KR20010106446A - 개인 안전 시스템의 휴대용 지피에스 수신기 - Google Patents

Abstract

전력 소모가 절감되고 전체 부피와 무게가 줄어든 개인 안전 시스템의 휴대용 GPS 수신기에 있어서, 입력 장치는 8 내지 12 개(= N)의 병렬 처리 채널을 갖는 멀티채널 디지털 상관기를 포함하고, 상기 멀티채널 디지털 상관기는 마이크로프로세서에 연결되고, 상기 마이크로프로세서는 신호 처리 프로그램을 저장하기 위한 영구 저장 장치와 GPS 신호의 인터로크가 없는 표준 모드에서 동작하는 데에 사용되는 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장 장치를 구비하므로, 상기 출력 장치의 마이크로프로세서는 데이터 교환 트렁크에 의해 입력 장치의 클럭 신호 및 헤테로다인 주파수 형성기와, 데이터 입출력 장치와, 송수신 장치에 연결되고, 또한, 신호 처리 프로그램을 저장하기 위한 영구 저장 장치와 GPS 신호의 인터로크 상태에서 동작하여 데이터와 멀티채널 디지털 상관기의 샘플들을 저장하기 위한 저장 장치에 연결되고, 멀티채널 디지털 상관기의 N 개 채널의 각각은 K 개(여기서, K는 20 내지 40)의 동위상 및 직교 상관기이고, 적당한 저장 장치는 GPS의 C/A 코드 디지트의 절반만큼 이동된 K 개의 C/A 코드 복사본으로 GPS 신호들을 동시에 상관 처리할 수 있고, C/A 코드 기간과 같은 구간 동안에 상관 결과를 누적시킬 수 있다.

Description

개인 안전 시스템의 휴대용 지피에스 수신기{Portable GPS-receiver for a system of personal safety}

여기서 설명하고자 하는 개인 안전 시스템은 모니터링(트래킹)이나 제어에 사용되는 물체를 추적하기 위한 시스템이다. 사람의 위치를 관찰하는 것을 다루는 이와 같은 분야의 발전은 단말기의 부피, 무게 및 전력 소비가 작아서 개인 이동 무선 통신 수단을 가지고 휴대용 GPS 수신기를 구성할 수 있는 GPS 신호를 수신하는 수신기 개발의 가능성을 보여 준다. 따라서, GPS 신호에 따라 위치를 결정하는 수신기의 전체 부피를 최소화하고 전력 소비를 줄이며 수신기의 구성을 간소화하는 것이 가장 중요한 사안 중에 하나이다.

예를 들어, 차량과 같은 물체를 추적하기 위한 시스템으로서, GPS 신호에 따라 위치를 결정하기 위한 장치와 위치의 이동을 모니터링하는 중앙국과 무선 통신하기 위한 장비를 갖춘 차량을 추적하는 시스템이 공지되어 있다(참조: 독일 출원DE¹3501035, Int. C1. G08 G 1/00, 1986년 7월 17일 [인용 발명 1]; 유럽 출원 EP¹0379198, Int. C1. G01 S 5/0, G01 S 5/14, 1990년 7월 25일 [인용 발명 2]; 유럽 출원 EP¹0509775, Int. C1, G01 S 5/14, 1992년 4월 15일 [인용 발명 3]; 및 미국 특허 US¹5319374, Int. C1, G01 S 1/24, G01 S 5/02, G01 S 3/02, G04 C 11/02, 1994년 6월 7일 [인용 발명 4]).

GPS 신호에 따라 차량을 추적하고, 극단적인 상황에서는 추적 기지국으로 위치에 대한 데이터를 전송하는 시스템들도 공지되어 있다(참조: 독일 출원 DE¹3839959, Int. C1. G08 G 25/00, G08 G/123, B60 Q 9/00, H04 Q 7/00, 1990년 4월 12일 [인용 발명 5]; 미축 특허 US¹5355140, Int. C1. G01 S 1/08, G01 S 5/02, 1994년 10월 11일 [인용 발명 6]; 및 PCT 출원 WO¹93/16452, Int. C1, G08 G 1/123, 1993년 8월 19일 [인용 발명 7]).

상기에 언급한 바와 같이 위치 결정을 위하여 차량을 추적하는 시스템[인용 발명 1 내지 7]에서, 데이터 전송을 위한 부가 장치가 장착된 GPS 신호의 프로토 타입 수신기와 추적 기지국의 무선 채널 경보 신호가 사용된다. 일반적으로, 이와 같은 시스템에서는 GPS 신호의 수신기는 장비의 소형화와 전원의 절감이 크게 요구되지 않으며, 관성 시스템의 구성 장치들을 통합함으로써 GPS 신호 수신을 부분적으로 차단한 상태에서도 위치를 결정할 수 있다.

개인 안전 시스템에서 위치 결정을 위한 GPS 신호 수신기에서 또 다른 요건이 보여진다. 한편, 무선 전화의 본체에 GPS 신호 수신기를 내장하여야 한다(참조: EPO 출원 EP¹0528090, Int. C1. G01 S 5/00, 1993년 2월 24일 [인용 발명 8]). 이 경우, GPS 신호 수신 수단의 크기를 소형화하고 전력의 소비를 최소화해야 한다. 한편, 상기와 같은 요건은 대기 중에서 수신된 무선 신호만을 이용하여 "under foliage" 동작 상태에서 GPS 신호의 부분 인터로크 상태에서 위치 결정을 하는 경우에 충족된다.

극단적인 상황에서 전송되는 메시지의 통신 채널을 이용하는 GPS 신호의 수신기(참조: PCT 출원 WO¹97/14057, Int. C1. G01 S 5/14, G01 S 1/04, 1997년 4월 17일 [인용 발명 9])가 공지되어 있다. 이 수신기에서는 부분적인 인터로크 상태에서 GPS 신호에 따라 위치 결정을 할 수 있기 위한 부가 수단이 필요하다. 상기 수신기를 표준으로 선택한다. 표준으로 채택된 수신기의 일반적인 구조를 나타낸 도면은 도 1에 나와 있다.

도 1에 도시된 프로토 타입 수신기는 순차적으로 신호의 무선 주파수 변환기(2)를 포함하는 종래의 GPS 신호 수신기의 입력 장치(1)와, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키기 위한 장치(3)와, 클럭 신호와 헤테로다인 주파수의 제어를 위한 신호 형성기(4)를 포함한다. 상기 무선 주파수 변환기의 입력단은 상기 장치(1)의 입력단에 연결되고, 상기 아날로그/디지털 변환 장치(3)의 출력단은 상기 장치(1)의 출력단에 연결된다. 상기 신호 형성기(4)의 기준 입력단은 상기 장치(1)의 제어 입력단과 기준 입력단에 연결된다. 따라서, 상기 무선 주파수 변환기(2)의 헤테로다인 입력단과 상기 장치(3)의 클럭 입력단은 신호 형성기(4)의 헤테로다인 출력단과 클럭 출력단에 연결된다. 상기 신호 형성기(4)에는 주파수 합성기와 같이 신호 클럭과 헤테로다인 주파수를 정형하기 위한 수단이 구비된다. 상기 주파수 합성기의 입력단은 신호 형성기(4)의 제어 입력단을 미리 설정한다. 주파수 합성기는 신호 형성기(4)의 구성에 포함되는 기준 발생기를 이용하여 동작한다. 수신기에서 매우 안정한 외부 신호에 의해 기준 발생기의 주파수가 튜닝되는 경우, 기준 발생기에는 PAAF 장치와 같은 적당한 튜닝 장치가 구비된다. 상기 PAAF의 기준 입력단은 (기준 입력) 동기화 신호 형성기(4)의 입력을 형성한다.

상기와 같은 프로토 타입 수신기는 종래의 GPS 신호 수신기의 출력 장치(5)에도 연결되며, 스위치(6)를 통한 그 신호 입력단은 상기 장치(3)의 출력단에 연결되고, 클럭 입력단은 신호 형성기(4)의 클럭 출력단에 연결된다.

스위치(6)의 제 2 출력단에는 상기 장치(3)에 의해 정형된 신호 값은 샘플들을 저장하기 위한 조인트 메모리 장치(7)와 신호 처리기(8)가 차례로 연결된다. 메모리 장치(7)의 클럭 입력단은 신호 형성기(4)의 클럭 출력단에 연결된다.

신호 형성기(4)의 제어 입력단, 스위치(6)의 제어 입력단, 및 신호 처리기(8)와 상기 장치(5)의 데이터 입출력단은 적당한 데이터 버스에 의해 결정 장치(9)에 연결된다. 결정 장치(9)에는 데이터 처리를 위한 마이크로프로세서, 컨트롤러, 및 프로그램과 데이터를 저장하기 위한 메모리 장치가 포함된다.

