KR20080065040A

KR20080065040A - 위성항법 신호보정을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20080065040A
Application number: KR1020070001901A
Authority: KR
Inventors: 정도형
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-01-08
Filing date: 2007-01-08
Publication date: 2008-07-11

Abstract

본 발명은 위성항법 신호 보정에 관한 것으로, 위성항법 신호를 보정하는 장치에 있어서, 위성항법 신호를 수신하고 다른 노드와 통신하기 위한 통신 모듈과, 상기 위성항법 신호에서 전리층 지연 값을 계산하고 전리층 지연 값을 측정한 후, 상기 전리층 지연 계산 값과 상기 전리층 지연 측정 값의 차이를 구하고, 상기 차이 값을 최소화하게 하는 소정 값을 구한 후, 상기 통신 모듈을 통해 위성항법장치로 전송하는 위성 오차 보정부를 포함하는 것으로 해당 지역에 설치된 특정 장치의 전리층 지연측정기와 전리층 지연계산기를 이용하여 그 지역에 최적화된 α-β 파라미터를 계산하고 방송하여 전리층 보정 능력을 향상시키게 할 수 있다. 그리고, 전리층 보정 시에 α-β 파라미터를 사용하여 전송에 필요한 데이터 양을 줄일 수 있고 다른 하드웨어 및 소프트웨어적인 추가 기능 없이 전리층 보정 효과를 최대화할 수 있다. 최적화된 α-β 파라미터 값은 매 초 수신되는 DGPS 정보보다 더 오랜시간 동안 유효하므로 이는 전송 주기도 더욱 길게 할 수 있는 이점이 있다.

위성항법 신호, 전리층 지연 계산, 전리층 지연 측정, DGPS.

Description

위성항법 신호보정을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SATELLITE NAVIGATION SIGNAL CORRECTION}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 위성항법 신호 보정 시스템을 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 장치의 위성항법 신호 보정 과정을 도시한 도면, 및,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 위성항법 신호 보정을 수행하는 장치의 블록 구성을 도시한 도면.

본 발명은 위성항법 신호 보정에 관한 것으로, 특히, 지구 주위를 공전하는 항법위성으로부터의 위성항법 신호가 전리층에 의해 지연될 경우, 다른 시스템에 의한 추가적인 정보를 사용하지 않고, 항법위성으로부터의 신호를 이용하여 이러한 신호지연을 보정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

위성항법장치(Satellite Navigation Apparatus)는 지구 주위를 공전하는 항법위성(Navigation Satellite)에서 방송되는 위성항법 신호가 위성항법장치에 도달하는 시간을 측정하여 위성항법장치의 위치를 계산한다.

항법위성으로는 미국의 GPS(Global Positioning System) 위성, 러시아의 Glonass 위성 그리고 유럽의 Galileo 위성들이 있으며, 각각의 RF 주파수에 따라 별도 또는 통합 위성항법장치가 개발되고 있다.

RF주파수대인 항법위성의 위성항법 신호는 지구의 대기권을 통과하면서 지연이 발생하는데 가장 큰 지연 요소가 전리층 지연(Ionospheric Delay)이다.

전리층 지연은 위성항법의 여러 가지 위치 오차 요인들, 예를 들어, 위성 궤도(Ephemeris) 오차, 위성 시계(Satellite Clock) 오차, Multipath 오차, 대기권(Troposphere) 오차들 중에서 가장 큰 위치 오차를 유발하는 요인이다.

전리층 지연은 이중 주파수(Dual Frequency) 위성항법장치의 경우에는 측정이 가능하고 정확하게 보정할 수 있으나 단일 주파수(Single Frequency) 수신기의 경우에는 측정이 불가능하고 내부 알고리즘을 통한 전리층 보정(Ionospheric Correction)을 수행이 가능하다.

전리층 보정을 위한 방법으로는 다른 외부의 정보 없이 스스로 전리층 지연을 계산하여 보정을 수행하는 방식과 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 정보를 이용하는 방식 그리고 DGPS(Differential GPS) 정보를 이용하는 방식이 있다.

