KR20000060658A

KR20000060658A - 차량탑재 수신 안테나 시스템을 위한 위성추적 장치 및 제어방법

Info

Publication number: KR20000060658A
Application number: KR1019990009168A
Authority: KR
Inventors: 박찬구; 전순익; 이성팔
Original assignee: 정선종; 한국전자통신연구원
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2000-10-16
Also published as: KR100309682B1; US6191734B1

Abstract

본 발명은 차량에 탑재되는 위성방송(또는 위성통신 수신신호)을 수신하기 위한 안테나의 자세제어 및 이를 운용하기 위한 알고리즘에 관한 것으로, 특히, 이동체의 이동방향에 따라 변동하는 위성방향을 추적제어하는 기능을 보유한 안테나의 위성추적 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 앙각방향으로는 전자적인 빔을 이용하여 추적하고 방위각방향으로는 기계적으로 추적하는 하이브리드 추적방법으로서 특히 기계적인 추적성능을 개선하기 위하여 방위각 방향의 추적오차를 보상하기 위하여 전자적인 추적 기능에서 앙각방향뿐만 아니라 다소의 방위각 방향 제어도 가능하게하여 제어성능면에서는 전전자적인 추적방법의 성능을 빔효율면에서는 기계적인 효율을 갖는 안테나의 추적 시스템과 이를 운용하기 위한 제어방법을 제시한다.

Description

차량탑재 수신 안테나 시스템을 위한 위성추적 장치 및 제어방법{Satellite Tracking Control Method and Tracking apparatus for Vehicle-mounted Receive Antenna Systems}

본 발명은 차량에 탑재되는 위성방송(또는 위성통신 수신신호)을 수신하기 위한 안테나의 자세제어 및 이를 운용하기 위한 알고리즘에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량에 탑재되는 안테나에서 전자적인 추적방법과 기계적인 추적방법의 장점을 살려 차량의 이동방향에 따라 위성을 빠르면서도 정확하게 추적하기 위한 것이다.

이동체에 탑재된 안테나에서 위성으로부터의 신호를 수신하기 위해서는 위성방향으로 안테나를 지향해야 하며, 이를 위한 적절한 위성추적 수단이 요구된다. 일반적으로 센서를 이용하는 개루프 방식, 위성으로부터 수신하는 신호를 이용하는 폐루프 방식 및 두 방식을 혼합한 하이브리드 방식으로 분류할 수 있다.

위성으로부터의 신호를 사용하여 위성을 찾고 유지시키는 방법으로 대표적인 것으로는 스텝 추적 방법 및 모노펄스 방법이 있으며, 개루프 방법은 기하학적인 컴파스(geomagnetic compass) 와 레이트 센서(rate sensor)와 같은 단지 센서만을 사용하는 방법이다. 항공기와 선박에서는 NNSS(Navy Navigation Satellite Syatem) 및 INS(Inertial Navigation Syatem) 의 항해(Navigation) 시스템을 갖추고 있으므로 보통 이 방법을 사용하지만, 육상 이동 차량에서는 터널 및 건물에 신호의 차단을 고려하여 보통 스텝 추적 또는 모노펄스 방법과 각도 센서를 동시에 이용하는 하이브리드 방법을 사용한다.

기존의 위성추적 방법의 구성은 초기 위성 서어치 모드, 추적모드 및 블록킹 처리 모드(또는 반복추적모드)로 구성되어 있다. 초기 위성 서어치 모드는 전방향으로 안테나 또는 빔을 회전시키면서 신호레벨이 최대가 되는 방향을 찾고, 추적모드는 신호레벨이 소정의 한계치 이상일 경우에 신호레벨 또는 모노펄스 위상신호 또는 차량의 회전 각도 데이터를 이용하여 위성을 계속적으로 추적하며, 블록킹 처리모드(또는 반복추적모드)에서는 이동체가 터널을 통과하거나 건물의 영향에 의해서 위성의 신호를 수신할 수 없는 경우에 차량의 회전 각도 센서의 데이터를 이용하여 위성방향을 유지시킨다.

한국 특허 공고 92-10206 은 차량탑재 Ku-band 위성방송 수신기용 안테나에 관한 것으로, 위성추적은 모노펄스 방법으로부터 얻은 지향 오차각, 자이로스크프로 부터의 방위각 및 AGC 전압을 이용한다. 초기에 위성 서어치는 AGC 전압으로 표시되는 수신레벨을 감시하면서 방위각을 1°씩 증가시키고 신호레벨이 한계치 Lo를 초과하면 트래킹처리를 수행한다. 트래킹처리는 모노펄스 위상차와 자이로 데이터를 이용하여 지향 오차각을 계산하여 트래킹하며 수신레벨이 한계치 Lo 이하가 되면 자이로제어처리를 수행한다. 자이로제어처리 자이로데이타를 판독하여 수신레벨이 저하하기 직전의 값과 비교하여 안테나의 지향 오차각을 계산하여 그 이전의 안테나 자세를 유지하고 타이머 값이 소정시간 To를 초과하기 까지는 상기의 트래킹처리로 진행하고 To까지 수신레벨이 회복되지 않으면 서어치처리로 진행한다.

