KR100589473B1 - 시간 신호 송수신 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세계 어느 지역에서도 수신될 수 있는 시간 신호의 송신 방법 및 장치에 관한 것으로, 적절한 수신기(8)를 갖는 시간 신호는 시계(9)를 현지 시간으로 자동으로 설정하는데 사용된다. 이를 위해, 본 발명은 지구의 전체 표면이 시간이 경과한 후에 오버플로되는 동안 큰 경사를 갖는 궤도로 저공 주행하는 우주국 또는 위성(3)의 보드상에 시간 신호 송신기(6)를 사용한다. 낮은 위도로 인해, 송신 전력이 낮은 경우에도 손목 시계에 의한 수신도 가능하도록 충분히 큰 세기의 수신 자계가 지면상에서 발생될 수 있다. 수신 전력은 실제 시간 뿐만 아니라 순간 위치와 관련된 추가 데이터도 송신한다. 주행 방향 및 이후의 무선 접촉도 얻어질 수 있다. 더 복잡한 계산 없이도 지표면은 수신 시계(9)가 송신된 데이터로부터 현지 시간을 결정하는 것을 가능하게 하는 번호가 매겨진 구역(17)으로 분할된다.
Description
본 발명은 청구항 1항의 특징부에 기재된 시간 신호 송신 방법 및 청구항 22항의 특징부에 기재된 시간 신호 수신 방법에 관한 것이다.
지상용 시간 신호 송신기, 예컨대 독일 마인(Main)의 프랑크프르트에 소재한 "Federal Institute of Physical Engineering"에서 제조한 DCF-77 송신기는 장거리 송신을 용이하게 하기 위해 장파의 주파수 대역으로 시간 신호를 송신한다. 그러나, 송신 전력을 크게 하여도 송신 거리는 1200 내지 2000km까지만 가능하였다. 또한, 이 시간 신호는 어느 한 국가 시간에 대해서만 설정되어 있으며, 더욱이 특정 송신기 주파수와 고유 인코딩을 사용하므로, 외국에 있는 지역에서 수신기는 여러 개의 상이한 시간 신호에 적합해야 하며, 그렇지 않으면 신호를 판독할 수 없게 된다. 해안에서 먼 바다에 있는 지역에서는 수신이 일반적으로 불가능하다. 위성 위치 추적 시스템(GPS)을 사용한 시간 설정이 실제로는 가능하지만, 썸머 타임, 윤초(leap second) 등과 같은 추가 정보가 부족하기 때문에, 실제 현지 시간을 얻기 위해서는 복잡한 반-수동의 조정이 필요하다.
다른 국가에서 시간 신호를 수신하여 활용할 수 있는 소위 다중 무선 시계가 또한 공지되어 있다. 그러나, 이 시계가 위치한 장소의 시간을 알기 위해서는 사용자가 시계를 조정할 필요가 있다. 또한, 이 다중 무선 시계는 모든 국가에서 그 기능을 수행할 수 있는 것은 아니다.
미국 특허 제5,408,444호에는 수신기의 위치 판정 방법이 공지되어 있다. 이 수신기에 정확한 시간을 설정하기 위해서, 수신기의 위치는 GPS 위성 시스템의 적어도 3개의 위성을 사용하여 판정되어야 한다. 위치가 설정되면, 시간 조정은 그 위치에 대한 교정값을 사용하여 수행되고, 이 교정값은 수신기의 데이터 뱅크내에 축적된다.
미국 특허 제5,574,660호에는 마찬가지로 GPS 시스템을 이용하여, 지구상에 위치한 수신기의 위치를 결정하는 방법이 공지되어 있다. 또한, 안테나를 각각의 궤도를 향하는 방향으로 돌리기 위해 지상에 배치되는 수신기가 제공된다.
독일 특허 공개 번호 제43 13 945 A1호에는 마찬가지로 여러개의 위성을 함께 결합하여 하나의 위성 시스템을 구성하고 있다. 시간 신호를 수신하는 수신기의 위치 판정을 위해, 간단히 시간에 대한 도플러 곡선을 사용한다. 그러나, 이러한 형태의 위치 판정은 매우 부정확하다.
따라서, 본 발명의 과제는, 실제 현지 시간을 설정할 수 있기 위하여 수신기의 위치 판정에 하나의 송신기만이 필요한 시간 신호의 송수신 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 청구항 제1항의 특징부에 기재된 방법에 의해 해결된다.
미국 특허 제5,408,444호에는 수신기의 위치 판정 방법이 공지되어 있다. 이 수신기에 정확한 시간을 설정하기 위해서, 수신기의 위치는 GPS 위성 시스템의 적어도 3개의 위성을 사용하여 판정되어야 한다. 위치가 설정되면, 시간 조정은 그 위치에 대한 교정값을 사용하여 수행되고, 이 교정값은 수신기의 데이터 뱅크내에 축적된다.
