KR20010100969A - 지피에스 시스템에서 빠른 지피에스 신호 포착 - Google Patents

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Abstract

GPS C/A 코드의 빠른 포착을 위한 향상된 코드 포착 구성(scheme)은 GPS 신호를 빨리 검출할 수 있게 하며, 그 결과 무선 단말기는 보다 짧은 시간 주기내에 그 위치를 결정한다. 구성은 주파수 영역과 시간 영역 코드 포착 기술의 결합이다. 구성은 주파수 영역 코드 포착 기술을 이용하여 하나의 GPS 신호를 검출하고 무선 단말기에서 정확한 타이밍 기준을 만들며, 다음으로 시간 영역 코드 포착을 이용하여 동일한 위성 또는 다른 위성으로부터 빨리 다른 GPS 신호를 검출한다. 구성은 무선 단말기에서 정확한 타이밍 기준을 유지하는 요구 없이도 그리고 주파수 영역 코드 포착 기술을 이용하는 시스템내에서 보통 필요로 하는 대량의 계산 자원을 요구하지 않고도 임의의 무선 통신 시스템에 사용될 수 있다는 이점을 갖는다.

Description

지피에스 시스템에서 빠른 지피에스 신호 포착{Fast GPS signal acquisition in GPS systems}
본 발명의 분야
본 발명은 위성 네비게이션 시스템에 관한 것이며, 특히, 신호 검출 감도를 강화하기 위해 무선 통신 기술을 사용하는 위성 네비게이션 시스템에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 전후 참조
본 출원의 주요 문제는 대리인 처리 예정 번호 Vannucci 26으로 1997년 9월 11일자로 제출된 미국 특허 출원 번호 제 08/927,432 호와 대리인 처리 예정 번호 Richton 2-27로서 1997년 9월 11일자로 제출된 미국 특허 출원 번호 제 08/927, 434 호와 관련되며, 이 두건의 기술은 본원에 참조로 포함된다.
관련 기술의 설명
GPS(Global Positioning System)와 같은, 위성 네비게이션 시스템은 무선 단말기의 위치를 결정하기 위해 무선 단말기에 사용될 수 있는 GPS 신호를 전송하는 한 성좌(constellation)의 위성을 포함한다. 신호가 지구상의 임의의 위치에서 적어도 4개의 위성으로부터 수신될 수 있도록 하기 위해 위성의 궤도는 다수의 평면에 배치된다. 보다 전형적으로, 신호는 지구의 표면상에 기껏해야 평면에서 6개 또는 8개의 위성으로부터 수신된다.
도 1은 GPS 시스템(100)의 종래 기술을 도시한다. 종래 기술 시스템(100)에서, 위성 성좌의 하나 이상의 위성(101)은 무선 단말기(103)에 의해 수신된 GPS 신호(102)를 전송한다. 기술상 공지된 바와 같이, 위치 결정 동작은 3개 이상의 위성으로부터 GPS 신호(102)를 수신함으로써 실행된다. 위치를 결정하는 기본적인 방법은 각 위성에 대한 시간차를 알고 있는데 기초한다. 위성에 대한 시간차는 무선 단말기(103)에 의해 수신될 위성에서 시작된 GPS 신호(102)에 요구된 시간이다. 3개의 위성으로부터 GPS 신호(102)가 동시에 수신되는 경우, "2차원" 위치(위도 및 경도)가 결정될 수 있다. GPS 신호(102)가 4개 이상의 위성으로부터 동시에 수신되는 경우, "3차원" 위치(위도, 경도 및 고도)가 결정될 수 있다.
무선 단말기(103)는 전형적으로 GPS 안테나(107)를 통해 GPS 신호(102)를 수신하는 GPS 수신기(105)를 포함한다. "의사거리(pseudorange)"로 불리는, 측정된 거리는 GPS 수신기(105)와 대응하는 신호 전파 시간에 기초한 각 위성들 사이에서 결정된다. 전형적으로 위성상에 상호 동기화된 클록과 GPS 수신기(105)내의 로컬클록간의 시간 오프셋이 있기 때문에, 측정된 거리는 의사거리로 불린다. 3차원 위치를 결정하기 위해서는, 적어도 4개의 GPS 신호가 무선 단말기(103)의 3차원 위치와 시간 오프셋을 나타내는 4개의 미지수를 해결하는데 필요하다.
위성으로부터 전송된 GPS 신호의 특징은 기술상 공지되어 있다. 각 위성은 2개의 확산 스펙트럼, L1 및 L2 신호로 불리는 L 대역 반송파 신호를 전송한다. 전리층(ionosphere)에 의해 전송된 신호의 굴절로 인해 발생할 수도 있는 에러를 제거하는데 바람직한 경우 2개의 신호가 요구된다. 각 위성에서 L1 신호는 직교 위상(phase quadrature)에서 2개의 PN(pseudorandom noise) 코드에 의해 BPSK(binary phase shift key) 변조된다. PN(pseudorandom noise) 코드 시퀀스는 어느 숫자가 이미 수신되었는지에 대한 지식이 다음에 수신된 숫자를 예측하는데 도움을 주지 않는 의미에서의 랜덤인 일련의 숫자이다. 또한, 반송파 신호의 위상을 변조하기 위해 이진 PN 코드를 사용하는 것은 억제된 반송파 확산 스펙트럼 신호(suppressed carrier spread-spectrum signal)를 산출한다. 각 위성으로부터의 L2 신호는 PN 코드들 중 단지 한 PN 코드에 의해 BPSK 변조된다. PN 코드의 사용은 다수의 GPS 신호의 동시 사용이 수신기의 위치를 결정하고 위성의 특정 네비게이션 정보를 제공하는 것을 허용한다. 특정 위성에 의해 전송된 GPS 신호는 상기 특정 위성용의 PN 코드를 발생시키고, 정합시키고, 상관시킴으로서 선택된다. 몇몇 PN 코드들은 공지되며, 발생되고, 또는 GPS 수신기(105)내에 저장된다. 또 다른 PN 코드는 공개적으로 공지되어 있지 않다.
