KR20070015513A

KR20070015513A - 목표물 위치 판정 방법 및 수신기 위치 판정 시스템

Info

Publication number: KR20070015513A
Application number: KR1020067016415A
Authority: KR
Inventors: 카 씨 체옥; 에즈코 지 스미드
Original assignee: 자디 인코포레이티드
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2007-02-05
Also published as: WO2005081012A1; CA2554417A1; US20080103696A1; EP1721186A1; US7983694B2; KR100917940B1; US7403783B2; US8010133B2; US20080167051A1; CA2554417C; US20050215269A1

Abstract

본 발명은 목표물의 위치 판정 방법에 관한 것이다. 이 방법은 서로에 대한 기지국의 위치를 판정하기 위해 기지국 세트를 초기화하는 단계를 포함한다. 목표물에서, 복수의 기지국 각각으로부터의 적어도 하나의 신호의 도달 시각이 측정된다. 이를 위해, 폐쇄 해법(a closed solution)을 이용하여 복수의 기지국에 대한 목표물의 위치가 직접 계산될 수 있다. 일실시예에서는, 복수의 기지국은 도달 시각 기술이 사용되고 다른 실시예에서는 도달 시간차 기술이 사용된다. 바람직하게는, 초광대역 주파수가 사용된다.

Description

목표물 위치 판정 방법 및 수신기 위치 판정 시스템{ULTRA WIDE BAND NAVIGATION SYSTEM WITH MOBILE BASE STATIONS}

본 출원은 2004년 2월 17일자로 출원된 가출원 제 60/545,238 호와, 2004년 10월 1일자로 출원된 제 60/615,121 호와, 2004년 12월 17일자로 출원된 제 60/637,276 호의 우선권을 주장하며, 본 명세서에서 그 전체를 참조한다.

본 발명은 네비게이션 및/또는 로케이션 동안의 hoc 네트워크 사용에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 3개 이상의 기지국을 가지되, 바람직하게는 그 중 일부는 이동성(mobile)이며 목표물의 위치를 판단하기 위해 명시적 폐쇄형 삼각 계산(explicity closed-form triangulation calculation)을 이용하는 시스템에 관한 것이다.

GPS(Global Positioning System)는 고정된 로케이션 기지국과 정밀하게 동기화된 스테이션 시그너처 전송(accurately syncronized station signature transmissions)의 비행 시간 측정에 기초한다. GPS용 기지국은 대지 정지 위성(geo-stationary satellites)이며 동기화를 위해 원자 시계를 요구한다.

GPS는 두꺼운 지표면 및/또는 인공 구조물을 관통하지 못하는 비교적 약한 신호를 포함하는 여러 단점을 갖는다. 또한, 약한 신호는 민감한 수신기를 필요로 한다. 또한, GPS는 비교적 차단되거나 혼잡(jam)해지기 쉬운 단일 또는 협대역 주파수를 이용한다. GPS 시스템의 정확성은 원자 시계의 사용에 크게 의존하는데, 이는 구성하고 동작시키기에 고가이다.

또한, GPS는 대략 초당 1회의 비교적 느린 업데이트 레이트를 이용하는데, 이는 차량의 자동 네비게이션에서 사용하기에 적합하지 않다. 예를 들어, 10kph로 이동하는 차량은 1초에 약 2.75m를 이동할 것이다. 자동차에 있어서, 이 거리동안 현저한 지형 변화가 일어날 수 있으며, 초당 1회의 업데이트 레이트는 너무 느리다.

또한, 주지의 삼각법은 수학적 성질을 띠는데, 이는 목표물의 위치를 발견하기 위해 직접적으로 이용 가능한 해결책이 없다는 것을 의미한다. 오히려, 이들 개방형 해결책은 목표물의 위치를 추정하기 위한 초기 추측과 반복적인 수학적 해결책만을 제공한다. 따라서, 위치 판정의 해상도와 정확도가 높지 못하다. 또한, 3차원에서 개방형 해결책을 이용하는 것은 매우 어렵다. 이전에 이들은 목표물의 위치를 직접 계산하는 방법이 아니었다. 이러한 직접 계산은 필수적으로 로케이션 판정의 해상도와 정확도를 증가시킬 것이다.

본 발명은 이들 문제점 중 하나 이상을 극복한다.

본 발명은 ad hoc, 바람직하게는 모바일 방식으로 목표 유닛(TU)의 위치를 판정하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 좌표계에서 서로에 대한 기지국의 상대적 위치를 판정하기 위해 적어도 3개의 기지국(BS) 네트워크를 초기화하는 단계를 포함한다. 그 후, 목표물은 3개의 기지국 각각으로부터의 적어도 하나의 신호의 도달 시간차를 측정한다. 기지국으로부터의 신호의 도달 시간차로부터, 좌표계상의 목표물의 위치가 직접 계산될 수 있다. 또한, 본 발명은 개시된 방법을 실시하는 구성요소 및 시스템에 관한 것이다.

개요. 본 명세서에서 설명하는 ad hoc 네트워크는 높은 위치 지정 정확도와 고속 업데이트 레이트를 갖는 목표물 위치 판정 무선 라디오 네트워크이다. 이러한 네트워크는 복수의 기지국과 적어도 하나의 목표 유닛을 포함하는데, 고주파수 초광대역(UWB) 무선 범위 측정(ranging) 및 통신(RAC) 송수신기 및 로케이션 방안을 통해 서로 링크된다. UWB RAC 방안은 거리 측정과 스테이션 식별에 원하는 정확도를 보장한다. 로케이션 방안은 로컬 및 글로벌 지리적(예: GPS) 좌표계를 자기-조직화(self-organizing)하고 원하는 좌표계 내의 기지국과 목표물의 위치를 판정하기 위해 고속 다이렉트 폐쇄형 해법(fast direct closed-form solution)을 채택한다.

기가헤르츠 UWB. ad hoc 네트워크는 기가헤르츠 UWB 무선 송수신기를 사용하여 기지국과 목표물 사이의 범위 측정 및 통신 정보를 제공한다.

UWB 방법. UWB 범위 측정 및 통신 방안은 시분할 다중 접속(TDMA), 주파수 분할 다중 접속(FDMA) 또는 코드 분할 다중 접속(CDMA) 기술 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 다이렉트 시퀀스(DS)-CDMA 방안은 범위 측정 해상도 및 기지국과 목표물의 식별을 제공하는 바람직한 UWB 방안이다.

칩 레이트 및 해상도. 바람직하게는 UWB RAC 방안은 giga-bits/sec(Gbits/s) 칩 레이트로 동작하고, 수 천 updates/sec의 레이트로 범위 측정의 센티미터 해상도를 산출할 수 있다. 예를 들어, 1Gbits/s 칩 레이트를 이용하면 약 30cm의 범위 해상도를 달성할 수 있고 10Gbits/s 칩 레이트를 이용하면 3cm의 해상도를 달성할 수 있다.

오버-샘플링 및 해상도. 또한, 본 발명은 DS-CDMA 방안의 범위 측정의 해상도를 높이기 위해 고속 디지털 또는 아날로그 오버 샘플링 및 신호 처리를 사용하는 방법을 포함한다. 예를 들어, 초당 10Giga-samples(GS/s)로 샘플링되고 10GHz 레이트로 상관된 1 Gbits/s 신호는 3cm 범위 측정 해상도를 산출한다.

무선 투과(Radio penetration). 고주파수 UWB 스펙트럼은 GPS와 같은 다른 협대역 신호보다 쉽게 건물, 지면, 날씨 요소 등을 포함하는 물체를 투과하기도 한다. 이는 UWB를 시야 라인이 아닌 것에 대해 유리하게 하고 다중 경로 및 천개(canopy) 문제에 덜 민감하게 한다.

