FPGA를 이용한 무인기 항법용 방위각 발생기 및 획득기 구현

Implementation of Azimuth Generator and Acquisition Device for UAV Navigation Using FPGA

무인기 항법용 방위각 발생기와 획득기는 기존 민항기의 DVOR과 유사한 개념으로 무인기가 자신의 진행 방위각을 세밀하게 파악할 수 있도록 도와주는 시스템이다. 이 시스템은 도플러 효과에 의한 방위각 신호를 발생하는 지상 기지국과 방위각 신호를 수신하여 무인기의 진행 방위각을 도출하는 신호획득 단말기로 구성된다. 본 연구는 기존 UAM에서 주로 사용하는 GNSS 항법을 보완하기 위해 지상기반 C밴드 주파수 (5.03~5.15 GHz)를 이용한 전파항법 VOR 구현에 관한 것이다. 이는 항공우주를 감독하는 미연방항공국 규칙 Title 14 CFR- Aeronautics and Space 135.165에서 제시한 '2개 이상의 독립적인 항법소스를 비행체에 적용' 규정사항을 충분히 만족할 수 있는 항법기술 중 하나이다. 본 연구에서는 FPGA를 사용하여 시스템의 핵심기술 분야인 방위각 신호발생, 방위각 도출에 필요한 Sine/Cosine 신호 발생, AM/FM 신호의 위상검출 비교기 그리고 도플러 효과를 위한 안테나 스위칭용 블렌딩 신호발생기 등에 대한 설계와 구현을 수행하여 1000회 샘플링의 연속 방위각 도출 결과는 최대 편차 ±1.1° 이내로 ICAO 규격인 ±3°를 만족함을 확인하였다.

The azimuth generator and acquirer for UAV navigation is a system that helps UAVs to precisely determine their own azimuth while they are flying, similar to the DVOR of existing civil aircraft. This system consists of a ground base station that generates an azimuth signal by the Doppler effect and a signal acquisition terminal that receives the azimuth signal and derives the azimuth of the UAV. This study focuses on the implementation of C-band radio navigation in the 5.03 ~ 5.15 GHz terrestrial band to cooperate with GNSS navigation mainly used in existing UAMs. This is one of the navigation technologies that can fully satisfy the requirements of Title 14 of CFR-135.165. According to the FAA, the use of two or more independent navigation sources for aircraft is proposed for aircraft. In this study, the design and implementation of the core technologies of the system, such as azimuth signal generation, sine/cosine signal generation required for azimuth derivation, phase detection comparator of AM/FM signals, and blending signal generator for antenna switching for the Doppler effect, were performed using FPGA. The results of azimuth derivation for 1000 samplings were confirmed to satisfy the ICAO standard of ±3° with a maximum deviation of ±1.1°.