KR100617786B1

KR100617786B1 - 도플러 변화를 보상하는 고감도 전세계위치확인 시스템수신기 및 방법

Info

Publication number: KR100617786B1
Application number: KR1020040054416A
Authority: KR
Inventors: 박찬우; 최선
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2006-08-28
Also published as: US20060012515A1; US7391366B2; KR20060005573A

Abstract

본 발명은 GPS 위성들로부터 수신되는 GPS 신호들의 세기가 매우 낮은 환경에서 사용자 움직임에 의한 도플러 변화를 보상하여 GPS 신호들을 정확하게 검출하는 방법 및 GPS 수신기를 개시한다. GPS 수신기는, 지구 중심을 기준으로 하는 단말의 가속도 벡터를 측정하는 가속도 측정기와, 상기 가속도 벡터를 이용하여 상기 단말의 가속도에 의한 각 GPS 위성들의 사용자 도플러 변화율을 추정하는 사용자 도플러 추정기와, 상기 추정된 사용자 도플러 변화율과 다른 적어도 하나의 추정된 도플러 변화율에 의해 도플러 주파수를 예측하는 도플러 예측기와, 상기 예측된 도플러 주파수에 의해 상기 위성들로부터의 수신 신호들과 상관하기 위한 상기 위성들의 코드 및 반송파를 보상하는 코드 및 반송파 주파수 신호 발생기들을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 장시간의 동기적분을 제한하는 사용자의 움직임을, 관성 센서를 사용하여 측정 및 보상함으로써 보다 장시간의 동기적분을 가능하게 하여 GPS 수신 감도를 획기적으로 증가시키는 효과가 있다.

GPS, FFT, coherent integration, Inertial sensor, ECEF

Description

도플러 변화를 보상하는 고감도 전세계위치확인 시스템 수신기 및 방법{HIGH SENSITIVITY GPS RECEIVER FOR COMPENSATING DOPPLER ERROR AND THEREFOR METHOD}

도 1은 종래 기술에 의해 GPS 신호를 검출하는 GPS 수신기의 구조를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명이 적용되는 통신 링크를 가지는 GPS 수신기의 구조를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 도플러 변화를 보상하는 GPS 수신기의 구조도.

도 4는 주파수 에러의 변화가 선형적인 경우 도플러 변화율에 따른 신호대 잡음비를 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명에 적용되는 ECEF 좌표 프레임을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 사용자 움직임을 감지하는 가속도 측정기의 내부 구조도.

본 발명은 전세계위치확인 시스템(Global Positioning System: 이하 "GPS"라 한다.)에 관한 것으로서, 특히 GPS 위성들로부터 수신되는 GPS 신호들의 세기가 매우 낮은 환경에서 사용자 움직임에 의한 도플러 변화를 보상하여 GPS 신호들을 정확하게 검출하는 방법 및 GPS 수신기에 관한 것이다.

현대 사회가 발전해 나감에 따라서 개인휴대통신 역시 비약적으로 발전해 나가고 있으며 더불어 각종 다양한 부가 서비스를 지원하고 있다. 특히 어떤 나라들은 위치확인(GPS) 시스템을 휴대단말기에 기본적으로 장착하도록 규정하여 모든 휴대 단말기를 대상으로 각종 위치정보 관련 서비스를 제공하는 추세에 있다. 지구 근방에는 정해진 궤도를 따라 지구를 돌면서 그들 자신의 천체위치(ephemeris)와 시스템 시간을 브로드캐스팅하여, GPS 수신기가 자신의 위치를 결정할 수 있도록 하는 많은 GPS 인공위성들이 있다. GPS 수신기는 적어도 4개의 GPS 인공위성들로부터 동시에 전송되는 GPS 신호들의 상대적인 도착 시간들을 계산하여 정확한 시간과 자신의 위치를 결정한다.

이러한 절차는 종종 수분 정도의 많은 시간이 소모된다. 특히 한정된 배터리 수명을 가지는 휴대용 기기에 적용되는 소형화된 GPS 수신기에 있어서 이러한 시간의 소모는 수용될 수 없을 정도의 수준이다. 이 때문에 일부 수신기는 인접한 GPS 지원(Assisted GPS: 이하 AGPS라 칭함) 서버로부터 탐색에 필요한 기본적인 도플러 정보, 즉 대략적인 코드의 위상과 도플러 값을 제공받는다. GPS 수신기의 또 다른 제약은 동시에 다수의 위성들이 관측 가능하여야 하며 좋은 품질의 신호들이 수신 되어야 한다는 것이다. 대부분의 경우 휴대용 기기는 좋은 품질의 안테나를 장착하기 어려우며 숲이나 지하 및 건물 내부 등에 위치할 수 있기 때문에 좋은 품질의 신호들을 수신하는 것은 용이하지 않다.

