KR101199048B1 - 위성 시스템으로부터 정밀한 절대 시간 전송 - Google Patents

위성 시스템으로부터 정밀한 절대 시간 전송 Download PDF

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Abstract

하나 이상의 실시예에 따라서 위성 시스템을 이용해서 정밀한 절대 시간을 획득하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 정밀한 절대 시간은 예를 들어, 감쇠되거나 잼된 환경에서 내비게이션을 포함하는 포지셔닝 시스템을 위한 지원(aid)으로서 사용될 수 있다. 실시예에 따른 위성으로부터 정밀한 절대 시간 전송을 획득하는 방법은: 주기적 반복 코드를 포함하는 정밀 시간 신호를 위성으로부터 수신하는 단계; 상기 코드로부터 타이밍 위상을 결정하는 단계; 추가적 지원 정보를 수신하는 단계; 및 정밀한 절대 시간을 결정하기 위해서 타이밍 위상 및 추가적 지원 정보를 이용하는 단계를 포함한다.

Description

위성 시스템으로부터 정밀한 절대 시간 전송{PRECISE ABSOLUTE TIME TRANSFER FROM A SATELLITE SYSTEM}
본 출원은 2008년 5월 30일에 출원된 미국 정식특허출원번호 제12/130,893호; 2009년 5월 28일에 출원된 PCT 특허출원번호 제PCT/US09/45391호; 및 2010년 7월 9일에 출원된 미국 분할특허출원번호 제12/833,795호에 우선권을 요청한다.
본 발명은 일반적으로 시간 전송에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는 위성-기반 시간 전송 및 내비게이션 기술에 관한 것이다.
다양한 종래의 위성 내비게이션 시스템에 의해서 제공되는 종래의 내비게이션 및 타이밍 신호는 종종 만족스러운 시스템 성능을 제공하지 못한다. 특히, 이러한 내비게이션 및 타이밍 신호의 신호 파워, 대역폭, 및 기하학적 활용은 많이 요구되는 사용 시나리오들에서의 요구사항들을 만족시키기에는 일반적으로 불충분하다.
예를 들어, 글로벌 포지셔닝 시스템(Global Positioning System, GPS) 신호를 기초로 하는 종래의 내비게이션 및 타이밍 접근법들은 많은 경우에 내비게이션 사용자에게 이용가능하지 않을 수 있다. 전형적으로, GPS 수신기는 3차원 포지셔닝 및 정확한 시간 전송을 허용하기 위해서 적어도 4 개의 동시적인 레인징(ranging) 소스를 수신해야 한다. 그러나, GPS 신호는 종종 빌딩의 벽들 또는 도시 협곡(urban canyon)들을 순조롭게 관통하기에는 불충분한 저신호 파워 또는 기하학적 구조를 제공한다. 예를 들어, 셀룰러 전화기 또는 텔레비전 신호를 기초로 하는 다른 내비게이션 접근법은 전형적으로 수직적인 내비게이션 정보가 부족하다.
종래의 시스템은 다양한 접근법들 예를 들어, 관성항법장치(inertial navigation system), 특화된 비컨(beacon), 및 고감도 GPS 시스템을 사용함으로써 실내(indoor) 내비게이션의 결점들을 다루려고 시도했었다. 그러나, 관성항법장치는 표류할(drift) 뿐만 아니라 비싸다. 비컨은 비싸고 표준화되지 않은 특화된 고정 자산을 요하기 때문에 단지 특화된 용도만을 가지고, 감도가 좋은 GPS 시스템은 실내 환경에서 GPS 신호가 약하기 때문에 종종 사용자의 기대대로 수행되지 않는다.
본 발명은 위성-기반 시간 전송 및 내비게이션 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시예에서, 위성으로부터 정밀한 절대 시간 전송을 획득하는 방법은: 주기적 반복 코드를 포함하는 정밀 시간 신호를 위성으로부터 수신하는 단계; 상기 코드의 타이밍 위상을 결정하는 단계; 추가적 지원 정보를 수신하는 단계; 정밀한 절대 시간을 결정하기 위해서 타이밍 위상 및 추가적 지원 정보를 이용하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 감쇠되거나 잼된 환경에서 내비게이션을 수행하는 방법은: 제1 위성으로부터 수신된 신호의 프레임 구조를 검출하는 단계; 상기 검출된 프레임 구조에 수신기 유닛의 클럭을 정렬하는 단계; 프레임 구조에 따라서 개별적으로 분리된 복수의 시간 추정을 생성하는 단계로서, 적어도 하나의 시간 추정이 제2 위성의 신호에 정렬될 단계; 시간 추정을 수신기 유닛의 시스템 코릴레이터에 제공하는 단계; 시간 추정에 따라서 시스템 코릴레이터를 정렬하는 단계; 및 제2 위성으로부터 신호 소스에 정렬된 적어도 하나의 시간 추정을 식별하는 단계로서, 적어도 하나의 시간 추정이 수신기 유닛에 성공적인 지원 정보를 제공하고, 검출 효율을 상당히 향상시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 감쇠되거나 잼된 환경에서 사용하기 위한 수신기 유닛은: 주기적 반복 코드를 포함하는 정밀 시간 신호를 위성으로부터 수신하고 추가적 지원 정보를 수신하도록 적용된 안테나; 프로세서; 프로세서에 의해서 실행될 때 수신기 유닛이: 상기 코드의 타이밍 위상을 결정하는 것과, 정밀한 절대 시간을 결정하도록 타이밍 위상과 추가적 지원 정보를 사용하는 것을 초래하도록 적용된 컴퓨터 판독가능한 복수의 명령어를 저장하도록 적용된 메모리;를 포함한다.
다른 실시예에서, 감쇠되거나 잼된 환경에서 사용하기 위한 수신기 유닛은: 주파수 대역 프레임 구조를 포함하는 정밀 시간 신호를 제1 위성으로부터 수신하고, 제2 신호를 제2 위성으로부터 수신하도록 적용된 안테나; 프로세서; 및 프로세서에 의해서 실행될 때 수신기 유닛이: 제1 위성의 프레임 구조를 검출하는 것; 수신기 유닛의 내부 클럭을 제1 위성의 프레임 구조에 정렬하는 것; 제1 위성의 프레임 구조에 따라서 개별적으로 분리된 복수의 시간 추정을 생성하는 것으로서, 적어도 하나의 시간 추정이 제2 위성의 신호에 정렬되는 것; 시간 추정에 따라서 수신기 유닛의 시스템 코릴레이터를 정렬하는 것; 및 성공적인 지원 정보가 수신기 유닛에 제공되도록 제2 위성으로부터의 신호에 정렬된 적어도 하나의 시간 추정을 식별하는 것을 초래하도록 적용된 컴퓨터 판독가능한 복수의 명령어를 저장하도록 적용된 메모리;를 포함한다.
본 발명의 범위는 청구항들에 의해서 한정된다. 하나 이상의 실시예에 대한 이하의 상세한 설명을 고려함으로써 본 발명의 실시예를 더 완전하게 이해하고 그 부가적인 이점을 인식하는 것이 당업자에게 가능할 것이다. 먼저 간단히 설명될 첨부도면들이 참고될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라서, 막히거나 잼된(jammed) 환경에서 수행할 수 있는 내비게이션 시스템의 개략도를 제공한다.
도 1a는 본 발명에서 개시한 실시예에 따른 수신기 유닛(302)의 기능적인 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라서, 위성으로부터 정밀한 절대 시간 전송을 획득하는 방법을 도시하는 흐름도를 제공한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라서, 저지구 궤도(low earth orbit; LEO) 위성의 시간 전송 구조(structure) 신호를 도시한다.
도 3a는 실시예에 따라서, 수신된 위성 신호의 코드 위상을 결정하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따라서, 감쇠되거나 잼된(jammed) 환경에서 시간 전송 및 내비게이션을 수행하는 방법을 도시하는 흐름도를 제공한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라서, 무선 네트워크 스테이션 로컬라이제이션(localization)을 제공하기 위해 위성들을 이용하는 자기 형성(self forming) 내비게이션 시스템을 제공한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라서, 위성 신호 및 무선 네트워크 신호를 통합함으로써 지오로케이션(geolocation)을 수행하는 방법을 도시하는 흐름도를 제공한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라서, 위성 신호 및 무선 네트워크 신호를 통합함으로써 지오로케이션을 수행하는 방법을 도시하는 흐름도를 제공한다.
