KR101555311B1 - 위치 탐사, 검출 및 통신 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

물체의 3차원 위치, 네비게이션 도구, 및 양방향 지표-지하 간 통신을 제공하도록 설계된 위치 탐사, 통신 및 검출 시스템과, 이 시스템을 이용하는 방법이 개시된다. 시스템은 전자기 비컨들을 포함하는 하나 이상의 송신기, 연관된 처리 유닛 및 데이터 수집 시스템을 갖는 소프트웨어 정의 무선 수신기들, 및 자기 안테나들을 포함할 수 있다. 시스템은 이론적인 계산, 스케일 모델 테스트, 신호 처리, 및 센서 데이터를 이용할 수 있다.

Description

위치 탐사, 검출 및 통신 시스템 및 방법{POSITIONING, DETECTION AND COMMUNICATION SYSTEM AND METHOD}

본 출원은 미국 가특허출원 제60/750,787호(출원일: 2005년 12월 16일)의 우선권을 주장하는 미국 특허출원 제11/640,337호(출원일: 2006년 12월 18일)의 일부인 계속 출원이다.

[미국 정부의 권리]

본 발명의 개발 중에 수행된 작업의 일부는 미국 정부의 자금을 이용하였다. 미국 정부는 본 발명에 대해 일정 부분의 권리를 가질 수 있다.

개시된 실시예들은 일반적으로 위치 탐사, 검출 및 통신 시스템에 관련된 방법과 장치에 관한 것이다.

지표면에 대한 지리적 맵핑 및 지리적 측량은 지상과 지하에 대한 이해의 충실도를 향상시켰던 기술 향상의 역사를 가진 확립된 과학이다. 그러나 종래의 기술을 지하 환경에 적용하는 경우, 지리적 위치를 알아낸다는 것(geo-location)은 작동의 개념을 설비와 지리적 접촉점의 지리적 위치를 찾아내는 부트스트랩(bootstrap) 기술에 드라이브하고 이용된 기술의 유효성을 실제로 한정할 수 있다는 난제임이 알려졌다.

GPS(Global Positioning System)와 같은 종래의 지도 작성 및 측량 시스템은 위성 신호를 이용하여 물체의 위치를 알아낸다. 그러나 예컨대 측량의 이용 없이 지하 시설물 내의 사람 및 장비의 위치를 알아내는 데는 오래된 문제점이 존재한다. 지금까지도 이 문제는 지상과 지하의 시설물/동굴/광산들 간의 시그널링/통신의 어려움과 지구 내에서의 전자기파 전파의 복잡성 때문에 해결되지 못하고 있다.

저충실도 초저주파 시스템(lower fidelity very low frequency system)은 동굴 구조 작업을 위한 통신을 지원하기 위해 현재 유럽에서 개발 중에 있다. 이 시스템은 통신 시스템이 지하에서 사용되는 경우에 얕은 깊이의 위치만을 얻는다. 이 통신 시스템의 유효 깊이는 600m, 때로는 1,200m이다. 이 시스템은 그 정도 깊이에 있는 지하 송신기의 위치를 알아내는데도 이용된다. 관리된 실험에서, 이 시스템은 수평 위치에서 2%의 정밀도 및 깊이에서 5% 정밀도만을 달성했다.

네비게이션 목적으로 이용된 송신기와 수신기 간의 시간축(time base) 동기화를 제공하는 통상의 수단은 (1) 독립된 소스로부터의 균일한 시간 무선 기준 신호(GPS 또는 VLF 신호)를 제공하거나, 또는 (2) 자체 소유의 매우 정밀하고 안정된 타이밍 메커니즘을 이용하여 목적 기간의 시작부터 서로 동기화되는 각 송신기와 수신기를 제공하는 것이었다. 지하 환경에서는 GPS와 VLF 신호는 이용될 수 없거나 또는 신뢰할 수 없다. 각 장치에 자체 소유의 안정된 시간축을 제공하는 것은 비용이 많이 들고, 번거로우며, 한정된 가용 전원을 낭비할 수 있다.

지표면 송신기에 의한 지하 수신기로의/로부터의 통상적인 무선 주파수 무선 통신은 지면, 흙 및 바위의 전기적 특성 때문에 이용될 수 없었다. 100m 깊이 이상에서의 통신이 특히 어렵다. 지하 위치와 지표면 위치 간의 무선 접속을 가능하게 하는 시스템이 요망될 것이다. 특히 지표면과 지하 사이의 정확한 위치 탐사, 검출 및 통신을 제공할 수 있는 시스템이 요구된다.

<개요>

본 시스템은 지하에서의 위치 결정, 지하 매스들(masses)의 판정 및 지표-지하 간 통신 수단을 제공한다. 이러한 진전은 현재 몇몇 다양한 분야에서 최신 기술 수준으로 발전하고 있는 센서 기술과 처리 기능의 조합을 통해 가능하다.

본 시스템은 지상 또는 지하 공간 중 어느 하나의 공간에서 이동하는 사람 또는 장비에 그들의 위치를 3차원으로 알려주는 기능을 제공할 수 있다. 본 시스템은 이론적인 계산을 적용하고, 최신 기술 수준의 신호 처리, 다수의 센서 데이터의 융합, 및 지상과 지하의 물체의 위치를 판정하는 자기 비컨들(magnetic beacons) 및 특별한 SDR(Software Defined Radio) 수신기를 포함하는 독특한 작동의 개념을 포함하는 새로운 기술 실연을 적용함으로써 물체의 위치를 식별한다. 백채널(back channel) 통신 기능이 제공된다.

본 시스템의 예시적인 실시예는 지하 공간의 부근에서 지표면 상의 다수의 송신기를 이용하여 자기 비컨을 제공한다. 신호 처리는, 협동적 및 비협동적 양쪽 모두로, 먼 거리의 기회 신호(signal of opportunity)로 보충될 수 있다. 지하로 운반된 SDR 수신기는 다양한 송신기들 간의 각도를 측정할 수 있다. 지표면의 송신기 위치는 전개 시에 결정될 수 있으며, 지하의 수신기 위치가 결정될 수 있도록 자기 방사장이 계산될 수 있다.

관성 유도 유닛(inertial guidance unit)은 처리 유닛의 일부로서 포함되어 임시방편(stop-gap) 네비게이션 기능으로서 안정된 기준을 제공할 수 있다. SDR 수신기와 관성 유도 유닛 이외에도, 개시된 실시예들은 가속도계/경사 측정 디바이스, 나침판, 마이크로기압계, 백채널 통신 시스템 상의 레인징, 및 자동 페이싱(pacing)/속도 디바이스를 이용할 수 있다.

축을 도는 다수의 자기 다이폴이 측정치를 제공하도록 이용되어 특정 수신기 방위를 요구하지 않는 위치 계산을 허용할 수 있다. 증가된 송신기 범위에 자기 코어 안테나 제공되어 지표-지하 간 양방향 통신을 허용하도록 할 수 있다.

개시된 실시예들의 이들 및 다른 피처들은 본 명세서의 일부인 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 읽을 때 더욱 잘 이해될 것이다.

도 1은 위치 탐사 시스템의 구조를 도시한 도.
도 2는 실시예에 따른, 소프트웨어 정의 무선 수신기의 블록도.
도 3은 실시예에 따른, 송수신기를 도시한 도.
도 4는 자기 비컨 송신기의 블록도.
도 5A는 구형(spherical) 코어 안테나와 수평 루프 안테나를 도시한 도.
도 5B는 로드(rod) 코어 안테나를 도시한 도.
도 6은 실시예에 따른, 위치 탐사 시스템의 분석을 설명하는 도.
도 7은 실시예에 따른, 위치 탐사 시스템에 대한 에러 분석을 설명하는 도.
도 8은 실시예에 따른, 전개시의 송신기 커버리지를 보여주는 도.
도 9는 실시예에 따른, 표면 밑 스캐닝 방법을 보여주는 도.
도 10-11c는 자기 다이폴의 변화를 보여주는 도.
도 12는 극좌표에서의 자기 비컨의 필드 라인을 보여주는 도.
도 13은 자기 다이폴의 변화를 보여주는 도.
도 14는 실시예에 따른, 시스템을 도시한 도.
도 15는 송신기와 수신기 간의 상호작용을 보여주는 도.
도 16은 유효 자기 모멘트와 공심(coreless) 코일 자기 모멘트 간의 관계를 보여주는 차트.

하기의 상세한 설명에서, 본 명세서의 일부를 구성하며 개시된 실시예들이 실시될 수 있는 특정 실시예들을 예시로써 나타내는 첨부도면에 대하여 참조를 행한다. 이들 실시예는 당업자가 개시된 실시예들을 실시하는 것이 가능할 수 있을 정도로 자세히 기술되어 있지만, 다른 실시예들도 이용될 수 있다는 것과, 본 개시된 실시예들의 정신 및 범주에서 벗어남이 없이 구조적, 논리적, 및 그외의 변경이 행해질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

도 1은 예시적인 위치 탐사 시스템(10)을 도시한다. 위치 탐사 시스템(10)은 송신기들(12)(본원에서 이용되는 바와 같이, "송신기"와 "비컨"은 상호 교환가능함)과 SDR 유닛(14)("수신기")을 포함할 수 있는 다수의 컴포넌트들로 구성된다. 또한 예를 들면, 초저주파/저주파/중간주파수 범위와 AM 무선 신호의 다른 송신기들로부터의 부가적인 기회 신호(signals of opportunity)(13)가, 후술될 바와 같이, 부가적인 신호원으로 이용될 수 있다.