분산형 전력 확산 스펙트럼. UWB 신호의 대역폭은 약 100MHz 내지 10GHz 또는 그 이상에 이를 수 있는데, 이는 신호의 전력이 넓은 확산 스펙트럼에 걸쳐 거의 고르게 분산될 수 있음을 의미한다. UWB 신호의 전력 스펙트럼 밀도는 무작위 잡음 스펙트럼의 밀도와 유사한 모습을 가지므로, UWB 신호를 검출 불가능하게 하거나 모호하게 하는 경우가 자주 있다. 따라서 UWB 신호는 바람직한 낮은 확률 간섭 및 낮은 확률 검출 특성을 갖는다.

협대역 방해에 대한 UWB. 넓은 확산 스펙트럼은 더 작은 대역폭을 갖는 신호가 UWB 신호를 손상시키기 어렵게 하기도 한다. 이는 협대역 브로드캐스트 또는 방해에 의한 계획적 혼잡(jamming)의 경우에 바람직한 특성이다.

모호하지 않은 스테이션 식별. ad hoc 네트워크는 UWB 송수신기를 구비한 기지국을 이용한다. 기지국은 서로 통신하고 스스로를 고유하게 식별한다. 식별 신원은 전송되는 UWB 신호로 인코딩된다. 기지국은 수신된 신호와 이를 송신한 기지국을 상관시키고, 전송 소스의 식별 신원에 관한 어떠한 모호함도 경감시킨다.

기지국 로컬 및 글로벌 좌표의 자기-조직화. ad hoc 네트워크의 기지국 위치는 고정될 수도 이동적일 수도 있다. 이 네트워크는 로컬 좌표계에 대한 BS의 좌표를 자동적으로 수립할 것이다. 이 네트워크는 수 분내로 원하는 위치에 BS로 설정될 수 있다. 또한, 이 네트워크는 로컬 좌표를 기지국의 GPS 좌표와 결합하여 글로벌 지리적 좌표를 결정할 수 있다. 그러므로, ad hoc 네트워크는 로컬 및 글로벌 모두의 좌표 프레임 기준을 제공한다.

목표 유닛 좌표. 목표 유닛의 위치는 그 기지국에 대해 수립된 로컬 및/또는 글로벌 좌표 프레임을 기준으로 할 것이다.

도달-시각(TOA). 도달-시각(TOA) 방법에서는, 목표 유닛은 UWB 전송을 기지국으로 브로드캐스팅한다. 그 후, TU는 대기하다가 기지국 각각으로부터의 복귀하는 UWB 응답을 수신한다. 이는 복귀하는 UWB 응답의 도달-시각을 클록하고 클록된 시각은 목표물로부터 기지국 각각으로의 거리로 변환된다. 삼각형 문제에 대한 폐쇄형 해법은 TU의 위치의 빠른 계산을 보장하는 데 사용된다.

도달-시간-차(TDOA). 도달-시간-차(TDOA) 방법에서는, 목표 유닛은 기지국으로부터 UWB 전송을 수신하기만 할 뿐 송신하지는 않는다. 사전 배열된 마스터 기지국은 초기 UWB 전송을 지정된 슬레이브 기지국 및 목표 유닛으로 브로드캐스팅한다. 그 후, 슬레이브 BS는 자신 고유의 UWB 신호를 TU로 송신할 차례를 갖는다. 목표물은 마스터 및 슬레이브 기지국으로부터의 전송의 도달 시각을 클록한다. 측정된 도달 시각의 알려진 차는 TDOA 삼각 문제에 대한 핵심 입력이 된다. 이 발명은 목표물의 위치의 빠른 계산을 보장하는 신규한 명시적으로 표현되는 폐쇄형 TDOA 방법을 실시한다.

장점. ad hoc 네트워크의 주요한 장점은 1)기지국이 쉽게 설정될 수 있는 ad hoc 및 이동성 방식과, 2)목표물의 위치를 판정하는 높은 정확도와, 3)위치 계산의 빠른 업데이트 레이트와, 4)시야 라인이 아닌 애플리케이션에 바람직한 높은 투과 특성과, 5)무선 간섭에 대한 보다 높은 내구성과 혼잡에 대한 저항이다.

도 1은 UWB RAC 송신 및 수신 방안의 기능적 구성 요소를 도시하고 있다.

도 2는 UWB 신호를 이용하는 다이렉트 시퀀스 CDMA의 일례를 도시하고 있다.

도 3은 4개의 기지국을 이용하는 로컬 & 클로벌 좌표계를 수립하는 자기-조직 방안을 도시하고 있다.

도 4는 4개의 기지국을 이용하는 TDOA UWB RAC 목표물 로케이팅 방안을 도시하고 있다.

본 발명의 방법은 적어도 3개의 기지국으로 이루어지는 하나의 네트워크를 초기화하여 좌표계에서 서로에 대한 이들의 상대 위치를 판정하는 단계와, 3개의 기지국 각각으로부터 적어도 하나의 신호의 도달 시각을 목표물에서 측정하는 단계와, 좌표계의 목표물의 위치를 계산하는 단계를 포함한다.

초기화 단계는 적어도 3개의 기지국, 바람직하게는 적어도 4개의 기지국을 이용한다. 기지국은 신호의 송신과 수신 모두가 가능한 송수신기이다. 필요에 따라 기지국 중 하나를 마스터 스테이션으로 지정할 수 있다. 마스터 지정은 임의의적이며 기지국들 사이에서 움직일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 마스터 지정은 한 기지국이 비활성화될 때(예를 들어, 기지국 전원이 다운되거나 통신을 잃거나 다른 기지국의 범위 밖으로 이동하는 경우)까지 그 기지국에 상주한다. 나머지 기지국은 슬레이브 스테이션으로 지정할 수 있다. 마스터 지정이 슬레이브 스테이션들간에서 이동 가능하므로, 바람직하게는 각 슬레이브 스테이션은 마스터 스테이션으로서 기능할 수 있다.

마스터 스테이션과 슬레이브 스테이션으로 구성되는 기지국은 (영구적으로 또는 임시적으로) 정적일 수도 있고 이동 가능할 수도 있다. 이동 기지국은 자동차, 기차, 보트, 잠수함, 비행기, 헬리콥터 등과 같은 운송 수단에 장착될 수 있 다. 기지국은 비운송 차량에도 장착될 수 있다. 비운송 차량은 무인 모터 차량(unmanned motorized vehicle)을 포함한다. 비운송 차량은 전형적으로 유선 또는 무선 통신(예: 무인 비행기(an aerial drone) 또는 이동 로봇)을 통해 원격 제어된다는 점에서 자율적이다. 기지국을 수용하는 데 사용되는 운송 차량도 자율적일 수 있다. 자율적 차량과 통신하기 위해 임의의 적합한 프로토콜을 이용할 수 있다.

이동 기지국은 모터가 아닌 차량, 운송용 동물 또는 사람에 의해 소지되도록 지정될 수도 있다. 이와 같이, 기지국은 자동차에 장착되든, 무인 비행기에 의해 운반되든, 배낭에 소지되든, 소형 유닛에 내장되든 간에 원하는 운송 수단 내에 장착되거나 포함되도록 크기와 형태가 정해질 수 있다. 바람직하게는, 기지국은 운송 차량에 장착된다. 보다 바람직한 실시예에서는, 기지국 중 적어도 하나는 자율적 차량에 장착된다.

기지국은 후술할 방법 기간의 일부 또는 전부동안 정적일 수도 있고 이동할 수도 있다. 영구적으로 고정되는 기지국이 어떤 애플리케이션을 위해 적합할 수 있는데, 특히 GPS가 적합하지 않는 경우(예: 높은 빌딩이 있는 도시 내 또는 초목이 무성한 지역 내)에 그러하다.