미국 특허 제5,574,660호에는 마찬가지로 GPS 시스템을 이용하여, 지구상에 위치한 수신기의 위치를 결정하는 방법이 공지되어 있다. 또한, 안테나를 각각의 궤도를 향하는 방향으로 돌리기 위해 지상에 배치되는 수신기가 제공된다.
독일 특허 공개 번호 제43 13 945 A1호에는 마찬가지로 여러개의 위성을 함께 결합하여 하나의 위성 시스템을 구성하고 있다. 시간 신호를 수신하는 수신기의 위치 판정을 위해, 간단히 시간에 대한 도플러 곡선을 사용한다. 그러나, 이러한 형태의 위치 판정은 매우 부정확하다.
따라서, 본 발명의 과제는, 실제 현지 시간을 설정할 수 있기 위하여 수신기의 위치 판정에 하나의 송신기만이 필요한 시간 신호의 송수신 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 청구항 제1항의 특징부에 기재된 방법에 의해 해결된다.
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청구항 제1항에 따른 방법은, 시간 신호를 세계 어느 지역에서도 수신할 수 있도록 하기 위해, 지표면의 한 지점에 대해 상대적으로 이동하는 항공 우주 비행체로부터 송신이 행해진다. 시간 신호는 본 발명에 따라, 큰 궤도 경사를 가진 궤도를 따라 이동하는 항공 우주 비행체로부터의 특정 주파수 또는 여러 개의 주파수에 의해 송신된다. 또한, 시간 신호가 송신기에서 빔의 형태로 사전 설정 가능한 궤도에서 회전하고, 회전하는 송신 빔은 송신기의 방향을 판정하는데 사용되는 각도 정보를 포함하게 된다. 시간 신호가 하나의 주파수로 송신된다면, 송신기와 수신기간의 거리는 도플러 곡선을 사용하여 판정될 수 있다. 여러 개의 주파수를 사용한다면, 송신기와 수신기간의 거리는 전파 시간 분포(propagation time scatter)에 의해 판정될 수 있다. 또한, 각도 정보가 회전하는 빔으로부터 수신기에 의해 취득되기 때문에, 수신기가 항공 우주 비행체의 지상 트랙(ground track)의 왼쪽 또는 오른쪽에 있는지 확인하기 위하여 수신기의 위치가 판정된다. 그 결과, 수신기의 정확한 위치 결정이 가능하므로, 실제 현지 시간이 수신기에서 설정될 수 있다. 수신기의 위치를 판정함에 있어서, 방사된 신호는 하향으로 일정하게 방사되는 것이 아니라, 회전하는 빔에 의해 회전한다. 항공 우주 비행체는 시간 신호를 끊임없이 아래로 전송하는 것이 아니라, 오히려 신호는 회전 로브(rotating lobe)로서 회전하게 된다. 이러한 회전은 안테나의 기계적인 움직임에 의해 관리될 수 있다. 즉, 이러한 회전은 기계로 구동된 안테나 또는 적합한 전자 수단에 의해 이루어질 수 있다. 회전 빔은 방사된 각도 위치의 함수에 따라 적합한 방식으로 변경될 수 있어, 순간적인 방사 각도는 수신된 신호로부터 판정될 수 있다. 이것은, 예컨대 보조 주파수에 의해 수행될 수 있으므로, 예컨대 각각의 각도 위치, 또는 다시 말해서 0°와 360°사이에서 각각의 각도 범위는 보조 주파수가 정해져 있다. 최대 수렴 시간에서 90°또는 270°의 각도는 저공 비행의 일면을 정한다.
수신기는 사용자의 조작없이 시간 신호 송신기의 수신 신호로부터의 지구상의 그의 특정 지리적 위치를 독립적으로 판정하여 그로부터 실제 현지 시간을 결정한다. 일반적인 위성은 요구되는 수명 때문에 매우 높은 고도에 있을 경우에 결과적으로 요구되는 입력 신호 레벨이 얻어지지 않거나, 궤도의 경사가 너무 낮은 경우에 전체 지표면이 방사될 수 없기 때문에, 그러한 시간 신호에 대해 고려될 수 없다. 그러나, 낮은 위치(예컨대, 200km 내지 400km의 고도)에 있는 큰 궤도 경사를 가진 위성 또는 우주국의 경우, 위도 ±70 내지 80의 범위내의 지표면은 커버될 수 있다. 큰 궤도 경사의 경우, 전체 지표면은 시간이 지나면 위성 또는 우주국에 의해 오버플로우(overflow)된다.
본 발명에 따른 장치의 특별한 안테나 구조에 의해, 지표면의 주사 범위는 극 지방만을 제외한 전 지표 영역으로 확장될 수 있다.
