GPS와 같은 위성 신호 의존 장치를 개발 중이라면, 그 장치가 작업의 요구에 맞게 수행될 수 있는지 확인해야 합니다. 하지만 그 장치가 시장에 출시될 준비가 되기 전에 실제 환경의 요구를 충족시킬 준비가 되었는지 어떻게 확인할 수 있을까요? GPS 시뮬레이터를 사용하여 적절한 테스트를 수행해야 합니다..

위성 추적은 고객 GPS 기반 장치의 성공의 초석이 될 것입니다. 이 측면을 올바로 테스트하지 못할 경우, 장치의 시장 출시가 실패로 돌아갈 수 있습니다.

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GNSS/GPS 시뮬레이션: 일반 원리

GNSS는 글로벌 항법 위성 시스템(Global Navigation Satellite System)을 의미하며, 전 세계 서비스를 제공하는 위성 항법 시스템을 의미하는 일반 표준 용어입니다. 이 용어는 GPS, GLONASS, Galileo, Beidou 및 기타 지역 위성 항법 시스템을 포함합니다.

IconGNSS의 초기 시절 이후, 항법 시스템의 테스트를 희망하는 사람들이 사용할 수 있는 두 개의 주요 대안, 즉 현장 테스트 및 실험실 시뮬레이션이 기본적으로 존재했습니다. 오늘날, 모범적인 사례는 대부분의 테스트가 안정된 연구실에서 제어되며 반복 가능한 조건에서 실행된다는 것을 지적합니다. 이로 인해 사실적이고 이론적인 성능 한계의 테스트를 포함하여 명목적인 동시에 적대적인 조건의 테스트가 가능합니다. 또한 현재 사용할 수 없거나 완전한 위치를 갖지 못한 GNSS 시스템의 리시버 개발이 가능합니다.

실제 환경의 라이브-스카이(Live-Sky) 테스트는 실제로 제어된 테스트를 불가능하게 만드는 커다란 결함이 있습니다. 실제 GNSS 위치를 사용한 실시간 테스트에 비해, GNSS 시뮬레이터를 사용한 테스트의 이점에 대한 요약은 아래의 표에 나와 있습니다.

실제 GNSS 위치를
사용한 실시간 테스트

위치 신호에 대한 제어 없음
환경 조건에 대한 제한적인 제어
반복 불가, 조건이 항상 변화
FM, 레이더 등의 비의도적 간섭
원하지 않는 신호 멀티패스 및 일식이나 월식
GNSS 위치 오류 테스트 방법 부재
확정된 현장 테스트 및 차량 시험
Live Testing with Actual GNSS Constellations 실제 GNSS 위치를 사용한 실시간 테스트 No control over constellation signals 위치 신호에 대한 제어 없음 Limited control over environmental conditions 환경 조건에 대한 제한적인 제어 Not repeatable; conditions are always changing 반복 불가, 조건이 항상 변화 Unintended interference from FM, radar, etc. FM, 레이더 등의 비의도적 간섭 Unwanted signal multipath and obscuration 원하지 않는 신호 멀티패스 및 일식이나 월식 No way to test with GNSS constellation errors GNSS 위치 오류 테스트 방법 부재 Expensive field testing and vehicle trials 확정된 현장 테스트 및 차량 시험 Limited to signals available in GNSS constellations GNSS 위치에서 사용 가능한 신호로 제한됨 Competitors can monitor field testing 경쟁사가 현장 테스트를 모니터링할 수 있음 Laboratory Testing with GNSS Simulators GNSS 시뮬레이터를 사용한 실험실 테스트 Complete control over constellation signals 위치 신호에 대한 완전한 제어 Complete control over environmental conditions 환경 조건에 대한 완전한 제어 Fully repeatable 완전히 반복 가능 No unintended interference signals 비의도적 간선 신호 없음 No unwanted signal effects 원하지 않는 신호 효과 없음 Easily test scenarios with GNSS constellation errors GNSS 위치 오류 시나리오의 쉬운 테스트 Cost-effective testing in laboratory 비용 효율적인 실험실 테스트 Testing of present and future GNSS signals 현재 및 미래 GNSS 신호 테스트 Testing conducted in secure laboratory 안전한 실험실에서 수행되는 테스트
경쟁사가 현장 테스트를 모니터링할 수 있음

