KR100276153B1 - 인공 위성에 기초한 전자 통신 시스템을 위한 지리적 위치 측정 방법 - Google Patents

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갈라스 윌리엄 이.
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Abstract

본 발명은 미리 할당된 채널에 의해 지상국과 사용자 단말기 사이의 통신 신호를 릴레이하는 인공 위성군을 갖는 원거리 통신 시스템에서의 사용자 단말기의 지리적 위치 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 사용자 단말기에 대한 타이밍 및 주파수 갱신 정보를 산출하기 위해 원거리 통신 신호에 따라 동기화를 수행한다. 타이밍 및 주파수 갱신 정보는 사용자 단말기의 지리적 위치를 산출하기 위해 지상국 내에서도 사용된다. 그러기 위해, 지상국은 타이밍 정보로부터 얻은 자신들 사이의 대응하는 전파 시간에 기초하여 인공 위성과 사용자 단말기 사이의 거리를 산출한다. 일단 인공 위성의 사용자 단말기까지의 거리가 얻어지면, 범위 솔루션 라인이 그로부터 산출될 수 있다. 또한, 주파수 갱신 정보는 사용자 단말기가 위치되는 도플러 솔루션 라인을 산출하기 위해 사용된다. 그에 따라, 범위솔루션 라인 및 도플러 솔루션 라인들은 그들간의 교차점을 얻기 위해 조합된다. 이들 교차점은 사용자 단말기의 가능한 지리적 위치를 나타낸다. 지상국은 사용자단말기에 할당된 적용 범위의 빔 스폿 또는 지리적 셀 등의 여러 가지 방식중의 하나로 교차점들 간을 식별한다. 단일 교차점을 얻음에 따라, 이러한 지점의 경도 및 위도 또는 출력이 사용자 단말기의 지리적 위치로 얻어진다.

Description

인공 위성에 기초한 전자 통신 시스템을 위한 지리적 위치 측정 방법
[발명의 분야]
본 발명은 일반적으로 인공 위성에 기초한 원거리 통신 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 통신 신호 내의 정보에 기초하여 사용자 단말기의 지리적 위치를 산출하는 방법에 관한 것이다.
[발명의 배경]
오늘날 인공 위성 시스템은 사용자 유니트와의 원거리 통신을 지원하고(하거나) 사용자 유니트에 지리적 위치 정보를 제공하고 있다. 오딧세이(Odyssey)(본 출원의 양도인이 제안함) 등의 인공 위성에 기초한 원거리 통신 시스템은 사용자 단말기와 지상국 또는 기지국 간의 통신 신호를 릴레이하기 위해 인공 위성 군(constellation)을 이용한다. 사용자 단말기는 지상국에 할당된다. 지상국은 할당된 사용자 단말기로 또는 그로부터 호출(call)을 향하게 한다. 사용자 단말기 및 연관된 지상국은 반송파 주파수(carrier frequency)를 중심으로 집중된 미리 할당된 대역폭(서브밴드)을 갖는 미리 할당된 통신 채널을 따라 통신한다.
전역 위치 지정 인공 위성(GPS) 시스템 등의 인공 위성에 기초한 네비게이션 시스템은 사용자 유니트에 네비게이션 신호를 전송하는 인공 위성군을 포함한다. 각각의 인공 위성은 미리 할당된 네비게이션 채널을 따라 고유의 네비게이션 신호를 전송한다. 사용자 유니트는 다중 네비게이션 신호로부터 네비게이션 정보를 얻고, 그것에 기초하여 지구에 대한 단말기의 위치를 산출한다. 한 가지 GPS 기술은 J. J, Spilker Jr. , Global Positioning System의 “GPS Signal Structure and Performance Characteristics”라는 표제의 기사에 설명되어 있으며, 본 명세서에서 참조로 인용한다.
네비게이션 신호 및 통신 신호들은 대응하는 신호들을 전송하도록 특별히 설계된 별개의 상호 배타적 채널에 의해 전송된다. 결과적으로, 지상국, 인공 위성 및 사용자 단말기는 별개의 통신 및 네비게이션 채널들을 지원하도록 설계되어야 하고, 그에 따라 바람직하지 못하게 전체 시스템이 복잡해진다. 기존의 통신 시스템은 통신 신호 및 지리적 위치 신호들/데이터를 단일 RF 신호상에 병합할 수 없다.
셀 방식 통신이 광범위하게 사용됨에 따라, 원거리 통신 인공 위성 시스템의 용량에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이러한 수요는 유효 통신 서브밴드를 사실상 독점한다. 인공 위성 시스템은 주어진 주파수 서브밴드 내에서 사용자-밀도를 증가시키기 위해 다양한 사용자-액세스 기술 또는 “스프레드 스펙트럼에 기초한” 기술을 이용함으로써 유효 주파수 서브밴드의 전체적인 용량을 증가시키려 시도해 왔다. 이러한 사용자-액세스 기술은 주파수 분할 다중 액세스(FDMA 코딩), 시분할 다중 액세스(TDMA 코딩), 및 코드 분할 다중 액세스(CDMA 코딩)를 포함한다. 또한, TDMA, FDMA 및 CDMA 코드를 조합하여 사용하는 혼합 기술이 제안되었다. 코드화 기술에 따라, 대응하는 채널에 할당된 각각의 사용자 단말기에는 고유의 TDMA/FDMA/CDMA 코드 및(또는) 전송 타이밍/주파수가 제공된다. 사용자 단말기는 할당된 반송파 채널, 코드 및 전송 타이밍/주파수에서 모든 통신 신호를 전송하고 수신한다.
