SDR 기반 eLoran 신호 발생기의 설계 및 구현

eLoran은 기존 Loran-C 시스템을 현대화한 지상파 PNT 시스템으로서, 중심주파수 100kHz, 90~110 kHz 대역의 저주파(LF) 신호를 이용하여 위치결정 및 시각동기 서비스를 제공한다. eLoran 시스템은 하나의 Master 송신국과 다수의 Secondary 송신국으로 구성되며, 동일한 GRI(Group Repetition Interval)를 공유하는 체인(Chain) 형태로 운용된다.

각 송신국은 정해진 시간 간격에 따라 펄스군(Pulse group)을 송신하며, 수신기는 각 송신국 신호의 TOA 또는 TD를 측정하여 위치를 계산한다. 특히 eLoran은 고출력 송신기와 장파장 전파의 특성을 이용하여 GNSS 대비 우수한 재밍 저항성과 넓은 서비스 영역을 제공할 수 있다.

본 연구에서는 동아시아 지역에서 운용되는 9930(한국), 7430(중국), 8390(중국) 체인을 대상으로 시험 신호를 생성하였다. 9930 체인의 경우, Master(M,포항), W(광주), X(일본,폐국), Y(일본,폐국), V(소청도,신설) 및 Z(러시아) 송신국의 신호를 생성할 수 있으며, GRI는 99.3 ms 간격이다.

eLoran 송신국은 일정한 간격으로 배열된 펄스군(Pulse Group)을 반복적으로 송신한다. Master 송신국은 9개의 펄스로 구성된 펄스군을 사용하며, Secondary 송신국은 8개의 펄스를 사용한다. 참고로, eLoran의 9-th pulse 기법을 적용할 경우에는 데이터 송신을 위한 9번째 펄스가 별도로 추가되며, 이 펄스의 시간지연에 의한 변조가 수행된다. 한편, Eurofix방식의 경우에는 3번째 펄스부터 8번째 펄스까지의 총 6개의 펄스를 변조하여 데이터 송신한다. 현재 9930(한국) 체인에서의 LDC 데이터 송신의 경우 W(광주) 및 V(소청도)가 Eurofix와 9-th pulse 방식을 동시에 적용하여 송신하고 있으며, Master(M,포항)의 경우에도 eLoran 서비스를 예정하고 있다.

본 연구의 구현 범위에는 Eurofix 및 9th Pulse 데이터의 변조를 포함시키지 않고 기본적인 eLoran 펄스군과 2-GRI 위상코드의 정확한 생성을 목표로 신호 발생기를 설계하고자 한다. 따라서, Master 및 Secondary 송신국의 펄스의 생성을 위한 위치는 다음의 표 1과 같이 간단히 나타낼 수 있다.

Table 1.

Pulse position of master and secondary stations

Master의 마지막 9번째 펄스는 Master를 육안으로 식별하는 용도로 사용될 수 있지만, 일반적인 수신기에서는 위상 코딩(Phase coding)을 이용하여 Master와 Secondary 신호를 서로 구분하고 있다.

최근에는 공중파에 의한 eLoran 펄스 신호의 오염을 완화하기 위한 펄스 파형에 대해 연구가 되고 있다[11]. SAE9990 표준문서를 참고하면, 일반적으로 Loran 펄스 파형은 100 kHz 정현파 캐리어에 지수 감쇠하는 엔벨로프(Envelope)를 곱하여 생성한다. 단일의 표준 펄스 파형은 다음 식 (1)로 표현된다.

• where,
• A: Normalized Amplitude
• f_c: Carrier Center Frequency(2πf_ct=0.2πt, where t is in μs)
• τ : Envelope-to-Cycle Difference (ECD) in μs.
• P_C∈{0, π} : phase-code paramter in radians

표준 엔벨로프는 그림 1과 같이 약 65μs 동안 상승하여 최대값에 도달한 뒤에 감쇠한다.

Fig. 1.

Pulse shape of the eLoran signal

본 연구에서 생성한 파형은 약 250~350 μs 구간에서 유효 에너지를 가지며, SDR 시스템의 샘플링 주기에 따른 D/A(Digital to Analog) 전압 출력 형태로 구현하였다.

eLoran 시스템은 송신국 식별 및 상호 간섭 억제를 위하여 2-GRI 위상코딩(Phase coding)을 사용한다. Master 송신국의 경우 첫 번째 GRI와 두 번째 GRI에서 각각 서로 다른 위상 패턴을 적용한다. 일반적으로 첫 8개 펄스에 대해 0° 또는 180° 위상반전을 수행하며, 이를 A 코드와 B 코드라고 한다.