본 발명의 실시예 및 그 이점들은 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해된다. 동일한 참조 번호는 하나 이상의 도면에서 도시된 동일한 부재를 식별시키기 위해서 사용된다는 점이 이해되어야 한다.
본 명세서에서 설명되는 다양한 실시예들에 따라서, 위성, 예컨대 저지구 궤도(LEO) 위성을 채용하는 시스템은 수신기 유닛, 예컨대 셀 폰 또는 다른 소형 장치들을 보강하도록 사용되어서, 이들은 매우 감쇠되거나, 막히거나, 잼된(jammed) 환경에서조차 기능할 수 있다. 본 명세서에서 하나 이상의 실시예에 따른 내비게이션 시스템은 글로벌 포지셔닝 시스템 (GPS) 위성과 같은 종래의 소스들로부터 수신된 근본적으로 약한 신호에 기인한 수신기 유닛의 현재 문제들을 다룰 수 있다.
어떤 위성, 예컨대 통신 위성으로부터의 신호는 일반적으로 GPS와 같은 다른 종래의 포지셔닝 시스템으로부터의 신호보다 더 강력하다. 그러한 위성 중의 하나가 저지구 궤도 위성(LEO) 배치 이리듐(Iridium)이다. 일 예에 있어서, LEO 위성, 예컨대 이리듐 위성으로부터 수신된 신호를 가지고 작동하도록 구성된 수신기 유닛은 수신기 유닛의 안테나에서 약 45 dB의 감쇠보다 더 적은 신호 레벨을 가지고 작동할 수 있는 반면, GPS로 구성된 수신기 유닛은 전형적으로 그러한 레벨에서 작동하지 않을 것이다. 이리듐 위성 신호를 활용함으로써, 전형적인 GPS-구성 수신기 유닛이 작동을 멈추는 약 15-20 db 아래에서 이리듐으로 구성된 수신기 유닛이 작동할 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, 위성 시스템으로부터 정밀 시간 신호를 포함하는 그러한 강력한 신호는 예컨대, 약 1-10 마이크로세컨드(microsecond)의 정확성으로 정밀한 절대 시간을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 그러한 강력한 신호는 셀룰러 네트워크, 인터넷 네트워크, 또는 WiFi와 같은 다른 지상 기반 인프라스트럭쳐(infrastructure)로부터의 정보와 함께 수신기 유닛으로 전송될 수 있다. 하나 이상의 실시예에 따라서, 위성 신호로부터 유래된 정밀한 절대 시간은 매우 협소한 시간 주기에 포커스를 맞추기 위해 수신기 유닛에서 시스템 코릴레이터(correlator)를 정렬하는 것을 용이하게 하기에 충분히 정확하다. 막히거나 잼된 환경에서 복수의 시스템 코릴레이터가 정밀한 시간 참조의 혜택 없이 사용될 때, 코릴레이션 처리는 넓은 시간 주기에 대해 조사하게 됨으로써 계산에 부담이 되고, 수신기 유닛은 그러한 조건 하에서 수행할 수 없을 수도 있다. 그러나, (예컨대, 약 10 마이크로세컨드 내에서 정확성을 가지는) 정밀한 절대 시간의 전송에 있어서, 수신기 유닛(또는 사용자)은 매우 감쇠되거나 잼된 환경에서조차 수신기 유닛의 시스템 코릴레이터를 정렬함으로써 GPS와 같은 포지셔닝 시스템으로부터 내비게이션 신호를 더 잘 수신하고 추적할 수 있다. 그래서, 본 발명의 실시예들은 매우 감쇠되거나 잼된 환경에서 GPS 또는 임의의 다른 포지셔닝 위성 시스템을 지원할(aid) 수 있다. 정밀한 절대 시간 전송은 또한 네트워크 동기화와 같은 다른 어플리케이션들에서 사용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
이제 도면을 참조하는데, 여기서 도시되는 것들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적이지 이를 제한하기 위한 목적이 아니며, 도 1은 본 발명의 실시예에 따라서, 막히거나 잼된 환경에서 수행할 수 있는 내비게이션 시스템(300)의 개략도를 제공한다.
도 1의 실시예에서 도시된 바와 같이, 내비게이션 시스템(300)에서, 종래의 내비게이션 위성으로부터의 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS) 신호(예컨대, 보호 및/또는 비보호 GPS 신호)를 포함할 수 있는 위성(306)으로부터 신호(309)를 수신하도록 수신기 유닛(302)(예컨대, 셀룰러 전화기)이 구성된다. 게다가, 저지구 궤도(LEO) 위성일 수 있는 위성(304)으로부터 신호(305)를 수신하도록 수신기 유닛(302)이 구성된다. 게다가, 예를 들어, 셀룰러 네트워크, 인터넷 네트워크, WiFi 네트워크, 및/또는 다른 네트워크를 포함할 수 있는 네트워크(308)로부터 신호(307)를 수신하도록 수신기 유닛(302)이 구성된다. 위성(304)으로부터 수신된 신호(305)는 위성(304) 상에서 코딩된 정밀 시간 신호를 포함한다. 네트워크(308)를 통해서 수신된 신호(307)는 예컨대, 위성(304)과 관련된 궤도 정보, 수신기 유닛(302)의 근사 위치, 위성(304)과 수신기 유닛(302) 사이의 근사 범위(예컨대, 대략 3000 m 이내), 근사 시간 정보(예컨대, 약 5초 내의 근사 시간), 위성(304)과 관련된 타이밍 바이어스 정보(예컨대, 위성 클럭 오프셋), 및/또는 다른 정보와 같은 추가적 지원 정보(aiding information)를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 위성(306)은 iGPS 시스템과 같은 통합된 고성능 내비게이션 및 통신 시스템의 일부일 수 있다. 위성(306)은 또한 예컨대, Glonass(Global Orbiting Navigation System)를 포함하는 임의의 다른 포지셔닝 시스템 위성의 일부일 수 있다.
일 예에 있어, 위성(304)은 LEO 위성일 수 있는데, 이것은 종래의 통신 시스템(예컨대, 이리듐 또는 글로벌스타 위성 시스템)의 위성에 의해서 구현될 수 있다. 이리듐 위성이 위성(304)을 구현하기 위해 사용되는 일 예에서, 이리듐 위성의 비행 컴퓨터는 내비게이션 신호의 취급을 용이하게 하기 위해 적절한 소프트웨어로 재프로그램될(reprogrammed) 수 있다. 글로벌스타 통신 위성이 위성(304)을 구현하기 위해 사용되는 다른 예에서, 위성의 굽어진 파이프(bent pipe) 아키텍처는 지상 장비들이 다양한 새로운 신호 포맷을 서포트(support)하도록 업그레이드되는 것을 허용한다.
위성(304)이 LEO 통신 위성으로 구현되는 실시예에서, LEO 통신 위성은 통신 신호뿐만 아니라 내비게이션 신호를 서포트하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 이러한 내비게이션 신호는 선택적 접근(selective access), 안티-스푸핑(anti-spoofing), 및 낮은 도청 확률(low probability of interception)을 포함하여, 다중 경로 제거(multipath rejection), 레인징 정확성, 크로스-코릴레이션, 재밍(jamming)과 간섭에 대한 저항성, 및 보안과 같은 다양한 요소들을 고려하도록 구현될 수 있다.
수신기 유닛(302)은 내비게이션을 수행하도록 다양한 우주 및 지상 레인징 소스로부터 신호를 수신해서 해독하는 적절한 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 이러한 신호는 예를 들어, GPS 또는 임의의 다른 포지셔닝 시스템(예컨대, Glonass), LEO(예컨대, 이리듐 또는 글로벌스타 위성 시스템), WAAS(Wide Area Augmentation System), EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service), MSAS(Multi-functional Satellite Augmentation System), QZSS(Galileo, Quasi-Zenith Satellite System), 및/또는 MSV(Mobile Satellite ventures) 위성으로부터의 위성 브로드캐스팅(broadcast)을 포함할 수 있다. 이러한 신호는 또한 셀룰러 네트워크, TV 네트워크, 인터넷 네트워크, WiFi, WiMAX, 국가 VII(Vehicle Infrastructure Integration) 노드 및 다른 적절한 소스를 포함할 수 있는 네트워크(308)로부터의 지상파 방송을 포함할 수 있다. 본 문서의 이 부분에서 참조에 의해 통합되는 2005년 11월 7일에 출원된 미국 특허출원 제11/268,317호에서 제시된 다양한 실시예에 따라서 수신기 유닛(302)이 구현될 수 있다.
