KR100662255B1 - Satellite positioning device using satellite measurement signal and method - Google Patents
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
본 발명은 위성측정신호를 이용한 위성 위치 결정 장치 및 그 방법에 관한 것임.The present invention relates to an apparatus and method for positioning satellites using satellite measurement signals.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제2. The technical problem to be solved by the invention
본 발명은, 두 개의 주/부 TTC(Tracking, Telemetry and Command Subsystem) 서브시스템이 개별적으로 레인징패킷이 포함된 위성측정신호(TM: Telemetry)를 수신하여 각각으로부터 위성까지의 의사거리를 산출하고, 그 두 개의 의사거리를 이용하여 TTC 서브시스템에서 위성까지의 거리 및 그 위성의 위치좌표를 결정함으로써, 위성의 신호처리을 부담을 감소시키고, 또한 다중변조로 인한 간섭을 제거할 수 있게 하는, 위성측정신호를 이용한 위성 위치 결정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.According to the present invention, two primary / secondary tracking, telemetry and command subsystem (TTC) subsystems individually receive a satellite measurement signal (TM) including a ranging packet to calculate pseudo distances from each satellite. The two pseudoranges are used to determine the distance from the TTC subsystem to the satellite and its positional coordinates, thereby reducing the burden on the satellite's signal processing and also eliminating interference due to multimodulation. The purpose of the present invention is to provide a satellite positioning device and method using the measured signal.
3. 발명의 해결방법의 요지3. Summary of Solution to Invention
본 발명은, TTC 서브시스템(Tracking, Telemetry and Command Subsystem)의 위성 위치 결정 장치에 있어서, 정지궤도(GEO)위성이 송출한 위성측정신호(TM)를 수신하고, 상기 수신한 위성측정신호(TM) 중 레인징 패킷이 포함된 위성측정신호(TM)를 디지털 기저대역 TM 데이터로 변환하기 위한 기저대역 TM 데이터 생성 수단; 상기 GEO위성에서 위성측정신호(TM)에 삽입하는 레인징 패킷과 동일한 형태의 기준 레인징 패킷을 생성하기 위한 기준 레인징패킷 생성 수단; 상기 디지털 기저대역 TM 데이터와 상기 기준 레인징 패킷의 상관을 통하여 상기 레인징 패킷의 도착시간을 산출하기 위한 레인징패킷 도착시간 산출 수단; 및 상기 레인징 패킷 도착시간을 이용하여 계산한 상기 GEO위성에서 상기 TTC 서브시스템까지의 제 1 의사거리()와, 다른 부(Backup) TTC 서브시스템으로부터 전송받은 상기 부(Backup) TTC 서브시스템에서 상기 GEO위성까지의 제 2 의사거리()를 이용하여 상기 TTC 서브시스템에서 상기 GEO위성까지의 거리(Rp)를 산출하고, 상기 GEO위성까지의 거리(Rp)를 이용하여 상기 GEO위성의 좌표상의 위치를 결정하는 위성위치 결정하기 위한 위성위치 결정 수단을 포함함.The present invention provides a satellite positioning signal (TM) transmitted by a geostationary orbit (GEO) satellite in a satellite positioning device of a TTC subsystem (Tracking, Telemetry and Command Subsystem), and receives the received satellite measurement signal (TM). Baseband TM data generating means for converting the satellite measurement signal TM including ranging packets into digital baseband TM data; Reference ranging packet generation means for generating a reference ranging packet of the same type as the ranging packet inserted into the satellite measurement signal TM in the GEO satellite; Ranging packet arrival time calculating means for calculating an arrival time of the ranging packet through correlation between the digital baseband TM data and the reference ranging packet; And a first pseudo distance from the GEO satellite to the TTC subsystem calculated using the ranging packet arrival time. ) And a second pseudo-range (from the Backup TTC Subsystem received from another Backup TTC Subsystem to the GEO satellite). Calculate a distance (R p ) from the TTC subsystem to the GEO satellite and determine the satellite position to determine the coordinate position of the GEO satellite using the distance (R p ) to the GEO satellite. Satellite positioning means.
4. 발명의 중요한 용도4. Important uses of the invention
본 발명은 위성의 위치 결정 등에 이용됨.The present invention is used for positioning satellites.
위성 위치, 레인징 패킷, 레인징패킷 도착시간, Ranging PAT, TTC 서브시스템, 의사거리Satellite location, ranging packet, ranging packet arrival time, Ranging PAT, TTC subsystem, pseudorange
Description
도 1 은 본 발명이 적용되는 위성통신 시스템의 구성도,1 is a configuration diagram of a satellite communication system to which the present invention is applied;
도 2 는 본 발명에 따른 위성측정신호를 이용한 위성 위치 결정 장치의 일실시예 구성도,2 is a configuration diagram of an embodiment of a satellite positioning device using satellite measurement signals according to the present invention;
도 3 은 본 발명에 따른 위성측정신호를 이용한 위성 위치 결정 방법의 일실시예 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a satellite positioning method using satellite measurement signals according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
100: GEO 위성 110: GPS 위성100: GEO satellite 110: GPS satellite
120: 주 TTC 서브시스템 130: 부 TTC 서브시스템120: primary TTC subsystem 130: secondary TTC subsystem
200: 기저대역 TM 데이터 생성부 210: 기준 레인징 패킷 생성부200: baseband TM data generator 210: reference ranging packet generator
220: 레인징패킷 도착시간 산출부 230: 위성위치 결정부220: ranging packet arrival time calculation unit 230: satellite positioning unit
본 발명은 위성 위치 결정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 개의 주/부 TTC(Tracking, Telemetry and Command Subsystem) 서브시스템이 개별적으로 레인징패킷이 포함된 위성측정신호(TM: Telemetry)를 수신하여 각각으로부터 위성까지의 의사거리를 산출하고, 그 두 개의 의사거리를 이용하여 TTC 서브시스템에서 위성까지의 거리 및 그 위성의 위치좌표를 결정함으로써, 위성의 신호처리을 부담을 감소시키고, 또한 다중변조로 인한 간섭을 제거할 수 있게 하는, 위성측정신호를 이용한 위성 위치 결정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a satellite positioning device and a method thereof, and more specifically, two main / sub tracking TTC subsystems include satellite measurement signals (TM) including ranging packets. To calculate the pseudo distance from each to the satellites, and use the two pseudo distances to determine the distance from the TTC subsystem to the satellite and its position coordinates, thereby reducing the burden on the satellite signal processing, In addition, the present invention relates to a satellite positioning device using a satellite measurement signal, and a method for removing interference due to multiple modulation.