본 연구에서는 RTCM 및 SAE9990 문헌에 정의된 표준 위상코드를 적용하였다. 위상반전은 캐리어 파형의 부호를 반전시키는 방식으로 구현하였으며, 이를 통해 실제 송신국과 동일한 식별 특성을 갖도록 하였다.

본 연구에서 구현한 송신 시스템의 전체 구조는 그림 2와 같다.

Fig. 2.

Structure and photograph of the implemented transmission simulator(MATLAB)

MATLAB 및 LabVIEW 환경에서 eLoran 신호를 생성한 후 UHD(USRP Hardware Driver)를 통해 USRP N210으로 전송하고, LFTX Daughter board를 이용하여 저주파 대역 신호를 출력한다. 시스템은 다음과 같은 구성요소로 이루어진다.

• ● Host PC
• ● MATLAB & LabVIEW based Signal Generator
• ● USRP Hardware Driver (UHD)
• ● USRP N210
• ● GPSDO & "FS740 GPS TIME & FREQUENCY SYSTEM"
• ● LFTX Daughter board

내장형 GPSDO 및 FS740 장치는 10 MHz 기준 클록과 1 PPS 신호를 제공하며, 이 신호들을 이용해서 송신 시각을 UTC 기준으로 정렬할 수 있다.

본 논문에서 구현한 eLoran 신호 발생기에서의 송신 파형 생성은 다음 절차에 따라 수행된다.

• ① 체인 선택: 사용자는 9930, 7430 또는 8390 체인을 조합하여 선택할 수 있다.
• ② 송신국 선택: Master 및 Secondary 송신국을 선택한다.
• ③ Emission Delay 계산: 각 송신국에 대해 규정된 ED 값을 적용한다.
• ④ 펄스군 생성: 100 kHz 캐리어 기반 펄스를 생성한다.
• ⑤ 위상코딩 적용: 2-GRI 코드를 적용한다.
• ⑥ 다중 송신국 합성: 선택된 송신국 파형을 시간축상에서 합성한다.
• ⑦ SDR 출력: 생성된 IQ 샘플을 USRP로 전송한다.

eLoran 시스템의 핵심 요구사항 중 하나는 높은 시각 정확도이다. 송신 시각 오차는 수신기의 TD 측정 정확도에 직접적인 영향을 미친다. 이를 위해 본 연구에서는 GPSDO를 이용하여 송신 시점을 UTC 기준 PPS에 정렬하였다. GPSDO는 다음 두 가지 기능을 수행한다.

첫째, 10 MHz 기준 클록 제공

둘째, 1 PPS 기준 시각 제공

MATLAB 및 LabVIEW 프로그램은 PPS 시점을 검출한 후 지정된 GRI 경계에서 송신을 시작하도록 구현하였다. 이를 통해 장시간 송신 시에도 누적 시간 오차를 최소화할 수 있었다.

eLoran 체인에서 각 Secondary 송신국은 Master 송신국에 대해 고유한 Emission Delay를 가진다[12].

수신기의 위치 계산 및 SDR 신호 발생기에서 적용한 TD의 산출은 다음의 식 (2)-(4)와 같은 전파 방정식을 따른다[1].

• 여기서,
• t_transmit,i : 송신국 i의 송신 시각
• τ_prop,i : 송신국 i에서 수신기까지의 전파 지연 시간
• τ_prop,M : Master 송신국에서 수신기까지의 전파 지연 시간
• d_i : 송신국 i와 수신기 사이의 대권 거리
• c=299,792,458 m/s : 진공에서의 광속
• η=1.000338: 대기 굴절률
• PF,SF,ASF: 1차 전파 지연 요인, 2차 전파 지연 요인, 추가 2차 전파 지연 요인
• ED_i : Master 송신 시각을 기준으로 한 Secondary 송신국 i의 방출 지연 시간

예를 들어 9930 체인의 경우 다음의 표 2와 같은 ED 값이 사용된다.

Table 2.

Stations and ED

본 연구에서는 각 송신국 파형을 해당 ED만큼 시간축 이동시켜 실제 체인 구조를 모사하였다.

eLoran 수신기 시험환경을 구축하기 위해서는 여러 송신국 신호가 동시에 존재하는 상황을 재현해야 한다. 이를 위해 각 송신국 파형을 독립적으로 생성한 후 공통 시간축 상에서 중첩하였다.