각 위성용으로 제 1 공지된 PN 코드는 C/A(coarse acquisition) 코드이다.각 위성용으로 제 2 공지된 PN 코드는 P(precision) 코드이다. C/A 코드는 빠른 GPS 신호 포착을 용이하게 하고 P 코드로 넘겨준다. C/A 코드는 상대적으로 짧고 코올스 무늬(coarse-grained)의 코드이다. C/A 코드는 이것이 반복되기 전 상대적으로 짧은 길이를 갖는다. 반면에 P 코드는 상대적으로 길고 섬세한 무늬(fine-grained)의 코드이다. 전체 P 코드는 259일의 길이를 가지며, 각 위성은 전체 P 코드의 유일한 부분을 전송한다. 소정의 위성에 의해 전송된 P 코드의 일부는 부분이 반복되기 전에 정확히 한 주의 길이를 갖는다.
GPS 수신기(105)에서, 공지된 C/A 및 P 코드에 대응하는 신호는 위성에서와 동일한 방식으로 발생될 수 있다. 소정 위성으로부터 L1 및 L2 신호는 위상을 정렬시킴으로써, 즉 장소상 발생된 코드의 타이밍을 위성으로부터 수신된 것들과 함께 조정함으로써 복조된다. 위상 정렬을 이루기 위해, 장소상 발생된 코드 복제는 결과로 생기는 출력 신호가 피크에 도달할 때까지 수신된 GPS 신호와 함께 상관된다. PN 코드 시퀀스 각각의 특정 비트가 위성으로부터 전송되는 시간이 규정되기 때문에 특정 비트의 수신 시간은 위성에 대한 거리 측정에 사용될 수 있다. C/A 및 P 코드가 각 위성에 유일하기 때문에, 특정 GPS 위성은 수신된 GPS 신호들간의 상관 결과와 장소상 발생된 C/A 및 P 코드 복제에 근거하여 규정될 수 있다. C/A 및 P 코드를 발생시키는 방법은 공공연하게 각종 이용 가능한 공표에서 설명된다.
L1 신호의 C/A 코드 성분은 상업적인 사용에 제공된다. 각종 기술은 GPS 수신기내의 C/A 코드를 복제하기 위해 계발되었다. 대략적으로 밀리초마다 한번 C/A 코드의 복제의 결과로서, GPS 수신기에서 상관은 각 C/A 코드 비트의 전송 시간에대한 정확한 지식의 부재시 실행될 수 있다. P 코드의 포착은 C/A 코드상에 처음 락(lock)됨으로써 일반적으로 포착된다. C/A 코드가 포착되자마자, 단지 L1 신호 반송파만의 C/A 코드 변조된 반송파 성분은 만족스러운 측정을 허용한다. 그러나, 고해상도 측정이 빨리 이루어지는 것을 바랄 때, L2 반송파 신호가 또한 사용되어야 한다. L1 및 L2 반송파의 알려지지 않은 대기상의 지연은 L1 및 L2 반송파 둘 다가 사용될 때 결정될 수 있다.
GPS 신호는 각 코드, P 코드 및 C/A 코드 둘 다의 장소상 발생된 복제와 함께 각 인입 신호를 상관함으로써 회복될 것이다. 이러한 상관의 결과는 GPS 신호내의 반송파가 변조 신호가 P 코드 또는 C/A 코드를 정합하는 PN 코드 시퀀스일 때 전적으로 회복된다. 장소상 발생된 PN 코드는 인입 신호와 함께 최적 상관을 제공하기 위해 시간내에서 조정된다. 다음으로 상관 출력은 반송파 주파수에서 단일 협대역 피크 중심에 있다. 상관에 의해 회복된 반송파는 최상의 이용 가능한 신호 대 잡음비를 제공한다.
GPS 네비게이션 성능을 이루기 위한 핵심은 이 GPS 신호의 코드 포착을 달성하기 위해 하나 이상의 GPS 신호의 처리이며, 그 신호들 각각은 C/A 코드를 전송한다.
C/A 코드 포착 처리에 대해서는 2가지의 통상적으로 공지된 접근법이 있다: 주파수 영역에서의 코드 포착 및 시간 영역에서의 코드 포착. 주파수 영역 코드 포착 구성은 FFT(fast Fourier transformation)에 근거한다. GPS C/A 코드에 대한 칩속도는 1.023㎒이므로, 시간 영역 코드 포착 구성은 한 칩내의 또는 동등하게는한 마이크로초에 대한 로컬 복제된 코드와 함께 인입 GPS 코드를 정렬하는 처리이다.
