KR102647167B1 - 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

사용자 플랫폼의 환경을 특징짓기 위한 장치 및 방법이 제시된다. 특정 실시 예에서, RF 신호는 미리 정해진 시퀀스로 활성화되는 복수의 요소를 갖는 안테나 어레이를 통해 송수신되고, 수신된 신호는 하나 이상의 방향으로 어레이의 이득을 향상시키기 위해 왕복 경로 정정으로 조작된다. 이들 방향의 물체들은 송신된 신호의 복귀의 수신으로부터 검출되고, 조작된 수신 신호는 물체들까지의 범위를 추정하기 위해 처리된다. 다른 실시 예에서, 하나 이상의 외부 송신기에 의해 송신된 RF 신호는, 하나 이상의 송신기와 관련된 안테나 어레이 또는 로컬 안테나 어레이의 이득을 향상시켜 하나 이상의 방향으로 어레이의 이득을 향상시키기 위해 수신 및 조작된다. 이들 방향에서의 물체는 송신기로부터 반사된 신호의 수신으로부터 검출되고, 조작 된 수신 신호는 이들 물체의 범위를 추정하기 위해 처리된다.

Description

사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 방법 및 장치
기술분야
본 발명은 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓기 위한, 특히 자율 주행 차량과 같은 사용자 플랫폼의 환경에서 하나 이상의 물체에 대한 방향 또는 범위를 결정 또는 추정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 특정 사용 분야로 제한되지 않음을 이해할 것이다.
관련 출원
본 출원은 2017년 5월 12일에 출원된 호주 가출원 제2017901780호의 우선권을 주장하며, 그 내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 명세서 전반에 걸쳐 종래 기술에 대한 어떠한 논의도 그러한 종래 기술이 널리 공지되어 있거나 해당 분야의 일반적인 지식의 일부를 형성하는 승인하는 것으로 간주되어서는 안된다.
자동차와 같은 사용자 플랫폼은 내비게이션을 돕기 위해 차량 환경에 대한 정보를 수집하여 자율적으로, 즉 운전자로부터 입력이 거의 없거나 전혀없이 작동하도록 구성될 수 있다. 정보는 라이더(Lidar), 레이더, 카메라 및 마이크를 포함한 다양한 센서 시스템에 의해 수집될 수 있다. 또한, 자율 주행 차량에는 차량의 위치를 결정하기 위한, 일반적으로 저장된 지도와 비교하기 위한 GPS와 같은 포지셔닝 시스템이 일반적으로 장착된다. 자율 주행 차량은 중복화 및 교차 점검을 위한 다수의 센서 시스템을 갖는 것이 일반적으로 바람직하다.
라이더는 하나 이상의 레이저 빔을 반복적으로 스캔함으로써 작동하여 차량 환경에서 반사성 물체의 사진을 생성하며, 방출된 펄스와 반사된 복귀 펄스 사이의 시간 지연으로부터 물체의 범위가 결정된다. 라이더는 레이저 빔의 지향성이 매우 우수하고 정밀한 범위 측정을 위해 짧고 큰 대역폭 펄스를 생성할 수 있기 때문에 자율 주행 차량의 검출 및 범위 측정을 위해 여러 가지 방법으로 선택되는 시스템이다. 그러나, 미국 특허 제9,097,800호(Zhu)에 개시된 바와 같이, 피할 필요가 있는 고형 물체를 배기 가스 및 타이어 스프레이와 같은 유체 물체와 구별하기 위해 레이더로 보충될 필요가 있다. 현재의 자율 주행 차량 라이더 시스템의 일부 단점은 범위가 일반적으로 100m 미만으로 제한되고, 레이저의 기계적 회전이 필요하며, 안개 나 폭우시에는 전혀 잘 작동하지 않는다는 것이다.
자율 주행 차량에는 주파수-변조 연속 펄스파(FMCW: pulsed frequency-modulated continuous wave) 및 스프레드 스펙트럼 레이더를 포함한 여러 유형의 레이더가 사용될 수 있다(예를 들면, 미국 특허 제7,969,350호(Winstead 등), 제5,268,692호(Grosch 등) 및 제6,801,153호(Rauch 등) 참조). 펄스 레이더는 라이더와 유사한 방식으로 비행시간(time-of-flight) 기술에 의해 범위를 결정하는 반면, FMCW 레이더는 송신된 신호에 주기적인 주파수 변조를 적용하고 송신된 신호와 복귀된 신호 사이의 주파수 차이를 측정하여 범위를 결정한다. 스프레드 스펙트럼 레이더는 GPS와 유사한 방식으로 작동하며, 송신된 신호에 PRN(pseudo-random) 코드를 적용하고 복귀 신호를 내부적으로 생성된 PRN 코드 복제본에 대하여 상관시켜 범위를 결정한다. 현재의 자율 주행 차량 레이더 시스템의 중요한 단점은 제한된 방향 스캐닝 능력이며, 대부분의 시스템은 방향이 예를 들어 전방 또는 후방으로 고정되어 있다. 넓은 스캔 범위를 가진 위상 어레이 레이더 시스템은 군사용으로 사용되지만 차량에서 일반적으로 사용하기에는 너무 복잡하고 고가이다.
당해 기술 분야에 알려진 다른 형태의 레이더는 '수동(passive)' 레이더이다. 장치가 무선 주파수(RF)에너지를 송신 및 수신하는 '능동' 레이더와 달리, 수동 레이더에서는 수신기가 하나 이상의 외부 송신기로부터의 신호의 반사를 찾아서 주변 환경 내 물체의 존재를 결정하려고 한다. 일부 수동 레이더 시스템에서는 수신기와 외부 송신기가 공동 제어되는 반면, '기회 신호(signals of opportunity)' 시스템에서는 수신기는 찾을 수 있는 모든 적절한 신호(예를 들면, 상업용 텔레비전, 라디오 또는 휴대폰 송신)를 사용한다. 수동 레이더는 간섭 위험과 관련하여 개별 차량이 RF에너지를 방출할 필요성을 회피하지만, 일반적으로 검출 및 범위 결정은 능동 레이더보다 복잡하다. 기회 신호의 변화로 인해 자율 주행 차량에 수동 레이더를 적용하는 것은 현재까지 비현실적이다.
자율 주행 차량은 서로 다른 유형의 정보를 수집하고 교차 점검하기 위해 여러 센서 시스템을 갖추는 것이 중요하지만, 주어진 센서 시스템이 내비케이션에 유용한 두 가지 이상 유형의 정보를 수집하도록 구성될 수 있다면 복잡성과 비용을 줄이는 것이 유리할 것이다.
이하의 설명 및 청구항에서, 용어 "또는"은, 문맥상 명백하게 달리 요구하지 않는 한, 배타적 의미가 아니라 포괄적 의미로 해석되어야 한다. 예를 들어 '위상 또는 이득'이라는 표현은 '위상, 또는 이득, 또는 위상 및 이득 모두'를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. '이루어지는', '이루어지다', '포함하는', '포함하다' 등의 용어는 배타적이지 않은(non-exhaustivley) 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어,'A 및 B로 이루어지는 장치'라는 표현의 범위는 A와 B로만 구성된 장치로 제한되지 않는다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점 중 하나 이상을 극복하거나 개선하거나 유용한 대안을 제공하는 것이다. 바람직한 형태에서 본 발명의 목적은 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓기 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 다른 바람직한 형태에서 본 발명의 목적은 복수의 사용자 플랫폼이 하나 이상의 외부 송신기로부터 신호를 수신하는 간단한 안테나가 장착된 수신기를 사용하여 자신의 환경을 특징짓는 것을 가능하게 하는 다중-액세스 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:
신호를 생성하는 단계;
상기 신호를 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 안테나 요소들을 통해 송신하는 단계 - 상기 안테나 요소들은 신호를 송신 또는 수신하기 위해 미리 결정된 시퀀스로 활성화됨;
상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들을 통해 수신된 인커밍 신호(incomming signal)에, 상기 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 상기 안테나 어레이에 대한 왕복 경로 정정을 포함하고 미리 결정된 방향으로 상기 안테나 어레이의 상호 빔(reciprocal beam)을 형성하도록 선택된 위상 또는 이득 조작을 적용하는 단계;
상기 조작된 인커밍 신호를 통합 주기(integration period)에 걸쳐 누적하여 상기 상호 빔을 형성하는 단계; 및
상기 송신된 신호의 복귀의 상기 상호 빔에서의 검출에 기초하여 상기 미리 결정된 방향에 물체의 존재를 추론하는 단계.
상기 위상 또는 이득 조작은 바람직하게는 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 및 복귀 신호의 예상 수신 주기(periods of receipt)와 실질적으로 동기하여 상기 인커밍 신호에 적용된다. 특정 실시 예에서, 상기 통합 주기는 복귀 신호의 예상 수신 주기와 안테나 요소들의 활성화 주기의 중첩(overlap)에 의해 결정되는 다수의 부분(sub)-통합 주기들로 분할된다.
바람직하게는, 송신된 신호의 복귀의 검출은 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 인커밍 신호를 상관시키는 과정을 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 송신되는 상기 생성된 신호로부터 내부적으로 획득된 로컬 신호를 수신하는 단계; 및 상기 추론된 물체까지의 범위(range)의 측정을 위한 기준선을 결정하기 위해 제1 채널의 로컬 신호를 추적하는 단계를 추가로 포함한다.
특정 실시 예에서, 상기 방법은 복수의 상관 값을 결정하기 위해, 제1 채널 내 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시키는 단계; 상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하는 단계; 및 상기 기준선과 상기 최대 상관 값 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하는 단계를 추가로 포함한다.
다른 실시 예에서, 상기 방법은, 제1 채널에 종속되는 하나 이상의 채널에서 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 상기 송신된 신호를 인코딩하는 데 사용된 코드의 복제본에 대하여 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하는 단계; 상기 복수의 상관 값으로부터 최대 상관 값을 식별하는 단계; 및 상기 기준선과 상기 최대 상관 값 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하는 단계를 추가로 포함한다.
바람직하게는, 상기 로컬 신호는 상기 생성된 신호가 송신되는 주기 동안 누적되고, 상기 조작된 인커밍 신호는 상기 생성된 신호가 송신되지 않는 기간 동안 누적된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는:
공간적으로 분산된 복수의 안테나 요소를 갖는 안테나 어레이;
신호를 송신 또는 수신하기 위해 미리 결정된 시퀀스로 상기 안테나 요소들을 활성화시키는 스위칭 네트워크;
신호를 생성하고 상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들을 통해 상기 신호를 송신하기 위해 상기 안테나 어레이와 동작적으로 연관된 송신기; 및
상기 안테나 어레이와 동작적으로 연관된 수신기로서:
상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들을 통해 인커밍 신호를 수신하고;
상기 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여 상기 수신된 인커밍 신호에 위상 또는 이득 조작을 적용하며 - 여기서, 상기 위상 또는 이득 조작은 상기 안테나 어레이에 대한 왕복 경로(round-trip path) 정정을 포함하고 미리 결정된 방향으로 상기 안테나 어레이의 상호 빔을 형성하도록 선택됨;
상기 조작된 인커밍 신호를 통합 주기에 걸쳐 누적하여 상기 상호 빔을 형성하며; 및
상기 송신된 신호의 복귀의 상기 상호 빔에서의 검출에 기초하여 상기 미리 결정된 방향에 물체의 존재를 추론하는, 수신기를 포함한다.
상기 수신기는 바람직하게는 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하고, 복귀 신호의 예상 수신 주기와 실질적으로 동기하여 상기 인커밍 신호에 상기 위상 또는 이득 조작을 적용하도록 구성된다. 특정 실시 예에서, 상기 통합 주기는 복귀 신호의 예상 수신 주기와 안테나 요소들의 활성화 주기의 중첩에 의해 결정되는 다수의 부분-통합 주기들로 분할된다.
바람직하게는, 상기 수신기는 상기 송신된 신호의 복귀를 검출하기 위해, 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시키기 위한 상관기를 포함한다.
상기 수신기는 바람직하게는 송신되는 상기 생성된 신호로부터 내부적으로 획득된 로컬 신호를 수신하고; 및 상기 추론된 물체까지의 범위의 측정을 위한 기준선을 결정하기 위해 제1 채널에서 로컬 신호를 추적하도록 구성된다.
특정 실시 예에서, 상기 수신기는, 제1 채널에서 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하고; 상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하고; 상기 기준선과 상기 최대 상관 값 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하도록 구성된다.
다른 실시 예에서, 상기 수신기는, 제1 채널에 종속되는 하나 이상의 채널에서 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하고; 상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하고; 상기 기준선과 상기 최대 상관 값 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 수신기는 상기 생성된 신호가 송신되는 주기 동안 로컬 신호를 누적하고, 상기 생성된 신호가 송신되지 않는 기간 동안 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하도록 구성된다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 안테나 어레이에서 상호 빔을 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은:
신호를 생성하는 단계;
상기 신호를 상기 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 안테나 요소들을 통해 송신하는 단계 - 상기 안테나 요소들은 신호를 송신 또는 수신하기 위해 미리 결정된 시퀀스로 활성화됨;
상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들을 통해 수신된 인커밍 신호(incomming signal)에, 상기 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 상기 안테나 어레이에 대한 왕복 경로 정정을 포함하고 미리 결정된 방향으로 상기 안테나 어레이의 상호 빔(reciprocal beam)을 형성하도록 선택된 위상 또는 이득 조작을 적용하는 단계; 및
상기 조작된 인커밍 신호를 통합 주기(integration period)에 걸쳐 누적하여 상기 상호 빔을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제4 실시 예에 따르면, 안테나 어레이에서 상호 빔을 형성하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는:
공간적으로 분산된 복수의 안테나 요소를 갖는 안테나 어레이;
신호를 송신 또는 수신하기 위해 미리 결정된 시퀀스로 상기 안테나 요소들을 활성화시키는 스위칭 네트워크;
신호를 생성하고 상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들을 통해 상기 신호를 송신하기 위해 상기 안테나 어레이와 동작적으로 연관된 송신기; 및
상기 안테나 어레이와 동작적으로 연관된 수신기로서:
상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들을 통해 인커밍 신호를 수신하고;
상기 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여 상기 수신된 인커밍 신호에 위상 또는 이득 조작을 적용하며 - 여기서, 상기 위상 또는 이득 조작은 상기 안테나 어레이에 대한 왕복 경로(round-trip path) 정정을 포함하고 미리 결정된 방향으로 상기 안테나 어레이의 상호 빔을 형성하도록 선택됨; 및
상기 조작된 인커밍 신호를 통합 주기에 걸쳐 누적하여 상기 상호 빔을 형성하는, 수신기를 포함한다.
본 발명의 제5 양태에 따르면, 물리적으로 분리된 송신기로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
신호를 수신하기 위해 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 안테나 요소들을 미리 결정된 시퀀스로 선택적으로 활성화시키는 단계;
상기 안테나 어레이로부터 미리 결정된 방향으로 빔을 형성하기 위해 선택된 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을, 상기 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 수신된 인커밍 신호에 적용하는 단계;
상기 조작된 인커밍 신호를 통합 주기에 걸쳐 누적하여 상기 빔을 형성하는 단계; 및
상기 물리적으로 분리된 송신기로부터의 반사 신호의 상기 빔에서의 검출에 기초하여 상기 미리 결정된 방향으로 물체의 존재를 추론하는 단계.
상기 반사 신호의 검출은 바람직하게는 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 인커밍 신호를 상관시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은: 물리적으로 분리된 송신기의 방향으로 직접 경로 빔을 형성하기 위해 선택된 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을, 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 수신된 인커밍 신호에 적용하는 단계; 상기 직접 경로 빔을 형성하기 위해 통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하는 단계; 및 제1 채널에서, 상기 직접 경로 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정하는 단계를 포함한다.
