KR101034742B1 - 클러스터링된 포지셔닝 신호를 이용하는 다중경로 완화를위한 시스템과 방법 - Google Patents

클러스터링된 포지셔닝 신호를 이용하는 다중경로 완화를위한 시스템과 방법 Download PDF

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Abstract

포지셔닝 시스템을 위한 다이버시티 시스템이 개시되는데, 이에 따르면, 실질적으로 동일한 위치로부터 전송된 및/또는 수신된 복수의 포지셔닝 신호가 관찰 수신기에 의해 수신되고 해석된다. 관찰 수신기는 실질적 가간섭성 포지셔닝 신호들을 비교하여 선택하고, 및/또는 측정된 포지셔닝 신호의 최적 추정치를 생성하도록 구성되는데, 그리하여 정확한 위치 측정치가 다중경로의 영향을 받는 환경에서 결정될 수 있다.

Description

클러스터링된 포지셔닝 신호를 이용하는 다중경로 완화를 위한 시스템과 방법{A SYSTEM AND METHOD FOR MULTIPATH MITIGATION USING CLUSTERED POSITIONING SIGNALS}
본 발명은 일반적으로 전파 반사 환경에서 정확한 위치 판정을 생성하기 위한 시스템과 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 다중경로의 해로운 효과를 완화하기 위해 사실상 동일한 위치로부터의 포지셔닝 신호를 수신하고 해석하는 위치 판정 시스템에 적용된다. 본 발명은 다중경로 섭동이 없는 정확한 거리 정보가 정밀한 포지셔닝을 위해 필수적인 포지셔닝 기술에서의 특별한 그러나 배타적이지 않은 애플리케이션을 갖는다.
다중경로는 모든 RF 통신과 포지셔닝 시스템에 대해 언제나 존재하는 문제이다. 그것은 통신 시스템에 대한 낮은 데이터 대역폭과 열화된 신호 세기, 및 포지셔닝 시스템에 대한 부정확한 거리 측정을 야기한다. 특히, 신호가 벽, 천정, 마루, 가구 및 사람들을 포함하는 대부분의 물체로부터 반사되는 실내 환경에서의 다중경로는 매우 심각하다.
통신-기반 시스템에서 다중경로의 효과를 완화하기 위한 다수의 다이버시티(diversity) 방법이 개발되어 왔다. 그것들은 공간, 주파수, 편파(polarization) 다이버시티를 포함한다. 이들 전통적인 방법은 파괴적인 방식으로 상호작용하는 직접 및 반사 신호에 의해 야기된 신호 소거를 최소화하도록 설계된다. 이러한 종래 기술은 일반적으로 (a) 공간적으로 분포된 복수의 수신 안테나 요소 - 이것은 최고의 신호 세기를 갖는 안테나 요소를 연속적으로 선택하는 제어 수단으로 구성됨 - 를 배치(공간 다이버시티)하거나, 또는 (b) 고유한 편파를 갖는 복수의 수신 안테나 요소 - 이것은 최고의 신호 세기를 갖는 안테나 요소를 연속적으로 선택하는 제어 수단으로 구성됨 - 를 배치(편파 다이버시티)하거나, 또는 (c) 동일한 정보를 전송하는 복수의 주파수를 수신하도록 구성된 단일 수신 안테나 요소를 배치(주파수 다이버시티)하고, 최고의 신호 세기를 갖는 주파수를 연속적으로 선택하도록 제어 수단을 구성한다. 이후, 최고의 수신 신호 세기를 갖는 주파수나 안테나 요소는 통신 데이터를 복조하기 위해 사용된다. 이들 종래 기술의 다이버시티 시스템은 직접 및 반사 신호를 어떠한 방식으로든 구별하지 않는다. 양호한 신호 세기를 갖는 강한 반사 신호는 약한 직접 신호 대신에 수용될 것이다. 그러나, 포지셔닝 시스템이 정확히 기능하기 위해서는, 직접 경로 신호는 그것이 비록 반드시 최고의 수신 신호 세기를 갖는 신호가 아닐지라도 측정되는 것이 매우 중요하다. 그러므로, 전통적인 종래 기술의 통신-기반 다이버시티 방법은 포지셔닝 시스템에서의 다중경로의 완화를 위해서는 적합하지 않다.
포지셔닝 시스템을 위한 전통적인 다중경로 완화 방법은 5개의 넓은 카테고리로 나뉘어지며, 다음과 같다:
(1) 개선된 변조 기술;
(2) 개선된 수신기 상관관계 기술;
(3) 다중경로 제한 안테나;
(4) 과결정(over-determined) 위치 솔루션; 및
(5) 수신기 자체 무결성(integrity) 감시(RAIM).
1) 다중경로 완화를 위한 개선된 변조 기술은 일반적으로 코드 분할 다중 액세스(CDMA) 의사랜덤 넘버(PRN) 코드의 증가된 칩핑율(chipping rates)에 관련된다. 칩핑율이 증가됨에 따라 다중경로 상관관계는 감소된다. 그러나, RF 스펙트럼 사용, 수신기 파워 소비, 및 수신기 복잡도가 또한 증가된다.
2) 개선된 수신기 상관관계 기술은 자기상관 트랙킹 기능을 다중경로 섭동에 대해 보다 탄력적으로 만듦으로써 수신기 상관기(correlator)에서의 다중경로 완화를 성취한다. 이 카테고리에서 보다 뛰어난 기술 중의 하나는 소위 좁은 상관기(narrow correlator)인데, 이것에 의해 초기와 후기 상관기 트랙킹 암(arms)은 종래의 1/2 칩 스페이싱에서 1/10 칩 스페이싱으로 감소된다. 이러한 보다 좁은 스페이싱은 긴 지연 다중경로는 없으나, 여전히 짧은 지연 다중경로에 취약하다. 좁은 상관기 기술은 자기상관 기능의 날카로움을 개선하기 위해 확장된 수신기 대역폭을 또한 필요로 하며, 이것은 수신기 전력 소비와 복잡도를 증가시킨다.
3) 다중경로 제한 안테나는 반사된, 축을 벗어난 신호의 세기를 감소시키기 위해 수신 및/또는 전송 안테나 이득 패턴을 성형한다. 이러한 안테나의 가장 일반적인 형태는 소위 초크 링(choke ring) 안테나인데, 이는 일반적으로 지상 반사를 완화시키기 위한 GPS 애플리케이션에서 사용된다. 다중경로 제한 안테나 방법 은 안테나의 빔 패턴을 하나의 방향으로 방향지우는데, 그렇기 때문에 많은 방향으로부터 신호가 반사되는 실내와 같은 고다중경로 환경에서는 제한된 애플리케이션을 갖는다.
4) 과결정 위치 솔루션은 위치 솔루션을 형성하기 위해 필요한 것보다 더 많은 송신기를 이용한다. 이것은 위치 솔루션에서 다중경로 손상된 포지셔닝 신호의 중요도를 감소시킴으로써 위치 정확도를 개선한다. 추가적인 이점은 보다 기하학적으로 다양한 송신기들에 의해 제공되는 개선된 기하학적 배열이다. 그러나, 이 방법이 효과적이기 위해서는, 포지셔닝 신호의 대다수가 임의의 주어진 시간에 손상되지 않아야 한다. 이것은 일반적으로 고도 다중경로 환경에서 일어나는 경우는 아니다.
5) 수신기 자체 무결성 감시(RAIM)는 수신 포지셔닝 신호의 무결성을 검사하고 그리하여 위치 솔루션으로부터 벗어난 측정치를 제거하기 위해 위치 수신기에 의해 사용되는 알고리즘이다. 가장 간단한 형태로 RAIM 알고리즘은 다중경로-손상된 이상 범위를 결정하기 위해서 송신기 포지셔닝 신호의 상이한 조합으로부터 잔류 범위를 관찰한다. 큰 범위 잔류와 연관된 송신기는 다중경로 손상된 것으로 간주되며 위치 솔루션으로부터 제거된다. 상이한 송신기 조합은 추가적인 송신기로부터의 잉여 포지셔닝 신호 측정치를 사용함으로써 성취된다. 그러므로, RAIM 방법은 효과적인 다중경로 완화 도구를 제공하기 위해서 매우 많은 잉여 송신기를 필요로 하는데, 이는 많은 경우에 매우 비실용적이다. 또한, 만약 RAIM 알고리즘이 포지셔닝 신호를 다중경로 손상되었다고 간주하면, 그 송신기는 위치 솔루션으로부터 제거되는데, 이는 또한 기하학적 다이버시티를 감소시킨다.
무-기하학(Geometry-free) 포지셔닝 신호
무-기하학 포지셔닝 신호는 같은 위치로부터 개개의 캐리어 주파수상에 전송된 고유한 포지셔닝 신호로 정의되며, 그리하여 각각의 고유한 포지셔닝 신호의 기하학적 거리와 단위 벡터는 관찰 수신기에 대해서 동일하다. 이것은 동일한 물리학적 안테나 어레이의 동일한 위상 중심을 통한 복수의 주파수의 전송을 필요로 하며, 이는 실제에 있어서, 주파수가 분산됨에 따라 점점 어려워진다. 또한, 무-기하학 포지셔닝 신호의 정확한 시간적 동기화도 또한 어려운데, 이는 각 주파수 전송 경로 내의 전자 부품의 라인 바이어스와 그룹 지연이 온도와 전압에 따라 독립적으로 변화하기 때문이다. 무-기하학 포지셔닝 신호는 일반적으로 캐리어-기반 포지셔닝 시스템에서 소위 "사이클 슬립"의 결정을 위해 사용된다. 사이클 슬립은 서든 정수(sudden integer), 또는 포지셔닝 신호에서 관찰가능한 캐리어 위상에 있어서의 반주기 점프이며, 이는 관찰하는 수신기 캐리어 트랙킹 루프(일반적으로 위상-록-루프)의 록의 손실에 의해 야기된다. 단일 주파수 포지셔닝 시스템에서, 사이클 슬립을 정확하고 신뢰성 있게 검출하고 복구하는 것이 어렵다는 것이 증명되었다. 전통적인 사이클 슬립 검출 방법은 일반적으로 GPS L1과 L2 캐리어 주파수 사이에서, 무-기하학 관찰가능한 것의 선형 조합을 이용하였다. 이들 무-기하학 방법은 무-기하학 포지셔닝 신호의 통합 캐리어 위상(Integrated Carrier Phase: ICP) 시계열에서의 불연속성을 관찰함으로써 사이클 슬립을 검출한다. 그러나, 이들 종래의 방법은 다중경로 손상을 결정하는데 있어서 무-기하학 거리 측정의 가간섭성(coherence)을 고려하지 않는다.
종래 시스템은 (a) 사실상 동일한 위치로부터 전송되는 직접 및 다중경로 손상된 포지셔닝 신호를 구별할 수 없으며, (b) 기하학적으로 다양한 잉여의 송신기 없이 다중경로 완화를 제공할 수 없고, (c) 시변 그룹 지연의 부담이 없는 다이버시티 시스템을 제공할 수 없으며, (d) 증가된 전송 대역폭, 증가된 수신기 전력 소비, 증가된 수신기 복잡도 없이 다중경로 완화를 개선할 수 없다. 이들 제한 사항 없이 정확한 거리 측정을 제공할 수 있는 시스템이 매우 요구된다.
(용어 정의)
거리 벡터 - 거리 벡터는 제 1 점으로부터 제 2 점까지의 거리와 방향을 정의함으로써 공간에서 두 점의 공간적 관계를 정의하는 벡터이다. 예를 들면, 공간에서, 관련 위치 벡터
Figure 112005054921178-pct00001
과
Figure 112005054921178-pct00002
를 갖는 두 개의 점
Figure 112005054921178-pct00003
과
Figure 112005054921178-pct00004
가 주어질 때,
Figure 112005054921178-pct00005
에서
Figure 112005054921178-pct00006
로의 거리 벡터
Figure 112005054921178-pct00007
는
Figure 112005054921178-pct00008
와 같이, 위치 벡터들의 벡터 감산으로 정의된다.
Figure 112005054921178-pct00009
은 점
Figure 112005054921178-pct00010
으로부터
Figure 112005054921178-pct00011
로의 거리와 방향을 정의한다.
기하학적 거리 - 기하학적 거리는 공간에서 두 점 사이의 스칼라 거리이다. 예를 드면, 거기 벡터
Figure 112005054921178-pct00012
의 기하학적 거리는
Figure 112005054921178-pct00013
으로 정의된다.
단위 벡터 - 단위 벡터는 크기가 1인 벡터이다. 단위 벡터는 방향을 정의하기 위해 사용된다. 예를 들면, 거리 벡터
Figure 112005054921178-pct00014
의 방향은
Figure 112005054921178-pct00015
과 같은 방향을 가지며 크기가 1인 단위 벡터
Figure 112005054921178-pct00016
에 의해 표현될 수 있다.
