VHF Data Exchange System (VDES)는 해상 Very High Frequency (VHF) 무선 주파수 대역을 통해 해안 기지국, 선박, 위성 간의 데이터 교환을 수행하는 해상 무선통신시스템이다. VDES Ranging Mode (R-Mode)는 선박에서 Positioning, Navigation, and Timing (PNT) 정보를 얻기 위해 Global Navigation Satellite System (GNSS)에 의존하였던 기존 환경에서 벗어나 전파 교란에 의한 GNSS의 취약성에 대 비하기 위한 백업 PNT 서비스로서 유럽을 중심으로 연구개발 중에 있다. VDES R-Mode에서는 기본적으로 International Association of marine aids to navigation and Lighthouse Authorities (IALA)의 G1158 표준에 정의된 Ranging Sequence를 통한 항법 해를 제공하기 위해 Correlation 기반 수신기의 사용을 고려할 수 있다. 그러나 Correlation 기반 수신기는 IALA에서 권고하는 백업 항법시스템의 항만 접근 요구 성능의 수평 위치 정확도를 달성하기 위해서 샘플링 주파수와 요구 Signal-to-Noise Ratio (SNR)이 높아지는 한계가 있다. 본 논문에서는 Fast Fourier Transform (FFT) 기반 타이밍 옵셋 추정 기법이 적용된 VDES R-Mode 수신기의 구조를 제시하고 시뮬레이션을 통한 추정 샘플 오차의 분석 결과를 서술한다. FFT 기반 수신기는 기존 Correlation 기반 수신기와는 달리 약 300 kHz의 낮은 샘플링 주파 수에서 동작하고 위상 추정 시 잡음에 의한 오차 요소를 제거하기 위한 방법으로 Least Square Method 알고리즘이 적용된 Linear Curve Fitting 과정을 수행한다. 시뮬레이션 결과를 통해 30 dB 이상의 SNR 환경에서 FFT 기반 수신기의 추정 샘플 오차 성능이 IALA 권고 수평 위치 정확도를 만족함을 확인하였다.

Analysis of Range Error for VDES R-Mode Receiver to Which FFT-based Timing Offset Estimation Method is Applied

Jang Hwan Shin, Tae Hyun Fang, Won-Yong Kim, Jae Min Ahn*

VHF Data Exchange System (VDES) is a maritime wireless communication system that exchanges data between coastal base stations, ships, and satellites through the maritime Very High Frequency (VHF) radio frequency band. VDES Ranging-Mode (R-Mode) is a backup Positioning, Navigation, and Timing (PNT) service to prepare for the vulnerability of Global Navigation Satellite System (GNSS) due to radio wave disturbance, away from the existing environment that relied on GNSS to obtain PNT information from ships. It is under research and development mainly in Europe. In VDES R-Mode, the use of a correlation-based receiver may be considered to basically provide a navigation solution through the ranging sequence defined in the G1158 standard of the International Association of marine aids to navigation and Lighthouse Authorities (IALA). However, the correlation-based receiver has a limitation in that the sampling frequency and the required Signal-to-Noise Ratio (SNR) increase in order to achieve the horizontal position accuracy of the port access requirement performance of the backup navigation system recommended by the IALA. In this paper, we present the structure of the VDES R-Mode receiver to which the Fast Fourier Transform (FFT) based timing offset estimation technique is applied, and describe the analysis result of the estimated sample error through simulation. Unlike the existing correlation-based receiver, the FFT-based receiver operates at a low sampling frequency of about 300 kHz and performs a linear curve fitting process to which the least square method algorithm is applied as a method to remove an error element caused by noise during phase estimation. Through the simulation results, it was confirmed that the estimated sample error performance of the FFT-based receiver in an SNR environment of 30 dB or more satisfies the IALA recommendation for horizontal position accuracy.

Keywords: VDES, R-Mode, FFT, timing offset estimation, least square method

Speaker 신장환 충남대학교