합성된 신호는 다음 특성을 만족하도록 설계함으로써 실제 수신 환경과 유사한 신호 구성을 생성하고자 하였다.

• ● 동일 GRI 사용
• ● 독립적 ED 적용
• ● 위상코드 유지
• ● 진폭 독립 조정 가능

생성된 디지털 샘플은 USRP N210의 송신 버퍼로 전송된다. 본 연구에서는 100 MHz Master Clock을 사용하였으며, 10 MHz 샘플링 주파수 조건에서 송신을 수행하였다. 또한 GRI 경계에서 파형이 불연속적으로 변하는 현상을 방지하기 위하여 다중 GRI를 포함하는 연속 프레임 구조를 적용하였다.

실험 결과, 송신 중 언더플로우(Underflow)는 이틀 이상의 연속 송신 실험에서 전혀 발생하지 않아 장시간 연속 송신이 가능함을 확인하였다.

제안된 eLoran 신호 발생기는 MATLAB R2026a 환경에서 구현되었으며, SDR 하드웨어로는 Ettus Research사의 USRP N210을 사용하였다. 송신부는 LFTX Daughterboard를 이용하여 저주파 대역의 신호를 출력하도록 구성하였으며, 기준 주파수 및 시각 동기화를 위하여 GPSDO를 적용하였다. 실험에 사용된 주요 파라미터는 표 3과 같다.

Table 3.

Main setting values of the transmitter

본 연구에서는 한국(9930 체인), 중국(7430 및 8390 체인)의 세 체인을 대상으로 각각의 Master 및 Secondary 송신국의 시험 신호를 생성할 수 있도록 하였다.

그림 3은 생성된 eLoran 펄스군의 시간영역 파형을 나타낸다.

Fig. 3.

Time-domain waveform of the generated eLoran pulse group(LabVIEW)

실험 결과 Master 송신국의 경우 9개의 펄스가 정확한 시간 간격으로 생성되었으며, Secondary 송신국은 표준 규격에 따라 8개의 펄스로 구성됨을 오실로스코프의 파형으로 관찰하였다. 또한, 상용의 eLoran 수신기(UrsaNav UN-152B)의 RF단에 유선으로 연결하여 수신하였고, 그 결과는 전용의 상용 소프트웨어 "UrsaNav ELEGANT"에서 확인하였다[13].

각 펄스의 상승 및 감쇠 특성은 그림 4와 같이 이론적인 Loran 파형과 유사하게 얻어졌다. 이 펄스는 9930M 마스터의 9개 펄스 신호 중의 첫 번째 펄스이며, (+)위상을 가진다. MATLAB 및 LabVIEW에서 생성된 파형과 SDR 출력 신호를 비교한 결과 파형 왜곡은 관찰되지 않았으며, GRI 경계에서도 연속성이 유지됨을 오실로스코프에서 확인하였다.

Fig. 4.

Oscilloscope waveform for SDR output signal

생성된 신호의 스펙트럼 특성을 확인하기 위하여 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하였다. 그림 5는 송신 신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸다.

Fig. 5.

FFT frequency spectrum of the generated signal

분석 결과 중심 주파수 100kHz를 기준으로 eLoran 펄스 특성에 따른 대역폭이 형성되었으며, 비정상적인 스퓨리어스 성분(Spurious component)은 관찰되지 않았다. 또한 GPSDO 기준 클록을 사용함으로써 장시간 송신 시에도 중심 주파수 편차가 발생하지 않음을 확인하였다. 이는 제안된 시스템이 실제 eLoran 송신 환경을 모사하기에 충분한 주파수 안정성을 확보하고 있음을 의미한다.

eLoran 체인에서 각 Secondary 송신국은 고유의 ED를 가진다. 본 연구에서는 정확한 타이밍의 신호 생성을 확인하기 위하여, 9930 체인의 송신국 정보를 적용하여 파형을 생성하였다.

다음의 표 4와 표 5는 SDR 신호 발생기가 생성한 RF 파형을 오실로스코프 및 상용 수신기(UrsaNav UN-152B)로 측정한 정량적 성능 수치를 정리한 것이다. ED/TD 생성 오차는 설정값 대비 측정 오차 최대 0.1877 μs이하(표 4, 표 5 참조)였으며, 반송파 주파수 정밀도는 중심주파수 100kHz ± 0.001Hz 이하(GPSDO 10MHz 동기적용), 펄스 간격 정밀도는 1 ms 펄스 간격 내 지터(Jitter) 10ns이내, 위상 코딩 정확도는 2-GRI (A/B코드) 위상 반전 오차 0° (100% 반전 정합)를 얻었다.

