KR20220157364A - 다중 빔 위상 배열 안테나를 사용하여 vsat 통신 신호로부터 비협력적 위치, 항법 및 타이밍 추출 - Google Patents

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Abstract

지상 안테나는 통신용 인공 위성들에 의해 송신된 수신 신호들로부터 현재 시간과 자신의 위치를 결정한다. 고이득, 다중 빔의 전기적으로 조향된 안테나는 처리 시스템과 결합되어 둘 이상의 위성들 사이의 각도를 측정하고 그리고 TT&C 채널상에서 브로드캐스트된 정보로 각 위성까지의 현재 거리를 결정한다. 위성들의 궤적뿐만 아니라 각도 및 거리에 대한 지식은 위성 궤도력 데이터에 의해 예측된 그들의 위치들과 결합되어 수신기의 위치를 삼각측량한다. 본 시스템은 위치 측정치를 도출하기 위해 위성들과 활발한 통신 협력이 필요하지 않기 때문에 종래의 GPS 안테나와 다르다. 그 위치는 위성이 아닌 지상 단말기가 계산한다. 본 시스템은 다른 측위 서비스가 오프라인, 재밍되거나, 그렇지 않으면 사용불가인 경우 사용되어 위치 및 시간 동기화를 유지할 수 있다.

Description

다중 빔 위상 배열 안테나를 사용하여 VSAT 통신 신호로부터 비협력적 위치, 항법 및 타이밍 추출
[관련 출원의 상호 참조]
본 출원은 2020년 1월 7일 출원된 미국 특허 가출원 일련번호 62/958,043호에 대한 우선권을 주장하며, 이러한 출원의 개시내용의 그 전체가 본원에 참조로써 통합된다.
본 발명은 위성으로부터 송신된 신호에 기반하여 수신기의 위치 및 시간을 결정하는 것에 관한 것이다.
GPS (Global Positioning System) 및 보다 일반적으로 GNSS (Global Navigation Satellite Systems)는 세계적으로 시민들 및 방어 목적으로 공통으로 사용되는 것이다. 이 시스템은 일반적으로 GNSS로 지칭되는 특별히 설계된 위성군집(constellations)을 사용하여 높은 정밀도의 전용 GNSS 신호를 브로드캐스트한다. 이 전용 GNSS 신호들은 수신기가 간단한 시간 동기화를 획득하여, 군집된 각 위성으로부터 수신기까지의 거리 측정을 결정하여 지구상의 수신기 위치를 결정하게 하는 구조를 갖는다. 그러한 다수의 GNSS 위성 시스템들은 동작 중이거나 동작하도록 계획되어 있고, GPS (미국), Galileo (EU), GLONASS (러시아), BeiDou (중국) 등을 포함한다. 이 시스템들의 대부분은 약 1 내지 2 GHz 와 동일한 또는 근접한 주파수에서 동작하고 상호운영하도록 의도되어 수신기들이 보다 큰 정확도 및 신뢰도로 다수의 네트워크들에 액세스하게 한다. 한 군집이 사용가능하지 않은 경우, 다른 군집이 여전히 액세스 가능할 수 있다.
GNSS 시스템은 동일한 기본적인 방식으로 동작한다. 수신기들은 위성에서 송신된 신호들을 해석하여 GPS 시스템 시간 (GPS system epoch)에 기반하여 현재 시간을 결정한다. 신호들의 그 시간과 구조는 각 위성으로부터의 거리 결정에 사용되고, 그런 다음 위치 추정에 사용된다. 전용 GNSS 신호들은 다수의 위성이 동일 주파수에서 서로 간섭하지 않고 송신하게 하는 CDMA (Code Division Multiple Access) 기법을 사용하여 신호를 송신한다. 이러한 접근법은 또한 매우 낮은 SNR (signal-to-noise) 환경에서 유익하고, 이 환경에서 매우 긴 코드는 신호의 명확한 식별을 제공할 뿐만 아니라 신호 상관관계를 통해 SNR 개선에 도움을 줄 수 있다. 전용 GNSS 위성들로부터 온 코딩 신호들은 해당 위성 및 (궤도 파라미터들을 포함한) 군집의 나머지 위성들의 상태와 상황에 대한 정보를 포함할 뿐만 아니라 정확한 시간 교정 (time calibration)을 제공하도록 설계된다. 종래 GNSS 수신기가 도 1에 도시되어 있고, 여기서 수신기(101)의 안테나(102)는 하나 이상의 군집들 내 다수의 GNSS 위성들 (103, 105)로부터 신호들을 동시에 수신한다. 각 군집 내 위성들로부터의 신호들 (107, 109)은 안테나 (102)에 의해 수신되고, 수신기 (101)에 의해 분리 및 해석되어 상기 수신기의 시간 및 위치를 계산한다.
위치를 결정하기 위해, 현재 시간이 높은 정확도로 이미 주지되었다고 가정한다면, 수신기의 위치를 3차원으로 고정하는 데는 높은 정확도의 현재 시간 추정치 및 세 개 이상의 위성 위치들로부터의 무선 신호들에 대한 비행 시간이 필요하다. 현재 시간과 미지의 위치를 동시에 결정하는데 필요한 최소 위성의 개수는 4개 이다; 4개의 미지수 - 3개 위치 변수들 x, y, z 및 시간 t - 를 푸는데는 4개 측정값 (각각은 수학식으로 나타남)이 필요하다. 송신 시작의 거리 및 시간이 각 송신 위성에 대해 결정되면, 위성 위치들은 그들의 기지의(known) 궤도력 (ephemeris) 및 현재 시간에 기반하여 계산되고, 수신기 위치는 삼변 측량법(trilateration)에 의해 계산될 수 있다.
