KR100438396B1 - Realtime multipath detection method in Global navigation satellite system and positioning apparatus utilizing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위성을 이용한 위치 결정 장치에 관련되며, 특히 이러한 위치 결정 장치에 있어서, 다중 경로 오차를 회피하기 위한 방법에 관련된다.The present invention relates to a positioning device using satellites, and in particular, to such a positioning device, a method for avoiding multipath errors.

본 발명에 따른 위치 결정 장치는 : 다수의 위성 수신부와; 상기 다수의 수신부의 채널 각각으로부터 수신된 다수의 측정치에 대해 의사거리 시간증분과 누적위상 시간증분의 차의 순열의 변화 정도를 산출하는 산출 행렬을 저장하는 산출행렬 저장부와; 상기 저장부에 저장된 행렬과 상기 수신부의 채널로부터 수신되는 다수의 측정치를 실시간으로 연산하여 관측자 값을 산출하는 관측자 산출부와; 상기 관측자 산출부의 검출 결과에 따라 해당 채널의 선택 여부를 제한하는 다수의 선택기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A positioning device according to the present invention comprises: a plurality of satellite receivers; A calculation matrix storage unit for storing a calculation matrix for calculating a degree of change in the permutation of the difference between the pseudo-distance time increment and the cumulative phase time increment for a plurality of measurements received from each of the channels of the plurality of receivers; An observer calculator for calculating observer values by calculating in real time a plurality of measurements received from the matrix stored in the storage unit and the channel of the receiver unit; And a plurality of selectors for restricting whether to select a corresponding channel according to a detection result of the observer calculator.

Description

위성을 이용한 위치결정 수신기의 실시간 다중경로오차 검출방법 및 그 방법을 이용한 위치결정 장치{Realtime multipath detection method in Global navigation satellite system and positioning apparatus utilizing the same}Real-time multipath detection method of positioning receiver using satellite and positioning device using same method {real-time multipath detection method in Global navigation satellite system and positioning apparatus utilizing the same}

본 발명은 위성을 이용한 위치 결정 장치에 관련되며, 특히 이러한 위치 결정 장치에 있어서, 다중 경로 오차를 회피하기 위한 방법에 관련된다.The present invention relates to a positioning device using satellites, and in particular, to such a positioning device, a method for avoiding multipath errors.

전파를 이용한 항법 방식인 GPS 신호에는 전리층 지연(ionospheric delay), 대류권 지연(tropospheric delay), 수신기 시계 바이어스(receiver clock bias), 열잡음(thermal noise) 그리고 다중경로(multipath)에 의한 다양한 오차성분이 포함된다. 이중 전리층 지연, 대류권 지연, 시계 바이어스, 그리고 열잡음에 의한 오차 성분은 GPS가 정상적으로 동작하는 경우에도 항상 포함되며 이의 영향을 완화하기 위하여 많은 연구가 있었다. 이에 의하여 전리층 지연 및 대류권 지연은 모델링에 의한 근사화에 의하여 그 영향을 감소시킬 수 있다. 수신기 시계 바이어스의 경우에는 위성이 4개 이상 관측되는 경우 수신기의 위치와 더불어 미지변수로서 다루는 방법에 의하여, 그리고 열잡음은 다양한 저역 필터(low-pass filter)에 의하여 그 영향을 크게 감소 시킬 수 있다. 또한 두개의 수신기를 이용한 DGPS를 이용하게 되면 전리층 지연, 대류권 지연, 그리고 시계 바이어스등에 의한 오차 성분들 또한 혁신적으로 감소시킬 수 있다.GPS signals, which are propagated using radio waves, contain various error components due to ionospheric delay, tropospheric delay, receiver clock bias, thermal noise, and multipath. do. Double ionospheric delay, tropospheric delay, clock bias, and thermal noise error components are always included even in normal GPS operation, and much research has been conducted to mitigate their effects. Thus, ionospheric delay and tropospheric delay can be reduced by the approximation by modeling. In the case of receiver clock bias, if more than four satellites are observed, the effects of the receiver as well as the location of the receiver as well as the unknown variable and thermal noise can be greatly reduced by various low-pass filters. Using DGPS with two receivers also reduces the components of error caused by ionospheric delay, tropospheric delay, and clock bias.

다중경로오차는 앞서 열거된 오차 요인들과는 다른 특성을 가진다. 앞서 열거된 오차요인들은 GPS가 정상적으로 동작하는 경우에도 항상 존재하므로 이들의 영향으로 인한 위치해의 정확도는 통계화 되어 GPS의 성능으로 발표된다. 다중경로오차는 위성에서 송출되어 주변의 반사물질을 거친 후 수신기에 도달한 신호와 위성에서 직접 도달한 신호가 수신기 내부의 신호추적부에 복합적으로 작용하여 발생하는 비정상적인 오차요인이다. 따라서 DGPS와 저역 필터링을 이용한 기존의 방법으로는 분리 및 제거가 불가능하다. 이러한 특성을 가진 다중경로오차를 제거하기 위하여 지금까지의 연구는 주로 수신기 내부의 신호추적부 레벨에서 수행되어 왔다. 이와 관련된 대표적인 연구로서는 A. J. van Dierendonck, P. Fenton, and T. Ford, Theory and Performance of Narrow Correlator Spacing in a GPS Receiver, Navigation: Journal of the Institute of Navigation, Vol. 39, pp. 265-283, 1992 에 기재된 Narrow CorrelatorTM 방법과, B. Townsend and P. Fenton, A Practical Approach to the Reduction of Pseudorange Multipath Errors in a L1 GPS Receiver, Proceedings of ION GPS 94, Salt Lake City, pp. 143 138, 1994 에 기재된 METTM 방법, 그리고 R. D. J. van Nee, The Multipath Estimating Delay Lock Loop, Proceedings of Int. Symp. On Spread Spectrum Techniques and Applications, pp. 39-42, 1992 와, R.D.J. van Nee, J. Siereveld, P. C. Fenton, and B. R. Townsend, The Multipath Estimating Delay Lock Loop: Approaching Theoretical Accuracy Limits, Proceedings of IEEE Position Location and Navigation Symposium, pp. 246 251, 1994 에 기재된 MEDLLTM 등을 들 수 있다. 이러한 방법을 사용하게 되면 다중경로에 의한 오차를 크게 감소시킬 수 있으나 수신기 하드웨어의 변화를 요구하므로 많은 비용이 소요되며 또한 수신기의 하드웨어가 결정된 후에는 그 적용이 근본적으로 불가능한 단점이 있다.Multipath errors have different characteristics from those listed above. The error factors listed above are always present even when the GPS is operating normally. Therefore, the accuracy of positioning due to their influence is statistically announced as the performance of the GPS. Multipath error is an abnormal error factor that occurs when the signal reaching the receiver and the signal arriving directly from the satellite are combined with the signal tracking unit inside the receiver. Therefore, separation and removal are not possible using conventional methods using DGPS and low pass filtering. In order to eliminate the multipath error with this characteristic, the researches to date have been mainly performed at the signal tracer level inside the receiver. Representative studies include A. J. van Dierendonck, P. Fenton, and T. Ford, Theory and Performance of Narrow Correlator Spacing in a GPS Receiver, Navigation: Journal of the Institute of Navigation, Vol. 39, pp. Narrow Correlator ™ method described in 265-283, 1992, and B. Townsend and P. Fenton, A Practical Approach to the Reduction of Pseudorange Multipath Errors in a L1 GPS Receiver, Proceedings of ION GPS 94, Salt Lake City, pp. METTM method described in 143 138, 1994, and in R. D. J. van Nee, The Multipath Estimating Delay Lock Loop, Proceedings of Int. Symp. On Spread Spectrum Techniques and Applications, pp. 39-42, 1992, and R.D.J. van Nee, J. Siereveld, P. C. Fenton, and B. R. Townsend, The Multipath Estimating Delay Lock Loop: Approaching Theoretical Accuracy Limits, Proceedings of IEEE Position Location and Navigation Symposium, pp. MEDLL ™ described in 246 251, 1994, etc. are mentioned. Using this method can greatly reduce the error due to multipath, but it requires a lot of cost because it requires a change in the receiver hardware, and there is a disadvantage that the application is fundamentally impossible after the hardware of the receiver is determined.

