KR101329055B1 - 의사위성을 이용한 측위장치 및 그 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 의사위성을 이용하여 측위하는 시스템 및 그 신호 송신 장치에 관한 것으로, 저렴하면서 불필요한 무선 링크의 사용을 줄일 수 있는 장치 및 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 항법 신호를 송신하기 위한 의사위성 신호 송신 장치로, 항법용 의사위성 코드를 생성하여 출력하는 4개 이상의 의사위성들과, 상기 각 의사위성들에서 출력된 신호를 상기 각 의사위성들과 각각 대응되어 송신하는 안테나들과, 상기 각 의사위성들로 동기용 클럭을 제공하는 하나의 동기용 클럭을 포함한다.

Description

의사위성을 이용한 측위장치 및 그 시스템{APPARATUS FOR DETERMINATING POSITION USING PSEUDO SATELLITE AND SYSTEM THEREOF}

본 발명은 범용 위치 시스템(Global Positioning System, 이하 "GPS"라 함) 의사위성을 이용하여 실내 혹은 GPS 신호가 도달하지 못하는 공간에서 정밀 측위를 하는 장치 및 방법과 그 시스템에 관한 것이다. "본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 위성항법지상국시스템 및 탐색구조 단말기 개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제고유번호: 2007-S-301-03, 과제명 : 위성항법지상국시스템 및 탐색구조 단말기 개발]."

일반적으로 GPS 시스템는 지구상에서 일정한 높이의 정지 궤도를 회전하는 인공위성을 이용하여 위치를 측정하기 위한 시스템이다. 이러한 GPS 시스템은 정지 궤도를 회전하는 서로 다른 4개 이상의 인공위성들로부터 신호를 수신하고, 수신된 신호를 이용하여 자신의 위치를 계산하기 위한 시스템이다. 따라서 GPS 시스템은 신호의 현재의 위치 뿐 아니라 필요한 경우 고도 정보까지 획득할 수 있다.

그런데, 이러한 GPS 시스템은 정지 궤도를 회전하고 있는 인공위성들로부터 신호를 수신해야 하기 때문에 실내에서나 고층의 건물이 밀집되어 있는 장소에서는 위성 신호를 수신할 수 없으므로, GPS 시스템을 사용할 수 없게 된다.

이와 같이 고층의 건물이 밀집되어 위성 신호를 수신하기 어려운 경우 또는 실내 공간에서는 GPS 신호를 대체하기 위해 의사위성을 사용하는 방법이 제시되어 있다. 그러면 의사위성에 대하여 살펴보기로 한다.

의사위성이란, 정지궤도에 위치한 특정한 위성으로부터 송신되는 신호를 대신하여 송신하기 위해 실내 또는 고층의 건물이 밀집되어 위성 신호를 수신하기 어려운 장소에 위성에서 송신하는 것과 같은 형식으로 신호를 송신하는 장치를 의미한다.

이러한 의사 위성 시스템은 다수의 의사위성과 의사위성의 신호를 감시하여 주로 시각 보정 정보와 같은 보정정보를 생성하는 기준국을 둔다. 그리고 이러한 의사 위성 시스템은, 기준국에서 보정 정보를 사용자에게 전송하는 무선 링크를 필요로 한다.

한편, 한 단계 진보한 의사 위성 시스템의 형태는 하나의 마스터 의사위성과 다수의 슬레이브 의사위성을 갖도록 한다. 이러한 의사 위성 시스템은, 사용자에게 주로 시각 보정 정보와 같은 보정 정보를 제공하는 무선링크를 사용하지 않기 위해 하나의 마스터 의사위성에 정밀시각 소스를 장착한다. 그리고 다수의 슬레이브 의사위성의 시각을 의사위성 신호감시 기준국에서 모니터한다. 기준국에서 모니터링된 다수의 슬레이브 의사위성의 시각 정보를 기준으로 슬레이브 의사위성 내에 설치된 PLL 제어 회로를 통하여 각 슬레이브 의사위성의 동기를 맞추도록 하는 시스템이 제안되어 있다. 이와 같이 마스터와 슬레이브를 두는 의사위성 시스템은 실내 측위 시 다수의 의사위성 시스템을 매 층마다 설치해야 하므로 이에 따른 소요비용이 가장 큰 걸림돌이 되어왔다.

따라서 본 발명에서는 의사위성 시스템의 비용을 줄일 수 있는 의사위성 시스템 및 그 운용 방법을 제공한다.

