KR101834093B1 - Ｔｄｏａ-기반 지리위치에 대한 다경로 일그러짐의 경감 - Google Patents
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Abstract
다경로 간섭의 존재에서의 무선주파수 전송기의 전파 탐지를 위한 방법 및 시스템. 무선주파수 수신기들은 비교적 적은 다경로 반사들을 포함하고 상기 전송기 및 수신기들 사이의 가시 내 전파 전파(可視內電波傳播)[line of sight propag ation]를 갖는 접지 레벨에서의 다경로 환경에서의 미리 결정된 위치들에 공간적으로 분리되어 있다. 상기 전송기와 관련된 수신된 능동적인 무선주파수 신호의 검출시에, 상기 수신기들은 상기 검출된 무선주파수 신호를 측정하도록 지시받는다. 각 수신기는 상기 검출된 무선주파수 신호의 직-경로 및 다경로 반사들 사이의 상대적인 위상차들에서의 다수의 측정들을 제공하는 궤적을 따른 다른 위치들에서의 상기 무선주파수 신호의 일련의 측정들을 획득한다. 상기 수신기들은 자동으로 또는 수동으로 재위치될 수도 있거나, 상기 궤적을 따라 고정 위치들에 미리 배열되거나 선택적으로 배치된다. 수신기들의 쌍들 사이의 TDOA 측정들은 상기 얻어진 측정들에 근거하여 계산되며, 각각의 수신기 쌍에 대한 각각의 업데이트된 TDOA 측정치를 제공하기 위해 평균되고, 이것은 전송기 위치를 결정하기 위해 사용된다.
Description
본 발명은 일반적으로 다경로 환경에서의 전파 탐지법에 관한 것이다.
지리위치 기술은 특정 물체의 현재의 지리적인 위치의 정확한 결정을 제공하는 것을 시도하고 있다. 보통의 형태는 무선주파수(RF) 신호들의 전송 및 수신 및 무선주파수 특성들의 측정들을 활용하는 전파 탐지법이다. 특히, 전송원(transmit ting source)의 위치는 상기 전송된 무선주파수 신호의 세기(신호 강도) 또는 위상(지연)에 관한 측정들을 얻는 복수의 수신기들을 사용하여 결정될 수 있다. 한개의 해결책은, 상기 전송된 신호 강도가 알려져 있다고 가정하면, 상기 전송원에 대한 거리를 추정하기 위한 수신신호 강도(RSS)를 사용한다. 양자 택일적으로, 만일 전송시간 및 전달속도가 알려져 있다면, 상기 전송거리는 상기 수신기들에서의 도착시간(time of arrival, TOA)에 근거하여 추정될 수 있다. 양방향성 안테나를 사용하여 얻어질 수 있는 상기 전송된 신호의 도래각(到來角)(angle of arrival, AOA)은 전송기 위치를 제공하기 위해 거리 추정치와 결합될 수도 있다. 추가적인 해결책은, 알려진 위치들에 위치한 공간적으로 분리된 다수의 수신기들에서의 도착시간들 사이의 차이들을 측정하는 다변측량(multilateration)의 형태인, 도착 시간 차(差)(time difference of arrival, TDOA)로 알려져 있다. 수신기들의 각각의 위치들 및 수신기들 사이의 도착 시간 차(差)가 제공되는 각쌍의 수신기들에 대해, 상기 측정들을 만족하는 상기 전송기에 대한 가능한 위치들의 세트는 쌍곡선을 형성할 것이다. 다른 쌍들의 수신기들에 대한 부가적인 TDOA 측정들을 활용함으로써, 다수의 쌍곡선들이 구성될 수 있고, 그들의 교차점이 상기 전송기의 가능한 위치에 대한 표시를 제공한다.
상기 계산들은 자유-공간 전달을 가정할 때 간단하지만, 실제 조건들에서는 상기 전송된 신호는 흡수, 감쇠, 굴절, 및 반사와 같은 현상들을 경험하는 경향이 있으며, 이러한 현상들은 상기 신호의 실제의 전달에 영향을 끼친다. 도심지역에서 전형적인, 장애물들 및 장벽들이 풍부한 환경들에서는, 방해면(intervening surfa ces)들로부터의 실질적인 정도의 간섭이 존재하며, 이것은 상기 신호의 반사된 그리고 지연된 복사신호들(replicates)이 수신기 안테나에 도달하는 다경로 일그러짐을 초래한다. 상기 방해받은 신호는 수신기에 도달하기 전에 다수의 경로들을 따른 건설적인 그리고 파괴적인 간섭을 경험하며, 이것은 위치 추정의 정확도에 영향을 끼치는 신호의 크기 및 위상 둘다 모두에서의 변화들을 야기시킨다. 만일 상기 수신기들이 실질적인 고도에 위치한다면, 전송영역에서의 다수의 잠재적인 방해물들을 우회할 수도 있고 다경로 전달을 실질적으로 회피할 수도 있다. 그러나, 어떤 응용물들은 지상 수신기들을 사용하는 것에 제한되므로 중요한 다경로 효과들을 경험한다.
자유-공간 전달을 가정하는 TDOA 전파 탐지법 구조에 대해, 1쌍의 수신기들에서의 상기 수신된 신호들은 다음의 방정식들에 따른 지연 및 감쇠만큼 다르다:
여기서, 
, 
는 2개의 수신기들에서 수신된 신호들이며, 
는 목표물로부터 전송된 신호이고, 
,
는 감쇠들이며 
는 지연들이다. 
및 
는 각각 2개의 센서들 사이의 상대적인 감쇠 및 지연이다.
그러나, 지반고(地盤高)(ground-level) 수신기 구성들에서와 같이, 만일 자유-공간 전달 추정이 유효하지 않다면, 각 수신기가 편이되어 감쇠된 반사신호들의 결합을 수신하는 다경로 모델은 다음의 방정식들에 의해 표현될 수 있다:
여기서, 
, 
는 j번째(jth) 수신기에서의 i번째(ith) 반사의 감쇠 및 지연이고, 
는 상기 수신기에 대한 반사들의 전체의 수이다.
반사들의 수, 반사 전력(reflections power) 및 반사 지연들(reflections delays)에 의해 특징지어지는 상기 다경로의 성질은 환경의 성질에 의존한다. 밀집된 도시 환경들은 직접적인 경로신호들보다 더욱 강할 수도 있는 다수의 반사들에 의해 특징지어진다. 상기 다경로 반사신호가 비교적 약하다 할지라도(예컨대, 40dB 미만), 그것은 여전히 최종 위치 추정의 정확도에 대한 상당한 영향을 가질 수 있다.
일반적으로 지리 위치 추정기술에 대한 다경로 전달의 영향을 경감하는 것에 대한 그리고, 특별히 TDOA-기반 지리 위치기술들에 대한 다양한 해결책들이 이 기술분야에서는 잘 알려져 있다. 어떤 해결책들은 유도된 바이어스들을 감소시키려고 시도하는 다른 형태들의 대수들 및 계산적인 조작들을 포함한다.
"멀티플랫폼 애매모호한 위상원 및 TDOA 보호 에미터 위치(Multiplatform ambiguous phase circle and TDOA protection emitter location)"의 명칭의, 로즈( Rose)씨(氏)에게 특허된 미국특허번호 5,999,129호는 2개 이상의 이동하는 관측 비행체로부터의 정적인 무선주파수 신호 송출기의 지리 위치에 관한 것이다. 상기 관측자들은 상기 송출기로부터 신호들을 수신하며, 상기 신호들 사이의 애매모호한 위상차는 해당 업데이트 간격들에서 측정된다. 상기 관측자들은 미리 결정된 클록 간격에 걸쳐 수신된 신호들의 펄스 TOA 측정들을 수행하며, 이로부터 해당하는 동일-펄스 송출기 신호들의 TDOA가 계산된다. 일련의 원형 위치선들(lines of posit ion, LOP)은 측정된 애매모호한 위상차들 및 관련된 정수값들에 근거하여 각각의 관측자에 대해 추정된다. 쌍곡선의 위치선들도 또한 TDOA 계산들에 근거하여 계산된다. 상기 송출기 위치는 상기 쌍곡선의 위치선들 및 상기 원형의 위치선들의 교차점에 근거하여 결정된다.
"이격된 전송기 사이트들로부터 전송된 다수의 주파수 비콘들 사이의 위상차들을 사용하여 물체를 위치시키는 방법(Method of locating object using phase differences among multiple frequency beacons transmitted from spaced apart transmitter sites)"의 명칭의, 로버츠(Roberts) 씨(氏)에 특허된 미국특허번호 7,132,981호는 다른 위치 시스템들(예컨대, GPS 시스템들)이 성공적으로 동작한다고 기대되지 않을 수도 있는 환경에서 이동물체를 지리 위치시키는 기술에 관한 것이다. 지리 위치들이 고정되어 알려진 적어도 3개의 전송기 사이트들은 관심의 환경 내의 이동 수신기에 의해 용이하게 수신되는 이중 주파수 비콘들을 전송한다. 상기 물체와 함께 위치한 수신기는 각쌍들의 비콘들 사이의 위상차들을 측정함으로써 3세트들의 수신신호들을 처리한다. 상기 물체 수신기는 TDOA 또는 TOA 정보를 얻기 위해 위상차들을 처리하며, 이로부터 상기 물체의 위치가 유도될 수 있다. 잔류 위상 오차들 및 주파수 편차(周波數偏差)들이 상기 수신기에서 측정될 수도 있다.
"도착 시간 차(差)에 근거한 위치 결정 시스템 및 결정방법(Positioning sys tem and method based on time difference of arrival)"의 명칭의, 야마사키(Yama saki) 씨(氏)등에 특허된 미국특허번호 7,139,583호는 다른 전달 환경들을 통해 통과한 측정신호들에 대한 복수의 수신 타이밍들을 누적시키고, 수신 타이밍 견본들에 관한 통계학적 처리를 수행함으로써, 단말기 기지국 및 복수의 액세스점들 사이의 도착 시간 차를 측정하는 위치 결정 시스템에 관한 것이다. 특히, 각각의 액세스점들은 상기 기지국으로부터 전송된 신호를 반복적으로 측정하는 한편, 시간, 위치, 또는 주파수와 같은 매개변수들을 변화시킨다. 예를 들어, 상기 측정들은 액세스점에서의 안테나의 위치 또는 기지국의 위치를 약간 변화시키거나, 사용중인 주파수 채널을 변화시키면서 수행된다. 지연 프로필들(Delay profiles)은 상기 측정신호들로부터 생성되며, 주어진 타이밍은 상기 신호에 대한 수신 타이밍 견본으로서 각각의 지연 프로필 상에서 결정된다. 상기 수신 타이밍 견본들은 결합되며, 1개의 수신 타이밍은 기준 타이밍으로서 각각의 액세스점에 대해 결정된다. 상기 기지국 및 액세스점들 사이의 상기 TDOA는 상기 수신 타이밍들에 근거하여 계산되며, 이로부터 상기 기지국 위치 좌표들이 계산된다.
