KR101106387B1 - 설정되는 환경에서의 위치확인을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 글로벌 항법 위성 시스템의 신호가 이용가능하지 않는 설정되는 환경에서 위치 결정을 제공하기 위한 시스템 및 방법에 관련되어 있다. 이와 관련해서, 국소 비콘 시스템이, 스펙트럼 압축 유닛에 의해 수신되는 확산 스펙트럼 CDMA 신호를 발생하며, 상기 신호는 알려진 확산 코드를 이용하여, 인터셉트된 에너지의 정정에 대한 요구 없이, 물리적으로 의미 있는 관측치를 추출한다. 본 발명은 이미 위치하는 통신 자산과의 공존이 가능하며, 이러한 설계에 의해, 자기 교정이 가능하고, 이는 설치와 사용을 단순화시킨다. 본 발명은 GNSS 신호가 이용가능하지 않거나, 제한되는 경우, 가령, 창고 재고 관리, 탐색 및 구조 작업, 실내 환경에서의 자산 추적에 적용된다.

Description

설정되는 환경에서의 위치확인을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR POSITIONING IN CONFIGURED ENVIRONMENTS}

이 출원은 2007년 4월 6일자 U.S. 출원 제11/697,575호와, 2006년 4월 28일자 U.S. 가출원 제60/745,928호로부터 우선권을 주장하고 있으며, 상기 출원은 본원에서 참조로서 인용된다.

본 발명은 일반적으로 원격 자산(remote asset)의 위치를 확인하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이며, 더 세부적으로는 글로벌 항법 위성 시스템(GNSS)이 이용가능하지 않는 국소 환경(local environment)에서의 동작을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

GPS(global positioning system)는 항법(navigation), 위치 추적 및 시각 동기화의 방법을 근본적으로 변화시켰다. 궤도 상의 32개의 위성을 이용하여, GPS는 신호가 수신될 수 있는 거의 모든 장소에서 지속적인 위치 확인 서비스를 제공한다. 수 미터까지의 정밀도를 갖는 GPS를 이용하는 저비용의 위치 확인 센서의 도래로 인해, 핵심 인프라구조(가령, 전력 시스템, 통신, 수송 및 군대)로 기술이 확산되었다. 이러한 능력의 중요성은, 국유 자산은 과장될 수 없고, 러시아, 일본, 중국 및 유럽 연합 등의 그 밖의 다른 많은 국가들이 그들 고유의 GNSS를 운영하거나 개발하고 있다는 사실에 의해 강조된다.

많은 이점에도 불구하고, GNSS는 한 가지 심각한 단점을 갖는다. 즉, 위성-기반의 항법 시스템 신호는 위치 확인 수신기에 도달할수록 통상적으로 매우 약하다는 것이다. 일부 경우에서, GPS처럼, 이는 설계의 핵심 부분이지만, 실전에서 궤도 상에서 고전력 송신기를 동작시키는 것이 어렵다. 장애물은 신호 파워를 감쇠시켜서, 위치 확인을 위해 사용될 수 없게 만들거나, 또는 최소한, 전체 측정 능력을 실질적으로 저하시키는 경향이 있기 때문에, 이러한 약한 신호에 의해, 장애 환경에서, 가령, 실내에서, 위치 확인 수신기를 동작시키는 것이 어려워진다.

이러한 한계를 극복하기 위해, 특히, 보조 GPS(Assisted GPS)와 고감도 GPS(High-Sensitivity GPS)와 같은 상당한 노력이 이뤄졌지만, 장애 환경에서의 실용적인 미터 수준의 위치확인에서, GNSS를 이용하는 것은 광범위한 용도에 알맞지 않다. 장애 환경에서의 위치 확인을 제공하기 위해, 이른바 RFID(radio frequency identification) 기술로부터 분화된 실시간 위치 파악 시스템(RTLS: Real Time Locating System)이라고 알려진 또 다른 분류의 위치 확인 기술이 개발되었다.

TDOA(Time Difference Of Arrival), RSS(Received Signal Strength), 고정 리더(fixed reader) 및 랜드마크 태깅(landmark tagging) 등의 다양한 레인징(ranging) 방법을 이용하여, RTLS가 다양한 위치 확인 기능과 정밀성을 제공한다. 가장 진보된 다목적 시스템은 TDOA를 사용하는 경향이 있으며, 위치 정밀도를 수 미터 내까지 제공할 수 있다. 시스템 중 일부는 미터 이하(sub-meter)의 정밀도 를 주장하기도 하지만 이는 고도로 제어되는 환경에서 그렇다. 전망은 좋지만, RTLS 시스템은 설치되고 동작되기에 매우 비싸다. 높은 정밀도가 요구될 때, 장비의 비용과 복잡도가 소수의 제한된 적용을 제외하고는 모두 비실용적으로 만들 수 있다. RTLS는 다양한 적용예에 맞춰질 수 있는 다양한 해결책을 제공한다. 그러나 GNSS 기반의 위치 확인의 비교적 단순함과 넓은 가용성에 비교할 때, RTLS 모두 덜 바람직하다.

덧붙이자면, 장애물이 있는 국소 영역과 장애물이 없는 넓은 영역 환경 모두에서의 위치 확인을 필요로 하는 조합된 적용예에 대하여, GNSS와 RTLS 모두, 홀로는 요구사항을 만족시킬 수 없기 때문에, 선택은 극도로 제한적이다. 서로 호환되지 않고, 일체되기 어렵고, 따라서 매우 비싸다는 사실로 인해 RTLS와 GNSS의 조합된 시스템은 비실용적이다. RTLS 기능을 제공하기 위해 의사위성(pseudolite)을 이용하는 상품 GPS 수신기 기법을 적응시키기 위한 몇 번의 시도가 있어왔다. 개념상으로는 매력적이지만, RTLS 애플리케이션 중 다수를 해결함에 있어서, 이러한 솔루션들은 실제 구현되기에는 너무 고가이며, 파워 집중적(power intensive)이며, 표준 GPS 동작을 방해(jam)하는 경향이 있기 때문에, 이들은 불법적이다.

따라서 국소적으로 전개되어 있는 비콘 기준 포인트(beacon reference point)를 이용하여 장애 환경에서도 마찬가지로 잘 동작하면서, 광역(wide area)의 무장애 환경에 대해서 GPS 위성 등의 GNSS 기준 포인트를 사용할 수 있는, 비용 효율성과 높은 정밀도를 갖는 위치 확인 기술이 요구된다.

용어 정리

특정 용어에 대한 다음의 정의가 사용되어, 본 발명의 바람직한 실시예 및 그 대안 실시예의 설명에 대한 토대가 제공될 수 있다.

“연감(Almanac)"은 기준 포인트, 또는 물리적 상태 센서의 설정, 현재의 물리적 상태, 또는 예측되는 미래의 물리적 상태를 기록하는 정보를 의미한다. 이 정보는 기준 네트워크 프로세서에 의해 내부적으로 생성되거나, 외부 소스(가령, GPS 연감 및 정밀한 천문력표을 위한 GPS 수신기)에 의해 제공될 수 있다. 통상적으로 연감 정보는 적용가능성의 시간(time of applicability)을 가지며, 상기 연감 정보는 물리적 상태 추정을 위해 사용되기 비교적 쉽게 해주는 포맷으로 저장된다.

“연감 정정(Almanac correction)”은 연감 정보의 정정을 의미한다. 이들 정정은 통상적으로, 연감의 하나 이상의 요소의 조정이며, 전체 연감 기록에 비교될 때, 더 작은 크기를 갖는다. 따라서 대역폭과 저장 요구치를 감소시킬 수 있다.

“설정 데이터(configuration data)”는 시스템 설정 및 외부 기준과의 관계를 정의하는 정보를 의미한다. 설정 데이터는 기준 포인트에 대한 세부사항(specification)과, 좌표 시스템 변환과, 외부 시간 변환 데이터를 포함한다. 또한 시스템 정보는 보안 속성, 물리적 상태 센서 등록 및 무결 성능 기준(integrity performance criteria)의 세부사항을 포함할 수 있다.

“좌표 시스템 기준(Coordinate system fiducial reference)”은 시스템의 종단 사용자의 수행 요구치의 정밀도보다 더 나은 정밀도로 판단되는 기준의 좌표 시스템 프레임에서 알려진, 또는 인정된 위치를 의미한다.

“차이 관측치(differential observables)"는 둘 이상의 인터셉터(interceptor)로부터의 관측치가 차이가 있을 때마다 형성되는 관측치를 의미하며, 상기 관측치는 방사체(emitter)의 물리적 상태의 불확실함으로 인한 시스템적 오류를 효과적으로 상쇄시키는 차이 측정치를 발생한다. 제 1 차이 관측치, 제 2 차이 관측치 및 그 이상의 차이 관측치가 존재한다. 바람직한 실시예는 제 1 차이를 이용하는 것이 통상적이다.

“방사체(emitter)”는 에너지 방사(energy emission)를 발생시키는 임의의 물체를 의미한다.

"에너지 방사(energy emission)“는 일부 전송 매체에서 전파되는 구조화된, 또는 비구조화된 에너지를 의미하며, 이들은 차단되거나, 진행될 수 있다. 구조된 방사는 잘 알려져 있고, 결정되어 있으며, 임의의 방식으로 예측가능한 특성을 갖는 임의의 방사를 포함한다. 비구조화된 방사는 구조화된 방사라고 여겨지지 않으며, 통상적으로 랜덤 특성을 갖는 임의의 것을 의미한다.

“인터셉터(interceptor)”는 하나 이상의 에너지 방사를 차단할 수 있는 임의의 물체를 의미한다.

“위치 센서(location sensor)”는 위치의 결정에 유용한 관측치를 생성하도록 구성된 물리적 상태 센서를 의미한다.

“항법 프로세서(navigation processor)”는 물리적 상태 센서의 물리적 상태의 추정치를 도출하는 하나 이상의 물리적 상태 센서에 대한 관측치를 처리하도록 구성된 물리적 상태 추정기(physical state estimator)를 의미한다. 바람직한 실시예는 최소 제곱법, 칼만 필터링 등의 확률적 추정 방법들의 조합을 이용한다.

“관측치(observable)”는 방사체와 인터셉터 사이의 전송 매체로 전파되는 차단된 에너지의 측정치를 의미한다.

“물리적 상태(physical state)”는, 위치(position), 자세(attitude), 시각(clock) 및 시간 도함수(temporal derivative) 중 하나 이상으로 구성된 장치의 기준 프레임에 대한 물리적 특성을 의미한다. 위치와 자세는 1, 또는 2, 또는 3차원으로 존재할 수 있다. 위치는 하나 이상의 축을 따르는 선형 거리의 측정치이다. 자세는 임의의 축에 대한 각 회전(angular rotation)의 측정치이다. 시각은 시간의 측정치이다. 시간 도함수는 주요한 물리적 특성의 시간 도함수이다.

“물리적 상태 추정치(physical state estimate)”, 즉“PSE"는 관측치로부터 얻어진 물리적 상태의 계산된 추정치를 의미한다.

“물리적 상태 추정기(physical state estimator)"는 물리적 상태 추정치를 생성하는 이전에 정의된 구성 데이터가 주어질 때 관측치를 처리하는 시스템 요소를 의미한다.

“물리적 상태 센서(physical state sensor)”는 물리적 상태를 감지하기 위해 사용되는 시스템 요소를 의미한다. 상기 물리적 상태 센서는 구성에 따라서 에너지 인터셉터, 또는 방사체일 수 있다.

“기준 포인트(reference point)”는 하나 이상의 위치 센서의 위치를 측정하기 위한 기준의 포인트로서 동작하는 시스템 요소를 의미한다. 기준 포인트 요소는 임의의 전송 매체에서 전파되는 에너지의 방사체, 또는 수신기일 수 있다. 이들은 좌표 시스템의 기준 프레임 내의 알려진 기준 포인트에 위치할 수 있다. 또한 기준 포인트는 이동하거나, 외부 원인, 가령, 준항성체(quasar), 위성 기회 신호 및 그 밖의 다른 임의의 에너지 방사체일 수 있다. 기준 포인트의 주요 특성은 하나 이상의 물리적 특성이 기준 포인트와 물리적 상태 센서 간의 상대적 물리적 상태의 추정에 앞서, 알려져 있다는 것이다.

“레인징 신호(ranging signal)”는 방사체와 인터셉터 간의 거리를 측정함에 있어 적정한 특성을 갖도록 의도적으로 설계된 구조화된 에너지 방사를 의미한다.

“레인징 신호 송신기(ranging signal transmitter)”, 즉 "RST"는 레인징 신호를 송신하는 방사체를 의미한다. 이는 글로벌 항법 위성, 또는 로컬 비콘(local beacon), 또는 레인징 신호로서 이용될 수 있는 신호를 발생하는 임의의 송신기일 수 있다.

“기준 네트워크 프로세서(reference network processor)”는 하나 이상의 기준 포인트에 대한 물리적 상태를, 또 다른 기준 포인트에 관련하여 추정하도록 구성되며, 연감 및 정정 정보와, 시스템에 대한 그 밖의 다른 관련 구성 데이터를 업데이트하기 위한 최종 물리적 상태 정보를 이용하는 물리적 상태 추정기를 의미한다.

“기준 SCT"는 시스템에서 기준 포인트로서 설계되는 스펙트럼 압축기 및 해석기(spectral compressor and translator)를 의미한다.

“스펙트럼 압축기 및 해석기”, 즉 “SCT"는 관측치 스펙트럼 압축의 하나 이상의 방법을 이용하여 차단된 에너지 방사를 처리하는 인터셉터로서 구성되는 물리적 상태 센서를 의미한다.

“스펙트럼 압축(spectral compression)”은 변화하는 물리적 특성을, 에너지 방사 내에서 잠재적으로 변조되는 정보의 내용의 보존 여부와 관계없이, 차단된 에너지가 전송 매체를 통해 전파됨에 따라 에너지의 진폭, 위상 및 시간 도함수의 형태로 추출하는 프로세스를 의미한다. 광대역 스펙트럼의 내용을 협대역 체제로 정제하기 위해, 추출 프로세스가 에너지 방사 및 방사체의 하나 이상의 알려진 물리적 특성을 이용한다. 이러한 광대역 스펙트럼의 내용의 정제는 변조된 정보 내용과 관계없이, 수행되어, 물리적 특성의 추출에 대한 높은 신호 대 노이즈 비를 생성하는 효과적인 프로세스 이득을 가능하게 할 수 있다.

“시스템 제어기(system controller)”는 시스템에서 다른 요소로의 정보의 흐름의 설정, 교정 및 조정을 관리하는 시스템 동작의 좌표를 측정하는 것을 담당하는 시스템 요소(통상적으로 소프트웨어)를 의미한다. 상기 시스템 제어기는 특정 성능과 서비스의 품질을 제공하기 위해, 그 밖의 다른 시스템 기능을 조정할 때 요구되는 타이밍 및 제어 기능을 구현한다. 특정 구현 요구사항에 따라서, 이러한 기능은 하나의 단일 제어기로, 또는 분산/공유된 한 그룹의 제어기로 물리적으로 구현될 수 있다.

“시간 기준(time reference)”은 시스템 시간과 주파수 기준을 동기화시키기 위해 사용되는 외부 시간 및 주파수 정보를 제공하는 외부 신호를 의미한다. 가장 일반적인 외부 시간 기준 중 하나는 UTC(universal time coordinated) 및 GPS 시간이며, 이로 인해서, 시스템 시간 및 주파수 기준이 이들 특정 시스템에 링크될 수 있다.

“전송 매체(transmission medium)”는 임의의 형태로 에너지를 전파할 수 있는 임의의 매체를 의미하며, 매체의 예로는 자유 공간, 액체, 고체 및 기체가 있다.

발명의 상세한 설명

본 발명은, 글로벌 항법 위성 시스템(GNSS)이 이용가능하지 않거나 차단된 때조차, 적합한 제어영역(coverage)이 제공되도록, 글로벌 항법 위성(가령, GPS)과 로컬 비콘 모두를 포함할 수 있는 알려진 기준 포인트에 대한 물리적 상태 센서의 물리적 상태 및 주요 위치를 결정하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명은 레인징 신호(ranging signal)를 하나 이상의 위치 센서에게 제공하기 위해, RF(또는 그 밖의 다른 신호)를 이용하는, 비콘(beacon) 기반의 국소 영역 위치 파악 시스템을 위한 시스템 및 방법을 제공한다.

본 발명의 시스템의 하나의 실시예는 설정되는 환경 내에서 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템이며, 상기 시스템은, 전송 매체 내에서 에너지를 방사하는 하나 이상의 방사체(emitter)와, 상기 하나 이상의 방사체로부터 전송 매체를 통해 전파된 에너지를 수신하는 하나 이상의 인터셉터(interceptor)(이때, 상기 인터셉터는 물리적 상태 추정(physical state estimation)에 적합한 관측치(observable)의 세트를 생성하기 위해, 스펙트럼 압축(spectral compression)을 이용하여, 수신된 방사(emission)를 처리는 동작과, 상기 관측치의 세트를 물리적 상태 추정자(physical state estimator)에게 전송하는 동작을 수행)와, 물리적 상태 추정자(physical state estimator)(이때, 상기 물리적 상태 추정자는 상기 하나 이상의 인터셉터로부터 수신된 관측치의 세트를 바탕으로 하여, 인터셉터와 방사체 사이의 상대적 물리적 상태(relative physical state)의 하나 이상의 성분을 결정하는 동작과, 상기 하나 이상의 인터셉터로부터 수신된 관측치의 세트를 바탕으로 하여, 상기 상대적 물리적 상태의 하나 이상의 성분을 보고하는 동작을 수행)를 포함한다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시예는 설정되는 환경 내에서 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법이며, 상기 방법은 하나 이상의 방사체(emitter)로부터 전파 매체(propagation medium)를 통해 에너지를 방사하는 단계와, 하나 이상의 인터셉터(interceptor)에서 에너지 방사(energy emission)를 인터셉트하는 단계와, 상기 방사와 연계되는 관측치(observable)의 세트를 생성하기 위해, 스펙트럼 압축(spectral compression)을 이용하여 수신된 에너지 방사를 처리하는 단계와, 상기 설정되는 환경 내의 방사체와 인터셉터 중 하나 이상의 배치와 설정에 관련된 설정 데이터(configuration data)를 수신하는 단계와, 상기 관측치의 세트와 상기 설정 데이터를 바탕으로 하여, 인터셉터와 방사체 간의 상대적 물리적 상태(relative physical state)의 하나 이상의 성분을 결정하는 단계와, 상기 상대적 물리적 상태의 하나 이상의 성분을 보고하는 단계를 포함한다.

본 발명의 최종적인 대안적 실시예는 종래의 시스템 및 방법에 연계된 단점을 극복하고, 비용 효율적이고, 구현하기 단순하며, 신속한 배치가 가능한 시스템을 제공하고, 국소 영역 비콘 및/또는 GPS 등의 광역 GNSS 위성을 이용하는 물리적 상태 추정을 위한 완벽한 스탠드-얼론형 방법을 제공한다.

도 1은 레인징 신호 송신기와, 스펙트럼 압축기와, 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 인터셉트된 에너지를 이용하여 물리적 상태를 결정하기 위한 해석기 및 프로세싱 구성요소를 포함하는 본 발명의 구성요소를 보여주는 논리적 시스템 다이어그램이다.

도 2A는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 기존의 통신 자산과 본 발명의 통합을 도시한다.

도 2B는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 물리적 상태 결정 프로세서와 통합되는 스펙트럼 압축기와 해석기의 구성요소를 도시한다.

도 2C 및 2D는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 통신 자산과 통합되는 스펙트럼 압축기 및 해석기의 블록 레벨 구성요소를 도시한다.

도 2E 및 2F는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 스펙트럼 압축기 및 해석기의 추가적인 블록 레벨 통합 시나리오를 도시한다.

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따라서, 본 발명이 GNSS 신호와 하이브리드 작업 모드로 조합되는 시나리오를 위한 논리적 다이어그램을 도시한다.

도 4A는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 레인징 신호 송신기의 세부사항을 도시한다.

도 4B는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 RST 내의 레인징 신호의 발생을 도시한다.

도 5A는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 스펙트럼 압축기와 해석기의 기능을 도시한다.

도 5B는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 SCT의 채널 프로세서 구성요소의 기능을 도시한다.

