KR20040008211A - 위성 추적 정보를 생성하고 분배하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20040008211A
KR20040008211A KR10-2003-7015929A KR20037015929A KR20040008211A KR 20040008211 A KR20040008211 A KR 20040008211A KR 20037015929 A KR20037015929 A KR 20037015929A KR 20040008211 A KR20040008211 A KR 20040008211A
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KR10-2003-7015929A
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제임스 더블유. 라만스
찰스 아브라함
프랑크 반디겔렌
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글로벌 로케이트, 인크.
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Abstract

본 발명은 미래에 확장된 시간 주기동안 유효한 위성 추적 데이터를 제공하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 위성 추적 데이터의 적어도 일부는 원격 수신기에 의해 규정된 포맷팅이다. 포맷팅된 데이터는 분배 네트워크를 통해 원격 수신기에 전송된다. 이와 같이, 원격 수신기는 위성 추적 데이터의 갱신을 수신함 없이 수 일동안 정확하게 동작한다.

Description

위성 추적 정보를 생성하고 분배하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING AND DISTRIBUTING SATELLITE TRACKING INFORMATION}
위성 측위 시스템(Global Positioning System: GPS)용 측위 수신기는 측위를 계산하기 위해 여러 위성으로부터의 측정치를 사용한다. GPS 무선 신호를 획득하는 과정은 GPS 수신기가 위성 궤도(orbit) 및 클록의 모델에 대해 사전 접속을 가질 경우 속도 및 감도가 강화된다. 이러한 모델은 GPS 위성에 의해 방출되며 천체력 또는 천체력 정보로 공지되어 있다. 각각의 위성은 자신의 천체력을 매 30초마다 한번씩 방출한다. GPS 무선 신호가 획득되면, 측위를 계산하기 위한 과정은 천체력 정보 사용을 필요로 한다.
방출 천체력 정보는 GPS 위성 신호내 900비트 메시지로 인코딩된다. 초당 50비트의 속도로 전송되기 때문에, 완전한 천체력 전송에 대해 모두 18초가 소요된다. 방출 천체력 정보는 전형적으로 (방출된 시간으로부터) 미래 2 내지 4시간동안 유효하다. 유효 주기가 끝나기 전에, GPS 수신기는 계속해서 올바르게 동작하고 정확한 측위를 생성하기 위해 새로운 방출 천체력을 얻어야만 한다. GPS 수신기가 위성으로부터 천체력을 다운로딩하는 것은 항상 느리고(10초 정도), 잦은 문제를 일으키며 (매우 낮은 신호 강도를 가진 환경에서) 때때로 불가능하다. 이러한 이유로, 위성으로부터의 전송을 기다리는 대신 몇몇 다른 수단에 의해 GPS 수신기로 천체력을 전송하는 것이 바람직한 것으로 알려져 왔다. 1984년 4월 24일 특허허여된 미국특허 4,445,118호는 GPS 기준국에서 천체력 정보를 수집하고 무선 전송을 통해 원격 GPS 수신기로 천체력을 전송하는 기술에 관해 개시하고 있다. 천체력 또는 동등 데이터를 GPS 수신기에 제공하는 이러한 기술은 "보조-GPS"로서 공지되어 왔다. 보조-GPS에서의 천체력 소스가 위성 신호이기 때문에, 천체력 정보는 몇 시간동안만 유효하다. 이와 같이, 원격 GPS 수신기는 이러한 정보가 위성으로부터 직접 수신되었는지 또는 무선 전송을 통해 직접 수신되었는지에 따라 천체력 정보 소스에 주기적으로 접속되어야만 한다. 이와 같은 주기적 갱신이 없다면, 원격 GPS 수신기는 측위를 정확하게 결정할 수 없을 것이다.
현재의 기술에 있어서의 부족한 점은 위성 비상경로(trajectory)에 대한 어떠한 소스도 없으며 미래에 수 시간 이상 유효한 클록 정보도 없다는 것이며, 그것을 필요로 하는 많은 원격 장치에 반복적으로 천체력 정보를 전송하는 것은 고가일 수 있다. 더욱이, 이동 장치는 자신들의 천체력이 무효가 되면 보조-GPS 정보의 소스로부터의 접속에서 벗어난다.
그러므로, 미래에 확장된 주기동안 예를 들면, 미래 수 일(many days)동안 유효한 위성 비상경로 및 클록 정보를 제공하기 위한 방법 및 장치가 필요하다.
본 발명은 전반적으로 지구주위를 도는 위성에 대한 위성 추적 정보 생성에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 위성 추적 정보를 네트워크 또는 통신 링크를 통해 생성하고 분배하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 위성 추적 데이터(STD)를 생성하여 원격 GPS 수신기에 분배하는 시스템을 도시한다.
도 2는 위성 추적국에서 형성된 위성 측정치로부터 STD를 형성하기 위한 방법을 도시한다.