UWB 주파수 스펙트럼과 그 높은 관통으로 인해, 기지국의 배치는 중요하지 않을 수 있다. 즉, 기지국과 목표물은 시야 라인상에 있지 않을 수 있다(non line-of-sight). 바람직하게는, 목표물이 기지국의 범위에 의해 둘러싸이는 부피 내에 유지되도록 기지국이 배치되어야 한다. 기지국과 목표물간의 거리는 중요하 지 않지만, 바람직하게는 기지국간의 최장 거리는 약 100KM 이하, 약 75km 이하, 약 50km 이하, 약 25km 이하, 약 10km 이하, 약 5km 이하, 약 1km 이하 또는 약 500m 이하이다. 신호 전력은 이들 중 임의의 거리에서 시스템의 동작을 촉진하도록 적합하게 선택될 수 있다.

각 기지국은 기가 헤르츠 고주파수 UWB 신호를 송신하고 수신하여 다른 기지국 및 목표물과 통신할 수 있다. UWB 신호는 신호의 도달 시각에 충분한 해상도를 제공하면서 초목 지대와 빌딩으로부터의 간섭을 감소시키도록 선택된다. UWB는 신호의 다중 경로 이동과 관련되는 문제를 감소시키는데 왜냐면 반사되는 것에 반대로 물체를 관통하려 하기 때문이다. 또한, 고도의 관통은 UWB를 포함하는 시스템이 시야 라인상이 아닌 애플리케이션, 예를 들어 도시 세팅 또는 산림 지대 내에서 성공적으로 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, UWB 신호는 신호 전력이 기가 헤르츠 이상의 주파수 스펙트럼을 거쳐 확산되게 하여, 신호의 검출, 디코딩 또는 혼잡(jam)을 매우 어렵게 한다. UWB 신호는 잡음 임계 레벨에서 동작하여, 신호의 특성이 불균일 관찰자에게 산발성 잡음의 특성처럼 보이게 할 수 있다. 넓은 범위에서, UWB에 대한 바람직한 반송 주파수는 약 0.5GHz에서 약 20GHz일 수 있으며, 약 0에서 약 10GHz 사이에 이를 수 있다.

목표물과 기지국이 거의 동일한 평면에 존재하는 경우에 로케이션의 정확도를 향상시키기 위해, 적어도 하나의 기지국을 나머지 기지국과는 상이한 평면에 배치할 수 있다. 또한, 기지국 및/또는 목표물의 위치 판정의 정확도를 높이기 위해 추가 기지국을 이용할 수 있다.

후술할 바와 같이, 초기화 단계는 TOA 또는 TDOA 방안 중 하나 또는 모두를 사용하여 기지국의 위치를 판정한다.

적합한 목표물은 송수신기뿐만 아니라 수신기도 포함한다. 수신 전용 모드에서 동작하는 목표물은 송수신기 모드에서 동작하는 목표물에 보다 바람직한데, 왜냐면 수신기가 자신의 위치를 유출하는 데 사용될 수 있는 정보를 브로드캐스팅하지 않아서 보다 안전하기 때문이다. 기지국도 송수신기이므로, 송수신기를 포함하는 목표물도 기지국으로서 동작할 수 있다. 목표물은 주어진 시간동안 정적일 수 있지만 주로 동적이다. 영구적으로 고정되는 목표물은 바람직하지 않지만, 연구 및 개발 동작과 같은 주어진 올바른 환경에서 적합할 수 있다.

목표물은 기지국과 유사한 종류의 이동 및 고정 유닛에 내장될 수 있다. 운송 차량뿐만 아니라 비운송 차량도 바람직한 목표물에 포함될 수 있는데 둘다 자율적일 수도 있고 아닐 수도 있다. 예시적 비운송 차량은 잔디 깎는 기계, 지뢰 제거기 및 무인 비행기를 포함한다. 바람직하게는, 목표물은 감시 또는 보안 애플리케이션용으로 사용될 수 있는 자율적 비운송 차량에 장착될 수 있다. 또한, 목표물은 배낭 장치 또는 소형 유닛에 적합하게 구성될 수 있다. 물론, 하나의 기지국 그룹을 이용하여 복수의 목표물의 위치를 파악할 수 있다.

바람직한 목표물의 일례는, 제거기에 자기-프로펠 이동(self-propelled movement)을 제공하는 장치(예: 모터 및 바퀴 또는 트랙)와, 지뢰 검출 센서(예: 금속 검출기 또는 이미징 시스템), 지뢰 비활성화 기능, 지뢰 위치 지정 기능(예: 플래그, 페인트 등), 데이터 저장용 온-보드 컴퓨터(on-board computer), 연산과 통신, 그 조합 등을 포함하는 지뢰 제거기에 포함될 수 있다.

본 명세서에서 설명하는 방법을 구현하는 데 필요한 구성 요소는 부속품으로서 기존 차량에 포함되거나 원 장비 제조자 또는 공급자에 의해 차량 제조 중에 차량으로 포함될 수 있다.

다양한 정보 코딩 방안이 송신되는 UWB 신호에 사용되어 원하는 정보를 전송할 수 있다. 첫 번째의 적합한 코딩 방안은 UWB 펄스 패킷의 타이밍 방안이 코딩된 신호 전송을 표현하는 시분할 다중 접속(TDMA) 기술이다. 두 번째의 적합한 코딩 방안은 다중 대역의 주파수 선택 세트가 코딩된 전송 채널을 표현하는 주파수 분할 다중 접속(FDMA) 기술이다. 세 번째의 적합한 코딩 방안은 유사 번호(PN)가 신호가 전송되도록 변조하고 코딩하는 코드 분할 다중 접속(CDMA) 기술이다. 전형적 TDMA, FDMA 및 CDMA 코딩 신호는 수백 메가헤르츠(MHz)의 넓은 스펙트럼을 갖는다. UWB TDMA, FDMA 및 CDMA 코딩 신호는 약 0에서 약 10GHz 사이에 확산되는 스펙트럼을 가질 것이다.

메시지의 송신 및 수신 외에도, 코딩된 UWB 신호는 기지국과 목표물 사이의 범위 측정을 제공하기 위해 타이밍이 맞추어 진다. 이는 초고속 전자 소자가 출현할 것을 전제로 한다. 예를 들어, 1 Gbit/s 클록 동작은 무선파에 의한 약 0.2997925미터의 비행으로 변환될 것이며, 10Gbits/s는 약 0.3m의 해상도로 클록할 것이다. UWB 신호의 도달 시간은 기지국과 목표물 사이의 범위를 적합한 해상도로 측정하는 상관자(a correlator) 또는 매칭된 필터 기술을 이용하여 클록될 수 있다.

TDMA, FDMA 및 CDMA 방안이 범위 측정을 위해 타이밍이 맞추어질 수 있지만, 바람직한 실시예는 정보를 전송하는 다이렉트 시퀀스 코드 분할 다중 접속(DS-CDMA) 통신 기술이다. 특히, DS-CDMA는 한 시스템 내의 각 전송자(예: 기지국 및/또는 목표물)를 식별하기 위해 PN 코드를 이용한다. PN 코드는 한 시스템 내의 송신기 및 송수신기가 그 시스템의 다수의 전송자로부터의 신호를 동시에 식별하고 디코딩할 수 있게 한다. 그 시스템의 각 송신기/수신기는 PN 상관자를 이용하여 특정 전송자로 PN 코드를 일치시킨다. 바람직하게는, 각 수신기/송수신기는 시스템의 전송자마다 하나의 ON 상관자를 갖는다.