모든 무선 통신 시스템처럼, GNSS 송신은 재밍(jamming)에 취약하거나 운영자들에 의해 의도적으로 디스에이블될 수도 있다. 유사 대역에서 동작함으로써, 재밍 신호는 동시에 모든 네트워크에 영향을 줄 수 있다. 공통의 아키텍쳐 및 주파수 대역을 공유함으로써, 상호운영의 이점에는 동일한 원인으로 다수의 네트워크들이 동시에 잠재적으로 사용가능하지 않게 되는 단점이 따른다.
이러한 이유로, GNSS 시스템에 대한 대체품으로 대안적인 위치, 항법, 및 타이밍 (PNT) 시스템이 필요하다. 대안들은 높은 정확도의 로컬 클록 및 IMU들 (Inertial Measurement Units), LORAN (Long Range Navigation)과 같은 지상 측위 시스템, 또는 지상 셀룰러 폰 타워 (cell phone tower)로부터의 삼각 측량의 사용을 포함할 수 있다. (제한된 정밀도와 정확도를 갖는) 완비된 (self-contained) IMU 접근법과는 다른, 이러한 대안들은 여전히 위성 시스템뿐만 아니라 전용 PNT 시스템과 같이 재밍 또는 디스에이블될 수 있는 보다 큰 시스템 및 인프라구조의 지원이 필요하다.
전용 GNSS 군집에서 사용가능한 것보다 더 많은 가시적인 비 GNSS (non-GNSS) 위성이 있다. 여기서, 비 GNSS 위성들은 지상으로 신호를 브로드캐스트하는 임의의 위성들을 나타내지만, 지상 수신기들에 의한 독립적인 위치 및 시간 측정을 지원하기 위한 전용 및 조정된 (coordinated) 위성 시스템의 일부는 아니다. 상세하게, 비 GNSS 위성은 측위에 사용하도록 설계된 (예를 들어, 프레이밍 구조, 부호화, 오류 정정 부호화, 데이터 메시지 내용, 주파수 대역 및 대역폭, 및 파워 레벨에 제한되지 않는) 신호를 브로드캐스트하지 않는 것이고, 따라서 지상 단말기가 측위 및 타이밍 계산을 수행하는 방식으로는 대체로 사용가능하지 않거나 쉽게 사용할 수 없다. 통신 및 지구 관측 위성들의 LEO (Low-Earth Orbit) 메가 군집들이 상승하면, 시야 내 비 GNSS 위상 개수는 빠르게 증가하게 된다. (보통 전용 GNSS 위성들의 정확도는 일반적인 비 GNSS 목적에 필요하지 않기 때문에, 전용 GNSS 위성들과 동일 정확도는 아니지만) 비 GNSS 위성의 위치 및 궤적은 알려져 있고, 그 비 GNSS 위성들까지의 거리가 계산되고 시간이 결정된다면, 지상 단말기들은 전용 GNSS 시스템을 참조하지 않고 자신들의 위치를 계산할 수 있다.
그러나 비 GNSS 위성들까지의 거리를 계산하는 문제는 까다롭다. GNSS 시스템은 최소 잡음전력 (noise floor) 보다 낮게 복조 및 해석되도록 설계된 신호들과 함께, 소형의, 낮은 이득, 저효율 수신기에 의해 수신할 수 있는 신호를 송신하고, 시간 및 위치 정보의 추출을 구체적으로 지원하도록 데이터를 송신하도록 특별히 설계되었다. 그러나, 비 GNSS 위성은 측위 시스템으로 동작하도록 설계되지는 않고, 따라서 서로 다른 (종종 훨씬 높은) 주파수에서 동작하고, 타이밍 정보가 덜 우세한, 정확도가 변하는 서로 다른 정보를 송신하며, 수신기에서 송신된 정보를 복조하도록 훨씬 높은 SNR을 요구한다.
이전에, 지리적 위치 결정을 위해 비 GNSS 위성을 사용하는 제안은 지상 단말기의 관점에서는, 위성과 통신하여 신호 왕복에 걸리는 시간을 계산하거나 지상 어디에서 신호가 발신되었는지를 추정하고, 그리고 그 다음 그 정보를 다시 지상으로 중계하거나 위성의 레이다 펄스를 시험하여 그 범위와 방향을 측정하는 기능을 위성에 설치하는 적극적인 방법에 의존해왔다. 이러한 방법들은 일부 애플리케이션에는 충분한 반면, 종래의 GNSS 접근법의 장점을 갖지 못한다. 이 장점들 중 가장 중요한 것은 지상 수신기들이 수동이고 그 위치를 반드시 브로드캐스트할 필요가 없다는 것이다.
지상 안테나는 통신용 인공 위성들에 의해 송신된 수신 신호들로부터 현재 시간과 자신의 위치를 결정한다. 고이득, 다중-빔의 전기적으로 조향된 안테나는 처리 시스템과 결합되어 둘 이상의 위성들 사이의 각도를 측정하고, TT&C 또는 다른 브로드캐스트 또는 통신 채널로 브로드캐스트된 정보에 의해 각 위성까지의 현재 거리를 결정한다. 위성들의 궤적뿐만 아니라 각도 및 거리에 대한 지식은 위성 궤도력 데이터에 의해 예측된 그들의 위치와 결합되어 수신기의 위치를 삼각측량한다. 이 시스템은 위성이 위치 및 시간을 계산하기 위해 전용 신호를 브로드캐스트할 것을 요구하지 않기 때문에 종래의 GPS 안테나들 및 수신기들과 다르고, 위성들과 협력 및 적극적인 통신을 수행하여 위치 추정을 도출하도록 요구하지 않기 때문에 위치 및 시간을 결정하는 다른 비 GNSS 방법들과도 다르다. 그 위치는 위성이 아닌 지상 단말기가 계산한다. 이 시스템은 다른 측위 서비스들이 오프라인이거나, 재밍되거나, 아니면 위치 및 시간 동기화 유지에 사용불가인 경우 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 위성 PNT 시스템을 도시한 다수의 위성 군집을 갖는 표준 GNSS 수신기를 도시한 것이다.