특정 실시 실시 예에서, 상기 방법은: 제2 채널에서 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및 상기 반사된 신호 및 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻는 단계를 추가로 포함한다. 다른 실시 예에서, 상기 방법은: 상기 제1 채널에 종속된 하나 이상의 채널에서 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 인커밍 신호를 상기 송신된 신호를 인코딩하는 데 사용된 코드의 복제본에 대해 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하는 단계; 상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및 상기 반사된 신호 및 직접 경로 신호의 도착 시간 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제6 양태에 따르면, 물리적으로 분리된 송신기로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 장치가 제공되며, 상기 장치는:
복수의 공간적으로 분산된 안테나 요소를 갖는 안테나 어레이;
신호들을 수신하기 위해 미리 결정된 시퀀스로 상기 안테나 요소들을 활성화시키기 위한 스위칭 네트워크; 및
상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들을 통해 인커밍 신호를 수신하고;
상기 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 상기 안테나 어레이로부터 미리 결정된 방향으로 빔을 형성하기 위해 선택된 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을 수신된 인커밍 신호에 적용하고; 통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 수신 신호를 누적하여 상기 빔을 형성하고; 상기 물리적으로 분리된 송신기로부터 반사된 신호의 상기 빔에서의 검출에 기초하여 상기 미리 결정된 방향으로 물체의 존재를 추론하기 위한 수신기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 수신기는 상기 반사된 신호의 검출을 위해, 인커밍 신호를 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 상관시키기 위한 상관기를 포함한다.
상기 수신기는 바람직하게는, 물리적으로 분리된 송신기의 방향으로 직접 경로 빔을 형성하기 위해 선택된 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을, 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 수신된 인커밍 신호에 적용하고; 통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 직접 경로 빔을 형성하고; 및 상기 직접 경로 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를, 제1 채널에서, 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정하도록 구성된다.
특정 실시 예에서, 상기 수신기는: 제2 채널에서 상기 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및 상기 반사된 신호 및 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻는다. 다른 실시 예들에서, 상기 수신기는, 상기 제1 채널에 종속된 하나 이상의 채널들에서 일련의 지연으로 복수의 탭들에서, 인커밍 신호들을 상기 송신된 신호들을 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하고; 상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및 상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하도록 구성된다.
본 발명의 제7 양태에 따르면, 물리적으로 분리된 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 안테나 요소로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 방법이 제공되며, 상기 안테나 요소는, 상기 송신된 신호들이 동기화되는 미리 결정된 시퀀스로, 신호를 송신하기 위해, 활성화되며, 상기 방법은:
상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여, 수신기에서, 물리적으로 분리된 안테나 어레이로부터 미리 결정된 방향으로 빔을 형성하기 위해 선택된 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을 인커밍 신호에 적용하는 단계 - 여기서, 상기 미리 결정된 시퀀스 및 이것과 상기 송신된 신호와의 동기화는 상기 수신기에 알려진다;
통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 빔을 형성하는 단계; 및
상기 공간적으로 분산된 안테나 요소들로부터의 반사된 신호의 상기 빔에서의 검출에 기초하여 상기 물리적으로 분리된 안테나 어레이로부터 상기 미리 결정된 방향에서 물체의 존재를 추론하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 반사된 신호의 검출은 인커밍 신호를 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 상관시키는 과정을 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은: 수신기에서, 순차적으로 활성화된 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여, 안테나 어레이로부터 수신기를 향하는 직접 경로 빔을 형성하기 위해 선택된 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을 인커밍 신호에 적용하는 단계; 통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 직접 경로 빔을 형성하는 단계; 및 수신기의 제1 채널에서, 상기 직접 경로 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정하는 단계를 포함한다.
특정 실시 예에서, 상기 방법은: 수신기의 제2 채널에서 상기 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및 상기 반사된 신호 및 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻는 단계를 더 포함한다. 다른 실시 예에서, 상기 방법은: 제1 채널에 종속되는 하나 이상의 채널에서 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 상기 송신된 신호를 인코딩하는 데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하는 단계; 상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및 상기 반사된 신호와 직접 경로 신호 간의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제8 양태에 따르면, 물리적으로 분리된 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 안테나 요소들로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 장치가 제공된다. 상기 안테나 요소들은, 신호를 송신하기 위해, 상기 송신된 신호가 동기화되는 미리 결정된 시퀀스로 활성화되고, 상기 장치는 수신기를 포함하며, 상기 수신기는:
상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여, 상기 물리적으로 분리된 안테나 어레이로부터 미리 결정된 방향으로 빔을 형성하기 위해 선택된 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을 인커밍 신호에 적용하고 - 여기서, 상기 미리 결정된 시퀀스 및 이것과 상기 송신된 신호와의 동기화는 상기 수신기에 알려짐; 통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 빔을 형성하고; 상기 물리적으로 분산된 안테나 요소들로부터 반사된 신호의 상기 빔에서의 검출에 기초하여 상기 물리적으로 분리된 안테나 어레이로부터 상기 미리 결정된 방향에서 물체의 존재를 추론한다.
바람직하게는, 상기 수신기는 상기 반사된 신호의 검출을 위해, 인커밍 신호를 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 상관시키기 위한 상관기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 수신기는: 상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여, 상기 안테나 어레이로부터 수신기를 향하는 직접 경로 빔을 형성하기 위해 선택된 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을 인커밍 신호에 적용하고; 통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 직접 경로 빔을 형성하고; 및 제1 채널에서, 상기 직접 경로 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정한다.
특정 실시 예에서, 수신기는: 제2 채널에서 상기 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및 상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻는다. 다른 실시 예들에서, 수신기는: 제1 채널에 종속되는 하나 이상의 채널들에서 일련의 지연으로 복수의 탭들에서, 상기 송신된 신호들을 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하고; 상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여, 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및 상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간 사이의 분리로부터 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하도록 구성된다.
본 발명의 제9 양태에 따르면, 물리적으로 분리된 송신 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 방법이 제공되며, 상기 송신 안테나 요소는, 신호를 송신하기 위해, 상기 송신된 신호들이 동기화되는 제2의 미리 결정된 시퀀스로 활성화되며, 상기 방법은:
신호를 수신하기 위해 제1 미리 결정된 시퀀스로 수신 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 수신 안테나 요소들을 선택적으로 활성화시키는 단계;
수신기에서, 상기 물리적으로 분리된 송신 안테나 어레이로부터 미리 결정된 송신 방향으로 및 상기 수신 안테나 어레이로부터 미리 결정된 수신 방향으로 향하는 복합 빔을 형성하기 위해 선택된 송신 및 수신 성분을 갖는 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을 인커밍 신호에 적용하는 단계 - 상기 송신 성분은 상기 순차적으로 활성화된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여 적용되고, 상기 수신 성분은 상기 제1 미리 결정된 시퀀스와 동기하여 적용되며, 상기 제2 미리 결정된 시퀀스 및 이것과 상기 송신된 신호와의 동기화는 상기 수신기에 알려진다;
통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 복합 빔을 형성하는 단계; 및
상기 공간적으로 분산된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 반사된 신호의 상기 복합 빔에서의 검출에 기초하여 상기 미리 결정된 수신 방향에서 물체의 존재를 추론하는 단계를 포함한다.
상기 반사된 신호의 검출은 바람직하게는 인커밍 신호를 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 상관시키는 과정을 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은: 수신기에서, 송신 안테나 어레이와 수신 안테나 어레이 사이에 직접 경로 복합 빔을 형성하기 위해 선택된 송신 및 수신 성분을 갖는 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을 인커밍 신호에 적용하는 단계 - 여기서, 상기 송신 성분은 순차적으로 활성화된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여 적용되고, 상기 수신 성분은 제1 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여 적용되며; 통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 직접 경로 복합 빔을 형성하는 단계; 및 수신기의 제1 채널에서, 상기 직접 경로 복합 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정하는 단계를 더 포함한다.
특정 실시 예에서, 상기 방법은: 수신기의 제2 채널에서 상기 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및 상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻는 단계를 더 포함한다. 대안적인 실시 예에서, 상기 방법은: 제1 채널에 종속되는 하나 이상의 채널에서 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 상기 송신된 신호를 인코딩하는 데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하는 단계; 상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및 상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 제10 양태에 따르면, 물리적으로 분리된 송신 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 장치가 제공되며, 상기 송신 안테나 요소들은 송신된 신호가 동기화되는 제2 미리 결정된 시퀀스로 활성화되며, 상기 장치는:
복수의 공간적으로 분산된 수신 안테나 요소를 갖는 수신 안테나 어레이;
신호를 수신하기 위해 제1 미리 결정된 시퀀스로 상기 수신 안테나 요소들을 활성화시키기 위한 스위칭 네트워크; 및
상기 순차적으로 활성화된 수신 안테나 요소들을 통해 인커밍 신호를 수신하고; 상기 물리적으로 분리된 송신 안테나 어레이로부터 미리 결정된 송신 방향으로 그리고 상기 수신 안테나 어레이로부터 미리 결정된 수신 방향으로 향하는 복합 빔을 형성하기 위해 선택된 송신 및 수신 성분을 갖는 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을 수신된 인커밍 신호에 적용하고 - 여기서, 상기 송신 성분은 상기 순차적으로 활성화된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여 적용되고, 상기 수신 성분은 상기 제1 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여 적용되며, 상기 제2 미리 결정된 시퀀스 및 이것과 상기 송신된 신호들과의 동기화는 상기 수신기에 알려짐; 통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 복합 빔을 형성하고; 및 상기 공간적으로 분산된 송신 안테나 요소들로부터 반사된 신호의 상기 복합 빔에서의 검출에 기초하여 상기 미리 결정된 수신 방향에서 물체의 존재를 추론하기 위한 수신기;
를 포함한다.
바람직하게는, 상기 수신기는 상기 반사된 신호의 검출을 위해, 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시키기 위한 상관기를 포함한다.
바람직한 실시 예에서, 상기 수신기는: 수신기에서, 송신 안테나 어레이와 수신 안테나 어레이 사이에 직접 경로 복합 빔을 형성하기 위해 선택된 송신 및 수신 성분을 갖는 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을 인커밍 신호에 적용하고 - 여기서, 상기 송신 성분은 상기 순차적으로 활성화된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여 적용되고 상기 수신 성분은 상기 제1 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여 적용됨; 통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 직접 경로 복합 빔을 형성하며; 및 수신기의 제1 채널에서, 상기 직접 경로 복합 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정하도록 구성된다.
특정 실시 예에서, 상기 수신기는: 수신기의 제2 채널에서 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및 상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻도록 구성된다. 대안적인 실시 예에서, 상기 수신기는: 제1 채널에 종속되는 하나 이상의 채널에서 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하고; 상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및 상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하도록 구성된다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예가 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 환경을 특징짓기 위해 신호를 송수신하도록 구성된 장치의 블록도를 도시한다.
도 2는 관련된 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓기 위한 상호 빔을 형성하는 장치를 개략적으로 도시한다.
도 3은 관련된 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓기 위해 복수의 상호 빔을 동시에 형성하는 장치를 개략적으로 도시한다.
도 4는 구형 안테나 어레이의 선택된 요소들을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라, 스프레드 스펙트럼 신호를 처리하는 상관기의 출력을 개략적으로 도시한다.
도 6은 도 1의 장치가 환경에서 물체로부터 반사된 신호와 로컬 신호를 검출 할 수있는 방식을 도시한다.
도 7은 도 1의 장치가 환경에서 물체로부터 반사된 신호와 로컬 신호를 검출 할 수있는 다른 방식을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라, 관련된 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓기 위해 외부 송신기로부터의 신호를 이용하는 장치의 블록도를 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 장치의 구조를 도시한다.
도 10은도 8의 장치가 직접 경로 신호와 환경에서 물체로부터 반사된 신호를 검출할 수 있는 방식을 도시한다.
도 11은 도 8에 도시된 장치에 대한 이중 반사 경로-관련 모호성의 가능성을 도시한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 관련된 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓기 위해 외부 송신기로부터의 신호를 이용하는 장치의 블록도를 도시한다.
도 13은 도 12에 도시된 장치의 구조를 도시한다.
도 14는 도 12의 장치가 직접 경로 신호와 환경에서 물체로부터 반사된 신호를 검출할 수 있는 방식을 도시한다.
도 15는 도 12의 장치가 직접 경로 신호와 환경에서 물체로부터 반사된 신호를 검출할 수 있는 다른 방식을 도시한다.
도 16은 도 12에 도시된 장치에 대한 이중 반사 경로-관련 모호성의 가능성을 도시한다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라, 관련된 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓기 위해 외부 송신기로부터의 신호를 이용하는 장치의 블록도를 도시한다.
도 18은 도 17에 도시된 장치의 구조를 도시한다.
본 발명의 특정 측면은 자율 주행 차와 같은 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 도 1은 공간적으로 분산된 복수의 안테나 요소(104)를 갖는 안테나 어레이(102), 프로세서(106), 송신기(108) 및 수신기(110)를 포함하는 장치(100)를 개략적인 형태로 도시한다. 프로세서(106)는, 스위칭 네트워크(118) 및 송신선(114)을 통해, 안테나 요소(104)를 미리 결정된 시퀀스로 제1 상태와 제2 상태 사이에서 스위칭하도록 구성되며, 제1 상태에서 안테나 요소는 신호를 송신 또는 수신하도록 구성되고, 제2 상태에서 안테나 요소는 신호를 송신 또는 수신하지 않도록 구성된다. 다시 말해, 프로세서(106)는 신호를 송신 또는 수신하기 위해 미리 결정된 시퀀스로 안테나 요소(104)를 활성화시키도록 구성된다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 안테나 어레이(102)는 평면에 배치되고 9개의 단극 스위치(112)를 포함하는 스위칭 네트워크(118)에 의해 활성화 및 비활성화되는 9개의 마이크로 스트립 패치 안테나 요소(104)를 갖는다. 예를 들어 다른 유형, 수 또는 배열의 안테나 요소 또는 다른 스위칭 네트워크를 갖는 많은 다른 구성이 가능하다. 예를 들어, 9개의 안테나 요소(104)의 도시된 어레이를 위한 스위칭 네트워크는 단일 1x9 스위치 또는 트리 구조의 1x3 스위치들을 포함할 수 있다. 주어진 시간에 하나의 안테나 요소가 활성화되는 것이 바람직하지만, 특정 실시 예에서 두 개 이상의 안테나 요소가 동시에 활성화될 수 있다. 프로세서(106)는 미리 결정된 시퀀스로부터 하나 이상의 안테나 요소(104)를 배제할 수 있고, 안테나 요소 활성화 주기이 동일한 지속시간(duration)일 필요는 없다. 어레이(102)의 요소(104)가 미리 결정된 시퀀스에 따라 차례로 활성화될 때, 다른 요소와의 기생 또는 상호 결합이 없는 경우, 그들의 고유 이득 패턴에 따라 RF에너지를 송신 또는 수신할 것이다. 바람직한 실시 예에서, 안테나 요소(104)는, 비활성 일 때, 능동 안테나 요소와 실질적으로 공진하지 않거나 또는 공진이 되지 않도록 구성된다.