시간 영역내에서 코드 포착을 달성하기 위한 통상적인 무선 단말기에 대해, 상관 절차는 전형적으로 다수 번 구현되며, 각 구현은 하나의 가능한 도플러 주파수에서 하나의 가능한 코드 위상을 검색한다. C/A PN 코드내에 1023 칩의 합계가 있으며, GPS 신호의 도플러 주파수 거리는 (-5000,+5000)㎐이다. 결과적으로, 코드 위상 검색 단계의 최대 수는 2046이며, 반면에 도플러 검색 단계의 최대 수는 200이다. 각 검색 단계에 대해, 하나는 반칩(half-chip)에 의해 코드 위상을 증가시킬 수 있거나, 또는 하나는 500㎐에 의해 도플러 주파수를 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 포착 시간은 반송파 주파수 검색 단계의 수와 코드 위상 검색 단계의 수의 곱에 비례한다.
위성 도플러 주파수가 공지되거나 또는 예측될 수 있는 경우, 이들은 시간 영역과 주파수 영역의 접근법 둘 다에 대한 신호 검출 포착을 감소시키기 위해 이용될 수 있다. 위성 코드 위상 또는 거리가 공지되거나 또는 예측될 수 있는 경우, 그들은 무선 단말기가 정확한 타이밍 기준을 이루는데 제공되는 시간 영역 코드 포착 구성에 유용할 수 있다. 그러나, 주파수 영역 코드 포착 구성은 위성 코드 위상 정보에 따르지 않으며 그리하여 시간 영역 코드 포착 접근법보다 큰 계산상의 짐을 무선 단말기에 지운다. 게다가, 주파수 영역 코드 포착 구성을 이용하는 무선 단말기는 그 위치를 찾기 위해 보다 긴 시간이 걸린다.
GPS C/A(coarse acquisition) 코드의 보다 빠른 포착을 위한 향상된 코드 포착 구성이 제안된다. C/A 코드의 보다 빠른 포착은 GPS 신호를 보다 빨리 검출할 수 있게 하며, 그 결과 무선 단말기는 짧은 시간 주기 내에서 그 위치를 결정할 수 있다. 제안된 구성은 시간 영역 코드 포착 구성과 주파수 영역 코드 포착 구성의 결합이다. 제안된 구성은 주파수 영역 코드 포착 기술을 이용하여 하나의 GPS 신호를 검출하며 정확한 타이밍 기준을 만들고 다음으로 시간 영역 코드 포착 기술을 이용하여 보다 빠른 동일 위성 또는 다른 위성으로부터 다른 GPS 신호를 검출한다. 제안된 구성은 무선 단말기에서 정확한 타이밍 기준을 유지할 필요가 없고, 주파수 영역 코드 포착 구성을 이용하는 시스템 내에서 보통 요구되는 대량의 계산적 자원의 요구 없이도 임의의 무선 통신 시스템에 사용될 수 있다는 이점을 갖는다.
본 발명의 한 구현에 따라, 무선 또는 지상 통신선 링크를 통해 무선 단말기와 통신하는 무선 GPS 정보 서버(WGIS)가 제공된다. WGIS는 보이는 곳의 모든 위성에 대한 정보를 유지한다. 이 정보는 대응하는 GPS 신호로 변조된 각 위성 네비게이션 데이터를 포함한다. 다음으로 WGIS는 네비게이션 데이터 스트림과 복조된 네비게이션 데이터의 공지된 특징을 이용하여 하나 이상의 코드 위상(또는 동등하게는 예측된 거리) 및 하나 이상의 도플러 주파수를 예측한다. 다음으로 서버는 예측된 코드 위상과 예측된 도플러 주파수를 무선 단말기에 전송한다.
무선 단말기는 주파수 영역에서 통상의 코드 포착 기술에 의해 적어도 하나의 GPS 신호를 검출한다. WGIS로부터 수신된 예측된 도플러 주파수는 주파수 검색 빈(bin)을 좁힘으로써 검출 처리를 돕는다. 위성으로부터 GPS 신호의 검출 후, 무선 단말기로부터 위성까지의 의사거리 또는 GPS 신호의 코드 위상이 측정된다. 다음으로 WGIS로부터 수신된 이전의 예측된 코드 위상과 실제 측정된 코드 위상간의 차가 계산된다. 다음으로 코드 위상들간의 차는 공지된 GPS 신호 주파수에 근거하여 시간 유닛으로 변환된다. 예를 들어, 코드 위상의 1023칩은 시간의 1ms와 같다. 다음으로 정확한 타이밍 기준은 계산된 시간 유닛에 의해 무선 단말기의 시간 기준을 조정함으로써 확립된다.
