KR20010078721A - 네트워크 위치확인 시스템 형성 방법 및 장치 - Google Patents

네트워크 위치확인 시스템 형성 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

네트워크 위치확인 시스템(NPS)은 지상을 기반으로 하는 저비용의 유닛 위치확인 장치의 GNSS 동기 네트워크로부터 송신된 GNSS형 신호를 사용한다. 이러한 유닛 위치확인 장치는 위성이 보이지 않는 환경에서 절대적 및 상대적인 위치의 결정을 위해 사용되고, 따라서 예를 들어 실외에서 실내로 GNSS와 NPS 사이에 이음매 없는 전이를 허용한다. 유닛 위치확인 장치는 스스로 통합하고, 따라서 GNSS 및 NPS 네트워크내로의 유닛 위치확인 장치의 용이한 통합을 허용한다.

Description

네트워크 위치확인 시스템 형성 방법 및 장치{A METHOD AND DEVICE FOR CREATING A NETWORK POSITIONING SYSTEM(NPS)}
사람들은 꾸준히 누구 또는 무엇인가가 지상의 어느 곳에 존재하는지를 정확하게 확인하고 싶어 한다. 사실, 위치가 유도될 수 있는 정밀도 및 예측성은 문명의 기술적인 정제가 판단될 수 있는 척도가 된다. 시간이 경과함에 따라, 사람들은 육분, 경선(經線), 관성계, LORAN, TRANSIT 및 가장 최근의 GPS를 통해 지상 위치 및 내비게이션을 개선하였다.
미국 정부에서 제조한 24개 위성의 GPS 배열은 온보드(on-board) 원자시계에동기된 정밀한 타이밍신호를 방송한다. 정밀하고 충분히 개발된 방식을 이용하면, 3개 이상의 위성으로부터 동시에 신호를 픽업하는 사용자 수신기는 절대적 지구 좌표, 즉 위도와 경도에서 자신의 위치를 판정할 수 있다. GPS는 전세계적으로 이용가능하고, 상당히 정밀하며, 최종사용자에 대해 제한이 없기 때문에 위치 판정에 이익이 되는 것으로 판명되었다.
그 기술적인 정교함에도 불구하고, GPS는 여전히 소비자 수준에서 폭넓은 채택을 방해하는 일부 결정적인 제한을 받는다. 첫째, GPS 신호 세기는 수신기와 관련하여 "고려중인" 위성을 필요로 한다. 이것은 위성과 수신기 사이에 실질적인 장애물이 존재할 수 없다는 것을 의미한다. 둘째, GPS 방식은 2차원 위치(즉, 위도 및 경도)의 판정을 위해 고려중인 적어도 3개 위성을 필요로 하고, 3차원 위치(즉, 위도, 경도 및 고도)의 판정을 위해 고려중인 적어도 4개 위성을 필요로 한다. 결합하면, 상기 2가지 주요 단점들은 "도시 협곡" 등의 건물이 밀집한 지역에서의 GPS 신뢰성을 심각하게 단절시키고, 표준 GPS가 빌딩 내부 또는 밀폐된 환경에서 전혀 기능하지 못하게 할 수 있다. 따라서 GPS는 지구 인구의 대부분이 살고 있는 대도시 환경에서의 사용이 극히 제한된다.
놀랍게도, GPS의 추가적인 "고객" 제한은 전역 가용성 및 상당히 높은 정밀도에 대한 가능성으로부터 발생한다. 그 본질적인 형태에서, GPS는 약 15미터의 정확도를 제공할 가능성을 갖는다. 미국 정부는 그들 자신의 위성시스템이 미국을 향한 적의 무기 탄두의 정확한 발사를 위해 사용될 수 있다는 가능성에 대해 우려하였다. 이러한 이유로, 민간인 사용을 위한 GPS 네트워크를 통한 신호 방송은 보다 정확하고 암호화된 미군 신호와 관련하여 의도적으로 등급이 하락된. 대개 SA(선택적 가용성)라고도 불리는 이러한 등급 하락은 민간인이 이용가능한 대략적인 정확도를 약 100미터 2dRMS 까지 감소시킨다.
SA를 극복하기 위한 노력으로, DGPS(차분 GPS)로 알려진 시스템은 제한된 지역에서의 민간인 사용자를 위해 개발되었다. DGPS는 이동하는 사용자에게 수 m의 정확성을 제공할 수 있다. 그러나, DGPS는 고가의 지역방송국의 설치를 요구한다. 또한 이동하는 소비자가 그 GPS 수신기에 대한 DGPS 보정을 획득하기 위해서 무선수신기의 형태로 추가적인 장비를 구입할 필요가 있다. RTK(실시간 운동학)이라고 불리는 추가적인 최근 개발은 GPS 시스템으로부터의 정확성이 약 1㎝까지 개선되도록 한다. 이러한 정도의 정확성이 많은 가능한 응용에 대해 매우 바람직한 반면, RTK는 측지학, 측량술 및 물리학 등의 고도의 기술적인 숙련을 요하는 학문분야의 거의 전체 영역이 된다. RTK 수신기는 표준 GPS 수신기보다 좀더 고가이다. RTK 시스템은 비공용 지역 송신기를 요구하고, 복잡성 수준에 따라 RTK-정확한 위치가 판정될 수 있기전에 정지 신호 획득에 최대 10시간이 걸릴 수 있다. 요구되는 기술 및 특수화 장비와 함께 RTK에 필요한 비용의 수준이 상업적인 이용 또는 소비자를 위해 고려되는 RTK에 대해 강하게 작용한다.
요약: GPS는 현대의 위치 및 내비게이션 요구에 대한 놀라운 이득이다. 그러나, GPS는 들판, 사막, 또는 공해 환경에서 최적으로 사용된다. 도시 협곡에서 GPS의 유용성이 상당히 손상되고, 실내작업을 위해서는 설계되지 않았다. 또한, 충분한 GPS 신호가 결국 건물 밀집 지역에서 요구된다면, 결과적인 위치 분석은 SA에 의해 매우 낮아져, 제한된 지역에서 유용성이 적음을 증명하게 된다. 만일 이러한 상황에서 소비자가 DGPS 또는 RTK 방법에 의해 개선된 정확성을 기대하는 경우, 상당한 노력, 비용, 및 비교적 복잡한 하부구조가 있어야만 실현가능하다.
이러한 어려움을 극복하기 위한 시도가 종래 기술에 기재되어 있다. 절대적 위치확인 시스템(예를 들어, GPS)과 상대적 위치확인 시스템을 통합한 혼합시스템이 개발되었다. 상기 방법은 위성이 보이지 않는 경우 "추측 측정"을 포함하는 관성 센서 시스템(미국 특허 제5,311,195호 또는 위성이 보이지 않는 경우 "델타 위상 위치확인"을 수행하는 상용 라디오 방송 전송(미국 특허 제5,774,829호)을 포함한다.
불행히도, 상기 종래 기술 시스템은 여러 단점을 갖는다. 추측 측정은 확장 사용시 누적되는 오류를 나타내고, 추측 측정 및 델타 위상 위치확인 정확도는 초기 절대적 위치 정확도로 제한된다. 따라서, 임의의 초기 위치 모호성은 이어지는 위치 분석을 통해 계속될 것이다. 델타 위상 위치확인 정확도는 이미 존재하는 상용 라디오 방송 전송 사이트의 기하학적 형태에 의해 제한될 것이다. 로빙(roving) 수신기에 의해 알 수 있는 바와 같이 좋지 못한 기하학적 형태는 좋지 못한 위치 분석을 생성할 것이다. 또한, 델타 위상 위치 정확도는 전송 신호의 주파수/파장에 의해 제한되어, 보다 낮은 주파수(즉, 긴 파장)가 정확도를 감소시킨다. 또한, 델타 위상 로빙 수신기는 이미 존재하는 상용 라디오 방송 전송 사이트 좌표의 인식을 필요로 한다. 미국 특허 제5,774,829호에서는 이러한 데이터 링크가 상용 라디오 방송 전송 신호 SCA 채널상의 정보로서 배치되는 것을 제안하고있다. 이것은 잠재적으로 수천의 상용 방송시설과의 공동조작을 필요로 하여, 실질적인 로지스틱 문제를 일으킨다.