도 2는 수신기(14)의 블록도를 도시한다. 수신기(14)는 송신기들(12)로부터 나오는 자기장 벡터를 정확하게 검출할 수 있는 고감도 3-성분 자기 수신기, 처리 유닛(15), 전원(42), GPS 수신기(17), 관성 유도 유닛(19), 자기 안테나(31), 다이폴 안테나(33), 신호 프로세서(43), VHF 송수신기(45), 육상 네비게이터 시스템(47), 및 추가적인 2차 센서들(30)(예컨대, 나침판, 가속도계, 경사계, 마이크로기압계)을 포함한다.

처리 유닛(15)은 3채널 VLF 수신기(35), 다이폴 안테나(33) 및 2차 센서들(30)에 의해 수신된 데이터를 처리하여 지하 또는 지상에 있는 수신기(14)의 3차원 위치를 제공한다. GPS 수신기(17)의 포함은, 수신기(14)가 기존의 GPS 기반 육상 네비게이션 유닛과 인터페이스로 접속하게 하고 표면 지리 정보 시스템 및 데이터베이스들과의 완전한 통합을 제공하게 할 수 있다. 따라서 처리 유닛(15)의 출력(24)은 디스플레이 및 사용자 인터페이스를 위한 기존의 육상 네비게이션 옵션이 보존되고 위치 탐사 시스템(10)으로부터 얻은 지하 위치가 수신기(14)가 지표면(5) 위에 있는 시간 동안에 결정된 GPS 위치로부터 원활하게 전환되도록 구성될 수 있다.

프로세서(15)는 또한 송신기들(12) 각각의 기준 위치뿐만 아니라 기회 신호(13)에 대한 측량 정보를 저장할 수 있다. 이들 데이터는 사용자의 현재 위치를 추정하는데 이용될 수 있다. 진입점(entry point)의 GPS 위치는 출발 위치에 대한 "진위(truth)"를 제공하는데 이용된다. 수신기(14)의 마이크로기압계(2차 센서(30)의 일부)로부터의 출력은 또한 고도 추정에 대한 점진적 갱신 및 에러 정정을 제공하는 이용될 수 있다. 이 데이터를 이용하면, 계산된 위치는 디스플레이 출력부(24)에서 계속 갱신될 수 있다.

송신기(12)에 의해 유도된 자기장은 수신기(14)의 자기 안테나(31)에 의해 검출된다. 수신기(14)와 함께 이용되는 바람직한 자기 안테나(31)는 Raytheon Cube 센서인 3축 에어 코일 자기 수신기로, 12인치 안테나의 경우에 0.6 ftesla/sqrt Hz이고 6인치 안테나의 경우에 5 ftesla/sqrt Hz의 10 kHz의 노이즈 플로어(noise floor)를 가지고 이용될 수 있는 현재 가장 감도가 좋은 설비들 중 하나이다. 처리 유닛(15)은 3성분 VLF 수신기(35)와 신호 프로세서(43)를 작동시켜 송신기(12)에 의해 유도된 벡터 자기장의 방위각과 경사를 산출한다. 송신기(12)의 알려진 위치와 먼 거리의 송신기(12)에 대한 방위각을 이용하면, 처리 유닛(15)은 수신기(14)가 지하 공간 내에서 이동할 때 수신기(14)의 위치를 연속적으로 판정한다.

수신기(14)의 이동으로부터의 움직임 유도 잡음은 잠재적으로는 시스템(10)의 정확도를 감소시킬 수 있으며 바람직하게는 통상적인 사용자 움직임에 대해 시스템(10)의 노이즈 플로어 아래로 감소되어야 한다. 동작 주파수에서 유도된 사용자 잡음의 성분이 작기 때문에, 동작 주파수는 원치않는 잡음을 경감시킬 수 있다. 이를 감안하면, 수신기(14)는 목적하는 초저주파 범위(바람직하게는 10 kHz 이하) 내의 성분의 움직임이 최소가 되도록 설계된다. 그러한 설계 고려 사항을 고려하는 방법은 물리적, 전기적 또는 심미적일 수 있는 수신기(14)의 특정 제약에 따라 여러 가지 방식으로 구체화될 수 있음을 알아야 한다. 제한이 아닌 예를 들면, 안테나(31, 33)는 이 범위에서 움직임 성분을 실질적으로 감쇄시키는 제진재(damping material), 예컨대 발포체(foam)에 싸여질 수 있다. 이는 비교적 작은 체적의 제진재로 처리될 수 있다. 더욱이 안테나(31)의 출력에 대한 충분한 동적 범위는 (주로 극초저주파 범위 내의) 대역외 움직임 유도 잡음이 전자 장치에 과부하를 주지 않게 하도록 제공된다. 기울기 센서(기타 센서(30)의 일부)는 안테나 움직임을 측정하기 위해 안테나(31, 33) 상에 포함될 수 있다. 이를 위해 초소형 전자 기계 센서(micro-electro mechanical sensor) 기반 고체 상태 기울기 센서가 이용될 수 있다. 적당한 움직임 정보와 함께, 적응성 필터링이 이용되어 안테나(31, 33)에 미치는 움직임의 영향을 더 감소시킬 수 있다. 안테나(31, 33)의 완전한 패러데이 차폐(Faraday shielding)는 외부 간섭원으로부터의 잠재적인 간섭을 줄이는데 도움이 될 수 있다.

도 11b 및 11c에 도시된 바와 같이, 알려진 자기 특성(예컨대 주파수, 진폭 및 다이폴 방위)을 갖는 2개 이상의 동위치(co-located) 자기 다이폴들 또는 회전 다이폴들(알려진 축 주위를 알려진 속도로 회전하는 다이폴 방향으로 주어진 주파수에서 익사이팅되는 다이폴)을 갖는 송신기들(12)을 갖는 시스템(10)의 실시예를 이용하면 지하 환경에서의 네비게이션이 가능하다. 회전 다이폴들이 바람직하며, 다이폴 자기 모멘트가 회전축(6) 주위를 회전하여 수신기(14)에 의해 검출될 수 있는 연관된 진폭 신호를 발생시키도록 변조된 신호를 갖는 적어도 2개의 다이폴 와이어들(2)을 포함한다. 이러한 접근 방식은 더 적은 수의 송신기(12)의 잠재적인 사용을 허용하며, 또한 더욱 강인한 네비게이션 솔루션을 제공할 수 있다. 이전의 네비게이션 스킴은 적어도 3개의 동작 비컨들(12)을 필요로 하였다. 이 실시예는 2개 이상의 동위치 송신 자기 다이폴을 포함하는 단일 VLF 네비게이션 비컨(12)으로부터의 네비게이션을 허용한다.

자기 안테나(31)와 VLF 수신기(35)의 캘리브레이션(calibration)이 알려져 있고 자기계(magnetometer)와 송신기(12)가 동기화되어 있다면, 비어있는 공간 내의 단일 비컨(12)으로부터 자기계의 정확한 위치를 얻을 수 있다. 회전 다이폴이 비컨(12)의 모든 3차원에서 회전하는 경우, 단일 송신기(12)를 이용하여 전역 좌표계에서의 방위각(bearing)을 얻을 수 있다.

회전 다이폴 실시예에 대한 네비게이션 또는 위치 솔루션은 또한 동위치 다이폴 실시예로 확장될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 동위치 다이폴 비컨(12)은 별개로 가동되는 2개 이상의 발진 자기 다이폴을 포함하는 비컨(12)이다. 다이폴들은 그들의 중심들(3)이 동일 지점에 있는 방식으로 배치된다. 각각의 다이폴에 대한 자기 모멘트(4)의 방위는 상이하다. 수직면들 주위에 3개의 코일이 싸여져 있는 정육면체(cube)는 동위치 다이폴의 일례이다. 몇몇의 코일을 갖는 구(sphere)는 동위치 다이폴의 다른 예이다. 송신기(12)는 강자성(ferromagnetic) 코어(44)(구, 정육면체 등; 도 5a 및 5b)에 기초할 수 있거나 또는 그것은 공심(coreless)일 수 있다.

도 10은 2개의 코일들(2)에 기초한 공심 동위치 다이폴 비컨(12)의 일례이다. 도면은 2개의 동위치 다이폴들을 나타낸다. 2개의 와이어 코일(2)은 2개의 별개의 전원으로부터 전류 전달한다. 코일들(2)은 공간적으로 정지해 있으나, 각 코일(2)의 전류는 상이하게 변조된다. 예컨대 하나의 코일(2)이 주파수 f1에서 가동되는 한편 다른 코일은 주파수 f2에서 가동되어, 수신기(14)에 의해 검출될 수 있는 관련 진폭 신호를 발생하게 한다.

도 11a 내지 11c에 도시된 바와 같이 스피닝(spinning) 다이폴 비컨(12)은 공간에서 축(6)을 도는 자기 다이폴이다. 실시예는 일정한 각속도로 회전하는 결과적인 자기 다이폴의 방위에 수직인 회전축(6)을 갖는 송신기(12)를 포함한다. 도 11a는 자기 벡터(4)(다이폴 자기 모멘트)에 수직인 축(6)을 중심으로 회전되고 있는 자기 다이폴로 이루어진 자기 비컨을 보여준다. 도 11b는 도 11a에서의 자기장과 동일한 자기장을 가진 자기 비컨(12)을 도시하며, 2개의 와이어 코일(2)은 서로 수직이다. 전류원은 회전 위상의 사인과 코사인과 동일한 신호에 의해 변조된다. 도 11c는 유효 자기 다이폴(3개의 동위치 다이폴)의 3D 회전을 할 수 있는 비컨(12)을 도시한다.