다음으로 무선 단말기는 시간 영역 코드 포착 기술을 적용하기 위해 정확한 시간 기준을 사용하여 상대적으로 짧은 시간 내에 동일 위성 또는 다른 위성으로부터 다른 GPS 신호를 검출한다. 이 다른 GPS 신호는 GPS 신호 또는 다음의 GPS 신호 이전에 저장될 수 있다. 일반적으로, WGIS는 무선 단말기에 50㎐보다 작은 에러를 갖는 위성 도플러 주파수를 제공한다. 이와 같이, 무선 단말기는 코드 포착 처리에서 더 이상 모든 가능한 주파수 단계를 시도할 필요가 없다. 포착 시간은 코드 위상 검색 단계의 실제 수에 비례하여 감소된다. 게다가, WGIS는 무선 단말기에 위성의 코드 위상 정보를 제공하고 이와 같이 무선 단말기는 타이밍 정확도에 의해 규정된 가능한 코드 위상 내에서 단지 검색할 필요가 있다. 그러므로, 무선 단말기는 보다 빠른 코드 포착 및 보다 낮은 계산 요구의 이점을 갖는다. 예를 들어, 무선 단말기가 몇 마이크로 초의 레벨에 대한 정확한 로컬 타이밍 기준이 확립되는 경우, 무선 단말기는 단지 몇몇 코드 위상 칩내의 GPS 신호를 검색할 필요가 있으며, 그 결과 상대적으로 짧은 시간 주기 내에서 무선 단말기는 다음 GPS 신호를 포착할 수 있다.
대안적 구현에서, 코드 위상과 도플러 주파수 예측 특성은 무선 단말기 내에 제공된다. 이 실시예에서, WGIS는 GPS 신호를 수신하고, GPS 신호로 변조된 네비게이션 데이터를 복조하고, 복조된 네비게이션 데이터를 무선 단말기로 전송한다. 무선 단말기는 WGIS로부터 복조된 네비게이션 데이터를 수신하고 코드 위상과 도플러 주파수를 예측한다. 주파수 영역내의 GPS 신호의 검출, 실제 코드 위상의 측정, 예측된 코드 위상과 실제 코드 위상의 비교, 두 코드 위상들간의 차 계산, 코드 위상들간의 차를 시간 유닛으로 변환, 정확한 타이밍 기준의 확립, 및 시간 영역에서 다른 GPS 신호의 검출에 대한 남은 단계는 제 1 실시예에서와 동일하다.
본 발명의 다른 양태, 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명, 첨부된 청구항 및 첨부한 도면으로부터 보다 완전히 명백해질 것이다.
도 1은 종래 기술의 위성 네비게이션 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 무선 위성 네비게이션 시스템을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제 1 구현에 따라 무선 GPS 정보 서버(WGIS)의 주요 구성 요소를 도시한 블록도.
도 4는 본 발명의 제 1 구현에 따라 무선 단말기의 주요 구성 요소를 도시한 블록도.
도 5는 본 발명의 제 2 구현에 따라 WGIS의 주요 구성 요소를 도시한 블록도.
도 6은 본 발명의 제 2 구현에 따라 무선 단말기의 주요 구성 요소를 도시한 블록도.
도 7은 본 발명의 제 1 구현에 포함된 각종 단계들을 도시한 흐름도.
도 8은 본 발명의 제 2 구현에 포함된 각종 단계들을 도시한 흐름도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : GPS 시스템 101 : 위성
103, 203 : 무선 단말기 105, 301, 401, 601 : GPS 수신기
200 : 무선 위성 네비게이션 시스템 204 : 원격 통신 링크
205 : 무선 GPS 정보 서버(WGIS) 209 : GPS 안테나
303, 503 : 코올스(coarse) 위치 예측기
305, 505 : 위성 가시도 예측기
307, 609 : 도플러 예측기 309, 611 : 코드 위상 예측기
311, 511 : 원격 통신 시스템 매니저
313, 407, 513, 607 : 원격 통신 트랜시버
403, 603 : 프로세서 405, 605 : 타이밍 교정기
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 무선 위성 네비게이션 시스템(200)을 도시한다. 무선 위성 네비게이션 시스템(200)은 통상의 위성 성좌(즉, 다수의 GPS 위성(101)), 무선 단말기(203), 및 무선 GPS 정보 서버(WGIS)(205)를 포함한다. 위성 성좌(101)는 바람직하게는 GPS 시스템이며, 이 GPS 시스템은 기술상 공지되어 있다. 당업자는 GPS 시스템 이외의 위성 네비게이션 시스템의 맥락에서 본 발명을 실현하는 방법을 알 것이다.
WGIS(205)는 원격 통신 링크(204)를 통해 무선 단말기(203)와 통신하며, 이 원격 통신 링크(204)는 무선 링크 또는 지상 통신선 링크이다. 예시적 실시예의 한 목표는 정확한 타이밍 기준을 만들어서 시간 영역 코드 포착(time-domain code-acquisition) 처리가 무선 단말기가 달리 정확한 타이밍 기준을 유지하지 않는 시스템에서도 적용될 수 있도록 하는 것이다.
예시적 실시예에 따라, 무선 단말기(203)의 신호 포착 및 신호 처리 요구는 WGIS(205)의 사용에 의해 감소된다. 특히, 통상의 무선 단말기에 요구되는 GPS 코드 포착 및 GPS 신호 처리의 일은 무선 단말기(203) 및 WGIS(205) 사이에 분배된다. 부분적으로 처리된 신호 정보는 무선 단말기(203)와 WGIS(205) 사이의 일을 처리하는데 바람직한 분배를 이루기 위해 요구되는 바와 같이 2개의 직통 원격 통신 링크(204) 사이의 앞뒤로 교환될 것이다.