GNSS 시뮬레이터를
사용한 실험실 테스트

위치 신호에 대한 완전한 제어
환경 조건에 대한 완전한 제어
완전히 반복 가능
비의도적 간선 신호 없음
비의도적 간선 신호 없음
GNSS 위치 오류 시나리오의 쉬운 테스트
비용 효율적인 실험실 테스트
현재 및 미래 GNSS 신호 테스트
안전한 실험실에서 수행되는 테스트

GPS 시뮬레이터 테스트 수행

시뮬레이터를 사용한 리시버 테스트의 설정 및 실행은 비교적 간단합니다. 이것은 다음 두 단계로 요약할 수 있습니다.

정의:  정의 단계는 시뮬레이터 제어 소프트웨어를 사용하여 필요한 테스트 매개변수를 설정하는 단계입니다. 이 단계에서는 다음을 수행해야 합니다.

  • 테스트할 리시버의 애플리케이션 및 작동 환경 이해
  • 수행해야 할 테스트 결정
  • 적절한 효과를 가진 테스트 시나리오 정의
  • 적절한 RF 조건을 유지하기 위해 리시버를 시뮬레이터에 연결하는 방법 이해*

런타임: 런타임 단계는 시나리오가 실행되고 시뮬레이터 하드웨어가 필요한 RF 신호를 생산하는 단계입니다. 이 단계에서는 다음을 수행해야 합니다.

  • 테스트 받는 리시버의 관찰 및 시뮬레이터의 적절한 조작
  • 리시버 성능 분석. 이것은 실시간으로 또는 기록된 데이터의 테스트 후 분석에 의해 수행될 수 있습니다. 시뮬레이션 데이터(테스트 신호를 생성하기 위해 사용된 데이터)에 대한 접근은 데이터 스트리밍부터 파일 로그인까지 다양한 방법으로 가능합니다. 그런 다음 이 데이터를 리시버의 성능과 '진짜' 시뮬레이션 데이터를 비교하기 위해 사용할 수 있습니다.

GPS RF 시뮬레이터란 무엇인가요?

Satellite dishGPS 시뮬레이터는 GPS 리시버와 그에 의존하는 시스템을 테스트하는 효율적인 수단입니다. GPS 시뮬레이터는 차량과 위성의 움직임, 신호 특성, 대기 및 기타 영향을 모델링함으로써 동적 플랫폼에서 GPS 리시버 환경을 에뮬레이트하고, 테스트 시나리오의 매개변수에 따라 리시버를 실제로 이동시킵니다. GPS 리시버는 실제 GPS 위성으로부터 받은 신호를 처리하는 방법과 똑같은 방법으로 시뮬레이션된 신호를 처리합니다.

Spirent의 GPS 시뮬레이터는 실시간 환경에서 실제 GPS 신호를 사용하는 것과 비교할 때 더 우수한 테스트 대안을 제공합니다. 실시간 테스트와는 달리, 시뮬레이터를 사용한 테스트는 시뮬레이션된 위성 신호와 환경 조건을 완전히 제어합니다. GPS 시뮬레이터를 사용할 경우, 테스터는 다양한 종류의 테스트에 대해 많은 테스트 시나리오를 쉽게 생성하고 실행할 수 있으며,

