KR101057917B1 - 시분할 다중 액세스(ｔｄｍａ) 위치 네트워크에서 신호대잡음비의 개선과 다중경로의 완화를 위한 시스템과 방법 - Google Patents

시분할 다중 액세스(ｔｄｍａ) 위치 네트워크에서 신호대잡음비의 개선과 다중경로의 완화를 위한 시스템과 방법 Download PDF

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Abstract

복수의 시간적으로 동기화된 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝-유닛 장치와, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이를 통합하는 위치 수신기를 포함하는 포지셔닝 시스템이 개시된다. 알려진 위치에 위치한 복수의 시간적으로 동기화된 포지셔닝-유닛 장치는 소정의 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스로 포지셔닝 신호를 전송하며, 그리하여 각 포지셔닝-유닛 장치는 고유의 전송 시간 슬롯을 가진다. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 복수의 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝-유닛 장치 전송과 공간적으로 동기화된 지향성 수신 안테나를 연속적으로 조정하도록 구성되며, 그리하여 지향성 수신 안테나는 현재 전송중인 포지셔닝-유닛 장치쪽으로 방향지워지거나, 또는 지향성 수신 안테나는 현재 수신된 포지셔닝 신호의 원천쪽으로 방향지워진다. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 포지셔닝-유닛 장치 위치, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 위치, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 자세, 네트워크 시간 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 시퀀싱, 포지셔닝-유닛 장치 포지셔닝 신호 전달 지연, 및 네트워크 시간의 지식에 기초한 결정론적인 알고리듬에 의해 제어된다.

Description

시분할 다중 액세스(ＴＤＭＡ) 위치 네트워크에서 신호대 잡음비의 개선과 다중경로의 완화를 위한 시스템과 방법{A SYSTEM AND METHOD FOR THE MITIGATION OF MULTIPATH AND THE IMPROVEMENT OF SIGNAL-TO-NOISE RATIOS IN TIME DIVISION MULTIPLE ACCESS (TDMA) LOCATION NETWORKS}
본 발명은 일반적으로 잡음과 다중경로 간섭의 존재 하에서 이동 장치에 대한 정밀한 위치 결정을 생성하는 시스템과 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 시분할 다중 액세스(TDMA) 위치 네트워크에 의해 생성되는 수신된 포지셔닝 신호에서의 신호대 잡음비의 개선과 코드 및 캐리어-위상 다중경로의 완화에 관련된다.
모든 전파(RF) 포지셔닝 시스템에서 가장 큰 에러 원인 중의 하나는 다중경로이다. 다중경로는 신호가 둘 이상의 경로를 통해 수신 안테나에 도달하는 현상을 지칭한다. 일반적으로, 수신 안테나는 직접 신호와, 수신 안테나의 근방에 있는 구조물로부터 반사된 하나 이상의 신호를 수신한다. 위치 수신기에 의해 결정된 후속 범위 측정치는 수신된 신호들의 합인데, 이것은 일반적으로 다중경로 반사의 지연 성격에 기인하여 "길게" 측정된다. 그러므로, 다중경로 반사는 위치 수신기에 의해 측정된 절대 위치 정확도를 상당히 열화시킬 수 있는 위치 네트워크에서의 코드-기반 의사범위(pseudorange) 바이어스를 야기한다. 또한, 직접 신호와 상 이한 위상을 갖고 수신 안테나에 도달하는 다중경로 반사는 직접 신호에 해롭게 가산되며, 그리하여 수신 신호 전력의 손실을 야기하며, 이는 신호 페이딩으로 알려져 있다. 보통의 신호 페이딩은 +/- 90도까지의 측정된 캐리어 위상 에러와 수십 미터에서의 의사범위 바이어스를 야기한다. 심각한 신호 페이딩은 수신기 트래킹 루프 불안정화, 사이클 슬립, 수백 미터에서의 의사범위 바이어스, 그리고 포지셔닝 신호에 대한 로크의 가능한 완전한 소실을 야기한다. 또한, 오프-축 다중경로 신호의 비의도적인 측정은 수신기 도플러 측정을 오염시키며, 그리하여 위치 수신기에서의 캐리어 범위 측정과 속도 정확도에서의 심각한 열화에 귀결된다. 이는 속도 측정치를 "낮게" 판독하도록 하고, 통합된 캐리어 위상 측정치를 "짧게" 레인지(range)하게 한다.
포지셔닝 신호의 수신된 신호대 잡음비는 레인징 신호의 측정된 정밀도에도 또한 영향을 미친다. 일반적으로, 수신된 신호 강도가 더 클수록, 측정의 정확도는 더 좋아진다. 신호대 잡음비는 (1) 전송원으로부터의 거리가 증가함, (2) 빌딩과 군엽(foliage)과 같은 가시선(line-of-sight) 장애물에 의해 야기된 신호 감쇄, (3) 다중경로 신호 페이딩, 및 (4) 포지셔닝 신호 주파수에 대해 신호를 방출하는 의도적 또는 비의도적인 신호 재머에 의해 야기된 증가된 잡음 플로어에 의해 열화된다.
안테나 설계를 이용하는, 잡음과 다중경로 완화를 위한 종래 기술의 방법은 두 가지 핵심 영역에 초점을 맞춘다: (1) 다중경로 제한 안테나, (2) 프로그래머블 멀티-빔 안테나 어레이. 다중경로 제한 안테나는 반사된 오프-축 신호의 강도를 감소시키기 위해 수신 안테나 이득 패턴을 성형한다. 이 안테나의 가장 일반적인 형태는 위성 신호 지표면 반사를 완화하기 위해 GPS 애플리케이션에서 사용되는 소위 "초크 링(choke ring)" 안테나이다. 다중경로 제한 안테나는 전통적으로 고정된 방향성으로 지향성 이득 안테나를 위치지으며, 일반적으로 오펜딩(offending) 반사성 표면(초크 링 GPS 안테나의 경우에는 지표면)으로부터 포지셔닝된 페이싱(facing)을 위치짓는다. 이 방법은 실내나 도심 영역과 같은 고다중경로 환경에서의 제한된 애플리케이션을 갖는데, 여기서 신호는 빌딩, 벽, 마루, 천장, 가구, 사람들을 포함하여 많은 방향으로부터 반사된다.