또한, 의사위성(pseudo-satellite 또는 pseudolite) 사용, 표준 GPS 위치 향상 또는 증대 시도가 해당 기술 분야에서 공지되어 있다. 의사위성은 GPS 형태의 신호를 방출하는 지상 기반 송신기이다. 의사위성은 미국 애리조나주의 Yuma Proving Ground에서 Ⅰ단계 GPS 시험(PhaseⅠGPS testing)을 위해 미국 국방성에 의해 1977년에 처음 사용되었다. 이들은 내비게이션을 위한 충분한 위성이 있기 전에 사용자 설비를 시험하기 위한 GPS 배열을 증가시키기 위해 사용되었다. 1984년, Klein과 Parkinson은 항공과 같은 중요한 애플리케이션을 위한 내비게이션 가용성과 기하학적 형태를 개선하는, 의사위성이 조작가능한 GPS 시스템에 대해 유용한 부속물이 될 수 있다는 것을 최초로 지적하였다. 1986년, Parkinson과 Fitzgibbon은 레인징(ranging) 의사위성에 대한 최적의 위치를 찾기 위한 프로시저를 개발하고 실험했다. 또한, 1986년, 로컬 에리어 DGPS 시스템에 대한 제 1 표준을 개발한 RTCM-104 위원회는 의사위성에 의해 DGPS 정보를 전송하는 방법을 제안하였다.
의사위성은 일반적으로 고가의 장치이고, 극히 적은 양이 제조된다. 의사위성은 일반적으로 GPS L1과 L2 주파수로 그 신호를 전송하고, 그래서 대개 조작에 대한 조정자 승인을 필요로 한다. 따라서 대학, 정부기관, 군대 또는 매우 큰 조직내 실험그룹은 보통 의사위성을 사용하였다. 따라서, 이러한 장치들이 긴 시간동안 알려져 온 반면, 일반적인 위치 및 내비게이션에서의 사용은 극히 드물다.상기 종래 기술은 의사위성의 제한된 가용성을 반영한다.
국부화된 지역에서 GPS 신호를 향상시키기 위해 여러 산업분야에서 의사위성을 사용하였다. 의사위성 장치의 항공 사용은 비행기의 최종 접근 경로 아래의 활주로의 끝에 의사위성을 배치하는 방법을 기술하는 미국특허 제5,572,218호에 의해 대표된다. 이것은 초고속 정수 사이클 모호성 분석을 성공적으로 허용하여, 매우 정밀한 위치확인을 생성한다. 미국 특허 제5,375,059호는 Caterpillar 등의 회사가 오픈-핏(open-fit) 광업에 의사위성을 적용한 방법을 나타내고, 이것은 이 장치의 좀더 일반적인 응용중의 하나이다. 이들 시스템은 해당 기술분야에서 공지된 종래의 로컬 에리어 의사위성/기준국 구성을 이용한다.
미국 특허 제5,686,924호 "고정된 의사위성 기준 송신기를 갖는 로컬 에리어 위치 내비게이션 시스템" 및 미국 특허 제5,708,440호 "무한 주파수에 대한 의사위성 트랜슬레이터"(양자 모두 Trimble 등)에서는 로컬 에리어 상에서의 GPS 신호의 확대를 공동으로 기재하고 있다. 이러한 로컬 에리어 시스템은 의사위성/기준국 통합을 위한 명확한 설비를 갖지 않고, 따라서 정확한 위치 판정을 위한 시간 일치의 기본적인 선행조건이 부족하다.
특히 실내에서 GPS 신호를 생성하는 하나의 종래 기술 참조가 알려져 있다. 미국 특허 제5,815,114호(Speasl 등)에는 전체적으로 밀폐된 환경에 배치된 의사위성 시스템이 기재되어 있다. 이 시스템은 컴퓨터 처리장치에 의해 재생된 신호를 이용한다. 이 신호는 빌딩내 한 지역에서 동축케이블에 의해 4개 의사위성까지 분배된다. 이러한 로컬 에리어 시스템은 매우 복잡하고 광범위한 설치 뿐만 아니라GNSS 배열로부터의 전체 밀폐를 요구하여, 최초 신호와 재생 신호가 충돌하지 않는 것을 보장한다.
상기 종래 기술 인용 모두는 로컬 에리어, 밀폐시스템에서 사용되는 기본 의사위성 시스템에 대해 개시하고 있다.
종래 기술에서는 다음의 방법 또는 장치에 대해 전혀 개시하지 않고, 기술을 제안하지도 않는다:
(a) 지상기반 유닛 위치확인 장치의 네트워크의 GNSS 시스템으로의 계속적인 통합 허용 및 (b) 실질적으로 제한되지 않는 지역상에서 유닛 위치확인 장치의 거의 무한한 전파 허용.
인가가 밀집된 지역에서 매우 정확한 위치 제공에 대한 필요성이 빠르게 증가하고 있다. 휴대용 소비자 장치의 확산과 위치에 의존하는 정보에 대한 욕구는 실행 가능하고 통합적이며 완전한 솔루션에 대한 필요성을 나타내고 있다. 휴대용 애플리케이션에서, 표준 GSP의 정확도가 낮은 SA는 만족스럽지 않다. 미터 레벨의 정확성 또는 그 이상의 정확성이 필요하다. 다른 위치 기술을 필요로 하지 않고 외부에서 내부로 연속적인 변화를 허가할 수 있는 시스템이 매우 바람직하다. 실내와 실외 모두에서 스스로 전파시킬 수 있고, 그 다음 지속된 확장을 허가하는 시스템 또한 매우 바람직하다. 추가로, GPS와 같은 세계적인 표준 시스템과의 통합은 쉽게 이용 가능하고 표준화된 구성부품, 단순화된 조립 및 잘 알려진 기술의 사용의 형태로 시스템에 상승작용을 가져올 것이다. 하부구조 조성에 대한 전문적인 지원없이 일반인에게 소비자 수준의 가격에 이러한 이점들을 제공하는 시스템 또한매우 바람직하다. 종래의 기술은 이러한 모든 명백한 필요성을 충족시키지 못한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 전체적으로 새로운 방법을 사용하는 GSP 형식의 기술을 돋보이게 하고 향상하며 확장하는 시스템을 제공할 뿐만 아니라 상기에 기술된 GSP 위치확인의 불편을 극복하는데 있다.
본 발명은 알려지지 않은 위치에 있는 물체 또는 사용자가 복수의 소스로부터 신호를 수신하고, 그로부터 유도된 정보를 이용하여 물체 또는 사용자의 현재 위치를 판정하는 위치확인 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 위성이 보이지 않는 환경에서 고정밀 위치 판정을 위해 전역 내비게이션 위성 시스템(Global Navigation Satellite System; GNSS)과 동기된 자기결합 유닛 위치확인 장치의 네트워크를 이용하는 위치확인 시스템에 관한 것이다.
도 1은 종래의 위성 위치학인 시스템(GPS)에 대한 도면이다.
도 2는 종래의 차분 위성 위치확인 시스템(DGPS)에 대한 도면이다.
도 3은 차분으로 보정된 의사위성 송신기가 첨가된 종래의 차분 위성 위치확인 시스템(DGPS)에 대한 도면이다.
도 4는 직접 레인징 유닛 위치확인 장치를 포함하는 본 발명에 따른 네트워크 위치확인 시스템의 한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5는 차분 보정된 유닛 위치확인 장치를 포함하는 본 발명에 따른 네트워크 위치확인 시스템의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 유닛 위치확인 장치가 보이지 않는 환경에서 본 발명에 따른 네트워크 위치확인 시스템의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 네트워크 유닛 위치확인 장치의 한 실시예의 전체 구조를 나타내는 블럭도이다.