"무선주파수 전송기 지리 위치 시스템 및 관련방법들(RF transmitter geolo cation system and related methods)"의 명칭의, 호이저(Heuser) 씨(氏)에 특허된 미국특허번호 7,911,385호는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기를 지리 위치시키기 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 이격된 관계로 배열된 복수의 무선주파수 수신기들, 및 상기 무선주파수 전송기와 관련된 복수의 측정들을 발생하도록 구성된 컨트롤러를 포함한다. 상기 측정들은 : 도착 주파수 차(差) 측정들, 도착시간 측정들, 도착 시간 차(差) 측정들, 도착 주파수 측정들, 및 도래각 측정들중 적어도 하나일 수도 있다. 상기 컨트롤러는 상기 측정들에 근거한 그리고 상기 다경로 간섭에 기인하는 복수의 모호함수(ambiguity functions)를 계산하며, 상기 모호함수들을 보통의 지오-레퍼런스트 그리드(geo-referenced grid)에 적용한다. 상기 컨트롤러는 상기 무선주파수 전송기의 지리 위치를 나타내는 상기 보통의 지오-레퍼런스트 그리드 상의 피크(peak)를 검출한다. 상기 보통의 지오-레퍼런스트 그리드는 상기 무선주파수 수신기들의 위치, 방향, 및/또는 상대적인 운동에 근거하여 발생될 수도 있다.
"반복적인 잔여 가중치를 사용하여 신호 송출기들을 위치시키기 위한 방법 및 시스템(Method and system for locating signal emitters using iterative residual weighting)"의 명칭의, 기네스(Gines) 씨등에 특허된 미국특허번호 8,049,811호는 서로 분리 및 이격된 적어도 3개의 센서들을 사용하여 신호 송출장치의 위치를 결정하는 것에 관한 것이다. 상기 장치에 대해 추정된 위치 데이터는, 추정된 위치가 결정되는 것에 근거하여, 각 센서 또는 센서 쌍에 대해 결정된다. 상기 추정된 위치 데이터는 상기 수신된 신호들의 도래각, 도착시간, 도착 시간 차(差) 또는 상대적인 신호전력들에 근거할 수도 있다. 상기 추정된 위치 데이터에 대한 잔류치들은 상기 추정된 장치 위치 및 해당 센서 또는 센서 쌍에 대한 상기 추정된 위치 데이터 사이의 차이에 근거하여 결정된다. 상기 잔류치들은 각각의 센서 또는 고유의 센서 쌍에 대해 상기 추정된 위치 데이터에 대한 해당 가중치들로 변환되므로, 가중화된다. 그 다음으로, 상기 추정된 장치 위치는 상기 가중화된 추정된 위치 데이터를 사용하여 업데이트된다.
"다수의 관측자들을 사용하여 이동 또는 고정 전송기들의 정밀한 지리 위치 측정법(Precision geolocation of moving or fixed transmitters using multiple observers)"의 명칭의, 파커(Parker) 씨(氏)에 특허된 미국특허번호 8,077,089호는 복수의 고정 수신장치들 및 이동 수신장치를 사용하는 이동 전송기의 지리 위치 측정법에 관한 것이다. 상기 고정 수신기들은 파장-크기의 위상-차 측정들을 얻으며, 전송기 궤적의 형태를 제공한다. 상기 이동 수신기 및 적어도 하나의 고정 수신기 사이의 위상 차이는 잔류 위상오차(phase error residual)를 얻기 위해 측정된다. 상기 전송기의 추정된 시작점은 가장 적합한 잔류오차를 얻기 위해 이동된다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수(RF) 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 비교적 적은 다경로 반사들을 포함하고 상기 전송기 및 수신기들 사이의 가시 내 전파 전파(可視內電波傳播)[line of sight propagation]를 갖는 접지 레벨에서의 다경로 환경에서의 미리 결정된 위치들에 공간적으로 분리된 복수의 무선주파수 수신기들을 제공하는 과정을 포함한다. 상기 방법은 상기 수신기들 중 적어도 하나에 의해 수신된 상기 전송기와 관련된 능동적인 무선주파수 신호를 검출하고 상기 검출된 무선주파수 신호를 측정하도록 상기 수신기들에게 지시하는 과정을 추가로 포함한다. 상기 방법은 상기 수신기들 중 각각에 의해 궤적을 따라 다른 위치들에서 상기 무선주파수 신호의 일련의 측정들을 획득하며, 상기 궤적은 상기 검출된 무선주파수 신호의 직(直)-경로 및 다경로 반사들 사이의 상대적인 위상 차이들에서의 복수의 측정들을 제공하는 과정을 추가로 포함한다. 상기 방법은 상기 획득된 측정들에 근거하여, 상기 수신기들 중 2개의 수신기들의 그룹들 사이의 도착 시간 차(差) (TDOA) 측정들을 계산하는 과정을 추가로 포함한다. 상기 방법은 각각의 업데이트된 TDOA 측정치를 제공하기 위해 상기 수신기들의 쌍들 중 각각에 대한 상기 TDOA 측정들을 평균하는 과정을 추가로 포함한다. 상기 방법은 상기 업데이트된 TDOA 측정치들에 근거하여 상기 전송기의 위치를 결정하는 과정을 추가로 포함한다. 상기 궤적은 원형 궤적일 수도 있다. 상기 궤적의 범위는 상기 검출된 무선주파수 신호의 파장의 적어도 절반일 수도 있다. 상기 일련의 측정들은 상기 수신기를 특정 궤적 패턴을 따르는 다른 위치들로 이동시킴으로써 얻어질 수도 있다. 상기 일련의 측정들은 복수의 부-수신기들을 상기 궤적의 각각의 부분들을 따라 동시에 재위치시킴으로써 얻어질 수도 있다. 상기 일련의 측정들은 다른 스펙트럼 범위들에서 동작하는 복수의 무선주파수 전송기들과 관련된 복수의 수신기들을 동시에 재위치시킴으로써 얻어질 수도 있다.
본 발명의 다른 하나의 특징에 따르면, 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 복수의 무선주파수 수신기들, 및 프로세서를 포함한다. 상기 수신기들은 비교적 적은 다경로 반사들을 포함하고 상기 전송기 및 수신기들 사이의 가시 내 전파 전파(可視內電波傳播)[line of sight propagation]를 갖는 접지 레벨에서의 다경로 환경에서의 미리 결정된 위치들에 공간적으로 분리되어 있다. 상기 프로세서는 상기 수신기들중 적어도 하나에 의해 수신된 상기 전송기와 관련된 능동적인 무선주파수 신호를 검출한 다음, 상기 검출된 무선주파수 신호를 측정하도록 상기 수신기들에게 지시한다. 상기 프로세서는 궤적을 따라 다른 위치들에서 상기 수신기들 중 각각에 의해 얻어진 상기 무선주파수 신호의 일련의 측정들에 근거하여, 상기 수신기들 중 2개의 수신기들의 그룹들 사이의 TDOA 측정들을 추가로 계산하며, 상기 궤적은 상기 검출된 무선주파수 신호의 직-경로 및 다경로 반사들 사이의 상대적인 위상 차이들에서의 복수의 측정들을 제공한다. 상기 프로세서는 각각의 업데이트된 TDOA 측정치를 제공하기 위해 각쌍의 수신기들에 대한 TDOA 측정들을 추가로 평균한다. 상기 프로세서는 상기 업데이트된 TDOA 측정치들에 근거하여 상기 전송기의 위치를 추가로 결정한다. 상기 궤적은 원형 궤적일 수도 있다. 상기 궤적의 범위는 상기 검출된 무선주파수 신호의 파장의 적어도 절반일 수도 있다. 상기 시스템은 궤적을 따라 다른 위치들로 상기 수신기들 중 적어도 하나를 이동시키기 위한 재위치 수단을 추가로 포함할 수도 있다. 상기 재위치 수단은 특정 궤적 패턴을 따르는 다른 위치들로 상기 수신기를 이동시킬 수도 있다. 상기 수신기들은 상기 궤적을 따라 고정 위치들에 배열 또는 선택적으로 배치될 수도 있다. 상기 재위치 수단은 상기 궤적의 각각의 부분들을 따라 복수의 부-수신기들을 동시에 재위치시킬 수도 있다. 상기 재위치 수단은 다수의 수신기 그룹들 중 복수의 수신기들을 동시에 재위치시키도록 동작하며, 복수의 수신기들을 동시에 재위치시킬 수도 있다. 상기 재위치 수단은 : 이동 구조, 자동 기계장치, 회전장치, 이동 플랫폼, 운송수단, 및/또는 카트(trol ley)를 포함할 수도 있다. 상기 수신기들은 : 통신 수신기, 셀룰러 네트워크 수신기(cellular network receiver), 스펙트럼 관리 수신기, 및/또는 방송 수신기를 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 하나의 특징에 따르면, 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 복수의 무선주파수 수신기들, 및 프로세서를 포함한다. 상기 수신기들은 비교적 적은 다경로 반사들을 포함하고 상기 전송기 및 수신기들 사이의 가시 내 전파 전파(可視內電波傳播)[line of sight propagation]를 갖는 접지 레벨에서의 다경로 환경에서의 미리 결정된 위치들에 공간적으로 분리되어 있다. 상기 프로세서는 상기 수신기들중 적어도 하나에 의해 수신된 상기 전송기와 관련된 능동적인 무선주파수 신호를 검출한 다음, 상기 검출된 무선주파수 신호를 측정하도록 상기 수신기들에게 지시한다. 상기 프로세서는 궤적을 따라 다른 위치들에서 상기 수신기들 중 각각에 의해 얻어진 상기 무선주파수 신호의 일련의 측정들에 근거하여, 상기 수신기들 중 2개의 수신기들의 그룹들 사이의 TDOA 측정들을 추가로 계산하며, 상기 궤적은 상기 검출된 무선주파수 신호의 직-경로 및 다경로 반사들 사이의 상대적인 위상 차이들에서의 복수의 측정들을 제공한다. 상기 프로세서는 각각의 업데이트된 TDOA 측정치를 제공하기 위해 각쌍의 수신기들에 대한 TDOA 측정들을 추가로 평균한다. 상기 프로세서는 상기 업데이트된 TDOA 측정치들에 근거하여 상기 전송기의 위치를 추가로 결정한다. 상기 궤적은 원형 궤적일 수도 있다. 상기 궤적의 범위는 상기 검출된 무선주파수 신호의 파장의 적어도 절반일 수도 있다. 상기 시스템은 궤적을 따라 다른 위치들로 상기 수신기들 중 적어도 하나를 이동시키기 위한 재위치 수단을 추가로 포함할 수도 있다. 상기 재위치 수단은 특정 궤적 패턴을 따르는 다른 위치들로 상기 수신기를 이동시킬 수도 있다. 상기 수신기들은 상기 궤적을 따라 고정 위치들에 배열 또는 선택적으로 배치될 수도 있다. 상기 재위치 수단은 상기 궤적의 각각의 부분들을 따라 복수의 부-수신기들을 동시에 재위치시킬 수도 있다. 상기 재위치 수단은 다수의 수신기 그룹들 중 복수의 수신기들을 동시에 재위치시키도록 동작하며, 복수의 수신기들을 동시에 재위치시킬 수도 있다. 상기 재위치 수단은 : 이동 구조, 자동 기계장치, 회전장치, 이동 플랫폼, 운송수단, 및/또는 카트(trol ley)를 포함할 수도 있다. 상기 수신기들은 : 통신 수신기, 셀룰러 네트워크 수신기(cellular network receiver), 스펙트럼 관리 수신기, 및/또는 방송 수신기를 포함할 수도 있다.
