KR20180056404A - 무선 통신망을 이용한 gnss 신호의 전송 - Google Patents

무선 통신망을 이용한 gnss 신호의 전송 Download PDF

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KR20180056404A
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gnss
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리오넬 리
프랑수아 자비에 마흐메트
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쌍트르 나쇼날 데튜드 스파씨알르 (쎄 엔 어 에스)
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Abstract

본 발명은 무선 RF 통신 표준을 사용하여 비-GNSS 신호를 송신하기 위한 액세스 포인트에 관한 것으로, 상기 액세스 포인트는 비-GNSS 신호의 송신 전용의 적어도 하나의 통신 채널에서 GNSS형 신호를 송신하도록 더 구성되고; 액세스 포인트 기반 구조는 상기 액세스 포인트들 중 적어도 하나를 포함하며; 상기 수신기는 상기 GNSS 무선 신호에 전용인 통신 채널에서 적어도 하나의 GNSS형 신호를 수신하고, 그 위치를 결정하도록 상기 GNSS형 신호를 사용한다.
본 발명은 또한 상기 액세스 포인트 아키텍처 내의 적어도 하나의 수신기 및 위치 결정을 위한 관련 방법을 포함하는 위치 확인 시스템에 관한 것이다.

Description

무선 통신망을 이용한 GNSS 신호의 전송{TRANSMISSION OF GNSS SIGNALS USING A RADIO COMMUNICATION NETWORK}
본 발명은 실내 로컬리제이션(localization) 분야에 적용된다. 특히, 본 발명은 RF 무선 통신 네트워크에 통합될 수 있는 위치결정 시스템을 기술한다.
관련 기술의 다양성으로 인하여 위치결정 기술, 특히 실내 위치결정 기술에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 적용에는 쇼핑몰, 경기장 또는 주차장과 같은 공공장소에서의 위치 기반 서비스(Location Based Service: LBS)가 있으며, 실내 위치결정 시스템은 사용자의 프로필과 실제로 일치하는 콘텐츠를 제공할 수 있다. 예를 들어 창고에서 로봇을 제어하고, 경로 찾기 응용 프로그램, 증강 현실 및 기타 여러 가지 기능을 수행하는 것과 같은 기계 제어가 이러한 기능 중 하나이다. 관련성을 높이려면 실내 로컬리제이션이 매우 정밀하고 정확해야 한다.
GNSS(Global Navigation Satellite System: 글로벌 내비게이션 위성 시스템의 약자) 위치결정 기술은 오랫동안 사용되어 개선되어 왔다. 두 개(GPS 및 러시아 GLONASS)의 글로벌 내비게이션 위성 시스템(GNSS)은 수년간 전개되었으며 다른 두 가지는 전개되고 있다(중국 Beidou 항법 위성 시스템 및 유럽 Galileo 시스템). GNSS 위치결정 기술은 정확하고 신뢰할 수 있는 위치결정을 제공하지만(일부 구성에서는 1m 미만의 정밀도에서) 수신기가 여러 위성의 시야선에 존재하는 환경에서 작동해야 한다. 전체 위치, 속도 및 시간 추정(PVT)을 검색하려면 수신기는 적어도 4개의 위성과 함께 시야에 있어야 한다. 해결해야 할 불확실성의 수가 줄어들면 시야에 있는 위성의 수가 줄어들 수 있다. 예를 들어, 해결할 하나 이상의 변수(3D 위치 및 시간 정보인 변수)가 다른 신호 또는 고정밀 시계, 고도계 등과 같은 센서에 의해 제공될 때 시야에 있는 4개 미만의 위성으로 전체 PVT 산출을 계산할 수 있다.
예를 들어 도시 환경과 같이, 전파 상황이 환경으로 인한 반사를 포함하는 경우, GPS 로컬리제이션의 품질은 수십 미터 정도로 저하된다. 또한, 반송파 파장으로 인해 GNSS 위치결정 신호는 지붕이나 벽과 같은 건축 자재를 통과할 때 전력을 크게 잃게 된다. 이러한 이유로, 또한 위성 레벨에서의 송신 전력 레벨 제한 및 수신기와 위성을 분리하는 높은 거리 때문에, 수신기와 위성 간의 직접적인 가시성이 없는 실내 환경에서의 위치파악을 위해 GPS 신호에 의존한다는 것은 거의 불가능하다.
실내 로컬리제이션을 제공하기 위해, 애드혹(ad-hoc) 실내 솔루션이 지난 몇 년 동안 개발되었다. 이러한 기술은 신호 강도와 같은 다른 정보와 결합되거나 결합되지 않은 지역을 찾기 위해 기회 신호(와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth)™, 셀 타워 ID, 디지털 TV)의 사용에 주로 의존하지만 정확도가 떨어진다. 다른 기술은 실내 서비스에 매우 적합한 관성 센서의 사용에 의존하지만, 비용이 많이 들고, 정확하고 빈번한 교정이 필요하며 시간 종속적인 결과를 제공한다. 초광대역(Ultra Wide Band)과 같은 다중 경로 환경에서 정확한 결과를 제공하는 특정 기술도 개발되었다. 이들은 무선 주파수(RF) 스펙트럼 소비의 단점을 보여 주므로 제한적인 규제 조치의 대상이 되며 수신기 무선 주파수 체인의 설계에 중요한 제약을 추가한다.
다른 실내 솔루션은 GNSS 위치결정 기술로부터 직접 유도된다. 예를 들어, 의사 위성(pseudolite)으로 알려진 지상 송신기는 실내 위치의 다양한 지점에 배치되어 적어도 4개의 GNSS형 신호를 전송할 수 있다. 중계기라고 하는 다른 장비는 실외에 위치한 안테나에서 GNSS 신호를 수집하고 이 신호를 다른 중계기와 번갈아 증폭 및 전송하도록 구성된다. 수신기는 GNSS 신호로부터 안테나의 위치 및, 명확한 송신기에 의해 생성된 연속적인 방사 사이의 각 위성과 관련된 의사 거리 측정치의 진화 평가로부터 중계기에 상대적인 위치를 얻는다. 또한, 중계소(repealite)라고 하는 공지된 장비가 있는데, 외부 안테나로부터 GNSS 신호를 획득하고, 상기 신호를 연속적으로 증폭 및 전송하며, 각 중계소는 신호를 재전송하기 전에 특유의 지연을 추가로 삽입한다.
이들 각각의 해결책은 그 자체의 장점 및 단점을 가지나, 정확한 결과를 제공한다. 그러나 이러한 솔루션(pseudolite, repeater 또는 repealite) 중 하나의 전개는 신호를 전송하기 위해 많은 수의 전용 장비를 실내에 설치해야 하므로 비용이 많이 든다. 또한, GNSS 전송에 전용인 반송파 주파수에서 지상국으로부터 전송하는 것은 기존의 GNSS 네트워크 신호를 교란시키지 않기 위해 주요한 규제 제약을 받는다. 신호가 다른 주파수 대역에서 전송되는 경우, 사용자는 호환 가능하도록 이 용도로 특별히 지정된 장비를 구입하고 휴대하고 사용할 수 있다. 다른 주파수를 사용하여 전송된 GNSS 신호와 호환되도록 예를 들어 스마트폰과 같은 표준 수신기에 추가 수신 모듈을 통합하는 것은 장비에 어느 정도의 공간을 차지하고 전력을 소비하기 때문에 문제가 된다.
오늘날, 대부분의 공공장소(쇼핑 센터, 공항, 극장, 주차장 등)를 포함하는 도시 또는 근교 공간은 다수의 무선 RF 통신 표준 중 적어도 하나에 의해 커버된다. 이러한 통신 표준의 예는 인터넷 연결을 위한 무선 인터넷 네트워크, 블루투스™ 네트워크, 비디오 방송 표준(예를 DVB-T(ETSI EN 300 744) 또는 DVB-T2(ETSI EN 302 755)), 및 모바일 네트워크(2G, 3G, 4G, 5G)이다. 이러한 네트워크 전용 주파수 대역에서의 전송은 규제가 없거나 적어도 GNSS 주파수 대역에서의 전송보다 규제 제약 조건이 낮을 수 있다.
또한, 현재 시장에서 입수 가능한 휴대폰의 대부분은 이러한 통신 표준을 이용하도록 전용화된 칩이 장착되어 있다: 스마트폰은 항상 2G, 3G, 4G, GPS, 와이-파이(IEEE 802.11) 및 블루투스™ 표준을 통해 통신하는 수단을 포함한다.
따라서, GNSS 및 이미 배치된 장비와 같은 표준화된 솔루션에 기초하여 제한된 비용으로 정확한 실내 위치파악 서비스를 제공할 수 있는 솔루션이 필요하다.
