KR101000984B1 - 위성 위치 확인 시스템에서 거리 변화율 측정값을 이용하여위치를 검증하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

위성 위치 확인 시스템에서 거리 변화율 측정값을 이용하여 위치를 검증하는 방법 및 장치가 설명된다. 일 예에서, 거리 변화율 측정값들은 복수의 위성들에 관해 원격 수신기에서 획득된다. 초기 위치를 이용하여 복수의 위성들에 관해 예상 거리 변화율 값들이 계산된다. 거리 변화율 측정값들을 이용하여 단일 차분값들이 계산된다. 예상 거리 변화율 값들을 이용하여 예상 단일 차분값들이 계산된다. 단일 차분값들과 예상 단일 차분값들 사이에 단일 차분 나머지값들이 계산된다. 단일 차분 나머지값들은 문턱값과 비교된다. 만약 단일 차분 나머지값들의 각각의 절대값이 문턱값보다 작거나 같으면 초기 위치는 유효한 것으로 간주될 수 있다. 유효한 초기 위치는 의사 거리 정수들을 고정하는 데에 이용될 수 있다.

Description

위성 위치 확인 시스템에서 거리 변화율 측정값을 이용하여 위치를 검증하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR VALIDATING A POSITION IN A SATELLITE POSITIONING SYSTEM USING RANGE-RATE MEASUREMENTS}

본 발명은 위성 위치 확인 시스템(satellite positioning system)에 관련된 것이고, 더욱 상세하게는, 위성 위치 확인 시스템에서 거리 변화율 측정값을 이용하여 위치를 검증하는 방법 및 장치에 관련된 것이다.

위성 위치 확인 시스템(Satellite Positioning Sytem, SPS) 수신기는 다수의 위성들로부터 얻은 측정값들을 이용하여 위치를 계산한다. SPS 수신기들은 보통 위성으로부터 송신되어 지구 표면상 또는 표면 근처에 있는 수신기에 의해 수신되는 신호의 송신 및 수신 사이에 존재하는 시간 지연을 계산함으로써, 자신의 위치를 결정한다. 그러한 시간차를 빛의 속도로 곱하면, 수신기 위치로부터, 수신기의 입장에서 본 위성들 각각까지의 거리가 제공된다. 위성 위치 확인 시스템들에는 예를 들어, GPS(Global Positioning Sytem), 유럽의 GALILEO 시스템과 러시아의 GLONASS 시스템이 있다.

GPS에서는, 상업적 용도로 이용되는 각 신호는, 1.023 MHz 확산 속도(spread rate)를 가지는 고유의 의사 랜덤 노이즈(pseudo-random noise, PN) 코드(이는 C/A(coarse acquisition) 코드라고도 함)에 의해 정의되는 직접 시퀀스 확산 신호(direct sequence spreading signal)를 이용한다. 각 PN 코드는 1575.42 MHz의 반송파 신호(L1 반송파라고 호칭함)을 2상 변조(biphase modulate)하며, 어떤 특정 위성을 유일하게 식별시킬 수 있다. 상기 PN 코드의 시퀀스 길이는 1023 칩(chips)으로, 이는 1 밀리초 주기에 상응한다. 1023 칩의 한 사이클은 PN 프레임 또는 에포크(epoch)라고 불린다.

GPS 수신기는 수신된 PN 코드 신호 시퀀스와 내부적으로 생성된 PN 신호 시퀀스 사이의 시간 편위(time shifts)를 비교함으로써, 그러한 신호들의 송신과 수신 사이에 경과한 시간 지연을 결정한다. 이렇게 측정된 시간 지연은 "서브밀리초 의사 거리(sub-millisecond pseudoranges)"라고 하는데, 이는 그러한 시간 지연이 1 밀리초 PN 프레임 경계(frame boundaries)의 모듈로(modulo) 값으로 알려져 있기 때문이다. 만약 데이터 비트 에지(data bit edges)가 어떤 특정한 위성에 대한 것으로 식별된 경우에, 의사 거리는 그 데이터 비트 주기, 예를 들어, 현재의 GPS 시스템에서는 20 ms인 데이터 비트 주기의 모듈로인 것으로 알려져 있다. 다른 위성 항법 시스템들에서나 또는 미래에 바뀔 수도 있는 GPS 시스템에서는 다른 데이터 비트 주기들을 가질 수도 있다. 일반적으로, 의사 거리는 모듈로 N 밀리초로 알려져 있으며, 이를 "분수 의사 거리(fractional pseudorange)"라고 한다. 각 위성에 대한 각 지연 시간에 관련된 정수(integer number) 밀리초를 결정(resolving)함으로써, 진정하고 명백한(unambiguous) 의사 거리를 얻을 수 있다. GPS 신호들의 송신이 이뤄진 절대적인 시점에 관한 정보, 그리고 그러한 절대 시점에 대한 위성 위 치 정보들과 함께, 네 개의 의사 거리 값 세트만 있으면, GPS 수신기의 위치를 구하는 데에 충분하다. 송신(또는 수신)의 절대 시점은 송신의 순간에서 GPS 위성들의 위치를 결정하는 데에, 나아가 GPS 수신기의 위치를 계산하는 데에 필수적이다.