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본 발명은 다경로 신호 전달에 기인하는 일그러짐들을 경감시킴으로써 TDOA-기반 전파 탐지법 기술을 통해 고정밀도를 갖는 고정 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템 및 방법을 제공함으로써 종래 기술의 문제점들을 극복한다.
본 발명은 다음의 도면들과 결합되어 설명된 다음의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다:
도 1은, 시뮬레이션에 의해, TDOA 측정들에 대한 다경로 전달의 영향을 예시하는 그래프.
도 2는, 시뮬레이션에 의해, 다경로 반사의 지연 및 감쇠에 대한 TDOA 측정 바이어스 의존성을 예시하는 그래프.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따라 구성되고 동작하는, 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템을 예시하는 도식적인 도면.
도 4는 실험의 결과들에 근거하여, 본 발명에 따른 측정들을 획득하는 동안 상기 수신기들이 재위치될 때 TDOA 바이어스의 레벨을 예시하는 그래프.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따라 동작하는, 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법의 블록도.
도 1은, 시뮬레이션에 의해, TDOA 측정들에 대한 다경로 전달의 영향을 예시하는 그래프.
도 2는, 시뮬레이션에 의해, 다경로 반사의 지연 및 감쇠에 대한 TDOA 측정 바이어스 의존성을 예시하는 그래프.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따라 구성되고 동작하는, 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템을 예시하는 도식적인 도면.
도 4는 실험의 결과들에 근거하여, 본 발명에 따른 측정들을 획득하는 동안 상기 수신기들이 재위치될 때 TDOA 바이어스의 레벨을 예시하는 그래프.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따라 동작하는, 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법의 블록도.
본 발명은, 원형 궤적을 따라 상기 수신기들을 이동시키고, 상기 궤적을 따른 다른 위치들에서서의 일련의 다른 판독들을 수집함으로써와 같이, 상기 전송된 신호를 수신하는 동안 상기 수신기들을 제어된 패턴으로 재위치시키는 것을 포함한다. 그 다음으로, 상기 수신기 쌍들에 대한 다음의 TDOA 측정들은 평균화되며, 신호 판독들에서의 다경로 일그러짐들을 실질적으로 상쇄하고, 이것은 수신기 위치들을 변화시키기 위해 실질적으로 균일하게 분포되는 경향이 있다. 상기 전송기 위치는 그 다음으로 상기 평균화된 TDOA 측정들에 근거하여 계산된다.
여기에 사용된 "위치"의 용어, 및 그 임의의 변형들은 임의의 관련 기준 좌표 시스템(예컨대, 위도 및 경도 좌표들)에 관한 특정 물체의 포괄적인 또는 상대적인 위치에 관한 임의의 매개변수를 의미한다.
이제, 도 1에 관해 설명하자면, 도 1은, 시뮬레이션에 의해, TDOA 측정들에 대한 다경로 전달의 영향을 예시하는 그래프, 일반적으로 도면부호 110으로 표시된, 이다. 상기 시뮬레이션은 상기 전송기로부터의 동일한 범위들에 위치된 1쌍의 수신기들에 대한 25kHz의 대역폭에서의 2개의 FM 변조신호들을 모델화했다. 상기 다경로 효과를 시뮬레이션하기 위해, 부가적인 편이된 그리고 감쇠된 신호 복사신호(단일 반사를 나타내는)가 제1 수신기에 부가되었다. 상기 반사는 직(直)-경로 신호에 대해 20μs 만큼 지연되었으며 -10dB 만큼 감쇠되었다. 상기 반사에는 또한 0 - 2π 사이의 범위의 다른 위상들이 곱해졌다. 그래프(110)는 상기 TDOA 측정 오차(ns)를 상기 수신기 쌍에 대한 반사 위상(radians)의 함수로서 도시한다. 그래프(110) 상의 텍스트 상자는(왼쪽으로부터 오른쪽으로) : 평균 TDOA 오차, TDOA 오차 표준편차, 및 TDOA 오차의 제곱 평균 제곱근(root-mean-square error, RMSE)을 제공한다. "TDOA 오차"의 용어는 기대치로부터의 임의의 측정치의 편차를 의미하는 한편, "TDOA 바이어스"의 용어는 상기 기대치로부터의 최종 평균치(모든 측정들의 평균)의 편차를 의미하고, 또한 평균화된 후의 잔류 오차와 동등하다.
그래프(110)에 도시된 바와 같이, 상기 다경로 효과는 상기 반사 위상에 크게 의존하며, 거의 8μs(피크치)의 최대 TDOA 오차를 유도하고, 이것은 그 결과의 전송기 위치 추정에 대한 2km 보다 더 큰 위치 오차에 해당한다. 상기 반사 위상의 함수로서의 상기 TDOA 오차는 상기 기대치 주위에서 불균일하게 분포된다. 상기 평균치는 여전히 상기 기대치에 대해 187ns 만큼 바이어스되나(TDOA 바이어스치(値)에 해당), 독립적으로 취해진 대부분의 개별적인 측정치들보다 상기 기대치에 더욱 근접해 있다.
이제, 도 2에 관해 설명하자면, 도 2는 시뮬레이션에 의해, 다경로 반사의 지연 및 감쇠에 대한 TDOA 측정 바이어스 의존성을 예시하는 그래프, 일반적으로 도면부호 120으로 표기된, 이다. 그래프(120)는 다양한 반사계수들에 대한 반사 지연의 함수로서 1개의 수신기에서의 1개의 반사에 의해 유도된 TDOA 오차의 제곱 평균 제곱근(root-mean-squared error, RMSE)을 도시하고 있다. 상기 반사계수는 직-경로 신호에 대한 상기 반사의 전력 손실(감쇠)을 나타낸다. 직-경로 전력에 대한 반사 전력은 상대적인 경로 길이 및 상기 반사계수의 함수이다. 그래프(120)에 도시된 바와 같이, 상기 TDOA RMSE 는 더욱 낮은 지연 범위들에서 상기 반사 지연과 함께 증가하나, 더욱 높은 지연 범위들에서는 상기 반사 지연과 함께 감소한다. 또한, 상기 반사전력이 더욱 강하고(즉, 더욱 낮은 반사계수들) 상기 반사 지연이 작을 때 상기 TDOA RMSE 는 더욱 높음이 명백하다. 이런 고로, 매우 근접한 또는 매우 먼 반사들에 기인하는 반사들은 TDOA 추정 오차들에 대한 작은 영향만을 가진다.
이제, 도 3에 관해 설명하자면, 도 3은, 본 발명의 실시예에 따라 구성되고 동작하는, 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템, 일반적으로 도면부호 130으로 표기된, 을 예시하는 도식적인 도면이다. 시스템(130)은 무선주파수(RF) 전송기(132), 복수의 무선주파수 수신기들(134, 136, 13 8), 및 프로세서(140)를 포함한다. 프로세서(140)는 수신기들(134, 136, 138)과 결합된다. 수신기들(134, 136, 138)은 개별적인 위치들에 위치되지만 전송기(132)로부터 무선주파수 신호 전송을 수신하도록 충분한 범위 내에 각각 배치된다.
전송기(132)는, 신호 발생기, 변조기, 안테나, 전력 공급원 등과 같은, 표준 구성요소들 및/또는 무선주파수 신호의 전송과 관련된 회로를 포함할 수도 있다. 유사하게, 각각의 수신기들(134, 136, 138)은, 필터들, 증폭기들, 안테나, 전력 공급원 등과 같은, 표준 구성요소들 및/또는 무선주파수 신호의 수신과 관련된 회로를 포함할 수도 있다. 본 발명은 일반적으로 상대적으로 소수의 다경로 반사들이 존재하고 상기 전송기 및 상기 수신기들 사이에서 교신 가능한 전달을 수반하는(즉, 상기 직-경로 신호가 상기 다경로 반사들보다 적어도 강하도록) 적당한 다경로 환경을 통해 전달되는 무선주파수 통신신호들에 적용 가능하다. 본 발명은, 수십 kHz의 치수의 대역폭들과 같은(더욱 높은 대역폭들은 일반적으로 TOA 계산들을 사용하는 것을 요구했을 수도 있음), TDOA-기반 계산들이 실현 가능했을 수도 있고 상당히 정확한 결과들을 제공했을 대역폭, 을 갖는 무선주파수 신호들에 적용 가능하다. 상기 무선주파수 신호는 무선주파수 스펙트럼 범위(예컨대, VHF, UHF) 내의 임의의 주파수일 수도 있고, 변조될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전송기(132) 및 수신기들(134, 136, 138)은 접지 레벨 또는 접지 레벨 근처에 배치되고, 이 레벨에서 다경로 일그러짐들이 특별히 발생할 가능성이 있을 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 전송기 및 수신기들이 상기 전송기 및 상기 수신기들 사이에서 교신 가능한 전달을 수반하는 적당한 다경로 간섭에 예속되는 임의의 환경에 있다면, 상기 전송기 및 수신기들은 양자 택일적으로 접지 레벨 위의 레벨일 수도 있다.
전송기(132)는 알려지지 않은 위치에 위치하며 실질적으로 고정적이어서, 위치 결정과정 동안에 걸쳐 그 위치(한계량 위로)를 변화시키지 않는다. 수신기들(134, 136, 138)은 알려진 개별적인 위치들에 위치하며, 공간적으로 분리된 복수의 위치들에서 전송된 무선주파수 신호를 수신하기 위해 다양한 위치들로 이동 가능하며, 이것은 아래에 보다 자세히 설명될 것이다.
프로세서(140)는 도착 데이터의 시간차의 후속적인 분석을 가능하게 하기 위해 수신기들(134, 136, 138) 사이의 동기화를 제공한다. 프로세서(140)는 또한 수신기들(134, 136, 138)의 작동 및 동작을 제어할 수 있고 신호 처리를 수행한다. 프로세서(140)의 임의의 기능은 복수의 프로세서들을 통해 수행될 수도 있고/있거나 시스템(130)의 임의의 다른 구성요소들 사이에 부분적으로 또는 완전히 분포될 수도 있다. 예를 들어, 수신기들(134, 136, 138) 중 적어도 하나는 전용 마이크로프로세서에 집적될 수도 있고, 이것은 각각의 구성요소와 관련된 신호 처리의 적어도 일부를 수행할 수도 있다.
