KR101360918B1 - 무선항법 신호 처리방법 - Google Patents

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쌍트르 나쇼날 데튜드 스파씨알르
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Abstract

본 발명은 인공위성 무리들 중 제 1 및 제 2 무선항법 신호와 별개의 주파수들 각각을 송신하는 인공위성들에 관한 것이다.
인공위성이 시야에 들어오는 것으로부터 기준 네트워크의 각 스테이션은 상기 인공위성으로부터 발생하는 상기 두 신호 각각에 대한 코드 및 위상의 미분되지 않은 측정값을 처리하고, 와이드-레인 모호성의 미처리 값들로부터 이를 추론한다.
상기 네트워크 안에서, 이러한 미처리 값을 기반으로, 상기 인공위성들의 내부 딜레이 및 와이드-레인 모호성의 전체 값이 결정된다.
상기 방법은, 기준 수신기의 레벨에서 상기 제 1 및 제 2 위성항법 신호들을 수신하는 단계; 상기 기준 수신기의 도움을 받아, 수신된 제 1 및 제 2 신호, 미분되지 않은 코드 측정 및 미분되지 않은 위상 측정을 수행하는 단계; 상기 미분되지 않은 코드 및 위상의 측정값들을 기반으로, 와이드-레인 모호성의 미처리 값들 계산하는 단계; 및 상기 기준 수신기을 위한 미처리 값들을 기반으로, 와이드-레인 모호성의 전체 값 및 상기 인공위성의 내부 딜레이를 결정하는 단계를 포함한다.
와이드-레인 모호성, 무선항법 신호, 인공위성 딜레이, GPS

Description

무선항법 신호 처리방법{METHOD OF PROCESSING RADIONAVIGATION SIGNALS}
본 발명은 무선항법 시스템 분야 또는 인공위성를 이용한 위치추적에 관한 것이다. 특히, 인공위성에 의해 전송되는 무선항법 신호를 처리하는 방법에 관한 것이다.
GPS (Global Positioning System), Galileo, GLONASS, QZSS, Compass, IRNSS 등과 같은 인공위성 위치추적 시스템은 '확산 대역 변조(spread spectrum modulation)'라고 불리는 변조된 무선항법 신호들을 사용한다.
본래 이러한 신호들은 주기적으로 반복되는 숫자들의 연속으로부터 형성되는 의사 랜덤 코드(pseudo random code)들을 운반한다. 한편, 이러한 신호들의 주요 기능은 CDMA(Code Division Multiple Access) 방식의 코딩을 허용하고, 상기 인공위성에 의해 전송되는 신호 전파 시간를 측정하는데 있다. 상기 무선항법 신호들은 또한 페이로드(payload)를 운반할 수 있다.
상기 무선항법 신호들은 중심 주파수(central frequency, 또는 캐리어 주파 수라고도 불린다)들의 변조에 의하여 형성된다. GPS 방식의 경우, 상기 무선항법 신호들은 주파수 밴드 L1(centered on 1575.42 MHz) 및 L2(centered on 1227.6 MHz)에서 전송된다. 주파수 밴드 L5(centered on 1176.45 MHz)는 상기 GPS가 업데이트 될 때 부가된다.
갈릴레오 별자리의 위성들은 밴드 E2- L1- E1(GPS에서의 중간 밴드 L1에 대응되는 부분), E5a(갈릴레오 명명법에 따라 GPS용 밴드 L5에 대응되는 밴드), E5b(centered on 1207.14 MHz) 및 E6(centered on 1278.75 MHz)에서 신호를 전송할 수 있다.
수신기(receiver)에 의해 수행되어지는 기본 측정값들은 코드 측정값(code measurements) 및 캐리어 위상 측정값(carrier phase measurements)을 포함하며, 이러한 기본 측정값은 상기 코드 측정값 및 캐리어 위상 측정값 각각을 조합한 측정값일 수도 있다.
여기서, 상기 코드 측정값은 1 미터까지 정확한 반면에 상기 위상 측정값은 수 미리미터(mm)까지 정확하다. 그러나, 위상 측정값은 인공위성에 의한 신호 전송과 수신기 사이 캐리어의 위상 차이의 실수부(real part)만을 제공할 수 있다는 단점을 가진다.
결론적으로, 상기 인공위성과 수신기 사이의 완전한 싸이클(complete cycles) 횟수는 처음부터 알려지지 않았다는 점에서 상기 위상 측정값은 모호하다고 할 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이 위상 측정값이 정밀하다는 장점을 활용하기 위해서는, 수신기가 이러한 위상 측정 고유의 모호성들을 해결해야만 한다.
이러한 위상 모호성들은 보통 위상 측정값들의 미분(일계 또는 이계미분)에 의해 해결된다. 이를 이용한 방법들 중 하나는 M.J. Gabor와 R.S. Nerem의 논문에 기재된 예에서 기술되어 있다.("GPS carrier phase ambiguity resloution using satelite-satelite single differences" by M.J. Gabor and R.S Nerem, ION GPS '99, 14-17 September 1999, Nashville, TN.)
상기 미분법은 다수의 측정값들에서 공통적으로 발생되는 (모델화되지 않은) 에러들을 제거할 수 있도록 하며, 이에 따라 완전한 정보가 드러날 수 있게 되고 성능이 향상되도록 한다.
그러나, 상기와 같은 완전한 정보는 하나 또는 다수의 위상의 기본적인 모호성들의 차이를 내포하고, 이러한 위상에 관한 기본적인 모호성들을 추적하는 것은 일반적으로는 불가능 하다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, (궤도상 또는 지면상에 위치하는) 수신기에 의해 만들어지는 미분되지 않은(non-differentiated) 측정값들의 위상의 모호성을 해결하고, 미처리 코드 및 위상 측정값들로부터 시작할 수는 방법을 제안하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 예를 들어 로컬 또는 글로벌 네트워크 상에서 하나 또는 다수의 측정값의 미분값들을 반드시 이용하지 않아도, 수신기가 독립적으로 모호하지 않은 위상값 또는 위상값들을 찾을 수 있도록 하는데 있다.
