KR100323156B1 - 무선단말기가항해위성으로부터송신된신호로부터자신의위치를결정하도록도와주는보조시스템및보조시스템작동방법 - Google Patents

무선단말기가항해위성으로부터송신된신호로부터자신의위치를결정하도록도와주는보조시스템및보조시스템작동방법 Download PDF

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Abstract

무선 단말기가 항해 위성으로부터 송신된 신호에 근거하여 그 위치를 판정할 수 있도록 해 주는 무선 단말기 및 보조 시스템을 개시한다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 종래 기술의 무선 단말기의 신호 획득 및 신호 처리 작업을 무선 단말기 및 보조 시스템간에 분할한다. 보조 시스템은, 위성의 일지에 대한 정보를 획득하고, 이를 부분적으로 처리하여 이 부분적으로 처리된 정보를 무선 단말기에 유용한 형태로 무선 단말기로 송신함으로써 무선 단말기를 보조한다. 그 후, 무선 단말기는 신호가 약할 때 무선 단말기를 보조하기 위한 보조 시스템으로부터 수신된 부분적으로 처리된 정보를 이용하여 항해 위성으로부터 범위 정보를 신속히 획득한다.

Description

무선 단말기가 항해 위성으로부터 송신된 신호로부터 자신의 위치를 결정하도록 도와주는 보조 시스템 및 보조 시스템 작동 방법{AN AUXILIARY SYSTEM FOR ASSISTING A WIRELESS TERMINAL IN DETERMINING ITS POSITION FROM SIGNALS TRANSMITTED FROM A NAVIGATION SATELLITE}
본 발명은 전반적으로 위성 위치 결정 시스템(satellite positioning system)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하나 이상의 항해 위성으로부터 송신된 신호로부터 무선 단말기의 위치를 판정할 때 무선 단말기를 보조하는 원격 통신-기반 보조 시스템에 관한 것이다.
범지구 위치 결정 시스템(Global Positioning System : GPS)과 같은 위성 위치 결정 시스템은, 무선 단말기의 위치를 공지된 방식으로 판정하기 위해 무선 단말기에 의해 이용될 수 있는 신호를 송신하는 위성군을 포함한다. 전형적으로, 각 위성에 의해 송신되는 신호는 3 가지 유형의 정보, 즉 (1) 위성 궤도 데이터, (2) 시스템 타이밍, 및 (3) 범위 정보(ranging information)를 포함한다. 본 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이, 무선 단말기가 3개 이상의 위성으로부터 신호를수신할 수 있으면, 무선 단말기는 삼각 분할 방식(triangulation)을 통해 그 위치를 판정할 수 있다. 종래 기술의 위성 위치 결정 시스템의 개략도를 도 1에 도시한다.
통상의 무선 단말기는 어느 정도 정확도를 가지고 그 위치를 판정할 수는 있지만, 전리층 및 대기의 변동과, 송신 신호 자체의 지터(jitter)로 인해 통상의 무선 단말기가 높은 정확도로 그 위치를 판정하는 것은 어렵다. 이들 요인의 영향을 완화시켜, 무선 단말기의 위치 검출의 정확도를 향상시키기 위해, 보정 범지구 위치 결정 시스템(Differential Global Positioning System : DGPS)으로 대표될 수 있는 다른 위성 위치 결정 시스템을 개발하였다. 도 2는 보정 범지구 위치 결정 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
종래 기술에서 잘 알려진 바와 같이, DGPS는 위성군(203) 및 무선 단말기(201) 뿐만 아니라 지상 기준 수신기(terrestrial reference receiver)(205)도 포함하는데, 이 지상 기준 수신기(205)의 위치는 정적(static)이며, 통상의 측량 기법에 의해 정확히 알 수 있다. DGPS에 대한 기본 이론은, 무선 단말기(201)가 지상 기준 수신기(205)에 근접해 있을 때(예를 들면 50 마일 이내에 있을 때), 무선 단말기(201) 및 지상 기준 수신기(205) 모두가 전리층 및 대기 변동과 신호 지터를 동일하게 경험할 것으로 기대된다는 것이다. 지상 기준 수신기(205)는 위성군(203)으로부터의 신호를 이용하여 그의 위치를 추정하고, 그의 알려진 정확한 위치를 이용하여 추정된 위치와 알려진 정확한 위치간의 오차를 계산한다. 전술한 오차 또는 "차(diffference)"는 전리층 및 대기 변동과 신호 지터로 인한, 추정된 위치의 부정확성을 나타내는 벡터이다. 차분 벡터는 지상 기준 수신기(205)에 의해 실시간으로 무선 단말기(201)에 방송된다. 무선 단말기(201)가 통상의 수단을 이용하여 위치를 추정할 경우, 지상 기준 수신기(205)로부터 수신된 차분 벡터를 이용하여 전리층 및 대기 변동과 신호 지터의 영향을 제외시킨다.
도 3은 종래 기술의 등록 상표 Tidget인 위성 위치 결정 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. Tidget 시스템의 무선 수신기는 무선 단말기의 위치를 계산하지 않는다. 그 대신에, Tidget 시스템의 무선 수신기는 무선 중계기처럼 동작하는데, 그 이유는 무선 수신기가 위성군으로부터 오는 신호를 수신한 다음 처리되지 않은 신호를 원격 처리 장치에 중계시키기 때문이며, 이 원격 처리 장치는 이 신호를 이용하여 Tidget 무선 단말기의 위치를 결정한다. Tidget 시스템은 무선 단말기로부터 무선 단말기의 위치를 계산하는데 필요한 고가의 회로를 제거함으로써 무선 단말기의 비용을 감소시킬 수 있는 장점을 갖고 있다. 무선 단말기가 자신의 위치를 알아내는 것보다 원격 장치가 무선 단말기의 위치를 알아내는 것이 더 바람직한 경우, Tidget 시스템이 무선 단말기의 위치를 원격 장치에 효율적으로 중계하기 때문에, Tidget 시스템이 바람직하다.