송신기(108)는 안테나 어레이(102) 및 프로세서(106)와 동작상 관련된다. 바람직한 실시 예에서, 송신기는 RF 캐리어(carrier) 생성기 및 PRN 코드 생성기를 포함하는 RF 증폭기/변조기(116)를 포함하고, 순차적으로 활성화된 안테나 요소(104)를 통해 송신하기 위한 PRN-인코딩된 신호를 생성하도록 구성된다. 수신기(110)는 마찬가지로 안테나 어레이(102) 및 프로세서(106)와 동작상 관련되고, 순차적으로 활성화된 요소(104)를 통해, 장치(100)의 환경에서 하나 이상의 물체(128)로부터 송신된 신호의 반사에 의해 형성된 복귀 신호를 수신하도록 구성된다. 수신된 신호는 전형적으로 RF 프론트 엔드(front end)(122)에서 중간 주파수(IF)로 다운컨버팅된 다음 수신기(110)의 하나 이상의 채널(124)에서 처리된다. 각 채널은 하나 이상의 상관기(132)를 가지며, 스프레드 스펙트럼 신호처리 기술에서 알려진 바와 같이, 상기 상관기는 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 PRN 코드의 내부적으로 생성된 복제본에 대하여 상기 수신된 신호를 상관시킨다.
장치(100)는 교차부(junction)(120)를 포함하며, 이것은 송신을 위해 RF에너지를 송신기(108)로부터 안테나 어레이(102)로 보내거나, 안테나 어레이(102)를 통해 수신된 신호를 수신기(110)로 보내줌으로써 송신 또는 수신 모드에서 동작할 수 있게 한다. 특정 실시 예에서 교차부(120)는 장치(100)가 동시에 신호를 송신 및 수신할 수 있게 하는 RF 서큘레이터 또는 180도 하이브리드 커플러와 같은 수동 소자를 포함한다. 다른 실시 예에서, 교차부(120)는 상기 장치를 송신 및 수신 모드 사이에서 전환하는 RF 스위치와 같은 능동 소자를 포함한다. 교차부(120)의 형태에 상관없이, 포트 격리는 일반적으로 불완전하기 때문에 송신기(108)로부터 수신기(110)로 누출되는 일반적으로 '누설' 또는 '피드스루(feedthrough)' 신호로 알려진 신호(134)를 발생 시킨다. 임피던스 부정합으로 인해 송신기에 의해 생성된 RF에너지의 추가 분율이스위치(112) 또는 안테나 요소(104)로부터 역반사되어 수신기에 도착한다.
누설 신호는 일반적으로 레이더 시스템에서 유해한 것으로 간주되고, 이러한 신호를 소거하기 위한 몇몇 방법은 예를 들어 미국 특허 제3,021,521호(Hutchins) 및 제6,801,153호에 기술되어 있다. 본질적으로 동일한 '자기 간섭' 문제가 전이중 무선 분야에서 해결된다(예컨대, Bharadia 등의 'Full duplex radios', Proc SIGCOMM'13, 2013년 8월 12-16일, 홍콩, pp. 375-386 참조). 그러나, 본 발명에서, 누설 신호는 환경 내 물체(128)로부터의 반사를 통해 획득된 송신된 신호의 복귀에 대해 구별을 위한 기준선 의사범위(pseudorange) 측정을 제공하기 위해 추적 루프에서 유리하게 추적된다. 이 누설 신호를 이하 '로컬(local)' 신호라고 한다.
환경을 특징짓기 위해, 장치(100)는 하나 이상의 방향으로 안테나 어레이(102)의 이득을 향상시킨다. 즉, RF에너지의 송신 또는 수신을 위해 하나 이상의 빔(126)을 형성하여, 물체(128)로부터 송신된 신호의 반사를 찾는다. 바람직한 실시 예에서, 빔을 형성하기 위해, 수신기(110)는, 후술하는 바와 같이 적절한 타이밍으로, 채널(124)에 상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소(104)를 통해 수신된 인커밍 신호에 대한 적절한 위상 또는 이득 조작 세트를 적용하도록 구성된다. 상기 조작된 신호 세그먼트는 그 다음에 통합 주기에 걸쳐 채널(124)의 하나 이상의 레지스터(누적기(accumulators)라고 함)에 누적되어 필요한 빔(126)을 형성한다. 일반적으로, 통합 주기는 미리 결정된 시퀀스의 하나 이상의 완전한 사이클에 대응할 것이며, 이것은 예를 들면 지속시간이 100㎲일 수 있다. 특히, 다수의 채널(124)에서 수신된 신호 세그먼트를 조작 및 누적함으로써 다수의 빔(126)이 동시에 형성될 수 있다.
그 내용이 본 명세서에 전체적으로 포함되는 미국 특허 제8,934,844호(Small)에 설명된 바와 같이, 수신된 신호 세그먼트의 위상 또는 이득은 수정된 스프레드 스펙트럼 상관 프로세스에서 편리하게 조작될 수 있다. 필요한 위상 또는 이득 조작은 하나 이상의 수신 채널(124)의 하나 이상의 상관기(132)에서 생성된 기준 신호, 바람직하게는 캐리어 기준 신호에 적용된 다음, 일반적인 상관 과정의 일부로서 신호 세그먼트가 기준 신호와 혼합될 때 상기 수신된 신호 세그먼트로 이전된다. 중요한 것은, 상기 조작된 신호 세그먼트들이 통합 주기에 걸쳐 일관성 있게 누적되어 빔을 형성할 수 있도록 상관 과정의 고유 일관성이 보장하는 것이다.
일반적으로, 주어진 안테나 어레이를 가지고 빔이 형성될 수있는 방향의 범위는 어레이 내의 요소들의 유형 및 배열에 의존한다. 예를 들어, 안테나 요소들(104)의 평면 어레이를 갖는 도 1에 도시된 안테나 어레이(102)는 안테나 요소들의 평면 위의 반구형 볼륨으로 빔을 형성할 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 안테나 어레이(102)는 3 차원 공간에서 실질적으로 임의의 방향으로 빔을 형성할 수 있으며, 특히 자율 주행 차에 대한 주요 관심사는 완전한 360°수평면이 주목된다. 이것은 예를 들어 구형 표면 상에 배열된 안테나 요소들의 어레이에 의해 달성될 수 있다. 하나의 특정 실시 예에서, 안테나 어레이(102)는 구형 표면 상에 배열된 80 개의 안테나 요소(104)를 포함하고, 각 요소는 100㎲의 미리 결정된 시퀀스로 1.25㎲ 주기 동안 한 번 활성화된다. 다른 실시 예에서, 어레이는 구형 표면 상에 배열된 60 개의 요소를 포함하고, 각 요소는 100㎲의 미리 결정된 시퀀스로 1.67㎲ 주기 동안 한 번 활성화된다.
빔들(126) 및 이들의 형성 과정은, 수신기가 로컬 안테나 어레이를 통해 수신된 외부 송신기로부터의 신호를 조작하여 이득 패턴에 영향을 미치기 위해 사용하는 US 8,934,844에 기술된 과정들과 구별되어야 한다. 또한, 빔(126) 및 이들의 형성 과정은, 수신기가 수신된 신호 세그먼트를 조작하여 원격의 물리적으로 분리된 '송신' 안테나 어레이와 로컬 '수신' 안테나 어레이에서의 이득 패턴에 영향을 미치기 위해 수신기가 사용하는 미국 특허 제9,640,865(Small)에에 기술된 '복합 빔(composite beam)'과 구별되어야 하며, 상기 문헌의 내용 전체는 본 명세서에 포함된다. 본 발명의 구별되는 특징은 장치(100)가 단일 안테나 어레이(102)를 사용하여 RF 신호를 송신 및 수신할 수 있고, 후속적으로 왕복 경로 정정을 포함하는 위상 또는 이득 조작을 수신된 인커밍 신호에 적용하여, 로컬 환경을 매핑 또는 특징짓기 위해, 근처의 물체(128)를 검출하기 위한 하나 이상의 빔(126)을 형성하는 능력이다. 이것은 장치(100)가 포지셔닝 네트워크에 근접할 필요없이 완전히 자율적인 동작 모드를 가능하게 한다는 추가 이점을 갖는다. 용어 "상호 빔"은 안테나 어레이를 통해 순수하게 RF에너지의 송신 또는 수신을 위해 형성된 빔과 구별하기 위해 본 발명의이 실시 예에서 생성된 빔(126)을 지칭하기 위해 사용된다.
도 2에 개략적으로 도시된 간단한 실시 예에서, 사용자 플랫폼(201)에 의해 보유되거나 그에 통합된 장치(200)는 복수의 개별 스위칭 가능한 안테나 요소(204)를 가진 구형 어레이 형태의 다수-요소 안테나 어레이(202)에서 단일 상호 빔(226)을 형성하도록 구성된다. 이 상호 빔은 통합 주기 내에 상기 순차적으로 활성화된 요소(204)를 통해 수신된 신호 세그먼트에 적용되는 위상 또는 이득 조작을 체계적으로 변화시킴으로써 필요한 감시 구역(236)을 통해 스위핑될 수 있다. 송신된 신호의 복귀를 검출함으로써 물체(228)의 존재가 추론될 수 있으며, 이 복귀 신호는 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 PRN 코드의 복제본에 대하여 수신된 인커밍 신호를 상관시킴으로써 다른 인커밍 신호와 구별된다. 예를 들어, 주어진 빔 방향에 물체의 존재는 무시할 수 없는 상관 파워의 출현으로부터 추론될 수 있다. 그 다음, 후술되는 바와 같이 누적된 신호의 추가 처리에 의해 추론된 물체까지의 범위(238)에 관련된 측정이 획득될 수 있다. 일반적으로 왕복 전파 지연이 측정되며, 이는 빛의 속도를 곱하고 2로 나누면 범위로 변환될 수 있다.
바람직한 실시 예에서, 상기 장치는 복수의 상호 빔을 동시에 형성하도록 구성된다. 도 3에 도시된 실시 예에서, 사용자 플랫폼(301)에 의해 보유되거나 그에 통합된 장치(300)는 복수의 개별적으로 스위칭 가능한 안테나 요소(304)를 갖는 구형 안테나 어레이(302)에서 3 개의 상호 빔(326A, 326B 및 326C)을 형성하기에 충분한 채널로 구성된다. 각각의 상호 빔은 예를 들어 물체(328)를 검출하기 위해 필요한 감시 구역(336)의 적절한 섹터를 통해 스위핑될 수 있다. 더 많은 수의 빔은 주어진 감시 구역(336)이 보다 신속하게 스캔될 수 있게 하며, 특정 실시 예에서 장치(300)는 충분한 수신 채널의 가용성 및 처리 능력에 따라 수십, 수백 또는 수천 개의 상호 빔을 동시에 형성하도록 구성된다. 특히 바람직한 실시 예에서, 형성된 빔의 수는 빔 스위핑 없이 필요한 감시 구역(336)의 완전한 커버리지를 제공하기에 충분하다. 예를 들어 더 많은 요소를 갖는 더 큰 안테나 어레이를 장치에 구비함으로써 더욱 조밀한 빔을 사용하면 일반적으로 각도 해상도를 향상시킬 것이다. 이 향상된 해상도는 감시 구역의 완전한 순간 커버리지를 위한 더 많은 빔을 통해 달성되며, 더 많은 수신 채널과 관련 프로세서 파워를 요구한다.
'상호 빔'의 개념을 설명하기 위해, 도 4는 RF 신호를 송수신하도록 구성된 구형 안테나 어레이(402)의 3 개의 선택된 안테나 요소(404A, 404B 및 404C)를 도시한다. 이 특정 예에서, 관심 방향(442)으로 요소들(404A, 404B) 사이의 거리(440)는 λ/8과 같고 여기서 λ는 신호 파장이다. 만일 격리된 '송신' 또는 '수신' 빔이 이 방향(442)으로 형성된다면, 요소(404A)를 통해 송신되거나 수신되는 신호에 비해 요소(404B)를 통해 송신 또는 수신되는 신호에 λ/8의 위상 지연을 적용하는 것으로 충분하다. 그러나, 수신된 신호 세그먼트는 송신 및 수신 모두에서 선택된 방향(442)의 이득을 향상시키기 위해 조작되어야 하기 때문에, 요소(404B)를 통해 수신된 신호에 λ/4(즉, λ/8 + λ/8)의 상대 위상 지연을 적용하는 것이 필요하다. 이해의 용이를 위해, 결과적인 지향성 이득 향상은 수신 빔과 결합된 송신 빔으로 생각될 수 있지만, 이것은 왕복 경로 정정이 단일 세트의 위상 또는 이득 조작에서 적용되는 상호 빔의 진정한 특성을 잘못 표현하는 것임을 강조한다.
상호 빔을 정확하게 형성하기 위해, 안테나 요소들이 활성화되는 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 수신된 신호 세그먼트에 위상 또는 이득 조작을 적용하는 것이 필요하다. 더욱 바람직하게는, 상기 위상 또는 이득 조작은 또한 복귀 신호의 예상 수신 주기와 실질적으로 동기되어 적용되며, 이는 물체에 대한 예상 범위의 고려를 필요로 한다. 도 4를 참조하여 설명하기 위해, 안테나 요소들(404A, 404B) 등이 순차적으로 활성화되기 때문에, 주어진 안테나 요소로부터 송신되고 물체로부터 반사된 신호 세그먼트는 적어도 부분적으로 다른 안테나 요소를 통해 수신될 것이다. 결과적으로, 신호가 송수신되는 안테나 요소들의 페어링(pairing), 따라서 위상 또는 이득 조작의 값 및 이들이 수신된 신호 세그먼트에 적용되어야 하는 타이밍은 검출되는 물체의 범위에 의존한다. 예를 들어, 안테나 요소들(404A, 404B, 404C 등)이 각각 1.25㎲ 동안 순차적으로 활성화되면 요소(404A)로부터 송신되고 188m 미만 떨어진 물체에서 반사된 신호가 요소(404A)에서 부분적으로 수신되고 요소(404B)에서 부분적으로 수신될 것이며, 왕복 거리는 상기 범위의 두 배이다. 유사하게, 신호가 188m 내지 375m 떨어진 물체로부터 반사되는 경우, 그것은 요소(404B, 404C)에서 수신될 것이며, 이런 식이다.
미리 결정된 시퀀스에서 안테나 요소 활성화 주기가 관심 범위에 대한 예상 왕복 전파 지연과 비교하여 긴 경우(예를 들어 ~ 200ns의 예상 지연과 비교하여 20㎲ 활성화 주기), 즉 약 30m 범위에서, 이 효과는 안전하게 무시할 수 있다. 복귀 신호는 송신된 안테나 요소를 통해 주로 수신되며, 위상 또는 이득 조작은 안테나 요소 활성화 시퀀스만 고려하여 계산되고 적용될 수 있다. 수신기는 요소 활성화 주기 및 관심 범위에 대한 지식에 기초하여 예상 복귀 신호 수신 시간을 고려할지 여부를 결정할 수 있다.
미리 결정된 안테나 요소 활성화 시퀀스 및 복귀 신호의 예상 범위-관련 지연과는 별도로, 적절한 위상 또는 이득 조작을 결정하기 위해 필요한 다른 요소는 안테나 어레이 이득이 향상되는 방향, 즉 필요한 빔 방향, 안테나 어레이(402)의 유형 및 방위, 및 어레이 내의 각 요소(404A, 404B) 등의 위치를 포함한다. 특정 실시 예에서, 주어진 방향으로 상호 빔을 형성하기 위해 필요한 위상 또는 이득 조작은 실시간으로 프로세서(106)에 의해 결정되는 반면, 다른 실시 예에서 프로세서는 데이터베이스(130)로부터 필요한 위상 또는 이득 조작을 검색한다. 상기 위상 또는 이득 조작은 또한 '위상 또는 이득 계수', '안테나 계수' 또는 '상호 빔 계수'라고도 한다.