일반적으로 본 발명은 두가지 구성요소를 포함한다.
첫번째는, 기준 스테이션들(reference stations)의 네크워크의 레벨에서, 부가적인 정보가 결정되는 도중에, 상기 네트워크에 포함되지 않고도 위상의 모호성을 해결할 수 있는 사용자의 수신기를 가지고 수행되는 방법을 포함한다.
두번째로, 본 발명은 임의의 형태의 커뮤니케이션 경로를 통해 공급되며 기준 스테이션들의 네트워크에 의해 생성되는 부가적인 정보를 이용하는 네트워크의 일부분에 속하지 않는 수신기에 레벨에서 진행되는 방법을 포함한다.
첫 번째 면에서 본 발명은, 적어도 하나의 스테이션을 포함하는 스테이션들(기준 수신기들)의 네트워크 레벨에서, 시간 지연(time lag) 및/또는 인터프리컨시 바이어스(interfrequency bias) 및/또는 보상되지 않은 각각 주파수들, 인공위성에서, 무선항법 신호의 코드 및 위상의 차이에 대응되는 인공위성 딜레이(satelite delay)의 결정에 관계된다.
다음으로, 두가지 별개의 주파수 밴드를 가지는 적어도 두개의 무선항법 신호를 각각 전송하는 한 무리의 무선항법 인공위성들의 경우를 가정한다.
여기서, 각 인공위성은 적어도 제 1주파수에 포함된 제 1무선항법 신호 및 제 2주파수에 포함되고 상기 제 1무선항법 신호와는 다른 제 2무선항법 신호를 전송한다.
인공위성이 시야에 들어오는 것으로부터(예를 들어 수평선 위에 있음) 각 스테이션은 관계된 인공위성으로부터 오는 두개의 신호 각각의 코드 및 위상값 측정을 수행할 수 있고, 와이드-레인 모호성을 위한 미처리 값을 추론할 수 있다.
이 때, 와이드-레인 모호성을 위한 이러한 미처리 값(raw value)에 기반하여, 내부 인공위성 딜레이(internal satelite delay) 및 와이드-레인 모호성을 위한 완전한 값(complete value)은 기준 네트워크를 위하여 결정된다.
이 경우에 주의해야 하는 점은, 코드 및 위상 측정값들이 미분되지 않은 값이어야 한다는 점이다.(즉, 인공위성들 사이 뿐만 아니라 스테이션들 사이에서도 미분되지 않음)
상기 내부 인공위성 딜레이들은 같은 방향에 위치한 다수의 수신기들의 측정값에 영향을 미치게 되고 따라서 두 수신기 사이의 측정값들의 미분에 의해 사라지게 된다는 점은 명백하다.
결론적으로, 측정값들의 미분에 기반한 방법들은 알려진 딜레이들 또는 내부 인공위성 딜레이를 필요로 하지 않는다.
이와 대조적으로, 본 발명에 따른 방법은 미분되지 않은 측정값들을 사용하고, 내부 인공위성 딜레이를 정확하게 결정하기 위한 방법을 제안한다.
본 발명은 다음과 같은 단계들을 포함한다.
- 기준 수신기 레벨에서 제 1 및 제 2 무선항법 신호를 수신하는 단계;
- 기준 수신기에 의하여, 수신된 상기 제 1 및 제 2 무선항법 신호 각각을 위하여 미분되지 않은 코드값들 및 위상값들을 처리하는 단계;
- (미분되지 않은) 상기 위상값들 및 코드값들로부터 와이드-레인 위상 모호성의 미처리 값을 계산하는 단계; 및
- 상기 기준 수신기를 위한 미처리 값에 기반을 둔 상기 와이드-레인 위상 모호성의 정수값(integer value)과 함께 내부 인공위성 딜레이를 결정하는 단계.
보다 바람직하게는, 상기 와이드-레인 위상 모호성의 정수 값(integer value)과 함께하는 상기 내부 인공위성 딜레이는, 각각의 기준 수신기를 이용하는 각각의 인공위성으로부터 발생되는 제 1 및 제 2 신호 각각의 처리된 상기 코드 및 위상값들로부터, 이용가능한 각 인공위성/스테이션 조합을 위하여 결정된다.
이는 한 세트의 자기-간섭(self-coherent) 인공위성 딜레이 및 스테이션 딜레이(station delay)가 획득되는 것과 같이 기준 네트워크의 레벨에서의 가간섭 방식(coherent manner)에 의해 이루어진다.
두 번째 면에서 본 발명은, 기준 네트워크 레벨에서 정확한 인공위성 클럭들(stelite clocks)을 결정하는 것과 관련이 있다.
이 방법에 있어서, 스테이션 레벨에서 제 1 및 제 2 무선항법 신호들이 수신되면; 수신된 상기 제 1 및 제 2 신호 각각을 위하여 미분되지 않은 위상 측정값 및 코드 측정값이 처리되고; 상기 미분되지 않은 위상 측정값, 미분되지 않은 코드 측정값, 상기 기준 수신기 또는 수신기들 및 인공위성들 사이의 전파 거리의 모델 뿐만 아니라 하나 또는 다수의 와이드-레인 모호성의 정수값으로부터 인공위성 클럭 값(satelite clock value)이 결정된다.
상기 와이드-레인 모호성의 정수 값을 결정하기 위하여, 상술한 바와 같이 계산되거나 내부 인공위성 딜레이들이 획득되면, 내부 인공위성 딜레이들의 도움을 받아 상기 와이드-레인 모호성의 미처리 측정값으로부터 정수 값이 추론된다.