도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따라서, 관측된 데이터를 물리적 상태 요소로 변환하는 물리적 상태 추정자를 도시한다.

도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따라서, 기준 정정 데이터 세트를 발생하기 위한 연합된 필터링을 도시한다.

도 8A 및 8B은 본 발명의 하나의 실시예에 따라서, 차동 상대 위치와 절대 위치 간의 차이를 도시한다.

도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 3D 위치 확인 배치 시나리오이다.

도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 하이브리드 위치 확인을 위해 RST와 GNSS 신호 모두가 이용가능한 배치 시나리오를 도시한다.

도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 탐색 및 구조 작업을 위한 본 발명의 적용예를 도시한다.

도 12는 본 발명의 하나의 실시예에 따라서 인터셉트된 에너지를 이용하여, 물리적 상태를 결정하기 위해 사용되는 방사체, 인터셉터 및 물리적 상태 추정자를 포함하는 본 발명의 구성요소를 도시하는 논리 시스템 다이어그램이다.

도 13A는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 설정되는 환경 내에서 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법을 도시한다.

도 13B는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 설정되는 환경 내에서의 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 차단 및 프로세싱 방법을 도시한다.

도 13C는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 피크 검출기를 이용하는 협대역 데이터 프로세싱의 방법을 도시한다.

도 13D는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 위상 추적 루프를 이용하는 협대역 데이터 프로세싱을 위한 방법을 도시한다.

도 13E는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 교차 상관을 이용하는 협대역 데이터 프로세싱 방법을 도시한다.

위성 신호가 우발적으로, 또는 의도적으로 너무 약하거나, 차단되거나, 간섭되기 때문에, 일부 센서의 물리적 상태를 판단하기 위한 GNSS 구현이 실제로는 불가능한 상황이 존재한다. 이러한 상황은 폐쇄된 공간에서 발생할 수 있는데, 가령, 금속으로 구조된 창고, 지하/암석 아래, 또는 그 박의 다른 가능한 GNSS 교란(jamming) 환경에서 발생할 수 있다.

개략적으로 말하자면, 본 발명은, 낮은 송신기 전력(<1 마이크로와트)일지라도, GNSS 신호보다 더 파워풀한 40 내지 60dB의 신호 플럭스를 제공하고, 따라서 설정된 환경(즉, 시스템 조작자를 위한 최대 유연성을 추정하는 방식으로 비콘 성좌를 전개하기 위한 기능이 존재하는 환경)의 맥락에서 GNSS가 존재하지 않거나, 신뢰할 만하지 않는 경우에 센서의 물리적 상태를 판단할 수 있는 비콘 성좌 환경(beacon constellation environment)을 이용한다. 비콘의 성좌는, 비콘을 자신의 주파수 오프셋으로 개별적으로 식별하기 위해 충분히 안정적인 주파수 제어를 성취하면서, 시간과 주파수의 동기화를 필요로 하지 않는 확산 스펙트럼 기법을 이용한다. 이러한 비콘 성좌는 육지, 또는 바다, 또는 공중, 또는 우주 환경에 존재할 수 있다.

예를 들어, 우연한, 또는 의도적인 간섭이 GPS(일종의 GNSS)를 이용불가능하게 만드는 육지 환경에서, 무인 공중 차량(UAV: unmanned aerial vehicle), 또는 벌룬-본(balloon-borne), 또는 로켓/낙하산 전개가 사용될 수 있다. 고도에서의 잔류 간섭을 견디기 위한 높은 다이나믹 영역(dynamic range) 디지털 샘플링을 갖는 GNSS 센서 내에서 스펙트럼 압축 모드(spectral compression mode)가 사용되는 것이 바람직하다. 이 실시예에서, 스펙트럼 압축 GNSS 데이터는 통신 채널을 통해 다운-링크(down-link)되어 있거나, 또는 비콘 스펙트럼 내에 내장되어 있다. 이러한 방식으로, 이들 공중 비콘의 동적인 물리적 상태가 판단될 수 있다.

비콘은, 차단 장치(intercepting device)의 비용을 최소화하고, 데이터 교차 결합의 요구사항을 최소화하며, 물리적 상태 추정기를 단순화하기 위해 전체 설계를 단순화하도록 구성된 느슨하게 제한되는 신호 구조를 발산하는 장치이다. 이들 비콘의 개념은 임의의 방사 양식으로 동작하도록 제한받지 않는다. 대안적 실시예 에서, 이들 비콘은 몇 가지 물리적 영역, 가령, 전자기 영역(RF, 광학, 또는 x-선 및 감마-선의 원자력 영역)과 (물, 공기, 또는 고체 물질을 통한) 음향 영역에서 동작한다.

바람직한 실시예에서의 비콘 변조(beacon modulation)는, 코드 분할 다중 액세스(CDMA)에 의한 복수 개의 비콘 동시 수신을 성취하기 위해, 확산 스펙트럼 풀 반송파 억제(full carrier suppression)를 이용한다. 모든 비콘으로부터의 변조는 전체 비콘 성좌 사이에서 위상 코히런트(coherent), 또는 시간 동기(synchronized)된 것이거나, 아닐 수 있다. 성좌 신호 코히런트 및 동기 상태는, 요망되는 특정 구성 및 원격 수신기 설비의 비용과 유연성에 관련되는 사한에 의해 만들어지는 선택의 문제이다.

바람직한 설계 철학은 3분할(three segment) 및 스펙트럼 압축 GNSS 수신법의 위성 항법 구조의 조합이다. 광대역 RF 신호 구조가 스펙트럼 밀도(spectral density)를 최소화하며, 영역에 존재할 수 있는 다른 RF 장비와의 간섭 가능성을 최소화하며, 뿐 만 아니라, 본 발명의 시스템으로의 간섭에 대한 가능성을 제한할 수 있다. 이는, (가령, 현재 U.S. 규정에 따르는 915㎒, 2.4㎓ 및 5.8㎓의 중심에 위치하는) 지정된 범위의 ISM 대역을 이용하여, 허용되는 최대의 대역(약, 20㎒)에 걸쳐 신호를 확산시킴으로써, 이뤄지는 것이 바람직하다.

시스템 및 방법 개괄( System and Method Overview )

바람직한 실시예는 높은 정밀도의 위치 확인(필요하다면 센티미터의 수준), 조작의 단순성 및 낮은 비용의 구현을 이루어, 이용의 편재성(ubiquity)을 성취하는 국소 영역 위치 확인 시스템 및 방법을 제공한다. 더 세부적으로, 본 발명은 3가지 방법론, 즉, 전파천문학적 우주 측지학(radio astronomy space geodesy), 확산 스펙트럼 통신 및 GPS로부터의 신호의 비-선형 프로세싱을 혼합한다.

전파천문학, 예를 들어, 초장기선 간섭계(VLBI: Very Long Baseline Interferometry) 우주 측지학은, 둘 이상의 전파 망원경 간의 3차원 벡터 차이를 판단하기 위한 기준의 프레임으로서 기능하기 위해, 비-코히런트 전파 소스(incoherent radio source), 통상적으로 준항성체(quasar)의 어레이를 이용한다.

확산 스펙트럼 CDMA 통신은, 선형 탭 쉬프트 레지스터 피드백 디지털 발생기를 이용하는 직접 시퀀스 PRN(pseudo random noise) 발생법을 이용한다. 반송파 신호 억제를 수행하고, 신호를 확산시켜서 스펙트럼 밀도를 낮추는 쉬프트 레지스터 동작의 클러킹(clocking)을 동작시키기 위해, PRN 발생기는 내부 주파수 소스를 이용한다. 동시에 이는, 채널 재사용과, 밴드내 간섭(in-band interference)에 대한 상대적 면역성과, 검출 및 차단의 낮은 가능성이라는 이점을 제공한다.

비-선형 GPS 신호 이용 방법은, 사용자 맞춤 칩/펌웨어 개발 및 DC 전력 소모에 관련하여 비용을 최소화하는 스펙트럼 압축(spectral compression)이라고 알려진 파생되는 방법에 대한 토대를 제공한다. 통상의 GPS 수신기는, 원격측정치(telemetry)가 변조된 반송파 신호를 확산시키기 위해 각각의 위성이 사용한 PRN 코드 시퀀스의 선험적 지식을 가짐으로써, 기능한다. 차례로, 이로 인해서, GPS 수신기가 각각의 위성의 시간과 주파수 동기 상태를 포함하는 항법 메시지(navigation message)를 추출하여, GPS 수신기의 내부 프로세서가 자신의 위치(position)와 속도(velocity)를 독자적인 방식으로 추출할 수 있다. 비교하자면, 스펙트럼 압축 GPS 방법은, 반송파 신호를 확산하기 위해 사용되는 PRN 코드 시퀀스에 대한 어떠한 지식도 없이 다수의 동기화된 위성으로부터 위상 레인징 데이터 타입(phase ranging data type)을 추출한다.

비콘 성좌 설계안은 물리적 상태 판단에 대한 기준의 프레임으로서 여전히 기능하지만, 시간과 주파수 동기의 필요성은 피한다. 가장 간단한 형태로, 비콘은 매우 낮은 스펙트럼 밀도의 저 파워 RF 신호의 비-코히런트(incoherent) 어레이를 형성하여, 동일한 스펙트럼 영역에서의 다른 시스템(대부분 ISM 대역)과의 간섭을 피할 수 있다. 비-코히런트 비콘 어레이는 VLBI의 차이 상대적 위치 확인(differential relative positioning) 접근법에서 이용될 수 있다. 비콘 및 위치 센서는, 약 10PPM(part per million)의 주파수 정밀도와 안정성을 갖는, 저가의 디지털 손목시계에서 사용되는 것과 같은, 수정 기준 소스(crystal reference source)에 의존한다. 스펙트럼 압축 방법에서, 어떠한 원격측정치의 추출도 존재하지 않는다. 따라서 비콘은 PRN 시퀀스 칩율 명목 주파수(chipping rate nominal frequency)에 대한 지정된 자신의 주파수 오프셋에 의해 서로 구별된다.

위치 센서는 의사 거리(pseudo ranging)를 추출하기 위해 알려진 PRN 코드 시퀀스의 교차-상관 신호 프로세싱에 의존하지 않는다. 스펙트럼 압축법에 의해, 딜레이 및 각각의 비콘의 치핑 주파수(chipping frequency)를 회복하는 다수의 비-선형 프로세싱로부터 추출되는 모호한 위상 레인징 관측치의 획득이 가능해진다.

각각의 비콘이 동일한 PRN 시퀀스를 이용하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, PRN 코드는 최대 길이를 갖는데, 이는 0만큼 이동된 값, 또는 2ⁿ-1로 주어지는 코드 길이와 동일한 값(이때, n은 쉬프트 레지스터 스테이지의 개수)의 경우를 제외한 모든 이동 값(shift value)에 대하여 0인 자기-상관 함수(auto-correlation function)를 가짐을 의미한다.

비콘-간 기선 벡터(inter-beacon baseline vector)의 반복되지 않는 모든 쌍의 교정 프로세싱(calibration processing)을 이용하여, 본 발명은 N개의 비콘을 측지 네트워크(geodetic network) 크기 조정의 n/2 x (n-1)개의 조합의 동치로 조합한다. 가령, 본 발명에서 기재된 교정 방법에 따라서, 수신, 또는 송신하도록 구성되는 6개의 비콘을 이용하여, 네트워크에는 15개의 고유 기선 벡터가 존재할 것이다. 네트워크 기반의 계산은, 특히, RF 다중 경로 오염이 존재하는 경우, 예를 들어, 다중 경로 오염이 각각의 기선 벡터에 개별적이고, 네트워크에 걸쳐서 체계적이지 않을 경우, 데이터 프로세싱에 관련된 이점을 도출한다. 따라서 본 발명의 결과로서 발생되는 네트워크 조정은 진실한 비콘의 물리적 상태에 대한 가장 바람직한 추정치를 추출하는데 효과적이며, 위치 센서에 의해 만들어진 측정으로 적용될 때, 개별 측정치의 정밀도에 대한 성능 지수를 제공한다. 이러한 네트워크 추정치는 설정 데이터 무결성(configuration data integrity)을 지속적으로 모니터링하기 위해 적용될 수 있으며, 이에 따라서, 시스템 자가 교정이 이뤄지고, 기준의 일반적인 내부 프레임에 대한 비콘의 물리적 상태의 기대되지 않는 변화에 대하여 모 니터링할 수 있다. 본 발명에서, 위치 센서의 물리적 상태는 네트워크의 일부분으로서 추정되거나, 또는 선험적인 비콘 연감 정보에 따르는 정정(correction)으로서의 새로운 조정의 적용 후에 추정될 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 다양한 대안적 실시예가 고려되며, 기술의 사상과 적용범위를 부분적으로 설명한다.

하나 이상의 위치 센서 및 기준 포인트에 대한 스펙트럼 압축 관측치를 수신하는 중앙 처리 유닛에 의해, 선택된 위치 센서 및 기준 포인트에 대한 물리적 상태 추정이 가능해진다.

비콘 스스로 위치 센서로서 기능할 수 있고, 후 전개 교정 모드(post deployment calibration mode)로 네트워크 내에서의 자신의 위치를 확인할 수 있기 때문에, 비콘의 배치는 다소 재량적일 수 있다. 이 실시예에서, 하나 이상의 비콘 장치의 수평적 배치에 추가로 수직적 배치가 사용되어, 3-D 위치 확인이 이뤄질 수 있다.

위치 판단 시스템은 간섭 없는 기존의 통신 대역을 기반으로 할 수 있다. 이 실시예는 특정 통신 네트워크의 존재를 필요로 하지 않고, 자신의 수용력을 증대시키기 위해 존재하는 어떤 시스템이라도 사용한다. 기준 위치 센서와 제 2 위치 센서로부터의 비콘 신호의 동시 관측이 이뤄지며, 여기서 차이 신호가 형성되어, 공통적인 시간 오프셋(time offset)이 제거된다. 이 실시예에서, 전체 측정의 정밀도를 희생시키지 않으면서, 타이밍 요구사항은 감소되며, 동시에 저-비용의 오실레이터 구현이 가능해진다. CDMA 신호는 고유의 식별을 위한 충분한 분리 대(separation)를 이용하여, 자신의 PRN 칩핑 주파수(chipping frequency)로 분리된다. 가령, TCXO(temperature compensated crystal oscillator)와 같은 1PPM 이상의 정밀도를 갖는 주파수 표준에 대한 요구가 없다. 대안적 실시예에서, 비록 비콘 칩핑 주파수 간의 비교적 큰 분리대가 요구될지라도, 대략 50PP까지 정밀한 저-비용 오실레이터를 이용하여 미터(meter) 수준의 정밀도를 갖는 위치 판단이 성취 가능하다.

각각의 비콘은 다중 채널을 통해 확산 스펙트럼 CDMA(code division multiple access)-변조된 신호를 송신한다. 상기 신호들은 본질적으로 겹치지만, 각각의 비콘은 자신의 PRN(pseudo random noise) 시퀀스 발생기에 대하여 서로 약간 다른 칩핑 주파수를 갖는다. 이러한 프로세싱 접근법은 다수의 비콘 유닛들 간에서 비콘 기준 주파수 조정, 또는 위상 코히런스, 또는 시간 동기화를 필요로 하지 않는다. 매우 긴 주기(100일 정도)의 탭 피드백 쉬프트 레지스터(tapped feedback shift register) 시퀀스를 이용하여, 특정 RF 대역 내에서의 레인징 신호가 변조되어, 100일 동안 동시 동작하는 비콘이 주어진 코드 생성으로부터 동작할 수 있다. 각각의 비콘은, 1일의 간격 동안 긴 시퀀스 중 자신의 부분만 제공하도록, 상기 시퀀스 내에서 시간적으로 오프셋되어 있다. 한 가지 대안적 실시예에서, 모든 비콘에서 약 3초 반복하는 PRN 코드 시퀀스가 사용되며, 10.23㎒의 칩핑 주파수를 가지며, 이때, 각각의 비콘은 임의의 시점에서 시작한다. 이 실시예는 일치하며, 50nsec 내로 유지되는 2개의 동일한 시작 이벤트를 갖는 것에 대한 낮은 확률이 존재한다는 사실을 이용한다. 설정된 환경 내에서, 특정 비콘의 식별은 PRN 시퀀스 칩핑 주파수에 의해 나타내어진다. 예를 들어, 공칭 10.23㎒ 칩핑 주파수 이상에서의 125㎐의 오프셋은 대형 창고의 북동쪽 모서리 천장에 위치하는 비콘과 대응할 수 있다.

국소 위치 확인 시스템(local positioning system)의 영역(domain) 내에서의 위치 센서는, 수신된 특정 비콘의 칩핑 주파수를 회복시키는 스펙트럼 압축 기법을 이용하여 CDMA 신호를 역확산시킬 비콘에 의해 판단된다. 각각의 비콘은 서로 다른 칩핑 율(chipping rate)(가령, 각각 약 29m, 293m 및 2.93㎞의 모호성분 파장(ambiguity wavelength)에 대응하는 10.23㎒, 1.023㎒ 및 0.1023㎒)을 갖는 2, 또는 3개의 PRN 채널을 이용하여, 다음번 가장 높은 주파수 칩핑 주파수의 위상 모호성분(ambiguity)의 분해를 가능케 한다. 의도된 애플리케이션, 장치 환경 및 정화도 요구치를 기반으로 하여 주파수 오프셋, 칩핑 율 및 채널은 모두 구성가능하고, 완전하게 구성되는 것이 가능하다. 바람직한 실시예에서, 위치 센서는, 각각의 비콘 신호가 수신되는 3개의 채널 각각에 대한 진폭, 주파수 및 위상을 판단하기 위해 FET 프로세싱을 이용한다. 또한 대안적 실시예가 일련의 위상 고정 루프(phased lock loop)를 이용하여, 각각의 채널 상의 각각의 비콘에 대한 진폭, 주파수 및 위상을 추출할 수 있다.

충분히 높은 신호 대 노이즈 비를 갖는 경우, 10.23㎒ 채널에서의 29.3m의 모호성분을 분해하기에 추가적인 하나의 102.3㎑ 채널이 충분할 수 있다. 예를 들어, 100/1의 진폭 신호 대 노이즈 비를 획득하는 스펙트럼 압축 딜레이 및 멀티플라이 모드(delay and multiply mode)에서 동작하는 수신기를 이용하여, 위상 노이 즈(phase noise)가 0.01라디안, 또는 0.6도, 또는 1.6밀리-사이클(milli-cycle), 5미터일 수 있다. 102.3㎑의 칩핑 율(chipping rate)의 채널로부터 얻어지는 5미터의 정밀도는 29.3미터의 모호성분을 신뢰할 수 있게 분해할 것이다. 102.3㎑ 채널의 모호성분은 자신의 2.93㎞ 모호성분을 가질 것이지만, 사용자 원격 유닛 간의 분리가 1.4㎞ 이하인 물리적 공간에 대해서는 모호성분이 존재하지 않는다. 대안적 실시예에서, 가령, 293㎞ 모호성분과 500미터의 위상 정밀도를 갖는 1.023㎑의 제 3 채널이 사용되어, 102.3㎑의 칩핑 주파수 PRN 발생기로부터의 2.93㎞의 모호성분을 분해할 수 있다.

기술은 추적될 자산에 위치 센서가 배치되는 RTLS 적용예에 대한 적용을 가지며, 추가로, 스캐너 유닛 자체가 위치 센서로서 기능하며, 주어진 자산의 바코드 식별에 위치를 상관시키는 바코드 스캐너 등의 적용예에 대한 적용을 갖는다.

본 발명의 이러한 실시예와 그 밖의 다른 실시예는 다음의 장점 중 일부, 또는 전부를 갖는다:

비콘을 재량적으로 배치할 수 있고, 그들 스스로 자신 고유의 위치를 판단할 수 있으며, 이로 인해, 시스템의 설치 및 사용의 비용과 복잡성이 감소할 수 있다.

다른 시스템에서의 태그(tag)와 리더(reader) 간의 동기화 같은 시간과 주파수 동기화에 대한 요구가 제거될 수 있다. 이는 이 시스템의 전개에 포함되는 복잡성과 비용을 크게 감소시킨다. 이러한 유연성이, 수색과 구조 미션이 급박한 응답을 요구하는 응급 상황 등의 비표준 구성 환경에서의 전개에 대한 가능성을 크게 개방한다.