수신기 유닛(302)은 특정 실시예에서 원하는 바와 같이 다른 우주 및 지상 레인징 소스의 브로드캐스팅 신호를 이용해서 수신하고 내비게이션을 수행하도록 추가적으로 구현될 수 있다. 게다가, 수신기 유닛(302)은 재밍 방지를 제공하기 위해서 예컨대, MEMS(microelectromechanical system) 장치와 같이 구현된 관성측정장치(Inertial Measurement Unit; IMU)로 구성될 수 있다.
수신기 유닛(302)은 또한 특정 어플리케이션에 대해 적절할 수 있는 것과 같은 임의의 원하는 구조로 구현될 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예에서, 수신기 유닛(302)은 셀룰러 전화기, iGPS 수신기, 휴대용 내비게이션 장치, 차량-기반 내비게이션 장치, 항공기-기반 내비게이션 장치, 또는 다른 유형의 장치로 구현될 수 있다. 실시예에서, 수신기 유닛(302)의 위치는 사용자의 위치에 해당할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 수신기 유닛(302)의 기능적인 블록도가 본 발명에서 개시된 실시예에 따라서 도시된다. 수신기 유닛(302)은 하나 이상의 위성으로부터 위성 신호(3010)를 수신하도록 채택된 다중-주파수 안테나(3020)를 포함한다. 안테나(3020)는 또한 예컨대, 도 1의 네트워크(308)로부터의 신호를 수신하도록 채택될 수 있다. 안테나(3020)는 하나 이상의 전치 선택 필터(pre-select filter)(3030), 증폭기(3040), 및 A/D 컨버터(3050)에 연결된다. 합성기(3070)는 TCXO(temperature controlled crystal oscillator)(3080)로부터 신호를 수신하고, A/D 컨버터(3050), 관성(inertial)(3085), 및 메모리와 프로세서(도시되지 않음)를 포함하는 컴퓨터(3060)와 연결된다. 시스템 코릴레이터는 프로세서에 의해서 구현될 수 있다. 컴퓨터(3060)는 위치, 고도, 및 시간(3090)의 출력을 생성하기 위해서 관성(3085)으로부터의 실 측정치들(raw measurements)뿐만 아니라 합성기(3070) 및 A/D 컨버터(3050)로부터 입력을 수신한다. A/D 컨버터(3050)의 샘플링 레이트(rate)가 적절하게 결정될 수 있어서, 수신기 유닛(302)은 관심 있는 모든 대역들을 기저대역으로 다운컨버팅(downconvert)할 수 있다.
동작에 있어서, 하나 이상의 실시예에 따르면, 수신기 유닛(302)이 막히거나 잼되고 위성(306)으로부터 신호(309)(예컨대, GPS 신호)를 수신할 수 없는 위치에서, 수신기 유닛(302)은 원조를 요청하는 네트워크(308)에 메시지를 보낼 수 있다. 이후에, 네트워크(308)는 추가적 지원 정보를 결정한다. 이후에, 위성(306)으로부터 신호(309)(예컨대, GPS 신호)의 수신을 향상시키도록 그 시스템 코릴레이터를 정렬하기 위해서, 수신기 유닛(302)이 네트워크(308)를 통해서 획득된 추가적 지원 정보를 포함하는 신호(307)를 정밀 시간 신호를 포함하는 위성(304)으로부터 수신된 신호(305)와 결합해서 사용함으로써 막히거나 잼된 환경에서도 내비게이션을 수행할 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 위성으로부터의 정밀한 절대 시간 전송을 획득하는 방법을 도시하는 흐름도가 제공된다. 실시예에 있어서, 도 2는 도 1의 내비게이션 시스템(300)과 함께 사용하도록 구현될 수 있지만, 네트워크 동기화와 같은 다른 시스템 또는 어플리케이션과 함께 사용하도록 구현될 수도 있다. (도 1에서 도시된 바와 같이) 위성(304)으로부터 수신된 신호(305)는 추가적 지원 정보를 포함하는 신호(307)와 결합될 때 로컬라이제이션을 허용한다. 추가적 지원 정보는 네트워크(308)를 통해서 수신기 유닛(302)으로 전달될 수 있다.
블록(350)에서, 수신기 유닛(302)은 위성(304)으로부터 정밀 시간 신호를 포함하는 신호(305)를 수신한다. 정밀 시간 신호는 위성(304)으로부터 주기적으로 반복하는 잘 정의된(well-defined) 코드로서 수신된다. 잘 정의된 코드는 임의의 수의 코드, 예컨대 의사 랜덤(pseudorandom) 코드를 포함할 수 있다. 일 예에 있어, 이리듐 위성은 대략 23초 마다 반복하는 의사 랜덤 코드를 브로드캐스팅할 수 있다. 다른 실시예들은 이와 다른 코드 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 그러한 일 실시예에서, 코어스(coarse) 타이밍 코드 다음에 의사 랜덤 코드가 따라올 수 있다. 이러한 실시예에서, 도플러 천이(Doppler shift)를 결정하는 것과 같이 다양한 작업들과 함께 이용하기 위해서 코어스 타이밍 코드는 수신기 유닛(302)에 의해 쉽게 검출될 수 있는 순수 캐리어 주파수의 반복하는 세그먼트를 포함할 수 있다.
이 실시예에서 의사 랜덤 코드는 높은 정확도로 절대 시간을 결정하기 위해서 이용될 수 있으나, 코어스 타이밍 코드보다 수신기 유닛(302)이 검출하기 더 어려울 수 있다. 이러한 관점에서, 의사 랜덤 코드가 수신되리라고 기대되는 근사 시간을 효율적으로 결정하기 위해서 코어스 타이밍 코드가 수신기 유닛(302)에 의해서 이용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 위성(304)으로부터 수신된 신호(305)는 상세한 내비게이션 정보를 포함하도록 요구되지 않고, 위성(304)들 중에서 단지 하나로부터의 단지 하나의 신호(305)의 브로드캐스팅이 지원 기법(aiding technique)을 개시하기 위해서 사용될 수 있다. 게다가, 신호(305)의 타이밍 정확성은 전형적인 GPS 위성 성능으로부터 충분하게 세분될 수 있으나, 대략 10 마이크로세컨드의 정확성이면 충분하다. 일 예에 있어서, 수신기 유닛(302)은 수신기 유닛(302)이 위성(304)으로부터 신호(305)를 수신할 수 있는 감쇠되거나 막힌 환경(예컨대, 실내)에서 작동할 수 있으나, 신호(309)의 낮은 파워와 환경 감쇠로 인해서 위성(306)으로부터 신호(303)를 수신할 수 없다. 이리듐 위성에 대해서, 예를 들어, 반복가능한 의사 랜덤 코드의 구조는 안테나에서 약 45 dB 감쇠에 달하는 매우 감쇠된 환경에서조차, 다시 말해, 대부분의 GPS 수신기가 수신에 실패하는 약 15 dB를 넘어서도 수신기 유닛(302)이 의사 랜덤 코드를 추적하는 것을 허용한다. 수신기 유닛(302)은 또한 예를 들어, 신호(309)가 상용 시나리오에서 경쟁 신호에 의해서 잠재적으로 잼된 환경 또는 신호(309)가 예컨대 군용 시나리오에서 적에 의해서 의도적으로 잼된 환경에서 작동할 수 있다.
블록(352)에서, 위성(304)으로부터 신호(305)의 코드의 상대적인 타이밍 위상(이하, "n" 또는 "코드 위상(code phase)"이라고도 함)은 저속 데이터 레이트(low data rate) 코릴레이션을 사용해서 수신기 유닛(302)에 의해 결정된다. 예를 들어, 수신기 유닛(302)은 신호(305)에 의해서 제공된 높은 파워의 non-GPS 정밀 시간 신호의 코드를 추적하는데 사용될 수 있고, 약 3 마이크로세컨드도 걸리지 않고 타이밍 위상을 결정할 수 있다.