이에 따라, 각 GPS 위성들은 위성 항법 메시지(satellite navigation message)라고 알려진, 위성 궤도의 모델 및 클럭 데이터를 송출한다. 위성 항법 메시지는 50 bps(bit per second)의 데이터 스트림으로, PN 프레임의 시작 시점에 맞춰 정렬된 비트 경계를 PN 코드에 더한 모듈로-2이다. 한 데이터 비트 주기(20 밀리초)마다 정확히 20 PN 프레임들이 존재한다. 상기 위성 항법 메시지는 위성과 그 궤도를 식별시켜주는, "위성력(ephemeris)"이라고 알려진 위성 위치 데이터와, 그러한 위성 신호에 연계된 절대 시간 정보(absolute time information)(이는 본 ㅁ명세서에서 "GPS 시스템 시간"이라고도 지칭함)를 포함한다. 상기 GPS 시스템 시간 정보는 주(week) 신호 중의 1 초에 해당하는 형태를 가지며, 타임오브위크(time-of-week, TOW)라고 불린다. 이러한 절대 시간 신호는 각 수신된 신호가 언제 각 위성에서 송신되었는지에 관한 시간 태크(tag)를 수신기가 명백하게 판정할 수 있게 한다.

GPS 위성은 약 3.9 km/s의 속도로 이동하며, 지구에서 관측한 위성까지 거리는 최대 약 ±800 m/s 정도의 속도로 변화한다. 절대 타이밍 오차(absolute timing error)는 따라서 타이밍 오차의 1 밀리초마다 약 0.8 m까지의 거리 오차를 나타낸다. 이러한 거리 오차는 GPS 수신기 위치에 대해서도 비슷한 크기의 오차를 만들어 낸다. 따라서, 10 ms의 절대 시간 정확도 정도라면, 약 10 m 정도의 위치 정확도를 얻기 위해 충분하다. 10 ms보다 훨씬 큰 절대 타이밍 오차라면 더 큰 위치 오차를 나타낼 것이며, 따라서 통상적인 GPS 수신기는 약 10 밀리초 또는 그보다 더 좋은 정확도를 얻기 위한 절대 시간을 요구해 왔다.

GPS 위치 확인과 밀접하게 관련된 또 다른 시간 파라미터로는 서브밀리초 의사 거리를 측정하는 데에 이용되는, 시간 기준(time reference)에 있을 수 있는 서브밀리초 오프셋(submillisecond offset)이다. 이러한 오프셋은 모든 측정에 대해 똑같이 영향을 미치며, 이러한 이유로 이는 "공통 모드 오차(common mode error)"라고 알려져 있다. 이러한 공통 모드 오차는 절대 시간 오차와 혼동되어서는 안 된다. 상술하였듯이, 1 밀리초의 절대 시간 오차는 약 0.8 미터의 거리 오차를 야기하며, 1마이크로초의 절대 시간 오차는 거의 측정조차 안 될 정도인 1 밀리미터 이하의 거리 오차를 야기할 것이다. 그러나, 1 마이크로초의 공통 모드 오차는 1 마이크로초에 빛의 속도를 곱한 만큼(즉, 300 미터 정도)의 의사 거리 오차를 야기한다. 공통 모드 오차는 의사 거리 계산에 엄청난 영향을 미치며, 실제로, 공통 모드 오차를 교정하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서, 종래의 GPS 수신기들은 그러한 공통 모드 오차를, 위치 값과 함께, 어떤 특정한 수신기에서 일단 충분한 수의 의사 거리들이 측정되면 해를 반드시 구해야 하는(solve) 미지수(unknown)처럼 취급하였다.

전통적으로, 의사 거리 값들의 정수 부분들을 결정(resolving)하는 과정, 즉 "미지정수 결정기법(integer ambiguity resolution)"은, 그러한 미지 정수들이 유일하게 정의될 수 있도록, 수신기 위치에 관하여 실제의 수신기 위치와 충분히 근 접한 초기 추정치를 필요로 했다. 주목할 점은, 실제의 위치에 대해 150 km 이 내의 초기 위치는 그러한 미지정수의 명확한 결정을 가능하게 할 수 있다는 점이다. 어떤 경우에는, 수신기의 초기 위치 추정치에 대해 유일하게 선택할 수 있는 값이 위치 임시 저장 장소에 저장되어 있는 가장 최근에 계산한 위치가 될 수 있다. 예를 들어, 수신기가 위치 추정치를 제공할 수 있는 아무런 외부 정보원(예를 들어, 휴대 전화 네트워크)과도 통신을 할 수 없을 수 있다. 그렇지만, 만약 수신기가 가장 최근에 계산된 위치로부터 150 킬로미터 이상 이동하였다면, 의사 거리의 미지정수들은 신뢰성 있게 결정되지 않을 것이다. 어떤 위치가 부정확한 정수를 가지는 의사 거리들을 이용하여 계산된다면, 그 위치는 유효하지 않을 것이다.

따라서, 관련된 기술 분야에서, 위성 위치 확인 시스템에서 위치의 유효성을 확인할 수 있는 방법 및 장치에 대한 필요성이 있어왔다.

원격 수신기의 위치를 확인할 수 있는 방법 및 장치가 설명된다. 일 실시예에서, 원격 수신기로부터 복수의 위성들가지의 분수 의사 거리(fractional pseudoranges) 값이 측정된다. 초기 위치는 원격 수신기로부터 획득된다. 예를 들어, 최근에 계산되어 원격 수신기의 위치 저장 장소(position cache) 내에 저장된 위치 값이 상기 초기 위치로서 선택될 수 있다. 원격 수신기의 위치는 상기 분수 의사 거리와 초기 위치 값을 이용하여 계산된다. 상기 원격 수신기에서 상기 위성들에 관한 거리 변화율(range-rate) 측정값들이 획득된다. 앞서 계산된 위치 정보는 상기 거리 변화율 측정값들을 이용하여 그 유효성이 확인된다.

