Studies on the Software-Based GPS Receiver and Navigation Algorithms

Abstract

본 논문에서는 GPS 수신기의 신호처리 및 항법부분을 수학적으로 모델링하고 분석한 후 소프트웨어적 기법만을 사용하여 소프트웨어 기반 GPS 수신기를 설계 구현하고, GPS 수신기의 측정치를 이용하는 새로운 정밀측위 및 자세각 결정알고리듬을 제안하고 분석한다. 설계된 소프트웨어 기반 GPS 수신기는 코드 지연 시간, 반송파 도플러 주파수 편이, 초기 반송파 위상차를 생성하여 이용하는 12채널 L1 CA 코드 수신기 형태이다. 반송파 도플러 주파수 편이와 코드 지연 시간값에 대한 초기 추정을 위하여 FFT-IFFT 기반 신호획득기법을 이용하였다. 3차 PLL과 2차 FLL을 상호보완적으로 결합하여 반송파 추적루프를 설계하였고, 반송파 도움방식의 1차 DLL을 설계하여 코드 추적루프에 이용하였다. 루프필터 파라미터들을 최적화하기 위하여 수신기 기동과 입력 잡음으로부터 기인하는 추적 오차들 사이의 관계로부터 설계된 신호추적루프의 성능을 분석하였다. 또한 고기동 신호추적을 위한 반송파 도플러 추적용 MLE 기법을 설계하고 시험하였다. 비트 및 프레임 동기 모듈을 설계 구현하여 GPS 측정치 추출에 이용하였다. 위성 ephemeris 데이터, 대충의 사용자 위치, 현재 GPS 시각 등과 같은 외부 보정정보를 효율적으로 사용하는 의사거리 생성기법을 설계하여 TTFF 성능 개선에 이용하였다. 의사거리 생성시 이와 같은 외부 보정정보의 효율적 사용은 TTFF를 신호획득 이후 1초 미만까지 획기적으로 줄인다. 설계한 소프트웨어 기반 수신기 알고리듬을 일반적인 PC를 이용하여 구현하였으며, RF부와 IF 데이터 저장기를 이용하여 정지 및 고기동 환경에서 실제 신호 데이터를 수집한 후 설계한 소프트웨어 기반 GPS 수신기 알고리듬의 성능을 평가하는데 이용하였다. GPS 수신기 하드웨어를 개발하기 앞서 다양한 신호추적기법과 그 성능을 시험하기 위해서는 GPS 수신기 RF단에서의 신호를 수집하고 저장하는 과정이 필수이다. 본 논문에서는 실제 GPS 신호를 수집하는 과정 없이도 다양한 신호처리 기법들을 평가하기 위한 해석적인 IF 수준 GPS 신호 시뮬레이터 소프트웨어를 설계한다. 모든 가시위성에 대한 타당한 IF 수준 GPS 신호 성분 생성을 위하여 수신기 이동 궤적, 위성 ephemeris, 신호대잡음비에 기인하는 잡음효과, 중간 주파수, 샘플링 주파수, ADC의 양자화 레벨 그리고 이밖의 다양한 환경적 파라미터들을 수학적 모델링에 첨가하였다. 사용자 기동환경에 대한 수신기 설계요구조건에 기반하여 신호크기, 반송파 위상, 도플러 주파수 편이 그리고 코드 지연 시간 등과 같은 GPS 신호 파라미터의 경신시간을 결정하였다. 코드 의사거리 측정치를 이용한 단독측위 알고리듬을 위하여 본 논문에서는 N개 위성에 대한 Koch의 직접계산법을 일반화하여 두가지 새로운 결정론적 직접계산법과 확률론적 직접계산법을 제안한다. 결정론적 직접계산법은 적은 계산시간안에 기존 여타 기법들에 상응하는 정확도를 유지하며, 측정치의 확률적 특성을 가중값으로 이용하는 확률론적 직접계산법은 기존 여타 유사한 기법들과 비교하여 적은 계산 시간안에 최적의 성능 특성을 갖는다. 또한 본 논문에서는 일반적인 L1 단일주파수 CA 코드 GPS 수신기용 실용적인 실시간 처리 CDGPS 기법을 제안한다. 제안된 기법은 칼만필터에 기반하여 최소의 검색공간을 생성하도록 하는 이동중 미지정수결정기법을 포함하며, 가시위성군의 변화에 따른 미지정수 상태벡터의 변화에 대응하기 위하여 효율적인 상태벡터 재구성기법을 포함하도록 설계되었다. 끝으로 본 논문에서는 GPS 안테나 배열로부터 들어오는 벡터형태 측정치를 기반으로 하는 새로운 자세각 결정기법을 제안한다. 제안된 자세각 결정기법은 간단한 형태의 최소제곱추정기이며, Singularity 문제에 구애받지 않는 자세각 파라미터를 위하여 쿼터니언을 이용하는 형태이다. 제안된 기법에서 사용된 비용함수는 특정한 조건하에서의 Wahba 문제의 비용함수와 등가임을 밝혔다.