다이버시티(diversity) - 본 발명에서 제시된 바의 다이버시티는 전파 반사성 (다중경로) 환경에서 고유한 전파 반사를 보이는 전파 신호의 전송 및/또는 수신이다. 다이버시티는 일반적으로 공간, 주파수, 또는 편파 수단을 이용하여 성취된다.
다양한 전파 링크 - 다양한 전파 링크, 또는 전파 링크 다이버시티는 다이버시티 방법을 사용하는 전파 신호이다.
전송 클러스터 - 사실상 동일한 위치로부터 각각 동기적으로 전송되며 전파 링크 다이버시티를 보유하는 복수의 고유한 포지셔닝 신호는 '전송 클러스터'라 알려져 있다.
수신 클러스터 - 사실상 동일한 수신 위치에서 각각 동기적으로 수신되며 전파 링크 다이버시티를 보유하는 복수의 개별적인 포지셔닝 신호는 '전송 클러스터'라 알려져 있다.
사실상의 가간섭성(coherent) 포지셔닝 신호 - 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호는 관찰 수신기에 의해 수신되고 해석될 때 사실상 유사한 측정을 산출하는 포지셔닝 신호이다.
포지셔닝-유닛 장치 - 포지셔닝-유닛 장치는 포지셔닝 신호를 전송하는 포지셔닝 송신기의 형태이다.
관찰 수신기 - 관찰 수신기는 포지셔닝 신호를 수신하고 해석하는 수신기이다.
(본 발명의 목적)
본 발명의 목적은 사실상 동일한 위치로부터 전송되는 직접 및 다중경로 손상 포지셔닝 신호를 구별할 수 있는 다이버시티 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 사실상 동일한 위치에서 수신되는 직접 및 다중경로 손상 포지셔닝 신호를 구별할 수 있는 다이버시티 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 잉여 송신기가 필요 없이, 다중경로의 존재하에서, 정확한 포지셔닝 신호 측정을 하기 위한 다이버시티 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 시변 그룹 지연의 방해가 없는 정확한 포지셔닝 신호 측정을 하기 위한 다이버시티 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 증가된 전송 대역폭이 필요 없이, 다중경로의 존재하에서, 정확한 포지셔닝 판정을 하기 위한 포지셔닝 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 다중경로의 존재하에서, 사실상 동일한 위치로부터 전송 및/또는 수신된 정확한 포지셔닝 신호 측정을 추정하기 위한 다이버시티 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
(본 발명의 요약)
전술한 본 발명의 목적은 관찰 수신기에 대해서 사실상 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터를 보이는 다양한 전파 링크를 통해 수신된 복수의 동기 포지셔닝 신호를 해석함으로써 성취된다. 관찰 수신기는 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호를 비교하고 이후 선택하며, 및/또는 정확한 위치 측정이 다중경로에 영향받은 환경에서 결정될 수 있도록, 측정된 포지셔닝 신호에 대한 최적 추정치(best-fit estimate)를 생성하도록 구성된다.
도 1은 본 발명에 따른 전송 클러스터의 제 1 실시예의 그래픽적 표현이며, 이에 의하면, 공간적으로 다양한 전송 클러스터를 통합하고 있는 포지셔닝-유닛 장치는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소를 통해 4개의 고유한 포지셔닝 신호를 다중경로 환경에 있는 관찰 수신기로 브로드캐스트하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 전송 클러스터의 제 1 실시예의 그래픽적 표현이며, 이에 의하면, 공간적으로 다양한 전송 클러스터를 통합하고 있는 포지셔닝-유닛 장치는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소를 통해 4개의 고유한 포지셔닝 신호를 다중경로 손상 환경에 있는 관찰 수신기로 브로드캐스트하고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전송 클러스터의 제 1 실시예의 그래픽적 표현이며, 이에 의하면, 공간적으로 다양한 전송 클러스터를 각각 통합하고 있는, 시간적으로 동기화된 4개의 포지셔닝-유닛 장치의 네트워크는 16개의 공간적으로 분포된 안테나 요소를 통해 16개의 고유한 포지셔닝 신호를 관찰 수신기로 브로드캐스트하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 수신 클러스터의 제 1 실시예의 그래픽적 표현이며, 이에 의하면, 공간적으로 다양한 수신 클러스터를 통합하고 있는 관찰 수신기는 4개의 공간적으로 분포된 수신 안테나 요소를 통해 4개의 포지셔닝-유닛 장치로부터 16개의 개별적인 포지셔닝 신호를 수신하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 관찰 수신기 구성의 그래픽적 표현이며, 이에 의하면, 공간적으로 다양한 전송 클러스터를 각각 통합하고 있는, 시간적으로 동기화된 4개의 포지셔닝-유닛 장치의 네트워크는 16개의 공간적으로 분포된 안테나 요소를 통해 16개의 고유한 포지셔닝 신호를 관찰 수신기로 브로드캐스트하고 있다. 관찰 수신기는 16개의 모든 고유한 포지셔닝 신호를 위치 솔루션 알고리즘으로 전달하도록 구성된다.
도 6은 본 발명에 따른 관찰 수신기 구성의 그래픽적 표현이며, 이에 의하면, 공간적으로 다양한 전송 클러스터를 각각 통합하고 있는, 시간적으로 동기화된 4개의 포지셔닝-유닛 장치의 네트워크는 16개의 공간적으로 분포된 안테나 요소를 통해 16개의 고유한 포지셔닝 신호를 관찰 수신기로 브로드캐스트하고 있다. 관찰 수신기는 전처리(preprocess)된 포지셔닝 신호를 위치 솔루션 알고리즘에 전달하기 전에, 16개의 모든 고유한 포지셔닝 신호를 전처리하도록 구성된다.
도 7은 본 발명에 따른 관찰 수신기 구성의 제 1 실시예의 그래픽적 표현이며, 이에 의하면, 공간적으로 다양한 수신 클러스터를 통합하고 있는 관찰 수신기는 4개의 공간적으로 분포된 수신 안테나 요소를 통해 4개의 포지셔닝-유닛 장치로 부터 16개의 개별적인 포지셔닝 신호를 수신하고 있다. 관찰 수신기는 16개의 모든 개별적인 포지셔닝 신호를 위치 솔루션 알고리즘으로 전달하도록 구성된다.
도 8은 본 발명에 따른 관찰 수신기 구성의 제 1 실시예의 그래픽적 표현이며, 이에 의하면, 공간적으로 다양한 수신 클러스터를 통합하고 있는 관찰 수신기는 4개의 공간적으로 분포된 수신 안테나 요소를 통해 4개의 포지셔닝-유닛 장치로부터 16개의 개별적인 포지셔닝 신호를 수신하고 있다. 관찰 수신기는 전처리된 포지셔닝 신호를 위치 솔루션 알고리즘에 전달하기 전에, 16개의 모든 개별적인 포지셔닝 신호를 전처리하도록 구성된다.
개관
본 발명은 관찰 수신기에 대해 사실상 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터를 보이는, 다양한 전파 링크를 통해 수신된 독립적인 동기 포지셔닝 신호를 해석함으로써 포지셔닝 시스템에서의 코드와 캐리어-위상 다중경로의 완화를 위한 시스템과 방법을 개시한다. 이들 다양한 전파 링크는 포지셔닝 신호의 '클러스터'라 알려져 있다. 다중경로가 없는 조건에서, 포지셔닝 신호의 클러스터는 관찰 수신기에서 사실상의 가간섭성 측정을 제공한다. 포지셔닝 신호 측정의 이러한 가간섭성은 각 포지셔닝 신호에 대한 기하학적 거리와 단위 벡터가 관찰 수신기에 대해 사실상 동일하기 때문이다. 그러나, 다중경로 조건에서, 관찰 수신기는 클러스터로부터 모든 포지셔닝 신호를 가간섭성으로 측정하지는 않을 것이다. 포지셔닝 신호 가간섭성은 각 링크의 포지셔닝 신호 측정에 개별적으로 영향을 미치는 상이한 다중경로 반사를 생성하는 전파 링크 다이버시티 때문에 다중경로 환경에서 열화된다. 포지셔닝 신호들 사이의 가간섭성의 양은 다중경로 환경의 정도에 의존한다.
또한, 본 발명은 관찰 수신기에 대해 사실상 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터를 보이는, 다양한 전파 링크를 통해 수신된 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 해석하는 수단을 개시한다. 관찰 수신기는 (a) 자신에 대해 사실상 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터를 보이는 고유한 동기 포지셔닝 신호를 결정하고, (b) 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호를 비교 후 선택하고, 및/또는 결정된 고유한 동기 포지셔닝 신호의 최적 추정치를 생성하며, (c) 최적의 거리 측정과 뒤이은 정확한 위치 솔루션이 다중경로 영향하의 환경에서 결정될 수 있도록, 필터링된 또는 최적의 위치 솔루션을 결정하도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 관찰 수신기는 포지셔닝 신호들의 클러스터를 비교하고 이후 사실상 가간섭성의 포지셔닝 신호를 선택하여, 다중경로 손상된 링크들이 거리 측정으로부터 추정되도록 구성된다. 본 발명의 추가적인 실시예에서, 관찰 수신기는 포지셔닝 신호들의 클러스터로부터 최적 추정치를 생성하여, 사실상 다중경로가 없는 거리 측정이 결정되도록 구성된다. 그러므로, 본 발명은 사실상 동일한 위치로부터 전송되고 및/또는 사실상 동일한 위치에서 수신되는 포지셔닝 신호을 이용하여 직접 경로 신호와 다중경로 손상 신호를 구별하는 능력을 제공한다. 다중경로의 해로운 효과가 없는 정확한 위치 솔루션은 일단 충분한 송신기가 시야에 있으면 그 후에 관찰 수신기에 의해 계산될 수 있다.
시스템과 방법
본 발명의 제 1 실시예는 복수의 공간적으로 분포된 전송 안테나 요소를 통해 고유의 동기 포지셔닝 신호를 전송하는 것을 개시한다. 모든 전송 안테나 요소는 관찰 수신기에 대해서 사실상 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터를 갖고서 위치되며, 바람직하게는 전송된 캐리어 파장의 1/2 이하로 떨어진 간격으로 놓인다. 각 안테나 요소는 알려진 장소에 위치되며 고유의 포지셔닝 신호를 전송하고 있다. 바람직하게는, 각각의 고유한 포지셔닝 신호는 코드 분할 다중 액세스(CDMA) 시스템을 생성하도록 고유의 의사랜덤 넘버(PRN) 코드로써 인코딩되며, 모든 고유한 포지셔닝 신호는 동일한 캐리어 주파수로 전송된다. 관찰 수신기는 복수의 전송된 고유한 포지셔닝 신호를 수신하고 해석하도록 구성되며, 그리하여 다중경로가 없는 직접 경로 신호로부터 다중경로 손상된 신호를 구별하고, 따라서 포지셔닝 신호 정확도에 대한 다중경로의 유해한 효과를 완화한다.
이제 도 1을 참조하면, 다중경로가 없는 환경이 묘사되어 있으며, 이에 의하면, 포지셔닝-유닛 장치(101)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(102, 103, 104, 105)를 통합하고 있으며, 이들은 집합적으로 전송 클러스터(106)로 알려져 있다. 포지셔닝-유닛 장치(101)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(102, 103, 104, 105)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(107, 108, 109, 110)를 전송하고 있다. 공간적으로 분포된 안테나 요소(102, 103, 104, 105)는 알려진 장소에 위치하며, 바람직하게는 이들 장소는 전송된 캐리어 파장의 1/2 이하만큼 간격이 띄어진다. 각 안테나 요소는 동일한 캐리어 주파수로 고유한 포지셔닝 신호를 전송한다. 제 1 시각(111)에 관찰 수신기가 또한 묘사되어 있으며, 이것은 단일 수신 안테나(112)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(107, 108, 109, 110)를 수신한다. 단위 벡터(113, 114, 115, 116)와, 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(107, 108, 109, 110)의 기하학적 거리(117, 118, 119, 120)는 전송 클러스터(106)와 수신 안테나(112) 사이에서 사실상 동일하다. 제 2 시각(121)에 관찰 수신기가 또한 묘사되어 있으며, 이것은 단일 수신 안테나(122)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(107, 108, 109, 110)를 수신한다. 또한, 단위 벡터(123, 124, 125, 126)와, 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(107, 108, 109, 110)의 기하학적 거리(127, 128, 129, 130)는 전송 클러스터(106)와 수신 안테나(122) 사이에서 사실상 동일하다.