이 발명은 코딩된 신호 획득의 고속 오버-샘플링을 도입함으로써 DS-CDMA 범위 측정 방안의 해상도를 향상시키는 다른 바람직한 실시예를 제공한다. PN 상관자는 UWB 신호의 칩 레이트보다 몇 배 빠른 클록 레이트로 동작하도록 설계된다. 코딩된 DS-CDMA 신호가 PN 상관자의 칩 레이트보다 빠른 레이트로 샘플링되면 보다 빠른 범위 측정 해상도가 달성될 수 있다. 예를 들어, PN 상관자 칩 레이트가 약 1 Gbits/s이고, 코딩된 신호가 약 1 Gbits/s로 디지털적으로 획득되면, 가능한 범위 측정 해상도는 약 0.3미터이다. 예를 들어, 동일한 신호가 약 10 giga-samples/sec(GS/s)로 샘플링되고 획득되면, 범위 측정 해상도는 약 0.03미터 또는 0.3cm로 향상될 수 있다. 이 실시예는 상세히 후술할 것이다.

도 1은 본 발명에서 사용되는 DS-CDMA 송신기 및 수신기 기능의 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 송신기(10)는 송신될 메시지, M_i를 제공하는 디지털 메시지 생성기(12)를 포함한다. PN 코드 선택기(14)는 송신기를 고유하게 식별하는 PN 코드, P_i를 생성한다. 디지털 코드 변조기(16)는 PN 코드, P_i에 의해 메시지, M_i를 변조하여 PN 코딩된 메시지, S_i를 얻는다. 반송 주파수 생성기(18)에 의해 생성되는 RF 반송 주파수, f_c는 진폭 변조기(20)에서 메시지, S_i와 결합되어 변조된 신호(22)를 발생시킨다. 변조된 신호는 화살표(A)로 표시된 바와 같이 전력 증폭기(24)로 전달된 후 안테나(26)로 전달되어 브로드캐스팅된다.

유사하게 수신기(30)는 화살표(A)로 표시된 바와 같이 브로드캐스트 신호를 수신하는 안테나(32)를 포함한다. 수신기 안테나는 수신된 신호를 진폭 복조기(34)로 전달한다. 복조기는 동기화된 반송 주파수 생성기(36)로부터의 동기화된 반송 주파수, f_c를 이용하여 수신된 신호로부터의 PN 코딩된 메시지, S_i를 복조하고 회복시킨다. 선택적으로, 고속 A/D 변환기(38)를 이용하여 디지털화 복조된 신호, S_id를 얻을 수 있다. 시퀀스 상관자(40)는 수신된 디지털화 복조된 신호, S_id를 송신기의 고유 PN 코드 선택기(42)에 저장되는 PN 코드, P_id에 일치시키는 데 이용될 것이다. 샘플링 레이트 선택기(44)는 A/D 변환기 및/또는 PN 코드 선택기와 함께 이용될 수 있다. PN 코드를 일치시키는 것은 수신된 신호의 도달을 나타내며 상관 시각이 표시된다. 그 후, 도달 시각이 나중을 위해 저장되거나 메시지 해석자로 직접 전달될 수 있다. 어떤 경우에도, 후술할 바와 같이 도달 시각은 거리 또는 위치의 계산에 이용될 수 있다.

UWB 범위 측정 및 통신

유사-랜덤 번호(PN) 코드. 수십 내지 수백 비트 길이일 수 있는 PN 코드, P _i 는 특정 기지국을 식별하는 코드이다. 상관의 구분을 최대화하고 크로스-토크 간섭을 최소화하기 위해, 골드(Gold), 골레이(Golay), 바커(Barker) 또는 왈시(Walsh) 코드가 PN 코드용으로 사용될 수 있다.

디지털 메시지. 디지털 메시지(M _i )는 프리앰플(pre-amble), 식별자, 메시지 코드 또는 임의의 다른 원하는 정보를 가질 수 있다. 실제로, M _i 는 수십 내지 수백 비트 길이일 수 있다.

송신기 방안. 일례로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 디지털 메시지 M _i =101(+-+) 및 PN 코드 P _i =1110010(+++--+-)를 고려하자. 단극성 이진수 "1" 및 "0"은 양극성 등가 "+" 및 "-"로 변환된다는 것을 유의하자. 양극성 표현에서, "0"은 신호가 없음을 의미할 것이다. 디지털 신호(M _i )는 PN 코드(P _i )의 진폭을 변조한다. PN 코딩된 메시지는 디지털 메시지와 PN 코드의 크로네터 곱(Kronecker product), 즉, PN 코딩된 메시지 S _i =kronecker(M _i , P _i )=1110010 0001101 1110010(+++--+----++-++++--+-)로서 표현될 수 있다. 그 후, S _i 진폭은 반송 신호를 전송을 위해 변조한다.

예시적 레이트. 전술한 방안의 일례로서, 350Mbits/s의 칩 레이트를 갖는 PN 코드(P _i )를 변조하는 70Mbits/s의 보드 레이트를 갖는 디지털 메시지(M _i )를 고려 하자. 그 후 350Mbits/s의 칩 레이트를 갖는 결과 PN 코딩된 신호(S _i )는 무선 전송을 위해 약 2.5GHz 반송 주파수를 갖는 진폭 변조 신호로 업변환된다(upconverted).

확산 스펙트럼. 디지털 메시지(M_i)의 좁은 주파수 스펙트럼은 PN 코딩된 메시지(S _i )의 초광대역 대역폭 스펙트럼으로 확산된다. UWB 스펙트럼은 반송 주파수(f _c )로 시프트되고 집중되어(centered) 변조된 신호를 위해 초광대역 대역폭 스펙트럼을 달성한다.

수신기 방안. 수신기는 송신된 신호를 수신하고, 수신된 신호를 아날로그 복조 신호(S_iD)로 복조한다. 임계 또는 에지 검출 동기화 기술이 아날로그 복조 신호를 디지털 복조 신호(S_iD(kT))로의 변환을 트리거링하는 데 이용될 수 있는데, 여기서 t=kT이고, T는 샘플링 간격이고 k는 시간 지수이다. 그 후 샘플링된 디지털 신호(S_iD(kT))는 PN 코드(P _i )와 상관되어 디코딩된 메시지(M _iD )를 발생시킬 수 있다.

다이렉트 시퀀스 상관. 샘플링 레이트가 350Mbits/s의 PN 칩 레이트와 동일하게 선택되는 경우, 즉, 샘플링 레이트가 350MSamples/s이면, 샘플링되고 디코딩된 신호(S _iD (kT))와 PN 코드(P _i ) 사이의 다이렉트 시퀀스 상관이 수행될 수 있다. 도면에서 D^-1로 표시되고 T에서 클록된 시프트 레지스터는 기록 S _iD (kT-T), S _iD (kT-2T),..., S _iD (kT-3T)를 보유한다. 샘플링된 데이터{S _iD (kT-jT), j=0,1,2,...,6}는 PN 코드의 역 비트, 즉, {P_i(m), m=7,6,5,...,1}로 곱해진다. 이 곱의 합은 필터의 출력이다. 일치된 필터는 시프트된 코딩된 데이터와 PN 코드 사이의 일치가 존재하면 양 또는 음의 피크 값을 발생시킨다.

다이렉트 시퀀스 상관 해상도. 시간 해상도(T)는 CT의 어떤 범위 해상도까지 변환되는데, C는 빛의 속도이다. 이 경우, 샘플링 간격 T=1/350Msec이고, 도달 시각을 클록하는 해상도는 T=2.8571ns인데, 이는 약 0.8566미터의 어떤 범위 측정 해상도까지 변환한다.

오버-샘플링 시퀀스 상관. 이와 달리, 고속 디지털 임계 샘플러가 사용될 수 있는데, 예를 들어, 350Mbits/s의 칩 레이트의 5배로 선택되는 1.75GS/s(giga-samples/sec)를 갖는 디지털 샘플러를 고려하자. 그 후, 디지털 샘플은 새로운 칩 레이트 1.75Gbits/s로 구성되는 PN 코드와 상관된다. 오버 샘플링된 S _iD (kT), S _iD (kT-T/n_o), S _iD (kT-2T/n_o),...S _iD (kT-(n_s-1)T/n_o), S _iD (kT-T), S _iD (kT-(n_s+1)T/n_o) 등이 T/n_o 초 간격으로 스트레칭된 PN 코드 P _i,7 ,0,0...,P _i,6 ,0 등과 상관되는데, n_s는 오버-샘플링 수이다. 이 경우, 일치된 출력은 T/n_o 샘플링 시간 간격으로 발생할 수 있다. 그러므로, 새로운 오버-샘플링 구성은 이전 다이렉트 구성보다 n_s배 높은 해상도를 제공한다.

