KR20160147775A - 대기 관측을 위한 무선항법 신호 처리를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 글로벌 네비게이션 위성 시스템의 라디오-주파수 신호의 처리에 기초한 대기 관측 및 측정 시스템을 제공한다. 본 발명은 수신된 위성 신호로부터 진폭 및 위상 정보를 추출하는 개방-루프 복조 구조 및 대기에 의하여 유도되는 진폭 및 위상 변화와 관련된 통계를 제공할 수 있는 신호 처리 기술에 의하여 특징지워진다.

Description

대기 관측을 위한 무선항법 신호 처리를 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING RADIONAVIGATION SIGNALS FOR ATMOSPHERIC MONITORING}
본 발명은 지상에 위치하는 글로벌 네비게이션 위성 시스템 수신기를 사용한 대기 측정에 관한 것이고, 특히 전리층 및 전리층 활동에 관계된 통계를 측정하는 것에 관한 것이다.
우주상에 위치하는 라디오 신호가 대기 관측을 위하여 주로 사용된다. 이와 가튼 신호들은 우주상에 위치한 송신기로부터 지구로 전파되기 때문에, 대기가 위상 변이, 그룹 지연, 및 진폭 변화를 유발한다. 적절한 방법으로 이와 같은 신호를 처리하는 수신기는 이와 같은 위상, 지연 진폭 변화의 예측을 추출할 수 있고, 이에 따라, 대기와 관련된 정보들을 예측할 수 있다. 글로벌 네비게이션 위성 시스템(GNSS) 신호는 그 양이 풍부하고, 전세계를 포괄하며, 하나 이상의 주파수로 전송된다는 점 때문에 상기와 같은 목적으로 광범위하게 사용되고 있다. 이와 같은 신호들이 L-밴드에서 전송되는 신호들에 전파속도 및 방향의 변화를 유도하기 때문에 전리층 및 대류권은 이와 같은 신호에 의하여 관측된다.
이와 같은 효과를 측정하기 위하여, GNSS 수신기가 적용된다. 이와 같은 수신기는 상기 신호의 캐리어 주파수 및 위상 및 모듈화된 거리 코드를 추적하고, 신호의 파워, 캐리어 위상 및 거리코드 지연의 측정을 도출한다. 이와 같은 값은 이후 미가공 신호 측정값이라 하고, 이후 대기를 통과하는 신호 전파와 관련된 다양한 특성을 계산하는데 사용되고, 이를 이후부터 대기 측정값이라고 한다. 통상, 이와 같은 미가공 신호 측정값을 도출하기 위하여, 수신기는 관심있는 변수의 폐쇄 루프 추적을 수행하고, 전형적인 시스템은 거리 코드를 위하여 지연 동기 루프(Delay-Lock Loop, DLL)의 사용을 포함하고, 캐리어를 위해서는 위상 동기 루프(Phase-Lock Loop, PLL)의 사용을 포함한다. 많은 다른 시스템이 사용될 수 있으나, 일반적으로, 수신기는 미가공 신호 측정값을 생성하기 위하여 일종의 반복되는 피드백/피드포워드 메커니즘에 의존한다.
대기 측정값의 계산은 미가공 신호 측정값을 얻을 수 있는지 및 그 품질이 어떠한지에 의존한다. 따라서, 수신기 추적 알고리듬이 정확하게 신호 변수를 추적하는데 어려움을 격는 경우, 도출되는 대기 측정값의 품질이 떨어진다. 특정 추적 알고리듬의 구현은 또한 도출디는 대기 측정값에 영향을 준다. 예를 들어, 추적 알고리듬 내의 필터링 효과 또는 일시적 오류는 대기 측정값에 가공값을 생성할 수 있다.
대기 변화(예를 들어, 전리층 섬광)는 수신기의 추적 알고리듬에 어려움을 초래할 수 있고, 추적 알고리듬이 실패했을 때, 수신기가 이와 같은 변화를 측정하기 위하여 사용될 때, 대기 측정값은 미가공 신호 측정값의 떨어진 품질 또는 그 값을 사용할 수 없음에 따라 품질이 심각하게 떨어질 수 있다. 연장된 노출시간 및 감소된 추적 밴드폭과 같은 수신기 추적 응용성 및 측정 유효성을 향상시킬 수 있는 많은 기술들이 또한 미가공 신호 측정값의 품질 저하를 초래할 수 있고, 궁극적으로는 대기 측정값 내에 가공값을 생성한다.
예를 들어, 시그마-파이(
Figure pct00001
)로 알려진 전리층의 측정값를 포함하는 특정 대기 측정값을 생성하기 위해서는 미가공 신호 측정값을 필터링하는 것이 필요하다. 이와 같은 필터링 단계는 종종 추세제거(de-trending)이라고 하며, 현저히 긴 수렴시간을 갖는다. 미가공 신호 측정값의 간헐적 불가용이 발생하는 경우, 도출되는 대기 측정값의 불가용은 훨씬 더 길어질 수 있다.
최근 접근방법의 약점은 예측 단계에 있다. 미가공 신호변수는 대기 측정값을 계산하기 위하여 사용되기 전에, 수신기에 의하여 예측되거나 또는 추적된다. 이와 같은 추적 단계는 비이상 조건(non-ideal conditions)이 많은 경우 문제가 많다. 일반적인 시스템의 단점은 몇가지 이론적 요소를 언급하면서 도 1 및 도 2(공지 기술)과 관련하여 논의될 것이다.
전형적으로, 지상에 위치한 수신기의 안테나에서 수신되는 GNSS 신호는 다음과 같이 모델화된다:
Figure pct00002
.
이때 Ssig는 가시 범위의 일련의 위성 신호이고, Si(t)는 가시 위성으로부터의 i번째 신호를 의미하고, n(t)는 추가적인 열적 잡음이다. 식 1의 다양한 변수들은 다음의 신호 특성을 나타낸다: Pi는 와트 단위의 총 수신 신호 파워이고, ωi는 rad/s 단위의 공칭 RF 캐리어 주파수이고, di(t)는 바이-포달(bi-podal) 데이터 신호 또는 2차 코드이고, Ci(t)는 신호 전파 시퀀스 및 서브-캐리어이고, θi(t)는 전파 지연, 위성과 사용자 간 다이나믹, 대기 효과, 및 위성 클럭 효과를 포함하여 총 수신 위상 처리이고, 처리 τi(t)는 전파 지연, 위성 클럭 효과 및 대기 지연을 포함하여 수신기에서 관측되는 촉 지연을 나타낸다.
특히, 캐리어 위상 항인 식 1의 θi(t)는 복수의 구분되는 위상 처리를 나타낸다. 수학적으로, 다음의 선형 조합으로 나타낼 수 있다:
Figure pct00003
.
상기 식에서 θ0는 일종의 임의의 초기 위상을 나타내고, θLOS(t)는 위성 및 수신기 사이의 가시선 구조/다이나믹에 의하여 유도되는 위상 처리를 나타내고, θSV Clk .(t)는 위성 클럭에서의 오류에 의하여 유도되는 위상 처리를 나타내고, 및 θAtm.(t)는 신호가 전파하는 대기에 의하여 유도되는 위상 처리를 나타낸다.
도 1(공기지술)은 일반적인 수신기의 디지털 정합필터 102-1의 블록 다이어그램이고, 어떻게 캐리어 상(
Figure pct00004
) 및 거리 코드 지연(
Figure pct00005
)의 로컬 예측이 상관기 값 (Yi[n])을 도출하는데 사용되는지를 보여준다.
일반적으로, GNSS 수신기는 수신된 RF 신호를 영 또는 영이 아닌 IF로 하향 변환을 수행하고, 이어서 신호를 샘플링한다. 이와 같은 신호 샘플들은 이후 디지털 정합필터(DMF) 102-1로 처리되고, 이는 다음의 작동을 수행한다:
Figure pct00006
.
여기서, 변수
Figure pct00007
및
Figure pct00008
는 식 1에서 정의된 변수 τi 및 θi의 수신기의 예측이고, 항 Yi[n]는 상관기 값으로 알려진다.
식 3으로 기술되는 작동은 캐리어 위상 및 거리 코드 위상 추적 루프의 일부로서 추적 알고리듬 내에서 수신기에서 수행된다.
도 2(공지기술)는 캐리어 추적 루프(104)와 거리 코드 추적(106) 모두를 위한 루프를 묘사하는 전형적인 폐쇄 루프 추적 구조의 블록 다이어그램이다. 당업자에게 자명한 바와 같이, DMF 뱅크(102)는 복수의 경우(102-1, 102-2, 102-3)(즉, 채널당 하나; 도면에서는 3개가 도시됨)가 포함된다.