스피닝 다이폴 비컨은 어떠한 움직이는 부품도 가질 필요가 없다. 예컨대 서로 수직인 2개의 자기 코일(20)을 갖는, 도 11b에 설명된 비컨은, 도 11b의 2개의 직교 코일(2)을 가동시키는 전류원이 이하의 수학식 1에 의해 정의되는 전류를 만들어내는 경우에, 동일한 자기장을 만들어낼 것이다.

여기서, I_Green과 I_Blue는 2개의 코일(2)에 흐르는 각각의 전류이고, I_Rotation은 회전 코일에 흐르는 전류이고,

_Rotation은 회전 코일의 회전각이다. 직교하지 않는 코일들을 포함하는 비컨에 대해서도 유사한 공식이 도출될 수 있다.

일정 각속도의 경우에는 그와 같은 전류를 정의하는 수학식은 다음의 수학식 2로 나타낼 수 있다.

즉, 회전 다이폴은 일반적인 동위치 다이폴의 특수한 경우이다. 다이폴의 완전한 3D 회전은 3개의 동위치 다이폴(도 11c)의 등가물이다. 등가 공식에서 비컨의 자기 모멘트는 다음의 수학식 3에 의해 기술된다.

여기에서, M=cosωt는 다이폴 값이고, Ω와 Φ는 각각 회전 주파수와 위상이고, ω는 비컨 반송 주파수이다. 간단하게 하기 위해 비컨 반송 주파수의 위상은 0으로 설정된다.

동위치 다이폴은 방위각의 라인(line of bearing: LOB)이 미지의 방위를 갖는 수신기(14)에 의해 결정될 수 있게 한다. LOB에 대한 해를 구하기 위해, 5개의 변수를 결정하는데: 2개의 변수는 자기 다이폴(비컨) 좌표계에서의 수신기(14)의 위치에 대한 각도이고 3개의 변수는 수신기(14) 좌표계에서 비컨의 방위 및 위치를 결정하는 각도이다. 이론적으로, 거리도 마찬가지로 결정될 수 있다. 전체 지리적 위치는 6번째 변수: 비컨과 수신기(14) 간의 거리의 측정을 필요로 한다.

자기장 측정은 나란히 배치된(collocated) 송신기(12) 비컨에서 자기 다이폴당 3개의 측정치를 만들어낸다. 따라서, 나란히 배치된 비컨은 수신기(14) 좌표에서 LOB 결정을 허용한다.

자기 비컨이 전역 좌표계(GCS)의 원점에 위치하고 동위치 비컨이 GCS에서 z축(6) 주위를 회전하는 다이폴을 갖는 스피닝 비컨인 경우에는, GCS에서의 자기 벡터의 값은 상기 수학식 3에 의해 기술된다. 다이폴의 자기장(B)은 다음의 수학식 4에 의해 결정된다.

따라서 GCS의 점 r에서의 자기장의 값은,

인 경우에:

다음의 수학식 5로 표현된다.

도 12는 극좌표에서의 자기 비컨을 나타낸다. 비컨은 X, Y, Z 좌표계의 원점에 위치해 있다. 수신기(14) 유닛은 벡터 B의 원점에 있다. 다이폴 자기 모멘트(4) 벡터 M은 특정 시점에서의 비컨의 자기 모멘트의 순간 방위를 나타낸다. 스피닝 비컨의 현재 위치에 대한 순간 자기장 라인(32)이 도시된다. 자기장 라인(32)은 자기계 위치와 교차한다. 자기 모멘트(4)는 자기 코일(예컨대 2)이 수십 rpm에서 Z축(6) 주위를 동시에 회전하는 동안에 10 kHz 이하의 고정 주파수에서 동작함으로써 익사이팅된다. 수신기(14), 및 다이폴의 중심(3)에 의해 정의되는 극좌표계에서, 자기 모멘트(4)의 값, 및 거리는 다음의 수학식 6에 의해 정의된다:

여기에서, e_i는 대응하는 방향에서의 단위 벡터를 칭한다. 따라서, 자기장 B의 성분 크기는 다음의 수학식 7에 의해 정의된다:

상기 수학식 7의 중요한 특성은 이것이 자기장의 방사(r), 방위각(

) 및 경사(

) 종속성을 분리시킨다는 사실이다. 자기장 값의 제곱은 다음의 수학식 8로부터 결정될 수 있다:

｜B｜²의 값은 수신기(14)의 실제 방위와는 무관하다는 것에 유의한다. 그러나, ｜B｜²의 시종속성을 알고 있는 경우, 그것은 GCS에서의 거리(r), 방위각(

) 및 경사(

)의 해를 구하는데 충분한 방정식들을 제공한다.

수신기(14)/로컬 좌표계(LCS)에서의 LOB 네비게이션은 이러한 실시예를 이용하여 수행될 수 있다. 수신기(14)는 자기장 B_x, B_y, B_z의 순간 값들을 측정한다. 비컨(12)의 LOB를 결정하기 위해서는 대응 자기 벡터 성분의 시종속성이 수학식 7을 만족할 LCS에서의 방위를 알아내야 한다. 이러한 방위를 알아내기 위해, 자기장의 값을 cosωt 및 sinωt에 맞추어넣고 ω값만큼 주파수를 시프트 다운함으로써 반송 주파수를 제거할 수 있다. 이 실시예에 대해서는 다음과 같이, 설명된 자기장 값은 변조의 대수 값들이다. 자기장 B_x, B_y, B_z의 값들은 다음의 수학식 9가 유지되도록 cosΩt 및 sinΩt에 맞추어 넣어진다:

정의된 벡터는 다음과 같다:

각도 α 및 β는 다음의 수학식 10을 이용하여 자기장 검출기의 회전을 정의하도록 구해지며:

이에 따라 새로운 축 y는 다음의 수학식 11을 만족시킴으로써 자기 다이폴 회전 면에 수직하게 되고,

각도 γ는 다음의 수학식 12에 따라 결정되며:

이에 따라 새로운 축 x는 다음의 수학식 13이 만족되도록 송신기(12)를 가리킨다.

다음의 수학식 14가 산출된다:

여기서 벡터,

는 로컬 좌표계에서 송신기를 가리킨다. 이들 2가지 맞춤들(fits)이 수행되면 전역적 좌표계에서의 벡터:

가 수신기(14)를 가리킨다는 것을 나타냄으로써 비컨 좌표계에서 수신기(14)로의 방향을 산출할 수 있다. 벡터 D는 단위 벡터가 아니며 다음과 같이 되도록 정규화될 수 있다:

수학식 13은 rot_ii가 적용된 후에 유효하다. 따라서 수학식 9 및 10에 기술된 맞춤이 수학식 12를 다음의 수학식 17에서와 같이 수학식 9의 측정된 자기장에 적용한 후에 수행되어야 하는지가 판단되어야 한다:

수신기(14)의 LOB를 결정하기 위해, 연관된 진폭 신호의 대응하는 자기장 벡터 성분의 시종속성이 수학식 7을 만족하는 GCS에서의 방위를 구한다. 이러한 방위를 알아내기 위해, 자기장 값을 cosωt 및 sinωt에 맞추어넣고 ω값만큼 주파수를 시프트 다운함으로써 반송 주파수를 제거할 수 있다. 자기장 세기의 제곱의 순간 값들은 다음의 수학식 18을 이용하여 산출될 수 있다:

자기장 세기의 값은 다음의 수학식 19가 만족되도록 cosΩt 및 sinΩt에 맞추어 넣어진다:

GCS에서 방위각(

) 및 경사(

)의 값들은 다음의 수학식 20을 이용하여 결정될 수 있다:

상기 수학식 19의 c₃ 값은 긴 시간에 걸쳐 적분이 수행되더라도 잡음이 있는 환경에서는 정확하게 결정될 수 없다. c₁과 c₂ 비의 값은 잡음에 어느 정도 영향을 덜 받는다. 이러한 환경에서, 도 13에 도시된 바와 같은 이중(dual) 스피닝 비컨은 그것의 자기 모멘트(4)(또는 그것의 연관된 신호)가 다음의 수학식 23에 의해 정의되도록 도입될 수 있다:

도 12에 도시된 비컨은 상기 수학식 23에 의해 M에 대해 기술된 바와 같이 자기 모멘트(4)를 생성할 수 있다. 수학식 8과 18-20을 이용하면, M₁과 M₂에 의해 독립적으로 정의된 좌표계에서 방위각 값들을 도출할 수 있다. 도 13의 M₂ 좌표계에서 방위각 값은 M₁ 좌표계에서는 기울기이며, 그 반대도 성립된다. 도 13은 스피닝 비컨, 및 XY 평면과 YZ 평면에서 독립적으로 도는 관련된 자기 모멘트(4)를 보여준다.