미국 특허 449,671은 한국 특허 공고 92-10206와 마찬가지로 차량탑재 Ku-band 위성방송 수신기용 안테나에 관한 것으로, 한국 특허 공고 92-10206에서 모노펄스로부터 구한 오차신호에 포함된 에러를 제거하여 정확하게 지향 오차각을 검출하기 위해 고안된 것으로, 정현 및 여현으로 표시되는 위상오차 신호로부터 그것의 비를 구함으로써 에러를 제거한다. 위성추적을 위해 모노펄스 정현 및 위상오차 신호의 자승평균치, 그 비에 의한 절대오차신호 및 자이로센서 데이터를 이용한다. 초기 위성 서어치처리는 자승평균치가 소정의 한계치보다 작거나 같으면 소정의 시간 동안 안테나를 전방향으로 회전시키고 크면 스캐닝을 중지하고 피크검출을 시작한다. 피크검출은 안테나를 회전시킨 후 자승평균치를 판독하여 과거의 값과 비교하여 크면 현재 방향으로 안테나를 회전시키고 작아지면 반대방향으로 회전시켜 지향방향을 일치시킨다. 다음에 자이로 데이터를 리셋시키고 절대오차신호로부터 각도 데이터를 판독하여 안테나를 제어한 후에 자승평균 치가 소정의 한계치 보다 크면 지향방향의 일치도가 높다고 판단하고 자이로 데이터를 리셋시킨 후에 자이로 데이터에 의한 지향 오차각을 구한다. 블록킹처리는 자승평균치가 신호차단을 의미하는 소정의 한계치보다 작으면 자이로 데이터 지향 오차각을 판독하여 안테나를 제어하고 다시 그 한계치보다 커지면 오차신호에 의해 안테나 제어한다.

미국특허 5,166,693은 L-band 위성이동통신을 위해 고안된 것으로 위성을 추적제어는 위성방향 서치, 회전시 빔제어, 비회전시 빔제어 및 블록킹시 빔제어등 으로 구성된다. 수신레벨을 읽어 스위칭 레벨보다 작으면 블록킹 레벨과 비교하여 작으면 블록킹 모드로 진행하여 각도 센서각에 의해 추적하고 크거나 같으면 각도 센서각을 읽어 이전값과 비교하여 회전상태를 판단한다. 위성 서치는 빔방향을 변경후 수신레벨을 읽어 그것이 최고 수신레벨보다 크면 그것을 최고 수신레벨로 저장하고 그때의 빔방향을 저장하면서 전방향에 대해 반복한다. 블록킹시 빔제어는 각도 센서의 데이타를 읽어 회전각을 결정하여 기준각을 초과하면 옆의 빔으로 이동한 후 수신레벨을 판독하여 스위칭 레벨과 비교하여 크거나 같으면 그대로 유지하고 작으면 타이머를 조사하여 제한시간을 경과할 때 까지 앞단계를 반복하고 그시간을 경과하면 위성 서치 모드로 진행한다. 비회전시 빔제어는 수신신호 레벨이 블록킹 레벨보다 크고 스위칭 레벨 보다 작으면 빔을 왼쪽으로 이동시키고 그때의 레벨을 그전의 값과 비교하여 크면 왼쪽회전으로 판단하고 작으면 오른쪽으로 변경시키고 그때의 레벨을 이전 수신레벨과 비교하여 크면 수신레벨을 읽어 스위칭 레벨과 비교하고 그렇지 않으면 빔을 원래 방향으로 되돌린다. 회전시 빔제어는 회전방향을 판단후 빔을 회전시키고 그때의 레벨을 이전값과 비교하여 크면 수신레벨을 읽어 스위칭 레벨과 비교하고 그렇지 않으면 빔을 원래 방향으로 되돌린다.

위에서 설명된 종래의 차량탑재용 안테나의 위성추적 방법을 실제로 차량탑재 위성방송 수신 시스템에 적용할 때 다음과 같은 문제점이 있다.

(1) 폐루프추적방법인 모노펄스추적에서 기계적으로만 방위각 제어를 할 경우 기존방법으로는 빠르면서도 정밀한 제어를 할 수 없는 문제가 있다.

(2) 전전자적인 추적방법으로는 빔효율이 떨어져서 위성 수신하기위한 고 이득의 위성안테나 추적 시스템을 구현하기가 힘들고 구조가 복잡한 문제가 있다.

(3) 지향오차가 큰 상태에서 차량 방향을 이동하는 경우의 위성 방향 서어치에서 서어치시간이 짧으면서도 정밀 포착이 어렵다.

(4) 하이브리드안테나 방식의 배열안테나의 경우 빔조향제어기의 기능이 회전체위에 있고 고정체에 주알고리즘을 운용하는 중앙처리장치가 있어서 로터리조인트를 통하여 시리얼 데이터 통신 및 제어가 이루어져야하므로 빠른제어가 불가능한 단점이 있다.

(5) 기계적으로 방위각을 제어할 경우 스템모터를 사용할 경우, 제어는 간편하나 토크에 대한 전력효율이 낮고 경제적으로도 값비싼 단점이 있어서, 직류서보모터로 제어하게 되는데, 서보모터제어에 있어서 일반적 빠른 응답제어를 할 경우 응답특성이 불안정하고 안정적 제어를 할 경우는 응답특성이 느려서 안정적이면서도 빠른 응답제어의 어려운 문제점이 있다.