전형적인 실행은 도 2에 나타난 블록 다이어그램을 따르고, 이에 의하여, 상관기값(Yi[n])이 캐리어 추적 블록(104)와 거리 코드 추적 블록(106)에 의하여 처리되어 신호 변수
Figure pct00009
(mTs) 및
Figure pct00010
(mTs)의 예측을 도출하고, 이는 다시 다음의 일련의 상관기 값(Yi[n])을 생성하기 위하여 사용된다.
GNSS 신호가 전파되는 대기의 특성 및 속성을 예측하기 위하여 사용되는 특정 알고리듬은 '대기 관측 알고리듬'(108)로 표시된 블록에서 수행된다. 이와 같은 알고리듬은 다음의 양으로 작동된다: 추적 알고리듬에 의하여 예측되는 DMF(102) 및
Figure pct00011
및
Figure pct00012
에 의하여 생성되는 바와 같은 Yi[n]. 관측 알고리듬의 퍼포먼스는 미가공 신호 측정값의 품질에 직접적으로 영향을 받으며, 따라서, 캐리어 및 거리 코드 추적 알고리듬의 정확한 작동이 대기 관측 수신기에는 필수적이다. 문제는 높은 대기 활동 조건 하에서, 전파 채널의 변화는 이와 같은 추적 알고리듬이 제대로 작동되지 않도록 하거나 아예 작동되지 않도록 할 수 있다는 것이다.
YORK J ET AL: "Development of a Prototype Texas Ionospheric Ground Receiver (TIGR)", ITM 2012 - PROCEEDINGS OF THE 2012 INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION, THE INSTITUTE OF NAVIGATION, 8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS, VA 20109, USA, 1 February 2012 (2012-02-01), pages 1526-1556, XP056000936는 위성 신호로부터 전리층의 측정을 수행하기 위하여 디자인된 소프트웨어 수신기를 개시하고 있다. RF 데이터는 직접 2 기가샘플/s ADC를 통하여 샘플링되고, FPGA로 전달되고, 여기서 데이터는 디지털 방식으로 필터되고, 각 밴드폭이 20 MHz인 3개의 가변 밴드로 다운 샘플된다. 감소된 디지털 데이터 스트림은 두번째 FPGA로 전달되고, 여기서 개별 채널들은 복수의 좁은 신호 밴드로 필터되고, 이는 예측된 도플러 쉬프트를 보상하기 위하여 조절된 위성 신호의 주파수에 중심이 맞춰져 있다. 이 데이터 내에서 신호의 위상 및 진폭의 예측은 일반 목적의 CPU 상에서 작동하는 온보드 소프트웨어의 사용에 의하여 수행된다.
LULICH T D ET AL: "Loop Tracking of Radio Occultation Signals from an Airborne Platform", GNSS 2010 - PROCEEDINGS OF THE 23RD INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE SATELLITE DIVISION OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION (ION GNSS 2010), THE INSTITUTE OF NAVIGATION, 8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS, VA 20109, USA, 24 September 2010 (2010-09-24), pages 1049-1060, XP056000217는 전리층 내 전자 밀도를 확인하기 위하여 위성항법 시스템(GPS)으로부터의 신호를 사용하는 무선 엄폐(RO)에 기초한 원격 감지 기술을 언급하고 있으며, 도플러 주파수의 모델에 기초한 예측 및 GPS 데이터 비트의 기록을 사용하는 개방 루프(OL) 추적 방법을 사용하고 있다.
G. BEYERLE ET AL: "Observations and simulations of receiver- induced refractivity biases in GPS radio occultation", JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, vol. 111, no. D12, 1 January 2006 (2006-01-01), XP055158431, ISSN: 0148-0227, DOI: 10.1029/2005J D006673는 GPS 무선 엄폐에서 수신기에서 유도된 굴절 성향의 관찰 및 시뮬레이션을 개시하고 있다.
NIU F ET AL: "GPS Carrier Phase Detrending Methods and Performances for Ionosphere Scintillation Studies", ITM 2012 - PROCEEDINGS OF THE 2012 INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION, THE INSTITUTE OF NAVIGATION, 8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS, VA 20109, USA, 1 February 2012 (2012-02-01), pages 1462-1467, XP056000934는 전리층 불꽃 연구를 위한 GPS 캐리어 위상 추세제거 방법 및 수행에 대하여 개시하고 있다. 이와 같은 추세 제거는 6th 수준의 버터워스 필터(6th order Butterworth filter)를 사용할 수 있게 한다.
본 발명은 더욱이 순수히 개방 루프에서 생성된 무선 항법(예를 들어 GNSS) 신호의 미가공 신호 측정값으로부터 유도되는 대기측정을 제공하고자 한다.
본 발명은 심지어는 미가공 신호 측정값의 품질이 떨어지는 경우 및/또는 대기 활동이 활발한 경우에도 대기측정을 수행하는 것을 제공하고자 한다.
도 1(공지 기술)은 기존 수신기의 디지털 정합 필터 102-1의 블록 다이어그램이고, 캐리어 위상(
Figure pct00013
)과 거리코드 지연(
Figure pct00014
)의 로컬 예측이 상관기 값(Yi[n])을 생성하기 위하여 사용되는지를 보여주고,
도 2(공지 기술)는 캐리어 추적 루프(104)와 거리 코드 추적(106) 모두를 위한 루프를 묘사하는 전형적인 폐쇄 루프 추적 구조의 블록 다이어그램이고.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 측정 시스템의 시스템 구조를 보여주는 블록 다이어그램이고,
도 4는 도 3의 데이터 수집 모듈의 블록 다이어그램이고,
도 5는 도 3의 개방 루프 복조 모듈(32)의 블록 다이어그램이고,
도 6은 일련의 상관기값(Yi)가 주어졌을 때 S4 값을 계산하는 도 3의 AMA 모듈(33)에서 수행되는 공정의 블록 다이어그램이고,
도 7은 일련의 위상 예측(
Figure pct00015
)이 주어졌을 때
Figure pct00016
의 값을 계산하는 도 3의 AMA 모듈(33)에서 수행되는 공정의 블록 다이어그램이고,
도 8은 현재 위상을 계산하는 상관기 값(Yi)로부터 위상을 재구성하는 도 3의 AMA 모듈(33)에서 수행되는 공정의 블록 다이어그램이고,
도 9는 일련의 위상차 예측(
Figure pct00017
)이 주어졌을 때
Figure pct00018
의 값을 계산하는 도 3의 AMA 모듈(33)에서 수행되는 공정의 블록 다이어그램이고,
도 10은 도 6에서 묘사된 알고리듬을 이용하여 방법 1 및 방법 2에 의하여 계산되고, 상업적 대기 관측 수신기에 의하여 제공되는 기준값과 비교되는 시간에 따른 S4의 플롯이고,
도 11은 도 7 및 도 9에 묘사된 알고리듬을 사용하고, 도 3의 AMA 모듈(33)에서 수행되는 방법 1 및 방법 2에 의하여 계산되고, 상업적 대기 관측 수신기에 의하여 제공되는 기준값과 비교되는 시간에 따른
Figure pct00019
의 플롯이다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 무선항법 시스템의 위성 탑재 송신기로 부터의 적어도 하나의 무선항법 신호에 기초한 대기측정값을 생성하기 위한 측정 시스템을 제공하고, 이때 상기 측정 시스템은 개방 루프 구조에 배치된 데이터 수집 모듈, 복조 모듈, 및 대기 관측 알고리듬 모듈을 포함하고, 데이터 수집 모듈은 기준 클럭을 포함하고, 데이터 수집 모듈은 무선항법 신호를 수신하여 이로부터 복수의 IF 샘플을 생성하도록 배치되고, 각 샘플은 상기 기준 클럭으로부터 유도되는 연관타임태그(TOW)를 갖고, 복조모듈은 상기 IF 샘플 및 연관 타임 태그(TOW) 및 상기 위성 시스템에 관련된 보조 데이터를 수신하기 위하여 배치되고, 이들로부터 상관기 값(Yi)을 생성하기 위하여 배치되고, 대기 관측 알고리듬 모듈은 상기 상관기 값(Yi)을 수신하여 이로부터 상기 대기측정값을 생성하기 위하여 배치된다.
데이터 수집 모듈은 각 IF 샘플(r)을 태그된 IF 샘플로 출력하기 위하여 배치될 수 있고, 각 태그된 IF 샘플(r)은 상응하는 타임 태그(TOW)로 태그된 IF 샘플(r)을 포함할 수 있다.
복조 모듈은 상기 태그된 IF 샘플(r)을 수신하기 위하여 배치될 수 있고, 이에 의하여 복조 모듈(32)에 의하여 생성된 각 상관기 값(Yi)은 상응하는 타임 태그(TOW)에 연관된다.
데이터 수집 모듈은 IF 샘플(r)을 생성하기 위한 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 포함할 수 있고, ADC는 기준 클럭(418)에 연관되고, 이의 시간 하에서 IF 샘플을 생성한다.