다른 실시예에서는, 원격 수신기로부터 복수의 위성까지의 분수 의사 거리 값들이 측정된다. 초기 위치는 원격 수신기로부터 획득된다. 예를 들어, 최근에 계산되어 원격 수신기의 위치 저장 장소 내에 저장된 위치 값이 상기 초기 위치로서 선택될 수 있다. 상기 원격 수신기에서 상기 위성들에 관한 거리 변화율 측정값들이 획득된다. 앞서 계산된 위치 정보는 상기 거리 변화율 측정값들을 이용하여 그 유효성이 확인된다. 상기 원격 수신기의 위치는 그 초기 위치 값의 유효 간주에 응답하여 상기 분수 의사 거리 값들과 초기 위치 값을 이용하여 계산된다. 특히, 만약 상기 초기 위치 값이 유효한 것으로 간주될 경우, 초기 위치는 상기 분수 의사 거리 값들의 정수 부분을 고정(fix)시키는 데에 이용될 수 있다.

상술한 본 발명의 특징들이 상세하게 이해될 수 있도록, 위에서 간략하게 요약된 본 발명에 대한, 더욱 구체적인 설명이, 실시예들을 참조하여 주어질 수 있으며, 그러한 실시예들 중 일부는 다음 첨부된 도면에 예시되어 있다. 다만, 그러한 첨부 도면들은 단지 본 발명의 전형적인 실시예들만을 예시하는 것이며, 본 발명으로서 동일하게 효과를 발휘하는 그 밖의 실시예들이 가능하기 때문에, 그 범위를 제한하는 것으로 인정되어서는 아니 됨을 주지하여야 한다.

도 1은 위치 확인 시스템의 예시적인 실시예를 설명하는 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따라 원격 수신기의 위치를 확인하는 방법의 예시적인 실시예를 설명하는 순서도이다.

도 3은 본 발명에 따라 원격 수신기에서 초기 위치를 검증하는 방법의 예시 적인 실시예를 설명하는 순서도이다.

도 4는 본 발명에 따라 원격 수신기에서 초기 위치를 검증하는 방법의 다른 예시적인 실시예를 설명하는 순서도이다.

도 5는 본 발명에 따라 원격 수신기에서 초기 위치를 검증하는 방법의 또 다른 예시적인 실시예를 설명하는 순서도이다.

이해를 돕기 위해, 도면들 중에 공통되는 동일한 요소들을 지시하는 데에, 가능한 한 동일한 참조 번호들이 사용되었다.

위성 위치 확인 시스템(satellite positioning system, SPS)에서 거리 변화율(range-rate)의 측정값을 이용하여 위치 값을 검증하는 방법 및 장치가 설명된다. 해당 기술 분야에 숙련된 자들에게, 본 발명이 위치 확인 기능을 가지는(location-enabled) 다양한 형태의 이동형 내지 무선 장치들, 예를 들어 셀룰러 전화기, 페이저(pagers), 랩톱 컴퓨터, PDA(personal digital assistants) 및 그 밖에 본 기술 분야에서 알려져 있는 유사한 형태의 무선 장치들에 이용될 수 있다는 점이 이해될 수 있을 것이다. 일반적으로, 위치 확인 기능 이동형 장치는 장치 내에 위성 위치 확인 시스템의 위성 신호들을 처리할 수 있는 기능을 포함시킴으로써 기능을 발휘한다.

도 1은 위치 확인 시스템(100)의 예시적인 실시예를 설명하는 블록도이다. 상기 시스템(100)은 원격 수신기(remote receiver)(102) 및 서버(server)(108)를 포함한다. 원격 수신기(102)는 위성들로 구성된 위성 시스템(constellation)에 속 하는 복수의 위성들(112)로부터 송출되는 위성 신호들을 수신하도록 구성된다. 원격 수신기(102)는 수신된 신호들을 처리하여, 상기 위성들(112)에 관하여 위성 측정 데이터(satellite measurement data)(예를 들어, 의사 거리 값들, 거리 변화율 측정값들)를 생성한다. 일 실시예에서는, 상기 원격 수신기(102)는 상기 서버(108)로부터 보조 데이터(assistance data)를 수신한다. 원격 수신기(102)는 무선 네트워크(110), 유선 네트워크(111) 또는 양자 모두를 통하여 상기 서버(108)와 통신을 할 수 있다. 특히, 원격 수신기(102)는 유선 네트워크(111)와 직접 통신을 하도록 설정될 수도 있고, 또는 컴퓨터(113)를 통하여 간접 통신을 하도록 설정될 수도 있다. 상기 무선 네트워크(110)는 예를 들어 셀룰러 전화 네트워크와 같이, 당해 기술 분야에 알려진 여하한 형태의 무선 네트워크를 포함할 수 있다. 상기 무선 네트워크(111)는 인터넷과 같이 당해 기술 분야에 알려진 여하한 형태의 유선 네트워크를 포함할 수 있다.

원격 수신기(102)는 보조 데이터를 이용하여, 위성 신호의 획득 내지 위치 계산에 보조를 받을 수 있다. 상기 보조 데이터는 위성 위치 정보(예를 들어, 위성렬 데이터 또는 기타 형태의 위성 궤도 모델 정보), 예상 코드 위상(expected code phase), 예상 도플러, 의사 거리 모델, 그리고 당해 기술 분야에 알려진 유사한 형태의 보조 데이터를 포함할 수 있으며, 그러한 데이터의 여하한 조합도 포함할 수 있다. 일 실시에에서, 상기 원격 수신기(102)는 자신의 위치를 상기 위성 측정 데이터 및 보조 데이터를 이용하여 계산한다. 이러한 구성은 산업계 표준인 "이동 단말국 기반(Mobile Station Based)" 모드와 유사하지만, 서버로부터 초기 위치 값을 전혀 필요하지 않는다는 점에서 그러한 표준과 차이가 난다. 상기 원격 수신기에서 초기 위치 값을 관리하는 것은 본 발명의 특징 중 하나이다. 다른 실시예에서는, 상기 원격 수신기(102)가 위성 측정 데이터를 서버(108)에 전송하고, 서버(108)가 원격 수신기(102)의 위치를 계산한다(즉, 이동 단말국 보조(mobile station assisted, MS-Assisted) 구성).