도 8은 위성이 보이지 않는 환경에서 본 발명에 따른 네트워크 위치확인 시스템의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
신규의 예상치 못한 결과를 제공하기 위하여 독특하게 종래의 기술을 결합하는 방법과 본 방법을 충분히 이해하기 위하여 하기의 위치확인의 기본사항을 잘 알고 있는 것이 중요하다.
GPS 기본사항의 개요
도 1을 참고하여, 여러가지의 GPS 위성(101)이 기술되었고, 각각의 위성은 위치확인 신호(102)를 방송한다. 각각의 위치확인 신호는 각각의 위성(101) 안에서 원자 시간 표준의 사용을 통하여 정확하게 시간 측정되고, 시간 보전을 위한 지상 제어 세그먼트에 의해 감시된다. 지구에 가까운 어떤 위치의 경도, 위도 및 고도는 적어도 4개의 이러한 GPS 위성(101)에서 알려지지 않은 위치(103)까지의 위치확인 신호(102)의 전파시간으로부터 계산될 수 있다. 측정된 범위는 위성(101)의 타이밍 클럭과 GPS 수신기(103) 내에서의 타이밍 클럭 사이의 시간차 또는 오프셋이 있기 때문에 의사 범위로 언급된다. 3차원 위치확인에 대하여, 4개의 알려지지 않은 사항, 즉 3차원(x,y,z) 위치로 시간-오프셋을 해결하기 위하여 통상적으로 적어도 4개의 위성이 필요하다.
GPS 수신기에 의해 측정되는 GPS 시간은 다음과 같은 6개의 주요 에러, 즉 (1) 선택적 가용성, (2) 전리층 지연, (3) 대류권 지연, (4) 천체력 오류, (5) 위성 클럭 오류 및 (6) 다중경로에 의해 악영향을 받는다. 선택적 가용성은 미국의 국가 안전을 위해 미국방성에서 GPS 위성 타이밍 및 위치 정확도를 의도적으로 악화시킨 것이다. 전리층 지연은 전리층의 이온 입자층을 통과할 때 전자기파에 의해 발생되는 가변 시간 지연이다. 대류권 지연은 낮은 대기에서 수증기를 통과할 때 전자기파에 의해 발생되는 시간 지연이다. 천체력 오류는 실제 위성 위치와 위성 궤도 데이터에 의해 예측되는 위치 사이의 차이이다. 위성 클럭 오류는 실제 위성 GPS 시간과 위성 데이터에 의해 예측되는 시간 사이의 차이이다. 다중경로는GPS 수신기에 아주 가까운 곳에서 신호 반사에 의해 발생되는 신호 지연이다. 미국방성에서 발표된 GPS 오류 예측은 100 미터 2dRMS이다. 더욱 정밀한 위치 정확도가 필요하다면, "로컬 에리어 차분 GPS"으로 알려진 기술을 사용한다.
로컬 에리어 차분 GPS(LADGPS)의 개요
다중경로 및 수신기 잡음을 포함하는 모든 GPS 오류는 "공간적으로 서로 관련"되는데, 즉 다시 말하면 모든 오류의 합계는 서로 인접한 수신기에서 일정하다. 로컬 에리어 차분 GPS(LADGPS)는 GPS 위성 신호에서 공간적으로 서로 관련된 오류를 무시할 수 있는 레벨로 감소시킨다.
도 2에서는 위치확인 신호(102)를 방송하는 복수의 GPS 위성(201), 로컬 에리어 차분 GPS(LADGPS) 기준 수신기(204), RF 데이터 링크(205) 및 GPS 수신기(203) 등이 도시되어 있다. 정해진 위치에 설치된 LADGPS 기준 수신기(204)는 탐지되는 각 위성 신호의 추측된 의사 범위를 계산한다. 다음에 GPS 위성(201)에서 수신된 의사 범위를 측정하고 수신된 의사 범위에서 추측된 의사 범위를 감산하여 차이를 보정한다. 다음에 LADGPS 기준국(204)은 RF 데이터 링크(205)를 통해 GPS 수신기(203)에 상기 보정을 디지털 데이터로서 송신한다. GPS 수신기(203)는 위치 분석을 계산하기 전에 동일한 위성에 대하여 측정하는 의사범위에 상기 보정을 부가한다. 기준 수신기(204)와 GPS 수신기(203)의 공통적인 오류는 이러한 절차에 의해 완전히 제거된다.
의사위성은 위성과 동일한 방법으로 LADGPS 분석에 결합될 수 있다. 도 3에서는 위치확인 신호(302)를 방송하는 복수의 GPS 위성(301), 로컬 에리어 차분 GPS(LADGPS) 기준국(304), RF 데이터 링크(305), GPS 수신기(303) 및 위치확인 신호(307)를 방송하는 의사 위성 송신기(306)가 도시되어 있다. 의사 위성 송신기(306)가 LADGPS 시스템에 포함될 때, 기준 수신기(304)는 동시에 의사 위성 의사 범위 송신(307)을 측정하고, 의사위성 클럭 오류를 포함하는 의사범위 보정 정보를 RF 데이터 링크(305)를 통해 GPS 수신기(303)에 송신한다.
LADGPS 보정은 GPS 위치 정확도을 수 미터로 향상시킨다. 더욱 정밀한 정확성이 필요하면, "반송파 위상 차분 GPS"로 알려진 기술을 사용한다.
반송파-위상 차분 GPS(CDGPS)의 개요
반송파-위상 차분 GPS(CDGPS)는 기준 수신기와 사용자 수신기에서 측정된 반송파 위상 차분 사이의 차이를 이용하여 기준 위치와 사용자 위치 사이의 차이를 계산하는 것이다.
도 3을 다시 보면, 위치확인 신호(302)를 방송하는 복수의 위성(301), 반송파-위상 차분 GPS(CDGPS) 기준국(304), RF 데이터 링크(305), GPS 수신기(303) 및 위치확인 신호(307)를 송신하는 의사위성 송신기(306)가 도시되어 있다. 정해진 위치에 설치되는 CDGPS 기준 수신기(304)는 모든 고려중인 위성(301) 및 의사위성(306)에 대하여 즉각적인 위상 측정을 계산한다. 그때 기준 수신기(304)로부터의 반송파 위상 데이터는 RF 데이터 링크(305)를 통해 GPS 수신기(303)에 송신된다. 또한 GPS 수신기(303)는 모든 고려중인 위성(301) 및 의사 위성(306)에대하여 즉각적인 위상 측정을 계산하고, 연속적으로 기준 수신기 위치(304)에 대한 GPS 수신기(303)의 위치를 결정하기 위하여 위상 차이를 계산한다.
사용자 수신기는 반송파의 부분(fractional) 위상과 전체 사이클의 임의의 수를 측정할 수 있지만, 의사범위에서 전체 사이클의 정확한 수를 결정할 수 없다. "정수 사이클 모호성"으로 알려진 이 수는 다른 수단에 의해 결정된다. 반송파 위상 정수 모호성을 해결하기 위한 일반적인 방법은 3개의 넓은 등급, 검색 방법, 필터링 방법 및 기하학적 방법에 포함된다. 이러한 통상적인 방법들은 즉각적인 정수 사이클 모호성 분석을 할 수 없다.
"광로화(wide-laning)"으로 알려진 최근 기술은 즉각적인 정수 사이클 모호성 분석을 할 수 없는 문제를 극복하기 위하여 개발되었다. 광로화는 비트 주파수 신호를 형성하기 위하여 2개의 반송파 주파수(일반적으로 GPS L1 및 L2)를 곱하고 필터한다. 이 비트 주파수 파장은 각각의 두 반송파의 파장보다 훨씬 길다. 결과적으로, 정수의 분석은 비트 주파수 신호에 의해 형성된 광로 정수 모호성을 결정하도록 의사 범위 관찰을 이용하여 얻어질 수 있다. 이것은 정수 모호성을 해결하기 위하여 검색되어야 하는 정수의 양을 크게 줄일 수 있다.
정수 사이클 모호성 분석 CDGPS 기술은 실시간으로 ㎝의 정확성을 가진다.
