KR20110044906A - 하이브리드 ｇｎｓｓ 및 ｔｄｏａ 무선 위치 확인 시스템 - Google Patents

하이브리드 ｇｎｓｓ 및 ｔｄｏａ 무선 위치 확인 시스템 Download PDF

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Abstract

GPS(Global Positioning System) 수신기 및 지상-기반 상향링크 도착 시간차(UTDOA) 수신기 둘다로부터의 측정치를 이용하는 위치 결정 방법 및 장치가 제공된다. 이 방법은 UTDOA 기준국과 관련하여 비슷한 교차-상관 계수 및 도착 시간차를 계산함으로써 하향 링크 위성 측정치를 등가의 UTDOA 측정치로 변환하는 것을 포함한다. 이 방법은 가중 동작을 포함하고, 그로써 UTDOA 측정치의 상대 가중치 및 GPS 측정치의 상대 가중치가 이론적인 스케일링 및 그에 뒤이은 경험적 조정에 기초하여 조정된다. 이 방법은 후보 위치 해와 UTDOA 및 GPS 측정치 사이의 가중 오차를 최소화하는 데 이용되는 메트릭을 효율적으로 계산하여 결합하는 것을 더 포함한다. 이것은 최적의 위치 해에 도달함에 따라 검색 동작의 복잡도를 증가시킴으로써 UTDOA에 대해서는 2차원으로 그리고 GPS 측정치에 대해서는 3차원으로 효율적으로 행해진다.

Description

하이브리드 ＧＮＳＳ 및 ＴＤＯＡ 무선 위치 확인 시스템{HYBRID GNSS AND TDOA WIRELESS LOCATION SYSTEM}
<상호 참조>
이 출원은 2008년 8월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/192,067호에 기초하여 우선권을 주장하며, 이 출원의 내용은 전체적으로 본 명세서에 참조되어 포함된다.
본 발명은 일반적으로 아날로그 또는 디지털 셀룰러 시스템, PCS(personal communications system), ESMR(enhanced specialized mobile radio), 및 기타 유형의 무선 통신 시스템에서 이용되는 것과 같은 이동국(MS)이라고도 하는 무선 장치의 위치를 확인하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 네트워크-기반 무선 위치 확인 시스템 내에서 GNSS(Global Navigation Satellite System) 수신기를 포함하는 무선 장치에 대한 무선 위치 확인의 정확도 및 수율을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
U-TDOA 위치 확인 시스템(및 기타 위치 확인 시스템)의 위치 확인 성능이 보통 하나 이상의 원형 오차 확률로서 표현된다. Enhanced 9-1-1 Phase II 의무 규정의 일부인 미국 FCC(Federal Communications Commission)는 U-TDOA와 같은 네트워크-기반 시스템이 응급 서비스 호출자의 67%에 대해 100 미터(즉, 328.1 피트)의 정확도를 발생하고 응급 서비스 호출자의 95%에 대해 300 미터(즉, 984.25 피트)의 정확도를 발생하는 정밀도를 산출하도록 배포되어야 할 것을 요구하고 있다.
1998년에 처음으로 상업적으로 배포되고 나서, 오버레이 네트워크-기반 무선 위치 확인 시스템은 널리 배포되어 응급 서비스 위치 확인을 비롯한 위치-기반 서비스를 지원해왔다. 이동 기기 이용이 증가함에 따라, Enhanced 9-1-1에 대한 상업적 위치-기반 서비스 및 동등한 유선 서비스 둘다에 대한 높은 정확도 및 높은 수율의 무선 위치 확인의 필요성이 증가하고 있다.
높은 정확도 및 높은 수율의 무선 위치 확인 시스템의 필요성의 예는 2007년 11월 20일자로 발표된 FCC(Federal Communications Commission)의 07-166 보고서에서 찾아볼 수 있다. 07-166 명령은 최초 시한을 2010년 9월 11일로 설정하였으며, 이 때까지 모든 무선 통신사업자는 자신들이 서비스하는 PSAP(Public Safety Answering Point)의 적어도 75% 이내에서 완전한 E911 위치 확인 정확도 준수를 나타내야 하고 자신들의 PSAP 서비스 영역 모두에서 위치 확인 정확도 요구사항의 50% 이내에서 준수를 나타내야 한다. 이 명령은 처음에 통신사업자에게 2012년 9월 11일까지 자신들이 서비스하는 모든 PSAP에서 완전한 준수를 달성할 것을 요구하였다.
무선 통신사업자가 완전한 PSAP-수준 준수 쪽으로 나아가도록 하기 위해, FCC는, 통신사업자가 2012년에 완전한 PSAP-수준 준수를 나타낼 때까지, 2008년 9월 11일까지 통신사업자가 자신들의 서비스하는 각각의 경제 지역 내에서 및 점차적으로 더 작은 지리적 영역[2010년 9월 11일까지 대도시 통계 지역(Metropolitan Statistical Area) 및 지방 서비스 영역(Rural Service Area)을 포함함] 내에서 위치 확인 정확도 준수를 달성할 것을 요구하는 일련의 중간 기준을 제정하였다. 무선 통신사업자는 2년마다(2009년 9월 11일 및 2011년 9월 11일까지) 완전한 PSAP-수준 준수의 달성을 향한 진행 상황을 기술하는 진행 상황 보고서를 FCC에 제출해야만 한다. 준수는 FCC OET(Office of Engineering and Technology) Bulletin No. 71 가이드라인에 상세히 기술된 테스트에 기초할 것으로 예상되었지만, FCC는 07-116 보고서 및 명령에서 FCC가 장래에 부가의 테스트 보고 요구사항을 정의할 수 있다고 선언하였다.
FCC 07-166 보고서 및 명령은 미국 항소 법원(U.S. Court of Appeals for the District of Columbia Circuit)에 의해 유지되었으며, 제안된 타임라인 및 시한이 위기에 처해 있지만, FCC가 무선 통신사업자의 E911 시스템에 대한 보다 엄격한 요구사항을 시행하겠다는 의도는 명백하였다.
공공 안전 종사자들이 무선 전화로 응급 지원을 요청한 사람의 위치를 더 잘 찾아낼 수 있게 해주어야만 하는 새로운 표준을 제정하겠다고 FCC가 발표한 목표는 변하지 않았다.
FCC가 PSAP-수준 위치 확인 정확도(및 수율) 의무 규정으로 나아감에 따라, 서로 다른 위치 확인 기술들을 결합하는 방법이 필요하게 된다. 본 발명은 통신 및 위치 확인 기술의 분야에 속한다. 본 발명은 정확도 향상을 달성하기 위해 GPS 및 UTDOA의 상보적인 기술을 결합하는 수단을 제공한다.
GNSS 수신기[GNSS 시스템의 예는 미국의 NAVSTAR GPS(Global Positioning System) 및 러시아 연방의 GLONASS 시스템을 포함한다. GNSS 시스템의 다른 예는 유럽 연합이 제안한 Galileo 시스템 및 중국이 제안한 북두 위성 항법 및 위치 확인 시스템(Beidou Satellite Navigation and Positioning System)을 포함한다]는 일반적으로 아주 정확한 의사 거리 측정치를 생성하지만, 도심 환경에서는 위성 서비스 범위가 엄격하게 제한될 수 있다. 도심 환경에서, UTDOA는 더 나은 서비스 범위 및 더 많은 측정치를 가지는 이점이 있지만, 일반적으로 덜 정확한 개별적인 TDOA 측정치를 제공한다. 양쪽 시스템에 대해 성긴 서비스 범위가 있을 때, 어느 시스템도 독립적으로 위치 확인 해결책을 제공할 수 없지만, 함께 이용될 때에는, 정확한 위치 추정이 실현가능하게 된다.
GPS 및 UTDOA 네트워크 둘다로부터의 측정치를 효율적으로 이용하여 이동국(MS)의 위치를 찾아내는 방법 및 시스템이 제공된다. GPS에서의 하향링크 의사 거리 측정치는 U-TDOA로 변환되고 다른 측정치와 결합된다. 위성은 의사 거리 측정 시에 위성 위치에 기초하여 안테나 높이가 아주 높은 송신탑으로서 취급된다.