상기 위치 확인 시스템(100)은 서버를 포함하고 있어서 보조 측위 GPS(Assisted GPS, A-GPS) 시스템과 같이 표현되었지만, 상기 원격 수신기(102)는 서버(108)로부터 보조 데이터를 수신하지 않고서 독자적으로(autonomously) 동작할 수도 있다는 점을 이해하여야 한다. 즉, 다른 실시예에서는, 상기 원격 수신기(102)와 상기 서버(108) 사이에서 아무런 통신도 이뤄지지 않고, 또한 원격 수신기(102)는 보조 데이터를 수신하지 않는다. 그 대신에, 상기 원격 수신기(102)는 위성 위치 정보를 수신하고, 주지된 디코딩 처리 기법을 이용하여 위성 신호를 디코딩함으로써 위성 항법 데이터(satellite navigation data)를 복구한다. 상기 원격 수신기(102)는 이어서, 상기 위성 측정 데이터 및 위성 항법 데이터를 이용하여 자신의 위치를 계산한다.

일 실시예에서, 상기 원격 수신기(102)는 위성 신호 수신기(104), 무선 송수신기(106), 프로세서(122), 지원 회로(support circuits)(124), 유선 통신 송수신기(107) 및 메모리(120)를 포함한다. 상기 위성 신호 수신기(104)는 안테나(116)를 이용하여 위성들(112)로부터 위성 신호들을 수신한다. 위성 신호 수신기(104)는 통상의 A-GPS 수신기를 포함할 수 있다. 예시적인 A-GPS 수신기는 공동 양도된 2002 년 9월 17일자 등록 미국 특허 6,453,237에 설명되어 있고, 이는 본 명세서에 그 전체로서 참고 문헌으로서 일체화된다. 상기 무선 송수신기(106)는 안테나(118)를 통해 무선 통신 네트워크(110)로부터 무선 신호들을 수신한다. 상기 유선 통신 송수신기(107)는 상기 유선 네트워크(111)와 직접 통신하기 위한 모뎀이나 유사한 장치를 포함할 수 있고 또는 컴퓨터(113)과 통신할 수 있는 직렬 송수신기 또는 그와 유사한 장치를 포함할 수 있다. 비록 상기 원격 수신기(102)가 무선 송수신기 및 유선 통신 송수신기를 모두 포함하는 것과 같이 묘사되었지만, 본 기술 분야의 숙련된 자들은 상기 원격 송수신기(102)가 단지 무선 송수신기(106)만 가지도록 구성될 수도 있고, 유선 통신 송수신기(107)만 가지도록 구성될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 상기 위성 신호 수신기(104), 무선 송수신기(106) 및 유선 통신 송수신기(107)는 상기 프로세서(122)에 의해 제어될 수 있다. 명확한 설명을 위한 예시로서, 상기 원격 수신기(102)는 마치 보조 측위 SPS 수신기인 것처럼 설명되었다. 그러나 본 기술 분야의 숙련된 자들은, 이 부분에서 설명된 본 발명이 종래의 자력 구동(autonomous) SPS 수신기(즉, 무선 송수신기나 유선 송수신기를 가지지 않는 수신기) 내에서도 이용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

상기 프로세서(122)는 마이크로 프로세서, 명령어 셋 프로세서(예를 들어, 마이크로컨트롤러) 또는 본 기술 분야에서 주지된 유사한 형태의 프로세싱 장치를 포함할 수 있다. 상기 프로세서(122)는 상기 메모리(120) 및 상기 지원 회로들(124)에 연결되어 있다. 상기 메모리는 랜덤 액세스 메모리(random access memory), 리드 온리 메모리(read only memory), 착탈식 저장장치, 하드디스크 저장 장치, 내지 그러한 메모리 장치들의 여하한 조합도 될 수 있다. 상기 메모리(120)는 최근에 계산된 위치 값들 중 임시 저장 값들("위치 캐시(position cache)(130)")을 저장하는 데에 이용될 수 있다. 여기서 설명되는 다양한 처리 절차들 및 방법들은 상기 메모리(120)에 저장되어 상기 프로세서(122)에 의해 실행되는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 또는, 그러한 처리 절차들 및 방법들은, 예를 들어 주문형 반도체 칩(application specific integrated circuit, ASIC)과 같은 전용 하드웨어를 이용항거나, 하드웨어 및 소프트웨어의 조합을 이용함으로써 구현될 수도 있다. 상기 지원 회로(124)는 종래의 캐시, 전원 공급 장치들, 클럭 회로들, 데이터 레지스터들, I/O 회로들 및 그 밖에 상기 원격 수신기(102)의 동작을 원활하게 할 수 있는 기타 장치를 포함한다.