따라서, 본 발명의 목적은 위치확인 시스템을 개선하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 GNSS 기반 위치확인 시스템이 사용될 수 있는 상황의 수를 늘리는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 무한한 영역을 통해서 전파될 수 있는 지상 기반 유닛 위치확인 장치의 개방형 아키텍처 시스템을 공개하는 것이다.
본 발명의 더 추가된 목적은 지상 기반 위치확인 네트워크를 통해서 GNSS와 같은 신호를 사용하는 것이다.
본 발명의 더 추가된 목적은 지상 기반 위치확인 네트워크를 형성, 전파하는 방법을 가르치는 것이다.
본 발명에 더 추가된 목적은 GNSS 배열과 연속적으로 통합될 수 있는 유닛 위치확인 장치의 네트워크를 제공하는 것이다.
본 발명에 더 추가되는 목적은 GNSS 배열과 동시성을 가질수 있는 유닛 위치확인 장치의 네트워크를 제공하는 것이다.
본 발명에 더 추가되는 목적은 GNSS 기반 위치에서 네트워크 기반 위치로 연속적인 변화를 허가하거나 각각의 위치 시스템의 어떤 분할로부터도 위치를 유도할 수 있는 위치확인 네트워크를 제공하는 것이다.
본 발명의 더 추가되는 목적은 각각의 위치 시스템에 맞추어진 개별 로빙 장치를 사용하여 GNSS 기반 위치에서 네트워크 기반 위치로 연속적인 변화를 허가하거나 각각의 위치 시스템의 어떤 분할로부터도 위치를 유도할 수 있는 위치확인 네트워크를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 도시 협곡 환경에서 GNSS 위치 시스템을 강화시킬 수 있는 유닛 위치확인 장치의 네트워크를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 GNSS 스타일의 절대적 위치를 위성이 보이지 않는 지역으로 연장하거나, 빌딩이나 다른 구조물 내부 및 종래의 GNSS가 이전에 작용하지 못했던 다른 환경으로 연장할 수 있는 유닛 위치확인 장치의 네트워크를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 절대적 또는 상대적 위치 모두를 위성이 보이지 않는 환경 또는 실내 환경 내에 제공하여 GNSS 배열 및/또는 최근의 유닛 위치확인 장치의 네트워크로 스스로 통합되거나 스스로 조사할 수 있는 유닛 위치확인 장치를 공개하는 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 네트워크 정보가 유닛 위치확인 장치 간에 전달되도록 하여 유닛 위치확인 장치 간의 통신을 초기화하고 유지하는 프로토콜을 가르치기 위한 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 기준 수신기를 포함하는 각각의 유닛 위치확인 장치에 대하여 네트워크를 통하여 분배된 차분 보정수단을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 네트워크를 통해서 실시간 운동학적 위치를 제공하여 센티미터 단위의 정확성을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 GNSS 위성 및 네트워크 위치확인 시스템(NPS) 유닛 위치확인 장치 모두에 대하여 의사 거리 및 반송파 측정방법을 제공하여 미터와 센티미터 단위의 위치 정확성을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 유닛 위치확인 장치에 의해 강화된 환경에서 단일 시간기점 반송파 위상 정수 모호성 분석를 허가하는 2중 주파수 의사위성 송신수단를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 3중 주파수 수신기를 제공하여 GNSS 신호와 2개의 추가 의사위성 신호를 수용하기 위한 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 어떤 네트워크 차분 보정방법도 이용 가능하지 않을 때 차분 보정방법을 제공하기 위하여 유닛 위치확인 장치에 대한 WAAS 차분 보정방법을 수용하기 위한 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 시스템 간에 실질적인 호환성을 유지하기 위하여 최근의 GNSS 기술을 첨가한 유닛 위치확인 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 추가되는 목적은 비싼 하부구조 필요조건과 전문 기술에 대한 필요성을 제거함으로써 기술자가 아닌 사람에 의해 전파될 수 있는 유닛 위치확인 장치의 네트워크를 제공하기 위한 것이다.
여기서 사용되는 "위치(position)"는 경도, 위도 및 고도의 범위내에 포함되고, "유닛 위치확인 장치"는 그 범위내에 정지형 및 모바일 장치를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 유닛 위치확인 장치는 모든 "고려중인" 유닛 위치확인 장치 사이에서 통신하기 위한 송신 및 수신 수단, 절대적 및/또는 상대적 위치 계산을 실행하기 위한 처리 수단 및 네트워크 데이터 명령을 제어하기 위한 제어 수단으로 구성된다.
모바일 유닛 위치확인 장치는 정지형 유닛 위치확인 장치와 동일한 원리를 이용하여 네트워크안에서 작동하고 통합되며, 또한 이동형 유닛 위치확인 장치는 바람직하다면 동적인 비컨(beacons)으로 사용될 수 있다. 그래서, 이동형 유닛 위치확인 장치는 위치 정확성을 증가시키기 위해서 그 자신의 범위 계산내에 매우 가까운 또 다른 유닛 위치확인 장치의 위치확인 신호를 통합할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 어떤 위치확인 신호를 송신하기 위하여 유닛 위치확인 장치가 필요하지 않다.
본 발명에 따르면, 유닛 위치확인 장치의 절대적 및 상대적 위치 측정은 유닛 위치확인 장치의 네트워크를 이용하여 전역 내비케이션 위성 시스템(GNSS)에 의해 제공된 동조 신호를 송신하여 얻을 수 있다. 비록 여기서 기술된 본 발명의 바람직한 실시예는 전역 위치확인 시스템(GPS)의 포함된 GNSS를 참고하여 논의되지만, 또 다른 GNSS 또는 절대적 위치확인 시스템이 본 발명의 범위에 벗어나지 않고 사용될 수 있다.
본 발명은 현재 GPS 기술이 불명확한 지역도 포함하지만 배타적이지는 않다. 이러한 환경은 중심 비지니스 구역 "도심 협곡"과 실내 환경을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 유닛 위치확인 장치는 하나의 송신/수신 주파수를 유지하면서 네트워크안으로 많은 수의 유닛 위치확인 장치의 통합을 허용하도록 코드 분할(CDMA) 및 시분할 (TDMA) 다중화를 이용한다.
유닛 위치확인 장치는 GPS 위성 및/또는 네트워크의 다른 유닛 위치확인 장치에 대하여 처음 청취하는 것에 의해 자신의 위치를 결정하고, 수신된 위치확인 신호를 기초로 하여 범위 계산을 실행한다. 이 초기 청취 기간은 유닛 위치확인 장치가 유휴 시간과 그 자신의 전송 사이클을 이용할 수 있는 코드 슬롯을 결정하도록 허용한다.
일단 시간과 코드 슬롯이 선택되면, 유닛 위치확인 장치는 선택된 시간 및 코드 슬롯에서 위치확인 신호를 송신하기 시작한다. 실질적인 범위내에서 작동하는 유닛 위치확인 장치의 수가 이용가능한 CDMA 및 TDMA의 수를 초과하면, 네트워크와 연결되는 유닛 위치확인 장치는 슬롯이 이용가능할 때까지 계속 청취한다. 따라서, 시스템은 자동 유닛 위치확인 장치 여분을 제공한다.
유닛 위치확인 송신기는 (a) 네트워크의 시분할 다중 접근(TDMA) 장비에 부착되며, (b) 함께 배치된 수신기가 동일한 송신 주파수상의 다른 소스로부터 레인징(ranging) 신호를 수신하는 것을 허용하며, (c) CDMA 확산 스펙트럼 기술과 관련된 잘 알려진 이런저런 문제들을 완화시킬 수 있다.
도 4에서는 직접 레인징 위치확인 네트워크가 도시되어 있다. 직접 레인징 유닛 위치확인 장치(402)는 수신기(403) 및 함께 배치된 펄스 송신기(404)를 포함한다. 수신기(403)는 모든 고려중인 GPS 위성(401)으로부터 위치확인 신호(406) 및 모든 유닛 위치확인 장치 송신기(404)으로부터 위치확인 신호(405)를 수신할 수있다. 수신기(403)는 적어도 4개의 위성 신호(406) 및/또는 유닛 위치확인 장치 전송(405)에서 위치 및 GPS 시간을 결정하고, 이 위치 및 GPS 시간 정보를 함께 배치된 펄스 송신기(404)로 송신한다. 이 송신된 위치확인 신호는 고려중인 다른 유닛 위치확인 장치에 의해 직접 레인징 소스로서 사용될 수 있다.