지상용 무선 시계는 배터리를 절약하기 위해 통상적으로 하루에 한번만 동기화된다. 이것은 통상적으로 야간에 행해지는데, 썸머 타임과 윈터 타임의 전환도 이 때 행해지기 때문이다. 우주 지원 무선 시계는 송신기가 주어진 시간 동안 수신 영역에 정체되어 있어야 하기 때문에 편리하게 사용할 수 없다. 수신기가 수신의 접촉 시간을 미리 알 수 있도록, 시간 신호 송신기는 기본 시간 정보와 함께 특정 영역에 대한 다음 상공 통과 시간에 대한 추가 데이터를 송신한다. 시계의 최초 스위치온(switch on)시 또는 접촉 시간이 늦어질 때, 수신기는 시간 신호가 수신될 수 있는지를 확인하기 위해 다시 간단하게 스위치온한다. 수신 시간 윈도우보다 짧은 안정화 시간이 삽입되어, 가능 접촉이 늦어지지 않게 된다. 최초 수신 접촉이 설정되자 마자, 시계는 정상 스위치온 사이클로 전환한다.
송신기의 지상의 특정 지점에 대한 수신 영역은 여러 개의 시간 구역으로 확장될 수 있다. 이것은 수신기가, 송신된 데이터가 계산되는 지면상의 순간 지점이 그의 지리적 위치로부터 얼마나 멀리 이동될 수 있는지를 판정해야 하기 때문이다. 이것을 위해 2가지 대안이 제공된다.
1. 수신기에 비교적 가까운 위성 또는 우주국의 주행중에, 송신기의 고속의 속도로 인해 수신 주파수의 도플러 편이가 너무 크게 되어 운행 시간 및 따라서 거리를 주파수의 급격한 변동과 주파수 점프 형태로부터 판정할 수 있다.
2. 송신기와 비교적 먼 거리에서의 저공 주행중에, 지구의 전리층을 통과하는 동안 상이한 주파수의 전파 시간 분포(및 따라서 파장 또는 주파수에 대한 파동 전파 속도의 의존성)를 이용한다. 전기 전도성 상부 대기층(전리층)은 세기가 변화하는 송신 신호의 주파수에 따라 전파 무선파를 방해한다. 이것은 여러 개의 주파수의 동시 방사 신호가 다른 시간으로 수신기에 도달하게 한다. 전리층의 전기 전도성이 공지되어 있다면, 수신기로부터 송신기까지의 거리는 이러한 시간 편이에 의해 판정될 수 있다. 전리층의 전류 특성은 지상국에 의해 계산될 수 있거나, 시간 신호 송신기는 테스트 신호의 에코를 분석함으로써 연속적으로 전리층을 측정한다.
본 발명의 다른 유리한 설계에 있어서, 지표면은 메모리와 수신기내의 컴퓨터 구성 소자를 절감하기 위해 번호를 매긴 구역들로 세분된다. 송신기는 다수개의 현재 구역과 전술한 추가 정보를 시간 신호에 부가하여 송신한다. 이러한 데이터는 수신기내에 저장된다. 그러므로, 송신기는 궤도 교정 및 시간 변경을 예측할 수 있으며 이들을 수신기에 전달한다. 지구를 적당한 구역(국제 시간 구역과 동일할 필요는 없음)으로 분할함으로써, 수신기는 송신된 시간 정보의 간단한 오프셋, 추가 또는 삭감에 의해 수신기가 위치되어 있는 장소의 실제 시간을 계산할 수 있다.
수신기는 사용자의 조작없이 시간 신호 송신기의 수신 신호로부터의 지구상의 그의 특정 지리적 위치를 독립적으로 판정하여 그로부터 실제 현지 시간을 결정한다. 일반적인 위성은 요구되는 수명 때문에 매우 높은 고도에 있을 경우에 결과적으로 요구되는 입력 신호 레벨이 얻어지지 않거나, 궤도의 경사가 너무 낮은 경우에 전체 지표면이 방사될 수 없기 때문에, 그러한 시간 신호에 대해 고려될 수 없다. 그러나, 낮은 위치(예컨대, 200km 내지 400km의 고도)에 있는 큰 궤도 경사를 가진 위성 또는 우주국의 경우, 위도 ±70 내지 80의 범위내의 지표면은 커버될 수 있다. 큰 궤도 경사의 경우, 전체 지표면은 시간이 지나면 위성 또는 우주국에 의해 오버플로우(overflow)된다.
본 발명에 따른 장치의 특별한 안테나 구조에 의해, 지표면의 주사 범위는 극 지방만을 제외한 전 지표 영역으로 확장될 수 있다.
지상용 무선 시계는 배터리를 절약하기 위해 통상적으로 하루에 한번만 동기화된다. 이것은 통상적으로 야간에 행해지는데, 썸머 타임과 윈터 타임의 전환도 이 때 행해지기 때문이다. 우주 지원 무선 시계는 송신기가 주어진 시간 동안 수신 영역에 정체되어 있어야 하기 때문에 편리하게 사용할 수 없다. 수신기가 수신의 접촉 시간을 미리 알 수 있도록, 시간 신호 송신기는 기본 시간 정보와 함께 특정 영역에 대한 다음 상공 통과 시간에 대한 추가 데이터를 송신한다. 시계의 최초 스위치온(switch on)시 또는 접촉 시간이 늦어질 때, 수신기는 시간 신호가 수신될 수 있는지를 확인하기 위해 다시 간단하게 스위치온한다. 수신 시간 윈도우보다 짧은 안정화 시간이 삽입되어, 가능 접촉이 늦어지지 않게 된다. 최초 수신 접촉이 설정되자 마자, 시계는 정상 스위치온 사이클로 전환한다.