위성의 위치를 파악하고 위성 궤도를 예측하기 위해서는 위성의 위치 결정이 필요하다. 저궤도 위성의 경우, GPS(Global Position System) 위성 신호를 수신할 수 있으므로, 저궤도 위성에서 수신된 GPS 신호를 이용하여 위성의 위치를 결정할 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 GPS 신호를 수신할 수 없는 궤도의 위성, 즉 정지궤도 위성에서는 사용할 수 없다는 한계가 있다. In order to determine the position of a satellite and to predict its orbit, it is necessary to determine the position of the satellite. In the case of a low orbit satellite, a GPS (Global Position System) satellite signal may be received, and thus the position of the satellite may be determined using the GPS signal received from the low orbit satellite. However, this method has a limitation in that it cannot be used in an orbital satellite that cannot receive GPS signals, that is, a geostationary satellite.
따라서, 위성 위치 결정을 위한 별도의 추적 시스템이 요구되는데, 위성관제시스템의 TTC 서브시스템(Tracking, Telemetry and Command Subsystem)에서 위성의 위치 데이터를 얻기 위해서는 일반적으로 다음과 같은 방법이 사용된다. Therefore, a separate tracking system for satellite positioning is required. In order to obtain satellite position data in the TTC subsystem (Tracking, Telemetry and Command Subsystem) of the satellite control system, the following method is generally used.
TTC 안테나의 각도추적(angle tracking) 데이터로부터 위성에 대한 각좌표(angular coordinates) 데이터가 산출되고, 레인징 톤(ranging tone)을 사용한 위성까지의 거리 데이터를 산출하여 위성 위치를 결정하는 것이다. 위성에 대한 각도 추적(angle tracking) 은 위성에 대한 앙각(elevation)과 방위각(azimuth) 데이터 를 측정하는 것으로 정확도의 향상을 위하여 모노펄스 추적장치를 사용하는 안테나 시스템을 사용한다. 또한, 위성까지의 거리 데이터를 산출하는 레인징 톤(ranging tone) 방식은 위성으로 송신된 tone의 위상과 위성으로부터 되 돌아온 레인징 톤(ranging tone) 신호의 위상차를 비교함으로써 거리를 알 수 있다.The angular coordinates data for the satellites are calculated from the angle tracking data of the TTC antenna, and the satellite position is determined by calculating the distance data to the satellites using the ranging tone. Angle tracking for satellites measures the elevation and azimuth data for satellites and uses an antenna system that uses a monopulse tracking device to improve accuracy. In addition, the ranging tone method for calculating the distance data to the satellite can know the distance by comparing the phase difference of the tone transmitted to the satellite with the phase difference of the ranging tone signal returned from the satellite.
여기서, 관제시스템의 TTC 안테나에서 위성까지의 거리를 측정하기 위하여 사용된 레인징 톤(ranging tone) 방법은 다음과 같은 문제점이 있다. Here, the ranging tone method used to measure the distance from the TTC antenna to the satellite of the control system has the following problems.
첫째, 레인징 톤(ranging tone) 방식은 TTC 채널을 이용하여 레인징 톤(ranging tone) 신호를 전송하고 위성으로부터 회귀(turn around)된 동일 신호와 전송 신호의 위상차를 비교하는 방법을 사용함으로써, 위성 탑제체에서 TTC 채널을 위성까지의 거리(ranging)를 위한 용도로 사용할 수 있도록 레인징(ranging) 신호를 스위칭(switching) 해주는 기능을 제공해야 하는데, 이러한 기능은 위성 탑재체 구조를 복잡하게 만들고 고유한 임무를 담당해야 하는 위성에 부담을 줄 수 있다는 문제점이 있다.First, the ranging tone method uses a method of transmitting a ranging tone signal using a TTC channel and comparing a phase difference between the same signal returned from a satellite and a transmitted signal. In satellite towers, it is necessary to provide the ability to switch ranging signals so that TTC channels can be used for ranging to satellites, which complicates the satellite payload structure and inherently The problem is that it can put a strain on satellites that have to perform a mission.
둘째, 레인징 톤(ranging tone) 신호는 TTC 채널을 통하여 위성 명령 신호와 함께 전송되고, 위성 측정신호(Telemetry)와 함께 수신되기 때문에, 다중변조방식을 사용하여 송수신해야 하는데, 이러한 방법은 위성체나 TTC의 송수신 장비의 구조를 복잡하게 만들고 비용부담도 증가시킨다는 문제점이 있다.Second, since the ranging tone signal is transmitted with the satellite command signal through the TTC channel and received with the satellite measurement signal, the ranging tone signal should be transmitted and received using a multimodulation method. There is a problem that the complexity of the TTC transceiver equipment and the cost burden increases.