모든 유닛 위치확인 장치들은 이들의 송신을 GPS 시간에 직접 동기화함으로써, 직접 레인징 절대적 위치확인 네트워크를 형성한다. 그러나, 직접 레인징 네트워크의 정확도는 GPS 복합 클락 정확도에 의해 제한된다. 자동 GPS에 대한 미 국방성 오류 예측은 100 미터 2dRMS 또는 340 나노초(시간의 95%)이다. 직접 레인징 절대적 위치확인 네트워크로부터 보다 큰 정확도를 얻기 위해서는 클럭-평활 기술이 요구된다. 상기 오류들이 결국에는 평균이 되도록 송신기 클럭은 하루에 수 나노초 이내로 안정적이어야 한다. 이것은 현재 원자 시간 표준을 요구하게 되며, 이것은 비싸고 내적으로 복잡하다. 이러한 원자 시간 평활이 없다면 직접 레인징 네트워크는 100 미터 2dRMS 치수로 자동 GPS와 동일한 정확도를 갖게 될 것이다.
원자 시간 표준이 사용될 수 있지만, 바람직한 실시예의 목적은 대량 제조와 네트워크에 대한 소비자 수준의 접근을 허용하는데 있다. 따라서, 바람직한 실시예는 절대적 위치확인 네트워크의 차분 보정을 구현하여 요구되는 정확도를 증대시킨다.
이제 도 5를 참조하면, 차분 보정된 위치확인 네트워크가 도시되어 있다. 차분 보정된 유닛 위치확인 장치(502)는 표준 수신기(503)와 함께 배치된 펄스 송신기(504)를 포함한다. 표준 수신기는 모든 고려중인 GPS 위성(501)으로부터 위치확인 신호(506)를 수신할 수 있고, 모든 고려중인 유닛 위치확인 장치 송신기(504)로부터 위치확인 신호(505)를 수신할 수 있다. 표준 수신기(503)는 적어도 4개의 위성 신호(506) 및/또는 고려중인 유닛 위치확인 장치 송신(505)으로부터 위치와 GPS 시간을 결정하고, 이 위치와 GPS 시간 정보를 실시간 LADGPS 보정(507)과 더불어 함께 배치된 펄스 송신기(504)로부터 송신한다. 이것은 분산 LADGPS 표준 수신기 네트워크를 형성한다.
절대적 위치 확인 네트워크상에 LADGPS 보정을 중첩시킴으로써 정확도가 수 미터까지 증가된다. 사용자 위치에 대한 차분 보정은 임의의 소정 순간에서 사용중에 있는 LADGPS 표준 수신기의 위치와 클럭에 관련하여 결정된다. 중요한 것은 표준 수신기에서는 정밀한 클락 정보가 요구되지 않는다는 것이다. 이것은 공지된 표준 수신기 위치가 4차원적이기 때문이다. 즉, 그것은 국부적인 시간 보정을 포함한다. 모든 의사 범위에 대한 일관된 타이밍 오류는 사용자 수신기 클럭에만 영향을 미칠 뿐이다. 따라서, 사용자가 수신기 위치에만 관심이 있다고 가정하면 이러한 클럭 보정은 임의적으로 된다.
각각의 유닛 위치확인 장치는 모든 가시 유닛 위치확인 장치들로부터 LADGPS 보정을 수신한다. 따라서, 하나의 유닛 위치확인 장치는 12개 이상의 LADGPS 보정에 동시에 접근할 수 있다. 하나의 유닛 위치확인 장치는 어떠한 위치 분석이 계산 중일 때 1개의 LADGPS 소스로부터의 보정을 사용하여야 한다. 또한, 하나의 유닛 위치확인 장치는 최종 평균화된 LADGPS 위치 분석을 제공하기 전에 모든 고려중인 LADGPS 소스로부터 위치 분석을 계산함으로써 그 위치의 무결성을 향상시킨다.
대안으로, 유닛 위치확인 장치는 (a) 표준 수신기 접근도(즉, 표준 수신기가 사용자 장치에 근접할수록 다중경로 공간 상관 관계의 가능성은 높아지고 차분 분석에서의 엡실론 오차의 영향은 낮아짐), (b) 표준 수신기의 기하학적 형태(즉, 국부적인 유닛 위치확인 장치의 양호한 기하하적 형상은 보다 높은 LADGPS 정확도를 제공함), (c) 관찰가능한 소스의 상관 관계(즉, 표준 수신기는 적어도 사용자 장치와 동일한 세트의 위성 및/또는 (관찰 가능한) 의사 위성을 보아야 함), (d) 신호의 세기/데이터 무결성(즉, 최소한의 오차 보정을 위해서 신호 대 잡음비가 양호한 데이터가 수신되어야 함)과 같은 기타 소정의 선택 기준에 따라 LADGPS 선택을 평가할 수 있다.
의사 범위 정확도에 있어서 특히 관심을 끄는 것은 다중경로, 특히 실내 환경에서의 다중경로이다. 이러한 오차 소스는 수십 미터의 의사 범위 부정확도를 발생시킬 수 있다. 그러나, 다중경로 효과는 반송파 위상 방법을 사용할 때 수 센티미터의 치수로 상당히 감소될 수 있다. 유닛 위치확인 장치는 고정밀 위치 판정과 의사 범위 다중경로 영향의 제거를 위해서 반송파 위상 측정을 이용하는 것이 바람직하다.
반송파 위상 차분 GPS(CDGPS) 측정법은 정수 사이클 모호성을 받으며, 그 자체는 상기 문제를 해결하기 위한 방법을 요구한다. 2중 주파수 광로화는 높은 다중경로 환경에서의 모호성 분석에 대한 바람직한 해결책이다. 정수는 단일 기간에 결정될 수 있으며, 이후 계속적으로 결정됨으로써 사이클 슬립을 중요하지 않게 한다.
다시 도 5를 참조하면, 반송파 위상 차분 보정 네트워크가 도시되어 있다. 반송파 위상 차분 보정 유닛 위치확인 장치(502)는 표준 수신기(503)와, 함께 배치된 2중 주파수 펄스 송신기(504)를 포함한다. 표준 수신기는 모든 고려중인 GPS 위성(501)으로부터 위치 확인 신호(506)를 수신할 수 있고, 모든 고려중인 유닛 위치확인 장치 송신기(504)로부터 위치확인 신호(505)를 수신할 수 있다. 표준 수신기(503)는 적어도 4개의 위성 신호(506) 및/또는 유닛 위치확인 장치 송신(505)으로부터 위치와 GPS 시간을 결정하고, 이 위치와 GPS 시간 정보를 실시간 LADGPS 및 CDGPS 측정(507)과 함께 함께 배치된 2중 주파수 펄스 송신기(504)로부터 송신한다. 이것은 분산된 LADGPS/CDGPS 표준 수신기 네트워크를 생성한다.
네트워크 위치확인 시스템(NPS) 환경에서 CDGPS 분석을 이용함으로써 위치 정확도가 수 ㎝까지 증대된다. 공지된 기술인 "2중 차분"은 클럭 오차를 제거하기 위해 사용된다.
통신 프로토콜
자기 통합 네트워크 위치확인 시스템(NPS)의 개발은 유닛 위치확인 장치들 사이에서 특정 프로토콜을 요구한다. 유닛 위치확인 장치의 각각은 GPS 위성과 유닛 위치확인 장치 인식 및 식별을 위해 CDMA 골드 코드를 사용한다. GPS 설계 명세는 위성용 골드 코드 번호 1 내지 32와 의사위성용 골드 코드 번호 33 내지 37을 사용한다. GPS 명세는 또한 WAAS 및 EGNOS와 같은 기타 시스템에 대해서도 추가적인 골드 코드를 부여한다. 유닛 위치확인 장치를 표준 GPS 시스템에 통합하기 위해서는 유닛 위치확인 장치가 표준 GPS 시스템에 의해 이미 부여된 것이 아닌 골드 코드를 사용하는 것이 바람직하다. 골드 코드는 각각의 유닛 위치확인 장치가 고려중인 네트워크에 내에서 고유 ID를 갖는 것을 보장하기 위하여 각각의 유닛 위치확인 장치에 대해 동적으로 선택된다.