송신기의 지상의 특정 지점에 대한 수신 영역은 여러 개의 시간 구역으로 확장될 수 있다. 이것은 수신기가, 송신된 데이터가 계산되는 지면상의 순간 지점이 그의 지리적 위치로부터 얼마나 멀리 이동될 수 있는지를 판정해야 하기 때문이다. 이것을 위해 2가지 대안이 제공된다.
1. 수신기에 비교적 가까운 위성 또는 우주국의 주행중에, 송신기의 고속의 속도로 인해 수신 주파수의 도플러 편이가 너무 크게 되어 운행 시간 및 따라서 거리를 주파수의 급격한 변동과 주파수 점프 형태로부터 판정할 수 있다.
2. 송신기와 비교적 먼 거리에서의 저공 주행중에, 지구의 전리층을 통과하는 동안 상이한 주파수의 전파 시간 분포(및 따라서 파장 또는 주파수에 대한 파동 전파 속도의 의존성)를 이용한다. 전기 전도성 상부 대기층(전리층)은 세기가 변화하는 송신 신호의 주파수에 따라 전파 무선파를 방해한다. 이것은 여러 개의 주파수의 동시 방사 신호가 다른 시간으로 수신기에 도달하게 한다. 전리층의 전기 전도성이 공지되어 있다면, 수신기로부터 송신기까지의 거리는 이러한 시간 편이에 의해 판정될 수 있다. 전리층의 전류 특성은 지상국에 의해 계산될 수 있거나, 시간 신호 송신기는 테스트 신호의 에코를 분석함으로써 연속적으로 전리층을 측정한다.
본 발명의 다른 유리한 설계에 있어서, 지표면은 메모리와 수신기내의 컴퓨터 구성 소자를 절감하기 위해 번호를 매긴 구역들로 세분된다. 송신기는 다수개의 현재 구역과 전술한 추가 정보를 시간 신호에 부가하여 송신한다. 이러한 데이터는 수신기내에 저장된다. 그러므로, 송신기는 궤도 교정 및 시간 변경을 예측할 수 있으며 이들을 수신기에 전달한다. 지구를 적당한 구역(국제 시간 구역과 동일할 필요는 없음)으로 분할함으로써, 수신기는 송신된 시간 정보의 간단한 오프셋, 추가 또는 삭감에 의해 수신기가 위치되어 있는 장소의 실제 시간을 계산할 수 있다.
송신기는 실제 시간과 추가 정보를 연속적으로 반복해서 송신한다. 완전한 패킷의 송신이 시작되기 전에 이미 시작된 데이터 패킷을 위해 전체 주기를 기다릴 필요가 없고, 쉽게 인지되는 동기화 신호는 데이터 스트림에 포함되어 있어, 패킷의 중심부에서 분석이 시작될 수 있다. 이것은 수신기가 활성화되어야 하는 시간을 최소화하므로, 시계의 전류 소비를 감소시킨다.
국제 규정에 따르면, 위성 또는 우주국의 송신기는 다른 시스템을 간섭하지 않도록 소정의 송신기 전력(전력 플럭스 밀도)을 초과하지 않아야 한다. 이러한 제한 조건에 부합하기 위해서, 소위 확산 스펙트럼 기술이 본 발명에 따른 방법에 사용되며, 실제로 개별 인코딩과 변조가 수행될 수 있다. 송신기 신호는 송신기 주파수내의 주어진 주파수 편이(스위핑:sweeping)에 의해 주기적으로 편이된다. 송신기 신호의 이러한 스위핑과 다른 모든 변환은 동기로 발생하며 시간 신호 송신기의 보드상의 시간 표준으로 위상 고정되며, 수신된 시간은 마이크로초 단위로 분해되는 순간 스위프 주파수와 스위프 위상 위치로부터 계산될 수 있다.
시간 신호 송신기의 보드상에서의 시간 조정을 위해, 한편으로는 지상국 또는 제어국으로부터의 제어 신호가 사용되고, 다른 한편으로는 시간 신호와 동기화하기 위해 주행 중에 국가 시간 송신기의 시간 신호를 디코딩할 수 있다.
본 발명은 이제 도면을 참조하면서 설계예를 이용하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 위성 지원 세계 시간 신호 시스템의 개략도이다.
도 2는 세계를 나타내는 개략도이다.
도 3은 지구상의 대표적인 수신 영역을 나타내는 도면이다.
도 4는 도플러 편이의 그래프이다.
도 1은 시계가 위치한 장소의 일반적인 지역 시간으로 시계를 자동으로 조정하기 위해 거의 세계적으로 수신되는 시간 신호(14)를 분배하기 위해 사용되는 위성 지원 세계 시간 신호 시스템(1)을 도시한다. 시간 신호 시스템(1)은 위성(3) 형태의 항공 우주 비행체(2)와, 수신 장치(4)와, 시간 신호 발생기(5)와, 지상국(10.2) 및 안테나(10.1)를 구비한다.