  • 날짜, 시간 및 위치를 완전히 제어할 수 있습니다. 시뮬레이터는 모든 위치와 시간에 대해 GPS 위치 신호를 생성합니다. 과거, 현재 또는 미래의 다양한 시간과 함께 전 세계 또는 우주의 모든 위치에 대한 시나리오를 실험실 안에서 바로 테스트할 수 있습니다.
  • 차량의 이동. 시뮬레이터는 비행기, 선박, 우주선 또는 육상 차량과 같이 GPS 리시버가 장착된 차량의 이동을 모델링합니다. 전 세계의 차량 이동, 다양한 경로 및 궤도에 대한 시나리오는 테스트 받고 있는 장비를 실제로 이동하지 않고 테스트할 수 있습니다.
  • 환경 조건. 시뮬레이터는 대기 조건, 일식이나 월식, 멀티패스 반사, 안테나 특성 및 간섭 신호와 같이 GPS 리시버 성능에 영향을 주는 효과들을 모델링합니다. 이런 효과들의 다양한 조합과 수준을 동일하게 제어되는 실험실 환경에서 테스트할 수 있습니다.
  • 신호 오류 및 부정확성. 시뮬레이터는 GPS 위치 신호의 내용과 특성을 제어합니다. 테스트는 다양한 GPS 위치 신호 오류가 발생할 경우 장비 수행 방법을 결정하기 위해 실행할 수 있습니다.

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왜 GPS 시뮬레이터를 사용해야 하나요?

Cell Phone AntennaGPS처럼 완전하게 작동되는 GNSS를 고려하는 경우, 리시버 테스트를 위해 리시버를 적절한 안테나에 단순히 연결한다고 가정합니다. 가장 가까운 창 또는 차량이나 건물의 지붕에 안테나를 설치하고 리시버가 수신된 GNSS 신호를 검색 및 추적하며 탐색하는 것을 확인하는 것은 매우 쉬운 일입니다. 이런 가정은 어느 정도까지는 용인할 수 있습니다. 여기서 '라이브 스카이(Live Sky)'로 지칭되는 이러한 방법은 리시버의 기본 RF 및 처리 회로가 기본적으로 작동하고 있는지를 실제로 확인합니다.

그러나 Spirent는 단순한 작동 확인이 아니라 테스트에 관심이 있습니다. 그러므로, 실제 환경이 손상된 경우 성공적인 작동을 확인하기 위한 단순한 작동 확인 이상의 어떤 것을 위해, 그리고 제품의 구상-설계-개발-생산 및 통합 수명 주기 동안 어떤 테스트를 위해 라이브 스카이(Live Sky)에 의존해서는 결코 안 됩니다. 그러나 실제 환경 신호 테스트가 실제 환경이 손상되었거나 실제 환경의 작동에 문제가 있을 경우에 성능을 확인하는 가장 쉬운 방법이 되는 경우가 있습니다. 녹화 및 재생 시스템은 GNSS 시뮬레이터의 기능을 보완하며, 실제 환경의 전체적인 '풍부함'을 실험실에 그대로 반영할 수 있게 해 줍니다.

이제부터는 이런 사실을 뒷받침하는 이유들을 상세히 알아보겠습니다.

라이브 스카이(Live Sky) 테스트의 문제


라이브 스카이(Live Sky) 테스트 시 몇 가지 알려지지 않은 사실이 있었습니다. 알려지지 않은 사실은 다음과 같습니다.


위성 시계 오류 icon

시간이 지나면서 이런 오류들은 항법 메시지 및 수정사항 방송에서 설명되어야 하지만, 이 메시지는 자주 업데이트되지 않기 때문에 시계 오류가 수정되지 않은 상태로 존재할 수 있습니다.

시뮬레이터 사용의 장점: 위성 시뮬레이터를 사용하면, 위성 시계의 오류 발생을 희망하지 않는 한 오류가 없으며, 위성 시계 오류가 정확히 알려지고, 알려진 시간에 적용될 수 있습니다.


위성 궤도 오류Icon

항법 메시지에 명시된 것처럼 각 위성의 위치는 궤도에서의 정확한 물리적 위치에 따라 달라집니다. 이 현상은 위성 위치에 영향을 미치는 태양, 달, 지구의 중력 영향에 의해 부분적으로 유발되는 여러 가지 궤도 오류 때문입니다.

시뮬레이터 사용의 장점: 시뮬레이터를 사용하면 모든 궤도 오류를 제거하고 '완벽한' 위치를 사용하거나 오류를 모두 수량화하여 통제된 방식으로 존재하도록 할 수 있습니다.