블록(354)에서, 수신기 유닛(302)은 네트워크(308)를 통해서 추가적 지원 정보를 포함하는 신호(307)를 수신한다. 이와 달리, 추가적 지원 정보는 예를 들어, 수신기 유닛(302)이 감쇠 환경의 안팎으로 움직이는 경우에 위성(304)으로부터 수신될 수 있다. 일반적으로, 추가적 지원 정보의 업데이트 레이트는 다소 낮고, 원칙적으로는 24시간 또는 보다 길게 저장될 수 있다. 일 실시예에서, 추가적 지원 정보는: 코드 브로드캐스팅의 시작 시간, 타이밍 전송의 예상 주파수, non-GPS 위성 궤도의 모델, 및 블록(350)에서 설명된 바와 같은 위성(304)으로부터 수신된 정밀 시간 신호의 충실도를 향상시킬 수 있는 시간 바이어스 정정 정보를 포함할 수 있다. 추가적으로, (예컨대, 수 초의 정확성 이내의) 근사 시간이 네트워크(308)를 통해서 또는 수신기 유닛(302)의 로컬 클럭(local clock)에 의해서 제공될 수 있다.
블럭(256)에서, 코드의 타이밍 위상은 예컨대, 도 3의 관점에서 이하에서 설명될 방정식(406)에 따라서 네트워크(308)를 통해 수신될 수 있는 추가적 지원 정보와 코드의 타이밍 위상을 결합함으로써 정밀한 절대 시간으로 변환된다.
이제 도 3을 참조하면, 저지구 궤도(LEO) 위성의 시간 전송 구조(time transfer structure) 신호가 본 발명의 실시예에 따라서 도시된다. 도 3의 시간 전송 구조는 실시예에 따라서 도 1의 내비게이션 시스템(300)에서 사용하도록 구현될 수 있으나, 네트워크 동기화와 같이 다른 시스템 또는 어플리케이션에서 사용될 수도 있다. 이 실시예에서, 위성(304)은 이리듐 위성을 가지고 구현된다. 이리듐 위성을 위한 시간 전송 신호가 도시되었지만, 본 명세서에서의 설명은 다른 위성 시스템을 위해서 적절하게 수정될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 3의 예에서, 신호(305)는 각각의 위성(304)에 의해서 반복적으로 브로드캐스팅된 1OK 버퍼 사이클(402)을 포함할 수 있다. 각각의 1OK 버퍼 사이클은 9984 바이트, 또는 72872 비트, 또는 256 메시지, 또는 46.08 초와 동일할 수 있다. 하루에 1875 버퍼 사이클이 존재한다. 버스트(burst) 당 312 비트 또는 8.28 밀리세컨드(millisecond)와 동일할 수 있는 메시지 프레임(404)(메시지라고도 함)이 또한 도시된다. 다른 비트들이 위성(304)에 의해서 미리 정의될 수 있다. 메시지 프레임(404)의 312 비트는 일반적으로 페이로드(payload) 비트이고, 여기서 통신 예를 들어, 전화 통화가 90 밀리 초마다 음성 업데이트를 가지고 발생한다. 각각의 프레임은 0.18 초마다 반복하고, 모든 비트들은 메시지 프레임(404)의 에지를 검출하기 위해서 사용될 수 있다. 버스트는 메시지 프레임(404) 내에서 특정된 "시간 슬롯(time slot)"에 의해 오프셋 될 수 있다.
예를 들어, 만일 의사 랜덤 코드가 312 비트라면, 256 메시지를 가진 풀(full) 버퍼가 존재한다. 이 예에서, 각각의 메시지는 다른 코드들과 혼동되지 않도록 그 자신의 의사 랜덤 코드를 가진다. 의사 랜덤 코드는 대략 20-40 초마다 반복될 수 있다. 공지의 간단한 의사 랜덤 코드(또는 다른 코드)는 256 메시지들 사이에서 구별을 위해 채용될 수 있고, 상당한 처리 이득을 제공한다. 일 실시예에서, 코어스(coarse) 심플 코드(예컨대, 이것은 캐리어 주파수의 검출을 고취시킨다)와 더욱 정밀한 의사 랜덤 코드(예컨대, 이것은 더욱 정확한 시간 정렬을 허용한다) 간의 상호반복(alternating)이 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 수신기 유닛(302)은 몇 시인지(what time it is)를 결정하기 위해서 이용될 수 있다. 버퍼가 로딩되고 브로드캐스팅이 시작된다. 수신기 유닛(302)은 올바른 주파수로 채널을 맞추어서 L 대역 프레임에서 비트를 찾는다. 수신기 유닛(302)은 버퍼의 n 번째 메시지와 일치하는 코드를 찾는다. 그러나, 이 코드는 몇 시인지를 말하는 것은 아니라, 단지 n 번째 메시지(또는 반복 코드의 "코드 위상(code phase)")인 것이다.
도 2의 블록들(352 및 354)에서 설명된 바와 같이 타이밍 위상 정보 및 추가적 지원 정보는 도 3의 실시예의 관점에서 다음의 예에서와 같이 정밀한 절대 시간을 획득하기 위한 방정식을 형성하도록 도 2의 블록(356)에서 설명된 바와 같이 결합될 수 있으며, 방정식(406)은 시간을 결정하기 위해서 이용된다. 방정식(406)에서, 256 개의 고유 메시지가 46.08 초마다 반복된다고 가정한다:
Time = 12:00am start time + (N-1)*46.08 sec + (n-1)*0.18 sec
+ Time Bias + Range/C(광속)
여기서, 데이터 링크를 통해서 전달될 수 있는 위성(304) 버퍼 플레이백(playback)의 공지의 시작 시간(start time)은 도 3의 방정식(406)에서 도시된 바와 같이 정의된 날에 12:00am이 될 수 있다. "N"("현재의 버퍼 사이클"이라고도 함)은 256 메시지의 의사 랜덤 코드 블록이 시작 시간(start time) 이후에 반복된 횟수이다. 일 실시예에서, "N"은 약 10 초 미만의 정확성을 가지고 수신기 유닛(302)의 로컬 클럭에 의해서 결정될 수 있다. 예를 들어, 만일 메시지가 12:00am에 브로드캐스팅되고, 수신기 유닛(302)이 네트워크(308)와 동기화된 클럭을 가진다면, 수신기 유닛(302)은 현재 버퍼 사이클 "N"을 결정할 수 있다. 다시 말해, 수신기 유닛(302)은 특정 공지의 변수들을 기초로 하여 숫자 "N"을 해결하는 것을 돕는다.
"n"은 반복 시퀀스 내에서의 코드 위상이다. 방정식(406)의 예에서, 시간 메시지는 0.18 초마다 플레이되고, 256개의 고유의 의사 랜덤 메시지를 포함한다. 이후에, 의사 랜덤 코드가 처음부터 반복된다. 그러므로, "n"은 1과 256 사이의 숫자이다. "n"은 예컨대, 의사 랜덤 코드를 사용해서 위성(304)으로부터 측정되고, 10 마이크로세컨드 미만까지 정확하다.
만일 수신기 유닛(302)이 어느 메시지가 수신되는지를 안다면, 코드 위상 "n"이 결정될 수 있다. 수신기 유닛(302)은 노이즈가 존재하는 경우조차도 어느 메시지가 수신되었는지를 결정하기 위해서 코릴레이션을 수행할 수 있다. 예를 들어, 노이즈가 존재한다면, 랜덤 비트가 수신되고, 그리고 메시지가 수신되고, 그리고 다시 랜덤 비트가 수신될 수 있다. 그래서, 메시지는 노이즈에 의해서 손상될 수 있고 손상된 비트 값들을 포함할 수 있다. 긴 메시지, 예컨대 1000 비트 메시지가 보내진다고 가정하면, 이 비트들은 수신된 비트들과 비교될 수 있다. 만일, 예를 들어, 980 비트가 올바르다면, 피크에 도달될 때까지 다음 1000 비트들이 비교된다. 올바른 비트의 수가 평균 수보다 클 때 피크에 도달된다. 1000 비트의 메시지를 보내는 예에서, 만일 피크가 예컨대 600이라면, 그것이 올바른 메시지라고 결정된다. 그래서, 특정 시간에 노이즈의 존재하에서 메시지가 수신되어 통계적으로 결정된다. 수신된 위성 신호의 코드 위상 "n"을 결정하는 방법은 본 발명의 실시예에 따라서 이하의 도 3a에서 설명될 것이다.