도 4는 종래 기술의 등록 상표 Tendler인 위성 위치 결정 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 이 시스템에 따라 구성된 무선 단말기는, 위성군으로부터 그 위치를 판정하는데 필요한 회로와, 판정된 위치를 무선 원격 통신 시스템을 통해 다른 쪽으로 송신하기 위한 무선 전화 송신기를 모두 포함한다.
위성 위치 결정 시스템의 성능이 개선되어 왔지만 아직도 여러 문제점들이존재하고 있다. 통상적으로, 무선 단말기에 의해 위성군으로부터 수신되는 신호의 강도는 빌딩 및 가려진 환경에서 크게 약화된다. 또한, 무선 단말기는 그 위치를 판정하는데 필요한 위성으로부터 신호를 획득하는데 수 분이 걸릴 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들은 하나 이상의 항해 위성으로부터 송신되는 신호들을 기초로 하여 그 위치를 판정할 시 무선 단말기를 보조할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예가 보조하는 무선 단말기는 종래 기술의 무선 단말기보다 저가이다. 또한, 본 발명의 실시예가 보조하는 무선 단말기는 종래 기술의 무선 단말기보다 약한 신호를 수신하여 이를 이용할 수 있으며, 또한 종래 기술의 무선 단말기보다 신속하게 그 위치를 판정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 보조 시스템은, 무선 단말기에 의해서만 통상적으로 실행되는 신호 획득 및 신호 처리 태스크를 무선 단말기와 보조 시스템 사이에 분할함으로써 무선 단말기를 보조한다. 특히, 종래 기술의 무선 단말기상에 통상적으로 부가되는 요건들은 유용한 정보를 무선 원격 통신 링크를 통해 무선 단말기에 제공하는 보조 시스템상에 오프-로드(off-load)된다.
위성 위치 결정 시스템의 군(constellation) 내의 각 위성에 의해 송신되는 각 신호는 독립적인 획득 및 독립적인 처리에 응답하는 두 종류의 개별적인 정보를 운송하기 때문에, 무선 단말기 및 보조 시스템간에 신호 획득 및 신호 처리 태스크를 분할하는 것이 가능하다. 이들 두 종류의 정보는 (1) 범위 정보 및 (2) 위성의 일지(ephemerides)에 대한 정보이다.
위성의 일지에 대한 정보는 이들 위치에 관계없이 모든 수신기에 대해 동일하다. 이와 대조적으로, 각 위성으로부터 수신기까지의 거리를 나타내는 범위 정보는 거리에 따라 달라지며, 무선 단말기 단독으로 수신할 수 있다. 따라서, 보조 시스템은 위성의 일지에 대한 정보를 획득하여 부분적으로 처리하고 이를 무선 단말기에 유용한 형태로 송신함으로써 무선 단말기를 보조할 수 있다. 그러나, 보조 시스템은 무선 단말기에 대한 범위 정보를 획득하지는 못한다.
보조 시스템이 무선 단말기에 대한 위성의 일지 정보를 구비하면, 무선 단말기의 신호 획득 및 신호 처리 요구가 감소된다. 또한, 무선 단말기는 보조 시스템으로부터 부분적으로 처리된 정보를 실제로 이용하여, 무선 단말기가 범위 신호를 신속하게 얻도록 하고 신호가 약할 때 보조할 수 있도록 해준다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 무선 단말기가 무선 원격 통신 단말기(예를 들면, 셀룰라폰, 휴대용 데이터 입력 장치 등)의 기능을 제공할 수 있는 경우, 무선 단말기의 위치를 판정하는 회로를 적당한 비용으로 무선 단말기에 추가할 수 있다.
도 1은 종래 기술의 GPS와 같은 위성 위치 결정 시스템을 도시한 블럭도,
도 2는 종래 기술의 보정 GPS 시스템을 도시한 블럭도,
도 3은 종래 기술의 Tidget과 같은 시스템을 도시한 블럭도,
도 4는 종래 기술의 Tendler와 같은 시스템을 도시한 블럭도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 위성 위치 결정 시스템을 도시한 블럭도,
도 6은 도 5에 도시한 보조 시스템의 블럭도,
도 7은 도 5에 도시한 무선 단말기의 블럭도,
도 8은 도 7에 도시한 필드 수신기의 블럭도,
도 9는 도 5에 도시한 보조 시스템 및 무선 단말기의 동작을 본 발명의 일 실시예에 따라 나타낸 플로우차트,
도 10은 도 5에 도시한 보조 시스템 및 무선 단말기의 동작을 본 발명의 일실시예에 따라 나타낸 플로우차트.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
505 : 보조 시스템 507 : 타이밍 소스
601 : 저정확도 위치 추정기 605 : GPS 수신기
607 : 타이밍 신호 교정기 609 : PRN 동기화 추정기
611 : 복조기 613 : 위성 가시도 추정기
615 : 위성 도플러 추정기
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 위성 위치 결정 시스템을 나타낸 도면이다. 도시한 위성 위치 결정 시스템은 무선 단말기(501), 위성군(503), 보조 시스템(505) 및 타이밍 소스(507)를 포함한다. 위성군(503)은 본 기술 분야에 알려진 범지구 위치 결정 시스템이므로 더 이상 설명하지 않는다. 당업자라면, 다른 위성군과 협력하는 본 발명의 실시예의 제조 및 이용 방법을 잘 알 것이다.