항법 데이터 오류icon

모든 데이터 전송 시스템과 마찬가지로, 오류는 변조, 복조 및 전송 과정의 결과로써 데이터에서 발생합니다. GPS 시스템의 예를 들면 항법 메시지 각 단어의 마지막 6비트가 패리티 비트이며, 비트 오류 감지를 위해 사용되기 때문에 견고하게 구성되어 있습니다. 그러나 오류는 여전히 발생하며, 이를 완벽하게 설명할 수는 없습니다.

시뮬레이터 사용의 장점: 시뮬레이터를 사용하면 항법 데이터 오류를 고의로 적용하지 않는 한 항법 데이터 오류가 발생할 수 없습니다.


대기 오류icon

GPS 신호는 이온권과 대류권이라는 두 개의 주요 부분으로 구성된 대기층을 통과해야 합니다. 이온권(지구 표면 위 70~1,000km)의 자유 전자는 GPS 신호가 전자 밀도(이온권을 통한 전파 속도는 군속도라 지칭됨)에 비례하여 지연되도록 변조를 유발합니다. 동일한 조건으로 인해 RF 반송파 위상이 동일한 양만큼 진행됩니다 (이온권을 통한 전파 속도는 군속도라 지칭됨).

시뮬레이터 사용의 장점: 시뮬레이터를 사용하면, 대기를 완전히 비활성화하여 오류를 제거할 수 있습니다. 또는, 오류를 알려진 모델에 적용할 수 있고, 따라서 완전한 설명이 가능합니다.


멀티패스Icon

GPS 신호는 송수신자간 교신이 가능하며, 광선과 같은 방식으로 간주될 수 있습니다. 신호 광선은 내부 반사 임계각보다 작은 각도로 RF-반사면에 닿을 경우 약간 약해지면서 반사됩니다. 따라서 리시버는 송수신자간 교신이 가능한 직접 광선 뿐만 아니라 반사된 광선도 수신할 수 있습니다. 리시버는 둘 중 어떤 것이 진정한 LOS 신호인지 알 수 없으므로 둘 다 사용하며, 반사된 신호에 존재하는 지연 오류를 상속합니다.

시뮬레이터 사용의 장점: 시뮬레이터를 사용하면 멀티패스를 완전히 제거하거나, 다양한 멀티패스 모델을 사용해 멀티패스를 신호에 적용할 수 있습니다. 이런 방식으로, 리시버 성능에 대한 영향을 정확하게 분석할 수 있고 적절한 설계 대안이나 완화 방안을 적용할 수 있는 알려진 통제된 방식으로 멀티패스를 적용할 수 있습니다. 라이브 스카이(Live Sky)을 사용하면 어느 한 시기에 존재하는 멀티패스 조건을 수량화할 수 없습니다. 이 때문에 그 상태에서 리시버의 성능을 분석하고 개선할 수 없습니다.


간섭icon

GPS 신호는 위성에서 먼 거리를 이동한다는 사실 때문에 리시버 안테나에 도착할 때 매우 약합니다. 이로 인해 외부 소스의 간섭에 취약합니다. 간섭은 고의적(재밍 또는 스푸핑으로 알려져 있음)이거나 우발적일 수 있습니다. 간섭에 대한 GPS의 취약성은 잘 기록되어 있고, 이에 대한 논의는 이 설명서의 범위를 벗어납니다.

간섭은 리시버의 위치 계산 시 오류를 유발할 뿐만 아니라 리시버의 탐색을 완전히 중단시킬 수도 있습니다. 라이브 스카이(Live Sky) 테스트 중에 간섭이 존재할 경우(그리고 중단될 수 없는 경우) 간섭이 유발하는 문제는 명백합니다.

시뮬레이터 사용의 장점: 다행히도, 시뮬레이터를 사용해 기본적으로 존재하지 않는 간섭을 통제되고 반복 가능한 방식으로 시뮬레이션 할 수 있습니다. 리시버에 대한 간섭 소스와 유사하게 변화하는 간섭을 Spirent의 GSS7765와 같은 간섭 시뮬레이션 시스템을 사용하여 적용할 수 있습니다.GSS7765.