"시간 바이어스(Time Bias)"는 예를 들어, 시스템(300)에서 임의의 타이밍 바이어스를 나타낼 수 있고, 위성(304)의 클럭에서의 측정된 에러들 및/또는 전송 시퀀스에서의 공지된 시간 슬롯 변화들을 보상할 수 있다. 시간 슬롯은 위성(304)에 의해서 제공될 수 있고, 또는 레퍼런스 스테이션에 의해서 측정될 수 있고, 또는 서비스의 일부로서 고정되거나 예측될 수 있다. 도 3의 예에서, 90 밀리세컨드(millisecond)의 이리듐의 메시지 프레임이 시간 슬롯으로 쪼개질 수 있다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 버스트(burst)가 발생할 수 있고, 메시지 프레임 내에서 특정된 시간 슬롯에 의해서 오프셋될 수 있다. 수신기 유닛(302)은 네트워크(308)를 통해서 어느 시간 슬롯을 사용할지 알 수 있다. 네트워크(308)는 예를 들어, 브로드캐스팅 주파수 및/또는 다른 요소들에 따라서 빈번하게 변하는 전송 부 대역(sub band), 다시 말해 전송 주파수와 같은 기본 정보를 제공한다.
"범위(Range)"는 위성(304) 및 수신기 유닛(302) 사이의 거리를 나타내고, 데이터 링크를 통해서 전송될 수 있는 위성(304)에 대한 궤도 모델, 수신기 유닛(302)의 위치에 대한 적절히 정확한 지식, 및 (위성 궤도 모델로의 입력으로서) 근사 시간을 사용해서 계산될 수 있다. 일 실시예에서, 약 10 마이크로세컨드 내에서 정확성을 얻기 위해서, 범위 추정은 약 3000 m까지 정확해야 하고, 이것은 지상에서 약 20,000 m의 수평적인 정확성과 같다. 포지셔닝의 이러한 레벨은 예를 들어, 셀(cell) 네트워크 기술을 통해서 쉽게 달성될 수 있다. 추가적으로, 사용자가 현재 위치한 것이 어느 non-GPS 위성 빔인지 및 최근의 빔 시간 이력에 대한 지식을 기초로 하여 간단한 빔 커버리지(beam coverage) 방법이 수신기 유닛(302)의 위치를 결정하기 위해서 채용될 수 있다. 코어스 포지셔닝(coarse positioning)의 수많은 다른 방법들 또한 적절하게 채용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 위성(304)에 대한 위성 궤도 정보(ephemeris)는 다양한 시점에서 위성들의 배치 내에서의 위성(304)의 위치 및 위성(304)으로부터 클럭 값들을 정확하게 얻기 위해서 수신기 유닛(302)에 의해서 사용될 수 있는 다른 정보와 같은 정보를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 네트워크(308)는 1 킬로미터 이내에서 수신기 유닛(302)(또는 사용자)의 위치를 쉽게 결정할 수 있다. 범위는 약 3 킬로미터까지 정확할 수 있다. 수신기 유닛(302)의 근사 시간은 위성(304)의 위치를 결정하기 위해서 궤도 정보와 함께 사용될 수 있다. 위성(304)의 범위가 결정된 후, 광속("C"라고도 함)에 의해서 나누어진다.
도 3a는 실시예에 따라서, 수신된 위성 신호의 코드 위상을 결정하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다. 도 3a는 위성(304)이 이리듐 위성을 포함하는 예이다. 블록(2010)에서 데이터를 포함하는 신호는 이리듐 위성으로부터 수신될 수 있고, (도 1a에 도시된 바와 같이) 적절한 안테나, 증폭기, 및 다운컨버터를 가지는 수신기 유닛과 함께 전체 이리듐 주파수 대역에 대해서 수집될 수 있다. 블록(2020)에서, 수신된 데이터는 예컨대, 1606 MHz로 다운컨버팅되고, 데이터는 예컨대, 초당 50 M샘플로 샘플링될 수 있다.
블록(2030)에서, 샘플링된 데이터는 예컨대, 1초 세그먼트 블록에서 적당한 블록으로 캡쳐되어 메모리에 저장될 수 있다.
블록(2040)에서, 샘플링된 데이터에 대한 코어스 포착(coarse acquisition) 조사가 수행된다. 이 예에서, 대략 9 ms의 데이터가 세부 처리를 위해서 선택될 수 있다. 캡쳐된 데이터의 도플러는 공지의 궤도 모델 및 추정 시간을 이용해서 추정될 수 있다. 데이터는 공지의 (또는 추정된) 주파수 부-대역(sub-band) 및 액세스를 기초로 하여 사인 및 코사인 함수를 가지고 디지털적으로 복조될 수 있다. 복조는 또한 추정된 도플러 주파수를 포함할 수 있다. 이후, 데이터는 예컨대, 대략 111의 인수에 의해서 데시메이트(decimate)될 수 있다. 고속 푸리에 변환(FFT)이 최고 피크(the highest peak) 및 관련 주파수를 결정하기 위해 데시메이트된 데이터 상에서 사용될 수 있다. 관련 주파수가 다음 반복수행(iteration)에서 복조를 추가적으로 향상시키기 위해서 사용될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 복조는 일반적으로 DC 결과를 산출할 것이지만, 불완전한 도플러 추정은 일반적으로 저주파수 요소를 생성한다. 다음으로, 이어지는 샘플링된 데이터의 1 밀리세컨드 블록이 고려될 수 있고, 이 과정이 반복될 수 있다.
블록(2050)에서, 처리된 데이터는 일관성 검사를 수행하는 피크들에 대해서 스크린(screen)된다. 예를 들어, 피크들은 "n"*90 밀리세컨드로 분리되어야 한다.
블록(2060)에서, 일단 피크들이 스크린되면, 정밀 포착(fine acquisition)이 coarse peak + 180 milliseconds - 0.5*window의 위치에서 수행될 수 있다. 윈도우(window)는 코드가 발견되리라고 기대되는 시간에서의 범위를 나타낸다. 예를 들어, 수신된 데이터는 코드에서 128 개의 0이 아닌 메시지에 대해서 코릴레이션될 수 있고; 이후 최고 코릴레이션 피크가 저장될 수 있고; 시간 단계가 수 마이크로세컨드만큼 증가될 수 있다. 이후, 이 과정이 윈도우의 지속기간 동안 반복될 수 있다.
블록(2070)에서, 어느 메시지가 최상의 피크(the best peak)를 제공하는지 알고 상대 시간을 아는 것에 의해서 데이터가 캡쳐되었을 때 수신기 유닛에 의해서 코드 위상이 결정될 수 있다.
일단 코드 위상이 결정되면, 정밀한 절대 시간이 도 3의 방정식(406)의 관점에서 상술한 바와 같이 결정될 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따라서 상술한 기술들(techniques)에 의해서 정밀한 절대 시간이 계산된 후에, 정밀한 절대 시간은 GPS와 같은 포지셔닝 시스템의 지원(aid)으로서 또는 네트워크 동기화와 같은 수많은 어플리케이션에서 사용될 수 있다.
포지셔닝 지원 실시예에서, 상술한 바와 같이 결정된 정밀한 절대 시간은 수신기 유닛(302) 예컨대, GPS 수신기의 코릴레이터를 정렬시키거나 "초점을 맞추기(focus)" 위해서 채용될 수 있다. 이 경우에, GPS 수신기는 다수의 병렬 포지셔닝 시스템 코릴레이터를 가질 수 있고, 이것은 충분하게 시간-정렬이 되었을 때(예컨대, 상술한 기술들을 사용해서) 감쇠되거나 잼된 환경에서도 위성(306) 예컨대, GPS 위성으로부터 신호(309) 예컨대, GPS 신호를 추적할 수 있다.