프로그래머블 멀티-빔 안테나 어레이는 의도적인 신호 재머와 같은 간섭원의 영향을 감소시키기 위해 수신 안테나 이득 패턴을 동적으로 성형하며, 또한 다중경로 신호의 영향을 감소시킨다. 프로그래머블 멀티-빔 안테나 어레이는 (1) 단일 안테나 이득 패턴에서 이득 널(null)을 형성하기 위해 복수의 안테나 요소를 결합하거나, 또는 (2) 단일 안테나 이득 패턴에서 복수의 피크를 형성하기 위해서, GPS 위성 중의 하나에 각각 포커싱된 복수의 지향성 이득 안테나를 결합하거나, 또는 (3) 수신기 회로의 매트릭스를 통해, GPS 위성 중의 하나에 각각 포커싱된, 복수의 지향성 이득 안테나를 개별적으로 감시한다. 안테나 이득 패턴에서 동적으로 조정가능한 이득 널을 만드는 프로그래머블 멀티-빔 안테나 어레이는 신호 재밍의 효과를 완화하는 애플리케이션을 가지면, 그리하여 잡음원의 방향으로 안테나 이득을 감소시킴으로써 수신된 신호대 잡음비를 개선한다. 그러나, 이 안테나 어레이는 고다중경로 환경에서의 다중경로 완화를 위한 제한된 애플리케이션을 가지며, 여기 서 다중경로 신호는 많은 방향으로부터 반사된다. 안테나 이득 패턴에서 복수의 동적으로 조정가능한 이득 피크를 만드는 프로그래머블 멀티-빔 안테나 어레이는 신호 재밍의 효과를 완화하고, 위상 방향으로의 이득을 증가시킴으로써 수신된 신호대 잡음비를 개선하며, 잡음원의 방향으로의 이득을 감소시키는 애플리케이션을 갖는다. 그러나, 이 안테나 어레이는 고다중경로 환경에서 다중경로 완화를 위한 제한된 애플리케이션을 가지며, 여기서 다중경로의 심각한 양은 오프-축 안테나 이득 피크를 통해 수신되는데, 이는 다른 위성 포지셔닝 신호의 수신을 위해 의도된 것이다. 수신기 회로의 매트릭스를 통해 복수의 지향성 이득 안테나를 개별적으로 감시하는 것은 신호 재밍의 효과를 완화하고, 수신된 신호대 잡음비를 개선하며, 또한 다중경로의 효과를 완화하는 애플리케이션을 갖는다. 그러나, 수신기 회로의 매트릭스는 많은 단점을 가지며, 이는 다음을 포함한다: (a) 다른 수신 경로의 이용 때문에 개개의 포지셔닝 신호 측정으로 삽입되는 라인 바이어스와 시변 그룹 지연의 가능성. 이들 지연은 구성요소의 온도와 공급 전압의 변화에 따라 변하며, 그리하여 시변 레인징 에러와, 위치 수신기 위치 속도 시간(PVT) 솔루션에서의 뒤따르는 위치 부정확성을 야기한다; (b) 추가적인 전파(RF) 회로에 기인한 많은 전력 소비, 그리하여 위치 수신기를 배터리 무게와 크기가 제한되는 애플리케이션에서 부적합하도록 한다; (c) 표준 단일 프런트-엔드 수신기 설계보다 비례적으로 더 많은 전자부품을 필요로 하며, 그리하여 위치 수신기를 제조하기에 상대적으로 비싸게 한다; 및 (d) 추가적인 수신 회로를 하우징하는데 필요한 큰 형태 인자, 그리하여 표준 단일 프런트-엔드 수신기보다 수신기를 더 크게 한다. 이들 제한 중 어 떠한 것도 없이, 심각한 다중경로와 열화된 신호대 잡음비의 방해물이 없는 포지셔닝 신호를 제공할 수 있는 시스템이 매우 바람직하다. 본 발명은 시분할 다중 액세스(TDMA) 적응 지향성 안테나 어레이를, 후술한 바와 같이, 연대순으로 동기인 시분할 다중 액세스(TDMA) 위치 네트워크에 공간적으로 동기화시킴으로써 이러한 바람직한 목표를 달성한다.
발명의 목적
본 발명의 목적은 심각한 다중경로의 방해없이 정밀한 코드 및 캐리어 위상 범위 측정을 행하고, 그리하여 정확한 코드 및 캐리어 위상 위치, 속도, 및 시간(PVT) 솔루션이 결정될 수 있는 포지셔닝 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 측정된 포지셔닝 신호 신호대 잡음비(SNR)을 개선하고, 그리하여 정확한 코드 및 캐리어 위상 위치, 속도, 및 시간(PVT) 솔루션이 결정될 수 있는 포지셔닝 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 상대적으로 큰 거리에 걸쳐, 또는 전파(RF) 방해 환경을 통해, 또는 전파(RF) 재밍 환경을 통해, 측정된 포지셔닝 신호 신호대 잡음비(SNR)을 개선하고, 그리하여 정확한 코드 및 캐리어 위상 위치, 속도, 및 시간(PVT) 솔루션이 결정될 수 있는 포지셔닝 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 단일 프런트-엔드 수신기 설계를 통합하는 위치 수신기를 이용하여, 잡음과 다중경로의 존재 하에서 정밀한 코드 및 캐리어 위상 범위 측정을 행하는 포지셔닝 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
발명의 개요
전술한 본 발명의 목적은 지향성 수신 안테나가 현재 송신중인 포지셔닝-유닛 장치 쪽으로 방향지워지거나, 또는 현재 수신된 포지셔닝 신호의 원천 쪽으로 방향지워지도록, 복수의 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝-유닛 장치 전송과 공간적으로 동기화된 지향성 수신 안테나를 연속적으로 조정함으로써 성취된다. 지향성 수신 안테나는 포지셔닝-유닛 장치 위치, 지향성 수신 안테나 위치, 지향성 수신 안테나 자세(attitude), 네트워크 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 시퀀싱, 포지셔닝-유닛 장치 포지셔닝 신호 전달 지연, 및 네트워크 시간에 대한 지식에 기초하는 결정 알고리듬에 의해 제어된다.
도 1은 본 발명에 따른 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 시스템의 도식적인 표현이며, 여기서 시간적으로 동기화된 포지셔닝-유닛 장치의 네트워크는 시간적으로 동기인 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호를 공간적으로 비동기화된 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이를 통해, 이동중인 위치 수신기에 전송한다. 공간적으로 비동기화된 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 포지셔닝 신호 획득을 위한 전방향성 이득 패턴으로 구성된다.
도 2는 본 발명에 따른 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 시스템의 도식적인 표현이며, 도 1에 묘사된 시점으로부터의 후속 시점을 묘사한다. 위치 수신기는 공간적으로 동기화된 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이를 통해, 현재 전송중인 포지셔닝-유닛 장치로부터의 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호 전송을 수신한다. 공간적으로 동기화된 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 개개의 포지셔닝 신호 트래킹을 위해 현재 전송중인 포지셔닝-유닛 장치쪽으로 지향성 이득 패턴을 조정하도록 구성된다.
도 3은 본 발명에 따른 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 시스템의 도식적인 표현이며, 도 2에 묘사된 시점으로부터의 후속 시점을 묘사한다. 위치 수신기는 공간적으로 동기화된 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이를 통해, 현재 전송중인 포지셔닝-유닛 장치로부터의 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호 전송을 수신한다. 공간적으로 동기화된 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 개개의 포지셔닝 신호 트래킹을 위해 현재 전송중인 포지셔닝-유닛 장치쪽으로 지향성 이득 패턴을 조정하도록 구성된다.
도 4는 복수의 지향성 이득 안테나를 통합하는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이의 도식적인 표현이다. 각 지향성 이득 안테나는 복수의 전파(RF) 스위치를 통합하는 제어 수단을 통해 위치 수신기에 연결된다.
도 5는 본 발명에 따른 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 시스템의 도식적인 표현이며, 이로써 위치 수신기는 복수의 지향성 이득 안테나를 통합하는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이를 통해 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호를 수신한다.
개관
알려진 장소에 위치하고, 시간적으로 동기화된 복수의 포지셔닝-유닛 장치는 각각의 전송기가 고유한 전송 시간 슬롯을 가지도록 소정의 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스로 포지셔닝 신호를 전송한다. 위치 수신기는 방향상으로 기민한 빔 안테나를 통해 포지셔닝-유닛 장치의 네트워크로부터 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호를 수신하도록 구성된다. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이로 알려진 방향상으로 기민한 빔 안테나는 복수의 방향으로 연속적으로 조정될 수 있는 지향성 이득 패턴을 만들 수 있다. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이의 방향성을 제공하기 위해서, 관성 내비게이션 시스템(INS)과 같은, 자세 결정 수단과 함께 구성된다.