다른 정보를 이용한 방식 중 SBAS 정보를 이용하는 방식은 유럽의 EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service)나 북미의 WAAS(Wide Area Augmentation System)와 같은 다른 위성에서 방송되는 지구 전리층 지연 정보를 수신하여 전리층 보정을 수행하는 것이다.

그리고 DGPS를 이용하는 방식은 무선 데이터 통신 또는 FM 라디오 방송으로 전달되는 차동 보정(Differential Correction) 정보를 이용하여 전리층 지연을 보정하는 방식이 있다. 차동 보정 정보 전송에는 일반적으로 RCTM 포맷이 사용된다

SBAS 정보를 이용하려면 별도의 위성항법 신호 변조 및 디코딩 기능을 위성항법방치가 보유해야 하므로, 추가적인 하드웨어 및 소프트웨어 기능이 요구된다.

그리고 DGPS를 이용하는 방식은 연속적으로 차동 보정 정보 전송을 수신하는 FM 라디오 또는 무선 데이터 통신이 필요로 하므로 전력 소모량이 큰 문제점이 있다.

스스로 전리층 지연을 계산하고 보정을 수행하는 방식은 항법위성이 방송하는 기본 정보를 이용하여 각 위성에 대한 전리층 지연을 계산하는 것이다. 하지만, 이 경우는 정확도가 상대적으로 낮은 문제가 있다.

이 방식은 GPS 항법 위성이 방송하는 항법 메시지에 포함된 8개의 α-β 파라미터를 이용하여 해당 위성에 대한 지자기위도(Geomagnetic Latitude)를 계산하고 파라미터들의 다항식으로 전리층 지연 값을 계산한다.

위성항법 메시지에 포함되어 있는 α-β 파라미터는 그 업데이트 주기가 느리고(거의 몇 달동안 동일 파라미터가 사용되는 경우도 있음) 전 세계 모든 지역에 공통으로 사용되는 파라미터이므로 한 지역의 전리층 지연을 정확하게 서술하는 데 에는 한계가 있다. 결과적으로, 전체 전리층 지연의 50% 이하로 보정 능력이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 위성항법 신호 보정을 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 외부 정보에 대한 의존도를 최소화하면서 기존의 α-β 파라미터를 이용한 전리층 보정 방식을 최대한으로 활용하여 위성항법장치에 추가기능 구현없이 전리층 보정 성능을 향상시키는 위성항법 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 위성항법 신호를 보정하는 장치에 있어서 위성항법 신호를 수신하고 다른 노드와 통신하기 위한 통신 모듈과 상기 위성항법 신호에서 전리층 지연 값을 계산하고 전리층 지연 값을 측정한 후, 상기 전리층 지연 계산 값과 상기 전리층 지연 측정 값의 차이를 구하고 상기 차이 값을 최소화하게 하는 소정 값을 구한 후 상기 통신 모듈을 통해 위성항법장치로 전송하는 위성 오차 보정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 위성항법 신호를 보정하는 방법에 있어서, 위성항법 신호를 수신하는 과정과 상기 위성항법 신호에서 전리층 지연 값을 계산하는 과정과 상기 위성항법 신호에서 전리층 지연 값을 측정하는 과정과 상기 전리층 지연 계산 값과 상기 전리층 지연 측정 값의 차이를 계산하는 과정과 상기 차이 값을 최소화하게 하는 소정 값을 구하는 과정과 상기 소정 값을 위성항법장치로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 위성항법 신호를 보정하는 시스템에 있어서, 위성항법 신호를 전송하는 다수의 위성들과 상기 위성항법 신호를 수신하여 전리층 지연 값을 계산하고 전리층 지연 값을 측정 한 후 상기 전리층 지연 계산 값과 상기 전리층 지연 측정 값의 차이를 구하고, 상기 차이 값을 최소화하게 하는 소정 값을 구한 후 전송하는 위성항법 신호 보정장치와 상기 위성항법 신호 보정장치가 전송한 상기 소정 값과 상기 위성항법 신호를 수신하여 현재 위치를 판단하는 위성항법장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명은 위성항법 신호보정을 위한 장치 및 방법에 대해 설명할 것이다.