데이터 수집 모듈은 상응하는 IF 샘플(r)과 연동되어 상기 타임 태그(TOW)를 출력하기 위하여 배치되는 타임 태깅 모듈을 포함할 수 있다.
데이터 수집 모듈은 기준 클럭에 연관된 타임 태깅 모듈을 포함할 수 있고, 타임 태깅 모듈은 로컬 타임을 나타내는 로컬 카운터로 작동되기 위하여 배치될 수 있고, 로컬 카운터는 각 IF 샘플이 생성됨에 따라 증가한다.
데이터 수집 모듈은 무선항법 신호로부터 아날로그 IF 신호를 생성하기 위하여 배치되는 하향 변환기를 포함할 수 있고, 하향 변환기는 기준 클럭의 출력으로부터 유도되는 변환 신호에 기초하여 작동한다.
데이터 수집 모듈은 기준 클럭의 출력을 수신하기 위하여 연관된 PLL을 포함할 수 있고, PLL은 하향 변환기에 변환 신호를 제공하는 VCO를 유도한다.
기준 클럭은 무선항법 신호의 거리코드 칩 주기의 10분의 1 미만의 무선항법 신호 시간 프레임을 갖는 정렬도를 가질 수 있다.
기준 클럭은 무선항법 신호의 시간 프레임을 갖는 정렬도를 가져, 타임 태그를 생성하기 위하여 약 1 나노초의 정확도를 갖고 예측 시간을 전파하기 위하여 사용될 수 있다.
기준 클럭은 초기 타임 태그에 상응하여, 초기 공조점으로부터 미래 시점으로 전파하기 위하여 배치될 수 있다.
일 구체예에서, 기준 클럭은 완전히 모델화된 클럭을 포함하고, 상기 타임 태그는 기 결정된 샘플 주기를 이용하여 과거의 신호 공조점으로부터 전파된 시간 신호로부터 유도된다.
다른 구체예에서, 기준 클럭은 디시플린 오실레이터(disciplined oscillator)를 포함하고, 디시플린 오실레이터는 내부 오실레이터를 포함하고, 외부 주파수 표준으로부터 디시플리닝 클럭 신호를 수신하기 위하여 배치될 수 있다. 시스템은 초기화 위상 및 데이터 수집 위상에서 작동될 수 있고, 기준 클럭이 작동하여 디시플린 오실레이터에 의한 디시플리닝이 초기화 위상동안 활성화되고, 데이터 수집 위상동안에는 비활성화된다. 외부 주파수 표준은 GNSS 신호 및 GPS 디시플린 오실레이터(GPSDO) 신호 중 하나에 의하여 제공될 수 있다.
다른 구체예에서, 기준 클럭은 자유 실행 클럭을 포함하여 클럭 예측 알고리듬을 이용하여 미지 변수의 라이브 모델링이 수행된다. 기준 클럭은 예측된 클럭 변수를 측정하기 위하여 작동될 수 있고, 예측된 클럭 변수에 기초하여 초기 공조점으로부터 타임 태그를 정확하게 전파한다. 예측된 클럭 변수는 무선항법 신호로부터 제1 세트의 위성 탑재 송신기로부터 측정될 수 있고, 상기 데이터 수집 모듈로부터 수신된 무선항법 신호는 제2 세트의 위성 탑재 송신기의 1 이상의 위성 탑재 송신기로부터 오며, 제1 세트 및 제2 세트는 위성 탑재 송신기를 공통으로 갖지 않는다.
보조 데이터는 수신기 관련 변수(Rec.)를 포함할 수 있고, 수신기 관련 변수는 지면 중심의, 지면에 고정된 프레임의 수신기 안테나의 연속 궤적을 개별적으로 나타낸다.
보조 데이터는 송신기가 장착된 위성의 궤도 변수(S.V.)를 포함할 수 있다. 궤도 변수(S.V.)는 방송 궤도력을 포함할 수 있다. 방송 궤도력은 GNSS 궤도력 또는 정확한 궤도력을 포함할 수 있다.
보조 데이터는 궤도력 정보(ATM)를 포함할 수 있다.
복조 모듈은 타임 태그(TOW)와 수신기 관련 변수(Rec.)를 수신하고, 수신기 관련 시간 지연값(δtRX)을 출력하기 위한 사용자 수신기 모델을 포함할 수 있다.
복조 모듈은 우주선 모델(506)을 포함할 수 있고, 우주선 모델은 타임 태그(TOW)와 궤도변수(S.V.)를 수신하여 우주선 관련 시간 지연값(δtSV)을 생성하기 위하여 배치된다.
복조 모듈은 대기 모델을 포함할 수 있고, 대기 모델은 타임 태그(TOW), 수신기 관련 시간 지연값(δtRX), 우주선 관련 시간 지연값(δtSV) 및 궤도력 정보(ATM)를 수신하여 대기 관련 시차값(δtA)을 출력하기 위하여 배치된다.
복조 모듈은 수신기 관련 시차값(δtRX)과 우주선 관련 시차값(δtSV)의 합을 포함하는 제1합을 생성하고, 신호 관련 시간 지연값(tSIG)을 생성하기 위하여 제1합과 대기 관련 시차값(δtA)의 합을 포합하는 제2합을 생성하기 위하여 배치된다.
복조 모듈은 코드 및 캐리어 MCO를 더 포함할 수 있고, 이는 신호 지연(tSIG)을 수신하고, DMF로의 입력을 위한 예측(
Figure pct00020
)을 생성하기 위하여 배치된다.
대기 관측 알고리듬 모듈은 위상 처리 재구성 알고리듬을 포함할 수 있고, 위상 처리 재구성 알고리듬은
이전 위상 예측에 의하여 현재의 상관기 값(Yi)을 역회전하는 단계;
판별기를 이용하여 잔여 위상(φ)을 예측하는 단계; 및
이전 위상과 현재 잔여 위상(θ)의 합으로서 현재의 위상(φ)을 계산하는 단계;를 포함한다.
대기 관측 알고리듬 모듈은 위상차 처리 알고리듬을 포함할 수 있고, 위상차 처리 알고리듬은 다음을 사용하여 위상차를 재구성하도록 작동된다:
Figure pct00021
.
일 구체예에서,
Figure pct00022
는 φ의 값을 생성하기 위하여 다음에 의하여 주어지는 필터를 이용한 Δ[n]값으로부터 계산되어질 수 있다:
Figure pct00023
.
일 구체예에서,
Figure pct00024
는 다음의 함수를 사용한
Figure pct00025
로부터 얻어질 수 있다:
Figure pct00026
.
본 발명의 다른 면에 따르면, 무선항법 시스템의 위성 탑재 송신기로부터의 적어도 하나의 무선항법 신호에 기초한 대기측정값을 생성하기 위한 측정방법을 제공하고,
상기 방법은
데이터 수집모듈, 복조 모듈 및 개방 루프 구조에 배치된 대기 관측 알고리듬 모듈을 제공하되, 데이터 수집 모듈은 기준 클럭을 포함하는 단계; 데이터 수집 모듈을 이용하여 상기 무선항법 신호를 수신하고, 이로부터 복수의 IF 샘플(r)을 생성하되, 각 샘플은 상기 기준 클럭으로부터 유도되는 연관 타임 태그(TOW)를 갖는 단계; 복조 모듈을 이용하여 상기 IF 샘플(r) 및 연관 타임 태그(TOW) 및 상기 위성 시스템에 관련된 보조 데이터를 수신하고, 이로부터 상관기 값(Yi)을 생성하는 단계; 및 대기 관측 알고리듬 모듈을 사용하여 상기 상관기 값(Yi)을 수신하고, 이로부터 상기 대기 측정값을 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 면에 따르면, 본 발명은 처리 회로에 의하여 실행되기 위하여 지시사항을 정의하거나 또는 지시사항으로 번역될 수 있는, 및 적어도 청구항 제32항의 단계들에 대응되는 데이터를 기록 또는 저장하는 기록가능하고, 재작성 가능하고, 또는 저장 가능한 수단을 제공한다.
본 발명의 다른 면에 따르면, 통신 장치와 메모리 장치를 포함하고 처리 회로에 의하여 실행하기 위한 지시를 정의하거나, 이로 번역될 수 있는, 및 적어도 청구항 제32항의 단계들에 대응되는 데이터를 요구가 있을 ‹š, 또는 그 외에 전달하기 위하여 배치되는 서버 컴퓨터를 제공한다.
장점은 수신기 시간 및 위치와 관련된 어떠한 보조 정보를 적절히 사용하고, 대기 측정값을 계산하는 방법을 수정함으로써, 추적 단계를 전혀 거치지 않게 되고, 이에 따라 보다 강력한 관측 시스템을 제공할 수 있다는 점이다.