본 실시예의 주 목적은 통상의 무선 단말기의 신호 획득 및 신호 처리 요건을 감소시켜서, 본 실시예에 따른 무선 단말기가 더욱 신속하고 종래 기술의 무선 단말기보다 더 약한 신호로도 그 위치를 판정할 수 있도록 해주는 것이다. 본 실시예에 따르면, 무선 단말기(501)의 신호 획득 및 신호 처리 요건은 보조 시스템(505)을 이용하여 감소된다. 특히, 통상의 무선 단말기가 그 위치를 판정하기 위해 요구되는 신호 획득 및 신호 처리의 태스크는 무선 단말기(501)와 보조 시스템(505)에게 분배된다.
당업자라면, 부분적으로 처리된 신호 정보가 신호 처리 작업을 바람직하게 분배하기 위해 필요한 무선 원격 통신 링크(504)를 통해 무선 단말기(501) 및 보조 시스템(505)간에 상호 교환될 수 있기 때문에, 신호 처리 작업이 이들 두 시스템간에 어떻게 분할될 수 있는지를 잘 알 것이다.
위성군(503)내의 각 위성에 의해 송신된 각 신호가 독립적인 획득 및 독립적인 처리에 응답하는 두 가지 종류의 개별적인 정보를 포함하기 때문에, 무선 단말기(501) 및 보조 시스템(505)간에 신호 처리 작업을 분리할 수 있다. 두 가지 종류의 정보는, (1) 범위 정보, 및 (2) 위성의 일지에 대한 정보이다. 보다 구체적으로 설명하면, GPS 신호는 예를 들면 셀룰라폰의 무선 신호가 음성 데이터와 함께 변조되는 방식과 유사한 방식으로 디지털 정보로 변조된다. 이러한 정보는 임의의 적절한 수신기에 의해 검출되어 복조될 수 있다. 이 수신기에 의해 재구성된정보는 송신기에 의해 신호로 변조된 정보를 정확하게 복제한 정보이며(노이즈, 왜곡 등으로 인해 발생된 원치않는 에러는 제외), 그들 위치에 관계없이 모든 수신기에 대해 동일하다. 이 정보는 "위성의 일지에 대한 정보"로 일컬어진다.
이와 대조적으로, 위치 시스템에서 신호의 정확한 타이밍에 대한 중요한 정보가 또한 존재한다. 송신기는 어느 정도의 정확성을 가진 기준에 따라 송신된 신호의 타이밍을 신중히 조정함으로써, 수신기에 의해 수신된 신호의 타이밍이 송신기 및 수신기간의 거리에 대한 정보(이에 따른, 수신기의 위치에 대한 정보)를 운반하도록 한다. 이러한 정보는 수신기들마다 서로 다르며, 해당 수신기 자체에서만 이용될 수 있다. 이 정보는 "범위 정보"로 일컬어진다.
예를 들어, 보조 시스템(505)에 의해 획득된 범위 정보가 무선 단말기(501)의 위치가 아니라 보조 시스템 안테나(553)의 위치에 관련된다 해도, 위성군(503)내의 각 위성이 무선 단말기(501) 및 보조 시스템(505)에게 두 종류의 정보를 포함하는 신호를 송신하기 때문에, 위성의 일지에 대한 몇몇 또는 모든 정보가 안테나(553)를 통해 보조 시스템(505)에 의해 획득된다. 그러나, 보조 시스템(505)은 (예를 들어, 이동국이 배치된 셀 및 섹터에 대한 인식을 통해서) 무선 단말기(501)의 위치에 대한 근사치를 알고 있으며, 이에 따라 보조 시스템(505)은 이 인식과 획득된 범위 정보 및 위성의 일지 정보를 조합하여 무선 단말기(501)의 위치에서 범위 정보의 추정치를 계산한다. 위성의 일지 정보 및 이 추정치는 무선 원격 통신 안테나(551)를 통해 무선 단말기(501)로 송신되어, 범위 정보를 획득하고 처리할 때 무선 단말기(501)를 보조하게 된다.
범위 정보가 무선 단말기(501)에 의해 획득되면, 무선 단말기(501)는 그의 위치를 결정하기 위해 위성 일지 정보 및 범위 정보를 이용하거나, 혹은 무선 단말기(501)가 범위 정보를 보조 시스템(505)에 송신하여, 보조 시스템(505)이 무선 단말기(501)의 위치를 결정할 수 있도록 한다.
무선 단말기(501)가 위성의 일지에 대한 몇몇 또는 모든 정보를 획득할 필요가 없고, 범위 정보에 대한 추정치를 구비하는 장점이 있기 때문에, 추정된 형태의 그 정보에 대한 사전 지식으로 더 용이하게 범위 정보를 획득하고 처리하는 작업을 행하게 되어 비용이 더 적게 소요되는 기법으로 제조될 수 있다. 또한, 위성 일지 정보가 범위 정보와 동일한 반송파로 변조되기 때문에, 위성의 일지 정보를 무선 단말기(501)로 제공함으로써 무선 단말기(501)가 안테나(512)를 통해 수신된 위성 신호로부터 위성의 일지 정보를 제거할 수 있어서, 종래 기술의 무선 단말기의 동작에 부적당한 낮은 신호 대 잡음비의 열악한 조건하에서도 범위 정보를 획득할 수 있다.
보조 시스템(505)은 지상 장치, 공중 장치 또는 지구 근방의 궤도내의 인공 위성일 수 있다. 그러나, 보정 범지구 위치 결정 시스템의 지상 기준 수신기와는 달리, 보조 시스템(505)의 위치는 정적으로 유지될 필요도 없으며 정확한 위치를 알 필요도 없다.
도 6은 보조 시스템(505)의 주요 구성 성분을 도시한 블럭도로서, 타이밍 신호 수신기(603), 타이밍 신호 안테나(552), 저정확도 위치 추정기(coarse location estimator)(601), 원격 통신 시스템 관리기(617), GPS 수신기(605), GPS 수신기 안테나(553), 타이밍 신호 교정기(607), PRN(pseudo random noise) 동기화 추정기(609), 복조기(611), 위성 가시도(visibility) 추정기(613), 위성 도플러 추정기(615), 원격 통신 송신기(619) 및 원격 통신 안테나(551)를 포함한다.