도 3은 ICD-GPS-200C에 개시된 바와 같은 방출 천체력 포맷 모델에 부합하는 STD 데이터의 타임라인이 수 시간동안 지속됨을 도시한다.
도 4는 궤도 비상경로 모델내 파라미터를 갱신하기 위한 최소 제곱 추정치를 사용하는 방법의 순서도를 도시한다.
도 5는 STD로부터 유도된 궤도 모델내 에러를 도시하며 이러한 에러를 방출 천체력내 에러와 비교한 것을 도시한다.
도 6은 STD 데이터베이스내에서 사용될 수 있는 데이터 테이블의 예를 도시한다.
본 발명은 미래에 확장된 주기 동안 유효한 위성 추적 데이터(STD) 즉, 장시간 STD 또는 LT-STD를 생성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. STD는 미래의 위성 비상경로 정보 및/또는 위성 클록 정보를 포함한다. STD는 적어도 하나의 위성으로부터 신호를 하나 이상의 위성 추적국에서 수신하여 수신된 신호로부터 위성 추적 정보(STI)를 결정함으로써 유도된다. STI는 현재의 위성 궤도 비상경로 데이터와 위성 클록 정보를 포함한다.
STD는 네트워크 또는 통신 시스템을 통해 원격 위성 수신기에 제공된다. 위성 시스템은 위성 측위 시스템(GPS), GALILEO 및 수신기의 성능을 강화하는데 STD를 사용하는 다른 위성 시스템을 포함한다. LT-STD를 사용함으로써, 원격 수신기는 위성으로부터 일반적으로 제공되는 것과 같은 방출 천체력 정보의 갱신을 수신함 없이 수 일동안 정확하게 동작한다.
본 발명의 상기한 특징이 얻어지며 상세히 이해될 수 있는 방식이기 때문에, 상기에 간략히 요약된 본 발명의 매우 특이한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 실시예에서 기준으로서 설명된다.
하지만, 첨부된 도면은 본 발명의 전형적인 실시예만을 도시하며 자신의 범위의 한계를 제한하지는 않는다는 것에 주목한다.
도 1은 위성 추적 데이터(STD)를 생성하고 분배하기 위한 시스템(100)의 블럭도를 도시한다. 위성 시스템은 위성 측위 시스템(GPS), GLONASS, GALILEO 및 수신기의 성능을 강화시키기 위해 STD를 사용하는 다른 시스템을 포함한다. 이하의 설명은 본 발명이 동작하는 예시적인 시스템으로서 GPS를 사용한다. 이하의 설명으로부터, 당업자라면 다른 위성 시스템과 관련하여 본 발명을 실행할 수 있을 것이다.
GPS 추적국의 네트워크(102)는 GPS 위성(104)으로부터 측정 데이터를 수집하는데 사용된다. 이러한 네트워크는 미국특허 출원번호 09/615,105호에 상세히 개시되어 있다. 네트워크는 배치된 모든 위성으로부터 위성 추적 정보(STI)를 수집하는 여러 추적국, 몇몇 추적국 또는 전세계의 특정 영역에 대한 STI만을 수집하는 단일 추적국을 포함할 수 있다. STD 수집 및 계산 서버(106)는 측정 데이터를 수집하고 처리한다(이러한 특정 데이터는 여기서는: 코드 위상 측정치, 캐리어 위상 측정치, 도플러 측정치 또는 천체력 데이터중 적어도 하나를 포함하는 위성 추적 정보(STI)를 지칭한다.). 바람직한 실시예에서, 측정 데이터는 GPS 위성이 전송하는 L1 및 L2 주파수로부터 얻어진다. 선택적인 실시예는 이들 주파수중 오로지 하나 및/또는 다른 위성 시스템 혹은 미래 버전의 GPS 시스템에 의해 사용된 다른 주파수를 사용한다. 서버(106)는: 1) 데이터 수집 주기 동안 정확한 위성 추적 데이터(STD)(예를 들면, 각각의 위성의 비상경로 및/또는 클록 오프셋 측정치), 2) 각각의 위성의 미래 STD에 대한 예상치, 및 3) 각각의 위성의 미래 STD에 정합하는 모델을 생성한다. 서버(106)는 중앙처리유닛(CPU)(118), 지원 회로(122), 및 메모리(120)를 포함한다. CPU(118)는 일반적인 계산을 수행하기 위해 시장에서 입수가능한 많은 CPU중 하나일 수 있다. 선택적으로, CPU는 위성 추적 정보를 수행하도록 설계된 응용주문형 집적회로(ASIC)와 같은 특정 목적용 프로세서일 수 있다. 지원 회로(122)는 클록 회로, 캐시, 전력원 등과 같은 공지된 회로이다. 메모리(120)는 판독전용 메모리, 임의 접속 메모리, 디스크 드라이브 스토리지, 제거가능 스토리지 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 메모리(120)는 CPU(118)에 의해 실행될 대 시스템(100)이 본 발명에 따라 동작할 수 있도록 하는 예를 들면, LT-STD 소프트웨어와 같은 실행가능한 소프트웨어를 저장한다.