유닛 위치확인 장치는 네트워크 전반에 걸쳐 관련 GPS 및 NPS 정보를 전달하는 것이 요구된다.
통신되는 GPS 성분들은 (a) GPS 배열로부터 동기화하고 직접적인 범위를 정하기 위해서 사용되는 GPS 시간과, (b) 위성이 보이지 않는 환경에서 유닛 위치확인 장치를 "스카이 레디(sky ready)" 상태로 유지하기 위해서 사용되는 GPS 항해력 데이터이다.
통신되는 NPS 성분들은 (a) 임의의 GPS 및 NPS 클럭 보정을 포함하여 GPS 및 NPS를 동기화하기 위해서 사용되는 NPS 시간, (b) ECEF(Earth Centered Earth Fixed) 좌표로서 표현되는 유닛 위치확인 장치의 위치, (c) NPS/LADGPS/CDGPS 데이터 및 (d) NPS 동적 항해력 데이터(DAD)이다.
동적 항해력 데이터는 네트워크 전파 무결성을 위해 요구된다. 도 6을 참조하면 수 개의 유닛 위치확인 장치(602)는 NPS의 생성 및 전파가 요망되는 영역에 배치된다. 제 1 유닛 위치확인 장치(602-1)는 건물(603)을 경유해서 제 2 유닛 위치확인 장치(602-2)로부터 보이지 않게 된다. 그러나, 제 3 유닛 위치확인 장치(602-3)는 제 1 유닛 위치확인 장치(602-1)와 제 2 유닛 위치확인 장치(602-2) 양측 모두로부터 신호를 수신할 수 있다. 이것은 제 1 유닛 위치확인 장치(602-1)가 (말하자면) CDMA 골드 코드 33 상에서 송신을 시작하고, 제 2 유닛 위치확인 장치(602-2)가 또한 CDMA 골드 코드 33 상에서 송신 개시를 선택하는 경우에 잠재적인 CDMA 충돌을 야기시킬 수 있다. 다음에, 제 3 유닛 위치확인 장치(602-3)는 동일한 CDMA 골드 코드 상에서 2개의 유닛 위치확인 장치를 수신하게 될 것이다. 이러한 잠재적인 문제점은 "동적 항해력 데이터(DAD)"의 사용에 의해 제거될 수 있다.
종래의 GPS 시스템에 있어서 각각의 위성은 GPS 제어부로부터 업로딩된 것과 동일한 항해력 데이터를 송신한다. 이러한 항해력 데이터가 전체적인 현재의 GPS 배열에 대한 모든 위성 궤도 변수와 식별 번호를 묘사한다.
NPS 시스템은 각각의 유닛 위치확인 장치에 유일한 동적 항해력을 사용한다. 각각의 유닛 위치확인 장치에 의해 생성된 동적 항해력 데이터는 (a) 유닛 위치확인 장치 고유의 위치와 TDMA 슬롯 및/또는 CDMA 골드 코드 번호, (b) 다른 모든 고려중인 유닛 위치확인 장치에 대한 위치 데이터와 TDMA 슬롯 및/또는 CDMA 골드 코드 번호의 목록을 나타낸다. 네트워크에 통합하기 위해 요구되는 하나의 유닛 위치확인 장치는 송신할 적절한 TDMA 슬롯 및/또는 CDMA 골드 코드 번호를 결정하기 위해서 모든 고려중인 유닛 위치확인 장치로부터 동적 항해력 데이터를 조회한다. 이 DAD 프로토콜은 TDMA 슬롯 및/또는 CDMA 골드 코드 번호 충돌을 방지한다.
또한, 동적 항해력 데이터는 NPS의 신속한 검색 기능을 위한 고유 사용자 ID뿐만 아니라, 위성 및 유닛 위치확인 장치의 신속한 인식을 위한 유닛 위치확인 장치의 도플러 정보와 같은 기타 정보를 포함하는 것이 가능하다.
통신 목적용의 충분한 NPS 대역폭이 제공되면 유닛 위치확인 장치가 NPS 전반에 걸쳐 고유 사용자 데이터를 보내는 것이 가능하다. 이 데이터는 고유 사용자 ID, 위치 시간 등의 정보와 "지금 택시를 보내주십시요"는 등의 명령 기능을 포함할 수 있다. 정보는 중앙의 게이트웨이 서비스로 보내질 수 있으며, 이로써 위치에 기초한 사용자 요청이 수신되고 처리된다. 상기 예에서 택시 회사는 예약을 확인하는 응답을 발송하고, 택시의 도착에 대한 예상 대기 시간을 제공할 것이다. 정보는 또한 중앙 게이트웨이 서비스를 요구하지 않고 NPS를 통해 전달될 수도 있다. 이 정보는 네트워크 내에서 다른 유닛 위치확인 장치를 찾을 때 "찾기" 명령과 같은 기능을 포함할 수도 있다.
바람직한 신호 및 하드웨어 구조
유닛 위치확인 장치는 현존하는 GPS 기술과 호환성을 유지하는 것이 매우 유리하다. 이것은 현존하는 GPS 하드웨어의 최대한의 활용성을 보장하면서, 유닛 위치확인 장치 제조 및 축소화에 대한 비용을 최소화한다. NPS는 (a) 정현파 직접 순차 확산 스펙트럼 송신; (b) 1023비트 2위상 편이 키 변조된 의사난 "골드 코드(Gold code)"; (c) 1.023㎒의 치핑(chipping) 율; (d) 2위상 편이 키 변조된 내비게이션 메시지; (e) 표준 가속 기술 및 상관기 하드웨어; (f) L1 수신에 대한 표준 RF 수신기 설계; (g) 표준 GPS 컨트롤러 및 메모리 설계와 같은 기본 구성요소들을 결합함으로써 현존하는 GPS 구조와의 밀접한 연결을 유지한다.
그러나, 최초의 GPS 하부구조는 결코 지상 기반 위치확인 시스템을 통합하도록 설계되지 않았다. 널리 퍼져있는 지상 위치확인 네트워크의 구석구석까지 GPS 기술의 본질을 확장하기 위한 NPS에 대하여, 바람직한 실시예에서 기본적인 GPS 구성요소들은 다음과 같이 향상된다. (ⅰ) 광로 정수 다의성 분석 기술의 사용을 용이하게 하는, 유닛 위치확인 장치 수신 및 송신을 위한 주파수 오프셋, (ⅱ) 유닛 위치확인 장치 수신을 위한 증가된 수긴기 동적 범위, (ⅲ) 내비게이션 및 부가적인 통신 메시지를 위한 증가된 데이터 대역폭, (ⅳ) 부가적인 코드 분할 다중접속(CDMA) 골드 코드의 사용, (ⅴ) 유닛 위치확인 장치의 통합 및 전파를 위한 통신 프로토콜.
도 7을 참조하면, 3중 주파수 기준 수신기(702)와 2중 주파수 펄스 의사위성 송신기(703)를 포함하는, 이전에 기술된 유닛 위치확인 장치(701)의 바람직한 하드웨어 실시예가 도시되어 있다. 3중 주파수 기준 수신기(702)는 L1(1575.42㎒)상의 모든 GPS 위성과 2개의 지정된 의사위성 주파수(705)상의 모든 유닛 위치확인 장치 펄스 의사위성으로부터 C/A 의사난 코드를 수신할 수 있지만, 바람직하게는 2.4㎓의 ISM 대역에 한정되지 않는다. 3중 주파수 기준 수신기(702)는 데이터 링크(707)를 통해 함께 배치된 펄스 의사위성 송신기(703)에 위치확인 데이터를 송신한다. 계산된 위치는 또한 앞으로의 참조를 위해 비휘발성 메모리에 저장된다.