일반적으로, 보조 시스템(505)은 C/A 또는 저정확도 획득 코드(coarse acquisition code)를 이용하는 잘 알려진 방식으로, GPS 수신기를 이용하여 지평선 위의 각 위성으로부터 범위 정보 및 위성의 일지에 관한 정보를 모두 획득한다. 당업자라면, P(Y) 또는 P 코드를 이용하는 본 발명의 실시예의 구현 및 이용 방법을 잘 알 것이다. 범위 및 위성 일지 정보를 획득하는 처리에서, 보조 시스템(505)은 특히 (1) 각 위성으로부터의 PRN 동기화(즉, 각 위성에 의해 송신되는 PRN 코드의 정확한 타이밍)와, (2) 각 위성과 연관된 도플러 시프트와, (3) 어떤 위성이 지평선 위에 있는지와, (4) 각 위성으로부터의 50bps 변조된 비트 스트림을 알아낸다. 그 후, 보조 시스템(505)은 지평선 위의 각 위성에 대해 무선 원격 통신 채널을 통해 무선 단말기(501)에, (1) PRN 동기화의 추정치, (2) 도플러 시프트의 추정치, 및 (3) 50bps 변조된 비트 스트림을 송신한다. 이들 정보는 모두 "항해 메세지 데이터"로 일컬어질 것이다.
보조 시스템(505)이 지역을 "셀"로 지칭하는 다수의 바둑판 무늬의 영역으로 분할하는 무선 원격 통신 시스템의 일부인 경우, 보조 시스템(505)은 무선 단말기(501)가 소재한 셀이 무엇인지를 알 수 있으며, 이에 따라 수 마일내에서 그의 위치를 대충 알 수 있다. 보조 시스템(505)이 무선 단말기(501)의 위치에 대해 대충 알고 있는 경우(즉, 수 마일이내), 보조 시스템(505)은 무선 단말기(501)에 의해 알 수 있는 PRN 동기화 및 도플러 시프트를 정확하게 추정할 수 있다.
PRN 동기화 추정, 도플러 시프트 추정 및 50bps 변조된 비트스트림이 소멸되고, 무선 단말기(501) 및 보조 시스템(505)이 몇몇 GPS C/A 코드 칩내에서 동기화될 경우에만 이용할 수 있기 때문에, 무선 단말기(501) 및 보조 시스템(505)은 모두 1μs내에 동기화됨이 바람직하다. 이를 달성하기 위해, 무선 단말기(501) 및 보조 시스템(505)은 잘 알려진 방식으로 독립적인 타이밍 소스(507)로부터 타이밍 동기화 신호를 수신할 수 있다. 이와 달리, 보조 시스템(505)은 타이밍 소스를 포함할 수 있으며, 또한 원격 통신 채널을 통해 무선 단말기(501)로 동기화 신호를 송신할 수 있다.
예를 들면, 보조 시스템(505)이 CDMA 무선 원격 통신 시스템의 일부이며, 무선 단말기(501)가 CDMA 방식을 따르는 경우, 보조 시스템(505) 및 무선 단말기(501)는 모두 1μs 이내에 동기화될 것이며, 타이밍 소스(507)는 필요하지 않다. 당업자라면, 무선 단말기(501) 및 보조 시스템(505)에 대한 동기화를 제공하는 방법을 잘 알 것이다.
다시 도 6을 참조하면, 보조 시스템(505)이 IS-95 CDMA 원격 통신 시스템의 일부인 경우, 원격 통신 시스템 관리기(617)는 무선 단말기(501)가 배치된 셀을 저정확도 위치 추정기(601)에게 알려준다. 또한, 원격 통신 시스템 관리기(617)는 예를 들어 미아(迷兒)가 무선 단말기(501)를 가지고 있을 경우 무선 단말기(501)의 소재 파악에 대해 처리하도록 할 수 있다. 다른 예로서, 무선 단말기(501)로부터의 "911" 비상-서비스 호출은 원격 통신 시스템 관리기(617)로 하여금 무선단말기(501)의 위치를 알게 해주며 직접 비상 서비스 담당 직원을 무선 단말기(501)의 위치로 안내한다. 다른 위치-기반 서비스는 고장난 차의 사용자가*TOW와 같은 코드를 무선 단말기(501)에 입력하도록 할 수 있다. 그러면, 무선 단말기(501)는 원격 통신 시스템 관리기(617)로*TOW를 중계한 후, 무선 단말기(501)의 위치를 확인하며 무선 단말기(501)와 무선 단말기(501)에 가장 가까이 있는 견인 서비스(towing service)간에 호출을 설정할 수 있다. 발명의 명칭이 "Wireless Location Messaging"인 계류중인 미국 특허 출원 번호 08/784108(1997, 1월 15일 출원)의 개시물이 본 명세서에 참조로 인용된다.
저정확도 위치 추정기(601)는 원격 통신 시스템 관리기(617)로부터의 정보를 이용하여, 무선 단말기(501)의 위치에 대한 위도 및 경도를 추정하며, 이 추정치는 단순히 무선 단말기(501)를 포함하는 셀 또는 섹터의 중앙 위치일 수 있다.
타이밍 신호 수신기(603)는 동기화를 위해 타이밍 소스(507)가 요구될 때, 타이밍 소스(507)로부터 무선 단말기(501)에 의해 수신되는 것과 동일한 타이밍 신호를 수신한다. 타이밍 소스 교정기(607)가 타이밍 소스(507)와 무선 단말기(501)간의 타이밍 신호 지연 뿐만 아니라, 타이밍 소스(507)와 타이밍 신호 수신기(603)간의 타이밍 신호 지연도 정확하게 판정하도록 타이밍 신호 수신기(603) 및 타이밍 소스(507)의 위치를 아주 정확하게 알아야 한다. 예를 들면, 요구되는 타이밍 정확도는 무선 단말기(501)의 위치의 저정확도 추정치에 근거하여, 1μsec내일 수 있다. 이와 달리, 타이밍 신호 수신기(603)는 GPS위성군(503)으로부터 타이밍 신호를 수신할 수 있다.