바람직한 실시 예에서, 어레이(102)의 안테나 요소(104)로부터 송신되는 신호의 위상 또는 이득은 단일성(unity)으로 설정된다. 즉, 송신기에서 위상 또는 이득 조작이 적용되지 않는다. 대신에, 상호 빔을 형성하는데 필요한 모든 위상 또는 이득 조작은 수신된 복귀 신호에 적용된다. 완전성을 위해, 송신기(108)에서, 미리 결정된 안테나 요소 활성화 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 적절한 상호 위상 또는 이득 조작을 송신되는 신호 세그먼트들에 적용하고, 및 수신기(110)에서 수신 및 규칙적인 상관기 처리 후에 이들 세그먼트를 누적함으로써 상호 빔이 특정 방향으로 형성될 수 있음을 주목한다. 그러나 이러한 방식으로 상호 빔을 형성하는 장치(100)는 한번에 하나의 그러한 빔을 형성하는 것으로 제한되며, 이는 바람직하지 않은 제한이다. 수신기(110)가 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 적절한 위상 또는 이득 조작을 적용하여, 송신기(108)에 의해 적용된 조작을 '풀고'서 동시에 하나 이상의 방향으로 상호 빔을 형성하는 것이 가능할 것이다. 어쨌든, 송신되는 신호보다 수신된 신호에 위상 또는 이득 조작을 적용하는 것이 일반적으로 더 쉬우므로, 위상 또는 이득 조작이 수신된 신호에만 적용될 때 장치(100)의 설계는 상당히 단순화된다. 요컨대, 송신기에서 위상 또는 이득 조작을 적용함으로써 상호 빔을 형성하는 데 일반적으로 이점이 거의 없다.
전술한 바와 같이, 수신기(110)는 교차부(120)에서 생성된 신호의 누설(134)에 의해 내부적으로 획득된 '로컬' 신호를 수신하거나, 스위치(112) 또는 안테나 요소(104)로부터의 역반사, 또는 이들의 임의의 조합을 일반적으로 수신할 것이다. 바람직한 실시 예에서, 장치(100)는 수신기 채널(124)에 포함된 추적 루프에서 로컬 신호를 추적하고 이를 하나 이상의 물체(128)로부터의 복귀 신호와의 구별하기 위한 기준선 의사범위 측정으로서 사용한다. 도 5는 스프레드 스펙트럼 장치의 수신 채널에서 상관기의 출력을 개략적으로 도시하며, 로컬 신호와 관련된 상관 피크(544) 및 환경 내 물체로부터 반사된 복귀 신호와 관련된 상관 피크(546)를 보여주며, 각각의 상관 피크는 스프레드 스펙트럼 신호 처리 기술에서 공지된 바와 같은 관련 PRN 코드에서 2 개의 칩의 지속시간과 동일한 폭(548)을 갖는다. 물체까지의 범위와 관련된 측정치는 '복귀 신호'와 '로컬 신호' 상관 피크(546, 544) 사이의 분리(550)로부터 얻을 수 있다. 로컬 신호의 추적, 즉 로컬 신호에 위상-잠금 루프 또는 지연-잠금 루프와 같은 추적 루프를 형성하는 것은 로컬 신호가 실질적으로 상쇄되더라도 일반적으로 가능한데, 이는 스프레드 스펙트럼 기술이 쉽게 약한 신호를 추적할 수 있기 때문이다. 예를 들어 움직이는 자율 주행 차량 부근의 물체로부터 예상되는 다수의 급격히 변하는 반사는 일반적으로 추적하기 어려울 것이지만, 일반적으로 이러한 신호를 추적하는 것이 필요하지 않으며 바람직한 실시 예에서는 그렇게 하는 시도가 이루어지지 않는다. 반면에 로컬 신호는 본질적으로 일정하므로 추적하기가 비교적 쉽다. 범위 측정을 위한 견고한 '기준선'을 제공할뿐만 아니라, 주변 물체로부터의 반사와 관련된 측정치와 로컬 신호 간의 구분 절차는 장치에서 소위 '공통 모드' 오류의 많은 근원을 제거할 것이다. 예를 들어 복귀 및 로컬 신호가 모두 전파되는 소자들에서 열 또는 전압 변동으로 인한 드리프트로 인해 야기된 오류를 제거하여, 왕복 전파 지연을 측정하는 기존의 방법에 비해 개선된 범위 추정치를 제공할 것이다.
연속파 실시 예
도 1을 참조하면, 특정 실시 예에서 교차부(120)는 RF 서큘 레이터와 같은 수동 소자를 포함하며, 이것은 장치(100)가 동시에 신호를 송신 및 수신할 수 있게 한다. 로컬 신호는 수신기 채널(124)에서 추적되고 복귀 신호는 동일한 채널에서 또는 상기 로컬 신호 채널에 '종속된(slaved)' 하나 이상의 다른 채널에서 처리될 수 있다.
특정 실시 예에서, 로컬 및 복귀 신호는, 로컬 신호 추적 채널에 다수의 추가 탭(tap)을 제공함으로써 동일한 채널에서 처리된다. 각각의 추가 탭은 하나 이상의 상관기를 가지며, 각 상관기에서, 수신된 신호는 그 채널에 대한 공통 캐리어 수치 제어 발진기(NCO)로부터의 캐리어 기준 신호와 혼합되고, 그 채널에 대한 공통 코드 NCO로부터 클록된 PRN 코드 복제본의 지연된 사본과 혼합된다. 도 6은 송신된 신호에 적용된 PRN 코드의 하나의 칩에 대응하는 간격들(654)로 표시된 시간/거리 선(652)상의 이 채널로부터의 상관기 출력을 개략적으로 도시한다. 예를 들어, PRN 코드가 100 ns 칩 주기를 갖는 경우, 표시된 간격(654)은 30 m의 왕복 거리에 대응할 것이다. 시간/거리 선(652)은 로컬 신호를 추적함으로써 얻은 1/2 칩 이격(half chip spacing)으로 이른(early), 정각(prompt) 및 늦은(late) 상관 값(656 , 658 및 660)을 도시한다. 범위 결정을 위해 기준선 측정치 또는 영점(zero point)(662)으로 간주될 수 있는 정각 상관 값(658)을 중심으로 두 칩 폭의 '로컬 신호' 상관 피크(644)가 추적될 수 있다. 순차적으로 활성화된 안테나 요소를 통해 수신된 신호는, 이 예에서, 1/2 칩 이격상에 제공된 다수의 추가 탭(664)에서 PRN 코드 복제본의 점진적으로 지연된 사본 및 캐리어 기준 신호와 혼합된다. 전술한 바와 같이, 위상 또는 이득 조작은 수신된 신호 세그먼트에 적용되어 원하는 방향으로 상호 빔을 형성한다. 수신된 신호가 송신된 신호의 복귀이고, PRN 코드 복제본의 사본이 신호의 실제 도착 시간에 시간상 충분히 근접하여, 통상적으로 하나의 칩 내에서, 적용되는 경우, 무시할 수 없는 상관 값이 발생한다. 도시된 예에서 무시할 수 없는 상관 값(666)은 4 개의 탭의 그룹(668)에 대해 검출되고, 보간으로 영점(662)으로부터 약 4.3 코드 칩 떨어진 위치(670)에서 최대 상관 값을 갖는 상관 피크(646)를 초래한다. 100ns 칩의 경우, 이 분리(650)는 430ns의 왕복 지연에 대응하며, 왕복 거리는 129m에 해당한다. 따라서, 상기 장치는 현재 형성된 상호 빔에 대응하는 방향으로 64.5m 떨어진 물체의 존재를 추론한다. 수신된 신호의 유사한 처리는 하나 이상의 다른 채널에서 병렬로 발생할 수 있으며, 다른 방향에서 물체를 검출하기 위해 상이한 위상 또는 이득 조작을 적용하여 상기 다른 방향으로 상호 빔을 형성할 수 있다. 동일한 시선 방향에서 다른 범위에 있는 여러 물체로부터의 반사를 일반적으로 검출할 수 있지만, 동적 범위와 범위 분해능의 제한이 있다. 범위 분해능은 일반적으로 신호에 부과된 PRN 코드의 대역폭, 즉 칩핑 속도(chipping rate) 또는 칩 지속시간에 의해 결정된다. 예를 들어 칩 지속시간이 100ns 또는 20ns인 PRN 코드는 각각 ~ 15m 또는 ~ 3m의 범위 분해능을 각각 제공할 것이다.
필요한 탭(664)의 개수는 최대 관심 범위에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 100 ns 칩을 가진 1/2 칩 이격의 40 탭은 최대 300 m 거리(왕복 거리 600 m)의 물체를 감지할 수 있다. 도 6에 도시된 탭(664)의 1/2 칩 이격은 순전히 임의적이며 요구에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 더 가까운 이격은 더 큰 상관기 분해능을 제공할 것이고, 다른 예에서, 수신 채널은, 100ns 칩에 대해 300m까지 물체를 검출할 수 있게 하는 1/10 칩 이격으로 200 개의 탭을 가진다. 요구되는 정확도 및 탭 이격에 따라, 탭 그룹 내의 보간보다는 최대 상관 값을 가진 탭의 위치로부터 범위 추정이 얻어질 수 있다.
간략화를 위해, 빔 형성을 위한 위상 또는 이득 조작의 타이밍은 도 6에 도시된 단일 채널 실시 예에서 고려되지 않았다. 도 7은 보다 바람직한 접근법을 도시하는데, 채널 1로 표시된 하나의 수신 채널이 로컬 신호를 추적하는데 전용되고, 적은 수의 탭(764)을 갖는 다수의 추가 채널들이 복귀 신호를 검출하기 위해 채널 1로부터 종속된다. 각각의 종속 채널에서, 채널 1과 동일한 PRN 코드 복제본, 캐리어 NCO 및 코드 NCO 값이 채널 1과 주파수 및 위상 일관성을 유지하기 위해 적용되며, 각 탭(764)에서 연속적인 PRN 코드 복제본 지연이 추가된다. 도시된 예는 채널 2 내지 6으로 표시된 5 개의 종속 채널을 나타내고, 각각은 1/2 칩 이격으로 3 개의 탭(764)을 갖고 탭 그룹들 사이에 1.5 칩의 시간 오프셋(772)을 갖는다. 위상 또는 이득 조작은 원하는 방향으로 상호 빔을 형성하기 위해 채널 2 내지 6의 수신된 신호 세그먼트에 적용된다. 일반적으로, 채널 1은 안테나 요소를 통해 수신되지 않은 로컬 신호 전용이므로, 이 채널에 빔 형성 조작을 적용할 필요가 없다. 수신된 신호의 유사한 처리는, 다른 방향으로 상호 빔을 형성하기 위한 상이한 위상 또는 이득 조작과 함께, 하나 또는 다른 종속 채널 그룹에서 병렬로 발생할 수 있다.
채널 1 내지 6의 상관기 출력은 송신된 신호를 인코딩하는 데 사용된 PRN 코드의 한 칩에 해당하는 간격(754)으로 표시된 시간/거리 선(752-1, 752-2, 752-3, 752-4, 752-5, 752-6)에 표시된다. 도 6에 도시된 경우와 유사하게, 채널 1의 이른, 정각 및 늦은 상관 값(756, 758, 760)으로부터 계산된 '로컬 신호' 상관 피크(744)는 영점(762)의 형태로 기준선 측정치를 결정할 수 있게 하며, 채널 3 및 4에서 계산된 무시할 수 없는 상관 값(766)의 보간은 영점(762)으로부터 대략 4.3 칩만큼 지연된 지점(770)에서 최대 상관 값을 갖는 상관 피크(746)의 결정을 가능하게 한다. 100ns 칩의 경우, 이는 왕복 거리 129m에 해당한다. 전체적으로, 도 7에 도된 5 개의 종속 채널은 최대 약 8 개의 칩, 즉 왕복 거리 240m의 지연을 커버할 수 있다. 더 큰 지연으로 추가 종속 채널을 할당하거나 종속 채널당 탭 수(764)와 채널 간 시간 오프셋(772)을 증가시킴으로써 상기 범위가 확장될 수도 있다.
주어진 빔 방향에 할당된 종속 채널 수와 각 종속 채널 내 탭의 수 및 이격에 상당한 유연성이 있다. 예를 들어, 도 7의 5 개의 종속 채널은 1/2 칩 이격으로 16 개의 탭을 가진 단일 종속 채널로 대체될 수 있다. 그러나, 도 7에 도시된 보다 분산된 접근 방식의 이점은, 최적의 빔 형성을 위해 적절한 시간에 위상 또는 이득 조작의 적용을 용이하게 한다는 것이다. 전술한 바와 같이, 신호가 송수신되는 안테나 요소들의 페어링과, 그에 따라 최적의 빔 형성을 위해 수신된 신호 세그먼트에 적용되어야 하는 위상 또는 이득 조작은 관심 범위에 의존한다. 각각의 종속 채널은 주어진 코드 지연 그룹, 즉 물체까지의 범위와 관련되어 있기 때문에, 통합 주기 동안 예상되는 안테나 요소 페어링에 따라 상이한 위상 또는 이득 조작 세트가 적용될 수 있다. 예를 들어 도 4를 참조하면, 각각의 요소(404A, 404B) 등이 1㎲ 동안 활성화되는 안테나 요소 활성화 시퀀스를 가정할 것이다. 채널 2의 탭 그룹(764)은 150ns의 지연으로 클러스터링되므로, 복귀 신호의 ~ 85 %가 송신된 동일한 요소, 예를 들어 요소(404A)를 통해 수신되고, 나머지 ~ 15 %는 활성화 시퀀스에서 후속 요소, 예를 들어 요소(404B)를 통해 수신될 수 있다. 반면에 채널 6의 탭 그룹(764)은 약 750ns의 지연으로 클러스터링되므로, 복귀 신호의 ~ 25 %는 송신된 동일한 요소를 통해 수신되고, 75 %는 후속 요소를 통해 수신한다. 각각의 종속 채널의 통합 주기 동안 적용된 위상 또는 이득 조작은 안테나 요소 활성화 시퀀스 및 대응하는 범위/지연에서 물체로부터 반사된 신호의 예상 수신 주기에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 요소 쌍들(404A-404A, 404A-404B, 404B-404B, 404B-404C) 등에 대해 적절한 시간에 상이한 위상 또는 이득 조작이 적용될 수 있다. 즉, 각 통합 주기는 다수의 부분-통합 주기들로 나뉘며, 이것들은 복귀 신호의 예상 수신 주기와 안테나 요소들의 활성화주기의 중첩에 의해 결정된다.
대안적인 실시 예에서, 상이한 위상 또는 이득 조작 세트가 탭 그룹(764)보다는 채널의 개별 탭들에 적용된다. 이 접근법은 도 6에 도시된 실시 예에서 사용될 수 있으며, 여기서 탭(664)은 모두 여러 채널에 분산되지 않고 단일 채널에 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 예시적인 실시 예 외에, 탭 및 채널의 많은 다른 그룹화가 가능하다. 예를 들어, 특정 범위 윈도우(range window), 예를 들어 50 내지 100m 내의 물체에 대해서만 정보가 요구되는 경우, 다수의 채널이 할당될 수 있으며, 각 채널은 그 윈도우를 커버하기에 충분한 탭을 갖지만 여러 방향으로 상호 빔을 형성하기 위해 다른 위상 또는 이득 조작이 적용된다. 다른 예에서, 2 개 이상의 채널의 탭들은 인터리빙될 수 있으며, 예를 들어 범위 결정의 정밀도를 증가시키기 위해 1/2 칩 이격 대신 1/4 칩 이격으로 탭을 제공할 수 있다. 또 다른 예에서, 특정 방향으로 물체의 존재를 추론한 장치는, 약간 다른 방향으로 상호 빔을 형성하기 위해 예를 들어 물체를 감시하거나 방향 결정을 개선하기 위해 선택된 위상 또는 이득 조작을 갖는 추가 채널을 할당할 수 있다. 가변 파라미터, 예를 들어 빔 방향 및 탭의 수 및 이격을 갖는 다수의 채널을 동적으로 할당하는 능력은 본 발명의 장치 및 방법의 중요한 이점이다.