본 명세서에 기술된 본 발명의 기술 및 개념은 모든 GNSS(Global Navigation Satellite System)와 널리 이용되는 IS-136(TDMA), GSM, OFDM, 및 SC-FDMA을 비롯한 시간 및 주파수 분할 다중(TDMA/FDMA) 무선 통신 시스템은 물론, CDMA(IS-95, IS-2000) 및 UTMS(Universal Mobile Telecommunications System)(W-CDMA라고도 함)와 같은 부호-분할 무선 통신 시스템에 적용된다. GSM(Global System for Mobile Communications) 모델 및 미국의 NAVSTAR GPS(Global Positioning System)(이하에 기술됨)은 본 발명이 이용될 수 있는 배타적이 아닌 예시적인 환경이다.
<참고 문헌>
이하의 참고 문헌은 본 명세서에 기술된 발명 대상에 관한 부가의 배경 지식을 위해 참조될 수 있다:
[1] B. W. Parkinson, J. J. Spilker, P. Axelrad, and P. Enge, "GPS Navigation Algorithms,” in Global Positioning Systems : Theory and Applications Volume 1, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. Washington, DC, 1996.
[2] A. Leick, GPS Satellite Survey, 2nd Ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, 1995.
[3] R. Thompson, J. Moran and G. Swenson, Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy, John Wiley and Sons, 1986.
[4] R. McDonough, A. Whalen, Detection of Signals in Noise, 2nd Ed., Academic Press., San Diego, CA, 1995.
[5] W. Venables and B. Ripley, Modern Applied Statistics with S- PLUS, Springer- Verlag, 1997.
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[7] J. Cho의 "Hybrid navigation system using neural network"(미국 특허 제6,919,842호, 2005년 7월 19일).
[8] Soliman 등의 "Method and apparatus for determining the location of a remote station in a CDMA communication network"(미국 특허 제6,188,354호, 2001년 2월 13일).
[9] 미국 특허 제5,327,144호(Stilp 등)
[10] 미국 특허 제5,608,410호(Stilp 등)
[10] 미국 특허 출원 제10/748367호(Maloney 등)
[12] 미국 특허 제4,445,118호(Taylor 등)
무선 위치 확인의 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 측정된 TDOA 값은 무선 송신기의 지리적 위치를 결정하는 데 이용될 수 있다. 본 발명에서, 2개의 상이한 기술에 대한 측정 기선의 정확한 결합을 달성하기 위해 주어진 UTDOA 측정치 집합에 대해 GPS 의사 거리의 변환이 수행된다. 그 다음에, GPS 기선의 초기 가중치가 측정 데이터의 함수로서 구해지고, 이어서 GPS 및 UTDOA 가중치의 상대 스케일링을 최적화하는 미세 조정이 있게 된다. 이어서, 검색 및 가중치 하향 조정(downweighting)의 반복 프로세스가 수행된다. 검색 프로세스는 각각의 유형의 측정치에 대한 독립적인 바이어스에 대해 푸는 것을 포함하는 양쪽 유형의 측정치의 결합을 필요로 한다. 검색 프로세스는 또한 UTDOA가 아니라 GPS에 필요한 수직(Z) 차원의 계산을 포함한다. 이어서, 이전의 해결책을 개선하기 위해 서로 다른 가중치 하향 조정 동작이 수행된다. 마지막으로, GDOP(Geometric Dilution of Precision) 계산 및 잔차 계산으로부터의 결과는 최종적인 위치 확인 해를 제공하는 종료 조건에 대한 입력을 제공한다.
이상의 요약은 물론 이하의 상세한 설명이 첨부 도면과 관련하여 읽어보면 더 잘 이해된다. 발명을 설명하기 위해, 도면에 발명의 예시적인 구성이 도시되어 있으며, 발명이 개시된 구체적인 방법 및 수단으로 제한되지 않는다.
도 1은 하이브리드 GPS/UTDOA 네트워크를 나타낸 도면이다.
도 2는 하이브리드 GPS/UTDOA 프로세스의 주요 처리 단계를 나타낸 도면이다.
도 3은 GPS로부터 UTDOA로의 변환을 나타낸 도면이다.
도 4는 GPS로부터 UTDOA로의 변환의 흐름도이다.
도 5는 기선 가중치의 하이브리드 GPS/UTDOA 스케일링을 나타낸 도면이다.
도 6은 GPS 및 UTDOA 가중치의 경험적 스케일링의 예시적인 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 검색 프로세스의 흐름도이다.
도 8은 초기 수직 위치 결정을 나타낸 도면이다.
도 9는 카이-제곱(chi-square) 메트릭에 대한 예시적인 z-의존관계를 나타낸 도면이다.
도 10은 z-차원의 함수로서의 카이-제곱 계산에서의 불확실성을 나타낸 도면이다.
도 11은 상세 z 검색의 흐름도이다.
도 12는 GPS 가중치 하향 조정 프로세스의 흐름도이다.
도 13은 바이어스의 예를 나타낸 도면이다.
이제부터 본 발명의 예시적인 실시에에 대해 설명할 것이다. 먼저, 문제점의 상세한 개요를 제공하고, 이어서 우리의 해결책에 대한 보다 상세한 설명을 제공한다.
도 1은 U-TDOA, A-GPS 하이브리드 무선 위치 확인 시스템을 나타낸 것이다. 편의상, 무선 위치 확인 시스템의 동작 구성요소만이 도시되어 있으며, 위치-기반 서비스에 통상적인 관리, 회계, 액세스 제어, 및 권한 부여 서비스를 처리하는 미들웨어 서버[예는 MPC(Mobile Positioning Center) 또는 GMLC(Global Mobile Positioning System)를 포함함]와 같은 구성요소는 도시되어 있지 않다.
도 1에서, GNSS 성상은 모바일 장치(102)의 GNSS 수신기 서브시스템이 측지 또는 타원체 고도(geodetic or ellipsoidal altitude)의 추정치로 잠재적으로 지표면(105) 상의 어디에서라도 자신의 위치를 확인할 수 있게 하는 사전-설정된 형식으로 된 알마낙 데이터(Almanac Data) 및 에피메리스 데이터(Ephemeris Data)를 포함하는 무선 데이터 스트림(107)을 전송하는 2개의 위성(101)으로 표현된다. 알마낙 데이터 및 에피메리스 데이터를 포함하는 무선 전송(107)은 또한 기준 수신기(103) 및 U-TDOA의 협동 수신기(104)에 의해 수신된다.
지리적으로 분산된 수신기(103, 104), PDE(Position Determining Entity)(106) 및 연관된 데이터 네트워킹(109)으로 이루어진 U-TDOA 무선 위치 확인 네트워크는 모바일 장치(102), 상향링크 전송(108) 및 GNSS 성상(101) 무선 전송(107)에 의해 제공되는 하나의 시간축(time base)을 이용하여 기준 수신기(103)와 하나 이상의 협동 수신기(104) 간의 도착 시간차를 검출한다. 이어서, 위치 추정치가 쌍곡선 위치 결정(hyperbolic positioning)이라고도 하는 멀티-래터레이션(Multi-lateration)을 이용하여 계산된다.
GPS 의사 거리의 UTDOA 로의 변환:
UTDOA 기준국과 MS에서의 측정 지점 간의 도착 시간차를 계산하기 위해 의사 거리가 UTDOA 기준국(reference station)까지의 기하학적 거리와 비교된다. 이것이, UTDOA 측정치의 성분과 함께, 도 3에 나타내어져 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 위성(301) 위치가 알려져 있다:(X1, Y1, Z1). 위성(301) 전송이 위성 전송 경로(303)를 통해 모바일 장치(102)에서 수신되고 위성 전송 경로(302)를 통해 기준 수신기(103)에 수신된다. 모바일 장치(102)에서 수신된 위성 신호와 기준 수신기(103)에서 수신된 위성 신호 간의 도착 시간차가 GPS TDOA(GTDOA)에 대한 변환된 도착 시간차이다. 지상 무선 경로(305)를 통한 협동 수신기(104)와 지상 무선 경로(304)를 통한 기준 수신기(103) 간의 도착 시간차는 UTDOA 기술에 있어서 통상적인 측정된 UTDOA이다.