유닛 위치확인 장치 펄스 의사위성 송신기(703)는 바람직하게는 2.4㎓ ISM 대역에서 1.023㎒의 비율로 치핑된 2개의 개별적인 1023 비트 C/A 코드를 송신할 수 있는 2중 주파수 2위상 편이 키(BPSK) 송신기를 포함한다. 각각의 주파수(706)는 각각의 C/A 코드에 대해 BPSK 변조된 1000bps 내비게이션 메시지를 갖는다. 상기한 바와 같이, NPS 신호 구조의 바람직한 실시예는 최적의 호환성을 위해 GPS 신호와 밀접한 관련을 유지한다. 표준 GPS 내비게이션 데이터는 50bps의 속도로 송신된다. 통신 대역폭을 개선하기 위해, 바람직한 NPS 실시예는 반송파 당 1000bps의 대역폭을 사용한다. 이는 의사위성 당 2000bps 데이터 링크에 대한 접근을 제공한다. 게다가, 다른 실시예에서는 통신 대역폭을 보다 더 확장하기 위해 직각 위상 편이 키잉(QPSK) 또는 데이터 압축 기술이 사용될 수 있다.
바람직한 실시예의 유닛 위치확인 장치 의사위성은 광로 정수 다의성 분석 기술의 사용에 대해 2개의 주파수를 송신한다. 이들 주파수는 1575.42㎒의 GPS L1 주파수로부터 오프셋되는 ISM 대역내에서 송신된다. 이는 유닛 위치확인 장치 송신이 L1상의 표준 GPS 신호와 간섭하지 않는 것을 보장한다. ISM 대역에서의 송신의 다른 이점은 유닛 위치확인 장치가 특정한 규정 승인 없이 사용될 수 있다는 것이다.
바람직한 유닛 위치확인 장치는 GPS 위성으로부터 표준 GPS 50bps 내비게이션 메시지를, 유닛 위치확인 장치 의사위성으로부터 1000bps 내비게이션 메시지를, 광역 확대 시스템(Wide Area Augmentation System; WAAS) 위상으로부터 250bps 내비게이션 메시지를 복조할 수 있다. 이는 가능한 가장 정확하고 이음매 없는 결합을 가정하는 경우에 유닛 위치확인 장치가 모든 소스로부터 이용 가능한 데이터를 사용하는 것을 허용한다.
정지형 유닛 위치확인 장치 하드웨어가 특정한 배치 요구에 한정되지 않기 때문에, 유닛 위치확인 장치를 예를 들어 전원 소켓에 직접 꽂는 외관용기내에 제조하는 것이 가능하다. 이용 가능한 한정된 네트워크가 이미 존재한다고 가정할 때, 일단 플러그를 꽂으면, 유닛 위치확인 장치는 자동적으로 네트워크내에 결합한다.
네트워크 초기화
다시 도 5를 참조하면, 기준 수신기(503-1)와 함께 배치된 유닛 위치확인 장치 펄스 의사위성(504-1)으로 구성되는 제 1 유닛 위치확인 장치(502-1)는 GPS 위치를 스스로 검사하고, 평균화된 위치를 결정한다. 대안적으로 유닛 위치확인 장치는 정밀하게 주지된 위치에 배치된다. 이후에, 제 1 유닛 위치확인 장치의 기준 수신기(503-1)는 고려중인 506의 모든 GPS 신호 및 함께 배치된 펄스 의사위성 송신기(504-1)에 대하여 LADGPS/CDGPS 측정을 결정한다. 다음에, 평균화된 위치와 LADGPS/CDGPS 측정은 함께 배치된 펄스 의사위성 송신기(504-1)로부터 내비게이션 메시지에 송신된다.
제 2 유닛 위치확인 장치(502-2)는 제 1 유닛 위치확인 장치(502-1)의 범위내에 배치된다. 제 2 유닛 위치확인 장치의 기준 수신기(503-2)는 제 1 유닛 위치확인 장치 펄스 의사위성 송신기(504-1)로부터 GPS 위성 신호(506) 및 신호를 수신한다. 제 2 유닛 위치확인 장치(502-2)는 정확한 위치를 결정하기 위해 제 1 유닛 위치확인 장치 펄스 의사위성 장치(502-1)의 LADGPS/CDGPS 측정(507) 및 범위 신호를 사용한다. 이후에, 제 2 유닛 위치확인 장치(502-2)는 모든 고려중인 GPS 위성(501) 및 유닛 위치확인 장치(502)에 대한 LADGPS/CDGPS 측정을 결정한다. 다음에, 위치 및 LASGPS/CDGPS 측정은 함께 배치된 펄스 의사위성 송신기(504-2)로부터 내비게이션 메시지에 전송된다.
제 3 유닛 위치확인 장치(502-3)는 제 1 유닛 위치확인 장치(502-1) 및 제 2 유닛 위치확인 장치(502-2)의 범위내에 배치되고, 제 1 유닛 위치확인 장치(502-1) 및 제 2 유닛 위치확인 장치(502-2)와 동일한 방식으로 위치를 결정한다. 이 제 3 유닛 위치확인 장치(502-3)는 이제 선택을 위해 2세트의 LADGPS/CDGPS 측정을 갖는다.
제 4 유닛 위치확인 장치(502-4)는 제 1 유닛 위치확인 장치(502-1), 제 2 유닛 위치확인 장치(502-2) 및 제 3 유닛 위치확인 장치(502-3)의 범위내에 배치된다. 이제 제 4 유닛 위치확인 장치(502-4)는 이전의 3개의 유닛 위치확인 장치와 동일한 방식으로 자신의 위치를 결정한다. 이 제 4 유닛 위치확인 장치(502-4)는 이제 선택을 위해 3세트의 LADGPS/CDGPS 측정을 갖는다.
적어도 4개의 유닛 위치확인 장치가 초기화될 때, 네트워크는 "스카이뷰(skyview)"를 필요로 하지 않고 확장 및 전파를 시작할 수 있다. 이 때부터, 4개의 GPS 위성 또는 유닛 위치확인 장치의 조합의 범위에 있는 유닛 위치확인 장치는 자신의 위치를 결정할 수 있고, NPS를 계속 확장할 수 있다.
이제 도 8을 참조하면, 신중하게 배치되어 동작하는 4개 이상의 정지형 유닛 위치확인 장치들(802-1, 802-2, 802-3, 802-4)은 "도시 협곡" 및 빌딩내(804)와 같은 위성이 눈에 띄지 않는 환경에서 레인징(ranging) 신호들을 수신할 수 있다. 이는 적어도 4개의 유닛 위치확인 장치들(802-1, 802-2, 802-3, 802-4)의 관점에서는 존재하지만 모든 GPS 위성 신호(806)로부터는 잘 보이지 않는 유닛 위치확인 장치(803)가 자신의 위치를 결정할 능력을 갖는 것을 허용한다. 유닛 위치확인 신호 보급은 빌딩내(804)에서 한정될 수 있다. 그러나, 실내 유닛 위치확인 장치(803)가 위치 분석을 가지면, 다른 유닛 위치확인 장치들은 이 장치(803)로부터 스스로 통합하고 전파할 수 있고, NPS를 실내 환경으로 보다 깊숙히 확장할 수 있다. 이는 유닛 위치확인 장치의 "웹형" 구조의 개발을 허용한다. 이 웹형 네트워크 구조는 NPS가 양호한 기하학적 형태, 높은 신호 세기, 보다 관측이 가능한 레인징, 즉각적인 모호성 분석과 같은 이점을 얻고, 이들 모두는 매우 높은 정확도를 초래한다.
