ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
단일채널 모노펄스시스템의 구현 및 성능 검증
Implementation and Performance Analysis of the Single Channel Monopulse System
강 병 욱․권 혁 자․이 영 진
Byoung-Wook Kang․Hyuk-Ja Kwon․Young-Jin Lee 요 약
본 논문에서는 일반적인 3채널 구조의 모노펄스수신기와 대비해서 비용, 크기, 무게 및 소모전력 측면에서 유리한 단일채널 구조의 모노펄스수신기를 적용한 추적시스템에 관한 연구를 진행하였다. 안테나, 모노펄스수신기, 구동체, RF 신호처리기 및 전원분배기를 제작 및 통합하여 단일채널 모노펄스시스템을 구현한 후, 지향오차각 산출정확도와 포인팅 손실을 측정하여 기본 추적성능을 확인하였다. 그리고 야외환경에서 실제 이동하는 목표물에 대한 추적성능을 검증하였 다. 시험결과 분석을 통해 단일채널 모노펄스시스템이 일반적인 3 채널 모노펄스시스템과 동등 이상의 추적성능을 가지 면서 시스템의 구현측면에서 이점이 있음을 확인하였다. 또한, 이 연구로 향후 모노펄스 추적시스템 개발 시 제작비용 및 제품 소형화에 유리한 단일채널 모노펄스수신기 적용이 가능함을 확인하였다.
Abstract
In this paper, we have studied the tracking system with a single channel monopulse receiver that has a comparative advantage of costs, size, weight, and power consumption over the general 3-channel monopulse receivers. After the single channel monopulse system was composed of an antenna, a monopulse receiver, a servo unit, a RF signal processor unit and a power supply unit, we analyzed the basic tracking performance of the tracking error angle and the pointing loss. And we proved the tracking performance to a moving target in the outdoor environment. On the Analysis of the tracking test results, the single channel monopulse system shows a equal or higher performance over the general 3-channel monopulse system and also has advantages of the system implementation. Also, it is concluded that this study is useful to apply a single channel monopulse receiver with benefits of production price and miniaturization when the monopulse tracking systems will be developed in the future.
Key words: The Single Channel Monopulse System, The Single Channel Monopulse Receiver, Tracking Performance, Miniaturization
「이 연구는 국방과학연구소의 지원으로 연구되었음.」
한화시스템(Hanwha Systems) 위성데이터링크팀(Satellite & Datalink Team, Hanwha Systems)
․Manuscript received May 9, 2016 ; Revised June 27, 2016 ; Accepted October 12, 2016. (ID No. 20160509-054)
․Corresponding Author: Byoung-Wook Kang (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
모노펄스시스템은 표적과의 오차각 정보를 추출하여 표적을 추적하는 시스템으로써 레이다, 위성통신 및 데이
터링크 등의 응용분야에 표적탐지 및 통신신호 추적을 위해 널리 적용되고 있다. 모노펄스란 단일펄스로부터 완 전한 각도 오차정보를 획득함을 의미하는 것으로, 모노펄 스시스템은 수신신호를 4개의 혼안테나와 모노펄스비교
기를 통해 합신호 및 차신호(방위각방향, 앙각방향)를 형 성하고, 합/차 신호의 진폭 비(monopulse ratio : 모노펄스 기울기)를 이용하여 표적을 추적하는 시스템이다. 그림 1 은 일반적인 모노펄스시스템의 구조를 보여주며, 안테나 부, 송수신부, 모노펄스수신부 및 구동부로 구성된다. 일 반적인 모노펄스시스템은 합신호 및 방위각/앙각방향 차 신호를 각각 수신하여 처리하는 3채널 모노펄스수신부를 갖는다.
안테나부는 수신신호로부터 합신호, 방위각/앙각방향 차신호를 생성하며, 모노펄스수신부는 합/차 신호를 이용 하여 지향오차각을 산출한다. 또한, 구동부는 지향오차각 을 전송받아 구동부의 모터를 제어하고, 송수신부는 통신 및 레이다신호를 송수신하는 역할을 수행한다. 따라서,
그림 1. 일반적인 3채널 모노펄스시스템 구조 Fig. 1. General 3-channel monopulse system structure.