전파 거리의 모델은 인공위성의 정확한 궤도, 대류층 지연, 조류 등이 고려된 스테이션 위치 등이 이용될 수 있다. 정확한 궤도들은 그러한 궤도들이 이용가능한 경우라면, 입력되어 제공되어질 수 있다. 그 대신에, 상기 정확한 궤도들은 필터링하는 동안 추정되어질 수도 있다.
필요한 경우, 상기 인공위성 시간 값 및 한 무리의 인공위성들의 정확한 궤도들은 바람직하게는 한 그룹의 스테이션(전형적으로는 50 스테이션) 상의 한 세트의 코드 및 위상 측정값으로부터 필터링되는 것에 의해 추정된다.
이러한 유형의 필터링 동안에 조절되는 상기 모델 파라미터는 각 시기에서의 수신기들 및 방송 시각들, 스테이션에 의해 하루에 걸쳐 천천히 변화하는 대류권의 바이어스(tropospheric bias) 및 내로우-레인 모호성들(각 통로에서 확인되는 파라미터) 이다.
상기 클럭 값(clock value)의 결정은, 바람직하게는, 미분되지 않은 코드 측정값들, 미분되지 않은 위상 측정값들 및 와이드-레인 모호성의 하나 또는 다수의 정수 값들의 도움을 받아 전파 거리(예를 들어, 관련있는 인공위성의 정확한 궤도 같은)의 모델 파라미터들의 추정을 포함하며, 본질적으로 상기 추정된 파라미터들로부터 상기 클럭 값의 추정을 포함한다.
아래에서 자세하게 기술되어질 간단한 필터링 알고리즘에 따르면, 먼저, 유동적인 모호성들을 가지는 문제들을 해결하고, 정확한 궤도 및/또는 대류층 지연 등과 같은 상기 모델의 파라미터들은 충분한 정확성을 가지며 확인된다.
이 때, 상기 내로운-레인 모호성은 위상 측정값들, 확인된 모델 및 인공위성 클럭들 및 수신기 클럭들의 기능으로서 표현된다.
인공위성 딜레이들을 결정할 때 상기 와이드-레인 모호성이 미리 확인된다는 사실은 인공위성 클럭들을 결정할 때 해결되야 할 문제가 전통적인 접근법에서 처럼 두가지 통로(passage)가 아닌 각 통로 마다 한 가지 모호성을 포함한다는 것을 의미하며, 이러한 사실은 높이 평가되어질 수 있다.
정수값 들을 발생시키기 위해 필요한 모델의 정확성은 이전에 모호성이 없는 것으로 알려진 곳에서의 경우 보다 작다.
특히, 전리층 딜레이는 2-주파수(bi-frequency) 측정값들의 조합에 의해 제거될 수 있기 때문에, 상기 전리층 딜레이(ionospheric delay)을 위한 모델을 필요하지 않다.
전리층 딜레이가 상기 모델의 일부분이 아니라는 사실은 전통적인 방법들에 비교하여 추정되어지는 파라미터의 숫자를 줄일 수 있으며, 이는 본 발명의 일측면에 따른 방법의 상당한 장점이 된다.
인공위성의 지연들, 클럭들 및 인공위성들의 정확한 궤적들(orbits)은, 모바일 전화기(예를들어 전화 연결 스테이션으로부터), 인터넷, 의사위성들(pseudolites), 와이파이(WIFI), 블루투스(bluetooth) 등의 수단을 이용하여, 예를 들어 지상파 방송, 위성 방송(예를들어, 시스템이 데이터를 포함하는 신호를 가지는 경우, 무선항법 위성들 자신들로부터 또는 SBAS 타입의 위성들로부터)과 같은 임의의 적당한 수단들에 의해 사용자의 수신기로 방송(암호화된 또는 암호화되지 않은) 되어질 수 있다.
여기서, 상기 인공위성 딜레이들이 시간이 지남에 따라 지속적으로 남아있다는 사실은 주목할 만한 사실이다. 그 것들은 수신기 안의 데이터 베이스에 저장되어 질 수 있고, 필요할 때에 상기 데이터 베이스로부터 획득된다.
다른 한편으로는, 인공위성의 정확한 궤도들 및 클럭들은 각 시기(epoch)에 따라 변화하는 데이터이다. 결과적으로, 상기 인공위성의 정확한 궤도들 및 클럭들은 바람직하게는 실시간으로 방송된다.
게다가, 본 발명에 따른 방법은, 예를 들면 네트워크 스테이션 수신기 또는 마지막 사용자의 수신기와 같은, 어떠한 종류의 수신기의 레벨에서도 수행될 수 있는 방법에 관한 것이다.
상기 수신기는 제 1 및 제 2 무선항법 신호를 수신하고, 수신된 상기 제 1 및 제 2 무선항법 신호의 미분되지 않은 코드값 및 미분되지 않은 위상값 각각을 처리한다.
그러고 나서, 상기 미분되지 않은 코드값 및 미분되지 않은 위상값으로부터 위상의 와이드-레인 모호성의 미처리 값(raw value)을 계산하고, 문제가 되는 내부 인공위성 딜레이를 획득한다.
그 다음으로, 상기 미처리 값 및 내부 인공위성 딜레이를 이용하여 상기 와이드-레인 모호성의 정수 값(integer value)를 결정한다.
수신기 단계에서 수행되는 방법에 관한 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 수신기는 문제의 인공위성의 클럭 값 및 정확한 궤도 값을 획득하고, 미분되지 않은 코드 값, 와이드-레인 모호성의 정수 값의 미분되지 않은 위상 값, 궤도 값, 인공위성 클럭 값 및 상기 인공위성 및 수신기 사이의 전파 거리 모델으로부터 필터링되는 것에 의한 내로우-레인 모호성의 정수 값을 계산한다.
상기 내부 인공위성 딜레이가 수신기의 내부 또는 외부 데이터 베이스로부터 획득되거나 또는 SBAS 인공위성에 의한 메세지 방송으로부터 획득되거나 또는 무선전화 네트워크에 의해 송신되거나 또는 지상파 방송에 의해 방송되거나 예를 들면 위에 언급한 수단들과 같은 적당한 어떤 커뮤니케이션 수단들에 의할 수 있다는 것은 주목할 만하다.
