GLONASS 신호 및 주파수 - 소프트웨어 융합

GLONASS 신호 구조

GLONASS(Global Navigation Satellite System)의 신호 구조는 크게 두 가지 주파수 대역에서 전송된다. GLONASS는 CDMA(Code Division Multiple Access)를 사용하는 GPS와는 달리 FDMA(Frequency Division Multiple Access)를 채택하고 있어, 각 위성이 고유한 주파수를 할당받아 신호를 전송한다. 이에 따라 GLONASS는 위성별로 서로 다른 주파수에서 신호를 전송하며, 시간 동기화 없이 각 주파수 대역 내에서 수신이 가능한다.

FDMA 방식의 특징

FDMA는 주파수 대역을 위성마다 나누는 방식으로, GPS의 CDMA 방식과 비교해 다음과 같은 특징을 갖는다:

각 위성이 서로 다른 주파수를 사용하므로, 주파수 선택적 간섭이 적음
시스템의 주파수 대역폭이 넓어질 수록 더 많은 위성을 관리할 수 있음

GLONASS 신호 주파수 대역

GLONASS는 두 개의 주요 주파수 대역에서 신호를 전송한다:

L1 대역: 1598.0625 MHz ~ 1605.3750 MHz
L2 대역: 1242.9375 MHz ~ 1249.8125 MHz

위의 대역은 각각 FDMA 방식을 통해 여러 위성에 할당된다. 각 위성은 0.5625 MHz 간격으로 주파수가 분리되어 있다. 이는 위성이 많을수록 주파수 대역을 더욱 세분화해야 한다는 것을 의미한다.

주파수 대역폭과 신호 변조 방식

GLONASS는 위성마다 고유한 주파수를 사용하기 때문에 주파수 간 간섭을 최소화하기 위해 대역폭이 중요한 역할을 한다. 주파수 대역폭은 위성의 신호가 포함되는 범위를 결정하며, 이는 정확한 위치 계산에 필수적이다. GLONASS는 아래와 같은 변조 방식을 사용한다:

L1 대역: BPSK(Binary Phase Shift Keying)
L2 대역: QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)

BPSK는 2개의 위상 상태를 가지며, QPSK는 4개의 위상 상태를 가져 정보 전송 속도가 더 높다. 이를 통해 더 많은 데이터 전송을 할 수 있는 QPSK가 L2 대역에 사용된다.

주파수 계산 공식

GLONASS의 주파수는 각 위성마다 아래와 같은 식으로 계산된다:

$f_{L1,n} = f_{L1,0} + n \cdot \Delta f$

$f_{L2,n} = f_{L2,0} + n \cdot \Delta f$

여기서: - $f_{L1,n}$ 과 $f_{L2,n}$ 는 각각 $n$ 번 위성의 L1 및 L2 주파수 - $f_{L1,0} = 1602 \, \text{MHz}$ , $f_{L2,0} = 1246 \, \text{MHz}$ (기준 주파수) - $\Delta f = 0.5625 \, \text{MHz}$ (주파수 간격) - $n$ 은 GLONASS 위성 번호

각 위성은 고유한 $n$ 값을 가지며, 이 값에 따라 주파수가 결정된다. 예를 들어, $n = 1$ 일 경우 $f_{L1,1} = 1602 + 0.5625$ MHz, $f_{L2,1} = 1246 + 0.5625$ MHz가 된다.

GLONASS 신호 코드

GLONASS 신호는 두 가지 코드로 나뉜다: P 코드와 C/A 코드.

P 코드: 정밀(Precise) 코드는 GLONASS의 군사용 신호로, 주로 높은 보안과 정확도를 요구하는 용도로 사용된다. P 코드는 위성 위치 정보와 시간 정보를 포함하며, 정확도가 높다. 그러나 암호화되어 있어 민간용 수신기에서는 수신이 불가능한다.
C/A 코드: 민간용으로 사용되는 코드로, Coarse/Acquisition의 약자이다. C/A 코드는 대부분의 민간 GPS 수신기에서 사용되는 신호로, 주로 초기 위치 결정과 추적에 사용된다. GPS 시스템의 C/A 코드와 유사하지만, FDMA 방식을 사용하기 때문에 주파수에 따라 다르다.

위상 변조 방식과 데이터 전송 속도

GLONASS의 신호는 위상 변조 방식으로 전송된다. L1 대역과 L2 대역의 변조 방식은 각각 다르며, 이를 통해 데이터 전송의 효율성을 높인다.

L1 대역: GLONASS의 L1 대역은 BPSK 변조 방식을 사용한다. BPSK는 2개의 위상 상태(0도, 180도)를 사용하여 신호를 전송하며, 1초에 50 bps의 속도로 데이터를 전송한다.
L2 대역: L2 대역은 QPSK 변조 방식을 사용한다. QPSK는 4개의 위상 상태를 사용하며, BPSK보다 더 많은 데이터를 동시에 전송할 수 있다. 하지만 GLONASS에서는 L2 대역의 데이터 전송 속도는 동일하게 50 bps로 제한된다.

위상 변조 공식

BPSK 변조에서, 각 신호는 다음과 같은 형태로 표현된다:

$s(t) = A \cdot \cos(2 \pi f_c t + \phi)$

여기서: - $A$ 는 신호의 진폭 - $f_c$ 는 주파수 - $\phi$ 는 위상

QPSK 변조는 4개의 위상 상태를 가지며, 각 상태는 90도씩 차이가 나며 다음과 같이 표현된다:

$s(t) = A \cdot \cos(2 \pi f_c t + \phi_i) \quad \text{(where } \phi_i = 0, \frac{\pi}{2}, \pi, \frac{3\pi}{2})$

QPSK는 데이터 전송률을 증가시키지만, 신호 처리 과정에서 더 복잡한 연산을 요구한다.

데이터 메시지 구조

GLONASS 신호는 위성의 상태, 시간 정보, 궤도 정보 등을 포함하는 데이터 메시지를 전송한다. 데이터 메시지는 100비트 길이로, 5개의 서브프레임으로 나뉜다. 각 서브프레임은 30초 주기로 전송되며, 신호의 프레임 구조는 다음과 같은 정보를 포함한다:

프레임 헤더: 위성 상태와 동기화 정보
천문력 정보: 위성 궤도 파라미터
시간 보정 정보: GLONASS 시간과 UTC의 오차 보정

데이터 프레임은 모든 GLONASS 위성에서 동일하게 사용되며, 수신기는 각 위성으로부터 이 데이터를 분석하여 정확한 위치를 계산한다.