세째, 다중변조방식을 사용하기 때문에, 레인징 톤(ranging tone) 신호는 함께 전송되는 위성 명령신호 또는 위성 측정신호에 간섭을 줌으로써, 수신 감소를 악화시킨다는 문제점이 있다.Third, since the multimodulation scheme is used, the ranging tone signal interferes with the satellite command signal or the satellite measurement signal transmitted together, thereby worsening the reception reduction.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 두 개의 주/부 TTC 서브시스템이 개별적으로 레인징패킷이 포함된 위성측정신호(TM)를 수신하여 각각으로부터 위성까지의 의사거리를 산출하고, 그 두 개의 의사거리를 이용하여 TTC 서브시스템에서 위성까지의 거리 및 그 위성의 위치좌표를 결정함으로써, 위성의 신호처리을 부담을 감소시키고, 또한 다중변조로 인한 간섭을 제거할 수 있게 하는, 위성측정신호를 이용한 위성 위치 결정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, two primary and secondary TTC subsystems separately receive a satellite measurement signal (TM) containing a ranging packet to calculate the pseudo distance from each to the satellite, The two pseudoranges are used to determine the distance from the TTC subsystem to the satellite and its positional coordinates, thereby reducing the burden on the satellite signal processing and also eliminating interference due to multimodulation. It is an object of the present invention to provide a satellite positioning device and a method using the signal.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
Other objects and advantages of the present invention can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. Also, it will be readily appreciated that the objects and advantages of the present invention may be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, TTC 서브시스템(Tracking, Telemetry and Command Subsystem)의 위성 위치 결정 장치에 있어서, 정지궤도(GEO)위성이 송출한 위성측정신호(TM)를 수신하고, 상기 수신한 위성측정신호(TM) 중 레인징 패킷이 포함된 위성측정신호(TM)를 디지털 기저대역 TM 데이터로 변환하기 위한 기저대역 TM 데이터 생성 수단; 상기 GEO위성에서 위성측정신호(TM)에 삽입하는 레인징 패킷과 동일한 형태의 기준 레인징 패킷을 생성하기 위한 기준 레인징패킷 생성 수단; 상기 디지털 기저대역 TM 데이터와 상기 기준 레인징 패킷의 상관을 통하여 상기 레인징 패킷의 도착시간을 산출하기 위한 레인징패킷 도착시간 산출 수단; 및 상기 레인징 패킷 도착시간을 이용하여 계산한 상기 GEO위성에서 상기 TTC 서브시스템까지의 제 1 의사거리()와, 다른 부(Backup) TTC 서브시스템으로부터 전송받은 상기 부(Backup) TTC 서브시스템에서 상기 GEO위성까지의 제 2 의사거리()를 이용하여 상기 TTC 서브시스템에서 상기 GEO위성까지의 거리(Rp)를 산출하고, 상기 GEO위성까지의 거리(Rp)를 이용하여 상기 GEO위성의 좌표상의 위치를 결정하는 위성위치 결정하기 위한 위성위치 결정 수단을 포함한다.The apparatus of the present invention for achieving the above object, in the satellite positioning device of the TTC subsystem (Tracking, Telemetry and Command Subsystem), receives a satellite measurement signal (TM) transmitted by geostationary orbit (GEO) satellite, Baseband TM data generation means for converting the satellite measurement signal TM including the ranging packet among the received satellite measurement signals TM into digital baseband TM data; Reference ranging packet generation means for generating a reference ranging packet of the same type as the ranging packet inserted into the satellite measurement signal TM in the GEO satellite; Ranging packet arrival time calculating means for calculating an arrival time of the ranging packet through correlation between the digital baseband TM data and the reference ranging packet; And a first pseudo distance from the GEO satellite to the TTC subsystem calculated using the ranging packet arrival time. ) And a second pseudo-range (from the Backup TTC Subsystem received from another Backup TTC Subsystem to the GEO satellite). Calculate a distance (R p ) from the TTC subsystem to the GEO satellite and determine the satellite position to determine the coordinate position of the GEO satellite using the distance (R p ) to the GEO satellite. Satellite positioning means.
한편, TTC 서브시스템에 적용되는 위성의 위치를 결정하는 방법에 있어서, 정지궤도(GEO)위성으로부터 수신한 레인징 패킷이 포함된 위성측정신호(TM)에 대한 디지털 기저대역 TM 데이터와, 기준 레인징 패킷을 이용하여 상기 레인징 패킷의 도착시간(Ranging PAT)을 산출하는 레인징패킷 도착시간 산출 단계; 상기 레인징 패킷 도착시간을 이용하여 상기 GEO위성에서 상기 TTC 서브시스템까지의 제 1 의사거리()를 계산하는 제1의사거리 계산 단계; 상기 GEO위성이 송출한 상기 위성측정신호(TM)를 수신하여, 상기 GEO위성까지의 제 2 의사거리를 계산한 다른 부(Backup) TTC 서브시스템으로부터 네트웍을 통하여 상기 제 2 의사거리()를 수신하는 제2의사거리 수신 단계; 및 상기 제 1 의사거리와 상기 제 2 의사거리를 이용하여 상기 TTC 서브시스템에서 상기 GEO위성까지의 거리(Rp)를 산출하고, 상기 GEO위성까지의 거리(Rp)를 이용하여 상기 GEO위성의 좌표상의 위치를 결정하는 위성위치 결정 단계를 포함한다.On the other hand, in the method for determining the position of the satellite applied to the TTC subsystem, the digital baseband TM data for the satellite measurement signal (TM) including the ranging packet received from geostationary orbit (GEO) satellite, and the reference lane A ranging packet arrival time calculating step of calculating a ranging PAT of the ranging packet using a ranging packet; A first pseudo distance from the GEO satellite to the TTC subsystem using the ranging packet arrival time Calculating a first range; Receiving the satellite measurement signal TM transmitted by the GEO satellite and calculating the second pseudo distance to the GEO satellite from the second Backup TTC subsystem via the network, the second pseudo distance ( Receiving a second range; And calculating the distance R p from the TTC subsystem to the GEO satellite using the first pseudorange and the second pseudorange, and using the distance R p to the GEO satellite. And a satellite positioning step of determining the position on the coordinate of the.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.The above objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, whereby those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. There will be. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 본 발명이 적용되는 위성통신 시스템의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a satellite communication system to which the present invention is applied.