도 2는 위성들 사이의 각 분리 (angular separation), 개별 위성의 궤적, 각 위성까지 신호의 비행 시간, 및 각 위성으로부터 신호들의 도플러 천이(Doppler shift) 중 하나 이상으로 PNT 데이터의 계산을 허용하기 위해 서로 다른 궤도 및 군집에 있는 다수의 위성들로부터 원격 측정 (Telemetry), TT&C (Tracking, & Control) 신호들과 같은 신호를 감지하도록 (listen) 구성된 다중 빔, 고이득의 VSAT (Very Small-Aperture Terminal) 안테나를 도시한 것이다.
도 3은 수신기의 위치를 결정하기 위한 계산 요소 및 신호들을 측정하는 상기 수신기를 갖는 다중 빔, 고이득의 VSAT 안테나를 도시한 것이다.
도 4는 LEO (Low-Earth Orbit), MEO (Medium-Earth Orbit), 및 GEO (Geostationary Earth Orbit) 위성 각각으로부터 TT&C 신호들과 같은 신호를 수신하는 안테나를 도시한 것이다.
도 5는 a) 양방향 위성 링크, b) 위성 브로드캐스트, c) 지상 유무선 통신 네트워크, 또는 d) 저장된 궤도력 데이터를 포함한 위성 궤도력 데이터에 액세스하는 일부 가능한 외부 통신 시스템들 중 하나로 구성된 VSAT PNT 시스템을 도시한 것이다.
도 6은 타이밍 및 위치 데이터를 계산하기 위한 안테나의 동작에 대한 절차도이다.
상술한 바와 같이, 종래 GNSS 및 GPS 시스템은 전용 주파수 대역의 특수 제작된 신호를 사용하여 높은 정확도의 시간 및 위치 결정을 허용하고 지원한다. 본 시스템 및 방법은 대신 GNSS 시스템과는 다른 주파수 대역의 비 GNSS 위성으로부터의 (GNSS 위성으로부터 쉽게 사용가능한) 전용 신호들의 지원없이 위치 및 타이밍 정보를 결정하게 하고, 수신기의 동작 주파수 대역에서 임의의 송신 비 GNSS 위성으로부터 온 정보를 포함할 수 있다. 본 시스템은 위치를 계산하기 위해 수신기에 대해 서로 다른 방향에 있는 다수의 비 GNSS 위성으로부터의 신호들을 동시에 수신하는 것에 의존하고, 이는 수신기가 다수의 안테나 빔을 생성하여 그 신호들을 수신할 것을 요구한다. 이 시스템은 비 GNSS 위성이 특정 신호를 송신할 것을 요구하지 않거나, 수신기가 존재하거나 신호들이 모두 PNT 추출에 사용되고 있음을 알 것을 요구하지 않기 때문에 비협력적으로 동작한다. 예를 들어, 수신기는 동일 또는 서로 다른 LEO 통신 또는 지구관측 군집 내 다수의 위성들로부터 Ka 또는 Ku SATCOM 대역 내 비콘 또는 독립 TT&C 링크에 의해 송신된 타이밍 동기화 신호들을 동시에 추출할 수 있고, GEO 또는 MEO 위성으로부터 수신된 타이밍 정보를 갖는 신호들로부터 획득된 타이밍 정보를 결합하여 강건한 시간 및 위치 추정치를 생성할 수 있다. 따라서, 비 GNSS 위성은 ,표준 비 GNSS 신호들이 위치 계산에 사용되는 경우와 그렇지 않은 경우 사이의 동작상 (또는 분명한) 차이를 갖지 않는, 상기 표준 비 GNSS 신호들을 계속 송수신할 수 있다. 이 비협력적 접근의 장점은 어느 위성, 신호, 채널, 또는 주파수가 특별한 최종 사용자에 의해 측위에 사용되고 있는지를 제3 자가 예측 또는 인지할 방법이 없다는 것이다. 이는 재밍, 스푸핑 (spoofing), 또는 간섭될 수 있는 시스템이 없기 때문에 측위 데이터의 신뢰도 및 가용성을 증가시킨다.
기지의(known) 위치 세트로부터의 거리 추정치가 주어진 수신기에 대한 위치 계산의 원리 및 수학은 잘 알고 있다. 본 개시는 종래의 GNSS 시스템에 비해 필요한 입력 데이터 (소스 위성들의 거리 및 위치)의 신규 소스를 허용한다. 특정 데이터를 브로드캐스트하여 위치를 결정하게 하는 기지의 위성 세트를 전방향(omnidirectional) 안테나로 감지하는 GNSS 수신기와 달리, 본 시스템은, 전기적으로 큰, 지향성 안테나가 수신할 것을 요구하는 신호 레벨에서 동작하는 주파수 대역 내 위성으로부터의 지원 또는 전용 신호 없이 거리 및 위치 계산을 혀용한다.
본 개시는 종래 GNSS 시스템에 비해 원격 위성까지의 시간, 위치 및 거리를 획득하는 상이한 방법에 관한 것이다. 이 시스템은 TT&C 목적을 위한 모든 동작 위성에 이미 존재하는 비콘 송신과 같은, 비 GNSS 위성으로부터 송신된 기존 신호들에 의존한다. 비콘은 위치 유지 (station-keeping) 및 다른 위성 상태 파라미터들로 변조된 협대역 신호이다. 비콘은 위성 사용자가 통신 목적을 위해 위성의 위치를 결정하고 자동추적하는 (locate and lock onto) 것을 지원하는데 사용될뿐만 아니라 위성 운영자가 우주선을 관리하는 데 사용된다.