적정할 때, 데이터의 연산과 처리가 발생하는 분산된 구조가 사용될 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 이는 개별 유닛들로부터 데이터가 전송되는 중앙 사이트에서 발생한다. 대안적 실시예에서, 이는 감지 유닛(sensing unit) 자체 내에서 발생한다. 연산 알고리즘의 위치를 동적으로 파악하기 위한 본 발명의 기능들에 의해, 적정한 경우, 단순하고 비교적 저렴한 센서의 구현이 가능해지며, 또는 다른 적용예에서, 완전한 위치 확인 기능을 제공하는 더 복잡하고 고비용의 센서가 적합할 수 있다.

동일한 플랫폼에서 하이브리드형의 국소 영역과 광역 위치 판단을 수행할 수 있다. 즉, 국소 위치 확인은 GNSS 신호가 이용가능하지 않을 때 수행되고, GNSS 신호가 이용가능할 때는 데이터 프로세싱이 동시에 이뤄진다.

하드웨어나 소프트웨어 구현예에 대한 실질적 변경 없이 GNSS, 또는 그 밖의 다른 기회 신호의 동시 프로세싱을 가능하게 하는 소프트웨어에 의해 형성되는 전파 구조를 이용할 수 있다.

바람직한 시스템 구조( preferred system architecture )

본 발명에서, 물리적 상태 판단 시스템을 포함하는 기능적 구성요소가 성능을 최적화시키기 위한 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 도 1은 특정 구현예나 전개 시나리오를 고려하지 않고, 본 발명의 논리적 기능을 보여준다. 다이어그램은 본 발명의 바람직한 구현예에서의 통상적인 기본 블록들 및 데이터 관계를 보여준다.

더 세부적으로, 도 1을 참조할 때, 본 발명의 바람직한 실시예는 다음과 같이 설명된다. 다수의 레인징 신호 송신기(RST)(101)에서 시작하여, 시스템은 다수의 레인징 신호 송신(108)을 송신하며, 상기 레인징 신호 송신은 하나 이상의 스펙트럼 압축기 및 해석기(SCT)(103)에 의해 동시에 수신된다. 상기 RST는 하나 이상의 레인징 신호를, 가령 ISM 대역으로 주변 매체(surrounding medium), 통상적으로, RF 신호에 의한 자유-공간(free-space)으로 전송하지만, 물, 토양, 바위, 또는 구조 물질을 통과하는 음향 신호에 의한 그 밖의 다른 매체가 또한 가능하다. 이러한 대안적 신호는 특정 환경에 대하여 최적으로 구성될 수 있는 특성을 갖는다. 각각의 SCT(103)는 다수의 RST(101)로부터 신호를 수신하고, 상기 신호를 처리하여, SCT의 현재 물리적 상태(가령, 위치, 속도 및 시각)를 추정하기에 유용한 정보를 포함하는 관측치(observable, 110)를 생성할 수 있다. 이들 SCT 중 하나 이상이, 시스템 교정 및 제어의 목적으로 사용되는 관측치(111)를 갖는 기준 SCT(104)로서 지정된다.

계속하여 도 1을 참조하면, 통신 수단을 통해, SCT로부터의 관측치(110)는 기준 관측치(111)와 함께, 그리고 연감 및 정정 데이터(112)가 항법 프로세서(105)로 전달된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 항법 프로세서와 SCT 기능을 물리적으로 함께 위치시키는 것이 필수인 것은 아닌데, 왜냐하면 블록들 간의 데이터 통신이 비교적 최소한이고, 하나 이상의 통신 양식(가령, 이더넷, WiFi(802.11), Zigbee(802.15.4), 또는 데이터 전송을 할 수 있는 통신 매체)에 의해 핸들링될 수 있기 때문이다. 항법 프로세서(105)는 관측치(118, 111)와 연감 데이터/정정(112)을 포함할 수 있는 관측치를 이용하여, 위치, 자세, 시각 및 특정 에포크(epoch)에 대한 시간 도함수 중 하나 이상을 포함하는 물리적 상태 추정치(118)를 결정할 수 있다. 에포크(epoch)는 관측치에서 특정된 시간일 수 있는데, 즉 항법 프로세서가 상태 변수를 시간에 있어서 전방으로, 또는 후방으로 전파(propagate)하기에 적합한 모델을 사용하는 경우 과거나 미래의 에포크일 수 있다. 물리적 상태 추정치(118)는 시스템의 특정 구현예에 의해 정의되는 임의의 관심 측에게 보고될 수 있다.

시스템 제어기(102)는 시스템의 기능을 조정하고 모니터링하는 역할을 수행한다. 통신 신호를 통해, 하나 이상의 기준 SCT(111)로부터 관측치(111)를 수신한다. 이 정보는 선택적 외부 시간 기준(116)과 선택적 좌표 시스템 기준 데이터(117)를 포함할 수 있으며, 상기 선택적 외부 시간 기준(116)과 선택적 좌표 시스템 기준 데이터(117)는, 시스템 설정, 과거/현재/미래의 물리적 상태 및 설정의 교정 정보를 생성하기 위한 목적으로 수집되고, 기능(106, 107)으로 전달되는 것이 바람직하다. 시스템 구성 데이터(115)는 시스템 제어기에 의해 사용되어, 통신 신호(119)를 통해 다수의 RST(101)를 구성하고 조정할 수 있다. 시스템 제어기(111)와 RST(101) 간의 통신(119)은, 하나 이상의 기준 SCT에 의해 RST(101) 레인징 신호 송신(108)이 차단되어, 시스템이 기준 네트워크 프로세서(107)를 이용하여 RST(101)의 물리적 상태를 판단할 수 있는 환경에서는 선택사항이다. 기준 네트워크 프로세서(107)가 수집된 관측치와, 시스템 설정에 대한 선험적 정보를 사용하여, 시스템에서의 모든 RST(101) 및 기준 SCT(104)의 서로에 대한 물리적 상태를 연산할 수 있다. 이들 물리적 상태는 위치, 속도(통상적으로는 0), 시각 및 시각 단위(오차(bias), 율(rate) 등)뿐 아니라, 연감과 정정 데이터(114)를 형성하도록 조합되는 RST 송신 특성으로 구성되는 것이 바람직하다. 하나 이상의 에포크에 대한 연감 및 정정 데이터(114)가 데이터베이스(106)에 저장되며, 상기 데이터베이스는 이러한 데이터를 요구에 따라 제공하도록 구성되는 것이 바람직하다. 대안적 실시예에서, 연감 및 정정 데이터(114)의 형식은 하나 이상의 전파 모델(propagation model)을 통한 미래 상태의 효과적인 연산을 가능하게 해준다. 앞서 설명된 바와 같이, 연감 및 정정 데이터는 시스템 제어기(102)와 항법 프로세서(105) 모두에 의해 사용된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 연감 및 정정 데이터(114)가 각각의 RST에 대하여 추정된 상태 벡터와 기준 SCT 모두를 포함할 뿐 아니라, 연감 및 정정 데이터가 미래에 성공적으로 사용되도록 하는 전파 모델(propagation model)에 대한 추가적인 계수를 포함할 수 있다. 연감 및 정정 데이터를 미래로 전파하는 기능은 RST/기준 SCT 오실레이터의 품질과, 요망 정밀도와, 전파 모델의 복잡도를 따른다.

통합된 무선 데이터 통신 구성( Integrated Wireless Data Communications Configuration )

본 발명의 바람직한 실시예는 SCT 기능을 구현하는 유닛의 제조비용과 복잡도를 감소시키면서, 유연성과 성능은 최대화시키는 것을 촉진시킨다. 디지털 신호 프로세싱과 RF 프론트-엔드 회로(front-end circuit)의 공유를 가능하게 하는, 무 선 데이터 통신 기능과 시스템 기능의 통합을 통해 본 발명의 추가적인 이점이 얻어진다. 추후 더 상세히 설명될 바와 같이, 본 발명의 SCT 기능은 대부분의 무선 데이터 통신 수신기에 비교할 때, 복잡도를 상당하게 감소시키고, 따라서 비용을 감소시킨다. SCT 기능을 통신 기능으로의 확장으로서 구현함으로써, 거의 추가되는 비용 없이, 물리적 상태 판단 능력이 추가된다. 덧붙이자면, 전송/수신 데이터 기능을 시스템 제어기로 조합시킴으로써, 무선 데이터 통신과의 통합이 자연스럽게 발생한다.

도 2A는 Zigbee(802.15.4)와 같은 메쉬(mesh) 무선 데이터 통신 네트워크와 본 발명의 통합을 도시한다. SCT(103) 및 무선 데이터 트랜스시버(204)가 조합되어, SCT 통신 유닛(201)을 형성할 수 있다. 가장 단순한 형태로, 유닛(201)은 RFID 및 물리적 상태를 감지할 수 있는 태그(tag)를 나타낸다. 비콘 유닛(202)은 RST(101)와, SCT(104)와, 무선 데이터 트랜스시버(204)로 구성되는 것이 바람직하다. 다수의 비콘 유닛이 물리적 영역에 걸쳐 전개되어, 레인징 신호(108)와 통신 네트워크 인프라구조(205, 206) 모두의 위치 확인을 제공할 수 있다. 비콘 유닛과 SCT(104)의 통합에 의해, 각각의 비콘 유닛은, 거리(range) 내에 배치되어 있는 그 밖의 다른 비콘 유닛으로부터 관측치를 수집하는 기준 SCT로서 기능할 수 있다. 이러한 조합된 레인징 전송(ranging transmission) 및 관측치 수집을 통해서, 시스템은 기준 네트워크 프로세서(107)를 이용하여 자신의 고유 구성을 결정하기 위해 필수적인 정보의 수집을 용이하게 할 수 있다. 하나의 실시예에서, 시스템 제어기(102)와, 항법 프로세서(105)와, 기준 네트워크 프로세서(107)와, 데이터베이스(106)가 조합되어, 복잡한 데이터 프로세싱 및 관리 기능을 중앙화(centralize)시키는 시스템 제어 유닛(203)을 형성할 수 있다. 통신 신호(207)를 이용하여, 상기 시스템 제어 유닛(203)이 하나 이상의 비콘 유닛을 거쳐 무선 데이터 네트워크(205)로 연결되는 것이 바람직하다. 메쉬 네트워킹을 지원하는 무선 데이터 네트워크에 있어서, 비콘 유닛(202)은 무선 데이터 네트워크(205, 206)에서의 노드가 된다. 메쉬 네트워크 배치는, 다른 통신 매체(가령, 이더넷)의 설치를 필요로 하지 않으면서, 각각의 비콘 유닛(202)이 그 밖의 다른 비콘을 통해 시스템 제어 유닛(203)과 협업할 수 있게 해주는 위치 시스템의 설치를 효과적으로 단순화시킨다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 시스템 제어 유닛은 이더넷 연결을 통해 하나 이상의 비콘 유닛으로 물리적으로 연결되며, 이로 인해서, 견고함(robustness)과 낮아진 비용이라는 이점이 제공된다.

더 큰 휴대성과 유연성을 위해, 무선 데이터 트랜스시버(204)를 시스템 제어 유닛(203)으로 직접 연결함으로써, 통신 신호(207)가 도달할 수 있다.

(도 2A에서 도시되어 있는 바와 같이) 무선 데이터 통신 네트워크와 통합되어 배치되면, 본 발명은 또한, 시스템의 외부에서 통신 장치(208)와 네트워킹된 서비스(209) 간의 다양한 데이터 네트워킹 애플리케이션을 위해 사용될 수 있다. 추후 더 상세히 설명될 바와 같이, 본 발명을 위한 통신 요구사항은, 그 밖의 다른 활동을 위해 이용될 수 있는 대역폭의 벌크를 남겨두고, 통신 자원(communication resource)에 대한 필요성을 최소화한다. 바람직한 실시예에서, 시스템 제어 유닛(203)은 네트워크된 서비스가 무선 데이터 네트워크(205, 206) 상의 장치를 액세 스하기 위한 게이트웨이이다. 권한이 부여된 사용자만이 장치와 서비스 간의 정보를 이어 전달(relay)하기 위한, 비콘 유닛(202) 및 시스템 제어 유닛(203)의 게이트웨이 인프라구조를 액세스하고 사용할 수 있도록, 무선 데이터 네트워크(205, 206)는 데이터 암호화 및 그 밖의 다른 보안 수단에 의해 보호될 수 있다.

도 2B는 항법 프로세서(105)가 SCT(103)와 무선 데이터 트랜스시버(204) 기능과 집적 통합되어 있는 SCT 통신 유닛(201)의 대안적 실시예를 도시한다. 이 구성에 의해, 시스템으로부터 연감 및 데이터 정정(112)이 이용가능한 상황에서 유닛에서의 SCT 상태 벡터(118)의 계산이 가능해진다. 상기 연감 및 데이터 정정(112)은 선험적(a priori)으로, 또는 유닛(201)에 의해 요청될 때 필요에 따라서, SCT 통신 유닛(201)으로 전달된다. 대안적 실시예에서, 상기 유닛(201)은 전체 차이 솔루션을 결정하기 위해 하나 이상의 기준 SCT로부터의 관측치를 요청할 수 있다. 도 2A의 구성에 유사하게, 도 2B에서 묘사되어 있는 반-자율적인 구성은, 필요할 때마다 시스템 제어 유닛에 의해 결정되는 물리적 상태 추정치를 이용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 능력은, 제한된 전력 자원으로 인해 항법 프로세서(105)가 이용가능하지 않는 상황에서 유용할 수 있다.

도 2C는 MMI(machine to machine interface, 235)가 핵심 SCT 기능(103) 및 무선 데이터 트랜스시버 기능(204)과 통합되어, SCT 물리적 상태 추정치(PSE)(118)를 제공하고, 외부 장치(234)를 위한 데이터 통신(233)을 제공하는, SCT 통신 유닛(201)의 대안적 실시예를 보여준다. 이러한 구성은 위치 가동 통신 주변 장치(location-enabled communication peripheral)의 한 종류이며, 여기서, 외부 장 치(234)는, 상기 외부 장치가 SCT 통신 유닛(201)의 물리적 상태 결정 및 통신 기능을 액세스할 수 있게 해주는 맞춤(custom) 드라이버 소프트웨어를 포함한다. 이러한 구성은 SCT 통신 유닛 복잡도에 관련하여 저비용 구현을 대표한다. 이 실시예에서, 관측치(111)는 시스템 제어 유닛(203)에 의해 처리되며, 상기 시스템 제어 유닛은 최종 물리적 상태 추정치(118)를 복귀시킨다. SCT 통신 유닛(201)은 이러한 정보를 MMI(235)를 통해, 외부 장치(234)로 전달한다.

도 2D는 SCT 통신 유닛(201)의 대안적 실시예를 도시하며, 여기서 항법 프로세서(105)와 MMI(235) 모두는 핵심 SCT 기능(103) 및 무선 데이터 트랜스시버 기능(204)과 통합되어, 반-자율적인 위치 확인 능력을 제공할 수 있다. 도 2B에서 도시된 실시예와 유사하게도, 이 실시예는 시스템 제어 유닛(203)이 적정한 연감 데이터 및 정정 데이터(112)를 전달하는 상황에서, SCT 물리적 상태 추정치(PSE)(118)를 결정할 수 있다. 도 2C에서처럼, 상기 SCT 통신 유닛(201)은 PSE(118) 및 데이터 통신(233)을 외부 장치(234)에게 제공한다.

도 2E는 외부 장치(234)를 갖는 SCT 통신 유닛(201)의 대안적 실시예를 도시하며, 여기서, 외부 장치에 의해 항법 프로세서(105)가 호스팅된다. 이 경우, 상기 외부 장치는 항법 프로세싱 기능을 수행하기 위한 충분한 프로세싱 능력을 갖는다. 이로 인해, SCT 통신 유닛(201)이 충분히 단순화되도록 하며, SCT 기능(103), 무선 데이터 트랜스시버 기능(204) 및 MMI 기능(235)을 통합하며, 따라서 전력이 덜 필요하게 된다. 장치가 자신 고유의 항법 프로세서(105) 기능을 비활성화시키기로 선택한 경우에서, 외부 장치(234)에 의해 요청될 때, 상기 시스템 제어 유닛(203)은 연감 및 정정 데이터(112)를 제공하고, 관측치(111)를 처리하여, PSE(118)를 생성할 수 있다.

도 2F는 비콘 유닛(202)의 대안적 실시예를 나타내며, 여기서 별도의 GNSS 센서 기능(240)을 이용하여 GNSS 센서 능력이 제공될 수 있다. 예를 들어, 별도의 GPS C/A 코드 상관 수신기가 비콘 유닛과 일체 구성되어, 상기 유닛에 대한 타이밍 및 측지적 위치 확인 정보의 즉각적인 소스를 제공하고, 지역 시(local time) 및 지역 좌표 시스템을 협정 세계 시(UTC: Universal Time Coordinated) 및 세계 측지계 1984(WGS-84)에 연계시킨다. GPS 통합형 비콘 유닛은 WGS-84 기준 포인트로서 가치를 가지며, 본 발명이 더 넓은 야외 영역에 걸쳐 전개되는 것을 촉진시킨다. 이때, 본 발명을 GPS와 함께 이용하여 성능은 상당히 개선될 수 있다.

앞서 언급된 일련의 다이어그램에서 나타난 바와 같이, 무선 데이터 통신 네트워크와 본 발명을 통합함으로써, 특정 적용예에 대하여 더 최적의 구현예를 구성하기 위한 유연성이 제공된다. 하나의 예로는 SCT, 또는 무선 데이터 트랜스시버의 통합 없이, 비콘 유닛이 구성되는 경우가 있다. 이 단순화된 비콘은 사용되기에 앞서서 로딩되느 구성 데이터에 따라서, 레인징 신호를 송신한다. 추가적인 통신 인프라구조가 요구되지 않을 때, 이들 비콘은 위치 확인 성능을 증대시키기 위한 목적으로 알려진 포인트에 배치될 수 있다. 이러한 단순화된 비콘 실시예는 더 완전히 통합된 대안예보다 덜 비싸다.

통합된 GNSS 구성( Integrated GNSS Configuration )

본 발명은 GNSS로부터의 레인징 신호(ranging signal)뿐 아니라 다수의 RST로부터 송신된 로컬 신호까지 동시에 지원하도록 쉽게 적합화될 수 있다. 도 3은 GNSS 감지가 본 발명과 통합되는 논리 기능 블록 다이어그램을 도시한다. 앞서 (102), (103), (105), (106) 및 (107)로 참조된 본 발명의 기능은, GNSS 레인징 신호를 처리하기 위해 요구되는 추가적인 관측치 및 연감 데이터의 수신, 처리 및 관리를 지원하도록 확장된다. 이 실시예에서, SCT(103)는, 2개의 개별적인 채널을 통해 GNSS(303)와 RST(101)의 레인징 신호를 동시에 수신한다. 상기 개별적인 채널 각각은 레인징 신호 타입(RST 또는 GPS와 같은 GNSS)의 특정 특성을 지원하도록 구성된다. SCT는 관측치(110)를 발생시키며, 항법 프로세서(105)에 의해 정보가 쉽게 처리될 수 있도록 채널 구성 데이터를 갖고 데이터를 태깅(tagging)한다. 상기 항법 프로세서는 RST와 GNSS 관측치 데이터 모두의 동시 처리를 지원하도록 확장되는 것이 바람직하다. 관측치는 지역 좌표 시스템(local coordinate system), 또는 지구 구정 좌표 시스템(가령, WGS-84)에서 처리될 수 있다. 비-GNSS 지원 구현예에서와 같이, 항법 프로세서는 SCT 관측치 세트의 각각에 대하여, 하나 이상의 물리적 상태 추정치(118)를 생성한다.

GNSS 관측치의 처리를 지원하기 위해, 도 3에서 구성요소(102, 106 및 107)를 포함하는 시스템 관리 기능은 GNSS 성좌 정보, 가령, 위성 궤도, 시각 정보, 상태 등을 관리하도록 확장된다. 상기 GNSS 성좌 및 관측치(301) 정보는 GNSS 기준 수신기(302)에 의해 수집되거나, 일부 외부 소스(도면상 도시되지 않음)에 의해 제공되며, 통신 신호(304)를 통해 시스템 제어기로 전달될 수 있다. 상기 시스템 제 어기는 내부 사용을 위해 포맷팅(formatting)하고, 이를 데이터베이스(106)에 저장할 수 있다. 항법 프로세서로 제공되는 연감 및 데이터 정정(112)은, 이미 제공된 RST 연감 및 정정 정보에 추가로, GNSS 성좌 및 현재 GNSS 관측치 정정에 대한 정보를 포함하도록 확장된다. 앞서 언급된 바와 같이(도 2E) GNSS 수신기가 비콘 유닛의 일부분인 경우에서, GNSS 관측치와 비콘 성좌 정보가 기준 네트워크 프로세서(107)에 의해 사용되어, 비콘의 배치를 더 다듬을 수 있고, 궁극적으로 시스템 정밀도와 정확도를 증진시킬 수 있다.