위성관제시스템은 위성을 제어하고 상태를 감시하는 기능을 수행하는데, 이를 위하여 위성링크와 실질적으로 통신기능을 수행하는 TTC서브시스템(Tracking, Telemetry and Command Subsystem)이 설치된다.The satellite control system performs the functions of controlling the satellite and monitoring the status. For this purpose, the TTC sub-system (Tracking, Telemetry and Command Subsystem), which performs the communication function with the satellite link, is installed.
TTC서브시스템(120, 130)은 위성명령신호를 전송하고 위성측정신호를 수신하며, 이를 위해 위성수신신호를 추적하며, 또한 위성의 위치를 결정하기 위해 TTC서브시스템(120, 130)에서 정지궤도 위성(Geo-synchronous Orbit Satellite)(GEO위성)(100)까지의 거리를 측정하는 기능을 수행한다. The TTC subsystems 120 and 130 transmit satellite command signals and receive satellite measurement signals. To this end, the TTC subsystems 120 and 130 track the satellite reception signals, and also the geostationary trajectories of the
TTC 서브시스템(120, 130)은 위성링크와 통신기능을 수행하는 중요한 임무를 가지므로, 일반적으로 주(Primary) TTC서브시스템(120)과 부(Backup) TTC서브시스 템(130)은 이중화 구조로 설치된다. 또한 주(Primary) TTC서브시스템(120)과 부(Backup) TTC서브시스템(130)간에는 이더넷(Ethernet)(140)으로 연결되어 서로의 정보를 주고 받을 수 있다.Since the TTC subsystems 120 and 130 have an important task of performing a communication function with the satellite link, the
주(Primary) TTC 서브시스템(120)의 위치와 부(Backup) TTC 서브시스템(130)의 위치는 각각 (xP, yP, zP)와 (xb, yb, zb
)로 사전 측정을 통해 이미 알 수 있다. 주(Primary) TTC서브시스템(120)과 부(Backup) TTC서브시스템(130)은 각각 GPS위성(110)으로부터 GPS신호를 수신하고 고정밀 클럭으로 동작되며, 주(Primary) TTC서브시스템(120)과 부(Backup) TTC서브시스템(130) 간에는 시간동기가 유지된다. The location of the
주(Primary) TTC서브시스템(120)의 안테나와 부(Backup) TTC서브서스템(130)의 안테나는 GEO위성(100)으로부터 위성측정신호(Telemetry, 이하 TM이라 칭함)(101)를 수신하여 GEO 위성(100)을 추적하며, 이때 TTC서브시스템의 안테나의 각도 추적(angle tracking) 데이터로부터 위성에 대한 각좌표(angular coordinates) 데이터가 산출되므로, 방위각(Azimuth)와 앙각(Elevation)을 알 수 있다.The antenna of the
주(Primary) TTC서브시스템(120)의 위치(xP, yP, zP)에서 GEO위성(xS
, yS, zS)(110)까지의 거리(Ranging), 방위각(Azimuth), 및 앙각(Elevation)을 (RP, AP, EP)로 표현할 수 있다. Range, azimuth, from the position (x P , y P, z P ) of the
여기서, 중요한 것은 TTC서브 시스템의 안테나에서 위성까지의 거리 Rp를 계산하는 것이다. 이를 위해서 본 발명은 GPS위성(110)에서 의사거리(Pseudorange)를 계산하는 방법을 이용한다. 먼저, 주(Primary) TTC서브시스템(120)와 부(Backup) TTC서브시스템(130)에서 GEO 위성(100)까지의 의사거리(Pseudorange)를 각각 계산하고, 그 생성된 두개의 방정식을 이용하여 GEO 위성까지의 거리를 계산하는 것이다.The important thing here is to calculate the distance R p from the antenna of the TTC sub system to the satellite. To this end, the present invention uses a method for calculating a pseudorange in the
GEO 위성(100)은 자신의 상태를 위성측정신호(TM)로 전송하는데, 위성측정신호(TM)에 위성의 고유한 레인징 패킷(Ranging Packet)을 구성하여 전송하고, 주(Primary) TTC서브시스템(120)과 부(Backup) TTC 서브시스템(130)은 이미 알고 있는 GEO 위성의 고유한 레인징 패킷(Ranging Packet)에 해당하는 위성측정신호(Telemetry)를 자체적으로 생성하여 수신되는 위성측정신호(TM)와 자기 상관(auto-correlation)을 수행하여 Lock-on 시간을 측정하고 GEO 위성과 주(Primary)/부(Backup) TTC 서브시스템 간의 시각동기가 일치하지 않음으로 인해 발생되는 오차는 미지수 TS로 놓고 방정식의 해를 구하는 것이다. The GEO
요컨대, GEO 위성은 고유한 레인징 패킷(Ranging Packet)을 구성하여 위성측정신호(Telemetry)를 이용하여 전송하고, 주(Primary)/부(Backup)TTC 서브시스템에서는 위성의 고유한 레인징 패킷(Ranging Packet)에 대한 위성 측정 신호(Telemetry)를 내장하고, 위성 측정(Telemetry) 신호를 수신시, 위성의 고유한 레인징 패킷(Ranging Packet)에 대한 위성측정신호(Telemetry)를 수신할 때의 시간을 계산한다. 한편, GEO위성과 관제시스템의 TTC서브시스템 간의 시간 동기가 유지되지 못함으로 인해서 발생되는 클럭의 바이어스 성분은 GPS 신호를 수신하여 시간 동기를 유지하는 주(Primary)TTC 서브시스템과 부(Backup) TTC 서브시스템을 이용 하여 해결하여 TTC서브시스템과 GEO위성과의 거리를 측정하고, 결과적으로 위성의 위치를 결정한다.In short, the GEO satellite constructs a unique ranging packet and transmits it using satellite measurement, and in the primary / backup TTC subsystem, the unique ranging packet of the satellite Built-in satellite measurement signal for Ranging Packet, and when receiving satellite measurement signal, time when receiving satellite measurement signal for satellite's unique ranging packet Calculate On the other hand, the bias component of the clock generated due to the inability to maintain time synchronization between the GEO satellite and the TTC subsystem of the control system is the primary TTC subsystem and the backup TTC receiving the GPS signal to maintain time synchronization. The solution is to use the subsystem to measure the distance between the TTC subsystem and the GEO satellite, and consequently determine the position of the satellite.