LT-STD 소프트웨어(124)에 의해 생성된 위성 비상경로 및 클록 데이터 세트는 STD 정보를 구성하고, STD 데이터베이스(108)에 저장된다. 분배 서버(110)는 가장 최근의 데이터 세트를 수집하기 위해 데이터베이스(108)에 접속하고, 관련 인터페이스 표준에 따라 비상경로 변환 소프트웨어(111)를 사용하여 데이터를 포맷팅하며, 포맷팅된 데이터를 위성 궤도 정보를 필요로 하는 GPS 장치(112)에 분배한다. 분배 프로세스는 몇몇 형태의 무선 통신 시스템(114)에 의해 또는 인터넷(116)을 통해 혹은 이 둘의 조합에 의해 또는 몇몇 다른 통신 수단에 의해 수행된다. 일단 GPS 장치(112)가 궤도 데이터를 수신하면, 이들은 위성으로부터 또는 임의의 다른 소스로부터 새로운 방출 천체력을 다운로딩할 필요 없이 수 일동안 계속해서 동작할 것이다. GPS 장치로 분배된 궤도 데이터는 방출 천체력과 동일한 포맷일 수 있거나 또는 GPS 장치에 의해 정의되는 몇몇 다른 모델 포맷일 수 있다. 여기서, 이러한 궤도 데이터는 일반적으로 위성 추적 모델(STM)로 지칭된다. STM의 GPS 수신기로의 로딩은 많은 방식으로 달성될 수 있다. 개인용 디지털 단말(PDA)용 장치를 사용하여, 네트워크로의 직접 접속 또는 불루투스 혹은 셀룰러 네트워크와 같은 무선 기술이 천체력 데이터가 수신기에 전달되는 방식의 몇몇 예일 것이다. 전송은 일반적으로 GPS 수신기의 특정 위치에 대한 지식 없이 LT-STD(또는 모든 혹은 일부의 LT-STD를 나타내는 모델)을 방출함으로써 달성된다. 이와 같이, 분배 서버는 네트워크를 통해 분배 서버로 임의의 정보를 전송하기 위해 GPS 수신기를 필요로 하지 않는다.
GPS 그 자체가 위성거리측정(ranging) 시스템이기 때문에, GPS 위성에 의해 전송된 데이터는 추적국 세트로부터 GPS 위성으로의 위성거리, 위성거리변화율 및클록 오프셋을 결정하는데 사용될 수 있다. 추적국(102)에 의해 생성된 이러한 세트의 관찰값은 궤도 결정 프로세스 및 위성 클록 특성의 추정에 사용된다. 모니터링국(102) 세트는 단일 국, 연속동작 기준 시스템(CORS)과 같은 공중 네트워크 또는 개인 소유 및/또는 동작 네트워크일 수 있다.
도 2는 LT-STD에 대한 프로세스의 바람직한 실시예를 도시한다. 프로세서는 단계(202)에서 시작하고, 추적국의 네트워크로부터 위성 측정치가 수집된다. 코드 위상(SP), 캐리어 위상(CPH) 및 도플러와 같은 측정치가 GPS 위성 추적 정보에 사용된다. 단계(204)에서, 측정치는 데이터가 수집되는 주기동안 위성 비상경로 및 클록 오프셋을 계산하는데 사용된다. 이러한 단계는 업계에서 공지된 표준 GPS 처리 기술 및 소프트웨어 패키지를 사용하여 수행된다. 이러한 형태의 소프트웨어의 예는 제트추진 연구소(JPL)로부터의 GIPSY, NASA 고다드 우주비행센터(GSFC)로부터의 GEODYN, 및 밴 마틴 시스템즈로부터의 상업적 제품인 MicrpCosm이다.
단계(206)에서, 단계(204)로부터의 위성 비상경로 및 클록 오프셋이 중력, 항력, 태양광 방출 압력, 조수, 3자 효과(thied body effect), 세차운동, 장동(nutation), 및 위성 비상경로에 영향을 주는 다른 보존력 및 비보존력과 같은 표준 궤도 모델을 사용하여, 동일한 소프트웨어 패키지로 전파된다. 이들은 일반적으로 데이터 정합(fit) 간격 동안 위성 궤도의 추정시 사용되는 동일한 힘 모델이다. 항렬 및 태양광 방출 압력과 같은 이들 모델의 서브세트는 비상궤도에 최적으로 정합하기 위해 단계(204)에서 설명된 궤도 추정 프로세스 동안 조정된다. 이들 공지된 힘 모델 및 추정된 힘 모델과 파라미터의 조합은 데이터 정합 간격외 시간동안 전파된 궤도를 제공하기 위해 전파(206)에 사용된다. GPS 위성에 대한 클록 오프셋은 전형적으로 매우 작고, 변화는 시간에 따라 선형적으로 변화된다. 이들 클록 오프셋은 클록 오프셋, 드리프트 및 드리프트율을 포함하는 2차 모델과 같은 표준 모델을 사용하여 미래로 전파된다.