신호 추적부 레벨의 연구결과에 있어서 참고할 점은 다중경로오차에 의하여 수신된 측정치의 경향은 불규칙하지만 주기성을 가지며 비정상적으로 큰 최대값 이내에서 연속적으로 변화한다는 점이다. 따라서 다중경로의 징후는 그 특성상 순간적인 측정치로 식별하기가 힘이 들며 일정기간 동안의 측정치의 경향을 관측하여야만 식별이 가능하다. 다중경로의 존재여부를 잘 나타내어 줄 수 있는 수신기 외부의 관측자로는 신호대비잡음비율(signal to noise ratio) 신호와 코드와 위상을 차분한 신호를 이용하는 방법이 알려져 있다. 현재까지 이러한 관측자를 이용하여 다중경로를 식별하는 방법으로는 순간 측정치를 이용한 방법, 다수개의 안테나를 설치하고 이에 의한 제한조건을 이용한 방법, 장기간에 걸친 관측자의 경향을 이용하는 방법 등이 알려져 있다. 한 개의 안테나로 순간 측정치를 이용하는 방법은 정보의 부족으로 인하여 다중경로 오차의 식별에 실패할 확률이 높은 단점이 있으며, 다수개의 안테나를 설치하고 제한조건을 이용하는 방법은 비용이 다소 많이 소요되는 단점이 있으며, 장기간에 걸친 관측자의 경향을 이용하는 방법은 실시간 항법에의 적용이 힘든 단점이 있다.The point of reference for the results of the signal tracer level is that the tendency of the received measurements due to the multipath error is irregular but periodic and continuously changes within an abnormally large maximum value. Therefore, it is difficult to identify the signs of multipath by instantaneous measurement and can be identified only by observing the trend of measurement over a certain period. As an observer outside the receiver that can indicate the existence of multipath, a method using a signal to noise ratio signal and a signal having a code and phase difference is known. Until now, a method of identifying a multipath using such an observer has been known, such as a method using an instantaneous measurement value, a method of installing a plurality of antennas, using a constraint condition, and using a long-term observer's tendency. The method of using the instantaneous measurement with one antenna has a high possibility of failing to identify the multipath error due to the lack of information, and the method of installing a plurality of antennas and using the constraint condition is somewhat expensive. In addition, the method of using the observer's tendency over a long time has a disadvantage in that it is difficult to apply to real-time navigation.

또다른 종래기술에 1999. 6. 29. 쉬퍼(schipper) 등에게 허여된 미합중국특허 5,927,445호에 기재된 것이 있다. 이 기술은 의사거리와 누적위상의 차의 크기를 기준치와 비교하여 다중경로 오차의 존재여부를 판단한다. 이 방법은 다수개의 안테나와 수신기에 기초한 방법으로, 실시간으로 다중경로 오차를 검출할 수 있는 장점이 있으나, 너무 제한된 갯수의 샘플만을 이용하므로 검출의 신뢰도가 낮은 단점이 있다. 또한 전리층 지연의 경우 의사거리와 누적위상에서 반대 부호로 나타나므로 이 방법만으로는 전리층 지연의 영향으로부터 자유로울 수 없다는 문제점이 있다. 또한 누적위상을 거리 개념으로 환산하기 위한 미지정수를 선결된 값으로 가정하고 있다는 문제점이 있다.Another prior art is described in US Pat. No. 5,927,445, issued June 29, 1999 to Schipper et al. This technique compares the magnitudes of pseudoranges and cumulative phase differences with reference values to determine the presence of multipath errors. This method is based on multiple antennas and receivers, and has the advantage of detecting multipath errors in real time, but has a disadvantage of low detection reliability because only a limited number of samples are used. In addition, since the ionospheric delay is represented by the opposite sign in the pseudorange and the cumulative phase, there is a problem that this method alone cannot be free from the influence of the ionospheric delay. In addition, there is a problem in that an unspecified integer for converting the cumulative phase into a distance concept is assumed as a predetermined value.

또다른 종래기술에 2001. 1. 9. 아르덴스(Arethens)등에 허여된 미합중국특허 6,172,638호에 기재된 것이 있다. 이 방법은 의사거리 시간증분의 시간 변화율과 도플러 측정치로부터 산출된 위성과 수신기간의 상대속도의 차이를 이용한다. 이 방법은 이 차이의 긴 샘플값동안의 이동 평균값의 순열의 변화 또는 이 이동 평균값들의 고속 푸리에 변환값을 기준치와 비교하여 다중경로 오차의 존재 여부를 판단한다. 이 방법은 위성과 수신기간의 평균 상대속도를 이용하므로 수신기가 이동하고 있는 상황에서는 적용하기 어려운 문제점이 있으며, 또한 많은 샘플에 대해 복잡한 연산을 수행하므로 실시간으로 구현하기 어려운 단점이 있다. 또한 이러한 종래기술들은 모두 판단의 기준이 되는 기준치의 설정에 대해 어떠한 명확한 기준도 제시하고 있지 못하다.Another prior art is described in US Pat. No. 6,172,638 to Jan. 9, 2001, Arrethens et al. This method takes advantage of the rate of change in pseudorange time increments and the difference in relative speed between the satellite and the receiver, calculated from Doppler measurements. This method judges the presence of multipath error by comparing the permutation of the moving average value during the long sample value of this difference or the fast Fourier transform of these moving average values with a reference value. This method has a problem that it is difficult to apply when the receiver is moving because it uses the average relative speed between the satellite and the receiver, and also difficult to implement in real time because it performs a complex operation on a large number of samples. In addition, these prior arts do not all present any definite criteria for the setting of the reference value which is the standard of judgment.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이동중인 수신기에도 적용할 수 있는 다중 경로 오차 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a multi-path error detection method that can be applied to a moving receiver.

나아가 본 발명은 단일의 수신기에서 적용할 수 있는 다중 경로 오차 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Furthermore, an object of the present invention is to provide a multipath error detection method applicable to a single receiver.

더 나아가 본 발명은 실시간으로 다중 경로 오차를 검출할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Furthermore, an object of the present invention is to provide a method capable of detecting a multipath error in real time.

또한 본 발명은 자체적으로 전리층 지연의 영향을 최소화할 수 있는 다중 경로 오차 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a multi-path error detection method that can minimize the effect of the ionospheric delay by itself.

나아가 본 발명은 통상적인 GPS 수신기의 하드웨어 구조를 변경시키지 않고 적용할 수 있는 다중 경로 오차 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Furthermore, an object of the present invention is to provide a multi-path error detection method that can be applied without changing the hardware structure of a conventional GPS receiver.

더 나아가 본 발명은 다중 경로 오차 존재 여부를 판단하는 기준치를 결정할 수 있는 근거를 제시하는 것이 가능한 다중 경로 오차 검출 방법을 제공하는 것을목적으로 한다.Furthermore, an object of the present invention is to provide a multipath error detection method capable of providing a basis for determining a reference value for determining whether a multipath error exists.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 결정 장치의 주요부의 구성을 도시한 블럭도이다.1 is a block diagram showing the configuration of main parts of a positioning device according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 위치 결정 장치의 주요부의 구성을 도시한 블럭도이다.2 is a block diagram showing the configuration of main parts of a positioning apparatus according to another embodiment of the present invention.

도 3 내지 도 5는 패터티 기법과 본 발명에 따른 방법을 이용하여 추출된 시험값을 각각 나타낸다.3 to 5 show the test values extracted using the patterning technique and the method according to the invention, respectively.

도 6은 도 5에서 20번 위성과 22번 위성을 무시하였을 경우 0초~150초 사이의 위치해 분포를 도시한다.FIG. 6 illustrates a position distribution between 0 seconds and 150 seconds when satellites 20 and 22 are ignored in FIG. 5.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 다중 경로 오차 검출 방법은 : 연속되는 다수의 의사거리와 누적위상 측정치를 제공하는 단계와, 상기 다수의 측정치에 대해 의사거리 시간증분과 누적위상 시간증분의 차의 순열을 산출하는 단계와, 상기 순열의 변화 정도로부터 다중 경로 잡음의 존재 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Multipath error detection method according to an aspect of the present invention for achieving the above object comprises: providing a plurality of consecutive pseudorange and cumulative phase measurements, pseudo distance time increment and cumulative phase time for the plurality of measurements Calculating a permutation of the incremental difference, and determining whether multipath noise exists from the degree of change of the permutation.

이러한 의사거리 시간증분과 누적위상 시간증분의 차의 순열의 변화 정도를 검출함으로써 본 발명에 따른 다중 경로 잡음 검출 방법은 이동중인 수신기에도 적용할 수 있으며, 단일의 수신기에서 적용할 수 있다.By detecting the degree of permutation of the difference between the pseudorange time increment and the cumulative phase time increment, the multipath noise detection method according to the present invention can be applied to a moving receiver and can be applied to a single receiver.

