KR100448574B1 - 지피에스 단말기 및 무선통신 단말기에 대한 측위 방법 - Google Patents

지피에스 단말기 및 무선통신 단말기에 대한 측위 방법 Download PDF

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Abstract

측정치 획득 시간을 감소시킬 수 있고 단말기의 GPS신호 수신감도를 실질적으로 증대시킬 수 있는 측위 방법을 제공한다.
기지국이 무선통신망을 통해서 단말기에 제공하는 보조정보에 위성과 기지국간의 의사거리 및 시간 정보와 함께 항법 데이터가 제공된다. 이에 따라, 단말기는 GPS 신호로부터 C/A 코드를 추출함에 있어서 항법 데이터에 의한 비트 위상 변화를 고려할 필요가 없어지게 되며, 적분시간을 항법 데이터의 주파수 즉 20msec이상으로 늘일 수 있으며 같은 크기의 데이터 처리 시에 처리횟수가 줄어들어 시간을 절약할 수 있게 된다. 한편, 본 발명의 측위 방법에 있어서는 수신기와 통신을 하는 기지국의 셀 커버리지에 대한 정보가 보조정보에 포함된다. 이때, 기지국과 단말기간의 경로왕복 지연시간(RTD: Round Trip Delay) 및/또는 섹터 정보 및 중계기 정보가 함께 포함될 수도 있다. 기지국은 이러한 보조정보를 이용하여 측위 과정에서 코드 검색 범위를 줄여서 계산량을 감소시켜 측정치 획득 시간을 짧게 함과 아울러 수신감도를 높일 수 있게 된다.