도 13의 자기 모멘트(4)를 개별적으로 검출하기 위해, 각 자기 모멘트를 특징짓는 2개의 주파수 중 하나만이 상이할 필요가 있다. 예컨대 그들은 회전 주파수가 다르더라도 동일한 반송 주파수를 가질 수 있다. 반대로 그들은 원한다면 동일한 스피닝 주파수를 가질 수 있다.

수신기(14)가 캘리브레이트되고(calibrated) 비컨(12) 진폭이 알려져 있는지, 비컨(12) 위상(

)이 알려져 있는지 및 수신기(14)가 동기화되어 있는지, 및 그에 기초하여 결정될 수 있는 것이 무엇인지를 아는 것이 중요하다. 수신기(14)가 캘리브레이트되어 있고 비컨(12) 진폭이 알려져 있고, 비컨(12) 위상이 알려져 있고, 수신기(14)가 동기화되어 있다면, GCS에서 수신기(14)의 정확한 위치가 결정될 수 있다. 수신기(14)가 캘리브레이트되어 있지 않거나 또는 비컨(12) 진폭이 알려져 있으나, 비컨(12) 위상이 알려져 있고 수신기(14)가 동기화되어 있다면, GCS에서 수신기(14)의 방위각이 결정될 수 있다. 수신기(14)가 캘리브레이트되어 있지 않거나 또는 비컨(12) 진폭이 알려져 있지 않고, 비컨(12) 위상이 알려져 있지 않거나 또는 수신기(14)가 동기화되어 있지 않다면, LCS에서 수신기(14)의 방위각이 결정될 수 있다.

도 14에 도시된 시스템(10)을 이용하면, 3개 이상의 동위치 다이폴을 갖는 비컨(12)은 GCS에서 방위각을 주고 스피닝 비컨(12)은 필요치 않다는 것을 추론할 수 있다. 이 실시예에서, 비컨(12) 당 하나의 스피닝 다이폴이 이용되는 경우에는, 비컨(12) 좌표에서 수신기(14)에 대한 방위각이 결정될 수 있다. 비평행 비컨 Z축들(6)을 가진 3개의 비컨들(12)을 이용하여 삼각측량을 한다. 송신기(12) 당 다수의(2 이상의) 스피닝 다이폴들을 이용하는 경우에는 수신기(14)에 대한 완전한 LOB가 결정될 수 있다. 이것은 2개의 비컨(12)을 이용하여 삼각측량을 하는데, 이 경우에 하나는 단일 스피닝 다이폴일 수 있다. 비컨(12)이 능동적으로 동조된다면 이 비컨(12)은 수신기(14)에 대한 방위 주위를 돌며 통신 채널이 이용된다. 거기에서 비컨(12) 방위는 더 높은 신호 대 잡음비의 수신기(14)를 추적하며 수신기(14)에 대한 완전한 LOB가 결정될 수 있다. 따라서 2개의 비컨들(12)을 이용하여 삼각측량을 하고 다수의 스피닝 비컨(12) 구성의 경우보다 더 낮은 총 에너지가 이용된다.

다른 실시예에서는, 동위치된, 회전하는 자기 다이폴을 이용하는 스칼라 자기계 네비게이션의 방위각 라인에 대해 송신기(12)와 시독립적으로 동기화된 수신기(14)를 제공할 필요가 없다. 이 실시예에서 2개의 자기 다이폴들은 동일 축(6) 주위를 회전하며, 2개의 자기 코일들(2)만을 이용하는 것이 가능하다. 이와 같은 실시예는, 2개의 다이폴들이 축(6) 주위를 회전하게끔 하나, 신호들의 위상이 상이한 비트 주파수에 있도록 도 11a에 도시된 실시예에 제2 코일(2)을 부가함으로써 구현될 수 있다. 2개의 스피닝 다이폴들에 의해 발생되는 상이한 비트 주파수에서의 신호의 위상은 자기계의 위치 및 방위와는 무관하며, 따라서 클록 신호로서 이용될 수 있다. 더욱이, 클록 동기화를 위해 똑같은 자기 다이폴들을 이용하는 것 이외에, 그들은 네비게이션을 위해서도 이용될 수 있다.

전술한 바와 같이 자기장의 실수 부분들 간의 각도를 측정하기 위해, 각각의 송신기(12) 및 수신기(14)는 매우 정확하고 안정된 타이밍 메커니즘(GPS 수신기(17, 18) 또는 다른 센서(30)의 일부)가 구비되어야 하며, 이들은 그 후 목적하는 기간의 시작부터 서로 동기화된다. 도 15는 수신기(14)가 방위각(7), 경사(8) 및 자기장 측정치에 기초하여 비컨(12)의 자기 다이폴로부터 나오는 신호의 자기장 라인들(32)을 어떻게 인터셉트할 수 있는가를 보여준다.

도전성이 높은 환경에서는 비트 주파수에의 동기화가 이용되어 (송신기들(12)와 수신기들(14) 간의) 시간 전파 효과에 관련된 에러를 보상할 수 있다. 주파수 Ω₁ 및 Ω₂를 가지며 Z축(6) 주위를 회전하는 동일 변조 주파수 ω를 갖는 2개의 자기 모멘트(M)의 자기장은 다음의 수학식 24 및 25에 의해 기술된다:

(자기 모멘트 수학식)

(자기장 수학식)

위도/경도 좌표에서 자기장의 값은 다음의 수학식에 따라 결정된다.

이에 따라서 자기장 B의 제곱의 값은 다음의 수학식 27에 따라서 결정된다.

상기 (수학식 27의) 항 1, 2 및 4에 관하여, 그들 각각, 또는 그들 모두가 함께 이용되어 자기계의 방위각(

)을 결정할 수 있다. 제1 항(또는 이와 등가인 제2 항)이 이용되어 단일 스피닝 비컨(12)을 포함하는 송신기(12)의 경우에 방위각을 결정한다. 제4 항은 이것이 비트 주파수라는 것만 제외하고는 첫 번째 2개 항과 매우 유사하다. 제5 항, 차(difference) 비트 주파수는 방위각과는 무관하다.

차 비트 주파수 항은 클록 신호로서 동기화에 이용될 수 있다. 이 항의 위상 값이 방위각에 무관하기 때문에, 그것의 위상을 클록으로서 이용하여 네비게이션의 시작 시간을 결정할 수 있다. 도전성이 높은 환경에서는, 제5 항으로부터 신호를 검출하는 시간 지연이 항 1, 2 및 4에 대한 것과 매우 유사하기 때문에, 비트 주파수에의 동기화가 이용되어 시간 전파 효과를 보상할 수 있다.

합과 차 비트 주파수 항들을 이용하여 고도(elevation)를 결정할 수 있다. 마지막 2개 항의 진폭들의 비는 고도에만 종속되며 다음의 수학식 28로 표현된다:

비는 방위각 및 거리 양쪽 모두와 무관하다. 이들 항들 양쪽 모두는 잡음 환경에서 측정될 수 있다. 통상적으로는 진폭비는 위상 측정의 경우보다 잡음이 더 많을 것으로 예상된다. 그러나, 단일 스피닝 비컨의 경우와는 달리, 이들 항들 중 어느 것도 고정 주파수(2ω)에서는 측정되지 않으나, 2ω 부근의 2개의 상이한 주파수에서 신호들의 차를 측정하는 것과 등가가 아니다.

다른 실시예에서 수신기(14)는 사용자가 진입점 근처에 위치한 전통적인 통신 시스템에 연결된 지하 장소 전체 및 외부에서 기본적인 통신을 행할 수 있게 하는 통합형 백채널(back channel) 통신 경로를 포함할 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예는 이러한 목적을 위해 소형이고, 일회용이고, 용이하게 은닉되는 애드 훅(ad hoc), 메시 네트워크화된 송수신기들(36)을 이용한다.

수신기(14)와 송수신기들(36)을 이용하여 자동적인 네트워크 가입, 중계 및 갱신이 가능하게 하는 네트워킹 프로토콜이 구성될 수 있다. 기선(baseline) 2.4 GHz 무선 송수신기(36)는 안테나를 포함하여 21×27×6 mm 이하, 즉 대략 우표 면적을 측정한다. 동작시에, 사용자는 그 또는 그녀가 터널 또는 시설물을 따라 이동할 때 "빵가루(bread crumb)" 흔적으로서 이들 송수신기(36)를 떨어뜨리거나 또는 배치할 수 있다. 코너나 요충지에 배치된 경우에, 송수신기(36)는 배치되어야 하는 또 다른 송수신기 이전의 수백 미터를 통신할 수 있다.

수신기(14)의 VHF 송수신기(45)(도 2)는 그것의 전자 장치 내에 매립되어 "빵가루" 흔적과 통신하는 송수신기(36)를 가질 수 있다. 지하 영역으로의 입구에서는, 종래의 통신 송수신기(미도시)는 동작을 지원하는 네트워크의 나머지 부분에 대한 통신 채널에 접속할 수 있다. 송수신기(36)는 데이터를 송수신할 수 있다. 수신기(14)는 오퍼레이터가 통신망으로 또는 이로부터 중계될 수 있는 암호화된 명령을 쉽고 빠르게 입력하는 방법으로 구성될 수 있다. 이를 위해 소형 핸드헬드 또는 착용식 개인 휴대 단말(PDA) 또는 유사한 사용자 출력 디바이스(24 또는 16)를 이용할 수 있다. 이러한 동일한 네트워크를 통해 간헐적(intermittent) 또는 연속적 음성 통신 중 어느 하나를 송수신하는 것도 가능하다. 사용자는 또한 그들의 위치를 작전팀(operation team)의 나머지 구성원에게 전송할 수 있다. 마찬가지로 사용자는, 동일한 네트워크를 통해, 팀 내의 다른 사용자들이 다른 수신기(14)를 이용하여 그들의 위치를 보고할 때 그들의 위치를 수신할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 송신기들은 초저주파/저주파 범위의 상이한 주파수 상에서 신호를 제공하는 표면 자기 비컨(12)일 수 있다. 이들 송신기들(12) 중 3개 또는 4개는 보통은, 지하 공간에서 이용하는 경우에서와 같이, 위치 탐사 시스템(10)의 수신기(14)를 지원하는 것이 선호된다.