수동으로 지리 위치 파악을 위해 비 GNSS 위성을 사용할 때 가장 큰 제한은 관심 주파수 대역을 지원하는 것이다. 고주파에서 사용가능한 대역은 매우 많기 때문에 제한된 개수의 비 GNSS 위성만이 L 대역 및 다른 저주파 채널에서 동작한다. 그러나 고주파 통신 링크는 일반적으로 통신의 스펙트럼 효율 (spectral efficiency)을 개선하기 위해 고이득의 지향성 안테나용으로 설계된다. 경로 손실 및 순시 대역폭 (instantaneous bandwidth)은 고주파에서 보다 크고, 이는 고전력이 위성 및 지상의 더 큰 (및 더 무거운) 지향성 안테나 또는 위성으로부터, 혹은 둘 다로부터 송신될 것을 요구한다. 보통 0 내지 7 dBi 이득을 갖는 (종래 GNSS 패치 안테나와 같은) 전방향 안테나가 아닌, 지향성 안테나는 동작 주파수 파장보다 실질적으로 큰 크기의 전기적으로 큰 개구면 (aperature)을 사용하여 10 내지 70 dBi의 범위, 보다 공통적으로 15 내지 50 dBi 범위의 이득을 생성하는 것을 나타낸다. 포물선 반사기 (parabolic reflectors)와 같은 지향성 지상 안테나는 보통 한 번에 한 방향을 포인팅할 수 있고, 한 번에 하나의 위성만을 들을 수 있어서 세 개 이상의 위성들로부터의 신호가 동시에 요구된다면 많은 안테나를 필요로 할 수 있다.
본 개시는 다중 빔의 전기적으로 조향된 위상 배열 또는 렌즈 배열 안테나를 사용하여 이러한 제한을 제거한다. 본 구현으로, 단일 안테나 개구면은 다수의 고이득 수신 빔들을 서로 다른 방향으로 생성하고, (예를 들어) 단일 안테나 개구면을 갖는 단일 단말기가 공중의 서로 다른 부분에서 다수의 Ka 대역 위성들을 수동으로 동시에 감지하게 할 수 있다. 위상 배열, 디지털 빔포밍 배열, 액정 안테나 또는 렌즈 배열 안테나와 같이 전기적으로 조향된 안테나만이 다수의 독립 빔들을 서로 다른, 가변 방향으로 생성할 수 있고, 이는 본 시스템의 동작에 필요하다. 또한, 빔들은 각도가 매우 좁기 때문에, 비 GNSS 위성의 방향 및 궤적이 직접 측정될 수 있고, 이는 전방향 안테나를 사용하는 종래 GPS 수신기는 할 수 없는 것이다. TT&C 데이터를 운반하는 각 위성의 비콘 신호에 고정되어 수동으로 그 신호를 들음으로써, 타이밍 정보가 추출될 수 있다. 비콘에 고정하는 것은 통신 위성 트랜스폰더(transponder)에 고정하는 것과 같은 방식으로 이뤄지고, 안테나의 빔 지향 능력을 사용하여 위성 또는 안테나가 이동할 때 위성의 위치를 추적한다.
수동 동작은 엄격한 방출 제어가 실행되는 일부 애플리케이션에서 중요하다. 레이더 또는 트랜스폰터와 같은 활성 위치추적 시스템 (active location system)과 대비되는 종래의 GNSS 지상 시스템의 장점 중 하나는, 신호를 송신하지 않고 GNSS 위성으로부터 신호를 수신만하기 때문에 그것의 사용이 검출하기 어렵다는 것이다. 본 시스템은 왕복 통신 횟수 측정에 의존하는 비 GNSS 위성을 사용하는 협력 측위 방법과 달리, 동일한 장점을 갖는다(따라서 수신기로부터의 송신이 필요하다).
비 GNSS 위성의 위치 및 궤적은 전용 GNSS 위성만큼 정밀하게 결정되지 않을 것이고, 통신 또는 TT&C 신호의 일부로서 브로드캐스트된 각 위성에 대한 타이밍 또는 위치 정보도 그만큼 정밀하거나 비 GNSS 위성들 사이에서 동기화되지 않을 것이다. 이는 획득될 수 있는 정확도를 제한할 것이다. 그러나, GNSS 군집들이 재밍되거나 디스에이블되는 경우, 지리적 위치 결정의 대안적인 방법은 특히 많은 다른 위성들을 사용할 수 있을 때 매우 중요하다. 재밍되어야 하는 주파수 대역과 스펙트럼의 증가뿐만 아니라 위성 수의 증가로 인해 신호를 재밍 또는 차단하는 어려움이 증가되기 때문에, 수십 개의 GNSS 위성에서 대략적인 위치 정보 결정에도 사용될 수 있는 수백 개 또는 수천 개의 비 GNSS 위성들로 변경하는 것은 전체 시스템의 신뢰성과 회복력을 상당히 증가시킨다.
도 2 및 3을 보면, 위성 통신 시스템(201)은 안테나(202), 수신기(305), 신호 프로세서(307) 및 디지털 프로세서(309)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 다중 빔 전기적 조향 안테나 (202)가 한 번에 서로 다른 궤도에서 다수의 비 GNSS 위성들 (203, 205)로부터 신호를 수신 (및 잠재적으로 비 GNSS 위성들에게 신호를 송신)하는데 사용될 수 있다. 수신기(305)는 위성으로부터의 신호를 수신 및 해석하기 위해 각 빔(211, 213, 303)에 제공되고, 이는 보통 시간 및 위치가 결정되는 데이터를 포함하는 위성 비콘일 것이다.