GPS 수신기(605)는, GPS 수신기 안테나(553)를 통해 지평선 위의 위성군(503)내의 각 위성으로부터 신호를 수신하며, 각 신호의 정확한 도착 시간(즉, 그의 PRN 동기화)을 판정한다. 복조기(611)는 획득된 각 신호를 복조해서 50bps 변조된 비트 스트림을 복구한다. PRN 동기화 추정기(609)는 무선 단말기(501)에서의 각 가시 위성으로부터 각 C/A 코드 신호의 정확한 도착 시간을 예측하며, 이러한 예측을 이용하여 C/A 코드 신호 각각의 적절한 역 확산(de-spread)을 위해 무선 단말기(501)내의 필드 수신기에 의해 이용될 PRN 시퀀스 타이밍을 추정한다. PRN 동기화 추정기(609)가 무선 단말기(501)에서의 정확한 PRN 시퀀스 타이밍을 결정하지 못해도, 양호한 추정(예를 들면, 10 또는 20 칩내에서 유용한 추정)으로 인해 실질적으로 무선 단말기(501)가 시도했을 수도 있는 PRN 동기화 시도의 횟수를 감소시키게 된다.
위성 가시도 추정기(613)는 수신된 변조된 비트 스트림으로 부터 위성 일지를 추출하며, 위성이 그의 위치에서 무선 단말기(501)를 볼 수 있는지를 추정한다. 마찬가지로, 위성 도플러 추정기(615)는 수신된 변조된 비트 스트림으로부터 위성 일지 정보를 추출하며, 위성이 그의 위치에서 무선 단말기(501)를 볼 수 있는지를 추정한다. 원격 통신 송신기(619)는 위성 가시도 추정치, 각 위성에 대한 PRN 동기화 추정치, 각 위성에 대한 도플러 시프트 추정치 및 각 위성에 대한 50bps 변조된 비트스트림을 취하며, 지평선 위의 각 위성에 대한 원격 통신 채널을 통해 무선 단말기(501)로 (1) PRN 동기화에 대한 추정치, (2) 도플러 시프트의 추정치 및 (3)50bps 변조된 비트스트림을 송신한다. 당업자라면, 보조 시스템(505)을 제조하고 이용하는 방법을 잘 알 것이다.
도 7은 무선 단말기(501)의 주요 부분을 나타낸 블럭도로서, 단말 제어기(710), 사용자 인터페이스(720), 원격 통신 송신기(741), 원격 통신 수신기(751), 필드 수신기(753), 타이밍 수신기(755), 듀플렉서(733) 및 안테나(731)가 도시된 바와 같이 상호접속되어 있다.
무선 단말기(501)가 통상의 무선 단말기(예를 들면, 셀룰라폰)와 연관된 모든 기능을 수행할 수 있으면 바람직하지만 반드시 그럴 필요는 없다. 특히, 무선 단말기의 사용자는 원격 통신 송신기(741), 원격 통신 수신기(751) 및 보조 시스템(505)을 통해 2-방식 음성 대화를 할 수 있는 것이 바람직하다.
항해 메세지 데이터가 보조 시스템(505)에서부터 무선 단말기(501)로 전송되기 때문에, 항해 메세지 데이터는 원격 통신 수신기(751)를 통해 무선 단말기(501)에 의해 수신된다. 원격 통신 수신기(751)는 항해 메세지 데이터를 단말 제어기(710)로 전달하며, 그 후 이 항해 메세지 데이터는 필드 수신기(753)로 송신된다.
전술한 바와 같이, 무선 단말기(501)는 동기화 목적을 위해 시스템 타이밍을 수신하는 것이 또한 바람직하다. 타이밍 신호가 타이밍 소스(507)로부터 송신될 때, 타이밍 신호는 타이밍 수신기(755)를 통해 무선 단말기(501)에 의해 수신된다. 타이밍 수신기(755)는 타이밍 신호를 단말 제어기(710)에 전달하며, 그 후 이 타이밍 신호는 필드 수신기(753)로 송신된다. 이와 달리, 타이밍 신호가 보조시스템(505)으로부터 송신될 때, (무선 단말기(501) 및 보조 시스템(505)이 CDMA 원격 통신 시스템의 일부일 경우) 타이밍 신호는 원격 통신 수신기(751)에 의해 수신된다. 그 후, 원격 통신 수신기(751)는 타이밍 신호를 단말 제어기(710)에 전달하며, 그 후 이 타이밍 신호는 필드 수신기(753)로 전달된다.
다른 경우, 필드 수신기(753)는 위성군(503)으로부터 유도할 필요없이 필요한 타이밍 정보를 수신한다. 또한, 필드 수신기(753)는 위성군(503)으로부터 직접 이 임의의 정보를 수신하지 않고, 지평선 위의 각 위성에 대해 (1) PRN 동기화의 추정, (2) 도플러 시프트의 추정, 및 (3) 50bps 변조된 비트 스트림을 수신한다.
무선 단말기(501)는 또한 필드 수신기(753)를 통해 위성군(503)으로부터 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 C/A 코드 신호를 수신하는 것이 바람직하다.