궤적 라인(131)에 의해 묘사된 것과 같이, 관찰 수신기는 최초의 위치(111)로부터 포지셔닝-유닛 장치(101) 쪽을 향해 새로운 위치(121)로 이동한다. 궤적 라인(131)을 따른 이러한 이동 중에, 전송 클러스터(106)로부터의 모든 고유한 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(107, 108, 109, 110)에 대한 통합 캐리어 위상(Integrated Carrier Phase: ICP)과 관찰 수신기 의사거리(pseudoranges)는 비례적으로 감소한다. 결과적으로, 모든 고유한 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(107, 108, 109, 110)에 대한 신호 세기와 관찰 수신기 도플러 측정치는 비례적으로 증가한다. 이동(121)의 끝에서, 관찰 수신기 안테나(122)의 포지셔닝-유닛 장치 클러스터(106)에 대한 단위 벡터(123, 124, 125, 126)와 기하학적 거리(127, 128, 129, 130)는 변경되지만, 중요하게도, 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(107, 108, 109, 110) 사 이의 기하학적 거리(127, 128, 129, 130)와 단위 벡터(123, 124, 125, 126)의 상대적인 관계는 사실상 변화하지 않는다. 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(107, 108, 109, 110)로부터의 모든 측정치는 사실상 동일하게 남아있다. 그러므로, 다중경로가 없는 환경에서, 관찰 수신기에 대해서 사실상 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터를 보이는 전송된 포지셔닝 신호의 공간적으로 다양한 클러스터는 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호 측정을 제공할 것임을 알 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 다중경로 환경이 묘사되어 있는데, 이에 의하면, 포지셔닝-유닛 장치(201)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(202, 203, 204, 205)를 통합하고 있으며, 이들은 집합적으로 전송 클러스터(206)로 알려져 있다. 포지셔닝-유닛 장치(201)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(202, 203, 204, 205)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(207, 208, 209, 210)를 전송하고 있다. 공간적으로 분포된 안테나 요소(202, 203, 204, 205)는 알려진 장소에 위치하며, 각 요소는 동일한 캐리어 주파수로 고유한 포지셔닝 신호를 전송한다. 관찰 수신기(211)가 또한 묘사되어 있으며, 이것은 단일 수신 안테나(212)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(207, 208, 209, 210)를 수신한다. 단위 벡터(213, 214, 215, 216)와, 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(207, 208, 209, 210)의 기하학적 거리(217, 218, 219, 220)는 전송 클러스터(206)와 수신 안테나(212) 사이에서 사실상 동일하다. 예시의 목적으로, 4개의 스펙트럼 다중경로 성분(221, 222, 223, 224)이 또한 묘사되어 있으며, 각각은 특정한 고유의 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(207, 208, 209, 210)에 관련되는데, 이것은 특정한 공간적으로 분포된 안테나 요소(202, 203, 204, 205)로부터 생성되었다.
제 1 스펙트럼 다중경로 신호(221)는 제 1 공간적으로 분포된 안테나 요소(202)로부터 전송된 제 1 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(207)로부터 생성된다. 이 스펙트럼 다중경로 신호(221)는 표면(225)에서 반사되어, 전송된 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(207)에 대해 180도 위상 편이를 갖고서 수신 안테나(212)에 도달하며, 그리하여 제 1 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(207)의 파괴적인 소거를 야기한다. 이러한 파괴적인 소거는 관찰 수신기(211) 내에서 캐리어 위상 트랙킹 루프와 의사랜덤 넘버(PRN) 코드의 비안정화 및 낮은 수신 신호 세기를 야기한다. 이 트랙킹 루프 비안정화는 제 1 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(207)로부터의 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 정확도와 의사거리(pseudorange)를 사실상 열화시킨다.
제 2 스펙트럼 다중경로 신호(222)는 제 2 공간적으로 분포된 안테나 요소(203)로부터 전송된 제 2 고유 의사랜덤 (PRN) 코드(208)로부터 생성된다. 이 스펙트럼 다중경로 신호(222)는 표면(225)에서 반사되어, 제 2 의사랜덤 (PRN) 코드(208)에 대해 0도 위상 편이를 갖고서 수신 안테나(212)에 도달하며, 그리하여 제 2 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(208)의 건설적인 부가를 제공한다. 이러한 건설적인 부가는 0도 위상 편이를 갖는 높은 수신 신호 세기를 야기한다. 관찰 수신기(211) 내의 캐리어 위상 트랙킹 루프와 의사랜덤 넘버(PRN) 코드는 안정한 채로 남아 있으며, 이것은 제 2 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(208)로부터의 통합 캐리어 거리(ICP) 측정을 변경하지 않는다.
제 3 스펙트럼 다중경로 신호(223)는 제 3 공간적으로 분포된 안테나 요소(204)로부터 전송된 제 3 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(209)로부터 생성된다. 이 스펙트럼 다중경로 신호(223)는 표면(226)에서 반사되어, 제 3 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(209)에 대해 90도 위상 편이를 갖고서 수신 안테나(212)에 도달하며, 그리하여 제 3 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(209)의 파괴적인 소거를 완화한다. 이러한 중간 정도의 파괴적인 소거는 관련 위상 트랙킹 에러를 갖는 중간 정도로 낮은 수신 신호 세기를 야기한다. 관찰 수신기(211) 내의 캐리어 위상 트랙킹 루프와 의사랜덤 넘버(PRN) 코드는 중간 정도로 영향받으며, 이것은 제 3 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(209)로부터의 통합 캐리어 위상(ICP) 측정과 의사거리를 중간 정도로 변경한다.
제 4 스펙트럼 다중경로 신호(224)는 제 4 공간적으로 분포된 안테나 요소(205)로부터 전송된 제 4 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(210)로부터 생성된다. 이 스펙트럼 다중경로 신호(224)는 표면(226)에서 반사되어, 수신 안테나(212)에 의해 수신되지 않으며, 그리하여 제 4 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(210)의 어떠한 교란도 야기하지 않는다. 수신 신호 세기는 어떠한 관련 위상 트랙킹 에러도 갖지 않은 채 동일하게 남아 있다. 관찰 수신기(211) 내의 캐리어 위상 트랙킹 루프와 의사랜덤 넘버(PRN) 코드는 영향받지 않은 채 남아 있으며, 이것은 제 4 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(210)로부터의 통합 캐리어 위상(ICP) 측정과 의사거리를 변경되지 않은 채로 남아 있게 한다.
관찰 수신기는 4개의 스펙트럼 다중 경로 요소(221, 222, 223, 224)와 결합되고, 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(202, 203, 204, 205)로부터 전송된 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(207, 208, 208, 210)을 수신하고 해석하도록 구성된다. 그 구성은 사실상의 가간섭성 고유 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(208, 210)를 선택하고 및/또는 전송 클러스터(206)와 관찰 수신기 안테나(212) 사이의 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정의 가장 알맞은 추정치를 제공하도록 배치된다.
이제 도 3을 참조하면, 시간적으로 동기화된 포지셔닝-유닛 장치(301, 302, 303, 304)의 네트워크를 묘사하고 있으며, 이들 각각은 동일한 캐리어 주파수로 전송하는 공간적으로 분포된 전송 클러스터(305, 306, 307, 308)로써 구성된다. 제 1 전송 클러스터(305)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(313, 314, 315, 316)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(309, 310, 311, 312)를 전송한다. 제 2 전송 클러스터(306)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(321, 322, 323, 324)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(317, 318, 319, 320)를 전송한다. 제 3 전송 클러스터(307)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(329, 330, 331, 332)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(325, 326, 327, 328)를 전송한다. 제 4 전송 클러스터(308)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(337, 338, 339, 340)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(333, 334, 335, 336)를 전송한다. 모든 공간적으로 분포된 안테나 요소(313, 314, 315, 316, 321, 322, 323, 324, 329, 330, 331, 332, 337, 338, 339, 340)는 알려진 장소에 위치되며, 각 요소는 동일한 캐리어 주파수로 고유한 포지셔닝 신호를 전송한다. 또한 관찰 수신기(341)가 묘사되어 있는데, 이것은 수신 안 테나(342)를 통해 4개의 공간적으로 분포된 전송 클러스터(305, 306, 307, 308)로부터 16개의 고유한 동기 의사랜덤 번호(PRN) 코드(309, 310, 311, 312, 317, 318, 319, 320, 325, 326, 327, 328, 333, 334, 335, 336)를 수신한다. 각 전송 클러스터로부터 생성된 4개의 고유한 동기 의사랜덤 번호(PRN) 코드의 단위 벡터(343, 344, 345, 346)와 기하학적 거리(347, 348, 349, 350)는 각 전송 클러스터와 수신 안테나(342) 사이에서 사실상 동일하다.
관찰 수신기(341)는 위치 솔루션을 결정하기 위해서 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 시야에 있을 것을 필요로 한다. 바람직하게는, 관찰 수신기(341)는 2차원 위치 솔루션을 결정하기 위해서 적어도 세 개의 포지셔닝-유닛 장치를 이용하며, 또는 3차원 위치 솔루션을 결정하기 위해서 적어도 네 개의 포지셔닝-유닛 장치를 이용한다. 그러나, 세 개 미만의 포지셔닝-유닛 장치를 이용하는 관찰 수신기(341)에 의해 결정된 위치 솔루션은 본 발명의 넓은 범위와 영역 내에 있다. 관찰 수신기(341)는 4개의 포지셔닝-유닛 장치(301, 302, 303, 304)로부터 전송된 16개의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 수신하고 해석하도록 구성되며, 그리하여 정확한 위치가 결정될 수 있다. 관찰 수신기는 다음을 할 수 있다:
1) 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 주어질 때 과결정된 위치 솔루션을 산출하게끔 준비되어 있는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 모든 수신된 고유 포지셔닝 신호 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 제공한다. 또한 각 전송 클러스터 내에 있는 각 전송 안테나의 위치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 각 전송 안테나 요소와 관찰 수신 기 안테나 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
2) RAIM(수신기 자체 무결성 감시) 알고리즘을 이용하는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 모든 수신된 고유 포지셔닝 신호 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 제공한다. 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있을 때, RAIM 알고리즘은 각 포지셔닝-유닛 장치 전송 클러스터로부터 가장 작게 다중경로 손상된 포지셔닝 신호를 선택하며, 뒤이어 위치 솔루션에서 이들 최적 신호를 이용한다. 또한 각 클러스터 내에 있는 각 전송 안테나 요소의 위치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 각 전송 안테나 요소와 관찰 수신기 안테나 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
3) 최적 위치 솔루션을 산출하기 위한 적절한 수학적 알고리즘, 예를 들면 칼만(Kalman) 필터를 이용하는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 모든 수신된 고유 포지셔닝 신호 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 제공한다. 포지셔닝 알고리즘은 시야에 있는 모든 포지셔닝-유닛 장치로부터 포지셔닝 알고리즘에 이용가능한 모든 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 이용하여 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 가장 좋은 거리 측정을 추정한다. 또한 각 클러스터 내에 있는 각 전송 안테나 요소의 위치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 각 전송 안테나 요소와 관찰 수신기 안테나 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보 조한다.
4) 각 전송 클러스터로부터의 모든 수신된 고유 포지셔닝 신호 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 결합하고 평균화하여 평균 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 형성한다. 이들 평균 클러스터 포지셔닝 신호 측정은 전송 클러스터 내의 모든 안테나 요소의 외관상의 평균 거리와 함께, 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 공급되는데, 이 알고리즘은 일단 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있다면 위치 솔루션을 산출하도록 준비되어 있다.
5) 전송 클러스터로부터의 모든 수신된 고유 포지셔닝 신호 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 관찰 수신기 거리 추정기 알고리즘에 제공한다. 거리 추정기 알고리즘은 최적 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 전달하기 전에, 전송 클러스터로부터 수신된 최적 거리 측정치를 추정한다. 거리 추정 알고리즘은 예를 들면, 최소 제곱 회귀, 가중 최소 제곱 회귀, 가중 평균, 필터링된 추정치, 매끄럽게 된 추정치, 또는 당업자에게 알려진 유사한 기술과 같이, 최적 솔루션을 산출하는 임의의 적절한 수학적 알고리즘을 포함할 수 있다. 이들 최적 포지셔닝 신호 측정치는 전송 클러스터 내의 모든 안테나 요소의 외관상의 최적 위치와 함께, 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 공급되는데, 이 알고리즘은 일단 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있다면 위치 솔루션을 산출하도록 준비되어 있다.