결정 장치(9)는 데이터의 입출력 장치(10)와 송수신 장치(11)에 연결된다.상기 송수신 장치(11)는 수신기를 기지국(12)에 연결하는 통신 채널을 통하여 시그널링 데이터를 수신한다. 이 때, 신호 형성기(4)에서 외부 신호에 따라 기준 발생기의 튜닝(동기화)이 이루어지는 경우에는 기준 신호(동기 신호) 송수신 장치(11)의 출력단은 신호 형성기(4)의 적당한 입력단과 결합된다(도 1의 점선 참조).

데이터 입출력 장치(10)는 적당한 컨트롤러, 키패드, 또는 표시 장치로서 구현될 수 있으며, 인터페이스 연결부를 구비한다.

송수신 장치(11)는 기지국(12)과 무선 통신을 하기 위한 모뎀과 송수신기로 구현된다.

기지국(12)에는 경보 신호와 수신기의 위치 정보를 수신하기 위한 수단과, 단명 데이터, 수신기의 위치에 대한 대략적인 방위 정보, 도플러 쉬프트 데이터를 자체 정형하는 수단, 및 무선 채널을 통하여 이들 데이터를 상기 장치(11)로 전송하는 수단을 구비한다. 또한, 기지국(12)은 수신기의 기준 발생기의 주파수를 튜닝하기 위하여 기준 신호를 전송하는 수단을 구비한다.

프로토 타입 수신기는 다음과 같이 동작한다. 수신 안테나의 출력단에서 출력되는 GPS 신호는 무선 주파수 변환기(2)의 입력 장치(1)로 입력된다. 여기서, 상기 신호는 주파수의 다운턴으로 조절된다. 따라서, 무선 주파수 변환기(2)의 구성에 포함되는 혼합기는 신호 형성기(4)의 적당한 출력단에서 출력되는 헤테로다인 신호(Fr)를 이용하여 동작한다.

신호 형성기(4)는 구성 요소로 포함되어 있는 기준 발생기에 의해 정형된 기준 주파수 신호를 이용하여 주파수의 클럭 신호(Ft)와 헤테로다인 신호(Fr)를 합성한다. 합성기에 의해 정형된 주파수값은 상기 장치(9)에 의해 정형되는 적당한 조절 코드를 합성하는 합성기의 제어 입력단에서 미리 설정된다.

무선 주파수 변환기(2)의 출력단에서 출력되는 신호는 아날로그-디지털 변환 장치(3)의 입력단으로 입력되어 디지털 형태로 변환된다. 아날로그-디지털 변환 장치(3)에서 시간에 대한 샘플률은 신호 형성기(4)의 클럭 출력단에서 출력되는 카덴스(Ft)에 의해 결정된다. 아날로그-디지털 변환 장치(3)의 출력 신호는 입력 장치(1)의 출력 신호를 정형한다.

입력 장치(1)의 출력단에서 출력되는 신호들은 제어 신호 정형 장치(9)의 제어하에 동작하는 스위치(6)의 입력단으로 입력된다.

GPS 신호의 인터로크가 없는 일반 모드에서, 스위치(6)는 주파수와 지연에 따라 신호를 탐색하고 코드 및 신호의 위상을 추적하고 서비스 정보를 추출 및 복호화하고 항법 정보를 추출(무선 항법 파라미터(RNP) 결정)하는 것을 포함하여 채택된 GPS 신호를 종래의 방식으로 상관 처리하는 장치(5)에 상기 입력 장치(1)를 연결시킨다. 특히, 사이트 계산시 상기 장치(5)에서 사용되는 가시 위성 잡음 신호의 상관 함수 피크의 시간적인 위치가 결정된다. 상기 장치(5)에서 상관 처리는 신호 형성기(4)의 클럭 출력단에서 출력되는 카덴스(Ft)에 의해 결정되는 클럭 주파수를 이용한다.

위치 결정 정보는 결정 장치(9)의 컨트롤러를 통하여 표시 장치와 같이 데이터의 입출력을 담당하는 장치(10)로 전달된다.

위치 결정 정보는 송수신 장치(11)에도 전달된다. 송수신 장치(11)는 기지국과 통신하면서 위치 결정 정보와 함께 극단적인 상황인 경우에는 상기 입출력 장치(10)와 송수신 장치(11)의 컨트롤러에 의해 정형된 경보를 기지국(12)으로 전송한다.

기지국(12)에서 단명 데이터와 수신기의 위치에 대한 대략적인 방위 정보, 및 도플러 쉬프트 데이터가 형성되어 통신 중에 통신 채널을 통하여 송수신기(11)로 전달된다. 이들 데이터는 수신 상태가 좋지 않아서 신호대잡음비가 낮은 경우(즉, GPS 신호의 인터로크 상태에서) 수신기의 동작에 이용된다.

상기와 같은 수신 상태가 좋지 않은 경우(GPS 신호의 인터로크 상태에서), 스위치(6)는 상기 입력 장치(1)의 출력단을 메모리 장치(7)의 입력단과 연결시킨다. 상기 메모리 장치(7)는 아날로그-디지털 변환 장치(3)에 의해 정형된 신호 값의 샘플들을 저장한다.

스위치(6)의 스위칭 동작은 상기 출력 장치(5)에서 실패한 신호 탐색 결과나 데이터 입출력 장치(10)에서 출력되는 작동자의 신호에 의해 결정 장치(9)가 정형한 신호를 통해 이루어진다.

상기 메모리 장치(7)는 초당 2∼4×10⁶샘플의 간격으로 아날로그-디지털 변환 장치(3)에 의해 정형된 신호값의 모든 샘플들을 임시 저장한다. 저장된 신호값의 샘플들은 신호 형성기(4)의 클럭 출력단에서 출력된 카덴스(Ft)에 의해 결정되는 클럭 주파수, 즉 2∼4 MHz로 메모리 장치(7)로 전송된다.

메모리 장치(7)에서 출력되는 샘플들은 신호 처리기(8)에 의해 사용된다. 신호 처리기(8)는 순수하게 소프트웨어 수단을 가지고 수신된 GPS 신호들을 상관 처리하고 각 위성 신호의 최대 상관 함수의 시간적 위치 즉, 의사 범위를 결정한다. 측정된 의사 범위는 위치 결정이 이루어지는 결정 장치(9)의 처리기로 전송된다. 따라서, 수신 상태가 나쁜 경우에 상관 처리와 위치 결정을 하기 위해서는 기지국(12)에서 통신 채널을 통하여 결정 장치(9)로 전송되는 단명 데이터, 대략적인 위치 정보(±150 kms 이내) 및 위성의 반송 주파수의 도플러 쉬프트 데이터를 이용한다. 그 밖에도, 기지국(12)이 전송한 클럭 신호나 신호 형성기(4)의 기준 발생기 주파수의 튜닝을 통하여 정격값으로부터 기준 발생기의 주파수 드리프트를 측정한다.

결정 장치(9)에서 결정되는 위치 결정 정보는 표시 장치(10)로 보내지고 송수신 장치(11)에서 기지국(12)으로 전송된다. 그리고, 기지국(12)에서 수신기를 추적한다. 필요한 경우, 기지국(12)에 수신된 위치 결정 정보와 함께 극단적인 상황과 관련한 메시지 즉, 경보 신호가 표시 장치(10)에 의해 정형되어 통신 채널을 통하여 송수신 장치(11)에 의해 기지국(12)으로 전송된다.

따라서, 프로토 타입 수신기는 정상적인 GPS 신호 수신 상태와 인터로크 상태에서 위치 결정 정보를 가지고 위치 결정하고 경보 발생을 담당할 수 있으므로 개인 안정 시스템에 사용할 수 있다.

그러나, 상기와 같은 프로토 타입 수신기의 기능을 구현하기 위해서는 종래의 GPS 수신기에 비하여 비용이 많이 들고 구성이 복잡한 단점이 있다. 그러므로, 일반적인 장치들(1)(5)을 제외하고는, 종래의 수신기에서 사용되는 GPS 신호들, 신속 응답형 마이크로 컴퓨터에서 구현되는 프로토 타입 수신기의 경정 장치(9)와 신호 처리기(8), 및 샘플 저장 용량이 큰 신속 응답형 RAM을 이용한 메모리 장치(7)는 높은 전력을 소비하고 비용이 많이 든다. 이들 장치로 구성된 수신기는 전반적으로 부피가 크고 무게가 많이 나가고 전력이 많이 소모되고 비용이 많이 드는 단점이 있다.

본 발명은 무선 항법 분야에 관한 것으로, 특히 비상시에 메시지와 함께 감시 기지국에 전송되는 위치에 대한 위성 무선 항법 시스템 "GPS"의 신호와 메시지에 따라 위치를 결정할 수 있는 개인 안전 시스템에 관한 것이다.