상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출되는 본 발명은 위성추적 및 제어는 다음과 같은 차량탑재 안테나 시스템 구성을 바탕으로 제어 및 추적 알고리즘이 이루어진다.

도 1은 본 발명이 적용되는 시스템의 블록구조를 설명하는 구성도.

도 2는 본 발명의 위상배열구조를 설명하는 구성도.

도 3은 도 2를 측면에서 본 구조도.

도 4는 도 2의 방사 및 능동채널부의 블록도.

도 5는 도 1의 전력조합기 및 빔성형부의 블록도

도 6은 추적빔의 종류를 그린 개념도.

도 7은 도 1의 빔조향제어부의 상세 블록도.

도 8은 도 1의 모터제어 및 위성추적부의 상세 블록도.

도 9는 도 7의 빔조향제어기용 알고리즘의 전체 흐름도.

도 10은 INIT_BSC(빔조향기제어기 초기화 알고리즘)의 흐름도.

도 11은 AIS_BSC(빔조향기제어기 초기 및 반복추적 알고리즘)의 흐름도.

도 12는 ATAM_BSC(빔조향기제어기 자동추적 알고리즘)의 흐름도.

도 13은 도 8의 모터제어 및 위성추적부에서 수행하는 알고리즘의 전체 흐름도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

100 : 레이돔부 200 : 회전부

210 : 방사 및 능동채널부 230 : 전력조합기 및 빔 성형부

240 : 주파수 변환기 250 : 추적신호변환부

260 : 빔조향제어부 270 : 각속도감지기

300 : 로터리조인트 400 : 고정부

410 : 모터제어 및 위성추적부 420 : 모터 및 구동장치

430 : 전원부

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과같다.

도 1은 본 발명이 적용되는 시스템의 블록구조를 설명하는 구성도이다.

시스템은 레이돔부(100)와 회전부(200) 및 고정부(400)로 구성되는데 위성신호가 레이돔부를 통과하여 방사 및 능동채널부(210)를 통과하여 그 출력신호(220)가 전력조합기 및 빔성형부(230)에서 주빔신호(230a)와 추적빔신호(230b)을 출력하며 주빔신호(203a)는 주파수 변환기(240)를 통하여 위성방송을 수신할수 있는 주파수 대역으로 변환하여 로터리조인트(300)를 통하여 위성방송 수신신호를 출력하며 추적신호변환부(250)에서는 추적빔신호(230b)를 추적빔세기신호(250a)로 변환하여 빔조향제어부(260)로 입력한다.

이때 빔조향제어부(260)는 추적신호변환부(250)에 내장된 채널선택용 튜너를 제어하기 위하여 추적하고자 하는 채널을 선택하기 위한 채널선택 제어신호(260a)를 입력한다. 각속도감지기(270)도 안테나 회전부(200)의 절대각속도를 감지하여 각속도감지신호(270a)를 전압의 형태로 빔조향제어부(260)로 입력한다.

한편 빔조향제어기(260)은 위상제어신호(260c)를 방사 및 능동채널부(210)로 전달하고 추적빔 제어신호(260b)을 전력조합기 및 빔성형부(230)로 전달하며, 로터리조인트(300)를 통하여 모터제어 및 위성추적부(410)와 RS232통신신호을 주고 받는다.

한편 전원부(430)는 차량전원을 입력받아 로터리조인트(300)를 통하여 회부(200)에 전원을 공급하고 고정부(400)의 모터 및 구동장치(420)와 모터제어 및 위성추적부(410)에 공급한다. 기계적으로 안테나를 회전시키는 모터구동장치(420)는 회전부(200)을 회전시키게 되며, 로터 리조인트(300)는 회전부(200)와 고정부(400)의 전기적인 연결을 담당한다.

도 2는 본 발명의 위상배열구조를 설명하는 구성도이다.

도 1의 방사 및 능동채널부(210)를 시스템 윗쪽에서 본 그림으로 방사 및 능동채널부(210)의 개수가 m개((예)12개)일 때 CH1 내지 CH12는 각각 방사 및 능동채널 방사부(212)의 위상배열구조이며 회전체구조물(211)에 의해 회전체에 장착되어 있다. 각 각 화살표방향 U1과 U2는 안테나의 측면방향 즉 회전방향과 전방방향을 의미한다.

도 3은 도 2를 측면에서 본 구조이다.

레이돔(100)과 도 2의 CH1 내지 CH12의 방사 및 능동채널부에 각각 부착된 12개의 방사부(212)를 볼수 있으며, 회전체 구조물 속에는 도 1의 회전부(200)에서 방사부(212)를 제외한 나머지 구조물이 장착된다. 로터리조인트(300)가 회전체와 고정체를 연결하며, 벨트(213)는 모터 및 구동장치(214)로부터 회전력을 회전체 구조물(211)에 전달하여 기계적인 제어가 가능하게 구성되어 있다. 한편 화살표 방향 U12는 안테나의 전방방향을 의미하며, 화살표방향 U11은 안테나의 수직방향을 의미한다.

도 4는 도 2의 CH1 내지 CH12의 방사 및 능동채널부의 블록도이다.