각 위성(101)에 의해 전송된 GPS 신호가 클록 타이밍에 대한 정보뿐만 아니라 위성의 위치 데이터를 전송하기 때문에, 무선 단말기(203)와 WGIS(205) 사이의 처리 일을 분배하는 것이 가능하다. 특히, GPS 신호는 예를 들어, 셀룰라 전화의 라디오 신호가 음성 데이터와 변조되는 방법과 유사한 방식으로 디지털 정보와 변조된다. 이러한 정보는 그렇게 하는데 적합한 임의의 수신기에 의해 검출되고 복조될 수 있다. 수신기에 의해 재구성된 위치 데이터는 전송기에 의해 신호로 변조된 정확한 복사 정보이며(잡음, 왜곡 등으로 인해 가능한 에러를 제외한), 그 위치에 상관없이, 모든 수신기에 동일하다. 이 위치 데이터는 "위성의 추산 위치표(ephemeris)에 대한 정보"로 불린다.
GPS 시스템에서, 또한 GPS 신호의 타이밍에 중요한 정보가 있다. 무선 단말기에 의해 수신된, 신호의 타이밍은 전송 위성과 무선 단말기간의 거리에 대한 정보를 전송하므로, 전송 위성은 몇 개의 정확한 기준에 따라 전송된 GPS 신호의 타이밍을 주의하여 조정한다. 이러한 정보는 한 무선 단말기에서 또 다른 무선 단말기까지 다르며, 무선 단말기 자체에서 단지 이용 가능하다. 이 정보는 "거리 정보"로 불린다.
예를 들어, 각 위성(101)이 무선 단말기(203)와 WGIS(205) 둘 다에 대한 2가지 종류의 정보를 포함하는 GPS 신호(102)를 전송하므로, 위성의 추산 위치표(ephemeris)에 대한 몇몇 또는 모든 정보는 WGIS(205)에 의해 포착된 거리 정보가 WGIS(205)의 위치와 관련되며 무선 단말기(203)의 위치와 무관하다 하더라도 WGIS(205)에 의해 포착될 수 있다.
그러나, WGIS(205)는 무선 단말기(203)의 위치에 대한 대략적인 지식(예를 들어, 무선 단말기가 위치하는 셀 및 섹터에 대한 지식을 통해)을 가질 수도 있다. 그러므로, WGIS(205)는 이 지식과 포착된 거리 정보를 결합시킬 수도 있으며, 이 지식과 위성의 추산 위치표(ephemeris)를 결합시켜 무선 단말기(203)에 대한 거리 정보를 예측할 것이다(특히, 무선 단말기(203)에 대한 코드 위상 및 도플러 주파수를 예측). 위성의 추산 위치표(ephemeris)와 함께, 이 예측은 원격 통신 링크(204)를 통해, 무선 단말기(203)로 전송되어 무선 단말기(203)를 도와서 다른 GPS 신호에 대한 신호 포착 시간을 감소시킬 것이다.
무선 단말기(203)가 위성의 추산 위치표(ephemeris)에 대한 몇몇 또는 모든 정보를 포착하는 일로부터 벗어나고 거리 정보에 대한 예측을 다행스럽게도 갖기 때문에, 무선 단말기(203)는 정확한 타이밍 기준을 만들기 위해 예측된 정보를 사용할 수 있으며 다음으로 시간 영역 코드 포착 기술을 이용함으로써 상대적으로 짧은 시간 주기 내에서 다른 GPS 신호를 포착할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 1 구현에 따른 WGIS(205)의 주 구성요소를 도시하는 블록도이다. 이 실시예에서, WGIS(205)는 GPS 안테나(209), GPS 수신기(301), 코올스(coarse) 위치 예측기(303), 위성 가시도 예측기(305), 도플러 예측기(307), 코드 위상 예측기(309), 원격 통신 시스템 매니저(311) 및 원격 통신 트랜시버(313)를 포함한다.
일반적으로, C/A(Coarse Acquisition) 코드 및 가능하게는 P(Precision) 코드를 사용하는 이미 공지된 방식으로, 각 위성으로부터 수평상의 거리 정보 및 위성의 추산 위치표(ephemeris)에 대한 정보 둘 다를 얻기 위해, WGIS(205)는 그 GPS 수신기(301)를 사용한다(또는 대안적으로 GPS 수신기(도시되지 않음)의 네트워크). 거리 및 위성의 추산 위치표(ephemeris) 정보를 얻는 처리에서, WGIS(205)는 다른 것들:1) 각 위성으로부터 50bps 변조된 비트 스트림, 2) 수평상(단말기에 상대적)에 있는 동일한 위성, 3) 각 위성으로부터(즉, 각 위성에 의해 전송된 PN 코드의 정확한 타이밍) PN 동기, 4) 각 위성과 관련된 도플러 이동 사이에서, 그 GPS 수신기(301)로부터 결정한다.
WGIS(205)가 지역을 "셀"이라 불리는 다수의 격자 모양의 영역으로 분할하는 무선 원격 통신 시스템의 부분일 때, WGIS(205)는 무선 단말기(203)가 셀 내에 있음을 알며 그러므로 몇 마일 내의 그 위치를 안다. 원격 통신 시스템 매니저(311)는 무선 단말기(203)가 위치하는 셀에 대한 코올스(coarse) 위치 예측기(303)를 통지한다. 코올스(coarse) 위치 예측기(303)는 원격 통신 시스템 매니저(311)로부터정보를 사용하여 무선 단말기(203)의 위도 및 경도의 위치를 예측한다.
