KR100741598B1 - 위성-위치 확인 테이블 메시징 - Google Patents

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Abstract

네비게이션 위성 수신기는 생략된 GPS 에피메리스 파라미터를 포함하는 위성-위치 확인 테이블을 수득한다. 특히, 기울기 각도에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 중에서 적어도 하나가 전달되지 않고 네비게이션 수신기 위치 확인의 솔루션에 이용되지 않는다. 본 발명의 제1 방법 실시예에서, 기울기 각도에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 모두는 연산으로부터 생략된다. 본 발명의 제2 방법 실시예에서, 기울기 각도에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 중에서 하나만이 Min(Cissin(2φk),Ciccos(2φk))에 의존하여 연산에서 생략된다.

Description

위성-위치 확인 테이블 메시징{SATELLITE-POSITION TABLE MESSAGING}
도 1은 본 발명의 네트워크 네비게이션 시스템의 기능적 블록도.
도 2는 위치 확인 솔루션 연산으로부터 2개의 파라미터(Cic 및 Cis)를 생략하는 본 발명의 제1 방법의 실시예를 이용하는 경우에 연산되는 에러를 나타내는 그래프도.
도 3은 위치 확인 솔루션 연산으로부터 2개의 파라미터(Cic 및 Cis) 중 하나를 생략하는 본 발명의 제2 방법의 실시예를 이용하는 경우에 연산되는 에러를 나타내는 그래프도.
도 4는 본 발명의 방법 실시예의 흐름도.
본 발명은 네비게이션 위성 수신기에 관한 것으로, 특히 전체 에피메리스(ephemeris) 및 알마낙(almanac) 보다 적은 에피메리스 및 알마낙으로 네비게이션 위성 수신기를 동작시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
위성 위치 확인 시스템(GPS)은 미국방성에서 130억달러 이상의 비용을 들여 구축되어 운용되고 있는 인공 위성을 기초로 한 무선-네비게이션 시스템이다. 인 공 위성 위치 확인 시스템(Satellite positioning system; SPS)은 GPS 및 러시아의 GLONASS 네비게이션 시스템을 포함한다. 그 외의 것으로는 일본 및 유럽 연합에서 제안된 것이 있다.
GPS 시스템에서, 고도 20,200km로 지구를 회전하는 24개의 인공 위성이 궤도 상에 분리 배치되어, 최소 6개의 인공 위성이 항시 사용자에게 관측된다. 그러한 각각의 인공 위성은 정확한 시간 및 위치 신호를 발신한다. GPS 수신기는 자신에게 도달되는 신호에 대한 시간 지연을 측정하고, 이로부터 수신기와 위성 사이의 정확한 거리가 계산된다. 적어도 4개의 인공 위성으로부터의 이러한 측정으로 GPS 수신기는 자신의 3차원적 위치, 속도 및 시스템 시간을 연산할 수 있다.
수신기 위치 확인에 대한 솔루션은 관련된 각각의 인공 위성이 3차원 공간상 어디에 있는지를 인지함으로써 결정된다. 각 위치는 일단의 수식에 속하는 파라미터로서 보고된다. 종래의 GPS 시스템에서, GPS 에피메리스는 아래의 표 1의 모든 항목을 포함한다.
GPS 에피메리스 메시지
이름 심볼
에피메리스의 기준 시간 toe
준 주축의 제곱근
Figure 112005022515453-pat00001
이심률(eccentricity) e
경사각(toe 시간에서) 10
상승 노드의 경도 Ω0
근지점(perigee)의 독립 변수(toe 시간에서) ω
평균 근점 거리(anomaly)(toe 시간에서) M0
경사각의 변화율 di/dt
상승 노드의 경도의 변화율 Ω
평균 움직임 보정 Δn
경도의 독립 변수의 코사인 보정의 진폭 Cuc
경도의 독립 변수의 사인 보정의 진폭 Cus
궤도 반지름에 대한 코사인 보정의 진폭 Crc
궤도 반지름에 대한 사인 보정의 진폭 Crs
기울기 각도에 대한 코사인 보정의 진폭 Cic
기울기 각도에 대한 사인 보정의 진폭 Cis
에피메리스 메시지가 유효한 기간 동안, 네비게이션 수신기로 다운로드되는 GPS 에피메리스 메시지 정보를 이용하여 비행중의 어느 한 순간에서의 위성의 거의 정확한 위치 및 속도를 연산하는 것이 가능하다. 본 출원의 발명자는 위성의 연산된 위치는 대부분의 이들 파라미터들의 작은 변이에 매우 민감하다는 것을 관찰하였으며, 따라서 각 에피메리스를 다운로드하는 동안 이들을 완전히 전달하는 것이 필요하다. 그러나, 경사각에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis)은 그다지 결정적이지 않다는 것이 그들에 의해 또한 관찰되었다. 여기서 필요로 하는 것은, 위성 위치 확인의 연산에 있어서 이들 2개의 파라미터 중 적어도 하나를 무시할 수 있고, 솔루션의 정확성을 거의 손상시키지 않고 이를 수행할 수 있는 GPS 수신기 및 시스템이다.