Table 4.

Applied time delay(Laboratory)

Table 5.

Applied time delay(Daesan port)

그림 6은 가상의 수신기 위치(위도 35.23307000°, 경도 129.12540000°의 연구소 위치를 적용함)에 따른 TD값과 위치 결과값을 각각 나타낸다. Station의 별표(*) 표시는 위치해의 계산에 이용된 송신국을 의미한다. eLoran 신호 발생기에서 특정의 수신기 위치에 대한 TD값을 계산하기 위해서, RTCM SC-127 표준 문서의 광속 299,792,458 m/s, 지구 표면에서의 대기의 굴절률 1.000338 등의 파라미터를 적용하였으며, PF(Primary Factor)/SF(Secondary Factor) 보정은 Brunavs Coefficients는 해수(sea-water) 값을 적용하였고 ASF(Additional Secondary Factor) 보정은 하지 않았다.

Fig. 6.

Receiving result when transmitting with phase coding applied to two consecutive GRIs. (Laboratory)

실험 결과 각 송신국 파형은 설정된 TD 값에 따라 정확한 시간 간격으로 생성되었으며, LabVIEW에서 계산된 시간 지연과 SDR 출력 결과가 일치함을 개발한 SDR 기반의 신호수신기 및 상용의 eLoran 수신기(UrsaNav UN-152B)에서 수신하여 그림 6과 같은 결과를 얻었다.

그림에 나타낸 수신기 위치의 Avg Err와 Real Error는 N개의 수신 위치 샘플 (x_i,y_i)과 추정된 평균 위치($$ \stackrel{-}{x},\stackrel{-}{y}$$), 실제 지형적 기준 위치 (x_true, y_true)에 대하여 다음의 식(5)-(7)으로 각각 표현할 수 있다.

그림 6에서 나타낸 Avg Err는 N=200일 때의 수신한 신호의 평균 위치 정밀도(Precision)이며, 연구소의 경우 0.4m(95%)의 값을 가졌다. 또한, 그림에서 나타낸 Real Error는 실제 수신기 물리적 좌표와 SDR에서 보낸 가상 좌표 간의 절대 위치 오차를 말하며 위치 정확도(Accuracy)를 의미하며, 연구소 49.8m~50.1m(95%)의 값을 가졌다.

실험 결과를 비교하기 위하여 가상의 수신기 위치를 참고문헌 [14]에서 언급된 대산항 인근으로 정한 후 SDR에서 송신한 것을 UrsaNav UN-152B에서 수신하였으며, 다음의 그림 7과 표 5는 수신기의 위치를 위도 37.01463000°, 경도 126.41825000°로 특정하여 TD(Time Delay)를 산출한 결과와, eLoran 수신기의 9930M,W,V를 이용한 위치 결과값을 각각 나타낸다.

Fig. 7.

Receiving result when transmitting with phase coding applied to two consecutive GRIs. (Daesan port)

그림 7에서 나타낸 Avg Err는 N=200일 때의 수신한 신호의 평균 위치 정밀도(Precision)이며, 대산항의 경우 0.0m(95%)의 값을 가졌다. 또한, 위치 정확도(Accuracy)는 12.9m(95%)의 값을 가졌다.

Real Error(연구소 50.0m(95%), 대산항 12.9m(95%))가 발생한 원인은 SDR 신호 발생기에서 수신 위치 좌표 계산 시 ASF(Additional Secondary Factor) 보정의 미반영, PF/SF 모델링 오차, 수신기 내부의 지연 보정값의 미반영 등에 기인한다. 또한, TD 오차가 최종 위치오차로 변환되는 정도는 위치 계산에 사용되는 송신국의 기하학적 배치에 따라서도 달라진다.

반면, Avg Err가 0.4m 이하로 매우 작게 측정된 것은 본 SDR 신호 발생기가 극소의 위상 오차와 높은 시각 재현성(Repeatability)을 갖고 안정적인 펄스를 송신하고 있음을 정량적으로 증명한다.