나아가 본 발명에 따른 다중 경로 오차 검출 방법은 상기 순열을 직교화된 순열로 변환하고, 이 직교화된 순열 각각을 오차공분산으로 나눈 값의 제곱의 합(square sum)을 산출하며, 이렇게 산출된 관측자 값을 기준치와 비교하여 크면 다중경로오차가 존재하는 채널로 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.Furthermore, the multipath error detection method according to the present invention converts the permutations into orthogonal permutations, calculates a sum of squares of values obtained by dividing each of the orthogonal permutations by an error covariance, and the calculated observer When the value is larger than the reference value, it may be determined that the channel has a multipath error.

이렇게 산출된 관측자 값들은 정규화된 독립 확률 변수들로, 카이(χ) 제곱 분포를 가지게 된다. 이에 따라 본 발명에 따른 다중 경로 오차 검출 방법은 오차 검출의 기준값을 이러한 통계적인 특징에 따라 정확하게 결정지을 수 있게 된다.The observed observer values are normalized independent random variables and have a chi square distribution. Accordingly, the multi-path error detection method according to the present invention can accurately determine the reference value of the error detection according to this statistical feature.

즉, 관측자 값들이 가지는 카이(χ) 제곱 분포에서, 주어진 오경보 확률과 미검출 확률에 따라 오차 검출의 기준값이 결정될 수 있다.That is, in the chi square distribution of the observer values, a reference value of error detection may be determined according to a given false alarm probability and an undetected probability.

본 발명의 또다른 양상에 따라, 본 발명은 이러한 다중 경로 오차 검출 방법이 적용된 위성을 이용한 위치 결정 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a positioning device using a satellite to which the multi-path error detection method is applied.

본 발명의 제 1 양상에 따른 위치 결정 장치는 다수의 위성 수신부와; 상기 다수의 수신부의 수신 채널 각각으로부터 수신된 신호의 정도(精度)를 높이도록 필터링하는 다수의 필터들과; 상기 다수의 채널 각각으로부터 수신된 다수의 측정치에 대해 의사거리 시간증분과 누적위상 시간증분의 차의 순열을 산출하고, 이 순열의 변화 정도로부터 해당 채널에서의 다중 경로 잡음의 존재 여부를 판단하는 다수의 다중경로 검출기와; 상기 가중경로 검출기의 검출 결과에 따라 해당 채널의 선택 여부를 제한하는 다수의 선택기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.A positioning device according to the first aspect of the present invention comprises: a plurality of satellite receivers; A plurality of filters for filtering to increase the accuracy of a signal received from each of the reception channels of the plurality of receivers; Calculating a permutation of the difference between pseudorange time increments and cumulative phase time increments for a plurality of measurements received from each of the plurality of channels, and determining the presence or absence of multipath noise in the corresponding channel from the degree of change of the permutations. A multipath detector of; A plurality of selectors for limiting selection of a corresponding channel according to a detection result of the weighted path detector; Characterized in that it comprises a.

이들은 다중 경로 검출기에 의해 다중 경로 오차가 존재한다고 판단된 채널을 효과적으로 배제함으로써 정도가 높은 신호가 수신된 채널 만을 선택하여 고정밀도의 위치 추적이 가능하다.By effectively excluding a channel determined to have a multipath error by the multipath detector, only a channel having a high degree of signal is selected, thereby enabling high-precision position tracking.

본 발명의 또다른 양상에 따른 위치 결정 장치는 : 다수의 위성 수신부와; 상기 다수의 수신부의 채널 각각으로부터 수신된 다수의 측정치에 대해 의사거리 시간증분과 누적위상 시간증분의 차의 순열의 변화 정도를 산출하는 산출 행렬을 저장하는 산출행렬 저장부와; 상기 저장부에 저장된 행렬과 상기 수신부의 채널로부터 수신되는 다수의 측정치를 실시간으로 연산하여 관측자 값을 산출하는 관측자 산출부와; 상기 관측자 산출부의 검출 결과에 따라 해당 채널의 선택 여부를 제한하는 다수의 선택기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, a positioning device includes: a plurality of satellite receivers; A calculation matrix storage unit for storing a calculation matrix for calculating a degree of change in the permutation of the difference between the pseudo-distance time increment and the cumulative phase time increment for a plurality of measurements received from each of the channels of the plurality of receivers; An observer calculator for calculating observer values by calculating in real time a plurality of measurements received from the matrix stored in the storage unit and the channel of the receiver unit; A plurality of selectors for restricting whether to select a corresponding channel according to a detection result of the observer calculator; Characterized in that it comprises a.

본 발명의 이러한 양상에 따라 미리 저장된 행렬식을 이용함으로써 복잡한 연산을 매번 반복하는 것을 회피하는 것이 가능하고, 따라서 실시간 구현이 더욱용이해진다.According to this aspect of the invention, it is possible to avoid repeating complex operations every time by using a pre-stored determinant, thus making the real-time implementation easier.

본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 상기 산출행렬 저장부가 : 각각의 채널로부터 수신되는 의사거리 시간증분과 누적위상 시간증분의 차의 순열을 직교화시키고 정규화시키는 행렬을 저장하는 것을 특징으로 한다.According to a further aspect of the present invention, the calculation matrix storage unit is characterized in that for storing a matrix for orthogonalizing and normalizing the permutation of the difference between the pseudo-distance time increment and the cumulative phase time increment received from each channel.

본 발명의 이러한 양상 및 추가적인 양상은 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예들을 통하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.These and further aspects of the invention will be described in more detail below through the preferred embodiments described with reference to the accompanying drawings.

GPS 수신기에서 일반적으로 제공하는 측정치로는 위성별 코드 및 위상 추적회로가 제공하는 스칼라량으로 의사거리(pseudo range)와 누적위상(accumulated carrier phase)이 있으며 수신기가 내부적으로 계산한 벡터로는 위치해와 속도해가 있다. 이 중 스칼라량인 의사거리와 누적위상을 식으로 표현하면 다음과 같다.Typical measurements provided by GPS receivers are scalar quantities provided by satellite code and phase tracking circuits, which include pseudo range and accumulated carrier phase. There is speed solution. Among them, the scalar pseudorange and cumulative phase are expressed as follows.

의사거리 : Doctor's Distance:

누적위상 : Cumulative Phase:

여기서here

: 수신기에 의해 k-번째 시간에 측정된 j-번째 위성과의 의사거리 Is the pseudorange from the j-th satellite, measured by the receiver at the k-th time.

: k-번째 시간의 수신기와 j-번째 위성 사이의 실제 거리 is the actual distance between the receiver of the k-th time and the j-th satellite

: k-번째 시간의 수신기 시계 바이어스 : Receiver clock bias of k-th time

: k-번째 시간의 수신기와 j-번째 위성 사이의 위성궤도 오차 is the orbital error between the receiver at k-th time and the j-th satellite.

: k-번째 시간의 수신기와 j-번째 위성 사이의 전리층 지연 is the ionospheric delay between the receiver at k-th time and the j-th satellite.

: k-번째 시간의 수신기와 j-번째 위성 사이의 대류층 지연 is the convective delay between the receiver at k-th time and the j-th satellite.

: k-번째 시간의 수신기와 j-번째 위성 사이의 의사거리 다중경로 오차 pseudorange multipath error between the k-th receiver and the j-th satellite

: k-번째 시간의 수신기와 j-번째 위성 사이의 누적위상 다중경로 오차 : cumulative phase multipath error between the k-th receiver and the j-th satellite

: k-번째 시간의 수신기와 j-번째 위성 사이의 의사거리 열잡음 Pseudo-distance thermal noise between the k-th receiver and the j-th satellite

: k-번째 시간의 수신기와 j-번째 위성 사이의 누적위상 열잡음 : cumulative phase thermal noise between the k-th receiver and the j-th satellite

위의 식에서 의사거리와 누적위상 측정치에 나타나는 열잡음은 다음과 같은 가우시안 분포를 가지며 서로 상관성이 없다고 가정한다.In the above equation, it is assumed that the thermal noises appearing in the pseudorange and cumulative phase measurements have the following Gaussian distribution and are not correlated.