오버-샘플링 시퀀스 상관 해상도. 시간 해상도(T/n_o)는 어떤 범위 측정 해상도 CT/n_o로 변환되는데, C는 빛의 속도이다. 그러므로, 보다 고속인 샘플러와 상 관자를 이 방식으로 이용하면 신호 도달 타이밍을 맞추는 데 더 높은 해상도를 발생시키는데, 이 경우에 오버샘플링 해상도는 다이렉트 샘플링의 해상도보다 n_s 미세하다. 예를 들어, n_o=5가 사용되면, 시프트 레지스터는 T/5초에서 클록된다. 그러므로, 일치된 필터는 매 T/5초마다 출력을 발생시킨다. 오버샘플링의 경우, 샘플링 간격 T=1/1.75Gsec이고, 도달 시간을 클록하는 해상도는 T=0.5714ns이며, 약 0.1713미터의 범위 측정 해상도로 변환되는데, 이는 다이렉트 샘플링의 경우인 0.8566미터보다 5배(1.75G/350M) 더 미세하다.

오버-샘플링 아날로그 시퀀스 상관. 또 다른 방안은 아날로그 복조된 신호가 고속 아날로그-대-디지털 변환기(ADC)를 이용하여 샘플링되는 아날로그 방안인데, 예를 들어 1.75GS/s의 스루풋을 갖는 8-비트 ADC를 이용한다. 그 후, 샘플링된 신호는 1.75Gbits/s의 칩 레이트로 구성되는 PN 코드와 상관될 수 있다. 상관은 송신된 메시지를 디코딩하고, 신호 도달에 대한 더 높은 해상도 타이밍을 산출하며, 수신된 신호의 강도를 표시하기도 한다.

도달 시간 및 도달 시간차 방법. TOA 및 TDOA 기술에 대한 폐쇄형 해결책을 제공한다. 두 기술 모두 기지국의 상대적 위치를 판정하기 위해 기지국 네트워크를 초기화하고 목표물을 위치를 파악하는 데 이용될 수 있다. 두 기술의 조합을 전체 시스템에 사용하는 것이 바람직한데, TOA는 기지국을 초기화하는 데 사용하고 TDOA는 목표물을 찾는 데 사용한다.

TOA / TDOA 조합. 후술할 실시예에서, 기지국의 상대적 위치가 TOA 기술을 통 해 판정된다. 이들 상대적 위치는 다른 정보(예: GPS 데이터)와 선택적으로 조합되어 글로벌 지리적 위치를 제공할 수 있다. 그 후, 명시적으로 표현되는 폐쇄형 TDOA 기술을 사용하여 목표물의 위치를 계산한다.

기지국의 상대적 위치

기지국의 지정. 네트워크의 바람직한 실시예는 BS₁, BS₂, BS₃ 및 BS₄로 지정되는 4개의 기지국을 이용하며, BS₁은 마스터 스테이션으로 임의적으로 선택된다. 추가 기지국, BS₅,...,BS_N을 쉽게 추가할 수 있다.

TOA 범위 측정. 네트워크 초기화를 시작하면 BS₁는 UWB 신호 전송을 BS₂, BS₃, BS₄로 브로드캐스팅할 것이다. 신호를 수신하면, 각 기지국은 사전 결정되는 시간 지연동안 대기하고 기지국과 관련되는 자신 고유의 UWB 신호에 응답한다. BS₁는 BS₂, BS₃ 및 BS₄로부터의 응답 각각에 대한 도달 시각을 클록하고 총 비행 시각 T ₁₂₁ , T ₁₃₁ ,T ₁₄₁ 을 기록할 것이다. 일례로서, 총 비행 시간 T₁₂₁은, BS₁로부터 BS₂로 가는 제 1 신호 전송 동안의 비행 시간 T ₁₂ , BS₂에서의 지연 T_D2, BS₂로부터 BS₁으로 가는 응답 전송동안의 비행 시간, T₂₁(=T₁₂)을 포함한다. 즉, T₁₂₁=T₁₂+T_D2+T₂₁이다. 그러므로, BS₁ 및 BS₂ 사이의 비행 시간은

이고, 이들간의 거리는 ℓ₁₂=CT₁₂인데, 여기서 C=2.99792458×10⁸m/s는 무선 파의 속도이다. 이 계산에서 사용되는 C의 값은 주변 온도, 습도 및 고도에 기초하여 빛의 속도의 변경을 표현하도록 변경될 수 있다.

그러므로, BS₁과 BS₃ 사이 및 BS₁과 BS₄ 사이의 거리 ℓ₁₃ 및 ℓ₁₄는 TOA 기술을 이용하여 유사하게 판정될 수 있다. 다음으로, BS₂는 자신의 UWB 신호 전송을 유사하게 브로드캐스팅하고 BS₃ 및 BS₄로부터의 응답을 클록할 것이다. BS₂에서 BS₃및 BS₄로의 거리는 ℓ₂₃ 및 ℓ₂₄로 얻어진다. 최종적으로, BS₃가 자신의 UWB 신호 전송을 유사하게 전송하고, BS₄로부터의 응답을 클록하며, 거리 ℓ₃₄를 계산할 것이다. 이 단계 세트는 기지국의 상대적 위치를 판정하는 데 필요한 모든 정보를 제공한다.

일반적으로, TOA 타이밍은

(1)

로 주어지는데, T _ij 는 BS_i에서 BS_j로 가는 무선 전송에 대한 시간이고, T _iji 는 총 왕복 비행 시간이며, T _Dj 는 BS_j에서의 지연 시간이다. TOA 범위 측정은

(2)

로부터 계산되는데 C는 무선 파 진행 속도이다.

로컬 좌표 프레임. 전술한 신호 전송을 통해 얻어지는 정보는 로컬 좌표계 상의 기지국의 위치를 판정하는 데 이용될 수 있다. 편의상, 로컬 데카르트 좌표계를 이용하지만 다른 좌표계도 적합할 것이다.

을 BS₁, BS₂, BS₃ 및 BS₄ 위치의 좌표라 하자. BS₂의 위치는 원점, 즉, x₁=0, y₁=0, z₁=0에 할당된다. BS₂는 좌표계의 x축, 즉, x₂=ℓ₁₂, y₂=0, z₂=0상에 위치되도록 할당된다. 다음으로, BS₃는 좌표계의 xy 평면, 즉, z₃=0에 위치되도록 할당된다. 이는 로컬 좌표 프레임의 정의를 완성시킨다.

BS의 좌표. BS₃ 및 BS₄의 위치 좌표, x₃,y₃,x₄,y₄ 및 z₃이 판정될 것으로 남아 있다.

(3)

에 의해 거리와 좌표가 관련된다는 것을 볼 수 있다.

이 관계로부터, 원하는 좌표는

(4)

에 의해 주어진다. 이는 BS_i, i=1,2,3,4 대한 로컬 좌표의 판정을 완성시킨다.

추가 BS의 좌표. 이 결과는 추가 BS_i, i= 5,6,...,N으로 쉽게 확장될 수 있는데, 여기서 N은 총 기지국 수이다. BS_I에서 BS₁, BS₂ 및 BS₃으로의 거리 ℓ_1i, ℓ_2i, ℓ_3i는 전술한 TOA 측정 기술로 계산될 것이다. 식(4)로부터 유도하여, BS_i의 좌표는

(5)

에 의해 주어질 것이다.