레인징 신호 송신(Ranging Signal Transmission)

본 발명을 구현하기 위해 사용될 수 있는 다양한 레인징 신호 구조가 존재하지만, 본 발명의 바람직한 실시예는, (1)필수 정밀도 요구치를 포함하고, (2) 쉽게 생성될 수 있으며, (3) 다양한 RF, 또는 음향(acoustic) 형태로 송신되도록 구성될 수 있으며, (4) 다중 경로(multipath) 및 노이즈에 내성이 있으며, (5) 에너지 방출 영역에서의 다른 RST 레인징 신호에 비교할 때, 낮은 간섭 특성을 갖는다는 기준을 충족시키는 신호를 선택하는 것에 초점을 맞춘다. 바람직한 실시예에서, 직접 시퀀스 CDMA 확산 스펙트럼이 레인징 신호를 발생시키는 선호되는 방법이며, 이때, PRN(pseudo random noise) 시퀀스가 낮은 교차 상관 및 자기상관 속성을 위해 선택된 최대 길이 코드이다.

바람직한 실시예에서, 스펙트럼 압축기(spectral compressor)의 딜레이 및 멀티플라이 기능(delay and multiply function)에서 상호-변조(inter-modulation) 산물이 발생하지 않도록, 비콘 송신은 코드 직교성(code orthogonality)을 통합한다. 코드 속성이 GPS 골드 코드(gold code)로부터 이용가능하며, 통상적으로 32, 또는 34 코드 세트에 의해 제한된다. 그러나 대안적인 코드 변조 접근법이 가능한데, 가령, 10.23㎒의 칩핑 율(chipping rate)을 갖는, 267일의 매우 긴 코드 시퀀스를 이용하여 P(Y) 채널의 GPS 설계가 구성되는 방법이 있다. P(Y) 채널 예제에서, 이러한 매우 긴 코드 중 7일의 세그먼트가 성좌의 각각의 위성으로 할당되며, 이때, 전체 위성 성좌는 매 토요일 자정에서 코드 시퀀스의 위상을 자신의 시작 상태로 재설정한다. 코드 쉬프트(code shift)가 0이거나, 267일의 배수일 때를 제외한 모든 곳에서 코드의 자기-상관값(auto-correlation)이 0이도록, 이러한 P(Y) 코드는 코드 직교성의 속성을 갖는다. 본 발명에서, P(Y) 코드 발생을 포함하여, 최소 자기-상관값을 갖는 임의의 긴 코드가 구성될 수 있고, 그 후, 세그먼트가 각각의 비콘에게 할당된다.

다수의 비콘이 불규칙적인 시작 시간에서 동작될 수 있으며, 이들 비콘들 간의 교차 상관값은 본질적으로 0이다. 예를 들어, 25 스테이지 탭 쉬프트 레지스터 피드백 PRN 시퀀스 발생기는 대략 3천4백만 개의 칩 코드 길이의 코드 길이를 가질 것이다. 10.23㎒의 칩핑 율을 가정하면, 이러한 코드를 반복하는 것은 3.3초가 걸릴 것이다.

도 4A는 앞서 설명된 바와 같이 신호 발생 기능을 구현하는 레인징 신호 송신기(RST)(101)의 논리적 기능 블록 다이어그램을 도시한다. 상기 RST는 다중-채널 레인징 신호 발생기(406)를 사용하여, 요망 특성에 따라서 특정 레인징 신호를 발생시킬 수 있다. 그 후, 이 신호는 신호 합성기(405)에 의해 발생된 중간 주파수(intermediate frequency)를 변조(404)하도록 사용된다. 구성에 따라서, 최종 신호는 (408)에 의해 필터링되고(상위 대역, 또는 하위 대역, 또는 둘 모두를 통과하게끔 함), 디지털-아날로그 컨버터(410)를 통과한다. 신호 합성기(409)에 의해 발생되는 주파수를 이용하여, 최종 아날로그 신호는 R.F. 대역으로 상향-변환(411, up-convert)된다. 상향-변환된 R.F. 신호는 하이 패스 필터(412)를 통과하고, 증폭(413)되어, 송신된다. RST 제어기는 RST 모듈의 특정 구성(403)을 관리한다. 각각의 모듈 기능은 프로그램 가능한 것이 바람직하며, 이는 보강된 유연성의 이점을 제공한다. RST는 다양한 서로 다른 레인징 신호 구조를 다양한 RF 주파수에서 송신하도록 프로그래밍될 수 있다. 레인징 신호 송신기에 대한 이러한 논리적 구조는, 특정 구현 설계 및 요망 최적화에 따라 달라지는 가능한 변형예를 갖는다. RST의 바람직한 실시예는 비용, 정밀도 및 유연성 간의 균형을 이루는 것을 목적으로 한다.

도 4B는 다중-채널 레인징 신호 발생기(406)에 대한 논리적 기능 블록을 도시한다. 본 발명의 이 실시예에서, 발생기는, 디지털 신호 합성기(433)에 의해 발생되는 I.F. 신호를 변조하는 QPSK(quadrature phase shift keying) 모듈레이터를 구동시키는 2개의 프로그램 가능한 채널(432, 436)을 갖는다. 상기 모듈레이터의 출력은 I.F. 주파수의 중심에 위치하는 디지털 확산 스펙트럼 레인징 신호(438)이다. 각각의 채널(432 및 436)은, PRN 시퀀스 발생기(435)를 구동시키는, 주파수 및 위상에서 프로그램가능한 디지털 칩핑 클럭(digital chipping clock, 434)을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 PRN 시퀀스 발생기는 다양한 여러 다른 최대 길이 코드 시퀀스 및 상기 시퀀스 내의 오프셋(offset)에 대하여 프로그래밍될 수 있다. 제 1 채널(432)은 성김 채널(coarse channel)로서 선택되고, 제 2 채널(436)은 정밀 채널(precision channel)로서 선택되는 것이 바람직하다. 위상 코히런스(phase coherence)를 보장하기 위해, 채널(433, 434 및 436)은 공통의 외부 오실레이터 기준에 의지한다. 상기 제어기(430)는 발생기 설정을 관리하고, 기능을 구성하기 위해 단순화된 인터페이스(431)를 제공한다.

레인징 신호 처리(Ranging Signal Processing)

도 5A 및 5B는 이전에 설명된 SCT(103)의 내부 기능을 도시하며, 레인징 신호를, 물리적 상태를 결정하기 위해 필요한 관측치(observable)로 처리하기 위한 바람직한 실시예이다. 본 발명의 이러한 실시예에서, SCT는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 레인징 신호, 예를 들자면, RST(101)의 레인징 신호 및 GNSS 위성(가령, GPS C/A 및 P(Y) L1/L2 송신)에 의해 송신되는 레인징 신호를 동시에 처리한다. 도시된 예제에서 나타난 방법은, 통상의 확산 스펙트럼 통신 시스템에서 사용되는 복잡한 교차 상관 신호 처리 방법을 이용하지 않고, 적합하게 구축된 레인징 신호가 관측치로 압축(가령, 진폭, 주파수, 위상 및 시간 기준)되게 하는 스펙트럼 압축 기법을 이용한다. 단일 채널을 이용하여, 스펙트럼 압축 방법에 의해, 공통된 특성을 갖는 모든 레인징 신호를 관측치의 하나의 세트로 동시에 압축할 수 있다. SCT는 다수의 타입의 레인징 신호를 동일한, 또는 서로 다른 대역에서 동시에 압축하는 것을 가능케 하는 다중 채널을 구현할 수 있다. 이러한 메커니즘을 통해, 기능은, 하나의 환경에서 다른 환경으로의 SCT 이동으로 인한 계속성의 손실 없이, RST와 GNSS 레인징 신호 모두를 동시에 수신하고 처리할 수 있다.

스펙트럼 압축이 차단된 방사(intercepted emission)를 처리하기 위한 바람직한 실시예이지만, 본 발명의 대안적 실시예는 비콘과 GNSS 위성을 위해 코드-위상 관측치를 생성하도록, GPS와 유사한 교차-상관 방법을 사용할 수 있다. 이러한 코드-위상 관측치를 생성하기에 필수적인 센서의 타입을 이용함으로서, 구현하기 더 복잡해지고 더 비싸질 것이다. 그러나 특정 적용예에서, 이러한 대안적 방법이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 센서가 레인징 신호 송신 내에 포함된 정보를 디코딩할 수 있어야 하는 경우에 그렇다.

도 5A에서, 적합하게 구축된 레인징 신호, 또는 임의의 적합한 에너지 방사가, 로우 노이즈 증폭기(LNA: low noise amplifier)(503)와 RF-하향 변환 스테이지(502)로 구성된 SCT 프론트-엔드(501)로 연결되는 RF 안테나(504)에서 스펙트럼 압축 해석기(SCT: spectral compressor translator)에 의해 차단된다. 필요한 경우, 다중 대역을 지원하기 위한 다중 프론트-엔드(501)가 구현될 수 있다. 예를 들어, SCT는 915㎒에 중심이 위치하는 하나의 RST/ISM 대역과, 1575.42㎒에 중심이 위치하는 GPS L1 대역, 또는 1227.6㎒에 중심이 위치하는 L2 대역을 지원하도록 구성될 수 있다. 프론트-엔드(501)의 출력은 아날로그-디지털(ADC) 스테이지(505)로 입력되는 아날로그 신호이며, 상기 아날로그-디지털(ADC) 스테이지(505)는 디지털 중간 주파수(I.F.) 출력을 제공한다. 추후 더 상세히 설명될 바와 같이, 광범위한 여러 다른 신호 레벨의 다수의 비콘들을 수용하기 위해, ADC가 충분한 다이나믹 레인지(dynamic range)를 갖는 것이 바람직하다. 디지털화된 I.F. 신호(506)가 하나 이상의 SCT 채널 프로세서(507)로 통과되며, 상기 SCT 채널 프로세서는 물리적 상태(가령 항법) 처리를 위한 관측치(513)를 생성한다. SCT 제어기(508)에 의해, RF 프론트-엔드(501)와 SCT 채널 프로세서(507) 모두 제어되고, 동기화된다. 이 SCT 제어기는 제어 메시지(509)를 통해, RF 제어기(501)와 통신하고, 채널 구성 메시지(510)를 통해 SCT 채널 프로세서(507)와 통신한다. 다수의 SCT 채널 프로세서가 사용되어, 레인징 신호에 의해 제공되는 이용가능한 모든 위치 확인 관측치를 완전히 얻을 수 있다. 예를 들어, ISM 대역과 GPS L1 모두에서 동작되도록 구성된 SCT는, ISM RST 성김 채널, ISM RST 정밀 채널, GPS L1 C/A 채널, GPS L1 P(Y) 채널 및 GPS L2 P(Y) 채널의 레인징 채널 중 하나로 할당되는 5개의 SCT 채널 프로세서를 동작시킬 수 있다. 이들 채널의 각각은, 할당된 레인징 신호가 존재하는 경우, 관측치를 생성한다.

도 5B는 SCT 채널 프로세서(507)의 바람직한 기능을 도시한다. 상기 SCT 채널 프로세서는, 클럭 정보(530)를 수신하는 채널 데이터 획득 및 제어 기능(524)에 의해 제어된다. 허위, 또는 대역 이탈 신호를 제거하기 위해, 먼저 디지털 IF 신호(506)는 안티-알리아스 필터(anti-alias filter, 521)를 통해 처리된다. 필터(521)로부터 필터링된 신호 출력이 딜레이 및 멀티플라이 프로세스(522)를 통해 전송된다. 상기 딜레이 및 멀티플라이(522)는 필터링된 디지털 IF 신호(506)를 2개의 성분으로 쪼개는데, 하나의 성분은 동상(in-phase)이며, 다른 하나의 성분은 비콘의 확산 스펙트럼 변조 칩핑 율의 절반에 상응하는 간격만큼 딜레이된다(가령, 정밀 10.23㎒ 채널에 대하여 49nsec, 0.1㎒ 성김 채널에 대하여 5마이크로초(microsecond)). 지연된 신호는 동상 버전 신호와 혼합되며(곱해진다), 이로 인해 모든 비콘(101)의 칩핑 주파수(chipping frequency)가 복구될 수 있다. 이러한 복구된 신호는 필터/기저대역 하향-컨버터(523)를 통해 통과되며, 이때, 신호는 버퍼(525)에 일시적으로 보유된다. 버퍼링된 데이터는 고속 푸리에 변환(526)을 통해 처리되고, 식별된 비콘 신호에 대응하는 피크(peak)는 피크 검출기(527)를 통해 식별된다. 각각의 비콘 신호(529)로부터의 관측치는 진폭, 주파수, 위상뿐 아니라 관측 시간으로 구성된다.

각각의 위성이 고유의 PRN 코드를 브로드캐스팅하기 때문에, 각각이 PRN 시퀀스의 교차 상관 곱이 본질적으로 0이 되도록, GPS 신호의 스펙트럼 압축이 동작한다. 지구는 자전하며 위성은 12시간 주기의 궤도를 갖기 때문에, 수신기의 목시선(line of sight)을 따라 도플러 편차(doppler shift)가 존재한다. 시간과 GPS 궤도에 대한 가공되지 않은 지식으로부터, 어느 도플러 편차가 각각의 개별적인 위성과 연계되는가를 예측하는 것이 가능하다. 예를 들어, U.S. 특허 제4,797,677호에서 제시되는 코드리스(codeless) 동작은 모든 위성으로부터의 광대역 신호에 따른 딜레이 및 멀티플라이 동작에 의해 각각의 위성의 칩핑 주파수의 복구를 가능케 한다. 그 후, 고속 푸리에 변환(FFT) 프로세싱을 이용하여, 각각의 최종 스펙트럼 라인이 특정 위성과 연계된다.

본 발명은, 통상의 확산 스펙트럼 시스템의 VLBI 접근법, 또는 사전-검출 교차-상관 처리인 교차-상관 검출을 위한 사전-검출(pre-detection) 광대역 신호 캡 처 버퍼링 및 전송에 비교될 때 이용가능한 신호 검출 방법을 제공한다. PRN 시퀀스의 디지털 속성은, 코드가 (칩 타임의 2분의 1 내에서) 거의 일치될 때를 제외하고는 어떠한 자기-상관 일치(auto-correlation match)도 갖지 것들이다. 예를 들어, 칩핑 율이 10.23㎒인 경우, 간섭 상황을 생성하기 위해, 코드는 49나노초(nanosecond) 내에 필수적으로 정렬된다. 모든 비콘이 동일한 PRN 시퀀스 시작 에포크(starting epoch)와 칩핑 주파수를 공유하지 않는다는 가정 하에, 모든 비콘에 의해 동일한 PRN 시퀀스가 송신될 수 있다. 불규칙한 시작 조건과 낮은 비용의 프리-러닝(free running) 기준 오실레이터를 갖고는, 이러한 조건 중 어느 것도 성취되기 어려울 것이다.

따라서 본 발명에서 제시되는 딜레이 및 멀티플라이 검출 접근법으로, 바람직하게도, 각각의 확산 스펙트럼 비콘이 비콘 칩핑 주파수에서 스펙트럼 선(spectral line)으로 역-확산된다. 동일한 주파수(가령, 10.23㎒)로의 칩핑 주파수 스펙트럼 선의 붕괴를 피하기 위해, 각각의 비콘은 공칭 10.23㎒ 값 이상이거나, 이하인, 자신 고유의 주파수 오프셋 값을 내포한다. 비콘에서 이용가능한 주파수 기준(frequency reference)의 정밀도에 의해, 오프셋 크기가 통제된다. 예를 들어, 2PPM의 정확도를 갖는 기준 오실레이터를 이용하면, 10.23㎒에서 주파수는 +/-20㎐ 내이도록 기대된다. 이웃하는 비콘 채널이 반대 부호의 유사한 크기만큼 오차를 가질 수 있는 경우, 각각의 비콘에 대하여 추가적인 가드 대역(guard band)이 요구된다. 예를 들어, 이웃 비콘 채널이 반대 대수 센스로 이동할 수 있는 경우, 적합한 분리대로 50㎐의 채널 공간이 고려될 수 있으며, 그 후, 비콘은 단지 10㎐ 에 의해 분리될 것이다. 값(50㎐ x N)에 의해 주파수 오프셋 패턴이 설정된다(이때, N은 홀수).

높은 정확성과 견고함을 위한 본 발명의 대안적 실시예에서, 본원에서 설명되는 스펙트럼 압축 방법과 연계되어 전통적인 교차-상관 신호 처리 체계가 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 스펙트럼 압축은, 탐색 없는 상관 채널의 빠른 상관 고정(correlation lock)을 가능하게 하기 위해 요구되는 물리적 상태 정보를 추출하기 위한 수단을 제공한다. 매우 긴 코드 시퀀스의 사용 및 시간 영역에서의 동일한 시퀀스 오프셋의 재사용이 주어지면, 본 발명에서 설명되는 스펙트럼 압축 방법이 복잡한 탐색 기법을 구현하기 위한 필요성을 최소화한다. 교차-상관 능력을 도입함으로써, 특히, 정밀 채널 상에서 도입함으로써, 본 발명은 개선된 신호 대 노이즈 비를 이용하며, 반송파 위상 및 주파수 데이터로의 액세스를 이용한다. 이러한 것은 특정 적용예에서(가령, 정밀한 비행체 착륙 시스템), 바람직한 능력일 수 있다. 그러나 상관 추적(correlation tracking) 능력의 도입에 의해, 수신기 센서의 비용은 상당히 증가되고, 단지 스펙트럼 압축만을 이용하는 구현예에 비교할 때, 그 용도가 제한될 수 있다.

항법 데이터 프로세싱( navigation data processing )

수신 소자의 위상 코히런스를 성취하기 위해 높은 정밀 시간 및 주파수 시스템을 피하는 것이 본 발명에 의해, 동일한 관련 구간 동안, 모든 SCT가 모든 비콘을 관측하게 함으로써 이뤄진다. 이 실시예에서, FFT 시간 급수(time series)가 각 각의 수신된 비콘 신호에 대하여 하나의 스펙트럼 선을 생성한다.

알려진 기준 SCT로부터 관측치를 차동화(differencing)함으로써, 이러한 단일 차동화된 데이터 처리에서, 기준 SCT에 대한 SCT의 위상의 단일 오프셋 및 위상 레이트(주파수 오프셋)에 대하여, 모든 비콘의 특정 위상 및 주파수 오프셋이 커먼-모드 상쇄(common-mode cancel)된다. 하나의 예에서, 기준 및 원격 SCT 둘레에서 기하학적으로 잘 분산된 4개 이상의 비콘을 이용하여, 기준 SCT의 물리적 상태에 대한 물리적 상태를 결정하는 것이 가능하다.

대안적 실시예에서, 기준 네트워크 프로세서, 또는 하나 이상의 기준 SCT에 대한 각각의 비콘의 물리적 상태 추정치를 이용하여 중앙 기준 사이트(central reference site)에서 연감 및 정정 정보를 형성하고, 그 후, 물리적 상태 추정 동안 SCT로부터 주어진 관측치에 이전에 연산된 연감 및 정정 정보를 적용함으로써, 앞서 설명된 접근법에서 얻어진 것에 상응하는 결과가 얻어질 수 있다. 연감 및 정정 데이터에 대한 적용 시간(time of applicability)이, 연감의 시간과 제 2 SCT의 관측치가 수집되는 에포크(epoch) 간의 차이보다 클 때, 이러한 접근법이 선호된다. 상기 적용 시간(time of applicability)은 RST와 기준 SCT 오실레이터의 안정성과, 시스템 설정과, 요구되는 시스템 성능의 함수이다. 분산 구조(distributed architecture) 접근법을 이용하여, 항법 프로세서에 의한 물리적 상태 추정이 SCT 내에서, 또는 RST 비콘 내에서, 또는 그 밖의 다른 임의의 알려진 위치(가령, 제어 프로세서)에서 발생할 수 있다.