위치 수신기는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이를 다음을 이용하여 포지셔닝-유닛 장치의 네트워트의 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 시퀀스에 공간적으로 동기화시키도록 구성된다: (1) 포지셔닝-유닛 장치 내비게이션 메시지로부터 결정된 포지셔닝-유닛 장치 위치; (2) 포지셔닝-유닛 장치 내비게이션 메시지로부터 결정된 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 시퀀스; (3) 자세 결정 수단에 의해 제공되는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 자세; (4) 위치 수신기 위치 속도 시간(PVT) 솔루션에 의해 결정된 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 위치; (5) 위치 수신기 위치 속도 시간(PVT) 솔루션에 의해 결정된 네트워크 시간; 및 (6) 결정된 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 위치와 획득된 포지셔닝-유닛 장치 위치로부터 결정된 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 전달 지연. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 지향성 이득 패턴은 포지셔닝-유닛 장치 전송의 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스를 따르도록 순차적으로 스위칭되며, 그리하여 지향성 이득 패턴은 현재 전송중인 포지셔닝-유닛 장치쪽으로 방향지워지거나, 또는 현재 수신된 포지셔닝 신호의 원천쪽으로 방향지워진다. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 위치와 자세가 사용자 움직임 때문에 변화함에 따라, 위치 수신기는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 지향성 이득 방위각과 고도를 조정하여 현재 전송중인 포지셔닝-유닛 장치를 따르거나, 또는 현재 수신된 포지셔닝 신호의 원천을 따른다.
그리하여, 후술되는 바와 같이, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 포지셔닝-유닛 장치의 시간적으로 동기인 시분할 다중 액세스(TDMA) 네트워크에 공간적으로 동기화된 특수 수신 안테나이다. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 현재 전송중인 포지셔닝-유닛 장치쪽으로 지향성 수신 안테나를 연속적으로 조정함으로써, 또는 현재 수신된 포지셔닝 신호의 원천쪽으로 지향성 수신 안테나를 연속적으로 조정함으로써, 위치 수신기에 의해 수신된 포지셔닝 신호에 대한 개선된 신호대 잡음비와 다중경로 완화 모두를 제공한다.
시스템과 방법
도 1을 참조하면, 시간적으로 동기화된 포지셔닝-유닛 장치(101, 102, 103, 104)의 네트워크가 묘사되어 있으며, 이들은 시간적으로 동기인 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호(105, 106, 107, 108)를 전송한다. 또한 위치 수신기(109), TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(110), 자세 결정 수단(111)이 묘사되어 있다. 시간적으로 동기화된 포지셔닝-유닛 장치(101, 102, 103, 104)의 네트워크는 각각의 포지셔닝-유닛 장치 전송이 자신의 고유한 시간 슬롯을 가지도록 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호(105, 106, 107, 108)를 전송한다. 위치 수신기(109)는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(110)를 통해, 포지셔닝-유닛 장치(101, 102, 103, 104)의 네트워크로부터 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호(105, 106, 107, 108)를 수신하도록 구성된다. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(110)는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(110)의 방향성이 결정될 수 있도록 자세 결정 수단(111)을 통합한다. 위치 수신기(109)는 초기에 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(110)를 전방향성 이득 패턴(112)으로 구성하여 시야 내의 모든 포지셔닝-유닛 장치(101, 102, 103, 104)의 획득을 허용한다. 위치 수신기(109)는 각각의 획득된 포지셔닝-유닛 장치로부터 전송된 내비게이션 데이터를 심문하여 포지셔닝-유닛 장치 위치(101, 102, 103, 104)와 포지셔닝-유닛 장치 시분할 다중 액세스(TDMA) 펄싱된 전송 시퀀스(105, 106, 107, 108)를 결정한다. 이어 위치 수신기(109)는 위치, 속도 및 시간(PVT) 솔루션을 수행하여 대략의 수신기 위치, 대략의 수신기 속도, 대략의 네트워크 시간을 결정한다. "단일 지점 위치" 솔루션으로도 알려진 속도, 위치, 및 시간(PVT) 솔루션은 현재 기술에서 잘 알려져 있으며, 본 발명의 주제가 아니다. 수신된 내비게이션 메시지로부터 결정된 포지셔닝-유닛 장치 위치와, 위치, 속도 및 시간(PVT) 솔루션에 의해 결정된 대략의 수신기 위치로써, 위치 수신기(109)는 시야 내의 모든 포지셔닝-유닛 장치(101, 102, 103, 104)에 대한 고도와 방위각 정보를 계산한다. 위치 수신기(109)는 자세 결정 수단(111)에 의해 제공된 자세 데이터(113)를 처리함으로써 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(110) 방 향성을 또한 결정한다.
도 1에 이어, 도 2를 참조하면, 후속의 시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯에서, 시간적으로 동기인 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호(205, 206, 207, 208)를 전송하는 시간적으로 동기화된 포지셔닝-유닛 장치(201, 202, 203, 204)의 네트워크를 묘사한다. 또한, 위치 수신기(209), TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(210), 자세 결정 수단(211)이 묘사되어 있다. 위치 수신기(209)는 각각의 획득된 포지셔닝-유닛 장치(201, 202, 203, 204)로부터 전송된 내비게이션 데이터를 심문하여 포지셔닝-유닛 장치 위치(201, 202, 203, 204)와 포지셔닝-유닛 장치 TDMA 펄싱된 전송 시퀀스(205, 206, 207, 208)를 결정한다. 이어 위치 수신기(209)는 위치, 속도 및 시간(PVT) 솔루션을 수행하여 수신기 위치, 수신기 속도, 네트워크 시간, 시야 내의 모든 포지셔닝-유닛 장치(201, 202, 203, 204)에 대한 고도와 방위각 정보를 결정한다. 위치 수신기(209)는 위치 속도 시간(PVT) 솔루션에 의해 제공된 현재 네트워크 시간과, 포지셔닝-유닛 장치 내비게이션 메지시에 의해 제공된 포지셔닝-유닛 장치 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 시퀀스를 비교함으로써, 다음번 시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯에서 전송을 시작할 포지셔닝-유닛 장치(201)를 결정한다. 위치 수신기(209)는 위치 속도 시간(PVT) 솔루션으로부터 도출된 계산된 고도 및 방위각 정보와, 자세 결정 수단(211)에 의해 제공된 현재의 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(210) 자세를 비교함으로써 다음번 포니셔닝-유닛 장치(201) 포지셔닝 신호(205)의 도착방향을 결정한다. 위치 수신기(209)는 지향성 이득 패턴(212)를 만들도록 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(210)를 구성하는 데, 이 패턴은 전송(205)의 시작시 다음에 전송하는 포지셔닝-유닛 장치(201)의 방향으로 조정된다. 위치 수신기(209)는 시분할 다중 액세스(TDMA) 펄싱된 전송(205)의 중지까지 계속해서 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(210) 지향성 이득 패턴(212)을 현재 수신된 포지셔닝-유닛 장치(201) 포지셔닝 신호(205)의 원천쪽으로 지향하도록 한다.