또 다른 장점은 개방 루프 모드로 작동되고, 연속적인 전체 위상 예측을 위한 필요성을 회피함으로써, 본 발명의 구체예들은 약한 신호 환경에서의 탄력성과 매우 심한 전리층 활동 하에서의 강력한 추적, 및 기존 수신기 구조보다 더 높은 측정 가능성을 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 측정 시스템의 시스템 구조를 보여주는 블록 다이어그램이다.
시스템 구조는 3개의 주 블록으로 구성될 수 있다: 데이터 수집부(DAQ)(31), 개방 루프 복조부(OLD)(32) 및 대기 관측 알고리듬(AM)(33).
GNSS 수신기 내 폐쇄 루프 피드포워드 또는 피드백 추적 구조와 관련된 문제점 및 단점을 극복하기 위하여, 본 발명의 일 구체예는 개방 루프 구조를 사용한다. 본 발명의 일 구체예는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 다음의 구성을 포함한다: 데이터 수집 모듈(DAQ)(31), 개방 루프 복조부(OLD)(32) 및 일련의 대기 관측 알고리듬을 포함하는 대기 관측 알고리듬 모듈(AMA)(33). 이하에서 더욱 설명될 바와 같이, DAQ 모듈(31)은 미가공 신호(예를 들어 GNSS)를 수신하여 IF 샘플(r)을 출력하며, 각 샘플은 연관 타임 태그(TOW)를 갖는다. 복조부(32)는 r과 TOW를 수신하고, 이와 보조 데이터(일반적으로 35로 표시)를 기초로 AMA 모듈(33)의 출력인 상관기 값(Yi)를 생성한다.
도 4는 도 3의 데이터 수집 모듈(31)의 블록 다이어그램이다.
도 4에 도시된 DAQ 모듈(33)은 안테나(402)로부터 하나 이상의 GNSS 밴드를 위한 중간 주파수 샘플(r)을 수집하는 일을 수행한다. 안테나(402)에서 수신된 신호는 저잡음 증폭기(LNA)(404)에 의하여 증폭되고, 대역통과 RF 필터(406) 및 추가적인 증폭기(408)를 지나 IF 로 변환되는 하향 변환기(410)으로 이동된다.
하향 변환기(410)의 IF 신호 출력은 게인 블록(gain block)(412)에서 추가적인 증폭의 대상이 되고, ADC(416)에서 디지털 (IF) 샘플(r)로 변환되기 전에 대역통과 IF 필터(414)를 통과한다. 정확한 클럭(418)은 샘플을 하향 변환 및 디지털화하기 위하여 사용되어, TOW(420)으로 표시되는 UTC 또는 특정 GNSS 시스템-시간에 정확하게 정렬된 타임 태그가 각 IF 샘플(r)을 위하여 제공된다.
기준 클럭(418)으로 부터의 클럭 신호(422)는 PLL(424)로 제공되고, 이는 VCO(426)와 루프를 형성하고, VCO(426)의 출력은 IF 신호를 생성하기 위하여 하향 변환기(410)으로 공급된다.(당업자에게 자명한 바와 같이, IF 데이터는 실시간 처리를 위하여 직접 ODL 모듈(32)(도 3)로 제공되거나, 또는 사후 처리를 위하여 저장 디스크로 제공될 수 있다.) DAQ의 주된 특징은 기준 클럭(418)이다. 바람직하게는 기준 클럭(418)은 UTC 또는 특정 GNSS 시스템과 정확하게 연동되거나 또는 그 차이는 잘 알려져 있다. 그러나, 바람직한 구체예에서, 기준 클럭(418)이 데이터 수집동안 GNSS 시스템으로부터 직접 디시플린 되지 말아야 하며, 이는 시스템의 구체예가 작동하는 개방 루프의 원리를 위반하게 되기 때문이다. DAQ(31)의 기준 클럭(418)의 특정 구체예는 이하에서 더욱 논의될 것이다.
도 3으로 돌아가, OLD 모듈(32)은 입력값으로 DAQ(31)로부터 IF 샘플(r) 및 관련된 타임 태그(TWO 및 r)를 수용하고, 또한 보조 정보(35)를 수용한다; 해당 구체예에서, 후자는 위성 궤도력, 수신기 위치 정보 및 대기 정보를 포함하고, 이들은 각각 도 3에서 S.V., Rec. 및 Atm.으로 표시된다.
바람직하게는, r의 각 샘플들을 위하여, 상응하는 TOW는 S.V., Rec., Atm. 정보와 연동되어 사용됨으로써,
Figure pct00027
및
Figure pct00028
로 표시되는 수신된 신호 변수의 값을 예측한다. 필수적으로, 이와 같은 정보는 기하학적 거리, 상대론적 효과, 다른 알려진 및/또는 결정론적 대기 효과, 위성 클럭, 및 하드웨어 편향 및 다른 알려진 수신기 편향으로 이루어지는 전파 채널을 예측하는데 사용될 수 있다. 이와 같은 신호 변수는 그 후 DMF로 이동하고, 이는 상관기 값(Y[n])을 생성하는 도 1에 도시된 바와 같은 기준 DMF(102)일 수 있다. DMF(102)는 상관기 값(Y[n])을 생성하기 위하여 캐리어 및 거리 코드의 제거(wipe-off) 및 이어지는 통합 및 폐기 작동을 수행한다. 식 (2)에 기술된 위상 공정과 관련하여, 공정 θLOS(t) 및 θSV Clk .(t)가 제거되고, 위성 궤도력 내의 오류로부터 발생하는 대기 및 잔여 오류에 상응하는 것만 남게 된다. 적어도 하나의 상관기 값(Y[n])은 각 가시 위성을 위하여 IF 데어티 내에서 포착되는 각 신호를 위하여 생성되고, 거리 코드 지연 또는 캐리어 위상 중 하나 또는 모두 내에서 특정 오프셋에 상응하는 추가적인 상관기 값이 생성될 수 있다.
AMA 모듈(33)은 OLD 모듈(32)에 의하여 생성된 상관기 값(Y[n])을 입력값으로 수용하고, 이를 사용하여 대기와 관련한 다양한 측정값을 생성한다. 모듈은 대기의 상태 또는 대기 활동의 정도와 관련된 정보를 제공하는 다양한 종류의 알고리듬을 포함할 수 있다. 특히, AMA 모듈(33)은 섬광을 기술하거나 또는 정량화하는 것을 포함하여 전리층 활동과 관련된 측정값을 생성할 수 있다. 많은 수신기들이 상관기 값(Y[n])과 총 위상 예측을 모두 사용하지만, 알고리듬의 특징을 이용함으로써, AMA 모듈(33)은 Yi 만으로도 기준이 되는 전리층의 측정 알고리듬을 포함하게 될 수 있다.
도 4에 따르면, DAQ 모듈(31)은 수신기 안테나(402)를 포함하고, 수신된 RF GNSS 신호를 처리한다. 이 블록의 출력은 디지털 GNSS 데이터의 정확하게 타임 태그된 스트림(r, TOW)이다. 각 샘플(r)이 정확한 타임 태그(TOW)와 짝을 이루는 안테나에 의하여 수신되기 때문에, 후자는 필수적으로 GNSS 신호의 디지털화된 표현이다. 시간은 로컬 타임-프레임(수신기) 또는 리모트 타임-프레임(우주선, 송신기)로 표시될 수 있다. 어떠한 경우에도, 현재 시간을 표시하는 로컬 카운터는 IF 신호의 각 샘플(r)이 아날로그-디지터 컨버터(416)에 의하여 기록됨에 따라 증가될 수 있다. 이와 같은 카운터의 값은 이 샘플(r)과 짝을 이뤄 타임 태그(TOW)를 나타낸다.
바람직하게는, 충분히 정확한 클럭(418)이 IF 데이터를 수집하고, 타임 태그(TOW)를 생성하기 위하여 사용된다. 더욱 바람직하게는 섬광 관측을 위하여, 클럭(418)은 매우 낮은 위상 노이즈를 보여줄 필요가 있다. 본 발명에 따른 구체예들은 또한 데이터 수집부의 작동 전체 동안 알려진 모델에 맞추어질 수 있을 만큼 충분히 안정할 필요가 있는 클럭 편류 및 편류속과 관련한 2차 요구사항을 도입한다. 필요한 주어진 GNSS 시간-프레임을 갖는 정렬도는 관측되는 신호의 특징에 의하여 결정되고, 거리 코드 침의 주기 대비 10분의 1 미만으로 고려된다. 구체예에 따르면, 다음과 같이 서로 다른 구현이 적용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 구체예는 GNSS 전단부(front-end) 및 디지타이저를 사용한다. 특히, 그와 같은 시스템은 전조건화(pre-conditioning) 블록(전증폭기 및 필터), 하나 이상의 신시사이저 및 믹서, 안티알리아싱(anti-aliasing) 필터 및 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 포함한다. 로컬 오실레이터를 조정하기 위하여 사용되는 클럭은 ADC를 구동하여햐 한다. 추후의 구체예는 GNSS 디지타이저로 이전에 캡쳐된 파일로부터 데이터를 스트리밍하는 것을 포함한다.