수신기 유닛(302)은 또한, 관측자에 대해 방출하는 소스의 움직임에 의해서 생성된 방출된 파의 주파수 상에서의 변화를 말하는 도플러 천이를 보상할 수 있다. 위성이 하늘을 통해서 이동함에 따라, 위성 신호의 전송 주파수가 변한다. 시간에 대한 지식을 이용함으로써 수신기 유닛(302)은 정확한 주파수가 획득될 수 있도록 도플러 천이를 예상하고 보상할 수 있다. 일 실시예에서, 도플러 천이는 다음의 방정식에 의해서 계산될 수 있다:
Doppler = range rate ÷ C x normal frequency of transmission
상술한 바와 같이 위성(304)까지의 범위(range)는 수신기 유닛(302)의 위치와 위성(304) 사이의 거리이다. 범위 레이트(range rate)는 범위와 시간의 함수이고, 예컨대 서로 다른 두 개의 시점들(points in time) 사이에서 이동한 거리를 기초로 한 속도의 측정과 다르지 않다. 마지막으로, 상기 도플러 방정식에서, 이리듐 위성을 위한 공칭 전송(transmission) 주파수는 예를 들어, 약 1.6 GHz일 수 있다. "C"는 광속을 말한다.
네트워크(308)는 도플러 천이가 발생했을 때 신호가 적절히 주파수를 고정하도록 변하게 하기 위해서 위성 정보뿐만 아니라 신호에 대한 사전 튜닝 정보를 제공한다.
위성(304)의 도플러 프로파일은 또한 타이밍 정보를 결정하는데 도움이 될 수 있다. 수신기 유닛(302)은 시간에 대해서 위성(304)으로부터 수신된 다양한 신호(305)들을 모니터링할 수 있다. 위성(304)이 머리 위로 이동함에 따라 발생하는 도플러 천이를 결정함으로써, 수신기 유닛(302)은 수신기 유닛(302)의 위치의 정밀한 결정과 타이밍 정보를 획득할 수 있다. 그래서, 도 3에서의 방정식(406)을 다시 참조하면, 수신기 유닛(302)의 위치의 추정은 위성(304)의 도플러 프로파일(profile)을 참조함으로써 수행될 수 있다.
그래서, 상술한 실시예에서, 방정식(406)에 따른 정밀한 절대 시간은 우주 네트워크(예컨대, 하나 이상의 위성(304 및/또는 306))를 서포트하기 위해서 지상 네트워크(예컨대, 네트워크(308))에 존재하는 수신기 유닛(302)으로 전달될 수 있다.
이하에서 도 3b의 관점에서 더욱 상세하게 설명될 다른 실시예에서, 예컨대, 이리듐 위성의 타고난 L 대역 버스트 구조(structure) 신호를 이용함으로써, 상술한 바와 같이 제공된 추가적 지원 정보가 존재하지 않는 상태에서 정밀한 절대 시간이 달성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 위성(304)은 이리듐과 같은 LEO 위성일 수 있고, 위성(306)은 GSP 위성일 수 있다. 이러한 실시예에서, 이리듐 위성은 1610 MHz에서 1625 MHz까지의 L 대역 구조에 따라서 주파수를 사용한다. GPS 캐리어들은 또한 1176.45 MHz (L5), 1227.60 MHz (L2), 1381.05 MHz (L3), 및 1575.42 MHz (Ll) 주파수를 중심으로 해서 L 대역에 존재한다고 알려져 있다. 이리듐과 GPS 주파수 사이의 근접성 때문에 수신기 유닛(302)은 여분의 안테나에 대한 필요 없이 양쪽 위성 시스템, 즉 이리듐 및 GPS 위성 시스템으로부터 함께 신호를 수신할 수 있다.
각각의 이리듐 위성은 내부 클럭을 유지하는데, 이것은 클럭 표류(drift) 없이 협정 세계시(UTC, 프랑스어로는 Temps Universel Coordonne라고 하고, 그리니치 평균시 또는 줄루(Zulu) 시간으로도 알려짐) 관점에서 10 마이크로세컨드 내의 정확성으로 모니터링되고 유지된다. 따라서, 이리듐 위성에 의해서 제공된 L 대역 신호는 대략 10 마이크로세컨드 내에서 UTC 시간에 정확하게 맞춰질 수 있다. L 대역 이리듐 위성 신호는 90 밀리세컨드 프레임을 가지고 구조화된다. 따라서, 이리듐 위성 신호의 L 대역 프레임의 에지를 결정함으로써 정확한 타이밍 정보가 획득된다.
이제, 도 3b를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따라서 감쇠되거나 잼된 환경에서 시간 전송 및 내비게이션을 수행하는 방법을 도시하는 흐름도가 제공된다. 이 실시예에서 네트워크(308)를 통해서 제공된 추가적 지원 정보가 이용가능하지 않다는 점을 제외하고는, 도 3b에서 도시된 방법은 도 1의 내비게이션 시스템을 가지고 구현될 수 있다.
블록(502)에서, 위성(304)으로부터 브로드캐스팅된 신호(305)의 프레임 구조(예컨대, L 대역 이리듐 위성 신호에 의해서 구현된 경우)는 수신기 유닛(302)에 의해서 검출된다. 잘 정의되거나 정제된 코드 없이도, 수신기 유닛(302)이 이리듐 전송 신호의 L 대역 프레임을 검출하는 것이 가능하다. 이 실시예에서 추가적 지원 정보가 네트워크(308)로부터 이용가능하지 않다고 가정되기 때문에, 수신기 유닛(302)은 절대 시간의 연속적인 추측 또는 추정을 준비한다. 충분한 사전 지식을 가지고, 시간 추정의 수는 빈번하게 합당한 수와 결부된다. 예를 들어, 이리듐 프레임 구조의 100 프레임 내에서 준비된 GPS 초(GPS second)가 존재한다. 따라서, 시간 추정 또는 추측의 수는 100 번으로 감소될 수 있다.
블록(504)에서, 일단 연속적인 추정이 생성되면, 수신기 유닛(302)의 로컬 클럭이 위성(304)의 신호(305)의 프레임 구조에 정렬된다.
블록(506)에서, 프레임 구조 신호에 따라서 개별적으로 분리된 복수의 시간 추정이 생성되고, 여기서 적어도 하나의 시간 추정이 위성(306)의 신호(309)에 정렬된다.
블록(508)에서, 시간 추정은 수신기 유닛(302)의 병렬 코릴레이터에 제공될 수 있다. 이후, 병렬 코릴레이터는 시간 추정에 따라서 정렬된다.
블록(510)에서, 위성(306)의 신호(309)에 정렬된 시간 추정이 식별되고, 수신기 유닛(302)에 지원 정보를 제공한다. 이 지원 정보는 위성(306)의 신호(309)를 효율적으로 검출하기 위한 수신기 유닛(302)의 능력을 상당히 향상시킨다. 다시 말해, 상술한 바와 같이 위성(304)을 구현하기 위해서 이리듐 위성이 사용되는 실시예에 따라서, 예컨대 위성 신호 프레임 구조의 프레임 에지를 결정하기 위해서 수많은 병렬 전화 통화를 활용하는 것이 가능하다. 이 예에서, 이리듐은 90 밀리세컨드의 프레임 구조를 가진다. 매 100 프레임 내에, 그 안에 준비된 해당 GPS 초가 존재한다. 그러므로, 단순히 프레임 에지를 아는 것에 의해서, 무한한 수로 추정을 시도하는 것보다 100 프레임을 시도함으로써 지원 정보를 획득하는 것이 더 쉽기 때문에 GPS 처리는 상당히 향상된다.