본 발명의 목적은 GNSS 신호를 송신하기 위해 비-GNSS 신호를 송신하도록 의도되고 이미 광범위하게 배치된 송신기를 이용하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 GNSS 신호를 수신하기 위한 수신기의 다중 표준 특징으로부터 이익을 얻는 것이다. 본 발명은 또한 이 GNSS 위치파악 기술 및 개념을 기반으로 실내 환경 또는 GNSS 신호가 크게 교란되는 도시 협곡과 같은 환경에서의 정확한 위치 결정을 가능하게 하는 시스템 인프라 구조를 포함하며, 전송하는 수신하는 기존의 장비에 한정적인 수정만을 필요로 한다. 따라서, 그러한 시스템은 신속하고 저비용으로 구현될 수 있다.
이 효과를 위해, 본 발명은 무선 RF 통신 표준을 사용하여 비-GNSS 신호를 송신하기 위한 액세스 포인트를 개시하며, 상기 액세스 포인트는 또한 비-GNSS 신호의 송신에 전용인 적어도 하나의 통신 채널에서 비-GNSS 신호 이외에 GNSS형 신호를 송신하도록 구성된다.
유리하게는, 무선 RF 통신 표준은 와이-파이, 블루투스 ™, 3G, 4G 및 5G 표준 중에서 선택된다.
본 발명에 따른 송신기의 GNSS형 신호는 의사 랜덤 코드에 의해 변조된 내비게이션 메시지를 포함하고, 표준 GNSS 반송파 주파수와 다른 반송파 주파수로 송신된다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 액세스 포인트는 GNSS형 신호들을 생성하기 위한 계산 회로 및 GNSS형 신호들과 비-GNSS 신호들을 동일한 신호로 결합하기 위한 결합기를 더 포함한다. 다른 실시예에서, 이는 GNSS형 신호를 나타내는 비트스트림을 생성하기 위한 계산 회로를 포함한다.
본 발명에 따른 액세스 포인트에서, GNSS형 신호 및 비-GNSS 신호는 시간 또는 주파수 분할 다중화 기술 중 하나를 사용하여 다중화된다.
일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 액세스 포인트는 비-GNSS 네트워크를 통한 요구를 수신할 때 상기 GNSS형 신호를 송신하도록 더 구성된다.
다른 실시예에 따르면, GNSS 신호로부터 내비게이션 메시지를 검색하고, 상기 내비게이션 메시지를 GNSS형 신호 및 비-GNSS 신호 중 하나를 사용하여 다른 액세스 포인트로 송신하도록 더 구성된다.
본 발명은 적어도 하나의 비-GNSS 액세스 포인트에 의해 송신된 GNSS형 신호를 사용하여 영역 상의 위치를 결정하는 방법을 구현하기 위한 액세스 포인트 기반 구조를 더 개시하며, 상기 액세스 포인트 기반 구조는 본 발명에 따르는 적어도 하나의 액세스 포인트를 포함하며, 이 액세스 포인트는 적어도 하나의 GNSS형 신호가 그 영역의 임의의 위치에서 수신될 수 있도록 배치된다.
바람직하게는, 상기 액세스 포인트는 공통 시간 기준에 걸쳐 동기화된다.
본 발명은 또한 GNSS 및 비-GNSS 무선 RF 신호를 수신하도록 구성된 수신기를 개시하고, 상기 수신기는 상기 비-GNSS 무선 신호에 전용인 통신 채널에서 적어도 하나의 GNSS형 신호를 수신하고, 상기 GNSS형 신호를 사용하여, 상기 액세스 포인트들의 위치에 대한 상기 수신기의 위치를 결정하도록 추가로 구성된다.
수신기의 일 실시예에 따르면, 그 위치는 상기 GNSS형 신호들 중 적어도 4개를 사용하여 결정된다.
수신기의 다른 실시예에 따르면, 그 위치는 상기 적어도 하나의 GNSS형 신호 및 다른 장치들로부터 검색된 정보, 예컨대 정확한 시계 또는 고도계를 사용하여 결정된다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 수신기는 GNSS 신호를 수신하고 처리하기 위한 프론트-엔드 모듈 및 계산 회로를 포함한다. 또한 프론트-엔드 모듈과 비-GNSS 신호를 수신하고 처리하는 계산 회로로 구성된다. 수신기는 비-GNSS 프론트-엔드 모듈을 사용하여 적어도 하나의 GNSS형 신호를 수신하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 수신기는 GNSS 계산 회로를 사용하여 상기 적어도 하나의 GNSS형 신호를 처리하여 의사 거리를 계산하고 상기 수신기의 위치를 결정하도록 구성된다. 대안적으로, 본 발명에 따른 수신기는 의사 거리를 계산하고 GNSS형 신호로부터 위치를 결정하기 위한 전용 계산 회로를 포함한다.
본 발명은 복수의 비-GNSS 액세스 포인트를 사용하여 전송된 GNSS형 신호로부터 위치를 결정하기 위한 위치 확인 시스템을 더 개시하며, 상기 위치 결정 시스템은,
Figure pat00001
본 발명에 따른 액세스 포인트 기반 구조 및
Figure pat00002
본 발명에 따른 적어도 하나의 수신기를 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 위치 결정 시스템에서, 적어도 하나의 수신기는 GNSS형 신호 및 기준 정보로부터 획득된 의사 거리 측정치로부터 의사 거리 잔류치들을 계산하고, 액세스 포인트에 대한 지연을 계산하고 상기 비-GNSS 신호를 사용하여 상기 지연을 전송하는 것을 담당하는 컴퓨팅 서버에 상기 의사 거리 잔류치들을 전송하도록 구성된다.
본 발명은 또한 무선 RF 통신 표준을 사용하여 비-GNSS 신호를 송신하도록 구성된 적어도 하나의 액세스 포인트와, GNSS 및 비-GNSS 무선 신호를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 수신기를 포함하는 위치 확인 시스템을 배치하는 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 방법은,
Figure pat00003
비-GNSS 신호들의 전송에 전용인 적어도 하나의 통신 채널에서 상기 비-GNSS 액세스 포인트들 중 적어도 하나로부터 GNSS형 신호들을 전송하는 제1 단계
Figure pat00004
상기 비-GNSS 신호들의 전송에 전용인 적어도 하나의 통신 채널에서 상기 수신기에 의해 상기 GNSS형 신호들을 수신하고 관련된 의사 거리 측정치를 결정하는 제2 단계,
Figure pat00005
상기 의사 거리 측정치를 사용하여 상기 액세스 포인트의 위치에 대한 상대적인 위치를 계산하는 제3 단계를 포함한다.
본 발명 및 그 장점들은 다수의 예시적인 실시예들 및 그 첨부된 도면들에 대한 다음의 설명으로부터 이해될 것이다:
도 1a, 1b 및 1c는 종래 기술에 따라 GNSS 통신 시스템이 동작하는 방식을 간략하게 설명한 도시도;
도 2a는 종래 기술에 따른 RF 송신기의 전체 구조를 도시하고,
도 2b 내지 2f는 본 발명에 따른 송신기의 다양한 실시예를 나타낸 도시도;
도 3a 및 3b는 종래 기술에 따른 RF 수신기의 전체 아키텍처를 도시하고,
도 3c 내지 3f는 본 발명에 따른 수신기의 다양한 실시예를 나타낸 도시도;
도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 위치 결정 시스템의 다양한 실시예를 나타낸 도시도;
도 5는 본 발명에 따른 위치결정 신호를 송신 및 수신하기 위한 방법의 흐름도이다.
본 명세서에 개시된 예는 단지 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 보다 넓은 관점에서의 본 발명은 도시되고 설명된 특정 세부 사항, 대표적인 방법 및 예시적인 실시예에 한정되지 않는다.
이하에서는 2.4㎓ 주파수에서 동작하는 와이-파이 표준에 특히 주의를 기울일 것이며, 이 표준은 본 발명에 유리하게 적합하고 L1 GPS 대역인 1.6㎓에서 GNSS 통신에 적합하므로, 무선 통신 및/또는 GNSS 표준의 기술 분야의 당업자라면 임의의 다른 무선 통신 표준 또는 반송파 주파수로 동일한 방식으로 본 발명을 용이하게 적응시킬 수 있을 것이다.
도 1a, 1b 및 1c는 종래 기술에 따라 GNSS 통신 시스템이 동작하는 방식을 간략하게 설명한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 기존의 GNSS 위치결정 신호는 일반적으로 송신기와 의사 거리를 계산하기 위해 수신기에 의해 요구되는 다양한 정보를 포함하는 내비게이션 메시지(101)로 만들어진다. 내비게이션 메시지는 명확한 PRN(Pseudo Random Noise) 코드를 사용하는 각 위성으로 PRN코드(102)로 변조되어, GNSS 수신기가 하나의 특정 위성으로부터 발신된 신호를 분리할 수 있다. 일단 PRN 코드로 확산되면, 내비게이션 메시지는 송신되기 전에 반송파 주파수(103)로 변조되고 시프트된다.