타임 태그된 GNSS 샘플 스트림의 공정은 도 4에 도시된 바와 같이 단일 기준 클럭(418)에 의하여 구동된다. 이와 같은 클럭은 타임 태그를 생성하기 위하여 GNSS 타임 프래임에 맞춰 조정되어야 하고, 매우 높은 정확도(1.- 나노초)로 시간의 예측을 전파하는데 사용될 수 있다는 것이 중요하다.
일 구체예에서, 완전(예를 들어, 완전히 모델화된) 클럭(418)이 사용된다. 이 경우, DAQ 모듈(31)은 단순히 예측 가능한 샘플 주기를 사용하여 과거의 단일 동기화 지점으로부터 시간을 전파한다.
다른 구체예는 디시플린 오실레이터(DO)에 의존하는 것을 포함한다. 이 경우, DAQ 모듈(31)은 데이터가 얻어지는 시간의 주기동안 기준 오실레이터가 맞춤을 유지하는 것이 요구된다. 디시플린 오실레이터는 일반적으로 내부 오실레이터를 포함하고, 외부 주파수 표준을 이용하여 내부 오실레이터에 보정 또는 조정을 제공한다. 외부 주파수 표준의 일반적인 소스는 GNSS 신호이다. 디시플리닝이 GNSS로부터 오는 경우(예를 들어, GPS 디시플린 오실레이터(GPSDO)사용), 그와 같은 디시플리닝이 데이터 수집부 공정이 시작되기 전에 수행되는 것이 분명해야 한다. 더욱이, 전체 데이터 수집 공정동안 맞춤이 유지될 수 있을 만큼 장치가 충분히 우수한 퍼포먼스를 보여야 한다는 점이 분명해야 한다. 물론, 이와 같은 적용은 기준 클럭으로 표준의 기성 GPSDO를 사용할 수 있고, 데이터 습득 주기동안 디시플리닝 작동을 불활성화하기 위하여 선택될 수도 있다.
프리러닝 클럭(free-running clock )을 사용하는 다른 구체예에서, 미지 변수(예를 들어, 드리프트 및 편류속)의 라이브 모델링은 맞춤식 클럭 예측 알고리듬을 사용하여 수행된다. 필수적으로, 이는 기준 클럭의 미지 변수가 예측되는 것과 대응하여, GNSS 시스템이 기준으로 사용된다는 점에서 이전 단락의 구체예와 동등하다. 그러나, 오실레이터를 수정 또는 디시플린하려는 시도보다, 예측된 클럭 변수는 단순히 측정되고, 초기 공조점으로부터 타임 태그를 보다 정확히 전파하기 위하여 사용된다. 이의 특별한 경우는 이전에 습득된 데이터의 사후처리이다. 데이터는 사후 처리되고, 테스트 하에서 대기의 이례성에 의하여 영향을 받지 않거나 조금만 영향을 받는 것으로 보이는 아나 이상의 위성 신호는 미지의 클럭 변수를 예측하는데 사용될 수 있다. 미지의 클럭 변수를 예측하기 위하여 사용되는 일련의 위성들과 대기를 관측하기 위하여 사용되는 위성들은 상호 독립적이어야 한다. 이와 같은 접근은 정확한 타임 태그 특성을 사용하지 않고, 이전에 얻어진 섬광 파일에 반대되는 결과를 입증하기 위하여 충분히 사용되고 있다.
기준 클럭(418)에 대한 상기 3가지 구체예들은 초기 타임 태그로부터 이후 시간으로 초기 공초점을 전파하는 수단을 보여주고 있다. 모든 경우에, 이와 같은 초기 시간 동기화가 이루어져야 한다. 구체예에서, 이는 DAQ(31)의 출력(r)을 처리함에 의하여 수행된다. 이 샘플들은 전통적인 폐쇄루프 알고리듬이 샘플(r)에 적용되고, 위치와 시간 고정이 계산되는 전형적인 GNSS 수신기에서 수행되는 바와 같이 처리될 수 있다. 이와 같은 시간 고정은 타임 태그 처리를 위한 초기 공조점을 제공할 것이다.
도 5는 도 3의 개방 루프 복조 모듈(32)의 블록 다이어그램이다.
개방 루프 복조부(OLD) 모듈(32)은 상관기 값(Yi)을 생성하기 위하여 DAQ 모듈(31)에 의하여 생성되는 IF 샘플을 처리한다. OLD 모듈(32)로의 필요한 입력은 바람직하게는: 디지털 GNSS 데이터(r, TOW)의 정확히 타임 태그된 스트림, 사용자 다이나믹, 우주선 다이나믹(온보드 클럭 포함), 및 대기 지연을 포함한다. 수신기 측에 의하여 유도되는 지연은 IF 샘플 타임 태그(TOW)에 의하여 모델링되어 이로 흡수된다. 모듈은 출력값으로 각 가시 위성 신호를 위한 상관기 값(Yi)을 생성한다. 전형적인 연관 통합 주기는 1 ms이나, 보다 일반적인 적용예에서는 더 짧은 또는 더 긴 주기를 사용할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, OLD(32)는 2개의 주 서브 블록으로 구성된다: GNSS 신호 신시사이저(502) 및 DMF(102). 신시사이저는 구체적인 사용자 위치 및 시간에서 수신 안테나(402)(도 4)에서 관측되는 바와 같은 위성 신호를 생성한다. 그렇게 하기 위하여, 사용자 안테나(402)의 궤적은 0이거나 또는 정확하게 알수 있어야 한다. 이는 지면 중심이고, 지면에 고정된 프레임에서 수신기 안테나(402)의 개별적으로 연속적인 궤적을 나타내는 도 5에서 'Rec.'로 표시된 입력값을 제공함에 의하여 얻어진다. OLD(32)는 타임태그(TOW)와 입력 Rec를 수신하기 위한 사용자 수신기 모델을 적절히 포함하고; 사용자 수신기 모듈(402)은 시간 지연값Δ(t)RX을 출력한다.
위성 신호 다이나믹은 궤도 변수와 정확한 시간 기준과 조합된 클럭 보정을 사용하여 생성된다. 이와 같은 궤적 모델 변수는 변수 'S.V.'에 의하여 도 5에서 표시된다. 이와 같은 궤도 변수는 종종 궤도력으로 표현되고, GNSS에 의하여 제공되는 바와 같이 일련의 방송 궤도력의 형태, 일련의 3자 정확한 궤도력, 또는 어떠한 다른 적절한 궤적 모델의 형태를 취할 수 있다. 특정 예는 GPS에서 사용되는 케플러 변수, 갈릴레오 및 바이두(Galileo and BeiDou), 또는 데카르트 포지션(Cartesian position) 및 GLONASS를 위하여 사용되는 파생 모델의 방송 세트이고, 다른 선택사항은 국제 GNSS 서비스(IGS)와 같은 3자에 의하여 제공되는 정확한 궤도력 모델을 포함한다. OLD(32)는 또한 우주선 모델(506)을 적절히 포함하고; 및 우주선 모델(506)은 타임 태그(TOW) 및 궤도 변수(S.V.)를 수신하고, 우주선과 관련된 시간 지연값(δtSV)을 생성하기 위하여채택된다. 최종적으로, 대기 지연값의 예측은 다른 모델을 사용하여 각각 생성되고, 알려진 값 또는 예비적 궤도력 정보를 사용하여 적절히 변수화되고, 이와 같은 정보는 'Atm.' 변수에 의하여 도 5에 표시된다. 특정 모델은 몇가지만 예를 들자면, 전리층을 위하여 Klobuchar 또는 NeQuick 모델을 포함하고, 대류권을 위하여 Saastamoinen 모델을 포함한다. 대기 모델(508)은 타임태그(TOW), 수신기와 관련된 시간 지연값(δtRX), 우준선과 관련된 시간 지연값(δtSV) 및 궤도력 정보(Atm.)을 수신하기 위하여 채택된다. 이로부터, 대기모델(508)은 대기 관련 시간 지연값(δtA)을 생성한다.
OLD(32)는 수신기와 관련된 지연(δtRX)과 우주선과 관련된 지연(δtSV)의 합을 포함하는 제1합(512)을 생성하기 위한 제1 합 요소(510)를 포함한다. 또한, 제2합 요소(514)는 상기 제1합(512)과 대기와 관련된 시간 지연값(δtA)의 합을 포함하는 제2합을 생성하여 신호 관련 시간 지연값(tSIG)을 생성하기 위하여 채택된다. 신호 관련 시간 지연값(tSIG)은 DMF(102)로의 입력값을 위한 에측(
Figure pct00029
)을 생성하기 위한 코드 및 캐리어 MCO(516)로의 입력값이다.