방사부(212-1)에서 위성신호가 입력된 다음 저잡음증폭기(212-2)에서 신호를 증폭한 다음 위상을 지연시키는 기능을 하는 위상천이기(212-3)을 통과하고 다시 신호를 증폭기(212-4)로 증폭하여 출력신호를 전력 조합기 및 빔성형부(230)으로 출력한다. 여기서 위상천이기(212-3)의 위상지연양은 빔 조향제어기(260)의 위상천이기 제어신호(260c)에 의해서 제어된다.

도 5는 도 1의 전력조합기 및 빔성형부(230)의 블록도이다.

도 4의 방사 및 능동채널부(210)의 방사부(212)의 출력신호를 전력조합기 (231)로 합한 다음 다시 추적빔 생성용 위상천이기(232)를 통하여 추적빔신호(230b)와 주빔신호(230a)를 각각 출력하는데 추적빔 생성용 위상천이기(232)를 제어하기 위한 제어신호(260a)는 도 1의 빔조향제어부(260)의 추적빔제어신호(260a)를 이용한다. 도면에서 4개의 전력조합기(231-1,∼,231-4)의 주빔신호(230'a)를 합한신호가 도 1의 주빔신호(230a)가 되며, 추적빔신호(230'b)를 합한 신호가 추적빔신호(230b)가 된다.

도 6은 추적빔의 종류를 그린 개념도이다.

도 5의 4개의 추적빔 생성용 위상천이기(232-1,∼,232-4)를 이용하여 각각 좌측빔(230b-1), 우축빔(230b-2), 상단빔(230b-3), 하단빔(230b-4) 및 중앙빔(230b-5)을 나타내며, 추적빔은 여기서 주빔과 구별하여 보조빔이라고 부르기도 한다. 화살표 방향(U21)은 방위각방향이며 (U22)은 앙각방향을 의미하여 추적빔신호(230b)를 추적신호변환부(250)에서 변환하여 추적빔세기신호(250a)를 빔조향제어부(260)로 전달함으로서 빔조향제어부(260)의 추적빔을 이용한 모노펄스추적이 가능해진다.

도 7은 도 1의 빔조향제어부(260)의 상세 블록도이다.

ROM(262)은 프로그램과 데이터를 저장하여 중앙처리장치(261)에서 데이터 및 프로그램을 RAM(263)에 저장한 다음 프로그램을 수행하며, 위상천이 제어기(265)는 데이타 및 어드레스버스를 사용하여 메모리에 출력하는 것과 같은 방법으로 출력하며(260b), 위상천이기 및 추적빔생성용 위상천이기(232)를 제어한다.

한편 중앙처리장치(261)는 프로그램을 수행하면서 시리얼통신신호를 통하여 RS232시리얼통신부(267)를 통하여 모터제어 및 위성추적부(410)와 시리얼 통신을 하고, 추적신호변환부(250)에 채널선택제어신호(260a)를 출력하고 추적빔세기신호(250a)와 각속도감지기(270)의 각속도감지신호(270a)를 AD변환기(268)를 통하여 각 각 입력 받는다.

도 8은 도 1의 모터제어 및 위성추적부(410)의 상세 블록도이다.

ROM(412)은 프로그램과 데이터를 저장하여 중앙처리장치(411)에서 데이터 및 프로그램을 RAM(413)에 저장한다음 프로그램을 수행하며 데이타 및 어드레스버스(418)을 사용하여 데이터를 주고 받는다. 한편 중앙처리장치(411)는 프로그램을 수행하면서 시리얼통신 신호라인을 통하여 RS232시리얼통신부(414)를 통하여 빔조향제어부(260)와 시리얼통신을 하고, 모터제어부(415)에 제어신호와 모터의 위치데이터를 모터제어 및 데이터신호 라인으로부터 주고 받으며 모터제어부(415)는 모터 및 구동부(420)의 제어신호을 통하여 안테나의 회전운동을 제어한다.

도 9는 도 7의 빔조향제어기용 알고리즘의 전체 흐름도이다.

알고리즘은 크게 Init_BSC(초기화)(S102), AIS_BSC(초기 및 반복추적)(S103), ATAM_BSC(자동추적)(S105) 및 시리얼 인터럽트루틴(S109)로 구성된다. BSC(빔조향제어기)의 스위치가 ON되면 H/W적인 초기화가 끝나고 알고리즘이 시작(S100)되고 알고리즘 리세트 플래그(Reset Flag)인 Init를 0으로 초기화(S101)하는데 만약 이 값이 1이 되면 알고리즘을 무조건 새로 시작하게 된다. init=0은 STP(모터제어 및 위성추적부)(S111)로부터 초기화하라는 RS232신호가 도달하지 않은 상태를 의미하며 Init_BSC(S102)에서는 위성 추적빔신호가 되는 채널을 선택하게된다.

다음으로 AIS_BSC(S103)를 수행하며 (S104)에서는 STP(모터제어 및 위성추적부)(S111)가 위성 신호가 임계치이상이고 ADC의 안테나의 회전절대각속도가 안정된경우에 응답-플래그(Response_flag)를 발생시키고 이때 BSC(빔조향제어기)는 SIR(S109)에서 R_flag=1로 셋팅이 되어 ATAM_BSC(S105)모드를 수행하거나 그렇지 않으면 (S110)을 수행한다. (S110)에서는 Init를 체크하여 1이 아니면 AIS_BSC(S103)를 수행하고 1인 경우는 Init_BSC(S102)를 수행하는 알고리즘을 수행한다.