지리 위치 과정을 초기화하기 위해, 프로세서(140)는 선택된 스펙트럼 범위에서 데이터를 수집하도록 수신기들(134, 136, 138)에게 지시한다. 프로세서(140)는 전송기(132)와 관련될 수도 있는 능동적인 무선주파수 신호들을 검출하기 위해 상기 수신된 데이터를 분석한다. 적합한 능동적인 무선주파수 신호가 적어도 하나의 수신기에 의해 수신되어지는 것으로 검출될 때, 프로세서(140)는 상기 검출된 신호의 측정들을 획득하도록 각각의 수신기들(134, 136, 138)에게 지시한다. 상기 검출된 신호는 전송기(132) 및 각각의 수신기(134, 136, 138) 사이의 전송함수(상기 전송함수는 직-경로 및/또는 무선주파수 신호(142)의 반사들을 포함할 수도 있음)와 관련된 전송기(132)에 의해 전송된 무선주파수 신호(142)와 동등하다. 각각의 수신기들(134, 136, 138)은 위치들을 변화시키는 동안 무선주파수 신호(142)의 반복적인 측정들을 수행한다. 특히, 상기 수신기는 상기 통로를 따른 다른 점들에서의 무선주파수 신호(142)의 일련의 측정들을 획득하는 동안 미리 결정된 경로를 따른다. 예를 들어, 위치(R1)에서의 수신기(134)는 궤적(144)을 따라 이동되며, 각각의 궤적점들(144A, 144B, 144C, 144D 및 144E)에서의 측정들을 획득한다. 유사하게, 위치(R2)에서의 수신기(136)는 궤적(146)을 따라 이동되며, 각각의 궤적점들(146A, 146B, 146C, 146D 및 146E)에서의 측정들을 획득한다. 마찬가지로, 위치(R3)에서의 수신기(138)는 궤적(148)을 따라 이동되며, 각각의 궤적점들(148A, 148B, 148C, 148D 및 148E)에서의 측정들을 획득한다. 5개의 궤적점들은 예시용으로만 도시되어 있으나, 일반적으로 다수의 측정들은 상기 궤적을 따라 획득되어야만 한다. 측정들이 0-2π의 전체 범위 사이에 분포된 다양한 위상차들에서 획득되는 것을 보장하기 위해, 상기 수신기에 의해 이동된 이동 패턴의 범위는 측정신호(142)의 파장의 함수로서 결정된다. 예를 들어, 궤적들(144, 146, 148)의 반경은 무선주파수 신호(142)의 파장의 적어도 절반이어야 한다(또는 이에 상응하여, 최소 직경은 신호 파장과 동등하다). 상대적인 위상차들이 상기 직경로 및 반사들 사이에서 발생되도록 보장하기 위해, 상기 이동 패턴은 상기 무선주파수 신호들(직-경로 및 반사들)이 전송기(132)로부터 전달되는 평면을 따라 존재한다. 궤적들(144, 146, 148)은 실질적으로 원형으로 도시되어 있고, 이것은 상기 전송기 및 수신기의 위치(constellation)에 상관없이 반사 지연들의 균일한 기간(span)을 제공한다. 다른 궤적 형태들 또는 패턴들은 덜 유익할 수도 있지만, 상기 직-경로 및 반사신호들 사이의 위상차들의 다양성이 얻어진다면 적용될 수도 있다.
상기 수신기 이동은 신호 수신이 각각의 수신기에 의해 수행되는 위치를 변화시키는 임의의 적합한 구조 또는 기술을 사용하여 수행될 수도 있다. 예를 들어, 상기 수신기는, 상기 수신기를 원형 궤적을 따라 이동시키는 회전장치와 같은, 자동 기계장치를 사용하여 재위치될 수도 있다. 다른 하나의 예로서, 수신기는, 운송수단 또는 로봇형 카트에 장착되는 것과 같은, 이동 플랫폼과 결합될 수도 있고, 이것은 상기 결합된 수신기를 상기 경로를 따라 다른 위치들로 운송하기 위해 특정 경로를 따라 조종될 수 있다. 양자 택일적으로, 수신기는 사람에 의해 휴대 또는 운반될 수도 있고, 이 사람은 상기 수신기를 다른 위치들로 수동으로 운반할 수 있다. 상기 수신기가 그 궤적을 따라 이동되는 속도는 상기 직-경로 및 반사신호들 사이의 상대적인 위상차들의 충분한 포괄을 얻을 수 있을 만큼 적어도 빨라야 한다. 상기 수신기 이동은, 예컨대, 상기 수신기를 다수회 원형 패턴[원형 궤적들 (144, 146, 148)과 같은] 주위로 이동시킴으로써, 다수의 싸이클 동안 동일한 궤적을 반복적으로 따르는 것을 포함할 수도 있다. 주기적인 방식으로 상기 동일한 궤적 경로를 반복적으로 따르는 것은 0-2π의 전체 범위 사이에 분포된 위상차들을 나타내는 충분한 수의 측정들이 얻어지는 것을 보장한다. 예를 들면, 회전구조가 상기 수신기를 원형 궤적을 따라 60 rpm의 속도(즉, 매초 마다의 1회의 완전한 회전에 해당)로 반복적으로 재위치시키도록 구성될 수도 있다.
상기 측정 데이터는 적어도 각각의 궤적 위치들에서의 수신기들(134, 136, 138)의 쌍들 사이의 무선주파수 신호(142)의 도착 시간 차(差)(TDOA)를 포함한다. 따라서, 프로세서(140)는, 각각의 쌍에서의 상기 수신기들의 다른 위치들의 각각에 대해, 수신기들(134 및 136) 사이의, 수신기들(134 및 138) 사이의, 및 수신기들(136 및 138) 사이의 일련의 TDOA 측정들을 계산한다. 이어서, 프로세서(140)는 각각의 수신기 쌍에 대한 모든 TDOA 측정들의 평균치를 계산한다. 프로세서(140)는 그 다음으로 전송기(132)의 위치를 상기 평균 TDOA 값들에 근거하여 계산한다. 일반적으로, 시스템(130)은 3개 이상의 수신기들을 포함할 수도 있고 위치 측정 (localization)은 수신기 쌍들 중 3개만에 대해, 모든 가능한 수신기 쌍들에 대해, 또는 사이의 임의의 수에 대해(수신기들의 수가 증가함에 따라 위치 추정은 더욱 정확하다), 얻어진 TDOA 데이터에 근거하여 수행될 수 있다. 더욱 작은 수의 실제의 수신기들을 사용하여 임의의 수의 수신기들의 효과를 달성하는 것이 가능하지만(예컨대, 2개의 수신기들을 사용하면, 상기 2개의 수신기들 중 적어도 하나는 위치 측정과정 동안 실질적으로 다른 위치로 이동되며, 결과적으로 "제3 수신기"의 위치를 나타낸다), 3개의 수신기들은 위치 측정을 가능하게 하는데 필요한 최소수이다.
상기 수신기들의 위치들에서의 변화는 수신신호의 직-경로 및 반사들 사이의 상대적인 위상에서의 다양성을 유도한다. 결과적으로, 상대적인 위상차들과 관련된 추정된 TDOA 오차들(주로 수신신호에서의 다경로 전달 및 다른 일그러짐들에 기인하는 오차들)은 진리값(true value) 주위에서 분포되는 경향이 있다. 그러므로, 변하는 수신기 위치들중 각각에 대한 값들의 전체 시퀀스를 평균하는 것은 상기 진리값에 근접하는 경향이 있는 최종값을 제공할 것이다. 이러한 방식으로, 다른 수신 위치들에서 상기 값들을 평균하는 것은 상기 신호에서의 다경로 효과와 관련된 바이어스를 실질적으로 감소시키는데 기여한다. 이러한 현상은, 상기한 바와 같이, 그래프(110)(도 1)로부터 명백하다.
이론상으로는, 수신기들이 다경로 간섭에 의해 영향받음이 이미 알려져 있다면, 개선된 위치 추정을 얻기 위해 관련 수신기들만(오히려 모든 수신기들보다는)을 재위치시킬 수 있다. 그러나, 실제로, 상기 정보는 유용하지 않으므로, 일반적인 해결책은 모든 수신기들을 재위치시키는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 실시예에 따르면, 복수의 수신기들(또는 수신 안테나들)은 궤적을 따라 다른 고정위치들에 미리 배열되거나, 양자 택일적으로, 예컨대, 모든 수신기들을 배치하는 스위치를 작동시킴으로써, 상기 궤적을 따라 고정위치들에 선택적으로 배치될 수도 있다. 이러한 방식으로, 상기 수신기들을 물리적으로 이동 또는 재위치시킬 필요성이 제거된다.
본 발명의 추가의 실시예에 따르면, 궤적을 따라 다른 위치들에서 수신기에 의해 얻어진 일련의 측정들은 실제로 다수의 수신기들(또는 수신 안테나들)을 사용하여 얻어질 수도 있고, 이 수신기들은 전체의 궤적의 각각의 부분들을 따라 동시에 재위치된다. 예를 들어, 도 3에 관해 설명하자면, 궤적(144)을 따른 수신기(13 4)의 측정들은 1쌍의 "부-수신기들"(134A 및 134B)을 사용하여 얻어질 수도 있고, 여기서, 제1 부-수신기(134A)는 원형 궤적(144)의 원주의 1/2 주위에 연속적으로 재위치되며[예컨대, 적어도 궤적점들(144A, 144B 및 144C)을 관통하는], 이와 동시에, 제2 부-수신기(134B)는 원형 궤적(144)의 원주의 1/2 주위로 연속적으로 재위치된다[예컨대, 적어도 궤적점들(144D, 144E 및 144A)을 관통하는]. 이러한 패턴은 필요한대로 다수회(즉, 주기적으로) 반복될 수도 있다. 이에 상응하여, 수신기(13 4)와 관련된 4개의 부-수신기들은 원형 궤적(144)의 각각의 사분면을 따라 동시에 재위치될 수도 있다. 이러한 방식으로, 상기 재위치 구조는 주어진 지속기간 동안 더욱 큰수의 전체 측정들을 달성할 수도 있다. 예를 들면, 회전장치는, 동일한 비율로 전체 궤적을 따라 이동하는 1개의 수신기와 비교하여, 원형 궤적의 절반의 섹터들 위로 동시에 이동하는 2개의 부-수신기들을 사용하는 동일한 시간의 주기에서의 측정들의 수의 2배를 얻는다. 예를 들어, 2개의 부-수신기들과 함께 60rpm 에서 동작하는 회전장치(각각의 부-수신기가 매초 마다의 완전한 회전을 완료하도록)는 단일 수신기를 사용할 때보다 초당 측정들의 전체수의 2배를 얻는다.
본 발명의 다른 하나의 실시예에 따르면, 단일 재위치 구조(예컨대, 회전장치)는 다른 스펙트럼 영역들에서 동작하는 다른 전송기들을 검출하도록 동작하는 다수의 수신기들을 재위치시키도록 구성될 수도 있다. 예를 들면, 도 3에 관해 설명하자면, 제1 세트의 무선주파수 수신기들(134A, 136A, 138A)은 제1 무선주파수 스펙트럼 범위 영역(예컨대, VHF 범위에서)에서 동작하는 제1 무선주파수 전송기(132A)의 지리 위치를 결정하도록 지시받는 한편, 제2 세트의 무선주파수 수신기들(134B, 136B, 138B)은 제2 무선주파수 스펙트럼 범위 영역(예컨대, UHF 범위에서)에서 동작하는 제2 무선주파수 전송기(132B)의 지리 위치를 결정하도록 지시받고, 전송기들/수신기들의 세트들은 동일한 근처에 위치한다. 따라서, 회전장치(미도시)는 각각의 세트에 속하는 적어도 하나의 수신기를, 동일한 또는 다른 원형 궤적들을 따라, 함께 또는 개별적으로, 회전시키도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 회전장치는 둘다 모두의 수신기들(134A 및 134B)을 원형 궤적(144)을 따라 회전시킬 수도 있어, 수신기(134A)는 궤적(144)의 다른 점들을 따라 전송기(132A)와 관련된 일련의 무선주파수 측정들을 얻는 한편, 수신기(134B)는 궤적(144)의 다른 점들을 따라 전송기(132B)와 관련된 일련의 무선주파수 측정들을 얻는다.