도 2에 이어, 도 3을 참조하면, 후속의 시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯에서, 시간적으로 동기인 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호(305, 306, 307, 308)를 전송하는 시간적으로 동기화된 포지셔닝-유닛 장치(301, 302, 303, 304)의 네트워크를 묘사한다. 또한, 위치 수신기(309), TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(310), 자세 결정 수단(311)이 묘사되어 있다. 위치 수신기(309)는 각각의 획득된 포지셔닝-유닛 장치(301, 302, 303, 304)로부터 전송된 내비게이션 데이터를 심문하여 포지셔닝-유닛 장치 위치(301, 302, 303, 304)와 포지셔닝-유닛 장치 시분할 다중 액세스(TDMA) 펄싱된 전송 시퀀스(305, 306, 307, 308)를 결정한다. 이어 위치 수신기(309)는 위치, 속도 및 시간(PVT) 솔루션을 수행하여 수신기 위치, 수신기 속도, 네트워크 시간, 시야 내의 모든 포지셔닝-유닛 장치(301, 302, 303, 304)에 대한 고도와 방위각 정보를 결정한다. 위치 수신기(309)는 위치 속도 시간(PVT) 솔루션에 의해 제공된 현재 네트워크 시간과, 포지셔닝-유닛 장치 내비게이션 메시지에 의해 제공된 포지셔닝-유닛 장치 위치와 포지셔닝-유닛 장치 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 시퀀스를 비교함으로써 다음번 TDMA 시간 슬롯에서 수신될 포지셔닝-유닛 장치(302)를 결정한다. 위치 수신기(309)는 위치 속도 시간(PVT) 솔루션으로부터 도출된 계산된 고도 및 방위각 정보와, 자세 결정 수단(311)에 의해 제공된 현재의 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(310)를 비교함으로써 다음번 포니셔닝-유닛 장치(302) 포지셔닝 신호(306)의 도착방향을 결정한다. 위치 수신기(309)는 지향성 이득 패턴(312)를 만들도록 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(310)를 구성하는데, 이 패턴은 전송(306)의 시작시 다음에 전송하는 포지셔닝-유닛 장치(302)의 방향으로 조정된다. 위치 수신기(209)는 시분할 다중 액세스(TDMA) 펄싱된 전송(306)의 중지까지 계속해서 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(310) 지향성 이득 패턴(312)을 현재 수신된 포지셔닝-유닛 장치(302) 포지셔닝 신호(306)의 원천쪽으로 지향하도록 한다. 전술한 프로세스는 모든 이용가능한 시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯에 대해서 연속적으로 반복된다.
이제 정확한 위치, 속도, 및 시간은 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이가 공간적으로 동기화되어 있는 동안에 위치 속도 시간(PVT) 솔루션을 수행함으로써 위치 수신기에 의해 결정될 수 있다. 오프-축 다중경로는 지향성 이득 안테나의 다중경로 제한 효과를 통해 완화되며, 수신된 신호대 잡음비는 지향성 이득 안테나의 증가된 포워드 이득을 통해 증가된다. 그러므로, 보다 정교한 코드 및 캐리어 위상 위치 솔루션은 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이를 통합하는 시분할 다중 액세스(TDMA) 위치 네트워크에서, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이를 통합하지 않는 시분할 다중 액세스(TDMA) 위치 네트워크에서보다 잘 결정될 수 있다.
TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 방법
TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 다양한 방법을 이용하여 생성될 수 있다. 제 1 실시예에서, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 복수의 공간적으로 분포된 안테나 요소를 통합하며, 각각의 안테나 요소는 조정가능한 위상과 진폭 출력을 통합한다. 모든 안테나 요소 출력은 결합되어 단일 출력을 형성하며, 이것은 위치 수신기 전파(RF) 입력으로 가해진다. 각각의 안테나 요소 위상과 진폭은 마이크로프로세서와 같은 제어 수단을 통해 제어되며, 그리하여 다양한 소정의 위상과 진폭 값들이 각 안테나 요소로부터 동시에 출력될 수 있다. 이들 출력은 결합될 때 안테나 어레이가 복수의 방향으로 연속적으로 조정되는 것을 효과적으로 허용하는 다양한 안테나 이득 패턴을 생성한다. 적응성 어레이의 이러한 형태는 "조정된 어레이(phased array)"로 알려져 있으며, 현재 기술에서 잘 알려져 있다.
제 2 실시예에서 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 구동된 안테나 요소를 통합하며, 이는 위치 수신기 전파(RF) 입력에 연결되고, 복수의 공간적으로 분포된 기생 안테나 요소에 의해 둘러싸인다. 기생 안테나 요소는 안테나 요소를 전파(RF) 스위치를 통해 그라운드에 쇼트시킴으로써 활성화되며, 이 스위치는 계속해서 기생 어레이의 이득 패턴을 변경한다. 각 기생 안테나 요소 RF 스위치는 마이크로프로세서와 같은 제어 수단에 의해 제어되며, 그리하여 기생 요소들의 다양한 결합이 다양한 안테나 이득 패턴을 생성하도록 활성화될 수 있으며, 그리하여 안테나 이득 패턴이 복수의 방향으로 연속적으로 조정될 수 있도록 허용한다. 적응성 어레이의 이러한 형태는 "스위칭된 기생 안테나 어레이"로 알려져 있으며, 현재 기술에서 잘 알려져 있다.
제 3 실시예에서, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 복수의 지향성 이득 안테나를 통합하며, 각각은 고유한 방향을 바라본다. 각 지향성 이득 안테나 출력은 전파(RF) 스위치에 연결된다. 모든 전파(RF) 스위치의 출력은 결합되어 위치 수신기 전파(RF) 입력으로 가해진다. 각 전파(RF) 스위치는 마이크로프로세서와 같은 제어 수단을 통해 제어되며, 그리하여 각 안테나 요소 또는 안테나 요소들의 결합은 다양한 안테나 이득 패턴을 생성하도록 다양한 시간에 활성화될 수 있다. 이것은 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 패턴이 복수의 방향으로 연속적으로 조정되는 것을 허용한다. 바람직한 실시예에서, 현재 수신된 포지셔닝-유닛 장치 포지셔닝 신호의 원천을 바라보는 안테나가 활성화되며, 모든 다른 안테나는 비활성화된다.
도 4를 참조하면, 복수의 지향성 이득 안테나(410), 자세 결정 수단(411), 위치 수신기(409), 제어 수단(412)을 통합하는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이가 묘사되어 있다. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(410)는 8개의 지향성 이득 안테나(413, 414, 415, 416, 417, 418, 419, 420)를 통합한다. 각 지향성 이득 안테나(413, 414, 415, 416, 417, 418, 419, 420)는 45도의 시야(field-of-view: FOV)를 가지며, 360도의 완전한 시야를 제공한다. 표 1은 각 지향성 이득 안테나의 시야의 각도 범위를 도시하며, 여기서 0도는 기준 지향성 이득 안테나(413)의 시야의 중심이고, 각의 값은 시계 방향으로 증가한다.