6) 동위상 및 직교위상(I & Q) 캐리어 트랙킹 루프 측정치, 의사랜덤 코드 트랙킹 루프 측정치, 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP) 측정치, 도플러 측정치, 및 수신된 신호 세기로 구성되는 그룹으로부터 선택된 정보를 비교함으로써 각 클러스터로부터의 모든 수신된 고유 포지셔닝 신호들간의 가간섭성을 판정하여,
a) 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공하기 위해, 각 전송 클러스터로부터 고유한 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호를 선택하는데, 이 알고리즘은 일단 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 시야에 있으면 과결정된 위치 솔루션을 산출하도록 준비되어 있다. 또한 각 클러스터 내에 있는 각각의 선택된 전송 안테나 요소의 위치가 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정이 결정될 수 있다.
b) RAIM(수신기 자체 무결성 감시) 알고리즘을 이용하는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공하기 위해, 각 전송 클러스터로부터 고유한 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호를 선택한다. 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있을 때, RAIM 알고리즘은 각 포지셔닝-유닛 장치 전송 클러스터로부터 가장 작게 다중경로 손상된 포지셔닝 신호를 선택하며, 뒤이어 위치 솔루션에서 이들 최적 신호를 이용한다. 또한 각 클러스터 내에 있는 선택된 전송 안테나 요소의 위치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 각 전송 안테나 요소와 관찰 수신기 안테나 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
c) 예를 들면 칼만 필터와 같은, 최적 솔루션을 산출하기 위해 적절한 수학 적 알고리즘을 이용하는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공하기 위해, 각 전송 클러스터로부터 고유한 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호를 선택한다. 포지셔닝 알고리즘은 시야에 있는 모든 포지셔닝-유닛 장치로부터 포지셔닝 알고리즘에 이용가능한 모든 선택된 사실상의 가간섭성 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 이용하여 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 가장 좋은 거리 측정을 추정한다. 또한 각 클러스터 내에 있는 각각의 선택된 전송 안테나 요소의 위치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 각 전송 안테나 요소와 관찰 수신기 안테나 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
d) 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 결합하고 평균화하여 평균 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 형성하기 위해 각 전송 클러스터로부터의 고유한 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호를 선택한다. 이들 평균 클러스터 포지셔닝 신호 측정은 전송 클러스터 내의 모든 선택된 안테나 요소의 외관상의 평균 거리와 함께, 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 공급되는데, 이 알고리즘은 일단 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있다면 위치 솔루션을 산출하도록 준비되어 있다.
e) 전송 클러스터로부터 고유한 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호를 선택하고 당업자에게 알려진 최소 제곱 회귀, 가중 최소 제곱 회귀, 가중 평균, 필터링된 추정치, 매끄럽게 된 추정치, 또는 유사한 기술과 같은, 최적 거리 추정기 알고리즘을 이용하여 최적 거리 측정을 추정한다. 추정된 의사거리, 통합 캐리어 위상 (ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정은 선택된 안테나 요소 위치의 외관상의 최적 추정치와 함께, 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 공급되는데, 이 알고리즘은 일단 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있다면 위치 솔루션을 산출하도록 준비되어 있다.
f) 각 클러스터로부터 고유한 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호들을 선택하는데, 이것들은 결합되고 평균화되어 평균 포지셔닝 신호 측정을 형성하며, 이것은 RAIM(수신기 자체 무결성 감시) 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 전달된다. 시야에 있는 잉여의 포지셔닝-유닛 장치로써, RAIM 알고리즘은 이용가능한 최소로 다중경로 손상된 평균 포지셔닝 신호를 선택하고 뒤이어 위치 솔루션에서 이들 최적 신호를 이용한다.
g) 각 클러스터로부터 고유한 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호들을 선택하는데, 이것들은 결합되고 평균화되어 평균 포지셔닝 신호 측정을 형성하며, 이것은 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 전달된다. 포지셔닝 알고리즘은 예를 들면 칼만 필터와 같은, 최적 솔루션을 산출하는 임의의 적절한 수학적 알고리즘을 포함할 수 있다. 포지셔닝 알고리즘은 시야에 있는 모든 포지셔닝-유닛 장치로부터 포지셔닝 알고리즘에 이용가능한 모든 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 이용하여 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 가장 좋은 거리 측정을 추정한다. 또한 각 클러스터 내에 있는 선택된 전송 안테나 요소의 외관상의 평균 위치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 각 전송 안테나 요소와 관찰 수신기 안테나 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리 어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
h) 각 전송 클러스터로부터 고유한 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호들을 선택하는데, 이것들은 최적 거리 추정기 알고리즘을 통해 전달되어 최적 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 형성한다. 이들 최적 포지셔닝 신호 측정은 RAIM(수신기 자체 무결성 검사) 알고리즘을 이용하는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 전달된다. 시야에 있는 잉여의 포지셔닝-유닛 장치로써, RAIM 알고리즘은 이용가능한 최소로 다중경로 손상된 포지셔닝 신호를 선택하고 뒤이어 위치 솔루션에서 이들 최적 신호를 이용한다.
i) 각 전송 클러스터로부터 고유한 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호들을 선택하는데, 이것들은 최적 거리 추정기 알고리즘을 통해 전달되어 최적 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정을 형성한다. 뒤이어 이들 최적 포지셔닝 신호 측정치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘으로 전달되는데, 이 알고리즘은 예를 들면 칼만 필터와 같은, 최적 솔루션을 산출하기 위한 적절한 수학적 알고리즘을 이용한다. 포지셔닝 알고리즘은 시야에 있는 충분한 포지셔닝-유닛 장치로부터 모든 최적 포지셔닝 신호를 이용하여 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 가장 좋은 거리 측정을 추정한다. 또한 각 클러스터 내에 있는 선택된 최적 전송 안테나 요소의 위치는 관찰 수신기 추정기 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 각 전송 안테나 요소와 관찰 수신기 안테나 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
전술한 실시예들의 임의의 조합은 본 발명의 넓은 범위와 영역 내에 있다. 예를 들면, 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호는 최적 거리 추정기 알고리즘으로써 전처리될 수 있으며, 이것은 뒤이어 최적 포지셔닝 알고리즘으로써 처리되고, 이는 뒤이어 RAIM(수신기 자체 무결성 감시) 알고리즘을 통해 전달된다.
클러스터 요소 스페이싱
공간적으로 분포된 전송 클러스터 내에서는 최소의 요소 스페이싱은 없다. 요소들이 더 가까이 위치될수록, 의사랜덤 번호(PRN) 코드들 사이의 다중경로 가간섭성은 더 커지며, 더 적은 공간적 다이버시티가 성취된다. 최대 요소 스페이싱은 전송 클러스터로부터의 최소 예상 관찰 수신기 분리에 의해 결정된다. 최적의 결과를 위해서, 전송 클러스터 내에 있는 각 안테나 요소로부터 관찰 수신기까지의 단위 벡터는 실질적으로 동일하게 유지되어야 한다. 전송 클러스터로부터 더 멀리 위치된 관찰 수신기는 가까이에 위치된 관찰 수신기와 비교해서 단위 벡터들의 더 큰 유사성을 경험할 것이다. 다수 파장의 전송 안테나 요소 스페이싱은 관찰 수신기 분리가 클 때 실용적일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 안테나 요소들의 클러스터는 공간적 다이버시티를 최대화하고 단위 벡터 분산을 최소화하기 위해 요소들 사이에서 1/2 캐리어 파장 스페이싱으로써 위치된다.
전송 클러스터 실시예
전술한 모든 수신기 실시예들은 전송 클러스터의 임의의 형태에 또한 적용될 수 있다. 전송 클러스터는 공간, 주파수, 또는 편파 다이버시티를 이용하도록 구성될 수 있으나, 그것에 제한되지는 않는다. 또한, 전송 클러스터는 공간, 주파수, 또는 편파 다이버시티의 임의의 조합을 이용하도록 구성될 수 있다. 전송 클 러스터의 3개의 실시예가 아래에서 설명된다:
a) 공간적으로 다양한 전송 클러스터 - 포지셔닝-유닛 장치는 복수의 공간적으로 분포된 안테나 요소로부터 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 전송하도록 구성된다. 안테나 요소는 관찰 수신기에 대해서 실질적으로 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터로써 위치되며, 각 요소는 알려진 장소에 위치되고 고유한 포지셔닝 신호를 전송한다. 안테나 요소 스페이싱은 바람직하게는 1/2 캐리어 주파수이며, 고유한 동기 포지셔닝 신호는 바람직하게는 동일한 캐리어 주파수에서 전송된 의사랜덤 넘버(PRN) 코드이다.
b) 주파수적으로 다양한 전송 클러스터 - 포지셔닝-유닛 장치는 복수의 주파수로 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 전송하도록 구성되며, 각각의 고유한 포지셔닝 신호는 자신의 고유 주파수에서 전송된다. 복수의 포지셔닝 신호는 알려진 장소에 위치된 단일 안테나 요소를 통해 전송된다. 고유한 동기 포지셔닝 신호는 바람직하게는 개개의 캐리어 주파수로 전송되는 의사랜덤 넘버(PRN) 코드이다.
c) 편파적으로 다양한 전송 클러스터 - 포지셔닝-유닛 장치는 복수의 직교적으로 편파된 안테나 요소로부터 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 전송하도록 구성된다. 안테나 요소는 관찰 수신기에 대해서 실질적으로 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터로써 위치되며, 각 요소는 알려진 장소에 위치되고 고유한 포지셔닝 신호를 전송한다. 안테나 요소는 바람직하게는 서로 가까이에 위치되며, 고유한 포지셔닝 신호는 바람직하게는 동일한 캐리어 주파수에서 전송된 의사랜덤 넘버(PRN) 코드이다.
바람직한 실시예에서, 고유의 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드는 포지셔닝-유닛 장치로부터 동시에 생성되며, 전송 클러스터 내에 있는 각 안테나 요소로부터 동시에 전송된다. 다른 실시예에서, 고유의 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드는 포지셔닝-유닛 장치 내에서 연속적으로 생성될 수 있으며 시분할 다중 액세스(TDMA) 스킴으로 전송 클러스터 내의 각 안테나 요소를 통해 연속적으로 전송될 수 있는데, 그리하여 각 요소는 고유한 시간 슬롯에서 고유의 의사랜덤 넘버(PRN) 코드를 전송한다.
클러스터 판정
고유의 포지셔닝 신호를 획득할 때, 관찰 수신기는 우선 어떤 고유 포지셔닝 신호가 각각의 특정 전송 클러스터와 연관되는지를 판정한다. 관찰 수신기는 각 고유 포지셔닝 신호를 수신하고 거기에 포함된 내비게이션 데이터를 해석하여 각 전송 안테나 요소의 위치를 판정한다. 관찰 수신기는 어떤 전송 안테나 요소 위치가 서로에 대해 가까이 있는지와, 전송 안테나 요소가 관찰 수신기에 대해서 실질적으로 동일한 단위 벡터와 기하학적 거리를 보이는지를 판정한다. 관찰 수신기는 관찰 수신기에 대해서 실질적으로 동일한 단위 벡터와 기하학적 거리를 보이는 전송 안테나 요소를 전송 클러스터라고 선언한다. 또한, 각 고유 포지셔닝 신호는 자신의 내비게이션 데이터 메시지 내에 클러스터 식별 데이터를 전송할 수 있으며, 그리하여 각 고유 포지셔닝 신호와 특정 전송 클러스터와의 연관을 허용한다. 관찰 수신기는 이 클러스터 식별 데이터를 수신하고 해석하여 각 고유 포지셔닝 신호를 식별하고 각 전송 클러스터와 연관시킨다.
수신 클러스터
분리된 수신 채널을 통해 개별적으로 해석되는, 다양한 수신 안테나 요소를 통해 관찰 수신기에 수신된 고유 포지셔닝 신호는 복수의 분리된 포지셔닝 신호를 생성한다. 이들 분리된 포지셔닝 신호는 각 수신 안테나 요소로부터 송신기까지의 기하학적 거리와 단위 벡터가 실질적으로 동일하기 때문에 다중경로가 없는 환경에서 실질적으로 가간섭성의 측정치를 보인다. 그러나, 다중경로 환경에서, 다양한 수신 안테나 요소로부터 수신되는 분리된 포지셔닝 신호는 관찰 수신기에서 비-가간섭성 포지셔닝 측정치를 보인다. 이러한 비-가간섭성은 그들 각각의 직접 신호와 결합될 때 각 포지셔닝 신호에 대해서 상이한 거리와 신호 세기 측정치를 야기하는 각 수신 안테나 요소로부터 상이한 반사된 경로 신호를 관찰 수신기가 측정하기 때문이다. 포지셔닝 신호들간의 비-가간섭성의 양은 다중경로 환경의 심각도에 따라 다르다.