이제, 도 4에 관해 설명하자면, 도 4는 실험의 결과들에 근거하여, 본 발명에 따른 측정들을 획득하는 동안 상기 수신기들이 재위치될 때 TDOA 바이어스의 레벨을 예시하는 그래프, 일반적으로 도면부호 160으로 표기된, 이다. 그래프(160)에 대한 실험이 ~5km의 변길이를 갖는 거의 정삼각형의 꼭지점들에 위치한 3개의 수신기들, 및 상기 삼각형 내에 위치한 79MHz의 주파수에서의 25kHz 대역폭을 갖는 전송 무선주파수 신호를 사용하여 수행되었다. 각각의 수신기들은 3m 반경의 원형 궤적의 주위를 따라 재위치되었다. TDOA 측정들은 매 200ms 마다 400ms의 구간들에 대해 얻어졌다. 구간은 상기 수신기들이 실질적으로 고정적으로 여겨지는 순간을 나타낸다(상기 수신기는 400ms 이상으로 이동하지 않는다고 추정된다). 이런 고로, 각 구간은 수신기 위치의 임의의 실현을 나타낸다(상대적인 위상의 임의의 실현에 해당하는).
그래프(160)는 3개의 수신기 짝들에 대한 구간의 함수로서 TDOA 측정(ns의 단위의)을 도시한다. 상기 추정된 TDOA 판독들은 각각 삼각형, 원형, 및 점선 기호들에 의해 표시되어 있으며, 해당 TDOA 기대치들은 파선들(dashed lines)에 의해 표시되어 있다. 그래프(160)에서의 텍스트 상자는 수신기 쌍들의 각각의 결합과 관련된 상기 TDOA 측정들에 대한 TDOA 오차의 통계학적 속성들을 제공하며, 제1 행(column)(맨 좌측)은 평균 TDOA 오차를 나타내고, 제2 행은 상기 TDOA 오차의 표준편차를 나타내며, 제3 행은 TDOA RMSE를 나타낸다.
그래프(160)는, ~600ns의 높은 TDOA RMSE 값들 및 1μs 위의 최대 TDOA 바이어스에 의해 표시된 바와 같이, 다경로 효과가 모든 수신기들에 대해 우세함을 입증한다. TDOA 바이어스의 이 레벨은 500m 위의 위치 측정 오차(즉, 연관된 TDOA 값들을 사용하는 그 결과의 전송기 위치 추정에서의 오차)를 초래할 수도 있다. 상기 TDOA 오차가 상당한 구간들은 높은 TDOA 바이어스를 초래하는 위상차들을 실현하는 수신기 위치들에 해당한다. 이런 고로, 고정 수신기들에 대해 큰 TDOA 바이어스에 대한 높은 개연성이 있다고 결론지어질 수도 있다. 또한, 수신기 쌍들 중 각각에 대한 TDOA 측정들이 상기 기대치 주위에 분포됨을 그래프(160)로부터 알 수 있다. 상기 TDOA 측정들을 평균함으로써, 상기 해당 수신기 쌍들에 대한 상기 TDOA 바이어스가 거의 1μs(최악의 경우)로부터 거의 250ns까지 감소되었다. 그 결과의 위치 측정 오차는 거의 500m부터 거의 38m까지 감소된다.
이제, 도 5에 관해 설명하자면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 동작하는, 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법의 블록도이다. 과정(182)에서, 공간적으로 분리된 복수의 무선주파수 수신기들이 비교적 적은 다경로 반사들을 포함하고 상기 전송기 및 수신기들 사이의 가시 내 전파 전파(可視內電波傳播)[line of sight propagation]를 갖는 접지 레벨에서의 다경로 환경에서의 미리 결정된 위치들에 제공되어 있다. 도 3에 관해 설명하자면, 수신기들(134, 136 및 138)은 개별적인 각각의 위치들(R1, R2 및 R3)에 배치되며, 모두 전송기(132)의 수신범위 내에 있다. 상기 환경은 다경로 반사들에 예속되며 전송기(132) 및 수신기들(134, 136 및 138) 사이의 교신 가능한 전달이 존재한다.
과정(184)에서, 적어도 하나의 수신기에 의해 수신된 전송기와 관련된 능동적인 무선주파수 신호가 검출되며, 상기 수신기들은 상기 검출된 무선주파수 신호를 측정하도록 지시받는다. 도 3에 관해 설명하자면, 프로세서(140)는 선택된 스펙트럼 범위에서의 데이터를 수집하도록 수신기들(134, 136 및 138)에게 지시하며, 전송기(132)와 관련될 수도 있는 능동적인 무선주파수 신호들을 검출하기 위해 상기 수신된 데이터를 분석한다. 적합한 능동적인 무선주파수 신호가 적어도 하나의 수신기에 의해 수신되어지는 것으로 검출될 때, 프로세서(140)는 상기 검출된 신호를 측정하도록 각각의 수신기들(134, 136 및 138)에게 지시하며, 이것은 전송기(132)에 의해 전송되어지는 무선주파수 신호(142)의 직-경로 및/또는 반사들을 포함할 수도 있다.
과정(186)에서, 무선주파수 신호의 일련의 측정들은 각각의 수신기들에 의해 궤적을 따라 다른 위치들에서 얻어진다. 도 3에 관해 설명하자면, 각각의 수신기들(134, 136 및 138)은 무선주파수 신호(142)의 판독들을 얻는 동안에 궤적을 따라 다양한 위치들로 이동된다. 예를 들어, 수신기(134)는 원형 궤적(144)을 따라 위치들(144A, 144B, 144C, 144D 및 144E)로 순차적으로 이동되며, 각 위치에서의 각각의 판독을 얻는다. 유사하게, 수신기(136)는 궤적(146)을 따라 다양한 위치들로 순차적으로 이동되는 한편, 수신기(138)는 궤적(148)을 따라 다양한 위치들로 순차적으로 이동된다. 양자 택일적으로, 일련의 측정들은 상기 궤적을 따라 고정 위치들에 배열되거나, 상기 궤적을 따라 고정 위치들로 선택적으로 배치되는 다수의 수신기들(또는 수신 안테나들)에 의해 얻어질 수도 있다.
과정(188)에서, 수신기들의 쌍들 사이의 TDOA 측정들은 상기 얻어진 측정들에 근거하여 계산된다. 도 3에 관해 설명하자면, 프로세서(140)는, 각 수신기에서의 다른 위치들에서의 상기 얻어진 일련의 판독들에 근거하여, 다른 쌍들의 수신기들(134, 136 및 138)에 대한 TDOA 측정들을 계산한다. 특히, TDOA 측정들은, 각각의 쌍에서의 상기 수신기들의 다른 위치들 중 각각에 대해, 수신기들(134 및 136), 수신기들(134 및 138), 및 수신기들(136 및 138) 사이에서 얻어진다.
과정(190)에서, 각 쌍의 수신기들에 대한 상기 TDOA 측정들은, 그 수신기 쌍에 대한 각각의 업데이트된 TDOA 측정치를 제공하기 위해, 평균화된다. 도 3에 관해 설명하자면, 프로세서(140)는 각 수신기 쌍에 대한 모든 TDOA 측정들의 평균치를 계산한다. 예를 들면, 프로세서(140)는 수신기들(134 및 136) 사이의 최종 평균화된 TDOA 값을 얻기 위해 수신기들(134 및 136) 사이의 모든 TDOA 측정들을 평균한다. 유사하게, 프로세서(140)는 수신기들(134 및 138), 및 수신기들(136 및 138) 사이의 평균화된 TDOA 값을 얻는다.
과정(192)에서, 전송기의 위치는 상기 업데이트된 TDOA 측정치들에 근거하여 결정된다. 도 3에 관해 설명하자면, 프로세서(140)는 각각의 수신기 쌍에 대해 계산된 상기 평균 TDOA 값들에 근거하여 전송기(132)의 위치를 계산한다. 특히, 프로세서(140)는, 전송기(132)의 위치 추정을 얻기 위해, 수신기들(134, 136, 138) 중의 각 쌍 사이의 상기 업데이트된 TDOA를 사용한다.
본 발명은 임의의 목적을 위한 지리 위치에 적용 가능하며, 민간용 및 군사용 응용분야들을 포함하는, 다양한 응용분야들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은, 불법 방송들 및 다른 형태들의 스펙트럼 관리에 의해 간섭받는 잠재적인 불법 전송들을 하는 바와 같은, 통신 기반시설들에 활용될 수도 있다. 다른 하나의 예는, 이동장치의 정확한 평가를 제공하는 바와 같은, 예컨대, 표준 전세계 위치 파악 시스템(global positioning systems, GPS)에 더하여 또는 표준 전세계 위치 파악 시스템 대신에, 무선 통신망들(cellular networks)과 결합된다. 양자 택일적으로, 복수의 무선 안테나들은 도착방향이 알려지지 않은 전송된 신호를 미리 수신하기 위해 다른 평면형 궤적들을 따라 회전하도록 구성될 수도 있다. 본 발명의 추가적인 잠재적인 응용분야는 놓친 또는 도둑맞은 자동차들의 위치 추적용이다.
본 발명의 임의의 실시예들은 이 기술분야에서 통상의 기술을 가진자가 본 발명을 실시 가능하도록 하기 위해 설명되어졌지만, 상기 설명은 예시용으로만 설명되어 있다. 본 발명은 본 발명의 요지의 범위를 제한하는데 사용되어서는 안되며, 다음의 청구항들을 참고하여 결정되어야 한다.
여기에 사용된 "위치"의 용어, 및 그 임의의 변형들은 임의의 관련 기준 좌표 시스템(예컨대, 위도 및 경도 좌표들)에 관한 특정 물체의 포괄적인 또는 상대적인 위치에 관한 임의의 매개변수를 의미한다.
이제, 도 1에 관해 설명하자면, 도 1은, 시뮬레이션에 의해, TDOA 측정들에 대한 다경로 전달의 영향을 예시하는 그래프, 일반적으로 도면부호 110으로 표시된, 이다. 상기 시뮬레이션은 상기 전송기로부터의 동일한 범위들에 위치된 1쌍의 수신기들에 대한 25kHz의 대역폭에서의 2개의 FM 변조신호들을 모델화했다. 상기 다경로 효과를 시뮬레이션하기 위해, 부가적인 편이된 그리고 감쇠된 신호 복사신호(단일 반사를 나타내는)가 제1 수신기에 부가되었다. 상기 반사는 직(直)-경로 신호에 대해 20μs 만큼 지연되었으며 -10dB 만큼 감쇠되었다. 상기 반사에는 또한 0 - 2π 사이의 범위의 다른 위상들이 곱해졌다. 그래프(110)는 상기 TDOA 측정 오차(ns)를 상기 수신기 쌍에 대한 반사 위상(radians)의 함수로서 도시한다. 그래프(110) 상의 텍스트 상자는(왼쪽으로부터 오른쪽으로) : 평균 TDOA 오차, TDOA 오차 표준편차, 및 TDOA 오차의 제곱 평균 제곱근(root-mean-square error, RMSE)을 제공한다. "TDOA 오차"의 용어는 기대치로부터의 임의의 측정치의 편차를 의미하는 한편, "TDOA 바이어스"의 용어는 상기 기대치로부터의 최종 평균치(모든 측정들의 평균)의 편차를 의미하고, 또한 평균화된 후의 잔류 오차와 동등하다.