도 8은 위성군(503)내의 하나의 위성으로부터 C/A 코드 신호를 처리하는 필드 수신기(753)의 주요 구성 성분을 도시한 블럭도이다. 필드 수신기(753)의 기능은 하나의 C/A 코드 신호에 대해 동작하는 별도의 기능 블럭으로서 도 8에 도시한다. 당업자라면, 본 발명의 많은 실시예에서 필드 수신기(753)는 적절하게 프로그래밍된 범용 마이크로프로세서 또는 다수의 위성들으로부터의 C/A 코드 신호에 대해 동시에 동작하는 디지털 신호 처리기임을 잘 알 것이다. 당업자라면 또한, 도 8의 많은 기능 블럭은 변환 기법에 의해 대체될 수 있음을 알 것이다.
도 8에서, SPS 제어기(821)는 인출선(761)으로부터 항해 메세지 데이터 및 타이밍 동기화 정보를 수신하고, (1) PRN 동기화 추정치를 PRN 코드 발생기(819)로출력하며, (2) 도플러 시프트 추정치를 도플러 보정기(809)로 출력하고, 50bps로 변조된 비트 스트림을 혼합기(815) 및 위치 계산기(823)로 출력하며 이들은 모두 적절하게 동기화된다. RF 프런트 엔드(front end)(801)는 위성으로부터 C/A 코드 신호를 수신하며, 관심 대역 이외의 모든 대역을 필터링하고, 이를 잘 알려진 방식으로 IF로 혼합 다운(mixed down)시킨다. A/D 변환기(803)는 혼합 다운된 신호를 취하며, 1.023 MChips/sec. 이상의 칩핑 속도(chipping rate)의 2배 또는 그 이상으로 이 신호를 샘플링한다. PRN 코드 발생기(819)는 1.023 MChips/sec. 속도로 PRN 코드 시퀀스를 발생시키기 시작하며, 본 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이 PRN 코드 시퀀스는 1023 칩의 주기를 갖는다. PRN 코드 발생기(819)는 또한 도플러 시프트 추정치를 이용하여 도플러 시프트에 대한 PRN 코드 시퀀스 칩을 정정할 수 있지만, PRN 코드 시퀀스에 대한 도플러 시프트가 통상 매우 작기 때문에 이것을 항상 행할 필요는 없다. 당업자라면, PRN 코드 발생기(819)가 도플러 시프트에 대한 정정을 하지 않아도 될 때와 정정을 할 수 없을 때를 잘 알 것이다.
당업자라면, 도 8의 A/D 변환기(803)에 이어지는 블럭들에 의해 수행되는 신호 처리 기능이 아날로그 기법을 이용하는 또다른 실시예에서 어떻게 수행될 수 있는 지를 잘 알 것이다. 이러한 실시예에서, 필드 수신기(753)는 A/D 변환기(803)가 기능 블럭 시퀀스내의 상이한 포인트에서 나타날 것이라는 것을 제외하고는 도 8의 블럭도와 유사한 블럭도로 기술된다.
PRN 동기화 추정이 올바르거나 혹은 PRN 코드 발생기(819)로부터의 제 1 PRN 코드 시퀀스가 정확히 동기되어야 할 필요는 없음을 알아야 한다. PRN 코드 발생기(819)로부터의 PRN 코드 시퀀스가 동기화되지 않은 것으로 판정된 경우(스펙트럼 분석기(817)에 의해 판정됨), PRN 코드 발생기(819)는 잘 알려진 방식으로 추정치 근방의 동기화 위치를 점진적으로 탐색함으로써 정확한 동기화를 획득하는데 있어서, 학습된 추측으로서 PRN 동기화 추정을 이용할 것이다.
혼합기(805)는 PRN 코드 시퀀스 및 디지탈화된 C/A 코드 신호를 승산하고 역 확산된 C/A 코드를 저역 통과 필터(807)로 출력한다. 저역 통과 필터(807)는 신호의 대역폭을 감소시켜서 저속으로 샘플링될 수 있게 하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 도플러 보정 블럭(809)은 저역 통과 필터(807)로부터 수신하는 각각의 여러 샘플들중 하나를 제외한 나머지 모두를 무시할 수 있게 되어서, 최종의 초당 샘플수는 저역 통과 필터(807)의 출력을 정확히 나타내는데 필요한 적어도 나이키스트 속도(Nyquist rate), 또는 저역 통과 필터(807)의 출력에 의해 점유되는 대역폭의 2배로 된다. 바람직하게, 대역폭은 50bps 신호 자체에 의해 점유되는 대역폭에 의해 증가되는 신호(무선 단말기(501)에 따라 위성의 상대적인 움직임에 의해 유발되는 신호)에서 볼 수 있는 가장 큰 도플러 시프트와 동일하다. 예를 들면, 저역 통과 필터(807)의 출력에 의해 점유되는 대역폭은 16 kilosamples/s의 나이키스트 비율에 대응하는 8kHz일 수 있다.
무선 단말기(501)에 대한 위성의 상대적인 움직임에 의해 유발되는 도플러 시프트는 두 가지 구성 성분, 즉 지면에 대한 위성의 상대적인 움직임에 의해 유발되는 도플러 시프트(이에 대해 항해 메세지 데이터내에 추정치가 포함됨)와, 존재할 경우 지면에 대한 무선 단말기(501)의 상대적인 움직임에 의해 유발되는 도플러시프트를 포함한다. 도플러 보정기(809)는 저역 통과 필터(807)로부터 신호를 취해서 지면에 대한 위성의 상대적인 움직임으로 인한 추정 도플러 시프트에 대한 보정을 행한다. 이는 예를 들어, 국부 발진 주파수가 원하는 정정을 이루도록 조절되며, 주파수 변환 기법을 통해 잘 알려진 방식으로 달성될 수 있다.