코드화 기술에 의해 사용자 밀도가 증가할 때, 공통-채널의 혼선이 발생되기 전에 인접한 사용자 채널들 사이의 허용 오차는 감소된다. 따라서, 상술한 코드화기술은 계속적으로 조정 또는 동조되도록 사용자 단말기와 지상국 사이의 통신 링크를 필요로 한다. 이러한 조정은 사용자 단말기 및(또는) 적용 범위의 인공 위성이 상호 상대적으로 이동할 때 사용자 단말기가 그의 할당된 채널 내에서 계속 전송하는 것을 보장하는 데 필수적이다.
사용자 단말기 및 지상국은 정보의 개별 패킷 또는 프레임으로서 원거리 통신 신호를 전송한다. 여러 가지 상술한 코드화 기술은 통신 링크가 지상국과 사용자 단말기 사이에서 “동기”되는 것을 요한다. “동기” 통신 링크는 데이터의 각 프레임이 다른 단말기 및(또는) 지상국으로부터 전송된 프레임의 수신과 동시에 즉각적으로 (사용자 단말기 또는 지상국에서) 수신되는 것을 요한다. 이 프레임은 할당된 반송파 주파수 근처에 집중된 할당된 서브밴드에서 역시 수신되어야 한다. 따라서, 동기화 및 대역폭 정렬은 수신기에 관련하여 결정된다.
그러나 동기화 및 서브밴드 정렬은 (1) 인공 위성과 사용자 단말기 또는 지상국 사이의 범위의 변화(예, 전파 지연)에 의해서 및 (2) 인공 위성과 사용자 단말기 또는 지상국 사이의 상대적 범위의 속도 변화(예, 도플러 효과)에 의해 연속적으로 영향을 받는다.
전파 지연 변화는 거리 또는 범위가 사용자 단말기와 그의 관련 지상국 사이에서 변화하기 때문에 사용자 유니트 및(또는) 적용 범위의 인공 위성이 이동할 때 발생한다. 결과적으로, 지상국과 사용자 단말기 사이의 프레임의 전파 시간이 변화한다. 전파 시간의 변화를 보상하기 위해, 송신기(예, 지상국 또는 사용자 단말기)는 데이터 프레임이 전송되는 개시 시간을 지연시키거나 또는 촉진시킨다. 따라서, 의도하는 수신기 근처에 위치하는 송신기들이 개시 시간을 지연시키는 한편, 그 수신기에서 멀리 위치하는 송신기들은 전송 개시 시간을 촉진시킨다.
도플러 시프트 변화는 수신기에서 감지된 결과의 반송파 주파수가 변화하기 때문에 인공 위성이 지상국과 사용자 단말기에 대해 상대적으로 이동할 때 발생한다. 예를 들면 인공 위성이 사용자 유니트를 향하여 이동할 때, 통신 신호의 인공 위성(및 다음 지상국)에서 감지된 반송파 주파수는 사용자 단말기가 통신 신호를 전송한 실제 반송파 주파수보다 더 크다. 다시 말하자면, 수신기에 감지된 반송파 주파수는 인공 위성 및 송신기가 상호 정지된 경우에 얻을 수 있는 것보다 더 크다. 마찬가지로, 인공 위성이 송신기에서 벗어나 멀리 이동할 때, 수신기는 인공 위성이 송신기에 대해 상대적으로 이동하지 않은 경우에 감지될 수 있었던 반송파 주파수보다 더 낮은 반송파 주파수를 감지한다. 이러한 현상은 “도플러 효과”라 칭한다. 송신기(예, 사용자 단말기 및 지상국)는 양 및 음의 도플러 시프트를 계산할 수 있도록 통신 신호가 전송될 때의 반송파 주파수를 조정한다. 주파수 및 타이밍을 조정함으로써, 송신기는 이로부터 전송되는 통신 신호가 할당된 채널 내에 유지되고, 다른 송신기들의 신호와 동기되어 도달되는 것을 보장한다.
타이밍 및 주파수는 여러 가지 방식으로 조절될 수 있다. 예를 들면, 지상국은 각각의 사용자 단말기에 타이밍 및 주파수 갱신 정보를 전송할 수 있다.
그러나, 종래의 원거리 통신 시스템에서는 원거리 통신 채널의 용도가 원거리 통신 정보의 전송에만 한정되었다. 결과적으로, 종래의 원거리 통신 시스템에서 네비게이션 등의 다른 기능을 제공하기 위해 별개의 채널들이 사용되어야 했다.