청구된 발명의 특징과 그의 산업적 이용가능성은 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 프로토 타입 수신기의 일반적인 구성을 나타낸 도면이다;

도 2는 본 발명에 따른 수신기의 일반적인 구성을 나타낸 도면이다;

도 3은 본 발명에 따른 멀티채널 디지털 상관기의 단일 채널을 도시한 구성도이다;

도 4는 일반 모드 즉, GPS 신호의 인터로크가 없는 상태에서 동작하는 경우 본 발명에 따른 수신기에 사용되는 신호 처리의 알고리즘을 나타낸 블록도이다;

도 5는 수신기가 동작하는 동안에 발생할 수 있는 GPS 신호의 인터로크 상태에서 본 발명에 따른 수신기에서 사용되는 신호 처리의 알고리즘을 나타내는 블록도이다; 그리고

도 6은 GPS 신호의 인터로크 상태에서 동작을 시작할 때 본 발명에 따른 수신기에서 사용되는 신호 처리의 알고리즘을 나타낸 블록도이다.

본 발명의 목적은 프로토 타입 수신기의 기능을 모두 구현하고 불량한 GPS 신호 수신 상태에서도 위치 결정과 관련하여 같은 특서을 가지면서도, 프로토 타입 수신기에 비하여 구현이 용이하고 전력 소모가 적으며 전체 부피와 무게가 줄어들고 비용이 낮은 개인 안전 시스템의 GPS 신호 수신기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 종래의 GPS 신호 수신기의 입출력 장치, 데이터 입출력 장치, 및 수신기를 기지국에 연결시키는 통신 채널을 통하여 데이터를 송수신하기 위한 송수신 장치를 순차적으로 포함하고, 기준 신호 출력단은 입력 장치의 기준 입력단에 연결되어 출력 장치의 클럭 입력단은 입력 장치의 클럭 입력단에 연결되고, 상기 입력단은 순차적으로 연결된 무선 주파수 변환기, 아날로그/디지털 변환기, 및 신호 클럭 및 헤테로다인 주파수 형성기를 포함하고, 상기 무선 주파수 변환기의 신호 입력단은 상기 입력 장치의 신호 입력단에 연결되고, 상기 아날로그/디지털 변환기의 출력단은 입력 장치의 신호 출력단이고, 상기 신호 형성기의 기준 입력단은 입력 장치의 기준 입력단이고, 상기 클럭 신호 및 헤테로다인 주파수 형성기의 헤테로다인 출력단은 무선 주파수 변환기의 헤테로다인 입력단에 연결되고,입력 장치의 클럭 출력단인 상기 클럭 신호 및 헤테로다인 주파수 형성기의 클럭 출력단은 아날로그/디지털 변환기의 클럭 입력단에 연결되는 개인 안전 시스템의 휴대용 GPS 수신기에 있어서, 상기 종래의 GPS 신호 수신기의 출력 장치는 8 내지 12 개(= N)의 병렬 처리 채널을 갖는 멀티채널 디지털 상관기를 포함하고, 상기 멀티채널 디지털 상관기는 마이크로프로세서에 연결되고, 상기 마이크로프로세서는 신호 처리 프로그램을 저장하기 위한 영구 저장 장치와 GPS 신호의 인터로크가 없는 표준 모드에서 동작하는 데에 사용되는 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장 장치를 구비하므로, 상기 출력 장치의 마이크로프로세서는 데이터 교환 트렁크에 의해 입력 장치의 클럭 신호 및 헤테로다인 주파수 형성기와, 데이터 입출력 장치와, 송수신 장치에 연결되고, 또한, 신호 처리 프로그램을 저장하기 위한 영구 저장 장치와 GPS 신호의 인터로크 상태에서 동작하여 데이터와 멀티채널 디지털 상관기의 샘플들을 저장하기 위한 저장 장치에 연결되고, 멀티채널 디지털 상관기의 N 개 채널의 각각은 K 개(여기서, K는 20 내지 40)의 동위상 및 직교 상관기이고, 적당한 저장 장치는 GPS의 C/A 코드 디지트의 절반만큼 이동된 K 개의 C/A 코드 복사본으로 GPS 신호들을 동시에 상관 처리할 수 있고, C/A 코드 기간과 같은 구간 동안에 상관 결과를 누적시킬 수 있다.

이 경우, 상기 멀티채널 디지털 상관기의 각 채널들은 디지털 제어 반송 주파수 발생기, 제어 레지스터, 디지털 제어 코드 발생기, 기준 C/A GPS 코드 발생기, 프로그램 지연 라인, 동위상 및 직교 처리 채널의 제 1 및 제 2 디지털 혼합기, 및 K 개의 동위상 및 직교 상관기의 제 1 및 제 2 그룹을 포함하고, 제 1 입력단들은 적당한 디지털 혼합기의 출력단들에 연결되고, 제 2 입력단들은 프로그램 지연 라인의 적당한 출력단들에 연결되고, 출력단들은 적당한 저장 장치들의 신호 입력단들에 연결되고, 데이터 출력 장치는 저장 장치들의 출력단들, 디지털 제어 반송 주파수 발생기의 제어 입력단, 제어 레지스터의 제어 입력단, 디지털 제어 코드 발생기의 제어 입력단, 및 기준 C/A 발생기의 제 1 입력단을 상기 출력 장치의 마이크로프로세서에 연결하므로, 디지털 혼합기들의 다른 신호 입력단들에 연결되어 채널의 신호 입력단을 형성하고, 디지털 제어 반송 주파수 발생기와 디지털 제어 코드 발생기와 프로그램 지연 라인과 저장 장치들의 다른 클럭 입력단들에 연결되어 채널의 클럭 입력단을 형성하고, 제 1 및 제 2 디지털 혼합기의 제 2 입력단은 디지털 제어 반송 주파수 발생기의 제 1 및 제 2 출력단에 연결되고, 프로그램 지연 라인의 신호 및 제어 입력단은 기준 C/A GPS 코드 발생기의 출력단과 제어 레지스터의 제 1 출력단에 연결되고, 제어 레지스터의 제 2 출력단은 기준 C/A GPS 신호 발생기의 제 2 입력단에 연결되고, 기준 C/A GPS 코드 발생기의 제 3 입력단은 디지털 제어 코드 발생기의 출력단에 연결되므로, 멀티채널 디지털 상관기에서 채널의 다른 신호 입력단들 및 채널의 다른 클럭 입력단들과 연결되어 멀티채널 디지털 상관기의 신호 및 클럭 입력단들을 형성한다.

본 발명에 따른 수신기(도 2 및 도 3 참조)는 순차적으로 신호의 무선 주파수 변환기(2)를 포함하는 종래의 GPS 신호 수신기의 입력 장치(1)와, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키기 위한 장치(3)와, 클럭 신호와 헤테로다인 주파수의 제어를 위한 신호 형성기(4)를 포함한다. 상기 무선 주파수 변환기의 신호 입력단은 상기 장치(1)의 신호 입력단에 연결되고, 상기 아날로그/디지털 변환 장치(3)의 출력단은 상기 장치(1)의 신호 출력단에 연결된다. 상기 신호 형성기(4)의 기준 입력단은 상기 장치(1)의 기준 입력단에 연결된다. 반면에, 무선 주파수 변환기(2)의 헤테로다인 입력단과 아날로그/디지털 변환 장치(3)의 클럭 입력단은 신호 형성기(4)의 헤테로다인 출력단과 클럭 출력단에 연결된다.

상기 신호 형성기(4)에는 주파수 합성기와 같이 신호 클럭과 헤테로다인 주파수를 정형하기 위한 수단이 구비된다. 주파수 합성기는 신호 형성기(4)의 구성에 포함되는 기준 발생기를 이용하여 동작한다. 신호 형성기(4)에서 사용되는 기준 발생기는 PLL 장치를 구비한다. PLL 장치를 이용하여 매우 안정한 외부의 기준 신호의 주파수에 대한 주파수 이동을 결정한다. 이와 같은 주파수 이동은 기준 발생기의 주파수가 정격치로부터 벗어나는 편차를 특징짓는다. 상기 PLL 장치를 이용함으로써 기준 발생기는 간단하지만 보상되지 않는 칩으로 구현된다. PLL 장치의 기준 입력단은 신호 형성기(4)의 기준 입력단을 형성하고, PLLF 장치의 출력단에서는 정격치로부터 기준 발생기의 주파수가 벗어나는 편차에 대한 데이터가 정형된다. 합성기의 프리셋 입력단은 신호 형성기(4)의 데이터 입출력단을 형성한다. 또는, 수신기에서 기준 발생기 주파수의 PLLF 장치(동기화)는 매우 안정한 기준 신호에 따른 미세한 튜닝을 구현한다. 이 경우, 신호 형성기(4)에서 기준 발생기 주파수의 편차에 대한 데이터는 정형되지 않고, 하기에 설명되는 활동 알고리즘에서 정격치로부터 기준 발생기 주파수가 벗어나는 편차가 0이 된다.