Figure 112005014337344-pct00001
각 지향성 이득 안테나(413, 414, 415, 416, 417, 418, 419, 420)의 출력은 개개의 전파(RF) 스위치(421, 422, 423, 424, 425, 426, 427, 428)에 연결되며, 이들 스위치는 활성화될 때는 수신된 포지셔닝 신호를 위치 수신기(409)에 전달하고, 불활성화될 때는 수신된 포지셔닝 신호를 그라운드에 버린다. 각 전파(RF) 스위치(421, 422, 423, 424, 425, 426, 427, 428)는 위치 수신기 제어 수단(412)에 또한 연결되어, 위치 수신기(409)는 필요한 바대로 각 지향성 이득 안테나를 활성화시키고 원하는 방향으로 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 이득 패턴을 연속적으로 조정할 수 있다. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(410)와 연관된 자세 결정 수단(411)은 기준 지향성 이득 안테나(413)와 정렬된다. 자세 결정 수단(411)은 정북향과 같은 일반적인 방향 지시자에 상대적으로 기준 지향성 이득 안테나(413)의 방향성을 제공한다. 이것은 기준 방향성 태도(bearing)라 지칭되며, 자세 결정 수단(411)에 의해 위치 수신기(409)로 연속적으로 전송된다.
도 5를 참조하면, 시간적으로 동기인 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호(505, 506, 507, 508)를 전송하는 시간적으로 동기화된 포지셔닝-유닛 장치(501, 502, 503, 504)의 네트워크를 묘사한다. 또한, 위치 수신기(509), 복수의 지향성 이득 안테나(510)를 통합하는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(210), 자세 결정 수단(211), 스위칭 수단(512)이 묘사되어 있다. 예시를 위해서, 비록 본 발명의 방법이 다른 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 스킴에도 동등하게 적용가능하지만, 시간적으로 동기화된 포지셔닝-유닛 장치(501, 502, 503, 504)의 네트워크는 도 2에 도시된 대로 네트워크 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 스킴에 따라, 포지셔닝 신호(505, 506, 507, 508)를 전송한다.
Figure 112005014337344-pct00002
각 포지셔닝-유닛 장치(501, 502, 503, 504)의 알려진 위치와, 네트워크 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 스킴(505, 506, 507, 508)은, 비록 이 정보가 어떤 다른 수단에 의해서 선험적으로(a-priori) 위치 수신기(509)에 제공될 수 있지만, 각각의 포지셔닝-유닛 장치 내비게이션 메시지를 통해 바람직하게 제공된다. 바람직한 실시예에서, 각 포지셔닝-유닛 장치(501, 502, 503, 504)의 알려진 위치는 지구 중심 지구 고정(ECEF) 좌표, 또는 어떤 다른 편리한 좌표 구조로 위치 수신기(509)에 제공된다. 예시적인 예를 위해서, 위도와 경도 좌표가 설명된다.
초기에, 위치 속도 시간(PVT) 솔루션이 위치 수신기(509)에 의해 계산되기 전에, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(510)와 네트워크 시간은 알려져 있지 않다. 그러므로, 네트워크 TDMA 전송 스킴(505, 506, 507, 508)과 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(510)의 동기화는 가능하지 않다. 도 4를 다시 참조하면, 위치 수신기(409)는 이어서 모든 RF 스위치(421, 422, 423, 424, 425, 426, 427, 428)를 활성화시키며, 모든 시간 슬롯 동안에 모든 지향성 이득 안테나(414, 415, 416, 417, 418, 419, 420)로부터의 출력을 위치 수신기(409)로 전달한다. 그리하여, 전체 360도 시야(FOV)로부터의 포지셔닝 신호가 획득된다. 이것은 표준 전방향성 수신 안테나를 이용하는 것과 유사하다. 도 5를 다시 참조하면, 획득된 포지셔닝 신호(505, 506, 507, 508)를 이용하여 계산된 대략의 위치 속도 시간(PVT) 솔루션으로부터 근사적인 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 위치 및 네트워트 시간이 결정된다. 각각의 포지셔닝-유닛 장치(501, 502, 503, 504)의 위치 좌표와, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(510)의 근사적인 위치 좌표가 주어지면, 위치 수신기(509)는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(510) 위치로부터 각 포지셔닝-유닛 장치에 대한 근사적인 방위각과 고도 각도를 계산할 수 있다. 비록 본 발명의 방법이 3차원 좌표 구조에 동등하게 적용가능하지만, 이 예시적인 예를 위해서 표 3에 도시된 바와 같이 포지셔닝-유닛 장치 위치(501, 502, 503, 504)는 2차원 좌표 구조로 제공된다.
Figure 112005014337344-pct00003
TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(510) 근사 위치는 좌표 35.0°N, 149.0°E에 있음이 결정된다. 위치 수신기는 표 4의 4열에 도시된 바와 같이, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(510)의 계산된 위치로부터 각 포지셔닝-유닛 장치(501, 502, 503, 504)에 대한 방위각을 계산한다.
Figure 112005014337344-pct00004
자세 결정 수단(511)은 기준 지향성 이득 안테나(513)의 기준 방향성 태도가 315도라고 결정한다. 기준 방향성 태도는 계산된 포지셔닝-유닛 장치 방위각으로부터 감산되어 표 4의 3열에 도시된 바와 같이 각 포지셔닝-유닛 장치에 대한 소위 방위각 오프셋을 형성한다. 예를 들면, 제 1 포지셔닝-유닛 장치(501)는 13도의 방위각 오프셋을 갖는다. 이것은 제 1 포지셔닝-유닛 장치가 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(510)의 기준 지향성 이득 안테나(513)로부터 시계방향으로 13도에 위치해 있음을 의미한다. 유사하게, -135도의 방위각 오프셋을 갖는 제 3 포지셔닝-유닛 장치(503)는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(510)의 기준 지향성 이득 안테나(513)로부터 시계반대방향으로 135도에 위치해 있다. 방위각-오프셋 값은 아래의 함수에 의해 표 4의 4열에 도시된 바와 같이 범위 [0°≤x < 360°] 내로 또한 매핑될 수 있다.
Figure 112005014337344-pct00005
이후, 매핑된 방위각 오프셋은 검색표로서의 표 1에 주어진 값들을 이용함으로써 네트워크 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 스킴에서의 각 시간 슬롯에 대해 적절한 지향성 수신 안테나를 선택하는데 사용된다. 시야(FOV)가, 주어진 포지셔닝-유닛 장치에 대해 매핑된 방위각 오프셋을 포함하는 지향성 이득 안테나는 포지셔닝-유닛 장치 시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯 전송 동안에 활성화된다. 예시적인 예에 대해서, 제 3 포지셔닝-유닛 장치(503)에 대한 매핑된 방위각 오프셋은 225도이며, 이것은 제 6 지향성 이득 안테나(518)(202.5°≤x ≤247.5°)의 시야(FOV) 범위내에 놓인다. 그리하여 제 3 시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯 포지셔닝 신호(507)의 수신 동안에, 제어 수단(512)은 제 6 지향성 이득 안테나(518)의 출력을 위치 수신기(509)에 전달한다. 각 포지셔닝-유닛 장치에 대해 이러한 동작을 수행하는 것은 표 5에 도시된 스위칭 표로 귀결되며, 이것은 각 시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯에 대해 사용되는 지향성 이득 안테나를 가리킨다.
Figure 112005014337344-pct00006
위치와 자세에서의 모든 갱신에 대해 이러한 프로세스를 반복하는 것은 네트워크 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 스킴을 갖는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이의 정확한 정렬을 보장할 것이다.