수평의 위성(101)에서의 각 GPS 신호에 대해, GPS 수신기(301)는 신호의 정확한 도착 시간(즉, 그 PN 동기)을 결정한다. GPS 수신기(301)는 각 포착된 신호를 복조하여 그 50 bps 변조된 비트 스트림을 회복한다. 위성 가시도 예측기(305)는 수신된 변조된 비트 스트림으로부터 위성 추산 위치표(ephemeris) 정보를 추출하고 위성이 코올스(coarse) 위치 예측기(303)에 의해 발생된 예측된 위도 및 경도에 근거하여 그 위치에 무선 단말기(203)를 볼 수 있도록 평가한다. 도플러 예측기(307)는 무선 단말기의 예측된 위도 및 경도에 근거하여 무선 단말기(203)에 대한 도플러 주파수가 예측된다. 유사한 방식으로, 코드 위상 예측기(309)는 50bps 변조된 비트 스트림으로부터 추출된 위성 추산 위치표(ephemeris) 정보에 근거하여 무선 단말기(203)에 대한 코드 위상을 예측한다.
WGIS(205)에 의해 처리된 적어도 하나의 GPS 신호에 대해, 원격 통신 트랜시버(313)는 원격 통신 채널(204)을 통해 무선 단말기(203)에 전송한다: 1) 예측된 코드 위상, 2) 예측된 도플러 주파수, 및 3) 복조된 50bps 변조된 비트 스트림. 총괄하여, 이 정보는 "네비게이션 메시지 데이터"로 공지된다.
도 4는 무선 단말기(203)의 주 구성성분을 도시하는 블록도이며, 이 무선 단말기는 GPS 안테나(207), GPS 수신기(401), 프로세서(403), 타이밍 교정기(405) 및 원격 통신 트랜시버(407)를 포함한다. 바람직하지만, 반드시 필연적이지는 않게, 무선 단말기(203)는 전형적인 무선 단말기(예를 들어, 셀룰러 전화)와 관련된 모든 기능을 실행할 수 있다. 게다가, 무선 단말기는 바람직하게도 WGIS(205)와 함께양방향 통신 특성을 가질 수 있다. WGIS(205)로부터 전송된 네비게이션 메시지 데이터는 원격 통신 트랜시버(407)를 통해 무선 단말기(203)에 의해 수신되며, 이 원격 통신 트랜시버는 네비게이션 메시지 데이터를 프로세서(403)에 보낸다. 무선 단말기(203)는 GPS 수신기(401)를 통해 가시적인 위성으로부터 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 C/A 코드 신호를 또한 수신한다. 다음으로 무선 단말기(203)는 WGIS(205)에 의해 제공된 위성 도플러 주파수에 의해 도움이 되는 통상의 주파수 영역 코드 포착 기술을 이용하는 GPS 신호들 중 한 신호를 검출한다.
프로세서(403)는 검출된 GPS 신호와 관련된 실제 코드 위상을 계산한다. 다음으로 프로세서(403)는 실제 코드 위상을 WGIS(205)에 의해 공급된 예측된 코드 위상과 비교하여 실제 코드 위상과 예측된 코드 위상간의 차를 계산한다. 다음으로 프로세서(403)는 시간 유닛에 대한 코드 위상들간의 차를 변환하고 타이밍 교정기(405)에 그 정보를 전송한다. 타이밍 교정기(405)는 계산된 타이밍 유닛에 의해 무선 단말기에서 유지된 로컬 클록의 타이밍을 조정하여 정확한 타이밍 기준을 만든다.
다음으로 무선 단말기는 다른 GPS 신호를 검출하기 위해 시간 영역 코드 포착 기술을 이용할 수 있으며, 다른 GPS 신호는 동일한 위성 또는 상이한 위성에 대응한다.
도 5는 본 발명의 제 2 구현에 따라, WGIS(205)의 주 구성성분을 도시한다. 이 구현에서, WGIS(205)는 GPS 안테나(209), GPS 수신기(501), 코올스(coarse) 위치 예측기(503), 위성 가시도 예측기(505), 원격 통신 시스템 매니저(511) 및 원격통신 트랜시버(513)를 포함하며, 이 각각은 도 3의 제 1 구현에서의 WGIS(205)의 대응하는 구성요소와 동일한 기능을 실행한다. 그러나, 이 제 2 구현에서, 원격 통신 트랜시버(513)는 복조된 50bps 비트 스트림과 무선 단말기의 예측된 위치를 원격 통신 링크(204)를 통해 무선 단말기(203)에 전송한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 무선 단말기(203)의 주 구성요소를 도시한다. 무선 단말기(203)는 GPS 안테나(207), GPS 수신기(601), 프로세서(603), 타이밍 교정기(605), 원격 통신 트랜시버(607), 도플러 예측기(609) 및 코드 위상 예측기(611)를 포함한다. 원격 통신 트랜시버(607)는 복조된 50bps 비트 스트림과 WGIS(205)로부터 대략적인 무선 단말기 위치를 수신하고, 예측기(609 및 611)는 이 정보를 이용하여 코드 위상 및 도플러 주파수를 각각 예측한다.