한편 AIS_BSC(S103) 및 ATAM_BSC(S105)에서 상태를 STP에 보내는데, 그 내용은 AIS_상태(S106)의 경우는 앙각각도(4bit)와 그때의 수신신호의 세기, Sr(4bit)가 포함되어 1 byte씩 보내게 되며 ATAM_상태(S107)의 경우는 방위각방향의 빔 Tilt각도(dP(t) : 2도이내) 4bit와 그때의 수신신호의 세기, Sr(4bit)를 STP로 보내게 된다.

전체알고리즘의 흐름도 순서와는 독립적으로 1개의 인터럽트가 동작하는데 그것은 RS232수신(S108)이 일어났을 때 동작하는 Sreial Interrupt Routine(S109)으로 상위 4bit 가 0인경우는 Init BSC신호를 의미하고 그렇지않은 경우는 Response_flag를 의미한다. 각각이 도착하면 init와 R_flag를 1로 자동적으로 셋팅하게된다.

도 10은 INIT_BSC(빔조향기제어기 초기화 알고리즘)의 흐름도이다.

INIT_BSC(빔조향기초기화)가 시작(S113)되고 제 9도의 SIR(S109)를 셋업(S114)한다. 만약 Init=1(S115)이면 Init_BSC신호(S108)의 하위4bit로부터 원하는 채널을 선택(S117)하게되며 이 신호가 도착하지 않으면 자동적으로 채널2번으로 선택(S122)하도록 한다. 한편STP(S120)로부터 도달하는 신호는 2가지인데 하나는 Init_BSC 신호(BSC초기화신호)이고 나머지 하나는 AIS에서 ATAM으로 넘어가는 flag인 Response_flag로서 이들이 도착했을 때 init 및 R_flag의 값을 1로 셋팅하게 되며 INIT_BSC는 이값을 초기화(S118)한 다음 알고리즘을 빠져(201)나온다.

도 11은 AIS_BSC(빔조향기제어기 초기 및 반복추적 알고리즘)의 흐름도이다. AIS_BSC가 시작(S125)한 다음 중앙빔(66-5)으로 추적빔을 제어하기 위하여 n=0의 값을 추적빔 생성용 위상천이기(163-1내지163-4)로 출력하게 되며(S126) 서치영역의 앙각을 일정한 각도로 나눈 앙각의 위치변수 I를 0으로 초기화(S127)한다음 앙각방향으로 빔을 순서대로 일정간격씩 서치(S129)하는데 방사 및 능동채널부(60-1내지60-12)내부의 위상천이기(57)에 빔의 방향을 제어하기 위한 데이터를 ROM(70)으로부터 읽어서 제어(S130)하게 된다. 그 다음 추적신호의 세기를 읽어서 A(0)에 저장한 다음 현재의 앙각의 위치(i)와 함께 STP(S134)로 AIS_상태를 출력(S132)하게 된다.

그 다음은 A(0)의 신호세기를 임계치(Vth)와 비교하고 또 R_flag=1인지를 비교(S133)하는데 만약 A(0)가 임계치(Vth)보다 크면 AIS_BSC를 빠져나오고(S136) 그렇지 않으면 앙각의 위치(i)를 서치구간(S135)까지 증가시키면서(S137) 앞에서 언급한 알고리즘을 반복하는데 반복 수행도중에 Init=1인지(S128)를 비교하면서 1인경우에 AIS_BSC를 빠져나온다(S136).

도 12는 ATAM_BSC(빔조향기제어기 자동추적 알고리즘)의 흐름도이다.

ATAM_BSC가 시작(S140)되면 앙각방향위치변수(j)와 방위각방향위치변수(k)를 AIS_BSC의 값으로 초기화(S141)하고 추적빔의 위치변수(n)를 움직이면서 각 각 그 신호의 세기를 A(n)에 각 각 저장(S143,S144,S145)한다. 여기서 Ar,Al,Au 및 Ad는 각 각 우측, 좌측, 상측,하측 추적빔을 의미하며, Sr은 중앙빔의 추적빔세기를 의미한다. 우선 좌측빔과 우측빔을 비교(S146)하여 큰쪽으로 방위각방향으로 빔조향범위안((예)k:0에서14)에서 빔조향(k를 증가또는 감소)(S147,S148)하고 우선 상측빔과 하측빔을 비교(S149)하여 큰쪽으로 앙각방향으로 역시 빔조향범위안((예)j:0에서255)에서빔조향(j를 증가또는 감소)(S150,S151)하여 전전자적인 개념의 자동추적빔조향제어를 구현하고 있다. 추적빔에 의한 빔조향제어를 한다음에는 ATAM_상태를 STP(S155)로 RS232를 통하여 전달(S152)하고 중앙빔의 신호의 세기를 임계치와 비교(S155)하여 신호세기(A(0))가 임계치(Vth)보다 작거나 Init=1(S154)인 경우에 ATAM_BSC 알고리즘을 빠져나간다(S156). 한편 ATAM_상태는 방위각방향으로 전자빔이 지향하는 각도에 해당하는 조향각변수(k)를 포함하고 있으며 STP(S153)은 이 조향각변수(k)를 이용하여 모터제어를 하게 되는데, 안테나의 전방방향과 주빔의 방위각방향 지향각이 일치할때 모터에의한 기계식 추적오차는 0이라고 할 수 있으며, 그 편차는 곧 모터의 추적오차를 의미한다. 모터의 추적오차가 빔조향 범위안에 있으면 안테나는 위성추적을 정상적으로 하게 되어 방위각방향으로 빔조향을 하지 않는 하이브리드식 안테나에 비해 그 빔 위성 추적성능면에서 우수하다.