장치(100)가 동시에 신호를 송신 및 수신하도록 구성 는 전술한 실시 예에서, 수신기(110)는 로컬 신호가 존재하는 경우 복귀 신호를 검출하는 데 어려움을 겪을 수 있다. 교차부(120)를 형성하는 RF 서큘레이터 또는 유사한 장치의 포트 격리 및 스위치(112) 및 안테나 요소(104)에서의 임피던스 부정합에 따라, 로컬 신호는 방출되는 신호보다 강도가 20 또는 30dB 낮을 수 있고 범위와 반사도에 따라 물체의 복귀 신호보다 상당히 강할 수 있다. 또한, 전형적인 PRN 코드 동적 범위는 실제로 약 20dB로 제한되어, 자체 유도된 '근거리/원거리 문제(near-far problem)'가 발생한다. 로컬 신호는 또한, 각각의 상관 피크의 오버랩으로 인해, 1.5 칩 미만에 대응하는 왕복 거리, 즉 한 칩의 3/4 미만에 대응하는 범위에서 장치로부터 분리된 물체의 검출과 간섭할 수 있다. 예를 들어, PRN 코드가 100ns의 칩주기를 가진 경우 로컬 신호는 22.5m보다 가까운 물체과 간섭할 수 있다. 치핑 속도가 빠를수록 피크 중첩이 시작되는 범위가 줄어들며, 20ns 칩은 4.5m로 줄어든다.
로컬 신호로부터의 자기간섭을 완화시키기 위해, 상기 장치는 전술한 바와 같이 당 업계에 알려진 하나 이상의 소거 기술을 사용하여 로컬 신호를 소거하도록 구성될 수 있다. 하드웨어의 비용이 추가되지만, 예를 들면 최대 110 dB의 자기간섭 소거가 바라디아(Bharadia)등에 의해 보고되었다. 이상적으로는, 로컬 신호는, 그 수신 파워가 반사와 관련하여 수신된 파워보다 약하지만 여전히 강력한 로컬 추적을 위해 충분한 강도를 유지하는 정도까지 소거되어야 한다.
펄스 실시 예
바람직한 실시 예에서, 로컬 신호로부터의 자기간섭은 신호가 안테나 어레이(102)를 통해 순차적으로 송신 및 수신되는 인터리빙된 '송신' 및 '수신' 주기 또는 윈도우를 갖는 펄스 모드에서 상기 장치를 동작시킴으로써 완화된다. 이들 실시 예에서, 교차부(120)는 예를 들어 송신기(108) 또는 수신기(110)를 안테나 어레이에 선택적으로 연결하는 RF 스위치를 포함할 수 있다. 송신 윈도우 동안, 수신기(110)는 로컬 신호를 누적하는 한편, 수신 윈도우 동안, 수신기는 수신된 신호 세그먼트에 적용되는 위상 또는 이득 조작에 의해 결정된 하나 이상의 방향에서 물체(128)로부터의 복귀을 찾는 인커밍 신호를 누적한다.
송신 윈도우 동안 인커밍 신호를 누적하지 않으면 로컬 신호의 간섭이 크게 줄어든다. 이상적으로, 송신기(108)는 수신 윈도우 동안 완전히 스위치 오프된다. 그러나 실제로 PRN 코드 생성기의 디지털 전자 장치는 일반적으로 예를 들어 10 ns 이상의 고속으로 어려움 없이 온 오프 스위치될 수 있지만, 전력 증폭기와 같은 덜 민첩한 송신기 구성 요소는 계속 켜져 있어야 하며, 수신 윈도우 동안 낮은 수준의 노이즈 소스를 나타낸다. 이 노이즈 소스는 신중한 회로 설계 및 제조로 개선될 수 있다. 바람직하게는, 수신기(110)는 수신된 입력의 이득이 수신과 송신 윈도우 사이에서 신속하게 조정될 수 있게 하는 어떤 형태의 수동 이득 제어를 포함한다. 송신 및 수신 윈도우 지속기간은 범위 요건에 따라 선택될 수 있으며, 바람직하게는 PRN 코드의 치핑 속도보다 빠르지 않게 교대되며, 펄싱 시퀀스는 아래 설명된 바와 같이 사각 지대를 개선하도록 변화된다. 안테나 요소 활성화 시퀀스는 송신/수신 펄싱 시퀀스와 무관하므로, 수신기(110)는 여전히 상호 빔(126)을 형성할 수 있다.
송신 윈도우 동안 수신기는, 도 7에 도시된 것과 같이, 범위 결정을 위한 기준선 측정치 또는 영점(762) 역할을 하는 상관 피크(744)를 제공하기 위해 채널에서 로컬 신호를 추적하고 누적한다. 송신기의 펄싱은 감소된 코드 듀티 사이클로 인한 수신된 상관 파워를 감소시키는 것 외에 로컬 신호의 추적에 거의 영향을 미치지 않으며, 로컬 신호 추적 채널은 PRN 코드의 대체 칩 또는 칩 그룹에 상관된다. 이전과 같이, 복귀 신호의 검출을 위해, 수신기는, 하나 이상의 다른 채널에서, 적절한 이격 및 코드 지연으로 다수의 추가 탭(764)을 영점(762)으로부터 필요한 최대 범위에 할당한다. 추가 탭(764)은 PRN 인코딩된 복귀 신호의 대체 칩 또는 칩 그룹에 상관시킴으로써, 로컬 신호 추적 채널과 유사한 방식으로 물체로부터의 복귀를 검출한다.
인커밍 신호는 수신 윈도우 동안에만 누적되므로, 임의의 주어진 송신 및 수신 윈도우 시퀀스에 대해 물체를 검출하는 능력에 범위-종속적인 영향이 있다. 예를 들어, 각 100ns 지속시간의 송신 및 수신 윈도우를 가진 펄싱 방식은 15, 45, 75m 등(100, 300, 500ns 등의 왕복 지연에 해당)의 범위에서 물체를 검출하는 데 최적이며, 이는 있을 수 있는 모든 복귀 신호가 수신 윈도우 전체에 걸쳐 검출될 것이기 때문이다. 복귀 신호와 수신 윈도우 사이의 중첩은 이들 최적 범위의 양쪽을 감소시켜, 30, 60, 90m 등의 범위에서 물체로부터의 복귀에 대해 0이 되므로, 이들 범위 주변에 사각 지대를 생성한다. 이 효과는 사각 지대를 이동시키기 위해 펄싱 방식을 변경함으로써 개선될 수 있다. 예를 들어, 200 ns 송신 및 수신 윈도우의 경우 최적 범위는 30, 90, 150 m 등이며 사각 지대는 약 60, 120, 180 m 등이다. 100 ns 송신 윈도우 및 200 ns 수신 윈도우를 가진 펄싱 방식은 45, 90, 135 m 등의 사각 지대를 가질 것이다. 일반적으로, 수신 윈도우가 송신 윈도우보다 길면 사각 지대가 더 희박하지만, 전체적인 송신 파워와 그에 따른 희미한 반사를 검출하는 능력은 낮은 듀티에 의해 감소될 것이다. 예를 들어 의사난수 패턴과 같이 펄싱 방식을 변경할 수있는 많은 가능성이 분명히 있다.
바람직한 실시 예에서, 장치(100)는 또한, 추가 기능으로서 위치-속도-시간(PVT) 솔루션을 결정하기 위해 포지셔닝 네트워크로부터 포지셔닝 신호를 수신 및 처리하도록 구성된다. 포지셔닝 신호는 예를 들어 미국 특허 제7,616,682호(Small)에 기술된 바와 같은 소위 '포지셔닝-유닛 장치들'의 네트워크에 의해 제공될 수 있다. 상기 듀얼 기능은 시분할 단위로 편리하게 활성화될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(106)는 1ms 시퀀스에서 10 개의 100 ㎲ 시간 슬롯을 갖도록 프로그래밍될 수 있으며, 9 개의 슬롯은 위치 결정에 및 하나는 환경의 특성 결정에 할당한다. 다소 빈번한 환경 '스냅샷(snapshots)'이 필요한 경우 다른 시간공유 방식도 가능하다. 예를 들어 어떤 상황에서는 사용자 플랫폼의 환경을 100 ms마다 한 번 이상, 즉 10Hz 이하의 업데이트 속도로 특성 결정하는 것으로 충분할 수 있다.
수동적 실시 예
본 발명의 특정 다른 양태는 장치가 환경을 특징짓기 위해 하나 이상의 외부 송신기로부터의 신호를 이용하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 넓은 관점에서, 이들 양태에서 설명될 장치 및 방법은 US 8,934,844 및 US 9,640,865에 기술된 것과 유사한 빔 형성 기술을 이용한다. 그러나, 다중 경로를 완화시키기 위해 송신기 또는 수신기를 향하는 빔을 형성하는 대신에 또는 그에 부가하여, 환경 내의 물체로부터 반사를 찾기 위해 빔이 다른 방향으로 형성된다. 요컨대, 다중 경로가 완화되기보다는 이용되고 있다.
로컬 빔 형성을 이용한 수동적 실시 예
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 관련된 사용자 플랫폼(801)의 환경을 특징짓기 위한 장치(800)를 개략적인 형태로 도시한다. 상기 장치는 외부 송신기(805)로부터 스프레드 스펙트럼 신호(803)를 수신하기 위한 복수의 공간적으로 분산된 안테나 요소(804)를 갖는 구형 어레이 형태의 안테나 어레이(802) 및 수신기(810)를 포함한다. 외부 송신기(805)는 전방향성 안테나와 같은 종래의 고정 안테나(807)를 구비한다. 수신기(810)와 동작상 연관된 프로세서(806)는 스위칭 네트워크(818)를 통해 미리 결정된 시퀀스로 안테나 요소(804)를 활성화시킨다. 순차적으로 활성화된 안테나 요소(804)를 통해, 예를 들어 직접 경로(809) 또는 간접 경로(811)를 통해 수신된 RF 신호는 하나 이상의 수신 채널(824)에서의 처리를 위해 RF 프론트 엔드(822)에서 다운컨버팅된다.
하나 이상의 방향에서 안테나 어레이(802)의 이득을 향상시키기 위해, 즉 하나 이상의 방향을 가리키는 '수신' 빔(813 또는 813-A)을 형성하기 위해, 수신기(810)는, 하나 이상의 채널들(824)의 하나 이상의 상관기(832)에 미리 결정된 안테나 요소 활성화 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 위상 또는 이득 조작의 하나 이상의 세트를 순차적으로 활성화된 안테나 요소들(804)을 통해 수신된 인커밍 신호 세그먼트들에 적용하도록 구성된다. 그 다음에, 상기 조작된 신호 세그먼트는 통합 주기에 걸쳐 하나 이상의 채널(824)에서 하나 이상의 레지스터(누적기라고 함)에 누적되어 필요한 수신 빔(들)을 형성한다. 장치(800)는 송신기(805)로부터 반사된 신호의 관련 빔(813)에서의 검출에 기초하여 특정 방향에서 물체(828)의 존재를 추론한다. 상기 통합 주기는 일반적으로 미리 결정된 안테나 요소 활성화 시퀀스의 하나 이상의 완전한 사이클에 대응한다. RF에너지가 동일한 안테나 어레이를 통해 송신 및 수신되는 도 1 내지 도 4를 참조하여 논의된 '상호' 빔의 경우와 달리, 이 경우에 안테나 어레이(802)는 RF 에너지를 수신하기 위해서만 사용된다. 결과적으로, 주어진 방향으로 빔(813 또는 813-A)을 형성하기 위해 적용될 위상 또는 이득 조작은 인커밍 신호에 대해서만 결정될 필요가 있다. 필요한 위상 또는 이득 조작은 프로세서(806)에 의해 실시간으로 계산되거나 데이터베이스(830)로부터 검색될 수 있다.
장치(800)가 하나 이상의 외부 송신기(805)로부터의 신호를 사용하여 관련 사용자 플랫폼(801)의 환경을 어떻게 특징지을 수 있는지를 설명하기 위해, 시스템의 구조가 도 9에 도시되어 있다. 추론된 물체까지의 범위와 관련된 하나 이상의 측정치를 얻기 위해, 장치(900)는 외부 송신기(905)의 위치, 자신의 위치 및 외부 송신기에 대한 안테나 어레이(902) 방위(orientation)(α)에 대한 지식을 일반적으로 요구한다. 장치(900)가 예를 들어 선험적 지식으로부터 또는 송신된 신호에 인코팅된 정보로부터 송신기(905)의 위치를 결정하는 것을 일반적으로 간단하다. 장치(900)가 자신의 위치와 안테나 어레이(902) 방위(α)를 결정할 수 있는 몇 가지 수단이 있다. 예를 들어, 관련 사용자 플랫폼(901)이 정적인 경우, 장치는 이 정보를 선험적으로 알 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 송신기(905)는, 장치(900)가 PVT 솔루션을 계산할 수 있게 하는 지상 포지셔닝 네트워크를 형성하는 알려진 위치에 있는 그러한 송신기들 중 하나이다. 또한, 장치가 도 8에 도시된 직접 경로 빔(813-A)과 같은 송신기를 추적하기 위해 빔을 형성하고 있다면, 주어진 송신기(905)에 대한 안테나 어레이(902)의 방위(α)도 알 것이다. 또 다른 예에서, 장치(900)는 다른 수단, 예를 들어 GPS 신호로부터 자신의 위치, 및 직접 경로 빔(813-A)을 형성함으로써 그 안테나 어레이(902)의 방위(α)를 결정할 수 있다. 상기 장치는 일반적으로 가장 짧은 의사범위와 관련된 신호 방향을 결정하기 위해 빔 공간 탐색을 수행함으로써 주어진 송신기(905)에 대한 직접 경로 빔을 형성할 수 있다. 비록 의사범위는, 수신기의 클록이, 예를 들어 PVT 솔루션의 결과로서, 송신기(905)의 클록과 정렬되거나 적어도 공지된 오프셋을 가진다면, 실제 범위로 변환될 수 있지만, 가장 짧은 의사범위를 가진 직접 경로가, 폐색이 없는 경우, 직접 경로에 해당한다.
관련 사용자 플랫폼(901)의 환경을 특징짓기 위해, 장치(900)는, 예를 들어 적은 수의 빔을 형성하거나 스위핑함으로써 또는 스위핑 없이 전체 관심 영역을 감시하기 위해 동시에 충분한 수의 빔을 형성함으로써 외부 송신기(905)로부터 PRN-인코딩된 신호를 찾는 빔 공간 탐색을 수행하여, 송신기(905)로부터의 PRN-인코딩된 신호가 수신되는 방향을 결정한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 장치(900)는, 아마도 미지의 범위(938)에 있는 물체(928)로부터 송신된 신호(803)의 반사를 통해 도착하는 것으로 추정되는, 방위(bearing)(β)를 갖는 방향으로부터 무시할 수 없는 또는 임계 이상의 신호(911)를 발견한다. 만일 장치(900)가 이 간접 경로 신호(911)에 대한 경로 길이(917)를 측정할 수 있다면, 이 정보를, 소위 바이스태틱(bistatic) 범위 타원(921)을 결정하기 위해 송신기(905)까지의 범위(919) 및 안테나 어레이(902)의 방위(α)와 함께 사용할 수 있다. 장치(900)는 전형적으로 자신의 위치 및 송신기 위치의 지식으로부터 송신기까지의 범위(919)를 결정할 수 있다. 그러면 타원(921)과 방위(β)의 교차는 상기 장치가 물체(928)까지의 범위(938)를 추정할 수 있게 한다. 송신기(905)에 대한 안테나 어레이(902)의 방위, 즉 각도(α)에 대한 지식은 범위 추정에 중요하다. 만일 예를 들어, 점선(923)으로 도시된 바와 같이 안테나 어레이(902)가 반시계 방향으로 90도 배향된 경우, 방위(β)와 바이스태틱 범위 타원(921)과의 교차(925)는 상당히 다른 범위(927)를 나타낼 것이다.