Description

지피에스 단말기 및 무선통신 단말기에 대한 측위 방법{GPS Receiver and Method for Determining Position of a Wireless Terminal}
본 발명은 측위 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선통신망의 지원 하에 GPS 신호를 사용하여 측위를 하는 GPS 수신기 및 측위 방법에 관한 것이다.
항체의 위치를 측정하기 위한 측위 시스템의 사용이 다양한 분야에서 증가되고 있다. 이러한 측위 시스템 중 대표적인 것은 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS)이라 할 수 있다. GPS에 있어서 측위를 위한 원천 신호들은 지구로부터 약 20,200km 상공에 떠있는 위성들이 제공하게 되며, 각 수신기는 위성들 중 시선 범위 내에 있는 4개 이상의 위성들로부터 신호를 수신받아 자신의 위치 등을 계산하게 된다. GPS 수신기는 각 위성으로부터 수신된 신호의 시간지연 및 도플러 시프트를 계산하여 위성과 수신기 사이의 거리 및 거리 변화율을 계산하고, 수신된 신호를 복조하여 얻어지는 항법 데이터로부터 위성 위치 및 속도를 구한다. 이러한 방법으로 네 개이상의 위성에 대한 정보를 얻으면 수신기의 위치 및 속도를 구할 수 있게 된다.
GPS신호는 50Hz의 항법 데이터가 위성 고유의 의사잡음 코드로 대역확산된 후 약 1.5GHz의 반송파 신호에 BPSK 방법으로 변조된 형태를 가진다. 따라서, 수신기에서 GPS신호를 획득하고 데이터를 복조하기 위해서는 코드와 반송파를 제거해야 한다. 반송파를 제거하기 위해서는 도플러 시프트의 크기 및 방향에 대한 도플러 정보를 알아내야 하는데, 일반적으로 도플러 시프트는 수신기가 정지상태에 있는 경우 위성의 움직임에 의하여 최대 5kHz가 발생한다. 이러한 도플러 정보는 일반적으로 일정간격으로 신호를 검색하는 방법을 이용하여 계산하게 된다. 한편, GPS 신호에 섞여있는 코드는 민간이 수신할 수 있는 C/A 코드(Coarse Acquisition Code)와 군용 신호인 P(Precision) 코드로 나뉘며, 위성마다 다른 코드가 곱해져있다. 코드를 제거하는 과정은 수신기에서 동일한 코드를 생성하여 컨벌루션(Convolution)해 보는 방법으로 도플러 검색과정과 동시에 이루어진다.
코드와 반송파가 모두 제거된 후에는 데이터 추출이 가능하다. GPS 데이터는 5개의 subframe이 하나의 frame을 이루며 25개의 frame이 모여 superframe을 이룬다. 데이터 중 subframe1, 2, 3은 전송되고 있는 위성의 시각 및 위치에 관한 값들을 지니고 있으므로 위성마다 다른 값들로 이루어져 있고, Subframe4, 5는 모든 위성에 관한 정보들을 지니고 있으며 각각의 위성은 같은 값들을 갖고 있다. 이상의 과정을 거쳐 3∼4개 이상의 위성 데이터를 복조하여 위성 위치 및 측정치를 획득한 후에 측위가 가능하게 된다.
한편, 무선통신망을 활용하여 무선통신 단말기들의 위치를 측정하기 위한 측위 시스템에 대한 요구도 날로 점증하고 있다. 무선통신망 기반 측위 시스템에 대한 요구가 가장 절실하게 요구되는 것은 긴급 구조 서비스라 할 수 있다. 이와 관련하여, 미국 연방통신위원회(FCC)는 1996년 6월 12일 채택한 규정에서 셀룰러 시스템 및 PCS를 포함한 모든 무선통신 서비스 시스템 사업자들로 하여금 무선통신 단말기로부터의 긴급구조요청 호에 대하여 신용확인 또는 인증 절차를 행하지 않고 즉시 긴급구조요청 접수 기관(Public Safety Answering Point: PSAP)으로 호를 전송하고 아울러 2001년까지 모든 긴급구조요청 호 중 67%에 대해 50m 정도, 95%에 대해 150m 정도의 정확도로 단말기의 위치정보를 제공할 것을 요구한 바 있는데, 이러한 규정 발표 이후에 무선통신망 기반 측위 시스템에 대한 연구는 큰 관심을 끌어왔다.
무선통신망을 활용하는 측위 시스템은 다음 세 가지 방법 즉, 망 시스템만을 이용하는 측위 방법, GPS 만을 이용하는 측위 방법, GPS와 망 시스템을 모두 이용하는 하이브리드 방식 중 어느 하나를 사용하여 무선단말기의 위치를 파악하게 된다.
망 시스템만을 이용하는 방법은 복수의 기지국들을 활용하여 삼각법에 의해 측위를 하는 지오로케이션(Geolocation) 방법으로서, 원격 측위(Remote Positioning) 방법 및 자가 측위(Self Positioning) 방법으로 구분될 수 있다. 원격 측위 방법은 단말기에서 송출한 신호를 여러 기지국에서 수신하여 중앙 관제소(Central site)에서 최종적으로 위치를 구하는 것이다. 이 방법은 단말기의 구조를 크게 바꾸지 않고 구현이 가능하다는 장점이 있으나, 통신망 장비의 구조가 바뀌어야 하며 단말기에서는 자신의 위치를 알 수 없다는 단점이 있다. 자가 측위 방법은 여러 기지국으로부터의 신호를 토대로 각 단말기가 측위를 하는 것이다. 이 방법은 기존의 통신망 장비를 크게 변화시키지 않고 단말기만을 보강하여 구현 가능할 수 있고 단말기에서 자신의 위치를 알 수 있게 되어 응용 범위가 넓다는 장점이 있는 반면에, 인접 기지국들 중 가청성(hearibility)이 높은 기지국이 많지 않은 경우 측위가 불가능하고, 비시선(NLOS: Non Line Of Sight) 오차로 인해 오차가 큰 위치 해를 제공하게 될 가능성이 높다는 단점이 있다.
