 L2~L5 등으로 구분 지어 송 신 중에 있다. 이들 중 L5 대역의 GNSS 신호인 GPS L5와 Galileo E5a/E5b 신호는 GNSS 현대화에 따라 보다 강건하게 신호가 전 달되도록 10 MHz 이상의 높은 칩률 및 보조 코드 등 타 대역의 신 호에 비해 다소 복잡하게 설계되어 위성에서 송출되고 있다. 이 렇게 동일한 L 밴드 내에서 다양한 주파수를 가지는 GNSS 신호 들은 외부로부터의 재밍 또는 간섭 등에 대해서 서로 보강 기능 Received Feb 03, 2021 Revised Feb 23, 2021 Accepted Feb 24, 2021
†Corresponding Author E-mail: [email protected]
Tel: +82-2-300-0131 Fax: +82-2-3158-5769
Won Jae Yoo https://orcid.org/0000-0002-6683-2120 Lawoo Kim https://orcid.org/0000-0002-7924-5355 Yu Dam Lee https://orcid.org/0000-0003-2044-922X Taek Geun Lee https://orcid.org/0000-0002-2330-2859 Hyung Keun Lee https://orcid.org/0000-0001-5210-1557
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을 수행 가능하며, 오차 요인 중 하나인 전리층 지연 오차를 효 과적으로 추정하기 위해 활용 가능하다. 전 세계적인 GNSS 현 대화에 맞게 현재 국내에서도 지역위성항법시스템인 Korea Positioning System (KPS) 구축 계획이 발표된 상태이며, 향후 다 양한 GNSS 신호를 포함하여 KPS 신호는 현재 개발되지 않은 새 로운 주파수 대역과 보다 효과적인 변조 기법 등으로 운용될 가 능성이 높다 (Park et al. 2019).
향후 개발 초기 단계에서 일반적인 GNSS 수신기로 획득할 수 없는 새로운 GNSS 신호들에 대하여 다양한 신호 분석 및 검 증 수행을 위해 재구성성 및 유연성을 가지는 Software Defined Radio (SDR) 기술의 적극적인 활용을 고려해볼 수 있다. 수신기 의 특성을 변경 불가능한 하드웨어 수신기와는 달리, SDR 수신 기는 하드웨어 내 소프트웨어를 탑재한 후, 사용자의 편의에 맞 게 소프트웨어 조작을 통해 수신 특성을 변경 가능한 장점을 가 진다. 따라서, SDR 기술이 접목된 GNSS 수신기를 활용하면 현 재 서비스 중인 다양한 L 밴드 주파수 대역 및 향후 미래 신호의 주파수 대역, 샘플링 주파수, 각종 변조 기법 등을 소프트웨어를 통해 대처할 수 있으므로 GNSS 신호 획득, 추적, 항법메시지 해 독, 위치 해 산출 등 다중 위성군 및 다중 대역의 GNSS 신호 처리 를 용이하게 수행할 수 있다 (Akos 1997, Won et al. 2006, Park et al. 2019). 동일한 중심주파수의 GPS L1 및 Galileo E1를 MATLAB 소프트웨어로 신호 처리하기 위한 연구가 진행되었다 (Borre et al. 2007). L1 주파수 대역의 GPS/Galileo/BeiDou 신호를 수집 하여 후처리를 통한 위치 해 결정에 관한 연구가 수행되었으며 (Söderholm et al. 2016), SDR 장비를 사용하여 L1 단일 주파수 대 역 내 일부 GNSS 신호들을 수집하여 실시간 처리를 위한 연구가 수행된 바 있다 (Suzuki & Kubo 2014, Park et al. 2019). 또한 전리 층 감시를 위해 L1 대역 이외에 L2 및 L5 대역 GNSS 신호를 획득 하고자 하는 연구가 진행된 바 있는데, 이 중 높은 칩률을 사용하 는 L5 대역 신호의 메인 로브를 전부 포함하여 샘플링 가능한 고 성능 SDR 장비를 활용하여 신호 획득 연구가 수행되었다 (Linty et al. 2018). 근래에 들어 국내에서도 KPS 구축 계획이 발표됨에 따라 SDR 및 MATLAB PCT를 기반으로 한 GNSS 신호 처리 아 키텍쳐들이 연구된 바 있다 (Lee & Won 2020, Song et al. 2020).