도 4는 송신기(12)의 블록도를 보여준다. 각 송신기(12)는 전원(16)(통상적으로 30 시간 이상까지 시스템을 유지할 수 있고 추가적인 배터리들로 확장가능한 배터리 팩임), 프로세서(25), "VHF(Very High Frequency)" 송신기(27), "VLF(Very Low Frequency)" 송신기(29), 다이폴 안테나(20) 및 자기 루프(magnetic loop) 안테나(21)를 포함한다. 송신기(12)는 수신기(14)에 의해 검출가능한 조정가능한 주파수원을 제공한다. 프로세서(25)에 의해 GPS 수신기(18)가 이용되어 1미터 이내까지 송신기(12)의 위치를 결정할 수 있다. 수신기(14)가, 지상 또는 지하 중 어디든지 간에, 목적하는 공간으로 진입하기 전에 좌표가 설정 데이터(23)로서 수신기(14)에 전송된다. 송신 안테나(21)는 와이어의 간단한 코일이거나 페라이트 코어를 이용한 더 복잡한 시스템일 수 있다. 송신기(12)는 수작업 설치(hand emplacement), 공중 투하, 또는 차량에 탑재하기 위해 패키징될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 수신기(14)가 목적하는 지하 공간(50)에서 동작할 때, 송신기(12)와 수신기(14) 사이에는 지면(5)의 가지각색의 양의 토지, 바위, 및 흙 성분이 배치될 수 있다. 그와 같은 상황에서 수신기(14)가 검출하는데 필요한 송신기(12) 출력 강도를 결정하기 위해, 오퍼레이터는 1 Am² 소스를 가정하여 수신된 위치에서의 자기장을 주파수(2πω), 깊이(R) 및 흙 전도성(σ) 함수로서 계산할 수 있다. 지표면(5)에서의 수직 자기 다이폴에 대해서, 송신기(12)로부터 소스까지의 거리가 도전 매체(예컨대 지표면(5))에서의 파장보다 훨씬 작은 준정적(quasi-static) 경우에 대하여 자기장이 기술된다. 그와 같은 매체에서 전파 상수(propagation constant)는 다음의 수학식 29를 이용하여 결정된다:

여기에서, μ와 ε은 각각 도전 매체의 투과율과 유전율이고 γ는 전파 상수이다. 정의에 의해, 도전 매체에서의 파장(λ)은 다음의 수학식 30에 의해 나타내어 진다:

다음의 조건의 경우에:

10^-1<σ<10^-4 모(mhos)

100<R<1000 미터(meters)

100<f<10⁶ 헤르츠(hertz)

수신기(14) 위치에서의 터널의 벽에서의 자기장의 주성분은 다음의 수학식 31에 의해 결정되는 수직 자기장이다:

여기에서, m은 Amp-m²에서의 자기 다이폴 모멘트이다. 다음과 같은 통상의 동작 조건:

σ=10^-3 모

f=10,000 Hz

R=100 및 300 미터

에 대한 몇몇 기본적인 가정을 행하는 것은 수신기(14)에서의 자기장 세기에 대해 다음과 같은 값 생성한다:

R=100m, H_z=1.5 × 10⁵ fTesla

R=300m, H_z=1.9 × 10⁵ fTesla

다시 상기 값들은 1 A-m² 송신기 다이폴 모멘트를 가정한다.

수신기(14)에서 이용되는 6인치 ELF 입방체 기선 안테나의 감도는 10 kHz에서 6 fTesla이다. 이 감도가 거의 관계가 없다(tangential)고 가정하면(SNR=6dB), 이 실시예는 20 dB SNR에서 동작할 수 있고, 잡음을 1 Hz로 대역 제한하여 만족스러운 동적 시스템 응답을 줄 수 있다. 원하는 송신기(12) 강도를 계산하는 것은 이용된 다이폴 모멘트가 100m 깊이에서는 1.6×10^-3 Am²이고 300m 깊이에서는 0.8 Am²이라는 것을 보여준다. 이들은 5 내지 10 kHz 범위에서 비교적 쉽게 생성된 신호 강도이다. 예컨대 1 m² 루프를 구동하는 배터리 동작 Zonge NT-20 TEM 송신기는 25 Am² 다이폴 모멘트를 용이하게 발생시킬 수 있다. 더 큰 안테나를 이용하는 이러한 송신기에 의해 훨씬 더 큰 모멘트가 생성될 수 있다.

VLF(Very low frequency) 자기 비컨이 본원에 개시된 지하 네비게이션 시스템을 구현하는 데에 이용된다. 이러한 자기 비컨들은 소형이고, 에너지 효율이 좋고, 강력하여, 최소한의 에너지로 큰 자기 모멘트를 발생시킨다. 도 5a는 도 4에 도시된 송신기(12)의 예시적인 다이폴 안테나(20) 및 수평 루프 안테나(21)를 보여준다. 안테나(21)는 다음의 특성: 에어 코어(44), 100회 감은 알루미늄 와이어(37), 반경이 0.1m이고 높이가 0.26m인 두꺼운 2개의 층을 가질 수 있다. 이러한 구성의 안테나(21)는 무게가 약 3.7kg이고 10 kHz에서의 입력 임피던스가 1+j48Ω일 것이다. 1 A-m² 다이폴 모멘트를 생성하기 위해, 그것은 15볼트 또는 5와트 입력 전력에서 0.3 암페어로 구동될 수 있다. 수용가능한 수준의 고조파 왜곡을 갖고 효율이 90%인 구동 신호를 발생시키는 데에 D급의 고효율 전력 증폭기가 이용될 수 있다. 따라서, 약 6와트의 배터리 전력의 경우에, 송신기는 일정한 CW 송신기 신호를 제공할 수 있다.

15 볼트에서 175 와트시(Watt-hour)를 전달하는 10 D 셀 LiSO₂ 1차 배터리를 이용한 설계의 경우에, 송신기(12)는 30 시간을 초과하여 작동할 수 있다. 안테나(21) 파라미터는 상기 구성에 한정되는 것은 아니나, 전력 소모를 최소화하면서 필요에 따라 가장 큰 송신된 다이폴 모멘트를 생성하기 위한 최적화를 이용하도록 구성될 수 있다. 증폭기 전자 회로의 설계는 간단하므로 여기서는 자세히 설명하지 않을 것이다.

다른 실시예에서, 자기 모멘트를 증가시키기 위해, 에어 코어(44) 대신에 자기 코어(44)를 이용하여 안테나(20)를 구성할 수 있다. 자기 코어(44)는, 도 16에 도시된 바와 같이, 와이어(37)의 권선 수와는 달리, 자기 모멘트(M)와 인덕턴스(L) 양자를 동일 비율로 증가시킨다는 에어 기반 코어(44)에 대한 이점을 이용하여 유효 자기 모멘트를 증가시킬 수 있다. 자기 투과율은 10 내지 50 범위에 있을 수 있다. 이는 작은 직경의 페라이트 코어(44) 또는 내부에 페라이트 입자가 부유하는 큰 직경의 발포 코어(44)를 이용하여 달성될 수 있다. 직경이 1.001미터이고 자기 모멘트가 1 Am²인 단일 권선 자기 코일의 모델링에 기초하여, 구형(spherical) 코어(44)를 가진 코일(37)의 유효 자기 모멘트는 다음의 수학식 32에 의해 표현된다:

여기에서, M은 코어(44)가 없는 자기 모멘트이고 μ는 자성 물질의 투과율이다. 산출된 모델은 도 16의 그래픽을 따른다.

자기 코어(44)는 도 5a에 도시된 바와 같이 구형이거나 또는 도 5b에 도시된 안테나(34)와 같은 원통형 막대 코어(44)일 수 있다. 자기 코어(44), 특히 원통형 막대 코어(44)를 포함하는 자기 코어 안테나(34)가 이용되어 시스템(10)에서 지표면과 지하 간의 양방향 통신을 제공할 수 있다. 그와 같은 안테나(34)를 지표면 상에는 물론 수신기(14)에도 포함하면, 연속 통신이 가능할 정도로 자기 모멘트가 증폭될 수 있다. 이것은 수신기(14)의 사용자가 시스템(10)을 통해 지표-지하 간 양방향 연속 통신을 할 수 있게 한다.