도플러 보정기(809)의 출력은 저역 통과 필터(811)로 입력되며, 이 저역 통과 필터(811)는 바람직하게도 신호의 대역폭을 더욱 감소시켜서 신호가 보다 저속으로 샘플링될 수 있도록 해준다. 또한, FIFO(813)는 저역 통과 필터(811)로부터 수신하는 모든 샘플중 하나를 제외한 나머지 모두를 무시할 수 있다. 무시되지 않은 샘플은, 저역 통과 필터(811)의 출력에 의해 점유되는 대역폭의 두배와 동일한, 적어도 나이키스트 속도로 발생해야 한다. 대역폭은, 50bps 신호 자체에 의해 점유되는 대역폭에 의해 증가되는 지면에 대한 무선 단말기(501)의 상대적인 움직임에 의해 유발되는 가장 큰 도플러 시프트와 동일한 것이 바람직하다. 예를 들면, 저역 통과 필터(811)의 출력에 의해 점유되는 대역폭은 1(kilosamples/s)의 나이키스트 속도에 대응하는 500Hz일 수 있다.
저역 통과 필터(811)의 출력은 FIFO 메모리(813)로 입력되며, 이는 보조 시스템(505)이 50bps 변조된 비트 스트림을 복구하고 이를 SPS 제어기(821)로 전송하는데 걸리는 시간만큼 신호를 지연시킨다. 통상, FIFO 메모리(813)는 기껏해야 수 초 동안 신호를 지연시키면 된다. FIFO 메모리(813)의 출력은 혼합기(815)로 입력되어서, 신중하게 동기화된 50bps 변조된 비트 스트림과 혼합된다. 이 혼합 동작은 50bps로 변조된 비트 스트림을 제거함으로써 신호를 다시 역 확산시킨다.따라서, 혼합기(815)의 출력은 신호가 존재할 경우(즉, PRN 동기화가 올바르게 이루어질 경우), 변조되지 않은 신호 캐리어일 것이다.
혼합기(815)의 출력은 스펙트럼 분석기(817)로 입력되며, 이 스펙트럼 분석기(817)는 예를 들어, 잘 알려진 방식으로 이산 퓨리에 변환을 행한다. 혼합기(815)의 출력이 순수한 정현파(이는 스펙트럼 분석기(817)로 부터의 스펙트럼 스파이크에 의해 표시됨)일 경우, 이는 PRN 코드 발생기(819)가 위성으로부터의 C/A 코드 신호와 완전히 동기화된 것을 의미한다. 혼합기(815)의 출력이 순수한 정현파가 아닌 경우(이는 스펙트럼 분석기(817)로 부터의 스펙트럼 스파이크가 아닌 소정의 것에 의해 표시됨), 이는 PRN 코드 발생기(819)가 C/A 코드 신호와 동기화되지 않아서 다른 동기화를 시도해야 할 것을 의미한다. 당업자라면, 본 명세서에 기술된 결과와 동일한 결과(혼합기(815)의 출력내의 협대역 성분의 존재 유무를 검출)를 산출하면서 본 명세서에 기술된 기법과 상이한 기법을 통해 스펙트럼 분석을 수행하는 방법을 잘 알 것이다.
중요한 것은, PRN 코드 발생기가 위성으로부터의 C/A 코드 신호와 동기화될 경우, 이는 위치 계산기(823)가 범위 정보(즉, 신호가 위성으로부터 무선 단말기(501)로 이동하는데 걸리는 시간)를 계산할 수 있음을 의미한다는 것이다. 위치 계산기(823)가, (1) PRN 코드 발생기(819)로부터의 PRN 코드 동기화, (2) SPS 제어기(821)로부터의 변조된 비트 스트림, 및 (3) PRN 코드가 스펙트럼 분석기(817)와 동기화되는 시기를 알기 때문에, 위치 계산기(823)는 잘 알려진 방식으로 무선 단말기(501)의 위치를 계산할 수 있다.
무선 단말기(501)의 위치는, 원격 통신 채널을 통한 보조 시스템(505)으로의 재전송을 위해, 위치 계산기(823)로부터 단말 제어기(710) 및 원격 통신 송신기(741)로 출력될 수 있다. 그 후, 보조 시스템(505)은 임의의 수의 위치-기반 서비스에서 무선 단말기(501)의 위치를 이용할 수 있다.
도 9는 도 5에 도시한 보조 시스템 및 무선 단말기의 동작을 본 발명의 일실시예에 따라 나타낸 플로우차트이다.
도 10은 도 5에 도시한 보조 시스템 및 무선 단말기의 동작을 본 발명의 일실시예에 따라 나타낸 플로우차트이다.
본 발명은 무선 단말기가 항해 위성으로부터 송신된 신호에 근거하여 그 위치를 판정할 수 있도록 해 주는 무선 단말기 및 보조 시스템을 제공한다.

Claims (30)

  1. 보조 시스템에 있어서,
    시스템 타이밍 신호를 발생시키는 타이밍 신호 수신기와,
    위성으로부터 신호를 수신하는 위성 위치 결정 시스템 수신기와,
    도플러 시프트 추정치를 생성하는 도플러 시프트 추정기, 및
    무선 원격 통신 링크를 통해 상기 시스템 타이밍 신호와 상기 도플러 시프트 추정치를 무선 단말기로 전송하는 원격 통신 송신기를 포함하는 보조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    변조된 비트 시퀀스를 발생시키는 복조기를 더 포함하며,
    상기 원격 통신 송신기는 상기 변조된 비트 시퀀스를 상기 무선 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 보조 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호에 기초하여 PRN 코드 동기화 추정치를 발생시키는 PRN 코드 동기화 추정기를 더 포함하며,
    상기 원격 통신 송신기는 상기 PRN 코드 동기화 추정치를 상기 무선 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 보조 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 단말기의 저정확도 위치 추정치를 발생시키는 저정확도 위치 추정기를 더 포함하며, 상기 PRN 코드 동기화 추정치는 상기 신호 및 상기 저정확도 위치 추정치에 기초한 것임을 특징으로 하는 보조 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 단말기로부터 부분적으로 처리된 범위 신호를 수신하는 수신기와,
    상기 부분적으로 처리된 범위 신호에 기초하여 상기 무선 단말기의 위치를 판정하는 수단을 더 포함하는 보조 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 단말기로부터 상기 무선 단말기의 위치를 수신하는 수신기를 더 포함하는 보조 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    위치-기반 서비스에서 상기 무선 단말기의 상기 위치를 이용하는 수단을 더 포함하는 보조 시스템.