전형적인 GPS는 데이터 비트 변조가 없는 파일럿 채널이 없지만, AGPS 서버로부터 제공된 예측된 데이터 비트를 이용하기 때문에 데이터 비트를 제거할 수 있다. 또한 보다 개선된 L2 대역의 C/A(coarse acquisition) 코드는 변조되지 않은 데이터를 사용할 수 있다. 이와 같이 변조되지 않은 신호는 장시간의 동기적분이 가능하므로 통상 약한 신호세기를 가지는 GPS 신호에 대해 장시간의 동기적분(coherent integration)을 통해 수신감도를 향상시키는 것은 매우 중요하다. 장시간의 동기적분을 위해서는 정확한 도플러 주파수의 적용이 필수적이다. 특히 국부 발진기에서 발생하는 주파수 오차로 인한 주파수의 바이어스나 사용자의 이동에 따른 도플러 옵셋 등은 장시간의 동기적분시에 상관결과 값을 낮추어 신호의 획득을 어렵게 한다.

도 1은 종래 기술에 의해 GPS 신호를 검출하는 GPS 수신기(100)의 구조를 나타낸 것이다. 여기에 나타낸 GPS 수신기(100)는 휴대폰, 원격 통신 장치, 휴대용 기기에 장착될 수 있도록 비교적 소형화된 구조를 가진다.

도 1을 참조하면, GPS 위성으로부터 송출된 무선 주파수(Radio Frequency: RF) 대역의 신호는 안테나(102)로 수신되고, 신호 수신기(104)에 의해 중간주파수(Intermediate Frequency: IF) 신호로 변환된 후 디지털 신호로 변환되어 상관기(Correlator)(120)로 전달된다.

GPS 수신기(100)의 상대적인 위치 변화(속도)에 따른 코드와 반송파의 위상 에러는 반송파 NCO(Carrier Numerically Controlled Oscillator)(114)와 코드 NCO(116)에 의해 보상된다. 반송파 NCO(114)는 TCXO(Temperature-Compensated Crystal Oscillator)(112)로부터 제공된 발진 신호를 이용하여 도플러 탐색에 적절한 반송파 주파수 신호를 생성한다. 코드 NCO(116)는 상기 GPS 위성에 관련되고 상기 반송파 주파수에 맞추어 위상 보정된 코드 주파수 신호를 생성한다. 코드 발생기(118)는 상기 코드 주파수 신호에 따라 GPS 신호의 PRN(Pseudo Random Noise) 코드를 발생한다. 상관기(120)는 상기 디지털 신호에 상기 반송파 주파수 신호를 혼합하며, 상기 혼합된 신호에 상기 PRN 코드를 상관하여 상관 샘플을 구한다. 여기서 각 샘플은 통상 약 1ms(milli second) 동안 누적되며 이는 1ms의 동기적분 결과에 상응한다.

GPS 위성과 GPS 수신기(100)와 상대적인 움직임으로 인하여 발생된 도플러 주파수는 상기 상관 샘플들의 피크 값들에 영향을 미친다. 이러한 영향은 반송파 NCO(114)만으로 완전히 제거되지 않는다. 따라서 GPS 수신기(100)는 도플러 탐색을 위해 상기 반송파 NCO(114)를 제어한다. 즉, 반송파 NCO(114)는 미리 정해지는 도플러 탐색 범위 내에서 반송파 주파수 신호를 소정 주파수 옵셋만큼 변형시켜 가면서 출력한다. 각 반송파 주파수 신호들에 따른 상관 샘플들은 메모리(122)에 저장된다.

동기 적분기(coherent integrator)(124)는 상기 메모리(122)로부터 샘플들을 읽어내어 동기적분에 필요한 회수만큼 누적하여 동기 적분한다. 탐색기(126)는 상 기 동기 적분기(124)로부터 출력되는 누적 샘플들을 저장하고, 상기 누적 샘플들의 상관 에너지들을 반복적으로 탐색한다. 신호 검출기(128)는 상기 탐색 결과에 따라 소정 검출 임계치 이상의 피크 에너지를 가지는 상관 샘플을 검출하며, 상기 피크 에너지를 나타내는 반송파 주파수를 도플러 주파수로 간주한다.

GPS 위성들로부터의 GPS 신호들에 대해 충분히 센 수신 세기를 얻을 수 없는 실내 환경에서, 휴대 단말의 GPS 수신기는 수신 감도(sensitivity)를 보다 향상시키기 위해 비교적 인근의 AGPS 서버로부터 탐색할 코드와 도플러 주파수의 탐색 범위를 제공받고 상기 도플러 주파수 탐색 범위를 이용하여 동기적분시간을 늘림으로써 낮은 레벨의 신호를 효과적으로 검출한다.

그러나 수신 감도를 향상시키는데 핵심이 되는 동기적분시간을 늘리는 데는 제약이 있다. 우선, CDMA(Code Divison Multiple Access) 신호와 달리 파일럿 채널이 없는 GPS 신호는 항법 데이터 비트(Navigation data bit)의 존재로 인해서 장시간의 동기 적분시 상관 결과가 비트 극성(bit polarity)에 의해 상쇄된다. 두 번째로 장시간 동안 도플러 주파수의 변화를 보상해주지 못한 채로 적분할 경우 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio: 이하 SNR라 칭함)의 감소를 가져온다.

상기 첫 번째 문제를 해결하기 위한 방법으로 AGPS 서버에서는 앞으로 수신될 것으로 예상되는 메시지 비트들을 별도의 네트워크를 이용하여 단말에게 미리 보내준다. 20ms 주기의 데이터 비트 경계(data bit boundary)의 위치는, 수 ㎲(micro second) 정도의 정확도를 지니는 CDMA 네트워크 시스템 시간을 이용하면 동기시킬 수 있다.