정확한 인공위성 궤도들 및 인공위성 클럭(clock)들은 바람직하게는 SBAS 인공위성에 의해 방송하거나 또는 무선전화 네트워크에 의해 송신하거나 또는 지상파 방송에 의해 방송되거나 또는 적당한 어떤 커뮤니케이션 수단들에 의한 메세지로부터 추출된다.
각각의 인공위성이 수신기로부터 시야에 들어오면, 수신기의 레벨에서는 앞으로 P1 및 P2로 표시할 두개의 미분되지 않은 코드 값(모호하지 않음), L1 및 L2로 표시할 두개의 미분되지 않은 위상 값(모호함) 및 주파수 f1과 f2이 각각 나타난다.
이는 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009063801348-pct00001
여기서 c는 광속을 나타낸다. GPS 시스템의 밴드 L1 및 L2를 위하여, fo=10.23 MHz에서 예를 들면 f1= 154fo, f2= 120fo가 된다. 코드 측정값 P1 및 P2는 길이의 단위로 표현되는 반면에 위상 측정값 L1 및 L2는 싸이클(cycle)로 표현되는 규약이 적용된다.
미분되지 않은 코드 및 위상 측정값은 하기의 수학식 2에 의해 계산된다.
Figure 112009063801348-pct00002
- 여기서, D는 기하학적인 전파 거리, 대류층 효과, 위상 중심으로부터의 차이에 의한 효과, 위상의 기하학적인 회전에 의한 효과(phase wind-up) 및 기타 상대적인 효과 등을 포함하는 양을 나타낸다.
- e는 주파수 제곱의 기능에 따라 변화하는 전리층 딜레이 기간(ionospheric delay term)을 포함하고, 그것은 위상 및 코드 가관측량(observables)의 이온화 없는(iono-free) 조합에 의해 제거된다.
-
Figure 112009063801348-pct00003
는 송신기와 수신기 사이의 인터-프리퀀시 바이어스(inter-frequency bias, TGD)의 미분을 포함한다.
-
Figure 112009063801348-pct00004
는 주파수들 각각의 위상 중심과 송신기 및 수신기 사이 위상의 이온화 없는 중심으로 부터 편차값의 미분을 포함한다.
-
Figure 112009063801348-pct00005
는 수신기 hrec의 시각과 송신기 heme의 시각 사이의 차이를 나타낸다.
-
Figure 112009063801348-pct00006
는 수신기의 바이어스 brec 및 송신기의 바이어스 beme의 차이를 나타낸다.(바이어스 brec 및 beme는 코드 및 위상 사이의 클럭 차이에 대응된다)
- N1 및 N2는 두 캐리어의 위상 모호성들을 나타낸다.
인공위성에 의한 신호의 송신 및 수신기에 의한 수신 사이의 위상 차이들(모호하지 않음)는 L1 + N1 및 L2 + N2로 쓰여진다.(여기서, N1 및 N2는 요구되는 (정수) 모호성들을 나타낸다.) 그리고, (정수) 와이드-레인 모호성 NW는 NW = N2-N1 이다.
코드의 전리층 딜레이는 하기의 수학식 3 내지 5에 의해 계산된다.
Figure 112009063801348-pct00007
Figure 112009063801348-pct00008
Figure 112009063801348-pct00009
이러한 양들은 단지 측정값들에 의존한다.
한 통로의 스케일(하나의 인공위성이 보이는 시간)에서, 잡음 코드 측정값들은 상술한 바와 같고,
Figure 112009063801348-pct00010
및
Figure 112009063801348-pct00011
는 열번 정도에 걸쳐서 분산된다.
심지어, 통로(passage)당 하나의 평균값을 구하는 것에 의해서도, N1 및 N2는 정확하게 추정되어질 수 없다. 이것은 코드 측정값들이 와이드-레인 모호성을 결정하는데 사용되어지기 때문이다.
Figure 112009063801348-pct00012
및
Figure 112009063801348-pct00013
의 방정식을 확장하면 하기의 수학식 6 및 7을 얻을 수 있다.
Figure 112009063801348-pct00014
Figure 112009063801348-pct00015
와이드-레인 모호성의 미처리 값
Figure 112009063801348-pct00016
는 하기의 수학식 8에 의해 얻을 수 있다.
Figure 112009063801348-pct00017
여기서 λw는 1/λw=1/λ1 - 1/λ2와 같이 정의되고, 와이드-레인의 파장길이에 대응한다.(밴드 L1 및 L2의 경우에 약 87cm)
도 1은 하나의 수신기의 (미분되지 않은) 코드 및 위상 측정값으로부터 와이드-레인 모호성의 미처리 값의 곡선의 예를 도시한 도이다.
Nw 를 이용하여 하기의 수학식 9와 같은 표현을 찾을 수 있다.
Figure 112009063801348-pct00018
하나의 통로의 스케일에서,
Figure 112009063801348-pct00019
는 정확하게 추정될 수 있을 정도로 충분히 낮은 잡음을 나타낸다.
[기준 네트워크의 레벨에서 내부 인공위성 딜레이의 결정]
적어도 하나의 스테이션(기준 수신기)을 포함하는 기준 네크워크의 레벨에서, 모호성의 미처리 값
Figure 112009063801348-pct00020
는 미분되지 않은 코드 및 위상 측정값으로부터 결정된다. 상기 미처리 값
Figure 112009063801348-pct00021
는 노이즈를 줄이기 위해서 하나의 통로 또는 상기 통로의 일부분 상에 위치하는 추정기(estimator)에 의해서 추정되고, 그것에 의해
Figure 112009063801348-pct00022
로 표현되는 추정된 미처리 값을 산출한다.