본 발명에서는 의사위성 시스템에서 시각 정보와 같은 보정 정보를 제공하지 않도록 하는 의사위성 필요로 하지 않는 의사위성 시스템 및 그 운용 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 항법 신호를 송신하기 위한 의사위성 신호 송신 장치로, 항법용 의사위성 코드를 생성하여 출력하는 4개 이상의 의사위성들과, 상기 각 의사위성들에서 출력된 신호를 상기 각 의사위성들과 각각 대응되어 송신하는 안테나들과, 상기 각 의사위성들로 동기용 클럭을 제공하는 하나의 동기용 클럭을 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템은, 의사위성을 이용한 측위 시스템으로, 하나의 동기용 클럭을 제공하는 클럭 공급부와, 단일 플랫폼으로 구성되어 GPS 신호와 동일한 PRN 코드와 미리 결정된 항법데이터를 생성하여 상기 클럭에 동기되어 출력하는 4개 이상의 의사위성들과, 상기 의사위성들의 출력 신호를 송출하는 각각의 안테나들로 구성되는 의사위성 신호 송신 시스템과,

상기 각 의사위성 안테나로부터 전송된 항법신호를 수신하여 측위하는 수신기를 포함한다.

기존의 의사위성 시스템의 기능을 단일 클럭으로 구성함으로써 기준국 및 보정정보 제공에 필요한 위한 무선망의 없이 측위를 할 수 있는 시스템을 제공함으로써 GPS위성이 가용하지 않은 음영지역에서의 측위가 가능하도록 하는데 필요한 의사위성 시스템의 실제적용에 가장 큰 걸림돌인 고비용의 시스템 구축비용을 획기적으로 줄이면서 같은 성능을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 의사위성 측위시스템의 구성도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 당업자에게 자명한 부분에 대하여는 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략하기로 한다. 또한 이하에서 설명되는 각 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 사용된 것일 뿐이며, 각 제조 회사 또는 연구 그룹에서는 동일한 용도임에도 불구하고 서로 다른 용어로 사용될 수 있음에 유의해야 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 의사위성 측위 시스템의 구성도이다. 이하 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 의사위성 측위 시스템의 구성 및 그 동작에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.

통합 의사위성은 본체(100)와 다수의 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)과 이들의 동기를 위해 동기용 클럭(110) 및 다수의 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)에서 생성된 신호를 동시에 송신하기 위한 안테나들(121, 122, 123, 124, 125)로 구성된다. 다수의 의사 위성들(111, 112, 113, 114, 115)과 안테나들(121, 122, 123, 124, 125)간 매칭은 하나의 위성과 하나의 안테나가 매칭되는 형태를 갖는다.

다수의 의사 위성들(111, 112, 113, 114, 115) 각각은 해당하는 하나의 의사위성으로 GPS 위성과는 다른 의사위성의 PRN 식별번호를 각 안테나들(121, 122, 123, 124, 125)을 통해 동시에 송신한다. 이러한 PRN 식별번호는 항법 신호로 이용된다. 따라서 수신기는 각 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)이 각 안테나들(121, 122, 123, 124, 125)을 통해 동시에 송신한 항법 신호인 PRN 식별번호를 이용하여 측위를 수행한다.

본 발명은 4개 이상의 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)이 각각 모듈로 구성되어 하나로 통합되어 있는 통합 의사위성(100)과 의사 위성들(111, 112, 113, 114, 115)간의 동기를 위해 클럭 정보를 분배하는 하나의 모듈로 구성되어 있는 동기용 클럭(110)을 포함한다. 모듈로 구성된 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)은 도 1에 도시한 바와 같이 4개 이상으로 구성하여 각 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)로부터 생성된 항법신호를 대응하는 각 의사위성 안테나들(121, 122, 123, 124, 125)을 통해 사용자에게 전송한다. 따라서 각 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)은 단일 동기용 클럭(110)으로부터 수신된 클럭에 동기되어 신호를 송신한다. 또한 실내외 겸용 GPS 수신기(200)는 실제 GPS와 상기 의사위성항법 시스템으로부터 신호처리를 하여 정밀 측위를 수행할 수 있다.

일반적으로 GPS 시스템의 GPS 수신기(200)는 정밀한 원자시계로 동기된 GPS 인공위성으로부터 전송되는 항법신호를 수신하여 거리(의사거리)를 측정한다. 또한 GPS 수신기는 GPS 인공위성으로부터 Almanac과 Ephemeris 데이터를 수신하여 위성의 현재의 위치를 계산한다. 위성의 현재 위치 계산에 이론적으로는 3개 위성으로부터 신호를 수신하면 삼각측량 방법으로 수신기위치를 결정할 수 있다. 그러나 사용자용 GPS 수신기(200)에 장착되는 클럭원이 TCXO 급으로 시계오차가 커 3개의 위성으로부터 신호만 이용하는 경우 GPS 수신기(200)의 클럭원으로부터 공급되는 시계 오차를 미지수로 풀어야 한다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 한 개의 위성신호를 더 추가하여 사용자의 위치와 수신기 시계오차를 산출하게 된다. 이러한 메카니즘을 GPS 위성이 가용하지 않은 음영지역에서 가상의 GPS 위성인 의사위성을 이용하여 측위를 하는 것이 의사위성 시스템이다.