상기 두 번째 문제는 도플러의 변화를 예상함으로써 해결할 수 있다. 도플러를 변화시키는 요인은 크게 다음의 세 가지가 있다.

I) GPS 위성의 움직임과 지구 자체의 움직임은 GPS 신호의 도플러 주파수를 시간에 따라 변화시키며, 이는 초당 0.5 내지 1Hz의 변화율을 가진다. 단말은 위성들의 천체위치(Ephemeris)와 CDMA 시스템 시간을 가지고 위성과 지구의 운동 모델을 통하여 이러한 요인을 충분히 예측 가능하다.

II) 단말이 사용하는 신호는 단말의 사용자 국부클럭(User Local Clock)에 의해 생성되는데, 상기 국부클럭의 불안정성은 GPS 신호를 변화시키는 요인이 된다. 하지만 동기적분을 하게 되는 1초 이하의 비교적 짧은 시간 동안 국부클럭이 충분히 안정되어 있고 클럭 모델에 의해 국부클럭이 정확하게 보상되고 있다면, 이 요인은 최종적으로 거의 영향을 끼치지 않게 된다.

III) 마지막 요인은 사용자 자체의 움직임인데, 이는 초당 1 내지 10Hz의 변화율을 가지며 예측하기가 불가능하다. 사용자의 움직임은, 필요로 하는 1초 이하의 동기적분시간 동안에도 도플러 주파수에 충분히 큰 영향을 미칠 수 있으며 수신 감도향상의 근본적인 제약조건이 된다.

따라서 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명의 목적은, 수신감도를 저하시키는 도플러 변화를 보상하기 위해서 관성 센서(Inertial Sensor)를 이용하는 전세계위치확인 시스템(GPS) 수신기 및 방 법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 관성 센서를 이용하여 GPS 위성이 사용하는 ECEF(Earth Centered Earth Fixed) 좌표계에서 단말의 가속도 및 가속도 방향을 구하여 사용자와 각 위성과의 도플러 변화를 직접 측정하는 GPS 수신기 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 관성 센서를 이용하여 직접 측정한 도플러 변화를 보상하여 도심지역 및 실내에서 GPS 신호의 수신 감도를 향상시키는 GPS 수신기 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 실시예는, 사용자 단말에 장착된 전세계위치확인 시스템(GPS) 수신기에서 사용자 움직임으로 인한 도플러 변화를 보상하는 방법에 있어서,

지구 중심을 기준으로 하는 단말의 가속도 벡터를 측정하는 과정과,

상기 가속도 벡터를 이용하여 상기 단말의 가속도에 의한 각 GPS 위성들의 사용자 도플러 변화율을 추정하는 과정과,

상기 추정된 사용자 도플러 변화율과 다른 적어도 하나의 추정된 도플러 변화율에 의해 도플러 주파수를 예측하는 과정과,

상기 예측된 도플러 주파수에 의해, 상기 위성들로부터의 신호들을 수신하기 위한 사용되는, 상기 위성들의 코드 주파수 신호 및 반송파 주파수 신호를 보상하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예는, 사용자 단말에 장착되어 사용자 움직임으로 인한 도플러 변화를 보상하는 전세계위치확인 시스템(GPS) 수신기에 있어서,

지구 중심을 기준으로 하는 단말의 가속도 벡터를 측정하는 가속도 측정기와,

상기 가속도 벡터를 이용하여 상기 단말의 가속도에 의한 각 GPS 위성들의 사용자 도플러 변화율을 추정하는 사용자 도플러 추정기와,

상기 추정된 사용자 도플러 변화율과 다른 적어도 하나의 추정된 도플러 변화율에 의해 도플러 주파수를 예측하는 도플러 예측기와,

상기 예측된 도플러 주파수에 의해, 상기 위성들로부터의 신호들을 수신하기 위한 사용되는, 상기 위성들의 코드 주파수 신호 및 반송파 주파수 신호를 보상하는 코드 및 반송파 주파수 신호 발생기들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

후술되는 본 발명은 낮은 세기의 GPS 신호에서 도플러 변화에 의한 영향을 보상하여 수신감도를 향상시킨다. 즉, GPS 수신기에서 도심지역이나 실내와 같이 매우 낮은 신호대 잡음비를 가지는 GPS 신호를 검출하기 위해서는 100 내지 1000ms 정도로 장시간의 동기적분을 하는 것이 매우 유리한데, 이를 가능하게 하기 위해서는 동기적분기간 동안의 도플러 변화를 보상해주어야만 한다. GPS 수신기는 AGPS 서버로부터 수신된 메시지를 통해 GPS 신호 메시지의 비트 정보를 제공받고, 위성 천체위치(Ephemeris)의 추적을 통해 위성과 지구의 움직임으로 인한 도플러를 보상한다. 또한 후술되는 본 발명의 실시예에 따라 사용자 움직임으로 인한 도플러 변화를 보상한다.