신호 처리 기기(307) 및 디지컬 프로세서 (309)는 안테나(202)를 제어하고 수신된 신호의 내용에 기반하여 수신기의 위치를 계산한다. 신호 처리 기기 (307) 및/또는 디지털 프로세서(309)는 각각 프로세서 또는 제어기, 컴퓨터, ASIC 등과 같은 처리 장치를 포함할 수 있다. 신호 처리 기기(307)는 신호를 강화하고, 제어기일 수 있는 디지털 프로세서(309)에 제공될 수 있는 정보의 데이터 스트림으로 파형을 변환한다. 프로세서 (309)는 모든 수신기들(305)로부터의 신호를 결합하여 삼변 측량으로 위치를 결정하고, 또한 신호를 모니터링하여 안테나(202)의 포인팅 방향(들)을 제어한다. 안테나는 UHF, L, C, X, Ku, Ka, V, 및 W 대역을 포함한, 비 GNSS 위성이 송신하는 임의의 주파수 대역에서 동작하도록 선택될 수 있지만, 가장 큰 값은 고주파 이득 및 좁은 빔 폭이 쉽게 달성될 수 있는 고주파 (공통 VSAT Ku 및 Ka 대역을 포함한 X 이상)에 있을 것이다. 고이득 안테나는 에러율이 감소한 저전력 신호를 수신 및 해석할 수 있다. 예시적이고 비제한적인 일실시예에서, 안테나 및 시스템 동작은 Ka VSAT 보다 낮은 주파수에서 동작하고, VSAT 대역 선택은 기존의 임의의 통신 위성이 사용되게 하며, 또한 (LEO 네트워크와 같은) 미래의 통신 위성이 수신하게 하는 것으로 설명되었다. 그러나, 시스템은, 위성이 TT&C 정보 (207, 209)를 브로드캐스트하는 위성 통신 또는 지구 관찰 대역에서 사용될 수 있다.
다중 빔 안테나는 제어기(309)의 명령을 받아, 시야 내에 있을 것으로 예측된 현재 시간 추정치 및 위성 궤도력 리스트에 기반하여, 또는 세 개 이상의 위성이 위치한 하늘에 대한 블라인드 탐색 (blind search)으로 시야 내 위성을 탐색하여 위치를 추적한다.
제어기(309)가 세 개 이상의 비 GNSS 위성의 위치를 추적하고, 안테나(202)가 각 위성 (203, 205)으로 빔(303)을 조향하도록 명령하면, 수신기들(305)은 각 위성으로부터 비콘 송신을 수신하고 TT&C 신호(207, 209)를 추출한다. 수신 신호가 운반하는 정보는 수신기들(305)에서 생성되어 신호 처리 시스템(307)에서 처리 및 결합된 다음, 해석 및 최종 위치와 시간을 계산하기 위해 디지털 프로세서(309)로 전달된다. 수신된 데이터는 운영자만이 사용하는 위성 상태에 대한 순수한 내부 신호 외에 위성 위치에 대한 잠재적인 케플러 요소 (Keplerian elements) 및 타이밍 정보를 포함할 것이다. 신호가 위성으로부터 송신된 시간은 송신에 포함되고, 신호가 송신되었을 때 위성 위치는 위성 식별, 송신 시간, 및 송신 자체 또는 독립 책력(almanack)으로부터 획득된 궤도력 데이터에 기반하여 추론될 수 있다.
단말기에서 현재 시간은 프로세서(309)가 모든 연결된 비 GNSS 위성들로부터 브로드캐스트된 정보를 함께 고려함으로써 결정되어 세 개 이상의 위성들 사이의 신호 전달 시간의 차를 계산한다. 기지의 현재 시간에서 기지의 위성들의 비행 시간 및 위치로, 프로세서(309)는 수신기의 위치를 계산한다. 현재 시간, 시간 차들, 및 위치들은 GNSS에 사용된 방법과 같은 적절한 기법에 따라 계산된다. 정확하지 않은 시간이라도 알려지거나 추정되면, 추정된 위성 위치에 대한 추가 개선이 위성 궤도력 데이터에 기반하여 이뤄진다. 위치 및 시간 측정의 정확성은, 신호가 대기를 통해 전파될 때 신호 타이밍의 불가피한 변동뿐만 아니라 서로 다른 비 GNSS 위성들 사이의 정확도 및 동기화에 영향을 받을 것이다. 예를 들어, LEO 군집은 주기적으로 타임스탬프 및 위성 특정 데이터 세트를 송신하는 각 위성으로부터 송신된 상태 신호(health signal)를 가질 수 있다. 그런 다음 타임스탬프 송신은 타이밍 계산 및 위치 계산에 대한 기초를 만들 수 있다.
증가된 시간 정확도, 그에 따라 증가된 위치 정확도는 수신기(305)에 소형화된 원자 시계 또는 다른 고정밀 타이밍 기준 신호를 포함하여 획득되어 수신된 위성 신호로부터 생성된 현재 시간 추정치의 홀드오버(holdover) (시간에 대한 시간 정확도)를 개선할 수 있다. 원자 시계는 비 GNSS 위성 신호로부터 도출된 클럭 신호를 보충 및 안정화하고, 신호가 서로 다른 시간에 서로 다른 위성으로부터 수신되게 하고 또한 높은 정확도로 그 다음의 위치 및 시간 추정치들로 통합되게 한다.
도 5에 도시된 일 실시예에서, 시스템 (201)은, 자신의 위치 결정에 사용할 수 있는 다양한 위성들의 궤도력 데이터의 책력 또는 데이터베이스(501)를 갖거나, 시야 내 모든 위성들 또는 추적된 위치를 갖는 위성 서브세트에 대한 책력 등을 획득하는 방법을 갖는다. GNSS 시스템은 항법 신호 자체 내에서 표준 방식으로 전체 시스템에 대한 적시의 정확한 책력을 배포하는 메커니즘을 포함하지만 비 GNSS 통신 위성 및 시스템은 이 데이터를 배포하지 않거나 표준 방식으로 배포하지 않는다. 비 GNSS 시스템에 대한 책력을 구성하는 궤도력 데이터는 케플러 요소 형태 또는 다른 형식으로 송신된 신호 또는 TT&C 링크에 의해 브로드캐스트될 수 있지만, 일반적으로 GNSS 책력에 의해 제공된 것과 동일한 레벨의 정확도로 이뤄지지 않는다. 측위 시스템(201)은 자신의 위치를 결정하기 위해 신호를 수신하는 GNSS 및/또는 비 GNSS 위성들의 위치를 알아야 한다.