UTDOA 측정치는 협동 기지국과 기준 기지국에서의 이동 기기 신호의 도착 시간차를 나타낸다. UTDOA 측정치의 경우, MS 위치는 모르고 있고, 기준 기지국 및 협동 기지국 위치는 알고 있다. 계산된 GTDOA의 경우, MS의 역할이 변경된다. MS는 사실상 기지의 위치를 가지는 위성으로부터 수신하는 미지의 위치를 가지는 협동자이다. MS의 역할이 변경되고, 송신기에서 미지의 위치를 갖고 협동자에서 기지의 위치를 가지는 대신에, UTDOA에서와 같이, 미지의 위치가 협동자(MS)에서이고, 기지의 위치가 송신기(위성)에서이다. 기준 타워는 UTDOA 및 GTDOA 둘다에 대해 동일한 기준으로서 역할한다. GPS의 경우, 기준 타워와 위성 간의 LOS(Line of Sight) 전파 지연이 직접 계산될 수 있는데, 그 이유는 기준 타워 위치가 알려져 있고 위성 위치가 계산될 수 있기 때문이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하이브리드 GPS/UTDOA 프로세스의 주요 처리 단계는 프로세스(201)에 들어가는 것을 포함한다. 이어서, GPS 측정치가 모바일 장치와 GPS/GNSS 위성(101) 간의 TDOA 거리 또는 기선으로 변환(202)된다. 이어서, PDE(106)는 하이브리드 GPS/U-TDOA 기선에 대한 가중치를 계산한다. 그 다음에, 프로세스는 반복적으로 되고, 종료 조건이 충족(208)될 때까지 가중 반복 루프를 돈다(204). 반복 루프 내에서, 현재의 기선 가중을 이용하여 하이브리드 위치 추정치가 결정(205)되고, 이어서 U-TDOA 기선에 대해(206) 및 GPS 기선(207)에 대해 가중치 하향 조정 동작이 수행된다. 사전 설정된 종료 조건이 충족(208)될 때까지 반복 루프(204)가 계속된다. 반복 횟수가 소정의 최대값을 초과할 때 또는 GDOP가 소정의 임계값을 초과하기 시작할 때 종료 조건이 일어난다. 전자의 조건이 충족될 때, 마지막 위치 해가 반환된 해이다. 후자의 조건이 충족될 때, 이전의 반복으로부터의 위치 해가 반환된 해이다. 하이브리드 GPS/UTDOA 프로세스는 이어서 종료(209)되고, 하이브리드 위치 추정치가 얻어진다.
GPS 파라미터를 TDOA로 변환하는 절차가 도 4에 나타내어져 있다. 이 절차에 들어가면(401), TDOA 기준 타워가 식별(402)되고 이어서 각각의 위성에 대해(403) TDOA가 계산된다. 각각의 위성에 대해(403), 위성의 위치가 구해지고, 의사 거리가 기하학적 거리를 반영(405)하도록 의사 거리에 대해 [1]에서의 표준 보정(404)이 행해진다. 이어서, 위성과 기준 타워 간의 전파 지연이 계산(406)된다. 이어서, 보정된 의사 거리를 광속으로 나눔으로써 위성과 MS 간의 측정된 전파 시간이 계산(407)된다. 유의할 점은, 나중에 기술하는 바와 같이 제거되어야만 하는 이 전파 지연에 여전히 수신기 클록 오차 바이어스(error bias)가 있다는 점이다. 위성으로부터 MS까지의 전파 지연과 위성으로부터 기준 타워까지의 전파 지연 간의 차이로서 GPS TDOA가 계산(408)된다.
이어서, MS에서의 수신된 PRN(pseudorandom noise)과 기준 타워에서의 PRN의 가상적 수신 사이의 교차 상관에 대한 상관 계수가 계산(409)된다. 기준 타워에서의 SNR(signal-to-noise ratio)이 MS(협동자로서 역할함)에서의 SNR에 대해 큰 경우, MS에서의 SNR과 i번째 의사 거리 측정치 [3]에 대한 상관 계수 간에 이하의 관계가 존재한다.
Figure pct00001
협동자(MS)에서의 SNR이 알려져 있을 때, 이 방정식이 재정렬되고, GPS TDOA에 대한 상관 계수는 다음과 같다:
Figure pct00002
이것은 UTDOA 협동자와 기준 신호 측정치를 교차 상관시키는 것과 비슷한 의사 거리 측정의 품질 척도를 제공한다.
이어서, 모든 위성이 처리될 때까지(410) 모바일 장치가 수신하는 각각의 위성에 대해 이 절차는 루프를 돈다. 이어서, 이 절차가 종료(411)하고, 반환한다.
가중 절차:
GPS 수신기에 의해 보고되는 SNR에 기초하여 의사 거리 측정치가 가중된다. 상이한 기술에 대해 GPS 및 UTDOA에 대한 가중 동작이 수행되기 때문에, 얻어지는 RMS 오차 추정치의 차이가 예상된다. 그에 따라, UTDOA 및 GPS에 대한 측정치 오차 분포, 이용가능한 GPS 측정치의 수, 및 이용가능한 UTDOA 측정치의 수를 포함하는 인자들에 기초하여 GPS 및 UTDOA 가중치가 스케일링된다.
도 5는 가중 절차를 나타낸 것이다. 절차에 들어가면(501), 절차는 먼저 Cramer Rao 경계 [4]로부터의 RMS 오차(502)에 기초하여 초기 가중치를 계산한다. AWGN(Additive White Gaussian Noise)에서의 TDOA RMS 오차에 대한 하한은
Figure pct00003
이며, 여기서 B는 신호 대역폭이고, T는 코히런트 적분 길이(coherent integration length)이다. 대역폭 및 적분 길이는 UTDOA 검출을 위한 무선 인터페이스에 고유한 것이다. UTDOA 측정치에 대한 무선 인터페이스 파라미터 및 GPS SNR을 이용하여 수학식 3으로부터 각각의 GPS 기선에 대해 무선 인터페이스에 기초한 이론적인 TDOA RMS 오차
Figure pct00004
가 계산(503)된다.
다중 경로 효과를 고려하기 위해 UTDOA RMS 오차 추정치가 향상될 수 있다. 예를 들어, GSM 무선 인터페이스에서 i번째 기선에 대한 다중 경로로 인한 UTDOA 오차의 표준 편차는 다음과 같이 계산되고,
Figure pct00005
여기서 KM은 경험적으로 결정되고,
Figure pct00006
는 보다 급격한 드롭 오프가 요망되는 지점이다. WCDMA 또는 CDMA2000 등의 다른 무선 인터페이스에 대해 유사한 항이 계산될 수 있다.
가중치는 1/(잡음 및 다중 경로로부터의 기여분의 제곱)이며, 이는 다음과 같은 무선 인터페이스에 대한 이론적 가중치를 제공한다:
Figure pct00007
그 다음에, 이 이론적 가중치가 측정 데이터를 이용하여 스케일링(504)된다. GPS 전용 기선 측정 오차의 데이터베이스(505) 및 UTDOA 전용 측정 오차 데이터베이스(506)는 많은 수의 과거의 GPS 및 UTDOA 위치로부터 컴파일되었다. 이들 데이터베이스 각각에 걸쳐 평균된 RMS 오차의 비는 개략 스케일링 인자 Sc를 수학식 6으로서 제공하고,
Figure pct00008
여기서 GTDOArms는 측정된 GPS RMS 오차이고, UTDOArms는 측정된 UTDOA RMS 오차이다. 이 비는 오프라인에서 계산된 상수이다. 그러면, 각각의 GPS 기선에 대한 초기 가중치는 수학식 7과 같이 개략 스케일링 인자와 이론적인 GPS TDOA로부터의 가중치의 곱이다.
Figure pct00009
하이브리드 GPS/UTDOA 측정치를 이용하여 미세 스케일 인자 Sf가 계산(507)될 수 있다. 마지막 측정 가중치는 다음과 같고,
Figure pct00010
여기서 S = SfSc이다. 하이브리드 위치 측정치의 데이터베이스(508)에 대해 하이브리드 해의 S에 대한 감도가 오프라인으로 계산될 수 있다.
이어서, 가중 절차가 종료(509)되고, 하이브리드 기법에 대한 최소 위치 오차를 제공하는 가중 인자를 반환한다.