본 출원의 발명자 중 한 사람인 Paul McBurney는 다른 사람과 함께 최근 수개의 미국 특허를 출원하였는데, 이는 본 발명의 실시예와 관계되고 일반적으로는 GPS 수신기 클라이언트를 지원하는 것에 대한 것이다.
이는 표 2에 요약된다. 모든 특허 출원은 동일한 양수인에게 양도되었며, 본 명세서에 참조에 의해 포함된다.
서류번호 제목 발명자 USPTO 출원일 USPTO 출원번호
734-01 위성 네비게이션 위성 수신기 및 그 방법 P. McBurney, A.Woo 00.10.11 09/687,044
734-02 위성 네비게이션 위성 수신기용 하부구조-지원 및 방법 P. McBurney, A.Woo 01.02.18 09/797,521
734-03 고감도 GPS 수신기 및 수신 P. McBurney, A.Woo 02.02.19 10/079,245
734-04 총 보정 방법 Stephen J, Edwards, P. McBurney 02.02.19 10/079,217
734-05 연산된 시간으로부터의 위치 확인 연산을 위한 방법 및 시스템 S.Edwards, P. McBurney 02.02.19 10/079,244
734-06 정확한 절대 시간이 서버로부터 클라이언트로 포워드될 수 있는 컴퓨팅 네트워크 경로 지연 H.Matsushita, P. McBurney 02.02.19 10/079,251
734-07 무 프리엠블 프레임 싱크 Akira Kimura,P. McBurney 02.02.19 10/079,250
734-08 씬 클라이언트 P. McBurney, C.Rasmussen, F.Vaucher, K.Victa 02.02.19 10/079,249
734-09 소프트웨어 수정 발진기 H.Matsuchita, P. McBurney 02.02.19 10/079,248
734-10 센서의 고감도 희소 사용 P. McBurney. K.Victa 02.02.19 10/079,247
734-11 실시간 클럭(RTC) P. McBurney 02.02.19 10/079,253
734-12 공유 기준 스테이션 C.Rypinski, P. McBurney 02.02.19 10/079,252
734-13 클라이언트-지원 도플러 추정법 P. McBurney, W.J.Morrison 02.08.07 10/215,138
734-15 고감도 위성 위치 확인 시스템 수신기용 통합 Nav-데이터 P. McBurney, W.J.Morrison 미출원
GPS 위성은 매 12.5분마다 반복하는 50-bps 네비게이션(NAV) 데이터 메시지를 발신한다. 이는 충분한 개수의 위성에 대해 신호 락(lock)을 얻어내고 네비게이션 솔루션을 생성하는데 있어서 GPS 수신기에 필수적인 시스템 시간, 위성 에피메리스 및 알마낙 정보를 포함한다. 각각이 30초 걸리는 25개의 프레임이 있으며, 각 프레임은 5개의 하부 프레임을 가지며, 각각의 하부 프레임은 10개의 워드를 갖는다. 각각의 서브프레임의 시작에서의 Z-카운트는 위성으로부터의 그 발신 시간을 제시한다. 에피메리스는 첫 번째 3개 하부 프레임이며, 하부 프레임 4 및 5는 50 페이지에 걸쳐 분산된 알마낙 데이터이다. NAV 데이터의 하나의 전체 데이터 프레임은 1500비트이고, 따라서 발신시 30초 소요된다.
간략하게는, 본 발명의 네비게이션 위성 수신기의 실시예는 생략된 GPS 에피메리스 파라미터를 포함하는 위성-위치 확인 테이블 메시지를 수용한다. 특히, 기울기 각도에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 중 적어도 하나는 통신되지 않고 네비게이션 수신기 위치 확인 솔루션에 이용되지 않는다. 본 발명의 제1 실시예에서, 기울기 각도에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 모두가 연산으로부터 생략된다. 본 발명의 제2 실시예에서, Min(Cissin(2φk),Ciccos(2φk))에 의존하여 기울기 각도에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 중 하나만이 생략된다.
본 발명의 이점은 임의의 특정 GPS 인공 위성에 대해 전체 에피메리스 보다 적은 에피메리스로 네비게이션 수신기가 정확하게 동작되도록 하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 및 다른 목적 및 이점은 수개의 도면에서 도식화된 양호한 GPS 수신기의 이하의 상세한 설명을 참조하면 당해 기술 분야의 숙련자에게는 명백 해질 것이다.