단계(208)에서, 전파된 위성 비상경로 및/또는 클록 오프셋은 데이터베이스내 STD로서 저장된다. 단계(210)에서, 비상경로 변환 소프트웨어는 LT-STD 데이터를 모델이 제공되어야할 GPS 장치에 의해 예상되는 모델과 포맷으로 변환한다. 단계(212)에서, 규정된 모델 또는 정보가 출력된다. 현존하는 GPS 수신기와 사용하기 위해, 바람직한 모델의 예는 ICD-GPS-200에 규정된 것과 같은 GPS 천체력 모델이며, 천체력 모델은 도 3의 타임라인(300)으로 도시된 바와 같이 각각 4시간 주기로 LT-STD로부터 생성된다 즉, 차이 모델(301, 302,..)이 각각의 6시간 주기마다 생성된다. 이와 같이, 다수의 모델(301, 302,..)은 가용 LT-STD의 길이를 누진적으로 소모한다.
선택적인 실시예에서, 단계(204)에서 위성 비상경로 및 클록 오프셋은 위성에 의한 데이터 방출 및 ICD-GPS-200c에 주어진 표준 식을 사용하여 추정된다.
궤도 모델은 비상경로를 적은 수의 변수의 함수로서 기술하며 시간 대 위성 측위의 표로서 위성 측위 벡터를 명확히 제공할 필요를 제거하는 위성 비상경로의 수학적 표현이다. 천체력 모델의 예는 고전의 6개의 캐플러 엘리먼트 궤도 모델이다. 비록 이러한 모델이 장시간의 정확도는 떨어지지만, 위성 비상경로 정보를 적은 수의 변수의 함수로서 제공하기 위한 기능적 천체력 모델이다. 바람직한 실시예에서, 비상경로를 설명하는데 사용된 모델은 GPS 표준 천체력이고, 이는 ICD-GPS-200c에 규정되어 있으며 통상적인 유니트를 따른다. 이는 현존하는 GPS 수신기와 최대의 호환성을 제공하는 바람직한 방법이다. 하지만, 다른 궤도 모델이 위성 비상경로를 나타내는데 사용될 수 있다. 궤도 모델은 증가된 정확도, 긴 지속 정합, 비상경로에 대한 더 콤팩트한 표현 또는 애플리케이션에서 필요한 다른 최적안들을 제공하기 위해 선택될 수 있다.
본 발명은 GPS 장치에 제공된 궤도 모델이 GPS 위성에 의해 방출된 천체력 데이터가 아니라는 점에서 현재 기술과는 다르다. 현재 기술은 GPS 위성으로부터 방출된 천체력을 다운로딩하여 이러한 데이터를 GPS 장치에 재전송한다. 본 발명에서, 방출된 천체력 데이터는 어떠한 단계에서도 필요하지 않으며 바람직한 구현에서 사용되지 않는다.
GPS 위성에 의해 제공된 방출된 천체력 데이터는 특정 시간 주기(전형적으로 4시간)를 커버링하고 이러한 시간 끝에 정보가 사용할 수 없게 된다. 예를 들어, 만일 장치가 5분이 만기인 방출된 천체력을 수신한다면, 장치는 그 5분 간격외에 동작하기 이전에 새로운 방출된 천체력을 필요로 할 것이다. 본 발명에 따르면, STD는 현재시간으로부터 미래로 또는 미래 몇몇 시간 간격에 대해 사용될 수 있다. 이러한 시간 주기는 현재 시간에 대해 앞으로 진행되거나 미래의 몇몇 시간 간격에 대해 진행된다. 예를 들면, 장치는 현재 시간에 대한 표준 GPS 천체력 포맷내 궤도 정보를 요구한다. 이 경우, 장치에 제공된 천체력은 다음 6시간 동안 유효하다. 장치는 2개의 6시간 천체력 궤도 모델로서 제공될 표준 GPS 포맷내 다음 12시간동안 궤도 정보를 요구할 것이다. 더욱이, 다른 정확도와 표준을 지원하는 다른 궤도 모델 및 포맷이 LT-STD로부터 생성될 수 있다.
LT-STD를 원하는 궤도 모델에 정합하는 것은 다수의 수학적 모델로 달성될 수 있다. 바람직한 실시예는 비상경로 데이터에 궤도 모델 파라미터를 최소 제곱 정합한다. 칼만 필터 또는 다른 추정기와 같은 방법 또한 비상경로 데이터를 최적으로 정합하는 궤도 모델 파라미터를 얻는데 사용될 수 있다. 데이터를 궤도 모델에 정합하는 이러한 기술은 궤도 결정 및 궤도 모델링하는 당업자에게 공지되어 있다.