도 13은 도 8의 모터제어 및 위성추적부에서 수행하는 알고리즘의 전체 흐름도이다.

전원이 켜지고 시스템을 초기화(S160)하는데, 입출력기능(DIP S/W(89) 및 LED(90))을 셋업하고 BSC(빔조향제어기)와의 RS232 시리얼통신(83)을 위한 초기화를 하며 모터제어부(88)를 초기화하여 모터를 제어할 준비를 한다. 다음에는 초기추적알고리즘(AIS)(S161)을 수행하는데 먼저 모터를 방위각방향으로 위성의 위치를 서치하기 위하여 방위각 방향 절대각속도 약 90도로 회전시키는데 이때 절대각속도를 유지하기 위하여 BSC(빔조향제어기)로부터 각속도감지기의 출력을 RS232로 입력받아 모터의 속도제어에 이용한다. AIS_BSC로부터 신호가 감지 될때까지 모터를 움직이다가 신호가 감지되는 순간 모터를 정지시키며, 신호감지부터 모터를 고정시키는 동안은 방위각 방향의 위성의 위치를 유지하기위하여 절대각도를 유지해야하므로 이때도 BSC(빔조향제어기)로부터 각속도감지기의 출력데이터를 이용한다.

모터가 정지가 되고 신호가 다시 잡혔음을 BSC를 통하여 알게 되고 STP는 BSC에 R_flag신호를 보내주어 BSC가 ATAM_BSC알고리즘을 수행하게 되는데, BSC로부터 도달되는 ATAM_상태(S152)로부터 방위각방향의 편차각(k)을 구하고 이를 모터제어에 이용하여 이 편차각이 0이 되도록 ATAM(자동추적 알고리즘)을(S163) 수행하는데, 도중에 블로킹등의 이유로 신호를 잃게 되면 ARS(반복추적 알고리즘)(S165)을 수행한다. 이때 BSC는 AIS_BSC를 수행하게 되며 AIS와는 달리 모터제어에서 현재의 방위각의 위치를 각속도감지기의 출력데이터를 이용하여 유지하면서 좌우로 조금씩 흔들어 주어 다시 신호가 잡히게(S164)되면 ATAM(S163)을 다시 수행한다. 한편 알고리즘 수행도중에 갑작스런 에러가 발생하면 에러처리루틴(S166)을 수행한 다음 다시 알고리즘을 초기화(S160)하고 AIS에서 장시간신호가 잡히지않을 경우 일정시간을 기다렸다가(S167) 다시 AIS를 수행한다.

본 발명은 상기와 같이 구성하여 종래의 위성추적의 정확도를 개선하여 위성추척손실을 보상할 수 있으며 경제적으로도 효율적인 성능을 발휘할 수 있다.

빔조향제어부는 자체적으로 추적빔제어기능, 추적신호세기 감지기능 및 위상천이기제어기능 및 위성추적을 위한 자체알고리즘 구현기능이 가능한 구조로 되어 있어서 빔조향제어부 자체에서 전전자적으로 앙각((예)약 ±15도 이내) 및 다소((예)약 ±5도이내)의 방위각을 제어가 가능하다. 이는 주 알고리즘 운용장치인 모터제어 및 위성추적부(410)의 제어 명령이 없이도 독자적으로 초기추적(AIS_BSC) (S103) 및 추적빔(모노펄스개념)을 이용한 자동추적(ATAM_BSC)(S104)이 가능하여 통신에 의한 알고리즘수행시간을 단축시키고, 기구적으로 회전부와 고정부를 연결하는 로터리조인트(300)의 전기적연결의 문제점 때문에 시리얼통신라인으로 구현하여야하는 문제점을 보완할 수 있도록 시리얼로 통신양이 적으면서도 정밀한 전자적인 빔조향이 가능하다.

추적빔의 채널선택기능은 원하는 위성만을 자동적으로 추적할 수 있는 기능을 갖추고 있어서 선택적으로 위성을 추적할수 있는 기능이 있다.

빔을 조향하기 위한 위상천이제어기(265)의 데이터를 중앙처리장치(262)를 이용한 연산에 의존하지 않고 ROM(262)에서 룩-업 테이블(Look-Up Table)방식으로 미리저장하였다가 데이터 및 어드레스버스(264)를 이용하여 병렬로 직접 쓰기(Writing)하여 구조적으로도 간단하고 S/W적으로도 쉽게 데이터를 로드할 수 있어 값싼 중앙처리장치(261)를 이용하면서도 고속의 제어기능을 담당할 수 있다.