DMF(102)는 도 1에 도시된 바와 같이, 모사된 레플리카 신호에 대하여 입력 신호 스트림의 역확산 및 축적을 수행한다. 이와 같은 단계는 상관기 엔진이 도 2에 도시된 바와 같이 전형적인 폐쇄 루프 GNSS 수신기에서 수행하는 것과 매우 유사하며, 차이점은 피드백 작동이 없다는 점이다. 바람직하게는 본 발명은 자체적으로 이례성에 의하여 영향을 받는 상관기 출력(Yi)을 관측하는 어떠한 피드백 메커니즘에 의존하지 않은채로 수신된 신호 내의 진폭, 지연 및 위상 변화를 측정하는데 정확하게 신뢰성이 있다. DMF(102)의 일 구체예에서, 위성 신호당 단지 하나의 상관기만이 사용되고, 그러나, 개념은 보다 일반적이어서, 임의의 수가 사용될 수도 있다. 일 구체예에서, 많은 상관기가 적용되고, 공칭으로 배열된 상관기 주변으로 주파수 및 지연에 따라 배치되어, 수신된 신호 변수의 보다 신뢰성이 있고 정확한 예측을 제공할 수 있게 된다. 일 구체예에서, 적용은 전통적인 실시간 또는 사후 처리를 포함한다.
OLD(32) 내부에, 두개의 서브 블록(신호 신시사이저(502) 및 DMF(102)) 사이의 인터페이스는 각각
Figure pct00030
및
Figure pct00031
인 적절히 시간이 조절된 코드 지연 및 캐리어 위상의 순서이다. 모두는 사용자 및 네비게이션 위성 안테나 사이의 가시선(LOS) 기하학적 거리과 관련되나, 다른 요인들과 함께, 분산적 매질인 대기 때문에 큰 차이점이 있다. 정확한 스트림 시간을 사용하여, 특정 시간에 누산기(accumulator)는 덤프될(dumped) 수 있으나, 일반적으로 스프레딩 코드 에지(spreading code edge)와 동기화되는 형태일 수 있다. 더욱이, 방송 네비게이션 메시지에 접속의 경우에, 많은 부분의 네비게이션 메시지는 예측될 수 있고, 수신 신호에서 수행되는 비트 제거(bit wipe-off)를 가능하게 한다. 가능한 경우, 이는 다음의 문단에서 설명되는 바와 같이 위상 재구성을 현저히 향상시킨다.
대기 관측 알고리듬(AMA) 모듈(33)(도 3)은 OLD 모듈(32)로부터 복합 상관기값(Y[n])을 입력값으로 수용하고, 대기측정값을 출력으로 생성한다. 다음으로, 이하에서 정의되는 바와 같이 S4 및
Figure pct00032
를 포함하는 일반적인 섬광 지수들을 생성하는 전리층의 섬광 관측 모듈의 구체예들이 설명된다.
섬광 특성과 관련하여 폭 넓게 수용되고 있는 변수는 진폭과 관련해서는 S4이고, 캐리어 위상과 관련해서는
Figure pct00033
이다. 일반적으로, S4의 계산은 상관기 값(Y[n])으로부터의
Figure pct00034
로 표시되는 중간 변수의 계산을 요구한다. 많은 경우, 이는 종종 협대역 파워(Narrow Band Power, NBP) 및 광대역 파워(Wide Band Power, WBP)로 표시되는 추가적인 중간 변수를 통하여 적용된다. 대안으로, 다른 적용은 도 6에 도시된 바와 같이 상관기 값으로부터 직접 이를 계산한다.
Figure pct00035
값은 일반적으로 수치적인 안정성의 이유로 도 6에서 도시된 바와 같이 2nd 수준의 필터의 연속된 시리즈로서 적용되는 0.1 Hz의 대역을 갖는 6th 수준의 Butterworth 저역필터를 사용하여 디트렌드(de-trend)화 된다.
도 7은 일련의 위상 예측(
Figure pct00036
)이 주어졌을 때, 도 3의 AMA 모듈(33)에서 수행되는
Figure pct00037
의 값을 계산하는 처리공정에 대한 블록 다이어그램을 보여준다.
Figure pct00038
를 계산하는 일반적인 방법은 다음과 같이 3가지 단계를 포함한다. 첫째로, 수신된 GNSS 신호의 위상은 재구성되고, 고정된 샘플 레이트에서 샘플화되어, 동등 처리 (θ[n]=θ(nTI))를 생성한다. 다음으로, 0.1 Hz 대역을 갖는 6th 수준의 Butterworth 고역필터를 사용하여 디트렌드된다. 마지막으로, 디트랜드된 위상 처리의 변화는 주기
Figure pct00039
초의 유한 비중첩 블록에 대하여 계산된다(블록 74). 따라서, 프롬프트 레플리카(또는 이들의 부산물)의 복합 상관기 출력은 진폭 이례성을 평가하기 위하여 사용되고, 반면 캐리어 위상 측정은 위상 이례성을 측정하기 위하여 사용된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 고역 필터는 LPF(72)에 의한 필터링을 통하여 생성되는 신호 및 저역 요소 사이의 차이(요소(76)의 합을 통하여)로서 적용된다.
표준 GNSS 수신기는 PLL과 같은 폐쇄 루프 위상 추적 알고리듬을 통하여 캐리어 위상 관측을 유도한다. 대조적으로, 본 발명의 일 구체예에서는,
Figure pct00040
를 측정하기 위한 두가지 신규한 접근법이 적용된다. 폐쇄 루프를 이용하여 수신된 신호 위상을 추적하지 않는 것의 장점은 추적 루프 필터 잡음으로부터 섬광 지수 계산을 고립시키는 것과 매우 나쁜 신호 조건 하에서 위상 추적 실패(예를 들어, 사이클 슬립)의 문제를 피하는 것이다.
Figure pct00041
를 계산하는 방법의 두가지 구체예는 재구성된 위상은 즉시 디트렌드된다는 사실을 이용한다. 상기한 바와 같이, OLD 모듈(32)은 신호 합성을 통하여, 가시선(LOS) 다이나믹, 위성 클럭, 및 알려진 대기 요인을 포함하는 캐리어 위상에 대한 알려진 결정적 요인 모두를 제거한다. 남는 것은 궤도력 및 대기 모델로부터 발생하는 잔여 오차와 로컬 오실레이터로부터의 위상 요인이다. 디트렌딩 처리의 목적이 θAtm.(t)외의 모든 요인의 기여를 제거하고, 이에 따라 위상 재구성 처리가 이 값을 나타내기만을 하도록하는 것이다. 두가지 구체예는 다음과 같다.
방법 1: 위상 처리의 재구성
도 8은 도 3의 AMA 모듈(33)에서 수행되고, 이전 위상 예층에 의하여 현재 상관기를 역회전할 때 관측되는 위상 잔여와 이전 위상의 합으로서의 현재 위상을 계산하는 상관기 값(Yi)로부터 위상 재구성 공정의 블록 다이어그램을 보여준다. e- jθ 표시는 실수축에 상대적으로 -θ의 각도를 가지는 복소평면상 단위 벡터를 나타내고, Z-1 표시는 단일 샘플 지연을 나타낸다. 이 경우, 위상 처리의 유효 부분은 연속적인 상관기 값의 짝(즉, Y[n-1] 및 Y[n]) 사이에서 계산되는 위상차의 축적 합에 의하여 재구성된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상관기 값(Yi)은 이전의 위상 예측에 의하여 역회전되고(제1의 증가 요소(84)로의 블록(82) 입력에 의하여), 잔여 위상 오차는 측정된다.
판별기 블록(84)은 도 4에 도시된 바와 같이 위상 판별기 기능을 나타낸다. 총 위상 예측(θ)은 이와 같은 잔여 위상 측정을 축적을 통하여 제공된다. 결과 위상 처리는 전형적인 GNSS 수신기에 의하여 생성되는 것과 유사한 방법으로 처리될 수 있다. 캐리어 주파수 위상 측정에의 가장 현저한 기여는 사용자 및 위성 클럭 편류 사이의 차이 뿐만 아니라 사용자 및 위성 안테나 사이의 LOS 속도 때문이다. 일반적으로, 전통적인 수신기로부터 위상 측정을 사용할 때, 이와 같은 기여는 무시할 수 없는 수렴 시간의 소비로 디트렌딩 필터에 의하여 제거된다. 실제로 그와 같은 필터의 수렴 시간은 분 단위일 수 있다. 이와 같은 기술은 상기 위상 기여를 제거한다. 결과는 공칭 잡은 조건 내에서, 동일한 디트렌딩 필터가 전통적인 위상 처리와 정확히 동일한 결과를 생성하고, 방법 1이 후자의 경우에 훨씬 더 빨리 수렴한다는 것을 보여준다.