게다가, GPS-타입 네비게이션 정보를 제공하는 시스템들은 과도하게 많은 수의 인공 위성을 필요로 하였다. 지리적 위치를 산출하기 위해, GPS 사용자 단말기는 다중 인공 위성들과 동시적인 가시 거리 네비게이션 링크를 필요로 한다. 이 GPS 시스템은 다중 인공 위성들이 시스템에 의해 커버되는 각각의 위치에서 동시에 볼 수 있도록 보장하는 인공 위성군을 필요로 한다. 이러한 다중 인공 위성 적용기술은 인공 위성들의 수를 과도하게 증가시킨다.
당업계에서는 인공 위성에 기초한 원거리 통신에 사용하기 위해 개선된 지리적 위치 측정 방법 및 장치를 필요로 한다. 본 발명의 목적은 이러한 요구를 만족시키는 것이다.
본 발명의 목적은 단일 채널에 의해 지리적 위치 정보 및 원거리 통신 데이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 통신 링크를 따라 통과하는 관련 정보에 기초하여 사용자단말기의 지리적 위치를 산출하는 인공 위성에 기초한 원거리 통신을 제공하는 것이다.
본 발명의 자연적인 목적은 공통 신호 파라메터를 이용하여 통신 복귀 링크의 동기화를 유지하고, 사용자 단말기에 대한 범위 솔루션 라인을 산출하는 것이다.
본 발명의 다른 자연적인 목적은 주파수 오프셋 파라메터를 이용하여 적절한 채널 정렬을 유지하고, 사용자 단말기에 도플러 솔루션 라인을 산출하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 동기화 및 채널 정렬 동안 얻어진 범위 및 도플러 솔루션들을 조합하여 지리적 위치를 산출하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 RF 통신 신호들로부터 얻은 지리적 위치 정보에 기초하여, 콜 라우팅 등의 네트워크 제어를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 RF 통신 신호들로부터 얻은 지리적 위치 정보에 기초하여 긴급 위치 선정 서비스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일 채널에 의해 사용자 단말기에 네비게이션 서비스 및 통신 서비스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 자신들의 위치에 기초하여 상이한 유형의 서비스를 요하는 회사들과 위치 영역 사이의 통화 관리 정보 및 계산서를 산출할 이중 목적으로 통신 채널을 사용하는 것이다.
이들 목적 및 다른 목적들은 미리 할당된 채널들에 의해 지상국과 사용자 단말기 간의 통신 신호들을 릴레이하는 인공 위성군을 갖는 원거리 통신 시스템 내에서 사용자 단말기의 지리적 위치를 측정하는 방법에 의해 달성된다. 이 방법은 사용자 단말기에 대한 타이밍 및 주파수 갱신 정보를 산출하기 위해 원거리 통신 신호들에 따른 동기화를 수행한다. 타이밍 및 주파수 갱신 정보는 사용자 단말기의 지리적 위치를 산출하기 위해 지상국 내에서 역시 사용된다. 그러기 위해, 지상국은 타이밍 정보로부터 얻어지는 그들 사이의 대응하는 전파 시간에 기초하여 인공위성과 사용자 단말기 사이의 거리를 산출한다. 일단 사용자 단말기에 대한 인공위성의 거리가 얻어지면, 범위 솔루션 라인은 그로부터 산출할 수 있다. 또한, 주파수 갱신 정보는 사용자 단말기의 위치에 따른 도플러 솔루션 라인을 산출하기 위해 사용된다. 그에 따라, 적용 범위 및 도플러 솔루션 라인이 그들 간의 교차점을 얻기 위해 조합된다. 이들 교차점은 사용자 단말기의 잠재적인 지리적 위치를 나타낸다. 지상국은 사용자 단말기에 할당된 지리적 셀 또는 유효 범위의 빔 스폿등의 여러 가지 방식중의 하나로 교차점들 간을 식별한다. 단일 교차점을 얻음에 따라, 이 지점의 경도 및 위도 또는 출력이 사용자 단말기의 지리적 위치로 얻어진다.
제1도는 본 발명에 따른 인공 위성의 사시도.
제2도는 인공 위성 및 그의 관련된 적용 범위 풋프린트의 평면도.
제3도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지상국의 블록도.
