Vector Tracking Loop 를 활용한 저궤도 위성용 GPS/Galileo 소프트웨어 수신기 구현에 관한 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2012. 8. 기창돈.GPS를 이용한 항법은 항공, 선박, 측량뿐 아니라 개인 휴대폰에 빠지지 않을 정도로 생활에 밀접하게 되었다. GPS를 이용한 항법해는 실외에서 수 미터 이내의 정확도를 제공하지만 사용자들은 이보다 더 정밀하고 강건한 항법해에 대한 요구가 증가하고 있는 추세이다. 이러한 추세와 각 나라마다 자국의 위성항법시스템을 확보하려는 노력으로 러시아의 GLONASS나 유럽의 Galileo 신호등의 새로운 GNSS 시스템이 향후 몇 년 후에 정상가동을 할 계획이다. 이런 GNSS 시스템들은 지상 사용자들이 주된 서비스 대상이 되지만 위성 사용자들도 GNSS 시스템을 이용하여 항법 정확도 및 안정성을 높이고 있다. 지상 사용자와 다르게 위성용 수신기의 경우는 위성의 동적 특성과 환경을 고려한 고성능의 수신기 기술이 요구되므로, 많은 연구기관에서 위성용에 적합한 알고리듬을 개발하고 있다. 위성용 수신기의 초기 개발에 있어, 하드웨어 형태의 수신기는 많은 자본과 장비를 필요로 하며 급변하는 환경에 적합하지 않다. 현재 GLONASS 시스템은 FDMA 기법의 신호구조를 CDMA 구조로 변경하고 있고, Galileo 위성은 시험위성이 가동중이다. 또한 중국의 Beidou의 경우 2012년에 사용자를 위한 문서가 공개되는 등 신호 개발과 수신 기술 개발이 동시에 일어나는 상황이다. 따라서 여러 환경에 유연하게 대처할 수 있는 측면에서 소프트웨어 수신기가 위성용 수신기로 적합하다. 본 논문은 저궤도 위성 환경에 적용할 수 있는 위성항법 소프트웨어 수신기의 개발과정을 다루고 있다. 저궤도 위성 환경에서 기존의 GPS 시스템만을 사용하는 경우 상시 확보되는가시 위성 수가 적고 각 위성의 가시 시간 또한 짧기 때문에, 신호 추적 단계에서 신호 추적 루프의 수렴시간이 길어질 경우, 위성 측정치의 가용 시간이 매우 짧아질 수 있다. 따라서 본 논문에서는 GPS와 Galileo 시스템의 신호를 동시에 수신할 수 있는 소프트웨어 수신기를 개발하여 이러한 문제를 해결하고자 한다. 또한 저궤도 위성 환경에서는 신호의 동적 특성이 심하게 변화하기 때문에 신호 추적 루프를 개선하고, 또한 항법 위성과 사용자의 기하학적 배치를 이용하여 신호 추적을 진행하는 Vector Tracking Loop를 적용하여 성능을 향상시키는 연구를 진행한다. 이를 위하여 먼저 저궤도 위성 환경에서 위성의 위치를 계산하는데 유용하게 활용될 수 있는 GPS/Galileo 신호의 소프트웨어 수신기 구조를 설명한다. 소프트웨어 수신기는 RF단과 Baseband 신호처리단이 모두 하드웨어로 구성된 수신기와 달리, Baseband 신호 처리부터 항법해 계산까지의 과정을 소프트웨어로 처리하는 수신기 구조를 지칭한다. 소프트웨어 수신기의 구조는 크게 신호 획득, 추적, 항법 측정치 및 항법해 계산의 구조로 나누어진다. 본 논문에서는 저궤도 환경과 GPS/Galileo 통합 시스템 구현에 적합하도록 각 요소별 알고리즘을 개발하고, 이를 저궤도용 GPS/Galeilo 시뮬레이터를 활용하여 검증한다. 또한 저궤도용 GPS/Galileo 신호 수신 소프트웨어의 신호 추적 알고리즘으로 Vector Tracking Loop를 구현하고, 이에 대한 성능평가를 진행한다. 개발된 소프트웨어 수신기의 성능평가를 위한 실험 결과에서, 제안된 각 모듈 별 알고리즘이 저궤도 환경에 적합하며 GPS/Galileo 통합 항법 알고리즘도 정상 동작함을 확인하였다. 또한 Vector Tracking Loop를 사용하였을 경우 기존 신호 추적 루프를 사용하는 경우에 비하여 항법측정치 및 항법해 정확도가 향상 되는 것을 확인하였다. 향후 Galileo 시스템이 정상 가동되고 저궤도 위성 환경에서 GNSS 항법 시스템의 중요도가 부각되고 그 활용도가 높아지게 되면, 연속적인 항법해 획득, 항법 측정치와 항법해 성능의 중요성이 높아질 것으로 예상된다. 이 때, 제안된 저궤도 위성용 GPS/Galileo 수신기의 알고리즘은 GNSS 항법 시스템의 활용도를 높이는데 기여할 수 있을 것이다.GPS navigation has been being essential to our lives in areas such as aviation, marine navigation, and surveying as well as personal mobile phones. Although the precision of GPS navigation is less than ten meters, it is increasing as users demand better performance and more robust navigation. Due to this trend and the goal of every nation to secure its own satellite navigation system, new global navigation satellite system (GNSS) systems such as GLONASS in Russia or Galileo in EU will be in normal operation in the very near future. This paper presents the development of a GNSS receiver for LEO. While GNSS has been widely used in ground and aviation applications, low earth orbit (LEO) also uses GNSS to obtain precise and robust navigational results. However, the receiver for LEO is different than the receiver used by ground users. Compared to the GNSS receiver for ground users, that for LEO requires additional technology for the highly dynamic movement and space environment. In the LEO environment, the number of satellites that have clear lines-of-sight (LOS) from the user is not always sufficient to calculate a navigational solution when the receiver uses only GPS. Even when the number of clear LOS satellites is sufficient, the LOS between the user antenna and the satellite vanishes rapidly because of high speed movement in LEO. For the development of a new algorithm for LEO, a hardware receiver, which