최소 제곱 기술은 궤도 모델 파라미터에 비상경로 데이터의 최적의 정합을 제공한다. 도 4는 최소 제곱 추정 기술을 사용하여 궤도 모델을 생성하는 방법의 순서도를 도시한다. LT-STD의 일 실시예가 도 6에 도시된 바와 같이 각각의 위성에 대해 시간, 위치 및 클록 오프셋의 표이다. 시간, 위치, 및 클록 오프셋은 임의의 시간/좌표 시스템일 수 있다. 간략함과 도시를 위해, 시간/좌표 시스템은 GPS 시간과 시간/좌표 시스템은 세계 측지 조사 1984(WGS-84) 기준 프레임에서 지구중심고정(ECEF) 위치이다.
단계(402)에서, 원하는 시간 간격에 대한 STD는 STD 데이터베이스로부터 추출된다. 궤도 모델 파라미터는 이전의 간격에 대한 유사 프로세스에 의해 얻어진 궤도 모델 갓으로 초기화된다. 이는 초기 궤도 모델 파라미터가 원하는 시간 간격의 시작에 대해 적어도 우수한 정합일 수 있도록 보장한다. 프로세스(40)의 나머지는 전체 시간 간격에 대해 우수한 정합이 되도록 파라미터가 조정되도록 보장한다.
바람직한 실시예에서, 조정되어야할 15개의 궤도 파라미터가 있다:
장반경의 제곱근(미터1/2)
이심률(무단위)
궤도 반경에 대한 사인 고조파 수정항의 진폭(미터)
궤도 반경에 대한 코사인 고조파 수정 항의 진폭(미터)
계산된 값으로부터의 평균 이동 차이(라디안/초)
기준 시간에서의 평균 이상(라디안)
위도의 인수에 대한 코사인 고조파 수정 한의 진폭(라디안)
위도의 인수에 대한 사인 고조파 수정 항의 진폭(라디안)
경사각에 대한 코사인 고조파 수정 항의 진폭(라디안)
경사각에 대한 사인 고조파 수정 항의 진폭(라디안)
주별 궤도 평면의 승교점의 경도(라디안)
기준 시간에서의 경사각(라디안)
경사각의 변화율(라디안/초)
근지점의 인수(라디안)
적경의 변화율(라디안/초)
더 많은 항들이 더 우수한 정합을 위해 사용될 수 있거나 또는 더 적은 항들이 더 컴팩트한 모델에 사용될 수 있다.
단계(404)에서, 궤도 모델은 비상경로가 어떻게 될 것인지를 예상하는데 사용되며, 예상된 데이터는 "모델 비상경로 데이터"(MTD)로 표시된다. 만일 모델이 완벽하다면, MTD는 STD와 정확하게 일치한다. 단계(406)에서, MTD 및 STD는 궤도 모델이 궤도 데이터와 근접하게 정합하는 방법을 알려주기 위해 비교된다. 바람직한 실시예에서, 비교 단계(406)는 STD내 각각의 비상경로 포인트와 MTD내 해당 포인트 사이의 차이의 제곱을 합하고, 그 결과의 합을 임계치와 비교함으로써 수행된다. 만일 정합이 "우수"하다면, 모델 파라미터는 "우수"한 것으로 간주되고 프로세스는 단계(410)에서 종결된다. 만일 정합이 우수하지 않다면, 모델 파라미터는 단계(408)에서 조정된다. 데이터를 정합하기 위해 모델 파라미터를 조정하는 많은 기술이 당업자에게 공지되어 있다. 예를 들면, 도 5에서, 6-시간 천체력 모델은 Coleman, T.F.및 Y.Li의 "On the convergence of reflective Newton methods for large scale nonlinear minimization subject to bounds",Mathematical Programming, Vol.67, Number 2, pp.189-224, 1994 및 Coleman, T.F.및 Y.LiColeman, T.F.및 Y.Li의 "An interior, trust region approach for nonlinear minimization subject to bounds" SIAMJournal on Optimization,Vol.6, pp.418-445, 1996에 개시된 내부-반사 뉴튼 방법에 기초한 서브스페이스 트러스트 영역 방법을 사용하여 STD의 6시간을 정합하기 위해 조정되었다. 예를 들면, MATLAB Optimization Toolbox와 같은 이러한 방법을 구현하는데 사용되는 표준 컴퓨터 패키지가 있다.
단계(404, 406, 408)가 모델 파라미터가 STD를 잘 정합하는 것으로 판명될때까지 반복된다.