양호한 기하학적 형태는 위치의 정확한 결정 및 이후의 유닛 위치확인 장치의 성공적인 전파에 대해 가장 중요하다. 기하학적 형태는 "정밀의 기하학적 희박성"(GDOP)으로 알려진 단위 없는 용어로 측정된다. 기하학적 전파 오차는 높은 GDOP 상태의 유닛 위치확인 장치의 전파를 불가함으로써 엄격히 제어되는 것이 바람직하다. 또한, 임계는 과도한 GDOP 값을 갖는 유닛 위치확인 장치를 사용하지 않도록 개시되는 것이 바람직하다.
네트워크 구조의 예
NPS의 바람직한 예는 주위 환경의 요인에 따라 다른 많은 방법으로 단일 유닛 위치확인 장치가 자신의 위치를 결정하도록 허용한다.
유닛 위치확인 장치는 적어도 3개의 GPS 위성 신호로부터 레인징을 할 수 있는 자동 GPS 수신기로서 사용될 수 있다. 이것은 대략 100m 2dRMS의 위치 정확도를 생성한다.
유닛 위치확인 사용자 장치는 적어도 2개의 GPS 위성 신호로부터 레인징을 할 수 있고, 또한 수 m의 차분 위치 정확도를 발생하는 WAAS 차분 보정 위성으로부터 레인징을 할 수 있다.
유닛 위치확인 사용자 장치는 적어도 2개이 GPS 위성 신호로부터 레인징을 할 수 있고, 또한 다른 정지형 유닛 위치확인 장치로부터 레인징을 할 수 있다. 정지형 유닛 위치확인 장치는 다른 레인징 소스를 제공하고, 또한 m 단위의 위치 정확도에 대한 LADGPS 보정을 제공한다. 단일 정지형 유닛 위치확인 장치는 또한 초기 정수 사이클 모호성이 해결 가능하다면 CDGPS 보정을 제공할 수 있다. 이것은 종래의 위성 또는 모바일 유닛 위치확인 장치의 기하학적 형태 변경에 의해 달성될 수 있다.
유닛 위치확인 장치는 복수의 GPS 위성 신호로부터 레인징을 할 수 있고, 또한 도시 협곡과 같은 복수의 정지형 유닛 위치확인 장치로부터 레인징을 할 수 있다. 이 시나리오는 양호한 기하학적 형태를 갖는 충분한 레인징 소스를 제공한다. 5개의 2중 주파수 유닛 위치확인 장치에 접근하여, 단기 광로 반송파 위상 정수 모호성 분석이 실시될 수 있고, 이에 의해 ㎝ 정확도가 얻어진다.
대안 실시예
유닛 위치확인 장치는 자동적인 절대적 위치확인을 허용하기 위해 자동 시계와 같은 정밀 시간 표준을 포함할 수 있다. 이 실시예에서 유닛 위치확인 장치 시계는 감시될 필요가 있고, 네트워크 시간 무결성을 유지하기 위해 구현된 시간-전송 기술을 필요로 한다.
유닛 위치확인 장치는 쌍을 기준으로 통신할 수 있고, 따라서 상대적인 위치확인이 장치 사이에서 발생하도록 허용한다. 이 상대적인 위치확인 기술은 유닛 위치확인 장치의 네트워크까지 확장될 수 있고, 상대적인 유닛 위치확인 장치들의 웹형 구조가 형성되도록 한다.
모바일 유닛 위치확인 장치는 수신 전용 장치로 구성될 수 있다. 이 경우에 모바일 유닛 위치확인 장치는 3차원 위치 결정을 위해 적어도 4개의 다른 송신 유닛 위치확인 장치가 고려될 필요가 있다.
상기 구성은 본 발명의 설명을 위한 예로서 제공되었고, 또한 이 분야의 숙련된 자에게 명백한 바와 같이 본 발명의 다른 변형 및 수정은 모두 여기에 제시되는 본 발명의 일반적인 범위내에 포함된다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. a) 유닛 위치확인 장치가 전역 내비게이션 위성 시스템 위성과 다른 유닛 위치확인 장치로 구성되는 군에서 선택된 모든 고려중인 위치확인 신호를 결정하는 단계;
    b) 상기 유닛 위치확인 장치가 상기 위치확인 신호 중 어느 하나로부터 자신의 위치를 결정하는 단계; 및
    c) 상기 유닛 위치확인 장치가 자신의 위치확인 신호를 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유닛 위치확인 장치의 네트워크를 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    모든 유닛 위치확인 장치는 전역 내비게이션 위성 시스템과 동기되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    모든 유닛 위치확인 장치는 유닛 위치확인 장치의 위치를 나타내는 반송파 신호를 변조하는 송신수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    유닛 위치확인 장치는 전역 내비게이션 위성 시스템 위성 및 유닛 위치확인장치로 구성되는 군에서 선택된 변조된 반송파 신호를 수신하는 수신수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    유닛 위치확인 장치는 유닛 위치확인 장치의 위치를 결정하기 위한 범위 정보를 도출하기 위해 전역 내비게이션 위성 시스템 위성과 유닛 위치확인 장치로 구성되는 군에서 선택된 변조된 반송파 신호를 복조하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    유닛 위치확인 장치는 유닛 위치확인 장치들 중에서 분산을 위한 통신 데이터를 도출하기 위해 전역 내비게이션 위성 시스템 위성과 유닛 위치확인 장치로 구성되는 군에서 선택된 변조된 반송파 신호를 복조하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    유닛 위치확인 장치는 위치확인 정보를 개선하기 위한 차분 보정 데이터를 도출하기 위해 전역 내비게이션 위성 시스템 위성 및 유닛 위치확인 장치로 구성되는 군에서 선택된 변조된 반송파 신호를 복조하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    유닛 위치확인 장치는 반송파 위상 정수 사이클의 모호성 분석 기술의 사용을 허용하는, 반송파 신호를 변조하는 2중 주파수 송신수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    유닛 위치확인 장치는 반송파 위상 정수 사이클의 모호성 분석을 허용하기 위해 복수의 유닛 위치확인 장치로부터 변조된 2중 주파수 반송파 신호를 복조하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. a) 전역 내비게이션 위성 시스템 위성과 다른 유닛 위치확인 장치로 구성되는 군에서 선택된 위치확인 신호를 수신하는 수단,
    b) 상기 위치확인 신호로부터 범위 및 위치 계산을 실시하는 수단 및
    c) 고유 위치확인 신호를 송신하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유닛 위치확인 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고유 위치확인 신호의 송신을 펄스화하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 고유 위치확인 신호의 2중 주파수 송신을 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 위치확인 신호와 상기 고유 위치확인 신호의 3중 주파수 수신을 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    수신된 상기 위치확인 신호의 차분 보정을 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 고유 위치확인 신호의 2중 주파수 송신을 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 10 항에 있어서,
    수신된 상기 위치확인 신호와 상기 고유 위치확인 신호의 3중 주파수 수신을 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 10 항에 있어서,
    수신된 상기 위치확인 신호와 상기 고유 위치확인 신호의 반송파 위상 정수 사이클의 모호성 분석을 실시하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. a) 유닛 위치확인 장치가 전역 내비게이션 위성 시스템 위성과 다른 유닛 위치확인 장치로 구성되는 군에서 선택된 모든 고려중인 위치확인 신호를 결정하는 단계,
    b) 상기 유닛 위치확인 장치가 지정된 선택 기준에 의해 결정되는, 상기 다른 유닛 위치확인 장치들과의 관계를 결정하기 위해 상기 다른 유닛 위치확인 장치로부터 모든 고려중인 상기 위치확인 신호를 검사하는 단계,
    c) 상기 유닛 위치확인 장치가 상기 관계에 기초하여 고유 위치확인 신호를 선택하는 단계 및
    d) 상기 유닛 위치확인 장치가 상기 고유 위치확인 신호를 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유닛 위치확인 장치의 네트워크를 전파하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    모든 유닛 위치확인 장치는 전역 내비게이션 위성 시스템과 동기되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    유닛 위치확인 장치가 유닛 위치확인 장치 중에서 분산을 위한 통신 데이터를 도출하기 위해 전역 내비게이션 위성 시스템 위성과 유닛 위치확인 장치로 구성되는 군에서 선택된 변조된 반송파 신호를 복조하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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