즉, 본 발명은 매우 낮은 신호대 잡음비를 가진 GPS 신호의 획득과 추적을 가능하게 하는 장시간의 동기적분을 수행함에 있어서 장애가 되었던 도플러 주파수의 변화를 탐지 및 보상한다. 특히 본 발명은 도플러 주파수의 변화를 만들어 내는 대표적인 요인들 중 가장 예측하기 어려운 사용자 움직임을 관성 센서를 이용하여 측정 및 획득한 후, 상기 사용자 움직임을 동기적분 과정에 적용시킨다. 이로써 본 발명은 통상 가능하지 않다고 여겨지고 있던 1000ms 이상의 동기적분을 가능하게 하여, 신호대 잡음비가 낮은 지역에서 GPS의 수신 성능을 향상시킨다.

GPS 수신기에서 GPS 신호에 대한 상관은 실시간으로 이루어져야 한다. 한정된 하드웨어 자원을 가지고 있는 휴대용 기기에서 GPS 신호의 반송파와 코드의 결정에 관련된 복잡한 계산을 수행하는 것은 매우 큰 부담이 되며, 매우 긴 시간이 소요된다. 따라서 잘 알려진 휴대용 기기의 GPS 수신기들은 별도의 데이터 통신 기 능을 이용하여 GPS 수신기를 구비하는 비교적 인접한 서버로부터 GPS 신호의 탐색에 필요한 대략의 파라미터들을 수신한다. 이러한 시스템을 GPS 지원(Assisted-GPS: 이하 AGPS라 칭함)라 칭하며 상기 서버는 AGPS 서버라 불린다.

도 2는 본 발명이 적용되는 통신 링크를 가지는 GPS 수신기의 구조를 나타낸 것이다. 여기에서는 휴대 단말(250) 내에 구비된 GPS 수신기가, AGPS(Assisted-GPS) 서버(300)로부터 GPS 신호 탐색에 필요한 파라미터들을 수신하는 시스템 구조를 나타내었다.

도 2를 참조하면, 휴대 단말(250)은 고유의 통신 방식에 의해 AGPS 서버(300)와 통신한다. AGPS 서버(300)는 상기 휴대 단말(250)의 인근에 위치하며, 상기 휴대 단말(250)와 동일한 GPS 위성들에 관련된다. AGPS 서버(300)는 GPS 안테나(302)를 이용하여 GPS 위성들로부터 GPS 신호들을 수신하고 상기 GPS 신호들에 의해 GPS 위성들에 의한 도플러 정보 및 다른 신호 파라미터들을 개략적으로 결정하며, 상기 결정된 도플러 정보를 AGPS 메시지에 실어 안테나(310)를 통해 휴대 단말(250)의 안테나(260)로 송출한다.

휴대 단말(250)은 안테나(260)를 이용하여 상기 AGPS 메시지를 수신하며, 휴대 단말(250) 내의 GPS 수신기(200)는 GPS 안테나(202)에 의해 수신한 GPS 신호들을 상기 AGPS 메시지에 포함된 도플러 정보 등에 따라 결정된 개략적인 코드 및 반송파 탐색범위 내에서 탐색한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 GPS 신호를 검출하는 GPS 수신기(200)의 구조를 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, AGPS 메시지 수신부(214)는 AGPS 서버로부터 도플러 정보를 포함하는 AGPS 메시지를 수신하며, AGPS 메시지 처리기(216)는 상기 AGPS 메시지를 분석하여 관측 가능한 GPS 위성들의 천체좌표(Ephemeris), 휴대 단말(250)의 근사 위치, 국제 시간 등의 도플러 정보를 획득한다. 상기 획득된 도플러 정보는 단위벡터 계산기(222)와 지구 도플러 추정기(224), 도플러 탐색범위 예측기(232), 코드 탐색범위 예측기(230)로 제공된다. 상기 코드 탐색범위 예측기(230)는 상기 도플러 정보에 따라 GPS 위성들의 PRN 코드들을 포함하는 코드 탐색범위를 예측한다.

한편, 가속도 측정기(218)는 자신이 장착되어 있는 휴대 단말(250)의 관성에 따른 가속도와 회전 및 방위를 측정하여 ECEF(Earth Centered Earth Fixed) 좌표계에서 휴대 단말(250)의 가속도 벡터

을 측정한다. 그리고 단위벡터 계산기(222)는 상기 GPS 위성들의 천체좌표와 휴대 단말(250)의 근사 위치를 이용하여, 휴대 단말(250)로부터 각 위성으로의 단위벡터

를 계산한다. 사용자 도플러 추정기(220)는 상기 가속도와 단위벡터들을 이용하여 상기 가속도에 의한 위성의 도플러 변화율(Doppler Rate) Ds[Hz/s] 를 추정하며, 지구 도플러 추정기(224)는 상기 위성들의 천체좌표를 이용하여 GPS 위성들과 지구의 움직임에 의한 도플러 변화율 De을 추정한다. 또한 클럭 모델 추정기(226)는 TCXO(236)의 클럭 모델에 따라 국부클럭의 불안정성으로 인한 주파수 변화율 Dc를 추정한다. 합산기들(228a,228b)은 상기 추정된 변화율들을 합산하여 도플러 예측기(234)로 제공한다.