is the most commonly used GNSS receiver for ground/aviation users, is not suitable as a LEO receiver because the development of a hardware GNSS receiver for LEO is not flexible and requires significant maintenance and equipment costs. However, the software receiver is able to adjust the algorithm to adapt to the rapidly changing GNSS environment. Therefore, this paper proposes a solution for the problem using a software receiver that is capable of processing the GPS/Galileo dual system. In addition, this paper proposes a new signal tracking algorithm for the highly dynamic LEO environment and applies a vector tracking loop that bases the tracking loop control input on the user and satellite position/velocity information. The simulation result shows that the proposed tracking algorithm and the vector tracking loop are adequate for the LEO environment when they use the herein-developed GPS/Galileo integrated navigation receiver. In addition, if the vector tracking loop is adopted, the performance in terms of measurement and navigation is improved compared to that of the conventional tracking loop. In the near future, when the Galileo system is fully operational, the importance of the GNSS navigation system will become apparent, and as its availability increases, it is expected that seamless navigation, accurate measurements and navigational solutions will become more important. Therefore, the proposed algorithm for the GPS/Galileo software receiver for LEO will increase the GNSS navigation availability of the LEO user. In near future, if Galileo system will fully operate, the importance of GNSS navigation system will stand out and the availability will increase, it is expected that the seamless navigation and the performance of measurements and navigation solution becomes more important. Then, the proposed algorithm of the GPS/Galileo software receiver for LEO will contribute the enhancement of GNSS navigation availability for the LEO user.목 차 1장. 서 론 1. 연구 동기 및 목적 2. 연구 동향 3. 연구 내용 및 방법 1) 연구 내용 및 방법 2) 논문 구성 4. 연구 결과의 기여도 2장. GPS와 Galileo 시스템 1. GNSS의 개념 2. GNSS 최근 동향 3. Galileo Signal 1) Frequency plan 2) Galileo 신호 변조 방식 3) Galileo Spreading Codes Characteristics 4) GPS와의 차이점 3장. GPS/Galileo 소프트웨어 수신기 개발 1. 소프트웨어 수신기 개념 1) Software Defined Radio (SDR) 2) 소프트웨어 수신기의 종류 3) 소프트웨어 수신기의 용도와 활용 분야 4) MATLAB으로 구현된 후처리 소프트웨어 수신기 2. GNSS 소프트웨어 수신기 신호 획득 기법 1) 신호 획득 모듈 알고리즘 2) 비트 반전 효과를 고려한 GNSS 신호를 위한 신혹 획득 기법 3. GNSS 소프트웨어 수신기 신호 추적 기법 1) 기존의 Loop filter를 활용한 신호 추적 기법 2) Galileo BOC 신호 추적 기법 4. GNSS 소프트웨어 수신기 항법해 필터 1) 기존의 GNSS 항법 필터 2) Galileo 항법메시지 해독기법 3) EKF 항법해 필터 4) GPS/Galileo 통합 항법해 필터 4장. 저궤도 위성 환경을 고려한 신호 추적 루프 성능향상 연구 1. Kalman filter를 활용한 code/carrier 통합 신호 추적 루프 1) In-phase, Quadrature phase 신호 상관합을 측정치로 활용하는 Kalman Filter 신호 추적 루프 2) Discriminator 기반 Kalman filter 신호 추적 루프 3) Discriminator 기반 Linear Quadratic Gaussian (LQG) 신호 추적 루프 4) Moving set-point LQG 신호 추적 루프 2. Vector Tracking Loop를 활용한 신호 추적/항법해 루프 1) Scalar tracking Loop 2) Vector Tracking Loop의 알고리듬 5장. 시뮬레이션 및 실험 결과 1. GPS/Galileo 통합 항법해 계산 1) 시뮬레이션 환경 2) GPS/Galileo 통합 항법해 계산 결과 2. 신호 획득 모듈 성능 분석 1) 신호 획득 성능 지표 2) 평균 계산 시간 성능 3) 신호 획득 확률 성능 시뮬레이션 결과 3. 신호 추적 모듈 성능 분석 1) 시뮬레이션 환경 2) 제안된 알고리즘의 신호 추적 성능 비교 3) 저궤도 환경에서 신호 추적 성능 비교 4) C/N0 변화에 따른 LQG 신호 추적 루프의 성능 분석 4. 저궤도 환경에서 Vector Tracking Loop 적용 1) 시뮬레이션 환경 2) 저궤도 환경에서 GPS/Galileo 소프트웨어 수신기를 활용한 Vector Traking Loop 적용 결과 3) 신호 단절 구간에서 VTL 성능 분석 4) 신호 감소 구간에서 VTL 성능 분석 5. 시뮬레이션 및 실험 결과 요약 6장. 결론 및 향후 과제 1. 결론 2. 향후 과제 참고 문헌 Appendix AbstractDocto

APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING STROKE DURING THE SLEEP

본 발명은 수면 중인 사용자의 뇌졸중 발병 여부를 판단하는 수면 중 뇌졸중 판단 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 따른 수면 중 뇌졸중 판단 장치는 사용자의 신체 부위 상에 배치되어 사용자의 움직임 데이터를 수집하는 움직임 데이터 획득부와, 움직임 데이터를 가공하여 기설정 시간 당 이동 거리 및 회전 거리 중 적어도 어느 하나의 모션 데이터를 산출하고, 모션 데이터와 움직임 한계점을 비교하여 사용자의 모션 특징 데이터를 추출하는 특징 추출부 및 모션 특징 데이터를 모니터링하고, 모션 특징 데이터와 뇌졸중 한계점을 비교하여 사용자의 뇌졸중 발병 여부를 판단하는 실시간 수면 중 뇌졸중 판단부를 포함한다.사용자의 신체 부위 상에 배치되어 상기 사용자의 움직임 데이터를 수집하는 움직임 데이터 획득부;상기 움직임 데이터를 가공하여 기설정 시간 당 이동 거리 및 회전 거리 중 적어도 어느 하나의 모션 데이터를 산출하고, 상기 모션 데이터와 움직임 한계점을 비교하여 상기 사용자의 모션 특징 데이터를 추출하는 특징 추출부; 및상기 모션 특징 데이터를 모니터링하고, 상기 모션 특징 데이터와 뇌졸중 한계점을 비교하여 상기 사용자의 뇌졸중 발병 여부를 판단하는 실시간 수면 중 뇌졸중 판단부를 포함하는 수면 중 뇌졸중 판단 장치

APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING STROKE DURING THE SLEEP