적어도 위성들(112)에 대한 위성력 등과 같은 위성 항법 데이터는 추적 기지국(tracking stations)들의 네트워크("기준 네트워크(reference network)(114)")에 의해 수집될 수 있다. 상기 기준 네트워크(114)는 위성 시스템들 내에 포함되는 모든 위성들로부터 위성 추적 정보를 수집하는 다수의 추적 기지국들을 포함할 수도 있고, 또는 전 세계 중에서 특정 지역에 해당하는 위성 추적 정보만을 수집하는 두세 개 또는 하나의 추적 기지국을 포함할 수도 있다. 위성력 데이터를 수집하고 분배하는 예시적인 시스템은 미국 특허 6,411,892 (2002년 6월 25일 발행)에 설명되어 있으며, 이는 그 전체로서 본 명세서에 참고 문헌으로서 일체화된다. 상기 기준 네트워크(114)는 그렇게 수집된 위성 항법 데이터를 상기 서버(108)에 제공할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따라 원격 수신기의 위치를 확인하는 방법(200)의 예시적인 실시예를 설명하는 순서도이다. 상기 방법(200)은 단계(202)에서 시작한다. 단계(204)에서, 원격 수신기(102)로부터 복수의 위성들(위성들(112))까지의 분수 의사 거리 값들이 측정된다. 일 실시예에 있어서, 분수 의사 거리 값들은 원격 수신기(102)에서 서브밀리초 의사 거리를 측정함으로써 획득될 수 있다. 다른 실시예에서는, 분수 의사 거리 값들은 위성 항법 비트의 에지들(edges)에 동기화(예를 들어, GPS 시스템에서는, 상기 항법 데이터 비트의 에지는 매 20 밀리초마다 발생한다)함으로써 획득될 수 있다. 상기 항법 데이터 비트의 에지를 찾아냄으로써, 항법 데이터 비트 주기(data bit period)의 모듈로(modulo) 값이 의사 거리 값으로 결정될 수 있다(예를 들어 GPS에서는, 모듈로 20 밀리초가 서브 20 밀리초(sub-20 millisecond) 의사 거리 값을 제공함). 다른 실시예에서는, 분수 의사 거리 값들은, 일부 위성들에 대해서는 서브 밀리초 의사 거리 값들로부터 획득되고, 나머지 위성들에 대해서는 데이터 비트 주기의 모듈로로부터 획득될 수 있다. 단계(206)에서는, 원격 수신기(102)의 초기 위치가 획득된다. 예를 들어, 상기 원격 수신기(102)는 최근에 계산된 위치 값들 중 하나 또는 다수의 위치 값들을 메모리(120) 내에 저장(즉, 위치 값 캐시(130))할 수 있다. 그러한 위치 값들 중 가장 최근의 값이 초기 위치로 선정될 수 있다. 단계(208)에서는, 원격 수신기(102)에서 거리 변화율 측정값이 획득되어 단계(206)에서 획득한 초기 위치 값을 검증한다. 거리 변화율 측정값들을 이용하여 위치 값을 검증하는 예시적인 절차들은 도 3 및 4에 관하여 이하에서 설명된다.

단계(210)에서, 초기 위치 값이 유효한지 여부에 관해 판정이 내려진다. 단계(210)의 유효 검증 절차는, 상기 초기 위치가 원격 수신기의 실제 위치에서 150 km 이내(즉, PN 코드의 1/2 '에포크(epoch)'에 해당)에 있는지 여부를 판정하는 데에 이용된다. 만약 그러하다면, 상기 초기 위치는 상기 분수 의사 거리 값들의 정수 부분을 고정하는 데에 이용될 수 있다. 만약 그렇지 않다면, 상기 분수 의사 거리 값들의 정수 부분을 명백하게 고정하는 데에 이용될 수 없다. 따라서, 만약 단계(210)에서 상기 초기 위치가 유효한 것으로 간주되면, 상기 방법(200)은 단계(212)로 진행한다. 단계(212)에서, 의사 거리 정수 값들은 단계(206)에서 획득한 초기 위치 값을 이용하여 결정(resolved)된다. 만약 단계(210)에서 초기 위치가 유효하지 않다고 간주되면, 상기 방법(200)은 단계(214)로 진행한다. 초기 위치 값을 필요로 하지 않고서 수행될 수 있는 예시적인 미지정수 결정 절차(integer ambiguity resolution process)는 공동 양도된 미국 특허 6,734,821(2004년 5월 11일자 발행)에 설명되어 있으며, 이는 본 명세서에 그 전체로서 참고 문헌으로 일체화된다. 그러나, 미국 특허 6,734,821에 설명된 바와 같이, 150 킬로미터 범위 내에서 초기 위치 값이 없이 미지정수를 결정하기 위해서는, 네 개 이상의 분수 의사 거리 측정값들이 필요하다. 반면에, 단계(212)에서 초기 위치 값을 이용하면 단지 세 개 또는 네 개의 의사 거리 값들만 이용하면 정수들이 고정될 수 있다. 몇몇 경우에서는 상기 원격 수신기(102)는 의사 거리 값들을 계산하기 위한 네 개 이상의 위성 신호들을 수신할 수 없을 수 있다(즉, 낮은 신호 대 잡음비 환경). 따라서, 단계(212)에서, 가능하다면, 초기 위치를 이용하여 의사 거리 값의 정수들을 결정 할 수 있다는 점은 매우 유리하다.

단계(216)에서는, 원격 수신기(102)의 위치는, 주지된 방법을 통해, 전체(full) 의사 거리 값들과 하나의 항법 모델(navigation model)을 이용하여 계산될 수 있다. 특히, 일반적인 위성 항법 시의 문제에 있어서, 다음과 같은 9 개의 미지수들이 있다.

세 개의 위치 미지수 : x, y, z

세 개의 속도 미지수 :

세 개의 클럭 미지수 : t_C, t_S, f_C

여기서, t_C는 공통 모드 시간 오차(GPS의 경우에, 보통은 서브밀리초 값)이고, t_S는 절대 시간 태그 오차(absolute time tag error)이며, f_C는 원격 수신기(102) 내의 국부 발진기 내에서 발생하는 주파수 오차이다. 이들 변수들 중 하나 또는 다수는 사전에 알려져 있거나, 또는 사전(a-priori) 정보를 바탕으로 추정될 수 있다(예를 들어, t_S는 만약 원격 수신기(102)가 정확한 GPS 시간에 맞게 교정되었다면 미리 알려진 것이라 볼 수 있다) 이들 미지 변수들 중 하나 또는 다수는 주지된 방법을 통해 의사 거리들 및 위성 궤도/클럭 데이터(즉, 위성력 정보)를 구할 수 있게 그 해가 구해질 수 있다.