시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯 중첩
포지셔닝-유닛 장치와 위치 수신기 사이의 거리가 증가함에 따라, 전송된 포지셔닝 신호의 전달 지연도 따라서 증가한다. 이는 포지셔닝-유닛 장치로부터의 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송이 위치 수신기에 의해 할당된 시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯에서 완전히 수신되지 않을 수도 있다는 가능성으로 귀결된다. 결과적으로, 위치 수신기는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 지향성 이득 패턴을 다음번 할당된 시간 슬롯에서 현재 수신된 포지셔닝-유닛 장치 포지셔닝 신호의 원천으로부터 멀리 지향하도록 할 수 있으며, 이전 포지셔닝-유닛 장치 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송의 꼬리를 놓칠수 있다. 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송이 이웃 시간 슬롯에서 완전히 수신되기 전에, 최대 전달 지연은 네트워크 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 스킴에서 사용되는 전송 펄스 폭에 종속된다. 이것은 전송된 포지셔닝 신호가 이웃한 50 마이크로초 시간 슬롯과 완전히 중첩되기 전에 15 킬로미터의 전달 거리를 제공한다. 모든 포지셔닝-유닛 장치가 예를 들면, 1 킬로미터 미만으로 위치 수신기에 근접해 있을 때, 수신된 포지셔닝 신호는 수 마이크로초까지 중첩될 것이다. 이러한 중첩은 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이의 조그만 오정렬에 기인한 수신된 신호대 잡음비에서의 다소간의 감소를 야기한다. 모든 포지셔닝-유닛 장치가 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이(510)로부터 동일 거리에 있을 때, 수신된 포지셔닝-유닛 장치 포지셔닝 신호는 이웃한 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송과 중첩하지 않을 것이다. 그러나, 만약 모든 포지셔닝-유닛 장치가 위치 수신기로부터 15 킬로미터에서 동일 거리에 있고, 위치 수신기가 각 포지셔닝-유닛 장치로부터의 약 50 마이크로초 전달 지연을 무시한다면, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 하나의 시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯을, 수신된 포지셔닝 신호로부터 앞서서 스위칭할 것이며, 뒤이은 위치 속도 시간(PVT) 솔루션은 실패할 것이다. 또한, 포지셔닝-유닛 장치들 거리가 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이로부터 상당히 변한다면, 수신된 포지셔닝 신호는 이웃 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송과 상당히 겹칠 수 있다. 이들 중첩은 만약 고려되지 않는다면, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이의 동기화에 상당한 혼란을 야기할 수 있다.
그러므로, 위치 수신기는 현재 수신된 포지셔닝-유닛 장치 포지셔닝 신호의 원천쪽으로 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이를 조정하기 위한 적절한 시간을 계산할 때 각 포지셔닝-유닛 장치로부터의 신호 전달 지연을 고려해야만 한다. 위치 수신기 위치가 변화함에 따라, 결정론적인 알고리듬은 각 포지셔닝-유닛 장치로부터의 전달 지연을 고려하며, 포지셔닝-유닛 장치 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송의 수신 시간에 가장 잘 맞게끔 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 동기화를 조정한다. 이것은 위치 수신기 위치에 따라서, 시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯 위치와 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이에 대한 지속구간의 동적인 조정을 필요로 한다.
자세없는 공간적 동기화
본 발명의 추가적인 실시예에서, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 자세 결정 수단에 대한 필요없이 시분할 다중 액세스(TDMA) 위치 네트워크에 공간적으로 동기화될 수 있다. 자세 결정 수단은 아래의 경우에 필요하지 않다: (1) TDMA 적응 지향성 안테나 어레이가 고정된 자세로 정적으로 위치될 때; 또는 (2) TDMA 적응 지향성 안테나 어레이가 고정된 자세로 움직이는 사용자 플랫폼 상에 설치될 때. 예시적인 예에 대해서, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 정적 포지셔닝-유닛 장치로 구성될 때 고정된 자세로써 정적으로 위치될 수 있으며, 이것은 근방에서 다른 포지셔닝-유닛 장치로부터의 포지셔닝 신호를 수신하도록 구성된다. 또다른 예시적인 예에 대해서, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 변형 감시 위치 수신기로써 구성될 때 고정된 자세로써 정적으로 위치될 수 있다. 변형 감시 위치 수신기는 온도와 로딩과 같은 변수에 따라, 다리와 빌딩과 같은 구조물의 조그만 움직임을 측정한다.
또한, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이는 고정된 자세로써 움직이는 사용자 플랫폼에 설치될 때 자세 결정 수단을 필요로하지 않는다. 예시적인 예에 대해서, 고정된 x, y, z 평면에서 움직이지만 피치(pitch), 좌우요동(roll), 편요(yaw)에 있어서는 변화를 보이지 않는 크레인은 자세 결정 수단으로 구성된 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이를 필요로하지 않는다. 결과적으로, 위치 수신기는 다음을 사용하여 고정 자세 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이를 포지셔닝-유닛 장치의 네트워크의 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 시퀀스에 공간적으로 동기화시키도록 구성된다: (1) 포지셔닝-유닛 장치 내비게이션 메시지로부터 결정된 포지셔닝-유닛 장치 위치; (2) 포지셔닝-유닛 장치 내비게이션 메시지로부터 결정된 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 시퀀스; (3) 위치 수신기 위치 속도 시간(PVT) 솔루션에 의해 결정된 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 위치; (4) 위치 수신기 위치 속도 시간(PVT) 솔루션에 의해 결정된 네트워크 시간; 및 (5) 획득된 포지셔닝-유닛 장치 위치로부터 결정된, 그리고 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 위치로부터 결정된 포지셔닝 신호 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 전달 지연. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 지향성 이득 패턴은 순차적으로 스위칭되어 포지셔닝-유닛 장치 전송의 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스를 따르며, 그리하여 지향성 이득 패턴은 현재 전송중인 포지셔닝-유닛 장치쪽으로 방향지워지거나, 또는 현재 수신된 포지셔닝 신호의 원천쪽으로 방향지워진다. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 위치가 사용자 플랫폼 움직임 때문에 변화함에 따라, 위치 수신기는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 지향성 이득 패턴 방위각과 고도를 조정하여 현재 전송중인 포지셔닝-유닛 장치를 따르도록 하거나, 또는 현재 수신된 포지셔닝 신호의 원천을 따르도록 한다.
적응성 빔-폭
본 발명의 또다른 실시예에서, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이 지향성 이득 패턴의 빔-폭은 위치 수신기의 환경에 따라서 동적으로 조정될 수 있다. 위치와 네트워크 시간이 위치 수신기에 의해서 보다 정확히 결정됨에 따라, 각 포지셔닝-유닛 장치에 대한 방위각과 고도는 또한 보다 잘 알려질 것이다. 결과적으로, 어레이의 빔-폭은 좁아져 다중경로를 한층더 완화시킬 수 있을 것이며, 수신대 신호대 잡음비를 한층더 개선할 수 있을 것이다. 조정된 어레이를 통합하고 있는 실시예에서, 빔-폭은 어레이에서 공간적으로 분포된 안테나 요소의 수를 증가시키고, 결과적인 빔 패턴을 넓게하거나 좁게하도록 위상과 이득 출력을 조정함으로써, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이에서 동적으로 조정될 수 있다. 스위칭된 기생 안테나 요소를 통합하고 있는 실시예에서, 빔-폭은 어레이에서의 기생 안테나 요소의 수를 증가시키고, 결과적인 빔 패턴을 넓게하거나 좁게하도록 이들 기생 요소의 소정의 결합을 스위칭함으로써, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이에서 동적으로 조정될 수 있다. 복수의 이득 안테나를 통합하고 있는 실시예에서, 빔-폭은 지향성 이득 패턴을 넓게하기 위해서 복수의 인접 지향성 이득 안테나를 활성화시킴으로써, 또는 결과적인 빔 패턴을 좁게하기 위해서 인접 지향성 이득 안테나를 불활성화시킴으로써, TDMA 적응 지향성 안테나 어레이에서 동적으로 조정될 수 있다.