본 발명은 복수의 공간적으로 분포된 수신 안테나 요소를 통해 고유 포지셔닝 신호를 수신함에 의해, 또는 복수의 편파 다양 수신 안테나 요소를 통해 고유 포지셔닝 신호를 수신함에 의해 포지셔닝 시스템에서의 코드 및 캐리어-위상 다중경로의 완화를 개시한다. 모든 수신 안테나 요소는 전송된 신호에 대해서 실질적으로 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터로써 위치되며, 각 요소는 서로 알려진 장소에 위치되고, 동일한 고유 포지셔닝 신호를 개별적으로 수신한다. 바람직하게는, 모든 수신 안테나 요소는 1/2 캐리어 파장 이하로 떨어져 위치된다. 관찰 수신기는 복수의 분리된 포지셔닝 신호를 개별적으로 수신하고 트랙킹하며 해석하도 록 구성되며, 그리하여 포지셔닝 정확도에 대한 다중경로의 유해한 효과를 완화시킨다.
이제 도 4를 참조하면, 4개의 포지셔닝-유닛 장치(401, 402, 403, 404)가 묘사되어 있으며, 각각은 알려진 장소에 위치된 단일 전송 안테나 요소(405, 406, 407, 408)로 구성되고, 각각은 고유한 동기 포지셔닝 신호(409, 410, 411, 412)를 전송하도록 구성된다. 또한 공간적으로 다양한 수신기 클러스터(413)가 묘사되어 있으며, 이것은 4개의 공간적으로 분포된 수신 안테나 요소(414, 415, 416, 417)를 통합하고 있다. 각 수신 안테나 요소(414, 415, 416, 417)는 관찰 수신기(422) 내에서 분리된 수신기 경로(418, 419, 420, 421)에 연결되어 있다. 각 수신기 경로(418, 419, 420, 421)는 공통 수신기 클럭(423)으로부터 동기화되며, 처리 유닛(424)에 연결된다. 분리된 수신기 경로(418, 419, 420, 421)에 연결되어 있는 분리된 수신 안테나 요소(414, 415, 416, 417)는 각각의 수신된 고유 포지셔닝 신호(409, 410, 411, 412)에 대해서 4개의 분리된 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 생성하며, 그리하여 시야에 있는 4개의 포지셔닝-유닛 장치(401, 402, 403, 404)에 대한 16개의 분리된 포지셔닝 신호를 생성한다. 처리 유닛(424)은 이들 16개의 분리된 포지셔닝 신호를 수신하고 다음을 수행하도록 구성된다:
1) 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 주어질 때 과결정된 위치 솔루션을 산출하게끔 준비되어 있는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 모든 수신된 분리 포지셔닝 신호 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 제 공한다. 또한 기준 방위(reference bearing)에 상대적인, 전송 클러스터 내에 있는 각 수신 안테나의 위치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 전송 안테나 요소와 관찰 수신기 클러스터 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
2) RAIM(수신기 자체 무결성 감시) 알고리즘을 이용하는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 모든 수신된 분리 포지셔닝 신호 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 제공한다. 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있을 때, RAIM 알고리즘은 각 포지셔닝-유닛 장치 전송 클러스터로부터 가장 작게 다중경로 손상된 포지셔닝 신호를 선택하며, 뒤이어 위치 솔루션에서 이들 최적 신호를 이용한다. 또한 기준 방위에 상대적인, 수신 클러스터 내에 있는 각 안테나 요소의 위치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 전송 안테나 요소와 관찰 수신기 클러스터 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
3) 최적 위치 솔루션을 산출하기 위한 적절한 수학적 알고리즘, 예를 들면 칼만 필터를 이용하는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 모든 수신된 분리 포지셔닝 신호 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 제공한다. 포지셔닝 알고리즘은 시야에 있는 모든 포지셔닝-유닛 장치로부터 포지셔닝 알고리즘에 이용가능한 모든 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 이용하여 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 가장 좋은 거리 측정을 추정한다. 또한 기준 방위에 상대적인, 수신 클러스터 내에 있는 각 수신 안테나 요소 의 위치는 관찰 수신기 위치 추정기 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 전송 안테나와 관찰 수신기 클러스터 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
4) 각 포지셔닝-유닛 장치로부터의 모든 수신된 분리 포지셔닝 신호 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 결합하고 평균화하여 평균 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 형성한다. 이들 평균 클러스터 포지셔닝 신호 측정치는 수신 클러스터 내의 모든 안테나 요소의 외관상의 평균 위치와 함께, 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 공급되는데, 이 알고리즘은 일단 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있다면 위치 솔루션을 산출하도록 준비되어 있다.
5) 수신 클러스터로부터의 모든 수신된 분리 포지셔닝 신호 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 관찰 수신기 거리 추정기 알고리즘에 제공한다. 거리 추정기 알고리즘은 최적 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 전달하기 전에, 수신 클러스터로부터 최적 거리 측정치를 추정한다. 거리 추정 알고리즘은 예를 들면, 최소 제곱 회귀, 가중 최소 제곱 회귀, 가중 평균, 필터링된 추정치, 매끄럽게 된 추정치, 또는 당업자에게 알려진 유사한 기술과 같이, 최적 솔루션을 산출하는 임의의 적절한 수학적 알고리즘을 포함할 수 있다. 이들 최적 포지셔닝 신호 측정치는 수신 클러스터 내의 모든 안테나 요소의 외관상의 최적 위치와 함께, 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 공급되는데, 이 알고리즘은 일단 시 야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있다면 위치 솔루션을 산출하도록 준비되어 있다.
6) 동위상 및 직교위상(I & Q) 캐리어 트랙킹 루프 측정치, 의사랜덤 코드 트랙킹 루프 측정치, 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP) 측정치, 도플러 측정치, 및 수신된 신호 세기로 구성되는 그룹으로부터 선택된 정보를 비교함으로써 수신 클러스터로부터의 모든 수신된 분리 포지셔닝 신호들간의 가간섭성을 판정하여,
a) 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공하기 위해, 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 사실상의 가간섭성 분리 포지셔닝 신호를 선택하는데, 이 알고리즘은 일단 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 시야에 있으면 과결정된 위치 솔루션을 산출하도록 준비되어 있다. 또한 기준 방위에 상대적인, 수신 클러스터 내에 있는 각각의 선택된 수신 안테나 요소의 위치가 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정치가 결정될 수 있다.
b) RAIM(수신기 자체 무결성 감시) 알고리즘을 이용하는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공하기 위해, 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 사실상의 가간섭성 분리 포지셔닝 신호를 선택한다. 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있을 때, RAIM 알고리즘은 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 가장 작게 다중경로 손상된 포지셔닝 신호를 선택하며, 뒤이어 위치 솔루션에서 이들 최적 신호를 이용한다. 또한 기준 방위에 상대적인, 수신 클러스터 내에 있는 선택된 수신 안테나 요소의 위치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 각 전송 안테나 요소와 관찰 수신기 안테나 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
c) 예를 들면 칼만 필터와 같은, 최적 솔루션을 산출하기 위해 적절한 수학적 알고리즘을 이용하는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공하기 위해, 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 사실상의 가간섭성 분리 포지셔닝 신호를 선택한다. 포지셔닝 알고리즘은 시야에 있는 모든 포지셔닝-유닛 장치로부터 포지셔닝 알고리즘에 이용가능한 모든 사실상의 가간섭성 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 이용하여 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 가장 좋은 거리 측정을 추정한다. 또한 기준 방위에 상대적인, 수신 클러스터 내에 있는 각각의 선택된 수신 안테나 요소의 위치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 전송 안테나와 관찰 수신기 클러스터 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
d) 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 결합하고 평균화하여 평균 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 형성하기 위해 각 포지셔닝-유닛 장치로부터의 사실상의 가간섭성 분리 포지셔닝 신호를 선택한다. 이들 평균 클러스터 포지셔닝 신호 측정치는 클러스터 내의 모든 선택된 수신 안테나 요소의 외관상의 평균 위치와 함께, 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 공급되는데, 이 알고리즘은 일단 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있다면 위치 솔루션을 산출하도록 준비되어 있다.
e) 각각의 포지셔닝-유닛 장치로부터 사실상의 가간섭성 분리 포지셔닝 신호를 선택하고 최소 제곱 회귀, 가중 최소 제곱 회귀, 가중 평균, 필터링된 추정치, 매끄럽게 된 추정치, 또는 다른 적절한 거리 추정기 알고리즘과 같은, 최적 거리 추정기 알고리즘을 이용하여 최적 거리 측정치를 추정한다. 추정된 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치는 기준 방위에 상대적인, 선택된 안테나 요소 위치의 최적 추정치와 함께, 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 공급되는데, 이 알고리즘은 일단 시야에 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 있다면 위치 솔루션을 산출하도록 준비되어 있다.
f) 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 사실상의 가간섭성 분리 포지셔닝 신호들을 선택하는데, 이것들은 결합되고 평균화되어 평균 포지셔닝 신호 측정치를 형성하며, 이것은 RAIM(수신기 자체 무결성 감시) 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 전달된다. 시야에 있는 잉여의 포지셔닝-유닛 장치로써, RAIM 알고리즘은 이용가능한 최소로 다중경로 손상된 평균 포지셔닝 신호를 선택하고 뒤이어 위치 솔루션에서 이들 최적 신호를 이용한다.
g) 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 사실상의 가간섭성 분리 포지셔닝 신호들을 선택하는데, 이것들은 결합되고 평균화되어 평균 포지셔닝 신호 측정치를 형성하며, 이것은 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 전달된다. 포지셔닝 알고리즘은 예를 들면 칼만 필터와 같은, 최적 솔루션을 산출하는 임의의 적절한 수학적 알고리즘을 포함할 수 있다. 포지셔닝 알고리즘은 시야에 있는 모든 포지셔닝-유닛 장치로부터 포지셔닝 알고리즘에 이용가능한 모든 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 이용하여 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 가장 좋은 거리 측정치를 추정한다. 또한 기준 방위에 상대적인, 수신 클러스터 내 에 있는 각 수신 안테나 요소의 위치는 관찰 수신기 추정기 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 전송 안테나와 관찰 수신기 클러스터 사이에서의 정확한 의사거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
h) 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 사실상의 가간섭성 분리 포지셔닝 신호들을 선택하는데, 이것들은 최적 거리 추정기 알고리즘을 통해 전달되어 최적 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 형성한다. 이들 최적 측정치는 RAIM(수신기 자체 무결성 검사) 알고리즘을 이용하는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 뒤이어 전달된다. 시야에 있는 잉여의 포지셔닝-유닛 장치로써, RAIM 알고리즘은 이용가능한 최소로 다중경로 손상된 포지셔닝 신호를 선택하고 뒤이어 위치 솔루션에서 이들 최적 신호를 이용한다.
i) 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 사실상의 가간섭성 분리 포지셔닝 신호들을 선택하는데, 이것들은 최적 거리 추정기 알고리즘을 통해 전달되어 최적 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 형성한다. 뒤이어 이들 최적 포지셔닝 신호 측정치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘으로 전달되는데, 이 알고리즘은 예를 들면 칼만 필터와 같은, 최적 솔루션을 산출하기 위한 적절한 수학적 알고리즘을 이용한다. 포지셔닝 알고리즘은 시야에 있는 충분한 포지셔닝-유닛 장치로부터 모든 최적 포지셔닝 신호를 이용하여 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 가장 좋은 거리 측정치를 추정한다. 또한 각 클러스터 내에 있는 선택된 최적 수신 안테나 요소의 상대적 위치는 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘에 제공될 수 있으며, 그리하여 각 전송 안테나 요소와 관찰 수신기 안테나 사이에서의 정확한 의사 거리와 통합 캐리어 위상(ICP) 측정 결정을 보조한다.
전술한 실시예들의 임의의 조합은 본 발명의 넓은 범위와 영역 내에 있다. 예시적인 예들 들면, 사실상의 가간섭성 포지셔닝 신호는 최적 거리 추정기 알고리즘으로써 전처리될 수 있으며, 이것은 뒤이어 최적 포지셔닝 알고리즘으로써 처리되고, 이는 뒤이어 RAIM(수신기 자체 무결성 감시) 알고리즘을 통해 전달된다.
수신기 해석
관찰 수신기는 포지셔닝 신호 클러스터로부터 수신된 복수의 고유 및/또는 분리 포지셔닝 신호를 수신하고 해석하도록 구성된다. 관찰 수신기는 트랙킹될 포지셔닝 신호의 수에 따라 수신 채널을 할당한다. 관찰 수신기는 이후 독립적인 트랙킹 채널을 통해 각 포지셔닝 신호를 획득하고 자체적으로 트랙킹한다. 포지셔닝 신호의 이러한 자체적인 트랙킹은 임의의 포지셔닝 신호 측정이 이웃한 다중경로 손상된 포지셔닝 신호에 의해 영향받지 않고서, 클러스터로부터의 각 포지셔닝 신호의 독립적인 측정을 허용한다. 클러스터로부터 이용가능한 포지셔닝 신호의 수가 더 클수록 얻어지는 거리 측정의 무결성은 더 좋다.