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반복 가능성Icon

GPS 리시버 테스트를 수행하면서 설계의 약점을 강조할 때는 리시버를 개선하기 위해 설계를 변경하는 것이 일반적입니다. 개선이 이루어졌는지 확인하기 위해서는 동일한 테스트를 정확히 반복해야 합니다. 라이브 스카이(Live Sky)을 사용 중일 경우, 후속 테스트에서 리시버를 원래 테스트와 동일한 조건 속에 두는 것은 불가능한 일입니다.

가장 분명한 차이는 시간이 지났다는 것이며, 리시버에 표시 가능한 위치는 완전히 달라질 것입니다. 이것은 스스로 테스트 조건을 반복하지 못하게 하는 요인들입니다. 변화하는 다른 특성들은 대기의 영향과 위성의 성능입니다.이 때문에 라이브 스카이(Live Sky)는 설계 개선을 위한 테스트 방법으로 적합하지 않습니다.

시뮬레이터 사용의 장점: 위치 시뮬레이터를 사용하면 테스트 시나리오를 실행할 때마다 동일한 신호가 생산됩니다. 이 시나리오는 동일한 날짜 동일한 시간에 시작하며, 위성 위치도 동일하게 서로 다른 신호들 사이의 상대적인 위상 오프셋까지 내려 갑니다. 이런 방식으로 테스트가 실행될 때마다 리시버가 정확히 동일한 신호로 시뮬레이션되고 있음을 보장할 수 있습니다.


제어력Icon

포괄적인 테스트를 사용하는 경우에는 한정적이고 정확한 테스트 조건의 제어가 필수적입니다. 설계 또는 시스템 매개변수의 미세 조정은 종종 매우 작고 엄격히 통제되는 테스트 조건의 조작을 요구할 수 있습니다.

시뮬레이터 사용의 장점: 라이브 스카이(Live Sky) 테스트 방법을 사용하면 제어할 게 거의 없습니다. 테스트 안테나의 물리적 위치를 제외하면, 실제로 제어할 수 있는 게 전혀 없습니다. 시간을 되돌리거나, 대기를 비활성화하거나, 위성 신호, 오류, 데이터, 궤도 등 완전히 통제해야 하는 매개변수들을 조정할 수 할 수는 없기 때문입니다 없습니다.


정확도 Icon

GPS RF 위치 시뮬레이터는 테스트 장비의 정밀한 일부이며, 적절히 유지될 경우 그 성능은 정확히 지정되고 제어됩니다. 시뮬레이터 신호의 정확도는 리시버의 진정한 '실험실' 성능의 발전된 테스트를 허용할 뿐만 아니라 시뮬레이터로 인한 신호 소음 기여도가 열 소음 수준보다 아래에 있음을 의미하는 실제 GPS 시스템 신호보다 훨씬 높습니다. 따라서 테스트 시 소음 오류를 일으키지 않습니다.

시뮬레이터 사용의 장점: 정확도와 밀접한 관계가 있는 두 개의 매개변수는 품질과 신뢰성입니다. 시뮬레이터의 설계 및 시공에 사용된 정밀 엔지니어링과 이런 분야를 관리하는 품질 관리 과정은 이 장비가 수년 동안 신뢰할 수 있는 서비스를 제공할 것을 보장합니다.


기록 및 재생 시스템의 역할Icon

리시버 성능을 철저하게 평가하려면 이전에 기술된 손상의 다양한 근원에 대한 영향을 평가해야 합니다. 이런 테스트를 수행하는 새로운 기술은 실험실에서 후속 재생을 위해 RF 신호를 기록하는 것입니다.

시뮬레이터 사용의 장점: 시뮬레이션은 개별 손상 원인을 자유자재로 추가하거나 제거할 수있는 테스트 환경의 절대적인 통제를 허용합니다. 시뮬레이션은 또한 비용이 많이 들거나 시운전이 어려울 수 있는 공간이나 극단적인 차량 이동 시 사용할 수 없는 신호를 평가할 수 있습니다. 실제로 수학적 모델에서 파생된 합성 신호의 생성은 통제의 극치를 나타냅니다.