도 1b는 레거시 민간 GPS 위치 확인 시스템(GPS L1C/A)에서 사용되는 내비게이션 메시지의 구조를 도시한다. 내비게이션 메시지는 프레임들(111, 112, 113)로 분할되고, 프레임들은 차례로 서브프레임들(121, 122, 123, 124 및 125)로 분할된다.
모든 서브프레임은 HOW(Handover word) 필드(131)에서 전송된 정확한 시간 정보를 포함한다. 각 서브프레임은 특히 천체력(132, 133)정보와 알마냑(134, 135)정보라 불리는 특별한 정보를 포함한다.
상기 천체력은 컨스텔레이션의 여러 위성의 위치를 제공한다. 이 정보는 부분적으로 전송되며 전체 천체력 및 관련 시간 데이터를 검색하는 데 보통 약 30 초가 소요된다. 상기 알마냑은 수신기가 시야에 없는 위성에 대한 거친 도플러 이동, 방위각 및 고도를 계산할 수 있도록 컨스텔레이션의 각 위성에 대한 거친 궤도 및 상태 정보를 제공한다.
도 1c는 반송파 주파수에 대해 기존의 GNSS 위치결정 시스템에서 사용되는 변조에 대한 전력 스펙트럼 밀도의 예를 도시한다.
대부분의 GNSS 표준은 정확도 및 스펙트럼 점유 요건에 따라 BPSK(Binary Shift Keying) 또는 BOC(Binary Offset Carrier) 변조 중 하나를 사용한다.
BPSK 스펙트럼(140)은 대부분의 에너지가 반송파 주파수 부근에 포함되어 있음을 알 수 있다. BPSK 변조는 구현하기 쉽고 강건하며 공지되어 있으며 모호성 없이(상관 함수 2차 피크없이) 자기 상관 기능을 제공한다.
BOC 신호를 생성하는 것은 추가적인 부반송파에 의해 신호의 반송파를 변조함으로써 이루어진다. 이러한 부가적인 변조의 결과로서, BOC 스펙트럼(141)은 공칭 반송파 주파수의 양측에 분포된 2개의 측 대역에서 분할되고, 주파수 분리는 부반송파 주파수의 2배이다. 신호의 각 로브는 독립적으로 BPSK 스펙트럼으로 생각될 수 있다. BOC 변조는 BPSK 변조보다 높은 정확도에 도달할 수 있지만 더 많은 대역폭을 사용하고 모호성(2차 피크)이 있는 상관 함수로 연결된다. BOC 변조에는 스펙트럼(142) 또는 AltBOC(Alternative BOC)로 표시되는 사인 BOC, 코사인 BOC, 다중화 BOC(MBOC) 등 여러 가지 변종이 있다. 본 발명은 변조 및 변조 파라미터의 선택이 무엇이든간에 동일하게 적용된다.
수신기 아키텍쳐의 사양은 수년간의 연구개발의 혜택을 받은 위치를 계산하여 상당한 수준의 성숙도에 도달하도록 요구되었다. 공지된 간섭 및 저하(예: 간섭, 다중경로반사 등)등과 같은 장애를 경감하거나 계산 속도 및/또는 위치결정 정확도(센서 융합 알고리즘, 스냅 샷 위치결정, ...)를 향상시키려는 기술 브릭은 소프트웨어 또는 하드웨어에 관계없이 알려져 있고 효율이 좋다. 결과적으로, 실내 환경에서 GNSS 위치결정 시스템을 사용하는데 있어서 남은 주요 문제는 신호 강도가 반드시 건물 벽을 넘을 정도로 강하지 않다는 사실에서 비롯된 것이다. 벽을 횡단하면 측정의 정밀도가 떨어지는 것이 관찰되었다.
본 발명은 실내 환경에서 비-GNSS 송신기에 의해 송신된 GNSS형 신호를 사용하는 것을 제안한다. GNSS형 신호는 표준 GNSS 신호로, 반송파 주파수로 변조된 의사 코드로 변조된 탐색 메시지를 포함한다. 이러한 GNSS형 메시지는 위성이 아닌 액세스 포인트에 의해 GNSS 표준에 따라 할당된 반송파 주파수와 다른 주파수인 [1164㎒ - 1264㎒], [1215㎒ - 1254㎒], [1260㎒ - 1300㎒], [1559　㎒ - 1610㎒], [2483.5㎒ - 2500㎒], 및 [5010㎒ - 5030㎒] GNSS 주파수 대역에서 전송된다. 그러나, 예를 들어 PRN 코드 또는 칩 속도의 길이, 신호 변조 등인 내비게이션 메시지의 크기 및 내용과 같은 GNSS형 신호의 파형 파라미터는 사용 사례에 더 잘 맞도록 수정될 수 있다. 특히, PRN 코드의 칩 레이트를 수정하는 것은 비-GNSS 송신기에 의해 처리되는 대역폭에 신호의 대역폭을 적응시키는 것으로 간주될 수 있다. 이러한 수정은 비표준 또는 고도로 구성 가능한 GNSS 수신기를 사용해야 한다.
송신기와 수신기 사이의 낮은 거리 및 송신된 신호 전력 레벨의 낮은 제약은, 어떤 벽을 넘어야 하더라도, 신호가 실내 또는 교란된 환경에서 안전하게 수신될 수 있음을 의미한다. 본 발명은 기존의 RF 무선 송신기를 사용하여 신호를 송신하고 따라서 이들 송신기의 커버리지 및 기존의 인프라/네트워크로부터 이익을 얻는 것을 제안함에 따라 의사위성(pseudolites)과 다르다. 대부분의 수신기가 더 이상 특정 표준에 전용이 아니라 다양한 통신 표준에 적용하므로 GNSS와 유사한 신호를 처리할 수 있다.
도 2a는 예를 들어 와이-파이 송신기 같이 액세스 포인트라고도 불리는 비-GNSS RF 무선 송신기(200)의 전체 아키텍처를 개략적으로 나타낸다. 다음에서 비-GNSS 라는 용어는 처음에 위치를 정확하게 결정하지 않고 반드시 위성을 의미하지는 않는 모든 장비 또는 통신 표준을 지칭한다. 예를 들어, 표준의 일부가 거리 측정치를 포함할지라도, 처음으로 사용자 간에 데이터를 전송하는 통신 표준은 비-GNSS 표준으로 간주된다. 비-GNSS 표준 중에는 예를 들어 와이-파이, 블루투스, GSM/2G, 3G, 4G/LTE, 5G, DVB-T, DVB-S 등이 있고, GNSS 장비 중에는 GPS, Galileo, Beidou, GLONASS 네트워크 등이 있다.
송신기(200)는 3개의 주요 블럭을 포함한다. 제1 블록(201)은 다른 통신 계층에 의해 제공된 정보와 함께 유용한 데이터 페이로드를 포함하는 데이터 패킷의 형태로 비트스트림을 생성한다. 일반적으로, 이들 데이터 패킷은 MAC 계층의 출력에 대응한다.
제2 블록(202)은 데이터 패킷을 변조하고, 동기화 및 채널 추정을 위한 헤더 또는 파일럿 시퀀스와 같은 PHY 계층에 관한 신호 프레임 정보를 삽입하는데 사용된다. 이 블럭의 출력은 일반적으로 디지털에서 아날로그로 변환되고, 반송파 주파수를 통해 신호를 필터링하고 전치시키는데 사용되는 Tx 체인인 제3 블록(203)에 의해 처리된다. 신호는 증폭기(205)에 의해 증폭되고 안테나(206)를 사용하여 전송된다.
2개의 제1 블럭(201 및 202)은 일반적으로 소프트웨어 재프로그램 가능한 계산 장치(마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러, 디지털 신호 프로세서(DSP) 등) 또는 전용 계산 장치(FPGA: Field Programmable Gate Array, 주문형 집적 회로(ASIC), 등)이다. 제3 블록(203)은 일반적으로 아날로그이지만, 이 제3 블록의 일부는 디지털일 수 있다.
본 발명은 와이-파이 액세스 포인트와 같은 비-GNSS 송신기 아키텍처에 대한 최소 조정을 수행하여 통신 채널을 사용하여 GNSS형 신호를 상기 비-GNSS 통신 채널을 사용하여 정규 송신에 추가하여, 실시예에 따라서는 상기 통신채널이 상기 비-GNSS 통신 시스템의 시간 또는 주파수 자원인 통신 채널을 사용하여 송신할 수 있게 하는 것을 제안한다. 본 발명에 따르면, 예를 들어, 와이-파이 액세스 포인트 또는 블루투스 장비는 SSID(Service Set Identifier)의 방송에 부가하여 비-GNSS 정보를 방송하도록 구성될 수 있다.
도 2b는 본 발명에 따른 송신기의 제1 실시예를 나타내며, 여기서 GNSS형 신호는 아날로그 RF 레벨에서 비-GNSS 신호와 결합된다.
3개의 새로운 블럭들(211, 212 및 213)은 내비게이션 메시지를 포함하는 GNSS형 비트스트림을 생성하기 위해 사용되며, PRN 스프레딩 코드를 부가하고, 신호를 변조하고, 반송파 주파수를 대한 신호의 필터링 및 전치를 최종 증폭까지 수행한다.