도 6은 타원 편광 신호(28), 및 수신 신호 전력 대 안테나 방위의 다이어그램(26)을 도시한다. 에너지 분포의 다이어그램(26)은 송신기(12)에 의해 송신되고 수신기(14)로서 이용된 Raytheon Cube에 의해 수신되는 타원 편광 신호를 보여준다. 비컨(12)으로부터의 신호가 일단 수신기(14)에 의해 수신되면, 그들은 수신될 때 각 송신기(12)로부터의 주 자기장의 벡터 방위각을 결정하도록 처리될 수 있다. 지표면 상의 안테나(21)의 송신 주파수에 대응하는 각 채널은 이런 식으로 처리되어 각 송신기(12)의 벡터 자기장들 간의 입체각(solid angle)을 결정할 수 있다. 지표면 송신기들(12)로부터의 신호 이외에도, 네비게이션 비컨, 초저주파 통신 시스템, 및 HAARP(High frequency Active Auroral Research Program)과 같은 다른 기회 신호(13)(도 1)가 이용되어 위치에 대한 추가적인 정보를 제공할 수 있다.

시스템(10)의 위치 정밀도는, 수신기(14)가 지하에 있을 때, 지표면 송신기(12)와 수신기(14) 사이의 매체의 전파 이상들(propagation anomalies)을 정확히 이해하고 보상하는 수신기(14)의 능력에 영향받는다. 기회 신호(13)는 때때로 (예컨대 표면(5) 아래의) 매체를 특징짓는 데에 이용될 수 있다. 기호 신호(13)의 먼 거리의 소스는 작전 지역 주변 영역의 표면에서 본질적으로 균일한 자기장을 발생할 수 있다. 이러한 균일한 자기장은 수신기(14)에서 측정될 수 있는 신호의 소스를 제공할 수 있다. 이들 신호(13)를 정확하게 측정함으로써, 매체에서의 이질성들(inhomogeneities)의 효과가 추정될 수 있다. 이러한 효과들은 그 후 지표면 송신기(12)로부터의 신호의 측정된 도달 방향을 조정하는 데에 이용되어 수신기(14) 위치를 더욱 정확하게 예측할 수 있다.

실제로는 수신된 신호는, 2차적인 유도 자기 소스들은 물론 다중 경로 에너지가 있을 수 있기 때문에, 도 6의 예에서 나타낸 것처럼 항상 "깨끗한" 것은 아닐 수 있다. 그러나 이러한 뚜렷한 클러터(clutter)는 그것의 신호 특성들 및 직각위상 시프트에 기인하여 주 자기장으로부터 구별될 수 있다. 수신기(14) 위치를 더 식별하기 위해, 전술한 바와 같은 추가적인 센서(30)(도 2)가 수신기(14)와 함께 이용되어, 위치를 직접 식별하거나 또는 비컨(12) 신호들의 기여를 가중시키는데 도움을 주는 독립적인 정보를 제공할 수 있다. 추가 센서(30)는 나침판, 가속도계/경사계, 미기압계, 백채널 통신 중계 카드(card)들 간의 레인징(ranging), 및 휴대용 보수계(pedometer) 및 차량 탑재 유닛을 위한 주행 기록계를 포함할 수 있다.

지하 작전 시간 기간 중, 신호가 전혀 검출되지 않으면, 관성 유도 시스템(19)(도 2)이 갱신된 위치 정보를 초당 수 회 제공할 수 있다. 이런 방식으로 송신기(12)가 일시적으로 유효 범위 밖에 있거나 또는 수신기(14)에 현저한 이상이 발생하여 자기장을 왜곡시켜 산출된 위치에 악영향을 미치는 시간 동안에도 수신기(14)는 작동을 계속할 수 있다. 다른 실시예는 수신기(14)의 자기장 센서의 방위를 맞추기 위해 관성 네비게이션 유닛을 이용할 필요 없이 위치 측정(localization)을 위한 자기장을 이용할 수 있다. 위치와 주파수가 알려진 송신기(12)로부터의 다수의 자기장 소스들이 이용가능하면, 각 송신기(12)에 의해 생성된 자기장의 실수 부분들 간의 각도를 이용하여 수신기(14) 방위와 무관하게 자기장 파라미터가 측정될 수 있다. 이 실시예는 도 5a 및 5b에 도시된 페라이트 코어(44) 자기 안테나(20, 21, 34)에 이용하기에 매우 적합하다.

관성 유도 시스템(19)은 수신기(14)가 송신기(12)의 범위 밖에 있는 상황에서는 유용하지만, 이것을 너무 믿으면 신뢰성이 떨어져, 때때로 드리프팅(drifting)으로 인한 잘못된 좌표를 제공할 수 있다. 그것은 또한 수신기(14)가 올바르게 방위를 맞추도록 요구하며, 이는 때로는 불편한 일일 수 있다. 수신기(14) 자기계는, 수신기가 적어도 2개의 송신기(12)의 자기장을 검출하는 이용 기간 동안 추가적인 위치 체크로서 이용될 수 있다. 수신기(14)는 자체 좌표계에서 자기장을 측정한다. 전역적 좌표계와 자체 좌표계가 정렬되어 있다고 가정하면, 수신기(14)는 다음의 수학식 33에 따라서 자기장(H)의 3개 성분값(x,y,z)을 측정할 수 있거나:

또는 다음의 수학식 34에 따라서 순수한 사인 신호를 측정할 수 있다.

그러나 전역적 좌표계와 자체 좌표계가 반드시 정렬되는 것은 아니다. 이들 좌표계 간의 관계는, 수신기(14)가 실제로 다음의 수학식 35에 따라서 H를 측정하도록, 3×3 시종속 회전 행렬 Rot(t)로 기술된다:

여기서, Rot(t)는 다음의 수학식 36을 만족한다:

자기 벡터의 제곱은 다음의 수학식 37로 나타낸 바와 같이 수신기(14)의 방위와는 무관하다는 것을 아는 것이 중요하다.

자기장의 진폭의 제곱의 측정(수학식 37)으로부터 변수들이 추출될 수 있다. 2개의 송신기(12)의 자기 비컨이 수신기(14)의 위치에서 다음과 같이 기술될 수 있는 자기장 H1 및 H2를 생성하고 있다고 가정하면:

자기장(수학식 34)에 노출된 수신기(14)의 출력은 여전히 수학식 36 및 37에 의해 기술될 것이다:

수학식 39의 주파수 항들을 결합하고, 다음의 수학식 40을 이용하면 다음과 같이 유도된다:

이중(double) 비컨 주파수와 비트 주파수에서의 간섭성 검출(coherent detection)은 수학식 40에서의 각 항의 값을 복구할 것이다. 예컨대 다음의 수학식 41을 이용하면 수학식 40의 제5 항과 제7항을 복구할 수 있다:

수학식 40은 벡터의 완전한 복구를 허용하지 않는다. 각 벡터는 실수부와 허수부 양쪽에 대해 3개의 성분을 갖는다. 따라서 수학식 40에는 12개의 미지 변수가 있고 8개의 하위 수학식만이 있다. 그러나 수학식 40은 매우 중요한 값, 즉, 2개의 송신기(12)(1 및 2)에 의해 생성된 자기장의 실수 부분의 벡터들 간의 각도의 코사인을 복구할 수 있다.

수학식 40으로부터 수학식 42의 분자를 알아낼 수 있다.

등방성 매체에서, 수학식 42의 분모도 복구될 수 있다. 수학식 40에는 다음과 같이 8개의 하위 수학식과 8개의 미지수가 있는데, 즉:

이다. 비등방성 매체에서는 수학식 42는 근사적으로만 해를 구할 수 있으나, 충분히 낮은 주파수에서는 충분한 정확도를 갖는다.

도 7은 위치 탐사 시스템(10)에 대한 에러 분석을 보여준다. 이 분석은 벡터 방향의 측정시에 ±5°에러가 있다고 가정한다. 적분과 신호 처리를 통해, 이것은 ±1°로 줄어들 수 있다. 그러나 지질적 영향과 비정상적인 2차 복사체들의 존재는 불확실성을 대략 ±5°로 증가시킨다. 초기 설정 데이터(23) 및 백채널 또는 지표-지하 간 통신을 통한 송신기(12) 및 수신기(14)의 정밀한 주파수 제어 및 외부 동기화를 이용하는 것을 통해, 이러한 최종적 불확실성을 추가적인 인수만큼 줄이는 것이 가능하다.

위치 탐사 시스템(10)은 잠재 거리(potential distance)를 이용할 수 있지만, 협동하는 소스들은 깊이 불확실성을 줄이는데 도움을 준다. 고전력 송신기(12)가 이용되어 스웹트 주파수 처프(swept frequency chirp) 또는 다른 다중 주파수 신호를 익사이팅시킬 수 있다. 지면에서의 전자기파의 투과 깊이의 주파수 종속성으로 인해, 지하에서의 수신기(14) 안테나(31)는 처프된 신호 내의 더 높은 주파수의 증가된 감쇄를 검출하여, 수신기(14)의 깊이의 추가적 제한을 제공할 수 있다.

위치 탐사 시스템(10)은 짧은 설정 시간을 가질 수 있으며, 현장 요원이 쉽게 운용할 수 있고, 전세계로 전개하기 위한 능력을 제공한다. 시스템(10)은 초저주파/저주파 범위에서 동작하는 튼튼한 자기 송신기(12)(비컨)로 이루어진다. 시스템(10)은 항공기를 통해 또는 수동적 수단을 통해 운송될 수 있으며 가장 가까운 곳의 구조에 영향을 받지 않는다.