GPS 측정치가 포함하는 수신기 시계 바이어스, 위성궤도 오차, 전리층 지연, 그리고 대류층 지연은 일반적으로 다중경로 오차와 열잡음에 비하여 순간적인 변화량이 미비하다. 이를 이용하면 다음의 식들을 얻을 수 있다.The receiver clock bias, satellite orbit error, ionospheric delay, and convective delay that GPS measurements include are typically less instantaneous than multipath error and thermal noise. Using this, the following equations can be obtained.

, i=k-b+1, k-b+2, Λ, k , i = k-b + 1, k-b + 2, Λ, k

여기서,here,

B : 다중경로오차 검출에 사용된 측정치의 개수B: number of measurements used for multipath error detection

다중경로오차가 존재하지 않는 경우순열에는 상관성이 존재한다. 효율적인 고장검출 통계를 위하여를다음과 같이 직교화된로 변환한다.Multipath error does not exist There is a correlation in permutations. For efficient fault detection statistics Orthogonalized as Convert to

확률적인 직교화가 수행된 순열는 다음과 같은 가우시안 분포를 가진다.Permutations with Stochastic Orthogonalization Has a Gaussian distribution:

여기서,here,

따라서 가장 최근의 (B+1)개의 의사거리와 누적위상을 이용한 다중경로 시험값을 다음과 같이 정의하면Therefore, multipath test value using the most recent (B + 1) pseudoranges and cumulative phase If you define

를 이용한 다중경로 검출의 조건은 다음의 가설들을 이용한다. The condition of multipath detection using is based on the following hypotheses.

즉, 이러한 순열은 카이 제곱의 분포를 따르게 된다. 즉, 본 발명의 양상에 따라, 본 발명은 의사거리 시간증분과 누적위상 시간증분의 차의 순열을 독립 확률 변수화 하고, 이를 오차 공분산으로 나눈 값으로 정규화함으로써 이러한 순열이 카이 제곱의 분포를 갖도록 재구성한다. 이에 따라 이러한 통계적인 분포 특성을 이용함으로써 다중경로 오차의 판단 여부가 되는 기준값을 합리적으로 결정하는 것이 가능하다.That is, this permutation follows the distribution of chi squares. That is, according to an aspect of the present invention, the present invention reconstructs such a permutation to have a chi-square distribution by normalizing a permutation of the difference between pseudorange time increment and cumulative phase time increment, and normalizing it by the value divided by the error covariance. do. Accordingly, by using these statistical distribution characteristics, it is possible to reasonably determine a reference value, which is a judgment of multipath error.

: 비대칭변수 λ와 자유도 n 을 가지는 χ-제곱 분포 : Χ-square distribution with asymmetric variable λ and n degrees of freedom

이상에서 설명된 시험값은 각 위성에 대한 의사거리 및 누적위상에 포함된 다중경로 오차를 검출할 수 있으므로 강결합 GPS/SDINS 구성에 적합하다.The test values described above are suitable for strongly coupled GPS / SDINS configurations because they can detect multipath errors included in pseudoranges and cumulative phases for each satellite.

이하에서는 GPS 수신기에서 제공하는 벡터 형태의 위치해와 속도해에 존재하는 다중경로오차의 검출에 적합한 본 발명의 또다른 실시예를 설명한다. 이 방법도 앞선 경우와 유사한 방법으로 검출이 가능하다. 이를 위하여 위치해와 속도해를 다음과 같이 표현한다.Hereinafter, another embodiment of the present invention suitable for detecting a multipath error present in a position and velocity solution of a vector form provided by a GPS receiver will be described. This method can also be detected in a similar way to the previous case. For this purpose, the position and velocity solutions are expressed as

: (k-1), k-번째 시간의 수신기 시계 바이어스 변화율에 의한 속도 오차 (k-1), Velocity error due to receiver clock bias change rate of k-th time

: (k-1), k-번째 시간의 위성궤도 오차 변화율에 의한 속도 오차 : (k-1), Velocity error due to change rate of satellite orbit error in k-th time

: (k-1), k-번째 시간의 전리층 지연 변화율에 의한 속도 오차 : (k-1), Velocity error due to rate of ionospheric delay change at k-th time

: (k-1), k-번째 시간의 대류층 지연 변화율에 의한 속도 오차 : (k-1), Velocity error due to change rate of convective delay of k-th time

: k-번째 시간의 누적위상에 포함된 다중경로에 의한 속도 오차 : Velocity error due to multipath included in cumulative phase of k-th time

: k-번째 시간의 누적위상에 포함된 열잡음에 의한 속도 오차 : Velocity error due to thermal noise included in the cumulative phase of the k-th time

위의 식에서 위치해와 속도해에 포함된 열잡음 성분들은 다음과 같이 가우시안 분포를 가지며 서로 상관성이 없다고 가정한다.It is assumed that the thermal noise components located in the equation above and included in the velocity solution have Gaussian distributions and are not correlated with each other.

앞선 채널별 오차특성과 마찬가지로 수신기 시계 바이어스, 위성궤도 오차, 전리층 지연, 그리고 대류층 지연에 의하여 위치해와 속도해에 발생하는 오차성분들은 다중경로 오차와 열잡음에 의한 오차성분들에 비하여 순간적인 변화량이 미미하다.이를 이용하면 연속적인 두개의 위치해와 속도해를 이용한 고장검출식을 다음과 같이 얻을 수 있다.As with the error characteristics of each channel, the error components generated due to the receiver clock bias, satellite orbit error, ionospheric delay, and convective delay and velocity solution are momentary compared to the error components due to multipath error and thermal noise. Using this, we can obtain a fault detection equation using two consecutive positional and velocity solutions as follows:

효율적인 고장검출 통계를 위하여를 다음과 같이 직교화된로 변환한다.For efficient fault detection statistics Orthogonalized as Convert to

여기서,here,

이에 의하여 순열는 다음과 같은 통계적 특성을 가진다.Thereby permutation Has the following statistical characteristics:

따라서 가장 최근의 (B+1)개의 위치해와 속도해를 이용한 다중경로 시험값을 다음과 같이 정의하면Therefore, multipath test using the most recent (B + 1) position and velocity solution If you define

이 계산은 가운데 행렬 항을 미리 계산하여 저장해 두고 실행함으로써 실시간 구현을 용이하게 할 수 있다.This calculation can facilitate real-time implementation by precomputing, storing, and executing the middle matrix term.

를 이용한 다중경로 검출의 조건은 다음의 가설들을 이용한다. The condition of multipath detection using is based on the following hypotheses.

여기서,here,

본 실시예에 따른는 일반적인 GPS 수신기가 제공하는 위치해 및 속도해의 시계열을 이용하여 다중경로 오차를 검출할 수 있으므로 약결합 GPS/SDINS 구성에 적합하다. 지금까지 전달측정치 융합의 원리에 기반하여 새로운 다중경로 검출 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 기본적인 GPS 수신기의 측정치를 사용하므로 저비용으로 많은 분야에의 적용이 가능하며 또한 보조필터에 의한 정보를 사용하지 않으므로 GPS 수신기 내부 각 채널 또는 위치해 및 속도해에 포함된 다중경로오차를 독립적으로 검출할 수 있는 장점을 가진다. 일반적으로 카이 제곱 분포를 가지는 시험값의 신뢰도는 자유도에 비례한다. 제안된 기법은 측정치 누적 구간의 크기 B에 의하여 자유도를 조절할 수 있으므로 신뢰도 향상을 가져올 수 있다.According to this embodiment It is suitable for weakly coupled GPS / SDINS configurations because it can detect multipath errors using the time series of position and velocity solutions provided by conventional GPS receivers. So far, we have proposed a new multipath detection technique based on the principle of transfer measurement convergence. Since the proposed technique uses the basic GPS receiver's measurements, it can be applied to many fields at low cost and because it does not use the information by the auxiliary filter, it is independent of the multipath error included in each channel or located and velocity solution in the GPS receiver. It can be detected as an advantage. In general, the reliability of a test with a chi-square distribution is proportional to the degrees of freedom. The proposed technique can improve the reliability because the degree of freedom can be controlled by the size B of the measurement accumulation interval.