주 알고리즘 운용장치인 모터제어 및 위성추적부(410)는 모터제어를 주기능으로 담당하여 많은 연산처리가 불필요하고 빔조향제어부(260)에서 출력하는 시리얼데이터 즉 AIS_Status(S106)와 ATAM_Status(S107)를 이용하여 현재 전체안테나시스템의 운용현황을 파악하고 특히 ATAM_Status(S107)는 방위각방향으로 전자빔이 지향하는 각도에 해당하는 조향각변수(k)를 포함하고 있어서, 모터제어 및 위성추적부(410)는 이 조향각변수(k)를 이용하여 모터제어를 하게 되는데, 모터의 추적오차가 방위각 빔조향범위안에 있으면 안테나는 위성추적을 정상적으로하게 되어 방위각방향으로 빔조향을 하지 않는 하이브리드식 안테나에 비해 그 빔 위성 추적성능면에서 상당히 우수하고 모터제어의 문제점인 빠른응답제어에서는 불안정하고 느린응답에서는 안정적제어라는 두 장점을 모두 살려 모터제어는 다소 느린응답의 안정적제어를 선택하고 응답속도의 단점을 빔조향제어부(260)의 빠른 전전자적인 방위각 빔조향기능을 이용함으로서 모터 및 구동장치(420)를 경제적으로 구성할 수 있는 구조적인 잇점도 있다.

전체적으로 시스템의 구성이 전전자에 비하여 간단하고 가격도 경제적이면서 추적성능은 전전자식 안테나의 성능에 가깝고 안테나의 전방방향에서 방사소자가 효율적이 되돌록 배치하여 빔효율이 뛰어나서 고이득의 안테나가 가능하고 일반적인 하이브리드 추적방식인 방위각추적에 있어서 기계적인 추적만으로는 불가능한 문제점을 해결할 수 있다.

Claims

레이돔부와, 그 레이돔부와 함께 위성 추적에 의한 회전을 하면서 위성신호를 수신하는 회전부와, 그 회전부와 로터리 조인트로 연결되어 위성추적을 위한 모터제어 및 위성추적부에 의해 상기 회전부의 위성추적을 제어하는 고정부로 구성된 차량탑재 수신안테나 시스템을 위한 위성추적 제어시스템에 있어서,

상기 회전부는,

위성신호가 레이돔부를 통해 위성신호를 수신하는 방사 및 능동채널부와;

그 방사 및 능동 채널부의 출력신호에서 주빔신호와 추적빔 신호를 검출하는 전력조합기 및 빔성형부와;

그 전력조합기 및 빔 성형부의 주 빔신호를 위성방송을 수신할 수 있는 주파수 대역으로 변환하여 위성방송 수신신호를 출력하는 주파수 변환기;

상기 전력조합기 및 빔 성형부의 추적빔 신호에 의거하여 추적빔 세기신호를 검출하는 추적신호변환부와;

회전부의 절대 각속도를 감지하는 각속도 감지부와;

그 각속도 감지신호, 상기 추적빔세기신호, 고정부의 모터제어 및 위상 추적을 위한 제어신호를 입력받아 상기 추적신호변환부에 내장된 채널선택용 튜너를 제어하기 위하여 추적하고자 하는 채널을 선택하기 위한 채널선택 제어신호를 상기 추적신호변환부에 출력하고, 상기 전력조합기 및 빔 형성부의 추적빔 제어신호 및 상기 방사 및 능동채널부의 위상제어신호를 출력하는 빔 조향 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량탑재 수신 안테나 시스템의 위성추적 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 빔조향제어부는,

자체적으로 추적빔제어기능, 추적신호세기 감지기능, 위상천이기제어기능 및 위성추적을 위한 자체알고리즘 구현이 가능하게 구성되어,

빔조향제어부 자체에서 주알고리즘 운용장치인 모터제어 및 위성추적부의 제어명령이 없이도 독자적으로 초기추적(AIS_BSC) 및 추적빔을 이용한 자동추적(ATAM _BSC)이 가능하고, 전전자적으로 ±15도 이내의 앙각 및 ±5도이내의 방위각의 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 차량탑재 수신 안테나 시스템의 위성추적 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 빔조향제어부는,

빔 조향 제어를 위한 중앙처리장치와;

빔의 조향 제어를 위한 룩-업 테이블과, 위성추적 제어를 위한 알고리즘을 저장하고 있는 롬 및 램과;

상기 중앙처리장치의 제어에 의해 위상천이 제어를 하는 위상천이 제어기와;

모터제어및 위성추적부와의 직렬통신을 하는 직렬통신부와;

추적신호 변환부 및 각속도 감지기의 신호를 디지탈 데이타로 변환시키는 AD변환기로 구성되고,

빔을 조향하기 위한 상기 위상천이제어기의 데이터를 상기 중앙처리장치를 이용한 연산에 의존하지 않고 상기 ROM에서 룩-업 테이블방식으로 미리저장하였다가 데이터 및 어드레스버스를 이용하여 병렬로 직접 로드시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량탑재 수신 안테나 시스템의 위성추적 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 모터제어 및 위성추적부는,

상기 빔조향제어부에서 출력하는 초기추적 및 반복 추적 상태신호와, 자동추적신호의 상태신호의 시리얼데이터를 이용하여 현재 전체안테나시스템의 운용현황을 파악이 가능하도록 구성한 것을 특징으로 하는 차량탑재 수신 안테나 시스템의 위성추적 시스템.
빔조향제어기의 스위치가 ON되면 하드웨어 초기화 및 위성추적 알고리즘을 시작하고 위성 추적빔신호의 채널을 선택하는 초기화 과정;