송신기(12)의 전개는 여러 가지 방법으로 수행될 수 있다. 송신기(12)는 고정익 항공기, 회전익 항공기에 의해 공중 투하되거나 또는 수동적으로 설치될 수 있다. 전지형 차량(all terrain vehicle)이 이용되어 송신기(12)를 최적 오버레이 패턴을 제공하는 요망되는 장소에 설치할 수 있다. 송신기(12)는 도 8에 도시된 바와 같이 신호들 중 적어도 3개(40, 40', 40'')가 유효 비컨 범위에서 서로 겹치도록 하는 방식으로 설치되어야 한다. 송신기(12) 비컨 범위의 적당한 커버리지를 보장하기 위해서, 신호 방사(40, 40', 40'')는 목표 지역(50) 위에 우산(umbrella)을 구성할 수 있다.

위치 탐사 시스템(10)의 사용을 개시하기 위해, 현장 요원은 그들의 수신기(14)를 송신기(12)와 동기화시켜 그들의 수신기(14) 상의 신호 디스플레이를 통해 연결을 확인한다. 각 송신기(12)가 일단 배치되어 활성화되면, 그들은 전원을 켜고 GPS(Global Positioning System)를 이용하여 자동 위치 탐색할 수 있다. GPS 로크 시에, 송신기(12)는 위치 및 방위 신호를 수신기(14)(도 1)로 발신하기 시작할 수 있다. 송신기(12) 위치 및 방위는 지하 시설로 들어가기 전에 수신기(14)에 보내진다. 오퍼레이터는 수신기(14)가 지하로 들어가기 전에 송신기(12)와 초기화되고 추적 로깅(tack logging)이 작동 중임을 확인할 수 있다. 현장과 떨어져 있지만 적용 장소에 가까이 있는 작전 센터는 지하에 있는 위치 탐사 시스템 수신기(14)의 현재 위치를 모니터하도록 자리 잡을 수 있다.

위치 탐사 시스템(10) 수신기(14)는 전지형 차량에 탑재되거나 또는 배낭에 착용될 수 있다. 수신기(14)는 휴대형 모드 또는 ATV 구성으로 구성될 수 있다. 모든 필요한 부속물은 각 구성과 호환가능하다. 수신기(14)는 현재 격자 위치(grid location), 방위각, 경로 추적, 목적하는 중요 중간 지점, 및 배터리 수명을 표시할 수 있다. 수신기(14)는 오퍼레이터 제어가능한, 역광(backlit), 드릴다운(drill down) 메뉴 기반 플랫폼일 수 있다. 메뉴들은 쉽게 네비게이트되고 사용자 친화적이도록 설계될 수 있다.

송신기(12)와 수신기(14)는 30시간 이상의 연속 작업 시간까지의 작동 수명을 가질 수 있으며, 추가적인 배터리로 확장가능하다. 현장 작업이 수명을 초과하는 경우, 배터리들이 수동으로 교체되거나 또는 새로운 송신기(12)가 전개될 수 있다. 내부 메모리 배터리(42)(도 2)는 주 배터리가 작동하지 못하는 경우에 수신기914) 데이터 손실을 방지할 수 있다. 비컨(12) 배터리(16) 전력을 보존하고 오퍼레이팅 시그너처(operating signature)를 제한하기 위해서, 송신기가 작업 전에 설치되는 경우에, 프로그램가능한 시간 지연 및 웨이크업(wake up) 기능을 이용할 수 있다.

일회용 송수신기(36)(도 3)를 이용하는 백채널 통신 링크 또는 자기 다이폴(34)(도 5b)을 이용하는 지표-지하 간 양방향 통신이 이용되어 지표면 송신기/수신기와 기타 다른 작업 요소와 통신할 수 있다. 이들 송수신기(36)는 터널을 따라 시선(line of sight) 데이터 중계를 제공할 수 있는 반면, 자기 다이폴(34)은 그런 것에 의존할 필요가 없다. 개별적 송수신기(36)는 지상 및 지하 유닛들 간에 데이터를 중계할 수 있는 광범위(sparse) 네트워크를 형성할 수 있다. 수신기(14)는 낮은 데이터 레이트(rate) 통신을 지상 수신기에 보내는 능력을 가질 수 있다. 이것은, 원격 제어 센터가 지하의 위치 탐사 시스템 수신기(14)의 위치를 추적하고 각 수신기(14) 오퍼레이터와 통신할 수 있게 해줄 수 있다.

지하 네비게이션 및 지도 작성은 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 배낭 구성에서, 한 명의 오퍼레이터가 지하 환경을 탐사하면서 수신기(14)를 작동시키고 운반할 수 있다. 수신기(14)가 차량에 탑재된 경우에, 차량 오퍼레이터는 데이터를 지표면 수신기로 보내면서 위치 탐사 시스템(10)을 핸즈 프리로 작동시킬 수 있다. 핸드헬드 수신기(14)는 오퍼레이터 장비에 부착가능하다. 모바일 제어 센터는 지하 오퍼레이터와 동일한 지도 작성 및 지하 네비게이션의 그래픽 표현을 가질 수 있다.

지질 탐사 이외에도, 위치 탐사 시스템(10) 개념의 그외의 잠재적 응용은 지하 폐광의 원격 측량, 천연 동굴 탐사 및 측량, 지하 갱과 동굴 구조 작업 또는 유사한 용도를 포함한다. 더욱이 이 실시예는 지하 응용에만 한정되는 것이 아니라, 지상 위치 탐사를 포함하는 다양한 환경에 적용될 수 있다. 구체적으로, 또 다른 실시예에 대해 상세히 설명한다.

전자기 방식을 이용하는 종래의 지질 측량에서, 소스 및 수신기(14) 근처의 도전체의 존재는 주의 깊은 수집 계획을 통해 최소화될 수 있다. 그러나 위치 탐사 시스템(10)에서, 작업장(operation site)들은 송신기(12)가 전개된 장소 부근에 지표면 도전체를 가질 수 있다. 이러한 도전체는 작동되는 지역 전체에 걸쳐 존재할 수 있는 파이프, 터널 라이닝(lining) 및 시추공 형태로 있을 수 있다. 장소는 또한 수신기(14) 현장 근처에 지하 도전체를 가질 수 있다. 네비게이션 목적에 대해, 이러한 것들 모두가 문제가 되며 위치 탐사 시스템(10)의 적합한 작동을 방해할 수 있는 현저한 잡음의 소스를 나타낸다. 본원에서 설명되는 바람직한 실시예들은 모든 이러한 기능적 요소들: 이론적 모델의 확인; 위치 탐사 알고리즘을 지원하는 자기장 템플릿의 개발; 및 직접 송신된 신호로부터 클러터를 분리하는 자동화된 절차들의 개발을 다룰 수 있다.

이러한 시스템의 위치 탐사 양태들의 경우에, 이러한 자연적 잡음 및 인공 잡음은 위치 탐사 시스템(10) 성능에 대한 잠재적인 장애이다. 도 9에 도시된 이 시스템(10)의 다른 실시예에서, 잡음은 실제로는 위치 탐사 시스템(10) 송신기(12)의 영향력의 볼륨 내에 있는 지표면(5)의 물질 조성 및/또는 수문학(hydrology)에 대한 의미 있는 또는 중요한 정보를 밝혀내기 위해 분석될 수 있는 유용한 신호 정보원이다. 지하 물질의 지질적 특성의 조사를 수행하기 위해 위치 탐사 시스템(10)의 행동과 성능을 변경하는 몇 가지 수단이 가능하다.

VLF 간섭성 자기 스캐닝 또는 전략적 요새 시설들(strategic hardened facilities: SHF) 및 전략적 요새 지하 시설들(SHUF)은 시스템(10)을 사용하는 관측자에게 지하의 도전성 물질과 자성 물질의 분포에 대한 정보를 제공한다. 수신기(14)는 모터 또는 발전기를 스테인리스강 원자로(reactor) 또는 통신 장비의 큰 부분으로부터 구별할 수 있다. 시스템(10)은 보강 터널도 검출할 수 있다. 시스템(10)은 지표 투과 레이더가 할 수 없는 무선 주파수 차폐 뒤에 있는 것에 대한 세부 정보를 제공할 수 있다. 지표면(5)이 지나치게 도전성이어서 지표 투과 레이더를 이용하기 어려운 경우, 이 실시예는 보강 터널 및 무보강 터널 양쪽 모두의 검출을 허용한다.

VLF 간섭성 자기 스캐너는 도 9에 도시된 바와 같이 2개 이상의 운송 수단(101, 102)을 조합한 것이다. 극초저주파/초저주파/저주파 범위에 있는 다수의 송신기(12)는 무선 주파수 자기장 비컨으로서 이용된다. 원하는 정보와 특정 액세스 이용가능성에 따라, 지하 공간 및 수직 및/또는 수평 시추공 내에서도 유사한 송신기(12)가 이용된다. 지질 응용의 경우에, 송신기(12)는 수신기 유닛들(14)에 대한 위치 결정을 동시에 최대화하는 단일 주파수, 스웹트 주파수, 또는 다른 신호 모드를 송신하고, 지구 물리학적(geophysical) 해석을 지원하기 위한 향상된 데이터를 제공할 수 있다. 송신기(12) 위치 및 방위는 수신기(14)가 지하로 가기 전에 무선 주파수 링크에 의해 설정 데이터(23)로서 수신기(14)에 넘겨진다. 지하 수신기 유닛(14)은 다시 송신기들(12), 그외의 극초저주파/초저주파/저주파 소스들, 및 유사한 신호들을 검출하는 3성분 수신기로 이루어진다. 또한 지하 수신 유닛(14)은 지상 및/또는 수직 또는 수평 시추공에 이용되어 지구 물리학적 시그너처 수집을 향상시킬 수 있다. 해석에 도움을 주기 위해 추가적인 지구 물리학적 센서들이 동시에 전개될 수 있다.