이상에서 설명된 다중경로 검출 방법은 신뢰성 있는 고장진단을 위하여 각 채널별로 제공되는 연속적인 측정치들을 이용한다. 따라서, 측정치 검증 및 측정정보의 완전한 획득을 위하여 다수개의 연속적인 측정치들의 복합적인 지연현상이 불가피하게 발생한다. 수신기의 동적 운동 하에서 제안된 고장진단 기법을 수행과 더불어 실시간 항법을 수행하기 위해서는 효율적인 융합기법이 요구된다. 도1은 이러한 방법이 적용된 본 발명의 일 양상에 따른 위성을 이용한 위치 결정 장치의 일 실시예를 도시한다.The multipath detection method described above uses successive measurements provided for each channel for reliable fault diagnosis. Therefore, a complex delay phenomenon of a plurality of consecutive measurements is inevitably generated for measurement verification and complete acquisition of measurement information. In order to carry out the proposed fault diagnosis technique under the dynamic movement of the receiver and to perform real-time navigation, an efficient convergence technique is required. 1 shows an embodiment of a positioning apparatus using a satellite according to an aspect of the present invention to which this method is applied.

도 1에 나타난 각 채널별 필터는, 측정치 시계열을 이용한 고장진단이 수행되는 동안, 연속적으로 제공되는 의사거리 및 누적위상을 이용하여 재귀적인 연산에 의하여 정확도가 향상된 한 개의 압축된 의사거리(compressed pseudorange)를 각 채널 별로 생성하여 준다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.Each channel filter shown in FIG. 1 includes one compressed pseudorange whose accuracy is improved by recursive calculation using continuously provided pseudoranges and cumulative phases while troubleshooting using the measured time series is performed. ) For each channel. This is expressed as follows.

초기화 :reset :

투사 (projection) :Projection:

압축 :Compression:

도 1에 나타난 고장진단을 위해서는 앞서 설명된 다중경로 관측자를 재귀적인 연산에 의하여 누적시킨 다음 미리 정해진 임계치와 비교하게 된다. 이때, 다중경로 관측자의 임계치는 각 의사거리 및 누적위상에 포함된 오차요인들의 통계적인 특성에 의하여 계산된다. 다중경로 관측자의 값이 임계치보다 작은 경우 해당 채널은 다중경로의 영향을 받지 않은 것으로 판단하게 된다. 다중경로 관측자의 값이 임계치보다 작은 채널들이 결정되면 주필터는 최종 측정갱신 시점과 현시점 사이의 시간전달을 안전하다고 판단된 채널들의 누적위상 차를 이용하여 다음과 같이 수행한다.For the fault diagnosis shown in FIG. 1, the multipath observer described above is accumulated by recursive calculation and then compared with a predetermined threshold. At this time, the threshold of the multipath observer is calculated by the statistical characteristics of the error factors included in each pseudorange and cumulative phase. If the value of the multipath observer is smaller than the threshold, the channel is determined to be unaffected by the multipath. When the channel of the multipath observer is smaller than the threshold value is determined, the main filter uses the cumulative phase difference of the channels determined to be safe for the time transmission between the last measurement update and the present time as follows.

먼저 각 채널에 대해 다음을 계산한다.First, calculate the following for each channel:

그리고 다음 값들을 저장한다.And store the following values:

위치 및 클럭 바이어스의 전달 :Transfer of position and clock bias:

: (k-B)-번째 시간에서 k-번째 시간 사이에서 전체위성 측정치 벡터에서 고장에 영향을 맞지 않은 위성의 측정치 만을 가려내기 위한 선택행렬 : selection matrix for screening only satellite measurements not affected by failure in the global satellite measurement vector from (kB) -th to k-th time

여기서,here,

=0 : 최초 = 0: first

, 그외 , etc

다중경로의 영향을 받지 않은 채널들의 누적위상을 이용하여 시간전달을 수행한 주 필터는 압축된 의사거리를 이용하여 측정갱신하게 된다. 이때, 압축된 의사거리에는 현 시점 이전 일정기간동안의 연속적인 의사거리 및 누적위상 정보가 포함되어 있다. 또한 주필터는 최종 측정갱신 시점과 현시점 사이의 누적위상을 이미 사용한 상황이므로 주필터와 압축된 의사거리 사이에는 상호 연관성이 존재하게 된다. 이러한 상호 연관성을 고려하기 위하여 주필터는 기존의 칼만필터와는 달리 다음과 같이 간접 측정치(indirect measurement)를 먼저 형성한 다음 압축필터 알고리즘을 수행한다.The main filter, which performs time propagation using the cumulative phase of the multipath-independent channels, updates the measurement using the compressed pseudorange. At this time, the compressed pseudorange includes continuous pseudorange and cumulative phase information for a predetermined period before the present time. In addition, since the main filter has already used the cumulative phase between the last measurement update time and the present time, there is a correlation between the main filter and the compressed pseudo distance. In order to consider this correlation, the main filter, unlike the existing Kalman filter, first forms an indirect measurement as follows and then performs a compression filter algorithm.

먼저 각 채널에 대해 아래를 계산한다.First, calculate the following for each channel:

이후에 다음 값들을 산출하여 저장한다.After that, the following values are calculated and stored.

이후에 측정치들을 다음과 같이 갱신한다.Then update the measurements as follows:

먼저 아래와 같이 이득을 계산한다.First, calculate the gain as shown below.

다음으로 위치 및 클럭 바이어스를 갱신한다.Next, update the position and clock bias.

지금까지 설명된 수신기 필터 구조는 다수개의 채널별 스칼라 필터(scalar filter)를 이용하여 비교적 짧은 주기 동안의 의사거리 및 누적위상의 정보를 융합하고, 한 개의 주필터를 이용하여 시스템의 시작 시점 이후 현재 시점까지 안전성이 검증된 모든 채널들의 정보만을 융합하여 연속적인 위치해를 생성하여 준다.The receiver filter structure described so far uses a plurality of channel-specific scalar filters to fuse pseudorange and cumulative phase information for a relatively short period, and uses one main filter to present the current after the start of the system. Only the information of all the channels whose safety has been verified up to the point of time is fused to generate consecutive positions.

이하에서는 본 발명의 또다른 양상에 따른 다중경로 오차 검출 방법 및 그 방법에 따른 위치 결정 장치에 대해 설명한다. 앞서 설명된 압축필터는 재귀적인 연산 구조에 의하여 일정 시간 사이에 발생한 측정치를 이용한 다중경로 관측자의 계산을 효율적으로 수행할 수 있게 하여 준다. 반면, 이하에서 설명되는 압축필터는 그 사용이 지연된 다수계의 측정치들의 영향을 고려하기 위하여 매 순간의 측정치를 이용하는 기존의 필터 식과는 다른 형태를 가지고 있다. 기존의 필터 구조를 변경할 수 없는 상황에서는 현시점( j=k)에서 다중경로관측자의 자유도 B 만큼의 과거 이중차분 순열을 저장하여야 한다. 저장된 이중차분순열과 직교화된 이중차분 순열사이에는 다음의 관계가 성립한다.Hereinafter, a multipath error detection method and a positioning device according to the method according to another aspect of the present invention will be described. The compression filter described above enables a multipath observer to be efficiently calculated using recursive computational structures over time. On the other hand, the compression filter described below has a form different from the conventional filter equation that uses the measurement at every moment in order to take into account the influence of the measurement of the delayed number of measurements. In the situation where the existing filter structure cannot be changed, permutation of the past double difference by the degree of freedom B of the multipath observer at the present time (j = k) Should be stored. Stored bidifferential permutation Permutation of Orthogonalization Orthogonal to The following relationship is established between them.

를 이중차분 순열과 직교화된 이중차분 순열의 누적된 벡터로서 각각 다음과 같이 정의하면 And Dual difference permutation Permutation of Orthogonalization Orthogonal to As a cumulative vector of, each defined as

사이에는 다음의 관계가 성립한다. and The following relationship is established between them.

또한,사이에는 다음의 관계가 성립하므로,Also, and The following relationship holds between

사이에는 다음의 관계가 성립하게 된다. and The following relationship is established between them.