또한, 본 발명에 따른 수신기는 종래의 GPS 신호 수신기의 출력 장치(5)도 포함한다. GPS 신호 출력 장치(5)의 신호 및 클럭 입력단은 아날로그/디지털 변환 장치(3)의 신호 및 클럭 출력단에 연결되고, 송수신 장치(11)의 데이터 입출력단에도 연결된다. 수신기를 기지국(12)과 연결시키는 통신 채널을 통해 시그널링 및 데이터를 수신하지 않으므로, 송수신 장치(11)의 기준 신호 출력단은 상기 입력 장치(1)의 기준 입력단 즉, 신호 형성기(4)의 기준 입력단에 연결된다.

데이터 입출력 장치(10)는 적당한 컨트롤러, 키패드, 또는 표시 장치로서 구현될 수 있으며, 인터페이스 연결부를 구비한다.

송수신 장치(11)는 기지국(12)과 무선 통신을 하기 위한 모뎀과 송수신기로 구현된다.

기지국(12)에는 극단적인 상황에 대한 메시지(경보 신호)와 수신기의 위치 정보를 수신하기 위한 수단과, 단명 데이터, 수신기의 위치에 대한 대략적인 방위 정보, 도플러 쉬프트 데이터를 자체 정형하는 수단, 및 매우 안정한 반송파 주파수 상에서 무선 채널을 통하여 이들 데이터를 상기 장치(11)로 전송하는 수단을 구비한다.

또한, 기지국(12)은 무선 채널을 통하여 상기 신호들과 데이터를 수신하고 전송하는 수단으로서 이동 전화망의 기지국의 송수신 수단을 구비한다. 이 경우, 본 발명에 따른 수신기의 송수신기(11)로서 무선 전화 송수신 장치를 사용할 수 있다. 그리고, 수신기는 이 무선 전화의 몸체에 내장시켜 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 수신기에서, 종래의 GPS 신호 수신기의 출력 장치(5)로서 N 개의 채널(14)(14₁, 14₂, ... 14_N)을 포함하여 GPS 위성의 병렬 신호 처리(N = 8 내지 12)를 위한 멀티채널 디지털 상관기(13)를 구비하는 장치를 사용할 수 있다. 채널(14)의 신호 입력단과 클럭 입력단은 상관기(13)의 신호 입력단과 클럭 입력단을 형성한다. GPS 신호 출력 장치(5)에서 상관기(13)는 마이크로프로세서(15)에 연결되고, 마이크로프로세서(15)는 신호 처리 프로그램을 저장하기 위한 영구 메모리저장 장치(ROM)(16)와 수신기가 표준 모드 즉, GPS 신호의 인터로크가 없는 경우에 데이터를 저장하기 위한 작동 메모리 저장 장치(17)를 구비한다. 인터로크가 없으면, 잡음의 스펙트럼 수준에 대한 신호 세기가 한계치 34 내지 37 dbHz를 넘는다.

GPS 신호 출력 장치(5)의 마이크로프로세서(15)는 데이터 교환 트렁크에 의해 상기 입력 장치(1)의 신호 형성기(4)의 데이터 입출력단에 연결된다. 그리고, 데이터 입출력 장치(10)와 송수신 장치(11)는 신호 처리 프로그램을 저장하기 위한 ROM(18)과 GPS 신호의 인터로크 상태에서 다중채널 디지털 상관기(13)의 데이터와 샘플들을 저장하기 위한 RAM(19)을 구비한다.

본 발명의 실시예에 있어서(도 3), 멀티채널 디지털 상관기(13)의 각 채널(14)은 디지털 제어 반송 주파수 발생기(20)와, 디지털 제어 반송 주파수 발생기(20)의 코드를 제어하기 위한 제어 레지스터(21)와, GPS 코드의 기준 C/A 발생기(23)와, 프로그램 지연 라인(24)과, 상관 처리의 동위상 및 직교 채널을 디지털 믹싱하기 위한 제 1 및 제 2 디지털 혼합기(25)(26)와, 적당한 저장 장치(29₁- 29_K)(30₁- 30_K)에 연결되어 있는 K 개의 제 1 및 제 2 상관기 즉, 동위상(27₁- 27_K) 및 직교(28₁- 28_K)(여기서, K는 20 내지 40) 상관기를 포함한다. 또한, 디지털 혼합 장치의 데이터 교환 연결 출력 장치(31)는 (29₁- 29_K) 및 (30₁- 30_K)를 형성하고, 디지털 제어 반송 주파수 발생기(20)의 제어 입력단, 제어 레지스터(21)의 제어 입력단, 디지털 제어 발생기(22)의 제어 입력단, 및 마이크로프로세서(15)의 GPS 코드의 기준 C/A 발생기(23)의 제 1 입력단에 연결된다.

각 채널(14)에서 디지털 혼합기(25)(26)의 신호 입력단은 채널(14)의 신호 입력단에 연결된다. 채널의 신호 입력단들(14₁- 14_N)은 상관기(13)의 신호 입력단을 형성한다.

각 채널(14)에서, 디지털 제어 반송 주파수 발생기(20), 디지털 제어 발생기(22), 코드 프로그램 지연 라인(24) 및 저장 장치의 제어 입력단(29₁- 29_K)(30₁- 30_K)은 채널(14)의 클럭 입력단을 형성한다. 이들 중에서, 채널의 입력단들(14₁- 14_N)은 상관기(13)의 클럭 입력단을 형성한다.

따라서, 혼합기(25)(26)의 제 2 입력단은 디지털 제어 반송 주파수 발생기(20)의 제 1 및 제 2 출력단에 연결된다. 디지털 혼합기(25)의 출력단은 상관기의 제 1 입력단(27₁- 27_K)에 연결된다. 그리고, 디지털 혼합기(26)의 출력단은 상관기의 제 1 입력단(28₁- 28_K)에 연결된다.

상관기의 출력단들(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)은 저장 장치의 신호 입력단들(29₁- 29_K)(30₁- 30_K)에 연결된다.

상관기의 제 2 입력단들(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)은 프로그램 지연 라인(24)의 적당한 출력단들에 연결된다. 프로그램 지연 라인(24)의 신호 입력단은 코드 GPS의 기준 C/A 발생기(23)의 출력단에 연결된다. 프로그램 지연 라인(24)의 제어 입력단은 제어 레지스터(21)의 제 1 출력단에 연결된다. 제어 레지스터(21)의 제 2 출력단은 코드 GPS의 기준 C/A 발생기(23)의 제 2 입력단에 연결된다. 그리고, 제어 레지스터(21)의 제 3 출력단은 디지털 제어 발생기(22)의 출력단에 연결된다.

본 발명에 따른 수신기는 다음과 같이 동작한다.

수신기는 기지국(12)과 선명하게 무선 통신할 수 있는 구역에 위치해야 한다. 실제로는, GPS 신호를 수신하는 경우에 위치를 결정하기 위해서 수신기를 기지국(12)으로부터 반경 150 km 이내에 설치해야 한다.

기지국(12)은 수신기와는 별개로 단명 데이터, 수신기의 위치(±150 km 이내)에 대한 대략적인 방위를 나타내는 데이터 및 가시 위성 GPS 반송파 주파수의 도플러 쉬프트 데이터를 형성한다. 이들 데이터는 예정된 통신 구간에서 매우 안정한 반송파 주파수를 통하여 수신기의 송수신 장치(11)로 전송된다.

기지국(12)에서 발생하여 통신 채널을 통하여 송수신 장치(11)로 전송된 단명 데이터, 수신기의 위치에 대한 대략적인 방위를 나타내는 데이터 및 가시 위성 GPS 반송파 주파수의 도플러 쉬프트 데이터는 수신기가 동작하는 동안에 GPS 신호 수신 상태가 나쁜 경우(인터로크 상태에서)에 사용된다.

데이터가 전송되는 매우 안정한 반송파 주파수는 매우 안정한 외부의 기준 주파수로 수신기에서 사용된다. 상기 기준 주파수에 대하여 경격치로부터 신호 형성기(4)의 기준 발생기의 주파수가 벗어난 편차가 추정된다. 경격치로부터 신호 형성기(4)의 기준 발생기의 주파수가 벗어난 편차는 신호 형성기(4)에 설치된 적당한 PLL 장치의 도움으로 추정되며, 추정 데이터는 마이크로프로세서(15)로 전송되어 RAM(19)에 정보가 저장된다.

또 다른 방식으로는, 신호 형성기(4)가 매우 안정한 외부의 기준 신호에 따라 수신기의 기준 발생기의 주파수를 튜닝(동기화)한다. 이 경우, 신호 형성기(4)에 내장된 기준 발생기의 주파수 편차에 대한 데이터는 정형되지 않고 그대로 마이크로프로세서(15)로 전송된다. 그리고, 정격치로부터 기준 발생기의 주파수 편차의 알고리즘은 0으로 설정된다.

위치 결정은 본 발명에 따른 수신기에서 GPS 수신 상태에 따라 세 개의 알고리즘으로 이루어진다.