구체적으로, 위상 처리는 다음과 같이 재구성된다. 첫째, 현재 상관기값은 이전 위상 예측(제1 샘플에 대하여 0으로 초기화됨)에 의하여 역회전된다. 두번째, 잔여 위상(φ)은 현재 샘플에 상응하는 데이터-비트의 사인이 알려졌느냐 여부에 따라 일관성(4상한 아크탄젠트) 또는 비일관성(아크탄젠트) 판별기(86)에 의하여 예측된다. 현재 위상(φ)의 값은 이후 이전 위상(블록(88)의 적용으로 유도됨)과 현재의 잔여 위상(φ)의 합(합 요소(87)에 의하여)으로 계산된다. 수학적으로, 이와 같은 공정은 다음과 같이 표현된다:
Figure pct00042
상기 식에서 d[n]은 현재 데이터 비트의 값이고, 위상 처리는 다음과 같이 반복되는 위상차의 합으로 표현되는 것으로 본다:
θ[n]=θ[n-1]+Δ[n],
Figure pct00043
와
Figure pct00044
는 각각
Figure pct00045
의 실수부 및 허수부를 나타내고,
Figure pct00046
및
Figure pct00047
함수는 각각 아크탄젠트 및 4상한 아크탄젠트 함수를 의미한다.
Figure pct00048
측정값을 생성하기 위한 이와 같은 위상 예측 처리는 이후 도 7에 도시된 표준 알고리듬을 따른다.
방법 2: 수정된 디트렌딩 필터
도 9는 도 3의 AMA 모듈(33)에서 수행되고, 일련의 위상차 예측값(
Figure pct00049
)이 주어지는 경우,
Figure pct00050
의 값을 계산하는 공정의 블록 다이어그램이다. 두번째 접근법은 0.1 Hz 대역폭을 갖는 6th 수준의 고역 필터는 필수적으로 캐리어 위상의 모든 천천히 가변하는 다이나믹을 제거한다는 사실을 활용한다. 이는 위상 처리 재구성이 모두 함께 회피될 수 있고, 위상차가 절대 위상 대신에 사용되는 것을 제안한다. 디트렌딩 필터 수준은 1단계 낮춰질 수 있고, 동등한 그러나 더 단순한 필터가 기존의 접근을 따라 얻어지는 결과와 정확히 동일한 결과를 생성하게 된다. 전통적인 6th 수준의 고역 Butterworth 필터가 다음과 같은 z-도메인 전달 함수를 갖는다고 가정한다:
Figure pct00051
여기서, 식 (5)의 출력값은 디트렌디드 위상 처리값이고, θD[n]로 표시되고, 재구성된 위상(θ[n])에 H(z)를 적용하여 얻어진다. 이 필터는 동일하게 필터 B(z)를 θ(t)에 연속적으로 적용하고, 이어서 필터 1/A(z)를 결과값에 적용하는 것과 동일하다. 따라서, 위상 처리(θ[n])는 B(z)에 의해서만 작동된다.
n 시점에서, θ[n]에 적용되는 필터 B(z)의 출력값은 θB[n]로 표시되며, 다음에 의하여 주어진다:
Figure pct00052
다시, 위상 처리가 위상차의 합으로 분해된다고 가정하면, 식(6)은 다음과 같이 표현된다:
Figure pct00053
H(z)가 고역 필터이고, 0의 DC 게인을 가지면, 그때 H(1) = 0이고, 따라서,
Figure pct00054
그리고, 식 (7)은 다음과 같이 표현된다:
상기 식에서,
Figure pct00056
식 (8)과 과련하여, C6=0이고, 따라서,
Figure pct00057
따라서, 디트렌디드 위상 처리(θD)는 필터 H(z)를 사용하여 오리지널 위상 처리(θ)를 처리함에 의하여 얻이지고, 다음의 새로운 필터를 사용하여 Δ[n]=θ[n]-θ[n-1]인 위상차 공정을 처리함에 의하여 얻어지는 것과 정확히 동일하다:
Figure pct00058
식 (12)의 의미는 어떠한 필요한 위상 처리도 재구성될 필요 없고, 단지 두개의 인접하는 상관기 값을 가로지르는 위상차의 예측만이 필요하다는 점이다. 이는
Figure pct00059
의 생성을 현저히 단순화시키고, 훨씬더 신뢰성이 있는 관측 알고리듬이 된다. 특히, 일 구체예에서, 위상차 처리의 재구성은 다음을 포함한다:
Figure pct00060
상기 식에서, 두개의 위상차 예측기 중 하나가 사용되고, 이는 상관기 값 모두의 데이터-비트가 알려졌는지 여부에 달려있다. 이와 같은 위상차 처리값을 생성할 때, 수정된 필터가 적용될 수 있고, 최종적으로
Figure pct00061
의 예측값이 계산될 수 있다. Δ[n] 값으로부터
Figure pct00062
계산 처리는 도 9에 도시되어 있고, 'M-FLT'로 표시된 블록은 상기한 수정된 필터를 의미한다.
식 (13)에 주어진 바와 같은 위상차에 대한 단순하고 직접적인 예측이 다음에서 가정되고 있지만, 대안적인 구체예에서 상관기 값의 추가적인 처리가 Δ[n]의 예측 향상을 위하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 예측은 위상 처리를 위하여 선험적 통계 모델 상에서 조건화될 수 있고; 아웃라이어(outlier) 또는 실수(bluder)로 보이는 예측을 제거하거나 또는 수정하는 기술이 적용될 수 있고; 또한 복수의 연속적인 상관기 값, 3개 이상이 관찰될 수 있다.
방법 1 및 방법 2 및 상업적 대기 관측(기준) 수신기에 의하여 계산된 바와 같은
Figure pct00063
와 S4의 비교는 도 10 및 도 11에 각각 나타내었고, 개방 루프 관측 알고리듬이 전통적인 폐쇄 루프 수신기를 완벽하게 재생산할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
구체예들은 각각의 적용에서 다양한 구성들을 갖는 구체예로 기준에 의하여 기술되었으나, 다른 구체예들이 이와 같은 또는 다른 구성들의 조합 및 수정에 의한 사용을 가능하게 할 것이다.
더욱이, 일부 구체예들은 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의하여 적용될 수 있는 또는 기능을 수행할 수 있는 다른 수단에 의하여 적용될 수 있는 방법 또는 방법의 조합으로 기술된다. 따라서, 그와 같은 방법 또는 방법의 구성을 수행하기 위하여 필요한 지시를 갖는 프로세서는 방법 또는 방법의 구성을 수행하기 위한 수단을 형성한다. 더욱이 장치 구체예로 기술된 구성들은 본 발명을 수행하기 위한 목적을 위한 구성에 의항여 수행되는 기능을 수행하기 위한 수단의 예이다.
본 발명의 명세서에서, 수많은 구체적인 세부사항들이 기술되어 있다. 그러나, 본 발명의 구체예들은 이와 같은 구체적인 세부사항들 없이도 수행될 수 있다. 다른 경우에, 주지의 방법, 구성, 기술은 본 발명의 기술을 이해하는 것을 방해하지 않도록 하기 위하여 세부적으로 기술되지 않았다.
따라서, 본 발명의 바람직한 구체예로 이해되는 것을 기술하였으나, 당업자들은 다른 또는 추가적인 수정이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이고, 이와 같은 모든 변화 및 수정이 본 발명의 권리범위에 포함된다. 예를 들어, 상기한 어떠한 식들도 단순히 사용되는 공정을 표현할 뿐이다. 기능화는 블록 다이어그램에서 추가 또는 제외될 수 있고, 작동은 기능화 블록들 사이에서 상호 변화될 수 있다. 단계는 본 발명의 권리범위 내에서 방법에 추가 또는 제거될 수 있다.