위의 식에서 행렬는 의사거리 및 누적위상 측정치의 통계적 특성에 의하여 결정되므로 측정치의 통계적 특성이 변하지 않으면 고정된다. 따라서 항법시스템 시작 초기에 미리 계산하고 저장하면 이후 측정치의 통계적 특성이 변하지 않는 한 다시 계산할 필요가 없다. 따라서 이와 같은 본 발명의 유리한 양상에 따라 미리 계산된 행렬 값을 이용함으로써 계산량이 줄어들어 실시간 구현에 용이함은 물론, 시스템 구성도 단순화할 수 있다. 시스템에 현 시점 및 (B-1)-단계까지의 과거 시점에서 발생한 이중차분 순열을 저장하기 위한 메모리를 준비하고, 새로운 (k+1)-번째 측정치가 발생하는 순간 메모리에 저장된 이중차분 순열에서을 제거하고을 삽입하면, 행렬는 고정되어 있으므로,는 간단한 행렬연산으로 매 순간 계산할 수 있다. 도 2는 이와 같은 본 발명의 또다른 양상에 따른 위치 결정 장치의 주요부를 도시한 블록도로, 기존개념의 필터에 제안된 방법을 이용할 경우 시스템의 구성을 나타낸다. 각각의 관측자 산출부에는 이와 같이 미리 계산된 행렬값들이 저장된 산출행렬 저장부를 포함하고 있다.Matrix from the above expression Wow Since is determined by the statistical characteristics of pseudorange and cumulative phase measurements, it is fixed unless the statistical characteristics of the measurements change. Therefore, precomputation and storage at the beginning of the navigation system need not be recalculated unless the statistical properties of subsequent measurements change. Therefore, according to the advantageous aspect of the present invention, by using a pre-calculated matrix value, the amount of calculation is reduced, thereby facilitating real-time implementation and simplifying the system configuration. Dual difference permutations occurring at this point in the system and past points up to (B-1) -Phase Prepare a memory to store the data, and double-permutation permutation stored in memory the moment a new (k + 1) -th measurement occurs in And remove If you insert, the matrix Is fixed, Can be computed every minute with a simple matrix operation. Figure 2 is a block diagram showing the main part of the positioning device according to another aspect of the present invention, showing the configuration of the system when using the proposed method for the filter of the existing concept. Each observer calculation unit includes a calculation matrix storage unit in which the matrix values calculated in advance are stored.

실시간 항법에서 제안된 다중경로 검출 기법의 성능 및 특성을 분석하기 위하여 스탠드어론(standalone) 방식의 실험을 수행하였다. 실험에서는 고정된 위치에 설치된 수신기 옆에 약 100초 후 반사판을 접근 시킨 뒤 고정하였다. 수신기는 고정된 위치에 있지만 항법 알고리즘은 수신기의 이동 중에도 사용이 가능한 동적 알고리즘이 사용되었다. 수신기의 동적 상황은 정적 상황 보다 수신기와 각 위성 사이의 경로에 상대적으로 많은 변화가 발생하므로 다중경로 오차를 선별하기가 쉽다. 또한 DGPS를 수행하게 되면 다중경로 오차와 열잡음을 제외한 오차가 공통적으로 제거되므로 다중경로 오차의 식별이 상대적으로 용이하다. 따라서 실험에 사용된 환경은 비교적 다중경로의 식별이 어려운 상황으로 간주될 수 있다.A standalone experiment was performed to analyze the performance and characteristics of the proposed multipath detection technique in real time navigation. In the experiment, the reflector was approached and fixed after about 100 seconds by the receiver installed in the fixed position. The receiver is in a fixed position, but the navigation algorithm uses a dynamic algorithm that can be used while the receiver is in motion. The dynamic situation of the receiver makes it easier to screen multipath errors because there are more changes in the path between the receiver and each satellite than in the static situation. In addition, when the DGPS is performed, the error except for the multipath error and the thermal noise is commonly removed, so it is relatively easy to identify the multipath error. Therefore, the environment used in the experiment can be regarded as a situation where it is relatively difficult to identify multipaths.

제안된 기법의 성능을 비교하기 위하여 기존의 고장검출 기법 및 추정 기법 중 관성항법시스템이나 DR을 사용할 수 없는 standalone GPS 상황에서도 비교적 적용이 용이한 패러티 기법과 일반적인 GPS 칼만필터가 사용되었다. 패러티 기법과 연계된 칼만필터와 제안된 기법에서의 주필터는 모두 위치오차 만을 상태변수로 사용하였으며 의사거리 측정오차의 분산으로는 7.5 m가, 차분된 누적위상 측정오차의 분산으로는 0.71 m/sec가 사용되었다. 패러티 기법에서는 정상적인 상황에서 각 순간별 의사거리 측정오차의 분산이 7.5m가 된다고 가정하였으며, 제안된 기법에서는 의사거리 및 누적위상에 포함된 열잡음의 분산이 각각 1.5 m 및 0.025 m가 된다고 가정하였다. 패러티 기법과 제안된 고장검출 기법이 서로 다른 측정오차 분산을 사용하는 원인은 패러티 기법에 사용된 측정 잉여치는 위성궤도오차, 대류권 지연,전리층 지연, 그리고 열잡음을 포함한 측정오차를 모두 포함하는 반면 제안된 기법은 열잡음을 제외한 기타 오차 요인들을 이중차분의 과정에서 대부분 제거하여 주기 때문이다.In order to compare the performance of the proposed scheme, a parity technique and a general GPS Kalman filter, which are relatively easy to apply in the standalone GPS situation where inertial navigation system or DR cannot be used, are used. The Kalman filter associated with the parity technique and the main filter of the proposed technique both use position error only as the state variable.The distribution of pseudo-range measurement error is 7.5 m, and the difference of differential phase measurement error is 0.71 m /. sec was used. The parity technique assumes that the variance of pseudorange measurement errors at each moment is 7.5m under normal conditions, and the proposed technique assumes that the variances of thermal noise included in the pseudorange and cumulative phase are 1.5 m and 0.025 m, respectively. The reason that the parity technique and the proposed fault detection technique use different measurement error variances is that the measurement surplus used in the parity technique includes all of the measurement errors including satellite orbit errors, tropospheric delay, ionospheric delay, and thermal noise. The technique eliminates most of the other sources of error except for thermal noise in the process of double difference.

실험은 10분간 수행되었으며 수신기는 실험 전 구간에서 7개의 위성을 확보하였다. 패러티 기법을 사용할 경우 연관된 c2-분포의 자유도는 (가시위성 수)-4 로서 가시위성 수에 의하여 결정된다. 따라서, 패러티 기법은 가시위성 수가 4 이하이면 근본적으로 적용이 불가능한 단점이 있다. 실험에서는 7개의 위성을 확보하였으므로 패러티 기법에 연계된 c2-분포의 자유도는 7-4=3으로 고정된다. 제안된 채널별 고장 검출기법은 가시위성 수의 제한없이 적용이 가능하며 이와 연관된 c2-분포는 고장검출에 사용된 연속적인 측정치의 개수에 따라 조절이 가능하다. 실험에서는 5개의 연속적인 측정치들이 매 5초 사이에 사용되므로 이와 연관된 c2-분포의 자유도는 5가 된다.The experiment was carried out for 10 minutes and the receiver secured 7 satellites in all sections. When using the parity technique, the degree of freedom of the associated c2-distribution is determined by the number of visible satellites as (visibility number) -4. Therefore, the parity technique has a disadvantage that it is not fundamentally applicable when the number of visible satellites is 4 or less. In this experiment, we have 7 satellites, so the degree of freedom of c2-distribution associated with the parity technique is fixed to 7-4 = 3. The proposed channel-specific fault detector can be applied to any number of visible satellites, and the associated c2-distribution can be adjusted according to the number of consecutive measurements used for fault detection. In the experiment, five consecutive measurements are used every 5 seconds, so the degrees of freedom of the associated c2-distribution are five.

도 3과 도 4는 패터티 기법과 제안된 기법을 이용하여 추출된 시험값을 각각 나타낸다. 도 3과 도 4를 비교하여 보면 제안된 기법이 패러티 기법에 비하여 (최대 시험값)/(최소 시험값)의 민감도가 크므로 정상적인 상황과 비정상적인 상황의 구별에 용이함을 알 수 있다. 따라서 제안된 기법은 패러티 기법에 비하여 임계치(thresh value)가 크게 변화하더라도 고장이 발생한 채널의 판단에 크게 영향을 받지 않음을 알 수 있다.3 and 4 show test values extracted by using a patter technique and a proposed technique, respectively. Comparing FIG. 3 with FIG. 4, it can be seen that the proposed technique is easier to distinguish between normal and abnormal situations because the sensitivity of the (maximum test value) / (minimum test value) is greater than that of the parity technique. Therefore, it can be seen that the proposed scheme is not significantly affected by the determination of the channel where the failure occurs even if the threshold value changes significantly compared to the parity scheme.