로컬 BS 로케이션에 대한 폐쇄형 TOA 방법. 식(1) 및 (2)은 신호 전송으로부터의 TOA 범위 측정인데, 이는 기지국 좌표를 계산하기 위해 (4) 및 (5)에서 사용된다.

운동학. 기지국의 글로벌 지리적 위치는 다음과 같은 변환 및 회전 운동학 관계에 의한 상대적 위치에 관련된다.

(6)

여기서 ^Gx_i, ^Gy_i, ^Gz_i는 지리적 좌표를 가리키고, d_x, d_y, d_z는 변환 파라미터이며, e_ij, i=1,2,3, j=1,2,3은 회전 변형 파라미터를 나타내고, x_i, y_i, z_i는 이전에 결정된 상대 좌표이다. 지리적 좌표 ^Gx_i, ^Gy_i, ^Gz_i는 일반적으로 어떤 위치의 경도, 위 도, 고도로 알려진 것에 대응하는 반면, x_i, y_i, z_i는 UWB RAC 및 TOA 측정 방법을 이용하여 얻어지는 로컬 상대 좌표이다.

GPS 데이터. 변환 및 회전 파라미터는 기지국 중 3개에 GPS 수신기를 배치하여 판정되는 것이 바람직하지만, 단 하나의 GPS 수신기가 요구된다. 설명을 위해, GPS BS₁, BS₂, BS₃에 최대한 근접하게 설치되는 것으로 가정하자. 이들 기지국의 글로벌 지리적 좌표는 정밀한 GPS를 이용하거나 기지국이 정적인 경우에는 덜 정밀한 GPS 데이터의 통계적 평균을 계산함으로써 정확하게 판정될 수 있다. 이들은 다음과 같이 표기될 것이다.

변환 파라미터. 변환 파라미터는 단순히 BS₁의 GPS 좌표와 동일하다는 것을 쉽게 알 수 있는데, 이는 로컬 좌표 프레임, 즉,

(7)

의 원점이다.

회전 파라미터. 회전 변형 파라미터는

(8)

(9)

(10)

을 만족시켜야 하는데, 여기서 처음 2개의 식은 BS₂와 BS₃의 로케이션 관계식으로부터 나오고 마지막 식은 회전 변형 행렬의 직교-수직 특성(ortho-normal property)이다. 각 회전 파라미터는 다음에 의해 주어진다.

(11)

글로벌 BS 로케이션을 위한 폐쇄형 방법. 얻어진 변환 및 회전 파라미터는 글로벌 지리적 좌표에 대한 상대적 좌표로부터의 원하는 변형을 위한 폐쇄형 계산을 정의한다.

로컬 BS 좌표. 목표물의 위치를 판정하는 것은 TOA 기술의 사용을 통해서도 달성될 수 있다. 기지국의 좌표 위치

은 전술한 바로부터 판정되는 대로 알려진다.

로컬 TU 좌표.

을 판정될 이들 좌표를 갖는 목표물의 좌표 위치라 하자.

TOA 범위 측정. TOA 기술에서, 목표물은 다양한 기지국으로부터의 신호를 브로드캐스팅하고 수신하는 송신기 및 수신기를 갖는다. 전술한 바와 동일한 TOA 거리 측정 방법이 목표물로부터 기지국으로의 거리를 판정하는 데 적용 가능하다. 목표물은 UWB 신호 전송을 브로드캐스팅하고, 기지국으로부터의 응답을 기다린다. 설명을 위해, 기지국 BS₁, BS₂,...,BS_N의 상황을 r₁,r₂,...,r_N은 목표물로부터 각 기지국으로의 거리라고 고려하자.

TOA 로케이션 문제. 거리 측정은 다음과 같이 목표물과 기지국의 좌표에 관련된다.

(12)

다항식을 전개하면 다음과 같다.

(13)

그 목적은 위의 관계로부터 목표물의 위치 x,y,z를 계산하는 것이다.

TU 로케이션을 위한 폐쇄형 TOA 방법. 전개된 식을 정리하면, 목표물의 좌표는

(14)

에 의해 주어지는 것을 알 수 있는데, []^#는 일반화된 펜로즈 유사 역 행렬(Penrose pseudo-inverse of the matrix)을 가리킨다. 이는 TOA 기술에 기초하는 로컬 목표물 좌표에 대한 폐쇄형 계산이다.

필요 조건. N=3에 대해 유사-역은 표준 행렬 역, 즉, []^#=[]^-1이고, N>3에 대해 유사-역은 []^#=([]^T[])^-1인데, []^T은 행렬 이항(matrix transpose)을 가리킨다. 대수의 필요 조건으로부터, x,y,z에 대한 해결책은 N≥3이고 모든 BS가 떨어진 위치에 위치되는 경우에만 존재한다. 그러므로, 목표물의 위치(x,y,z)를 판정하는 데 필요한 기지국의 최소 수는 3이다. 실제로, 적어도 4개의 기지국이 바람직하다.

TOA 방법의 요약. 도 3은 기지국과 목표물을 로케이팅하는 TOA 기술을 도시하고 있다. 우선, 기지국이 초기화된다. 기지국 1, BS₁가 마스터 스테이션으로서 동작하여 신호(100,102,104)를 슬레이브 스테이션 각각, BS₂, BS₃ 및 BS₄로 송신한다. 지연 후, 각 슬레이브 스테이션은 신호(110,112,114)를 마스터 스테이션으로 송신한다. 각 슬레이브 스테이션에 대한 지연은 마스터 스테이션에 알려진다. 또한, 슬레이브 스테이션은 다른 슬레이브 스테이션에 의해 브로드캐스팅되는 신호도 수신하며 이들 신호를 지연 후에 다시 브로드캐스팅하는데, BS₂ 및 BS₃에 의한 신호(138,140)를 각각 수신하고, BS₃ 및 BS₄에 의한 신호(142,144)로서 각각 다시 브로드캐스팅한다. 신호 왕복을 위한 시간 길이는 기지국들간의 거리와 전술한 계산을 통한 그들의 위치를 제공한다. 초기화 후, 목표물(120)은 기지국 각각에 의해 수신되는 신호(122)를 송신한다. 목표물에 알려진 지연 후, 각 기지국은 신호(130,132,134,136)를 목표물에 송신한다. 목표물에 도달하면, 목표물은 전술한 계산을 통해 자신의 위치를 계산할 수 있다.

TDOA 방법. 이와 달리, TDOA 기술의 사용을 통해서도 목표물의 위치를 판정할 수 있다. 목표물이 신호를 수신하는 기능만 필요로 하여 보안성이 증가되는 것이 바람직한 경우에 특히 TDOA 기술의 사용이 바람직하다. 신호를 전송하지 않음으로써 목표물은 자신의 위치를 알리지 않는다. TDOA 방법에서, 기지국 위치의

좌표가 알려지며

은 판정될 이들 좌표를 갖는 목표물이다.

TDOA 범위 측정 방안. TDOA 기술에서, 목표물은 신호를 수신하기만 하면 되고 신호를 전송할 수는 있으나 그럴 필요는 없다. 지정된 마스터 스테이션(BS₁)은 다른 기지국과 목표물에 알려지지 않은 시각(T_o)에서 UWB 신호 전송을 개시하고 브로드캐스팅한다. 브로드캐스트 신호를 수신함에 따라, 각 기지국, BS_i, i=1,2,...,N은 사전 결정되는 지연(T_Di)동안 대기하고 특정 기지국을 식별하는 자신 고유의 UWB 전송 신호에 응답한다. 목표물은 각 기지국으로부터의 신호 도달을 T_i, i=1,2,...,N으로 클록할 것이다.

TDOA 로케이션 문제. TDOA 문제는 기지국 위치의 좌표

과 시각 측정 T_i, i=1,2,...,N을 알아서 x, y, z를 계산하는 것이다.