도 6은 SCT에 의해 생성되는 관측치를 처리하며, 물리적 상태 추정치를 생성 하는 항법 프로세서의 실시예를 도시한다. 이 실시예의 방법은 하나의 에포크로부터의 솔루션이 다음 에포크로 피드(feed)되는 제어 피드백 루프(control feedback loop)를 포함한다. 선험적(a priori) 상태 정보(611)가 사용되어, SCT 상태 벡터(601)를 초기화할 수 있으며, 이로 인해, SCT에 대한 물리적 상태 매개변수의 가장 바람직한 추정이 제공될 수 있다. 또한 SCT 상태 벡터(601)는, 시간에 따라 변하는 상태 매개변수(가령, 시간 및 주파수 편중 레이트)에 대한 정보를 내포하는 SCT 동적 모델(dynamic model, 602)에 의해 초기화되고, 안정화 칼만 필터(605)에 의해 계산된 바와 같이 이전 에포크로부터의 출력 추정된 상태(output estimated state, 606)에 의해 초기화되는 것이 바람직하다. 업데이트된 상태 벡터(601)는 물리적 상태 추정치(118)로서 보고되고, 상기 업데이트된 상태 벡터(601)는 사용되어 SCT 동적 모델(602) 및 RST 관측 모델(604)을 초기화할 수 있다. RST 관측 모델(604)은 칼만 필터에서 필요로 하는 상태 천이 항목(state transition term)을 생성하며, 또한 나머지(residual, 610), 즉, 관측 값과 칼만 필터(605)에서 필터링된 계산 값 사이의 차이를 생성한다. 상기 RST 관측 모델(604)은, SCT 관측치(110)가 기준 SCT 관측치(111)로 차동화되는 차동 감지(differential sense)로 데이터가 처리되는가의 여부, 또는 SCT 관측치(110)를 기준 네트워크에 의해 결정된 정정 인자(112)와 조합함으로써, SCT 관측치(110)가 정정되는가의 여부를 제어한다. SCT가 차단되지 않는 스카이 뷰를 갖기 때문에, GNSS 데이터가 이용가능할 경우, 이러한 처리는 칼만 필터(605)에서 하이브리드(hybrid) 접근법으로 진행되며, 이때, 등가의 GNSS 관측 모델(603)에서 나머지(610)가 계산된다. 이 예에서, SCT 관측치(110) 는 RST 데이터와 GNSS 위성 데이터 모두를 포함하며, SCT 관측치는 GNSS 관측 모델(603)에서 사용된다.

기준 네트워크( Reference Network )

도 7은 다른 SCT에 대한 뒤 이은 물리적 상태 추정에 있어서, 시스템에서 사용되기 위해, 업데이트 기준 포인트(가령, 비콘, 또는 GNSS 위성)의 연감 및 정정 데이터를 생성하는 기준 네트워크의 실시예를 도시한다. 기준 네트워크 프로세스로의 입력은 시스템의 상태에 대한 가장 바람직한 개념인 선험적(a priori) 시스템 설정 정보(705)이다. 물리적 상태 요소를 전파(propagate)하기 위해, 실제 SCT 관측치(113) 및 연감 데이터(112)가 사용된다. 이들이 모두 사용되어, 구역 프로세싱 필터(zone processing filter, 700)가 초기화되는 것이 바람직하다. 상기 구역 프로세싱 필터(700)는 비콘의 위치를 포함한 물리적 상태를 결정하고, 주어진 구역(zone) 내에서의 비콘의 전체 네트워크에 대한 연감 및 데이터 정정(114) 데이터를 발생시킨다. 시스템의 효과적인 교정 및 관리를 최대화하도록 요구됨에 따라, 구역은 몇 개의 RST 그룹과 기준 SCT가 서로에 대한 인접부 내에 위치하도록 형성될 수 있다. 구역 기반의 구성 및 관리는 기준 네트워크 프로세싱에서의 구성 유연성을 증대시키고, 프로세싱 오버헤드를 감소시킨다. 구역 프로세싱 필터(700) 내에서, 단일 항법 프로세서(105), 또는 다수의 항법 프로세서가 모든 SCT에 대하여 물리적 상태 추정치 업데이트를 생성한다. 다수의 프로세서는 연합된 필터링 센스로 조합될 수 있으며, 상기 연합된 필터링 센스에서, 다수의 항법 프로세서(105)가 교 차하는 데이터 세트를 갖는 데이터 세트를 동시에 처리한다. 이러한 다수의 추정치는 필터 조합기(filter combiner, 702)에 의해 조합되어, 복합적 추정치를 생성한다. 필터 조합기(702) 자체는 칼만, 또는 그 밖의 다른 상태 추정 필터이거나, 통계적 조합 프로세스를 기반으로 할 수 있다. 또한 모든 기준 포인트에 대한 물리적 상태를 결정하고, 이들을 업데이트된 상태(706)로 보고함으로써, 기준 네트워크 프로세서가 네트워크를 교정하는 기능을 수행할 수 있다. 연감 정정 포맷터(almanac correction formatter, 703)에 의해, 교정 정정 항목(calibration correction term)이 포맷팅되어, 데이터베이스에 저장되고, 시스템의 그 밖의 다른 곳에서 사용될 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 하나의 실시예에서, RST 비콘의 동작 모드를 선택적으로 변경시킴으로써, 구역(zone)의 교정이 이뤄질 수 있다. 먼저 RST 비콘이 레인징 신호(ranging signal)를 송신하지만, 때때로 통합된 기준 SCT를 이용하여 신호를 수신할 수 있도록 송신을 종료할 수 있다. 수신기로서 동작할 때, RST 비콘은 구역의 다른 송신 비콘에 대하여 귀 기울인다. 각각의 구역 내에서, 기준 네트워크 필터에 의해 생성된 추정치에 강도를 추가하기 위해 추가적인 관측치를 발생시키기 위해, 다수의 비콘이 성좌 내의 다른 비콘에 귀 기울인다. 상기 기준 네트워크 필터는 이들 데이터를 처리하여, 각각의 비콘에 대하여 현재 연감 상태 구성을 업데이트할 수 있다. 비콘 동작 모드(송신, 또는 수신)를 관리하기 위한 몇 가지 방법이 가능하며, 전체 시스템 성능과 교정 정확도의 균형을 조절해야 한다. 바람직한 실시예에서, 성능이나 요구되는 정확도에 바람직하지 못한 영향을 미치지 않으면서, 시스템을 교정하고, 동시에 동작시키는 것이 가능하도록, 충분한 비콘이 배치될 것이다. 시스템이 처음 배치될 때, 그리고 새로운 구역이 추가될 때, 최초 교정의 유지되는 주기가 요구될 수 있다. 이러한 경우, 다수의 독립적인 측정이 이뤄져서, 시스템 오류가 감소될 수 있도록 교정 패턴이 사용될 수 있다. 교정되면, 오실레이터 상태 계수를 업데이트하고, 비콘의 배치를 확인하기 위해, 온 더 플라이(on-the-fly) 기법을 이용하여 시스템은 모니터링되고 지속적으로 교정된다. 모니터링은 또한, 시스템의 건강 및 정확도를 결정하기 위해 유용한 데이터를 제공한다.

물리적 상태 처리 방법( Physical State Processing Method )

도 8은 연감 및 정정 정보의 선험적 세트와 기준 SCT로부터의 관측치가 주어지면, SCT에 대한 물리적 상태를 결정하기 위한 2가지 방법을 도시한다. 도 8A에서, 기준 SCT(805)로부터의 관측치가 사용되어, 기준 SCT(805)에 대한 연감에 의해 정의된 바와 같은 실제 상태이도록 추정된 물리적 상태를 정정하기 위해 적용될 때 실시간 정정(807)을 계산할 수 있다. 정정 벡터(correction vector)가 사용되어, 각각의 RST(801, 802, 803)에 대한 물리적 상태 정정(physical state correction)을 계산하며, 그 후, 상기 물리적 상태 정정은 사용되어, SCT-B(804)에 대한 물리적 상태 추정 프로세스를 정정할 수 있다. 차이 추정(differential estimation)을 이용하는 대안적인, 그러나 상응하는 형태가 도 8B에 도시되어 있다. 기준 SCT(820)에 의해 생성되는 관측치는 SCT-B(821)에 의해 생성되는 관측치와 차이가 있으며, 이는 상대적 물리적 상태(822)를 계산하기 위해 사용된다. SCT(820)에 대 한 기준 물리적 상태 상대적 물리적 상태를 더함으로써, SCTB(821)에 대한 물리적 상태가 생성될 수 있다.

모델링되지 않는 오류는 무시할 만한 시스템에 있어서, 2가지 방법은 본질적으로 동등하다. 그러나 모델링되지 않는 오류가 상당할 때, 각각의 RST를 위한 오류 기여분(error contribution)의 공통 모드 소거(common mode rejection)로 인해 도 8B의 차이 방법이 더 정밀한 경향이 있다. 도 8A의 자율적인 방법은 덜 정확할 수 있지만, 더 나은 확장성이라는 이점을 가질 수 있다. 기준 SCT에 대한 관측치는 각각의 물리적 상태 추정에 의해 처리될 필요가 없다. 오히려, 상기 관측치는 한번 계산되어, 적용 시간(time of applicability) 내에서는 다음 번 프로세싱으로 쉽게 적용되는 정정으로 포맷팅될 수 있다.

배치 구성( Deployment Configuration )

도 9는 비-동평면(non-coplanar)으로 위치하는 RST로부터의 방사(emission)를 가로챔으로써, SCT 유닛의 위치가 파악되는 3차원 위치 확인의 예를 도시한다. 이 실시예에서, 기준 SCT(904)는 동일한 수평 평면에 위치하는 RST(901, 902 및 905)로부터의 방사를 가로챈다. 덧붙이자면, SCT(904)에 의해, 기준 SCT(904)의 아래 평면에 위치하는 RST(906)로부터의 방사가 인터셉트된다. 덧붙이자면, 제 2SCT(903)은 4개의 RST(901, 902, 905 및 906)로부터의 방사를 가로챈다. 비콘이 반드시 SCT 센서와 동일한 평면에 위치해야 하는 것은 아니라는 사실로 인해서, SCT 유닛(903 및 904)의 수직 및 수평 위치 확인이 가능해지고, 이로 인해서, 바람 직한 지오메트리가 제공될 때 3차원 위치 확인이 가능해진다.

도 10은 차단된(obstructed) GNSS 환경, 반-차단된(semi-obstructed) GNSS 환경 및 프린지 커버리지(fringe coverage)를 갖는 비-차단된(unobstructed) GNSS 환경이라는 3가지 동작 환경을 포함하는 GNSS 차단 케이스 및 비-차단 케이스 모두에서, 물리적 상태 추정치를 제공하기 위해, 국소적으로 배치된 RST와 GNSS 위성을 함께 이용하는 본 발명의 한 가지 가능한 배치 시나리오를 도시한다. 도 10은 GNSS를 이용하는 야외 광역(wide-area) 솔루션으로부터, GNSS 위성 신호가 완전히 차단되는 토털 국소 영역(local area) 시스템으로의 매끄러운 이동(seamless transition) 솔루션을 도시한다. 본원의 목적을 위해, 2-D 도시로 단순화시켰지만, 본 발명의 실시예의 구현의 이러한 도시는 3-D 배치로 동등하게 적용될 수 있다. 물리적 상태는 2개의 위치 상태 매개변수, 즉, 수평 이동(horizontal displacement)과 수직 이동(vertical displacement)을 내포한다.

SCT-A(1007)은 앞서 언급된 방식으로, RST(1005, 1006 및 1008)로부터의 가로챈 방사를 이용하여 물리적 상태 추정치를 추출하는 차단된 환경에서 동작한다. GNSS 위성 신호(1002)는 구조물(1013)에 의해 흡수되거나 반사되어, SCT(1007)에서의 신호 레벨은 유용한 관측치를 제공하기엔 너무 약할 수 있다. 항법 프로세서에 의한 다음번 사용을 위해 데이터베이스에 저장되는 성좌 및 관측치 정정을 수집하기 위한 목적으로, GNSS 기준 수신기(1003)가 구조(1013) 상에 배치된다.

도 10에서의 다음 상황은 SCT(1009)가 GNSS와 RST로부터 신호를 수신하는 반-차단된 GNSS 환경이다. 이 예에서, 물리적 상태 추정치를 추출하기 위해 충분하지 않은 위성(단지 2개)이 가시적(visible)이며, 구조물(1013)에 의해 위성(1001)의 레인징 신호는 차단된다. 본 발명을 이용하여, SCT(1009)가 위치 확인을 위한 RST(1006, 1008 및 1010)로부터의 방사와, 2개의 가시적 GNSS 위성으로부터의 방사를 가로챈다. 이는 물리적 상태 추정치의 정확도와 정밀도를 상당히 개선시킨다. GNSS 기준 수신기(1003)에 의해 수집되는 위성 성좌 정보(satellite constellation information)는 GNSS 관측치를 이용하여 물리적 상태를 추정하기 위해 사용되는 위성 궤도 정보를 제공한다. 따라서 본 발명의 이 실시예는 반-차단된 환경에서의 GNSS 커버리지의 증개와 관련된 이점을 제공한다.

도 10의 비-차단된 GNSS 환경은 SCT(1011)에 의해 표현된다. 이 예에서, GNSS는 물리적 상태를 추정하기 위한 적합한 커버리지(여기서는 3개의 위성에 의해 표현. 그러나 추가적인 위성이 제고될 수 있다)를 제공한다. 단지 하나의 RST(1010)만 가시적이며, 이는 스스로 유용한 물리적 상태 추정치를 생산하기에는 충분치 않다. SCT(1011)는 GNSS 및 RST로부터 관측 데이터를 수집하며, 무선 네트워크(도면상 도시되지 않음)를 이용하여 관측치를 물리적 상태 추정치로 처리할 수 있다.

본 발명의 대안적 적용예

이 섹션에서, 시스템의 특정 적용예가 제공되어 상기 기술의 많은 기대되는 용도 중 일부가 설명될 수 있다. 이들 적용예는 모두 본 발명의 바람직한 실시예를 이용하여 가능하다.

통합형 바코드 스캐닝 적용예( Integrated Bar Code Scanning Application )

본 발명의 대안적 실시예가 바코드 스태너와 SCT 통신 유닛의 통합을 제공한다. 대상과 연계되는 바코드가 스캐닝될 때, 시간과 위치는 상기 대상이 관측된 마지막으로 알려진 위치 및 시간의 기록(record)으로서 유지된다. 재고 및 창고 병참업무에 있어서, 본 발명의 이 적용예에 의해, 대상에 고유의 SCT 통신 유닛을 태깅(tagging)하는 실질적인 비용 없이 품목의 3-D 실내 추적이 가능해진다. 위치가 태깅된 바코드 스캔은, 추적된 자산의 크기 및/또는 비용이 추가적인 비용을 정당화하지 않는 완전한 RFID 추적 및 위치 확인 시스템을 구현하는 것에 대한 대안적 접근법을 제공한다.

통합형 패시브 RFID 태그 판독기 적용예( Integrated Passive RFID Tag Reader Application )

본 발명의 대안적 실시예가 패시브 RFID 태그 판독기(passive RFID tag reader)와 SCT의 통합을 제공한다. RFID 태그 판독기가 패시브 RFID 태그를 검출할 때, 이러한 검출의 시점에서의 판독기의 위치가 스캐닝되는 RFID 데이터 스트림과 연계되어, RFID 태그의 대략적인 위치가 제공될 수 있다. 덧붙이자면, 측정된 태그 데이터의 상대적 파워에 대한 정보를 태그 판독기의 위치 및 자세(attitude)와 조합함으로써, RFID 태그 위치의 추가적으로 정제된 추정치가 결정될 수 있다.

실내/야외 병참업무 적용예( Indoor / Outdoor Logistics Application )

본 발명의 대안적 실시예는 통합 수송(intermodal transport), 엔지니어링 및 건설에서 병참업무에서의 이점을 제공한다. 이러한 적용예는 차단된 환경으로, 또는 상기 차단된 환경 밖으로 이동하는 자산의 실시간 추적 및 관리를 이용한다. 예를 들어, 본 발명과 통합되는 Zigbee, 또는 GNSS 솔루션이 국소 영역을 통과하는 자산의 3차원 위치 파악 및 통신에서 기술의 광범위한 사용을 가능하게 한다.

본 발명은 또한 이러한 적용예에 의해 제공되는 자기-설정(self-configuration) 및 교정에 대한 내재적인 능력에 적합하다. 셀 폰보다 크지 않는 SCT 통신 유닛이 사용되어, 다수의 포인트를 빠르게 조사할 수 있으며, 이는 경위 기법(theodolite technology), 또는 GNSS 홀로 사용되는 것보다 더 빠르다. 덧붙이자면, 레이저 레벨(laser level)과 유사한 방식으로 동작하여, SCT 통신 유닛이 임의의 요망 기준 포인트에 대하여 센티미터 이하까지의 임의의 구조적 구성요소의 수평 및 수직 정렬을 결정할 수 있다.

사이트(site) 병참업무에 있어서, 유사한 셀-폰 크기의 장치(음성 지원 가능)가, GNSS 기반의 솔루션이 실현될 수 없거나 완전히 이용가능하지 않는 사이트에서, 사람과 자산의 실시간 추적을 제공할 수 있다. 통합형 원격 측정(integrated telemetry)을 이용하여, 시스템은 사이트의 활동을 조정하고 모니터링하기 위한 강력한 도구가 된다. 메쉬 네트워크에 대한 지원을 이용하여, 광역 무선 솔루션(가령, GSM/GPS 솔루션)의 추가되는 비용 없이, 임의의 형태 및 크기의 사이트가 중앙에서 쉽게 복구되고 관리될 수 있다.

의료 적용예 ( Healthcare application )

본 발명의 대안적 실시예는 의료 진료 시설에서 쉽게 적용될 수 있다. 예를 들어, Zigbee, 또는 WiFi와 통합되는 SCT 통신 유닛이 환자와 자산의 실시간 모니터링을 제공할 수 있다. 감독 및 환자 서비스 스태프는 병원 시설 내에서 의사, 간호사, 환자 및 이동 장치의 위치를 파악할 능력을 필요로 한다. 심한 정신적 질병을 갖는 환자가 가상 지역 공간(geo-fence)의 외부로 이동할 경우, 심각한 문제를 초래하며, 이러한 상황에는 환자의 추가적인 이동을 제한하기 위한 경보(alarm)가 활성화되고, 스태프에 의한 복귀를 위해 환자의 위치가 제공될 수 있다. 환자, 또는 환자수송용 들것의 위치가 또한 쉽게 파악될 수 있다. 이는 환자, 또는 들것이 할당된 영역의 외부에서 상당한 시간을 보낸 경우, 가령, 응급 관리 동안, 또는 환자가 병원 침대 수용력을 초과하는 상황에서, 결정적으로 중요하다. 덧붙이자면, GNSS 신호로부터의 지원을 이용하여, 환자가 허가 없이, 의료 진료 시설의 경계를 떠날 때, SCT 통신 유닛이 관리자에게 통지할 수 있다. 이는 알츠하이머 환자 추적에 특히 유용하다.

대안적으로, 의료 진료 적용예에 대한 또 다른 실시예는, ad-hoc 샘플링을 통해 패시브 태그(passive tag)의 대략적 위치가 결정될 수 있도록, 선택된 스태프 구성원에게 SCT가 장착된 휴대용 RFID 판독기를 갖추게 하는 것일 것이다. 이 실시예에서, 스태프 구성원은 보통의 활동을 수행할 것이며, 여기서 SCT가 장착된 판독기가 패시브 RFID 태그에 대하여 규칙적으로 투표(poll)할 것이며, 임의의 수신된 응답은 본 발명에 의해 계산되는 현재 시간과 장소로 태깅될 것이다.