세 가지 알고리즘을 구현함에 있어서, 먼저 GPS 신호는 입력 장치(1)에서 변환된다. GPS 신호가 변환하는 동안, 안테나에 의해 변환된 GPS 신호는 무선 주파수 변환기(2)의 입력단으로 전달된다. 무선 주파수 변환기(2)에서 GPS 신호는 주파수가 하향 변환된다. 따라서, 신호 형성기(4)의 출력단에서 출력되는 헤테로다인 신호(Fr)에 의해 동작하는 무선 주파수 변환기(2)의 구성에 포함된 혼합기들을 이용한다.

신호 형성기(4)에서, 클럭 신호(Ft)와 헤테로다인 주파수(Fr)는 신호 형성기(4)의 구성에 포함되어 있는 기준 발생기에 의해 정형된 기준 신호로 동작하는 주파수 합성기에 의해 합성된다. 합성기에 의해 정형된 주파수의 값은 마이크로프로세서(15)에서 출력된 적당한 조절 코드에 따라 미리 설정된다. 정격치로부터 기준 발생기 주파수의 편차는 기지국(12)과 통신하는 동안에 송수신 장치(11)에서 출력되는 매우 안정한 기준 신호에 따라 추정된다. 정격치로부터 기준 발생기 주파수의 편차를 알면 간단한(열보정을 하지 않음) 결정 발진기 즉, 보상하지 않은 간단한 칩을 가지고 본 발명에 따른 수신기의 모든 기능을 구현할 수 있다.

무선 주파수 변환기(2)의 출력단에서 출력되는 신호는 아날로그/디지털 변환 장치(3)의 입력단으로 보내진다. 아날로그/디지털 변환 장치(3)에서 무선 주파수 변환기(2)의 출력 신호는 디지털 형태로 변환된다. 아날로그-디지털 변환 장치(3)에서 시간에 대한 샘플률은 신호 형성기(4)의 출력단에서 출력되는 카덴스(Ft)에 의해 결정된다. 아날로그-디지털 변환 장치(3)의 출력 신호는 입력 장치(1)의 출력 신호를 형성한다.

입력 장치(1)의 출력단에서 출력되는 신호들은 상관 처리 장치(5)의 입력단으로 보내진다. 상관 처리 장치(5)는 멀티채널 디지털 상관기(13)와 마이크로프로세서(15)에 의해 ROM(16)(18)과 RAM(17)(19)에 연결되고, 입출력 장치(10)와 송수신 장치(11)에도 연결된다. 이 때 수신된 GPS 신호에 따라 위치 결정이 이루어진다.

본 발명에 따른 수신기에서, 위치 결정은 멀티채널 디지털 상관기(13)의 각 채널(14)에서 직교 상관기의 출력단(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)에서 출력된 짧은(msec) 샘플들을 처리하는 것을 기초로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 수신기에서 상관은 단지 하드웨어 수단 즉, 디지털 상관기(13)로 수행된다. 이 것은, 수신 상태가 나쁜 경우에 상기 아날로그/디지털 변환 장치(3)에서 GPS 신호의 아날로그/디지털 변환의 결과로 얻어지는 샘플들을 가지고 동작하는 신호 처리기(8)(도 1)에 의해 즉, 소프트웨어 수단에 의해 상관이 이루어지는 종래의 프로토 타입 수신기와 다른 특징을 나타낸다.

디지털 상관기(15)의 채널(14)은 다음과 같이 동작한다. 아날로그/디지털 변환 장치(3)에서 GPS 신호의 아날로그/디지털 변환의 결과로 얻어지는 양자화 GPS 신호들은 각 채널(14)에서 디지털 혼합기(25)(26)의 신호 입력단으로 보내진다. 디지털 제어 반송 주파수 발생기(20)는 선택된 위성 GPS에 적당한 반송 주파수의 동위상 및 직교 성분 주파수를 처리한다. 이 때, 위성 SPS 신호는 소정의 채널에서 처리된다. 디지털 제어 반송 주파수 발생기(20)에 의해 정형된 신호들은 디지털 혼합기(25)(26)에서 입력 신호와 승산된다.

디지털 혼합기(25)(26)에 의해 소정의 위성 GPS 신호가 복원되고 이 신호에서 기본 주파수 대역(주파수 0)에 이르는 스펙트럼을 전달한다. 따라서, 디지털 손합기(25)(26)의 주파수 다중화의 결과로 반송 주파수(처리 신호의 동위상 및 직교 성분)이 "제거"된다.

디지털 제어 반송 주파수 발생기(20)는 데이터 교환 장치(13)를 통하여 마이크로프로세서(15)의 제어를 받아서 입력 신호의 위상 주파수의 추적 루프를 종료한다. 따라서, 디지털 제어 반송 주파수 발생기(20)에 의해 정형된 출력 신호의 주파수율은 ROM(16)에 저장된 데이터와 일치하게 된다.

디지털 혼합기(25)(26)에서 반송 주파수가 "제거"된 다음에는, 신호의 동위상 및 직교 성분이 K 개의 상관기(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)에 의해 그룹별로 코드 GPS의 이진 C/A의 절반에 대하여 시간에 따라 이동한 코드의 기준 C/A 복사본과 상관한다.

상관기(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)에 사용되는 기준 코드 C/A의 복사본은 프로그램 지연 라인(24), 코드 GPS의 기준 C/A 발생기(23), 및 디지털 제어 발생기(22)에 의해 정형된다. 따라서, 디지털 제어 발생기(22)에 의해 코드(1,023 MHz)의 카덴스 C/A를 발생한다. 이 카덴스 C/A는 코드 GPS의 기준 C/A 발생기(23)의 적당한 입력단에 입력된다. 코드의 클럭 레이트는 데이터 교환 장치(31)를 통해 디지털 제어 발생기(22)의 제어 입력단에 입력되는 계산기(15)의 명령에 의해 선택된다. 디지털 제어 발생기(22)의 출력단에서 출력되는 코드의 카덴스 C/A에 따라, 코드의 기준 C/A 발생기(23)는 소정의 채널(14)에서 적당한 위성 GPS 신호를 처리하기 위한 코드의 기준 C/A를 발생한다. 이 때, 위성 GPS 신호는 각 위성 GPS에 특정하게 주어진다. 의사 랜덤 코드 시퀀스(PRC)의 선택인 코드의 선택은 데이터 교환 장치(31)를 통해 코드 GPS의 기준 C/A 발생기(23)의 제 1 입력단으로 입력되는 상관기(15)의 명령과 제어 레지스터(21)의 제 2 출력단에서 출력되는 코드 GPS의 기준 C/A 발생기(23)의 제 2 입력단에서 나오는 명령에 따라 수행된다. 코드 GPS의 기준 C/A 발생기(23)에서 발생된 기준 코드 C/A는 프로그램 지연 라인(24)으로 보내진다. 프로그램 지연 라인(24)에서 기준 코드 C/A는 제어 레지스터(21)에 의해 정형된 제어 신호에 맞게 일정한 시간 간격으로 이동한다. 프로그램 지연 라인(24)의 시간 알고리즘은 데이터 교환 장치(31)를 통해 계산기(15)로부터 출력된 명령에 따라 제어 레지스터(21)에 의해 정형된 제어 신호에 의해 설정된다.

프로그램 지연 라인(24)의 출력단에서 정형된 기준 C/A 코드의 복사본은 상관기의 제 2 입력단(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)으로 보내진다.

상관기(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)에서 수행된 상관 처리의 결과는 한 개의 코드(1 msec)에 해당하는 시간 간격으로 적당한 저장 장치(29₁- 29_K)(30₁- 30_K)에 저장되고, RAM(17)에서 데이터 교환 장치(31)를 통하여 프로세서(15)에 의해 독출된다. 그런 다음에, 코드 추적 루프를 종료하고 처리된 신호의 반송 주파수를 추적하는 데에 사용된다.

디지털 상관기(13)의 각 채널(14)에서 얻은 GPS 신호의 상관 처리 결과를 이용하여 프로세서(15)에서 위치 결정이 이루어진다. 그 결과 데이터는 입출력 장치(10)로 보내진다.

GPS 신호의 수신 상태에 따라 상관 처리 장치(5)의 마이크로프로세서(15)는 다음의 세 가지 알고리즘을 이용하여 동작한다.

제 1 알고리즘(도 4)은 인터로크가 없는 일반적인 GPS 신호 수신 상태일 때, 다시 말하면, 잡음의 스펙트럼 수준에 대한 신호 세기의 비율이 34 내지 37 dbHz보다 클 때 사용된다. 이 것은 종래의 GPS 수신기의 신호대잡음비의 표준 한계치이다. 이 알고리즘을 사용하는 경우, 상광 처리 장치(5)의 수단 즉, 장치(13-17)가 관여한다.

제 1 알고리즘은 다음과 같다. 먼저, 가시 위성(단계 32)이 결정되고 GPS 신호의 동기화(단계 33)가 수행된다.