도 5는 임계치 0.58(오경고 확률 90 %)을 적용한 패러티 기법과 임계치 11.10(오경고 확률 5 %)을 적용한 본 발명에 따른 방법이 각각 판단한 고장 검출결과를 나타낸다. 패러티 기법에서 오경고 확률(faulse alarm rate)을 크게 설정한 이유는 고장에 대한 민감도가 다른 두 방법이 검출한 고장 위성의 분포를 균등하게 하기 위함이며, 또한 오경고 확률을 실험에 사용한 값보다 작게 사용할 경우 다중경로에 의하여 유발되는 오차를 검출하는 데 어려움이 있기 때문이다. 참고로 패러티 기법에서 오경고 확률을 10%로 낮게 설정하게 되면 자유도 3에서 임계치는 6.25가 되므로 도 3에 나타난 바와 같이 어떠한 고장도 검출하지 못하게 된다. 도 5에 나타난 바와 같이 실험 시작 114초와 144초 시점 근방에서 두가지 검출 방법은 고장 위성을 각각 20번 위성과 22번 위성으로 서로 다르게 판단하였다.5 shows a failure detection result determined by a parity technique using a threshold of 0.58 (90% probability of false warning) and a method according to the present invention applying a threshold of 11.10 (5% probability of false warning). The reason why the false alarm rate is set high in the parity technique is to equalize the distribution of fault satellites detected by the two methods with different sensitivity to faults. This is because when used, it is difficult to detect errors caused by multipath. For reference, if the probability of false warning is set to 10% in the parity technique, the threshold value becomes 6.25 in 3 degrees of freedom, and thus no failure is detected as shown in FIG. 3. As shown in FIG. 5, the two detection methods were differently determined to be satellites 20 and 22, respectively, at the beginning of the experiment at 114 seconds and 144 seconds.

실재 다중경로에 의한 고장 발생 유무와 고장이 발생한 채널의 확인을 위하여 20번 위성과 22번 위성을 각각 제외시킨 후 특정한 고장 검출 기법의 적용없이 150초간 위치해를 생성하였다. 도 6은 이의 결과를 나타낸다. 도 6에 나타난 바와 같이 20번 위성을 제외하고 위치해를 생성하였을 경우 위치해가 일정 영역에 조밀하게 분포하는 반면 22번 위성을 제외하고 위치해를 생성하였을 경우 위치해가 특정 방향을 유지하며 1~2 m 씩 점진적으로 이동하는 다중경로 특유의 현상을 발견할 수 있다. 따라서 제안된 기법이 검출한 20번 위성에 의한 의사거리가 다중경로 오차를 포함하고 있음을 결론 지울 수 있다.Satellites 20 and 22 were excluded to identify failures caused by real multipaths and channels, and they were placed for 150 seconds without applying specific failure detection techniques. 6 shows its result. As shown in FIG. 6, when the location is generated except for satellite 20, the location is densely distributed in a certain area, whereas when the location is created except for satellite 22, the location is maintained in a specific direction and is 1 to 2 m each. You can find phenomena peculiar to multipaths that gradually move. Therefore, it can be concluded that the pseudoranges of satellite 20 detected by the proposed technique include multipath errors.

도 7은 0초~600초 구간에서 1) 별도의 고장검출기법 없이 순간 측정치를 이용한 최소좌승 위치해, 2) 패러티 기법과 연계된 칼만필터가 추정한 위치해, 3) 제안된 기법이 추정한 위치해의 분포를 각각 나타낸다. 도면에서 고장검출기법의 적용 없이 위치해를 계산한 경우 특히 ECEF y-축 방향으로 위치해가 이동하는 다중경로 특유의 현상을 발견할 수 있다. 또한, 두가지 고장 검출 기법 모두에 의해서 고장이 검출되지 않은 0초 ~ 110초 구간에서는 패러티 기법과 연계된 칼만필터와 제안된 기법이 거의 동일한 위치해의 궤적을 발생시킴을 확인할 수 있다. 반면, 첫 다중 경로 오차가 발생한 110초 구간 이후의 추정된 위치해의 궤적을 비교하면 제안된 기법이 패러티 기법과 연계된 칼만필터에 비하여 다중경로가 발생한 방향으로 크게 변화하지 않음을 확인 할 수 있다. 따라서, 다중경로 환경 하에서는 제안된 기법이 패러티 기법과 연계된 칼만필터에 비하여 고장 위성의 검출/분리 및 위치해 생성에 더 효율적임을 결론 지울 수 있다.7 is located in the range of 0 seconds to 600 seconds, 1) least squares using instantaneous measurements without separate fault detection technique, 2) located by Kalman filter associated with parity technique, and 3) located by estimated technique. Each distribution is shown. When the position is calculated in the drawing without applying the failure detection technique, it is possible to find a phenomenon unique to the multipath in which the position is moved in the ECEF y-axis direction. In addition, it can be seen that the Kalman filter associated with the parity technique and the proposed technique generate trajectories of almost the same location in the range of 0 seconds to 110 seconds where the failure is not detected by both failure detection techniques. On the other hand, comparing the estimated trajectories of the located positions after the 110-second interval where the first multipath error occurs, it can be seen that the proposed method does not change much in the direction of the multipath generation compared to the Kalman filter associated with the parity method. Therefore, it can be concluded that under the multipath environment, the proposed scheme is more efficient in detecting / separating and positioning the faulty satellite than the Kalman filter associated with the parity technique.

본 발명은 압축필터(compression filter)의 사용과 연계하여 수신기의 종류에 크게 제약 받지 않고 정적인 환경이나 동적인 환경에 관계없이 실시간 항법과 코드 다중경로오차 검출을 동시에 수행할 수 있는 효율적인 기법을 제안하였다. 제안된 코드 다중경로오차 검출 기법은 관측자로서 현단계 코드와 전단계 코드의 전달치 사이의 차분을 이용하며 고장검출의 신뢰도 향상을 위하여 순간적인 관측자 대신에 관측자의 시계열을 이용한다. 제안된 기법은 별도의 보조 센서에 의한 부가적인 정보를 사용하지 않고 GPS 수신기가 제공하는 기본적인 측정치들만을 이용하며, 수신기가 이동 중에도 각 채널 별 독립적으로 다중경로에 의한 GPS 측정치의 이상 현상을 검출하여 주므로 많은 분야에의 적용이 가능하리라 기대된다.The present invention proposes an efficient technique that can simultaneously perform real-time navigation and code multipath error detection regardless of the static or dynamic environment, regardless of the type of receiver, in conjunction with the use of a compression filter. It was. The proposed code multipath error detection technique uses the difference between the current and previous code transfer values as an observer and uses the observer's time series instead of the instantaneous observer to improve the reliability of fault detection. The proposed technique uses only the basic measurements provided by the GPS receiver without using additional information by a separate auxiliary sensor, and detects the abnormality of GPS measurements by multipath independently for each channel while the receiver is moving. As a result, it is expected to be applicable to many fields.

본 발명은 각 채널별 의사거리와 누적위상의 시계열을 이용한 다중경로오차 검출 기법과 실시간 항법을 위한 압축필터 구조를 제안하였다. Standalone GPS 실험을 통하여 제안된 다중경로오차 검출기법은 위성궤도오차, 대류권 지연, 전리층 지연에 의한 오차를 다중경로오차 및 열잡음과 분리시켜 고장 검출의 민감도를 크게 향상시켜줌을 확인할 수 있었다. 또한 제안된 필터 구조는 다중경로오차가 발생하지 않는 정상적인 상황에서는 칼만필터와 유사한 성능을, 그리고 다중경로오차가 발생한 상황에서는 패러티 기법과 연계된 칼만필터보다 다중경로에 영향을 작게 받는 위치해를 추정하여 줌을 확인할 수 있었다.The present invention proposes a multipath error detection technique using pseudo-ranges and cumulative phase time series for each channel and a compression filter structure for real-time navigation. In the standalone GPS experiment, the proposed multipath error detection method can improve the sensitivity of fault detection by separating the errors caused by satellite orbit error, tropospheric delay, and ionospheric delay from multipath error and thermal noise. In addition, the proposed filter structure is estimated to be similar to Kalman filter under normal conditions without multipath error, and to be less affected by multipath than Kalman filter associated with parity technique under multipath error. I could check the zoom.

제안된 기법은 일반적인 구조의 GPS 수신기가 제공할 수 있는 의사거리 및 누적위상 측정치만을 이용하여 수신기의 동적/정적 상황에 관계없이 다양한 징후의 고장을 검출할 수 있게 하여 주므로 많은 분야에의 응용이 가능하리라 예상된다. 또한 다소의 변경을 통하여 다양한 형태의 DGPS, GPS/INS 복합항법 등의 응용분야에도 적용이 용이하리라 예상된다.The proposed technique enables the detection of various signs of failures regardless of the dynamic / static conditions of the receiver by using only the pseudorange and cumulative phase measurements that can be provided by a general GPS receiver. It is expected. In addition, it is expected that it will be easily applied to various applications such as DGPS and GPS / INS combined navigation through some changes.