위치기반 거래 적용예( Location Commerce Application )

GNSS와 국소 영역 RST 신호 모두를 동시에 처리하기 위한 조합된 기능을 이용하여, 본 발명은 차단된 영역과 GNSS가 통상적인 서비스를 제공하는 곳(가령 야외) 모두에서 높은 정밀도의 위치기반 거래(location commerce) 적용예를 가능하게 한다. 본 발명의 대안적 실시예는, 대형 지리적 구역뿐 아니라 국소 영역(가령, 쇼핑몰) 모두에서 위치가 결정될 수 있도록, 소비자 통신 장치뿐 아니라, 셀 폰 및 그 밖의 다른 모바일 장치에 SCT 기능을 장착하는 것이다. 이러한 SCT가 장착된 통신 장치가 사용되어, 위치를 식별하여, 위치 특정 콘텐츠가 개인의 정밀한 위치로 전달되는 것을 개별적으로 가능하게 한다. 최소의 비용으로, 본 발명은, 정확성과 GNSS 홀로 기능할 수 없는 곳의 위치 확인 정보를 제공하면서, 광역 위치 확인과 국소 영역 위치 확인을 동시에 수행할 수 있다. GNSS/네트워크에 의해 보조되는 위치 서비스를 이용하는 현재의 위치기반 거래 적용예와 달리, 본 발명의 이 대안적 실시예는 실내 및 야외에서 미터 수준의 정확도를 갖고 개인의 위치가 정확히 나타날 수 있다. 덧붙이자면, 본 발명은 국소 영역 위치확인에서 광역 GNSS 위치확인으로 매끄럽게 이동할 수 있다. 예를 들어, 위치 확인의 목적으로 RST 비콘 유닛의 어레이가 배치된 상점이 주어지면, 매우 근접한 곳의 제화와 서비스의 선택에 관련된 정보가 SCT가 장착된 셀-폰을 갖는 개인에게 전달될 수 있다. 이러한 정보는 광고, 제품 정보, 쿠폰, 구매 통계치 및 순위를 포함할 수 있다. 덧붙이자면, 이 실 시예에서, 이미 통신 네트워크에 의해 지원되는 장치가 위치 관련 콘텐츠를 수송하기 위해 사용될 수 있다.

응급 서비스 적용예( Emergency Service Application )

남아 있는 어떠한 지역 통신 네트워크도 존재하지 않는 후-카타리나 뉴올리언즈와 같은 상황에서, 통합된 통신 인프라구조를 갖는 본 발명은 원격측정 네트워크(telemetry network)와 현장 응급 처치자, 차량, 공급품 및 그 밖의 다른 중요 이동 자산의 정확한 추적을 제공한다. 이 실시예에서, SCT 통신 유닛은 Zigbee 및 P25 VHF와 통합되어, 견고한(robust) 국소 영역 및 광역 위치 파악 및 통신 관리 솔루션을 형성할 수 있다. 이 실시예에 의해, 구조 요원이 탐색 및 복구 동안 빌딩에 들어감에 따라 구조 요원의 실시간 모니터링이 가능해지고, 야외에서의 (GNSS를 통한) 지역적 모니터링(regional monitoring)을 제공할 수 있다. 응급 상황을 나타낼 수 있는, 응급 처치자의 움직임의 부족의 경우, 경보가 트리거링될 수 있다.

공중 탐색 및 구조( SAR ) 적용예( Aerial Search and Rescue )

탐색과 구조 작업을 위해 본 발명의 대안적 실시예가 사용될 수 있다. 하나의 예에서, 공중 환경에서 2개의 SCT 통신 유닛(2개의 자유 비행체(free flyer), 또는 하나의 자유 비행체 및 이에 예인(towing)되는 패키지)이 배치될 수 있다. 각각의 SCT 통신 유닛은 RST 레인징 신호와 동시에 GNSS 신호를 처리하도록 구성된다. 비콘 유닛은 위치가 파악될 조난자와 함께 배치된다. 상기 비콘 유닛은 RST 범이 신호를 송신하며, 상기 RST 레인징 신호는 머리 위로(overhead) 수신될 수 있다. 특정 상황에서, 조난자는 숲이 우거진 환경 속에 있거나, 눈 속에 매장되어 있거나, GNSS 센서의 표준적인 사용이 방해되는 일부 차단된 환경 속에 있을 수 있다.

지상 부분(GS: ground segment)은 이들 공중 플랫폼의 한 쌍의 UAV 제어기와 공중 작업을 제어하고 상기 UAV로부터 SCT 관측치를 불러오는 Zigbee 양방향 통신 서브시스템으로 구성된다. 또한 지상 부분은 GNSS 궤도 및 시간의 획득을 가능하게 하는 종래의 GNSS 수신기를 갖는다. 지상 프로세서가 Zigbee 다운링크를 수신하고, 동적 SCT간 통신 유닛 기선 벡터 분리, 비콘 델타 위상을 결정하고, 교차 쌍곡면을 추출하는데, 상기 교차 쌍곡면은 (즉, 산사태나 붕괴된 빌딩에 의해) 매몰된 조난자와 관련된 비콘의 지상 위치를 제공한다.

이들 UAV는 상황에 따라서 소모품으로서 간주될 수 있는 매우 작은 타입의 모델 항공기일 수 있다. 관심 영역을 비행하는 최소 2개의 USV는, 일반 관심 영역 위를 비행하는 수 분 후에, 수 미터의 정확도를 갖고 비콘을 찾을 수 있기에 충분하다. SAR 팀이 공중 부분(airborne segment)에 의해 나타내어지는 일반 영역에 도착할 때, 본 발명에서 기술되는 것과 같은 핸드-헬드형 SCT 타입의 수신기는, 실제 구조 작업을 실행하고 발효하기 위한 미터 수준으로 정확한 교시를 제공할 총 파워 검출 모드(total power detection mode)로 동작될 수 있다.

도 11은 탐색과 구조 작업을 위해 본 발명이 이용되는 대안적 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, RST 신호 방사기(RST signal emitter, 1104)는, 탐색, 또는 구조가 필요한 경우 추적되고 위치가 확인될 자산, 또는 사람으로 대체된다. RST 비콘은 무인 항공기, 또는 그 밖의 다른 비행 플랫폼 상에 위치되는 SCT 유닛(1102 및 1103)에 의해 인터셉트되는 레인징 신호(1101)를 생성한다. 앞서 설명된 기법을 이용하여, 비행 플랫폼(1102 및 1103)과 위치가 파악될 자산(1104) 사이에서 거리 측정치(1106 및 1107)가 결정된다. 또한 UAV(1102 및 1103)는 GNSS 위성 성좌(1101)로부터 데이터를 동시에 수신하며, 상기 데이터들은 RST 레인징 신호(1101)를 가로챈 시점에서의 자체적 위치를 결정하기 위해 사용될 수 있다. SCT를 관측하는 위치와 조합되는 각각의 거리 측정치는, 방사체의 가능한 위치에 대한 쌍곡선 호를 생성한다. 예를 들어, UAV(1102)가 GNSS 데이터(1101)로부터 알려지고, UAV(1102)와 방사체(1104) 간의 거리(1106)가 결정되는 경우, 위치의 쌍곡선 호(1108) 상에 방사체가 위치하는 것이 가능하다. 이러한 두 번째 호(1109)와의 동시적인 관측이 사용되어, 이들 호(1108 및 1109)의 2개의 교차점 중 하나 상에 존재하는 방사체(1104)의 위치를 결정할 수 있다. 탐색 및 구조 작업 중에, 이들 2개의 교차점 중 하나는 평면에서 벗어난 것으로서 폐기될 수 있고, 자산의 위치가 확인된다.

해양 기지 유지 및 박근 상태 항법( Maritime station keeping and close - quarters navigation )

본 발명의 대안적 실시예가 바다에서 갑문을 통과하는 동안의 터그 앤 바지 예인 작업(tug and barge towing operation)을 포함한다. 상기 비콘은 갑문 입구에서, 그리고 바지(barge) 상의 다수의 포인트에서의 터그(tug) 상의 위상에 의해 안 정화되는 GNSS 센서를 가능하게 한다.

터그(tug)는 바지의 GNSS 센서를 위상-고정(phase-lock)하기 위한 비콘 기준 신호(아마도 2.4㎓ ISM 대역)를 제공할 것이다. 또한 상기 터그는 갑문으로부터 주요 기준 신호가 이용가능할 때, 수신하기 위한 915㎒ ISM 대역 수신기를 갖는다. 또한 상기 갑문은, 필요에 따라 터그와 그 밖의 다른 선박으로 브로드캐스팅되는 갑문 기준 소스(lock reference source)에 의해 구동되는 GNSS 수신기를 갖는다. 또한 육상 기준 오실레이터를 이용하여, 동일한 GNSS 센서 데이터가 획득된다. 915㎒의 갑문 기준 신호가 사용되어 터그의 GNSS 센서를 위상-고정하고, 그 후, 바지 상의 다수의 GNSS 센서를 위상-고정하는 2.4㎒에서의 터그 기준 비콘이 사용될 것이다. 터그가 915㎒의 육상 고정 기준 신호의 범위에 벗어난 경우, 터그 내부 기준은 바지 상의 GNSS 센서의 위상-고정된 어레이로의 소스이다. 육상, 바지 및 터그로부터의 모든 GNSS 센서 데이터가 터그에서 수집되고 처리된다. 이러한 위상 코히런트한 어레이는, WGS 84의 ECEF(Earth-centered Earth-Fixed) 좌표 시스템에서 30㎝ 보다 바람직한 정확도를 갖고 실시간으로 처리된다. 터그 상에서의 위치 및 속도의 상황 인식 정보가 터그의 브리지 컨트롤(bridge control)에서 이용가능할 수 있다. 낮은 비용의 구조에 의해, 다른 수단에 의해 얻어질 수 없는 적합한 시스템의 형성이 가능해진다.

궤도상 작업 - 궤도를 도는 자식 위성을 갖는 부모 위성( On - orbit operations - Mother Satellite with Orbiter Daughter Satellite )

본 발명의 대안적 실시예는, GNSS 신호가 이용가능하지 않는 고도에서 또 다른 메인 위성과 함께 궤도를 선회하는 자식 위성의 공간에서의 상대적 위치 확인을 포함한다. 작은 나노 파워 비콘(nano-powered beacon)이 알려진 위치의 부모 위성 상에 위치한다. 이러한 알려진 비콘 위치가 하위-위성(sub-satellite)의 위치를 확인하기 위한 기준 프레임을 형성한다. 이들 비콘 모두는 부모 위성의 내부 시간 및 주파수 기준 소스에 대하여 시간 동기화되며, 위상-코히런트하다. 자식 위성은 부모 위성 주변을 돈다. 관측치는 자식 위성에 도달하는 다양한 비콘 신호로부터의 위성 범위이다. 관측치는 처리되기 위해 부모 위성으로 다시 링크될 것이다. 자식 위성의 3-D 위치를 추정하기 위해, 그리고 자식의 내부 시간 기준 소스를 동기화시키기 위해 4개 이상의 관측치가 요구된다. 자식은 이러한 다수의 비콘을, 비콘과 부모 위성 간의 최대 이격 거리의 약 20배의 거리에서의 포인트 소스로서 관찰하는 경향이 있기 때문에, 부모/자식 간의 이격 거리에 따라서, GDOP 매개변수가 중대한 문제가 될 것이다. 부모 위성에서의 5미터의 최대 비콘 이격 거리에 대하여, 자식 위성에서의 수 밀리미터 범위 측정 정밀도를 갖고, 부모에 대한 자식 위성의 3-D 위치가 추정될 수 있다. 이때, 이들 위성들 간의 100m의 이격 거리에서 약 20㎝의 정밀도를 갖는다.

저비용 3D 토지 조사 시스템( Low - Cost 3D Land Survey System )

저비용의 토지 조사 시스템에 대하여 본 발명의 대안적 실시예가 사용될 수 있다. 중앙 프로세서로 SCT 데이터를 교차 연결하는 모든 GNSS 센서를 위상-고정(phase-lock)하기 위해, 일반적인 비콘이 사용된다. 중앙 프로세서가 위성 궤도와 GNSS 시간을 갖는다. 의사 거리(pseudo range) 및 반송파 위상 데이터 타입이 킬로미터 수준의 작업에 걸쳐 밀리미터 정밀도를 제공한다. 다중 경로 오염으로 인한 시스템적 오류가 이 방법에 대한 오류 소스를 제한하고, 특수 GNSS 안테나에 의해 경감될 수 있다. 국소 영역 구성에서 통상적으로 포함되는 짧은 기선(baseline) 상에서, 대류권(troposphere)과 전리층(ionosphere)으로부터의 대기 오류는 커먼 모드(common-mode) 자기 상쇄 오류일 것이다. 다중-설비 시스템 비용을 현재 이용가능한 설비에 비교할 때 70% 내지 90%만큼 감소시킬 수 있는 조사 시스템 설계가 가능하다.

승선 회전익 항공기를 위한 정밀 이륙/착륙( Precision Takeoff / Landing for Shipboard Rotary Wing Aircraft )

승선 환경에서 동작하는 회전익 항공기(Rotary Wing Aircraft)의 이륙/착륙 동안의 본 발명의 대안적 실시예가 사용될 수 있다. 종래의 GPS 기반의 추적 시스템은 종래의 GPS 수신기가 50bps 항법 데이터 스트림을 디코딩할 수 없음으로 인해, 그리고 그 밖의 다른 승선 항법 및 통신 시스템으로부터의 간섭에 대한 가능성으로 인해 이러한 적용예에 대한 상당한 제한을 갖는다. 본 발명의 기술은 선박 슈퍼 구조(ship super structure) 상에 RST 비콘을 배치시키고, 항공기 상에 SCT 수신기를 배치시킴으로써, 이러한 걱정을 경감시킨다. 시스템 및 방법은 동작을 위해 비콘 위치를 결정하기 위한 데이터 스트림의 디코딩을 필요로 하지 않고, 동작의 주파수가 다른 시스템과의 간섭을 최소화시키기 위해 조정될 수 있다. 덧붙이자면, 본 발명의 빠른 업데이트 속도는 선박과 항공기 모두의 관련 역학(dynamic)을 다룬다.

보강된 GNSS 항공기의 정밀한 접근( Augmented GNSS Aircraft Precision Approach )

항공기의 정밀한 접근 및 착륙 작업을 보강하기 위해 본 발명의 대안적 실시예가 사용될 수 있다. 국소 RST 네트워크가 활주로 주변에 배치된다. 항공기에 실린 SCT가 비콘 데이터를 복구시키고, 이 데이터를 이용하여, GNSS, 또는 그 밖의 다른 수단으로부터의 위치 확인을 보강시킬 수 있다. 데이터는 조합된 솔루션으로 처리될 수 있으며, RST 비콘 시스템과 GNSS 시스템 간에 간섭이 전혀 없다. 왜냐하면 RST 주파수가 조정될 수 있기 때문이다. 이 적용예는 땅 기반의 항공기 활주로와, 선박 승선 적용예(예를 들자면, 해군 항공기 운반기에서의 전투 항공기 배치)에 적용될 수 있다. RST 비콘과 SCT 수신기를 이용하여 가능한 높은 업데이트 속도가 이러한 항공기의 극한의 역학을 다룬다.

본 발명의 또 다른 대안적 실시예는 GNSS 신호에 의지하지 않는 항공기의 신속한 배치 및 복구 능력을 제공하는 것이다. 상기 실시예는 공중 작업을 지원하기 위해 이용가능한 GNSS 신호에 의지하지 않고 기능할 것이다. 활주로에서의 기준 SCT가 RST 비콘 교정 데이터를 제공하며, 상기 데이터는 항공기로 상향-링크(up-link)된다. 상기 항공기는 지면 기반의 비콘 및 기준 사이트 교정 데이터를 수용하 고, 활주로를 둘러싸는 몇 개의 비콘으로부터 지면-기반 시스템에 대한 항공기의 위치 및 속도의 추정치를 처리한다. 이 구성에서, 각각의 항공기는 자신의 고유 항법 프로세서를 가지며, 방사 침묵 모드(emission silent mode)로 유지된다.

RST 비콘 위치 교정에 의해, 시스템 수평 위치 확인의 정확도가 약 10㎝로 제한될 것이다. 이들 RST 비콘은 같은 평면 상에 있을 것이기 때문에, 정밀도 저하율(HDOP: horizontal dilution of precision)이 이웃하는 개체에서 바람직할 것이다. 그러나 항공기에 대한 수직(vertical) DOP는 10 내지 20의 인수(factor)의 영역에 있을 것이다. 시스템은 수 센티미터의 높은 정밀도를 갖기 때문에, 항공기가 활주로에 접근함에 따라, 항공기 수직 정밀도 추정치가 넓은 범위의 고도에 걸쳐 1미터 내가 된다. 비콘의 나머지와 다른 평면으로의 하나 이상의 RST 비콘의 배치가 수직 추정치에서의 정밀도를 개선시킬 것이다. 대안적으로, 항공기가 약 5 미터의 고도까지 갈 때, 항공기가 착륙하기 위해 기체를 위로 올리도록 할 검출의 낮은 확률을 갖고 수 센티미터의 고도계측의 정확도를 제공할 음향 모드 SCT를 이용하여 음향 RST가 활성화될 수 있다.

또한 항공기는 자세 결정 능력(attitude determination capability)을 제공하기 위한 3개의 비콘 수신기를 포함할 수 있다. 이들 자세 수신기 안테나는 항공기의 밑면 상에, 아마도, 각각의 날개끝(wingtip)에, 그리고 동체의 후미 단에 위치할 것이다. 항공기 프로세서가 각각의 비콘으로부터의 위상 차이 도달(phase differential arrival)을 계산하고, 지면 비콘에 대한 특정 항공기의 기하학적 형태에 따라 좌우되는 수 도(degree)의 정확도를 갖고 항공기 자세를 결정할 수 있을 것이다.

공항 부지 추적 및 모니터링 시스템( Airport Ground Tracking and Monitoring System )

본 발명의 대안적 실시예는 공항 부지 추적 및 모니터링 시스템에 대하여 사용될 수 있다. 이 적용예에서, 본 발명은 격납고 등의 건물의 내부에서, 그리고 GNSS 항법 홀로는 이용가능하지 않을 차단된 영역(obstructed area)에서, 기능할 것이다. 상당한 시간 주기 동안 폐쇄된 환경에 위치했던 항공기가 격납고를 빠져나올 때, GNSS 수신기가 위치확인을 시작하기에 상당한 양의 시간이 필요할 수 있다. 이 적용예는 이러한 수신기에게 위치와 시간에 대한 보조 데이터를 제공하고, 따라서 활주로 오진입 검출 및 충돌 방지 경보를 보강할 수 있다. 덧붙이자면, 이 적용예에 의해, 중앙화된 모니터링을 가능해지며, 보안 데이터 기반의 추적되는 자산의 전개가 가능해진다.

국소 영역 위치 인증( Local Area Location Authentication )

본 발명의 또 다른 실시예에서, 기준 SCT 관측치와 함께, SCT에 의해 캡처된 관측 데이터를 처리하여, SCT가 SCT의 선험적으로 알려진 위치에 존재하는가의 여부를 결정함으로써, SCT의 위치를 인증하기 위해, RST에 의해 송신되는 신호가 사용될 수 있다. SCT에 의해 수집되고 인증될 관측치는 장소에 고유한 유용한 정보(장소 서명: location signature)를 포함하며, 상기 장소 서명은 기준 SCT를 통해 RST 어레이의 현재 상태 및 상기 장소 서명의 관측된 오류를 관측함으로써 인증될 수 있다. 다수의 RST는 그들의 PRN 칩핑에서 서로에 대하여 동기화되지 않으며, 위상-코히런트하지 않다는 사실에 의해, RST 어레이의 연속적인 교정이 필요하지만, 이는 적이 다양한 코드 위상, 또는 칩핑 율을 미터 이하의 정밀도로 획득하기에 충분히 잘 예측할 수 없다는 보안 속성을 야기한다. 보호될 것으로 추정되는 기준 SCT는 RST 어레이에서 실제로 발생되는 일을 감지하고 보고할 것이다. 이는 매우 유용한 속성인데, 왜냐하면, 이러한 예측 불가능한 특징에 의해, 본 발명의 방식이 GNSS 차단 환경에서 위치 인증을 구현할 수 있기 때문이다. 덧붙이자면, GNSS 신호를 처리할 수 있는 본 발명의 능력을 이용하여, GNSS에 의해 추출된 위치 서명 데이터까지도 제공될 수 있다.

설계 고려사항( DESIGN CONSIDERATIONS )

바람직한 실시예의 변형예에서, 비콘 신호의 송신 전력 레벨의 분석, 배터리 소모, 식별 및 차별화, 그리고 그 밖의 다른 특성이 수행되었다. 이들은 다음의 섹션에서 더 상세해지며, 본 발명의 다양하고 대안적인 실시예의 구현을 제공한다.