블록(211 및 212)은 신호를 생성하기 위해 장비(즉, 추가의 DSP, FPGA 또는 ASIC)에 특정 하드웨어를 추가하는 것을 요구할 수 있지만, 기존의 하드웨어 플랫폼상에서 별도의 소스 코드를 실행함으로써 수행될 수도 있다. 이 경우 하드웨어 플랫폼을 수정하지 않고 펌웨어 업데이트만 필요로 한다. 그러나, 본 발명을 구현하기 위해, 블럭(213)은 송신기에 무선 체인을 추가할 것을 요구한다.
GNSS형 신호 및 비-GNSS 신호는 RF 결합기(214)를 통해 함께 결합되어 결과 신호가 GNSS형 신호 및 비-GNSS 신호 모두를 포함한다. 결합기의 출력은 증폭되어 전송된다. RF 결합기는 2개 또는 다수의 신호를 하나의 신호로 결합하는 RF 장비이다.
적절한 경우, 예를 들어, 와이-파이 신호가 다양한 주파수 채널을 사용하여 송신될 수 있는 와이-파이 송신기의 환경에서, GNSS 형 신호는 송신에 사용된 것과 다른 주파수 채널을 사용하여 비-GNSS 신호를 송신할 수 있다. 그러나, 증폭기(205) 및 안테나(206)의 대역폭이 비-GNSS 표준 대역으로 제한되므로, GNSS형 신호는 이 비-GNSS 대역으로 전송되어야 한다. 이 경우, GNSS형 신호를 송신하는데 사용되는 통신 채널은 비-GNSS 자원의 주파수 대역이다. 상이한 반송파 주파수들에 걸친 2개의 신호들의 이러한 동시 전송은 원래 함께 다중화되도록 의도되지 않은 2개의 신호들을 통해 수행되는 주파수 분할 다중화(FDM)이다. 이러한 처리는 비-GNSS 대역 내에서 FDM(주파수 분할 다중화) 기술과 비교될 수 있다. 바람직하게는, GNSS형 신호는 다중 주파수 대역을 통해 동시에 송신될 수 있다.
대안적으로, GNSS형 및 비-GNSS 신호는 동일한 반송파 주파수상에서 결합될 수 있다. GNSS형 신호는 PRN 시퀀스에 의해 확산되기 때문에 신호 전력 레벨이 잡음 레벨보다 훨씬 낮을 때 조차도 복조될 수 있으며 이때 잡음은 수신기로 인한 백색 잡음과 비-GNSS 신호로 구성된다. 따라서, 두 신호는 동일한 대역폭으로 동시에 전송될 수 있다. 비-GNSS 신호가 간섭에 강건한 경우(예를 들어 확산 자체를 사용하여), GNSS형 신호의 영향을 받지 않는다. 그렇지 않으면, GNSS형 신호는 비-GNSS 신호보다 낮은 전력 레벨에서 송신될 수 있으므로, 비-GNSS 신호에 야기된 간섭은 제한적이다. 신호의 상대적인 전력 레벨 또는 GNSS 유사 신호의 PRN 코드의 길이는 두 신호가 모두 수신될 수 있도록 결정되어야 한다. 이 경우, GNSS형 신호를 송신하는데 사용된 통신 채널은 시간 간격 및 비-GNSS 자원의 주파수 대역 둘 다이다.
도 2c는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예는 결합기(214)가 GNSS형 신호 및 비-GNSS 신호로부터 전송할 신호를 택일적으로 선택하는 스위치(224)로 대체된다는 것을 제외하고는 도 2b와 유사하다. 사실, GNSS 수신기는 지속적으로 동기화 위치를 추적하는 추적 루프를 기반으로 한다. 이러한 추적 루프는 비연속 트래킹(스냅 샷 위치결정)을 사용하여 신호중단 및/또는 위치결정 기술에 대해 견고하게 만들 수 있다. 또한, 실내 환경에서 수신기의 이동 속도는 매우 제한적이므로 추적 루프는 빠르게 변하지 않으며 제한된 시간 동안 GNSS형 신호가 수신되는 경우에도 작동할 수 있다.
비-GNSS 신호 전송과 관련하여, 통신 표준은 일반적으로 에러 정정 코드를 포함하고, 데이터 흐름의 부분적인 중단을 처리할 수 있다. 또한 대부분은 손실된 데이터 패킷을 추적하고 재전송하는 메커니즘이 포함된 IP(인터넷 프로토콜)를 기반으로 한다. 따라서 트래픽을 수시로 중단하면 네트워크의 전반적인 처리량과 평균 대기 시간은 줄어들지만 비-GNSS 메시지의 전송은 차단되지 않는다. GNSS형 신호 덕분에 로컬리제이션이 가능할 때 비-GNSS 네트워크의 처리량 감소가 수용될 수 있도록 스위치 속도를 결정해야 한다. 이 경우, GNSS형 신호를 송신하는데 사용되는 통신 채널은 비-GNSS 리소스의 시간 간격으로 이루어진다. 동일한 반송파 주파수를 통한 두 신호의 이러한 대체 전송은 원래 함께 다중화되도록 의도되지 않은 두 신호에 대해 수행되는 시분할 다중화(TDM)이다. 유리하게도, 비-GNSS 시스템이 TDNS(시분할 다중 액세스) 제어 액세스를 사용하여 리소스를 다른 사용자에게 그 네트워크를 할당할 때, GNSS형 신호를 전송하기 위한 특정 타임 슬롯이 예약될 수 있다. 따라서 이러한 타임 슬롯 동안 비-GNSS 신호를 방해해도 패킷 손실이 발생하지는 않는다. 예를 들어, 비-GNSS 시스템이 2G 네트워크인 경우, 시간 리소스를 특정 사용자에게 할당하는 것과 같이, GSM 프레임의 하나 또는 다수의 슬롯이 예약될 수 있다.
비-GNSS 무선 체인(203)이 (예를 들어, 소프트웨어로 정의된 무선과 같이) 재구성될 수있는 경우, 스위치(224)는 무선 체인의 업스트림으로 동작될 수 있다.
도 2d는 도 2c의 실시예에 가깝게, 즉 양 신호의 시간 멀티플렉싱을 수행하는 본 발명의 또 다른 가능한 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, GNSS형 신호는 비-GNSS 무선 체인(233)을 사용하여 전송된다. GNSS형 변조기는 무선 체인으로 전송되는 GNSS형 신호의 샘플링 속도가 비-GNSS 신호의 샘플링 속도와 동일하게 되도록 한다. 무선 체인(233)은 두 신호 소스로부터 교대로 선택되도록 수정되고, 두 시스템이 정확하게 동작하도록 스위치 레이트를 교대로 선택하여, 또는 GNSS형 신호가 비-GNSS 프레임의 예약된 타임 슬롯 중에 선택되도록 한다.
도 2d에 도시된 실시예에서, GNSS형 신호는 비-GNSS 신호를 필터링하도록 설계된 필터에 의해 필터링 된다. GNSS 대역에서 RF 스펙트럼의 20~40㎒ 대역 부분은 일반적으로 상기 신호 전용이다. 따라서, GNSS형 신호의 대역폭은 잠재적으로 비-GNSS 표준 채널의 크기로 감소될 것이다. 그러나 GNSS 신호 스펙트럼의 유용한 부분은 주요 로브에만 국한된다. 실제로, GNSS형 신호가 GPS L1C/A 용으로 사용된 것과 같은 BPSK 변조를 사용하여 전송될 때, 약 2㎒의 대역폭은 신호의 메인 로브를 수신하기에 충분하다. 신호가 BOC 변조를 사용하여 전송되면, 신호의 한 로브만을 전송할 수 있으며, 이는 3dB의 전력 레벨 손실을 가져 오지만 신호 사용을 배제하지 않는다. 따라서, 본 발명은 광범위한 표준들과 호환 가능하다(예를 들어, 와이-파이 채널들은 20 내지 22㎒, 3G 채널들은 5㎒, 4G 채널들은 1.4 내지 20㎒, DVB-T 채널들은 8㎒ 등). 예를 들어, 채널이 1㎒ 폭인 블루투스 표준과 같은 다른 표준과 호환되도록, 본 발명을 구현할 때 PRN 시퀀스의 칩 레이트가 변경될 수 있다.
도 2e는 비-GNSS 송신기가 BPSK 또는 BOC 변조 중 하나에서 비트스트림을 변조하는 능력을 갖는 경우에 적용되는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 이 경우, 비-GNSS 송신기(241)는 PRN 코드에 의해 확산된 내비게이션 메시지로 이루어진 비트스트림을 생성한다. 이 비트스트림은 비-GNSS 변조기(242)의 입력으로서 사용되며, 이 비-GNSS 변조기는 비-GNSS 또는 GNSS형 신호(TDM) 중 하나를 선택한다. 이 실시예에 부합하기 위해, 비-GNSS 변조기(242)는 확산 시퀀스의 샘플링 주파수와 관련된 샘플링 주파수를 갖는 비트스트림을 입력으로서 취할 수 있는 능력을 가져야 한다. 이 경우, 송신 장비가 본 발명과 호환되도록 하기 위해 비-GNSS 변조기의 펌웨어 적응만이 요구된다. 바람직하게는, 비-GNSS 신호의 중단이 패킷 손실을 초래하지 않도록 일부 시간 슬롯이 비-GNSS 프레임에 예약될 수 있다.