위성 궤도력 데이터는 궤도가 섭동하면서 정기적으로 변하고, 따라서 정기적으로 최신 책력을 획득하는 방법이 필요하다. 시간 또는 위치에 대한 지식이 없는 “cold” 상태로 시작하는 경우, 첫 시간 및 위치를 추정하려면 일부 정보가 필요하다. 제한된 정지궤도 위성의 수와 안정된 위치는 그 궤도 데이터가 시스템 (201)의 메모리(501)에 저장되어 데이터가 제한된 정확도를 갖더라도 최초 위치와 시간이 고정되게 한다. 그런 다음, 하나의 이상의 비 GNSS 통신 위성과 수립된 협력적 양방향 활성 위성 링크 (505)는 인터넷에서 내부 데이터베이스에 존재하지 않을 수 있는 다른 비 GNSS 위성에 대한 궤도력 데이터에 대한 갱신된 책력을 인터넷에 요구할 것이다. 수신기의 수동 특성을 갖고 있는 협력 방법은 위성 트랜스폰더 또는 트랜스폰더들이 (책력을 형성하는) 궤도력 데이터를 다수의 비 GNSS 위성에게 끊임없이 브로드캐스트하여 측위 시스템(201)이 활성 양방향 통신을 요구하지 않고 정확한 책력을 얻게 하도록 구성된 더 큰 시스템의 일부로 사용될 수 있다.
또는, 애플리케이션 및 가용성에 따라, 이동 네트워크 (503) 또는 유선 연결과 같은 지상 통신 시스템도 책력 정보 획득에 사용될 수 있다. 이 시스템이 광역 시스템에 사용된다면, 책력 정보는 또한 하나 이상의 위성들(507)에 의해 브로드캐스트되어 위치 결정을 위해 수신기에게 활성 브로드캐스트를 요구하지 않는 장점을 유지할 수 있다. 그러나 이는 신호 및 시스템이 특별히 측위를 지원하도록 설계되지 않았더라도 위성측의 지원이 필요하다.
시스템(201)의 위치 및 시간 결정 과정은 몇 가지 부분으로 나뉜다. 위치 및 시간이 결정되었다면, 시스템은 표준 GNSS 시스템에 사용된 것과 같은 적절한 유사 알고리듬 및 계산을 사용할 수 있다. 도 6에는 시스템 동작이 도시되어 있다. 시작 동작시 (603 단계), 다수의 빔들(605) 각각은 독립적인 비 GNSS 위성의 위치 결정, 위성 신호의 자동 추적, 및 신호 감지에 사용된다 (607 단계). GNSS와 비 GNSS 위성 사이의 주파수 대역 차이로 인해, 두 신호 세트는 위치 측정치 결과를 개선하기 위해 활용될 가능성은 거의 없다.
도 4를 참조하면, 적어도 세 개의 빔이 위성의 위치를 결정 및 자동 추적하게 되면 (609 단계), 각 빔은 다수의 비 GNSS 위성들로부터 신호 (413, 423, 433)을 수신할 때까지 (613 단계) 시간에 따라 각 위성을 추적한다 (611 단계). 위성의 현재 위치는 책력 데이터베이스(501)의 시간 및 책력 데이터에 기반하여 신호 처리기(307)에 의해 계산된다. 모든 신호가 사용가능하게 되면 (615 단계), 현재 시간(619)이 계산된다 (617 단계). 607 및 611 단계에서 수신된 각 빔(621)으로부터 수집된 신호들은 각 위성까지의 거리 계산에 사용된다 (625 단계). 모든 거리를 알게 되었다면 (627 단계), 시스템 (201)과 각 위성 (203, 205) 사이의 거리(437) 및 삼각측량에 의해 알게 된 위성 위치들에 기반하여 시스템(201)의 위치가 계산될 수 있다 (629 단계). 위치 측정치 (629 단계)가 충분하지 않다면 (631 단계), 위성(611)을 추적하는 각 빔(609)으로 이 과정이 계속되어 신호들을 수신한다 (613 단계). 위치 측정치 (629 단계)가 충분하다면 (631 단계), 위치를 알게 된다 (633 단계). 그런 다음, 시스템을 사용하는 사용자는, 예를 들어, 그 위치를 사용하여 사용가능하지 않은 GNSS 시스템으로부터 오는 정보를 대체할 수 있다.
대안적인 방법은 선택적으로 지상 단말기에서 보이는 대로 위성간 각도를 측정하는 것 (623 단계)뿐만 아니라 위성의 시간 정보와 현재 위치를 사용하는 것이다. 각도(439)는 빔 위치로부터 도출되고, 이는 단말기가 목표 위성을 추적할 때 알고 있는 것이다. 다중 빔 안테나가 독립 빔으로 각 위상을 추적할 것이기 때문에, 각 빔 (415, 425, 435) 의 각도는 각 위성 (411, 421, 431)에 대한 방향을 결정할 수 있다. 세 개 이상의 각도를 측정하여 수신기 위치를 삼각측량법으로 결정될 수 있다.