상기 추정기는 변칙적인 측정값들의 적절한 배제가 가능한 강력한 추정기가 될 수 있다.
이러한
Figure 112009063801348-pct00023
값은 하기의 수학식 10과 같이 측정으로부터 독립적이고 내부 인공위성 딜레이들 및 수신기에 특별한 두 가지 부가적인 변수 값 및 정수 값으로 분류될 수 있다.
Figure 112009063801348-pct00024
부가적인 가정이 없는 상황에서,
Figure 112009063801348-pct00025
및
Figure 112009063801348-pct00026
가 포함된 모든 방정식에 개재되는 상기 차이값
Figure 112009063801348-pct00027
이 단지 실수형 상수안에서 정의되기 때문에, 혼합된 정수-실수 문제들은 특이한 점이 있다.
상기 계산 절차는 네트워크, 바람직하게는
Figure 112009063801348-pct00028
가 시간이 지남에 따라 안정해지는 것으로 알려진 곳의 네트워크의 첫번째 스테이션을 선택하는 것에 의해 시작된다.
상기 스테이션에서,
Figure 112009063801348-pct00029
값은, 예를 들면
Figure 112009063801348-pct00030
= 0과 같이 입력되는 것 처럼 임의적으로 결정된다.
그 다음으로, 이러한 스테이션으로부터 보이는 인공위성들의 통로들이 스캔된다.
각각의 통로에서, 첫 번째 스테이션(
Figure 112009063801348-pct00031
= 0)으로부터의 정의에 의해,
Figure 112009063801348-pct00032
=
Figure 112009063801348-pct00033
-
Figure 112009063801348-pct00034
와 같이 도출될 수 있다.
상기
Figure 112009063801348-pct00035
는
Figure 112009063801348-pct00036
로 표현되는 임의의 정수(예를 들면, 가장 가까운 정수) 및
Figure 112009063801348-pct00037
와 같이 표현되는
Figure 112009063801348-pct00038
-
Figure 112009063801348-pct00039
에 관계되는 반드시 정수는 아닌 양(quantity)으로 나눠된다. 이는 첫 번째 스테이션으로부터 보이는 위성들의
Figure 112009063801348-pct00040
를 산출한다.
현재 내부 딜레이
Figure 112009063801348-pct00041
로 알려진 위성들의 세트를 통하여, 다른 스테이션들의 딜레이
Figure 112009063801348-pct00042
를 추정할 수 있다. 이 때, 방정식
Figure 112009063801348-pct00043
=
Figure 112009063801348-pct00044
+
Figure 112009063801348-pct00045
-
Figure 112009063801348-pct00046
에서,
Figure 112009063801348-pct00047
값은 알려져 있다. 여기서,
Figure 112009063801348-pct00048
+
Figure 112009063801348-pct00049
은 임의의 정수
Figure 112009063801348-pct00050
(새로운 스테이션으로부터의) 및 대응되는 스테이션의 딜레이
Figure 112009063801348-pct00051
로 나눠진다.
이러한 과정들은 인공위성 무리 중의 모든 인공위성들 및 기준 네트워크 중 의 모든 스테이션을 위하여 반복된다.
상기
Figure 112009063801348-pct00052
값은 결국 모든 기준 네트워크에 걸쳐서 일치되어 획득되고, 상기
Figure 112009063801348-pct00053
값은 적어도 하루 동안 일정한 값을 가지는 것으로 간주될 수 있다.
[기준 네크워크의 레벨에서 인공위성의 시각들의 결정]
와이드-레인 모호성을 결정한 후에도 N1 또는 N2 중 적어도 하나가 미지로 남게된다.
와이드-레인 모호성이 미지이기 때문에, 위상 모호성 N1 또는 N2는, 특히 요구되는 모델의 정확성에 관련하여, 보다 정확하게 해결될 수 있다.
코드 측정값 P1 및 P2는 전송 지점과 수신 지점 사이의 기하학적인 거리, 전리층 효과, 방송과 함께 발생되는 대류층 효과 및 수신측 클럭들을 포함하는 다수의 파라미터에 의존한다.
잔존하는 모호성들을 명확하게 하기 위해서 이러한 변수들을 위해 충분히 정확한 모델이 요구된다. 그리고, 클럭(clock)들 때문에 취급되는 수신기들의 네트워크를 위한 포괄적인 해결책이 요구될 것이다.
이온화되 않은 코드(iono-free code) Pc 및 이온화되지 않은 위상(iono-free phase) Qc는 하기의 수학식 11과 같다.
Figure 112009063801348-pct00054
여기서
Figure 112009063801348-pct00055
은 통로(passage) 또는 상기 통로의 일부분 상에서, 코드 및 위상에 의해 추정되어진 N1 즉, 가능한 변칙값을 배제하는 강력한 추정기에 의하거나 또는 평균값을 계산하는 것에 의해 얻어진 N1 값의 가변적이고 추정되어진 근사 값으로 하기의 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009063801348-pct00056
상기
Figure 112009063801348-pct00057
은 코드 상의 측정 잡음 때문에 열번 정도의 싸이클에 의해 구해진 N1의 참 값(true value)와는 거리가 멀다고 할 수 있다.
코드 및 위상의 측정된 양은 하기의 수학식 13에 의해 모델화된 기하학적 거리 D와 관련이 있다.
Figure 112009063801348-pct00058
여기서, 상기
Figure 112009063801348-pct00059
가 하기의 수학식 14와 같을 때, heme 및 hrec는 수신기 및 송신기 각각의 클럭들(날짜마다 하나의 값을 가짐)에 대응되고,
Figure 112009063801348-pct00060
는 모호성의 보정(통로마다 하나의 값을 가짐,
Figure 112009063801348-pct00061
)에 관한 것이다. 상기
Figure 112009063801348-pct00062
값은 광범위한 필터링에 의해 확인되어질 수 있다.
Figure 112009063801348-pct00063
상기 D 값은 다음과 같은 구성요소들을 불러오는 전파 거리의 완전한 모델에 대응된다.