도 2f는 도 2e의 실시예에 매우 근접한, 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예는 비-GNSS 변조기가 예를 들어 와이-파이 802.11b 및 g 표준의 DSSS 모드(직접 시퀀스 확산스펙트럼)와 같이 신호를 확산시키는 능력을 제공할 때 가능하다. 이 경우, GNSS형 신호 원(251)은 적절한 샘플링 주파수로 항법 메시지를 생성하여 비-GNSS 변조기(252)에 전송한다. 비-GNSS 변조기는 PRN 시퀀스에 의해 변조된 내비게이션 메시지를 변조하도록 구성된다. GNSS형 및 비-GNSS 신호는 시간으로 다중화된다. 도 2e에서와 같이, 비-GNSS 신호 프레임은 비-GNSS 신호의 패킷이 손실되지 않도록 GNSS형 신호 전송을 위한 시간 슬롯을 예약하도록 수정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이 실시예를 구현하기 위해서는 송신기의 펌웨어 수정만이 필요하다. 이 경우, GNSS형 신호를 송신하는데 사용된 통신 채널은 비-GNSS 리소스의 시간 및 주파수 리소스이다.
위의 모든 예에서, GNSS형 신호와 비-GNSS 신호 간의 다중화 비율은 위치 결정 시스템에 요구되는 서비스 품질과 비-GNSS 통신 시스템에서 용인될 수 있는 서비스 품질의 저하 사이에서의 절충의 결과이다. 그러나, 송신기 및 수신기가 비-GNSS 통신 네트워크를 통해 통신할 때, 다중화는 또한 "주문시" 달성될 수 있다. 그렇게 하면 GNSS형 신호가 요청되었을 때 제한된 시간 동안만 전송된다. 이것은 위치 정보가 요구되지 않을 때 비-GNSS 통신 시스템의 서비스 품질을 감소시키지 않는 위치결정 능력을 제공한다.
몇몇 액세스 포인트는 이중 또는 삼중 성능을 제공한다. 와이-파이 액세스 포인트의 예에서, 공용 및 개인 와이-파이 네트워크는 동일한 장비에 의해 제공될 수 있다. 이러한 네트워크는 동일한 주파수이거나 그렇지 않을 수 있다(예: 2.4㎓ 또는 5㎓). 특정 채널을 사용할 수도 있다. 예를 들어 채널 8은 2436㎒ 내지 2458㎒의 주파수 범위를 가진다. 다른 예시적인 실시예에서, 유럽 또는 미국에서 사용되지 않는 채널 14는 전용 GNSS형 신호에 예약될 수 있다.
도 3a 및 3b는 종래 기술에 따른 RF 수신기의 전체 구조를 도시하고, 도 3c 내지 3f는 본 발명에 따른 수신기의 다양한 실시예를 나타낸다. 이들 실시예의 대부분에서, 본 발명은 본 발명을 구현하는데 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 개발 및 비용을 가능한한 많이 감소시키기 위해 표준 수신기에 이미 구현된 모듈/로직 전부 또는 일부를 유리하게 재사용한다.
오늘날, 대부분의 수신기는 상이한 통신 표준 및 상이한 반송파 주파수를 사용하여 송신된 신호를 동시에 수신할 수 있다. 도 3a에 나타낸 수신기는 단지 예시적인 목적을 위해 종래 기술의 수신기의 예로서 주어진다. 이 수신기는 와이-파이 신호(2.4㎓ 주변의 ISM 대역 사용) 및 GNSS 신호(1.6㎓ 주변의 L 대역에서 전송)를 수신하고 이용하도록 설계되었다. 이를 위해, 와이-파이 신호들(304)을 위한 하나의 칩셋(301)과 GNSS 위치결정 신호들(305)을 위한 하나의 칩셋(302)을 포함할 수 있다. 수신기는 다양한 표준들, 예를 들어 3G, 4G, 블루투스(™와 같은 표준을 사용하여 통신하기 위한 부가기능을 가질 수 있다. 이 경우 2개 이상의 칩셋을 포함할 수 있다.
각각의 칩셋은 기저 대역 또는 중간 주파수, 각각 와이-파이 및 GNSS 신호를 수신하고 변환하기 위해, 수신된 신호의 반송파 주파수에 적응된 RFFE(Radio Frequency Front-End) 체인(310, 312)을 포함한다. 각각의 칩셋은 와이-파이 및 GNSS 신호의 처리 전용의 계산 회로(311, 313)를 더 포함한다. 이러한 회로는 하드웨어 회로, 모든 계산 장치(프로세서, DSP, FPGA, ASIC 또는 기타)에서 구현된 소프트웨어 코드 또는 하드웨어와 소프트웨어의 혼합이 될 수 있다. 예를 들어, GNSS 수신기에서, 회로(313)는 수신된 위치결정 신호로부터 의사 거리를 계산하기 위한 트래킹 루프 및 전파 환경의 변화(예를 들어, 다중 전파 경로 완화, 도플러 시프트 보정 등)를 처리하고, 다수의 의사 거리로부터 수신기의 위치를 계산하는 소프트웨어 알고리즘을 포함할 수 있다.
도 3b는 RFFE 체인(310, 312) 및 계산 회로(311, 313) 모두가 하나의 칩셋(303)에서 재 그룹화되는 종래 기술로부터 알려진 다른 수신기를 나타낸다.
도 3c는 본 발명에 따른 수신기의 제2 실시예를 도시하며, 이 수신기는 GNSS 및 비-GNSS 통신 표준을 처리하고 GNSS형 신호의 파형이 표준 GNSS 파형과 호환될 때 두 개의 개별 칩셋을 포함한다. 예를 들어 와이-파이 주파수 대역에서와 같이 비-GNSS 주파수를 사용하여 송신된 GNSS 형 신호를 처리하기 위해, 본 발명에 따른 수신기는 비-GNSS RFFE 체인의 출력을 GNSS 계산 회로의 입력에 연결하는 브릿지(321)를 포함한다. 따라서, 기저 대역 또는 중간 주파수 신호는 표준 GNSS 계산 장치로 전달되며, 유리하게는 표준 GNSS 신호로서 추가 처리된다.
본 발명을 따르기 위해 기존 장비들에 대해 수행되어야 하는 수정은 와이-파이 칩셋(301)에 대한 여분의 출력, GNSS 칩셋(302)에 대한 여분의 입력, 상기 입/출력 사이의 연결 및 이 입/출력을 명령하는 로직으로 구성된다. 수신기의 추가 점유공간 및 추가 전력소비 측면에서 비용은 0에 가깝다.
수신기가 단지 하나의 칩셋을 포함하는 경우(도 3b에서와 같이), 요구되는 수정은 GNSS 계산 회로로 비-GNSS RFFE를 사용하여 수신된 신호를 처리하기 위한 로직을 칩셋에 추가하는 것으로 이루어진다. 이 수정은 펌웨어 또는 소프트웨어 수정일 수 있다.
도 3d는 본 발명에 따른 수신기의 다른 실시예를 나타내며, 수신기는 공통 칩셋을 사용하여 GNSS 및 비-GNSS 신호를 모두 처리한다. 이 실시예는 GNSS형 신호의 파형이 표준 GNSS 파형과 호환될 때 동작한다. 비-GNSS 통신 시스템 및 GNSS 위치결정 시스템을 사용하여 수신된 송신은 공통 계산회로(323) 내에서 처리된다. 이 경우, 수신된 GNSS형 신호를 GNSS 주파수 대역으로 처리하기 위해 소프트웨어만의 수정일 가능성이 있는 계산회로 내의 변경만이 요구된다.
도 3e는 수신기가 GNSS 및 비-GNSS 신호를 처리하기 위해 하나 또는 두 개의 칩셋을 포함할 때 적용되는 본 발명에 따른 수신기의 다른 실시예를 나타낸다. 추가의 계산회로(324)가 추가되어 비-GNSS 주파수 대역을 사용하여 송신된 GNSS형 신호를 처리한다. 이 회로는 비-GNSS RFFE 체인(310)의 출력을 입력으로 취한다. 이 실시예는 GNSS형 신호가 비-GNSS 신호(주파수 다중화)와 동일한 주파수 채널에서 송신되지 않을 때 특히 유리하다. 사실, 비-GNSS RFFE 체인의 출력에서 신호는 정확한 반송파 주파수로 조정되지 않지만 이 주파수 편차는 일정하고 알려진 것으로 소프트웨어로 처리될 수 있다. 이 실시예는 또한 GNSS형 신호의 파형이 표준 GNSS 파형을 따르지 않을 때 유리하다.