본 발명은 현재의 위성 항법 신호와 α-β 파라미터 이용하여 각 위성들의 전리층 지연을 계산하고 실제 위성항법 신호로부터 전리층 지연을 측정하여 각 위성별 전리층 지연 계산값과 측정값의 차이를 이용하여 비용 치를 계산하고 그 비 용 치를 최소화하는 방식을 사용한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 위성 항법신호 보정시스템을 도시한 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 위성 항법신호 보정시스템은 위성항법신호를 전송하는 항법위성(110)과 위성항법신호를 보정하는 서버(120), 그리고 위성항법장치(130)로 구성된다.

상기 서버(120)는 전리층 지연계산기(121), 전리층 지연측정기(122), 최적화기(124), 비용함수부(123)로 구성된다. 그리고 위성 항법신호를 전송하는 항법 위성 된다.

상기 전리층 지연계산기(121)는 입력되는 α-β 파라미터와 위성 정보를 이용하여 신호가 수신되는 각각의 위성에 대해 전리층 지연을 계산한다. 계산 방법은 해당 위성에 대한 지자기 위도를 계산하고, α-β 파라미터들의 다항식으로 전리층 지연 값을 계산할 수 있다(이 방식은 GPS ICD에 자세히 기술되어 있음).

상기 전리층 지연측정기(122)는 각 항법위성의 신호를 직접 수신하여 전리층 지연값을 측정한다. 단일 주파수 위성항법 장치는 전리층 지연 값 측정이 불가능하나 이중 주파수 위성항법 장치의 경우에는 전리층 지연 측정이 가능하다. 이는 전리층 지연이 RF주파수에 비례해서 증가하기 때문인데 이중 주파수 수신기를 이용하여 상기 전리층 지연측정기(122)를 구성하는 것이 가능하다.

상기 전리층 지연계산기(121)와 상기 전리층 지연측정기(122)에서 출력되는 각각의 전리층 계산치와 측정치는 각각 벡터 형태가 되는데, 비용 함수부(123)는 두 벡터의 차이를 하나의 양수인 스칼라(Scalar) 값으로 변환한다.

상기 비용함수부(123)는 z_c 와 z_m 이라고 표시되는 다항식을 이용하여 가장 대표적인 전리층 계산 벡터와 측정 벡터를 각각 나타낼 수 있다. 이는 하기 <수학식 1>에 나타나있다.

여기서, z_c 는 전리츨 계산 벡터이고_,z_m 는 전리층 측정 벡터이다.

상기 <수학식 1>은 가장 대표적이고 간편한 비용함수이며 z_c 와 z_m가 같은 값일 때만 0이고 나머지 경우에는 항상 양수 값을 가진다. 필요에 따라 가중치를 가지는 비용함수 또는 비 선형성을 가진 비용함수의 사용도 가능하다.

최적화기(134)는 이러한 비용함수에서 계산되어 나오는 비용 치를 최소화하는 α-β 파라미터를 계산한다. 필요에 따라, 비용 치를 최소화하는 값에 근접할 때까지 α-β 파라미터의 계산을 반복적으로 수행할 수도 있다. 비용 치를 최소화시키는 α-β 파라미터가 구해지면, 이 파라미터는 무선 통신을 이용하여 외부의 위성항법 장치(130)에 전달되고, 해당 위성항법장치(130)는 내부적으로 전리층 지연을 계산하는데 사용할 수 있다.