자세 결정 수단
위치 수신기는 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이로써 구성된 자세 결정 수단을 통해 TDMA 적응 지향성 안테나 어레이의 자세를 2차원적으로 또는 3차원적으로 결정할 수 있다. 자세 결정 수단은 관성 내비게이션 시스템(INS), 나침반, 별 추적기, 수평선 센서, 또는 다른 자세 결정 센터를 포함할 수 있다. TDMA 적응 지향성 안테나 어레이에 자세와 방향성 정보를 제공하는 임의의 자세 결정 수단은 본 발명의 필요조건을 이행하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명에서 설명된 바와 같이, 관성 내비게이션 시스템(INS)은 전자 나침반, 가속도계, 레이트-자이로(rate gyros)와 같은 장치를 포함할 수 있다. 관성 내비게이션 시스템(INS)과 자세 결정 시스템은 현재 기술에서 잘 알려져 있으며, 본 발명의 주제가 아니다.
고유 포지셔닝 신호
바람직한 실시예에서, 각 포지셔닝-유닛 장치는 고유한 포지셔닝 신호를 전송하며, 이것은 캐리어 성분, 의사랜덤 코드 성분, 및 내비게이션 데이터 성분으로 구성된다. 개리어 성분은 본 발명의 방법이 다른 주파수 대역에도 동등하게 적용가능하지만, 바람직하게는 2.4GHz ISM 밴드에서 전송되는 정현파 전파이다. 의사랜덤 수(PRN) 코드 성분은 캐리어 성분에서 변조되며, 동일한 캐리어 주파수에서 다른 장치에 의해 전송되는 다른 의사랜덤 코드 시퀀스 중에서 식별가능한 고유의 코드 시퀀스로 구성된다. 이 기술은 코드 분할 다중 액세스(CDMA)로 알려져 있으며, 현재 기술에서 잘 알려져 있다. "내비게이션 메시지"로 또한 지칭되는 내비게이션 데이터 성분은 의사랜덤 코드 성분에서 변조된 소유권 정보이며, 내비게이션 정보를 포지셔닝-유닛 장치와 이동중인 위치 수신기에 전달하기 위한 통신 링크를 제공한다. 내비게이션 정보는 네트워크 시간, 포지셔닝-유닛 장치 위치, TDMA 전송 시퀀스, 및 다른 필요한 네트워트 데이터를 포함할 수 있다. 각각의 고유한 포지셔닝 신호는 소정의 시분할 다중 액세스(TDMA) 전송 스킴에서 의사랜덤으로 펄싱되며, 그리하여 각 포지셔닝-유닛 장치는 고유의 시간 슬롯에서 고유의 포지셔닝 신호를 전송한다.
시분할 다중 액세스(TDMA) 전송
바람직한 실시예에서, 각 포지셔닝-유닛 장치는 의사랜덤 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스에서의 전송을 펄싱한다. 50 마이크로초 펄스는 매 밀리초마다 의사랜덤하게 전송되며, 의사랜덤 시퀀스는 매 200 밀리초마다 반복된다. 이것은 20개의 이용가능한 시분할 다중 액세스(TDMA) 시간 슬롯을 갖는 5% 듀티 사이클을 제공한다. 각 포지셔닝-유닛 장치의 의사랜덤 시분할 다중 액세스(TDMA) 펄스 전송 시퀀스는 내비게이션 메지시에서 전송된다. 위치 수신기는 각 포지셔닝-유닛 장치 내비게이션 메지시에 대한 심문에 의해 각 포지셔닝-유닛 장치의 의사랜덤 시분할 다중 액세스(TDMA) 펄스 전송 시퀀스를 결정한다. 또다른 실시예에서, 의사랜덤 시분할 다중 액세스(TDMA) 펄스 전송 시퀀스는 포지셔닝-유닛 장치 의사랜덤 수(PRN) 코드와 연관될 수 있다. 이 실시예에서, 위치 수신기는 수신된 의사랜덤 수(PRN)코드를 소정의 시분할 다중 액세스(TDMA) 펄스 전송 시퀀스와 연관시킴으로써 시분할 다중 액세스(TDMA) 펄스 전송 시퀀스를 결정한다. 포지셔닝-유닛 장치는 내비게이션 메시지를 통해 근방에 있는 모든 포지셔닝-유닛 장치에 대한 시분할 다중 액세스(TDMA) 펄스 전송 시퀀스, 의사랜덤 수(PRN) 코드, 및 위치 좌표를 또한 공급할 수 있으며, 그리하여 위치 수신기로 하여금 이웃하는 포지셔닝-유닛 장치를 재빨리 획득하고 거기에 동기화되는 것을 허용한다.
이상의 진술이 본 발명의 예시적인 예에 의해 제시되었지만, 당업자에게 명백한 바와 같이, 모든 그러한 및 다른 변형과 수정이 여기에 제시된 본 발명의 넓은 범위와 영역 내에 속할 것이라는 것이 당연히 이해될 것이다.