본 발명은 종래 기술에서 설명한 바와 같이 이러한 의사위성 시스템을 실제 적용할 시에 걸림돌인 고비용의 시스템 구축비용을 획기적으로 줄이면서 같은 성능을 갖는 의사위성시스템에 대한 것이다.

본 발명에서는 4개 이상의 모듈들로 구성된 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)이 하나로 통합되어 있는 통합 의사위성(100)에서 각각의 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)에 TCXO와 같은 클럭을 모두 설치하지 않고 하나의 동기용 클럭(110)에서 제공하여 항법신호를 동기시킨다. 이와 같이 하나의 동기용 클럭(100)을 통해 각각의 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)에서 생성된 항법신호를 최적의 위치(Geometry)에 배치된 의사위성 안테나(121, 122, 123, 124, 125)를 통하여 송출한다. 여기서 최적의 위치는 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)로부터 의사위성 안테나들(121, 122, 123, 124, 125)까지의 거리가 동일하도록 하는 것이 선로에 의한 지연을 제거하기 위해 바람직하다. 이때 최적의 위치(Geometry)는 음영지역의 형태 또는 실내 공간의 형태 등에 따라 달라질 수 있는 것으로 여기서는 상세히 설명하지 않기로 한다.

GPS 수신기(200)는 이와 같이 최적의 위치(Geometry)에서 송신된 신호를 수신하여 가시 GPS 위성이 없는 음영지역에서 정밀한 측위를 수행할 수 있다. 이때 GPS 수신기(200)는 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)로부터 각 안테나들(121, 122, 123, 124, 125)을 통하여 의사위성 PRN 코드와 의사위성의 위치정보(안테나 위치) 및 안테나 보정(Calibration) 정보 등을 수신하고, 상기 수신된 신호들을 이용하여 GPS 수신기(200)는 측위를 수행하게 된다. 이때 사용자 단말의 시계와 통합의사위성(100)의 시계오차를 결정하기 위해 의사위성의 수를 5개로 하거나 두 시계간의 시간차이를 결정하여 4개의 의사위성을 사용한다. 이를 통해 기존의 GPS 수신기에 약간의 측위 알고리즘의 추가하여 실내 외 연속 측위를 가능하게 하는 의사위성시스템이 구성된다.

이상에서 설명한 발명을 다시 살펴보면, GPS 신호와 동일한 PRN 코드와 자체항법데이터를 실은 반송파 신호를 단일 플랫폼에 통합되고, 단일 클럭으로 동기를 맞추는 적어도 4개 이상 의사위성과 이 의사위성으로 항법신호를 송출하기 위한 안테나로 구성하고, 상기 의사위성은 항법신호를 방사하는 안테나를 최적 측위 정밀도를 유지하기 위한 기하구조(Geometry)로 배치하고 이를 GPS사용자 단말에서 수신하여 측위할 수 있도록 한다.

또한 본 발명에 따른 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)은 단일 클럭(TCXO 등) 소스에 의해 동기가 되도록 수 있도록 하나의 플랫폼으로 구성한다.

또한 신호 송출을 위한 각 안테나들(121, 122, 123, 124, 125)은 측위 서비스 지역에 측위에 최적의 GDOP(geometric dilution of precision)이 되도록 배치하고 그 위치와 위치에 따른 오차요소를 조정(Calibration)한다.

또한 각각의 모듈화 되어 있는 의사위성들(111, 112, 113, 114, 115)은, 연결된 안테나의 위치와 위치에 따른 오차요소를 송출하는 항법데이터(메시지)에 포함할 수 있다.

또한 사용자 단말기에서 측위시 의사위성의 시계오차 결정을 위하여 기존의 항법 시스템에서의 필요 의사위성수인 4개보다 1개가 더 많은 5개의 의사위성을 이용하거나 또는 4개의 의사위성을 이용하여 사용자 단말의 시계와 의사 위성 시계의 차이를 결정하는 방법을 사용하여 사용자위치 측위를 한다.

또한 사용자 단말기에서 수신 항법신호의 PRN 코드가 실제 위성인 경우 기존의 GPS 시스템 측위 방법을 따르고, PRN 코드가 의사위성의 것인 경우 의사위성에서 송출된 위치정보와 보정정보에 따라 측위를 수행한다. 두 신호가 동시에 수신되는 경우에는 최적의 GDOP가 되는 신호에 의해 측위를 수행한다.