도 1은 본 발명의 위성 네비게이션 수신기 시스템 실시예를 도시하며, 도면 부호 100으로서 참조된다. 시스템(100)은 가시적 GPS 위성 기기(SV)(101-103)의 배치를 이용하여 마이크로파 신호(104-107)의 가상 거리(pseudoranges)를 연산한다. 기준국(reference station; 108)은 신호(106 및 107)로 표시되는 그러한 전송을 수신하고, SV(101-103)에 대한 전체 알마낙 및 에피메리스를 얻는다. 그러므로 전체 에피메리스(110)는 예를 들면 인터넷을 통한 분배를 위한 네트워크 호스트(112)로 포워드 가능하다. 예를 들면 위성-위치 확인 테이블 메시지(114)와 같은 부분 에피메리스가 네비게이션 수신기 클라이언트(116)로부터 방송 요청된다. 그러한 위성-위치 확인 테이블 메시지(114)는 본 발명의 제1 방법 실시예에서 기울기 각도에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 모두를 결여한다. 표 3을 참조하면, 이러한 2개의 파라미터는 이들을 0으로 설정함에 의해 통상의 연산에서 생략된다. 본 발명의 제2 실시예에서, Min(Cissin(2φk),Ciccos(2φk))에 의존하여 기울기 각도에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 중 하나만이 연산에서 생략된다. 전체 에피메리스 파라미터를 동원하여 위치 확인 솔루션에 이용하는 이상적인 경우에 비해 중요하지 않은 정도만 손상된 위치 확인 솔루션(118)이 출력된다.
GPS 에피메리스 메시지
이름 심볼
에피메리스의 기준 시간 toe
준 주축의 제곱근
Figure 112005022515453-pat00002
이심률(eccentricity) e
경사각(toe 시간에서) 10
상승 노드의 경도 Ω0
근지점(perigee)의 독립 변수(toe 시간에서) ω
평균 근점 거리(anomaly)(toe 시간에서) M0
경사각의 변화율 di/dt
상승 노드의 경도의 변화율 Ω
평균 움직임 보정 Δn
경도의 독립 변수의 코사인 보정의 진폭 Cuc
경도의 독립 변수의 사인 보정의 진폭 Cus
궤도 반지름에 대한 코사인 보정의 진폭 Crc
궤도 반지름에 대한 사인 보정의 진폭 Crs
기울기 각도에 대한 코사인 보정의 진폭 Cic
기울기 각도에 대한 사인 보정의 진폭 Cis
네비게이션 수신기 클라이언트(116)가 전체 에피메리스 및 알마낙의 모음을 필요로 하지 않는 이유는 무선 수신기가 가상 거리 정보 이상을 수집하기에는 마이크로파 신호(104 및 105)가 너무 약하다는 점 때문이다. NAV-메시지는 예를 들면 수신기 안테나가 실내에 있거나 혹은 하늘이 보이지 않게 차단된 경우에 발생하면 수집이 매우 어렵다.
위성-위치 확인 테이블 메시지(114)는 다수의 산업적 용도 예를 들면, 특허 침해 회피, 가입자 요금 징수, 공공 서비스용인 화물 차량(private fleet) 지원 등의 산업적 용도에 제공될 수 있다.
본 발명의 제1 방법 실시예는 수신기로의 통신 및 위치 확인 솔루션의 연산에서 Cic 및 Cis 파라미터 모두를 생략한다. 도 2는 Cis=0 및 Cic=0인 상태에서 매 시간마다 샘플링되는 데이터의 1년 동안 연산된 15개의 인공 위성에 대한 위치 확인 에러의 그래프도이다. 연산된 평균 에러는 각 위성에 대해 단지 수 미터이다.
본 발명의 제2 방법 실시예는 2개의 파라미터 중 예를 들면 위치 확인에 최소의 영향을 주는 하나의 파라미터만 생략한 것이다. 기울기 보정은 △=(Cissin(2φk),Ciccos(2φk))로서, 여기서 φk는 위도의 독립변수이고, Cis 또는 Cic 중 하나는 Min(Cissin(2φk),Ciccos(2φk))에 의존하여 생략된다. 도 3은 그러한 방법을 이용하는 10개의 인공 위성에 대해 연산되는 위치 확인 에러를 표시한다. 하나의 파라미터가 연산에서 생략되는 경우에는 평균 에러는 약 1/4배로 감소되어, 예를 들면 위치 확인 솔루션 에러는 1미터 미만이다.