제4도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지상국에 후속하는 처리 순서의 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 인공 위성 4 : 지상국
6 : 사용자 단말기 30 : 추적자 복조기
34 : 타이밍 판별기 36 : 주파수 판별기
제1도는 지상국(4)과 사용자 단말기(6) 사이의 통신 신호를 릴레이하는 인공위성(2)을 포함하는 원거리 통신 시스템에 기초한 인공 위성을 일반적으로 나타낸다. 지상국(4)은 링크 섹션(8 및 10)을 포함하는 순방향 링크를 통해 사용자 단말기(6)에 신호를 전송한다. 사용자 단말기(6)는 링크 섹션(12 및 14)을 포함하는 복귀 링크를 통해 지상국(4)에 통신 신호를 전송한다. 인공 위성(2)은 “벤트-파이프”로서 작용하고, 순방향 링크 섹션(8)을 통해 수신된 사용자 단말기(6)를 향한 통신 정보를 링크 섹션(10)을 통해 통과시킨다. 마찬가지로, 인공 위성(2)은 링크섹션(12)으로 수신된 신호를 지연 없이 복귀 링크 섹션(14)을 통해 지상국(4)에 릴레이한다. 바람직한 실시예는 지상국(2)이 사용자 단말기와의 사이에서 동기 통신라인을 유지하기 위해 각각의 대응하는 사용자 단말기에 보정 타이밍 및 주파수 에러 정보를 전송하는 폐쇄된 루프 시스템을 이용한다. 제1도는 단일 사용자 단말기(6)만을 나타내고 있지만, 바람직한 실시예는 여러 개의 단말기, 지상국 및 인공위성을 이용하는 데에도 유용하다.
제2도는 인공 위성(2)의 적용 범위 영역을 나타내는 풋프린트(16)를 나타낸다. 인공 위성(2)은 복수개의 중첩 빔 적용 범위의 스폿(18)으로부터 풋프린트(16)를 형성한다. 풋프린트(16)는 인공 위성(2)이 화살표(20)로 나타낸 방향으로 운행할 때 지구(24)의 표면을 가로질러 이동한다. 인공 위성(2)은 지상국(4)과 사용자 단말기(6)가 풋프린트(16) 내에 위치하는 한 이들 사이의 통신을 지원할 수 있다.
바람직한 실시예의 인공 위성에 기초한 원거리 통신 시스템은 스프레드 스펙트럼 통신 등의 여러 가지 관리 기술을 이용할 수 있다. 단지 실시예로서, 이 시스템은 코드 분할 다중 액세스(CDMA) 코드화를 사용할 수 있다. 다른 코드화 기술은 이들 기술이 다중 사용자 단말기(6)를 상호 배타적인 채널을 통해 연속적으로 전송시킬 수 있는 한 사용될 수 있다. 이들 채널은 빔 스폿(22)에 할당된 주파수 서브밴드들 중의 하나 등과 같은 동일한 주파수 대역에 존재할 수 있다. 동일한 주파수 서브밴드에서 많은 사용자 단말기가 전송할수록, 혼신 가능성이 증가한다. 이러한 혼신은 지상국에서 각각의 사용자 단말기와 그의 관련 통신 신호에 대한 고유의 “기호(signature)”를 식별함으로써 피하게 된다. 각각의 사용자 단말기는 대응하는 주파수 서브밴드 내에서 전송하기 위해 고유한 기호가 할당된다(예, 고유한 CDMA 코드, TDMA 코드, FDMA 코드). 단지 실시예로서, CDMA 코드화가 사용될 때, 각각의 기호는 미리 할당된 고유한 파형 또는 칩 순서를 나타내고, 여기서 칩은 서브밴드에 할당된 사용자 단말기들의 수에 의존하는 2진 비트의 일부를 나타낼 수 있다. 사용자 단말기는 그의 기호 파형을 통신 및(또는) 명령 데이터의 출력 프레임 또는 패킷과 조합한다. 결과로서 합해진 RF 신호는 소정의 반송파 주파수로 전송된다. CDMA 코드화가 사용될 때, 할당된 반송파 주파수 및 단말기의 고유한 CDMA 코드의 조합이 특정 사용자 단말기에 할당된 “채널”을 정의한다.
임의로, 여러 가지 PN 또는 CDMA 코드들이 사용될 수 있다. 코드가 높은 직교 특성을 유지하는 한 다른 코드들도 사용될 수 있다. 달리 말하자면, 코드는 1)시간적으로 시프트된 그 자체의 복제물로부터 및 2) 원거리 통신 시스템의 동일한 서브밴드 내에 사용된 다른 코드로부터 용이하게 구별될 수 있는 것이 바람직하다.
TDMA, FDMA 및 CDMA 등과 같은 다중 액세스 코드화 기술에 대한 더 상세한 설명은 1993년 영국의 웨스트 서섹스 소재 존 월리 앤 선스 리미티드가 출판한 G. Maral 및 M. Bousquet의 “Satellite Communications Systems, Second Edition”이라는 표제의 책, 제4장 및 제5장에서 발견할 수 있다. Maral 등의 상기 문헌의 제4장과 제5장은 본 명세서에서 참조로 인용된다. CDMA 코드화는 뉴욕주 뉴욕시 Wiley-Interscience Publications가 출판한 Robert M. Gagliardi의 “Introduction to Communications Engineering”이라는 표제의 책, 538-553페이지에 상세히 설명되어 있다. Gargliardi의 책 538-553페이지 역시 참조로 인용한다.
제3도는 지리적 위치 정보를 산출할 때 이용되는 지상국(4)의 배열을 블록도 형태로 나타낸다. 지상국(4)은 라인(32)을 통해 RF 신호를 수신하는 추적자 복조기(30)를 포함한다. 추적자 복조기(30)는 지상국에 할당된 사용자 단말기에 대해 기억된 기준 기호(reference signature)에 기초하여 수신된 RF 신호를 처리한다.