도플러 탐색범위 예측기(232)는 상기 AGPS 메시지 처리기(216)로부터 제공된 도플러 정보에 따라 도플러 주파수의 대략적인 변화 정도에 따른 도플러 탐색범위와 상기 도플러 탐색범위의 중심 주파수(이하 도플러 중심(Doppler Center)이라 칭함)를 예측한다. 그러면 도플러 예측기(234)는 상기 도플러 중심에 단위시간에 대한 상기 도플러 변화율들의 합산 값을 더하여 현재의 도플러 주파수를 예측한다. 상기 예측된 도플러 주파수는 코드 NCO(238)와 반송파 NCO(240)로 제공된다.

반송파 NCO(240)와 코드 NCO(238)는 GPS 수신기(100)의 상대적인 위치 변화(속도)에 따른 코드와 반송파의 위상 에러를 보상한다. 즉 반송파 NCO(240)는 도플러 예측기(234)로부터 제공된 예측된 도플러 주파수에 따라 TCXO(236)로부터 제공된 발진 신호를 이용하여 도플러 탐색에 적절한 반송파 주파수 신호를 생성한다. 코드 NCO(238)는 코드 탐색범위 예측기(230)로부터 제공된 코드 탐색범위에서 상기 GPS 위성들에 관련되고 상기 반송파 주파수에 맞추어 위상 보정된 코드 주파수 신호를 생성한다. 코드 발생기(242)는 상기 코드 주파수 신호에 따라 GPS 신호의 PRN 코드를 발생한다. 상관기(208)는 상기 디지털 신호에 상기 반송파 주파수 신호를 혼합하며, 상기 혼합된 신호에 상기 PRN 코드를 상관하여 상관 샘플들을 구한다. 여기서 각 샘플들은 통상 약 1ms(milli second) 동안 누적되며 이는 1ms의 동기적분 결과에 상응한다.

이때, 반송파 NCO(240)는 도플러 탐색범위 예측기(232)에 의해 예측된 도플러 탐색 범위 내에서 상기 반송파 주파수 신호를 소정 주파수 옵셋만큼 변형시켜 가면서 출력한다.

GPS 위성으로부터 송출된 무선 주파수(RF) 대역의 신호는 안테나(202)를 통해 신호 수신기(204)로 수신되고, 상관기(208)는 상기 위성 신호를 상기 반송파 NCO(240)에 의해 발생된 반송파 주파수 신호와 혼합한 후 상기 코드 발생기(242)에서 발생된 PRN 코드와 상관하여 상관 샘플을 구한다. 상관기(208)는 반송파 NCO(240)에서 발생되는 복수의 반송파 주파수 신호들에 대하여 반복적으로 동작한다.

반송파 NCO(240)에 의해 발생된 각 반송파 주파수 신호들에 따라 구해진 상관 샘플들은 동기 적분기(210)에 의해 동기적분된다. 동기 적분기(210)는 낮은 레벨의 신호를 보다 효율적으로 검출하기 위하여 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform: 이하 FFT라 칭함)을 사용하기도 한다. 동기 적분기(210)는 상기 샘플들을 읽어내어 동기적분에 필요한 회수만큼 누적하여 동기 적분한다. 신호 검출기(212)는 상기 동기 적분기(210)로부터 출력되는 누적 샘플들의 상관 에너지들을 반복적으로 탐색하여, 소정 검출 임계치 이상의 피크 에너지를 가지는 상관 샘플을 검출한다. 상기 피크 에너지를 나타내는 반송파 주파수는 도플러 주파수로 간주된다.

여기에서 사용자 도플러 추정기(220)는 단말의 가속도와 각 위성들로의 방향을 나타내는 단위벡터를 이용하여 각 위성의 도플러 변화율을 측정한다. 상기 단말의 움직임을 감지하는 가속도 측정기(218)의 내부 구조는 도 6에 자세히 도시하였 으며 그 설명은 후술될 것이다.

다른 요인에 의한 도플러 변화율을 추정하기 위하여 지구 도플러 추정기(224)와 클럭 모델 추정기(226)가 사용되었다. 도플러 예측기(234)는 상기 사용자 도플러 추정기(220)와 지구 도플러 추정기(224) 및 클럭 모델 추정기(226)에서 각각 구해진 해당 인에 의한 도플러 변화율과, 도플러 탐색범위 예측기(232)에서 구한 도플러 중심을 기준으로, 현재의 도플러 주파수를 예측한다. 상기 예측된 도플러 주파수는 코드 NCO(238)와 반송파 NCO(240)를 통해 상관기(208)(210)의 상관 결과에 적용된다. 상기 도플러 예측기(234)는 동기 적분기(210)에 의한 동기적분이 수행되는 동안 계속하여 현재의 도플러 주파수를 갱신하여 예측한다.

여기서 장시간의 동기적분에 있어서 도플러의 변화율이 동기적분 결과에 미치는 영향을 살펴보기로 한다. 도플러의 변화율과 상관 결과의 관계는 다음 <수학식 1>과 같다.

여기서 I는 상관 결과의 크기(magnitude)이며, A는 신호대 잡음비(Signal to Noise: SNR)에 따른 상관결과의 크기(Amplitude)이며, n은 상관 잡음이다. 또한

는

칩의 코드 위상 에러에 대한 상관 함수이고,

는

이고,

는 Hz 단위의 주파수 에러이고, T는 초(seconds) 단위의 동기적분기간이고,

는 라디안 단위의 위상 에러이다. 따라서

/

는

/

이므로 여기서

/

는 초당 Hz(Hz/s) 단위의 주파수 에러 변화율이 된다.