도 2 는 본 발명에 따른 위성측정신호를 이용한 위성 위치 결정 장치의 일실시예 구성도이다.2 is a configuration diagram of a satellite positioning device using satellite measurement signals according to the present invention.
본 발명에 따른 위성위치결정 장치는 도면에 도시된 바와 같이, 기저대역 TM 데이터 생성부(200), 기준 레인징 패킷 생성부(210), 레인징패킷 도착시간 산출부(220), 및 위성위치 결정부(230)를 포함하여 이루어진다.As shown in the drawing, the satellite positioning apparatus according to the present invention includes a baseband
먼저, 위성위치결정 장치를 전반적으로 설명하면, 다음과 같다.First, a general description of the satellite positioning device is as follows.
기저대역 TM 데이터 생성부(200)는 정지궤도(GEO)위성(100)이 송출한 위성측정신호(TM)를 수신하고, 그 수신한 위성측정신호(TM) 중 레인징 패킷이 포함된 위성측정신호(TM)를 디지털 기저대역 TM 데이터로 변환하며, 한편, 기준 레인징패킷 생성부(210)는 GEO위성(100)에서 위성측정신호(TM)에 삽입하는 레인징 패킷과, 동일한 형태의 기준 레인징 패킷을 생성한다.The baseband TM
그러면, 레인징패킷 도착시간 산출부(220)는 디지털 기저대역 TM 데이터와 기준 레인징 패킷의 상관 과정 등을 통하여 기준 레인징 패킷의 도착시간을 산출한다. 그리고, 위성위치 결정부(230)는 레인징 패킷 도착시간을 이용하여 계산한 GEO위성(100)에서 주TTC 서브시스템(120)까지의 의사거리와, 부(Backup) TTC 서브시스템(130)으로부터 전송받은 부(Backup) TTC 서브시스템(130)에서 GEO위성(100)까지의 의사거리를 이용하여, 주TTC 서브시스템(120)에서 GEO위성(100)까지의 거리 (Rp)를 산출하고, 그 GEO위성까지의 거리(Rp)를 이용하여 GEO위성(100)의 좌표상의 위치를 결정한다.Then, the ranging packet arrival
이하, 보다 상세하게 설명하면, 다음과 같다.Hereinafter, it demonstrates in detail as follows.
레인징 패킷(Ranging Packet) 데이터를 포함하는 위성측정신호(TM)는 TTC 서브시스템에서 위성을 제어하기 위해 전송하는 위성명령신호(Command)에 의해 생성되거나, 또는 주기적으로 생성될 수 있다. 여기서, 위성측정신호(TM)에 포함되는 레인징 패킷(Ranging Packet)은 고유한 패킷으로서, 이에 대해서는 지상에 있는 주 TTC 서브시스템 및 부 TTC 서브시스템 모두가 알고 있어야 한다. The satellite measurement signal TM including ranging packet data may be generated by a satellite command signal transmitted by the TTC subsystem to control the satellite, or may be periodically generated. Here, the ranging packet included in the satellite measurement signal TM is a unique packet, which should be known to both the main TTC subsystem and the secondary TTC subsystem on the ground.