완전성을 위해, 상기 분석은 또한 외부 송신기(905)로부터 물체(928)까지의 범위(949)를 제공할 것이며, 이는 일부 상황에서 관심이 있을 수 있음을 주목한다.
간접 신호 경로 길이(917)를 측정하기 위한 다양한 방법이 이제 설명될 것이다. 만일 수신기가 전용 추적 채널에서 획득하고 추적하는데 간접 경로 신호(911)가 충분히 안정적이라면, 예를 들어, 사용자 플랫폼(901) 및 물체(928)가 정지되거나 충분히 느린 이동의 경우, 수신기는 간접 경로 신호(911)에 대한 의사범위 측정을 수행할 수 있을 것이다. 만일 수신기와 외부 송신기(905)의 클록 사이의 오프셋이, 예를 들어 이전에 계산된 PVT 솔루션에 의해 알려진 경우, 측정된 의사범위는, 클록 오프셋에 대한 보정 후, 실제의 간접 신호 경로 길이(917)에 대응할 것이다. 반면에, 만일 클록 오프셋이 알려지지 않은 경우, 수신기는 경로 길이 차이에 대한 정확한 측정치를 얻기 위해 간접 및 직접 경로 신호(911 , 909)에 대해 측정된 의사범위를 구별함으로써 클록 오프셋을 제거할 수 있다.
바람직한 실시 예에서, 수신기는 추적 루프로 간접 경로 신호(911)를 추적 하려고 시도하지 않는다. 대신에, 수신기는 제1 채널 내의 추적 루프에서 직접 경로 신호(909)를 추적하고, 도 7을 참조하여 전술한 상황과 유사하게, 하나 이상의 종속 채널에서 점증하는 PRN 코드 지연으로 일련의 탭들을 사용하여 간접 경로 신호를 검출한다. 도 10에 도시된 하나의 특정 예에서, 수신기는 제1 채널(1029)을 직접 경로 신호(909)에 전용하고, 제2 종속 채널(1031)을 간접 경로 신호(911)에 전용하며, 각 채널은 하나의 칩 간격들(1054)로 표시된 시간-거리 선에 의해 표현된다. 각 채널에서, 수신된 신호는 적절하게 위상 또는 이득 수정된 캐리어 기준 신호와 혼합되어 적절한 빔(813-A 또는 813)을 형성하고, 복수의 적절히 지연된 PRN 코드 복제본과 혼합된다. 도 10에 도시된 실시 예에서, 제1 채널(1029)은 이른, 정각 및 늦은 상관 값(1056, 1058, 1060)에 기초하여 '직접 경로 신호' 상관 피크(3333)를 결정하기 위해 1/2 칩 이격으로 3 개의 탭(1064)의 그룹을 갖는다. 이 피크의 결정된 위치(1062)는, '상호 빔' 양태에서 로컬 신호에 의해 제공된 '영점' 측정과 유사하게, 직접 경로 신호(909)에 대한 도착 시간을 제공한다. 종속 채널(1031)은 1/2 칩 이격으로 일련의 탭들(1064)을 가지며, 여기서 적절하게 수정된 캐리어 기준 신호 및 점증적으로 지연된 PRN 코드 복제본이 수신된 신호와 혼합된다. 이 특정 예에서 4 개의 탭들의 그룹에 대해 유의미한 상관 값이 측정되며, 간단한 보간의 결과로서 '직접 경로 신호'피크(1033)의 위치(1062)로부터 약 5.75 코드 칩 떨어진 위치(1070)에서 최대 상관 값을 갖는 '간접 경로 신호' 상관 피크(1035)를 생성한다. 이것은 간접 및 직접 경로 신호(911, 909)의 도착 시간 사이의 차이를 결정하며, 이 차이는, 100ns 칩의 경우, 간접 및 직접 신호 경로(911, 909) 사이에 172.5m의 경로 길이 차이에 대응한다. 대안으로, 한 그룹의 탭들 내의 보간으로부터보다는 가장 큰 상관 값을 갖는 탭의 위치로부터 범위와 관련된 측정 값이 얻어질 수 있다. 종속 채널(1031)에서 의 탭(1064)의 수 및 이들의 이격은 예상되는 최대 경로 길이 차이 및 상관기 분해능에 따라 선택될 수 있다.
그러나 다중 반사로 인해 모호성이 발생할 가능성이 남아 있다. 설명하기 위해, 도 11은 이중 반사 경로의 가능성을 고려하여 도 8의 시스템의 형상을 다시 보여준다. 송신기(1105)로부터 송신되고 장치(1100)에 의해 수신된 신호가 단일 반사 경로(1111)를 따라 전파되었다고 가정되면, 각도(α, β), 송신기 범위(1119) 및 간접 신호 경로 길이(1117)의 지식 또는 송신기 범위와의 차이는 길이(1137)를 결정하기에 충분하다. 장치(1100)는 이 길이를 추론된 물체(1128)까지의 범위의 추정치로서 해석할 것이다. 그러나, 예를 들면, 신호가 제2 물체(1145)를 통해 단일 반사 경로(1111)와 동일한 길이의 이중 반사 경로(1143)를 따라 이동한 경우, 물체는 더 작은 범위(1141)를 갖는 위치(1139)에 있을 수 있다. 일반적으로, 장치가 물체 범위를 정확하게 결정하는 가능성은 추가 송신기로부터의 신호를 사용하여 후보 위치들을 교차 점검하는 경우 개선될 것이다. 장치(1100)의 수신기는 물론 상이한 PRN 코드로 인해 상이한 송신기로부터의 신호를 구별할 수 있을 것이다. 다른 방향에서 물체로부터 반사된 신호를 찾기 위한 추가 빔의 형성은 또한 범위 추정의 정확도를 향상시키는 데 도움이 될 것이다.
원격 빔 형성을 이용한 수동적 실시 예
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 사용자 플랫폼(1201)의 환경을 특징 짓기 위한 장치(1200)를 개략적인 형태로 도시한다. 도시된 실시 예에서, 상기 장치는 복수의 공간적으로 분산된 안테나 요소(1204)를 갖는 구형 안테나 어레이(1202) 가 장착된 외부 송신기(1205)로부터 스프레드 스펙트럼 신호를 수신하기 위한 수신기(1210)를 포함한다. 장치(1200)는 전방향성 안테나와 같은 종래의 고정 안테나(1207)를 구비할 필요가 있다. 외부 송신기(1205)로부터의 RF 신호는, 선험적으로 또는 신호에 인코딩된 관련 정보로부터 수신기(1210)에 알려진 미리 결정된 시퀀스로 스위칭 네트워크(1218)를 경유해서 활성화된 안테나 요소(1204)를 통해 방출된다. 직접 경로(1209) 또는 간접 경로(1211)를 통해 송신기(1205)로부터 수신된 신호를 포함하는 수신된 인커밍 신호는 RF 프론트 엔드(1222)에서 다운컨버팅 된다. 그 다음에 하나 이상 세트의 위상 또는 이득 조작이 하나 이상의 채널(1224)의 하나 이상의 상관기(1232)에서 수신된 신호 세그먼트에 적용되고, 상기 조작된 신호 세그먼트는 일반적으로 미리 결정된 시퀀스의 하나 이상의 완전한 사이클에 대응하는 통합 주기에 걸쳐 누적된다. US 9,640,865에 설명된 바와 같이, 상기 위상 또는 이득 조작이 순차적으로 활성화된 안테나 요소(1204)로부터의 신호의 수신과 실질적으로 동기하여 적용되면, 그 결과는 안테나 어레이(1202)로부터 원하는 방향을 가리키는 하나 이상의 '송신' 빔(1247 또는 1247-A)이 될 것이다. 필요한 위상 또는 이득 조작은 프로세서(1206)에 의해 실시간으로 계산되거나 데이터베이스(1230)로부터 검색될 수 있다. 빔을 정확하게 형성하기 위해, 수신기(1210)는 송신 안테나 요소(1204)의 활성화 시퀀스, 송신기(1205)에 의해 송신된 신호에 적용된 PRN 코드, 및 활성화 시퀀스와 PRN 코드의 동기화뿐만 아니라 안테나 어레이(1202)의 방위 및 구성을 알아야 한다.
특정 실시 예에서, 장치(1200)는, 안테나 어레이(1202)로부터 다양한 방향을 가리키는 '송신' 빔(1247)을 형성하고 활성화된 안테나 요소들(1204)로부터 송신된 반사 신호들의 검출에 기초하여 그들 방향에서 물체(1228)의 존재를 추론함으로써, 외부 송신기(1205)로부터의 신호를 사용하여 관련된 사용자 플랫폼(1201)의 환경을 특징짓는다. 도 13에 도시된 바와 같이 도 12 시스템의 구조를 참조하면, 장치(1300)는 예를 들어 적은 수의 빔(1247)을 형성 및 스위핑하거나 또는 스위핑 없이 전체 관심 영역을 모니터링하기에 충분한 수의 빔을 형성함으로써, 외부 송신기(1305)로부터의 PRN-인코딩된 신호를 찾는 빔 공간 탐색을 수행한다. 장치(1300)는 적절한 PRN 코드를 갖는 신호가 수신되는 송신기(1305)로부터의 빔 방향을 찾는다. 도 13에 도시된 바와 같이, 장치(1300)는 아마도 미지의 범위(1338)에 있는 물체(1328)로부터 반사를 통해 도착하는 것으로 추정되는 송신기 빔 각도(δ)와 관련된 무시할 수 없는 또는 임계치 이상 신호(1311)를 찾는다. 장치(1300)가 이 간접 경로 신호(1311)에 대한 경로 길이(1317)를 측정할 수 있으면, 그 정보를, 자신의 위치 및 송신기(1305)의 위치, 또는 송신기까지의 범위(1319)와 함께 사용하여 바이스태틱 범위 타원(1321)을 결정할 수 있다. 방위(δ)와 타원의 교차는 장치(1300)가 추론된 물체(1328)까지의 범위(1338)를 추정할 수 있게 한다. 대안으로 또는 부가적으로, 상기 장치는 송신기(1305)로부터 상기 추론된 물체(1328)까지의 범위(1349)를 추정할 수 있다.
관련 사용자 플랫폼(1301)이 정지 상태이고 장치(1300)가 송신기(1305)에 대한 그것의 방향 또는 '시선 방향'(1351)을 알지 못한다면, 상기 장치는 그것이 생성 한 환경의 임의의 '맵'을 배향시킬 수 없다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 상기 장치가 송신기(1305)로부터, 추론된 물체(1328)까지의 방위(δ) 및 범위(1349)뿐만 아니라 자신으로부터 그 물체까지의 범위(1338)를 추정할 수 있지만, 그 시선 방향(1351)에 대하여 그 물체에 대한 방향(β)을 결정할 수는 없을 것이다. 그러나, 관련 사용자 플랫폼(1301)이 움직이기 시작하자마자 장치(1300)는 추론된 물체(1328) 또는 송신기(1305)까지의 범위에서의 변화를 감시함으로써 그 방위와 그에 따라 방향(β)을 결정할 수 있을 것이다.
도 12로 돌아 가면 , 수신기(1210)가 어레이(1202)에서 원격으로 빔들(1247 및 1247-A)을 형성하기 위해서는, 적절한 이득 및 위상 조작들이 활성화된 안테나 요소들(1204)로부터의 신호 세그먼트들의 수신과 실질적으로 동기하여 상기 수신된 신호 세그먼트들에 적용되어야 한다는 것을 주목해야 한다. 표면상 이것은 각각의 신호 경로에 대해 전파 지연을 알 필요가 있는데, 이는 비록 수신기(1210)가 어레이(1202)의 각각의 요소(1204)에 대해 필요한 위상 또는 이득 오프셋을 계산하거나 조회할 수 있지만, 전파 지연을 모른다면 언제 이들 오프셋을 상기 수신된 신호에 적용할 지 모르기 때문이다. US 9,640,865에 설명된 바와 같이, 송신된 신호가 인코딩되는 PRN 코드에 대한 안테나 요소 활성화 시퀀스의 알려진 정렬 또는 동기화는, 신호가 추적될 수 있다면 수신기(1210)가 정확한 타이밍으로 필요한 위상 또는 이득 오프셋을 수신된 신호에 적용할 수 있게 한다. 이것은 직접 경로 신호(1209)의 경우 일 것이고, 만일 수신기가 간접 경로 신호도 추적할 수 있다면, 도 8 및 9를 참조하여 설명된 바와 같이 의사범위 측정이 간접 신호 경로 길이(1217)를 결정하는데 사용될 수 있다. 그러나 전술한 바와 같이, 간접 경로 신호(1211)를 추적하는 것은 종종 어려울 것이다.
바람직한 실시 예에서, 수신기(1210)는 추적 루프로 간접 경로 신호(1211)를 추적하려고 시도하지 않는다. 대신에, 이는 제1 채널 내의 추적 루프에서 직접 경로 신호(1209)를 추적하고, 하나 이상의 종속 채널에서 점증 지연을 가진 일련의 탭들을 사용하여 간접 경로 신호(1211)와 관련된 상관 피크를 탐색한다. 상기 과정은 도 10을 참조하여 설명된 '로컬 빔 형성' 실시 예의 과정과 유사하지만, 간접 경로 빔(1247)을 원격으로 형성하기 위한 추가의 타이밍 요건을 처리하도록 구성된다. 도 14에 도시된 일 예시적인 실시 예에서, 수신기는 직접 경로 채널(1429)에 종속된 각각의 필요한 간접 경로 빔(1247)에 대해 다수의 채널(1431-1, 1431-2, 1431-3 … 1431-n)을 할당한다. 각각의 채널은 1-칩 간격(1454)으로 표시된 시간/거리 라인으로 표현되고, 각각의 종속 채널은 간접 및 직접 경로 신호(1211, 1209) 사이의 예상 경로 길이 차이를 커버하기 위해 필요한 만큼 연장되는 1/2-칩 이격으로 일련의 탭들(1464)을 갖는다. 직접 경로 채널(1429)은 도 10에 도시한 대응 채널(1029)과 거의 동일한 방식으로 작동하며, 직접 경로 신호(1209)가 추적되고 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 나타내는 위치(1462)에서 상관 피크(1433)가 결정된다. 채널(1429)에서 직접 경로 신호의 상관은 직접 경로 빔(1247-A)을 형성하기 위해 상기 수신된 신호에 대해 적절한 위상 및 이득 조작의 적용을 의미한다. 각각의 종속 채널(1431-1 … 1341- n)에서, 요구되는 간접 경로 빔(1247)을 형성하기 위한 적절한 위상 또는 이득 조작이 상기 수신된 신호에 적용되지만, 직접 경로 빔 조작에 대해 양을 증가시킴으로써 시간적으로 오프셋된다. 일 예에서, 간접 경로 신호에 대한 전파 지연이 직접 경로 신호와 동일한 것으로 효과적으로 가정하면, 채널(1431-1)에서의 시간 오프셋은 0이며, 이는, 물체(1228)가 송신기(1205) 또는 장치(1200)에 특히 근접하거나, 전파 지연이 안테나 요소 활성화 주기(들)의 지속시간과 비교하여 무시할 수 있도록 시스템의 스케일이 충분히 작다면, 빔(1247)을 형성하는데 적합할 것이다. 안테나 요소들이 동일한 주기 동안 활성화된다고 가정하면, 안테나 요소 활성화 주기(T)의 일부 분율(f) 만큼 후속 채널들(1421-2 … 1431-n)에서 시간 오프셋이 증가된다. 즉, 시간 오프셋은 f만큼 증가되며, f는 동기화에 대한 빔 품질의 민감도에 따라 선택된다. 단지 예로서, f는 0.05, 0.1, 0.15 또는 0.2일 수 있다. 100㎲ 시퀀스에서 동일한 주기 동안 활성화된 80 개의 안테나 요소의 안테나 어레이는 T = 1.25㎲를 가질 수 있으며, 이 경우 f·T 증분은 예를 들어 62.5 ns, 125 ns, 187.5 ns 또는 250 ns일 수 있다.