정지궤도에 있지 않는 위성은 지구에 대해 이동한다. 이러한 상대적인 이동은 하나 이상의 NGSO (Non-GeoStationary Orbit) 위성들 (411, 421)에 대한 시간에 따른 위치, 거리 및 수신된 각도를 모니터링하여 지상에서 추적될 수 있다. 이러한 방식으로, 위성들의 인지된 궤적은 시스템(201)에 의해 측정되고, 궤도력 데이터로부터 예상된 궤적과 비교될 수 있으며, 이 추가 정보는 위치 추정치의 정확도 개선에 사용될 수 있다. 이 방법은 시스템(201)이 정지상태거나 IMU (inertial motion unit)를 사용하는 계산에서 상쇄된 로컬 이동을 하는 동안 사용될 수 있고, 시스템은 가속도계 및 자이로스코프 센서를 포함하고 추측 항법(dead-reckoning)을 수행하여 외부 참조물에 액세스하지 않고 IMU를 추적한다. IMU를 갖는 시스템(201)의 상대적인 운동 및 위치를 국부적으로 추적함으로써 서로 다른 시간에 수신된 신호들을 칼만 필터링(Kalman filtering)과 같은 처리 방법을 사용하여 전체 위치 추정치로 통합하고, 이는 IMU를 사용하지 않고 획득된 것보다 높은 정확도의 시간과 위치를 허용한다.
비콘 및 TT&C 링크를 포함하는 패스(pass) 전체에 대해 수신된 협대역 신호들의 주파수로부터 얻은 도플러 정보는 보다 정확한 궤적 추정치를 제공할 수 있다. 예를 들어, 비콘 및 TT&C 신호의 주파수 변화율은 위성이 최근접 접근할 때의 패스의 중간점 및 시간 추정에 사용될 수 있고, 이는 시간 추정을 정확하게 하고 현재 위치 측정치와 보고된 궤도력 데이터의 정렬을 지원할 수 있다. 위치 계산에 비행시간 및 도착 방향 정보뿐만 아니라 도플러 천이로부터의 속도 또는 궤적을 포함하는 것은, 도플러 천이가 타이밍 신호 자체보다 잡음과 에러에 영향을 덜 받기 때문에 추정치를 향상시키며 그리고 위치 측정간의 크고 뚜렷한 움직임은 속도 정보를 체크하여 상기 뚜렷한 움직임이 정확한지를 확인할 수 있다. 시간에 따른 이러한 궤적은, 보다 많은 정보 가 위성의 기지의 또는 제한된 궤도 역학과 결합되어 사용가능하게 되기 때문에 (속도 및 궤적 벡터들), 책력 데이터와 비교되어 로컬 위치 계산의 정확도 개선에 사용될 수 있다.
결국, 시스템(201)의 위치는 위성으로부터의 거리, 수신기에서부터 위성까지의 각도, 및 위성의 측정된 궤적에 기반한 산출값들을 결합하고, 이 모두는 궤도력 데이터 또는 책력에 포함된 위성 궤도 파라미터 및 현재 시간과 결합되어 보다 정확하게 계산될 것이다.
위치 계산에 어떤 방법 또는 방법들의 결합이 사용되든지, 각 측정치의 불확실성 및 에러 추정치가 결합되어 위치 추정치 자체의 결과적인 정확성 또는 에러가 추정될 수 있다.
이 방법에 사용된 위성 궤도는 궤도 파라미터가 획득될 수 있는 한 중요하지 않다. 적도면 상의 모든 위성들은, 그들이 단일 평면상에 있더라도, (그들이 적도로부터 일렬로 보일 것이기 때문에) 적도에서 떨어져 있는 위치 추정에 사용될 수 있고, 이로써 GEO 위성 또는 MEO 적도 위성이 사용될 수 있다. MEO 및 LEO에서 경사진 궤도를 갖는 위성들은 머리 위로 근접하여 지나가는 위성들이 항상 있다는 장점을 제공하지만, 그 위성들은 또한 빠르게 이동할 것이고 처음부터 자동 추적은 더 어려울 것이다. 본 시스템은 임의의 단일 궤도 또는 궤도들의 결합에 대해 기능하지만, 궤도들 및 경사들의 결합 및 위성 위치가 사용될 때 가장 강건한 정보와 정확한 추정치를 생성할 것이다.
요컨대, 본 개시는 복수의 위성들로부터의 현재의 시간 및 거리를 사용하여 수신기의 위치를 결정하는 계산 장치 (처리 장치, 예를 들어, 제어기 또는 프로세서 등) 에 대한 입력으로서 그 시간 및 거리를 계산하는 방법 및 시스템에 대한 것이다. 본 시스템이 GPS 및 기존 GNSS 및 다른 측위 시스템과 다른 점은, 너무 약해서 (및 서로 다른 주파수 대역에서) 전방향 GNSS 또는 기타 또는 저이득 안테나에 의해 수신될 수 없는 위성 (Ku 및 Ka 대역 데이터 통신 또는 TV 브로트캐스트 위성 등)으로부터의 신호 수신에 다중 빔, 지향성 안테나 (VSAT 동작에 적합한 안테나 등)가 사용된다는 것이다. 다중 빔, 지향성 안테나를 갖는 본 시스템은 (예를 들어, GPS 또는 GNSS 시스템에 의해) 대개는 사용될 수 없거나 쉽게 사용가능하지 않은 신호들 및 위성들로부터 측위 데이터를 추출할 수 있다.
안테나가 독립적으로 위성을 추적할 수 있는 다수의 독립 조향가능한 지향성 빔들을 가질 수 있는 유일한 방식은 전기적으로 조향가능한 안테나들이다. 그에 반해, 기계적으로 조향가능한 안테나들은 한 번에 한 방향으로 포인팅할 수 있어, 단일 다중 빔 안테나가 수행할 수 있는 것과 동일한 동작을 수행하려면 다수의 안테나가 필요할 것이다. 기존 위성 신호에서 잠재적인 타이밍 기준들은 통신 및 브로드캐스트 신호들 내 프레이밍 구조, 위성과 제어기들 사이의 동기화 신호들, 또는 위성 상태 브로드캐스트 및 TT&C 링크를 포함할 수 있다. (기존 GNSS 및 측위 시스템에 의해 수신될 수 없는) 이 신호들을 수신하여, 수신기는 타이밍 정보를 추출하고, 위성의 거리 및 위치를 계산한 다음, 그로부터 수신기의 위치를 도출할 수 있다.