그림 2. 제작된 단일채널 모노펄스시스템 구조
Fig. 2. Fabricated single channel monopulse system struc- ture.
모노펄스시스템은 추적안테나로부터 합신호(A+B+C+D), 방위각 차신호((A+D)—(B+C)), 앙각차신호((A+B)—(D+C)) 를 수신하고, 수신된 합/차신호의 진폭과 위상으로부터 송수신 장비의 LOS(안테나 boresight 축)에서 옵셋된 오차 각을 산출하여 구동부의 모터를 제어함으로써 추적을 지 속적으로 유지하면서 통신 및 레이다신호를 송수신하는 시스템이다[1],[2].
그림 2는 일반적인 모노펄스시스템의 구조와 달리 단 일채널 모노펄스수신기를 적용한 단일채널 모노펄스시 스템의 구조를 보여준다. 단일채널 모노펄스시스템은 일 반적인 모노펄스시스템과 동등한 추적성능을 가지면서 단일채널 수신기를 이용하기 때문에 무게, 크기, 비용, 소 모전력 측면에서 이점을 갖는다. 본 논문에서는 안테나, 모노펄스수신기, 구동체, RF 처리기 및 전원분배기 등을 통합하여 지속적으로 높은 추적정확도를 갖는 단일채널 모노펄스시스템을 구현하고, 추적시스템의 성능을 검증 하였다.
본 논문의 Ⅱ장에서는 단일채널 모노펄스시스템의 설 계/제작, 보정방법 및 동작절차에 대해서 기술한다. Ⅲ장 에서는 제작된 모노펄스시스템의 지향오차각 산출정확 도, 추적정확도 및 이동 추적성능 등의 시스템 성능 검증 결과를 기술하며, Ⅳ장에서는 결론을 맺는다.
Ⅱ. 시스템 구현 2-1 시스템설계 및 설계목표
기본 설계목표로 방위각/앙각 2축 방향으로 모노펄스 추적 수행과 동시에 통신신호를 송수신하는 시스템 구현 을 목표로 하였다. 단일채널 모노펄스시스템은 안테나, 송수신부를 담당하는 RF 처리기, 모노펄스수신부를 담당 하는 단일채널 모노펄스수신기, 구동부를 담당하는 구동 체 및 전원분배기로 구성된다. 그림 3은 설계된 모노펄스 시스템의 계통도 및 구성품 간의 인터페이스를 보여준다.
표 1은 일반적인 3 채널 모노펄스시스템의 성능을 참 고하여 설정한 단일채널 모노펄스시스템의 설계목표를 보여준다.
2-2 주요 구성품 성능
그림 3. 단일채널 모노펄스시스템 계통도
Fig. 3. Block diagram of the single channel monopulse sys- tem.
표 1. 단일채널 모노펄스시스템 설계목표
Table 1. Design specification of the monopulse system.
항목 주요 설계목표
동작주파수 하향
X-Band 상향
추적방식 모노펄스 추적
통신방법 Full Duplex
안테나 빔폭(수평/수직) 1.4° 이하
오차각 산출속도 10회 이상/s
오차각 산출정확도 0.2° RMS 이하
포인팅 손실 0.5 dB 이하
수신입력 범위 —30～—90 dBm
구동범위 방위각 —360°～360°
앙각 —10°～100°
2-2-1 안테나
안테나는 고이득 규격을 만족하기 위해 ADE(Axially Displaced Ellipse) 반사경안테나의 형태를 가지며, 내부에 모노펄스비교기를 적용한 급전혼조립체와 60
직경의 반사판으로 구성되었다. 안테나는 RF 신호의 송수신 및 모노펄스 추적을 수행하기 위한 합신호(∑), 방위각 차신 호(∆azi) 및 앙각 차신호(∆ele)를 생성한다.안테나 특성 측정결과, 1.4° 이하의 3 dB 빔폭 특성을 나타내었다. 표 2는 —0.7°～+0.7° 범위에서의 안테나 이 득 측정결과 및 안테나의 Normalized 이득을 기준으로 각 도차 만큼의 기울기
∑
∆ 를 보여준다.