추적자 복조기(30)는 통신 데이터를 출력한다. CDMA 코드화가 사용될 때, 복조기(30)는 상호 중첩되고 기준 시간에 관하여 실질적으로 시간적으로 동기된 다중 인입 RF 신호를 수신할 수 있다. 이러한 동기화는 각 사용자 단말기의 RF 신호에 대한 기호가 서로 시간적으로 정렬되는 것을 보장한다. 또한, 모든 인입 RF 신호는 공통-채널 혼선을 최소화시키기 위해 대응하는 반송파 주파수 근처에 집중되어야 한다.
지상국은 복수의 사용자 단말기로부터의 복수의 RF 신호들을 처리할 수 있다는 것을 이해할 수 있지만, 단순화의 목적으로 단일 사용자 단말기로부터의 단일RF 신호에 대해 지리적 위치 측정 방법과 연관시켜 이하에서 설명한다.
지상국(4)은 RF 신호를 수신하는 타이밍 및 주파수 판별기(34 및 36)를 포함한다. 타이밍 판별기(34)는 인입되는 RF 신호를 타이밍 기준 신호와 비교한다. 주파수 판별기(36)는 인입되는 RF 신호를 주파수 기준 신호와 비교한다. 이러한 비교에 기초하여, 타이밍 및 주파수 판별기(34 및 36)는 각각 라인(38 및 40)을 따라 타이밍 및 주파수 에러 정정 데이터를 출력한다. 타이밍 및 주파수 정정 데이터는 연관된 사용자 단말기에 전송된다. 타이밍 정정 데이터는 사용자 단말기가 동일한 서브밴드 및(또는) 빔 적용 범위 스폿의 다른 사용자 단말기들로부터 인입되는 데이터의 프레임과 이러한 프레임의 개시점을 동기화시키기 위해 통신 데이터의 각각의 프레임의 개시 시간을 앞당기거나 또는 지연시키도록 명령할 수 있다.
주파수 정정에 관하여, 판별기(36)는 지상국에서 감지되는 반송파 주파수가 사용자 단말기의 할당된 반송파 주파수에 대응하는 것을 보장하기 위해, 주파수 정정 데이터를 통해 사용자 단말기가 전송 반송파 주파수를 증가 또는 감소시키도록 한다. 지상국에서 감지된 주파수는 사용자 단말기에 전송된 주파수와 동일할 필요는 없다. 사실상, 상기한 바와 같이, 사용자 단말기와 인공 위성 사이의 상대적 이동은 반송파 주파수의 “도플러” 시프트를 유도한다. 도플러 시프트의 양은 사용자 단말기와 인공 위성 사이의 거리에 의존한다. 또한, 도플러 시프트의 방향, 즉 양 또는 음의 방향은 사용자 단말기에 대해 상대적인 인공 위성의 운항 경로에 의존한다.
실시예로써, 인공 위성이 사용자 단말기를 향하여 이동할 때, 지상국 수신기에 감지된 반송파 주파수는 사용자 단말기에서 방출된 반송파 주파수보다 더 크고, 이와 달리, 인공 위성이 사용자 단말기로부터 벗어나 멀리 이동할 때, 지상국 수신기에 감지된 반송파 주파수는 송신기에서 방출된 반송파 주파수보다 더 낮다. 사용자 단말기에 전송된 주파수 정정 데이터는 사용자 단말기가 지상국과 그의 통신 링크를 유지하도록 할당된 채널에 대해 할당된 반송파 주파수에 수신된 반송파 주파수가 대응하는 것을 보장하도록 그의 송신기 반송파 주파수를 조정할 수 있다.
제2도에는 복수 개의 도플러 솔루션 라인(일괄하여 부호 29로 나타냄)이 나타나 있다. 각각의 도플러 솔루션 라인은 특정 도플러 시프트 값과 관련된다. 결과적으로, 도플러 솔루션 라인들(29) 중의 하나를 따라 어딘가에 위치하는 사용자 단말기는 동일한 도플러 시프트를 경험하게 될 것이다. 따라서, 지상국 수신기는 단일 도플러 솔루션 라인을 따라 어딘가에 위치하는 사용자 단말기로부터 반송파 주파수의 동일한 시프트를 감지할 것이다.
제2도에는 또한 복수 개의 범위 솔루션 라인(일괄하여 부호 51이 가리키는 점선으로 나타냄)이 나타나 있다. 각각의 범위 솔루션 라인은 인공 위성과 사용자 단말기 사이의 일정한 거리와 연관된다. 각각의 범위 솔루션 라인은 지상국, 인공위성 및 사용자 단말기 사이의 고유의 왕복 여행 전파 시간 지연에 대응한다. 왕복 여행 전파 시간은 사용자 단말기로의 순방향 링크 섹션(8 및 10)을 따라서 및 지상국으로의 복귀 링크 섹션(12 및 14)을 따라 다시 운항하는 RF 신호에 대해 요구되는 시간과 동일하다.