궤도 모델은 비상경로 데이터에 정합할 때, 어떠한 궤도 모델을 선택할 지에 대해 여러 선택이 가능하다. 바람직한 실시예는 공지된 표준으로 규정된 파라미터를 가진 궤도 모델을 사용한다. 일 실시예에서, GPS 인터페이스 제어서에 규정된 천체력 파라미터인 ICD-GPS-200c가 사용된다. ICD-GPS-200c 규정은 4-시간 정합 또는 6-시간 정합을 특정하는 비트를 포함한다. 전형적으로, 위성 데이터는 4-시간 정합으로 방출되며, 이 시간까지 이러한 데이터는 위성의 관찰자에 의해 얻어지며, 데이터는 종종 자신의 정합 간격 끝에 인접한다. 본 발명의 일 실시예에서, STD의 순차적인 6 시간 윈도우는 도 4와 첨부된 설명에 도시된 기술을 사용하여 6-시간 천체력 모델을 생성하는데 사용된다. 이는 도 3에 도시된 바와 같은 천체력 모델 세트를 생성한다. 비록 이들 특정 6-시간 모델이 본 발명 없이는 사용될 수 없지만, 그럼에도 불구하고 모델들은 표준 파라미터(즉, ICD-GPS-200c)를 사용하여 규정되며 상기 표준과 호환하여 설계된 임의의 장치에 의해 이해될 수 있을 것이다.
도 5는 6시간 이상의 시간 간격으로 생성된 위성 추적 데이터(STD)의 예를 도시한다. 다음으로, 도 4와 첨부된 설명에 의해 설명된 기술을 사용하여, ICD-GPS-200c 천체력 모델의 파라미터가 STD의 6시간에 대한 최적의 정합을 제공하기 위해 조정된다, 이러한 6-시간 천체력에 의해 모델링된 궤도는 실제 비상경로와 비교되며, 비교를 위해 실제 비상경로는 방출 천체력에 의해 모델링된 궤도와 비교된다. 그 결과가 도 5의 그래프(500)에 도시된다. 수직축(502)은 미터단위의 위치 에러를 나타내고 수평축(504)은 시간단위의 시간을 나타낸다. 그래프(500)는 방출 천체력(506)이 유효성을 상실하지만 본 발명에 의해 생성된 천체력(508)이 대략 1미터의 에러를 가진 자신의 유효성을 유지하는 방법을 도시한다.
GPS 위성의 클록 오프셋은 3개의 파라미터에 의해 쉽게 모델링된다. 바람직한 실시예에서, 측정된 클록 오프셋은 ICD-GPS-200c에 규정된 3개의 파라미터에 의해 모델링된다. 이러한 파라미터는 클록 오프셋, 드리프트 및 드리프트율을 나타낸다. 파라미터는 시간 간격동안 측정된 데이터를 최적으로 정합하는 모델을 제공하기 위해 상술된 방법(400)과 유사한 방식으로 조정된다.
선택적인 실시예는 각각의 천체력 모델에 대해 8, 14, 26, 50, 74, 98, 122 또는 146과 같은 더 긴 정합 간격을 사용할 수 있다. 이들 정합 간격은 ICD-GPS-200c에서 사용되지만, 방출 천체력으로부터 거의 얻어지지 않는다. 본 발명에서, 이들 정합 간격을 가진 모델은 방출 천체력이 4-시간 정합 간격에 한정될 때 생성된다.
STD 데이터의 선택적인 실시예는 관찰된 위성 속도, 가속, 클록 드리프트 또는 클록 드리프트율을 포함하며, 이들 항들은 당업자에게 공지된 방식으로 모델을 정합하는 프로세스에서 사용된다.
궤도 모델의 다른 실시예는 장시간 간격 동안 데이터 정합을 개선하는 추가의 모델 파라미터를 제공하기 위해 통상적인 GPS 신호의 현재 천체력 포맷으로 스페어 데이터 비트를 사용한다. 예를 들면, 서브프레임 1은 추가의 파라미터에 대해 사용할 수 있는 67개의 스페어 비트를 가진다. 이러한 기술은 더 많은 파라미터가 표준 데이터 포맷을 포함함 없이 위성의 궤도 이동을 설명하도록 한다. 이들 새로운 천체력 모델은 더 높은 정확도를 가지고 장시간 정합 간격을 지원하기 위해 모델을 증대하는데 사용된 추가의 수정 항을 가진 현재의 천체력 모델에 기초한다.
궤도 모델의 다른 실시예는 GPS 천체력 모델 파라미터와는 부분적으로 또는 전체적으로 다른 위성 궤도를 설명하는 새로운 세트의 궤도 파라미터를 개발한다. 정합 간격을 좀 더 길게 하고자하는 목적을 위해, 다른 파라미터가 위성 궤도에 대한 더 나은 설명을 제공한다. 이러한 새로운 세트의 파라미터는 현존하는 데이터 구조에 정합될 수 있도록 규정될 수 있지만 이들의 구현 및 사용을 위한 알고리즘은 다르다.