2-2-2 단일채널 모노펄스수신기
모노펄스수신기는 합/차 신호를 입력받아 방위각 및 앙각 방향의 지향오차각을 산출하는 기능을 수행한다. 그 림 4와 그림 5는 단일채널 모노펄스수신기의 구조 및 형 상을 보여준다.
제작된 단일채널 모노펄스수신기는 모노펄스비교기로 부터 인입되는 합/차 신호를 위상변환기와 신호결합기를 통해 동위상 및 역위상으로 신호를 결합하는 구조이다.
또한, 다음과 같은 절차에 의해 모노펄스기울기인 합신호 와 차신호에 대한 진폭비를 추출할 수 있다.
1. 합/차신호의 동위상 결합에 의한 전력 추출 2. 합/차신호의 역위상 결합에 의한 전력 추출 3. 동위상/역위상 결합 전력 비교에 의한 좌우 구분 4. 모노펄스기울기 :
동위상 결합 전력 - 역위상 결합 전력
3채널 모노펄스수신기의 각 수신기로부터 얻어지는 합 신호와 차신호의 전력비인 모노펄스기울기는 단일채널
각도 (°)
안테나 이득(dBi)
∑
∆
안테나 이득(dBi)
∑
∆
∑(azi) ∆(azi) ∑(ele) ∆(ele)
—0.7 —4.06 —6.09 0.79 —4.95 —7.26 0.77
—0.6 —2.94 —6.86 0.64 —3.47 —8.08 0.59
—0.5 —1.98 —7.76 0.51 —2.4 —9.13 0.46
—0.4 —1.23 —9.37 0.39 —1.56 —10.47 0.36
—0.3 —0.7 —11.25 0.30 —1.05 —12.61 0.26
—0.2 —0.27 —14.55 0.19 —0.52 —15.8 0.17
—0.1 —0.06 —19.66 0.10 —0.34 —20.25 0.10
0 0 —40.29 0.01 0 —33.49 0.02
0.1 —0.1 —22.4 0.08 —0.21 —24.4 0.06
0.2 —0.36 —15.49 0.18 —0.49 —17.12 0.15
0.3 —0.76 —12.26 0.27 —1.15 —13.72 0.24
0.4 —1.29 —10.18 0.36 —1.81 —11.26 0.34
0.5 —2.14 —8.31 0.49 —2.77 —9.77 0.45
0.6 —3.14 —7.25 0.62 —4.17 —8.51 0.61
0.7 —4.19 —6.35 0.78 —5.35 —7.54 0.78
표 2. 안테나 합/차 normalized 이득패턴 및 기울기
Table 2. Antenna sum/delta gain pattern and ratio.
그림 4. 단일채널 모노펄스수신기 구조
Fig. 4. Configuration of the single channel monopulse recei- ver.
그림 5. 단일채널 모노펄스수신기 형상
Fig. 5. Photograph of the single channel monopulse receiver.
모노펄스수신기에서의 동위상 결합 전력-역위상 결합 전 력으로 획득할 수 있다[3].
2-3 단일채널 모노펄스시스템 제작
단일채널 모노펄스시스템은 전면부에 안테나, 상단부 에 RF 처리기 및 모노펄스수신기, 하단에 전원분배기를 배치하고, 케이블을 연결하여 제작하였다. 모노펄스수신 기는 제작된 모노펄스시스템의 운용주파수에 해당하는 위상, 기울기 보정 값이 저장되며, 합/차 신호를 수신하여 알고리즘을 통해 지향오차각을 산출한다. 구동체는 모노 펄스수신기와의 통신을 통해 산출된 지향오차각을 수신 하고, 방위각/앙각 방향 2축 구동을 통해 송신장비에 대 한 추적을 유지하며, RF 처리기를 통해 통신신호를 송수 신한다. 그림 6은 제작된 모노펄스시스템의 형상이며, 상 전을 사용하여 DC 전원으로 변환한 후 내부 장비에 필요 한 전원을 공급한다.
