셀룰러 다운링크를 활용한 양방향 도플러 기반 UAV 정밀 궤적 추적

초록

본 논문은 두 개의 LTE 기지국을 조명원으로 이용하고, 두 개의 수동 수신기를 서로 다른 위치에 배치하여 양방향(dual‑bistatic) 도플러 주파수를 측정함으로써 저고도 UAV의 2차원 궤적을 고정밀로 복원하는 시스템을 제안한다. 실험 결과, UAV와 수신기 간 거리가 30 m 이하일 때 90 % 이상의 경우에서 추적 오차가 0.5 m 미만으로 나타났으며, 초기 위치 오차를 포함해도 1.2 m 이하의 정확도를 달성하였다.

상세 분석

이 연구는 기존의 수동 레이더가 주로 거리와 입사각(AoA) 정보를 활용해 UAV 존재 여부를 판단하는 수준에 머물렀던 점을 넘어, 양방향 도플러 측정만으로도 충분히 고정밀 궤적 추적이 가능함을 실증한다. 시스템은 두 개의 LTE eNB를 각각 독립적인 주파수 대역으로 운용하고, 각 수신기에 좁은 빔(LoS)과 넓은 빔(감시) 두 개의 RF 체인을 배치한다. LoS 채널은 기준 신호로, 감시 채널은 UAV에 의해 산란된 신호와 주변 정적 클러스터의 반사 신호가 혼합된 형태이다.

도플러 주파수 검출은 교차 상관 함수(CAF)를 이용해 일정 시간 구간(T_d)마다 수행되며, 다중 코히런트 적분(Multi‑CIT) 기반 간섭 소거 기법을 적용해 정적 반사 성분을 억제한다. 검출된 CAF 피크에 대해 적응형 임계값(γ·P) 방식을 도입해 거짓 경보와 미검출을 최소화하고, 다중 피크가 존재할 경우 가중 평균(α)으로 합성한다. 또한, 누락된 샘플은 인접 유효 검출값을 이용한 선형 보간으로 보정한다.

검출된 양쪽 도플러 f₁ₖ, f₂ₖ는 UAV의 순간 속도 벡터와 선형 관계(D·vₖ =