- 2-주파수 위상 중심의 조합: 이것은 수신기 및 송신기 안테나 위상 중심 L1 및 L2의 이온화되지 않은 조합임;
- 인공위성들의 정확한 궤도들;
- 인공위성들 비행자세의 법칙(인공위성이 좌우로 흔들리는 하에서 예상대로 진행되는 비행자세의 법칙)
- 인공위성들의 이심율 때문에 발생되는 상대성 효과들;
- 수신기 위치의 정확한 모델(지상의 조류 모델을 포함);
- 대류층 딜레이의 모델(Stanag 협정에서 정의된 것과 같은 지역에 의존적인 폴딩 기능을 가지는 각 스테이션 당 수직 딜레이)
- 와인드-업(wind-up) 모델(위상의 기하학적 회전)
필터에 으해 추정되는 파라미터들은 다음과 같다.
- 각 시기(epoch)에 있어서, 인공위성 및 스테이션들의 클럭 heme 및 hrec;
- 각 통로(passage)에 있어서, 위상 모호성 상수
Figure 112009063801348-pct00064
(정수여야 한다는 제약 없음)
- 시간이 흐름에 따라(전형적으로는 4시간 마다) 서서히 변동되는, 각 스테이션의 수직 전류층 딜레이
- 인공위성들의 정확한 궤도들(입력 데이터에서 정확한 궤도들이 공급되지 않는 경우)
필터는 실시간 처리에 보다 호환성을 가질 수 있도록 칼만 필터(Kalman filter) 형태 또는 최소 제곱법의 형태로 형성될 수 있다.
필터링을 위한 입력 값들은, 코드의 경우 대략 1 미터, 위상의 경우 대략 1 센티미터인 각각의 잡음 하에서, 이온화되지 않은 코드 및 위상의 미분되지 않은 값들이다.
이 단계의 끝에 있어서, 확인된 나머지값들
Figure 112009063801348-pct00065
의 추정치들은 하기의 수학식 15에 의해 계산된다.
Figure 112009063801348-pct00066
상기 나머지값들
Figure 112009063801348-pct00067
의 몇 가지 예들에 대해서는 도 1에 도시되어 있다. (
Figure 112009063801348-pct00068
는 필터링 동안에 정수로 만들어 졌다는 가정이 없기 때문에 정수가 아니다)
이러한 필터링 단계는 용어 D(기하학적 모델)를 깨끗하게 계산하기 위해서 상술한 전부를 제공한다.
이 단계에서 확인된 클럭들은, 상기 클럭들의 작은 변화를 만들기 위해 허용되는 작업에 의해, 결과적으로 초기값으로 사용되나, 이 것은 필수불가결한 것은 아니다.
필터링에 의해 D값이 획득되면, 기준 네트워크 레벨에서,
Figure 112009063801348-pct00069
의 정수값이 검색되며, 하기의 수학식 16이 사용될 수 있다.
Figure 112009063801348-pct00070
상기 D는 필터링에 의해 찾아진 값을 가진다. 여기서, 상기 방정식은 지구 전체의 관측불가능성(unobservability)를 내포하고 있다. 사실, 하기 수학식 17과 같은 유효한 방정식에 의한 관련 값 heme 및/또는 hrec와 주어진 송신기에 관련한
Figure 112009063801348-pct00071
값은 쉬프팅될 수 있다.
Figure 112009063801348-pct00072
이 단계에서, heme 값은 첫번째 스테이션(제 1기준 수신기)에서 시작되어 반복되는 절차 및 네트워크 전체를 완성하기 위해 스테이션들을 계속적으로 부가하는 것에 의해 계산되어진다. 여기서, 상기 첫번째 스테이션의 클럭은 기준 클럭으로서 취급된다.
상기 첫번째 스테이션에서
Figure 112009063801348-pct00073
및 hrec는 0으로 설정된다. 이러한 설정은 임의적인 것이고 또한 방정식(*)이 검증된 상기 첫번째 스테이션으로부터 시야에 들어오는 인공위성들을 위한 heme 값을 결정한다.
하나의 스테이션을 더 추가하는 것은 다음과 같이 수행된다.
스테이션의 추가 전에 알려진 heme 값을 가지고 각 시기(부가된 스테이션의 클럭 hrec에 대응되는)에서의 실수값 및 통로(
Figure 112009063801348-pct00074
)당 정수값의 형식으로 표현되어야 하는 나머지 값
Figure 112009063801348-pct00075
을 계산한다. 도 2는 새롭게 부가된 스테이션의 나머지값
Figure 112009063801348-pct00076
을 도시하고 있다.
상기 나머지값들은 정수 값들에 의해 분리되고, 상기 정수 값에 가장 가까운 정수 값에 대한 쉬프트와 동일하다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 상기 나머지값 및 상기 가장 가까운 정수 값 사이의 쉬프트는 hrec/λc 및
Figure 112009063801348-pct00077
에 대한 정수 값 자체에 부합한다고 할 수 있다.
그러나
Figure 112009063801348-pct00078
는 통로 마다 일정하기 때문에, 전체 통로에 대하여 확장되어질 수 있다.
지정된 하나의 인공위성이 스테이션으로부터 부분적으로 시야에 들어오는 시점은 같은 인공위성이 주변의 스테이션의 시야에 들어오는 시점에 대응한다.
거리가 더 먼 스테이션들은 통상적인 관측 기간이 더 작다. 이 것은 상기 스테이션들 중 적어도 하나에 주변의 스테이션을 항상 부가하는 것을 의미한다.
결국,
Figure 112009063801348-pct00079
정수들은 모든 네트워크 스테이션을 위한 통로들 그룹을 위하여 증명된다. 상기 방정식(*)는 상기 통로들의 그룹을 위하여 또는 단독으로 알려지지 않은 heme 및 hrec 를 가지는 모든 네트워크 스테이션을 위하여 해가 구해질 수 있다.