TDOA 상대 거리 측정. 이전과 같이, r₁, r₂,...,r_N을 각각 목표물에서 BS_i, i=1,2,...,N으로의 거리라 하고, ℓ₁₂, ℓ₁₃,...,ℓ_1N을 각각 BS₁으로부터 BS₂,BS₃,...,BS_N으로의 거리라 하자. 도달 시각들, T_i, i=1,2,...,N 사이의 시간차는

(15)

으로 변환된다는 것을 쉽게 알 수 있는데, C는 주어진 온도에서의 빛의 속도이다. 위 식에서 알려지지 않은 변수는 T_o, r₁, r₂,...,r_N이다.

범위 측정 차. BS_i, i=2,...,N과 BS₁ 사이의 범위, Δr_i1의 차를 다음과 같이 정의하자.

(16)

위 관계로부터, 목표물과 기지국 사이의 거리는

(17)

로 표현될 수 있음을 알 수 있는데, 이는 사전 결정되는 파라미터, T_Di 및 l_1i에 기초하여 계산되며 도달 시각 차(TDOA)(T_i-T₁)를 측정할 수 있다. (17)의 계산되고 측정된 양(Δr_i,1)은 목표물의 위치를 계산하는 TDOA 방법에서 사용될 수 있다.

선형 관계에 대한 정리(제 1 키 단순화). 기하학적 관계는 비선형적 성질이며 해결하기 어렵다. 키 분배는 비선형 항을 소거하여 선형 관계로 비선형 관계를 감소시키기 위한 것이다. 이 공식을 제곱하면 교차 외적 항 r_ir₁을 갖는 다음을 얻는다.

(18)

또한, Δr_i,1 및 r_i를 곱하면 다음과 같은 교차 항 r_ir₁을 얻는다는 것도 유의하자.

(19)

Δr² _i,1과 Δr_i,1r₁의 다음 조합이 교차 항 r_ir₁을 소거한다는 것을 유의하자.

(20)

전술한 표현의 압축된 표현은

(21)

로 기록할 수 있는데, 여기서,

이다.

선형 관계. 전술한 정리는 x,y,z 및 r₁에서 선형인 대수 등식 세트를 유도한다. 매트릭(metrices)을 이용하여 이들 선형 등식을 해결할 수 있다.

(22)

x,y,z의 {이 문구를 피하기 원하는} LSE(Least squared error) 추정 목표물의 위치 x,y,z는 다음과 같이 r₁의 항으로 표현된다.

(23)

여기서,

이다.

필요 조건. 고유한 해결책을 산출하기 위한 (23)의 유사-역 공식에 대한 필요 조건은 N≥4를 갖는 것이다. 이는 TDOA 방법이 목표물의 위치, x, y, z를 판정하기 위해 최소 4개의 기지국을 요구한다는 것을 의미한다. 실제로, 4개 이상의 기지국이 바람직하다.

2차 형태에 대한 정리(제 2 키 단순화). 기하학 거리 관계를 전개하여 x, y, z 및 r₁에 관련되는 다른 표현을 산출한다.

(24)

LSE 관계를 기하학 관계로 교체하면,

(25)

가 된다. 이는 필수적으로 이 형태의 2차 다항식이다.

(26)

r ₁ 의 계산. 다항식은

(27)

과 같이 더 간략히 표현될 수 있는데, 여기서

이다.

이 2차 다항식은 r₁에 대한 2개의 답을 산출한다.

(28)

x,y,z의 계산. r₁에 대한 양의 답을 선택하고 목표물의 위치를 계산하면 다음과 같다.

(29)

TU 위치에 대한 폐쇄형 TDOA 방법. 식(17),(21),(23),(27),(28),(29)는 목표물의 위치를 계산하는 명시적 폐쇄형 TDOA 방법을 정의한다. 다이렉트 측정 및 계산 TDOA 공식은 프로세싱 속도를 향상시킨다. 이들은 본 발명의 핵심 실시예이다.

TDOA 위치 문제에 관한 기존 방안. TDOA 문제에 관한 기존 방안은 테일러 직렬 비선형 최소 제곱 반복적 방법(Taylor series nonlinear least squares iterative method)과 같은 수학적 추정에 제한되어 왔다는 것에 유의하자. 이 방법은, 목표물의 위치를 추측함으로써 시작하여, TDOA 관계에 대한 비선형 쌍곡선 함수를 선형화하고, 최소 제곱 추정 기술을 이용하여 목표물 위치의 새로운 추정을 계산한다. 이 프로세스는 해결책이 어떤 위치로 수렴할 때까지 반복된다. 그러므로 이 방안은 간접적이고 장황하며, 진정한 해결책으로 수렵되지 않을 수 있다.

TDOA 방법의 요약. 도 4는 목표물을 로케이팅하는 TDOA 기술을 도시하고 있다. 기지국의 위치는 TOA 방법을 이용하여 수집된 정보로부터 알려진다. 마스터 스테이션(BS₁)은 목표물(203)로 신호(202)를 브로드캐스팅하고, 동일한 브로드캐스트 신호(204,206,208)가 슬레이브 스테이션(BS₂,BS₃,BS₄)에 의해서도 수신된다. 슬레이브 스테이션은 설정된 지연, T_D2, T_D3, T_D4동안 대기하고, 목표물에 신호(214,216,218)를 재송신한다. 신호(202,214,216,218) 각각의 도달 시각 차에 기초하여, 목표물은 전술한 계산에 따라 자신 고유의 위치를 판정할 수 있다. 도 4의 아래에 도달 시각이 개략적으로 도시되어 있다.

범위 측정 및 위치 지정 오차. 범위 측정의 정확도는 하드웨어 클록 및 지연, 전송 모델 등을 포함하는 여러 요소에 의존한다. 각 측정된 범위는 자신의 진정한 범위와 자신의 측정 오차의 합, 즉, r_i+Δr_i, i=1,...,N으로 표현될 수 있다. 목표물의 위치도 x+Δx, y+Δy, z+Δz로서 유사하게 표현될 수 있는데, 여기서 Δx, Δy, Δz는 계산 오차이다. 이는 계산 오차가 측정 오차에

(30)

로서 관련되는 최소 제곱 추정 공식(14)으로부터 이어진다.

위치 지정 정확도. 평균 측정 오차가 0이라 가정하면, 측정 오차의 공분산(covariance)은 다음과 같이 표현될 수 있다.

(31)

위치, x,y,z의 계산의 오차의 공분산은 다음과 같이 유사하게 정의된다.

(32)

그 후, 이는 위치 오차의 공분산이

(33)

만큼 측정에 관련되는 (30)으로부터 이어진다. 식(33)은 공분산 Q_x와 관련되는 위치의 계산의 해상도 또는 정확도를 정의한다. 해상도의 표준 편차는

만큼 주어지는데, 이는 공분산의 제곱근이다. 이 변동은 행렬 C에 의존하는데, 이는 기지국 위치(x_i, y_i, z_i)와 그들의 범위(r_i)에 의존한다. 즉, 위치 지정 정확도는 BS의 위치 구성과 목표물의 현재 위치에 의존한다. 전술한 바와 같이, 하나의 기지국 또는 나머지 기지국의 평면 외부의 목표물을 배치함으로써, 정확도가 증가될 수 있다.