Claims (35)

  1. 개방 루프 구조에 배치된 데이터 수집 모듈(31), 복조 모듈(32) 및 대기 관측 알고리듬 모듈(33)을 포함하고,
    상기 데이터 수집 모듈(31)은 기준클럭(418), 상기 무선항법 신호를 수신하고, 이로부터 복수의 중간 주파수(IF) 샘플(r)을 생산하며, 각 IF 샘플은 상기 기준 클럭(418)으로부터 유도되는 연관 타임 태그(TOW)를 갖도록 배치된 데이터 수집 모듈(31)을 포함하고,
    복조 모듈(32)은 위성 시스템과 연관된 상기 IF 샘플(r) 및 연관 타임 태그(TOW) 및 보조 데이터(35)를 수신하고, 이로부터 상관기 값(Yi)를 생성하도록 배치되고, 및
    대기 관측 알고리듬 모듈은 상기 상관기 값(Yi)를 수신하고, 이로부터 대기측정값을 생성하는 것을 특징으로 하는
    무선항법 시스템의 위성 탐재 송신기로부터의 적어도 하나의 무선항법 신호에 기초한 대기측정값을 생성하기 위한 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 데이터 수집 모듈(31)은 각 IF 샘플(r)을 태그된 IF 샘플(r)로 도출하도록 배치되고, 각 태그된 IF 샘플(r)은 각 타임 태그(TOW)로 태그된 IF 샘플(r)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복조 모듈(32)은 상기 태그된 IF 샘플(r)을 수신하도록 배치되되, 복조 모듈(32)에 의하여 생성되는 각 상관기 값(Yi)은 각 타임 태그(TOW)와 연관되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 수집 모듈(31)은 IF 샘플(r)을 생성하기 위한 아날로그 디지털 변환기(ADC)(416)를 포함하고, ADC는 기준 클럭(418)에 연관되고, 이의 타이밍 하에서 IF 샘플(r)을 생성하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 수집 모듈(31)은 각 IF 샘플(r)들에 동조하여 상기 타임 태그(TOW)를 도출하기 위하여 배치되는 타임 태깅 모듈(420)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 수집 모듈(31)은 기준 클럭(418)에 연관된 타임 태깅 모듈(420)을 포함하고, 타임 태깅 모듈(420)은 로컬 타임을 나타내는 로컬 카운터로서 작동하도록 배치되고, 로컬 카운터의 카운트는 각 IF 샘플(r)이 생성됨에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 수집 모듈(31)은 무선항법 신호로부터 아날로그 IF 신호를 생성하기 위하여 배치되는 하양 변환기(410)를 포함하고, 하향 변환기(410)는 기준 클럭(418)의 출력값으로부터 유도되는 변환 신호에 기초하여 작동하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 데이터 수집 모듈(31)은 기준 클러(418)의 출력값을 수신하기 위하여 연관된 PLL(424)를 포함하고, PLL(424)은 하향 변환기(410)에 변환 신호를 제공하기 위한 VCO(426)를 유도하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 클럭(418)은 무선항법 신호의 거리 코드 칩(거리 코드 chip) 주기의 1/0 미만의 무선항법 신호의 타임 프레임을 갖는 정렬도(degree of alignment)를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 클럭(418)은 무선항법 신호의 타임 프레임을 갖는 정렬도를 갖고, 약 1 나노초의 정확도로 타임 태그의 생성을 위하여 예측 시간을 전파하기 위하여 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 클럭(418)은 초기 타임 태그에 대응하는 초기 공조점으로부터 미래 시점으로 전파하기 위하여 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 클럭(418)은 완벽하게 모델화된 클럭을 포함하고, 상기 타임 태그는 기결정된 샘플 주기를 사용하여 과거 신호 공조점으로부터 전파된 시간 신호로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제1항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 클럭(418)은 디시플린 오실레이터(disciplined oscillator)를 포함하고, 디시플린 오실레이터는 내부 오실레이터를 포함하고, 외부 주파수 기준으로부터 디시플리닝 클럭 신호(disciplining clock signal)를 수신하기 위하여 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 시스템은 초기화 위상 및 데이터 수집 위상에서 작동 가능하고, 기준 클럭(418)은 디시플린 오실레이터에 의한 디시플리닝(disciplining)이 초기화 위상에서 활성화되고, 데이터 수집 위상에서 비활성화되도록 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 외부 주파수 표준은 GNSS 신호 및 디시플린 오실레이터(GPSDO) 신호 중 하나에 의하여 제공되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 클럭(418)은 미지 변수의 라이브 모델링이 클럭 예측 알고리듬을 사용하여 수행되는 자유 실행 클럭(free running clock)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 기준 클럭(418)은 예측된 클럭 변수를 측정하고, 및
    예측된 클럭 변수에 기초한 초기 공조점으로부터 타임 태그를 정확하게 전파하도록 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 예측된 클럭 변수는 의 제1 세트의 위성 탑재 송신기로부터의 무선항법 신호로부터 측정되고, 상기 데이터 수집 모듈(31)에 의하여 수신된 무선항법 신호는 제2 세트의 1 이상의 위성 탑재 송신기로부터 수신되고, 제1 및 제2 세트는 위성 탑재 송신기를 공통으로 갖지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 보조 데이터(35)는 수신기 관련 변수(Rec.)를 포함하고, 수신기 관련 변수는 지면 중심 및 지면 고정 프레임의 수신기 안테나(402)의 개별적으로 연속적인 궤적을 나타내는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 보조 데이터(35)는 송신기가 장착된 위성의 궤도 변수(S.V.)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 궤도 변수(S.V.)는 방송 궤도력을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 방송 궤도력은 GNSS 궤도력 또는 정확한 궤도력을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 보조 데이터(35)는 궤도력 정보(ATM)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 복조 모듈(32)은 타임 태그(TOW)와 수신기 관련 변수(Rec.)를 수신하고, 수신기 관련 시간 지연값(δtRX)을 출력하기 위한 사용자 수신기 모델(504)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 복조 모듈은 우주선 모델(space vehicle model(506)을 포함하고, 상기 우주선 모델은 타임 태그(TOW) 및 궤도 변수(S.V.)를 수신하고, 우주선 관련 시간 지연값(δtSV)를 생성하기 위하여 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 제24항에 따를 경우, 복조 모듈(32)은 대기 모델(508)을 포함하고, 상기 대기 모델은 타임 태그(TOW), 수신기 관련 시간 지연값(δtRX), 우주선 관련 시간 지연값(δtSV) 및 궤도력 정보(Atm.)를 수신하고, 대기 관련 시차값(δtA)을 출력하기 위하여 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  27. 제25항에 있어서, 제24항에 따를 경우, 복조 모듈(32)은 수신기 관련 시차값(δtRX)과 우주선 관련 시차값(δtSV)의 합을 포함하는 제1 합(512)을 생성하고, 신호 관련 시간 지연값(tSIG)을 생성하기 위하여, 상기 제1 합(512)와 대기 관련 시차값(δtA)의 합을 포함하는 제2 합을 생성하기 위하여 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 복조 모듈은 신호 지연(tSIG)을 수신하고, DMF(102)로의 입력을 위한 예측값(
    Figure pct00064
    )을 생성하기 위하여 배치되는 코드 및 캐리어 MCO를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 대기 관측 알고리듬 모듈(33)은 위상 처리 재구성 알고리듬(phase process reconstruction algorithm)을 포함하고, 상기 위상 처리 재구성 알고리듬은
    이전 위상 예측값에 의하여 현재 상관기 값(Yi)을 역회전하는 단계;
    판별기를 이용하여 잔여 위상(φ)를 예측하는 단계; 및
    현재의 위상(θ)를 이전 위상 및 현재 잔여 위상(φ)의 합으로 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  30. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 대기 관측 알고리듬 모듈(33)은 위상차 처리 알고리듬을 포함하고, 상기 위상차 처리 알고리듬은 다음을 사용하여 위상차를 재구성할 수 있게 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템:
    Figure pct00065
    .
  31. 제30항에 있어서,
    Figure pct00066
    는 φ를 위한 값을 생성하기 위하여 다음과 같이 주어지는 필터를 사용하여 Δ[n] 값으로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 시스템:
    Figure pct00067
    .
  32. 제31항에 있어서,
    Figure pct00068
    는 다음의 함수를 사용하여
    Figure pct00069
    로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 시스템:
    Figure pct00070
    .
  33. 무선항법 시스템의 위성 탑재 송신기로부터의 적어도 하나의 무선항법 신호에 기초하여 대기측정값을 생성하기 위한 방법이되,
    상기 방법은
    개방 루프 구조에 배치된 데이터 수집 모듈(31), 복조 모듈(32) 및 대기 관측 알고리듬 모듈(33)을 제공하되, 데이터 수집 모듈(31)은 기준 클럭(31)을 포함하는 단계;
    데이터 수집 모듈(31)을 사용하여 상기 무선항법 신호를 수신하고, 이로부터 복수의 중간 주파수(IF) 샘플(r)을 생성하되, 각 IF 샘플은 상기 기준 클럭(418)로부터 유도되는 연관 타임 태그(TOW)를 갖는 단계;
    복조 모듈(32)를 사용하여 상기 위성 시스템에 연관된 상기 IF 샘플(r) 및 연관 타임 태그(TOW) 및 보조 데이터를 수신하고, 이로부터 상관기 값(Yi)을 생성하고, 이로부터 상기 대기 측정값을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정방법.
  34. 처리 회로에 의하여 실행되기 위하여 지시사항을 정의하거나 또는 지시사항으로 번역될 수 있는, 및 적어도 청구항 제32항의 단계들에 대응되는 데이터를 기록 또는 저장하는 기록가능하고, 재작성 가능하고, 또는 저장 가능한 수단.
  35. 통신 장치 및 메모리 장치를 포함하고, 처리 회로에 의하여 실행하기 위한 지시를 정의하거나, 이로 번역될 수 있는, 및 적어도 청구항 제32항의 단계들에 대응되는 데이터를 요구가 있을 때, 또는 그 외에 전달하기 위하여 배치되는 것을 특징으로 하는 서버 컴퓨터.
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