위성은 다른 추가 정보와 함께 시간 신호를 분배하고 송출하기 위해 사용하는 시간 신호 송신기(6)를 구비한다. 시간 신호(14)는 도 1에 도시된 바와 같이 반원형 연속파(semicircular wave train)로 상징적으로 표시되어 있고, 따라서 시간 신호(14)와 추가 정보의 실제 전파 방향으로 도시된 것은 아니다. 위성(3)의 작동에 필요한 장치, 예를 들면 전원 또는 주행 제어기는 설명의 편의상 도면에 별도로 도시하지 않고 있다.
시간 신호는 본 발명에 따라, 큰 궤도 경사를 가진 궤도를 따라 이동하는 항공 우주 비행체로부터의 특정 주파수 또는 여러 개의 주파수에 의해 송신된다. 또한, 시간 신호가 송신기에서 빔의 형태로 사전 설정 가능한 궤도에서 회전하고, 회전하는 송신 빔은 송신기의 방향을 판정하는데 사용되는 각도 정보를 포함하게 된다. 시간 신호가 하나의 주파수로 송신된다면, 송신기와 수신기간의 거리는 도플러 곡선을 사용하여 판정될 수 있다. 여러 개의 주파수를 사용한다면, 송신기와 수신기간의 거리는 전파 시간 분포(propagation time scatter)에 의해 판정될 수 있다. 또한, 각도 정보가 회전하는 빔으로부터 수신기에 의해 취득되기 때문에, 수신기가 항공 우주 비행체의 지상 트랙(ground track)의 왼쪽 또는 오른쪽에 있는지 확인하기 위하여 수신기의 위치가 판정된다. 그 결과, 수신기의 정확한 위치 결정이 가능하므로, 실제 현지 시간이 수신기에서 설정될 수 있다.
수신기와 항공 우주 비행체간의 거리 및 각도 정보에 대해서 좀 더 상세하게 설명하겠다.
만일 수신기의 위치가 결정된다면, 일정한 정보가 필요할 것이다.
첫번째 정보는 수신기와 항공 우주 비행체간의 거리이다. 이는 도플러 효과를 이용함으로써 측정될 수 있다. 그러나, 거리만 알아서는 위치를 결정하기에 충분하지 않다. 즉, 두번째 정보가 더 필요한데, 이것이 바로 각도 정보이다. 만일 항공 우주 비행체가 특별한 주파수를 전송한다면, 이 주파수가 우주 비행체의 회전 로브에 의해 오버플로우되는 각에 좌우되기 때문에, 수신기에 의해 각을 결정하는 것이 가능할 것이다. 모든 각은 특별한 주파수와 관련이 되어 있다. 이러한 두 가지 정보 즉 거리 및 각도를 알면, 항공 우주 비행체에 대한 수신기의 위치를 결정하는 것이 가능해진다. 마지막 단계는 항공 우주 비행체의 현재 위치 및 항공 우주 비행체에 대한 수신기의 상대적 위치에 대한 정보를 가지고 수신기의 절대적 위치를 계산하는 것이다.
수신기의 위치를 판정함에 있어서, 방사된 신호는 하향으로 일정하게 방사되는 것이 아니라, 회전하는 빔에 의해 회전한다. 항공 우주 비행체는 시간 신호를 끊임없이 아래로 전송하는 것이 아니라, 오히려 신호는 회전 로브(rotating lobe)로서 회전하게 된다. 이러한 회전은 안테나의 기계적인 움직임에 의해 관리될 수 있다. 즉, 이러한 회전은 기계로 구동된 안테나 또는 적합한 전자 수단에 의해 이루어질 수 있다. 회전 빔은 방사된 각도 위치의 함수에 따라 적합한 방식으로 변경될 수 있어, 순간적인 방사 각도는 수신된 신호로부터 판정될 수 있다. 이것은, 예컨대 보조 주파수에 의해 수행될 수 있으므로, 예컨대 각각의 각도 위치, 또는 다시 말해서 0°와 360°사이에서 각각의 각도 범위는 보조 주파수가 정해져 있다. 최대 수렴 시간에서 90°또는 270°의 각도는 저공 비행의 일면을 정한다.
수신기는 사용자의 조작 없이 시간 신호 송신기의 수신 신호로부터의 지구상의 그의 특정 지리적 위치를 독립적으로 판정하여 그로부터 실제 현지 시간을 결정한다. 일반적인 위성은 요구되는 수명 때문에 매우 높은 고도에 있을 경우에 결과적으로 요구되는 입력 신호 레벨이 얻어지지 않거나, 궤도의 경사가 너무 낮은 경우에 전체 지표면이 방사될 수 없기 때문에, 그러한 시간 신호에 대해 고려될 수 없다. 그러나, 낮은 위치(예컨대, 200km 내지 400km의 고도)에 있는 큰 궤도 경사를 가진 위성 또는 우주국의 경우, 위도 ±70 내지 80의 범위내의 지표면은 커버될 수 있다. 큰 궤도 경사의 경우, 전체 지표면은 시간이 지나면 위성 또는 우주국에 의해 오버플로우(overflow)된다.