또한 본 발명은 고려 대상 샘플의 수를 결정함으로써 검출 신뢰도와 계산량간의 조정이 가능하다.In addition, the present invention enables adjustment between detection reliability and calculation amount by determining the number of samples under consideration.

본 발명은 실시예를 중심으로 설명되었지만 당업자라면 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 변형이 가능하다. 본 발명의 이러한 자명한 변형은 첨부된 특허청구범위에 의해 포괄되도록 의도되었다.Although the invention has been described with reference to the examples, many various modifications are possible to those skilled in the art without departing from the scope of the invention. Such obvious modifications of the invention are intended to be covered by the appended claims.

Claims (13)

a) GPS 수신기에서 제공되는 연속되는 다수의 의사거리와 누적위상 측정치를 제공하는 단계;a) providing a plurality of consecutive pseudoranges and cumulative phase measurements provided by a GPS receiver; b) 상기 다수의 측정치에 대해 의사거리 시간증분과 누적위상 시간증분의 차의 순열을 산출하는 단계;b) calculating a permutation of the difference between pseudorange time increments and cumulative phase time increments for the plurality of measurements; c) 상기 순열의 변화 정도로부터 다중 경로 잡음의 존재 여부를 판단하는 단계;c) determining the presence of multipath noise from the degree of change in the permutation; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치결정(positioning) 수신기의 다중경로오차 검출 방법.Multipath error detection method of a positioning receiver using a satellite comprising a. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 c)가 :The process of claim 1, wherein step c) is: c1) 상기 순열에 대하여 직교화된 순열로 변환하는 단계;c1) converting a permutation orthogonal to the permutation; c2) 상기 직교화된 순열 각각을 오차공분산으로 나눈 값의 제곱의 합(square sum)을 산출하는 단계;c2) calculating a square sum of each of the orthogonal permutations divided by the error covariance; c3) 상기 산출된 관측자 값을 기준치와 비교한 결과에 따라 다중경로오차가 존재하는 채널로 판단하는 단계;c3) determining a channel having a multipath error according to a result of comparing the calculated observer value with a reference value; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치결정(positioning) 수신기의 다중경로오차 검출 방법.Multipath error detection method of a positioning receiver using a satellite comprising a. 제 2 항에 있어서, 상기 단계 c3)의 기준치가 :The method of claim 2, wherein the reference value of step c3) is: 상기 관측자의 통계적인 분포 특성을 이용해 산출되는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치결정(positioning) 수신기의 다중경로오차 검출 방법.The method of detecting a multipath error of a positioning receiver using a satellite, characterized in that calculated using the statistical distribution characteristics of the observer. 제 3 항에 있어서, 상기 기준치가 :The method of claim 3, wherein the reference value is: 관측자 값들이 카이(χ) 제곱 분포를 가지는 특성을 이용해 산출되는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치결정(positioning) 수신기의 다중경로오차 검출 방법.A method for detecting a multipath error of a positioning receiver using a satellite, characterized in that the observer values are calculated using a characteristic having a chi square distribution. 제 4 항에 있어서, 상기 기준치가 :The method of claim 4, wherein the reference value is: 관측자 값들의 카이(χ) 제곱 분포에서, 주어진 오경보 확률과 미검출 확률에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치결정(positioning) 수신기의 다중경로오차 검출 방법.A method for detecting a multipath error of a positioning receiver using a satellite, characterized in that it is determined according to a given false alarm probability and an undetected probability in a chi squared distribution of observer values. 다수의 위성 수신부와;A plurality of satellite receivers; 상기 다수의 수신부의 수신 채널 각각으로부터 수신된 신호의 정도(精度)를 높이도록 필터링하는 다수의 필터들과;A plurality of filters for filtering to increase the accuracy of a signal received from each of the reception channels of the plurality of receivers; 상기 다수의 채널 각각으로부터 수신되는 의사거리 및 누적위상 측정에 대응하는 다수의 측정치에 대해 의사거리 시간증분과 누적위상 시간증분의 차의 순열을 산출하고, 이 순열의 변화 정도로부터 해당 채널에서의 다중 경로 잡음의 존재 여부를 판단하는 다수의 다중경로 검출기와;Compute a permutation of the difference between the pseudorange time increment and the cumulative phase time increment for a plurality of measurements corresponding to the pseudorange and cumulative phase measurements received from each of the plurality of channels, and from the degree of change of the permutation, A plurality of multipath detectors for determining the presence or absence of path noise; 상기 가중경로 검출기의 검출 결과에 따라 해당 채널의 선택 여부를 제한하는 다수의 선택기;A plurality of selectors for limiting selection of a corresponding channel according to a detection result of the weighted path detector; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치 결정 장치.Positioning device using a satellite, characterized in that it comprises a. 제 6 항에 있어서, 상기 다중경로 검출기가 :7. The apparatus of claim 6, wherein the multipath detector is: 상기 직교화된 순열 각각을 오차공분산으로 나눈 값의 제곱의 합(square sum)을 기준치와 비교한 결과에 따라 다중경로오차가 존재하는 채널로 판단하는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치 결정 장치.And determining a channel having a multipath error according to a result of comparing a square sum of values obtained by dividing each orthogonal permutation by an error covariance with a reference value. 제 7 항에 있어서, 상기 기준치가 :The method of claim 7, wherein the reference value is: 관측자 값들이 카이(χ) 제곱 분포를 가지는 특성을 이용해 산출되는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치 결정 장치.Positioning device using a satellite, characterized in that the observer values are calculated using a characteristic having a chi (χ) square distribution. 제 8 항에 있어서, 상기 기준치가 :The method of claim 8, wherein the reference value is: 관측자 값들의 카이(χ) 제곱 분포에서, 주어진 오경보 확률과 미검출 확률에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치 결정 장치.A device for positioning satellites, characterized in that it is determined according to a given false alarm probability and an undetected probability in a chi squared distribution of observer values. 다수의 위성 수신부와;A plurality of satellite receivers; 상기 다수의 수신부의 채널 각각으로부터 수신된 의사거리 및 누적위상 측정에 대응하는 다수의 측정치에 대해 의사거리 시간증분과 누적위상 시간증분의 차의 순열의 변화 정도를 산출하는 산출 행렬을 저장하는 산출행렬 저장부와;A calculation matrix for storing a calculation matrix for calculating a degree of permutation of the difference between the pseudo distance time increment and the cumulative phase time increment for a plurality of measurements corresponding to the pseudo distance and cumulative phase measurements received from each of the channels of the plurality of receivers; A storage unit; 상기 저장부에 저장된 행렬과 상기 수신부의 채널로부터 수신되는 다수의 측정치를 실시간으로 연산하여 관측자 값을 산출하는 관측자 산출부와;An observer calculator for calculating observer values by calculating in real time a plurality of measurements received from the matrix stored in the storage unit and the channel of the receiver unit; 상기 관측자 산출부의 검출 결과에 따라 해당 채널의 선택 여부를 제한하는 다수의 선택기;A plurality of selectors for restricting whether to select a corresponding channel according to a detection result of the observer calculator; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치 결정 장치.Positioning device using a satellite, characterized in that it comprises a. 제 10 항에 있어서, 상기 산출행렬 저장부가 :The method of claim 10, wherein the calculation matrix storage unit: 각각의 채널로부터 수신되는 의사거리 시간증분과 누적위상 시간증분의 차의 순열을 직교화시키고 정규화시키는 행렬을 저장하는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치 결정 장치.And a matrix for orthogonalizing and normalizing a permutation of a difference between pseudorange time increments and cumulative phase time increments received from each channel. 제 10, 11 항에 있어서, 상기 기준치가 :The method of claim 10, wherein the reference value is: 관측자 값들이 카이(χ) 제곱 분포를 가지는 특성을 이용해 산출되는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치 결정 장치.Positioning device using a satellite, characterized in that the observer values are calculated using a characteristic having a chi (χ) square distribution. 제 12 항에 있어서, 상기 기준치가 :The method of claim 12, wherein the reference value is: 관측자 값들의 카이(χ) 제곱 분포에서, 주어진 오경보 확률과 미검출 확률에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 위성을 이용한 위치 결정 장치.A device for positioning satellites, characterized in that it is determined according to a given false alarm probability and an undetected probability in a chi squared distribution of observer values.
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