도4는 본 발명의 일반화된 방법 실시예를 표시하며, 도면 부호 400으로 표시된다. 방법(400)은 기울기 각도에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 중에서 하나 또는 모두가 전송되지 않거나 0으로 설정되는 감소된 에피메리스 메시지를 수신하는 단계(402)를 포함한다. 그 단계는 가입자 요금을 지급하고 인터넷을 경유해서 액세스됨에 의해 사전 조정될 수 있다. 단계(404)는 그러한 감소된 에피메리스로부터 위치 확인 솔루션을 연산한다. 연산을 수행하는 로컬 수신기가 예를 들면 안테나가 실내에 있고 신호 강도가 너무 약한 경우 에피메리스 자체의 사본을 직접 얻을 수 없으므로 이 단계는 필수적이다. 단계(406)는 위치 확인 솔루션을 출력하고, 이는 예를 들면 시간에 걸쳐 1미터 내의 정밀도를 가지도록 정확하다. 방법(400)의 별도 실시예에서, 단계(402)는 Cis 및 Cic가 모두 없거나 0으로 설정된다. 단계(406)에서 발생하는 최종 에러는 그럼에도 불구하고 사용자에 의해 수행되는 응용물에서 허용 가능한 한계내에 있다.
본 발명이 현재의 양호한 SPS 수신기에 대해 설명되었지만, 본 명세서는 제한적으로 이해되어서는 안된다. 본 명세서를 숙지한 당해 분야의 숙련자라면 다양한 변형물 및 개조물이 가능함이 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 진정한 기술 사상 및 범위내에 모든 변형물 및 개조물을 포괄하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 시스템 및 방법에 의하면, 임의의 특정 GPS 인공 위성에 대해 전체 에피메리스 보다 적은 에피메리스로 네비게이션 수신기가 정확하게 동작할 수 있다.

Claims (9)

  1. 네비게이션 수신기를 동작시키는 방법에 있어서,
    궤도를 선회하는 네비게이션 인공 위성이 아닌 정보 소스로부터 기울기 각도에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 중에서 하나 또는 2개가 없는 특정 위성에 대한 에피메리스와 등가물인 위성-위치 확인 테이블 메시지를 수신하는 단계;
    상기 위성-위치 확인 테이블 메시지로부터 상기 감소된 에피메리스 정보를 이용하여 위치 확인 솔루션을 연산하는 단계; 및
    상기 연산 단계에서 기울기 각도에 대한 상기 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 중에서 하나 또는 2개가 생략되어 있음으로써, 상기 위치 확인 솔루션을 출력하는 단계
    를 포함하는 네비게이션 수신기 동작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신 단계는 기울기 각도에 대한 상기 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 모두가 없고 0으로 설정되는 네비게이션 수신기 동작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수신 단계에서 상기 위성-위치 확인 테이블 메시지를 수신하기 위한 요금이 지불된 것인 네비게이션 수신기 동작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신 단계는, 상기 위성-위치 확인 테이블 메시지가 기준국과 네트워크 호스트로부터 인터넷 연결을 통해 제공되는 것인 네비게이션 수신기 동작 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연산 단계는, 기울기 각도에 대한 상기 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis)중에서 상기 연산 단계에서 생략되는 하나가 Min(Cissin(2φk),Ciccos(2φk))에 의존하여 결정되는 것인 네비게이션 수신기 동작 방법.
  6. 네비게이션 수신기에 있어서,
    궤도를 선회하는 네비게이션 인공 위성이 아닌 정보 소스로부터 기울기 각도에 대한 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 중에서 하나 또는 2개가 없는 특정 위성에 대한 에피메리스와 등가물인 위성-위치 확인 테이블 메시지를 수신하기 위한 입력부;
    궤도를 선회하는 인공 위성 각각의 에피메리스와 관련된 데이터가 획득 불가능한 인공 위성으로부터 마이크로파 전송을 수신하고 의사 거리(pseudoranges)를 측정하기 위한 무선부; 및
    상기 의사 거리 및 기울기 각도에 대한 상기 2개의 고조파 보정(Cic 및 Cis) 중에서 하나 또는 2개를 0으로 설정한 상기 위성-위치 확인 테이블 메시지로부터 위치 확인 솔루션이 결정되는 위치 확인 솔루션 출력부
    를 포함하는 네비게이션 수신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 입력부는 인터넷을 통해 얻어진 요금에 대한 정보를 수신하는 네비게이션 수신기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 입력부는, 상기 위성-위치 확인 테이블 메시지가 기준국(reference station) 및 네트워크 호스트로부터 인터넷 연결을 통해 제공되는 것인 네비게이션 수신기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 무선부는 NAV-메시지가 상기 궤도를 선회하는 네비게이션 위성으로부터 직접 얻어질 수 없는 실내에서 동작 가능한 네비게이션 수신기.
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