KR20160027698A - 통신 신호에 대한 tdoa/fdoa 정보 추정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신호원의 위치 추정 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 두 수신단에서 전송효율을 고려하여 획득한 적은 양의 수신 신호로부터 TDOA(time difference of arrival) 및/또는 FDOA(frequency difference of arrival) 추정을 추정하는 장치 및 방법에 대한 것이다.
Description
본 발명은 신호원의 위치 추정 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 두 수신단에서 전송효율을 고려하여 획득한 적은 양의 수신 신호로부터 TDOA(time difference of arrival) 및/또는 FDOA(frequency difference of arrival) 추정을 추정하는 장치 및 방법에 대한 것이다.
일반적으로 알려지지 않은 신호원의 위치를 추정하기 위해 사용되는 TDOA(time difference of arrival) 및 FDOA(frequency difference of arrival)의 정보 추정은 일반적으로 수집 시간 T초 동안 제 1 수신단(미도시)에서 수집한 신호 r 1(t)과 제 2 수신단(미도시)에서 수집한 신호 r 2 (t)를 이용하여 다음 수학식이 최대가 될 때의 τ(시간 인덱스) 및 υ(주파수 인덱스)의 값을 연산하는 방법을 이용한다.
여기서, ( )*는 복소 공액(complex conjugate)을 나타낸다. 도 1은 일반적인 TDOA 및 FDOA의 정보 추정으로서 수학식 1을 수행한 결과 값의 한 예를 시간축 단면으로 도시한 그래프이다. 이를 연산하는 방법은 BF(brute force) 방법 및 Stein's algorithm 등의 다양한 알고리즘들이 개발되었다.
BF 방법은 위 수학식을 샘플링된 이산 신호에 의한 다음 수학식으로 표현하였을 때, 시간 인덱스 m과 주파수 인덱스 p로 이루어진 모든 격자 값에 대해 수학식 2를 연산하여 전수 조사를 실시한 것이다.
여기서, n은 샘플링된 신호의 시간 인덱스, Q는 설정한 p의 개수를 나타낸다.
BF 방법은 격자의 간격을 줄임으로써 성능이 향상되는 반면에 연산량이 크게 늘어나는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 스타인 알고리즘(Stein's algorithm)이 개발되었다.
스타인 알고리즘은 수학식 2의 N을 한 블록 당 L개의 샘플을 가지는 K개의 블록으로 나누고 Q에 K를 대입한 다음 수학식을 유도하여 구현한다.
여기서 b m [kL+i]는 다음 수학식과 같다.
따라서, 수학식 4로 이루어진 샘플 열을 K개의 블록으로 나누고, 각각의 블록안의 L개의 샘플들을 더해서 출력된 K개의 샘플을 입력으로 FFT(fast fourier transform)를 수행하여 구현된다.
여기서, L은 추렴인수(decimation factor)와 동일한 효과를 발생하므로 수학식 2에 비해서 주파수 영역 연산을 효율적으로 수행할 수 있다.
그러나, 전자전(electronic warfare) 시스템 상황에서 고려하는 TDOA의 범위 및/또는 FDOA의 범위가 넓은 경우, BF 방법과 마찬가지로 스타인 알고리즘은 구현가능한 정도의 효율적인 연산량을 제공하지 못하는 기술적인 문제점이 여전히 존재한다.
1. 한진우외, "TDOA/FDOA 복합 위치추정 시스템에서 FDOA 측정 정확도에 따른 추정 성능 기여도 분석"전자공학회논문지(Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea) 51(5) 88-96, 2014년.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 전자전(electronic warfare) 시스템 상황에서 고려하는 TDOA의 범위 및/또는 FDOA의 범위가 넓은 경우, 구현가능한 정도의 효율적인 연산량을 수행하는 통신 신호에 대한 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 전자전(electronic warfare) 시스템 상황에서 고려하는 TDOA의 범위 및/또는 FDOA의 범위가 넓은 경우, 구현가능한 정도의 효율적인 연산량을 수행하는 통신 신호에 대한 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 방법을 제공한다.
상기 정보 추정 방법은,
(a) 안테나를 이용하여 통신 신호인 다수의 수신 신호를 수신하는 과정;
(b) 상기 다수의 수신 신호의 특성을 이용하여 TDOA(time difference of arrival) 및 FDOA(frequency difference of arrival) 정보의 추정 초기값을 설정하는 과정;
(c) 상기 추정 초기값 및 상기 다수의 수신 신호를 이용하여 1단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 과정;
(d) 상기 다수의 수신 신호에 보간법을 수행하는 과정; 및
(e) 보간법을 수행한 다수의 수신 신호 및 상기 1단계 TDOA 및 FDOA 추정값을 이용하여 2단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 (b) 과정은, TDOA 또는 FDOA 정보의 추정 초기값을 다수 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (c) 과정은, (c-1) 고정된 FDOA 정보의 추정 초기값을 수학식1의 υ 에 대입하여 다음 수식이 최대가 되는 τ 를 계산하는 과정; (c-2) 계산된 고정값 τ 를 수학식1에 대입하여 다음 수학식이 최대가 되는 υ 를 계산하는 과정; (c-3) 계산된 υ 와 FDOA 정보 추정 초기값의 차이값을 계산하는 과정; 및 (c-4) 상기 차이값이 허용 임계치 보다 큰 경우 상기 (c-1) 과정에서 고정된 FDOA 정보의 추정 초기값 대신 (c-2) 광저에서 계산된 υ 를 대입하여 상기 (c-1) 과정 내지 (c-4) 과정을 반복 수행하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
수학식 : (여기서, τ는 시간 인덱스, υ는 주파수 인덱스, r 1(t)은 제 1 수신단에서 수집한 신호, r 2 (t)는 제 2 수신단에서 수집한 신호, ( )*는 복소 공액(complex conjugate)을 나타낸다)
또한, 상기 (e) 과정은, 상기 1단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 기준으로 1단계에서 사용한 격자 간격만큼의 내부를 보간법이 수행된 상기 다수의 수신 신호에 다음 수학식을 적용하여 2단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
수학식: (여기서, n은 샘플링된 신호의 시간 인덱스, Q는 설정한 p의 개수, 1(n)은 제 1 수신단에서 수집한 신호, r 2 (n)는 제 2 수신단에서 수집한 신호, ( )*는 복소 공액(complex conjugate), m은 시간 인덱스, p는 주파수 인덱스를 나타낸다)
또한, 상기 FDOA 정보 추정값은 다음 수학식 이 최대가 될 때 의 p인 것을 특징으로 할 수 있다.
수학식: (여기서, m d는 TDOA 초기 추정값이고, , m은 시간 인덱스, p는 주파수 인덱스, k는 블록, L은 한 블록당 샘플 개수, d는 설정된 추정 초기값의 인덱스, D는 설정된 추정 초기값의 개수를 나타낸다)
또한, 상기 FDOA 정보 추정값은 다음 수학식이 최대가 될 때 의 m인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 TDOA 초기 추정값의 간격은 이차 곡선 형태 로브의 폭보다 작게 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로 본 발명의 다른 일실시예는, 다수의 안테나를 이용하여 통신 신호인 다수의 수신 신호를 수신하고, 상기 다수의 수신 신호의 특성을 이용하여 TDOA 및 FDOA 정보의 추정 초기값을 설정하고, 상기 추정 초기값 및 상기 다수의 수신 신호를 이용하여 1단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 제 1 TDOA/FDOA 추정부; 상기 다수의 수신 신호에 보간법을 수행하는 보간법 수행부; 및 보간법을 수행한 다수의 수신 신호 및 상기 1단계 TDOA 및 FDOA 추정값을 이용하여 2단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 제 2 TDOA/FDOA 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 신호에 대한 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 전송효율을 고려한 적은 데이터로부터 정밀한 추정값을 획득할 수 있으며, 통신대역 신호에 대하여 불필요한 연산량을 획기적으로 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 TDOA 및 FDOA의 정보 추정을 수행한 결과 값의 한 예를 시간축 단면으로 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 1단계 TDOA 및 FDOA 추정 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2단계 추정 방법의 개념도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 1단계 TDOA 및 FDOA 추정 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2단계 추정 방법의 개념도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 장치의 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 통신 신호에 대한 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2를 설명하기에 앞서, 본 발명의 일실시예는 두 수신단에서 전송효율을 고려하여 획득한 적은 양의 수신 신호로부터 TDOA(time difference of arrival) 및/또는 FDOA(frequency difference of arrival) 정보를 추정하는 데 있다. 이의 구현을 위해 2단계 방법을 적용하고, 수신 신호가 지속파 형태인 통신 신호인 경우에 기존 BF 방법 및 Stein's 알고리즘의 비효율적인 연산을 줄임으로써, 전체적인 알고리즘의 연산량을 획기적으로 줄이는 방법이다.
또한, 본 발명에서 고려하는 전자전 환경의 통신 신호의 경우, 수신단과 알려지지 않은 신호원의 상대속도가 1mach인 환경을 고려하면 FDOA(frequency difference of arrival)는 수 Hz에서 수 kHz까지 발생이 가능하다.
한편, 정밀한 TDOA 정보(10ns 이하)를 추정하기 위해서는 100MHz 이상의 샘플링 주파수가 필요하므로 FDOA 정보를 추정할 시, 발생 가능한 FDOA에 비해 비효율적으로 넓은 주파수 영역의 연산을 필요로 하게 되며, 이는 일반적인 방법인 스타인 알고리즘을 이용하여 효율적으로 연산이 가능하다. 하지만 여전히 각각의 고정된 주파수에 대한 수학식 3의 시간영역 부분을 전수 조사를 통해 계산해야 하므로 비효율적으로 많은 연산을 수행해야 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 1단계 TDOA 및 FDOA 추정 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 1단계 과정에서 수학식 3으로 수행되는 TDOA 전체 후보군에 대한 상호상관값의 연산을 수행하지 않고, 통신 신호의 특성을 이용하여 최소한으로 필요한 TDOA 정보의 추정 초기값을 설정한다(과정 S210). 수신단의 이격 거리가 R인 경우, 고려하는 최대 TDOA는 수학식 5에 의하여 결정된다.
여기서, c는 신호의 전파속도(빛의 속도)를 나타낸다. 여기서 기준점을 고려하면 TDOA는 약 -TDOAMAX ~ +TDOAMAX의 범위를 가지게 된다. 도 1은 수학식 1의 시간영역 단면을 그린 것으로, 이차 곡선 형태 로브의 폭은 고려하는 통신 신호의 대역폭에 따라 결정된다. 따라서 TDOA 초기값의 간격을 로브의 폭보다 작게 설정하고 정해진 TDOA 초기 추정값 m d 에 대한 수학식 6이 최대가 될 때의 p를 FDOA 정보 추정값으로 한다(과정 S220).
여기서, d는 설정된 추정 초기값의 인덱스이며, D는 설정된 추정 초기값의 개수이다. 그 다음 과정으로, 추정된 FDOA 정보를 이용하여 수학식 7과 같이 시간축 연산을 수행하여 계산 결과가 최대가 될 때의 m을 TDOA 정보 추정값으로 한다(과정 S230).
구해진 TDOA 추정값은 다시 수학식 6의 m d 값에 대입하여 FDOA 정보 추정값을 반복적으로 추정하게 되며 이전 추정값과 현재 추정값의 차이가 허용 임계치 이하가 될 때까지 반복 수행하고, 1단계 TDOA/FDOA 정보 추정값을 결정한다(과정 S240,S250).
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2단계 추정 방법의 개념도를 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 각 수신단에서 획득한 신호를 중앙처리기로 전송할 때, 전송효율 문제로 인하여 100MHz 이상의 샘플링 주파수로 획득된 신호를 전송하면 상당량의 시간이 소요된다.
따라서 전송효율을 고려하여 낮은 샘플링 주파수로 획득된 신호를 중앙처리기로 전송하게 된다. 이로 인해 정밀한 위치 추정을 위해서는 상기한 TDOA 및 FDOA 정보 추정 방법을 수행한 후 추가적인 정밀 TDOA 및 FDOA 정보 추정 방법이 요구된다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에서는 낮은 샘플링 주파수로 획득된 신호를 업샘플링(upsampling) 및 보간법(interpolation)을 적용하여 100MHz 이상의 높은 주파수로 샘플링된 신호를 복원하고 이를 수학식 2에 적용하여 최종 정밀 TDOA 및 FDOA 정보를 추정한다. 이 때, 1단계에서 추정된 1단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값(330)을 기준으로 1단계 격자 구조(310)내에 있는 2단계 격자 구조(320)의 격자 간격 내부만큼만 연산을 수행하며, 격자 간격 내부에 설정된 격자수는 수학식 8에 의해 결정된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 장치의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 장치는 다수의 안테나(미도시)를 이용하여 통신 신호인 다수의 수신 신호를 수신하고, 상기 다수의 수신 신호의 특성을 이용하여 TDOA 및 FDOA 정보의 추정 초기값을 설정하고, 상기 추정 초기값 및 상기 다수의 수신 신호를 이용하여 1단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 제 1 TDOA/FDOA 추정부(410), 상기 다수의 수신 신호에 보간법을 수행하는 보간법 수행부(420), 보간법을 수행한 다수의 수신 신호 및 상기 1단계 TDOA 및 FDOA 추정값을 이용하여 2단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 제 2 TDOA/FDOA 추정부(430) 등을 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 2단계중 1단계 추정 수행에 있어서, 기존의 방법으로 BF 방법을 이용할 경우에 수학식 9와 같은 연산량이 요구되고, 스타인 알고리즘을 수행할 경우는 수학식 10과 같은 많은 연산량을 필요로 한다.