Claims (20)

  1. 다중경로 및 열악한 신호대 잡음비를 갖는 환경에서 정확한 범위 측정치를 결정하고, 뒤이어 지향적으로 기민한 빔 안테나를 통합하는 위치 수신기에서 위치 결정을 개선하는 방법에 있어서,
    상기 위치 수신기는 알려진 위치에 있는 동기화된 포지셔닝-유닛 장치의 네트워크에 의해 전송된 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호를 수신하도록 설정되고,
    상기 방법은,
    a) 상기 수신된 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호로부터 상기 위치 수신기의 위치를 계산하는 계산 단계, 및
    b) 상기 현재 수신된 시분할 다중 액세스(TDMA) 포지셔닝 신호의 원천 쪽으로만 상기 지향적으로 기민한 빔 안테나의 지향성 이득 패턴을 조정하는 조정 단계를 포함하며,
    상기 계산 단계는 알려진 위치에 있는 상기 포지셔닝-유닛 장치에 의해 전송된 상기 포지셔닝 신호의 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스를 결정하는 스텝과, 상기 포지셔닝 신호의 전달 지연을 계산하는 스텝을 포함하고,
    상기 조정 단계는
    i) 상기 위치 수신기의 계산된 위치,
    ii) 상기 동기화된 포지셔닝-유닛 장치의 상기 알려진 위치,
    iii) 상기 계산 단계에서 결정된 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스 및
    iv) 상기 계산 단계에서 계산된 전달 지연
    에 응답하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계산 단계는 알려진 위치에 있는 상기 포지셔닝-유닛 장치에 의해 전송된 상기 포지셔닝 신호의 네트워크 시간을 계산하는 스텝을 추가로 포함하며,
    상기 조정 단계는 상기 계산 단계에서 계산된 네트워크 시간에 추가로 응답하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    지향적으로 기민한 빔 안테나를 통합하는 상기 위치 수신기는 자세 결정 수단을 추가로 구비하며,
    상기 계산 단계는 상기 위치 수신기의 자세를 결정하는 스텝을 추가로 포함하고,
    상기 조정 단계는 상기 계산 단계에서 결정된 자세에 추가로 응답하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 시분할 다중 액세스(TDMA) 위치 네트워크에서의 다중경로 및 열악한 신호대 잡음비를 갖는 환경에서 정확한 범위 측정치를 결정하고, 뒤이어 위치 수신기에서의 위치 결정을 개선하는 방법에 있어서,
    a) 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스에서, 포지셔닝 신호를 전송하는 복수의 동기화된 포지셔닝-유닛 장치를 알려진 위치에 배치하는 단계;
    b) 지향적으로 기민한 빔 안테나를 구비한 상기 위치 수신기를 배치하는 단계;
    c) 모든 방향으로부터 상기 포지셔닝 신호를 수신하도록 상기 지향적으로 기민한 빔 안테나를 구성하는 단계;
    d) 수신된 포지셔닝 신호로부터 상기 위치 수신기의 위치를 계산하는 단계;
    e) 상기 포지셔닝 신호를 한 방향으로부터 수신하도록 상기 지향적으로 기민한 빔 안테나를 재구성하는 단계; 및
    f) 현재 수신된 포지셔닝 신호의 원천 쪽으로만 상기 재구성된 상기 지향적으로 기민한 빔 안테나의 지향성 이득 패턴을 조정하는 조정 단계를 포함하며,
    상기 계산 단계는 알려진 위치에 있는 상기 포지셔닝-유닛 장치에 의해 전송된 상기 포지셔닝 신호의 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스를 결정하는 스텝과, 상기 포지셔닝 신호의 전달 지연을 계산하는 스텝을 추가로 포함하고,
    상기 조정 단계는
    i) 상기 위치 수신기의 계산된 위치,
    ii) 상기 동기화된 포지셔닝-유닛 장치의 상기 알려진 위치
    iii) 상기 계산 단계에서 결정된 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스 및
    iv) 상기 계산 단계에서 계산된 전달 지연
    에 응답하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 계산 단계는 알려진 위치에 있는 상기 포지셔닝-유닛 장치에 의해 전송된 상기 포지셔닝 신호의 네트워크 시간을 계산하는 스텝을 추가로 포함하며,
    상기 조정 단계는 상기 계산 단계에서 계산된 네트워크 시간에 추가로 응답하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 6 항에 있어서,
    지향적으로 기민한 빔 안테나로 구성된 상기 위치 수신기는 자세 결정 수단을 추가로 구비하며,
    상기 계산 단계는 상기 위치 수신기의 자세를 결정하는 스텝을 추가로 포함하고,
    상기 조정 단계는 상기 계산 단계에서 결정된 자세에 추가로 응답하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 시분할 다중 액세스(TDMA) 위치 네트워크에서의 다중경로 및 열악한 신호대 잡음비를 갖는 환경에서 정확한 범위 측정치를 결정하는 시스템에 있어서,
    a) 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스에서, 포지셔닝 신호를 전송하는, 알려진 위치에 있는 복수의 동기화된 포지셔닝-유닛 장치;
    b) 지향적으로 기민한 빔 안테나를 구비한 위치 수신기;
    c) 전송된 포지셔닝 신호로부터 상기 위치 수신기의 위치를 계산하는 계산 수단; 및
    d) 현재 수신된 포지셔닝 신호의 원천 방향으로만 상기 지향적으로 기민한 빔 안테나의 지향성 이득 패턴을 조정하는 조정 수단을 포함하며,
    상기 계산 수단은 알려진 위치에 있는 상기 포지셔닝-유닛 장치에 의해 전송된 상기 포지셔닝 신호의 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스를 결정하는 수단 및 상기 포지셔닝 신호의 전달 지연을 계산하는 수단을 추가로 포함하며,
    상기 조정 수단은
    i) 상기 위치 수신기의 상기 계산된 위치,
    ii) 상기 동기화된 포지셔닝-유닛 장치의 상기 알려진 위치,
    iii) 상기 계산 수단에 의해 결정된 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스 및
    iv) 상기 계산 수단에 의해 계산된 전달 지연
    에 응답하여 조정을 실행하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 계산 수단은 알려진 위치에 있는 상기 포지셔닝-유닛 장치에 의해 전송된 상기 포지셔닝 신호의 네트워크 시간을 계산하는 수단을 추가로 포함하며,
    상기 조정 수단은 상기 계산 수단에서 계산된 네트워크 시간에 추가로 응답하여 조정을 실행하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 11 항에 있어서,
    지향적으로 기민한 빔 안테나를 구비한 상기 위치 수신기는 자세 결정 수단을 추가로 구비하고,
    상기 계산 수단은 상기 위치 수신기의 자세를 결정하는 수단을 추가로 포함하고,
    상기 조정 수단은 상기 계산 수단에 의해 결정된 자세에 추가로 응답하여 조정을 실행하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 시분할 다중 액세스(TDMA) 위치 네트워크에서의 다중경로 및 열악한 신호대 잡음비를 갖는 환경에서 정확한 범위 측정치를 결정하는 시스템에 있어서,
    a) 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스에서, 포지셔닝 신호를 전송하는, 알려진 위치에 있는 복수의 동기화된 포지셔닝-유닛 장치;
    b) 지향적으로 기민한 빔 안테나를 구비한 위치 수신기;
    c) 모든 방향으로부터 전송되는 상기 포지셔닝 신호를 수신하도록 상기 지향적으로 기민한 빔 안테나를 조절하는 조절 수단;
    d) 전송된 포지셔닝 신호로부터 상기 위치 수신기의 위치를 계산하는 계산 수단;
    e) 전송된 포지셔닝 신호를 하나의 방향으로부터 수신하도록 상기 지향적으로 기민한 빔 안테나를 재조절하는 재조절 수단; 및
    f) 현재 수신된 포지셔닝 신호의 원천 방향으로만 상기 지향적으로 기민한 빔 안테나의 지향성 이득 패턴을 조정하는 조정 수단을 포함하며,
    상기 계산 수단은 알려진 위치에 있는 상기 포지셔닝-유닛 장치에 의해 전송된 상기 포지셔닝 신호의 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스를 결정하는 수단 및 상기 포지셔닝 신호의 전달 지연을 계산하는 수단을 추가로 포함하며,
    상기 조정 수단은
    i) 상기 위치 수신기의 계산된 위치,
    ii) 상기 동기화된 포지셔닝-유닛 장치의 상기 알려진 위치,
    iii) 상기 계산 수단에서 결정된 시분할 다중 액세스(TDMA) 시퀀스 및
    iv) 상기 계산 수단에서 계산된 전달 지연
    에 응답하여 조정을 실행하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 계산 수단은 알려진 위치에 있는 상기 포지셔닝-유닛 장치에 의해 전송된 상기 포지셔닝 신호의 네트워크 시간을 계산하는 수단을 추가로 포함하며,
    상기 조정 수단은 상기 계산 수단에서 계산된 네트워크 시간에 추가로 응답하여 조정을 실행하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제 16 항에 있어서,
    지향적으로 기민한 빔 안테나로 구성된 상기 위치 수신기는 자세 결정 수단을 추가로 구비하며,
    상기 계산 수단은 상기 위치 수신기의 자세를 결정하는 수단을 추가로 포함하고,
    상기 조정 수단은 상기 계산 수단에서 결정된 자세에 추가로 응답하여 조정을 실행하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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