예시적인 그래프가 도 6에 도시되어 있으며, 여기서 위치 오차의 67번째 백분위수가 S(단위: 데시벨)의 함수로서 나타내어져 있다. 이 예에서, 30개의 UTDOA 기선이 있으며, GPS 기선의 수가 변화된다. 도 6의 좌단은 UTDOA-전용 해에 대응하고, 우단은 GPS-전용 해에 대응한다. 이들 극단 사이의 하이브리드 해는 이들 기술 중 단지 하나만을 이용하는 것에 비해 양호한 개선을 보여준다. 이 예에서, 최적의 스케일링이 GPS 기선의 수에 따라 40 - 80 dB의 범위에 있음이 명백하다. 이 계산은 측정 데이터가 이용가능할 때 오프라인으로 수행된다. 최적의 값이 추가의 개선을 달성하기 위해 S에 대한 2차원 탐색 테이블을 이용하는 것을 나타낼 수 있는 GPS 기선의 수 및 UTDOA 기선의 수 둘다의 함수로서 약간 변할 수 있다. 계산 시간을 줄이기 위해 상세 검색의 시작점으로서 개략 검색이 이용될 수 있다. 이 예에서, 개략 스케일링 인자는 Sc_dB = 101og10 (283/1.2)2 = 47 dB이고, 이는 최소 오차를 제공하는 스케일 인자의 추정치보다 약간 아래이다.
하이브리드 WLS ( weighted least squares ) 알고리즘:
GPS 및 UTDOA 기여분에서 바이어스에 대한 분석해를 적용하는 하이브리드 WLS 알고리즘이 이용된다. GPS 기여분에 대해, 상기 변환 및 가중이 수행되고 의사 거리 측정치로부터 획득된 계산된 GPS UTDOA 값과 결합된다. GPS 기선에 대한 3차원 검색을 수행하는 것도 필요하다.
도 7a는 검색 프로세스를 나타낸 것이며, 가중 최소 제곱 계산을 호출한다. 이 절차가 시작(701)되면, TDOA 기준 타워가 식별(702)되었어야만 하는데, 그 이유는 다양한 테스트 MS 위치를 가정하여 TDOA 값을 계산해야 하기 때문이다. 종료 조건이 만족될 때까지 해상도를 증가시키면서 검색이 수행된다. 각각의 테스트 위치에 대해 카이-제곱 메트릭이 계산되고 합산된다. UTDOA 검색이 평소와 같이 2차원으로 수행된다. z-검색 기준에 의해 보장되는 증가된 정밀도로 GPS 기선에 대한 z-검색이 수행된다.
결합된 카이-제곱 메트릭의 계산은 이제 GPS 및 UTDOA에 대한 개별적인 바이어스 값을 포함한다. 일반적으로, 카이-제곱 메트릭이 다음과 같이 계산되고
Figure pct00011
여기서,
TDOAi는 기준 장소로부터 i번째 장소까지의 TDOA이다.
Figure pct00012
는 현재의 MS 위치로부터 i번째 장소까지의 LOS 이동 시간이고,
N은 기선의 수이며,
B는 바이어스 항이다[바이어스는 모든 기선에 대해 상수이며 따라서 제외될 수 있음].
B에 대한 수학식 9의 도함수를 0으로 하고 B에 대해 풀면 수학식 10과 같이 바이어스에 대한 최소 해가 구해진다.
Figure pct00013
수학식 10을 수학식 9에 대입하면 수학식 11과 같이 바이어스 보정된 카이-제곱 메트릭이 얻어진다.
Figure pct00014
바이어스 항은 모든 수신된 신호에 대해 일정한 무선 신호의 실제 TOF(time of flight)에 대한 가산을 포함하고 따라서 완화될 수 있다. 바이어스의 예는 GPS에 대해 클 수 있고 모든 수신된 GPS 신호에 적용되는 수신기 클록 오차이다. 수학식 10에서 바이어스를 최소로 하면 수학식 11에서의 클록 오차 의존관계가 제거된다. 결합된 카이-제곱 메트릭은 수학식 12와 같이 상이한 기술에 대한 개별적인 카이-제곱 메트릭의 합으로서 수학식 11로부터 얻어지며,
Figure pct00015
여기서,
Figure pct00016
이고,
NG는 GPS 기선의 수이며,
NU는 UTDOA 기선의 수이고,
GTDOAi는 i번째 기선에 대한 변환된 GPS 의사 거리 측정치이며,
UTDOAi는 i번째 기선에 대한 UTDOA 측정치이고,
WGi는 GPS 기선 가중치이며,
WUi는 UTDOA 기선 가중치이고,
Figure pct00017
이고,
Figure pct00018
이다.
각각의 맵 분해능에 대해, 수학식 12를 최소화하는 위치가 저장된다. 각각의 연속적인 분해능에 대해, 검색 영역의 중심이 이전의 최소값에 있다. 최소값 위치가 맵의 가장자리에 있는 경우, 분해능이 증가되지 않고 검색 영역이 천이된다. 소정의 최고 분해능에서 최소값이 발견될 때 검색 프로세스가 종료된다.
Z-검색 기법:
UTDOA를 위해서가 아니라 정확한 GPS 해를 위해 고도 위치 추정이 필요하기 때문에, GPS 측정치를 효율적으로 이용하기 위해 빠른 검색 알고리즘이 이용된다. 이것은 초기 추정, 개략 검색, 상세 검색 및 조정 기준의 이용을 포함한다.
도 8은 z 위치의 초기 추정을 나타낸 것이다. 동 도면은 2차원 평면(801)에 대한 지표면(105)의 투영의 중심에 기준 타워(103)의 위치를 나타내고 있다. UTDOA 좌표계에서, 기준 기지국 고도는 Z=0를 정의한다. 지구의 곡률(105)을 고려할 때, UTDOA 좌표계와 관련하여 z-차원에서의 초기 검색 위치가 구해질 수 있다. 개략 검색은 동 도면에 도시된 바와 같이 전형적인 높이의 지상 고도(803)에 있는 모바일 장치(102)의 위치인 초기 Z 추정지 Zo(802)를 계산하고 이용하는 것을 포함한다.
도 9는 Z-위치에 대한 카이-제곱 메트릭의 의존관계를 나타낸 것이다. 여기서, 명백하게도 이 그래프의 최소값에서 Z-값을 구하는 것이 바람직하다. 측정치 불확실성으로 인해, 평탄한 곡선이 보장되지 않는다. 도 10은 도 9를 확대하여 Z 의존관계에서의 랜덤성을 나타낸 것이다.
계산 속도와 Z 추정치의 정확도 간의 트레이드오프가 필요하다. 도 7b에는, Z 검색의 초기화(707, 708, 709) 및 개략 검색(711) 또는 상세 검색(712)을 선택하는 결정(710)에 대한 논리가 나타내어져 있다. 개략 검색 기준은 소정의 분해능 임계값 미만인 분해능에 대해 개략 검색을 선택하는 것으로 이루어져 있다. 분해능 임계값에 도달되면, 상세 검색이 수행된다. 초기 Z 값 Zint으로부터 검색이 시작된다. 검색은 선택적으로 초기 Z 추정치 Zo를 계산할 수 있다. 이 계산은 Zint를 소정의 비정의된 값으로 설정(709)함으로써 지정된다. 테스트 위치가 검색 영역의 가장자리에 있을 때 초기 시작점은 또한 Zo로서 계산될 것이다(709). 상세 검색이 선택되고 검색의 시작이 검색 영역의 가장자리에서가 아닐 때, 이전의 검색으로부터의 z-성분이 현재의 Z 검색에 대한 시작점으로서 이용된다(708).
도 11a 및 도 11b는 상세 Z 검색이 어떻게 수행되는지를 나타낸다. 상세 Z 검색 절차가 시작(1101)되면, 초기 검색 위치가 정의되지 않은 경우(1102), Zo가 계산되고 검색의 시작으로서 이용된다(1104). 그렇지 않은 경우, 전달된 초기 값이 시작으로서 이용된다(1103). 테스트 z 지점을 변경함으로써 검색이 상향 방향(z가 증가하는 방향)으로 수행되고(1105), 카이-제곱 메트릭을 계산하며(1106), 최소값을 저장한다(1107). 현재의 카이-제곱 메트릭보다 작은 Nup개의 연속적인 카이-제곱 값이 있을 때까지(1108) 상향 검색이 계속된다.