도 3f는 GNSS형 신호의 파형 표준 GNSS 파형을 준수할 때, 수신기가 GNSS 및 비-GNSS 신호를 처리하기 위한 하나 또는 두 개의 칩셋을 포함하는 실시예에 적용 가능한 본 발명에 따른 수신기의 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, 수신기는 수신된 비-GNSS 신호를 그 반송파 주파수로부터 GNSS 주파수로 전치시키기 위해 부가적인 RFFE 체인(324)이 추가될 때 어떤 수정도 요구하지 않는다(예를 들어, 도 3f에서, 와이-파이 반송파 주파수 약 2.4㎓에서 GNSS 반송파 주파수 약1.6㎓까지). GNSS RFFE 체인(312)의 입력에는 이 신호가 입력되어 GNSS형 신호를 표준 GNSS 신호로 추가 처리할 수 있다. 이 부가적인 RFFE 체인은 수신기에 삽입하거나 수신기에 꽂을 수 있는 추가 장비의 형태를 취할 수 있다. RFFE 체인은 리시버에 구현되거나 리시버에 꽂을 수 있는 외부 모듈일 수 있다.
도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 위치 결정 시스템의 다양한 실시예를 나타낸다.
GNSS 위치결정 시스템의 정확도는 주로 2개의 기준; 즉 송신기의 동기화 및 비-GNSS 시스템에 의해 제공되는 범위에 의존한다.
커버리지와 관련하여, 본 발명은 기존의 네트워크 아키텍처를 이용한다. GNSS 수신기는 위치를 계산하기 위해 적어도 4개의 GNSS형 신호를 수신해야 하므로 관심 영역의 각 위치는 동일한 반송파 주파수를 사용하는 4개 이상의 GNSS형 신호 송신기로 커버되어야 한다. 위치결정의 불확실성 중 일부가 전용 신호 또는 센서(예: 시계 또는 고도계)를 사용하여 다른 장비에서 검색되는 경우 GNSS형 신호의 수는 4보다 낮을 수 있다. 반대로, GNSS형 신호 및 추가 장비의 수가 4보다 낮아도 부분 위치 속도 및 시간을 여전히 결정할 수 있으며: 하나의 신호 GNSS형 신호를 기반으로 낮은 정확도의 시간 결정을 수행할 수 있으며 이 정확성 결정은 수신된 GNSS형 신호의 수와 함께 증가한다.
GNSS형 신호가 확산되기 때문에, 이들 신호는 비-GNSS 신호가 필요하지 않은 특성인 낮은 또는 매우 낮은 반송파 대 잡음 비에서도 수신기 측에서 검색 및 복조될 수 있다. 따라서, GNSS형 신호를 전송하는 비-GNSS 네트워크의 적용 범위는 앞서 언급한 특성에 따라 GNSS형 신호 링크 예산을 고려하여 평가되어야 한다. 비-GNSS 통신 시스템을 고려한 단지 하나의 액세스 포인트 관점에서의 수신기는 GNSS형 통신 시스템을 고려할 때 더 많은 액세스 포인트를 고려할 수 있다.
도 4a는 복수의 비-GNSS 송신기(401 내지 407)(예를 들어, 와이-파이 송신기)가 방(410)에 배치되고, GNSS형 위치결정 메시지를 방송하도록 구성된 본 발명에 따른 위치 결정 시스템의 실시예를 도시한다. 방(410)은 적어도 하나의 수신기(411)가 위치결정 정보를 찾고 있는 창고, 상점, 쇼핑몰, 빌딩, 주차장, 터널, 보트, 비행기 또는 임의의 다른 실내 환경일 수 있다.
도 4a는 이 실시예를 도시한 것으로, 방(410)이 하나 이상의 설비일 수 있고, 예를 들어 발명이 3G 통신 네트워크의 자원을 사용하여 구현될 때 송신기가 시설의 외부에 위치할 수 있는 경우가 있으므로 제한적으로 해석되어서는 안된다. 도시 환경에서는 여러 기지국 근처에 있는 것이 일반적이다. 근접 및 송신 전력 레벨로 인해, 그러한 기지국으로부터 송신된 GNSS형 신호의 수신 전력 레벨은 위성으로부터 송신된 GNSS 신호의 수신 전력 레벨보다 높을 것이다. 또한, 그러한 기지국은 이미 동기화되는 이점을 제공한다. 따라서, 휴대전화 오퍼레이터는 유리하게도 본 발명에 따른 위치결정 신호의 송신에 그 자원의 일부를 할당하는 것을 고려할 수 있다.
최상의 정확도를 제공하기 위해 송신기의 정확도에 관해서는, 동일한 항법 메시지가 상이한 비-GNSS 송신기에 의해 정확히 동일한 시간에 송신되어야 한다. 이를 위해 표준 GNSS 네트워크의 인공위성은 원자시계를 내장한다. 이러한 장비의 비용은 많은 양의 장비가 필요한 규모로는 고려할 수 없는 솔루션이다.
따라서, 본 발명에 따른 위치결정 시스템의 제1 실시예에서, 액세스 포인트는 공통 클럭(412)에 접속되어, 위치 확인 메시지를 송신하기 위한 기준으로서 사용되는 시간 정보를 전달할 수 있다. 이 연결은 예를 들어 동축 케이블의 이더넷 링크, 연선 케이블, 광섬유, 전력선 통신(PLC), 무선 연결 또는 기타 적합한 수단일 수 있다. 이 실시예에서, 클록은 각각의 송신기가 기준 클록상의 개방 루프에서 동기화되기 때문에, 높은 수준의 안정적 성능에 도달할 필요가 없다. 실제로, 클록이 시프트되면, 모든 수신기는 위치 정확도에 아무런 영향을 미치지 않고 클록 시프트를 따를 것이다. 유리하게는, 공통 클록 및 송신기가 케이블에 의해 링크되는 경우, 케이블의 전기 길이는 유사하거나 또는 전송 지연이 조정될 수 있다.
이 솔루션은 비-GNSS 네트워크의 정확한 초기 교정을 요구한다. 그러나, 송신기의 동기화는 액세스 포인트의 주요 사용이 공통 네트워크(412)에 대한 액세스를 제공한다는 사실을 이용함으로써 달성될 수 있다. 이 네트워크는 장비를 서로 동기화하는데 사용될 수 있다. 공통 네트워크는 인터넷 네트워크, 로컬 네트워크 또는 통신 네트워크 자체일 수 있다. 예를 들어 NTP 프로토콜(Network Time Protocol의 약자)과 같은 동기화 메커니즘을 고려하여 동기화를 수행할 수 있다.
의사 거리를 계산하는 것 외에, 수신기는 송신기의 위치에 대한 위치를 결정하기 위해 다양한 송신기의 위치를 알아야 한다. 이 결정은 삼각 측량에 기초하여 당업자에게 공지된 기술에 따라 행해진다. 송신기의 위치는 GNSS형 신호의 내비게이션 메시지에 포함되거나 비-GNSS 네트워크를 통해 전송될 수 있다. 후자의 경우, GNSS형 신호의 천체력 정보가 완전할 필요는 없고, 이 필드는 다른 데이터 또는 패딩에 의해 억압되거나 대체될 수 있다. 최종 위치결정의 정확성은 실제로 송신기의 위치 정확도에 달려 있다.
이들 송신기의 위치는 ECEF 좌표(Earth-Centered, Earth-Fixed의 약자)와 같은 글로벌 좌표계를 사용하여 기록될 수 있거나, 또는 로컬 좌표, 즉 빌딩 내의 기준점을 참조하여 사용될 수 있다. 송신기의 위치가 전역 좌표계를 사용하여 기록될 때, 수신기는 송신기의 위치에 대한 위치로부터 이 전역 좌표 성공에서의 위치를 결정할 수 있다. 송신기의 위치가 로컬 좌표일 때, 기준점의 ECEF 좌표가 수신기로부터 알려지면, 로컬 및 ECEF 좌표가 수신기에 즉시 유리하게 제공된다.
도 4b는 하나 이상의 기준 수신기(420)가 방(410)의 알려진 위치에 배치되는, 본 발명에 따른 위치 결정 시스템의 다른 실시예를 나타낸다. 초기 교정 단계 동안, 또는 규칙적으로, 그리고 각각의 송신기에 대해서, 이들 기준 수신기는 GNSS형 신호로부터 의사 거리 및 잔여, 즉 예상 의사 거리(송신기의 위치 및 기준 수신기의 위치를 사용하여 계산됨)와 관찰된 의사 거리 측정치 간의 차이를 계산한다. 송신기에 적용되어 다른 것과 동기화되는 시프트에 대한 지연은 이 잔여 측정치로부터 계산될 수 있다. 이 지연은 일반적인 비-GNSS 네트워크를 통해 방송되므로 송신기가 전송 시간을 조정하거나 수신기가 의사 거리를 계산할 때 지연을 고려해야 한다. 첫 번째 경우는 송신기가 송신 시간을 조정할 수 있는 경우에만 가능하며 두 번째 경우에는 수신자가 수신된 지연을 기반으로 계산된 의사 거리를 조정할 수 있어야 하며, 이것은, 즉 GNSS 신호 처리 알고리즘이 고전적인 알고리즘과 다르다는 것을 의미한다.