하나 이상의 실시예에 따라서 정밀한 절대 시간을 획득하기 위해 도 1 내지 3b의 관점에서 상술한 시스템들 및 방법들은 무선 네트워크 스테이션의 조사를 순간적으로 초기화함으로써 실내 내비게이션(예컨대, WiFi 수신기, WiFi-호환 장치, 802.11-호환 장치, 또는 다른 무선 장치)을 용이하게 하기 위해서 사용될 수 있다. 하나 이상의 실시예에 따라서, 상술한 정밀한 절대 시간을 사용함으로써, 무선 네트워크 스테이션(예컨대, 인터넷 핫스팟 및/또는 무선 네트워크 스테이션의 다른 유형들)은 수신기 유닛(302)을 위한 (조사된 위치를 가진) 포지셔닝 비컨으로 동작할 수 있다. 결과적으로, 수신기 유닛(302)의 로밍(roaming) 사용자는 실내 환경에서 내비게이션할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라서 위성이 무선 네트워크 스테이션 로컬라이제이션(localization)을 허용하기 위해 위성을 이용하는 자기 형성(self forming) 내비게이션 시스템(300a)을 제공한다. 도 4에서, 수신기 유닛(302a)은 무선 네트워크 스테이션(702, 704, 및 706)으로부터의 지원 정보를 포함할 수 있는 레인징 신호(701, 703, 및 705)를 수신하도록 구성될 수 있다. 각각의 무선 네트워크 스테이션(702, 704, 및 706)은 네트워크(708)와 신호 통신을 하고, 또한 위성(304a)으로부터 정밀 시간 및 레인징 신호(710)를 수신한다. 일 실시예에서, 수신기 유닛(302a)의 위치는 로밍 사용자의 위치에 해당할 수 있다.
무선 네트워크 스테이션(702, 704, 및 706)는 WiFi 트랜시버뿐 아니라 다른 무선 네트워크 스테이션 장치, 구성, 및/또는 네트워크를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 게다가, 네트워크(708)는 인터넷 또는 셀룰러 네트워크나 TV 네트워크와 같은 다른 적절한 네트워크를 포함할 수 있다.
도 5를 참조해서, 본 발명의 실시예에 따라서 위성 신호 및 무선 네트워크 스테이션 신호를 통합함으로써 지오로케이션(geolocation)을 수행하는 방법을 설명하는 흐름도가 제공된다. 도 5의 흐름도는 도 4의 내비게이션 시스템에서 사용하기 위해 구현될 수 있다. 이러한 실시예에서, 예컨대 이리듐 위성 및 GPS 위성으로부터의 위성 신호는 WiFi 또는 802.11 유형의 신호와 통합될 수 있다.
블록(802)에서, (도 1 내지 3b의 관점에서 하나 이상의 실시예에서 상술된 바와 같이) 수신기 유닛(302a)은 위성(304a), 예컨대 LEO 위성으로부터 브로드캐스팅된 의사 랜덤 코드와 같은 반복가능한 코드의 형태로 정밀한 절대 타이밍 코드 신호(710)를 수신한다.
블록(804)에서, 수신기 유닛(302a)은 무선 네트워크 스테이션(702, 704, 및/또는 706)을 통해서 지원 정보를 수신한다.
블록(806)에서, 정밀한 절대 타이밍 코드 신호(710)는 수 마이크로세컨드의 정확성 내에서 정밀한 절대 시간을 결정하기 위해서 무선 네트워크 스테이션(702, 704, 및/또는 706)으로부터의 지원 정보와 함께 사용된다.
블록(808)에서, 수신기 유닛(302a)의 시스템 코릴레이터, 예컨대 GPS 코릴레이터는 막힌 환경에서 포지셔닝, 예컨대 GPS 포지셔닝을 용이하게 하기 위해서 정밀한 절대 시간을 사용해서 정렬된다.
블록(810)에서, 수신기 유닛(302a)은 정밀한 절대 시간을 이용해서 결정된 포지셔닝 정보를 사용해서 무선 네트워크 스테이션(702, 704, 및 706)의 위치를 조사한다.
블록(812)에서, 수신기 유닛(302a)은 레인징 코드 상에서 전송된 무선 네트워크 스테이션(702, 704, 및 706)의 위치 정보를 수신한다.
블록(814)에서, 수신기 유닛(302a)은 하나 이상의 무선 네트워크 스테이션( 702, 704, 및 706)으로부터 포지셔닝 정보 및 레인징 정보를 결합함으로써 절대 지오로케이션을 수행한다.
일 실시예에 있어서, 원한다면 로밍 사용자의 위치(예컨대, 수신기 유닛(302a)의 위치)는 무선 네트워크 스테이션(702, 704, 및 706)을 통해서 보고되어서 사용자 추적을 용이하게 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라서 위성 신호 및 무선 네트워크 신호를 통합함으로써 지오로케이션을 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 6의 흐름도는 도 4의 내비게이션 시스템에서 사용하기 위해 구현될 수 있다. 이 실시예에서, 비컨으로 작동하는 무선 네트워크 스테이션의 포지셔닝은 또한 예컨대, 이리듐 위성 신호(만) 및 WiFi 또는 802.11 유형의 신호를 (더 긴 통합 시간과) 통합함으로써 달성될 수 있다.
블록(802-806)에서 도 5의 관점에서 상술된 방법은 수 마이크로세컨드의 정확성 내에서 정밀한 절대 시간을 결정하기 위해서 이 실시예에서 사용될 수 있다. 일단 절대 시간이 결정되면, 도 6의 블록(910)에서 수신기 유닛(302a)의 시스템 코릴레이터는 막힌 환경에서 포지셔닝을 용이하게 하기 위해 절대 시간을 이용해서 정렬된다.
블록(912)에서, 수신기 유닛(302)은 시간에 대해서 복수의 위성을 위해 위성 레인징 코드(예컨대, 이리듐 iGPS 레인징 코드)를 측정한다.
블록(914)에서, 무선 네트워크 스테이션(702, 704, 및 706)은 움직이지 않는다고 가정하고, 레인징 코드는 궤도 정보 및 타이밍 신호와 같은 위성 정보와 결합된다.
블록(916)에서, 수신기 유닛(302a)은 복수의 위성(예컨대, 이리듐) 패스(pass)들을 반복적으로 통합함으로써 복수의 반복수행을 사용해서 포지셔닝을 계산한다.
블록(918)에서, WiFi 트랜시버(702, 704, 및 706)의 위치는 포지셔닝 정보를 사용함으로써 조사된다.
블록(920)에서, 수신기 유닛(302a)은 레인징 코드 상에서 전송된 WiFi 트랜시버(702, 704, 및 706)의 위치에 대한 정보를 수신한다.
블록(922)에서, 수신기 유닛(302a)은 하나 이상의 WiFi 트랜시버(702, 704, 및 706)으로부터 포지셔닝 정보 및 레인징 정보를 결합함으로써 절대적인 지오로케이션을 수행한다.
실시예에 따라서, 로밍 사용자의 위치는 (원한다면) 무선 네트워크를 통해서 보고되어 사용자 추적을 용이하게 할 수 있다.
레인징을 결정하기 위해서, 예를 들어, 도래 시간차(differential time of arrival)가 결정될 수 있다. WiFi 트랜시버는 수신기 유닛(302a), 예컨대 전화 또는 컴퓨터로 메시지를 보낼 수 있고, 이것이 수신되자마자 메시지가 WiFi 트랜시버로 돌려 보내진다. 컴퓨터 또는 전화의 처리 기간은 공지되어 있다. WiFi 트랜시버는 수신기 유닛(302a)이 WiFi 트랜시버에 다시 응답하는데 얼마나 오래 걸렸었는지를 안다. 그래서, 도래 시간차(DTOA)는 계산될 수 있고, 수신기 유닛의 처리 기간과 메시지가 WiFi 트랜시버로 되돌아 가는데 걸린 시간의 합과 같을 것이다.
적용가능한 경우, 본 발명의 개시에 의해서 제공되는 다양한 실시예들이 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합을 이용해서 구현될 수 있다. 또한, 적용가능한 경우, 본 명세서에서 제시된 다양한 하드웨어 구성요소들 및/또는 소프트웨어 구성요소들은 본 개시의 사상의 범위를 벗어남이 없이 소프트웨어, 하드웨어, 및/또는 양자를 포함하는 복합 구성요소들로 결합될 수 있다. 적용가능한 경우, 본 명세서에서 제시된 다양한 하드웨어 구성요소들 및/또는 소프트웨어 구성요소들은 본 개시의 사상의 범위를 벗어남이 없이 소프트웨어, 하드웨어, 또는 양자를 포함하는 세부-구성요소들(sub-components)로 분리될 수 있다. 게다가, 적용가능한 경우, 소프트웨어 구송요소들은 하드웨어 구성요소들로 구현될 수 있고, 그 반대도 가능하다고 고려된다.