CDMA 통신 방식에서는 상기 비용 치를 최소화시키는 α-β 파라미터를 SMS, 셀내의 방송, DBM(Data Burst Message)등을 사용하여 전달할 수 있다. 상기 DBM을 이용하여 GPS 위성 정보를 전달하기 위한 프로토콜(TIA/EIA/IS-801 Position Determination Service Standard for Dual Mode Spread Spectrum Systems)은 이미 여러 나라에서 상용화 서비스되어 사용되고 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 장치의 위성항법신호 보정과정을 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 장치는 위성항법 신호를 수신하여(210 단계) 전리층 지연을 계산하고(220 단계) 전리층 지연을 측정한다(230 단계).

이후, 상기 전리층 지연 계산치와 상기 전리층 지연 측정치를 이용하여 이 두 값의 차이를 최소화하는 α-β 파라미터 값을 계산한 후(240 단계) 전송한다(250 단계).

이후, 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 위성항법 신호보정을 수행하는 장치의 블록 구성을 도시한 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 인터페이스 모듈(310)은 다른 노드와 통신하기 위한 모듈로서 무선 처리 모듈 및 기저대역 처리모듈 등을 포함하여 구성된다. 상기 무선 처리모듈은 안테나를 통해 수신되는 신호를 기저대역 신호로 변경하여 상기 기저대역 모듈로 제공하고 상기 기저대역 모듈로부터의 기저대역신호를 실제 에 어(air) 상에서 전송할 수 있도록 RF신호로 변경하여 상기 안테나를 통해 송신한다. 그리고, 상기 인터페이스 모듈(310)은 위성항법 신호를 수신하여 제어부(320)로 제공한다.

제어부(320)는 상기 장치의 기본적인 처리 및 제어를 수행한다. 예를 들어, 데이터 통신을 위한 처리 및 제어를 수행하고 통상적인 기능에 더하여 본 발명에 따라 위성항법신호 오차보정부(340)를 제어하여 전리층 지연을 계산하고 측정하게 하고 지연 치와 측정 치의 차이를 최소화하게 하는 α-β 파라미터 값을 계산하게 하고 이를 제공받아 위성항법장치로 전송한다.

상기 저장부(330)는 상기 장치의 전반적인 동작을 제어하기 위한 프로그램 및 프로그램 수행 중 발생하는 일시적인 데이터를 저장하는 기능을 수행한다.

상기 위성항법신호 오차보정부(340)는 상기 제어부(330)의 지시와 제공 정보에 의해 전리층 지연을 계산하고 측정한다. 그리고 지연 치와 측정치의 차이를 최소화하게 하는 α-β 파라미터 값을 계산하여 상기 제어부(320)로 제공한다.

상술한 블록 구성에서, 상기 제어부(320)는 상기 위성항법신호 오차보정부(340)의 기능을 수행할 수 있다. 본 발명에서 이를 별도로 구성하여 도시한 것은 각 기능들을 구별하여 설명하기 위함이다.

따라서 실제로 제품을 구현하는 경우에 상기 위성항법신호 오차보정부(340)의 기능 모두를 상기 제어부(320)에서 처리하도록 구성할 수도 있으며, 상기 기능 중 일부만을 상기 제어부(320)에서 처리하도록 구성할 수도 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명은 해당 지역에 설치된 특정 장치의 전리층 지연측정기와 전리층 지연계산기를 이용하여 그 지역에 최적화된 α-β 파라미터를 계산하고 방송하여 전리층 보정 능력을 향상시키게 할 수 있다.

그리고, 전리층 보정 시에 α-β 파라미터를 사용하여 전송에 필요한 데이터 양을 줄일 수 있고 다른 하드웨어 및 소프트웨어적인 추가 기능 없이 전리층 보정 효과를 최대화할 수 있다. 최적화된 α-β 파라미터 값은 매 초 수신되는 DGPS 정보보다 더 오랜시간 동안 유효하므로 이는 전송 주기도 더욱 길게 할 수 있는 이점이 있다.