통신 위성을 사용하는 측위 시스템과 달리, 본 시스템은 위성으로부터 사용가능한 특정 신호에 의존하지 않고, 통상적으로 송신되는 어떤 신호와도 작업할 것이다, 즉, 비 GNSS 위성은 비협력적이다. 특히, 측위에 사용되는 위성은 자신의 신호들이 측위 목적으로 사용되는 것을 알 필요가 없다. 시스템은 위성과 활발하게 통신할 때 왕복신호가 타이밍 정보 도출에 사용되거나, 위성 (또는 위성 군집)이 지상의 송신기의 위치를 결정하고 수신기에 그 위치를 되돌려 보내는데 사용되는 경우, 본 시스템은 위성이 지원하는 측위를 사용하지 않는다.
임의의 주파수 대역이 사용될 수 있고, 안테나 및 시스템이 서로 다른 주파수 대역들에서 동작하고 그 대역들을 감지할 수 있을 때 가장 유연한 시스템이 될 것이다. 그러나 다수의 주파수들에서 동작하는 전기적으로 조향된 안테나들은 구축하기 어렵고 비싸다. 따라서, 가장 실용적인 시스템들은 가장 공통적인 통신 시스템 대역인 VSAT 동작용 Ka 및 Ku의 단일 대역에서 동작할 것이다.
당업자들은 다수의 본 시스템 및 방법을 많은 애플리케이션들에 쉽게 적용할 것이다. 따라서, 본 발명을 개시된 특정 예 또는 도시되고 설명된 정확한 구성 및 동작으로 한정하는 것은 바람직하지 않다. 그보다는, 모든 적절한 변형과 등가물은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 간주될 수 있다.

Claims (24)

  1. 지상 단말기들에 의해 위치 및 시간 도출을 위해 즉각적으로(readily) 사용가능하거나 또는 의도되거나 또는 설계되지 않은, 수동으로 수신된 비-GNSS(non-GNSS) 통신 신호들로부터 위치 및 시간 추정치를 생성하는 시스템으로서,
    a. 전기적으로 조향된(steered) 다중-빔 안테나로서, 상기 다중-빔 안테나로부터의 각각의 빔은 한 개의 별개의(separate) 위성으로부터의 신호를 추적 및 수신하도록 조향되는, 상기 전기적으로 조향된 다중-빔 안테나;
    b. 상기 다중-빔 안테나의 각 빔에 대한 수신기; 및
    c. 상기 위성에 대한 궤도력(ephemeris) 데이터에 기반하여, 그리고 상기 수신기에 의해, 그리고 상기 다중-빔 안테나의 각 빔에 의해 수신된 상기 신호들에 기반하여, 상기 시스템의 위치를 결정하도록 되어 있는 처리 장치;
    를 포함하는,
    시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 처리 장치는 상기 빔의 조향각에 의해 결정된 대로 상기 신호의 도착 방향에 기반하여 상기 위성의 각 위치(angular position)를 추정하고, 상기 처리 장치는 상기 시스템의 위치를 더 삼각측량하도록 되어 있는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 처리 장치는 상기 신호들로부터 현재 시간을 추출하는, 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 서로 다른 링크들로부터 추출된 상기 현재 시간을 보충 및 안정화하는 온보드(onboard) 원자 시계를 더 포함하는, 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 처리 장치는 상기 현재 시간 및 수신된 비-GNSS 신호들에 기반하여 각 위성으로부터의 비행시간 및 거리를 결정하는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 각 위성으로부터의 거리는 상기 수신기의 상기 위치 결정에 사용되는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 신호 채널들의 도플러 천이는 상기 수신기에 대한 각 위성의 상대 속도 및 궤적의 추론에 사용되는, 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항에 있어서, 도착각, 비행시간, 및 도플러 천이 측정치들은 결합되어 위치 추정의 정확도를 개선하는, 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항에 있어서, 시간에 따른 동일 위성의 다수의 측정치들은 상기 위성 궤적의 추정치 생성에 사용되어, 추정된 위치 및 정확도를 개선하는, 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항에 있어서, 로컬 IMU 센서는 서로 다른 시간에 수신된 신호들의 상관에 사용되어, 추정된 위치 및 정확도를 개선하는, 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 비-GNSS 위성들과의 하나 이상의 양방향 범용 통신 링크들이 수립되어, 추적되고 있는 다른 비-GNSS 위성들 모두에 대한 궤도의 궤도력 데이터(orbital ephemeris data)를 획득하는, 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 협력 위성 브로드캐스트는 하나 이상의 목표 위성들에 의해 송신되어, 상기 목표 위성들 모두에 대한 궤도의 궤도력 데이터를 배포하는, 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 지상 데이터 연결이 사용되어 상기 목표 위성들 모두에 대한 궤도의 궤도력 데이터를 획득하는, 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 잠재 목표 위성들에 대한 궤도력 데이터가 액세스용 로컬 데이터 스토리지에 보유되는, 시스템.
  15. 제1항 내지 제15항에 있어서, 각 독립 측정치의 불확실성이 사용되어 전체 위치 불확실성을 추정하는, 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 안테나는 VSAT 안테나인, 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 안테나는 위상 배열인, 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 안테나는 렌즈 안테나 배열인, 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 위성들은 LEO 내에 있는, 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 위성들은 MEO 내에 있는, 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 위성들은 GEO 내에 있는, 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 상기 위성들은 다수의 궤도들에 있는, 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 상기 TT&C 링크들은 Ka 대역에서 송신되는, 시스템.
  24. 제1항에 있어서, 상기 TT&C 링크들은 Ku 대역에서 송신되는, 시스템.
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