RST 비콘 / SCT 수신기 설계 고려사항( RST Beacon / SCT Receiver Design Considerations )

3dB 노이즈 지수(noise figure)의 저 노이즈 증폭기를 가정할 때, 성김 채 널(coarse channel) 수신기의 자체 노이즈는, KTB 노이즈 파워 = (1.38 x 10^-23W/㎐-K)(300 Kelvin)(2 x 10⁶㎐) = 8.2 x 10^-15 = -140dBW = -110dBm 이다.

3㎞의 거리에서 0.1 마이크로-와트(1 x 10^-7 W)의 비콘 파워를 고려한다.

거리 D에서의 비콘 플럭스(Beacon flux)는, P_rec = P_xmtr/(4 pi D²), P_rec = (1 x 10^-7W)/4 pi (3000)² = 9 x 10^-16W = -150dBW = -120dBm.

비콘 신호 파워 = -120dBm. 후(post)-LNA SNR = -120 - (-110) = -10dB.

딜레이 및 멀티플(D&M) 프로세서가 신호&노이즈를 제곱하여, SNR D&M = -20dB.

1.023㎒ 칩핑 주파수를 갖는 비콘과, 1초 타임 시리즈(time series)를 갖는 SCT FFT 프로세서가 1.0㎐ 빈 폭(bin width)과 유효 프로세스 이득 Gp = 2㎒/1㎐ = 63dB을 갖는다고 가정한다.

전체 시스템 파워 SNR = 63dB - 20dB = 43dB, 또는 22dBV이고, 진폭 SNR = 140:1이다.

FFT 위상 노이즈 추정치는 전압 SNR의 역(reciprocal)이며, 따라서 위상 노이즈 = 7 x 10^-3 라디안 = 0.4도 = 1밀리-사이클(milli-cycle).

1.023㎒의 PRN 칩핑 율의 293m의 파장을 갖는 비콘. 1밀리-사이클의 정밀도가 30㎝의 성김 채널(coarse channel) 위상 레인징 정밀도를 제공할 것이다.

이제, 3dB 노이즈 지수의 저-노이즈 증폭기를 가정할 때, 정밀 채널 수신기의 자체 노이즈는, KTB 노이즈 파워 = (1.38 x 10^-23W/㎐-K)(300 Kelvin)(20 x 10⁶㎐) = 82 x 10-15 = -130dBW = -100dBm.

3㎞의 거리에서 0.1마이크로-와트(1 x 10^-7W) 비콘 파워를 고려한다.

거리 D에서의 비콘 플럭스(Beacon flux)는, P_rec = P_xmtr/(4 pi D²), P_rec = (1 x 10^-7W)/4 pi (3000)² = 9 x 10^-16W = -150dBW = -120dBm.

비콘 신호 파워 = -120dBm. 후(post)-LNA SNR = -120 - (-110) = -20dB.

딜레이 및 멀티플(D&M) 프로세서가 신호&노이즈를 제곱하여, SNR D&M = -40dB.

1.023㎒ 칩핑 주파수를 갖는 비콘과, 1초 타임 시리즈(time series)를 갖는 SCT FFT 프로세서가 1.0㎐ 빈 폭(bin width)과 유효 프로세스 이득 Gp = 20㎒/1㎐ = 73dB을 갖는다고 가정한다.

전체 시스템 파워 SNR = 73dB - 40dB = 33dB, 또는 16.5dBV이고, 진폭 SNR = 50:1이다.

FFT 위상 노이즈 추정치는 전압 SNR의 역(reciprocal)이며, 따라서 위상 노이즈 = 2 x 10^-2 라디안 = 1.2도 = 3.2밀리-사이클(milli-cycle).

10.23㎒의 PRN 칩핑 율의 29.3m의 파장을 갖는 비콘. 3.2밀리-사이클의 정밀도가 9㎝의 정밀 채널(precision channel) 위상 레인징 정밀도를 제공할 것이다.

배터리 파워 요구사항( Battery Power Requirements )

비콘 파워 요구사항은, 전달되는 0.1마이크로-와트의 비콘의 매우 낮은 전력이 아니라, 디지털 회로에 의해 좌우될 것이다. 1.8V 로직을 가정할 때, 상기 비콘은 약 40mW을 필요로 할 것이다. 50시간, 또는 약 2일 내에, 1.5V로의 전압 하강이 이뤄지는 1500㎃-시간 용량의 3.3V의 리튬-망간 배터리를 고려한다. 또한 연속적인 작업을 위해, 전력 소스는 야외 상황일 경우 태양력 충전을 이용하는 배터리일 수 있으며, 또는 배터리 백업(battery backup)을 이용하여 기존의 건물의 전력을 공급받을 수 있다.

비콘 식별( Beacon Identification )

비콘 식별은, 비콘들 사이의 오프셋을 분리하는 5㎐의 배수를 이용하여, 공칭 1.023㎒의 성김 채널(coarse channel) 칩핑 율로부터의 주파수 오프셋에 의해 이뤄질 것이다. 따라서 100개의 비콘에 대하여, 프로세서는 1.023㎒를 중심으로 하는 총 +/- 250㎐의 총 탐색 간격을 가질 것이다. 특정 비콘 칩핑 율이 식별되면, 식별된 태그로 어느 사람, 또는 자산이 할당된 적이 있는가를 결정하기 위해, 프로세서는 레지스트리 데이터 베이스(registry data base)를 참조할 것이다.

마찬가지로, 정밀 채널(precision channel)에 대한 비콘 식별은, 비콘들 사이의 오프셋을 분리하는 50㎐의 배수를 이용하여, 공칭 10.23㎒ 정밀 채널 칩핑 율로부터의 주파수 오프셋에 의해 이뤄질 것이다. 따라서 100개의 비콘에 있어서, 프 로세서는 10.23㎒를 중심으로 하는 +/-2500㎐의 총 탐색 간격을 가질 것이다. 특정 비콘 칩핑 율이 식별되면, 식별된 비콘으로 어느 장소, 또는 어느 사람, 또는 자산이 할당된 적이 있는가를 결정하기 위해, 프로세서는 레지스트리 데이터 베이스(registry data base)를 참조할 것이다.

ISM 대역 구현( ISM Band Implementation )

대안적 실시예에서, 각각의 비콘이 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 신호의 다수의 위상 코히런트한 채널을 송신하는 RF 구현이 설명된다. 예를 들어, 수신기 장치가 500미터 내에서 알려진 선험적 위치인 한정된 환경 내에서의 위치 확인을 성취하기 위해, 1.023㎑의 칩핑 율(파장 3㎞)을 갖는 채널이 존재한다. 스펙트럼 압축 딜레이 및 멀티플라이 작업 및 최종 진폭 신호 대 노이즈 비 20/1을 구현하는 위치 센서를 이용하여, 위상 노이즈는 0.05 라디안, 또는 2.8도, 또는 7.9밀리-사이클, 또는 24미터일 것이다.

20의 SNR과 1.023㎒의 칩핑 율을 갖는 두 번째 채널을 이용할 때, 위상 레인징 정밀도는 2.4미터이다. 20의 SNR과 10.23㎒의 칩핑 율을 갖는 세 번째 채널을 이용할 때, 위상 레인징 정밀도는 24㎝이다. 20의 SNR과 102.3㎒의 칩핑 율을 갖는 네 번째 채널을 이용할 때, 위상 레인징 정밀도는 2㎝이다.

20이라고 추정된 SNR은 매우 적합하며, 100의 유효 SNR은 더 합리적이다. 이러한 더 높은 신호의 경우, 10.23㎒의 칩핑 율 채널이 5㎝의 정밀도를 생산할 것이다. U.S. 규정에 의하면, ISM 대역은,

5725-5875㎒ (150㎒ 중앙 주파수 5800 ㎒)

2400-2500㎒ (100㎒ 중앙 주파수 2450 ㎒)

지역 2에서 902-928㎒ (26㎒ 중앙 주파수 915㎒)

이다.

GNSS과 일관되는 기준 프레임을 유지하기 위해, 비콘의 위치는 WSG 84 좌표 시스템으로 표현될 수 있다. 따라서 마치 GNSS 위성까지 깨끗한 목시선(line of sight)을 갖는 것처럼, 최종 물리적 상태 추정치는 GNSS 프레임으로 위치를 표현할 수 있다.

넓은 영역에서의 위치 확인에 대한 적용예( Application to Positioning in a Large Area )

대안적 실시예에서, 이 적용예는 100m x 100m로 형성되는 영역에 대한 것이다(10,000 제곱 미터, 110,000 제곱 피트). 위치 센서가 비콘으로부터 멀리 떨어질 수 있는 최대 수평 거리는 약 141미터이다. 3㎝의 인터셉트된(intercepted) 위상 측정 정밀도를 갖는 스펙트럼 압축 시스템에 대한 설계를 고려하자. 10.23㎒의 최대 칩핑 율을 가질 때, 29.3m의 파장이 존재한다. 3㎝ 정밀도는 하나의 사이클의 0.1%(0.36도)의 위상 측정 정밀도, 또는 6.3밀리라디안(milliradian)을 필요로 한다. 6밀리라디안 위상 정밀도는 160의 FFT 진폭 SNR, 또는 44dB 신호 파워를 필요로 한다.

본 발명에 대한 원격통신 고려사항( Telecommunications Considerations for the present invention )

대안적 실시예에서, 다양한 테스트 케이스가 설명될 수 있다.

테스트 케이스: ISTAC 2002 코드리스 GNSS 측량기

1.5dB 노이즈 수치의 저 노이즈 증폭기를 가정할 때, 수신기 자체 노이즈는, KTB 노이즈 파워 = (1.38 x 10^-23W/㎐-K)(120 Kelvin)(2 x 10⁶㎐) = 3.3 x 10^-15 = -145dBW = -115dBm.

GPS C/A 채널 신호 파워 = -130dBm. 후(post)-LNA SNR = -130 - (-115) = -15dB.

SNR D&M = -30dB이도록, 딜레이 및 멀티플라이 프로세서가 신호&노이즈를 제곱시킨다.

40초 타임 시리즈(time series)를 갖는 FFT 프로세서가 0.025㎐의 빈 폭(bin width)과, 유효 프로세스 이득, Gp = 2㎒/0.025㎐ = 79dB을 갖는다.

전체 시스템 SNR = 79 - 30 = 49dB, 또는 25dBV 진폭 SNR = 316:1

ISTAC 2002 측량기 제품의 실제 C/A 채널 성능에 바람직하게 따른다.

창고 환경에서의 근거리-원거리 저하( Near - Far Degradation in a warehouse environment )

대안적 실시예에서, 창고 환경에서의 근거리-원거리 저하가 설명될 수 있다.

가장 가까운 곳에서, 1 나노-W 비콘이 원격 수신기의 10m 내에 존재할 수 있다.

거리 D에서의 비콘 플럭스, P_rec = P_xmtr/(4 pi D²), P_rec = (1 x 10^-9W)/4 Pi (10)² = 8 x 10^-13W = -121dBW = -91dBm.

141m에서의 비콘이 -114dBm를 제공하며, 10m 떨어진 곳에서의 비콘은 -91dBm를 제공할 것이다. 따라서 근거리-원거리 문제(near-far problem)가 -91dBm 빼기 -114dBm = 23dB의 절대 값이 된다. 아날로그-디지털 변환의 12비트를 이용하여, 수신기는 72dB의 다이나믹 레인지(dynamic range)를 가지며, 상기 수신기에 의해, 49dB의 오차가 그 밖의 다른 비교적 더 높은 파워를, 노이즈 플로워(noise floor)를 이동시킬 수 있는 인-밴드 신호(in-band signal)에 적용시킬 수 있다.

수신기의 단순성( Simplicity of Receiver )

비콘에 대한 확산 스펙트럼 접근법을 이용하는 것이 장점은 최소한의 파워를 방사시킨다는 것이며, 이로 인해, 오랜 시간 동작되기 위해 배터리에 의해 전력이 공급될 수 있는 비콘에 대한 DC 파워 요구량이 감소된다. 확산 스펙트럼 이용은, 다른 경우라면 종래의 신호 양식과 간섭을 일으킬 강력한 인-밴드 신호에 대한 높은 정도의 면역성을 제공한다.

일반화된 시스템 구조 및 방법( Generalized system architecture and method )

물리적 상태 추정에 대한 이 시스템 및 관련 방법의 다양한 실시예의 이전 논의가 다양한 적용예로의 광범위한 적용 가능성을 보여준다. 앞서 언급된 시스템 및 방법은 다음의 일반화된 구조로 요약될 수 있으며, 이는 시스템을 방사체, 스펙트럼 압축을 구현하는 인터셉터(interceptor)와, 물리적 상태 추정기로 구성되는 기준 형식으로 축소시키며, 모든 것은 아닐지라도, 가능한 구현 구조를 커버한다. 또한 상기 형식은 적합한 설계 및 구성을 통해, 본 발명의 바람직한 실시예가 쉽게 적응될 수 있음을 나타낸다.

도 12는 시스템 기본 요소 간의 필수적인 관계를 상세히 나타내는 본 발명의 바람직한 실시예의 기준 형식을 도시한다. 전송 매체(1206)를 통해 전파되는 에너지를 방사하는 하나 이상의 방사체(1201)가 시스템에게 알려져 있다. 이들 방사는 하나 이상의 인터셉터(1202)에 의해 인터셉트되고, 스펙트럼 압축기(1205)에 의한 스펙트럼 압축의 방법들 중 하나 이상에 의해 처리된다. 하나 이상의 인터셉터로부터의 최종 관측치(1207)가 임의의 통신 수단에 의해 물리적 상태 추정기(1203)에게 통신된다. 구성 데이터(1208) 및 관측치(1207)가 물리적 상태 추정기에 의해 처리되어, 하나 이상의 방사체(1201)와 인터셉터(1202) 간의 상대적 물리적 상태추정치(1209)의 하나 이사의 구성성분을 결정할 수 있다. 다수의 방사체로부터의 관측치(1207)가 X, Y 및/또는 Z 축의 위치와, 임의의 축에 대한 배향, 시간 오차 및 가능하다면 임의의 시간 도함수를 포함할 수 있는, 상대적 물리 상태의 다수의 구성 성분의 동시적 추정을 위해 사용될 수 있다.

절대적 물리적 상태 추정치(1209)를 결정하는 것은 하나 이상의 방사체, 또는 인터셉터를, 상대적 물리적 상태의 추정 전에 알려져 있는 물리적 상태를 갖는 기준 포인트로서 지정하는 것을 필요로 한다. 절대적 물리적 상태(1209)를 결정하는 것은 상대적 물리적 상태를 기준 포인트들에 의해 정의된 선험적 물리적 상태에 추가하는 것이다.

설정 데이터(1208) 내에 정의된 하나 이상의 기준 포인트는 위치 및 시간 정보를 위한 국소 기준 프레임을 형성하기 위해 집합적으로 취급될 수 있다. 모든 물리적 상태 추정치(1209)가 이러한 기준 프레임 내에서 보고되는 것이 바람직하다. 덧붙이자면, 기준 포인트는 설정 데이터(1208) 내의 좌표 시스템 표준 기준(1204)과 연계될 수 있다(1210 및 1211). 이러한 연계를 통해, 내부 기준 프레임에서 결정된 추정치가 외부 기준 프레임으로 해석될 수 있다.

예를 들어, 실내 적용예에서, 먼저, 설정 데이터와 시스템 교정 데이터의 조합이 비콘으로 하여금 위치 센서(가령, 인터셉터(1202))의 물리적 상태 추정치에 대한 기준 포인트로서 확립될 수 있도록 다수의 비콘들(가령, 방사체(1201)이 교정된다. 그 후, 이러한 기준 포인트의 위치는 외부 WGS-84 기준 프레임에서 결정된다. 이는 측량을 통한, 또는 GNSS 레인징 신호 방사의 수신을 지원하는 위치 센서의 직접 측정을 통한 다양한 방법을 통해 이뤄질 수 있다. 외부 표준 기준의 결정을 이용하여, 내부 기준 프레임에서 외부 WGS084 프레임으로 해석하는 변환 행렬(transformation matrix)이 특정될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 외부 표준 포인트와 연계되어 있는 3개의 같은 선 상에 있지 않는 기준 포인트가 사용되어, 3차원 변환이 이뤄질 수 있다. 3차원 변환이 이뤄지면, 위치 센서에 대한 물리적 상태의 최종 추정치가 외부 기준 프레임으로 보고될 수 있다. 내부 및 외부 시간 프레임(가령 UTC: universal time coordinated)에서의 시간 에포크(time epoch)를 보고하는 것이, 외부 시간 프레임과 관련된 기준 포인트에서 시간을 이용하는 동일한 방식으로 이뤄질 수 있다.

임의의 방사체가 시스템에 알려질 수 있지만, 시스템에 의해 제어되지 않고, 외부라고 고려될 수 있다. GPS 위성, 준항성성체, 통신 위성, TV 방송국 및 자율 비콘이, 시스템에엑 그 존재가 알려질 수 있고, 시스템에 의해 모니터링될 수 있는 있지만 관리되지는 않는 기준 포인트의 예제이다.

시스템 구조의 기준 형식을 형성하기 위한 동일한 방식으로, 관련 기준 형식이 설정된 환경에서 물리적 상태를 결정하는 방법에 의해 정의된다. 도 13A는 스펙트럼 압축을 이용하는 설정된 환경에서 물리적 상태 결정의 일반화된 방법을 도시한다. (1301)에서 시작하여, 하나 이상의 방사체가 광대역 에너지(1305)를 전파 매체로 방사한다. 하나 이상의 인터셉터에 의해, 이러한 방사는 인터셉트되고, 처리되어 (1302), 관측치가 생성된다(1306). 처리하는 단계(1302)는 하나 이상의 스펙트럼 압축을 적용한다. 하나 이상의 인터셉터로부터의 관측치(1306)가 (1303)에서 처리되어, 하나 이상의 방사체와 인터셉터 간의 추정된 상대적 물리적 상태(1307)를 결정한다. 이러한 추정된 상대적 물리적 상태는 (1304)에서 보고되어, 외부에서 사용되는 물리적 상태의 보고서(1308)를 도출한다. 또한 보고되는 물리적 상태가 사용되어, 시스템 설정 데이터(1309)를 업데이트할 수 있다(1310). 이로 인해, 다양한 인터셉터와 방사체의 상태의 변화에 응답하여, 시스템 동작을 교정하고 조정하기 위한 수단을 제공할 수 있다. 설정 데이터에 의해 특정되는 바와 같이, 물리적 상태(1308)는, 기준 프레임에 관련하여, 내부적으로 정의된 기준 프레임으로, 또는 외부에서 제공되는 변환 행렬에 의해 결정된 외부 기준 프레임으로 보고될 수 있다.

이러한 방법에서, 모든 변형예가 추출될 수 있고, 따라서 본 발명의 모든 실시예로 필수적인 프로세스를 추가로 설명할 수 있다. 이러한 일반화된 방법의 중요한 이점은 구현예에 관련 없이, 프로세싱이 정의된다는 것이다. 물리적 위치의 제약과 프로세싱 소자(1302, 1303 및 1304) 간의 통신은 전적으로 상기 방법이 구현될 시스템의 논리 구조의 함수이다. 프로세싱의 여러 다른 물리적 배열이 요청될 때, 특정한 최적화를 제공할 수 있다. 일반적으로 앞서 언급된 바와 같이, 프로세싱 블록(1302, 1303 및 1304)은 통신 대역폭을 최소화하고, 위치 센서의 파워 요구량을 감소시키도록 물리적으로 배열된다.