도 5는 본 발명에 따라 원격 수신기에서 초기 위치를 검증하는 방법(500)의 또 다른 예시적인 실시예를 설명하는 순서도이다. 이 방법(500)은 단계(502)에서 시작한다. 단계(504)에서, 원격 수신기(102)부터 복수의 위성들까지의 분수 의사 거리 값들이 측정된다(즉, 서브밀리초 의사 거리 값들, 또는 모듈로-20 밀리초 의사 거리 값들). 단계(506)에서는, 원격 수신기(102)의 초기 위치 값이 획득된다(예를 들어, 위치 캐시에서 제공된 위치 값). 단계(508)에서는, 그 초기 위치 값을 이용하여 의사 거리 정수부들이 결정된다. 단계(510)에서는, 상술한 바와 같이, 전체 의사 거리 값들 및 항법 모델을 이용하여 원격 수신기(102)의 위치가 계산된다. 단계(512)에서는, 단계(510)에서 계산된 위치 값의 유효 여부를 검증할 수 있도록 거리 변화율(range-rate) 측정값들이 원격 수신기(102)에서 획득된다. 거리 변화율 측정값을 이용하여 위치를 검증하는 예시적인 절차들은 도 3 및 4와 관련하여 아래에서 설명된다. 단계(514)에서는, 계산된 위치가 유효한 것인지 여부에 관해 결정이 내려진다. 만약 그렇다면, 방법(500)은 단계(518)에서 종료된다. 만약 그렇지 않다면, 방법(500)은 단계(516)로 진행한다. 단계(516)에서, 상기 의사 거리 정수들은 초기 위치를 이용하지 않고서 결정되며, 상기 원격 수신기(102)의 위치는 의사 거리 값들을 이용하여 다시 계산된다. 방법(500)은 단계(518)에서 종료된다.

도 3은 본 발명에 따라 원격 수신기에서 초기 위치를 검증하는 방법(300)의 예시적인 실시예를 설명하는 순서도이다. 방법(300)은 도 2의 위치 확인 방법(200) 중에 초기 위치를 검증하는 단계(208)에서 수행될 수 있으며 또한 도 5의 위치 확인 방법에서는 계산된 위치를 검증하는 단계(512)에서 수행될 수 있다. 방법(300)은 단계(302)에서 시작한다. 단계(304)에서는, 위성들(112)에 대해 원격 수신기(102)에서 거리 변화율(range rate) 측정값들이 획득된다. 어떤 주어진 위성 j에 대한 거리 변화율은

로 표시된다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 거리 변화율 측정값들은 상기 위성들(112)에 대한 도플러 측정값들을 획득함으로써 얻을 수 있다. 도플러 측정은 주지된 방법을 통해 상기 위성 신호 수신기(104)에 의해 이뤄질 수 있다. 또는, 상기 거리 변화율 측정값들은 두 번의 서로 다른 시점에서 측정된 분수 의사 거리들의 세트에 대해 차분(differencing)함으로써(즉, 의사 거리 값들의 변화율, 즉 "의사 거리 변화율(pseudorange rate)"을 계산함으로써) 얻을 수 있다.

단계(306)에서는, 단계(305)에서 얻은 위치 값을 이용하여, 예상 거리 변화율들(expected range rates)이 계산된다. 예를 들어, 단계(305)에서 얻은 위치 값은 도 2의 단계(206)에서 얻은 초기 위치 값일 수도 있고, 도 5의 단계(510)에서 얻은 계산된 위치 값일 수 있다. 상기 예상 거리 변화율은 서로 다른 두 시점에서 얻은 위치들을 기초로, 상기 위성들(112)까지의 예상 의사 거리(expected pseudoranges)의 세트에 대해 차분함으로써 계산될 수 있다. 초기 위치 P_j에서 계산된, 어떤 주어진 위성 j에 대한 예상 거리 변화율은

로 표시된다. 단계(308)에서는, 상기 위성들(112) 중에서 기준 위성(reference satellite)이 선택되어 단일 차분(single-difference) 연산에 이용된다. 일 실시예에서는, 가장 큰 신호 대 잡음비를 가지는 위성이 기준 위성으로 선정된다. 기준 거리 변화율 측정값과 기준 예상 거리 변화율을 나타내는 데에 아래 첨자 0이 이용된다. 말하자면, 기준 거리 변화율 측정값은

과 같이 표시되고, 기준 예상 거리 변화율은

과 같이 표시된다.

단계(310)에서, 기준 위성에 관한 거리 변화율 측정값과 나머지 위성들의 거리 변화율 측정값들 사이의 단일 차분값들이 계산된다. 상기 단일 차분을 뜻하는 항은 삼각형 형상(Δ)으로 표시되고, 아래에서, j번째 거리 변화율 측정값인

과 기준 위성의 거리 변화율 측정값

사이의 차이를 표현하는 데에 이용된다. 다시 말해, j번째 위성에 대한 측정된 거리 변화율 단일 차분값은 다음과 같이 표현될 수 있다.

단계(312)에서는, 기준 위성의 예상 거리 변화율과 나머지 위성들의 예상 거리 변화율 사이의 단일 차분값들이 계산된다. j번째 위성에 대한 예상 거리 변화율 단일 차분값은 다음과 같이 표현될 수 있다.

단계(314)에서, 단일 차분의 나머지값들(residuals)이 계산된다. j번째 위성에 대한 단일 차분의 나머지값(d_j)은 다음과 같이 표현될 수 있다.