도 4c는 본 발명에 따른 위치 결정 시스템의 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, 송신기들(401~407)은 하나 이상의 중앙 장비(421)에 연결되고, 중앙 장비는 GNSS 위치결정 신호 수신 능력을 가지는 수신기(422)를 갖는다. 중앙 장비는 GNSS 신호를 수신 및 복조하고, 비-GNSS 통신 네트워크를 사용하여 모든 송신기들로 송신할 수 있다. 이 중앙 장비는 실외 안테나가 있는 하나 이상의 액세스 포인트(401~407)가 될 수 있다.
다양한 송신기들의 위치 및 GNSS 통신 시스템에서의 위성들의 위치에 관한 정보(GNSS 내비게이션 메시지의 천체력 및 알마냑 필드들에 의해 주어짐)는 GNSS형 메시지 또는 비-GNSS 네트워크의 내비게이션 메시지를 통해 수신기에 전달된다.
이 실시예는 혼합된 실내/실외 작업 또는 도시 협곡에 특히 적합하며, 맑은 하늘 부족 및 신호의 감쇠가 신속한 GNSS 위치결정에 문제가 된다. 수신기가 이미 위성 위치에 관한 정보를 가지고 있기 때문에, 수신기가 실내에서 실외 환경으로 이동할 때 GNSS 신호의 획득이 매우 신속하게 수행될 수 있다. 전형적인 작동의 경우는 실내 주차장이나 터널에서 나오는 차량이다. GNSS 수신기가 천체력을 획득하고 그 위치를 계산하기 위해 수십 초를 기다리는 대신에, 본 발명에 따른 위치 결정 시스템을 주차장에 배치하는 것은 GNSS 시스템 위성의 획득을 확고히 하는데 기여하고 거의 순간적인 위치결정을 제공한다.
GNSS 신호의 이러한 고속 획득은 GNSS형 신호의 송신기가 GNSS 수신기에 의해 주어진 시간 정보에 걸쳐 동기화될 때 더 향상된다.
천체력 및 전송 시간이 GNSS 통신 네트워크와 동기화되는 도 4c에 설명된 환경에서 동작할 때, 본 발명에 따른 수신기는 GNSS 네트워크 및 비-GNSS 네트워크 모두에서 전송되는 신호를 사용할 수 있다. 이 실시예는 수신기가 도시 환경에서 동작하고 그 위치를 정확하게 계산하기에 충분한 위성을 고려하지 않을 때 특히 관련이 있다. 그러면 수신기는 GNSS형 신호를 GNSS 신호의 보수로 사용하고 GNSS형 신호와 GNSS 신호를 선택하거나 가중치로 조합하여 위치를 결정할 수 있다. 신호의 선택은 수신된 전력 레벨, 신호의 원점, 반송파 오버 노이즈 비율, 사용자 등가 범위 오차 값(UERE) 또는 임의의 다른 관련 정보에 기초할 수 있다.
도 4d는 수신기(411, 413 및 414)가 시간 및/또는 그들의 위치에 대한 정확한 지식을 갖는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 이들 수신기는 기준 수신기, 예를 들어 수신기(413), 정확한 클럭을 갖는 수신기(414), 임의의 GNSS 지구 위치 시스템으로부터 시간 및 위치 정보를 획득하는 수신기(411)와 같은 수신기, 또는 그러한 수신기의 조합일 수 있다. 도 4d의 예에서, 수신기(411)는 위성들(423 내지 426)에 의해 송신된 GNSS 위치결정 신호들로부터 그 위치를 계산한다. 이 실시예에서, 이들 수신기들의 시간 정보 및/또는 위치 정보는 기준 시간/위치 정보로서 간주된다. 각 수신기는 획득된 GNSS형 신호들 및 이들의 기준 정보로부터 잔류 측정치를 계산하고, 상기 잔류치를 컴퓨팅 서버(427)로 전송한다. 앞서 언급한 바와 같이, 잔류치는 예상된 의사 거리(기준 정보 수신기에서 이용 가능) 및 GNSS형 신호로부터 계산된 의사 거리의 차이이다.
컴퓨팅 서버(427)는 공통 시간 기준에 관해서, GNSS형 송신기(401 내지 407) 각각에 대한 타이밍 에러를 잔류치의 가중 평균(crowdsourcing)에 기초하여 결정한다. 가중치는 기준 측정의 정확도와 관련될 수 있다. 공개된 지역에서는 GNSS 시스템에서 검색된 기준 정보가 모든 기회 신호에서 얻은 기준 정보와 관련하여 선호되지만 실내 환경에서는 균형이 바뀔 수 있다.
컴퓨팅 서버에 의해 추정된 타이밍 에러는 비-GNSS 네트워크를 통해 방송되므로, 송신기가 그들의 송신 시간을 적응시키거나 수신기가 PVT 계산을 수행할 때 이 정보를 고려하게 한다.
본 발명은 GNSS 네트워크에 의해 커버되지 않는 영역에 또는 GNSS 시스템에 대한 보완물로서 위치 확인 시스템을 배치하고 이용하는 방법 및 그러한 영역에서의 위치를 결정하는 방법을 더 포함한다. 도 5에 나타낸 이 방법은 도 2a 내지 2f에 설명된 비-GNSS 송신기 및 도 3a 내지 3f에 설명된 비-GNSS 수신기를 사용한다.
그것은 비-GNSS 액세스 포인트를 사용하여 GNSS형 신호를 송신하고, 비-GNSS 통신용이 장치에 원래 할당된 자원의 전부 또는 일부를 그 종단에 사용하는 제1 단계(501)를 포함한다.
자급자족하기 위해, 네트워크는 적어도 4개의 액세스 포인트를 포함할 수 있지만, GNSS 위치결정 네트워크의 백업 또는 릴레이로서 배치될 때, 또는 특정 신호 및/또는 센서들에 기초하여 다른 장비로부터 검색된 위치 정보와 결합될 때, 로컬리제이션 시스템은 송신기 하나로 줄여진 것을 포함할 수 있다.
비-GNSS 및 GNSS형 신호는 시분할 멀티플렉싱 기술, 주파수 분할 멀티플렉싱 기술을 사용하여 송신되거나, 또는 동시에 동일한 주파수상에서 동시에 송신될 수 있으며, 그러면 GNSS형 신호는 그 좋은 수신을 보장하기 위해 확산의 이점을 취한다.
이 방법은 GNSS 및 비-GNSS 신호 모두를 처리하도록 구성된 수신기에서 상기 GNSS형 신호를 수신하는 단계(502)를 포함한다. 송신기는 확산 코드로 식별된다. 다양한 송신기의 위치는 GNSS형 메시지의 내비게이션 메시지 또는 비-GNSS 리소스를 통해 전송된다. 수신기는 비-GNSS 무선 체인 및 GNSS 계산 회로(추적 루프 및 신호 처리 알고리즘) 또는 전용 계산 회로를 사용하여 GNSS형 신호를 처리하고, 의사거리 결정을 위해 GNSS형 신호의 도달 시간을 사용한다. 또는 수신기의 GNSS 무선 체인은 비GNSS 신호를 GNSS 주파수로 변경한 후 비-GNSS 신호를 공급받을 수 있다.
마지막으로, 상기 방법은 GNSS형 네트워크로부터 유래한 적어도 4개의 의사 거리를 사용하는 단계(503)를 포함하거나, 위치, 속도와 시간을 계산하기 위해 상기 네트워크가 GNSS 네트워크와 동기화될 때 GNSS 신호로부터 결정된 의사 거리와 결합될 수 있다. 위치 및 시간과 관련된 불확실성 중 일부가 다른 신호/센서에 의해 주어질 때 요구되는 의사 거리의 수는 더 낮을 수 있다. 본 발명에 따른 GNSS형 신호로부터 결정된 하나 이상의 의사 거리는 위치, 속도 및 시간을 계산하기 위해 다른 신호 또는 센서 측정치와 결합될 수 있다.