이제 도 5를 참조하면, 시간적으로 동기화된 포지셔닝-유닛 장치(501, 502, 503, 504)의 네트워크를 묘사하고 있으며, 이들 각각은 동일한 캐리어 주파수로 전송하는 공간적으로 분포된 전송 클러스터(505, 506, 507, 508)로써 구성된다. 제 1 전송 클러스터(505)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(513, 514, 515, 516)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(509, 510, 511, 512)를 전송한다. 제 2 전송 클러스터(506)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(521, 522, 523, 524)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(517, 518, 519, 520)를 전송한다. 제 3 전송 클러스터(507)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(529, 530, 531, 532)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(525, 526, 527, 528)를 전송한다. 제 4 전송 클러스터(508)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(537, 538, 539, 540)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(533, 534, 535, 536)를 전송한다. 모든 공간적으로 분포된 안테나 요소(513, 514, 515, 516, 521, 522, 523, 524, 529, 530, 531, 532, 537, 538, 539, 540)는 알려진 장소에 위치되며, 각 요소는 동일한 캐리어 주파수로 고유한 포지셔닝 신호를 전송한다. 또한 관찰 수신기(541)가 묘사되어 있는데, 이것은 수신 안테나(542)를 통해 4개의 공간적으로 분포된 전송 클러스터(505, 506, 507, 508)로부터 16개의 고유한 동기 의사랜덤 번호(PRN) 코드(509, 510, 511, 512, 517, 518, 519, 520, 525, 526, 527, 528, 533, 534, 535, 536)를 수신한다. 각 전송 클러스터(505, 506, 507, 508)로부터 생성된 4개의 고유한 동기 의사랜덤 번호(PRN) 코드의 단위 벡터(543, 544, 545, 546)와 기하학적 거리(547, 548, 549, 550)는 수신 안테나(542)에 상대적으로 각 전송 클러스터(505, 506, 507, 508) 내에서 사실상 동일하다.
관찰 수신기(541)는 위치 솔루션을 결정하기 위해서 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 시야에 있을 것을 필요로 한다. 바람직하게는, 관찰 수신기(541)는 2차원 위치 솔루션을 결정하기 위해서 적어도 세 개의 포지셔닝-유닛 장치를 이용하며, 또는 3차원 위치 솔루션을 결정하기 위해서 적어도 네 개의 포지셔닝-유닛 장치를 이용한다. 그러나, 세 개 미만의 포지셔닝-유닛 장치를 이용하는 관찰 수신기(541)에 의해 결정된 위치 솔루션은 본 발명의 넓은 범위와 영역 내에 있다. 관찰 수신기(541)는 모든 고유한 포지셔닝 신호(509, 510, 511, 512, 517, 518, 519, 520, 525, 526, 527, 528, 533, 534, 535, 536)를 관찰 수신기 포지셔닝 솔루션 알고리즘 수단(551)에 전달하도록 구성되며, 그리하여 (a) 과결정된 위치 솔루션, (b) RAIM 의존 위치 솔루션, (c) 칼만 필터와 같은 위치 추정 알고리즘에 의해 필터링된 위치 솔루션, 또는 (d) 이들 솔루션의 임의의 조합을 결정한다.
이제 도 6을 참조하면, 시간적으로 동기화된 포지셔닝-유닛 장치(601, 602, 603, 604)의 네트워크를 묘사하고 있으며, 이들 각각은 동일한 캐리어 주파수로 전송하는 공간적으로 분포된 전송 클러스터(605, 606, 607, 608)로써 구성된다. 제 1 전송 클러스터(605)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(613, 614, 615, 616)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(609, 610, 611, 612)를 전송한다. 제 2 전송 클러스터(606)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(621, 622, 623, 624)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(617, 618, 619, 620)를 전송한다. 제 3 전송 클러스터(607)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(629, 630, 631, 632)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(625, 626, 627, 628)를 전송한다. 제 4 전송 클러스터(608)는 4개의 공간적으로 분포된 안테나 요소(637, 638, 639, 640)를 통해 4개의 고유한 동기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드(633, 634, 635, 636)를 전송한다. 모든 공간적으로 분포된 안테나 요소(613, 614, 615, 616, 621, 622, 623, 624, 629, 630, 631, 632, 637, 638, 639, 640)는 알려진 장소에 위치되며, 각 요소는 동일한 캐리어 주파수로 고유한 포지셔닝 신호를 전송한다. 또한 관찰 수신기(641)가 묘사되어 있는데, 이것은 수신 안테나(642)를 통해 4개의 공간적으로 분포된 전송 클러스터(605, 606, 607, 608)로부터 16개의 고유한 동기 의사랜덤 번호(PRN) 코드(609, 610, 611, 612, 617, 618, 619, 620, 625, 626, 627, 628, 633, 634, 635, 636)를 수신한다. 각 전송 클러스터(605, 606, 607, 608)로부터 생성된 4개의 고유한 동기 의사랜덤 번호(PRN) 코드의 단위 벡터(643, 644, 645, 646)와 기하학적 거리(647, 648, 649, 650)는 수신 안테나(642)에 상대적으로 각 전송 클러스터(605, 606, 607, 608) 내에서 사실상 동일하다.
관찰 수신기(641)는 위치 솔루션을 결정하기 위해서 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 시야에 있을 것을 필요로 한다. 바람직하게는, 관찰 수신기(641)는 2차원 위치 솔루션을 결정하기 위해서 적어도 세 개의 포지셔닝-유닛 장치를 이용하며, 또는 3차원 위치 솔루션을 결정하기 위해서 적어도 네 개의 포지셔닝-유닛 장치를 이용한다. 그러나, 세 개 미만의 포지셔닝-유닛 장치를 이용하는 관찰 수신기(641)에 의해 결정된 위치 솔루션은 본 발명의 넓은 범위와 영역 내에 있다. 관찰 수신기(641)는 고유한 포지셔닝 신호(609, 610, 611, 612)를 제 1 전처리 알고리즘 수단(652)에 전달하고, 고유한 포지셔닝 신호(617, 618, 619, 620)를 제 2 전처리 알고리즘 수단(653)에 전달하며, 고유한 포지셔닝 신호(625, 626, 627, 628)를 제 3 전처리 알고리즘 수단(654)에 전달하고, 고유한 포지셔닝 신호(633, 634, 635, 636)를 제 4 전처리 알고리즘 수단(655)에 전달하도록 구성된다. 전처리 알고리즘 수단(652, 653, 654, 655)은 (a) 각 클러스터의 평균 의사거리를 산출하기 위한 평균화 알고리즘, (b) 각 클러스터로부터 최적 의사거리 추정치를 산출하기 위한 거리 추정기 알고리즘, (c) 각 클러스터로부터 사실상 가간섭성의 의사거리를 선택하기 위한 가간섭성 판정 알고리즘, 또는 (d) 이상의 알고리즘의 임의의 조합을 이용하여, 수신된 클러스터링된 포지셔닝 신호를 처리한다. 전처리된 포지셔닝 신호는 이후 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘 수단(651)으로 전달되며, 그리하여 (a) 과결정된 위치 솔루션, (b) RAIM 의존 위치 솔루션, (c) 칼만 필터와 같은 위치 추정기 알고리즘에 의해 필터링된 위치 솔루션, 또는 (d) 이들 솔루션의 임의의 조합을 결정한다.
이제 도 7을 참조하면, 4개의 포지셔닝-유닛 장치(701, 702, 703, 704)가 묘사되어 있으며, 각각은 알려진 장소에 위치된 단일 전송 안테나 요소(705, 706, 707, 708)로 구성되고, 각각은 고유한 동기 포지셔닝 신호(709, 710, 711, 712)를 전송하도록 구성된다. 또한 공간적으로 다양한 수신기 클러스터(713)가 묘사되어 있으며, 이것은 4개의 공간적으로 분포된 수신 안테나 요소(714, 715, 716, 717)를 통합하고 있다. 각 수신 안테나 요소(714, 715, 716, 717)는 관찰 수신기(722) 내에서 분리 수신기 경로(718, 719, 720, 721)에 연결되어 있다. 각 수신기 경로(718, 719, 720, 721)는 공통 수신기 클럭(723)으로부터 동기화된다. 분리 수신기 경로(718, 719, 720, 721)에 연결되어 있는 분리 수신 안테나 요소(714, 715, 716, 717)는 각각의 수신된 고유 포지셔닝 신호(709, 710, 711, 712)에 대해서 4개의 분리 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 생성하며, 그리하여 시야에 있는 4개의 포지셔닝-유닛 장치(701, 702, 703, 704)에 대한 16개의 분리 포지셔닝 신호를 생성한다.
관찰 수신기(722)는 위치 솔루션을 결정하기 위해서 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 시야에 있을 것을 필요로 한다. 바람직하게는, 관찰 수신기(722)는 2차원 위치 솔루션을 결정하기 위해서 적어도 세 개의 포지셔닝-유닛 장치를 이용하며, 또는 3차원 위치 솔루션을 결정하기 위해서 적어도 네 개의 포지셔닝-유닛 장치를 이용한다. 그러나, 세 개 미만의 포지셔닝-유닛 장치를 이용하는 관찰 수신기(722)에 의해 결정된 위치 솔루션은 본 발명의 넓은 범위와 영역 내에 있다. 관찰 수신기(722)는 모든 고유한 포지셔닝 신호(709, 710, 711, 712)를 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘 수단(724)에 전달하도록 구성되며, 그리하여 (a) 과결정된 위치 솔루션, (b) RAIM 의존 위치 솔루션, (c) 칼만 필터와 같은 위치 추정기 알고리즘에 의해 필터링된 위치 솔루션, 또는 (d) 이들 솔루션의 임의의 조합을 결정한다.
이제 도 8을 참조하면, 4개의 포지셔닝-유닛 장치(801, 802, 803, 804)가 묘사되어 있으며, 각각은 알려진 장소에 위치된 단일 전송 안테나 요소(805, 806, 807, 808)로 구성되고, 각각은 고유한 동기 포지셔닝 신호(809, 810, 811, 812)를 전송하도록 구성된다. 또한 공간적으로 다양한 수신기 클러스터(813)가 묘사되어 있으며, 이것은 4개의 공간적으로 분포된 수신 안테나 요소(814, 815, 816, 817)를 통합하고 있다. 각 수신 안테나 요소(814, 815, 816, 817)는 관찰 수신기(822) 내에서 분리 수신기 경로(818, 819, 820, 821)에 연결되어 있다. 각 수신기 경로(818, 819, 820, 821)는 공통 수신기 클럭(823)으로부터 동기화된다. 분리 수신기 경로(818, 819, 820, 821)에 연결되어 있는 분리 수신 안테나 요소(814, 815, 816, 817)는 각각의 수신된 고유 포지셔닝 신호(809, 810, 811, 812)에 대해서 4개의 분리 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치를 생성하며, 그리하여 시야에 있는 4개의 포지셔닝-유닛 장치(801, 802, 803, 804)에 대한 16개의 분리 포지셔닝 신호를 생성한다.
관찰 수신기(822)는 위치 솔루션을 결정하기 위해서 충분한 포지셔닝-유닛 장치가 시야에 있을 것을 필요로 한다. 바람직하게는, 관찰 수신기(822)는 2차원 위치 솔루션을 결정하기 위해서 적어도 세 개의 포지셔닝-유닛 장치를 이용하며, 또는 3차원 위치 솔루션을 결정하기 위해서 적어도 네 개의 포지셔닝-유닛 장치를 이용한다. 그러나, 세 개 미만의 포지셔닝-유닛 장치를 이용하는 관찰 수신기(822)에 의해 결정된 위치 솔루션은 본 발명의 넓은 범위와 영역 내에 있다. 관찰 수신기(822)는 고유한 포지셔닝 신호(809, 810, 811, 812)를 제 1 수신 안테나 요소(814)로부터 제 1 전처리 알고리즘 수단(825)에 전달하고, 고유한 포지셔닝 신호(809, 810, 811, 812)를 제 2 수신 안테나 요소(815)로부터 제 2 전처리 알고리즘 수단(826)에 전달하며, 고유한 포지셔닝 신호(809, 810, 811, 812)를 제 3 수신 안테나 요소(816)로부터 제 3 전처리 알고리즘 수단(827)에 전달하고, 고유한 포지셔닝 신호(809, 810, 811, 812)를 제 4 수신 안테나 요소(817)로부터 제 4 전처리 알고리즘 수단(828)에 전달하도록 구성된다. 전처리 알고리즘 수단(825, 826, 827, 828)은 (a) 각 클러스터의 평균 거리를 산출하기 위한 평균화 알고리즘, (b) 각 클러스터로부터 최적 의사거리 추정치를 산출하기 위한 거리 추정기 알고리즘, (c) 각 클러스터로부터 사실상의 가간섭성 거리를 선택하기 위한 가간섭성 판정 알고리즘, 또는 (d) 이상의 알고리즘의 조합을 이용하여, 수신된 클러스터링된 포지셔닝 신호를 처리한다. 전처리된 포지셔닝 신호는 이후 관찰 수신기 포지셔닝 알고리즘 수단(824)으로 전달되며, 그리하여 (a) 과결정된 위치 솔루션, (b) RAIM 의존 위치 솔루션, (c) 칼만 필터와 같은 위치 추정기 알고리즘에 의해 필터링된 위치 솔루션, 또는 (d) 이들 솔루션의 임의의 조합을 결정한다.