도 14에 도시된 예에서, 시간 오프셋은 채널(1431-1)에서 0이고 이후의 각 종속 채널에서 250ns 씩 증가된다. 채널(1431-2) 내 인접한 한 쌍의 탭(1453)에서 무시할 수 없는 두 상관 값의 측정은 신호의 트레이스(trace)를 제안하는 한편, 위치(1470)에서의 명확한 상관 피크(1435)는 채널(1431-3) 내의 탭 그룹(1455) 주위에 맞춰질 수 있다. 더 약한 상관 피크(1457)가 채널(1431-4)에 맞춰질 수 있다. 이 결과는, 모든 종속 채널 중에서, 위상 또는 이득 조작이 채널(1431-3)에서 적용되는 500 ns 시간 오프셋에 의해 간접 경로 신호(1211)를 수신하기 위한 최상 품질의 빔(1247) 형성이 달성됨을 나타낸다. 이것은, 약 5.75 코드 칩 또는 575 ns인, 직접 경로 신호(1209)의 도착 시간에 대한 간접 경로 신호(1211)의 도착 시간을 나타내는 상관 피크(1435, 1433) 사이의 분리와 일치한다. 이는 간접 경로 신호와 직접 경로 신호 간의 경로 길이 차이 172.5m에 해당한다. 채널(1431-3)에서의 위상 또는 이득 조작에 부과된 500ns 시간 오프셋은, 결과적으로 적절한 빔(1247)의 형성을 달성하는, '실질적인 동기화' 요건이 충족되어야 하는 간접 및 직접 경로 신호 간의 575ns의 실제 전파 시간 차이에 충분히 가깝다.
이 관찰은, 모든 종속 채널(1431-1, 1431-2 … 1431-n)이 더 큰 수의 탭을 갖는 도 14에 도시된 예시적인 실시 예가 수신기 자원의 사용에 비효율적임을 시사한다. 도 15는 훨씬 적은 수의 탭으로 동일한 결과를 달성하는 보다 바람직한 실시 예를 도시한다. 이전과 같이, 각각의 채널은 1-칩(예를 들어 100 ns) 간격(1554)으로 표시된 시간선으로 표시되며, 제1 채널(1529)은 이른, 정각 및 늦은 탭으로 직접 경로 신호(1209)를 추적하여 위치(1562)에 중심을 둔 상관 피크(1533)를 얻는다. 필요한 간접 경로 빔(1247)을 형성하기 위한 적절한 이득 또는 위상 조작이 종속 채널들(1531-1, 1531-2, 1531-3, 1531-4) 각각에서 수신된 신호 세그먼트에 적용되며, '직접 경로' 빔에 대하여 예를 들어 0 ns, 250 ns, 500 ns 및 750 ns의 시간 오프셋을 가진다. 그러나 이번에는 각 종속 채널이 1/2-칩(예, 50 ns) 이격으로 적은 수의 탭(1564)만을 가지며, '직접 경로'위치(1562)와 관련하여 동일한 시퀀스의 시간 오프셋, 즉 0 ns, 250 ns, 500 ns 및 750을 갖고 위치 주변에 분산된다. 채널(1531-3, 1531-4)에서 탭들의 서브셋에 대해 측정된 중요한 상관 값은 '직접 경로' 상관 피크(1533)의 위치(1562)보다 약 575ns 늦은 위치(1570)에 최대 상관 값을 가진 상관 피크(1535)의 맞춤을 가능하게 한다. 도 14에서 얻어진 것과 동일한 결과가 얻어진다. 어떤 경우든 수신기는 위상 또는 이득 조작의 타이밍을 조작하여 빔 품질을 개선하기 위해 측정된 전파 시간 차이를 선택적으로 사용할 수 있다.
간접 경로와 직접 경로 신호(1211, 1209) 사이의 예상 전파 시간 차이가 안테나 요소 활성화 주기(T)보다 훨씬 작은 시스템의 규모라면, 간접 경로 빔(1247)에 다수의 종속 채널이 할당된 도 14 및 도 15에 도시된 접근법은 필요하지 않을 것이다. 예를 들어, T가 10㎲ 정도이고 전파 시간 차이가 30m의 경로 길이 차이에 해당하는 100 ns 또는 T의 1% 이하인 것으로 예상되는 경우, 직접 경로 빔(1247-A)을 형성하는 데 필요한 것과 동일한 타이밍으로 위상 또는 이득 조작이 적용된다면 간접 경로(1247)의 품질에는 무시할 만한 저하가 있을 것이다. 다시 말해, '실질적인 동기화' 요건은 추가적인 시간 오프셋 없이 충족될 것이며, 이 경우 도 10에 도시된 경우와 유사하게 간접 경로 빔 방향 당 하나의 종속 채널만 할당하면 일반적으로 충분할 것이다.
다시, 다중 반사로부터 모호성이 발생할 수 있다. 설명을 위해, 도 16은 도 12 시스템의 구조를 보여주며, 이번에는 이중 반사 경로의 가능성을 고려한다. 장치(1600)에 의해 수신된 신호가 단일 반사 경로(1611)를 통해 전파되었다고 가정하면, 각도(δ), 송신기 범위(1619) 및 간접 신호 경로 길이(1617), 또는 송신기 범위와의 차이에 대한 지식이 길이(1637)을 결정하기 위해 충분하다. 장치(1601)는 이 길이를 물체(1624)까지의 범위의 추정치로서 해석할 것이다. 그러나 신호는, 상이한 범위와 방향에 있는 2개의 물체(1601, 1659)를 통해 단일 반사 경로(1611)와 동일한 길이의 이중 반사 경로(1643)를 따라 이동했을 수 있다. 이전과 같이, 동일한 송신기(1605) 또는 다른 송신기들로부터의 신호를 사용하여, 다른 방향으로 형성된 송신 빔(1247) 으로부터 결정된 후보 위치들을 교차 검사함으로써, 범위 추정이 정확할 가능성이 증가될 수 있다.
도 12를 참조하여 전술한 방법은 장치(1200)가 다수-요소 안테나 어레이를 요구하지 않고 관련 사용자 플랫폼(1201)의 환경을 특징짓는 것을 가능하게 하여, 예를 들어 사용자 플랫폼이 차량이 아닌 사람인 경우 특히 유용할 수 있는 핸드-헬드 장치로의 소형화를 가능하게 한다. 필요한 빔들(1247, 1247-A)은 외부 송신기(1205) 와 연관된 안테나 어레이(1202)에서 형성된다. 또한, 빔을 형성하기 위한 위상 또는 이득 조작이 수신기(1210)에 적용되기 때문에, 시스템은 임의의 수의 사용자 플랫폼(1201)이 동일한 신호를 이용할 수 있음을 의미하는 다중 액세스이다.
복합 빔 형성을 이용한 수동형 실시 예
도 17은 외부 송신기(1705)로부터의 스프레드 스펙트럼 신호를 사용하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 관련 사용자 플랫폼(1701)의 환경을 특징짓기 위한 장치(1700)를 개략적인 형태로 도시한다. 이 실시 예에서, 외부 송신기는 복수의 공간적으로 분산된 송신 안테나 요소(1704-T)를 갖는 송신 안테나 어레이(1702-T)를 구비하고, 장치(1700)는 복수의 공간적으로 분산된 안테나 요소들(1704-R)을 갖는 수신 안테나 어레이(1702-R)를 유사하게 구비한다. 송신기(1705) 및 장치(1700)에서의 안테나 어레이의 존재는 수신기(1710)가 미국 특허 제9,640,865호에 기술된 바와 같이 '복합' 빔 형성 기술을 적용할 수 있게 한다. 2개의 안테나 어레이(1702-R, 1702-T)는 동일한 형상이거나 동일한 수 또는 유형의 안테나 요소를 가질 필요는 없지만, '복합' 빔을 정확하게 형성하기 위해서는 수신기(1710)는 두 어레이의 구성을 알아야한다. 외부 송신기(1705)에 의해 생성된 스프레드 스펙트럼 신호는 제1 미리 결정된 시퀀스로 스위칭 네트워크(1718-T)를 통해 활성화된 송신 안테나 요소(1704-T)를 통해 방송되고 제2 미리 결정된 시퀀스로 스위칭 네트워크(1718-R)를 통해 활성화된 수신 안테나 요소(1704-R)를 통해 수신된다. 제1 미리 결정된 시퀀스는 선험적으로 또는 송신된 신호에 인코딩된 관련 정보로부터 수신기(1710)에 알려지며, 수신기는 로컬 안테나 어레이(1702-R)의 미리 결정된 시퀀스를 알 것을 기대할 수 있다. 수신기는 또한 제1 미리 결정된 시퀀스에 대한 신호의 동기화를, 예를 들어 제1 미리 결정된 시퀀스에 대한 PRN 코드의 정렬로부터 알아야 한다.
수신된 인커밍 신호가 RF 프론트 엔드(1722)에서 다운컨버젼된 후, 수신기(1710)는, 하나 이상의 채널(1724)에서, 활성화된 안테나 요소들(1704-T)로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여 및 수신 안테나 요소들(1704-R)을 활성화시키기 위한 제1 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여 하나 이상의 위상 또는 이득 이득 조작 세트를 적용할 수 있다. 각각의 채널(1724)의 상기 조작된 수신된 신호는 통합 주기에 걸쳐 누적되어 필요한 '복합' 빔(들)을 형성하며, 상기 통합 주기는 전형적으로 상기 제1 및 제2 미리 결정된 시퀀스 중 더 긴 시퀀스의 하나 이상의 완전한 주기 동안 일반적으로 연장된다. 각각의 '복합' 빔은 송신 어레이(1702-T)로부터 지향되는 송신 빔(1747 또는 1747-A)과 수신 어레이(1702-R)로부터 지향되는 수신 빔(1713 또는 1713-A)의 조합으로 생각될 수 있다. 도 17에 도시된 예에서, 수신기(1710)는 2개의 채널(1724)에서 2개의 복합 빔을 형성했다. 직접 경로 신호(1709)에 대응하는 이들 중 제1 복합 빔은 송신 어레이(1702-T)로부터 수신 어레이(1702-R)를 향하는 송신 빔(1747-A) 및 수신 어레이로부터 송신 어레이로 향하는 수신 빔(1713-A)을 포함한다. 제2 복합 빔은, 적절한 PRN 코드를 갖는 무시할 수 없거나 임계 값 이상의 신호(1711)가 수신기(1710)에서 수신되는 방향에서, 각각의 안테나 어레이로부터 추정된 물체(1728)를 향하는 송신 및 수신 빔(1747, 1713)을 포함한다. 장치(1700)는 관심 영역에 대하여 하나 이상의 복합 빔을 스위핑함으로써 또는 관심 영역을 커버하기 위해 충분한 수의 복합 빔을 동시에 형성함으로써, 관련 사용자 플랫폼(1701)의 환경을 특징지을 수 있으며, 적절한 PRN 코드를 갖는 무시할 수 없는 또는 임계 신호 이상 신호를 찾을 수 있다. 즉, 장치는 송신기(1705)로부터 송신된 신호의 반사에 의해 획득된 신호를 찾는다.
일단 장치가 '수신' 빔 성분(1713)의 각도 또는 방향으로부터 추정된 물체(1728)까지의 방향을 추정했다면, 이 방향과, 전술한 바와 같이 송신기까지의 범위(1719) 및 간접 신호 경로 길이(1717)로부터 결정될 수 있는 바이스 태픽 범위 타원과의 교차로부터, 범위(1738)가 추정될 수 있다. 송신기 범위(1719)는 장치(1700) 및 송신기(1705)의 위치로부터 결정될 수 있으며, 간접 신호 경로 길이(1717)가 결정될 유일한 파라미터로 남는다. 수신기(1710)가 간접 경로 신호(1711)를 추적 할 수 있다면, 도 8 및 도 9를 참조하여 설명된 바와 같이 의사범위 차이 계산 방법이 적용될 수 있다. 그러나 바람직하게는, 도 15를 참조하여 설명된 것과 유사한 접근법이 사용된다. 이 경우, 복합 빔의 '송신' 부분(1747)을 형성하기 위해 필요한 위상 또는 이득 조작의 성분은 점증하는 시간 오프셋을 갖고 다수의 종속 채널(1531-1 등)에 적용되고, 복합 빔의 '수신' 부분(1713)을 형성하기 위해 필요한 위상 또는 이득 조작의 성분이 로컬 어레이와 동일한 타이밍을 갖고 각 종속 채널에서 적용된다. 일반적으로 복합 빔의 각 부분에 대한 위상 성분은 합산되고 이득 성분이 곱해지며, 결합된 위상 또는 이득 조작의 세트는 '송신' 성분이 '수신' 성분과 관련하여 슬라이드할 때 각 종속 채널(1531-1 등)에서 상이할 것이다. 이전과 같이, 예상되는 전파 시간 차이가 송신 안테나 요소(1704-T)에 대한 활성화 주기(들)과 비교하여 중요하지 않은 경우, 송신부(1747)를 형성하는데 필요한 위상 또는 이득 조작의 적용을 지연시킬 필요가 없다.
도 18의 구조도에 도시된 바와 같이, 직접 및 간접 경로 신호(1809, 1811)에 대한 경로 길이는, 복합 빔으로부터 획득된 각도(α, β, δ)와 함께, 장치(1800) 가 추정된 물체(1828)까지의 범위 및 방향의 추정치를 획득하기에 충분하다. 또한 복합 빔에 의해 제공된 추가의 각도 정보는 환경을 더 확실하게 특징지을 수 있도록 한다. 예를 들어, 2개의 물체(1859, 1861)를 포함하는 이중 반사 경로(1884)의 가능성은 그 길이가 너무 짧기 때문에 배제될 수 있다. 각도(δ, β)를 포함하는 3 개 이상의 반사를 포함하고, 단일 반사 경로(1811)의 길이(1817)와 동일한 총 길이를 갖는 경로가 구상될 수 있지만, 그러한 경로를 따라 무시할 수 없는 신호의 수신은 점점 더 어려워진다. 또한, 많은 상황에서, 추론된 물체의 존재 또는 부재는, 동일한 송신기(1805) 또는 다른 송신기들로부터의 신호를 사용하여, 다른 방향에서 형성된 복합 빔으로부터 결정된 후보 위치들을 교차 검사함으로써 확인할 수 있다 .
도 8, 12 및 17에 도시된 각각의 시스템에서, 외부 송신기(805, 1205 또는 1705)는 바람직하게는 위치 결정 네트워크를 형성하는 공지된 위치에 있는 복수의 유사한 송신기들 중 하나이며, 그 네트워크 내부에서 장치(800, 1200 또는 1700)는 PVT솔루션을 계산할 수 있다. 이것은 환경 특징화 기능의 일부로서 또는 이에 추가하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 8의 장치(800)는 PVT 솔루션을 계산하기에 충분한 수의 신호를 수신하기 위한 유사한 개수의 송신기(805)를 향한 다수의 빔(813-A)과, 환경 내 물체(828)로부터의 반사를 찾기 위한 다른 방향에서의 하나 이상의 빔(813)을 형성할 수 있다. 유사하게, 도 12의 장치(1200)는 위치 결정을 위해 유사한 수의 송신기 어레이(1202)로부터 자신을 향하는 다수의 빔(1247-A)과, 환경 내 물체(1228)로부터의 반사를 찾기 위한 다른 방향에서의 하나 이상의 빔(1247)을 형성할수 있다.
