지상파 통합항법시스템(R-Mode) 성능 개선방안에 대한 연구 :A Study on R-Mode Performance Improvement Methods

이삭

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이삭 (충남대학교, 충남대학교 대학원)

지도교수: 안재민

발행연도: 2023

저작권: 충남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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초록· 키워드

국제해사기구는 재밍, 스푸핑 등 글로벌 위성항법시스템(GNSS)의 취약성으로 선박 안전을 위해 10m 이하의 수평 위치결정 정확도를 보장할 수 있는 GNSS 백업용 보완 항법시스템을 요구하고 있다. 우리나라는 북한의 의도적인 GNSS 신호 조작을 경험했기 때문에 GNSS 백업을 위한 보완적 항법 시스템이 필수적이다. 해양수산부는 IMO의 보완 항법시스템 성능요건을 충족하는 선박에 항상성 있는 항법 서비스를 제공하기 위해 2020년부터 R-Mode R&D 사업을 적극 추진하고 있다. 펄스 신호와 MF DGNSS 신호에 2개의 연속파를 더한 MF R-Mode 신호를 이용하고 eLoran 신호를 통합한 R-Mode는 500W 이상의 강한 송신 전력과 주파수 특성으로 인해 무선 신호를 의도적으로 조작하기가 매우 어렵기 때문에 GNSS 백업을 위한 보완적인 항법 시스템으로 적합하다. 본 논문에서는 MF DGNSS 서버 서비스에 사용되는 DGNSS 기준국의 위치 및 전송 주파수 등 R-Mode 시스템에 사용 가능한 기반시설의 현황을 분석하였다. 인천에서 운영되는 eLoran 테스트 송신소의 송신기는 유로픽스와 제9펄스 변조 기술로 생성된 Loran Data Channel 메시지를 동시에 전송하도록 설정되었으며 수신된 LDC 메시지는 인천과 평택 차동 Loran 방송국의 수신기 데이터베이스에 저장되었다. 수신된 LDC 메시지는 변조 기법에 따라 eLoran LDC 메시지 수신률을 계산하기 위해 분석되었다. 또한 인천항에서 운항하는 인성1호를 이용하여 실제 해양 이용자의 eLDC 메시지 수신율을 분석하였다. MF R-Mode 신호의 관점에서, PLL 알고리즘을 통해 2개의 노치 필터링 연속파의 위상을 추정하여 송신국과 사용자 사이의 의사범위를 계산하는 수신기 구조를 제안하였다. 그리고 두 연속파 사이의 주파수 간격을 조정한 경우의 위상 추정 정확도를 분석하여 두 연속파 사이의 주파수 간격이 넓어진 R-Mode 시스템의 성능을 향상시킬 가능성을 확인하였다. 이에 유로픽스 변조 기법을 이용한 eLoran LDC 메시지 방송을 통해 R-Mode의 커버리지를 확대하고 MF R-Mode 신호의 간격을 확대하여 의사범위 계산 정확도를 높임으로써 R-Mode 시스템 전체의 성능 향상 가능성을 확인하였다. 본 연구의 결과는 가까운 시일 내에 국내에서 국가 해상 PNT 정책을 수립하고 서비스를 운영하는 과정에서 중요하게 활용될 것으로 기대된다.

The International Maritime Organization demands a complementary navigation system for GNSS backup that can guarantee a horizontal positioning accuracy of 10m or less for vessel safety due to the vulnerability of the global satellite navigation system (GNSS) such as Jamming and Spoofing. Since South Korea experienced intentional GNSS signal manipulation by North Korea, a complementary navigation system for GNSS backup is essential. In order to provide a resilient navigation service to the vessel that meets IMO''s complementary navigation system performance requirements, South Korea''s Ministry of Oceans and Fisheries has been actively progressing with the R-Mode R&D project since 2020. R-Mode, which integrates eLoran using a pulse signal and MF R-Mode signal that adds two continous waves to MF DGNSS signal is suitable as a complementary navigation system for GNSS backup because it is very difficult to intentionally manipulate the radio signal due to its strong transmit power over 500W and frequency characteristic. In this paper, status of the infrastructure which available for R-Mode system such as location of DGNSS reference stations and transmitting frequency used in MF DGNSS serservice was analyzed. The transmitter in the eLoran test transmitting station operated in Incheon has been set to simultaneously transmit Loran Data Channel messages generated by Eurofix and 9th pulse modulation techniques and the received LDC messages were stored in the receiver databases of Incheon and Pyeongtaek differential Loran stations. The received LDC messages was analyzed to calculate eLoran LDC message reception rates according to the modulation techniques. In addition, the eLoran LDC message reception rate of actual maritime users was analyzed using In-sung 1ho, which operates in Incheon Port. In terms of the MF R-Mode signal, a receiver structure was proposed that calculates pseudorange between the transmitting station and a user by estimating phase of two notch filtered continous waves via PLL algorithm. And by analyzing the phase estimation accuracy in the case of the frequency interval between two continuous waves is adjusted, the possibility of improving the performance of the R-Mode system with the widened frequency interval between two continuous waves is confirmed. As a result, the possibility of improving the performance of the entire R-Mode system was confirmed by broadcasting eLoran LDC messages using the Eurofix modulation technique to expand the coverage of R-Mode and increase the pseudorange calculation accuracy by expanding the interval of the MF R-Mode signal. The results of this study are expected to be used importantly in the process of establishing national maritime PNT policies and operating services in South Korea in the near future.

목 차
제 1 장 서 론 1
1.1 배경 1
1.2 목적 7
제 2 장 지상파 통합항법시스템(R-Mode) 개발을 위한 인프라 현황 분석 9
2.1 중파 DGNSS 기준국 운영 현황 9
2.2 eLoran 인프라 운영 현황 및 계획 11
2.3 중파 DGNSS 기준국 및 eLoran 송신국 신호 HDOP 및 성능예측 결과 분석 12
제 3 장 첨단 지상파항법시스템(eLoran) LDC 수신 성능 분석 15
3.1 개요 15
3.2 eLoran LDC 메시지 전송기법 17
3.2.1 9th Pulse 17
3.2.2 Eurofix 19
3.3 eLoran LDC 메시지 전송기법 별 수신 성능 분석 22
3.3.1 eLoran LDC 메시지(Eurofix & 9th Pulse) 수신시험 구성 22
3.3.2 eLoran LDC 메시지 필드 수신 데이터 분석 방법 25
3.3.3 eLoran LDC 메시지 필드 수신 데이터 분석 결과 25
3.3.3.1 eLoran LDC 메시지 수신율 25
3.3.3.2 eLoran LDC 메시지 수신 시 SNR 분포 분석 26
3.3.3.3 eLoran 신호의 SNR에 따른 LDC 메시지 수신율 분석 28
제 4 장 CW 신호 주파수 간격에 따른 위상 추정 성능 분석 30
4.1 개요 30
4.2 중파 DGNSS 기반 R-Mode 수신신호 모델 및 수신기 구조 31
4.2.1 중파 DGNSS 기반 R-Mode 수신신호 모델 32
4.2.2 중파 DGNSS 기반 R-Mode 수신기 구조 33
4.2.3 수신신호의 DPLL 추정 및 거리계산 결과 분석 38
제 5 장 결론 47
참 고 문 헌 48
ABSTRACT* 50

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