UAS 데이터링크를 위한 다중모드 모노펄스신호 SNR 개선기법

Abstract

최근 위성을 이용한 다양한 형태의 서비스가 지속적으로 개발, 확산되고 있으며 군사적 목적의 수요도 계속 증가하는 추세이다. 특히 근래에는 무인기를 이용하여 넓은 영역에서 수집된 감시·정찰 정보의 실시간 전송을 위한 다양한 응용체계가 연구되고 있다. 이러한 감시·정찰 정보는 주로 수십∼수백Mbps급 대용량의 데이터 송수신이 필요하여, 가시선 영역에서 1대 1 통신 방식으로 정보 유통이 이루어지는 것이 일반적인 방식이다. 하지만 무인기의 성능 개선에 따른 임무 영역 확장으로 가시선 범위 밖에서의 통신 수단에 대한 필요성이 제기되면서 위성을 이용한 중계 서비스가 이를 위한 기술적 대안으로 떠오르고 있다. 본 논문에서는 상기 목적 달성을 위해 Ku 대역 주파수 영역에서 다중모드 모노펄스 방식을 활용하여, 위성 신호 추적이 가능한 신호추적 시스템을 제안하였다. 다중모드 모노펄스 방식은 기존의 위성 추적 방식에 비해 높은 추적 정확도를 유지하면서도 상대적으로 소형/경량화가 가능하여, OTM 위성 단말 등 탑재 공간이 제한되는 위성 단말에 적용이 가능하므로 군사용 위성 단말에 대한 적용성 연구 및 배치는 상당 부분 성과를 달성하고 있다. 하지만 수십Mbps급의 데이터 전송을 위해서 소요되는 주파수 대역폭을 감안시, 군사용 위성 중계기에서 이를 모두 수용하는 것은 한계가 있다. 따라서 상용 위성을 활용하여 늘어나는 대역폭 소요를 소화하는 방안이 대안으로 제시되고 있다. 이를 위해 상용 위성 주파수 대역인 Ku 대역을 이용한, 무인기 탑재성을 고려한 위성 추적 시스템의 연구가 요구된다. 하지만 상용 위성은 군용 위성에 비해 비콘 신호의 신호대 잡음비 특성이 상대적으로 낮아 다중모드 모노펄스 시스템의 안정적 구현을 위해서는 신호 대 잡음비를 일정 수준 이상으로 개선이 필요하다. 또한 무인기는 플랫폼의 특성상 고속으로 이동하며 통신을 수행하게 되고, 위성은 정지궤도에서 고유의 8자 운동을 하게 되어 이의 영향으로 위성 비콘 신호는 수신시 심한 도플러 편이가 발생하게 된다. 따라서 본 논문에서는 첫째, 수신되는 위성 비콘 신호에 대한 도플러 편이를 실시간으로 보상하고, 신호 대 잡음비 특성을 동시에 개선 가능한 방식에 대해 제안한다. 이를 위해 디지털 필터가 적용된 신호처리 방식을 연구하였으며, 구현 및 시험결과 약 ±6kHz의 도플러 편이를 실시간 보상하는 것을 확인하였다. 또한 신호 대 잡음비 개선을 위한 2단의 협대역 디지털 필터 적용 결과 약 15dB 이상의 신호 대 잡음비 개선 효과도 확인하였다. 하지만 협대역 필터 적용시 필연적으로 신호의 지연이 발생하게 되고, 이는 추적 정확도의 저하를 초래하게 된다. 따라서 추적 정확도는 일정 수준을 유지하면서도 신호 지연은 1/2배로 감소 가능하도록 하여 최종적으로 신호 지연을 약 150ms 수준으로 감소시켰다. 둘째, Ku 대역 다중모드 모노펄스 시스템에 적용 가능한 고차모드 커플러를 설계, 제작하였다. 고차모드 커플러는 위성의 추적 오차 발생시 이를 커플링 하는 역할을 수행하는 RF 소자로, 유사 시스템에 적용된 커플러와 비교시 성능은 거의 동급이나, 슬롯 수는 절반으로 감소시켜 소형/경량화를 달성하였다. 마지막으로 추적 시스템에 연구 내용을 적용, 무궁화 위성의 비콘 신호 추적성능 시험을 수행하였다. 이때 무인기의 운용 환경 모사를 위해 모션 시뮬레이터를 이용, pitch/yaw/roll 축에 대한 움직임을 동시에 가한 상태로 시험을 진행하였으며, 시험결과 다중모드 모노펄스는 약 0.3도 미만의 추적 정확도를 가지는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 낮은 신호대 잡음 환경에서 도플러 편이가 발생하는 위성 신호를 이용한 고정밀 위성 추적시스템의 구현 및 적용이 가능할 것으로 기대한다.