GPS 수신기(601)는 주파수 영역 코드 포착 기술을 이용하여 GPS 신호를 검출하고 그것을 프로세서(603)에 전송하며, 이 프로세서는 실제 코드 위상을 결정한다. 다음으로 프로세서(603)는 예측된 코드 위상과 실제 코드 위상을 비교하여 코드 위상간의 차를 결정한다. 다음으로 프로세서(603)는 시간 유닛에 대한 차를 변환하고 타이밍 교정기(605)는 무선 단말기에서 로컬 클록을 조정함으로써 정확한 타이밍 기준을 만든다.
도 7은 도 3 내지 도 4에 대응하는 본 발명의 제 1 구현에 따라 GPS 신호를 포착하는데 수반되는 각종 단계들을 도시하는 흐름도이다. 이 방법에서, WGIS는 GPS 신호(단계 701)를 수신하여 위성의 추산 위치표(ephemeris) 정보(단계 703)를 결정한다. WGIS는 또한 그 셀과 섹터(단계 705)에 근거하여 무선 단말기의 대략적인 위치를 계산한다. 다음으로, WGIS는 무선 단말기(단계 707)에 대한 코드 위상과 도플러 주파수를 예측한다. 다음으로 WGIS는 예측된 코드 위상과 예측된 도플러 주파수를 무선 단말기(단계 709)에 전송한다.
무선 단말기는 예측된 코드 위상과 도플러 주파수를 수신하고 그 GPS 수신기에 의해, 주파수 영역 코드 포착 기술을 이용하는 대응하는 위성으로부터 GPS 신호를 결정한다(단계 711). 예측된 도플러 주파수는 GPS 신호의 검출을 돕는다. 다음으로 무선 단말기는 검출된 GPS 신호와 관련된 실제 코드 위상을 계산한다(단계 713). 다음으로 무선 단말기는 실제 코드 위상과 예측된 코드 위상을 비교하여 코드 위상들간의 차를 구하여 얻는다(단계 715).다음으로 무선 단말기는 시간 유닛에 대한 코드 위상 차를 변환하고(단계 717) 정확한 타이밍 기준을 만들기 위해 계산된 시간 유닛에 의한 그 타이밍을 조절한다(단계 719). 다음으로 무선 단말기는 시간 영역 코드 포착 기술을 이용하는 다른 GPS 신호들을 검출할 수 있다(단계 721). 다른 GPS 신호는 동일한 위성 또는 상이한 위성에 대응할 수도 있다.
도 8은 도 5 내지 도 6에 대응하는 본 발명의 제 2 구현에 수반되는 각종 단계를 도시한다. WGIS는 GPS 신호(단계 801)를 수신하여 위성의 추산 위치표(ephemeris) 정보를 결정한다(단계 803). WGIS는 또한 무선 단말기(단계 805)의 대략적인 위치를 계산한다. 다음으로 WGIS는 위성 추산 위치표(ephemeris)와 대략적인 위치 정보를 무선 단말기에 전송한다.
무선 단말기는 위성 추산 위치표(ephemeris)와 대략적인 위치 정보를 이용하여 코드 위상과 도플러 주파수를 예측한다(단계 809). 무선 단말기는 또한 주파수영역 코드 포착 기술을 사용하여 GPS 신호를 검출하고(단계 811) 실제 코드 위상을 계산한다(단계 813). 도 8에서의 단계 815 내지 단계 821은 도 7에서의 단계 715 내지 단계 721과 유사하며 여기서 실제 코드 위상과 예측된 코드 위상간의 차가 계산되고 정확한 타이밍 기준이 만들어진다. 다음으로 도 7에서와 같이, 무선 단말기는 시간 영역 코드 포착 기술을 이용함으로써 다른 GPS 신호를 검출할 수 있다.
도 7 및 도 8의 두 실시예에서, WGIS는 "타이밍 기준 보조 정보"를 무선 단말기에 전송할 수 있다. 도 7의 실시예에서, 타이밍 기준 보조 정보는 예측된 코드 위상과 예측된 도플러 주파수를 포함하며, 여기서 WGIS는 무선 단말기의 대략적인 위치로부터 예측된 코드 위상과 도플러 주파수를 발생시킨다. 도 8의 실시예에서, 타이밍 기준 보조 정보는 무선 단말기의 대략적인 위치를 포함하며, 다음으로 무선 단말기는 무선 단말기의 대략적인 위치로부터 예측된 코드 위상과 도플러 주파수를 발생시킨다.
본 발명의 한 목표는 통상의 무선 단말기의 신호 포착 및 신호 처리 요구를 감소시켜서 본 발명에 따른 무선 단말기가 종래의 기술에서의 무선 단말기보다 약한 GPS 신호를 갖고 보다 빠르게 그 위치를 결정할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 특성을 설명하기 위해 기술되었고 예시되었던 상세한 설명, 도구 및 배치에 있어서의 다양한 변화는 다음의 청구항에 표현된 바와 같이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 달성될 것임을 알 수 있다.