본 장에서 기술된 heme 증명 방법은 오프-라인에서 진행된다. 그러나, 당업자는 실시간으로 진행되는 등가 방법을 어떻게 실현할 수 있는지 알 수 있다.
예를 들어, 인공위성 클럭들을 위한 현재의 해결책이 정수 자신이라는 가정위에서, 새로운 통로의 각각의 도착에서 정수 모호성의 증명에 의하거나 또는 상기 통로의 충분한 측정값의 수집에 의해서 그러면, 모호성의 상기 정수값은 상기 측정 나머지값들 안에서 직접적으로 나타날 수 있다.
[ 하나의 수신기(고립된) 레벨에서 위상 모호성들의 해결]
어떠한 수신기는 시야에 들어오는 인공위성들의 μeme 를 알 수 있다면 와이드-레인 모호성들을 해결할 수 있다.
상기 수신기는 미분되지 않은 코드 및 위상 측정값들을 만들고, 그 것에 의해 도 1에 도시된 바와 같은 와이드-레인 모호성의 미처리 값를 찾을 수 있다.
그것은 하나의 통로 또는 하나의 통로의 일부분을 위해서 상기 와이드-레인 모호성의 평균 미처리 값(mean raw value)을 계산하고, 하기의 수학식 18에 의하여 정수 와이드-레인 모호성(integer wide-lane ambiguity)을 추론하는 것이다.
Figure 112009063801348-pct00080
여기서, μeme은 현재 알려진 파라미터이다. 상기 수신기는 이용가능한 어떤 수단들에 의해 상기 μeme값을 얻을 수 있다. 예를 들면, 외부 데이터(인터넷 사이트 등)로부터 다운로드 받을 수 있다.
이러한 값들은 시간이 지남에 따라 아주 조금씩 변하기 때문에, 한 번 얻으면 상기 수신기 안에 저장되어 있는 한 오랜 시간동안 사용되어질 수 있다.
도 2는 각각 알려진 내부 인공위성 딜레이들 μeme 과 함께 도 1의 와이드-레인 모호성의 미처리 값들을 보정한 후 얻어진 나머지들
Figure 112009063801348-pct00081
을 나타낸 것이다.
그 것은 모든 통로(도시된 경우는 0.7)에서 공통으로 같은 값(반드시 정수값은 아니다)을 가지는 근처에서 각 통로에 이용되는 평균 값 또는 중간 값을 나타낸다.
이 공통된 값의 분수 부분은 μrec 를 주는 반면에 정수 부분은 정수 와이드-레인 모호성 Nw를 준다.
(절연된) 수신기의 레벨에서 상기 내로우-레인 모호성의 풀이는 하기의 수학 식 19에 기반한다.
Figure 112009063801348-pct00082
Figure 112009063801348-pct00083
를 결정하기 위해서, 수신기는 주어진 관측 시간 동안의 정확한 궤도들 뿐만 아니라 인공위성 클럭들도 알아야 한다.(정확한 궤도들은 D를 위한 모델의 일부분이다.) 이러한 인공위성 클럭들 및/또는 정확한 궤도들은 바람직하게는 SBAS(Satelite-Based Augmentation System) 인공위성으로부터 또는 지상파 방송에 의해 방송된다.
먼저, 수신기는 상술한 바와 같은 모델과 유사한 모델을 기반으로, 필터링에 의해 D 값을 결정한다.
D 값을 위한 이러한 계산 단계 동안에, 상기 수신기는 일반적으로 움직이지 않는 정지 상태일 것이 요구된다. 다음으로, 상기 수신기는 수신기 클럭들 및
Figure 112009063801348-pct00084
을 추정한다. 그런 다음,
Figure 112009063801348-pct00085
에 의해 N1 값 및 N2 = Nw + N1에 의해 N2 값에 도달할 수 있다.
도 1은 코드 및 위상값들로부터 계산되는 와이드-레인 모호성(wide-lane ambiguity)의 미처리 값(raw value)들을 도시한 도이다.
도 2는 내부 인공위성 딜레이(internal satelite delays)를 동반하는 와이드-레인 모호성의 미처리 값들의 보정 후 얻어진 나머지값들(residuals)을 도시한 도이다.
도 3은 전통적인 필터링에 의해 얻어진 내로우-레인 모호성(narrow-lane ambiguity)의 나머지값들을 도시한 도이다.
도 4는 네트워크상에서 모호성들의 해결 및 필터링에 의해 얻어진 내로우-레인 모호성의 나머지값들을 도시한 도이다.