그 다음에, 도 11b에 나타낸 바와 같이 하향 검색이 수행된다. 검색 시작점이 Zint로 초기화된다(1109). 테스트 z 지점을 변경함으로써 검색이 하향 방향(z가 감소하는 방향)으로 수행되고(1110), 카이-제곱 메트릭을 계산하며(1111), 최소값을 저장한다(1112). 현재의 카이-제곱 값보다 작은 Ndown개의 연속적인 카이-제곱 값이 있을 때까지 하향 검색이 계속되고, 그 때 하향 검색이 종료된다(1113). 종료되면(1114), 상세 Z 검색은 모든 테스트 지점에 걸친 최소 카이-제곱 값을 반환한다.
반복적 가중치 하향 조정:
GPS 기선의 가중치 하향 조정이 반복적으로 수행된다. UTDOA 및 GPS의 효과적인 가중치 하향 조정은 이상점을 발생하는 메커니즘의 차이로 인해 서로 다르다. MAD(median absolute deviation) 연산 [5]이 GPS 기선에 적용되고 UTDOA에 대한 종래의 가중치 하향 조정 연산과 결합된다.
GPS 가중치 하향 조정 흐름도가 도 12에 도시되어 있다. 이하의 용어가 도 12에서 이용된다.
ㆍ Kd - 가중치 하향 조정에 대한 상수 스케일링
ㆍ Ma - 절대 편차의 메디안
ㆍ Nb - GPS 기선의 수
ㆍ Nmax - 가중치 하향 조정될 기선의 최대 수
ㆍ Sd - 가중치 하향 조정 스케일 인자
GPS 가중치 하향 조정 절차에 들어가면(1201), 각각의 기선에 대해 GPS 잔차
Figure pct00019
를 구하기 위해 현재의 위치 해가 이용된다(1202). 이어서, 메디안으로부터의 절대 편차(1204)와 함께, 메디안 잔차가 계산된다(1203). 이어서, 절대 편차의 메디안 Ma가 계산된다(1205).
기선이 가중치 하향 조정되어야 하는지 여부를 판정하기 위해 기선들에 걸쳐 절대 편차의 메디안 Ma가 루프(1206)에서 이용된다. 잔차 임계값이 Kd*Ma/Nb로서 정의되고, 여기서 Kd는 상수이고 Nb는 GPS 기선의 수이다(1207). 잔차가 이 임계값보다 크고 가중치 하향 조정된 기선의 수가 Nmax에 의해 주어지는 최대값 미만인 경우(1208), 기선이 스케일 인자 Sd만큼 가중치 하향 조정된다(1209). 모든 기선이 고려되었을 때(1210), 반복적인 가중치 하향 조정이 종료된다(1211).
도 13은 수신기에서 겪게 되는 바이어스를 설명하는 데 이용된다. 각각의 경우에, 분석가능하지 않은 다중-경로 성분(1302, 1305, 1307, 1309)의 수신에 의해 도착 시간차가 오염되고, 수신기 바이어스(1303)는 실제 TOF(time of flight)(1301, 1304, 1307, 1309)를 확인하는 수신기의 능력을 제한한다. 그러나, 바이어스가 일정한 값이기 때문에, 최종적인 위치 계산 이전에 바이어스가 제외될 수 있다.
결론
본 발명의 진정한 범위가 본 명세서에 개시된 현재 바람직한 실시예로 제한되지 않는다. 예를 들어, 하이브리드 무선 위치 확인 시스템의 현재 바람직한 실시예에 대한 이상의 개시 내용은 PDE(Position Determining Entity), GPS(Global Positioning System), MS(Mobile Station) 등의 설명적 용어를 이용하고 있으며, 이것이 이하의 청구항의 보호 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며 또한 무선 위치 확인 시스템의 발명 양태가 개시된 특정의 방법 및 장치로 제한되는 것을 암시하는 것으로 해석되어서도 안 된다.
게다가, 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 본 명세서에 개시된 발명 양태들 중 다수가 TDOA 기법에 기초하지 않은 위치 확인 시스템에서 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명이 상기한 바와 같이 구성된 PDE를 이용하는 시스템으로 제한되지 않는다. TDOA 수신기, PDE 등은, 본질적으로, 본 명세서에 기술된 발명 개념을 벗어나지 않고 다양한 형태를 취할 수 있는 프로그램가능 데이터 수집 및 처리 장치이다. 디지털 신호 처리 및 기타 처리 기능의 비용이 빠르게 저하됨에 따라, 예를 들어, 본 발명의 시스템 동작을 변경시키지 않고 본 명세서에 기술된 특정의 기능에 대한 처리를 하나의 기능 요소(PDE 등)로부터 다른 기능 요소(예컨대, BTS)로 쉽게 이전시킬 수 있다. 많은 경우에, 본 명세서에 기술된 구현의 장소(즉, 기능 요소)가 단지 설계자의 선호사항일 뿐이며 엄격한 요건은 아니다. 따라서, 명확하게 그렇게 제한될 수 있는 경우를 제외하고는, 이하의 청구항의 보호 범위가 상기한 특정의 실시예로 제한되는 것으로 보아서는 안 된다.

Claims (75)

  1. 모바일 장치의 위치 확인에 이용되는 방법으로서,
    (a) 모바일 장치에서, 하나 이상의 위성으로부터 수신되는 신호들에 기초하여 의사 거리 측정치들을 획득하는 단계 ― 상기 하나 이상의 위성은 GNSS(Global Navigation Satellite System) 또는 GPS(Global Positioning System) 중 적어도 하나의 위성임 ―;
    (b) GPS 의사 거리 측정치들에 기초하여 GPS 도착 시간차(G-TDOA) 값들을 계산하는 단계 ― 상기 G-TDOA 값들은 상기 모바일 장치와 상기 GPS/GNSS 위성들 사이의 기선들을 나타냄 ―;
    (c) 제1 지상 수신기와 제2 지상 수신기 사이의 제1 기선을 나타내는 상향링크 도착 시간차(U-TDOA) 측정치를 획득하는 단계;
    (d) 하이브리드 GPS/U-TDOA 기선들을 제공하는 단계;
    (e) 상기 하이브리드 GPS/U-TDOA 기선들에 대한 가중치들을 계산하는 단계; 및
    (f) 상기 하이브리드 GPS/U-TDOA 기선들 및 상기 가중치들을 이용하여 상기 모바일 장치의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가중치들을 계산하는 단계는 반복적 가중치 하향 조정법(downweighting method)을 포함하고, 상기 반복적 가중치 하향 조정법은 현재의 기선 가중치를 이용하여 하이브리드 위치 추정치를 결정하는 단계, 및 제1 또는 제2 미리 정해진 종료 조건이 만족될 때까지, U-TDOA 기선들 및 G-TDOA 기선들을 가중치 하향 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    반복 횟수가 미리 결정된 최대값을 초과할 때 상기 제1 종료 조건이 충족되는 것으로 간주되는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 종료 조건이 만족될 때 마지막 위치 해(solution)가 상기 모바일 장치의 위치의 추정치로서 이용되는 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    GDOP(geometric dilution of precision) 값을 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 GDOP가 미리 결정된 임계값을 초과할 때 상기 제2 종료 조건이 충족되는 것으로 간주되는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 종료 조건이 만족될 때 이전의 반복으로부터의 위치 해가 상기 모바일 장치의 위치의 추정치로서 이용되는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 U-TDOA 무선 위치 확인 네트워크 및 A-GPS(assisted-GPS) 네트워크를 포함하는 하이브리드 무선 위치 확인 시스템에서 수행되는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    GPS(Global Positioning System) 또는 GNSS(Global Navigation Satellite System) 중 적어도 하나의 위성으로부터의 무선 데이터 스트림들이 상기 모바일 장치, U-TDOA 위치 확인 서브시스템 내의 기준 수신기 및 적어도 하나의 협동 수신기에 의해 수신되고, 상기 데이터 스트림들은 사전 설정된 형식으로 된 알마낙(Almanac) 및 에피메리스(Ephemeris) 데이터를 포함하며, 상기 모바일 장치는 측지 또는 타원체 고도(geodetic or ellipsoidal altitude)의 추정치로 잠재적으로 자신의 위치를 확인할 수 있는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 U-TDOA 무선 위치 확인 네트워크는 지리적으로 분산된 수신기 및 PDE(Position Determining Entity)의 네트워크를 포함하고, 상기 모바일 장치로부터의 상향링크 전송들과 GPS(Global Positioning System) 또는 GNSS(Global Navigation Satellite System) 중 적어도 하나의 위성으로부터의 무선 전송들에 의해 제공되는 시간축(time base)을 이용하여 상기 기준 수신기와 적어도 2개의 협동 수신기 간의 도착 시간차를 검출하고, 멀티-래터레이션(multi-lateration) 알고리즘을 이용하여 위치 추정치를 계산하도록 구성되는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 G-TDOA 값들을 계산하는 단계는 GPS 의사 거리들을 U-TDOA 값들로 변환하는 프로세스를 이용하는 단계를 포함하고, 상기 프로세스는, GPS 의사 거리들을 상기 U-TDOA 무선 위치 확인 네트워크의 기준국까지의 기하학적 거리들과 비교하는 단계, 및 상기 모바일 장치 및 상기 기준국에서 각각 수신되는 위성 신호에 대한 TDOA 값을 계산하는 단계를 포함하며, 상기 위성과 상기 기준국의 위치들은 알려져 있고, 상기 계산된 TDOA 값이 상기 G-TDOA 값을 나타내는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    GPS 의사거리들을 U-TDOA 값들로 변환하는 상기 프로세스는 상기 기준국을 식별하는 단계 및 각각의 위성에 대해 TDOA 값들을 계산하는 단계를 더 포함하고, 상기 계산하는 단계는, 각각의 위성에 대해,