도 1-8이 명료성을 위해 클러스터 내에서 한정된 수의 포지셔닝 신호와 안테나 요소를 이용하는 예시적인 예를 도시하고 있지만, 클러스터 내에서 가능한 포지셔닝 신호나 안테나 요소의 수에는 내재적인 제한은 없다. 클러스터로부터 전송되거나 수신되는 포지셔닝 신호의 수가 더 클수록, 얻어지는 거리 측정치의 무결성은 더 좋다. 또한, 클러스터 시스템에 의해 송신되거나 수신되는 많은 수의 포지셔닝 신호 때문에, 수신기는 본 발명에 따라 작동하기 위해서는 전송된 모든 신호를 수신할 필요는 없다. 잉여성의 이러한 내재적인 수준은 종래의 포지셔닝 시스템으로부터는 이용가능하지 않다.
포지셔닝 신호 측정치
본 발명의 범위 내에서, 특별한 주의가 포지셔닝 신호의 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 및 신호 세기 측정치에 주어진다. 그러나, 포지셔닝 신호로부터 얻을 수 있고, 포지셔닝 신호 무결성을 추정하기 위해 사용될 수 있는 임의의 다른 포지셔닝 정보는 본 발명의 넓은 범위와 영역 내에 있다. 예를 들면, 관찰 수신기 캐리어 트랙킹 루프의 동위상 및 직교위상(I & Q) 측정치의 측정, 또 는 관찰 수신기 의사랜덤 넘버(PRN) 코드 지연 로크 루프(DLL)의 초기 및 후기 상관기 트랙킹 암 측정치는 포지셔닝 신호 무결성의 추가적인 지시자로서 사용될 수 있으며, 그리하여 본 발명의 넓은 범위 내에 있다.
의사거리 측정치는 수신된 의사랜덤 넘버(PRN) 코드와 관찰 수신기로부터 내부적으로 생성된 의사랜덤 넘버(PRN) 코드간의 상관관계에 의해 생성된다. 이러한 처리는 본래부터 잡음이 있으며, 다중경로에 의해 매우 영향받는다. 이러한 본래부터 잡음이 있는 측정치를 개선하는 전통적인 방법은 의사랜덤 넘버(PRN) 코드의 칩핑율을 증가시켜 의사거리 잡음을 감소시키는 것을 포함하는데, 이것은 동시에 다중경로 완화를 증가시킨다. 그러나, 증가된 칩핑율은 RF 대역폭, 수신기 전력 소비 및 수신기 복잡도를 증가시킨다. 본 발명은 실질적으로 동일한 단위 벡터와 기하학적 거리를 보이는 복수의 다양한 고유 및/또는 분리 포지셔닝 신호가 더 빠른 칩핑율에 의해 부과되는 제한 없이, 순간 의사거리 잡음을 감소시키고 다중경로를 완화하기 위해 병렬적인 방식으로 해석되는 시스템과 방법을 개시한다.
본 발명의 맥락에서, 도플러는 포지셔닝-유닛 장치와 관찰 수신기 사이의 상대적인 운동의 측정치이다. 도플러는 각 트랙킹 채널의 관찰 수신기 캐리어 트랙킹 루프 디지털 제어 오실레이터(DCO) 값을 이용하여 측정된다. 캐리어 트랙킹 루프 디지털 제어 오실레이터(DCO)는 관찰 수신기 국지 클럭을 참조함으로써 각 포지셔닝-유닛 장치에 상대적인 관찰 수신기의 속도를 트랙킹하고 측정한다. 이는 디지털 제어 오실레이터(DCO)가 또한 공통-모드 수신기 클럭 편차를 트랙킹함을 의미한다. 클러스터로부터의 모든 도플러 측정치는 임의의 사용자 움직임이나 공통-모 드 수신기 클럭 편차에 상관 없이, 다중경로가 없는 환경에서는 실질적으로 동일할 것이다. 다중경로 환경에서 캐리어 트랙킹 루프 디지털 제어 오실레이터(DCO)는 파괴적인 방식으로 결합하는 반사 신호에 의해서 야기된, 위상과 신호 파워에서의 큰 변동 때문에 쉽게 불안정화된다. 클러스트로부터의 모든 디지털 제어 오실레이터(DCO) 값이 다중경로가 없는 환경에서 실질적으로 동일할 것이라는 지식이 주어지면, 다중경로 조건에서 정확한 디지털 제어 오실레이터(DCO) 값을 정확히 추정하는 것이 가능하다. 이것은 클러스터로부터의 모든 순간적으로 샘플링된 디지털 제어 오실레이터(DCO) 값들을 비교하고 각 측정 구간에서 실질적으로 가간섭성 및/또는 최적 디지털 제어 오실레이터(DCO) 값을 결정함으로써 성취된다.
통합 캐리어 위상(ICP)은 정확한 거리상 변화(change-in-range) 측정을 판정하기 위해 수신기들을 관찰하는데 사용되는 도플러 측정치를 누적함으로써 유도된다. 그러므로, 실질적으로 가간섭성 및/또는 최적 캐리어 트랙킹 루프 디지털 제어 오실레이터(DCO) 값은 정확한 통합 캐리어 위상(ICP) 측정치를 결정하는데 중요한 이점을 제공한다.
신호 세기 측정치는 수신된 포지셔닝 신호를 트랙킹하는 관찰 수신기의 능력을 결정한다. 만약 수신된 신호 세기가 소정의 값 아래로 떨어진다면, 관찰 수신기에 의한 포지셔닝 신호의 트랙킹은 한계에 달할 것이며 완전히 중단될 수도 있다. 이것은 관찰 수신기가 전송 소스로부터 아주 먼 거리로 이동했을 때 발생할 수 있으며, 또는 그것은 파괴적인 다중경로 반사가 열화된 신호 세기를 야기할 때 또한 발생할 수 있다. 전송 소스로부터의 하나의 신호에 대한 액세스만을 갖는 관 찰 수신기는 그것이 전송 소스의 범위를 벗어났는지 또는 그것이 다중경로 페이드(fade)에 놓여 있는지를 판정할 수 있는 어떤 방법도 가지고 있지 않다. 다중경로가 없는 환경에서, 클러스트로부터 수신된 신호 세기는 실질적으로 동일할 것인데, 왜냐하면 클러스터 내의 각 안테나 요소 사이의 거리는 전송 소스와 관찰 수신기 사이의 거리와 비교했을 때 상대적으로 작기 때문이다. 그러나, 다중경로 조건에서, 신호 세기는 폭넓게 변할 것이다. 클러스트로부터의 모든 신호 세기 값이 다중경로가 없는 환경에서 실질적으로 동일할 것이라는 지식이 주어지면, 클러스터로부터의 모든 신호 세기 값들을 비교하고 실질적으로 가간섭성 및/또는 최적 신호 세기 값을 결정함으로써 다중경로 조건에서 정확한 신호 세기 값을 정확히 추정하는 것이 가능하다. 또한, 실질적으로 가간섭성 및/또는 최적 신호 세기 값 아래로 측정된 포지셔닝 신호는 다중경로의 영향을 받은 것으로 간주될 수 있으며, 그리하여 거리 추정으로부터 제거될 수 있다.
또한 포지셔닝 신호 측정치들의 조합은 포지셔닝 신호 가간섭성을 평가하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 클러스터로부터의 실질적 가간섭성 디지털 제어 오실레이터(DCO) 값은 가간섭성 무결성을 개선하기 위해서 클러스터로부터의 실질적 가간섭성 신호 세기와 비교될 수 있다.
실질적 가간섭성 포지셔닝 신호
실질적 가간섭성 포지셔닝 신호는 관찰 수신기에 의해 수신되고 해석될 때 실질적으로 유사한 측정치를 산출하는 포지셔닝 신호로서 정의된다. 관찰 수신기에서 산출되는 측정치의 예는 의사거리, 통합 캐리어 위상(ICP), 도플러, 신호 세 기, 동위상 및 직교위상(I & Q) 트랙킹 루프 값을 포함하지만 그것에 한정되지는 않는다. 측정치들을 실질적으로 유사한 것으로 증명하는 것은 바람직하게는 다음과 같은 수학적 절차를 통해 확립된다: 1) 측정치들의 차이를 구하고 그 차이를 문턱값 또는 허용치와 비교하기, 2) 스펙트럼 분석, 3) 컨벌루션(convolution), 4) 상관관계, 5) 푸리에 변환 분석, 또는 수학적 가간섭성의 분야에서 당업자에게 알려져 있을, 가간섭성을 관찰할 수 있는 임의의 다른 기술. 구체적인 가간섭성 증명 값은 본 발명의 각 구체적인 실시예와 연관된 설계 결정에 의해 결정된다. 단지 예시적인 예를 들자면, 허용치는 서로 1미터 내에 있는 측정된 의사거리가 코드-가간섭성으로 간주되고, 서로 0.1 캐리어 사이클 내에 있는 통합 캐리어 위상(ICP) 측정치가 캐리어-가간섭성으로 간주되며, 서로 0.1Hertz 내에 있는 캐리어 트랙킹 루프 디지털 제어 오실레이터(DCO) 값이 도플러-가간섭성으로 간주되고, 서로 1dB 내에 있는 수신 신호 세기가 신호 세기-가간섭성으로 간주되도록 구성될 수 있다. 허용치의 할당은 시스템 구성과 사용자 요구에 따라 다르며, 그리하여 각 관찰 수신기에서 개별적으로 설정될 수 있다. 예를 들면, 시스템 구성은 각 전송 클러스터로부터 이용가능한 포지셔닝 신호의 수를 결정하고, 그리하여 관찰 수신기 전처리 및/또는 포지셔닝 알고리즘이 얼마나 많은 관찰가능한 것에 대한 액세스를 갖는지를 결정할 것이다. 관찰가능한 것이 더 많을수록, 가간섭성의 무결성은 더 양호하며, 그리하여 할당된 허용치들은 더 가깝게 설정될 수 있다. 사용자 요구 또한 다르다. 어떤 사용자는 시스템 이용가능성을 위해서 클러스터 가간섭성(즉, 다중경로 조건에서의 시스템 정확성)을 트레이드오프(trade-off)하는 것을 선택할 수 있으며, 반면에 다른 사용자는 증가된 시스템 무결성을 보장하기 위해 증가된 클러스터 가간섭성을 선택할 수 있다.
다이버시티
다양한 전파 링크는 송신기 또는 수신기, 혹은 송신기와 수신기 모두에서 동시에 생성될 수 있다. 전송 다이버시티는 바람직하게는 공간, 주파수, 또는 편파 수단(아래에서 설명되는 바와 같이)을 이용하여 성취되지만, 다른 형태의 다이버시티도 사용될 수 있으며 본 발명의 넓은 범위와 영역 내에 있다.
a) 전송 공간 다이버시티는 복수의 안테나 요소가 함께 가까이(바람직하게는 1/2 캐리어 파장 이하) 위치되는 것을 필요로 하며, 각 요소는 알려진 장소에 위치되며 고유한 동기 포지셔닝 신호를 전송한다.
b) 전송 주파수 다이버시티는 알려진 장소에 위치한 안테나 요소를 통한 복수의 주파수의 전송을 필요로 하며, 각 주파수는 고유한 동기 포지셔닝 신호를 전송한다.
c) 전송 편파 다이버시티는 고유하게 편파된 복수의 안테나 요소가 함께 가까이(바람직하게는 1/2 캐리어 사이클 캐리어 파장 미만) 위치되는 것을 필요로 하고, 각 요소는 알려진 장소에 위치되며 고유한 동기 포지셔닝 신호를 전송한다.