제3도를 참조하면 타이밍 및 주파수 정정 데이터가 범위 및 도플러 라인 솔루션 모듈(42 및 44)에 공급된다. 범위 및 도플러 라인 솔루션 모듈(42 및 44)은 범위 라인(26) 및 도플러 솔루션 라인(28)(제1도)을 산출한다.
범위 솔루션 모듈(42)은 순방향 링크(8 및 10)(제1도)을 따라서 및 복귀 링크(12 및 14)를 따라 다시 운항하는 통신 신호에 요구되는 왕복 여행 전파 시간에 기초하여 산출되는 사용자 단말기 범위에 대해 지상국에 기초하여 범위 솔루션 라인(26)을 산출한다. 일단 왕복 여행 전파 시간이 판별기(34)에 의해 산출되면, 인공위성과 지상국 사이의 범위는 이미 공지되어 있기 때문에 인공 위성과 사용자 단말기 사이의 범위가 산출될 수 있다. 일단 인공 위성과 사용자 단말기 사이의 범위가 산출되면, 범위 솔루션 라인(26)은 인공 위성(2)을 중심에 두고 인공 위성과 사용자 단말기 사이의 거리와 동일한 반경으로 (제1도에 나타낸 바와 같이) 그려질 수 있다. 도플러 솔루션 라인 모듈(44)은 사용자 단말기에 전송된 반송파 주파수와 지상국에 수신된 반송파 주파수 사이의 주파수 시프트에 기초하여 도플러 시프트라인(28)을 산출할 수 있다. 임의로, 전송된 반송파 주파수는 판별기(34)에서 측정된 주파수 에러 데이터에 의해 반복적으로 갱신되는 사용자 단말기에 관하여 기억된 과거의 도플러 시프트 정보로부터 산출될 수 있다. 일단 주파수 시프트가 산출되면, 대응하는 도플러 솔루션 라인은 룩업 테이블 또는 실험 기술을 통해 얻어질 수 있다.
일단 범위 솔루션 라인 및 도플러 솔루션 라인이 모듈(42 및 44)로부터 산출되면, 이들 라인 솔루션은 지리적 위치 모듈(46)로 통과한다. 그에 따라 모듈(46)은 경도 및 위도로서 이들 라인의 교차점을 산출한다. 예를 들면, 이 솔루션 라인은 사용자 단말기가 위치되는 인공 위성을 중심으로 하는 원을 정의하는 방정식을 나타낼 수 있다. 마찬가지로, 도플러 솔루션 라인은 인공 위성의 이동 방향의 축을 중심으로 하는 호를 정의하는 방정식을 나타낼 수 있다. 이들 라인은 두 지점(52 및 54)에서 2개의 교차점을 갖는다. 정확한 교차점은 사용자 단말기를 커버하는 빔 스폿의 반송파 주파수에 기초하여 판별될 수 있다. 상기한 바와 같이, 각각의 빔 스폿은 1개 이상의 고유한 서브밴드 반송파 주파수를 이용한다. 결과적으로, 지점(52) 둘레의 빔 스폿은 지점(54) 둘레의 빔 스폿과 상이한 반송파 주파수를 이용한다. 그에 기초하여, 지점(54)은 폐기되고, 지점(52)은 사용자 단말기의 지리적 위치로서 식별될 수 있다.
제4도는 사용자 단말기의 지리적 위치를 산출하기 위해 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 수행된 처리 순서를 나타낸다. 일단 통신 신호가 수신되면(단계 200), 자동 상관(auto correlation)이 수행된다(단계 210). 수신된 RF 신호는 그의 목적하는 시작 시간으로부터 수신된 RF 신호 내의 타이밍 시프트를 산출하기 위해 기준 동기 신호(예, 기준 기호 코드)와 상관 관계인 동기화 신호를 함유하는 동기화 필드를 포함할 수 있다. 타이밍 에러 오프셋이 이러한 상관 방법으로부터 얻어진다(단계 210). 단계 212에서, 타이밍 오프셋은 지상국과 사용자 단말기 사이의 이전에 공지된 전파 시간과 조합되어 갱신된 전체 왕복 여행 전파 시간을 얻는다. 다음으로, 단계 214에, 갱신된 전체 왕복 여행 전파 시간으로부터 지상국과 인공 위성 사이의 전파 시간을 빼서 인공 위성과 사용자 단말기 사이의 전파 시간을 얻는다. 일단, 인공 위성의 사용자 단말기로의 왕복 여행 시간이 얻어지면, 그들 사이의 거리 또는 범위가 마찬가지로 얻어질 수 있다. 단계 216에서, (제1도 및 2의 라인(26) 등과 같은) 범위 솔루션 라인이 인공 위성의 현재 위치 및 인공 위성과 사용자 단말기 사이의 거리에 기초하여 산출된다. 상기한 바와 같이, 현재 인공 위성의 위치 및 인공 위성의 사용자 단말기까지의 거리는 각각 범위 솔루션 라인의 중심 및 반경이 된다.