시스템 초기화 신호(Init)를 체크하여 위성 신호가 임계치 이상이고 안테나의 회전절대각속도가 안정될때까지 초기추적을 하는 초기추적 및 반복추적 과정과;

상기 초기 추적이 완료되면 자동 추적모드를 수행하는 자동추적 과정과;

상기 초기화, 초기추적, 자동추적 과정의 흐름과는 독립된 인터럽트로서 동작하고, 상기 초기추적 및 반복 추적과정에서 제공되는 앙각각도와 그때의 수신신호의세기, 직렬통신 인터럽트신호가 포함된 신호와, 상기 자동 추적과정에서 제공되는 방위각방향의 빔 Tilt각도, 그때의 수신신호의 세기, 직렬통신 인터럽트신호가 포함된 신호를 이용하여 상기 초기추적이 완료되면 응답 플래그를 발생시켜 자동 추적모드로 진행하게 하며, 시스템 초기화 신호(Init)와 응답 플래그의 세팅을 자동적으로 제어하는 직렬통신 인터럽트 과정;을 수행하여 앙각방향으로는 전자적인 빔을 이용하여 추적하고 방위각방향으로는 기계적으로 추적하는 하이브리드 추적을 하는 것을 특징으로 하는 차량탑재 수신 안테나 시스템의 위성추적 제어방법.
제 5 항에 있어서, 빔조향기제어기 초기화 과정은,

빔조향제어기의 초기화를 시작하고 상기 인터럽트 루틴을 셋업하는 단계와,

상기 인터럽트 루틴에 의해 초기화 플래그가 세트(Init = 1)이면, 초기화 빔 조향 제어신호에 의해 원하는 채널을 선택하는 단계와;

초기화 빔 조향 제어신호가 도달되지 않으면 자동적으로 미리 정해둔 채널을 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량탑재 수신 안테나 시스템의 위성추적 제어방법.
제 5 항에 있어서, 상기 초기 추적 및 반복 추적과정은,

초기 및 반복추적 알고리즘을 시작한 후, 중앙빔으로 추적빔을 제어하기 위하여 n=0의 값을 추적빔생성용 위상천이기로 출력하는 단계와;

서치영역의 앙각을 일정한 각도로 나눈 앙각의 위치변수 I를 0으로 초기화 한 다음 앙각방향으로 빔을 순서대로 일정간격씩 서치하되, 빔의 방향을 제어하기위한 데이터를 ROM의 룩-업테이블으로부터 읽어서 제어하는 단계와;

추적신호의 세기를 읽어서 A(0)에 저장한 다음 현재의 앙각의 위치(i)와 함께 모터제어 및 위성추적부로 상태신호를 출력하는 단계와;

상기 A(0)의 신호세기를 임계치(Vth)와 비교하고, 응답 플래그가 세트(R_flag=1)인지를 비교하는 단계와;

상기 A(0)가 임계치(Vth)보다 클때까지, 앙각의 위치(i)를 서치구간까지 증가시키면서 상기 단계들을 반복하며, 반복 수행도중에 모터제어 위성추적부에서 제공되는 초기화 플래그가 세트(Init=1)인지를 비교하면서 1인 경우에 초기추적 및 반복추적을 종료하는 단계를 수행하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 차량탑재 수신 안테나 시스템의 위성추적 제어방법.
제 5 항에 있어서, 상기 빔조향기제어기 자동추적 과정(ATAM_BSC)은,

자동추적이 시작되면, 앙각방향위치변수(j)와 방위각방향위치변수(k)를 초기 추적값으로 초기화하는 단계와;

추적빔의 위치변수(n)를 움직이면서 각각 그 신호의 세기를 A(n)에 각 각 저장하는 단계와;

좌측빔과 우측빔을 비교하여 큰쪽으로 방위각방향으로 빔 조향범위 안(k:0에서14)에서 빔조향(k를 증가 또는 감소)을 하는 단계와;

상측빔과 하측빔을 비교하여 큰쪽의 앙각방향으로 역시 빔조향범위안(j:0에서255)에서 빔조향(j를 증가또는 감소)하여 전전자적인 개념의 자동추적빔조향제어를 하는 단계와;

추적빔에 의한 빔조향제어를 한 다음에는 자동 추적 상태(ATAM_status)를 모터제어 및 위성추적제어부(STP)로 RS232를 통하여 전달하는 단계와;

중앙빔의 신호의 세기를 임계치와 비교하여 신호세기(A(0))가 임계치(Vth)보다 작거나 Init=1인 경우에 자동추적 과정을 종료하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량탑재 수신 안테나 시스템의 위성추적 제어방법.
제 8 항에 있어서, 상기 자동추적상태(ATAM_status) 신호는,

방위각방향으로 전자빔이 지향하는 각도에 해당하는 조향각변수(k)를 포함하고 있으며, 모터 제어부 및 위성추적 제어부(STP)가 상기 조향각변수(k)를 이용하여 모터제어를 하되,

안테나의 전방방향과 주빔의 방위각방향 지향각이 일치할때 모터에 의한 기계식 추적오차는 0이라고 하고, 그 편차를 모터의 추적오차로 사용하여 모터의 추적오차가 빔조향범위안에 있도록 안테나의 위성추적을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량탑재 수신 안테나 시스템의 위성추적 제어방법.