주(Primary) TTC서브시스템(120)은 GPS 신호를 이용하여 10MHz, 1PPS 신호를 수신하고 타임베이스부(Time Base)(205)를 통해 클럭 주파수 및 시간을 생성한다.The
주(Primary) TTC서브시스템(120)에서 레인징패킷 도착시간(Ranging PAT: Ranging Packet Arrival Time)을 생성하는 과정은 다음과 같다. The process of generating a ranging packet arrival time (Ranging Packet Arrival Time) in the
주(Primary) TTC서브시스템(120)의 수신부(201)에서 위성측정신호(TM)를 수신하면, 주파수 하향변환기(D/C: Down Converter)(202)는 IF(중간 주파수)신호로 하향변환한다. 그러면, 복조부(DeModulator)(203)는 IF(중간 주파수)신호를 복조하여 기저대역(Baseband)의 TM 신호를 생성하고, FEC 디코딩부(Decoder)(204)는 기저대역 TM 신호를 복호하여 TM 데이터를 생성한다.When the
복조부(DeModulator)(203)는 레인징 패킷(Ranging Packet)이 포함된 위성측정신호(TM)(101)를 수신하면 기저대역(Baseband)의 TM 신호를 아날로그-디지털 변 환부(ADC)(206)로 출력한다.When the
아날로그-디지털 변환부(ADC)(206)는 복조부(203)의 출력인 기저대역 (Baseband)의 TM 신호를 디지털값인 기저대역 TM 데이터로 변환하여 샘플 저장부(Sample Storage)(207)에 저장한다.The analog-to-digital converter (ADC) 206 converts the baseband TM signal, which is the output of the
한편, 주(Primary) TTC 서브시스템(120)에서는 GEO 위성(100)에서 전송하는 레인징 패킷(Ranging Packet)과 인코딩(부호화) 방식을 이미 알고 있으므로, 레인징 패킷 생성부(211)는 GEO위성(100)에서 전송한 위성측정신호(TM)에 포함되는 레인징 패킷(Ranging Packet)과 동일한 형태의 레인징 패킷(Ranging Packet)을 생성하며, 인코딩부(212)는 그 생성된 레인징 패킷을 위성에서의 인코딩방식으로 인코딩한다.On the other hand, since the
레인징패킷 도착시간 산출부(220)는 샘플 저장부(207)에 저장된 디지털 기저대역 TM 데이터와 인코딩부(212)에 의하여 인코딩된 레인징 패킷(Ranging Packet)에 대하여 상관(Correlation)을 취하고, 그 상관값이 피이크(Peak)가 되는 지점을 시간매핑(Time mapping)하여 결과적으로 레인징패킷 도착시간(Ranging PAT)을 계산할 수 있다. 즉, 레인징패킷 도착시간 산출부(220)는 상관을 취하고 그 상관값이 피이크가 되는 시점을 구한 후, 현재시간, 데이터 매핑시 생성된 시작점, 및 레인징 피이크 지점을 이용하여 레인징패킷 도착시간(Ranging PAT)을 계산한다.The ranging packet arrival
상관부는 샘플 저장부(207)에 저장된 기저대역 TM 데이터와 인코딩부(212)에 의하여 인코딩된 레인징 패킷(Ranging Packet)에 대하여 상관(Correlation)을 취하여, 피이크(Peak)가 생성되는 시점을 시간 매핑(Time mapping)하여 결과적으로 레 인징패킷 도착시간(Ranging PAT)을 계산할 수 있다.The correlation unit correlates the baseband TM data stored in the
위성위치 결정부(230)는 상기와 같은 과정을 통하여 구한 레인징패킷 도착시간(Ranging PAT)을 이용하여 GEO 위성의 위치를 구하게 되는데, 이에 대한 상세한 설명은, 도 3에서 하기로 한다.The
도 3 은 본 발명에 따른 위성측정신호를 이용한 위성 위치 결정 방법의 일실시예 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a satellite positioning method using satellite measurement signals according to the present invention.
샘플 저장부(Sample Storage)(207)에 저장된 기저대역 TM 데이터를 매핑 과정을 통하여 기저대역 TM 데이터 시퀀스가 생성되고(301), 레인징 패킷(Ranging Packet)을 매핑한 후(302) 부호화(303) 과정을 통하여 레인징 패킷(Ranging Packet) 시퀀스가 생성되면 두 시퀀스를 상관(Correlation)시킨다(304).A baseband TM data sequence is generated by mapping the baseband TM data stored in the sample storage unit 207 (step 301), mapping a ranging packet (302), and encoding (303). When a ranging packet sequence is generated through the process, the two sequences are correlated (304).
이후, 피이크 검출부(Peak Finder)를 통해 상관 결과로부터 피이크 지점(Peak position)(즉, 상관 결과의 최대값)이 구해지고(305), 좀 더 정확한 값을 구하기 위해 보간(Interpolation)을 수행하여 정확한 피이크 지점(exact peak position)을 찾는다(306). Then, the peak position (ie, the maximum value of the correlation result) is obtained from the correlation result through the peak finder (305), and interpolation is performed to obtain a more accurate value. Find the peak peak position (306).
결과적으로, 현재시간과, 데이터 매핑시에 생성된 시작점(start position), 정확한 피이크 지점(exact peak position)을 이용하는 시간매핑 과정을 통하여 레인징패킷 도착시간(Ranging PAT)을 계산한다(307). As a result, the ranging packet arrival time (Ranging PAT) is calculated through a time mapping process using a current time, a start position generated during data mapping, and an exact peak point.