단계(316)에서는, 각각의 단일 차분 나머지값들은 어떤 문턱 값(threshold value)에 비교되고, 각 단일 차분 나머지값들이 그 문턱값을 만족하는지 여부에 관해 판정이 이뤄진다. 일 실시예에서, 각 단일 차분 나머지값(m/s의 단위를 가짐)의 절대값(absolute value)이 문턱 값에 비교된다. 예를 들어, 실제 위치와 초기 위치 사이에 대략 100 km의 차이가 나는 것에 상응하여 20 m/s의 문턱 값이 설정될 수 있다. 만약 어떤 소정의 개수(예를 들어 적어도 하나)의 단일 차분 나머지값들의 절대 값이 문턱 값(20 m/s)보다 더 크다면, 상기 위치는 유효하지 않은 것으로 간주된다. 반대로, 만약 어떤 소정의 개수의(예를 들어 전부) 단일 차분 나머지값들의 절대 값이 문턱 값(20 m/s)보다 더 작다면, 상기 위치는 유효한 것으로 간주된다. 또한, 만약 원격 수신기가 이동 중이라면, 각 거리 변화율 측정값들에는 예상치 못한 편차(bias)가 있을 수 있다. 20 m/s의 문턱 값은 약 72 km/h의 속도에 상응한다. 따라서, 만약 원기 수신기(102)의 속도가 72 km/h보다 더 큰 미지의 값이라면, 단계(316)에서 수행된 테스트의 결과는 불명확한 것이 될 것이다(즉, 상기 초기 위치는 유효할 수는 있어도, 원격 수신기(102)의 속도를 알 수 없기 때문에 잘못된 경고가 발생할 수 있다). 이러한 경우에, 그 문제는 거리 변화율 측정값들을 이용하여 속도가 20 m/s보다 더 정확하게 알려질 때까지 속도를 다시 계산함으로써 해결된다. 다른 문턱 값들을 20 m/s보다는 덜 엄격하거나 더 엄격한 값으로 선정할 수 있다는 점이 이해되어야 할 것이다.

단계(316)에서, 만약 단일 차분 나머지값들이 문턱 값을 만족하였다면, 상기 방법(300)은 단계(318)로 진행하며, 여기서는 상기 위치가 유효하다는 플래그가 붙 는다. 만약 상기 단일 차분 나머지 값들이 문턱 값을 만족시키지 못한다면, 방법(300)은 단계(320)로 진행하며, 여기서는 상기 위치가 유효하지 않다는 플래그가 붙는다. 방법(300)은 단계(322)에서 종료된다.

도 4는 본 발명에 따라 원격 수신기에서 초기 위치를 검증하는 방법(400)의 다른 예시적인 실시예를 설명하는 순서도이다. 상기 방법(400)은 도 2의 위치 확인 방법(200) 중에 초기 위치를 검증하는 단계(208)에서 수행될 수 있으며 또한 도 5의 위치 확인 방법에서는 계산된 위치를 검증하는 단계(512)에서 수행될 수 있다. 방법(400)은 단계(402)에서 시작한다. 단계(404)에서는, 위성들(112)에 대해 원격 수신기(102)에서 거리 변화율 측정값들이 획득된다. 상술한 바와 같이, 상기 거리 변화율 측정값들은 도플러 측정값들을 획득함으로써 또는 의사 거리 변화율(pseudorange rate)을 측정함으로써 얻을 수 있다.

단계(310)에서는, 단계(406)에서 얻은 위치 값과 단계(408)에서 얻은 클럭 오차 데이터(clock error data)를 이용하여, 예상 거리 변화율들이 계산된다. 예를 들어, 단계(406)에서 얻은 위치 값은 도 2의 단계(206)에서 얻은 초기 위치 값일 수도 있고, 도 5의 단계(510)에서 얻은 계산된 위치 값일 수 있다. 단계(408)에서 얻은 클럭 오차 데이터는 위성 신호 수신기(104) 내의 클럭 주파수와 위성들(112)의 클럭 주파수 사이의 상대적 클럭 오차 값을 포함한다. 원격 수신기(102)에서는 상기 클럭 오차 데이터는 이전에 계산된 유효한 위치 및 속도 값으로부터 알게 될 수 있다.

단계(412)에서는, 단계(410)에서 계산된 예상 거리 변화율 값과 단계(404)에 서 획득한 측정 거리 변화율 값들을 차분함으로써 거리 변화율 나머지값들(range-rate residuals)이 계산된다. 클럭 오차가 알려져 있기 때문에, 도 3의 방법(300)에서 수행되는 것과 같은 단일 차분 연산은 불필요하다. 단계(414)에서는, 각 거리 변화율 나머지 값이 소정의 문턱 값에 비교되고, 각 거리 변화율 나머지 값이 그 문턱 값을 만족하는지 여부에 관해 판정이 내려진다. 일 실시예에서는 각 거리 변화율 나머지 값(m/s의 단위를 가짐)의 절대값이 문턱 값에 비교된다. 만약 어떤 소정의 개수(예를 들어 적어도 하나)의 거리 변화율 나머지값들의 절대 값이 문턱 값보다 더 크다면, 상기 위치는 유효하지 않은 것으로 간주된다. 반대로, 만약 어떤 소정의 개수의(예를 들어 전부) 거리 변화율 나머지값들의 절대 값이 문턱 값보다 더 작다면, 상기 위치는 유효한 것으로 간주된다. 만약 거리 변화율 나머지값들이 단계(414)에서 문턱 값을 만족시킨다면, 상기 방법(400)은 단계(416)로 진행하고 여기서는 상기 위치가 유효하다는 플래그가 붙는다. 만약 상기 거리 변화율 나머지 값들이 문턱 값을 만족시키지 못한다면, 방법(400)은 단계(418)로 진행하며, 여기서는 상기 위치가 유효하지 않다는 플래그가 붙는다. 방법(400)은 단계(420)에서 종료된다.