여기서 본 발병의 예시는 GPS 시스템으로 제시되었지만 갈릴레오 시스템이 가용한 경우 갈릴레오/GPS 복합 시스템에서도 간단히 의사위성을 갈릴레오/GPS 복합 신호로 하고 사용자 단말의 측위 알고리즘만을 교체하면 동일하게 사용이 가능하므로 GPS에만 한정하지 않는다.

100 : 의사 위성 시스템 110 : 동기용 클럭
111, 112, 113, 114, 115 : 모듈화된 의사 위성
121, 122, 123, 124, 125 : 의사위성 안테나
200 : GPS 수신기

Claims (12)

1. 항법 신호를 송신하기 위한 의사위성 신호 송신 장치에 있어서,
   항법용 의사위성 코드를 생성하여 출력하는, 4개 이상의 의사위성들-상기 의사위성들은 각각의 모듈로 구성됨-과,
   상기 각 의사위성들에서 출력된 신호를 상기 각 의사위성들에 각각 대응되어 송신하는 안테나들과,
   상기 각 의사위성들에게 동기용 클럭을 제공하는 하나의 동기용 클럭을 포함하되,
   상기 의사위성들은 하나의 플렛폼으로 통합되어 통합 의사위성을 형성하고,
   상기 의사위성들 간의 동기를 맞추기 위해, 상기 하나의 동기용 클럭은 상기 의사위성들에게 동일 동기용 클럭을 분배하는 것을 포함하는, 의사위성 신호 송신 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각 의사위성들은,
   시계 보정을 위한 보정 정보를 상기 항법용 의사위성 코드와 함께 생성하여 출력하는, 의사위성 신호 송신 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 항법용 의사위성 코드는,
   GPS 신호와 동일한 PRN 코드인, 의사위성 신호 송신 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 의사위성들의 개수는 5개인, 의사위성 신호 송신 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 항법용 의사위성 코드는,
   갈릴레오/GPS 복합 신호인, 의사위성 신호 송신 장치.
   
6. 의사위성을 이용한 측위 시스템에 있어서,
   하나의 동기용 클럭을 제공하는 클럭 공급부와,
   GPS 신호와 동일한 PRN 코드와, 미리 결정된 항법데이터를 포함하는 항법신호를 생성하고, 상기 항법신호를 상기 하나의 동기용 클럭에 동기시켜 출력하는 4개 이상의 의사위성들-상기 의사위성들은 각각의 모듈로 구성됨-과,
   상기 의사위성들에서 출력된 신호를 송출하는, 각각의 안테나들로 구성된, 의사위성 신호 송신 시스템과,
   상기 각각의 안테나로부터 상기 송출된 신호를 수신하여 측위하는 수신기를 포함하되,
   상기 의사위성들은 하나의 플렛폼으로 통합되어 통합 의사위성을 형성하고,
   상기 의사위성들 간의 동기를 맞추기 위해, 상기 하나의 동기용 클럭은 상기 의사위성들에게 동일 동기용 클럭을 분배하는 것을 포함하는, 의사위성을 이용한 측위 시스템.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 각 안테나들은 측위서비스 지역의 형상에 따라, 상기 의사위성들에서 생성된 상기 항법신호를 GDOP(geometric dilution of precision)가 최적이 되도록 송출하기 위한 최적의 위치가 되도록 배치되는, 의사위성을 이용한 측위 시스템.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 각 의사위성들은 상기 안테나가 배치된 위치에 따른 오차요소를 보정할 수 있는 정보를 상기 동기된 항법신호와 함께 출력하는, 의사위성을 이용한 측위 시스템.
   
9. 제 8 항에 있어서, 상기 오차요소는,
   시계 보정을 위한 보정 정보인, 의사위성을 이용한 측위 시스템.
   
10. 제 6 항에 있어서,
    상기 의사위성들의 개수는 5개인, 의사위성을 이용한 측위 시스템.
    
11. 제 6 항에 있어서, 상기 미리 결정된 항법데이터는,
    갈릴레오/GPS 복합 신호인, 의사위성을 이용한 측위 시스템.
    
12. 제 11 항에 있어서, 상기 수신기는,
    상기 미리 결정된 항법 데이터가 갈릴레오/GPS 복합 신호인 경우, 상기 복합 신호를 이용하여 측위를 수행하며, GPS 신호인 경우, 상기 각 의사위성들이 송출한 PRN(33-37) 코드를 이용하여 측위를 수행하는, 의사위성을 이용한 측위 시스템.
    

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