상기 <수학식 1>에서 주파수 에러의 변화가 선형적인 경우 도플러 변화율에 따른 신호대 잡음비는 도 4에 나타낸 바와 같다. 도 4는 1초의 동기적분기간에서 주파수 에러를 200Hz~800Hz내에서 변화시키면서, 0~3Hz/s의 도플러 변화율에 따라 변화하는 신호대 잡음비를 나타낸 것이다. 도시한 바와 같이 1초의 동기적분시 도플러 변화율이 2Hz/s 이상이 되면 동기적분의 효과가 상실되고 있다. 즉, 1초 이상의 긴 동기적분시에는 2Hz/s의 작은 도플러 변화율만으로 동기적분의 효과가 상실됨을 알 수 있다.

도 3의 가속도 측정기(218)는 도플러 변화의 요인들 중 하나인 사용자 움직임을 나타내는 단말의 가속도 벡터를 위성의 움직임이 정의된 ECEF 좌표계로 나타낸다. 즉, 위성 S로부터 수신되는 신호가 단말의 가속도에 의해 도플러 변화를 가질 때, 상기 도플러 변화율 D_s는 단말의 가속도 벡터

와, 단말로부터 위성 S의 방향을 가리키는 단위벡터

의 내적(dot product)으로 하기 <수학식 2>와 같이 나타내어진다.

여기서

는 단말의 ECEF 프레임에 대한 가속도 벡터를 ECEF 프레임에서 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명에 적용되는 ECEF 좌표 프레임을 나타낸 것이다. 여기서 고려 되는 것은 ECEF 프레임(e-프레임)과 단말 프레임(Body Frame: b-프레임)이며, 가속도를 구하기 위해서는 관성 프레임(Inertial Frame: i-프레임)이 사용된다. ECEF 프레임과 관성 프레임의 좌표 원점은 지구의 중심이며, 단말 프레임의 중심은 단말 자체가 된다.

ECEF 프레임은 지구에 고정되어 지구와 함께 회전하는 좌표계이다. x축(x-axis)은 적도면의 그리니치 자오선(Greenwich meridian in the equatorial plane)이며 z축은 지구의 회적축이다. 위성의 움직임이 ECEF로 계산되고 있으므로, 단말과 위성사이에 나타나는 도플러 주파수와 그 변화량을 측정하기 위해서는 현재 단말의 위치와 속도, 가속도 등을 ECEF 좌표계로 나타낸다.

단말 프레임은 단말에 고정되어 있는 좌표계로서 단말에 장치된 자이로스코프(gyroscope)나 가속도 센서(accelerometer)에 의해서 사용된다. 관성 프레임은 ECEF 프레임과는 달리 우주에 고정되어 있는 좌표계로서, x축(x-axis)은 춘분점(vernal equinox)을 향하고 있으며, z축은 지구의 회전축이다. 관성 프레임을 기준으로 지구의 회전 속도를 구할 수 있다.

상기 프레임들을 고려한, 도 3의 가속도 측정기(218)의 보다 상세한 구성을 도 6에 나타내었다. 도시한 바와 같이 가속도 측정기(218)는 가속도 센서(Inertial sensor)(402), 자이로스코프(404), 자세(Compass) 측정기(406), 자세 계산기(408), 좌표 변환기(410), 중력 계산기(412), 전향력 계산기(416), 보상기들(414, 418)로 이루어진다. 이하 상기 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 단말의 도플러 변화량의 예측에 대해 상세히 설명한다.

단말의 움직임에 의한 도플러 변화량을 예측하기 위해 구해야 하는 것은 관성 프레임에 대한 단말의 가속도가 아니라 지구에 고정되어 회전하고 있는 회전 좌표계인 ECEF 프레임에 대한 단말의 가속도 벡터이다. 좌표 변환기(410)는 상기 가속도 센서(402)로부터 직접 측정되는 단말 프레임에 대한 가속도 벡터를, 지구의 자전 속도와 중력장을 고려하여 ECEF 프레임으로 환산함으로써 ECEF 프레임의 가속도 벡터를 구한다.

먼저 ECEF 프레임의 속도벡터

는 하기 <수학식 3>과 같다.

여기서, r은 단말의 위치 벡터이고,

는 관성 프레임에 대한 지구의 자전 각속도벡터이며, d/dt는 시간에 대한 미분을 의미한다.

코리올리 방정식으로부터, 구하고자 하는 단말 속도의 ECEF 좌표계에 대한 변화량은 다음 <수학식 4>와 같이 관성 프레임에 대한 단말의 가속도 벡터로부터 구할 수 있다.

한편,

의 관성 좌표계에 대해서의 변화량은 상기 <수학식 3>을 관성 좌표계에 대해서 다시 한번 미분함으로써 다음 <수학식 5>와 같이 얻어진다.

여기서, f는 단말이 외부 힘에 의해 갖는 가속도이고, g_l은 지구자전에 의한 원심력과 지구 중력장에 의한 지역 중력벡터(local gravity vector)이다. 또한 단말의 관성 프레임에 대한 가속도는 다음 <수학식 6>과 같다.

따라서, <수학식 4>에 <수학식 5>를 대입하면 단말의 ECEF 프레임에 대한 가속도는 다음 <수학식 7>이 된다.