공간, 주파수, 또는 편파 다이버시티는 보다 더 큰 다이버시티를 생성하기 위해 결합될 수 있다. 예를 들면, 고유한 편파 특성을 갖는 공간적으로 분포된 안테나 요소의 클러스터는 복수의 캐리어 주파수로 복수의 고유 포지셔닝 신호를 각각 전송할 수 있다.
또한 수신기 다이버시티는 바람직하게는 공간, 주파수, 또는 편파 수단을 이용하여 성취되지만, 다른 형태의 다이버시티도 사용될 수 있으며 본 발명의 넓은 영역 내에 있다.
a) 수신 공간 다이버시티는 복수의 안테나 요소가 함께 가까이(바람직하게는 1/2 캐리어 파장) 위치되는 것을 필요로 하며, 각 요소는 동일한 전송된 고유 포지셔닝 신호를 개별적으로 수신하고 트랙킹한다.
b) 수신 주파수 다이버시티는 복수의 주파수로 전송된 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 개별적인 수신을 필요로 한다.
c) 수신 편파 다이버시티는 고유하게 편파된 복수의 안테나 요소가 함께 가까이(바람직하게는 1/2 캐리어 파장 미만) 위치되는 것을 필요로 하고, 각 요소는 동일한 고유 포지셔닝 신호를 개별적으로 수신하고 트랙킹한다.
수신 공간, 주파수, 또는 편파 다이버시티는 보다 더 큰 다이버시티를 생성하기 위해 결합될 수 있다. 예를 들면, 고유한 편파 특성을 갖는 공간적으로 분포된 안테나 요소의 수신 클러스터는 복수의 캐리어 주파수로 복수의 고유 포지셔닝 신호를 각각 수신할 수 있다.
본 발명은 증가된 다이버시티를 위해 전술한 다양한 전파 링크 방법의 임의의 조합을 추가적으로 구체화할 수 있다. 이들 방법은 단일 주파수 다이버시티 조합과 다중 주파수 다이버시티 조합 모두를 포함한다. 단일 주파수 다이버시티 조합으로써, 관찰 수신기는 동일한 캐리어 주파수로 전송된 복수의 고유 포지셔닝 신호를 해석한다. 단일 캐리어 주파수상의 포지셔닝 신호의 전송은 다중 주파수 시 스템에 의해 경험되는 것과 같은 변화하는 그룹 지연을 겪지 않는 이점을 갖는다. 단일 주파수 다이버시티 조합은 다음을 포함하지만 거기에 한정되지는 않는다:
a) 복수의 고유 포지셔닝 신호를 공간 다양 수신기 클러스터로 전송하는 공간 다양 전송 클러스터.
b) 복수의 고유 포지셔닝 신호를 편파 다양 수신기 클러스터로 전송하는 공간 다양 전송 클러스터.
c) 복수의 고유 포지셔닝 신호를 편파 다양 수신기 클러스터로 전송하는 편파 다양 전송 클러스터.
d) 복수의 고유 포지셔닝 신호를 공간 다양 수신기 클러스터로 전송하는 편파 다양 전송 클러스터.
또한, 본 발명은 단일 안테나 관찰 수신기로 전송하는 다중 주파수 다이버시티 조합을 고려하며, 이는 다음을 포함하지만 거기에 한정되는 않는다:
a) 복수의 고유 포지셔닝 신호를 다중 주파수 관찰 수신기상의 단일 안테나로 전송하는 주파수 다양 전송 클러스터와 결합된 공간 다양 전송 클러스터.
b) 복수의 고유 포지셔닝 신호를 다중 주파수 관찰 수신기상의 단일 안테나로 전송하는 주파수 다양 전송 클러스터와 결합된 편파 다양 전송 클러스터.
c) 복수의 고유 포지셔닝 신호를 단일 주파수 관찰 수신기로 전송하는 편파 다양 전송 클러스터와 결합된 공간 다양 전송 클러스터.
d) 복수의 고유 포지셔닝 신호를 다중 주파수 관찰 수신기상의 단일 안테나로 전송하는, 편파 다양 전송 클러스터와 결합되고, 주파수 다양 전송 클러스터와 결합된, 공간 다양 전송 클러스터.
다중경로 정도 지시자
클러스터로부터 측정된 포지셔닝 신호의 비-가간섭성의 레벨은 또한 다중경로 정도 지시자(MSI)로서 사용될 수 있다. 낮은 클러스터 가간섭성은 심한 다중경로 조건을 가리키고, 높은 클러스터 가간섭성은 낮은 다중경로 조건을 가리킨다. 잉여의 포지셔닝-유닛 장치 신호가 이용가능한 상황에서, 관찰 수신기는 계산된 다중경로 정도 지시자(MSI)를 이용하여 각 포지셔닝-유닛 장치로부터 다중경로 정도를 판정하고, 그리하여 위치 알고리즘에 제공하기 위한 최소로 다중경로 손상된 포지셔닝-유닛 장치의 세트를 선택할 수 있다. 또한, 다중경로 정도 지시자(MSI)는 다중경로 무결성 체크로서 사용될 수 있다. 만약 모든 클러스터로부터의 모든 포지셔닝 신호가 낮은 클러스터 가간섭성을 가리킨다면, 위치 정확도의 추정된 열화를 가리키는 경고가 사용자에게 제공될 수 있다.
사이클 슬립 검출 및 복구
본 명세서에서 전술된 바와 같이, 클러스터로부터의 사실상의 가간섭성 및/또는 최적 포지셔닝 신호를 선택하는 프로세스는 사이클 슬립의 현상을 제거한다. 그러나, 완전하게 하기 위해, 다음이 주목되어야 한다. 즉, 전술한 수신기 방법론을 통합하고 있지 않은 수신기 시스템은 강건한 캐리어 사이클 슬립 검출과 복구 방법을 제공하기 위해 클러스터로부터의 포지셔닝 신호의 비-가간섭성을 이용할 수 있다. 사이클 슬립은 클러스터로부터의 포지셔닝 신호들을 비교하고 다음을 비-가간섭성으로 식별함으로써 검출된다:
a) 통합 캐리어 위상(ICP) 측정치에서의 절반 또는 전체 사이클 슬립 기능, 및/또는
b) 캐리어 DCO 값에서의 '급상승(spikes)', 및/또는
c) 의사거리 측정치에서의 '급상승', 및/또는
d) 급격한 신호 세기 약화, 및/또는
e) 캐리어 트랙킹 루프 I&Q 값에서의 급격한 변화.
사이클 슬립이 검출될 때, 위반 채널(offending channel)의 통합 캐리어 위상(ICP) 측정치는 클러스터 내에서의 실질적 가간섭성 포지셔닝 신호의 통합 캐리어 위상(ICP) 측정치와 일치하게끔 그것을 되돌리기 위한 절반 혹은 전체 사이클의 필요 개수에 의해 바로잡아진다.
이상의 것이 본 발명의 예시적인 예로서 주어졌지만, 모든 그러한 및 다른 수정과 변경이, 당업자에게 명백한 바와 같이, 여기에 제시된 본 발명의 넓은 범위와 영역내에 있다고 간주되는 것이 당연히 이해될 것이다.

Claims (29)

  1. 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서 다중경로를 완화하기 위한 방법에 있어서,
    a) 알려진 위치에 있는 복수의 안테나 요소로부터 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 전송하는 단계;
    b) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 관찰 수신기에서 수신하는 단계;
    c) 단계 b)에서 수신된 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호 중의 어떤 것이 상기 관찰 수신기에 대해서 실질적으로 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터를 보이는지를 판정하는 단계; 및
    d) 단계 c)에서 판정된 신호를 해석하여 최적의 상기 거리 측정치를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 신호 해석 단계는 실질적으로 가간섭성인(coherent) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 선택을 포함하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 신호 해석 단계는 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 최적 추정의 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 신호 해석 단계는 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 평균 거리 측정치의 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 신호 해석 단계는
    (i) 실질적으로 가간섭성인 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 선택,
    (ii) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 최적 추정의 결정, 및
    (iii) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 평균 거리 측정치의 결정
    으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 두 개 이상의 기술을 포함하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 방법.
  6. 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서 다중경로를 완화하기 위한 시스템에 있어서,
    a) 알려진 위치에 있는 복수의 안테나 요소로부터 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 전송하는 수단;
    b) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 관찰 수신기에서 수신하는 수단;
    c) 수단 b)에서 수신된 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호 중의 어떤 것이 상기 관찰 수신기에 대해서 실질적으로 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터를 보이는지를 판정하는 수단; 및
    d) 수단 c)에서 판정된 신호를 해석하고 최적의 상기 거리 측정치를 계산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    실질적으로 가간섭성인 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 선택하도록 구성된 수단을 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 최적 추정을 결정하도록 구성된 수단을 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 평균 거리 측정치를 결정하도록 구성된 수단을 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서,
    (i) 실질적으로 가간섭성인 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 선택,
    (ii) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 최적 추정의 결정, 및
    (iii) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 평균 거리 측정치의 결정
    으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 두 개 이상의 기술을 조합하여 처리하도록 구성되는 수단을 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 시스템.
  11. 관찰 수신기 위치 솔루션에서 다중경로를 완화하기 위한 방법에 있어서,
    a) 알려진 위치에 있는 복수의 안테나 요소로부터 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 전송하는 단계;
    b) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 상기 관찰 수신기에서 수신하는 단계;
    c) 단계 b)에서 수신된 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호 중의 어떤 것이 상기 관찰 수신기에 대해서 실질적으로 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터를 보이는지를 판정하는 단계;
    d) 단계 c)에서 판정된 신호를 해석하여 최적의 거리 측정치를 계산하는 단계; 및
    e) 상기 최적의 거리 측정치를 처리하여 상기 위치 솔루션을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 신호 해석 단계는 실질적으로 가간섭성인 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 선택을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 신호 해석 단계는 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 최적 추정의 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 신호 해석 단계는 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 평균 거리 측정치의 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 신호 해석 단계는
    (i) 실질적으로 가간섭성인 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 선택,
    (ii) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 최적 추정의 결정, 및
    (iii) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 평균 거리 측정치의 결정
    으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 두 개 이상의 기술을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 e)에서의 처리 단계는 수신기 자체 무결성 감시(RAIM) 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 e)에서의 처리 단계는 칼만 필터나 다른 최적 포지셔닝 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  18. 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서 다중경로를 완화하기 위한 방법에 있어서,
    a) 알려진 위치에 있는 복수의 전송 안테나 요소로부터 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 전송하는 단계;
    b) 상기 복수의 전송 안테나 요소에 대해서 실질적으로 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터를 보이는 복수의 수신 안테나 요소를 통해 관찰 수신기에서 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 수신하는 단계; 및
    c) 단계 b)에서 수신된 신호를 해석하여 최적의 상기 거리 측정치를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 단계 c)에서의 신호 해석 단계는 실질적으로 가간섭성인 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 선택을 포함하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 단계 c)에서의 신호 해석 단계는 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 최적 추정의 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 단계 c)에서의 신호 해석 단계는 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 평균 거리 측정치의 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 단계 c)에서의 신호 해석 단계는
    (i) 실질적으로 가간섭성인 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 선택,
    (ii) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 최적 추정의 결정, 및
    (iii) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 평균 거리 측정치의 결정
    으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 두 개 이상의 기술을 포함하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 시스템 거리 측정치에서의 다중경로 완화 방법.
  23. 관찰 수신기 위치 솔루션에서 다중경로를 완화하기 위한 방법에 있어서,
    a) 알려진 위치에 있는 복수의 전송 안테나 요소로부터 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 전송하는 단계;
    b) 상기 복수의 전송 안테나 요소에 대해서 실질적으로 동일한 기하학적 거리와 단위 벡터를 보이는 복수의 수신 안테나 요소를 통해 관찰 수신기에서 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호를 수신하는 단계;
    c) 단계 b)에서 수신된 신호를 해석하여 최적의 거리 측정치를 계산하는 단계; 및
    d) 상기 최적의 거리 측정치를 처리하여 상기 위치 솔루션을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 단계 c)에서의 신호 해석 단계는 실질적으로 가간섭성인 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 선택을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 단계 c)에서의 신호 해석 단계는 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 최적 추정의 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 단계 c)에서의 신호 해석 단계는 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 평균 거리 측정치의 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 단계 c)에서의 신호 해석 단계는
    (i) 실질적으로 가간섭성인 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 선택,
    (ii) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 최적 추정의 결정, 및
    (iii) 상기 복수의 고유한 동기 포지셔닝 신호의 평균 거리 측정치의 결정
    으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 두 개 이상의 기술을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  28. 제 23 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 처리 단계는 수신기 자체 무결성 감시 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 처리 단계는 칼만 필터나 다른 최적 포지셔닝 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 관찰 수신기 위치 솔루션에서의 다중경로 완화 방법.
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