궤도 모델의 또다른 실시예는 현존 GPS 천체력 모델 포맷에 정합되지 않는 새로운 세트의 궤도 파라미터를 개발하는 것이다. 이러한 새로운 세트의 파라미터는 요구된 파라미터 수 사이의 트레이드오프(trade-off), 정합 간격 및 모델로부터 유래된 궤도 정확도를 더 잘 설명하도록 개발되었다. 이러한 형태의 천체력 파라미터 세트는 GPS 특정 항들을 보상할 수 있거나 보상할 수 있도록 변조될 수 있는 브로우베르(Brouwer)의 이론이다. Brouwer, D. "Solution of the Problem of Artificial Satellite Theory without Drag", Astron J. 64:378-397, November 1959에 개시된 바와 같은 브로우베르의 이론은 GPS 위성과 같은 거의 원형인 궤도를 도는 위성에 한정된다.
다른 실시예는 ICD-GPS-200c에 규정된 표준 천체력 파라미터의 서브세트를 사용한다. 이러한 접근은 특히 대역폭 및/또는 패킷 크기가 원격 GPS 수신기에 대한 궤도 모델을 전달하는데 사용될 통신 링크에 한정될 때 사용된다. 이러한 실시예에서, 상술된 및 ICD-GPS-200c에서의 15개의 궤도 파라미터는 모델내 모든 고조파 항을 0으로 설정함으로써 9개의 파라미터의 서브세트로 감소된다:
장반경의 제곱근(미터1/2)
이심률(무단위)
계산된 값으로부터의 평균 이동 차이(라디안/초)
기준 시간에서의 평균 이상(라디안)
주별 궤도 평면의 승교점의 경도(라디안)
기준 시간에서의 경사각(라디안)
경사각의 변화율(라디안/초)
근지점의 인수(라디안)
적경의 변화율(라디안/초)
프로세스(400)는 이들 파라미터의 서브세트를 사용하여 실행된다. 이는 원격 GPS 수신기에 전송되어야할 데이터의 양을 감소시킨다. 수신기는 "삭제된" 고조파 항을 0으로 설정함으로써 표준 천체력 모델을 재구성할 수 있다. 데이터의 크기를 감소시키기 위한 여러 선택적인 실시예가 가능하지만, 이들은 다음을 포함하는 STD에 저합하는 모델을 제공한다:
모델로부터의 파라미터를 제거하고 이들을 -상술된 바와 같이- 0과 같은 상수 또는 원격 GPS 수신기내에 저장되어 있거나 때로 수신기에 전송되는 몇몇 다른사전설정 값으로 대체하는 단계. 파라미터의 해는 프로세스(400)에서 재구성되며, 이는 이동 GPS 수신기로 전송되어야 하는 데이터의 향을 너무 감소시킨다.
둘 이상의 위성과 유사한 파라미터가 주된 값에 델타를 더한 것으로 표현되며, 여기서 델타는 인코딩에 더 적은 비트를 필요로 하며; 이러한 예는 이심률 파라미터이며, 이는 여러 GPS 위성 사이에서 거의 변화되지 않는다.
이들 접근법중 몇몇은 시간의 주기(예를 들면, 6시간)동안 데이터를 정합하기 위해 모델의 능력을 감소시킨다. 이 경우, 정합 간격은 보상을 위해 감소된다(예를 들면, 4시간으로).
이상의 설명이 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 것이지만, 본 발명의 다른 및 추가의 실시예가 본 발명의 기본 범위를 벗어남 없이 변형가능하며, 그 범위는 이하의 청구항에 의해 결정된다.