    ⅰ. 상기 위성의 위치를 찾아내고 상기 의사 거리들이 기하학적 거리들을 반영하도록 상기 의사 거리들을 보정하는 단계;
    ⅱ. 상기 위성과 상기 기준국 간의 전파 지연을 계산하는 단계;
    ⅲ. 상기 위성과 상기 모바일 장치 간의 측정된 전파 시간을 계산하는 단계 ― 상기 계산된 시간은 수신기 클록 오차 바이어스를 포함함 ―;
    ⅳ. 상기 위성으로부터 상기 모바일 장치까지의 전파 지연과 상기 위성으로부터 상기 기준국까지의 전파 지연 간의 차이로서 상기 G-TDOA 값을 계산하는 단계;
    ⅴ. 상기 모바일 장치에서의 수신된 PRN(pseudorandom noise) 신호와 상기 기준국에서의 PRN의 가상적 수신 간의 교차 상관에 대한 상관 계수를 계산하는 단계;
    ⅵ. 상기 기준국에서의 SNR(signal-to-noise ratio)이 상기 모바일 장치에서의 SNR에 비해 크다고 판정하는 단계;
    ⅶ. SNR을 이용하여 의사 거리 측정치의 측정 품질을 획득하는 단계; 및
    ⅷ. 각각의 위성(상기 위성의 신호가 상기 모바일 장치에 의해 수신됨)에 대해 상기 절차를 반복하는 단계
    를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모바일 장치에서의 SNR을 이용하여 상기 G-TDOA 값에 대한 상관 계수의 측정치를 획득하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    G-TDOA 값과 연관된 i번째 의사 거리 측정치에 대한 상관 계수
    Figure pct00020
    가 일반적으로 상기 모바일 장치에서의 SNR과
    Figure pct00021
    의 관계를 만족시키는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스를 더 포함하고, 상기 프로세스는 의사 거리 측정치들을 획득하는 데 이용된 GPS 수신기에 의해 보고되는 SNR(signal-to-noise ratio)에 기초하여 상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 U-TDOA 및 GPS에 대한 측정치 오차 분포, 이용가능한 GPS 측정치들의 수, 및 이용가능한 U-TDOA 측정치들의 수를 포함한 미리 정해진 인자들에 기초하여 GPS 및 U-TDOA 가중치들을 스케일링하는 반복적 가중치 하향 조정 프로세스의 이용을 포함하는 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는, 각각의 GPS 기선에 대해, 이론적인 TDOA RMS 오차에 기초하여 초기 가중치를 계산하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    이론적인 AWGN(Additive White Gaussian Noise) TDOA RMS 오차
    Figure pct00022
    가 무선 인터페이스에 기초하고 상기 U-TDOA 측정치들에 대한 GPS SNR 및 무선 인터페이스 파라미터들을 이용하여 각각의 GPS 기선에 대해 계산되는 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 TDOA RMS 오차는 다중경로 효과
    Figure pct00023
    에 의해 증가되고 U-TDOA 측정치들에 대한 GPS SNR 및 무선 인터페이스 파라미터들을 이용하여 각각의 GPS 기선에 대해 계산되는 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    가중치
    Figure pct00024
    를 RMS 오차 제곱의 역함수
    Figure pct00025
    로서 계산하는 것을 더 포함하는 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 이론적 가중치 측정 데이터를 스케일링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 과거의 GPS 및 U-TDOA 위치 측정치들로부터 컴파일된 GPS 기선 측정치 오차들의 데이터베이스 및 U-TDOA 측정치 오차들의 데이터베이스를 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 개략 스케일링 인자(Sc)를 이용하는 단계를 더 포함하고, 상기 개략 스케일링 인자 Sc는 상기 GPS 기선 측정치 오차들 및 상기 U-TDOA 측정치 오차들에 걸쳐 평균된 RMS 오차의 비를 나타내는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 개략 스케일링 인자 Sc는,
    Figure pct00026
    로서 정의되고,
    GTDOArms는 측정된 GPS RMS 오차를 나타내고, UTDOArms는 측정된 U-TDOA RMS 오차를 나타내는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 각각의 GPS 기선에 대한 초기 가중치로서, 이론적인 GPS TDOA로부터의 가중치와 상기 개략 스케일링 인자의 곱을 할당하는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 초기 가중치로서 할당된 곱은,
    Figure pct00027
    로서 정의되는 방법.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 하이브리드 GPS/U-TDOA 측정치들을 이용하여 계산된 미세 스케일 인자(Sf)를 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 미세 스케일 인자는 다음과 같이 최종적인 측정치 가중치를 도출하기 위해 이용되고,
    Figure pct00028

    S = SfSc인 방법.
  28. 제1항에 있어서,
    하이브리드 가중 최소 제곱 알고리즘을 이용하는 단계를 더 포함하고, 상기 알고리즘은 GPS 및 U-TDOA 기여분들에서의 바이어스들에 대한 분석 해를 제공하고, 상기 단계는 GPS 의사 거리 기여분들의 변환을 수행하는 단계 및 상기 변환되고 가중된 GPS 기여분들을 상기 의사 거리 측정치들로부터 획득되는 계산된 GPS TDOA 값들과 결합하는 단계를 포함하는 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 하이브리드 가중 최소 제곱 알고리즘은 GPS 기선들에 대한 3차원 검색을 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 하이브리드 가중 최소 제곱 알고리즘은 상기 모바일 장치의 테스트 위치들을 가정하여 TDOA 값들을 계산하고 미리 정해진 종료 조건이 만족될 때까지 검색하는 단계를 더 포함하고, 상기 단계는 카이-제곱 메트릭들을 계산하고 각각의 테스트 위치에 대한 상기 메트릭들을 합산하는 단계를 포함하는 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 하이브리드 가중 최소 제곱 알고리즘은 GPS 및 U-TDOA에 대한 개별적인 바이어스 값들을 포함하는 결합된 카이-제곱 메트릭의 계산을 더 포함하는 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 하이브리드 가중 최소 제곱 알고리즘은 최소 카이 제곱 메트릭 및 대응하는 테스트 위치를 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 최소값이 미리 결정된 최고 분해능에서 발견될 때 상기 종료 조건이 충족되는 것으로 간주되는 방법.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 변환된 GPS UTDOA 기선들을 포함하는 3차원에서 U-TDOA 검색이 수행되고, 상기 U-TDOA 검색은 먼저 모든 GPS 기선들에 걸쳐 2차원(x, y)에서 최소 카이 제곱 메트릭을 검색하고 이어서 z-검색 알고리즘을 이용하여 제3 차원(z)에서 검색하는 단계를 포함하는 방법.
  34. 제30항에 있어서,
    상기 미리 정해진 종료 조건은 최소 위치 해가 검색 공간의 가장자리에 속할 때 현재의 분해능에서 검색을 계속하는 것을 포함하는 방법.