도 12를 참조하여 전술한 장치(1200)는, 원격 빔 형성 기술의 이용으로 인해 다수-요소 안테나 어레이를 요구하지 않고 관련 사용자 플랫폼(1201)의 환경을 특징짓게 하여, 핸드-헬드 장치로의 소형화가 가능하기 때문에, 특히 유리하다. 도 17의 장치(1700)는 또한, 복합 빔 형성 기술의 이용이 물체 범위 모호성의 가능성을 감소시키기 때문에 유리하다. 중요한 것은, 도 12 및 17에 도시된 시스템은 다중 액세스이며, 이는 적절한 장치(1200 또는 1700)를 갖는 임의의 수의 사용자 플랫폼(1201 또는 1701)이 하나 이상의 안테나 어레이가 장착된 송신기(1205, 1705)의 네트워크 내에서 동작할 수 있음을 의미한다. 이것은, 환경을 특징짓기 위해 또는 PVT 솔루션을 결정하기 위해 필요한 모든 신호 조작이 상기 장치의 각 수신기들 내에서 수행되기 때문이다. 다른 한편으로 주어진 사용자 플랫폼의 장치가, 예를 들어 유선 또는 무선 수단을 통해, 자신의 사용을 위해 특정 방향으로 하나 이상의 빔을 형성하도록 안테나 어레이가 장착된 외부 송신기에 지시하는 경우, 다른 사용자 플랫폼의 장치는 해당 송신기에 대한 액세스가 거부될 수 있다. 따라서, 도 12에 도시된 시스템은, 간단한 안테나(1207)가 장착된 적합한 장치(1200)를 갖는 복수의 사용자 플랫폼(1201) 이, 다수-요소 안테나 어레이(1202)를 구비한 하나 이상의 외부 송신기(1205)로부터 수신된 신호를 사용하여 그들의 환경을 특징지을 수 있는 다중-액세스 방법을 제공한다.
신호의 송신, 수신 및 처리에 의해 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓기 위한 방법 및 장치에 관한 소수의 본 발명의 실시 예가 설명되었다. 간략화를 위해, 신호 처리는 수신기 내의 하드웨어에서 구현될 수 있는 채널, 상관기 및 탭과 같은 요소의 관점에서 설명되었다. 그러나, 현대 컴퓨터 프로세서를 이용하면 이들 및 다른 요소들은 소프트웨어로도 구현될 수 있으며, 수신된 신호를 처리하기 위한 자원 할당에 큰 유연성을 제공할 수 있다. 일반적으로, 신호 처리는 첨부된 청구 범위의 범주를 벗어나지 않으면서 하드웨어, 펌웨어 및 소프트웨어의 임의의 조합에서 일어날 수 있다.
본 발명은 특정 실시 예를 참조하여 설명되었지만, 통상의 기술자는 본 발명이 많은 다른 형태로 구현될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (48)

  1. 물리적으로 분리된 송신기로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 방법에 있어서:
    신호를 수신하기 위해 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 안테나 요소들을 미리 결정된 시퀀스로 선택적으로 활성화시키는 단계;
    상기 안테나 어레이로부터 미리 결정된 방향으로 빔을 형성하기 위해 선택된 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을, 상기 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 수신된 인커밍 신호에 적용하는 단계;
    상기 조작된 인커밍 신호를 통합 주기에 걸쳐 누적하여 상기 빔을 형성하는 단계; 및
    상기 물리적으로 분리된 송신기로부터의 반사 신호의 상기 빔에서의 검출에 기초하여 상기 미리 결정된 방향에서 물체의 존재를 추론하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 신호의 검출은 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 인커밍 신호를 상관시키는 과정을 포함하는, 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 물리적으로 분리된 송신기의 방향으로 직접 경로 빔을 형성하기 위해 선택된 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을, 상기 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 수신된 인커밍 신호에 적용하는 단계;
    통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 직접 경로 빔을 형성하는 단계; 및
    제1 채널에서, 상기 직접 경로 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정하는 단계;
    를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제2 채널에서 상기 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 반사된 신호 및 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻는 단계;
    를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 채널에 종속된 하나 이상의 채널에서 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 인커밍 신호를 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하는 단계;
    상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 반사된 신호 및 직접 경로 신호의 도착 시간 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하는 단계;
    를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 물리적으로 분리된 송신기로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 장치에 있어서:
    복수의 공간적으로 분산된 안테나 요소들을 갖는 안테나 어레이;
    신호들을 수신하기 위해 미리 결정된 시퀀스로 상기 안테나 요소들을 활성화시키기 위한 스위칭 네트워크; 및
    상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들을 통해 인커밍 신호를 수신하는 수신기;를 포함하며,
    상기 수신기는:
    상기 안테나 어레이로부터 미리 결정된 방향으로 빔을 형성하기 위해 선택된 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을, 상기 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 상기 수신된 인커밍 신호에 적용하고;
    상기 조작된 인커밍 신호를 통합 주기에 걸쳐 누적하여 상기 빔을 형성하며;
    상기 물리적으로 분리된 송신기로부터의 반사된 신호의 상기 빔에서의 검출에 기초하여 상기 미리 결정된 방향에서 물체의 존재를 추론하는, 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 반사된 신호의 검출을 위해, 인커밍 신호를 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 상관시키기 위한 상관기를 포함하는, 장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 수신기는:
    상기 물리적으로 분리된 송신기의 방향으로 직접 경로 빔을 형성하기 위해 선택된 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을, 상기 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여, 수신된 인커밍 신호에 적용하고;
    통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 직접 경로 빔을 형성하고; 및
    제1 채널에서, 상기 직접 경로 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정하도록 구성된, 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수신기는:
    제2 채널에서 상기 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및
    상기 반사된 신호 및 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻도록 구성된, 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 수신기는:
    상기 제1 채널에 종속된 하나 이상의 채널들에서 일련의 지연으로 복수의 탭들에서, 상기 송신된 신호들을 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하고;
    상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및
    상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하도록 구성된, 장치.
  11. 물리적으로 분리된 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 안테나 요소로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 방법에 있어서,
    상기 안테나 요소들은, 신호를 송신하기 위해, 송신된 신호들이 동기화되는 미리 결정된 시퀀스로 활성화되며,
    상기 방법은:
    수신기에서, 상기 물리적으로 분리된 안테나 어레이로부터 미리 결정된 방향으로 빔을 형성하기 위해 선택된 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을, 상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여, 인커밍 신호에 적용하는 단계 - 여기서, 상기 미리 결정된 시퀀스 및 이것과 상기 송신된 신호와의 동기화는 상기 수신기에 알려짐;
    통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 빔을 형성하는 단계; 및
    상기 공간적으로 분산된 안테나 요소들로부터의 반사된 신호의 상기 빔에서의 검출에 기초하여 상기 물리적으로 분리된 안테나 어레이로부터 상기 미리 결정된 방향에서 물체의 존재를 추론하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 반사된 신호의 검출은 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 인커밍 신호를 상관시키는 과정을 포함하는, 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    수신기에서, 상기 안테나 어레이로부터 상기 수신기를 향하는 직접 경로 빔을 형성하기 위해 선택된 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을, 상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여, 인커밍 신호에 적용하는 단계;
    통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 직접 경로 빔을 형성하는 단계; 및
    상기 수신기의 제1 채널에서, 상기 직접 경로 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정하는 단계;
    를 추가로 포함하는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 수신기의 제2 채널에서 상기 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 반사된 신호 및 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻는 단계;
    를 추가로 포함하는, 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    제1 채널에 종속되는 하나 이상의 채널에서 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 상기 송신된 신호를 인코딩하는 데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하는 단계;
    상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 반사된 신호와 직접 경로 신호 간의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하는 단계;
    를 추가로 포함하는, 방법.
  16. 물리적으로 분리된 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 안테나 요소들로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 장치에 있어서,
    상기 안테나 요소들은, 신호를 송신하기 위해, 송신된 신호가 동기화되는 미리 결정된 시퀀스로 활성화되고, 상기 장치는 수신기를 포함하며,
    상기 수신기는:
    상기 물리적으로 분리된 안테나 어레이로부터 미리 결정된 방향으로 빔을 형성하기 위해 선택된 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을, 상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여, 인커밍 신호에 적용하고 - 여기서 상기 미리 결정된 시퀀스 및 이것과 상기 송신된 신호와의 동기화는 상기 수신기에 알려짐; 통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 빔을 형성하고; 및 상기 공간적으로 분산된 안테나 요소들로부터 반사된 신호의 상기 빔에서의 검출에 기초하여 상기 물리적으로 분리된 안테나 어레이로부터 상기 미리 결정된 방향에서 물체의 존재를 추론하는, 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 수신기는, 상기 반사된 신호의 검출을 위해, 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시키기 위한 상관기를 포함하는, 장치.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 수신기는:
    상기 안테나 어레이로부터 상기 수신기를 향하는 직접 경로 빔을 형성하기 위해 선택된 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을, 상기 순차적으로 활성화된 안테나 요소로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여, 인커밍 신호에 적용하고;
    통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 직접 경로 빔을 형성하고; 및
    제1 채널에서, 상기 직접 경로 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정하는, 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 수신기는:
    제2 채널에서 상기 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및
    상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻는, 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 수신기는:
    상기 제1 채널에 종속되는 하나 이상의 채널들에서 일련의 지연으로 복수의 탭들에서, 상기 송신된 신호들을 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하고;
    상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및
    상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하는, 장치.
  21. 물리적으로 분리된 송신 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 방법에 있어서,
    상기 송신 안테나 요소는, 신호를 송신하기 위해, 상기 송신된 신호들이 동기화되는 제2 미리 결정된 시퀀스로 활성화되며, 상기 방법은:
    신호를 수신하기 위해 제1 미리 결정된 시퀀스로 수신 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 수신 안테나 요소들을 선택적으로 활성화시키는 단계;
    수신기에서, 상기 물리적으로 분리된 송신 안테나 어레이로부터 미리 결정된 송신 방향으로 및 상기 수신 안테나 어레이로부터 미리 결정된 수신 방향으로 향하는 복합 빔을 형성하기 위해 선택된 송신 및 수신 성분을 갖는 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을 인커밍 신호에 적용하는 단계 - 여기서, 상기 송신 성분은 상기 순차적으로 활성화된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여 적용되고, 상기 수신 성분은 상기 제1 미리 결정된 시퀀스와 동기하여 적용되며, 상기 제2 미리 결정된 시퀀스 및 이것과 상기 송신된 신호의 동기화는 상기 수신기에 알려짐;
    통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 복합 빔을 형성하는 단계; 및
    상기 공간적으로 분산된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 반사된 신호의 상기 복합 빔에서의 검출에 기초하여 상기 미리 결정된 수신 방향에서 물체의 존재를 추론하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 반사된 신호의 검출은 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 인커밍 신호를 상관시키는 과정을 포함하는, 방법.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 수신기에서, 상기 송신 안테나 어레이와 상기 수신 안테나 어레이 사이에 직접 경로 복합 빔을 형성하기 위해 선택된 송신 및 수신 성분을 갖는 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을 인커밍 신호에 적용하는 단계 - 여기서, 상기 송신 성분은 상기 순차적으로 활성화된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여 적용되고, 상기 수신 성분은 상기 제1 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여 적용됨;
    통합 주기 동안 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 직접 경로 복합 빔을 형성하는 단계; 및
    상기 수신기의 제1 채널에서, 상기 직접 경로 복합 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정하는 단계;
    를 추가로 포함하는, 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 수신기의 제2 채널에서 상기 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻는 단계;
    를 추가로 포함하는, 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 채널에 종속되는 하나 이상의 채널에서 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하는 단계;
    상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하는 단계;
    를 추가로 포함하는, 방법.
  26. 물리적으로 분리된 송신 안테나 어레이의 공간적으로 분산된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호를 사용하여 사용자 플랫폼의 환경을 특징짓는 장치에 있어서,
    상기 송신 안테나 요소들은, 신호를 송신하기 위해, 상기 송신된 신호가 동기화되는 제2 미리 결정된 시퀀스로 활성화되며, 상기 장치는:
    복수의 공간적으로 분산된 수신 안테나 요소를 갖는 수신 안테나 어레이;
    신호를 수신하기 위해 제1 미리 결정된 시퀀스로 상기 수신 안테나 요소들을 활성화시키기 위한 스위칭 네트워크; 및
    상기 순차적으로 활성화된 수신 안테나 요소들을 통해 인커밍 신호를 수신하는 수신기;
    를 포함하며, 상기 수신기는:
    상기 물리적으로 분리된 송신 안테나 어레이로부터 미리 결정된 송신 방향으로 그리고 상기 수신 안테나 어레이로부터 미리 결정된 수신 방향으로 향하는 복합 빔을 형성하기 위해 선택된 송신 및 수신 성분을 갖는 제1 세트의 위상 또는 이득 조작을 수신된 인커밍 신호에 적용하고 - 여기서, 상기 송신 성분은 상기 순차적으로 활성화된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여 적용되고, 상기 수신 성분은 상기 제1 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여 적용되며, 상기 제2 미리 결정된 시퀀스 및 이것과 상기 송신된 신호들과의 동기화는 상기 수신기에 알려짐;
    통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 복합 빔을 형성하고; 및
    상기 공간적으로 분산된 송신 안테나 요소들로부터 반사된 신호의 상기 복합 빔에서의 검출에 기초하여 상기 미리 결정된 수신 방향에서 물체의 존재를 추론하는, 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 수신기는, 상기 반사된 신호의 검출을 위해, 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대해 인커밍 신호를 상관시키기 위한 상관기를 포함하는, 장치.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 수신기는:
    상기 수신기에서, 상기 송신 안테나 어레이와 상기 수신 안테나 어레이 사이에 직접 경로 복합 빔을 형성하기 위해 선택된 송신 및 수신 성분을 갖는 제2 세트의 위상 또는 이득 조작을 인커밍 신호에 적용하고 - 여기서, 상기 송신 성분은 상기 순차적으로 활성화된 송신 안테나 요소들로부터 송신된 신호의 수신과 실질적으로 동기하여 적용되고 상기 수신 성분은 상기 제1 미리 결정된 시퀀스와 실질적으로 동기하여 적용됨;
    통합 주기에 걸쳐 상기 조작된 인커밍 신호를 누적하여 상기 직접 경로 복합 빔을 형성하고; 및
    상기 수신기의 제1 채널에서, 상기 직접 경로 복합 빔의 방향으로부터 수신된 직접 경로 신호를 추적하여 상기 직접 경로 신호의 도착 시간을 결정하는, 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 수신기는:
    상기 수신기의 제2 채널에서 반사된 신호를 추적하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및
    상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간의 차이를 계산하여 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 얻는, 장치.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 수신기는:
    상기 제1 채널에 종속되는 하나 이상의 채널에서 일련의 지연으로 복수의 탭에서, 상기 송신된 신호를 인코딩하는데 사용된 코드의 복제본에 대하여 인커밍 신호를 상관시켜 복수의 상관 값을 결정하고;
    상기 복수의 상관 값들로부터 최대 상관 값을 식별하여 상기 반사된 신호의 도착 시간을 결정하고; 및
    상기 반사된 신호와 직접 경로 신호의 도착 시간 사이의 분리로부터, 상기 추론된 물체까지의 범위와 관련된 측정치를 결정하는, 장치.
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