Claims (15)

  1. 다수의 무선항법 인공위성 무리들 중 하나의 인공위성으로부터 발생되는 무선항법 신호를 처리하는 방법에 있어서,
    상기 인공위성은 제 1주파수에 포함된 적어도 제 1무선항법 신호 및 제 2주파수에 포함되고 상기 제 1무선항법 신호와는 다른 제 2무선항법 신호를 방송하되,
    상기 방법은, 상기 인공위성이 시야에 들어오는 적어도 하나의 기준 수신기를 포함하는 기준 네크워크의 레벨에서 내부 인공위성 딜레이 및 상기 기준 수신기의 정수 와이드-레인 위상 모호성 값을 결정하고,
    상기 정수 와이드-레인 위상 모호성 값 및 내부 인공위성 딜레이의 결정은,
    상기 기준 수신기의 레벨에서 상기 제 1 및 제 2 무선항법 신호를 수신하는 단계;
    상기 기준 수신기 및 상기 수신된 제 1 및 제 2 무선항법 신호 각각에 의하여 미분되지 않은 코드 측정 및 미분되지 않은 위상 측정을 수행하는 단계;
    상기 미분되지 않은 코드 측정값 및 미분되지 않은 위상 측정값으로부터 와이드-레인 위상 모호성의 미처리 값을 계산하는 단계;
    상기 기준 수신기에 사용되는 상기 미처리 값을 기반으로 상기 정수 와이드-레인 위상 모호성 값과 상기 내부 인공위성 딜레이를 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 네트워크는 항상 상기 다수의 무선항법 인공위성 무리들이 시야에 들어오는 다수의 기준 수신기를 포함하고, 상기 인공위성 각각은 상기 제1주파수에 포함된 적어도 제1무선항법 신호 및 상기 제2주파수에 포함되고 상기 제1무선항법 신호와는 다른 제2무선항법 신호를 방송하되, 상기 방법은 상기 인공위성 및 상기 기준 수신기들 중에서 하나의 기준 수신기의 가능한 조합 각각에 대해 상기 기준 네트워크의 레벨에서 간섭방법으로, 상기 내부 인공위성 딜레이 및 상기 각각의 기준 수신기의 도움으로 상기 각각의 인공위성으로부터 생성된 각각의 상기 제1 및 제2 무선항법 신호를 위해 만들어진 코드 및 위상 측정값으로부터 상기 와이드-레인 위상 모호성의 미처리 값에 기초한 상기 정수 와이드-레인 모호성 값을 결정하는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 결정된 내부 인공위성 딜레이를 방송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  4. 다수의 무선항법 인공위성 무리들 중 하나의 인공위성으로부터 발생되는 무선항법 신호를 처리하는 방법에 있어서,
    상기 인공위성은 제 1주파수에 포함된 적어도 제 1무선항법 신호 및 제 2주파수에 포함되고 상기 제 1무선항법 신호와는 다른 제 2무선항법 신호를 방송하되,
    상기 방법은, 상기 인공위성이 시야에 들어오는 하나 또는 다수의 기준 수신기를 포함하는 기준 네트워크 레벨에서,
    상기 기준 수신기 또는 기준 수신기들의 레벨에서 상기 제 1 및 제 2 무선항법 신호를 수신하는 단계;
    상기 기준 수신기 또는 기준 수신기들에 의해 상기 수신된 제 1 및 제 2 무선항법 신호 각각을 위한 미분되지 않은 코드 측정 및 미분되지 않은 위상 측정을 수행하는 단계;
    상기 기준 수신기 또는 기준 수신기들과 상기 인공위성 사이의 전파 거리의 모델 뿐만 아니라 상기 미분되지 않은 코드 측정값, 미분되지 않은 위상 측정값 및 정수 와이드-레인 위상 모호성 값의 하나 또는 다수의 값으로부터 상기 인공위성의 클럭 값을 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 인공위성의 클럭 값을 결정하는 단계는,
    상기 인공위성에 관한 내부 인공위성 딜레이를 획득하는 단계; 및
    상기 내부 인공위성 딜레이 및 와이드-레인 위상 모호성을 위한 미처리 값에 기반을 둔 상기 정수 와이드-레인 위상 모호성 값을 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  6. 청구항 4 또는 5에 있어서,
    상기 인공위성의 클럭 값을 결정하는 단계는,
    상기 코드 측정값, 상기 위상 측정값 및 정수 와이드-레인 위상 모호성 값들의 하나 또는 다수의 정수 값의 도움을 받아 상기 전파 거리를 위한 모델 파라미터를 추정하는 단계, 및
    추정된 상기 파라미터로부터 상기 인공위성의 클럭 값을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전파 거리를 위한 상기 모델 파라미터의 추정단계은 상기 인공위성에 관한 정밀한 궤도의 결정단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 결정된 인공위성의 클럭 값을 방송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 결정된 정밀한 궤도를 방송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  10. 다수의 무선항법 인공위성 무리들 중 하나의 인공위성으로부터 발생되는 무선항법 신호를 처리하는 방법에 있어서,
    상기 인공위성은 제 1주파수에 포함된 적어도 제 1무선항법 신호 및 제 2주파수에 포함되고 상기 제 1무선항법 신호와는 다른 제 2무선항법 신호를 방송하되,
    상기 방법은, 상기 인공위성이 시야에 들어오는 것으로 부터, 하나의 수신기 레벨에서,
    상기 제 1 및 제 2 무선항법 신호를 수신하는 단계;
    수신된 상기 제 1 및 제 2 무선항법 신호 각각을 위하여, 미분되지 않은 코드 측정 및 미분되지 않은 위상 측정을 수행하는 단계;
    상기 미분되지 않은 코드 측정값 및 상기 미분되지 않은 위상 측정값으로부터 와이드-레인 위상 모호성의 미처리 값을 계산하는 단계;
    상기 인공위성에 관한 내부 인공위성 딜레이를 획득하는 단계; 및
    상기 미처리 값 및 상기 내부 인공위성 딜레이에 기반을 둔 정수 와이드-레인 위상 모호성 값을 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 내부 인공위성 딜레이는 데이터 베이스로부터 획득되는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 내부 인공위성 딜레이는 SBAS 인공위성에 의한 메세지 방송으로부터 추출되거나 지상파 방송에 의한 방송 또는 무선전화 네트워크에 의해 송신되어지는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 무선항법 신호 처리방법은,
    상기 인공위성에 관한 인공위성 클럭 값 및 궤도 값을 획득하는 단계;
    상기 수신기 및 상기 인공위성 사이의 전파 거리의 모델 뿐만 아니라 상기 미분되지 않은 코드 측정값, 상기 정수 와이드-레인 위상 모호성 값의 상기 미분되지 않은 위상 측정값, 상기 궤도 값 및 정수 인공위성 클럭 값으로부터 필터링되는 내로우-레인 모호성의 정수 값을 추정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 궤도 값 및 상기 클럭 값은 데이터 베이스로부터 획득되는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 궤도 값 및 상기 클럭 값은 SBAS 인공위성에 의한 메세지 방송으로부터 추출되거나 지상파 방송에 의한 방송 또는 무선전화 네트워크에 의해 송신되는 것을 특징으로 하는 무선항법 신호 처리방법.
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