동기화는 주파수와 지연의 탐색 범위를 계산하고(단계 34), 주파수와 지연에 따른 가시 위성의 신호를 탐색하고(단계 35), 코드와 위상 반송파 주파수에 따른 시스템을 추적함으로써 신호를 획득하고(단계 36), GPS 신호를 심볼별 동기화하고(단계 37), GPS 신호를 필드 동기화하고(단계 38), 가시 위성의 신호를 수신하는(단계 39) 것을 포함한다. 그런 다음에 GPS 신호를 추적한다(단계 40). 추적은 제 1 가시 위성의 개수를 설정하고(단계 41), 코드 추적에 착수하고(단계 42), 소정의 가시 위성의 에피머라이스의 인터로크의 속성을 설정하고(단계 43), 코드를 추적하고(단계 44), 위상 반송 주파수의 추적에 착수하고(단계 45), 주파수 추적에 착수하고(단계 46), 주파수 로크 루프의 추적에 착수하고(단계 47), 위상 반송 주파수를 추적하고(단계 48), 에피머라이스를 갱신할 것인가를 결정하고(단계 49), 에피머라이스를 수신하고(단계 50), 의사 범위와 도플러 주파수 이동을 측정하고(단계 51), 가시 위성의 개수를 수정하고(단계 52), 모든 가시 위성의 신호를 처리하고(단계 53), 이를 바탕으로 항법에 필요한 디스에이블 가시 위성의 개수를 결정하고(단계 54), 항법의 문제를 해결하고(단계 55), 가시 위성을 변경할 것인지를 결정하고(단계 56), 디스에이블 가시 위성을 변경할 준비를 하는(단계 57) 것을 포함한다.

항법 문제의 해결 결과는 데이터 입출력 장치(10)로 보내져서 위치를 표시한다. 필요한 경우(극단적인 상황일 때), 송수신 장치(11)에 의해 경보 신호와 함께 위치 데이터는 통신 채널을 통하여 기지국(12)으로 보내진다.

알고리즘의 특성은 다음과 같다. 일반 알고리즘의 경우, 프로토 타입 수신기를 포함하여 종래의 수신기의 출력 장치에서, '인터로크' 신호는 코드 추적과 위상 반송 주파수의 추적이 실패한 위성의 신호이다. 그리고, 에피머라이스의 갱신이 30 분 간격으로 이루어진다. 인터로크와 상관없이 위치 변화가 이루어진 다음에는 본 발명에 따른 수신기에서 자동 위상 동기 루프(PLL)에 의해 위상 추적이 실패한 후, 주파수-주파수 동기 루프(FLL)를 추적하는 다른 시스템이 동작한다. 상기 시스템(FLL)이 추적에 실패하면, 코드 추적이 계속된다. 코드 추적에 실패하면 신호가 "인터로크"된 것으로 간주한다. 따라서, FLL 시스템의 파라미터를 적당하게 선택하고 코드의 시스템을 추적함으로써 위상 반송 주파수를 추적하는 데에 실패하는 경우에도 물체를 계속 감시할 수 있다. 그러므로, 위상을 추적함에 있어서, 에피머라이스를 비주기적으로(30 분에 1 회) 갱신하는 경우가 있다. 1 내지 2 시간 이내에 에피머라이스가 갱신되지 않는 경우, 정확도의 감소는 크게 중요하지 않다. 실제로, 본 발명에 따른 수신기는 FLL 시스템을 이용하여 PLL 시스템을 이용하여 7 내지 15 Hz의 중간제곱 에러로 로크 GPS 신호의 주파수를 계속 추적하고 20 m의 중간제곱 에러로 코드를 추적할 수 있다. 여기서, 코드의 초기 복사본과 후기 복사본 사이의 간격폭은 0.5 내지 1 Hz의 추적 시스템의 일측 대역에서 17 내지 20 db Hz의 신호대잡음비로 코드의 1 디지트 C/A와 같다. 그러므로, 수신기의 동작 모드를 바꾸지 않고도 현재의 동작 위치에서 위치 결정을 계속 할 수 있다.

본 발명의 알고리즘이 종래의 알고리즘과 다른 또 다른 특징은 인터로크가 걸린 상태에서 가시 위성을 바꾸지 않고도 완전히 비활성 위성만을 바꿀 수 있다는 것이다.

수신기가 동작하는 동안에 GPS 신호의 인터로크가 높아지거나, 제 1 알고리즘에 의한 항법 작업이 해결되지 않아서 작업 위치를 바꾸어 주어야 하는 경우와 같이 극단적인 상황에서는 제 2 알고리즘을 이용한다. 이와 같은 알고리즘의 구현에 있어서, 상관 처리 장치(5)와는 별개로 ROM(18)과 RAM(19), 입출력 장치(10), 송수신 장치(11)를 사용한다. 또한, 새로운 위치의 위성에 에피머라이스로서 기지국(12) 측에 관한 정보를 이용한다. 이와 같은 정보의 필요성은 상기와 같은 인터포크 상태(신호대잡음비가 낮은 경우)에서는 수신기가 독립적으로 에피머라이스를 채택할 수 없으므로 이 상태에서 PLL이 제대로 동작하지 않기 때문이다. 제 2 알고리즘은 수신기가 이전에 제 1 알고리즘을 사용하여 얻은 데이터가 있을 때에 사용된다. 이 때, 상기 데이터는 장소에 관한 데이터(각 채널(14)에서 직교 상관기(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)의 개수가 K = 20 또는 K = 40일 때 정확도 1.5 km 또는 3 km), 주파수의 도플러 쉬프트 및 신호 형성기(4)의 기준 발생기의 주파수 이동 추정치(정확도 ±10 Hz), 시간에 대한 데이터(정확도 ±1 msec), 및 기지국(12)의 문의(또는 경보 신호)로 얻은 새로운 위성의 엠피머라이스에 관한 데이터를 포함한다. 이들 데이터를 이용하면 프로토 타입 수신기에서와 같이 코드 및 주파수 신호의 신속한(트랙이 없는) 로크를 수행하고 대략 1 초 이내에 위치의 방위를 결정할 수 있다.

상기 상태에서 위치 결정을 수행할 수 있도록 하는 소정의 알고리즘이 갖는 특징은 채널(14₁- 14_N)의 상관기들(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)이 의사 계산 범위 주위에 배열되어 있으므로 1 초의 간격으로 채널의 직교 상관기들(i)(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)각각의 출력의 밀리초 샘플들(동위상(Ii)과 직교(Qi))을 RAM(19)에 저장한 다음에, 다음 식을 이용하여 정보 디지트의 마진 위치로 모듈(또는 모듈의 제곱)을 계산하는 것이다:

(1)

이 때, M = 1000 - 시간 간격 1 초 동안 샘플의 전체 개수.

그런 다음, 보간법을 이용하여 의사 범위를 구하기 위한 두 개의 최대값을 얻는다. 그 방법은 인용 발명 9에 나와 있다.

이들 동작들은 모두 신호가 수신기에서 처리되는 각각의 가시 GPS 위성에 대하여 즉, 해당 채널(14) 각각을 설정한다. 앞서 설명한 바와 같이, 선험적으로 주어지는 데이터는 정확한 것이며 이들 최대값은 산광 함수 피크의 실제 위치를 특징지으므로, 다른 시간 위치에 대하여 PSP 이동이 필요 없다.

이미 앞에서 설명한 바와 같이, 프로토 타입 수신기와는 달리, 본 발명에 따른 수신기는 일정한 클럭 레이트로 아날로그/디지털 변환 장치(3)의 출력단에 샘플들을 누적시키는 것이 아니라, 직교 상관기들(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)의 출력단에 밀리초 샘플들을 누적시킨다. 따라서, 프로토 타입 수신기에서와 같이 소프트웨어 방식으로 상관 처리하지 않고 반드시 상관기(13)를 이용하는 하드웨어 방식으로 상관 처리한다.

데이터 상태에서 다른 시간 위치에 대하여 PSP 이동을 하지 않고 1초의 시간간격 동안의 샘플들을 오직 한 번 누적하는 것으로 충분하기 때문에, 프로토 타입 수신기에 비하여 본 발명에 따른 수신기는 방위를 결정하는 데에 시간의 손실이 일어나지 않는다.

제 2 알고리즘과 그 동작 순서의 특징은 도 5에 나타낸 바와 같다. 동작 순서는 다음과 같다.

입출력 장치(10)에 의해 경보 신호가 만들어지면(단계 58), 제 1 알고리즘에 따라 상기에 언급한 방법을 이용하여 항법 작업을 결정한다(단계 59). 긍정적인 해결 방법인 경우, 통신 채널을 통하여 기지국(12)에 경보 신호와 함께 장소의 방위를 전송한다(단계 60).

처음에 제 1 알고리즘으로 해결하기 어려운 경우에는, 경보 신호만을 기지국(12)에 전송한다(단계 61). 그런 다음, 장소 데이터, 기준 발생기 주파수의 추정치, 정확한 시간, 반송파 주파수의 도플러 쉬프트치 등과 같은 선험적인 데이터를 얻으면(단계 62), 기지국(12)으로부터 통신 채널을 통하여 가시 위성의 에피머라이스를 수신한다(단계 63).