그리고 나서, 레인징패킷 도착시간(Ranging PAT)을 이용하여 주(Primary) TTC 서브시스템(120)에서 GEO위성(100)까지의 의사거리(Pseudorange), 를 계산 할 수 있다(308). 또한, 유사한 방법으로 부(Backup) TTC 서브시스템(130)에서도 GEO위성(100)까지의 의사거리 (Pseudorange), 를 계산할 수 있다(308).Then, using the ranging packet arrival time, the pseudorange from the
이하, 주(Primary) TTC 서브시스템(120)에서, 자신이 구한 주(Primary) TTC 서브시스템(120)에서 GEO위성(100)까지의 의사거리(Pseudorange)와, 부(Backup) TTC 서브시스템(130)으로부터 수신한 부(Backup) TTC 서브시스템(130)에서도 GEO위성(100)까지의 의사거리(Pseudorange)(309)를 이용하여, 주(Primary) TTC 서브시스템 (120)에서 GEO위성(100)까지의 거리(Rp)를 구한 후(310), 이를 이용하여 GEO위성(100)의 좌표상에서의 위치를 구하는 과정(311)을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the pseudorange from the
Geocentric Cartesian 좌표계에서 지구의 반지름 Re = 6378.155[Km], 주(Primary) TTC 서브시스템(120)의 위치에서 경도를 θ
L (서경: θ
L
> 0 , 동경 θ
L
< 0 ), 위도를 θ
l (북위: θ
l
> 0 , 남위: θ
l
< 0 )라 하고, 주(Primary) TTC 서브시스템(120)에서 GEO위성(100)까지의 거리(Ranging), 방위각(Azimuth) 및 앙각 (Elevation)을 (Rp, Ap, Ep)라 하면, GEO 위성(100)의 위치(xS, yS, zS)는 다음의 [수학식 1]로 표현할 수 있다. In the Geocentric Cartesian coordinate system, the radius of the earth, R e = 6378.155 [Km], is the longitude at θ L (west diameter: θ L > 0 , longitude θ L <0 ), latitude θ l at the location of the primary TTC subsystem 120 (North: θ l > 0 , south: θ l <0 ), ranging from
여기서, Ap′는 방위각 Ap와 다음과 같은 관계식으로부터 얻어진다. Here, A p 'is obtained from the azimuth angle A p and the following relational expression.
북반구의 경우, 주(Primary) TTC 서브시스템이 위성의 서쪽에 위치할 때에는 Ap′= 180° - Ap 이고, 주(Primary) TTC 서브시스템이 위성의 동쪽에 위치할 때에는 Ap′= Ap - 180°이다. 한편, 남반구의 경우, 주(Primary) TTC 서브시스템이 위성의 서쪽에 위치할 때에는 Ap′= Ap 이고, 주(Primary) TTC 서브시스템이 위성의 동쪽에 위치할 때에는 Ap′= 360° - Ap 이다.In the northern hemisphere, A p '= 180 °-A p when the primary TTC subsystem is located west of the satellite, and A p ' = A p -when the primary TTC subsystem is located east of the satellite. 180 °. On the other hand, in the southern hemisphere, A p '= A p when the primary TTC subsystem is located west of the satellite, and A p ' = 360 ° when the primary TTC subsystem is located east of the satellite. -A p .
또한, 부(Backup) TTC 서브시스템(130)의 위치에서, 경도를 θ
L, b
(서경:
θL, b, > 0 , 동경: θ
L, b
< 0 ), 위도를 θ
l ,b ( 북위: θ
l ,b
> 0 , 남위: θ
l ,b
< 0 )라고 하면, 부(Backup) TTC 서브시스템(130)의 위치(xb, yb, zb)는 다음의 [수학식 2]로 표현할 수 있다.In addition, at the position of the
한편, 주(Primary) TTC 서브시스템(120)에서 GEO 위성(100)까지의 의사거리 (Pseudorange)는 위성에서 레인징 패킷(raging packet)을 전송한 시간(Tsat)과 주(Primary) TTC 서브시스템(120)에서 레인징 패킷(raging packet)을 수신한 시간(Tprimary)의 차를 이용해서 계산할 수 있고, GEO 위성(100)과 주(Primary) TTC 서브시스템(120) 간에 시각적으로 동기되지 않음으로 인한 오차가 발생하므로 위성의 시각오차성분(ΔTS)과 주(Primary) TTC의 시각오차성분(ΔTP)을 고려해서 표현하면 다음의 [수학식 3]으로 정리된다.On the other hand, the pseudorange from the
상기 [수학식 3]에서 전리층(ionosphere) 오차 및 대류권(troposphere) 오차 성분을 무시하면, c(TS-TP) = RP이므로 주(Primary) TTC 서브시스템(120)에서 GEO 위성(100)까지의 의사거리(Pseudorange)는 최종적으로 다음의 [수학식 4]으로 정리된다.Ignoring the ionosphere error and troposphere error components in Equation 3, c (T S -T P ) = P = pseudorange from
상기 [수학식 4]을 구하는 방법과 유사한 방법으로, 부(Backup) TTC 서브시스템(130)에서 GEO위성(100)까지의 실제 거리를 Rb로 놓고, 부(Backup) TTC 서브시스템의 시각오차성분(ΔTb)을 고려하면 부(Backup) TTC 서브시스템(130)에서 GEO 위성(100)까지의 의사거리(Pseudorange)는 다음의 [수학식 5]로 정리된다. In a method similar to the above Equation 4, the actual distance from the
주(Primary)/부(Backup) TTC 서브시스템(120, 130)은 GPS 신호를 수신하여 고정밀 클럭으로 동작하므로 시각 동기를 유지하고 시각오차성분을 무시할 수 있다. 따라서, [수학식 4], [수학식 5]를 정리하면, 다음의 [수학식 6], [수학식 7] 로 표현된다.Primary /
여기서, c는 빛의 속도이다.Where c is the speed of light.
한편, 부(Backup) TTC 서브시스템(130)의 위치에서 GEO 위성(100)의 위치(xS, yS, zS)까지의 거리(Rb)는 다음의 [수학식 8]로 계산할 수 있다. On the other hand, the position of the
상기 [수학식 8]에 [수학식 1]과 [수학식 2]를 대입하여 정리하면, [수학식 8]에서 Rb는 RP의 관계식(즉, Rb =f(RP)인 함수관계)로 표현되고, 이를 [수학식 7]에 대입하면 [수학식 7]은 두 미지수 RP와 ΔTS에 대한 방정식이 된다.[8] By substituting [Equation 1] and [Equation 2] into [Equation 8], in Equation 8, R b is a function of R P (that is, R b = f (R P )) And substituting it into Equation 7, Equation 7 becomes an equation for two unknowns R P and ΔT S.