시간 신호는 본 발명에 따라, 큰 궤도 경사를 가진 궤도를 따라 이동하는 항공 우주 비행체로부터의 특정 주파수 또는 여러 개의 주파수에 의해 송신된다. 또한, 시간 신호가 송신기에서 빔의 형태로 사전 설정 가능한 궤도에서 회전하고, 회전하는 송신 빔은 송신기의 방향을 판정하는데 사용되는 각도 정보를 포함하게 된다. 시간 신호가 하나의 주파수로 송신된다면, 송신기와 수신기간의 거리는 도플러 곡선을 사용하여 판정될 수 있다. 여러 개의 주파수를 사용한다면, 송신기와 수신기간의 거리는 전파 시간 분포(propagation time scatter)에 의해 판정될 수 있다. 또한, 각도 정보가 회전하는 빔으로부터 수신기에 의해 취득되기 때문에, 수신기가 항공 우주 비행체의 지상 트랙(ground track)의 왼쪽 또는 오른쪽에 있는지 확인하기 위하여 수신기의 위치가 판정된다. 그 결과, 수신기의 정확한 위치 결정이 가능하므로, 실제 현지 시간이 수신기에서 설정될 수 있다.
수신기와 항공 우주 비행체간의 거리 및 각도 정보에 대해서 좀 더 상세하게 설명하겠다.
만일 수신기의 위치가 결정된다면, 일정한 정보가 필요할 것이다.
첫번째 정보는 수신기와 항공 우주 비행체간의 거리이다. 이는 도플러 효과를 이용함으로써 측정될 수 있다. 그러나, 거리만 알아서는 위치를 결정하기에 충분하지 않다. 즉, 두번째 정보가 더 필요한데, 이것이 바로 각도 정보이다. 만일 항공 우주 비행체가 특별한 주파수를 전송한다면, 이 주파수가 우주 비행체의 회전 로브에 의해 오버플로우되는 각에 좌우되기 때문에, 수신기에 의해 각을 결정하는 것이 가능할 것이다. 모든 각은 특별한 주파수와 관련이 되어 있다. 이러한 두 가지 정보 즉 거리 및 각도를 알면, 항공 우주 비행체에 대한 수신기의 위치를 결정하는 것이 가능해진다. 마지막 단계는 항공 우주 비행체의 현재 위치 및 항공 우주 비행체에 대한 수신기의 상대적 위치에 대한 정보를 가지고 수신기의 절대적 위치를 계산하는 것이다.
수신기의 위치를 판정함에 있어서, 방사된 신호는 하향으로 일정하게 방사되는 것이 아니라, 회전하는 빔에 의해 회전한다. 항공 우주 비행체는 시간 신호를 끊임없이 아래로 전송하는 것이 아니라, 오히려 신호는 회전 로브(rotating lobe)로서 회전하게 된다. 이러한 회전은 안테나의 기계적인 움직임에 의해 관리될 수 있다. 즉, 이러한 회전은 기계로 구동된 안테나 또는 적합한 전자 수단에 의해 이루어질 수 있다. 회전 빔은 방사된 각도 위치의 함수에 따라 적합한 방식으로 변경될 수 있어, 순간적인 방사 각도는 수신된 신호로부터 판정될 수 있다. 이것은, 예컨대 보조 주파수에 의해 수행될 수 있으므로, 예컨대 각각의 각도 위치, 또는 다시 말해서 0°와 360°사이에서 각각의 각도 범위는 보조 주파수가 정해져 있다. 최대 수렴 시간에서 90°또는 270°의 각도는 저공 비행의 일면을 정한다.
수신기는 사용자의 조작 없이 시간 신호 송신기의 수신 신호로부터의 지구상의 그의 특정 지리적 위치를 독립적으로 판정하여 그로부터 실제 현지 시간을 결정한다. 일반적인 위성은 요구되는 수명 때문에 매우 높은 고도에 있을 경우에 결과적으로 요구되는 입력 신호 레벨이 얻어지지 않거나, 궤도의 경사가 너무 낮은 경우에 전체 지표면이 방사될 수 없기 때문에, 그러한 시간 신호에 대해 고려될 수 없다. 그러나, 낮은 위치(예컨대, 200km 내지 400km의 고도)에 있는 큰 궤도 경사를 가진 위성 또는 우주국의 경우, 위도 ±70 내지 80의 범위내의 지표면은 커버될 수 있다. 큰 궤도 경사의 경우, 전체 지표면은 시간이 지나면 위성 또는 우주국에 의해 오버플로우(overflow)된다.
지면(7)상에 위치한 수신 장치(4)는 시간 신호 수신기(8)와 시계(9)를 구비한다. 손목 시계로서 설계될 수 있으면 좋은 시계(9)와, 시간 신호 수신기(8)는 동기화 정보가 시간 신호 수신기(8)로부터 시계(9)로 송신될 수 있도록 접속선에 의해 서로 접속된다.