위성에 대한 정확한 데이터와 에피머라이스에 따라 디지털 상관기(13)(즉, 디지털 제어 코드 발생기(22), 디지털 제어 GPS 코드 C/A 발생기(23) 및 디지털 제어 반송 주파수 발생기(20))의 채널들(14₁- 14_N)을 설정하고 나면(단계 64), 각 채널(14₁- 14_N)의 K 개의 직교 상관기들(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)이 계산된 지연 및 주파수값으로 설정된다.

1 초의 시간 간격으로 모든 채널(14)의 상관기들(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)의 출력단으로부터 출력되는 샘플들(동위상 I와 직교 Q)이 누적된다. 즉, M = 1000 샘플들이 누적된다(단계 65). 그리고, 제 1 채널(14₁)에 대한 제 1 위성의 개수를 설정한다(단계 66). 디지트의 마진에 따라 1 초 동안에 각 직교 상관기에서 모듈이 탐색된다(단계 67). 따라서, 20 밀리초의 디지트에 해당하는 시간 동안에 모듈들이 누적되면, 직교 채널들의 샘플들도 방정식 (1)에 따라 누적된다.

또한, 최대 모듈을 갖는 두 개의 상관기를 찾아낸다. 즉, 제 1 및 제 2 최대치를 탐색한다(단계 68). 그런 다음, 인용 발명 9에서와 같은 알고리즘을 이용하여 이 위성에 대한 상관 및 쿼지 범위의 피크를 보간 처리한다(단계 69).

다음 위성의 개수를 설정하고 상기 과정을 반복한다(단계 70). 이 과정은 모든 채널들(14₁- 14_K)이 처리될 때까지 반복된다.

항법 작업을 해결한 다음에(단계 72), 위치 결정 정보를 기지국(12)으로 전송한다(단계 73).

제 2 알고리즘을 실행할 때 선형 데이터가 없거나(도 5의 단계 62), 처음에 수신기가 신호의 인터로크 상태에서 동작을 시작하면, 신호 검출이 일어나지 않으므로 제 3 알고리즘을 이용하여야 한다.

제 3 알고리즘을 실행하는 상태는 마이크로프로세서(15)의 내부 시간에 의해 정해지는 대략의 시간(에러가 1 분이면, 60 Hz의 신호 주파수의 도플러 쉬프트 추정치에 에러가 발생한다. 즉, 1 초이면 1 Hz의 신호 주파수에 에러가 생긴다)을 제외하고는 데이터가 없는 경우이다. 따라서, 입출력 장치(10)와 송수신 장치(11)를 이용하여 기지국(12)에 기준 주파수, 시간에 대한 데이터(1 초의 정확도를 가짐), 및 장소에 대한 데이터(정확도가 150 km 이상임)를 제공한다. 이에 따라 가시 위성의 개수와 가시 위성의 에피머라이스가 제공된다.

기지국(12)이 최대 ±150 km 이내에 있으면, 같은 정확도로 선험적인 위치 방위가 주어진다. 이렇게 하여, 심볼 및 필드의 동기화를 수행하지 않고도 의사 범위의 샘플들을 다중으로 사용하는 것이 가능하다. 이는, 1 밀리초의 코드 C/A가 300 km의 위상 경로폭에 해당하고, 다중 이용 상태가 위상 경로폭의 1/2에 해당하기 때문이다. 공지된 바와 같이, 위치에 1 km의 에러가 있으면 주파수의 도플러 쉬프트 추정치에 1 Hz의 에러가 발생하므로, 지연과 주파수에 대하여 신호를 탐색하여 4 내지 20 밀리초의 간격으로 정보(동위상 샘플(I)과 직교 샘플(Q))를 누적시켜야 한다. 따라서, 20 밀리초에서 주파수의 에러는 15 Hz이어야 하고, 10 밀리초에서는 30 Hz, 4 밀리초에서는 70 Hz이어야 한다. 이렇게 하면, 큰 전원 손실이 다르게 발생한다. 소정의 알고리즘을 상기와 같이 적정하게 실행하면, 기지국으로부터 반경 30 km 이내에 있는 수신기를 동작시킬 수 있다. 이와 비슷한 조건에서 위치 결정을 수행하는 프로토 타입 수신기에도 같은 사실이 적용되지만, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 기지국(12)으로부터 수신한 GPS 신호의 위치 결정을 위한 시간을 충분히 확보하기 위하여, 매우 안정한 사인파 동기 신호를 수신할 수 있으며, 이와 관련하여 졍격치로부터 신호 형성기(4)의 기준 발생기 주파수가 벗어나는 편차를 결정할 수 있다. 또 다른 방법으로는 동기화 신호에 따라 기준 발생기의 주파수를 튜닝하는 것이다. 프로토 타입 수신기에서와 같이 기준 발생기로서 안정도 비율이 0.1 ppm보다 큰 매우 안정하고 비싼 기준 발생기("TXCO")를 사용한다면 동기화 신호는 필요 없게 된다.

기지국(12)으로부터 상기 데이터를 얻고 기준 발생기의 주파수 드리프트를 정한 다음에는, 마이크로프로세서(15)를 이용하여 가시 위성 신호 주파수의 도플러 쉬프트 값을 계산하고 계산된 도플러 쉬프트 값에 대하여 적당한 가시 위성의 반송 주파수 값을 디지털 상관기(13)의 각 채널(14)에서 디지털 제어 반송 주파수 발생기(20)로 보낸다. 이렇게 하여, 채널을 모든 가시 위성에 둔다.

이렇게 설정한 채널(14)에서, 상관기(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)를 배열한다. 상관기(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)는 프로그램 지연 라인(24)에 의해 정형된 기준 코드를 코드의 1/2 디지트 C/A만큼 시간 이동시켜 설정한다. 이 경우, K = 20 내지 40일 때 채널(14)에서 사용되는 상관기들(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)은 10 내지 20 디지트의 중복을 갖는다. 코드 C/A 기간이 1023 디지트이므로, GPS 시스템의 시간 스케일에 관련한 수신기의 시간적 위치는 신호 탐색에 대하여 10 내지 20 디지트의 채널 상관기가 이동하므로 알려져 있지 않다. 최대 이동 횟수는 50 내지 100 회이다. 디지털 상관기(13)의 출력단에서 출력되는 샘플은 1 초 동안에 누적되므로, 신호 검출을 위한 최대 시간은 50 내지 100 초이다. 그리고 평균 시간은 25 내지 50 초 이내에 두 번이다.

상기와 같은 시간 비용은 본 발명에 따른 수신기의 간소화에 따른 데이터 상태에서 위치 결정을 가능케 하는 데에 요구되는 비용이다. 그러나, 실제로 데이터 상태에서 위치 결정에 드는 상기와 같은 시간 비용은 기능성 수신기를 이용하면 반드시 필요하지 않게 된다.

제 3 알고리즘에서, 각 디지트 마진의 서로 다른 위치에 대한 샘플들은 0 내지 19 밀리초의 범위 내에서 1 밀리초만큼 이동시켜 합산하고, 코드 C/A 기간의 처음 이동뿐만 아니라 디지트 마진의 이동에 최대치가 존재한다.

제 3 알고리즘은 주파수의 도플러 쉬프트와 기준 발생기의 주파수 드리프트 회수의 계산 정확도로 한 개의 위치를 결정하는 경우이다(정확도가 나쁜 경우에는, 여러 위치에 대하여 탐색함으로써 알고리즘을 부가해야 한다. 이에 대해서는 설명을 생략하기로 한다).

제 3 알고리즘과 그 동작 순서는 도 6에 나타낸 알고리즘으로 설명된다. 제 3 알고리즘의 실행 동작 순서는 다음과 같다.

먼저, 통신 채널을 통하여 기지국(12)으로부터 데이터를 수신한다(단계 74). 에피머라이스를 가시 위성의 개수와, 적어도 150 km의 정확도로(정확도는 이 범위가 바람직하다. 정확도가 25 내지 30 km 이상이면 도플러 쉬프트 결정 에러가 30 Hz 이하가 된다) 위치 방위에 관한 데이터 구조에 도입한다. 또한, 기지국(12)으로부터 통신 채널을 통하여 수신된 매우 안정한 기준 신호에 대하여 쉬프트에 의해 결정되는 정격치로부터 신호 형성기(4)의 기준 발생기 주파수의 편차 표시를 로킹한다(단계 75). 또는, 기준 발생기 주파수의 튜닝을 매우 안정한 외부 신호의 주파수에 따라 실행하는 경우, 상기 편차값을 0으로 한다.