Claims

위성항법 신호를 보정하는 장치에 있어서,

위성항법 신호를 수신하고 다른 노드와 통신하기 위한 통신 모듈과,

상기 위성항법 신호에서 전리층 지연 값을 계산하고 전리층 지연 값을 측정한 후, 상기 전리층 지연 계산 값과 상기 전리층 지연 측정 값의 차이를 구하고, 상기 차이 값을 최소화하게 하는 소정 값을 구한 후, 상기 통신 모듈을 통해 위성항법장치로 전송하는 위성 오차 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서,

상기 위성 오차 보정부는,

상기 통신 모듈을 통해 수신한 위성항법신호에서 전리층 지연 값을 계산하는 전리층 지연 계산부와,

상기 통신 모듈을 통해 수신한 위성항법신호에서 전리층 지연 값을 측정하는 전리층 측정 계산부와,

상기 전리층 지연 값과 상기 전리층 측정 값을 제공받아 두 값의 차이를 계산하는 비용 함수부와,

상기 두 값이 차이가 최소가 되는 소정 값을 계산하는 최적화 부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 2항에 있어서,

상기 비용 함수부는 하기 <수학식 2>와 상기 전리층 계산 벡터와 상기 전리층 측정 벡터를 이용하여 상기 전리층 계산 값과 상기 전리층 측정 값의 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.

여기서, z_c 는 전리츨 계산 벡터이고_,z_m 는 전리층 측정 벡터이다.
제 2항에 있어서,

상기 두 값이 차이가 최소가 되는 소정 값은 상기 전리층 계산 값과 상기 전리층 측정 값의 차이가 최소가 되는 α-β 파라미터 값인 것을 특징으로 하는 장치.
위성항법 신호를 보정하는 방법에 있어서,

위성항법 신호를 수신하는 과정과,

상기 위성항법 신호에서 전리층 지연 값을 계산하는 과정과,

상기 위성항법 신호에서 전리층 지연 값을 측정하는 과정과,

상기 전리층 지연 계산 값과 상기 전리층 지연 측정 값의 차이를 계산하는 과정과,

상기 차이 값을 최소화하게 하는 소정 값을 구하는 과정과,

상기 소정 값을 위성항법장치로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 5항에 있어서,

상기 전리층 지연 계산 값과 상기 전리층 지연 측정 값의 차이를 계산하는 과정은,

하기 <수학식 3>과 상기 전리층 계산 값과 상기 전리층 측정 값을 이용하여 상기 전리층 계산 값과 상기 전리층 측정 값의 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, z_c 는 전리츨 계산 벡터이고_,z_m 는 전리층 측정 벡터이다.
제 5항에 있어서,

상기 두 값이 차이가 최소가 되는 소정 값은 상기 전리층 계산 값과 상기 전리층 측정 값의 차이가 최소가 되는 α-β 파라미터 값인 것을 특징으로 하는 방법.
위성항법 신호를 보정하는 시스템에 있어서,

위성항법 신호를 전송하는 다수의 위성들과,

상기 위성항법 신호를 수신하여 전리층 지연 값을 계산하고 전리층 지연 값을 측정 한 후, 상기 전리층 지연 계산 값과 상기 전리층 지연 측정 값의 차이를 구하고, 상기 차이 값을 최소화하게 하는 소정 값을 구한 후 전송하는 위성항법 신호 보정장치와,

상기 위성항법 신호 보정장치가 전송한 상기 소정 값과 상기 위성항법 신호를 수신하여 현재 위치를 판단하는 위성항법장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 8항에 있어서,

상기 위성항법 신호 보정장치는 하기 <수학식 4>와 상기 전리층 계산 값과 상기 전리층 측정 값을 이용하여 상기 전리층 계산 값과 상기 전리층 측정 값의 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 시스템.

여기서, z_c 는 전리츨 계산 벡터이고_,z_m 는 전리층 측정 벡터이다.
제 8항에 있어서,

상기 두 값이 차이가 최소가 되는 소정 값은 상기 전리층 계산 값과 상기 전리층 측정 값의 차이가 최소가 되는 α-β 파라미터 값인 것을 특징으로 하는 시스템.