시간 신호 발생기(5)는, 예컨대 원자 시계로 시간 기준을 생성하기 위해 사용된다. 시간 신호 발생기(5)는 제어국으로 도시된 지상국(102)에 접속된다. 안테나(10.1)를 포함한 지상국은 신호를 송신하기 위해 사용되고 이 신호는 도 1의 화살표(15) 방향으로 송신되어 위성(3)의 보드상의 시간을 동기화하기 위해 사용된다.
위성(3)의 궤도는 도 1에 화살표(13)로 표시되어 있다. 부가적인 화살표(16)는 시간 신호 송신기(6)로부터 시간 신호 수신기(8)까지의 시간 신호(14)의 신호 흐름 방향을 표시한다.
도 2는 여러 개의 세그먼트 또는 구역(17)으로 분리된 지구(7)를 개략적으로 도시하고 있다. 2개의 인접 구역(17)은 구역 경계(18)에 의해 서로 분할되어 있으며, 이 구역 경계는 경도선과 평행하거나 또는 위도선과 평행하게 이어지므로, 구역(17)은 정방형과 유사하거나 직사각형의 형상이다. 구역(17)은 지구(7)상의 기존의 시간 구역에 대략적으로 대응하도록 가능한 선택될 수 있지만, 이것은 세계의 시간 구역 경계가 완전한 직선이 아니기 때문에 대략적으로만 가능하다. 도 2에서, 구역(17)은 개략적으로 도시된 것이며, 실제 크기로 도시된 것은 아니다. 실제로 구역(17)의 크기는 수신 영역보다 작도록 치수가 정해지게 된다. 궤도(19)를 포함한 위성(3)은 도면에 필요하기 때문에 개략적으로만 나타낸 것이다. 올바른 주행 경로, 즉 올바른 궤도(19)는 도 3으로부터 추정될 수 있을 것이며 하기에 더 상세히 설명될 것이다.
지구의 전개도에서, 도 3은 지구(7)상의 위성(3)의 수신 영역(20)을 도시한다. 위성(3)의 궤도의 큰 경사는 사인 곡선 형태를 갖는 궤도(19)를 형성한다. 그러므로, 지구 둘레의 위성들(3)의 몇개의 경로는 넓은 적용 범위 또는 거의 세계적인 수신 영역(20)을 갖게 된다.
경사는 궤도면(항공 우주 비행체가 움직이는 평면)과 적도면 사이의 각을 말한다. 만일 경사가 0이면, 위성이 적도면 상에서 끊임없이 움직일 것이다. 경사가 커지면, 항공 우주 비행체는 적도면 주위에서 진동할 것이다. 이는 일종의 사인파 궤도를 초래한다. 지구의 운동이 추가적으로 고려된다면, 그 결과는 도 3에 도시된 것과 같은 궤도가 될 것이다.
도 3에서 지구(7)상에 투영된 수신 원뿔(21)은 유럽 위에 순간적으로 위치되도록 그려진다. 도 3에서, 지구(7)상에 투영된 수신 원뿔(21)이 도면에 타원형으로 지구(7)의 전개도로 형성되어 있지만, 유럽 전체를 포함하고, 여러 개의 실제 존재하는 시간 구역을 스위핑한다는 것을 쉽게 알 수 있다.
경사는 궤도면(항공 우주 비행체가 움직이는 평면)과 적도면 사이의 각을 말한다. 만일 경사가 0이면, 위성이 적도면 상에서 끊임없이 움직일 것이다. 경사가 커지면, 항공 우주 비행체는 적도면 주위에서 진동할 것이다. 이는 일종의 사인파 궤도를 초래한다. 지구의 운동이 추가적으로 고려된다면, 그 결과는 도 3에 도시된 것과 같은 궤도가 될 것이다.
도 3에서 지구(7)상에 투영된 수신 원뿔(21)은 유럽 위에 순간적으로 위치되도록 그려진다. 도 3에서, 지구(7)상에 투영된 수신 원뿔(21)이 도면에 타원형으로 지구(7)의 전개도로 형성되어 있지만, 유럽 전체를 포함하고, 여러 개의 실제 존재하는 시간 구역을 스위핑한다는 것을 쉽게 알 수 있다.
도 4는 시간 신호 수신기(8)의 관점에서 수신되는 도플러 편이의 예시적인 주파수 곡선(25)을 포함한 그래프(22)를 도시한다. 도 4의 그래프(22)에서, 횡축(23)은 시간을, 종축(24)는 주파수를 나타낸다. 수직 점선(26)은 주행 시각 t0를 나타내며, 이 주행 시각에서 시간 신호 수신기(8)는 시간 신호 송신기(6)로부터 최소 거리에 있다. 점선(26)에서 왼쪽으로 가는 영역은 시간 신호 송신기(6)가 시간 신호 수신기(8)에 접근하는 것을 나타내며 점선(26)에서 오른쪽 영역으로 갈수록, 시간 신호 송신기(6)는 시간 신호 수신기(8)로부터 멀어진다. 시간 신호 수신기(8)로 향하는 시간 신호 송신기(6)의 속도 성분이 클수록, 위성(3)은 시간 신호 수신기(8)에 의해 더 가깝게 주행하고, 주행 시간 t0의 경계내에서의 주파수 편이는 더 뚜렷해진다(즉, 더 커진다). 결과적으로, 시간 신호 수신기(8)는 주파수 응답 곡선(25)으로부터 시간 신호 송신기(6) 주파수까지의 거리를 결정할 수 있다.