Claims (34)

  1. 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법으로서,
    적어도 하나의 수신국에서 적어도 하나의 위성으로부터 위성 신호를 수신하는 단계;
    상기 위성 신호로부터 유도된 정보로부터 장시간 위성 추적 데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 장시간 위성 추적 데이터의 적어도 일부를 원격 수신기에 전송하는 단계를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정보는:
    코드 위상 측정치, 캐리어 위상 측정치, 도플러 측정치 및 천체력 데이터중 적어도 하나를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 장시간 위성 추적 데이터는:
    미래 시간 주기 동안 시간별 다수의 위성 위치 및 미래의 시간 주기동안 시간별 다수의 클록 오프셋중 적어도 하나를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 장시간 위성 추적 데이터는:
    위성 위치를 나타내는 데이터, 속도 또는 가속도, 위성 클록 오프셋을 나타내는 데이터, 드리프트 또는 드리프트율중 적어도 하나를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 생성 단계는:
    과거 시간 주기동안의 위성 궤도 비상경로 데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 위성 궤도 비상경로 데이터를 미래로 확장하는 단계를 더 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 생성 단계는:
    과거 시간 주기 동안 위성 클록 오프셋 데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 위성 클록 오프셋 데이터를 미래로 확장하는 단계를 더 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 장시간 위성 추적 데이터는 4시간 이상 유효한 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 위성은 위성 측위 시스템(GPS) 위성인 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 위성은 위성 측위 시스템에서 사용되는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 원격 수신기는 위성 측위 시스템(GPS) 수신기인 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 원격 수신기는 위성 측위 시스템 수신기인 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전송 단계는:
    무선 통신 링크를 사용하여 전송하는 단계를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전송 단계는:
    상기 장시간 위성 추적 데이터의 적어도 일부를 원격 수신기에 방출하는 단계를 더 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전송 단계는:
    컴퓨터 네트워크를 사용하여 전송하는 단계를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전송 단계는:
    상기 장시간 위성 추적 데이터의 적어도 일부를 원격 수신기에 방출하는 단계를 더 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 전송 단계는:
    인터넷을 사용하여 전송하는 단계를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전송 단계는:
    상기 장시간 위성 추적 데이터의 적어도 일부를 원격 수신기에 방출하는 단계를 더 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  18. 원격 위성 측위 시스템(GPS) 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법으로서,
    다수의 수신국에서 적어도 하나의 위성으로부터의 위성 신호를 수신하는 단계;
    위성 비상경로 데이터 및 클록 데이터를 생성하기 위해 상기 위성 신호를 처리하는 단계;
    상기 위성 비상경로 데이터 및 클록 데이터로부터 장시간 위성 추적 데이터를 생성하는 단계;
    상기 장시간 위성 추적 데이터의 적어도 일부를 포함하는 궤도 모델을 생성하는 단계; 및
    상기 궤도 모델을 원격 GPS 수신기에 전송하는 단계를 포함하는 원격 GPS 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 위성 추적 데이터는 적어도 하나의 위성의 과거 위치를 포함하며, 상기 클록 데이터는 과거 클록 오프셋을 포함하는 원격 GPS 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 장시간 위성 추적 데이터는 미래의 시간 주기동안 시간별 다수의 위성 위치 및 미래의 시간 주기 동안 시간별 다수의 위성 클록을 포함하는 원격 GPS 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 방법.
  21. 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치로서,
    적어도 하나의 수신국에서 적어도 하나의 위성으로부터의 위성 신호를 수신하는 수단;
    상기 위성 신호로부터 유도된 정보로부터 장시간 위성 추적 데이터를 생성하는 수단; 및
    상기 장시간 위성 추적 데이터의 적어도 일부를 원격 수신기에 전송하는 수단을 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 정보는:
    코드 위상 측정치, 캐리어 위상 측정치, 도플러 측정치 및 천체력 데이터중 적어도 하나를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  23. 제21항에 있어서, 상기 장시간 위성 추적 데이터는:
    미래의 시간 주기 동안 시간별 다수의 위성 위치 및 미래의 시간 주기동안 시간별 다수의 위성 클록 오프셋중 적어도 하나를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  24. 제21항에 있어서, 상기 장시간 위성 추적 데이터는:
    위성 위치를 나타내는 데이터, 속도 또는 가속도, 위성 클록 오프셋, 드리프트 또는 드리프트율중 적어도 하나를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  25. 제21항에 있어서, 상기 생성 수단은:
    과거 시간 주기에 대한 위성 궤도 비상경로 데이터를 생성하는 수단; 및
    상기 위성 궤도 비상경로 데이터를 미래로 확장하는 수단을 더 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  26. 제21항에 있어서, 상기 생성 수단은:
    과거 시간 주기에 대한 위성 클록 오프셋을 생성하는 수단; 및
    상기 위성 클록 오프셋을 미래로 확장하는 수단을 더 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  27. 제21항에 있어서, 상기 전송 수단은:
    무선 통신 링크를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  28. 제21항에 있어서, 상기 전송 수단은:
    컴퓨터 네트워크를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  29. 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치로서,
    적어도 하나의 수신국에서 적어도 하나의 위성으로부터 위성 신호를 수신하는 수신기;
    상기 위성 신호로부터 유도된 정보로부터 장시간 위성 추적 데이터를 생성하는 컴퓨터; 및
    상기 장시간 위성 추적 데이터의 적어도 일부를 원격 수신기에 분배하는 분배 네트워크를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 정보는 위성 비상경로 및 위성 클록 오프셋인 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  31. 제29항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수신국은 위성 측위 시스템(GPS) 위성 신호를 수신하는 수신국의 네트워크인 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  32. 제29항에 있어서, 상기 컴퓨터는 데이터베이스내 상기 장시간 위성 추적 데이터를 저장하는 메모리를 포함하는 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  33. 제29항에 있어서, 상기 분배 네트워크는 무선 네트워크인 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
  34. 제29항에 있어서, 상기 분배 네트워크는 컴퓨터 네트워크인 원격 수신기에 장시간 위성 추적 데이터를 제공하는 장치.
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