  35. 제30항에 있어서,
    상기 미리 정해진 종료 조건은 최소 위치 해가 검색 공간의 가장자리에 속할 때 현재의 맵 분해능에서 검색을 계속하는 것을 포함하는 방법.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 z-검색 알고리즘은 상기 모바일 장치의 고도의 초기 추정, 개략 검색, 상세 검색 및 조정 기준의 이용을 포함하는 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 z-검색 알고리즘은 UTDOA 좌표계와 관련하여 상기 z-차원에서의 초기 검색 위치를 찾아내는 단계를 더 포함하고, 상기 개략 검색은 전형적인 높이의 지상 고도에 있는 상기 모바일 장치의 위치를 나타내는 초기 추정치 Zo를 계산하고 이용하는 것을 포함하고, 상기 조정 기준은 미리 결정된 분해능 임계값 미만의 분해능에 대해 상기 개략 검색을 선택하고 상기 분해능 임계값에 도달되면 상기 상세 검색을 수행하는 것을 포함하는 방법.
  38. 무선 위치 확인 시스템으로서,
    모바일 장치와 통신하고 하나 이상의 위성으로부터 상기 모바일 장치에 의해 수신되는 신호들에 기초하여 의사 거리 측정치들을 상기 모바일 장치로부터 획득하는 수단 ― 상기 하나 이상의 위성은 GNSS(Global Navigation Satellite System) 또는 GPS(Global Positioning System) 중 적어도 하나의 위성임 ―;
    GPS 의사 거리 측정치들에 기초하여 GPS 도착 시간차(G-TDOA) 값들을 계산하는 수단 ― 상기 G-TDOA 값들은 상기 모바일 장치와 상기 GPS/GNSS 위성들 사이의 기선들을 나타냄 ―;
    제1 지상 수신기와 제2 지상 수신기 사이의 제1 기선을 나타내는 상향링크 도착 시간차(U-TDOA) 측정치를 획득하는 수단;
    하이브리드 GPS/U-TDOA 기선들을 제공하는 수단;
    상기 하이브리드 GPS/U-TDOA 기선들에 대한 가중치들을 계산하는 수단; 및
    상기 하이브리드 GPS/U-TDOA 기선들 및 상기 가중치들을 이용하여 상기 모바일 장치의 위치를 추정하는 수단
    을 포함하는 시스템.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 가중치들을 계산하는 수단은 반복적 가중치 하향 조정을 수행하는 수단을 포함하고, 상기 반복적 가중치 하향 조정은 현재의 기선 가중치를 이용하여 하이브리드 위치 추정치를 결정하는 것, 및 제1 또는 제2 미리 정해진 종료 조건이 만족될 때까지, U-TDOA 기선들 및 G-TDOA 기선들을 가중치 하향 조정하는 것을 포함하는 시스템.
  40. 제39항에 있어서,
    반복 횟수가 미리 결정된 최대값을 초과할 때 상기 제1 종료 조건이 충족되는 것으로 간주되는 시스템.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 제1 종료 조건이 만족될 때 마지막 위치 해가 상기 모바일 장치의 위치의 추정치로서 이용되는 시스템.
  42. 제39항에 있어서,
    GDOP(geometric dilution of precision) 값을 결정하는 수단을 더 포함하고, 상기 GDOP가 미리 결정된 임계값을 초과할 때 상기 제2 종료 조건이 충족되는 것으로 간주되는 시스템.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 제2 종료 조건이 만족될 때 이전의 반복으로부터의 위치 해가 상기 모바일 장치의 위치의 추정치로서 이용되는 시스템.
  44. 제38항에 있어서,
    상기 시스템은, U-TDOA 무선 위치 확인 네트워크 및 A-GPS(assisted-GPS) 네트워크를 포함하는 하이브리드 무선 위치 확인 시스템인 시스템.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 GPS(Global Positioning System) 또는 상기 GNSS(Global Navigation Satellite System) 중 적어도 하나의 위성으로부터의 무선 데이터 스트림들이 상기 모바일 장치, U-TDOA 위치 확인 서브시스템 내의 기준 수신기 및 적어도 하나의 협동 수신기에 의해 수신되고, 상기 데이터 스트림들은 사전 설정된 형식으로 된 알마낙 및 에피메리스 데이터를 포함하며, 상기 모바일 장치가 측지 또는 타원체 고도(geodetic or ellipsoidal altitude)의 추정치로 잠재적으로 자신의 위치를 확인할 수 있는 시스템.
  46. 제44항에 있어서,
    상기 U-TDOA 무선 위치 확인 네트워크는 지리적으로 분산된 수신기들 및 PDE(Position Determining Entity)의 네트워크를 포함하고, 상기 모바일 장치로부터의 상향링크 전송과 상기 GPS(Global Positioning System) 또는 상기 GNSS(Global Navigation Satellite System) 중 적어도 하나의 위성으로부터의 무선 전송에 의해 제공되는 시간축(time base)을 이용하여 기준 수신기와 적어도 2개의 협동 수신기들 간의 도착 시간차를 검출하고, 멀티-래터레이션(multi-lateration) 알고리즘을 이용하여 위치 추정치를 계산하도록 구성되어 있는 시스템.
  47. 제38항에 있어서,
    상기 G-TDOA 값들을 계산하는 수단은 GPS 의사 거리들을 U-TDOA 값들로 변환하는 프로세스를 이용하고, 상기 프로세스는, GPS 의사 거리들을 상기 U-TDOA 무선 위치 확인 네트워크의 기준국까지의 기하학적 거리들과 비교하는 단계, 및 상기 모바일 장치 및 상기 기준국에서 각각 수신되는 위성 신호에 대한 TDOA 값을 계산하는 단계를 포함하며, 상기 위성과 상기 기준국의 위치는 알려져 있고, 상기 계산된 TDOA 값이 상기 G-TDOA 값을 나타내는 시스템.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 GPS 의사거리들을 U-TDOA 값들로 변환하는 프로세스는 상기 기준국을 식별하는 단계 및 각각의 위성에 대해 TDOA 값들을 계산하는 단계를 더 포함하고, 상기 계산하는 단계는, 각각의 위성에 대해,
    ⅰ. 상기 위성의 위치를 찾아내고 의사 거리들이 기하학적 거리들을 반영하도록 상기 의사 거리들을 보정하는 단계;
    ⅱ. 상기 위성과 상기 기준국 간의 전파 지연을 계산하는 단계;
    ⅲ. 상기 위성과 상기 모바일 장치 간의 측정된 전파 시간을 계산하는 단계 ― 상기 계산된 시간은 수신기 클록 오차 바이어스를 포함함 ―;
    ⅳ. 상기 위성으로부터 상기 모바일 장치까지의 전파 지연과 상기 위성으로부터 상기 기준국까지의 전파 지연 간의 차이로서 상기 G-TDOA 값을 계산하는 단계;
    ⅴ. 상기 모바일 장치에서의 수신된 PRN(pseudorandom noise) 신호와 상기 기준국에서의 PRN의 가상적 수신 간의 교차 상관에 대한 상관 계수를 계산하는 단계;
    ⅵ. 상기 기준국에서의 SNR(signal-to-noise ratio)이 상기 모바일 장치에서의 SNR에 비해 크다고 판정하는 단계;
    ⅶ. 상기 SNR을 이용하여 상기 의사 거리 측정치의 측정 품질을 획득하는 단계; 및
    ⅷ. 각각의 위성(상기 위성의 신호들이 상기 모바일 장치에 의해 수신됨)에 대해 상기 절차를 반복하는 단계
    를 포함하는 시스템.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 모바일 장치에서의 SNR을 이용하여 상기 G-TDOA 값에 대한 상관 계수의 측정치를 획득하는 수단을 더 포함하는 시스템.
  50. 제49항에 있어서,
    G-TDOA 값과 연관된 i번째 의사 거리 측정치에 대한 상관 계수
    Figure pct00029
    가 일반적으로 상기 모바일 장치에서의 SNR과
    Figure pct00030
    의 관계를 만족시키는 시스템.