프로그램 코드 및/또는 데이터와 같이 본 발명의 개시에 따른 소프트웨어는 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장될 수 있다. 본 명세서에서 식별된 소프트웨어는 하나 이상의 일반적인 목적 또는 지정된 목적의 컴퓨터 및/또는 컴퓨터 시스템을 이용해서 구현될 수 있고, 네트워킹 및/또는 이와 달리 구현될 수 있다. 적용가능한 경우, 본 명세서에서 설명된 다양한 단계들의 순서는 본 명세서에서 설명된 특징들을 제공하기 위해서 변경될 수 있고, 복합 단계로 결합될 수 있고, 및/또는 세부-단계로 분리될 수 있다.
다른 실시예들은 다음 문단에서 보이는 바와 같은 특징을 가질 수 있다.
감쇠되거나 잼된 환경에서 내비게이션을 수행하는 방법은: 제1 위성으로부터 수신된 신호의 프레임 구조를 검출하는 단계; 검출된 프레임 구조에 수신기 유닛의 클럭을 정렬하는 단계; 프레임 구조에 따라서 개별적으로 분리된 복수의 시간 추정을 생성하는 단계로서, 적어도 하나의 시간 추정이 제2 위성의 신호에 정렬될 단계; 상기 시간 추정을 수신기 유닛의 시스템 코릴레이터에 제공하는 단계; 상기 시간 추정에 따라서 시스템 코릴레이터를 정렬하는 단계; 및 제2 위성으로부터 신호 소스에 정렬된 적어도 하나의 시간 추정을 식별하는 단계로서, 적어도 하나의 시간 추정이 수신기 유닛에 성공적인 지원 정보를 제공하고, 검출 효율을 상당히 향상시키는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 수신기 유닛은 iGPS 타이밍 수신기일 수 있다.
여기서, 상기 제1 위성은 저지구 궤도(LEO) 위성일 수 있다.
여기서, 상기 LEO 위성은 이리듐 위성일 수 있다.
여기서, 상기 프레임 구조는 90 밀리세컨드 L 대역 프레임을 포함할 수 있다.
감쇠되거나 잼된 환경에서 사용하기 위한 수신기 유닛은: 주파수 대역 프레임 구조를 포함하는 정밀 시간 신호를 제1 위성으로부터 수신하고, 제2 신호를 제2 위성으로부터 수신하도록 적용된 안테나; 프로세서; 및 상기 프로세서에 의해서 실행될 때 수신기 유닛이: 제1 위성의 프레임 구조를 검출하는 것; 수신기 유닛의 내부 클럭을 제1 위성의 프레임 구조에 정렬하는 것; 제1 위성의 프레임 구조에 따라서 개별적으로 분리된 복수의 시간 추정을 생성하는 것으로서, 적어도 하나의 시간 추정이 제2 위성으로부터의 신호에 정렬되는 것; 시간 추정에 따라서 수신기 유닛의 시스템 코릴레이터를 정렬하는 것; 및 성공적인 지원 정보가 수신기 유닛에 제공되도록 제2 위성으로부터의 신호에 정렬된 적어도 하나의 시간 추정을 식별하는 것을 초래하도록 적용된 컴퓨터 판독가능한 복수의 명령어를 저장하도록 적용된 메모리;를 포함한다.
여기서, 주파수 대역 프레임 구조는 L-대역 프레임 구조를 포함할 수 있다.
상술한 실시예는 본 발명을 설명하는 것이지 제한하는 것은 아니다. 다양한 수정 및 변형이 본 발명의 원리에 따라서 가능하다는 점 또한 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 청구항들에 의해서만 제한된다.

Claims (27)

  1. 수신기 유닛에 의해 위성으로부터 정밀한 절대 시간 전송을 획득하기 위한 방법으로서:
    수신기 유닛이, 주기적 반복 코드를 포함하는 정밀 시간 신호를 위성으로부터 수신하는 단계;
    수신기 유닛이, 상기 코드의 타이밍 위상을 결정하는 단계;
    수신기 유닛이, 위성으로부터 수신된 정밀 시간 신호의 충실도를 향상시킬 수 있는 추가적 지원 정보(aiding information)를 수신하는 단계; 및
    수신기 유닛이, 정밀한 절대 시간을 결정하기 위해서, 상기 코드의 타이밍 위상과 상기 추가적 지원 정보를 결합함으로써 상기 코드의 타이밍 위상을 정밀한 절대 시간으로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성으로부터 정밀한 절대 시간 전송을 획득하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 추가적 지원 정보를 수신하는 단계는 네트워크를 통해서 추가적 지원 정보를 수신하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 위성으로부터 정밀한 절대 시간 전송을 획득하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 네트워크는 셀룰러 네트워크, WiFi 네트워크, 또는 인터넷 네트워크인 것을 특징으로 하는 위성으로부터 정밀한 절대 시간 전송을 획득하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코드는 코어스(coarse) 타이밍 코드와 의사 랜덤 코드를 교대로 취하는 것을 특징으로 하는 위성으로부터 정밀한 절대 시간 전송을 획득하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 위성은 제1 위성이고;
    상기 방법은:
    상기 코드의 타이밍 위상을 정밀한 절대 시간으로 변환하는 단계 이후에, 수신기 유닛이, 감쇠되거나 잼된(jammed) 환경에서 제2 위성으로부터 수신된 포지셔닝 신호를 기초로 하여 네비게이션을 수행하기 위해서 정밀한 절대 시간을 기초로 하여 수신기 유닛의 포지셔닝 코릴레이터를 정렬하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위성으로부터 정밀한 절대 시간 전송을 획득하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 위성은 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS) 위성 또는 저지구 궤도(LEO) 위성인 것을 특징으로 하는 위성으로부터 정밀한 절대 시간 전송을 획득하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 추가적 지원 정보는 상기 위성과 관련된 궤도 정보, 5 초 이내의 근사 시간, 3000 미터 이내의 위성과 수신기 사이의 근사 범위, 또는 위성의 클럭과 관련된 클럭 오프셋 정보이거나;
    상기 추가적 지원 정보는 위성의 도플러 프로파일로부터 온 것임을 특징으로 하는 위성으로부터 정밀한 절대 시간 전송을 획득하기 위한 방법.
  8. 감쇠되거나 잼된 환경에서 사용하기 위한 수신기 유닛으로서:
    주기적 반복 코드를 포함하는 정밀 시간 신호를 위성으로부터 수신하는 것과 위성으로부터 수신된 정밀 시간 신호의 충실도를 향상시킬 수 있는 추가적 지원 정보를 수신하는 것을 수행하도록 적용된 안테나;
    프로세서;
    상기 프로세서에 의해서 실행될 때 수신기 유닛이:
    상기 코드의 타이밍 위상을 결정하는 것과,
    정밀한 절대 시간을 결정하기 위해서, 상기 코드의 타이밍 위상과 상기 추가적 지원 정보를 결합함으로써 상기 코드의 타이밍 위상을 정밀한 절대 시간으로 변환하는 것을
    초래하도록 적용된 컴퓨터 판독가능한 복수의 명령어를 저장하도록 적용된 메모리;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 유닛.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 위성은 제1 위성이고,
    상기 수신기 유닛은:
    제2 위성으로부터 수신된 포지셔닝 신호를 기초로 하여 내비게이션을 수행하기 위해서 정밀한 절대 시간을 기초로 하여 정렬되도록 적용된 시스템 코릴레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기 유닛.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 시스템 코릴레이터는 프로세서에 의해서 구현되는 것을 특징으로 하는 수신기 유닛.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 위성은 저지구 궤도(LEO) 위성인 것을 특징으로 하는 수신기 유닛.
  12. 제 8 항에 있어서,
    추가적 지원 정보를 수신하는 것은 네트워크를 통하여 추가적 지원 정보를 수신하는 것을 포함하고,
    상기 네트워크는 셀룰러 네트워크, WiFi 네트워크, 또는 인터넷 네트워크인 것을 특징으로 하는 수신기 유닛.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 코드는 코어스(coarse) 타이밍 코드와 의사 랜덤 코드를 교대로 취하는 것을 특징으로 하는 수신기 유닛.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 수신기 유닛은 셀룰러 전화기, 휴대용 내비게이션 장치, 차량-기반 내비게이션 장치, 또는 항공기-기반 내비게이션 장치인 것을 특징으로 하는 수신기 유닛.
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