위성의 반송 주파수 값에 대하여 계산된 데이터에 따라 디지털 상관기(13)의 14 개 채널을 설치한다(단계 76). 즉, 디지털 제어 반송 주파수 발생기(20)를 설치한 다음에, 디지털 상관기(13)의 14 개 채널 요소를 설정하여 제 1 시간 위치에 대한 범위를 결정한다(단계 77). 그러면, K = 20 내지 40일 때, 직교 상관기들(27₁- 27_K)(28₁- 28_K)이 C/A 코드의 1/2 디지트로 중복되어 간격이 10 내지 20 디지트가 된다(코드 C/A 기간의 모든 디지트는 1023 개이다).

1 초의 시간 동안에 RAM(19)에 샘플들을 저장한다(단계 78). 그런 다음, 정보의 각 디지트 마진의 여러 위치에 대하여 각 채널(14)의 상관기에 대한 모듈과 그 제곱값을 구한다(단계 79). 정확한 시간에 데이터가 없으므로 이 과정이 필요하다. 그리고, 디지트의 범위 결정에는 에피머라이스가 충분하지 않다. 에피머라이스를 알지 못하면, I = 1 내지 20 밀리초의 기간 동안에 샘플을 누적할 수 없게 된다.

모듈의 계산은 다음 공식에 의해 수행된다:

(2)

이 때, i는 샘플의 개수(i = 1 내지 1000);

j는 정보의 디지트 마진의 추정 위치(j = 0 내지 19 밀리초); 및

l은 신호의 처리 기간(l = 4 내지 20 밀리초).

디지털 상관기(13)의 각 채널에서 즉, 각 위성에서 두 개의 최대 모듈값을 찾는다(단계 80). 그런 다음, 신호 검출을 위하여 한계치와 비교한다(단계 81). 신호가 검출되지 않으면, 10 내지 20 디지트로 채널(14)의 발생기(23)에서 코드의 C/A를 이동한다(단계 82). 그리고, 단계 78 내지 81을 다시 반복한다.

모든 위성에 대하여 상기 최대값을 찾아 결정하였으면(단계 83), 상관 피크를 보간 처리하고 의사 범위를 계산한다(단계 84). 그리고, 항법 작업을 수행하고(단계 85), 기지국(12)으로 방위를 전송한다(단계 86).

따라서, 본 발명에 따른 수신기는 인터로크 상태를 포함하여 여러 가지 GPS 신호 수신 상태에서 동작한다. 이렇게 함으로써, 수신 GPS 신호의 신호대잡음비가 표준 한계치보다 낮은 경우에도 위치 결정 정보와 함께 경보 신호(극단적인 상황에서)를 전송할 수 있게 된다. 또한, 기울어짐 상태 등과 같은 "under foliage"에서도 본 발명에 따른 수신기를 동작시킬 수 있다.

상기 설명으로부터, 본 발명은 프로토 타입 수신기에 비하여 용이하게 산업적으로 이용가능하고, 개인 안전 시스템을 위한 GPS 신호 수신기가 갖는 문제를 해결하고 있음을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 수신기는 구현이 용이하며 전원 소모가 적고 부피가 작으며 가볍고 비용이 적게 들므로(전원 소모가 큰 프로토 타입 수신기의 7 개 내지 9 개의 기능 장치들을 생략하였기 때문) 대중적으로 사용하기에 적당하다. 따라서, 수신기의 위치 결정과 관련한 기능을 구현하기 위하여 본 발명에 따른 수신기를 사용하면 15 내지 20 DB의 전원이 명목상 전력인 164.5 dbW보다 작은 GPS 신호의 인터로크 상태에서도 동작할 수 있다. 따라서, 개인 안전 시스템에 GPS 신호의 수신기로서 본 발명에 따른 수신기를 구현할 수 있다.

모든 기능을 유지하면서도 수신기를 간소화하고 비용을 절감하였으므로 이용자의 개인 안전을 위한 통신 시스템으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (2)

1. 종래의 GPS 신호 수신기의 입출력 장치, 데이터 입출력 장치, 및 수신기를 기지국에 연결시키는 통신 채널을 통하여 데이터를 송수신하기 위한 송수신 장치를 순차적으로 포함하고, 기준 신호 출력단은 입력 장치의 기준 입력단에 연결되어 출력 장치의 클럭 입력단은 입력 장치의 클럭 입력단에 연결되고, 상기 입력단은 순차적으로 연결된 무선 주파수 변환기, 아날로그/디지털 변환기, 및 신호 클럭 및 헤테로다인 주파수 형성기를 포함하고, 상기 무선 주파수 변환기의 신호 입력단은 상기 입력 장치의 신호 입력단에 연결되고, 상기 아날로그/디지털 변환기의 출력단은 입력 장치의 신호 출력단이고, 상기 신호 형성기의 기준 입력단은 입력 장치의 기준 입력단이고, 상기 클럭 신호 및 헤테로다인 주파수 형성기의 헤테로다인 출력단은 무선 주파수 변환기의 헤테로다인 입력단에 연결되고, 입력 장치의 클럭 출력단인 상기 클럭 신호 및 헤테로다인 주파수 형성기의 클럭 출력단은 아날로그/디지털 변환기의 클럭 입력단에 연결되는 개인 안전 시스템의 휴대용 GPS 수신기에 있어서, 상기 종래의 GPS 신호 수신기의 출력 장치는 8 내지 12 개(= N)의 병렬 처리 채널을 갖는 멀티채널 디지털 상관기를 포함하고, 상기 멀티채널 디지털 상관기는 마이크로프로세서에 연결되고, 상기 마이크로프로세서는 신호 처리 프로그램을 저장하기 위한 영구 저장 장치와 GPS 신호의 인터로크가 없는 표준 모드에서 동작하는 데에 사용되는 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장 장치를 구비하므로, 상기 출력 장치의 마이크로프로세서는 데이터 교환 트렁크에 의해 입력 장치의 클럭 신호 및 헤테로다인 주파수 형성기와, 데이터 입출력 장치와, 송수신 장치에 연결되고, 또한, 신호 처리 프로그램을 저장하기 위한 영구 저장 장치와 GPS 신호의 인터로크 상태에서 동작하여 데이터와 멀티채널 디지털 상관기의 샘플들을 저장하기 위한 저장 장치에 연결되고, 멀티채널 디지털 상관기의 N 개 채널의 각각은 K 개(여기서, K는 20 내지 40)의 동위상 및 직교 상관기이고, 적당한 저장 장치는 GPS의 C/A 코드 디지트의 절반만큼 이동된 K 개의 C/A 코드 복사본으로 GPS 신호들을 동시에 상관 처리할 수 있고, C/A 코드 기간과 같은 구간 동안에 상관 결과를 누적시킬 수 있는 것임을 특징으로 하는 개인 안전 시스템의 휴대용 GPS 수신기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 멀티채널 디지털 상관기의 각 채널들은 디지털 제어 반송 주파수 발생기, 제어 레지스터, 디지털 제어 코드 발생기, 기준 C/A GPS 코드 발생기, 프로그램 지연 라인, 동위상 및 직교 처리 채널의 제 1 및 제 2 디지털 혼합기, 및 K 개의 동위상 및 직교 상관기의 제 1 및 제 2 그룹을 포함하고, 제 1 입력단들은 적당한 디지털 혼합기의 출력단들에 연결되고, 제 2 입력단들은 프로그램 지연 라인의 적당한 출력단들에 연결되고, 출력단들은 적당한 저장 장치들의 신호 입력단들에 연결되고, 데이터 출력 장치는 저장 장치들의 출력단들, 디지털 제어 반송 주파수 발생기의 제어 입력단, 제어 레지스터의 제어 입력단, 디지털 제어 코드 발생기의 제어 입력단, 및 기준 C/A 발생기의 제 1 입력단을 상기 출력 장치의 마이크로프로세서에 연결하므로, 디지털 혼합기들의 다른 신호 입력단들에 연결되어 채널의 신호 입력단을 형성하고, 디지털 제어 반송 주파수 발생기와 디지털 제어 코드 발생기와 프로그램 지연 라인과 저장 장치들의 다른 클럭 입력단들에 연결되어 채널의 클럭 입력단을 형성하고, 제 1 및 제 2 디지털 혼합기의 제 2 입력단은 디지털 제어 반송 주파수 발생기의 제 1 및 제 2 출력단에 연결되고, 프로그램 지연 라인의 신호 및 제어 입력단은 기준 C/A GPS 코드 발생기의 출력단과 제어 레지스터의 제 1 출력단에 연결되고, 제어 레지스터의 제 2 출력단은 기준 C/A GPS 신호 발생기의 제 2 입력단에 연결되고, 기준 C/A GPS 코드 발생기의 제 3 입력단은 디지털 제어 코드 발생기의 출력단에 연결되므로, 멀티채널 디지털 상관기에서 채널의 다른 신호 입력단들 및 채널의 다른 클럭 입력단들과 연결되어 멀티채널 디지털 상관기의 신호 및 클럭 입력단들을 형성하는 것임을 특징으로 하는 수신기.