그래프(110)에 도시된 바와 같이, 상기 다경로 효과는 상기 반사 위상에 크게 의존하며, 거의 8μs(피크치)의 최대 TDOA 오차를 유도하고, 이것은 그 결과의 전송기 위치 추정에 대한 2km 보다 더 큰 위치 오차에 해당한다. 상기 반사 위상의 함수로서의 상기 TDOA 오차는 상기 기대치 주위에서 불균일하게 분포된다. 상기 평균치는 여전히 상기 기대치에 대해 187ns 만큼 바이어스되나(TDOA 바이어스치(値)에 해당), 독립적으로 취해진 대부분의 개별적인 측정치들보다 상기 기대치에 더욱 근접해 있다.
이제, 도 2에 관해 설명하자면, 도 2는 시뮬레이션에 의해, 다경로 반사의 지연 및 감쇠에 대한 TDOA 측정 바이어스 의존성을 예시하는 그래프, 일반적으로 도면부호 120으로 표기된, 이다. 그래프(120)는 다양한 반사계수들에 대한 반사 지연의 함수로서 1개의 수신기에서의 1개의 반사에 의해 유도된 TDOA 오차의 제곱 평균 제곱근(root-mean-squared error, RMSE)을 도시하고 있다. 상기 반사계수는 직-경로 신호에 대한 상기 반사의 전력 손실(감쇠)을 나타낸다. 직-경로 전력에 대한 반사 전력은 상대적인 경로 길이 및 상기 반사계수의 함수이다. 그래프(120)에 도시된 바와 같이, 상기 TDOA RMSE 는 더욱 낮은 지연 범위들에서 상기 반사 지연과 함께 증가하나, 더욱 높은 지연 범위들에서는 상기 반사 지연과 함께 감소한다. 또한, 상기 반사전력이 더욱 강하고(즉, 더욱 낮은 반사계수들) 상기 반사 지연이 작을 때 상기 TDOA RMSE 는 더욱 높음이 명백하다. 이런 고로, 매우 근접한 또는 매우 먼 반사들에 기인하는 반사들은 TDOA 추정 오차들에 대한 작은 영향만을 가진다.
이제, 도 3에 관해 설명하자면, 도 3은, 본 발명의 실시예에 따라 구성되고 동작하는, 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템, 일반적으로 도면부호 130으로 표기된, 을 예시하는 도식적인 도면이다. 시스템(130)은 무선주파수(RF) 전송기(132), 복수의 무선주파수 수신기들(134, 136, 13 8), 및 프로세서(140)를 포함한다. 프로세서(140)는 수신기들(134, 136, 138)과 결합된다. 수신기들(134, 136, 138)은 개별적인 위치들에 위치되지만 전송기(132)로부터 무선주파수 신호 전송을 수신하도록 충분한 범위 내에 각각 배치된다.
전송기(132)는, 신호 발생기, 변조기, 안테나, 전력 공급원 등과 같은, 표준 구성요소들 및/또는 무선주파수 신호의 전송과 관련된 회로를 포함할 수도 있다. 유사하게, 각각의 수신기들(134, 136, 138)은, 필터들, 증폭기들, 안테나, 전력 공급원 등과 같은, 표준 구성요소들 및/또는 무선주파수 신호의 수신과 관련된 회로를 포함할 수도 있다. 본 발명은 일반적으로 상대적으로 소수의 다경로 반사들이 존재하고 상기 전송기 및 상기 수신기들 사이에서 교신 가능한 전달을 수반하는(즉, 상기 직-경로 신호가 상기 다경로 반사들보다 적어도 강하도록) 적당한 다경로 환경을 통해 전달되는 무선주파수 통신신호들에 적용 가능하다. 본 발명은, 수십 kHz의 치수의 대역폭들과 같은(더욱 높은 대역폭들은 일반적으로 TOA 계산들을 사용하는 것을 요구했을 수도 있음), TDOA-기반 계산들이 실현 가능했을 수도 있고 상당히 정확한 결과들을 제공했을 대역폭, 을 갖는 무선주파수 신호들에 적용 가능하다. 상기 무선주파수 신호는 무선주파수 스펙트럼 범위(예컨대, VHF, UHF) 내의 임의의 주파수일 수도 있고, 변조될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전송기(132) 및 수신기들(134, 136, 138)은 접지 레벨 또는 접지 레벨 근처에 배치되고, 이 레벨에서 다경로 일그러짐들이 특별히 발생할 가능성이 있을 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 전송기 및 수신기들이 상기 전송기 및 상기 수신기들 사이에서 교신 가능한 전달을 수반하는 적당한 다경로 간섭에 예속되는 임의의 환경에 있다면, 상기 전송기 및 수신기들은 양자 택일적으로 접지 레벨 위의 레벨일 수도 있다.
전송기(132)는 알려지지 않은 위치에 위치하며 실질적으로 고정적이어서, 위치 결정과정 동안에 걸쳐 그 위치(한계량 위로)를 변화시키지 않는다. 수신기들(134, 136, 138)은 알려진 개별적인 위치들에 위치하며, 공간적으로 분리된 복수의 위치들에서 전송된 무선주파수 신호를 수신하기 위해 다양한 위치들로 이동 가능하며, 이것은 아래에 보다 자세히 설명될 것이다.
프로세서(140)는 도착 데이터의 시간차의 후속적인 분석을 가능하게 하기 위해 수신기들(134, 136, 138) 사이의 동기화를 제공한다. 프로세서(140)는 또한 수신기들(134, 136, 138)의 작동 및 동작을 제어할 수 있고 신호 처리를 수행한다. 프로세서(140)의 임의의 기능은 복수의 프로세서들을 통해 수행될 수도 있고/있거나 시스템(130)의 임의의 다른 구성요소들 사이에 부분적으로 또는 완전히 분포될 수도 있다. 예를 들어, 수신기들(134, 136, 138) 중 적어도 하나는 전용 마이크로프로세서에 집적될 수도 있고, 이것은 각각의 구성요소와 관련된 신호 처리의 적어도 일부를 수행할 수도 있다.
지리 위치 과정을 초기화하기 위해, 프로세서(140)는 선택된 스펙트럼 범위에서 데이터를 수집하도록 수신기들(134, 136, 138)에게 지시한다. 프로세서(140)는 전송기(132)와 관련될 수도 있는 능동적인 무선주파수 신호들을 검출하기 위해 상기 수신된 데이터를 분석한다. 적합한 능동적인 무선주파수 신호가 적어도 하나의 수신기에 의해 수신되어지는 것으로 검출될 때, 프로세서(140)는 상기 검출된 신호의 측정들을 획득하도록 각각의 수신기들(134, 136, 138)에게 지시한다. 상기 검출된 신호는 전송기(132) 및 각각의 수신기(134, 136, 138) 사이의 전송함수(상기 전송함수는 직-경로 및/또는 무선주파수 신호(142)의 반사들을 포함할 수도 있음)와 관련된 전송기(132)에 의해 전송된 무선주파수 신호(142)와 동등하다. 각각의 수신기들(134, 136, 138)은 위치들을 변화시키는 동안 무선주파수 신호(142)의 반복적인 측정들을 수행한다. 특히, 상기 수신기는 상기 통로를 따른 다른 점들에서의 무선주파수 신호(142)의 일련의 측정들을 획득하는 동안 미리 결정된 경로를 따른다. 예를 들어, 위치(R1)에서의 수신기(134)는 궤적(144)을 따라 이동되며, 각각의 궤적점들(144A, 144B, 144C, 144D 및 144E)에서의 측정들을 획득한다. 유사하게, 위치(R2)에서의 수신기(136)는 궤적(146)을 따라 이동되며, 각각의 궤적점들(146A, 146B, 146C, 146D 및 146E)에서의 측정들을 획득한다. 마찬가지로, 위치(R3)에서의 수신기(138)는 궤적(148)을 따라 이동되며, 각각의 궤적점들(148A, 148B, 148C, 148D 및 148E)에서의 측정들을 획득한다. 5개의 궤적점들은 예시용으로만 도시되어 있으나, 일반적으로 다수의 측정들은 상기 궤적을 따라 획득되어야만 한다. 측정들이 0-2π의 전체 범위 사이에 분포된 다양한 위상차들에서 획득되는 것을 보장하기 위해, 상기 수신기에 의해 이동된 이동 패턴의 범위는 측정신호(142)의 파장의 함수로서 결정된다. 예를 들어, 궤적들(144, 146, 148)의 반경은 무선주파수 신호(142)의 파장의 적어도 절반이어야 한다(또는 이에 상응하여, 최소 직경은 신호 파장과 동등하다). 상대적인 위상차들이 상기 직경로 및 반사들 사이에서 발생되도록 보장하기 위해, 상기 이동 패턴은 상기 무선주파수 신호들(직-경로 및 반사들)이 전송기(132)로부터 전달되는 평면을 따라 존재한다. 궤적들(144, 146, 148)은 실질적으로 원형으로 도시되어 있고, 이것은 상기 전송기 및 수신기의 위치(constellation)에 상관없이 반사 지연들의 균일한 기간(span)을 제공한다. 다른 궤적 형태들 또는 패턴들은 덜 유익할 수도 있지만, 상기 직-경로 및 반사신호들 사이의 위상차들의 다양성이 얻어진다면 적용될 수도 있다.
상기 수신기 이동은 신호 수신이 각각의 수신기에 의해 수행되는 위치를 변화시키는 임의의 적합한 구조 또는 기술을 사용하여 수행될 수도 있다. 예를 들어, 상기 수신기는, 상기 수신기를 원형 궤적을 따라 이동시키는 회전장치와 같은, 자동 기계장치를 사용하여 재위치될 수도 있다. 다른 하나의 예로서, 수신기는, 운송수단 또는 로봇형 카트에 장착되는 것과 같은, 이동 플랫폼과 결합될 수도 있고, 이것은 상기 결합된 수신기를 상기 경로를 따라 다른 위치들로 운송하기 위해 특정 경로를 따라 조종될 수 있다. 양자 택일적으로, 수신기는 사람에 의해 휴대 또는 운반될 수도 있고, 이 사람은 상기 수신기를 다른 위치들로 수동으로 운반할 수 있다. 상기 수신기가 그 궤적을 따라 이동되는 속도는 상기 직-경로 및 반사신호들 사이의 상대적인 위상차들의 충분한 포괄을 얻을 수 있을 만큼 적어도 빨라야 한다. 상기 수신기 이동은, 예컨대, 상기 수신기를 다수회 원형 패턴[원형 궤적들 (144, 146, 148)과 같은] 주위로 이동시킴으로써, 다수의 싸이클 동안 동일한 궤적을 반복적으로 따르는 것을 포함할 수도 있다. 주기적인 방식으로 상기 동일한 궤적 경로를 반복적으로 따르는 것은 0-2π의 전체 범위 사이에 분포된 위상차들을 나타내는 충분한 수의 측정들이 얻어지는 것을 보장한다. 예를 들면, 회전구조가 상기 수신기를 원형 궤적을 따라 60 rpm의 속도(즉, 매초 마다의 1회의 완전한 회전에 해당)로 반복적으로 재위치시키도록 구성될 수도 있다.