결과적으로, [수학식 6]과 [수학식 7]은 모두 미지수 RP와 ΔTS의 방정식이므로, 이 해를 구하면, 주(Primary) TTC 서브시스템(120)에서 GEO위성(100)까지의 거리(Ranging)인 RP를 구할 수 있고(310), 이를 [수학식 1]에 대입하면 결과적으로 GEO 위성(100)의 위치를 계산할 수 있다(311).As a result, Equations 6 and 7 are both equations of unknown R P and ΔT S , so this solution yields the distance from the
요컨대, 위성의 위치 결정 방법은, 첫째, 주 TTC 서브시스템에서의 GEO 위성에 대한 위도, 경도, 방위각, 앙각을 이용하여, 주 TTC 서브시스템에서 GEO위성까지의 거리(Rp)의 함수로 이루어진, 상기 GEO위성의 위치에 대한 직교좌표계의 좌표점(xS, yS, zS)을 구하는 과정(수학식 1을 이용하면 됨); 둘째는, GEO위성의 좌표점(xS, yS, zS)과 부(Backup) TTC 서브시스템의 좌표점(xb, yb, zb)을 이용하여, 부(Backup) TTC 서브시스템에서 GEO위성까지의 거리(Rb)를 산출하는 과정(수학식 8을 이용); 셋째, [수학식 6]과 [수학식 7]을 이용하여 주 TTC 서브시스템에서 GEO위성까지의 거리(Rp)를 산출한 후, 그 GEO위성까지의 거리(Rp)를 이용하여 GEO위성의 좌표상의 위치를 결정하는 과정(수학식 1을 다시 이용함)을 통하여 구해진다.In short, the satellite positioning method consists of firstly a function of the distance (R p ) from the main TTC subsystem to the GEO satellite, using the latitude, longitude, azimuth and elevation for the GEO satellite in the main TTC subsystem. Obtaining a coordinate point (x S , y S, z S ) of a Cartesian coordinate system with respect to the position of the GEO satellite (Equation 1); Second, the backup TTC subsystem using the coordinate points (x S , y S, z S ) of the GEO satellite and the coordinate points (x b , y b, z b ) of the Backup TTC subsystem. Calculating the distance (R b ) from the to GEO satellite (using Equation 8); Third, after calculating the distance (R p ) from the main TTC subsystem to the GEO satellite using Equations (6) and (Equation 7), the GEO satellite is calculated using the distance (R p ) to the GEO satellite. It is obtained through the process of determining the position on the coordinate of (using Equation 1 again).
앞에서 기술한 방법은 주(Primary) TTC 서브 시스템(120)을 기준으로, 주(Primary) TTC 서브시스템(120)에서 GEO위성(100)까지의 거리(Ranging), 방위각(Azimuth), 및 앙각(Elevation)을 (RP, AP, EP)라 놓고, RP를 구하여 GEO 위성(100)의 위치 (xS, yS, zS)를 계산하였다. The method described above is based on the
상기와 유사한 방법으로 부(Backup) TTC 서브시스템(130)을 기준으로, 부(Backup) TTC 서브시스템(134)에서 GEO 위성(100)까지의 거리(Ranging), 방위각 (Azimuth), 및 앙각(Elevation)을 (Rb, Ab, Eb)라 놓고, Rb를 구하여 GEO 위성(100)의 위치 (xS, yS, zS)를 계산할 수도 있다. Similar to the above, with respect to the
상기와 같이, 주(Primary) TTC 서브시스템(120)을 기준으로, 부(Backup) TTC서브시스템(130)을 기준으로 계산하여, 2개의 GEO위성 위치 데이터(xS, yS, zS
)를 계산할 수 있으므로, 결과적으로 좀 더 정확한 위성의 위치를 결정할 수 있다.As described above, two GEO satellite position data (x S , y S, z S ) are calculated based on the
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.As described above, the method of the present invention may be implemented as a program and stored in a recording medium (CD-ROM, RAM, ROM, floppy disk, hard disk, magneto-optical disk, etc.) in a computer-readable form. Since this process can be easily implemented by those skilled in the art will not be described in more detail.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited by the drawings.
상기와 같은 본 발명은, 레인징(ranging) 신호를 전송하기 위하여 별도의 채널을 사용하지 않고 위성측정신호(Telemetry)로 사용되는 채널을 이용함으로써, 위성 탑재체에서 레인징(ranging) 신호를 처리하기 위한 기능이 필요없게 되어, 위성 의 부담을 줄일 수 있는 효과가 있다.As described above, in the present invention, a ranging signal is processed by a satellite payload by using a channel used as a satellite measurement signal without using a separate channel to transmit a ranging signal. There is no need for a function to reduce the burden on the satellite.
또한, 본 발명은, 레인징(ranging) 신호를 별도로 전송하지 않고, 위성의 고유한 레인징 패킷(Ranging Packet)을 포함하는 위성측정신호(Telemetry)를 전송함으로써, 다중변조방식을 사용할 필요가 없으므로 위성체나 TTC의 송수신 장비의 구조를 간단하게 할 수 있으며, 더불어 다중변조로 인한 위성 명령신호 또는 위성 측정신호에 대한 간섭 문제를 해결할 수 있게 하는 효과가 있다.In addition, the present invention does not require the use of a multimodulation scheme by transmitting a satellite measurement signal (Telemetry) including a unique ranging packet of a satellite, without separately transmitting a ranging signal. It is possible to simplify the structure of the transmitting and receiving equipment of the satellite body or TTC, and also to solve the interference problem of the satellite command signal or the satellite measurement signal due to the multiple modulation.
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