2-4 단일채널 모노펄스시스템 보정
단일채널 모노펄스시스템은 합/차신호의 동위상 및 역
그림 6. 단일채널 모노펄스시스템 제작형상
Fig. 6. Photograph of the fabricated single channel mono- pulse system.
위상 결합 전력차에 의한 모노펄스기울기로부터 지향오 차각을 산출한다. 따라서, 위상측면에서의 시스템 보정을 위한 보정 소프트웨어를 개발하였으며, 다음의 절차에 따 라 보정을 수행하였다.
1. 그림 8의 시험구성도와 같이 구성품 설치
2. 노트 PC에서 그림 7의 보정 소프트웨어 실행 및 시 스템과의 통신연결
그림 7. 단일채널 모노펄스시스템 보정 소프트웨어
Fig. 7. Calibration software of the single channel monopulse
system.
3. 1단계 정렬 창에서 송신신호와 시스템과의 정렬수행 4. 2단계 위상보정 창에서 위상보정 수행
- 모노펄스수신기의 동위상 및 역위상 전력의 차이가 최대가 되는 위상변환기 제어값 산출
5. 3단계 보정 값 관리창에서 메모리에 보정값 장입
Ⅲ. 성능 검증
단일채널 모노펄스시스템의 성능 검증은 지향오차각 산출정확도, 포인팅 손실 및 이동 추적성능의 세 가지 측 면에서 검증을 수행하였다.
3-1 지향오차각 산출정확도 분석
제작된 모노펄스시스템은 지향오차각 산출 범위(±0.7°) 내에 단일기울기 및 알고리즘을 통해 안테나 지향각을 산출하고 구동한다. 빔축의 중심에서 ±0.7° 범위 내에서 0.1° 간격으로 모노펄스시스템을 구동시킨 후, 모노펄스 수신기로부터 산출된 지향오차각을 구동 값과 비교/분석 하여 산출 정확도를 도출하였다. 그림 8은 지향오차각 산 출정확도 분석을 위한 시험구성도를 보여준다. 송신측은 시험용 혼 안테나, 신호발생기, 안테나 받침대로 구성하 였으며, 수신측은 모노펄스시스템과 데이터저장 및 분석 을 위한 노트북으로 구성하였다. 또한, 송신측과 수신측 은 운용주파수 대역에서의 far-field 시험환경에서 수행될 수 있도록 이격하여 설치하였다.
표 3은 지향각도에 따른 제작된 모노펄스시스템을 통 해 계산된 산출각, 오차각 및 정확도를 보여주며, 다음의 시험절차를 따라 수행하였다.
그림 8. 지향오차각 산출정확도 시험구성도
Fig. 8. Test configuration for the calculation accuracy of trac- king error angle.
표 3. 지향오차각 산출 및 정확도
Table 3. The tracking error angle calculation and the accu- racy analysis.
지향 오차 각도
방위각방향 앙각방향
산출각 (°)
오차 (°)
정확도 (°RMS)
산출각 (°)
오차 (°)
정확도 (°RMS)
—0.7 0.76 0.06
0.04
0.78 0.08
0.05
—0.6 0.59 —0.01 0.58 —0.02
—0.5 0.46 —0.04 0.44 —0.06
—0.4 0.35 —0.05 0.33 —0.07
—0.3 0.24 —0.06 0.25 —0.05
—0.2 0.16 —0.04 0.16 —0.04
—0.1 0.07 —0.03 0.07 —0.03
0 —0.01 —0.01 0.00 0.00
0.1 —0.08 0.02 —0.08 0.02
0.2 —0.18 0.02 —0.15 0.05
0.3 —0.27 0.03 —0.23 0.07
0.4 —0.37 0.03 —0.34 0.06
0.5 —0.48 0.02 —0.45 0.05
0.6 —0.63 —0.03 —0.58 0.02
0.7 —0.79 —0.09 —0.77 —0.07
1. 수신레벨 및 안테나 패턴 분석을 통해 송신측과 수 신측이 0도로 마주 볼 수 있도록 수신측을 정렬 2. 방위각/앙각 ±0.7° 범위 내에서 0.1° 간격으로 구동 3. 방위각/앙각 각 지향오차각도 별 모노펄스수신기에
서 산출한 각도를 저장
4. 지향오차각과 산출각의 차이를 통해 정확도 분석 제작된 모노펄스시스템의 지향오차각 산출 정확도 분 석결과, 산출범위(±0.7°) 내에서 0.1° RMS 이하의 정확도 를 나타내었다.