범위 측정 및 위치 지정 정확도의 예시. 실제로, UWB RAC 장비는 실험을 통해 테스트되고 교정되며 알려진 측정치로 교정될 것이다. 그러므로, 잘 교정된 장비가 자신의 범위 측정 해상도만큼 교정이 정확해질 수 있다. 종래 예를 참조하i 면, 350Mbits/s 칩 레이트 UWB 신호는 1.75Gbits/s 레이트(칩 레이트의 5배)로 오버 샘플링되어 PN 교정은 약 0.1713 미터의 범위 측정 해상도를 산출할 수 있다. 예를 들어, 해상도는 표준 편차로서 처리될 수 있으며, 자신의 공분산은 0.02934m²일 것이다. 각 UWB RAC 수신기는 독립적이기 때문에, 범위 측정 공분산 Q_r은 요소로서 0.02934를 갖는 대각 행렬이 된다. 그 후, 위치 지정 정확도는 위치 지정 공분산 Q_x=CQ_rC^T에서 반사되는데, C는 x_i, y_i, z_i 및 r_i에 의존한다. 예를 들어, BS_i, i=1,...,5의 {x_i, y_i,z_i}가 {0,0,0}, {1000,0,0}, {1000,1000,0}, {0,1000,1000}, {1000,1000,1000}인 hoc 네트워크 좌표에 위치되고, 좌표는 원점으로부터의 거리를 나타낸다고 하자. 목표물을 {400 500 600}에 위치시켜 {r_i}이 {877.50}, {984.89}, {984.89}, {754.98}, {877.50}이 되게 하자. 그러면, 위치 오차 공분산은

을 유도한다. 위치 오차{Δx, Δy, Δx}의 표준 편차는 {0.150, 0.239, 0.226}으로서 대각 행렬 Q_x의 제곱근으로부터 유도될 수 있는데, 이는 위치 계산의 가능한 정확도의 전형을 나타낸다. 더 높은 오버-샘플링 레이트를 사용하면 정확도가 향상된다는 것을 유의하자. 예를 들어, 1.75Gbits/s가 사용되면 오버-샘플링 레이트 위치 지정 오차 표준 편차는 {0.015, 0.024, 0.023} 미터로 감소될 것이다.

업데이트 레이트. UWB RAC TOA/TDOA 방법을 위한 업데이트 레이트는 스케이 션과 목표물간 거리와 계산 장비의 성능에 의존한다. 업데이트 레이트(updates/second)는

으로부터 추정될 수 있는데, T_FlightMax는 스테이션/목표물간의 최대 비행 시간이고, T_Processing은 전자 소자 및 계산 시간이다. 현재의 기술을 이용하여 1km 이상 확산되는 동작 영역에 있어서, 업데이트 레이트의 추정은 적어도 200개의 위치 update/second이 가능하다. 물론, 임의의 기지국 또는 목표물의 실제 요구조건을 적합하게 만족시키기 위해 더 느린 업데이트 레이트도 사용될 수 있다. 예를 들어, 약 25 회/초, 약 50회/초, 약 100회/초, 약 150회/초의 업데이트 레이트와 이들 레이트들간의 레이트가 적합할 수 있다.

복수의 구성 요소 또는 단계의 기능 또는 구조가 하나의 구성요소 또는 단계로 결합되거나 하나의 단계 또는 구성요소가 복수의 단계 또는 구성 요소로 분할될 수 있음을 인식할 것이다. 본 발명은 이들 결합 모두를 고려한다. 특별한 언급이 없는 한, 본 명세서에 설명된 다양한 구조의 치수와 기하 구조는 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니며, 다른 치수 또는 기하 구조도 가능하다. 복수의 구성요소 또는 단계가 하나의 통합된 구조 또는 단계에 의해 제공될 수 있다. 이와 달리, 하나의 통합된 구조 또는 단계가 개별적인 복수의 구성요소 또는 단계로 분할될 수 있다. 또한, 도시된 실시예들 중 단 하나와 관련하여 본 발명의 특징을 설명하였지만, 이러한 특징은 임의의 주어진 애플리케이션을 위해 다른 실시예의 하나 이상의 다른 특징으로 결합될 수 있다. 또한, 본 명세서의 고유한 구조의 제조 및 그 동작은 본 발명에 따른 방법을 형성한다는 것을 전술한 바로부터 알 수 있을 것이다.

본 명세서에서 제공되는 설명과 예는 그 원리와 실제 적용을 당업자에게 알리기 위한 것이다. 당업자는 특정 용도의 요구조건에 가장 적합할 수 있는 다양한 형태로 본 발명을 변경하여 적용할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 본 발명의 특정 실시예는 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 그러므로, 본 발명의 범위는 전술한 설명으로부터 결정되는 것이 아니라 첨부된 청구 범위와 이러한 청구 범위의 권리가 부여되는 균등물의 전체 범위로부터 결정되어야 한다. 특허 출원 및 공개를 포함하는 모든 참조 문헌의 개시는 모든 목적을 위해 참조로 포함된다.

Claims

목표물 위치 판정 방법으로서,

서로에 대한 복수의 기지국의 상대적 위치를 판정하기 위해 상기 기지국을 초기화하는 단계와,

상기 목표물에서, 상기 복수의 기지국 각각으로부터의 적어도 하나의 신호의 도달 시각을 측정하는 단계와,

폐쇄 해법(a closed solution)을 이용하여 상기 복수의 기지국에 대한 상기 목표물의 위치를 직접 계산하는 단계를 포함하되,

상기 복수의 기지국은 도달 시각 기술(a time of arrival technique)이 사용되는 경우에는 적어도 3개이고 도달 시간차 기술(a time difference of arrival technique)을 사용하는 경우에는 적어도 4개인

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 목표물은 자신 고유의 위치를 계산하는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 기지국 각각은 이동 기지국인

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 초기화 단계는 각 기지국의 위치를 판정하기 위해 도달 시각 기술을 사용하는 단계를 포함하는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 기지국의 글로벌 지리적 위치를 판정하기 위해 상기 기지국을 초기화하는 단계를 더 포함하는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 측정 단계와 상기 계산 단계는 초당 적어도 50회 반복되는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 측정 단계와 상기 계산 단계는 초당 적어도 200회 반복되는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 계산 단계는 상기 목표물의 위치를 계산하기 위해 도달 시각 기술을 이용하는 단계를 포함하는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 계산 단계는 상기 목표물의 위치를 계산하기 위해 도달 시간차 기술을 이용하는 단계를 포함하는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 측정 단계는 각 기지국으로부터 고유 PN 코드를 송신하는 단계를 포함하는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 측정 단계는 약 0.1에서 약 10 Gbits/s 사이의 칩 레이트를 갖는 UWB 신호를 사용하는 단계를 포함하는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 측정 단계는 DS-CDMA 통신 방안을 사용하는 단계를 포함하는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 측정 단계는 약 0.3에서 약 30giga-samples/sec 사이의 수신된 신호를 오버샘플링하는 단계를 포함하는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 측정 단계는 디지털 샘플러 또는 아날로그-대-디지털 변환기를 사용하여 오버샘플링하는 단계를 포함하는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 계산 단계는 약 0.01에서 약 1.0미터 사이의 해상도로 갖는 상기 목표물의 위치를 산출하는

목표물 위치 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 계산 단계는 약 0.01에서 약 1.0미터 사이의 정확도로 상기 목표물의 위치를 산출하는

목표물 위치 판정 방법.
수신기 위치 판정 시스템으로서,

TOA 기술용의 적어도 3개의 기지국과 적어도 하나의 목표물 및 TDOA 기술용의 적어도 4개의 기지국과 하나의 목표물을 포함하되,

각 기지국은 적어도 하나의 GHF UWB 송신기를 포함하며,

적어도 하나의 기지국 및 상기 목표물은 이동성(mobile)이고, 상기 목표물은 폐쇄형 해법 기반을 이용하여 자신의 위치를 계산할 수 있는

수신기 위치 판정 시스템.
제 17 항에 있어서,

상기 목표물은 지뢰 제거기(a mine sweeper)를 포함하는 무인 지상 차량인

수신기 위치 판정 시스템.
제 17 항에 있어서,

상기 목표물은 무인 비행기(an aerial drone)를 포함하는 무인 공중 차량인

수신기 위치 판정 시스템.
상기 목표물은 무인 해상 차량인

수신기 위치 판정 시스템.