단계 218에서, 수신된 통신 신호의 반송파 주파수가 얻어진다. 단계 220에서, 주파수 에러 오프셋은 수신된 반송파 주파수와 기준 반송파 주파수의 비교에 기초하여 산출된다. 상기한 바와 같이, 수신된 반송파 주파수 및 기준 반송파 주파수는 인공 위성과 사용자 단말기 사이의 거리 및 상대 속도가 변화함에 따라 변경될 것이다. 다음으로 단계 222를 참조하면, 도플러 시프트가 단계 220에서 산출된 주파수 오프셋에 기초하여 얻어진다. 그에 따라, (제1도 및 제2도의 라인(28) 등과 같은) 도플러 솔루션 라인이 수신된 신호 중의 도플러 시프트에 기초하여 얻어진다. 도플러 솔루션 라인을 산출할 때, 지상국은 인공 위성의 현재 위치, (제2도에서 화살표(20)로 나타낸 바의) 이동 방향 및 사용자 단말기에 대한 상대 속도를 고려한다.
단계 226에서, 도플러 및 범위 솔루션 라인들은 (제2도의 지점(52 및 54) 등과 같은) 교차점을 얻기 위해 동시에 해석된다. 교차점들은 사용자 단말기의 잠재적인 지리적 위치를 나타낸다. 단계 228에서, 지상국은 사용자 단말기에 대응하는(지점 52와 54 사이의) 교차점을 식별한다. 이러한 식별은 여러 가지 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들면 지점(52및 54)이 상이한 적용 범위의 빔 스폿 내에 놓일 때, 지상국은 어떤 교차점이 사용자 단말기를 커버하는 적용 범위의 빔 스폿 내에 놓였는지를 측정함으로써 그들 간을 식별할 수 있다.
대안으로, 지상국은 사용자 단말기의 현재 할당된 지리적 셀에 기초하여 사용자 단말기에 대응하는 교차점을 식별할 수 있다. 지리적 셀은 적용 범위의 빔스폿과 상이한 지구 위의 고정된 미리 설정된 영역을 나타낸다. 임의로, 각각의 사용자 단말기는 특정 지리적 셀에 할당될 수 있다. 이러한 경우, 지상국은 사용자 단말기에 할당된 지리적 셀에 기초하여 교차점(52 및 54)사이를 식별할 수 있다. 그밖에도, 지점들(52 및 54) 간의 판별은 제거 방법에 의해 이루어질 수 있다. 일단 목적하는 교차점이 식별되면, 단계 230에서, 이는 사용자 단말기의 지리적 위치로서 출력된다. 지리적 위치의 출력은 사용자 단말기의 위치를 식별하는 경도 및 위도를 포함할 수 있다.
상기 식별된 지리적 위치 정보는 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 지리적 위치는 콜 라우팅에 필요한 네트워크 제어 정보를 제공할 수 있다. 이 지리적 위치 정보는 사용자 단말기의 위치를 식별하기 위해 911 콜 등의 긴급 로케이션 서비스를 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 또한, 지리적 위치 정보는 서비스 제한을 포함하여 사용자 단말기의 위치의 함수로서 상이한 서비스를 제공하고 요구하는 회사와 국가 간 등의 네비게이션 서비스, 계산서 청구 및 통화 관리 등을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
임의로, 코드 타이밍 판별기(34)는 인입되는 신호를 분석하기 위해 다양한 종래의 동기화 루틴을 이용하도록 개선될 수 있다. 이 판별기(34)는 Tau-Dither 방법, Early-Late 방법, Dot Product 방법 등의 임의의 여러 가지 공지된 기술을 통한 자동 상관(auto correaltion)보정을 이용할 수 있다.
대안으로, 바람직한 실시예는 FDMA 또는 TDMA 코딩 또는 FDMA, TDMA 및 CDMA코드의 조합 등의 혼합 코딩 기술에 근거한 통신 링크를 이용하도록 개선될 수 있다. 이 코드는 지상국에 수신된 각각의 통신 신호가 직교 코드 등의 고유한 신호를 포함하는 한 1개 이상의 이들 코드화 기술을 이용할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 동기화 데이터는 RF 신호의 각각의 프레임의 동기 필드에 기억된 동기 신호와 기준 신호들을 비교함으로써 얻어질 수 있다. 임의로, 동기 신호는 데이터 필드의 데이터 상에 중첩될 수 있다.
상기 식별된 지리적 위치 정보는 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 지리적 위치는 콜 라우팅에 필요한 네트워크 제어 정보를 제공할 수 있다. 이 지리적 위치 정보는 사용자 단말기의 위치를 식별하기 위해 911 콜 등의 긴급 로케이션 서비스를 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 또한, 지리적 위치 정보는 서비스 제한을 포함하여 사용자 단말기의 위치의 함수로서 상이한 서비스를 제공하고 요구하는 회사와 국가 간 등의 네비게이션 서비스, 계산서 청구 및 통화 관리 등을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정 요소, 실시예 및 용도를 기재하였지만, 상기 개시 내용에 비추어 당업계의 숙련자들에 의해 변형이 이루어질 수 있기 때문에 본 발명은 이것으로 한정되지 않음을 이해할 수 있다. 따라서, 첨부된 특허 청구 범위에 의해 본 발명의 정신 및 범위에 속하는 특징들을 혼입시키는 등의 변형을 포함하는 것으로 한다.