도 13B는 도 13A의 인터셉트 및 처리 요소(1302)를 더 상세히 도시한다. (1311)에서 광대역 에너지 방사(1305)가 차단되어, 인터셉트된 광대역 방사(1314)가 도출되고, 상기 인터셉트된 광대역 방사(1314)는 임의의 비-선형 작업(1312)에 의해 조작되어, 물리적 상태 추정을 수행하기 위해 요구되는 변하는 물리적 특성을 내포하는 협대역 데이터(narrowband data, 1315)를 생성한다. 추가적인 프로세싱이 (1313)에서 수행되는데, 여기서 유용한 변하는 물리적 특성이 추출된다. 이는 하나 이상의 에포크 동안의 인터셉터에 대한 관측치(1306)를 도출한다. 상기 관측치는 인터셉터와 하나 이상의 방사체 사이에서 변하는 물리적 특성 중 하나 이상을 내포할 수 있다. 스펙트럼 압축을 위해, 이들은 종종 인터셉트되는 각각의 광대역 방사에 대하여, 그리고 적용되는 비-선형 방법의 각각의 경우에 대하여 주파수, 진폭 및 위상으로서 표현된다. 각각의 개별적인 비-선형적 동작 구현은, 다수의 광대역 인터셉트가 관측(1306)될 수 있는 채널을 형성한다. 인터셉트되는 광대역 방사(1314)의 인터셉터에 대한 특정한 비-선형 작업(1312)은, 상기 (1314)가 제곱되는 제곱하는 단계와, 상기 (1314)에 상기 (1314)의 딜레이 버전을 곱하며, 이때, 딜레이의 크기는 광대역 에너지 방사의 알려진, 또는 추측되는 물리적 특성 중 하나(가령, 변조 CDMA PRN 확산 기능의 칩핑 율)에 의해 결정되는 딜레이 및 멀티플라이 단계와, 상기 (1314)가 특정 대역폭 및 주파수 오프셋을 갖는 2개의 서로 다른 대역으로 샘플링되어, 서로 곱해질 때, 하나의 단일 최종 협대역 데이터를 생성(이때, 주파수 오프셋, 대역폭이 광대역 에너지 방사의 물리적 특성의 함수)하는 대역폭 합성(bandwidth synthesis) 단계와, 대략적인 1차 도함수를 생성하여 상기 (1314)가 스스로와 차동화(differencing)되는 미분(differentiation) 단계와, 상기 (1314)의 샘플 레이트(sample rate)가 감소되어, 광대역 에너지 방사의 부분(fraction)인 협대역 출력을 도출하는 추림(decimation) 단계를 포함한다. 미분 단계에 있어서, 상기 (1314)의 이전 도함수를 추가로 차동화함으로써, 추가적인 도함수가 생성될 수 있다. 추림(decimation) 단계에 있어서, 추려진 출력(decimated output)은, 협대역 데이터(narrowband data)를 요망 물리적 특성을 내포하는 관심 대역으로 제한하기 위해, 앨리에이싱(aliasing), 또는 하향 변환(down conversion)과 로우 패스 필터링(low-pass filtering)을 이용할 수 있다.

도 13C는 도 13B의 협대역 데이터 프로세싱 요소(1313)의 한 가지 실시예를 도시한다. 고속 푸리에 변환(FFT)에 의해 협대역 데이터(1315)가 조작되어, (1315)(진폭, 주파수 및 위상)의 주파수 공간 변환이 도출된다. 그 후, 이들 데이터는, 설정 데이터(1309)에 의해 특정되는 특정 요구조건을 충족하는 피크(peak) 값에 대하여 진폭, 주파수 및 위상을 바람직하게 추출하는 피크 검출기(peak detector)에 의해 처리된다. 통상적으로, 특정 임계값(가령, 5 진폭 신호 대 노이즈 비) 및 주파수 범위(가령, -10 내지 50㎐의 범위 내에 있어야 함)을 충족하는 피크가 선택된다. 각각의 채널에 대하여 선택된 피크가 그룹 지어져서, 하나 이상의 에포크에 대한 주파수, 진폭 및 위상 값을 내포하는 관측치(1306)를 형성할 수 있다.

도 13D는 도 13B의 협대역 데이터 프로세싱 요소(1313)의 대안적 실시예를 도시한다. 협대역 데이터 내에 내포되는 기대되는 주파수에 대응되는 신호를 추적하도록 구성된 하나 이상의 위상 추적 루프(phase tracking loop, 1322)에 의해, 협대역 데이터(1315)가 처리된다. 각각의 추적 루프(1322)가 주파수, 위상 및 신호 대 노이즈 비의 추정치를 출력하면서, 함께 하나 이상의 에포크에 대한 관측치(1306)를 형성한다. 특정 적용예의 요구사항에 따라서 다양한 타입의 위상 추적 루프가 구현될 수 있다. 통합 시간(integration time)을 증가시켜서, 더 바람직한 신호 대 노이즈 비 및 측정 정밀도를 도출할 수 있는 매우 좁은 후-검출(post- detection) 대역폭을 가능하게 하는, 임의의 종류의 레이트 에이딩(rate aiding) 능력을 이용하여, 추적 루프가 구현될 것이다.

도 13E는 도 13B의 협대역 데이터 프로세싱 요소(1313)의 또 다른 대안적 실시예를 도시한다. 둘 이상의 인터셉터로부터의 협대역 데이터(1315)가 (1331)에서 선택되어, 제 1 인터셉터로부터의 협대역 데이터(1335)와 제 2 인터셉터로부터의 협대역 데이터(1336)가 형성된다. 협대역 데이터(1336)는 협대역 데이터(1335)에 관련하여, 설정 데이터에 의해 특정되는 만큼 및/또는 방사체, 제 1 인터셉터 및 제 2 인터셉터의 물리적 상태에 의해 결정되는 만큼 시간 딜레이된다. 그 후, 최종 협대역 데이터가 교차 상관되어, 상관 데이터(1337)를 생성하는데, 상기 상관 데이터(1337)는 시간의 함수로서 최대 및 최소 상관 값을 나타낸다. 그 후, 이러한 데이터들은 (1334)에 의해 처리되어, 최대 교차 피크(maximum correlation value)를 검출하며, 상기 최대 교차 피크는 제 1 인터셉터와 제 2 인터셉터 사이에서 변하는 물리적 특성의 추출을 야기한다. 상기 (1334)는 다양한 방식으로 구현될 수 있지만, 가장 일반적인 방법은 딜레이 고정 루프(delay locked loop), 또는 도 13C에서의 것과 유사한 FFT/상관 피크 검출을 사용하는 것이다. (1334)에서의 관측치 산물은 통상적으로 주파수, 위상 및 신호 대 노이즈 비이다.

Claims (40)

1. 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은,

   - 전송 매체 내에서 설정된 에너지 방사(configured energy emission)를 방사하는 하나 이상의 방사체(emitter)로서, 이때, 상기 에너지 방사는 상기 방사체와 상기 방사를 연계하는 지정된 주파수 오프셋을 할당받는 특징의, 상기 하나 이상의 방사체(emitter),

   - 상기 하나 이상의 방사체로부터 전송 매체를 통해 전파되는 상기 설정된 에너지 방사를 수신하는 하나 이상의 인터셉터(interceptor)로서, 상기 인터셉터는 비-선형 작업(non-linear operation)을 사용하는 스펙트럼 압축(spectral compression)을 이용하여, 수신된 방사를 처리하여, 물리적 상태 추정을 위해 사용될, 하나 이상의 방사체와 연계된 관측치(observable)의 세트를 생성하는 동작과, 상기 관측치의 세트를 물리적 상태 추정자(physical state estimator)에게 전송하는 동작을 수행하며, 이때, 상기 관측치의 세트는 상기 하나 이상의 방사체로 할당되는 지정된 주파수 오프셋을 포함하는 특징의, 상기 인터셉터(interceptor),

   - 상기 하나 이상의 인터셉터로부터 수신된 관측치의 세트를 바탕으로 하여, 인터셉터와 방사체 사이의 상대적 물리적 상태(relative physical state)의 하나 이상의 성분을 결정하는 동작과, 상기 하나 이상의 인터셉터로부터 수신된 관측치의 세트를 바탕으로 하여, 상기 상대적 물리적 상태의 하나 이상의 성분을 보고하는 동작을 수행하는 물리적 상태 추정자(physical state estimator)

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전송 매체는 자유 공간(free space), 기체(gas) 및 약플라스마(weak plasma) 중 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전송 매체는 고체 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전송 매체는 액체로 구성되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 인터셉터는 설정된 에너지 방사(configured energy emission)와 외부 에너지 방사(external energy emission) 모두를 동시에 수신하며,

   상기 인터셉터는 비-선형 작업을 사용하는 스펙트럼 압축을 이용하여 하나 이상의 외부 방사체로부터 수신된 외부 에너지 방사를 처리하여, 물리적 상태 추정을 위해 사용될 관측치의 세트를 생성하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 외부 에너지 방사는, 시스템 설정 내에서 나타내어지는 지정된 일반 특성을 갖는 구조된 신호(structured signal)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 구조된 에너지 방사는 위치 확인 및 항법 신호 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 구조된 에너지 방사는 글로벌 항법 위성 시스템(Global Navigation Satellite System) 내의 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 구조된 에너지 방사는 통신 신호(communications signal)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 방사는 전자기 에너지(electromagnetic energy)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 전자기 에너지는 라디오 주파수, 또는 광학 대역(optical band)에 속하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 방사는 음향 에너지(acoustic energy)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 제 1 항에 있어서, 스펙트럼 압축을 이용하여 생성되는 관측치의 세트는, 물리적 특성 중 하나 이상을, 에너지 방사 내에서 변조되는 정보 내용의 보존에 관계 없이 전송 매체를 통해 전파됨에 따른 인터셉트된 에너지의 진폭, 위상 및 시간 도함수의 형태로 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 물리적 상태 추정자는

    - 저장된 설정 데이터를 참조하는 동작,

    - 인터셉터로부터 수신된 관측치의 세트를 바탕으로 하여, 인터셉터와 방사체 사이의 상대적 물리적 상태의 하나 이상의 성분을 결정함에 있어, 참조된 저장된 설정 데이터를 이용하는 동작

    을 수행하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
19. 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은

    - 하나 이상의 방사체(emitter)로부터 전파 매체(propagation medium)를 통해 설정된 에너지 방사(configured energy emission)를 방사하는 단계로서, 이때, 상기 에너지 방사에는, 상기 방사체와 상기 에너지 방사를 연계시키는 지정된 주파수 오프셋이 할당되는 단계,

    - 하나 이상의 인터셉터(interceptor)에서 상기 설정된 에너지 방사(configured energy emission)를 인터셉트하는 단계,

    - 상기 방사와 연계되는 관측치(observable)의 세트를 생성하기 위해, 스펙트럼 압축(spectral compression)을 이용하여 수신된 에너지 방사를 처리하는 단계로서, 이때, 관측치의 세트는 상기 하나 이상의 방사체에게 할당되는 지정된 주파수 오프셋을 포함하는 단계,

    - 방사체와 인터셉터 중 하나 이상의 배치와 설정에 관련된 설정 데이터(configuration data)를 수신하는 단계,

    - 상기 관측치의 세트와 상기 설정 데이터를 바탕으로 하여, 인터셉터와 방사체 간의 상대적 물리적 상태(relative physical state)의 하나 이상의 성분을 결정하는 단계, 그리고

    - 상기 상대적 물리적 상태의 하나 이상의 성분을 보고하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 방사에 연계된 관측치의 세트는 물리적 상태 추정(physical state estimation)을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
21. 제 19 항에 있어서, 상기 방사에 연계된 관측치의 세트는 전파 매체를 통한 방사의 하나 이상의 물리적 특성을 결정하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
22. 제 19 항에 있어서, 상기 방사와 연계되는 관측치의 세트를 생성하기 위해, 스펙트럼 압축을 이용하여 수신된 에너지 방사를 처리하는 단계는, 에너지 방사를 제곱하여, 억제된 반송파의 제 2 하모닉의 진폭, 주파수 및 위상을 복구함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
23. 제 19 항에 있어서, 상기 방사와 연계되는 관측치의 세트를 생성하기 위해, 스펙트럼 압축을 이용하여 수신된 에너지 방사를 처리하는 단계는, 에너지 방사 내의 시간 간격 동안 존재하는 하나 이상의 주기적 변조(periodic modulation)의 주파수, 진폭 및 위성을 포함하는 특성의 딜레이 및 멀티플라이(delay and multiply) 복구에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
24. 제 19 항에 있어서,

    상기 수신된 에너지 방사는 차동 반송파(differential carrier), 또는 변조된 서브-반송파(sub-carrier)의 산물이며,

    상기 방사와 연계되는 관측치의 세트를 생성하기 위해, 스펙트럼 압축을 이용하여 수신된 에너지 방사를 처리하는 단계는, 에너지 방사 내의 둘 이상의 변조가 서로 곱해져서, 상기 차동 반송파(differential carrier), 또는 변조된 서브-반송파(sub-carrier)의 주파수에 대한 주파수, 진폭 및 위상을 복구하는 대역폭 합성(bandwidth synthesis)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
25. 제 19 항에 있어서, 상기 방사와 연계되는 관측치의 세트를 생성하기 위해, 스펙트럼 압축을 이용하여 수신된 에너지 방사를 처리하는 단계는, 지정된 시간 간격 동안의 임의의 주기적 변조의 주파수, 진폭 및 위상을 복구하기 위해 미분(differentiation)을 사용하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
26. 제 19 항에 있어서,

    방사체로부터의 에너지 방사는 제 1 인터셉터 및 제 2 인터셉터에 의해 인터셉트되며,

    상기 방사와 연계되는 관측치의 세트를 생성하기 위해, 스펙트럼 압축을 이용하여 수신된 에너지 방사를 처리하는 단계는, 상기 제 1 인터셉터와 상기 제 2 인터셉터 간의 진폭, 위상 및 시간 도함수를 포함하는 간섭측정 응답(interferometric response)을 생성하기 위한, 상기 제 1 인터셉터 및 제 2 인터셉터에 의해 인터셉트되는 방사의 교차-상관에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
27. 제 26 항에 있어서,

    상기 교차-상관은 상기 에너지 방사의 2개 이상의 구별되는 주파수에 대하여 수행되며,

    채널간 주파수 분리(inter-channel frequency separation)에 의해 위상 모호성분 구간(phase ambiguity interval)이 결정되도록, 2개의 간섭측정 응답을 차동화(differencing)하여, 2개의 채널 간의 새로운 진폭, 위상 및 시간 도함수를 생성함으로써, 상기 처리하는 단계는 진행되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
28. 제 27 항에 있어서, 제 1 인터셉터에 의해 인터셉트되는 에너지 방사에, 제 2 인터셉터에 의해 인터셉트되는 에너지 방사에 관련하여, 상기 제 1 인터셉터와 상기 제 2 인터셉터 간의 물리적 상태의 차이의 함수로서, 시간 오프셋을 둠으로써, 교차-상관이 수행되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
29. 제 19 항에 있어서, 스펙트럼 압축을 이용하여 생성되는 관측치의 세트는, 물리적 특성 중 하나 이상을, 에너지 방사 내에서 변조되는 정보 내용의 보존에 관계 없이 전송 매체를 통해 전파됨에 따른 인터셉트된 에너지의 진폭, 위상 및 시간 도함수의 형태로 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
30. 제 19 항에 있어서, 상대적 물리적 상태의 하나 이상의 성분을 결정하는 단계는,

    방사체와 인터셉터 간의 상대적 물리적 상태의 하나 이상의 성분을 추정하는 단계, 그리고

    설정 데이터를 이용하여, 하나 이상의 방사체와 인터셉터의 설정을 교정하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
31. 제 19 항에 있어서,

    - 방사체와 인터셉터 중 하나 이상의 물리적 상태를 추정하는 단계, 그리고

    - 상기 방사체와 인터셉터 중 하나 이상의 배치 및 설정에 관련된 설정 데이터를 업데이트하는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
32. 제 19 항에 있어서,

    - 방사체와 인터셉터 중 하나 이상은 기준 포인트로서 지정되며, 이때, 상기 기준 포인트의 물리적 상태의 하나 이상의 성분은 지정되며,

    - 방사체와 인터셉터 중 하나 이상은 물리적 상태 센서로서 지정되고, 이때, 상기 물리적 상태 센서의 물리적 상태는 상기 기준 포인트의 물리적 상태에 관련하여 결정되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
33. 제 32 항에 있어서,

    - 상기 물리적 상태 센서는 제 2 기준 포인트로서 지정되며,

    - 방사체와 인터셉터 중 하나 이상은 제 2 물리적 상태 센서로서 지정되고, 상기 제 2 물리적 상태 센서의 물리적 상태는 상기 제 2 기준 포인트의 물리적 상태에 관련하여 결정되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
34. 제 32 항에 있어서, 상기 물리적 상태 센서의 물리적 상태가 외부 기준 프레임에 관련하여 추정되도록, 상기 기준 포인트의 물리적 상태는 외부 기준에 대하여 교정되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
35. 제 32 항에 있어서, 다수의 기준 포인트가 하나의 구역에 할당되어, 상기 구역 내의 모든 기준 포인트의 상대적 물리적 상태는 서로에 대하여 교정되는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
36. 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은

    - 전송 매체 내에서 설정된 에너지 방사(configured energy emission)를 방사하는 하나 이상의 설정된 방사체(configured emitter)로서, 이때, 상기 에너지 방사는, 상기 방사체와 상기 에너지 방사를 연계시키는 지정된 주파수 오프셋을 할당받는 상기 설정된 방사체,

    - 상기 전송 매체 내에서 외부 에너지 방사(external energy emission)를 방사하는 하나 이상의 외부 방사체(external emitter),

    - 상기 하나 이상의 설정된 방사체와 상기 하나 이상의 외부 방사체로부터 상기 전송 매체를 통해 전파되는 설정된 에너지 방사 및 외부 에너지 방사를 수신하는 하나 이상의 인터셉터(interceptor)로서, 이때, 상기 인터셉터는 비-선형 작업(non-linear operation)을 사용하는 스펙트럼 압축(spectral compression)을 이용하여, 수신된 방사를 처리하여, 물리적 상태 추정을 위해 사용될, 하나 이상의 방사체와 연계된 관측치(observable)의 세트를 생성하는 동작과, 상기 관측치의 세트를 물리적 상태 추정자(physical state estimator)에게 전송하는 동작을 수행하며, 이때, 상기 관측치의 세트는 상기 하나 이상의 방사체로 할당되는 지정된 주파수 오프셋을 포함하는 상기 인터셉터(interceptor),

    - 상기 하나 이상의 인터셉터로부터 수신된 관측치의 세트를 바탕으로 하여, 인터셉터와 방사체 사이의 상대적 물리적 상태(relative physical state)의 하나 이상의 성분을 결정하는 동작과, 상기 하나 이상의 인터셉터로부터 수신된 관측치의 세트를 바탕으로 하여, 상기 상대적 물리적 상태의 하나 이상의 성분을 보고하는 동작을 수행하는 물리적 상태 추정자(physical state estimator)

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
37. 제 36 항에 있어서,

    상기 하나 이상의 설정된 방사체와 상기 하나 이상의 외부 방사체로부터 상기 전송 매체를 통해 전파되는 에너지 방사를 수신하는 복수 개의 인터셉터

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.
38. 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은

    - 하나 이상의 설정된 방사체(configured emitter)로부터 전파 매체를 통해 설정된 에너지 방사(configured energy emission)를 방사하는 단계로서, 이때, 상기 에너지 방사는, 상기 방사체와 상기 에너지 방사를 연계시키는 지정된 주파수 오프셋을 할당받는 단계,

    - 하나 이상의 외부 방사체(external emitter)로부터 전파 매체를 통해 외부 에너지 방사(external energy emission)를 방사하는 단계,

    - 하나 이상의 인터셉터(interceptor)에서 상기 설정된 에너지 방사를 인터셉트하고 처리하는 단계,

    - 상기 설정된 에너지 방사와 연계되는 관측치(observable)의 세트를 생성하도록, 비-선형 작업(non-linear operation)을 사용하는 스펙트럼 압축(spectral compression)을 이용하는 단계,

    - 상기 하나 이상의 인터셉터에서 외부 에너지 방사를 인터셉트하고 처리하는 단계,

    - 상기 외부 에너지 방사와 연계되는 관측치의 세트를 생성하도록, 비-선형 작업을 사용하는 스펙트럼 압축을 이용하는 단계,

    - 관측치의 세트를 바탕으로 하여, 인터셉터와 방사체 간의 상대적 물리적 상태(relative physical state)의 하나 이상의 성분을 결정하는 단계, 그리고

    - 상기 상대적 물리적 상태의 하나 이상의 성분을 보고하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
39. 제 38 항에 있어서, 설정된 에너지 방사와 외부 에너지 방사를 인터셉트하고 처리하는 단계들은 동일한 인터셉터에서 발생하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 방법.
40. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 방사체로부터 전송 매체를 통해 전파되는 설정된 에너지 방사를 수신하는 복수 개의 인터셉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리적 상태 정보를 제공하기 위한 시스템.

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