3-2 포인팅손실 분석
모노펄스시스템은 이동하는 송신장비에 대한 추적을 유지하면서 데이터를 송수신한다. 따라서, 제작된 시스템 을 모션시뮬레이터 상단에 설치하여 송신장비를 추적하 는 상태에서 특정 각속도로 방위각방향으로 모션시뮬레 이터를 구동시켜 시스템의 추적유지 여부와 수신레벨을
그림 9. 포인팅 손실 시험구성도
Fig. 9. Test configuration for the measurement of pointing loss.
표 4. 포인팅손실 분석
Table 4. The analysis of pointing loss.
모션시뮬레이터
동작범위 동작주파수 포인팅 손실
- 범위 : Yaw 방향 ± 15°
- 각속도 : 5°/s
주파수 #1 0.20 dB rms 이하 주파수 #2 0.24 dB rms 이하
확인함으로써 포인팅 손실를 분석하였다. 그림 9는 포인 팅 손실 분석을 위한 시험구성도이며, 표 4는 시험결과로 써 다음의 시험절차에 의해 분석되었다.
1. 모션시뮬레이터 정지상태에서 모노펄스시스템의 항 공모의신호 추적 및 수신레벨 저장
2. 모션시뮬레이터를 다음과 같이 설정하여 항공 비행 기의 움직임을 모사
- 범위 : Yaw 방향 ± 15°
- 최대 각속도 : 5°/s
3. 모션시뮬레이터의 동작에 따른 모노펄스시스템의 추적유지 여부 및 실시간 수신레벨 확인/저장 - 2분간 10 ms 단위로 기준레벨과 실시간 수신레벨 저장 4. 시험절차 1항에서의 수신레벨(정지상태 수신레벨) 과 시험절차 3항에서의 수신레벨(동작상태 수신레 벨) 비교 및 포인팅손실 분석
제작된 모노펄스시스템의 포인팅손실 분석결과, 약 5
°/s의 각속도로 움직이는 항공 비행기에 대한 방위각방향
의 추적정확도는 0.5 dB RMS 이하의 성능을 나타내었다.
3-3 이동 추적성능 분석
이동하는 항공장비에 대한 제작된 모노펄스시스템의 추적성능 분석을 위해 실 야외환경에서 시험을 수행하였 다. 항공장비는 차량에 설치하여 남포방조제(왕복 약 7 km)를 70 km 속도(각속도 0.12°/s) 로 달리며, GPS 기반으 로 모노펄스시스템을 지속적으로 지향하였다. 제작된 시 스템은 탐색지점을 지정하여 모노펄스 기반의 탐색 및 추적으로 항공장비를 추적하였다.
그림 10은 이동 추적성능 측정을 위한 야외 시험장소 로써 항공장비와 지상장비간 거리는 약 9.5 km이며, 그림 11은 시험구성도이다.
제작된 모노펄스시스템은 랑데부 지점에서 탐색을 수 행하여 추적전환 후 항공모의장비의 A-B 구간 이동경로 를 따라 지속적인 추적을 유지하였다.
그림 12는 항공모의장비의 A-B 구간 이동경로의 위도 와 경도 기준으로 나타낸 그래프이며, 그림 13 및 그림 14 는 방위각과 앙각에 대해서 계산된 지향각(true angle)과 추적 중 지향각(tracking error)를 표시하고, 두 지향각 사 이의 오차각을 나타내고, 그때 측정된 합채널 수신레벨을 나타낸 그래프이다. 최초 랑데부 지점에서의 박스스캔 탐 색 후 추적을 유지하고, 다시 B지점에서 선회 후 A지점으 로 복귀하는 동안의 기록을 확인할 수 있으며, 표 5와 같
그림 10. 이동 추적성능 측정을 위한 시험장소
Fig. 10. Test place for the measurement of tracking perfor-
mance of a moving target.