상기 <수학식 7>을 다시 ECEF 좌표계로 표현하면, 다음 <수학식 8>과 같다.

여기서 위첨자 e와 b는 각각 해당 벡터들이 표현된 좌표계가 ECEF 프레임인지 단말 프레임인지를 나타낸다. f^b가 단말 프레임으로 나타내어지는 것은, 단말의 내부에 장착된 가속도 센서(402)를 이용하여 측정되기 때문이다.

C_b ^e는 단말 프레임에서 측정된 가속도 벡터를 ECEF 프레임으로 바꿔주는 방향 코사인 행렬(direction cosine Matrix)이다. 상기 변환 행렬은, 초기 자세값(compass)과 자이로스코프(404)에 의해 측정된 단말의 회전 각속도 벡터

및 관성 프레임에 대한 지구의 각속도를 ECEF 프레임으로 나타낸

을 이용하여, 자세 계산기(408)에 의해 갱신된다. 여기서 상기 초기 자세값은 자세 측정기(406)나 기울기 센서(tilt sensor)(도시하지 않음)에 의해 대략적으로 측정된다. 이와 같이 ECEF 프레임의

가 구해지면, 상기

를 중력 계산기(412)로부터 계산된 중력벡터

을 보상기(414)에 의해 보상하고, 전향력 계산기(416)에 의해 계산된 보상 값

을 보상기(418)에 의해 보상하여 단말의 가속도 벡터

이 획득된다.

상기 가속도 벡터는 도 3에 나타낸 사용자 도플러 추정기(220)에 의해, 단말의 가속도에 의한 각 위성과의 도플러 변화율을 추정하는데 사용된다. 사용자 움직임에 의해 각 위성 별로 예측된 도플러 변화율들은, 합산기들(228a,b)에 의해 다른 요인에 의한 도플러 변화율들과 합쳐져 도플러 예측기(234)가 현재 도플러 주파수를 예측하는데 이용된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허 청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 도심이나 실내와 같이 신호대 잡음비가 매우 낮은 GPS 신호들의 획득 및 추적을 위한 장시간의 동기적분을 가능하게 한다. 즉 본 발명은, 장시간의 동기적분을 제한하는 알려지지 않은 도풀러 주파수의 변화를 일으키는 원인들 중 예측하기 어려운 사용자의 움직임을, 가속도 센서를 사용하여 측정 및 보상함으로써 보다 장시간의 동기적분을 가능하게 하여 GPS 수신 감도를 획기적으로 증가시키는 효과가 있다.

Claims

사용자 단말에 장착된 전세계위치확인 시스템(GPS) 수신기에서 사용자 움직임으로 인한 도플러 변화를 보상하는 방법에 있어서,

지구 중심을 기준으로 하는 단말의 가속도 벡터를 측정하는 과정과,

상기 가속도 벡터를 이용하여 상기 단말의 가속도에 의한 각 GPS 위성들의 사용자 도플러 변화율을 추정하는 과정과,

상기 추정된 사용자 도플러 변화율에 의해 도플러 주파수를 예측하는 과정과,

상기 예측된 도플러 주파수에 의해, 상기 위성들로부터의 신호들을 수신하기 위해 사용되는 상기 위성들의 코드 주파수 신호 및 반송파 주파수 신호를 보상하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 사용자 도플러 변화율을 추정하는 과정은,

인접한 GPS 지원 서버로부터 수신한 도플러 정보를 이용하여 상기 단말로부터 상기 GPS 위성들 각각으로의 단위벡터들을 계산하고, 상기 가속도 벡터에 상기 단위벡터들을 내적하여 상기 사용자 도플러 변화율을 추정하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 도플러 주파수를 예측하는 과정은,

인접한 GPS 지원 서버로부터 수신한 도플러 정보를 이용하여 상기 위성들과 지구의 움직임에 의한 지구 도플러 변화율과, 상기 단말의 국부클럭의 불안정성으로 인한 주파수 변화율을 추정하고,

상기 사용자 도플러 변화율과 상기 지구 도플러 변화율과 상기 주파수 변화율의 합산 값에 의해 상기 도플러 주파수를 예측하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 도플러 주파수를 예측하는 과정은,

상기 도플러 정보를 이용하여 도플러 주파수의 대략적인 변화정도를 나타내는 도플러 탐색범위와 상기 도플러 탐색범위의 도플러 중심을 예측하고,

상기 도플러 중심에 단위시간에 대한 상기 합산 값을 더하여 상기 도플러 주파수를 예측하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 가속도 벡터를 측정하는 과정은,

상기 단말을 중심으로 하는 상기 단말의 가속도 벡터를 측정하고 상기 측정된 가속도 벡터를 ECEF 프레임으로 변환하여 상기 단말의 외부 힘에 인한 가속도 벡터를 구하는 단계와,

상기 외부 힘에 의한 가속도 벡터에 대해 중력과 전향력을 보상하여 상기 지구 중심을 기준으로 하는 상기 단말의 가속도 벡터를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 가속도 벡터를 측정하는 과정은,

상기 단말의 초기 자세값을 측정하는 단계와,

상기 단말을 중심으로 하는 상기 단말의 회전 벡터를 측정하는 단계와,

상기 초기 자세값과 상기 회전 벡터 및 지구의 자전 각속도 벡터를 가지고 상기 단말을 중심으로 하는 가속도 벡터를 상기 ECEF 프레임으로 변환하기 위한 방향 코사인 행렬을 구하는 단계와,