  8. 보조 시스템에 있어서,
    위성으로부터 오는 제 1 신호를 수신하는 위성 위치 결정 시스템 수신기와,
    상기 제 1 신호에 기초하여 상기 위성으로부터 오고, 무선 단말기에 의해 수신되는 제 2 신호의 도플러 시프트 추정치를 발생시키는 도플러 시프트 추정기와,
    무선 원격 통신 링크를 통해 상기 도플러 시프트 추정치를 상기 무선 단말기로 전송하는 원격 통신 송신기를 더 포함하는 보조 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    PRN 코드 동기화 추정치를 발생하는 PRN 코드 동기화 추정기를 더 포함하며, 상기 원격 통신 송신기는 상기 PRN 코드 동기화 추정치를 상기 무선 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 보조 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    변조된 비트 시퀀스를 발생하는 복조기를 더 포함하며, 상기 원격 통신 송신기는 상기 변조된 비트 시퀀스를 상기 무선 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 보조 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    시스템 타이밍 신호를 발생하는 타이밍 신호 수신기를 더 포함하며, 상기 원격 통신 송신기는 상기 시스템 타이밍 신호를 상기 무선 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 보조 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 무선 단말기의 저정확도 위치 추정치를 발생하는 저정확도 위치 추정기를 더 포함하며, 상기 도플러 시프트 추정치는 상기 제 1 신호 및 상기 저정확도 위치 추정치에 기초한 것임을 특징으로 하는 보조 시스템.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 무선 단말기로부터 부분적으로 처리된 범위 신호를 수신하는 수신기와,
    상기 부분적으로 처리된 범위 신호에 기초하여 상기 무선 단말기의 위치를 판정하는 수단을 더 포함하는 보조 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 무선 단말기로부터 상기 무선 단말기의 위치를 수신하는 수신기를 더 포함하는 보조 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    위치-기반 서비스에서 상기 무선 단말기의 상기 위치를 이용하는 수단을 더 포함하는 보조 시스템.
  16. 타이밍 신호 수신기를 사용하여 시스템 타이밍 신호를 발생시키는 단계와,
    위성 위치 결정 시스템 수신기를 이용하여 상기 위성으로부터 신호를 수신하는 단계와,
    상기 신호에 기초하여 도플러 시프트 추정기를 이용하여 도플러 시프트 추정치를 생성하는 단계, 및
    무선 원격 통신 링크를 통해 상기 시스템 타이밍 신호 및 상기 도플러 시프트 추정치를 무선 단말기로 전송하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 신호에 기초하여, 복조기로 변조된 비트 시퀀스를 발생시키는 단계와,
    상기 변조된 비트 시퀀스를 상기 무선 단말기로 전송하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 신호에 기초하여, PRN 코드 동기화 추정기로 RPN 코드 동기화 추정치를 발생시키는 단계와,
    상기 PRN 코드 동기화 추정치를 상기 무선 단말기로 전송하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    저정확도 위치 추정기를 사용하여 상기 무선 단말기의 저정확도 위치 추정치를 발생시키는 단계를 더 포함하며, 상기 PRN 코드 동기화 추정치는 상기 신호 및상기 저정확도 위치 추정치에 기초한 것임을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 무선 단말기로부터 부분적으로 처리된 범위 신호를 수신하는 단계와,
    상기 부분적으로 처리된 범위 신호에 기초하여 상기 무선 단말기의 위치를 판정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 무선 단말기로부터 상기 무선 단말기의 위치를 수신하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    위치-기반 서비스에서 상기 무선 단말기의 상기 위치를 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
  23. 위성 위치 결정 시스템 수신기를 사용하여 위성으로부터 오는 제 1 신호를수신하는 단계와,
    도플러 시프트 추정기를 사용하고 상기 제 1 신호에 기초하여 상기 위성으로부터 오고 상기 무선 단말기에 의해 수신되는 제 2 신호의 도플러 시프트 추정치를 발생시키는 단계와,
    무선 원격 통신 링크를 통해 상기 도플러 시프트 추정치를 상기 무선 단말기로 전송하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    PRN 코드 동기화 추정기를 사용하여 PRN 코드 동기화 추정치를 발생시키는 단계와,
    상기 PRN 코드 동기화 추정치를 상기 무선 단말기로 전송하는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    복조기로 변조된 비트 시퀀스를 발생시키는 단계와,
    상기 변조된 비트 시퀀스를 상기 무선 단말기로 전송하는 단계를 더 포함하는 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    타이밍 신호 수신기로 시스템 타이밍 신호를 발생시키는 단계와,
    상기 시스템 타이밍 신호를 상기 무선 단말기로 전송하는 단계를 더 포함하는 방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    저정확도 위치 추정기를 사용하여 상기 무선 단말기의 저정확도 위치 추정치를 발생시키는 단계를 더 포함하며, 상기 도플러 시프트 추정치는 상기 제 1 신호 및 상기 저정확도 위치 추정치에 기초한 것임을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 23 항에 있어서,
    상기 무선 단말기로부터 오는 부분적으로 처리된 범위 신호를 수신하는 단계와,
    상기 부분적으로 처리된 범위 신호에 기초하여 상기 무선 단말기의 위치를 판정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 무선 단말기로부터 오는 상기 무선 단말기의 위치를 수신하는 단계를 더 포함하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    위치-기반 서비스에서 상기 무선 단말기의 상기 위치를 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
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