지금까지의 논의에 있어서, 본 발명은 미국의 지구 위치 시스템(Global Positioning System, GPS)에 관한 응용예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 이러한 방법들은 유사한 위성 시스템들, 특히, 러시아의 GLONASS 시스템, 유럽의 GALILEO 시스템 및 이들 시스템들 중 두 시스템의 조합, 또는 이들 시스템들과 기타 GPS와 비슷한 신호들을 제공하는 WAAS(wide area augmentation system) 및 SBAS와 같이 유사한 신호들을 제공하는 위성들의 조합들에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다는 점은 명백할 것이다. 본 명세서에서 사용된 "GPS"라는 용어는, 러시아의 GLONASS 시스템, 유럽의 GALILEO 시스템, WAAS 시스템 및 SBAS 시스템 뿐만 아니라 이들을 조합한 구성을 포함하는, 대안이 될 수 있는 모든 위성 위치 확인 시스템들을 포함한다.

지금까지의 기재 사항들이 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 그 밖의 실시예들도 그 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 그 청구 범위는 다음의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (28)

1. 원격 수신기로부터 복수의 위성들까지의 분수 의사 거리(fractional pseudoranges) 값들을 측정하는 단계;

   상기 원격 수신기에서 상기 원격 수신기의 초기 위치 값을 얻는 단계;

   상기 분수 의사 거리 값들과 상기 초기 위치 값을 이용하여 상기 분수 의사 거리들의 정수 부분을 고정(fixing)하는 단계를 포함하는 상기 원격 수신기의 위치 값을 계산하는 단계;

   상기 원격 수신기에서 도플러 측정 값 또는 의사 거리 변화율을 이용하여 상기 복수의 위성들에 대해 거리 변화율(range-rate) 측정값들을 얻는 단계; 및

   상기 거리 변화율 측정값들을 이용하여 문턱 값과의 비교에 의해 상기 원격 수신기의 상기 위치 값의 유효성을 검증하는 단계를 포함하며,

   상기 초기 위치 값은 상기 원격 수신기의 메모리에 저장된 위치 값들 중 가장 최근 값으로부터 획득되는 것을 특징으로 하는 원격 수신기의 위치 확인 방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 거리 변화율 측정값들을 얻는 단계는

   상기 복수의 위성들에 대해 도플러 측정값들을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 수신기의 위치 확인 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 거리 변화율 측정값들을 얻는 단계는

   다른 시점에서 상기 원격 수신기로부터 복수의 위성들까지의 추가적인 분수 의사 거리 값들을 측정하는 단계; 및

   상기 분수 의사 거리 값들과 상기 추가적인 분수 의사 거리 값들을 차분(differencing)하여 상기 거리 변화율 측정값들을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 수신기의 위치 확인 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 검증하는 단계는

   상기 위치 값을 이용하여 상기 복수의 위성들에 대한 예상 거리 변화율(expected range-rates)을 계산하는 단계;

   상기 거리 변화율 측정값들을 이용하여 단일 차분 값들(single differences)을 계산하는 단계;

   상기 예상 거리 변화율을 이용하여 예상 단일 차분 값들을 계산하는 단계;

   상기 단일 차분 값들과 상기 예상 단일 차분값들 간의 단일 차분 나머지값들(single difference residuals)을 계산하는 단계; 및

   상기 단일 차분 나머지값들을 문턱값에 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 수신기의 위치 확인 방법.
6. 원격 수신기로부터 복수의 위성들까지의 분수 의사 거리 값들을 측정하는 단계;

   상기 원격 수신기에서 상기 원격 수신기의 초기 위치 값을 얻는 단계;

   상기 원격 수신기에서 도플러 측정 값 또는 의사 거리 변화율을 이용하여 상기 복수의 위성들에 대해 거리 변화율 측정값들을 얻는 단계;

   상기 거리 변화율 측정값들을 이용하여 문턱 값과의 비교에 의해 상기 초기 위치 값의 유효성을 검증하는 단계; 및

   상기 초기 위치 값의 유효 간주에 대응하여 상기 분수 의사 거리 및 상기 초기 위치 값을 이용하여 상기 원격 수신기의 위치를 계산하는 단계를 포함하며,

   상기 초기 위치 값은 상기 원격 수신기의 메모리에 저장된 위치 값들 중 가장 최근 값으로부터 획득되는 것을 특징으로 하는 원격 수신기의 위치 확인 방법.
7. 삭제
8. 청구항 6에 있어서, 상기 거리 변화율 측정값들을 얻는 단계는

   상기 복수의 위성들에 대해 도플러 측정값들을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 수신기의 위치 확인 방법.
9. 복수의 위성들까지의 분수 의사 거리 값들을 측정하고, 도플러 측정 값 또는 의사 거리 변화율을 이용하여 상기 복수의 위성들에 대해 거리 변화율 측정값들을 얻기 위한 위성 신호 수신기;

   원격 수신기의 초기 위치 값을 저장하기 위한 메모리; 및

   상기 분수 의사 거리 값들과 상기 초기 위치 값을 이용하여 상기 원격 수신기의 위치 값을 계산하고, 상기 거리 변화율 측정값들을 이용하여 문턱 값과의 비교에 의해 상기 원격 수신기의 상기 위치 값의 유효성을 검증하기 위한 프로세서를 포함하며,

   상기 초기 위치 값은 상기 원격 수신기의 메모리에 저장된 위치 값들 중 가장 최근 값으로부터 획득되는 것을 특징으로 하는 위치 확인 장치.
10. 복수의 위성들까지의 분수 의사 거리 값들을 측정하고, 도플러 측정 값 또는 의사 거리 변화율을 이용하여 상기 복수의 위성들에 대해 거리 변화율 측정값들을 얻기 위한 위성 신호 수신기;

    원격 수신기의 초기 위치 값을 저장하기 위한 메모리; 및

    상기 거리 변화율 측정값들을 이용하여 문턱 값과의 비교에 의해 상기 초기 위치 값의 유효성을 검증하고, 상기 분수 의사 거리 값들과 상기 초기 위치 값을 이용하여 상기 원격 수신기의 위치 값을 계산하기 위한 프로세서를 포함하는 위치 확인 장치.
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제

Images