상업성 Icon

건전한 비즈니스 사례 없이는 어떤 프로젝트도 살아남지 못합니다. 프로젝트 관리와 예산 책정을 책임진 사람들은 이 점을 고려해야 합니다. 시뮬레이션이 정교한 플랫폼의 동역학을 포함하는 애플리케이션의 실제 현장 시운전에만 비용을 절감한다고 잘못 가정하는 경우가 종종 있습니다. 예를 들어, 우주 등급 리시버가 얼마나 잘 작동하는지 테스트하기 위해 궤도 비행을 할 필요는 없지만, 때로 그다지 명확하지 않은 것은 시뮬레이션이 훨씬 덜 정교한 애플리케이션에서 훨씬 더 저렴함을 입증할 수 있다는 것입니다. 몇 개월의 운전 테스트는 시뮬레이터 비용을 충당할 것이고, 많은 경우 실제 현장 시운전 학습을 선택하게 할 것입니다.

시뮬레이터 사용의 장점: 주요 유럽 자동차 제조업체 중 하나는 실제 운전 테스트에 소요되는 총 비용이 하루에 5,000파운드라고 계산했습니다. 현실적인 테스트와 관련된 기술적 문제들이 이미 논의되었지만, 재정적 비용 대비 이익만 고려하면 시뮬레이션을 충분히 실행할 만합니다.

실시간 신호가 브랜드에 손상을 줄 수 있는 이유

GPS 시뮬레이션 방법

RF 위치 시뮬레이터는 차량과 위성의 움직임, 신호 특성, 대기 및 기타 영향을 모델링함으로써 동적 플랫폼에서 GPS 리시버 환경을 재생하고, 테스트 시나리오의 매개변수에 따라 리시버가 시뮬레이터의 RF 신호를 탐색하게 합니다. 시뮬레이터는 현실 세계를 완전히 재현하는 마법 상자가 아닙니다. 그러나 이것은 절대적인 제한 사항이 아니고 중요한 이점입니다. RF 설계 엔지니어가 실제로 통제되고 수량화된 테스트 신호가 필요할 때 임의의 소음 발생기를 사용하지 않는 것처럼, GPS 리시버 테스터는 실제로 통제할 수 있고 반복 가능한 시뮬레이션된 GPS 테스트 신호가 필요할 때 무작위 실제 환경 신호 재생 장치를 사용하지 않을 것입니다.

리시버의 성능은 RF 신호에 적용된 오류와 영향의 심각도에 따라 달라집니다. 그림 1은 복잡한 RF 신호가 테스트 중인 리시버로 출력되는 최종 RF 출력까지 다양한 효과가 추가된 상태로 전형적인 시뮬레이터를 통한 신호 흐름의 재현을 보여줍니다. 이 원리는 모든 시뮬레이터에 적용되며, 영향의 수는 시뮬레이터의 기능과 의도된 애플리케이션에 따라 달라집니다.

GNSS RF Constellation Simulator

그림 2는 일반 설정을 더 상세히 보여줍니다. 그림은 Spirent GSS6700 시뮬레이터입니다. 리시버의 위치 속도와 시간 데이터(일반적으로 NMEA 0183 형식)는 시뮬레이터 제어 소프트웨어에 제공되며 시뮬레이션된 '진짜' 데이터와 비교될 수 있습니다. 이것은 알려진 시뮬레이터의 신호 특성에 대한 리시버의 매우 정확한 성능 측정치를 제공합니다.

Simulation test set-up

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GSS7000 멀티-GNSS, 복수-주파수 시뮬레이터 시리즈

유연한 GNSS 테스트 플랫폼 GSS7000은 GPS/SBAS/QZSS, GLONASS, Galileo 및 BeiDou-2 신호의 모든 조합을 지원하며, 4개 주파수 대역폭에 걸쳐 최대 256개 채널을 제공합니다.

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GSS9000 멀티 위치 시뮬레이터

GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou-2 QZSS 및 SBAS의 모든 신호 및 코드를 제공하는 R&D 테스트용 고성능 복수 주파수 RF 시뮬레이터


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