Claims (32)

  1. 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법에 있어서,
    (a) 제 1 위성으로부터 검출된 제 1 신호에 대응하는 타이밍 기준 보조 정보를 수신하는 단계와,
    (b) 위성으로부터 제 2 신호를 검출하는 단계와,
    (c) 상기 검출된 제 2 신호에 근거하여 실제 코드 위상을 결정하는 단계, 및
    (d) 타이밍 기준 보조 정보에 의해 나타난 상기 실제 코드 위상과 예측된 코드 위상에 근거하여 정확한 타이밍 기준을 발생시키는 단계를 포함하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 신호는 상기 제 1 위성에서 나오는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 신호는 상기 제 1 위성과는 상이한 제 2 위성으로부터 나오는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 신호는 주파수 영역 코드 포착 기술(frequency-domain code acquisition technique)을 사용하여 검출되는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 검출된 제 1 신호에 근거하여 상기 타이밍 기준 보조 정보에 나타난 예측된 도플러 주파수가 상기 제 2 신호를 검출하는데 사용되는 상기 주파수 영역 코드 포착 기술을 가속시키는데 사용되는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 타이밍 기준 보조 정보는 상기 예측된 도플러 주파수를 포함하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 예측된 도플러 주파수는 상기 타이밍 기준 보조 정보로부터 발생되는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, (e) 상기 정확한 타이밍 기준에 근거하여 하나 이상의 다른 신호들을 검출하는 단계를 더 포함하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 하나 이상의 다른 신호들은 하나 이상의 시간 영역 코드 포착 기술들을 사용하여 검출되는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 신호는 주파수 영역 코드 포착 기술을 사용하여 검출되는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 하나 이상의 다른 신호들은 상기 제 1 위성 이외의 하나 이상의 위성들로부터 하나 이상의 신호들을 포함하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 하나 이상의 다른 신호들은 상기 제 1 위성으로부터 다음 신호를 포함하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 검출된 제 2 신호와 2개 이상의 다른 위성들로부터 2개 이상의 다른 검출된 신호들에 근거하여 위치를 결정하는 단계를 더 포함하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 신호는 상기 GPS 위성에서의 제 1 GPS 신호이고,
    상기 제 2 신호는 상기 제 1 GPS 위성에서의 제 2 GPS 신호인 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 타이밍 기준 보조 정보는 상기 예측된 코드 위상을포함하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 예측된 코드 위상은 상기 타이밍 기준 보조 정보에 근거하여 발생되는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 방법.
  17. 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기에 있어서, 상기 단말기는,
    (a) 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 수신하도록 구성된 위성 수신기와,
    (b) 제 1 위성으로부터 검출된 제 1 신호에 대응하는 타이밍 기준 보조 정보를 수신하도록 구성된 원격 통신 수신기와,
    (c) 상기 위성 수신기로부터 2개 이상의 신호들과 상기 원격 통신 수신기로부터 상기 타이밍 기준 보조 정보를 처리하도록 구성되는 프로세서, 및
    (d) 상기 단말기에 대한 정확한 타이밍 기준을 발생시키도록 구성된 타이밍 교정기를 포함하며,
    상기 위성 수신기는 위성으로부터 제 2 신호를 검출하고,
    상기 프로세서는 상기 검출된 제 2 신호에 근거하여 실제 코드 위상을 결정하고,
    상기 타이밍 교정기는 상기 타이밍 기준 보조 정보에 나타난 예측 코드 위상과 상기 실제 코드 위상에 근거하여 상기 정확한 타이밍 기준을 발생시키는 하나이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제 2 신호는 상기 제 1 위성으로부터 나오는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 제 2 신호는 상기 제 1 위성과 상이한 제 2 위성으로부터 나오는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 위성 수신기는 주파수 영역 코드 포착 기술을 사용하여 상기 제 2 신호를 검출하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 단말기는 상기 제 2 신호를 검출하는데 사용되는 상기 주파수 영역 코드 포착 기술을 가속화시키기 위해 상기 검출된 제 1 신호에 근거하여 상기 타이밍 기준 보조 정보에 나타난 예측된 도플러 주파수를 사용하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 타이밍 기준 보조 정보는 상기 예측된 도플러 주파수를 포함하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 타이밍 기준 보조 정보로부터 상기 예측된 도플러 주파수를 발생시키는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  24. 제 17 항에 있어서, 상기 위성 수신기는 상기 정확한 타이밍 기준에 근거하여 하나 이상의 다른 신호들을 검출하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 위성 수신기는 하나 이상의 시간 영역 코드 포착 기술을 사용하여 상기 하나 이상의 다른 신호들을 검출하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 위성 수신기는 주파수 영역 코드 포착 기술을 사용하여 상기 제 2 신호를 검출하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 하나 이상의 다른 신호들은 상기 제 1 위성 이외의 하나 이상의 위성들로부터 하나 이상의 신호들을 포함하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  28. 제 24 항에 있어서, 상기 하나 이상의 다른 신호들은 상기 제 1 위성으로부터 다음 신호를 포함하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  29. 제 24 항에 있어서, 상기 프로세서는 둘 이상의 다른 위성들로부터 둘 이상의 다른 검출된 신호들과 상기 검출된 제 2 신호에 근거하여 상기 단말기의 위치를 결정하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  30. 제 17 항에 있어서, 상기 단말기는 무선 원격 통신 네트워크의 무선 단말기이고,
    상기 제 1 신호는 제 1 GPS 위성에서의 제 1 GPS 신호이며,
    상기 제 2 신호는 상기 제 1 GPS 위성에서의 제 2 GPS 신호인 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  31. 제 17 항에 있어서, 상기 타이밍 기준 보조 정보는 상기 예측된 코드 위상을 포함하는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
  32. 제 17 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 타이밍 기준 보조 정보에 근거하여 상기 예측된 코드 위상을 발생시키는 하나 이상의 위성들로부터 둘 이상의 신호들을 검출하는 단말기.
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