본 발명은 사용자(환자)의 수면 중 뇌졸중 발병 여부를 판단하는 수면 중 뇌졸중 판단 장치 및 방법에 관한 것이다. SP필터(사용자가 가슴을 위로 두고 누워 있지 않을 때의 측정결과를 삭제하는 처리과정)를 적용한 후 좌우 움직임의 비를 비교하여 뇌졸중 여부를 판단하는 함으로써, 뇌졸중 여부 판단의 정확도가 향상된다.좌측 팔 또는 좌측 다리에 착용가능한 좌측 동작 측정부;우측 팔 또는 우측 다리에 착용가능한 우측 동작 측정부;몸통에 착용가능한 자세 측정부;상기 좌측 동작 측정부, 상기 우측 동작 측정부, 상기 자세 측정부의 출력을 전달받아 뇌졸중 여부를 판단하는 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수면 중 뇌졸중 판단 장치

catheter attached type micro robot

본 발명은 카테터 수술을 하기 위한 카테터 부착형 마이크로 로봇에 관한 것으로, 환자의 외부의 다수로 배치된 자기장 방출기와, 외부 조향 자기장 또는 외부 회전 자기장의 세기를 제어하여 상기 자기장 방출기에 제공하는 자기장 제어 시스템과, 상기 환자의 병소에 삽입할 카테터를 원격으로 밀거나 잡아당기는 카테터 제어 시스템에 적용되고, 상기 카테터의 돌기에 억지 끼워맞춤 방식으로 탈부착되도록, 연결 구멍이 저면에 형성되어 있으며, 상기 저면의 반대쪽 바닥면의 중심에서 수직한 방향으로 형성된 중심샤프트와, 상기 중심샤프트의 길이보다 짧게 상기 바닥면의 테두리에서 수직한 방향으로 형성된 외벽부를 갖는 베이스부; 상기 중심샤프트에서 회전 가능하게 결합되며, 상기 외부 회전 자기장에 의해 자기 토크를 발생하여 드릴링 기능을 수행하도록, 제 1 자성체가 결합되어 있는 드릴부; 및 상기 중심샤프트의 끝단에 연결되며, 상기 드릴부의 이동을 제한할 수 있도록 상기 중심샤프트의 끝단보다 상대적으로 큰 직경을 갖는 헤드부를 포함하고, 상기 헤드부는 상기 외부 조향 자기장에 의해 자기 토크를 발생하여 조향 기능을 수행하도록, 상기 헤드부의 내부에 제 2 자성체를 구비하고 있다.환자의 외부에 다수로 배치된 자기장 방출기와, 외부 조향 자기장 또는 외부 회전 자기장의 세기를 제어하여 상기 자기장 방출기에 제공하는 자기장 제어 시스템과, 상기 환자의 병소에 삽입할 카테터를 원격으로 밀거나 잡아당기는 카테터 제어 시스템에 적용되는 카테터 부착형 마이크로 로봇에 있어서,상기 카테터의 돌기에 탈부착되며, 중심샤프트를 갖는 베이스부; 상기 중심샤프트에서 회전 가능하게 결합되며, 상기 외부 회전 자기장에 의해 자기 토크를 발생하여 드릴링 기능을 수행하도록, 제 1 자성체가 결합되거나 상기 제1자성체에 의하여 그 외부가 코팅되는 드릴부; 및상기 중심샤프트의 끝단에 연결되며, 상기 드릴부의 이동을 제한할 수 있도록 상기 중심샤프트의 끝단보다 상대적으로 큰 직경을 갖는 헤드부를 포함하고,상기 헤드부는 상기 외부 조향 자기장에 의해 자기 토크를 발생하여 조향 기능을 수행하도록, 상기 헤드부의 내부에 제 2 자성체를 구비하거나 상기 제2 자성체에 의하여 그 외부가 코팅되는 것 인 카테터 부착형 마이크로 로봇

Development of GPS/Galileo Integrated Receiver Technology for LEO

본 논문은 저궤도 위성 환경에서 활용 가능한 GPS/Galileo 복합 수신기 기술 개발에 대한 것으로, GPS/Galileo 통합 수신기와 OD(Onboard Determinator), OOP(Onboard Orbit Propagator)의 개발을 포함한다. 저궤도 위성의 빠른 운동으로 인한 가시위성의 잦은 변화, 높은 도플러 변화율 등을 고려하였으며 수신 신호는 GPS L1/L2C/L5, Galileo E1B/E5a를 포함한다. OD, OOP는 GNSS 동역학 모델과 궤도 정보를 이용하여 수신기가 비정상 동작하는 상황에 대비할 수 있도록 한다. 개발된 복합 수신기는 MATLAB 소프트웨어로 개발되었으며 H/W 시뮬레이터 신호를 이용하여 검증된다.OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2012-01/104/0000003405/19SEQ:19PERF_CD:SNU2012-01EVAL_ITEM_CD:104USER_ID:0000003405ADJUST_YN:NEMP_ID:A000360DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:2012KGS_paper_김종원.pdfDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]: