기 호 설 명
D: 플랫폼 중심과 표적 간 거리
θStab: 외란 각도
θTrack: 표적 추적 오차 각도
Δθ: θStab - θTrack
θ: 추적 오차 각
Δ t: 샘플링 주기
k: k번째 샘플
서 론
위성통신은 장거리 대용량 데이터 통신이 필요한 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 가혹한 운용 조건들과 고도의 보안이 요구되는 국방 분야에서는 중요한 역할을 한다. 왜냐하면 가시권 밖 다중 위치의 통신 단말들 간 네트워크를 구성하려면, 높은 지형의 여러 위치에 중계기 설치가 필요하지만, 위성통신은 통신위성만으로 기동성 및 보안성을 확보할 수 있기 때문이다. 최근의 위성통신에서는 무인기, 선박, 지상차량 등 이동형 플랫폼에서 기동 중 통신에 대한 필요성이 증대되면서, 실시간으로 인가되는 플랫폼 외란이 통신 품질에 미치는 영향도 고려해야 한다[1,2]. 따라서, 위성통신 안테나의 반사판이 운용 환경에 관계없이 지속적으로 인공위성을 지향하여야 하며, 관성 안정화 플랫폼(inertially stabilized platform) 기술[2,3]에 기반한 시선안정화 기술들이 적용되고 있다. 왜냐하면 정지 궤도 위성은 위성통신단말과 굉장히 멀리 떨어져 있기 때문이다.
최근까지 시선안정화에 대한 많은 연구들[3-10]이 수행되어져 왔고, 해당 연구들은 기본적으로 롤, 피치, 요 방향의 외란에 대항하는 기준 명령을 생성하는 방식이다. 즉, 플랫폼의 자세와 구동장치의 각도를 실시간으로 측정하여 기구학 연산을 통해 시선안정화 명령을 생성하고, 플랫폼에 인가되는 외란의 반대 방향으로 구동축을 구동시킨다[7,10,11]. 하지만, 이러한 방식은 명령을 생성하는 단계에서 센서 오차, 기구적인 비선형성, 재질의 특성 등을 고려되지 않기 때문에, 구동제어가 완벽하더라도 지향 유지 성능을 보장할 수 없다. 지향이 부정확하면 통신 링크 단절이나 인접 위성 간섭 등의 중대한 문제를 야기하기 때문에, 위성 지향 방향을 정확히 추적할 수 있는 시선안정화 구동 명령 생성 방식이 반드시 필요하다[6,11,12].
일반적으로 위성통신에서는 인공위성에서 송출하는 비콘 신호의 최대 지점을 탐색하는 구동 방식의 스텝 추적[6]이 가장 널리 사용된다. 하지만, 스텝추적 방식의 성능은 수신 비콘 신호의 품질에 의존한다. 또한, 비콘 신호 세기는 환경에 따라 실시간으로 변하기 때문에, 위성 지향을 유지하기 위해 지향 방향 주변을 끊임없이 탐색하며 비콘 신호의 상대적 세기를 지속적으로 비교하여야 한다. 이러한 탐색구동은 역설적이게도, 스텝 추적 방식은 정확한 지향을 위해 언제나 정확한 지향 방향에서 어긋나도록 동작한다.
스텝 추적의 단점을 보완하기 위해 모노펄스 안테나가 적용된다. 모노펄스 안테나를 이용한 추적은 개념적으로 안테나 반사판 중앙에 이격 배치된 다수의 피드혼에서 동시에 수신한 비콘 신호들의 상대적인 세기를 비교하여 산출한 방향으로 구동하는 방식이다. 별도의 탐색 과정 없이 지향해야할 위치까지의 오차(추적 오차)를 실시간으로 산출할 수 있으며, 높은 정확도를 요구하는 레이다 시스템 등에서 적용되고 있다[13]. 이러한 뛰어난 기능에도 불구하고, 신호 대 잡음비가 낮은 위성통신 분야에서는 사용하기에 제한이 있다. 낮은 신호 대 잡음비는 모노펄스 안테나의 구조적 특성 및 신호 처리 과정에서 추적 오차 신호의 왜곡을 심화시키기 때문이다. 이러한 신호를 추적 제어에 활용하게 되면, 정상적인 제어 성능을 기대하기 어려울 뿐 아니라, 구동 장치가 발산하기도 한다. 따라서, 잡음 필터나 별도의 제어 구조가 적용[14]되어야 하지만, 전통적인 잡음 필터는 위상 지연을 심화시키기 때문에 신중히 사용하여야 한다. 특히, 짧은 파장대역을 사용하여 정밀한 추적 제어 성능이 요구되는 위성 안테나 시스템에서는 활용하기 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 부하 자이로스코프와 칼만 필터를 기반으로 모노펄스 안테나의 추적 오차 정확도를 향상시키는 방법을 제안한다. 앞서 언급했듯이, 위성 안테나의 모노펄스 추적 오차는 비콘 수신 경로의 구조적인 문제 및 잡음 처리 과정 등에서 왜곡된 상태로 계측된다. 이러한 왜곡된 신호에 칼만 필터를 활용한다고 해도 잡음 개선 이상의 추정 성능을 기대하기 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 부하 끝단에 장착된 자이로스코프의 각속도 측정값을 사용해 추적 오차 정확도를 개선하는 방법을 제안한다. 이를 위해 모노펄스 추적 오차와 자이로스코프 각속도와의 상관관계를 유도하고, 실험을 통해 기준 추적 오차와 추정 결과와의 차이를 비교함으로 써 제안된 방법의 성능을 검증한다.
본 논문에서는 이동형 위성통신을 위한 전통적인 방법과 모노펄스 안테나를 이용한 위성추적의 기본 개념을 2장에서, 부하 자이로스코프와 칼만 필터 기반으로 제안한 추적 오차 추정 방법을 3장에서 설명하였다. 4장에서는 제안된 추정 방법의 성능을 실험실 환경에서 검증하고, 5장에서 결론을 기술하였다.
이동형 위성안테나의 위성 추적
2.1 스텝 추적 방법
시선안정화의 목표는 플랫폼의 자세와 관계없이 구동 장치의 지향 방향을 유지하는 것이다. 일반적인 시선안정화 로직은 Fig. 1과 같다. 절대 좌표계에서의 표적의 시선 벡터와 플랫폼의 자세(롤, 피치, 요 각도)를 기반으로 역기구학 연산을 통해 구동축들의 기준 명령(구동 축 좌표계)을 산출하고, 구동한다. 하지만, 시선안정화 로직 내에서 시선 벡터가 실제로 표적을 잘 유지하는지 직접 측정할 수 없어 추가 계측 없이는 성능을 보장하기 어렵다. 일부 시스템에서는 부하 끝단에 자이로스코프를 장착하여 부하의 각속도가 0이 되도록 제어[15-17]하기도 하지만, 해당 방법도 구조적인 비선형성이나, 자이로스코프의 드리프트 특성[19]으로, 장시간 연속 운용 시에는 성능 보장이 힘들다. 따라서, 로직 외에 추가 계측을 통해 정확히 표적을 지향하고 있는지 검증하는 도구가 필요하다.
일반적으로 위성통신 안테나의 경우, 인공위성으로부터 송출되는 비콘 신호의 세기를 비교하는 보완된 시선안정화 로직으로 위성 추적을 수행한다. 일단 안테나가 위성 방향을 지향하면, 작은 원이나 사각 패턴을 그리며 비콘 신호가 최대인 지점을 찾아 지향하도록 구동한다. 그리고 최대 지점의 주변의 비콘 세기를 탐색하고, 다시 최대 지점으로 구동하는 동작을 무한 반복한다. 이것을 스텝 추적 방식이라고 하며, 앞서 말한 시선안정화 방식의 문제점을 해결한다. 하지만 스텝 추적 방식도 두 가지 문제점이 존재한다. 첫 번째는 비콘 신호의 잡음이 매우 심하기 때문에 실시간으로 세기를 비교하기 어렵다는 것이다. 따라서, 잡음 처리를 위한 필터 적용이 필요하며, 이는 신호의 시간 지연 및 왜곡을 유발한다. 따라서, 패턴의 종류와 속도, 필터의 구조와 대역폭을 적절히 선정해야한다. 두 번째는 정확하게 지향이 되었다하더라도 끊임없이 탐색을 지속한다는 것이다. 최대 수신 비콘 세기는 정해진 값이 아니라 환경에 따라 감쇄 정도가 변하기 때문에, 항상 최대 지점을 주변을 탐색해야하며, 정확한 지향에서 벗어나게 된다. 이는 반사판의 크기가 작거나 순간적인 외란에 노출되는 시스템에 적용하기 어려운 이유이다.
2.2 모노펄스 안테나의 위성 추적 방법
모노펄스 안테나는 정밀 위성 추적에 적합한 진보된 안테나이다. 모노펄스 안테나는 반사판 중앙에 다수의 피드혼을 배치함으로써, 별도의 주변 탐색 없이 일정 범위 내에서 지향 방향 주변의 상대적인 비콘 세기를 비교할 수 있다. 즉, 탐색 구동없이 정확한 지향 위치까지의 추적 오차를 산출해 낼 수 있다.
Fig. 2는 네 지점에서 비콘을 수신하여 추적 오차를 산출하는 모노펄스 안테나의 기본적인 동작 원리를 설명하는 그림이다. 반사판 중심에서 인접하여 배치된 네 개의 피드혼에서 동시에 비콘의 세기(A, B, C, D)들을 측정하고, 각 측정값들의 합(+)과 차(-)의 조합으로 비콘의 세기가 최대 지점까지의 상대적인 거리와 방향을 산출한다. 이후에 측정을 통한 스케일 조정을 거치면, 위성 추적 제어 명령으로 사용할 수 있는 추적 오차를 산출할 수 있다. 또한, 모든 신호의 합(A + B + C + D)을 통해 안테나 패턴을 추정하고, 각 채널의 차는 채널의 위상 정보를 제공할 수 있다[12,13]. 이것은 개념적인 설명이고, 실제 모노펄스 안테나를 구현하기 위해서는 고차 모드 전자기파 패턴을 분석하는 방식을 활용하여야 한다[18].
앞서 설명한대로 모노펄스 안테나는 전파를 송수신하는 반사판에 장착된 피드혼, 즉, 구동장치 부하의 끝단에서 측정된 데이터를 이용하기 때문에, 구동장치의 조립 공차나 간접 측정 등에서 기인하는 비선형성을 배제할 수 있다. 또한, 실시간 추적 오차 측정으로 스텝 추적 방식의 단점을 보완하는 진보된 방식이다.
이러한 모노펄스 안테나의 장점은 기본적으로 수신 전파의 품질이 보장되어야 얻을 수 있다. 따라서, 자체적으로 기준신호를 증폭하여 신호 대 잡음비를 높게 유지할 수 있는 추적 레이다 시스템에서는 효과적으로 모노펄스 안테나를 활용할 수 있다. 반면에 표적 위성에서 송출하는 낮은 신호 대 잡음비의 비콘 신호를 사용할 수밖에 없는 위성통신에서는 저잡음증폭 과정이 필수적이고, 이는 추적 오차 신호를 왜곡시킨다. 또한, 위성을 정확히 지향할수록 비콘 신호는 강해지지만 Fig. 2의 각 채널(A, B, C, D) 간 차이가 매우 작아지기 때문에, 이를 활용하는 고차 모드 전자기파 패턴의 비선형성은 증가[18]하며 잡음에 취약하게 된다. 즉, 위성을 정확히 지향할수록 커지는 기본모드 패턴과 극단적으로 작아지는 고차모드 패턴에 의해 추적 오차의 왜곡은 더욱 심해진다. 결과적으로 왜곡된 추적 오차는 추적 구동 시스템을 불안정하게 하고, 위성 추적 성능을 높이기 위한 이득 조정을 제한한다. 따라서, 적절한 저잡음 필터 적용이나 별도의 제어 전략이 설계되어야 추적 오차를 안전하게 제어에 활용할 수 있다. 하지만, 여전히 신호 왜곡의 본질적인 문제는 해결할 수 없다.
본 연구에서는 칼만 필터를 기반으로 왜곡된 모노펄스 추적 오차 신호의 정확도를 향상시키는 방법을 제안한다. 이를 위해 구동 부하 끝단에 자이로스코프를 장착하여 측정된 각속도 데이터를 활용한다.
칼만 필터 기반 모노펄스 추적 오차 추정
3.1 추적 오차와 부하단 각속도의 관계
자이로스코프에서 측정된 각속도를 왜곡된 모노펄스 신호의 정확도 향상에 활용하려면 시선안정화 동작에서 두 신호 사이의 관계를 이해하여야 한다. 추적 오차는 현재 지향 방향에서 지향해야 할 표적까지의 각도를 의미한다. 따라서, 각도와 각속도를 상태 변수로 하는 칼만 필터의 측정 갱신 단계에 측정된 모노펄스 추적 오차를 활용하여야 하고, 각속도 갱신을 위해서는 추적 오차 변화율에 대응하는 값을 사용해야한다. 본 연구에서는 추적 오차 변화율에 부하단 자이로스코프 측정값을 활용하고자 하고, 이를 위해 시선안정화에서 추적 오차 변화율과 부하단 자이로스코프 측정값의 관계를 유도한다.
부하 자이로스코프와 추적 오차와의 관계를 설명하기 위해 Fig. 3과 같이 피치 방향의 외란만 가지는 단축 안테나 시스템을 가정한다. Fig. 3은 두 가지 상황을 나타낸다. 첫 번째는 외란이 없는 상태에서 안테나가 표적을 지향하는 상황이고, 두 번째는 첫 번째 상태에서 피치 방향 외란이 인가된 상황이다. Fig. 3에서 D, θStab, θTrack는 각각 플랫폼 중심과 표적 간 거리, 외란 각도, 표적 추적 오차 각도를 의미하며, 반시계 방향이 (+) 방향 각도이다. 따라서, -θStab은 관성 안정화 플랫폼에서의 시선안정화를 위한 제어 명령이며, -θTrack은 표적을 추적하기 위한 제어 명령이 된다.
Fig. 4는 표적의 높이가 1이라고 가정할 때, D의 변화에 따른 Δθ(=θStab - θTrack)를 계산한 결과이다. Fig. 4에서 확인할 수 있듯이, D가 증가함에 따라 Δθ는 감소하며, D가 정지 궤도 위성의 높이인 36,000 km가 되면 Δθ는 무시할 수 있을 정도로 작아지기 때문에, 위성안테나의 시선안정화 제어 각도는 추적 제어 각도와 거의 같아진다. 2.1장에서 부하단 자이로스코프 각속도로 시선안정화 제어하는 방법을 언급하였듯이, 부하 끝단의 각속도는 θStab의 변화율이며, 결론적으로 추적 오차의 변화율은 부하 끝단에 장착된 자이로스코프에서 측정하는 각속도와 같게 된다.
자이로스코프는 측정 오차가 적분되어 발생하는 드리프트 문제[19]는 있지만, 잡음 및 측정 정확도 측면에서 모노펄스 추적 오차 신호보다 장점이 있다. 반면에 모노펄스 추적 오차 측정은 왜곡은 존재하지만, 적분에 의한 오차 누적 문제는 없다. 본 연구에서는 두 가지 측정값을 기반으로 하는 칼만필터를 정의하여 정확한 추적 오차 각도를 추정하고자 한다.
3.2 추적 오차 추정을 위한 칼만 필터 적용
칼만 필터 기반 추적 오차 추정을 위해서는 추정 모델에 대한 정의가 선행되어야 하고, (1)과 같이 간단한 각도와 각속도의 운동방정식으로 정의할 수 있다. 이 때, 마찰이나 백래쉬 같은 시변-비선형 특성은 무시한다.
여기서, θ, θ ˙ θ ¨
여기서, x, z, w, w, θM, wG는 각각 상태변수 벡터, 측정 벡터, 프로세스 잡음, 측정 잡음, 모노펄스 추적 오차 각도, 자이로스코프 각속도를 나타낸다. w, v은 모두 평균이 0인 가우시안 잡음으로 가정한다.
3.3 모노펄스 안테나의 시선안정화 제어 절차
Fig. 5는 모노펄스 안테나의 추적 오차 추정 방법을 활용한 시선안정화 절차이다.
서론에서 언급한 것과 같이 시선안정화는 제어 명령을 생성하는 단계와 생성된 명령으로 위성 안테나를 구동 제어하는 두 단계로 구성된다. 본 연구에서는 시선 안정화 제어 명령을 생성하기 위한 추적 오차를 추정하여, 제어에 활용될 신호의 품질 및 정확도를 개선하는 방법을 제안하였다. 추정된 추적 오차는 현재 위성 안테나의 절대좌표계에서의 지향 벡터에 가산되어 지향해야할 벡터 생성에 활용된다. 이는 Fig. 1에서 설명한 것과 같이 절대좌표계에서의 플랫폼 자세와의 역기구학 연산을 통해 위성 안테나의 구동 각도 명령을 생성한다. 다음으로 생성된 제어 명령에 따라 위성 안테나를 구동하고, 앞선 단계를 반복하면 위성 추적 시선안정화 기능이 완성된다.
실험 결과
본 논문에서 제안된 추정 방법의 성능은 실험을 통해 검증하였으며, 기준 값 대비 추정 값 오차의 제곱평균근(Root-mean-square-error: RMSE)을 성능 평가 지표로 사용하였다. 실험은 고정된 모노펄스 안테나와 인공위성의 비콘 신호를 모사할 수 있는 전자기파 방사원을 마주보게 설치하여 수행하였다.
4.1 추적 오차 추정 성능 검증을 위한 실험 구성
본 연구에서 제안한 칼만 필터를 이용한 추적 오차 추정 성능 검증을 위해 Fig. 6과 같이 구성하여 실험을 수행하였다.
모노펄스 안테나는 고정된 플랫폼에 장착되었고, D 가 4 m이 지점에 비콘 신호를 모사할 수 있는 전자기파 방사원을 배치하였다. 또한, 엔코더로 모노펄스 안테나는 방위각 구동각을 측정하며, 안테나 반사판 후면에 자이로스코프를 장착하여 각속도를 측정하였다. 전자기파 방사원은 모노펄스 추적 오차를 산출할 수 있는 전자기 파장을 방사시킨다. 모노펄스 안테나의 피드혼과 전자기파 방사원은 동일한 높이에서 마주보도록 설치하여, 데이터 취득 시작 시점에는 모노펄스 추적 오차가 0이 되도록 하였다. 따라서, 모노펄스 안테나를 방위각 방향으로 구동하여 계측되는 엔코더 각도는 전자기파 방사원을 지향하기 위한 오차 각과 동일하다. 즉, 엔코더 각은 추적 오차와 동일한 개념이며, 모노펄스 안테나에서 산출되는 추적 오차 신호의 기준이 되는 참값으로 사용할 수 있다. 따라서, 모노펄스 안테나를 구동시켜 인위적으로 지향을 틀어서 얻은 엔코더 값과 제안된 방법으로 추정한 추적 오차를 비교하면, 추정 성능을 확인할 수 있다.
Fig. 7은 방위각 정현 파형(크기: 1°, 주파수: 0.5 Hz)으로 구동하여 계측(샘플링 주파수: 1 kHz)한 방위각과 모노펄스 추적 오차이다. 시선안정화의 목표가 추적 오차를 0이 되도록 하는 것이기 때문에, ±180°의 전체 구동 범위를 고려하는 것은 불필요하다. 따라서, 정현 파형의 크기는 1°로 설정하였으며, 주파수는 이동형 위성안테나 플랫폼의 입력 외란 수준을 고려하였다. Fig. 7은 대표 외란으로 선정한 0.5 Hz에 대한 그래프이며, 다양한 환경에서 제안한 추정 방법의 성능을 검증하기 위해 0.2 Hz, 1.5 Hz에 대한 시험도 수행하였다.
Fig. 7에서 확인할 수 있듯이, 모노펄스 추적 오차는 엔코더 기준 값 대비 왜곡이 존재한다. 특히, 앞선 2.2절에서 언급한 것과 같이, 방사원을 정확히 지향(0°)할수록 하는 고차모드 왜곡에 의해 모노펄스 추적 오차의 왜곡이 심해짐을 확인할 수 있다. 이러한 왜곡은 수신 전자기파의 비선형성에 기인하는데, 기구적인 오차뿐 아니라 환경적인 영향을 받기 때문에 보상하거나 제거하기 어렵다. 일반적으로 모노펄스 추적 오차를 ±1°정도의 작은 범위에서 기준 값과의 차이가 최소가 되도록 오프셋, 크기 비율, 필터링 구조를 조정하여 사용한다.
4.2 제안된 추적 오차 추정 성능 검증 결과
제안된 추적 오차 추정 방법의 성능은 추적 오차의 기준 값인 엔코더 각도와의 차이로 확인한다. 본 연구에서는 일반적으로 모노펄스 안테나 신호의 잡음 제거에 사용되는 1차, 2차(버터워스 필터) 저잡음 필터(차단주파수: 30 Hz)를 적용한 결과들과 비교하여 제안된 방법의 우수성을 검증하였다. 추정 결과와 필터 적용 결과들은 기준 엔코더 값과의 차이를 (6)과 같이 계산되는 RMSE로 정량적 평가를 수행한다. 여기서, yk과 y k ^
제안된 방식의 칼만 필터 추정을 위해 측정 갱신 벡터에 모노펄스 추적 오차와 자이로스코프 각속도 측정값을 사용하고, 프로세스 잡음과 측정 잡음의 공 분산행렬 Q, R은 각각 Q = 36, R = [ 0.16 0 0 0.0025 ]
제안된 방식의 추적 오차 추정 결과와 저잡음 필터 적용 결과는 Fig. 9에서 확인할 수 있다. 결과에서 확인할 수 있듯이, 저잡음 필터는 잡음 감소 효과는 있지만, 파형의 왜곡 보정은 불가하며, 추가적인 시간 지연을 유발한다. 반면에 제안된 방법으로 추정된 추적 오차는 왜곡이 보상되어 엔코더 기준 값과 유사한 형태를 보이며, 잡음이 거의 사라진 것을 확인할 수 있다.
Fig. 10은 Fig. 9의 추정 결과와 엔코더 각도와의 차이를 시험 구동 주파수 별로 표현한 결과이다. 결과에서 확인할 수 있듯이, 0° 인근(그래프의 시작, 중간, 끝 지점)에서 오차가 커지는 다른 방식들과 달리, 본 연구에서 제안된 방식은 안정적인 성능을 보이며, 잡음 제거 측면에서도 우수함을 확인할 수 있다. 또한, 일반적으로 추적 오차는 비콘 신호의 3 dB 빔폭 이내에서 유지되어야 하고, 통신 파장 및 안테나 반사판의 크기에 따라 0.5° 이내에서 관리되는 경우도 있기 때문에, Fig. 10 (c)에서 0.2°를 넘는 추적 오차는 작다고 볼 수는 없다.
Fig. 10의 데이터 별 RMSE는 Table 1과 같다. 일반적으로 적용되는 저잡음 필터를 적용하는 경우, 추가적인 시간 지연으로 인해 RMSE가 모노펄스 안테나 추적 오차 대비 오히려 증가한다. 그리고 1차보다 2차 필터를 사용하는 것이 위상을 더욱 지연시키기 때문에 성능이 더 하락한다. 따라서, 정확한 시선안정화 성능은 보장하기 못한다. 반면에 제안된 방법의 RMSE는 방위각 구동 주파수 별로 각각 약 72 %, 79 %, 43 % 감소시키는 것을 확인할 수 있으며, 이는 정밀한 시선안정화 제어를 가능하게 한다. 다만, 1.5 Hz로 빠르게 구동하는 경우, 느리게 구동하는 경우 대비 추정 성능이 낮아지는 특성을 보인다. 이는 칼만 필터의 측정 잡음 공분산 행렬의 최적화가 필요한 부분이며, 실제 시험을 통해 이동형 위성안테나 플랫폼의 운용점(Operating point)을 분석하여, 적정한 입력 외란 수준을 확인하여야 한다.
Table 1.
Comparison of estimation performances
| 추적 오차 데이터 취득 방법 | RMSE[°] | ||
|---|---|---|---|
| 0.2 Hz | 0.5 Hz | 1.5 Hz | |
| 모노펄스 안테나 추적 오차 | 0.0402 | 0.0431 | 0.0685 |
| 1차 저잡음 필터 적용 결과 | 0.0414 | 0.0479 | 0.0987 |
| 2차 저잡음 필터 적용 결과 | 0.0421 | 0.0508 | 0.1123 |
| 제안된 방식의 추정 결과 | 0.0084 | 0.0119 | 0.0388 |
신호 품질 개선 효과는 Fig. 11로 확인할 수 있다. 모노펄스 안테나에서 취득한 데이터와 10 Hz까지 비교했을 때, 대부분 고주파 성분이 감소된다. 이는 대부분 안테나 구동시스템의 구동 대역폭이 10 Hz 이내인 것을 감안할 때, 추정된 오차가 제어시스템의 제어 이득을 높이는데 도움이 된다.
결과적으로, 부하 자이로스코프를 활용한 칼만 필터에 의한 추정 방법은 추적 오차의 잡음 및 왜곡을 현저히 개선하며, 정밀하고 안정적인 시선안정화 제어에 매우 효과적임을 가늠할 수 있다.
결 론
본 논문은 부하 자이로스코프와 칼만 필터를 기반으로 이동형 위성 통신 플랫폼에 장착된 모노펄스 안테나의 추적 오차 정확도를 개선하는 방법을 제안하였다. 이동형 통신 단말들은 원활한 통신 품질을 보장하기 위해 시선안정화 추적이 강조된다. 다양한 시선안정화 기법들 중에 모노펄스 안테나는 별도 탐색 과정 없이 추적 오차를 제공하는 진보된 방식이다. 하지만, 모노펄스 추적 오차는 잡음과 비선형 왜곡으로 인해 시선안정화 제어 성능을 악화시킨다. 본 연구에서는 부하에 장착된 자이로스코프의 각속도와 추적 오차 각속도의 상관 관계를 활용한 칼만 필터 기반 추적 오차 추정 방법을 제안하였다. 추적 오차 추정 성능은 실험을 통해 검증되었고, 모노펄스 안테나에서 산출된 추적 오차 대비 약 79 %의 정확도 향상 및 신호 품질 개선을 확인하였다. 이러한 결과는 제안된 방법이 이동형 플랫폼에 장작된 모노펄스 안테나의 신뢰할 수 있는 시선안정화를 성능을 제공할 것으로 기대된다. 이를 위해 위성안테나가 장작된 이동형 플랫폼을 다양한 외란 환경에서 시험하고, 시선안정화 제어를 포함한 추적 오차 추정 성능을 검증할 예정이다.
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