그러나, 본 발명을 이용할 경우 수학식 11과 같은 개수의 곱셈연산이 요구되며 이와 같은 연산량의 감소는 TDOA/FDOA 추정 알고리즘의 실행시간을 감소시키는 효과를 제공한다.
여기서 j는 1단계 과정에서 임계치를 허용할 때까지의 반복 횟수이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 장치의 구성도이다.
410: 제 1 TDOA/FDOA(time difference of arrival/frequency difference of arrival) 추정부
420: 보간법 수행부
430: 제 1 TDOA/FDOA 추정부
420: 보간법 수행부
430: 제 1 TDOA/FDOA 추정부
Claims (8)
- (a) 안테나를 이용하여 통신 신호인 다수의 수신 신호를 수신하는 과정;
(b) 상기 다수의 수신 신호의 특성을 이용하여 TDOA(time difference of arrival) 및 FDOA(frequency difference of arrival) 정보의 추정 초기값을 설정하는 과정;
(c) 상기 추정 초기값 및 상기 다수의 수신 신호를 이용하여 1단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 과정;
(d) 상기 다수의 수신 신호에 보간법을 수행하는 과정; 및
(e) 보간법을 수행한 다수의 수신 신호 및 상기 1단계 TDOA 및 FDOA 추정값을 이용하여 2단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 신호에 대한 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (b) 과정은, TDOA 또는 FDOA 정보의 추정 초기값을 다수 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 신호에 대한 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 과정은,
(c-1) 고정된 FDOA 정보의 추정 초기값을 수학식1의 υ 에 대입하여 다음 수식이 최대가 되는 τ 를 계산하는 과정;
(c-2) 계산된 고정값 τ 를 수학식1에 대입하여 다음 수학식이 최대가 되는 υ 를 계산하는 과정;
(c-3) 계산된 υ 와 FDOA 정보 추정 초기값의 차이값을 계산하는 과정; 및
(c-4) 상기 차이값이 허용 임계치보다 큰 경우 상기 (c-1) 과정에서 고정된 FDOA 정보의 추정 초기값 대신 (c-2) 광저에서 계산된 υ 를 대입하여 상기 (c-1) 과정 내지 (c-4) 과정을 반복 수행하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 신호에 대한 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 방법.
수학식 : (여기서, τ는 시간 인덱스, υ는 주파수 인덱스, r 1(t)은 제 1 수신단에서 수집한 신호, r 2 (t)는 제 2 수신단에서 수집한 신호, ( )*는 복소 공액(complex conjugate)을 나타낸다)
- 제 1 항에 있어서,
상기 (e) 과정은,
상기 1단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 기준으로 1단계에서 사용한 격자 간격만큼의 내부를 보간법이 수행된 상기 다수의 수신 신호에 다음 수학식을 적용하여 2단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 신호에 대한 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 방법.
수학식: (여기서, n은 샘플링된 신호의 시간 인덱스, Q는 설정한 p의 개수, 1(n)은 제 1 수신단에서 수집한 신호, r 2 (n)는 제 2 수신단에서 수집한 신호, ( )*는 복소 공액(complex conjugate), m은 시간 인덱스, p는 주파수 인덱스를 나타낸다)
- 제 1 항에 있어서,
상기 TDOA 초기 추정값의 간격은 이차 곡선 형태 로브의 폭보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 통신 신호에 대한 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 방법.
- 다수의 안테나를 이용하여 통신 신호인 다수의 수신 신호를 수신하고, 상기 다수의 수신 신호의 특성을 이용하여 TDOA 및 FDOA 정보의 추정 초기값을 설정하고, 상기 추정 초기값 및 상기 다수의 수신 신호를 이용하여 1단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 제 1 TDOA/FDOA 추정부;
상기 다수의 수신 신호에 보간법을 수행하는 보간법 수행부; 및
보간법을 수행한 다수의 수신 신호 및 상기 1단계 TDOA 및 FDOA 추정값을 이용하여 2단계 TDOA 및 FDOA 정보 추정값을 출력하는 제 2 TDOA/FDOA 추정부;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 신호에 대한 2단계 TDOA/FDOA 정보 추정 장치.
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