상기 측정 데이터는 적어도 각각의 궤적 위치들에서의 수신기들(134, 136, 138)의 쌍들 사이의 무선주파수 신호(142)의 도착 시간 차(差)(TDOA)를 포함한다. 따라서, 프로세서(140)는, 각각의 쌍에서의 상기 수신기들의 다른 위치들의 각각에 대해, 수신기들(134 및 136) 사이의, 수신기들(134 및 138) 사이의, 및 수신기들(136 및 138) 사이의 일련의 TDOA 측정들을 계산한다. 이어서, 프로세서(140)는 각각의 수신기 쌍에 대한 모든 TDOA 측정들의 평균치를 계산한다. 프로세서(140)는 그 다음으로 전송기(132)의 위치를 상기 평균 TDOA 값들에 근거하여 계산한다. 일반적으로, 시스템(130)은 3개 이상의 수신기들을 포함할 수도 있고 위치 측정 (localization)은 수신기 쌍들 중 3개만에 대해, 모든 가능한 수신기 쌍들에 대해, 또는 사이의 임의의 수에 대해(수신기들의 수가 증가함에 따라 위치 추정은 더욱 정확하다), 얻어진 TDOA 데이터에 근거하여 수행될 수 있다. 더욱 작은 수의 실제의 수신기들을 사용하여 임의의 수의 수신기들의 효과를 달성하는 것이 가능하지만(예컨대, 2개의 수신기들을 사용하면, 상기 2개의 수신기들 중 적어도 하나는 위치 측정과정 동안 실질적으로 다른 위치로 이동되며, 결과적으로 "제3 수신기"의 위치를 나타낸다), 3개의 수신기들은 위치 측정을 가능하게 하는데 필요한 최소수이다.
상기 수신기들의 위치들에서의 변화는 수신신호의 직-경로 및 반사들 사이의 상대적인 위상에서의 다양성을 유도한다. 결과적으로, 상대적인 위상차들과 관련된 추정된 TDOA 오차들(주로 수신신호에서의 다경로 전달 및 다른 일그러짐들에 기인하는 오차들)은 진리값(true value) 주위에서 분포되는 경향이 있다. 그러므로, 변하는 수신기 위치들중 각각에 대한 값들의 전체 시퀀스를 평균하는 것은 상기 진리값에 근접하는 경향이 있는 최종값을 제공할 것이다. 이러한 방식으로, 다른 수신 위치들에서 상기 값들을 평균하는 것은 상기 신호에서의 다경로 효과와 관련된 바이어스를 실질적으로 감소시키는데 기여한다. 이러한 현상은, 상기한 바와 같이, 그래프(110)(도 1)로부터 명백하다.
이론상으로는, 수신기들이 다경로 간섭에 의해 영향받음이 이미 알려져 있다면, 개선된 위치 추정을 얻기 위해 관련 수신기들만(오히려 모든 수신기들보다는)을 재위치시킬 수 있다. 그러나, 실제로, 상기 정보는 유용하지 않으므로, 일반적인 해결책은 모든 수신기들을 재위치시키는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 실시예에 따르면, 복수의 수신기들(또는 수신 안테나들)은 궤적을 따라 다른 고정위치들에 미리 배열되거나, 양자 택일적으로, 예컨대, 모든 수신기들을 배치하는 스위치를 작동시킴으로써, 상기 궤적을 따라 고정위치들에 선택적으로 배치될 수도 있다. 이러한 방식으로, 상기 수신기들을 물리적으로 이동 또는 재위치시킬 필요성이 제거된다.
본 발명의 추가의 실시예에 따르면, 궤적을 따라 다른 위치들에서 수신기에 의해 얻어진 일련의 측정들은 실제로 다수의 수신기들(또는 수신 안테나들)을 사용하여 얻어질 수도 있고, 이 수신기들은 전체의 궤적의 각각의 부분들을 따라 동시에 재위치된다. 예를 들어, 도 3에 관해 설명하자면, 궤적(144)을 따른 수신기(13 4)의 측정들은 1쌍의 "부-수신기들"(134A 및 134B)을 사용하여 얻어질 수도 있고, 여기서, 제1 부-수신기(134A)는 원형 궤적(144)의 원주의 1/2 주위에 연속적으로 재위치되며[예컨대, 적어도 궤적점들(144A, 144B 및 144C)을 관통하는], 이와 동시에, 제2 부-수신기(134B)는 원형 궤적(144)의 원주의 1/2 주위로 연속적으로 재위치된다[예컨대, 적어도 궤적점들(144D, 144E 및 144A)을 관통하는]. 이러한 패턴은 필요한대로 다수회(즉, 주기적으로) 반복될 수도 있다. 이에 상응하여, 수신기(13 4)와 관련된 4개의 부-수신기들은 원형 궤적(144)의 각각의 사분면을 따라 동시에 재위치될 수도 있다. 이러한 방식으로, 상기 재위치 구조는 주어진 지속기간 동안 더욱 큰수의 전체 측정들을 달성할 수도 있다. 예를 들면, 회전장치는, 동일한 비율로 전체 궤적을 따라 이동하는 1개의 수신기와 비교하여, 원형 궤적의 절반의 섹터들 위로 동시에 이동하는 2개의 부-수신기들을 사용하는 동일한 시간의 주기에서의 측정들의 수의 2배를 얻는다. 예를 들어, 2개의 부-수신기들과 함께 60rpm 에서 동작하는 회전장치(각각의 부-수신기가 매초 마다의 완전한 회전을 완료하도록)는 단일 수신기를 사용할 때보다 초당 측정들의 전체수의 2배를 얻는다.
본 발명의 다른 하나의 실시예에 따르면, 단일 재위치 구조(예컨대, 회전장치)는 다른 스펙트럼 영역들에서 동작하는 다른 전송기들을 검출하도록 동작하는 다수의 수신기들을 재위치시키도록 구성될 수도 있다. 예를 들면, 도 3에 관해 설명하자면, 제1 세트의 무선주파수 수신기들(134A, 136A, 138A)은 제1 무선주파수 스펙트럼 범위 영역(예컨대, VHF 범위에서)에서 동작하는 제1 무선주파수 전송기(132A)의 지리 위치를 결정하도록 지시받는 한편, 제2 세트의 무선주파수 수신기들(134B, 136B, 138B)은 제2 무선주파수 스펙트럼 범위 영역(예컨대, UHF 범위에서)에서 동작하는 제2 무선주파수 전송기(132B)의 지리 위치를 결정하도록 지시받고, 전송기들/수신기들의 세트들은 동일한 근처에 위치한다. 따라서, 회전장치(미도시)는 각각의 세트에 속하는 적어도 하나의 수신기를, 동일한 또는 다른 원형 궤적들을 따라, 함께 또는 개별적으로, 회전시키도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 회전장치는 둘다 모두의 수신기들(134A 및 134B)을 원형 궤적(144)을 따라 회전시킬 수도 있어, 수신기(134A)는 궤적(144)의 다른 점들을 따라 전송기(132A)와 관련된 일련의 무선주파수 측정들을 얻는 한편, 수신기(134B)는 궤적(144)의 다른 점들을 따라 전송기(132B)와 관련된 일련의 무선주파수 측정들을 얻는다.
이제, 도 4에 관해 설명하자면, 도 4는 실험의 결과들에 근거하여, 본 발명에 따른 측정들을 획득하는 동안 상기 수신기들이 재위치될 때 TDOA 바이어스의 레벨을 예시하는 그래프, 일반적으로 도면부호 160으로 표기된, 이다. 그래프(160)에 대한 실험이 ~5km의 변길이를 갖는 거의 정삼각형의 꼭지점들에 위치한 3개의 수신기들, 및 상기 삼각형 내에 위치한 79MHz의 주파수에서의 25kHz 대역폭을 갖는 전송 무선주파수 신호를 사용하여 수행되었다. 각각의 수신기들은 3m 반경의 원형 궤적의 주위를 따라 재위치되었다. TDOA 측정들은 매 200ms 마다 400ms의 구간들에 대해 얻어졌다. 구간은 상기 수신기들이 실질적으로 고정적으로 여겨지는 순간을 나타낸다(상기 수신기는 400ms 이상으로 이동하지 않는다고 추정된다). 이런 고로, 각 구간은 수신기 위치의 임의의 실현을 나타낸다(상대적인 위상의 임의의 실현에 해당하는).
그래프(160)는 3개의 수신기 짝들에 대한 구간의 함수로서 TDOA 측정(ns의 단위의)을 도시한다. 상기 추정된 TDOA 판독들은 각각 삼각형, 원형, 및 점선 기호들에 의해 표시되어 있으며, 해당 TDOA 기대치들은 파선들(dashed lines)에 의해 표시되어 있다. 그래프(160)에서의 텍스트 상자는 수신기 쌍들의 각각의 결합과 관련된 상기 TDOA 측정들에 대한 TDOA 오차의 통계학적 속성들을 제공하며, 제1 행(column)(맨 좌측)은 평균 TDOA 오차를 나타내고, 제2 행은 상기 TDOA 오차의 표준편차를 나타내며, 제3 행은 TDOA RMSE를 나타낸다.
그래프(160)는, ~600ns의 높은 TDOA RMSE 값들 및 1μs 위의 최대 TDOA 바이어스에 의해 표시된 바와 같이, 다경로 효과가 모든 수신기들에 대해 우세함을 입증한다. TDOA 바이어스의 이 레벨은 500m 위의 위치 측정 오차(즉, 연관된 TDOA 값들을 사용하는 그 결과의 전송기 위치 추정에서의 오차)를 초래할 수도 있다. 상기 TDOA 오차가 상당한 구간들은 높은 TDOA 바이어스를 초래하는 위상차들을 실현하는 수신기 위치들에 해당한다. 이런 고로, 고정 수신기들에 대해 큰 TDOA 바이어스에 대한 높은 개연성이 있다고 결론지어질 수도 있다. 또한, 수신기 쌍들 중 각각에 대한 TDOA 측정들이 상기 기대치 주위에 분포됨을 그래프(160)로부터 알 수 있다. 상기 TDOA 측정들을 평균함으로써, 상기 해당 수신기 쌍들에 대한 상기 TDOA 바이어스가 거의 1μs(최악의 경우)로부터 거의 250ns까지 감소되었다. 그 결과의 위치 측정 오차는 거의 500m부터 거의 38m까지 감소된다.
이제, 도 5에 관해 설명하자면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 동작하는, 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법의 블록도이다. 과정(182)에서, 공간적으로 분리된 복수의 무선주파수 수신기들이 비교적 적은 다경로 반사들을 포함하고 상기 전송기 및 수신기들 사이의 가시 내 전파 전파(可視內電波傳播)[line of sight propagation]를 갖는 접지 레벨에서의 다경로 환경에서의 미리 결정된 위치들에 제공되어 있다. 도 3에 관해 설명하자면, 수신기들(134, 136 및 138)은 개별적인 각각의 위치들(R1, R2 및 R3)에 배치되며, 모두 전송기(132)의 수신범위 내에 있다. 상기 환경은 다경로 반사들에 예속되며 전송기(132) 및 수신기들(134, 136 및 138) 사이의 교신 가능한 전달이 존재한다.