그림 11. 이동 추적성능 측정을 위한 시험구성도
Fig. 11. Test configuration for the measurement of tracking performance of a moving target.
그림 12. 항공모의장비 이동경로
Fig. 12. Travel path of aircraft simulation equipment.
항목 추적정확도
방위각 약 0.025° RMS
앙각 약 0.17° RMS
표 5. 이동 추적성능 분석결과
Table 5. The analysis result for tracking performance of a moving target.
이 두 지향각 사이의 오차각으로부터 추적정확도를 확인 할 수 있었다.
그림 13, 14의 추적 중 선회구간에서는 항공모의장비 의 빠른 회전속도에 따른 GPS 기반 추적 지연과 선회지
그림 13. 방위각방향 이동 추적성능 분석
Fig. 13. The analysis on azimuth tracking performance of a moving target.
점에서 LOS상의 건물이 존재하여 수신레벨이 빠지는 현 상이 발생하였다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 일반적인 모노펄스시스템 구성인 고이 득안테나, 모노펄스수신기, 구동체, RF신호처리기 및 전 원공급장치로 구성하였으며, 이중 모노펄스수신기를 단 일채널로 제작 후 적용하여 단일채널 모노펄스시스템을 새롭게 구성하였다.
제작한 단일채널 모노펄스시스템의 시스템 설계목표 충족 여부를 검증하기 위해 모션시뮬레이터, 신호발생기, 혼 안테나 등을 이용하여 기본적인 지향오차각 산출정확 도 및 포인팅 손실을 확인한 후, 야외 시험장소에서 실제
탐색 추적 (직선)
추적 (선회)
추적 (직선)
도착 (선회)
그림 14. 앙각방향 이동 추적성능 분석
Fig. 14. The analysis on elevation tracking performance of a moving target.
이동하는 목표물에 대한 추적성능을 수행하고, 결과를 분 석하였다.
단일채널 모노펄스시스템의 지향오차각 산출정확도는 안테나 빔폭인 ±0.7° 범위 내에서 0.1° RMS 이하의 결과 를 보여주었으며, 포인팅 손실은 0.5 dB RMS 이하의 결 과를 보여주었다. 최종적으로 야외환경에서 수행한 추적 성능 확인 시험에서 이동하는 항공장비의 지속적인 추적 유지가 가능함을 확인하였다.
결론적으로 단일채널 모노펄스시스템이 일반적인 3 채 널 모노펄스시스템과 동등이상의 추적성능을 가지고 있 음을 증명하였다. 또한, 3 채널 모노펄스수신기 대비해서 1채널 모노펄스수신기를 적용하여 단일채널 모노펄스시 스템을 구현함으로써 무게, 크기, 비용, 소모전력 측면에 서 이점이 있음을 확인할 수 있었다.
References
[1] Dean D. Howard, Tracking Radar, in Radar Handbook, 2nd edition. edited by Merrill Skolnik, McGraw-Hill, New York and London, 1990, Chapter 18.
[2] Bassem R. Mahafza, Radar Systems Analysis and Design
Using MATLAB, Chapman & Hall/CRC, 2000.
[3] Hyuk-Ja Kwon, Young-Jin Lee, and Jin-Woo Jung, "단 일채널 모노펄스수신기에 관한 연구", 전자공학회논 문지, 51(1), pp. 71-76, 2014년 1월.
강 병 욱
2003년 2월: 전북대학교 전자공학과 (공학 사)
2003년 3월～현재: 한화시스템 연구원 [주 관심분야] 안테나공학
권 혁 자
2005년 2월: 동국대학교 전자공학과 (공학 사)
2007년 2월: 동국대학교 전자공학과 (공학 석사)
2007 년 3월～현재: 한화시스템 연구원 [주 관심분야] 수신기 및 통신시스템 설
계
이 영 진