상기 단말을 중심으로 하는 각속도 벡터에 상기 방향 코사인 행렬을 적용하여 상기 지구 중심을 기준으로 하는 상기 단말의 가속도 벡터를 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
사용자 단말에 장착되어 사용자 움직임으로 인한 도플러 변화를 보상하는 전세계위치확인 시스템(GPS) 수신기에 있어서,

지구 중심을 기준으로 하는 단말의 가속도 벡터를 측정하는 가속도 측정기와,

상기 가속도 벡터를 이용하여 상기 단말의 가속도에 의한 각 GPS 위성들의 사용자 도플러 변화율을 추정하는 사용자 도플러 추정기와,

상기 추정된 사용자 도플러 변화율에 의해 도플러 주파수를 예측하는 도플러 예측기와,

상기 예측된 도플러 주파수에 의해, 상기 위성들로부터의 신호들을 수신하기 위해 사용되는, 상기 위성들의 코드 주파수 신호 및 반송파 주파수 신호를 보상하는 코드 및 반송파 주파수 신호 발생기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 GPS 수신기.
제 7 항에 있어서, 상기 사용자 도플러 추정기는,

인접한 GPS 지원 서버로부터 수신한 도플러 정보를 이용하여 상기 단말로부터 상기 GPS 위성들 각각으로의 단위벡터들을 계산하는 단위벡터 계산기와 연결되어,

상기 가속도 벡터에 상기 단위벡터들을 내적하여 상기 사용자 도플러 변화율을 추정하는 것을 특징으로 하는 상기 GPS 수신기.
제 7 항에 있어서, 인접한 GPS 지원 서버로부터 수신한 도플러 정보를 이용하여 상기 위성들과 지구의 움직임에 의한 지구 도플러 변화율을 추정하는 지구 도플러 추정기와,

상기 단말의 국부클럭의 불안정성으로 인한 주파수 변화율을 추정하는 클럭 모델 추정기와,

상기 사용자 도플러 변화율과 상기 지구 도플러 변화율과 상기 주파수 변화율을 합산한 합산 값을 계산하여 상기 도플러 예측기로 제공하는 합산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 GPS 수신기.
제 9 항에 있어서, 상기 도플러 예측기는,

상기 도플러 정보를 이용하여 도플러 주파수의 대략적인 변화정도를 나타내는 도플러 탐색범위와 상기 도플러 탐색범위의 도플러 중심을 예측하는 도플러 탐색범위 예측기와 연결되어,

상기 도플러 중심에 단위시간에 대한 상기 합산 값을 더하여 상기 도플러 주파수를 예측하는 것을 특징으로 하는 상기 GPS 수신기.
제 7 항에 있어서, 상기 가속도 측정기는,

상기 단말을 중심으로 하는 상기 단말의 가속도 벡터를 측정하는 가속도 센서와,

상기 측정된 가속도 벡터를 ECEF 프레임으로 변환하여 상기 단말의 외부 힘 에 인한 가속도 벡터를 구하는 좌표 변환기와,

상기 외부 힘에 의한 가속도 벡터에 대해 중력과 전향력을 보상하여 상기 지구 중심을 기준으로 하는 상기 단말의 가속도 벡터를 구하는 보상기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 GPS 수신기.
제 11 항에 있어서, 상기 좌표 변환기는,

상기 단말의 초기 자세값을 측정하는 자세 측정기와,

상기 단말을 중심으로 하는 상기 단말의 회전 벡터를 측정하는 자이로스코프와,

상기 초기 자세값과 상기 회전 벡터 및 지구의 자전 각속도 벡터를 가지고 상기 단말을 중심으로 하는 가속도 벡터를 상기 ECEF 프레임으로 변환하기 위한 방향 코사인 행렬을 구하는 자세 계산기에 연결되어,

상기 단말을 중심으로 하는 각속도 벡터에 상기 방향 코사인 행렬을 적용하여 상기 지구 중심을 기준으로 하는 상기 단말의 가속도 벡터를 구하는 것을 특징으로 하는 상기 GPS 수신기.
제 7 항에 있어서, 상기 코드 주파수 신호에 의해 GPS 위성들의 코드들을 발생하는 코드 발생기와,

상기 GPS 위성들로부터의 수신 신호들을 상기 반송파 주파수 신호와 혼합하여 상기 코드들과 상관한 상관 샘플들을 계산하는 상관기와,

상기 상관 샘플들을 동기적분하는 동기 적분기와,

상기 동기 적분기의 출력으로부터 원하는 GPS 신호들을 검출하는 신호 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 GPS 수신기.
제 1 항에 있어서, 상기 도플러 주파수를 예측하는 과정은,

상기 추정된 사용자 도플러 변화율과 다른 적어도 하나의 추정된 도플러 변화율에 의해 상기 도플러 주파수를 예측하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 도플러 예측기는,

상기 추정된 사용자 도플러 변화율과 다른 적어도 하나의 추정된 도플러 변화율에 의해 상기 도플러 주파수를 예측하는 것을 특징으로 하는 상기 GPS 수신기.