Claims (29)
- 시간 신호를 송신하는 방법에 있어서,상기 시간 신호를 세계 어느 지역에서도 수신할 수 있도록 하기 위해, 지표면의 한 지점에 대해 상대적으로 이동하는 항공 우주 비행체(2)로부터 특정 주파수 또는 여러 개의 주파수에 의해 송신이 수행되며,상기 항공 우주 비행체(2)는 큰 궤도 경사를 가진 궤도(19)를 따라 이동하며,상기 시간 신호는 송신기(6)에서 빔의 형태로 사전 설정 가능한 궤도상에서 회전하고,상기 회전하는 송신 빔은 상기 송신기(6)의 방향을 판정하기 위해 사용되는 각도 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 항공 우주 비행체에 의해 전송되는 신호는, 지구상에 존재하는 수신기(8)가 수신하는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 시간 신호는 상기 항공 우주 비행체에 의해 오버플로우된 위치에 대한 실제 현지 시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 수신기(8)는 자신의 지리적 위치를 독립적으로 판정하고, 그 결과로부터, 특정 지리적 구역(17)으로의 매핑을 수행하는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 시간 신호(14)는 정적 또는 동적으로 방사되는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 빔은 이산적인 시간 값으로 또는 시간 연속적으로 회전하는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 송신기(6)는 보조 반송 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 시간 신호(14)를 송신하기 위해 위상 제어 기능을 갖는 분리 안테나 또는 회전 안테나를 사용하는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 지표면은 적절히 번호가 매겨진 구역(17)들로 분할되는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 시간 신호(14)와 함께 추가 정보가 송신되는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 추가 정보는 상기 송신기의 일지(ephemeris); 주행 방향; 좌표; 상기 송신기(6)의 다음 주행의 시간; 또는 상기 송신기의 일지(ephemeris), 주행 방향, 좌표 및 상기 송신기(6)의 다음 주행의 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 송신기(6)와 상기 수신기(8)간의 거리는 상이한 주파수로 송신되는 신호들의 전리층을 통과하는 전파 시간의 차이를 이용하여 수신기에 의해 판정되는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 송신기(6)는 독립적으로 전리층 교정을 수행하거나, 전리층 교정이 제어국(10.2)에 의해 송신되도록 하는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 송신기(6)의 신호는 주파수 또는 위상 변조에 의해 스트래들(straddle)되는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 송신기(6)의 시간 신호(14)의 변조 또는 인코딩이 개별적으로 행해지는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 인코딩 및 송신은 동기적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제15항에 있어서, 송신 주파수는 동기 편이를 가지는 것을 특징으로 하는 시간 송신 방법.
- 제17항에 있어서, 시간 차이의 증가는 주파수 편이로 인해 발생되는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 시간 신호(14)의 추가 시간 해상도는 위상 편이 관계로부터 생성되는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 송신된 추가 정보는 삽입된 동기화 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 제1항에 있어서, 지구상의 국가 시간 송신기 위를 주행하는 동안 항공 우주 비행체(2)의 보드상에서 시계의 자동 조정이 수행되는 것을 특징으로 하는 시간 신호 송신 방법.
- 시간 신호 수신 방법에 있어서,수신기가 그의 지구상의 지리적 위치를 독립적으로 판정하여 그로부터 실제 현지 시간을 설정하며,상기 수신기는, 송신기에 의해 하나 또는 다수 개의 주파수로 방사된 시간 신호; 도플러 편이; 상기 시간 신호의 전파 시간 분포로부터 송신기까지의 거리; 또는 송신기에 의해 하나 또는 다수 개의 주파수로 방사된 시간 신호, 도플러 편이 및 상기 시간 신호의 전파 시간 분포로부터 송신기까지의 거리로부터, 자신의 지리적 위치를 판정하며,상기 수신기는 회전하는 빔으로서 방사되는 상기 시간 신호로부터 방사 각도를 판정하는 것을 특징으로 하는 시간 신호 수신 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 수신기에 의해 수신되는 시간 신호의 주파수에서 도플러 편이가 분석되어, 상기 수신기(8)의 위치를 판정하는 것을 특징으로 하는 시간 신호 수신 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 시간 신호를 수신하는 것은 시계(9)인 것인 시간 신호 수신 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 시간 신호를 수신하는 것은 손목 시계(watch)인 것인 시간 신호 수신 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 지리적 구역(17)은 번호가 매겨진 것인 시간 신호 송신 방법.
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