표 6에 선행연구 대비 차별점을 나타내었다. 참고문헌 [14]의 연구에서는 Python 스크립트 기반으로 SDR을 제어하고 있으나, 본 논문에서는 MATLAB 스크립트 및 LabVIEW GUI 기반으로 SDR을 제어하였으며, 또한 해당 참고문헌의 연구에는 고가의 USRP X310 SDR모델을 사용되었지만, 본 논문에서는 상대적으로 경제적인 USRP N210 SDR을 채택하여 연구하였다. 대신에 정확한 타이밍의 생성을 위하여 "FS740 GPS TIME & FREQUECY SYSTEM"의 1PPS 및 10MHz 신호를 SDR의 내부 클록으로 사용함으로써 더욱 정확한 타이밍의 신호 생성을 기대할 수 있었다. 이 GPS 클록 신호에 기반하여, 9930·7430·8390 복수 체인의 선택, Master/Secondary 선택, 개별 ED 설정, 2-GRI 위상코딩, 다중 송신국 합성, GPSDO 기반 시간정렬 등을 소프트웨어에서 직접 조정할 수 있도록 SDR 신호 발생 플랫폼으로 구성하였다.

Table 6.

Comparison between Prior HILS research and SDR based eLoran signal generator

기존 HILS(Hardware-in-the-Loop System)가 특정 한국 eLoran 송신국 서비스 환경을 모사하는 종합 시험 시스템이라면, 본 연구의 초점은 수신기용 알고리즘 개발을 위하여 파형에 대한 파라미터와 체인 구성을 직접 변경해 가면서 정확한 타이밍의 신호를 생성하는 데 목표를 둔 보다 좁은 연구 범위의 SDR 기반 programmable signal generator에 해당하는 구현 결과이다.

본 연구에서는 eLoran 표준에서 정의하는 2-GRI 위상코딩을 구현하였다. 그림 6과 그림 7은 연속된 두 개의 GRI에 대하여 위상코딩을 적용하여 SDR로 송신한 것을 기존 상용의 UrsaNav UN-152B eLoran 수신기에서 수신한 결과 화면을 나타낸다.

수신기에서의 측정 결과 첫 번째 GRI와 두 번째 GRI에서 각 펄스의 위상 반전이 정상적으로 적용되었으며, Master 및 Secondary 송신국에 대해 지정된 위상코드가 정확하게 구현됨을 확인하였다. 이는 향후 TOA 검출 및 TD 측정 연구에 필요한 기초 신호 환경이 구축되었음을 의미한다. 앞으로 SDR을 이용한 수신기 개발에 있어서, 본 송신 신호에 대하여 위상코드 식별 알고리즘을 적용하여 다수의 송신국을 정상적으로 식별하고자 한다.

GPSDO를 이용한 1 PPS 기반 동기화 기능을 검증하기 위하여 반복 송신 실험을 수행하였다. 실험 결과 모든 송신은 UTC 기준 1 PPS 경계에 정렬되어 시작되었으며, 장시간 송신 과정에서도 누적 시간 오차가 발생하지 않았다. 이는 GPSDO가 제공하는 10 MHz 기준 클록과 1 PPS 신호가 안정적으로 동작하고 있음을 의미한다.

eLoran 시스템은 마이크로초 단위의 시간 정확도를 요구하므로, GPSDO 기반 동기화는 연구용 송신기의 필수 요소라 할 수 있다.

구현한 시스템은 단순한 eLoran 송신기를 넘어 다양한 연구개발에 활용 가능한 시험 플랫폼으로 활용될 수 있다.

첫째, TOA 검출 알고리즘 검증
둘째, TD 기반 위치계산 알고리즘 연구
셋째, ASF(Additional Secondary Factor) 보정 연구
넷째, LDC(Loran Data Channel) 데이터 전송 실험
다섯째, E-field 및 H-field 안테나 기반 선박용 수신기 개발

특히 SDR 기반의 구조를 채택함으로써 체인 구성, TD, 위상코드, GRI 및 eLoran 데이터 채널을 소프트웨어적으로 변경할 수 있어 연구의 유연성이 매우 높다. 수식으로 생성한 신호 및 잡음을 출력하는 송신 기능뿐만 아니라, SDR 자체가 가진 수신 기능을 이용하여 실제 환경 하에서의 eLoran 신호를 파일로 레코딩할 수도 있다. 향후, 실제 eLoran 신호를 수집하여 리플레이가 가능하도록 기능을 추가함으로써 실제 신호를 처리하는 수신기용 알고리즘 개발에 활용될 수 있도록 개선해 나갈 예정이다.