Claims (5)

  1. 사용자 단말기, 위성 및 관련된 지상국 사이에서 할당된 채널들을 따라 통신 신호들을 통과시키는 위성형 원거리 통신 시스템 내의 사용자 단말기의 지리적 위치를 결정하는 방법에 있어서, 지상국의 사용자 단말기로부터 할당된 채널을 통하여 원거리 통신 신호를 수신하는 단계, 상기 원거리 통신 신호에 기초하여 상기 지상국에 대한 상기 사용자 단말기의 움직임을 나타내는 타이밍 에러 오프셋을 결정하는 단계, 상기 사용자 단말기, 상기 위성 및 상기 지상국을 지나는 갱신된 왕복 여행전파 지연을 얻기 위하여 상기 타이밍 에러 오프셋을 상기 사용자 단말기, 상기 위성 및 상기 지상국을 지나는 RF 신호의 왕복 여행 전파 시간을 나타내는 왕복 여행전파 지연과 조합하는 단계, 상기 갱신된 왕복 여행 전파 지연으로부터 지상국-위성 왕복 여행 지연을 제거함으로써 위성-이동 단말기 왕복 여행 전파 지연을 결정하는, 상기 제거 단계, 상기 위성-이동 단말기 왕복 여행 전파 지연에 기초하여 범위 솔루션 라인을 결정하는 단계, 상기 원거리 통신 신호에 근거하여 도플러 솔루션 라인을 결정하는 단계, 상기 범위 및 도플러 솔루션 라인의 지리적 교차점을 결정하는 단계 및 사용자 단말기의 지리적 위치로서 상기 지리적 교차점 중 하나를 출력하는 단계를 포함하는, 위성형 원거리 통신 시스템 내의 사용자 단말기의 지리적 위치 결정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지리적 위치를 출력하는 단계는, 상기 범위 솔루션 라인, 상기 도플러솔루션 라인 및 상기 사용자 단말기를 커버하는 빔 스폿에 기초하여 상기 사용자 단말기의 지리적 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 위성형 원거리 통신 시스템 내의 사용자 단말기의 지리적 위치 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 지리적 위치를 출력하는 단계는, 상기 범위 솔루션 라인, 상기 도플러솔루션 라인 및 상기 사용자 단말기가 할당된 소정 지리적 셀에- 기초하여 상기 사용자 단말기의 지리적 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 위성형 원거리 통신 시스템 내의 사용자 단말기의 지리적 위치 결정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 타이밍 에러 오프셋을 결정하는 단계는, 상기 원거리 통신 신호를 기준동기 신호와 상관시키는 단계를 포함하는, 위성형 원거리 통신 시스템 내의 사용자단말기의 지리적 위치 결정 방법.
  5. 사용자 단말기, 위성 및 관련된 지상국 사이에서 할당된 채널들을 따라 통신 신호들을 통과시키는 위성형 원거리 통신 시스템 내의 사용자 단말기의 지리적 위치를 결정하는 방법에 있어서, 할당된 채널을 통하여 사용자 단말기로 제1 원거리 통신 신호를 전송하는 단계, 지상국의 상기 사용자 단말기로부터 할당된 채널을 통하여 제2 원거리 통신신호를 수신하는 단계, 상기 제1 및 제2 원거리 통신 신호에 기초하여 상기 사용자 단말기, 상기 위성 및 상기 지상국을 지나는 왕복 여행 전파 지연을 결정하는 단계, 상기 지상국의 상기 사용자 단말기로부터 할당된 채널을 통하여 후속 원거리 통신 신호를 수신하는 단계, 상기 후속 원거리 통신 신호에 기초하여 상기 지상국에 대한 상기 사용자 단말기의 움직임을 나타내는 타이밍 에러 오프셋을 결정하는 단계, 갱신된 왕복 여행 전파 지연을 얻기 위하여 상기 타이밍 에러 오프셋을 상기 왕복 여행 전파 지연과 조합하는 단계, 상기 갱신된 왕복 여행 전파 지연으로부터 지상국-위성 왕복 여행 지연을 제거함으로써 위성-이동 단말기 왕복 여행 전파 지연을 결정하는, 상기 제거 단계, 상기 위성-이동 단말기 왕복 여행 전파 지연에 기초하여 범위 솔루션 라인을 결정하는 단계, 상기 후속 원거리 통신 신호에 근거하여 도플러 솔루션 라인을 결정하는 단계, 상기 범위 및 도플러 솔루션 라인의 지리적 교차점을 결정하는 단계 및 사용자 단말기의 지리적 위치로서 상기 지리적 교차점 중 하나를 출력하는 단계를 포함하는, 위성형 원거리 통신 시스템 내의 사용자 단말기의 지리적 위치 결정 방법.
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