과정(184)에서, 적어도 하나의 수신기에 의해 수신된 전송기와 관련된 능동적인 무선주파수 신호가 검출되며, 상기 수신기들은 상기 검출된 무선주파수 신호를 측정하도록 지시받는다. 도 3에 관해 설명하자면, 프로세서(140)는 선택된 스펙트럼 범위에서의 데이터를 수집하도록 수신기들(134, 136 및 138)에게 지시하며, 전송기(132)와 관련될 수도 있는 능동적인 무선주파수 신호들을 검출하기 위해 상기 수신된 데이터를 분석한다. 적합한 능동적인 무선주파수 신호가 적어도 하나의 수신기에 의해 수신되어지는 것으로 검출될 때, 프로세서(140)는 상기 검출된 신호를 측정하도록 각각의 수신기들(134, 136 및 138)에게 지시하며, 이것은 전송기(132)에 의해 전송되어지는 무선주파수 신호(142)의 직-경로 및/또는 반사들을 포함할 수도 있다.
과정(186)에서, 무선주파수 신호의 일련의 측정들은 각각의 수신기들에 의해 궤적을 따라 다른 위치들에서 얻어진다. 도 3에 관해 설명하자면, 각각의 수신기들(134, 136 및 138)은 무선주파수 신호(142)의 판독들을 얻는 동안에 궤적을 따라 다양한 위치들로 이동된다. 예를 들어, 수신기(134)는 원형 궤적(144)을 따라 위치들(144A, 144B, 144C, 144D 및 144E)로 순차적으로 이동되며, 각 위치에서의 각각의 판독을 얻는다. 유사하게, 수신기(136)는 궤적(146)을 따라 다양한 위치들로 순차적으로 이동되는 한편, 수신기(138)는 궤적(148)을 따라 다양한 위치들로 순차적으로 이동된다. 양자 택일적으로, 일련의 측정들은 상기 궤적을 따라 고정 위치들에 배열되거나, 상기 궤적을 따라 고정 위치들로 선택적으로 배치되는 다수의 수신기들(또는 수신 안테나들)에 의해 얻어질 수도 있다.
과정(188)에서, 수신기들의 쌍들 사이의 TDOA 측정들은 상기 얻어진 측정들에 근거하여 계산된다. 도 3에 관해 설명하자면, 프로세서(140)는, 각 수신기에서의 다른 위치들에서의 상기 얻어진 일련의 판독들에 근거하여, 다른 쌍들의 수신기들(134, 136 및 138)에 대한 TDOA 측정들을 계산한다. 특히, TDOA 측정들은, 각각의 쌍에서의 상기 수신기들의 다른 위치들 중 각각에 대해, 수신기들(134 및 136), 수신기들(134 및 138), 및 수신기들(136 및 138) 사이에서 얻어진다.
과정(190)에서, 각 쌍의 수신기들에 대한 상기 TDOA 측정들은, 그 수신기 쌍에 대한 각각의 업데이트된 TDOA 측정치를 제공하기 위해, 평균화된다. 도 3에 관해 설명하자면, 프로세서(140)는 각 수신기 쌍에 대한 모든 TDOA 측정들의 평균치를 계산한다. 예를 들면, 프로세서(140)는 수신기들(134 및 136) 사이의 최종 평균화된 TDOA 값을 얻기 위해 수신기들(134 및 136) 사이의 모든 TDOA 측정들을 평균한다. 유사하게, 프로세서(140)는 수신기들(134 및 138), 및 수신기들(136 및 138) 사이의 평균화된 TDOA 값을 얻는다.
과정(192)에서, 전송기의 위치는 상기 업데이트된 TDOA 측정치들에 근거하여 결정된다. 도 3에 관해 설명하자면, 프로세서(140)는 각각의 수신기 쌍에 대해 계산된 상기 평균 TDOA 값들에 근거하여 전송기(132)의 위치를 계산한다. 특히, 프로세서(140)는, 전송기(132)의 위치 추정을 얻기 위해, 수신기들(134, 136, 138) 중의 각 쌍 사이의 상기 업데이트된 TDOA를 사용한다.
본 발명은 임의의 목적을 위한 지리 위치에 적용 가능하며, 민간용 및 군사용 응용분야들을 포함하는, 다양한 응용분야들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은, 불법 방송들 및 다른 형태들의 스펙트럼 관리에 의해 간섭받는 잠재적인 불법 전송들을 하는 바와 같은, 통신 기반시설들에 활용될 수도 있다. 다른 하나의 예는, 이동장치의 정확한 평가를 제공하는 바와 같은, 예컨대, 표준 전세계 위치 파악 시스템(global positioning systems, GPS)에 더하여 또는 표준 전세계 위치 파악 시스템 대신에, 무선 통신망들(cellular networks)과 결합된다. 양자 택일적으로, 복수의 무선 안테나들은 도착방향이 알려지지 않은 전송된 신호를 미리 수신하기 위해 다른 평면형 궤적들을 따라 회전하도록 구성될 수도 있다. 본 발명의 추가적인 잠재적인 응용분야는 놓친 또는 도둑맞은 자동차들의 위치 추적용이다.
본 발명의 임의의 실시예들은 이 기술분야에서 통상의 기술을 가진자가 본 발명을 실시 가능하도록 하기 위해 설명되어졌지만, 상기 설명은 예시용으로만 설명되어 있다. 본 발명은 본 발명의 요지의 범위를 제한하는데 사용되어서는 안되며, 다음의 청구항들을 참고하여 결정되어야 한다.
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Claims (17)
- 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수(RF) 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 :
비교적 적은 다경로 반사들을 포함하고 상기 전송기 및 수신기들 사이의 가시 내 전파 전파(可視內電波傳播)[line of sight propagation]를 갖는 접지 레벨에서의 다경로 환경에서의 미리 결정된 위치들에 공간적으로 분리된 복수의 무선주파수 수신기들을 제공하는 과정;
상기 수신기들 중 적어도 하나에 의해 수신된 상기 전송기와 관련된 능동적인 무선주파수 신호를 검출한 다음, 상기 검출된 무선주파수 신호를 측정하도록 상기 수신기들에게 지시하는 과정;
상기 수신기들 중 각각에 의해 궤적을 따라 다른 위치들에서 상기 무선주파수 신호의 일련의 측정들을 획득하며, 상기 궤적은 상기 검출된 무선주파수 신호의 직(直)-경로 및 다경로 반사들 사이의 상대적인 위상 차이들에서의 복수의 측정들을 제공하는 과정;
상기 획득된 측정들에 근거하여, 상기 수신기들 중 2개의 수신기들의 그룹들 사이의 도착 시간 차(差)(TDOA) 측정들을 계산하는 과정;
각각의 업데이트된 TDOA 측정치를 제공하기 위해 상기 수신기들 중 2개의 수신기들의 그룹들 중 각각에 대한 상기 TDOA 측정들을 평균하는 과정;
상기 업데이트된 TDOA 측정치들에 근거하여 상기 전송기의 위치를 결정하는 과정;
을 포함하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수(RF) 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 궤적은 원형 궤적을 포함하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수(RF) 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 궤적의 범위는 상기 검출된 무선주파수 신호의 파장의 절반과 같거나 상기 검출된 무선주파수 신호의 파장의 절반보다 더 큰 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수(RF) 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수신기들 중 각각에 의해 궤적을 따라 다른 위치들에서 상기 무선주파수 신호의 일련의 측정들을 획득하는 상기 과정은 상기 수신기를 특정 궤적 패턴을 따르는 다른 위치들로 이동시키는 과정을 포함하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수(RF) 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수신기들 중 각각에 의해 궤적을 따라 다른 위치들에서 상기 무선주파수 신호의 일련의 측정들을 획득하는 상기 과정은 복수의 수신기들을 상기 궤적을 따라 고정위치들에 배열 또는 선택적으로 배치하는 과정을 포함하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수(RF) 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수신기들 중 각각에 의해 궤적을 따라 다른 위치들에서 상기 무선주파수 신호의 일련의 측정들을 획득하는 상기 과정은 복수의 부-수신기들을 상기 궤적의 각각의 부분들을 따라 동시에 재위치시키는 과정을 포함하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수(RF) 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수신기들 중 각각에 의해 궤적을 따라 다른 위치들에서 상기 무선주파수 신호의 일련의 측정들을 획득하는 상기 과정은 다수의 수신기 그룹들 중 복수의 수신기들을 동시에 재위치시키며, 각각의 수신기 그룹은 다른 스펙트럼 범위에서 동작하는 다른 전송기에 연결되는 과정을 포함하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수(RF) 전송기의 위치를 결정하기 위한 방법. - 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 :
비교적 적은 다경로 반사들을 포함하고 상기 전송기 및 수신기들 사이의 가시 내 전파 전파(可視內電波傳播)[line of sight propagation]를 갖는 접지 레벨에서의 다경로 환경에서의 미리 결정된 위치들에 공간적으로 분리되어 있는 복수의 무선주파수 수신기들;
상기 수신기들과 결합된 프로세서로서, 상기 프로세서는 상기 수신기들 중 적어도 하나에 의해 수신된 상기 전송기와 관련된 능동적인 무선주파수 신호를 검출한 다음, 상기 검출된 무선주파수 신호를 측정하도록 상기 수신기들에게 지시하도록 동작하며, 상기 프로세서는 추가로 궤적을 따라 다른 위치들에서 상기 수신기들 중 각각에 의해 얻어진 상기 무선주파수 신호의 일련의 측정들에 근거하여, 상기 수신기들 중 2개의 수신기들의 그룹들 사이의 도착 시간 차(差)(TDOA) 측정들을 계산하도록 동작하며, 상기 궤적은 상기 검출된 무선주파수 신호의 직-경로 및 다경로 반사들 사이의 상대적인 위상 차이들에서의 복수의 측정들을 제공하고, 상기 프로세서는 추가로 각각의 업데이트된 TDOA 측정치를 제공하기 위해 상기 수신기들 중 2개의 수신기들의 그룹들 중 각각에 대한 TDOA 측정들을 평균하도록 동작하며, 상기 프로세서는 추가로 상기 업데이트된 TDOA 측정치들에 근거하여 상기 전송기의 위치를 결정하도록 동작하는 프로세서;
를 포함하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 궤적은 원형 궤적을 포함하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 궤적의 범위는 상기 검출된 무선주파수 신호의 파장의 절반과 같거나 상기 검출된 무선주파수 신호의 파장의 절반보다 더 큰 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템. - 제8항에 있어서,
궤적을 따라 다른 위치들로 상기 수신기들 중 적어도 하나를 이동시키도록 동작하는 재위치 수단을 추가로 포함하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 재위치 수단은 특정 궤적 패턴을 따르는 다른 위치들로 상기 수신기를 이동시키도록 동작하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 무선주파수 수신기들은 상기 궤적을 따라 고정 위치들에 배열 또는 선택적으로 배치된 복수의 수신기들을 포함하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 재위치 수단은 상기 궤적의 각각의 부분들을 따라 복수의 부-수신기들을 동시에 재위치시키도록 동작하는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 재위치 수단은 다수의 수신기 그룹들 중 복수의 수신기들을 동시에 재위치시키도록 동작하며, 각각의 수신기 그룹은 다른 스펙트럼 범위에서 동작하는 다른 전송기에 연결되는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 재위치 수단은
이동 구조;
자동 기계장치;
회전장치;
이동 플랫폼;
운송수단; 및
카트(trolley);
로 구성된 목록으로부터 선택되는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 수신기들은
통신 수신기;
셀룰러 네트워크 수신기(cellular network receiver);
스펙트럼 관리 수신기; 및
방송 수신기;
로 구성된 목록으로부터 선택되는 다경로 간섭의 존재하에 무선주파수 전송기의 위치를 결정하기 위한 시스템.
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