2개 이상의 운송 수단(예컨대 원격 제어 무인 항공기 또는 지상 운송 수단)(101, 102)은 자기 송신기(12) 및 수신기(14)를 탑재한다. 송신기(12)는 제1 무인 항공기(101)에 탑재되고 수신기(14)는 제2 무인 항공기(102)에 탑재된다. 수신기(14)는 넓은 지역에 걸쳐 자기장 값을 측정하고 목적 장소의 지하 물체에 의해 생성되는 유도 자기장(103, 104)의 등가 값들의 측정을 시도한다. 유도 자기장은 자기적으로 활성인 물질의 체적에 관계되며, 따라서 지하 물체(105, 106)의 크기 및 위치에 관계된다. 운송 수단은 스캐닝하고자 하는 목적 장소 위의 공간을 가로지른다. 송신기(12)는 예컨대 GPS에 동기화된 극히 안정된 주파수 및 잘 특징지어진 자기장 분포를 갖는 자기 다이폴 기준 필드를 생성한다. 수신기(14)는 자기장의 3개 성분 모두의 동위상 및 직각위상 값들을 측정한다. 모든 측정은 1 kHz 부근의 주파수에서 수행된다. 측정치들은 지하의 등가 자기 소스들의 분포를 결정하도록 해가 구해진다. 동위상 소스들은 자성 물질, 예컨대 모터 발전기에 대응한다. 직각위상 소스들은 알루미늄 구조물, 케이블 등과 같은 도전성 물질에 대응한다.

이 실시예는 종래의 차폐 기술들을 이긴다. 1 kHz 주파수는 시스템이 강화된 콘크리트, 수분함량이 높은 광물 등과 같은 도전성이 낮은 엘리먼트에 비교적 덜 민감하게 한다. 1/16인치 두께의 구리판과 같은 종래의 차폐 기술들은 전술한 바와 같은 초저주파를 갖는 시스템(10)을 이용하는 탐색(probing)을 방해하지 못할 것이다. 이런 방식으로 시스템(10)의 사용자는 주파수를 증가시킴으로써 도전성 물질에 대한 감도를 증가시킬 수 있다. 반대로 사용자는 주파수를 감소시켜 환경에 대한 감도를 감소시킬 수 있다. 10 kHz 이하의 1차 주파수의 이용은 또한 먼 거리의 번개 폭풍과 같은 자연적으로 발생하는 소스로부터의 잠재적인 간섭을 최소화하여, 이 주파수 범위에서의 감소된 잡음 수준을 생성한다.

이 기술은 지하 물질의 자기 특성의 분포를 측정하려고 시도하지 않기 때문에 지리적 자기 사운딩과는 다르다. 초저주파에서, 1차 자기장과 2차 자기장은 쉽게 분리될 수 있다. 유도된 와전류(eddy current)는 자기장과 (직각으로) 직교한다. 따라서 그들이 생성한 2차 자기장은 1차 자기장과 직교한다. 1차 자기장이 작고 3차 효과가 무시될 수 있다면(즉 저주파 또는 저전도성), 동위상 및 직각위상 자기장 측정은 1차 자기장과 2차 자기장을 분리할 수 있으며, 따라서 예컨대 강철과 같은 강자성 물질과 구리나 알루미늄과 같은 도전성 물질에 의해 유발되는 섭동이 검출될 수 있다.

전술한 프로세스와 장치들은 사용 및 제작될 수 있는 많은 것들 중 바람직한 방법과 전형적인 장치를 예시한 것이다. 상기 상세한 설명과 도면은 본 발명의 목적들, 피처들 및 이점들을 달성하는 실시예들을 예시한다. 그러나 본 발명이 상기에 설명되고 예시된 실시예에만 한정된다는 것은 아니다. 현재 미리 알 수 없는, 하기의 청구범위의 정신 및 범주 내에 속한 본 발명의 임의의 변형은 본 발명의 일부로서 고려되어야 한다.

Claims (50)

1. 적어도 2개의 자기 다이폴을 포함하고, 자기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 송신기; 및
   상기 적어도 하나의 송신기로부터의 입력을 수신하도록 구성된 자기계(magnetometer)를 포함하는 수신기
   를 포함하고,
   상기 송신기는 하나 이상의 미리 결정된 패턴에 따라서 상기 자기 다이폴들의 각각의 진폭을 변경하여 연관된 신호들을 생성하도록 구성되고,
   상기 송신기는 제1 주파수에서 제1 자기 다이폴의 진폭을 변경하고, 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수에서 제2 자기 다이폴의 진폭을 변경하도록 구성되고,
   상기 자기 다이폴들은 일정한 속도로 각각의 축들 주위를 회전하도록 구성되고,
   상기 연관된 신호들은 고정 평면에서 회전하도록 구성되고,
   상기 수신기는 상기 고정 평면의 방위에 기초하여 상기 송신기의 방위각(bearing)을 결정하도록 구성되는 네비게이션 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수신기는 그들의 연관된 신호들 사이의 차이에 기초하여 각각의 송신기를 식별하도록 구성되는 네비게이션 시스템.
3. 적어도 2개의 자기 다이폴을 포함하고, 자기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 송신기; 및
   상기 적어도 하나의 송신기로부터의 입력을 수신하도록 구성된 자기계(magnetometer)를 포함하는 수신기
   를 포함하고,
   상기 송신기는 하나 이상의 미리 결정된 패턴에 따라서 상기 자기 다이폴들의 각각의 진폭을 변경하여 연관된 신호들을 생성하도록 구성되고,
   상기 송신기는 제1 주파수에서 제1 자기 다이폴의 진폭을 변경하고, 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수에서 제2 자기 다이폴의 진폭을 변경하도록 구성되고,
   상기 자기 다이폴들은 일정한 속도로 각각의 축들 주위를 회전하도록 구성되고,
   상기 수신기는 적어도 상기 제1 자기 다이폴과 상기 제2 자기 다이폴 사이의 방위의 차이에 기초하여 상기 송신기에 대한 방위각의 라인을 결정하도록 구성되는 네비게이션 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 수신기는 상기 자기 다이폴들의 진폭 신호들에 기초하여 상기 송신기까지의 거리를 결정하도록 구성되는 네비게이션 시스템.
5. 적어도 2개의 자기 다이폴을 포함하고, 자기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 송신기; 및
   상기 적어도 하나의 송신기로부터의 입력을 수신하도록 구성된 자기계(magnetometer)를 포함하는 수신기
   를 포함하고,
   상기 송신기는 상이한 각각의 주파수에서 상기 자기 다이폴들의 방위를 변경하도록 구성되고,
   상기 송신기는 제1 클록을 더 포함하고, 상기 수신기는 제2 클록을 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 클록은 신호 검출에서 이용하기 위해 동기화되는 네비게이션 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 수신기는 상기 자기 다이폴들의 방위의 차이에 기초하여 상기 제2 클록을 상기 제1 클록과 동기화시키는 네비게이션 시스템.
7. 제5항에 있어서,
   상기 자기 다이폴들은 스피닝(spinning) 다이폴들인 네비게이션 시스템.
8. 제5항에 있어서,
   상기 자기 다이폴들은 회전의 중심을 공유하는 네비게이션 시스템.
9. 제5항에 있어서,
   상기 송신기는 상기 자기장을 생성하기 위한 적어도 2개의 비동축 자기 코일들을 더 포함하는 네비게이션 시스템.
10. 제5항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 자기장을 생성하기 위한 적어도 3개의 비동축 자기 코일들을 더 포함하는 네비게이션 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 자기 코일들 중 적어도 하나는 자기 코어를 포함하는 네비게이션 시스템.
12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 자기 코일들은 동일한 자기 코어를 공유하는 네비게이션 시스템.
13. 제5항에 있어서,
    상기 송신기에 대한 상기 수신기의 방위각의 라인을 결정하기 위한 디바이스를 더 포함하는 네비게이션 시스템.
14. 적어도 2개의 회전하는 동위치(co-located) 자기 다이폴을 포함하는 송신기 - 상기 동위치 자기 다이폴들은 회전축을 공유함 -; 및
    자기계(magnetometer)를 포함하는 수신기
    를 포함하고,
    상기 수신기는 상기 2개의 회전하는 동위치 자기 다이폴들에 의해 생성된 신호를 클록 신호로서 이용하도록 구성되는 네비게이션 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 동위치 자기 다이폴들은 둘 이상의 자기 코일에 의해 생성되는 네비게이션 시스템.
16. 적어도 2개의 회전하는 동위치(co-located) 자기 다이폴을 포함하는 송신기 - 상기 동위치 자기 다이폴들은 회전축을 공유함 -; 및
    자기계(magnetometer)를 포함하는 수신기
    를 포함하고,
    상기 수신기는 상기 2개의 회전하는 동위치 자기 다이폴들에 의해 생성된 신호를 이용하여 상기 송신기에 대한 방위각의 라인을 얻도록 구성되는 네비게이션 시스템.
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