  51. 제38항에 있어서,
    의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스를 수행하는 수단을 더 포함하고, 상기 프로세스는 의사 거리 측정치들을 획득하는 데 이용된 GPS 수신기에 의해 보고되는 SNR(signal-to-noise ratio)에 기초하여 상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 단계를 포함하는 시스템.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 U-TDOA 및 GPS에 대한 측정치 오차 분포, 이용가능한 GPS 측정치들의 수, 및 이용가능한 U-TDOA 측정치들의 수를 포함한 미리 정해진 인자들에 기초하여 GPS 및 U-TDOA 가중치들을 스케일링하는 반복적 가중치 하향 조정 프로세스의 이용을 포함하는 시스템.
  53. 제51항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는, 각각의 GPS 기선에 대해, 이론적인 TDOA RMS 오차에 기초하여 초기 가중치를 계산하는 단계를 포함하는 시스템.
  54. 제53항에 있어서,
    이론적인 AWGN(Additive White Gaussian Noise) TDOA RMS 오차
    Figure pct00031
    는 무선 인터페이스에 기초하고 상기 U-TDOA 측정치들에 대한 GPS SNR 및 무선 인터페이스 파라미터들을 이용하여 각각의 GPS 기선에 대해 계산되는 시스템.
  55. 제53항에 있어서,
    상기 TDOA RMS 오차는 다중경로 효과
    Figure pct00032
    에 의해 증가되고, 상기 U-TDOA 측정치들에 대한 GPS SNR 및 무선 인터페이스 파라미터들을 이용하여 각각의 GPS 기선에 대해 계산되는 시스템.
  56. 제54항에 있어서,
    가중치
    Figure pct00033
    를 RMS 오차 제곱의 역함수
    Figure pct00034
    로서 계산하는 것을 수행하는 수단을 더 포함하는 시스템.
  57. 제54항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 이론적 가중치 측정 데이터를 스케일링하는 수단을 더 포함하는 시스템.
  58. 제51항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 과거의 GPS 및 U-TDOA 위치 측정치들로부터 컴파일된 GPS 기선 측정치 오차들의 데이터베이스 및 U-TDOA 측정치 오차들의 데이터베이스를 이용하는 시스템.
  59. 제58항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 개략 스케일링 인자(Sc)를 이용하고, 상기 개략 스케일링 인자 Sc는 상기 GPS 기선 측정치 오차들 및 상기 U-TDOA 측정치 오차들에 걸쳐 평균된 RMS 오차의 비를 나타내는 시스템.
  60. 제59항에 있어서,
    상기 개략 스케일링 인자 Sc는,
    Figure pct00035
    로서 정의되고,
    GTDOArms는 측정된 GPS RMS 오차를 나타내고, UTDOArms는 측정된 U-TDOA RMS 오차를 나타내는 시스템.
  61. 제60항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 각각의 GPS 기선에 대한 초기 가중치로서, 이론적인 GPS TDOA로부터의 가중치와 개략 스케일링 인자의 곱을 할당하는 시스템.
  62. 제61항에 있어서,
    상기 초기 가중치로서 할당된 곱은,
    Figure pct00036
    로서 정의되는 시스템.
  63. 제58항에 있어서,
    상기 의사 거리 측정치들을 가중하는 프로세스는 하이브리드 GPS/U-TDOA 측정치들을 이용하여 계산된 미세 스케일 인자(Sf)를 이용하는 시스템.
  64. 제63항에 있어서,
    상기 미세 스케일 인자는 다음과 같이 최종적인 측정치 가중치를 도출하기 위해 이용되고,
    Figure pct00037

    S = SfSc인 시스템.
  65. 제38항에 있어서,
    하이브리드 가중 최소 제곱 알고리즘을 이용하는 수단을 더 포함하고, 상기 알고리즘은 상기 GPS 및 상기 U-TDOA 기여분들에서의 바이어스들에 대한 분석 해를 제공하고, 상기 제공하는 것은 GPS 의사 거리 기여분들의 변환을 수행하는 것 및 상기 변환되고 가중된 GPS 기여분들을 상기 의사 거리 측정치들로부터 획득되는 계산된 GPS TDOA 값들과 결합하는 것을 포함하는 시스템.
  66. 제65항에 있어서,
    상기 하이브리드 가중 최소 제곱 알고리즘은 GPS 기선들에 대한 3차원 검색을 수행하는 것을 더 포함하는 시스템.
  67. 제66항에 있어서,
    상기 하이브리드 가중 최소 제곱 알고리즘은 상기 모바일 장치의 테스트 위치들을 가정하여 TDOA 값들을 계산하고 미리 정해진 종료 조건이 만족될 때까지 검색하는 것을 더 포함하고, 이는 카이-제곱 메트릭들을 계산하고 각각의 테스트 위치에 대한 상기 메트릭들을 합산하는 것을 포함하는 시스템.
  68. 제67항에 있어서,
    상기 하이브리드 가중 최소 제곱 알고리즘은 GPS 및 U-TDOA에 대한 개별적인 바이어스 값들을 포함하는 결합된 카이-제곱 메트릭의 계산을 더 포함하는 시스템.
  69. 제68항에 있어서,
    상기 하이브리드 가중 최소 제곱 알고리즘은 최소 카이 제곱 메트릭 및 대응하는 테스트 위치를 결정하는 단계를 더 포함하고, 최소값이 미리 결정된 최고 분해능에서 발견될 때 상기 종료 조건이 충족되는 것으로 간주되는 시스템.
  70. 제67항에 있어서,
    U-TDOA 검색을 3 차원으로 수행하는 수단을 더 포함하고, 상기 U-TDOA 검색은 먼저 모든 GPS 기선들에 걸쳐 2차원(x, y)에서 최소 카이 제곱 메트릭에 대한 변환된 GPS UTDOA 기선을 검색하고 이어서 z-검색 알고리즘을 이용하여 제3 차원(z)에서 검색하는 것을 포함하는 시스템.
  71. 제67항에 있어서,
    미리 정해진 종료 조건은 최소 위치 해가 검색 공간의 가장자리에 속할 때 현재의 분해능에서 검색을 계속하는 것을 포함하는 시스템.
  72. 제67항에 있어서,
    미리 정해진 종료 조건은 최소 위치 해가 검색 공간의 가장자리에 속할 때 현재의 맵 분해능에서 검색을 계속하는 것을 포함하는 시스템.
  73. 제70항에 있어서,
    상기 z-검색 알고리즘은 상기 모바일 장치의 고도의 초기 추정, 개략 검색, 상세 검색 및 조정 기준의 이용을 포함하는 시스템.
  74. 제73항에 있어서,
    상기 z-검색 알고리즘은 UTDOA 좌표계와 관련하여 상기 z-차원에서의 초기 검색 위치를 찾아내는 것을 더 포함하고, 상기 개략 검색은 전형적인 높이의 지상 고도에 있는 상기 모바일 장치의 위치를 나타내는 초기 추정치 Zo를 계산하고 이용하는 것을 포함하고, 상기 조정 기준은 미리 결정된 분해능 임계값 미만의 분해능에 대해 상기 개략 검색을 선택하고 상기 분해능 임계값에 도달되면 상기 상세 검색을 수행하는 것을 포함하는 시스템.
  75. 모바일 장치를 위치 확인하는 데 이용되는 컴퓨터-구현 방법을 수행하는 컴퓨터 판독가능 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체로서,
    상기 방법은,
    모바일 장치와 통신하고 하나 이상의 위성으로부터 상기 모바일 장치에 의해 수신되는 신호들에 기초하여 의사 거리 측정치들을 상기 모바일 장치로부터 획득하는 단계 ― 상기 하나 이상의 위성은 GNSS(Global Navigation Satellite System) 또는 GPS(Global Positioning System) 중 적어도 하나의 위성임 ―;
    GPS 의사 거리 측정치들에 기초하여 GPS 도착 시간차(G-TDOA) 값들을 계산하는 단계 ― 상기 G-TDOA 값들은 상기 모바일 장치와 상기 GPS/GNSS 위성들 사이의 기선들을 나타냄 ―;
    제1 지상 수신기와 제2 지상 수신기 사이의 제1 기선을 나타내는 상향링크 도착 시간차(U-TDOA) 측정치를 획득하는 단계;
    하이브리드 GPS/U-TDOA 기선들을 제공하는 단계;
    상기 하이브리드 GPS/U-TDOA 기선들에 대한 가중치들을 계산하는 단계; 및
    상기 하이브리드 GPS/U-TDOA 기선들 및 상기 가중치들을 이용하여 상기 모바일 장치의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체.
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