본 논문에서는 SDR 기반의 L1/L2/L5 주파수 대역 내 Code Division Multiple Access (CDMA) 기법으로 위성에서 송출되는 GPS/Galileo/BeiDou 민간용 신호의 획득 및 추적이 가능한 소프 트웨어 모듈 설계 결과를 제시하였다. GNSS 신호 수집 과정에서 한 번에 기저대역으로 하향변환 하지 않고, 별도의 중간 주파수 를 두어 하향 변환을 수행하는 슈퍼 헤테로다인 방식을 사용하였 다. USRP SDR 장비로부터 수집된 GNSS 신호의 코드 시작 지점 과 도플러 주파수를 탐색하기 위해 각 GNSS ICD 기반의 Pseudo Random Noise (PRN) 코드 생성 및 Fast Fourier Transform (FFT) 기반 상관기를 포함한 전반적인 신호 획득 과정을 소프트웨어 로 구현하였다. 또한, 신호 획득 과정에서 탐색된 코드 위상과 도 플러 측정치를 지속적으로 추적하기 위해 각종 고정 루프 판별 기 및 필터 업데이트 부분의 전반적인 신호 추적 과정 또한 소프 트웨어로 구현하였다. 본 논문에서 활용한 SDR 장비로는 Ettus Research 사의 Universal Software Radio Peripheral (USRP) N210을 사용하였으며, 이를 작동시키기 위한 SDR software
toolkit으로는 Linux 오픈 소스 기반 GNU Radio를 활용하였다.
실험을 통해 실제 운용중인 다중 위성군 및 다중 대역의 민간 용 GPS/Galileo/BeiDou 신호를 SDR 장비로 수집하였으며, 설계 한 소프트웨어 GNSS 수신 모듈을 활용한 신호 획득 및 신호 추 적 결과를 별도 기준 수신기와의 결과 비교를 통해 정상적으로 GNSS 신호들이 획득되고 추적되었음을 확인하였다. 논문에서 활용한 USRP N210으로는 다른 대역 GNSS 신호보다 높은 칩률 로 생성되는 GPS L5 및 Galileo E5a/E5b 신호의 메인 로브를 온 전히 샘플링하기에 요구되는 최소 샘플링 주파수 이상의 안정적 인 데이터 수집이 불가하다. 따라서, 본 논문에서는 기 수행된 연 구와 유사하게 온전히 샘플링 된 L1 및 L2 대역의 신호들의 획득 및 추적이 가능함을 확인하였다. 추가로, 언더샘플링 관련 내용 을 다루지 않은 기 연구와 대비하여 충분치 않은 샘플 량을 통해 신호 획득 및 추적을 수행한 L5 대역의 결과를 통해 낮은 샘플링 주파수를 활용하여도 높은 감도의 GNSS 신호를 적절히 획득하 고 추적할 수 있음을 확인하였으며, 나아가 향후 추가될 높은 칩 률 및 복잡한 변조 기법을 사용하게 될 미래 GNSS 신호를 고성 능이 아닌 SDR로도 신호 처리가 충분히 가능함을 확인하였다.
2. Sdr-BASEd GnSS SIGnAL rEcEPtIon ModuLE
2.1 GNSS Signal
GNSS는 크게 우주 부문, 사용자 부문, 제어 부문으로 나눌 수 있다. 이 중 우주 부문인 지상으로부터 수만 km 상공에 위치한 GNSS 위성들은 지상의 다수 사용자들이 사용할 수 있도록 약 1~2 GHz 대역인 L 밴드를 통해 GNSS 신호를 수십 Watt의 세기 로 송출한다. 송출되는 GNSS 신호는 용도에 따라 민간용, 군사 용, 상업용 등으로 구분되며 L 밴드 중 상위 L 밴드(L1 밴드)인 1.5 GHz 부근과 하위 L 밴드(L2, L5 밴드)인 1.2 GHz 부근에 일반 사 용자가 무료로 사용 가능한 민간용 GNSS 신호가 송출되고 있다.
일반적으로 상위 L 밴드인 L1 대역이 주요 민간용 GNSS 신호로 사용된다 (Ko 2010, Kaplan & Hegarty 2017). 각종 재밍 혹은 신 호 간섭 등의 영향을 최소화하기 위해 하위 L 밴드인 L2 및 L5 대
Fig. 1. Frequency distribution of GPS/Galileo/BeiDou signals in L-band.