본 발명은 다수의 장점을 제공하며, 그 중에서도 특히:
Figure pat00006
본 발명에 따른 위치결정 네트워크는 현존하는 전송 장비의 최소한의 하드웨어 또는 소프트웨어 변경만으로 수행되어야 하며, 전용 액세스 포인트의 개발 및 설치를 필요로 하지 않으므로 저비용으로 신속하고 용이하게 배치될 수 있으며,
Figure pat00007
본 발명에 따른 위치결정 네트워크는 GNSS 위치결정 네트워크에 대한 중계기로서 실내 위치결정 성능을 제공하고 빠른 실내/실외 전환을 제공할 수 있으며,
Figure pat00008
본 발명에 따른 위치결정 네트워크는 변조의 주 로브(적어도 2㎒)를 전송하기에 충분히 넓은 대역폭을 제공하는 광범위한 통신 표준과 호환 가능하며,
Figure pat00009
본 발명에 따른 위치결정 네트워크는 위치결정 신호가 수신기로부터 요구될 때만 선택적으로 전송되는 "온 디맨드" 로컬리제이션을 제공하며,
Figure pat00010
본 발명에 따른 위치결정 네트워크는 PRN 코드 및/또는 내비게이션 메시지를 암호화하는 능력을 제공하여 상업적 또는 군사적 도메인과 같은 전용 목적을 위해 인가된 사용자에게만 서비스가 한정될 수 있고,
본 발명에 따른 위치결정 네트워크는 스푸핑 및 재밍에 내재적인 견고성을 제공하고 유지 보수를 용이하게 하는 수신기에 가까운 송신기를 사용하며,
Figure pat00012
본 발명에 따른 위치 결정 방법은 기존 수신기에 작은 수정을 가할 뿐이고 새로운 장비를 개발하거나 기존 장비에 추가 공간 및 전력 소모성 계산 회로(예: 무선 체인, 하드웨어 및 소프트웨어 처리)를 삽입할 필요가 없고,
Figure pat00013
본 발명에 따른 위치 결정 방법은 예를 들어 ISM 대역(와이-파이에 의해 사용됨)과 같은 엄격한 규정이 없는 반송파 주파수를 사용하여 배치될 수 있다.
와이-파이 액세스 포인트를 사용하여 GNSS형 신호를 송신하는 위치결정 시스템의 경우에 다양한 실시예가 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 적절한 커버리지를 확실하게 하기에 충분한 대역폭과 충분한 거리를 제공하는 다양한 통신 표준에도 적용될 수 있음을 알아야 한다. 본 발명은 송신 전력 레벨 및 액세스 포인트의 광범위한 배치로부터 이익을 얻음에 따라 와이-파이 신호와 함께 사용될 때 옥내에서의 위치 결정을 위한 저비용 솔루션과 특히 관련되지만, 또한 벽을 가로 질러 건물을 관통할 수 있는 3G, 4G 또는 DVB-T와 같은 네트워크의 동기화 속성 및 높은 송신 전력 레벨로부터, 또는 블루투스( ™와 같은 기술을 사용하는 다수의 잠재적 송신기로부터 이익을 얻을 수 있다. 이러한 통신 시스템에서의 본 발명의 적용은 본 출원에서 제공된 장치 및 프로세스의 일반화에 기초할 수 있다. 또한, 당업자는 하나 이상의 비-GNSS 통신 네트워크를 사용하여 GNSS형 신호를 쉽게 송신할 수 있다.
본 발명의 실시예가 다양한 예에 대한 설명으로 예시되었고, 이들 실시예가 상당한 세부 사항으로 설명되었지만 첨부된 청구항의 범위를 제한하거나 그런 세부 사항으로 어떤 식으로든 한정하려는 것은 본 출원인의 의도는 아니다. 따라서, 보다 넓은 관점에서의 본 발명은 도시되고 설명된 특정 세부 사항, 대표적인 방법 및 예시적인 실시예에 한정되지 않는다.

Claims (18)

  1. 무선 RF 통신 표준을 사용하여 비-GNSS 신호(203)를 송신하기 위한 액세스 포인트로서,
    상기 비-GNSS 신호의 송신에 전용인 적어도 하나의 통신 채널에서 GNSS형 신호(213)를 송신하도록 구성된, 액세스 포인트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 무선 RF 통신 표준은 와이-파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth)™, 3G, 4G 및 5G 표준 중에서 선택되는, 액세스 포인트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 GNSS형 신호는 의사-랜덤 코드(102)에 의해 변조된 내비게이션 메시지(101)를 포함하고, 표준 GNSS 반송파 주파수와 다른 반송파 주파수에 걸쳐서 송신되는, 액세스 포인트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, GNSS형 신호를 생성하기 위한 계산 회로(211, 212, 213) 및 GNSS형 신호와 비-GNSS 신호를 같은 신호로 결합하는 결합기(214)를 더 포함하는, 액세스 포인트.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, GNSS형 신호를 나타내는 비트스트림을 생성하는 계산 회로(212, 241, 251)를 더 포함하는, 액세스 포인트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 GNSS형 신호 및 상기 비-GNSS 신호는 시간 또는 주파수 분할 다중화 기술 중 하나를 사용하여 다중화되는, 액세스 포인트.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 비-GNSS 네트워크를 통해 요구를 수신할 때 상기 GNSS형 신호를 송신하도록 더 구성되는, 액세스 포인트.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, GNSS 신호로부터 내비게이션 메시지를 검색하고, 상기 내비게이션 메시지를 상기 GNSS형 신호 및 상기 비-GNSS 신호 중 하나를 사용하여 다른 액세스 포인트로 송신하도록 더 구성되는, 액세스 포인트.
  9. 적어도 하나의 비-GNSS 액세스 포인트에 의해 송신된 GNSS형 신호를 사용하여 영역(410) 상의 위치를 결정하는 방법을 구현하기 위한 액세스 포인트 기반 구조로서,
    상기 액세스 포인트 기반 구조는 제1 내지 8항 중 어느 한 항에 따르는 적어도 하나의 액세스 포인트(401 내지 407)를 포함하며, 적어도 하나의 GNSS형 신호가 상기 영역의 임의의 위치에서 수신될 수 있도록 배치되는, 액세스 포인트 기반 구조.
  10. 제9항에 있어서, 상기 액세스 포인트들은 공통 시간 기준(412)에 걸쳐 동기화되는, 액세스 포인트 기반 구조.
  11. GNSS 및 비-GNSS 무선 신호를 수신하도록 구성된 수신기로서,
    상기 비-GNSS 무선 신호에 전용인 통신 채널에서 적어도 하나의 GNSS형 신호를 수신하고, 액세스 포인트들의 위치에 대한 수신기의 위치를 결정하도록 상기 GNSS형 신호를 사용하도록 추가로 구성되는, 수신기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 수신기의 위치는 적어도 4개의 상기 GNSS형 신호를 사용하여 결정되는, 수신기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 수신기의 위치는 상기 적어도 하나의 GNSS형 신호 및 다른 장비로부터 검색된 정보를 사용하여 결정되는, 수신기.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    GNSS 신호를 수신 및 처리하기 위한 프론트-엔드 모듈(312) 및 계산 회로(313)를 더 포함하고,
    비-GNSS 신호를 수신 및 처리하기 위한 프론트-엔드 모듈(310) 및 계산 회로를 더 포함하며,
    상기 비-GNSS 프론트-엔드 모듈(310)을 사용하여 상기 적어도 하나의 GNSS형 신호를 수신하도록 구성된, 수신기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 GNSS 계산 회로(313)를 사용하여 상기 적어도 하나의 GNSS형 신호를 처리하도록 구성되는, 수신기.
  16. 복수의 비-GNSS 액세스 포인트(401 내지 407)를 사용하여 전송된 GNSS형 신호로부터 위치를 결정하기 위한 위치 확인 시스템으로서,
    Figure pat00014
    제9항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 액세스 포인트 기반 구조, 및
    Figure pat00015
    제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 수신기(411)를 포함하는, 위치 결정 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 적어도 하나의 수신기(411)는 GNSS형 신호 및 기준 정보로부터 획득된 의사 거리 측정치로부터 의사 거리 잔류치를 계산하고, 상기 액세스 포인트에 대한 지연을 계산하며, 상기 비-GNSS 신호를 사용하여 상기 지연을 전송하는 컴퓨팅 서버(427)에 상기 의사 거리 잔류치를 전송하도록 구성되는, 위치 결정 시스템.
  18. 무선 RF 통신 표준을 사용하여 비-GNSS 신호를 송신하도록 구성된 적어도 하나의 액세스 포인트와, GNSS 및 비-GNSS 무선 신호를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 수신기를 포함하는 위치 확인 시스템을 전개시키는 방법으로서,
    Figure pat00016
    비-GNSS 신호의 송신에 전용인 적어도 하나의 통신 채널에서 상기 비-GNSS 액세스 포인트들 중 적어도 하나로부터 GNSS형 신호를 송신하는 제1 단계(501);
    Figure pat00017
    상기 비-GNSS 신호의 송신에 전용인 적어도 하나의 통신 채널에서 상기 수신기에 의해 상기 GNSS형 신호를 수신하고 관련된 의사 거리 측정치를 결정하는 제2 단계(502); 및
    Figure pat00018
    상기 의사 거리 측정치를 사용하여 상기 액세스 포인트의 위치에 대한 상대적인 위치를 계산하는 제3 단계(503)를 포함하는, 위치 확인 시스템을 전개시키는 방법.
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