한편, GPS만을 이용하여 측위를 하는 방법에 따르면, GPS 수신 회로 또는 장치에 의해 측위된 데이터를 무선단말기가 무선통신망을 통해 중앙 관제국에 기관에 송신하게 된다. 이 방법은 기존 망 시스템을 크게 변화시키지 않고 구현이 가능하다는 장점이 있는 반면, 단말기에 두 개의 시스템이 혼합되므로 전력 소모가 많고 두 주파수 사이 간섭 등의 단점을 갖게 되며, 특히 실내에서는 GPS 신호 수신이 불가능하여 단말기의 위치 측정이 불가능하다는 문제점이 있다. 아울러, GPS만을 이용하여 측위를 하는 수신기에 있어서 초기 위치 획득 시간은 약 1분 정도인데, 이러한 초기 위치 획득 시간은 일반적인 항법 시스템의 응용에서는 크게 문제가 되지 않지만 긴급구조요청과 같은 긴급한 상황에서는 지나치게 길어서 문제가 된다.
하이브리드 방식은 망 시스템만을 이용하는 측위 방법과 GPS 만을 이용하는 측위 방법을 혼합하여 서로의 단점을 보완하는 것으로서, 기본적으로 망 시스템만을 이용하여 측위를 하되 기지국 수가 적거나 가청성이 높은 인접 기지국들이 적은 지역에서는 GPS에 의해 측위를 하는 방식을 말한다. 그런데, 이 방식은 단말기 구조가 복잡해지고 전력 소모가 많다는 문제점을 여전히 가지고 있게 된다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 최근에는 GPS 신호를 토대로 측위를 하되, 통신망의 보조 하에서 즉 기지국과 단말기가 역할을 분담하여 데이터 처리를 하는 망지원 GPS(Network-assisted GPS) 측위 기법에 관심이 모아지고 있다. Network-assisted GPS 측위 기법에 따르면, GPS 측위 속도를 향상시키기 위하여 필요한 보조정보를 기지국이 무선통신망을 통해서 단말기로 전송하고, 단말기는 이러한 보조 정보를 활용하여 각 위성에 대한 의사거리를 구하게 된다. 여기서 기지국이 단말기에 제공하는 보조정보로는 측위 시각의 위성 위치 및 도플러 정보 등을 들 수 있다. 단말기는 각 위성에 대해 계산된 의사거리들을 사용하여 직접 측위를 한 후 측위 데이터를 중앙 관제소에 송신하거나, 또는 의사거리들을 기지국에 제공하여 기지국이나 교환국 또는 중앙 관제소가 측위를 할 수 있게 해준다. 이러한 Network-assisted GPS 측위 기법에 따르면, 측위 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 신호 감도가 낮은 실내에서도 측위가 가능하게 되며, 망 시스템만을 이용하는 측위 시스템에 비해 위치 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.
Network Assisted GPS 측위 기법에 대한 연구는 크게 세 가지로 집약된다고 할 수 있다. 그중 첫 번째는 무선통신망을 이용하여 기지국에서 단말기로 적절한 보조정보를 제공함으로써 단말기에 포함되어있는 GPS 수신기에서 신호 획득 및 측위 시간을 단축시키는 것이고, 두 번째는 실내에서 측위가 가능하도록 GPS 신호의 수신감도를 높이기 위한 것이며, 세 번째는 시스템의 전력 소모를 줄이기 위한 것이다.
측정치 획득 시간(TTFF: Time to First Fix)을 단축시키기 위해서는 위성 위치와 도플러 정보를 알아야 하는데, 위성 위치는 위성 궤적(Ephemeris) 데이터와 GPS 시간으로부터 계산할 수 있고, 도플러 정보는 위성 및 단말기 속도와 수신기 국부발진기 클럭 드리프트를 알면 계산이 가능하다. 따라서, 종래의 Network Assisted GPS 측위 기법에 있어서 기지국은 시각 정보, 주파수 정보 및 도플러 정보를 보조정보로써 단말기에 제공한다.
시각 정보는 측위 기준 시각을 기지국과 단말기간에 동기시키기 위한 것으로서 Network Assisted GPS 측위 기법에서 있어서 기본적인 보조정보라 할 수 있는데, 단말기 모뎀은 기지국과 동기된 단말기 시각 정보를 GPS 수신기에서 제공하여 위성 위치를 구하는데 이용할 수 있게 해주고 코드 옵셋(Code offset)을 구하기 위한 검색범위를 줄이게 해준다. 기지국이 정밀한 반송파 주파수 정보를 제공하게 되면 GPS 수신기 국부발진기의 클럭 드리프트를 보상할 수 있는데, 이처럼 정밀한 반송파 주파수를 제공하는 예는 프리시젼 트래킹사(Precision Tracking, Inc.)에 부여된 미국특허 5,663,734호에 기재되어 있다. 한편, 기지국이 가시위성에 대한 도플러 정보를 제공하는 예는 위 미국특허 5,663,734호와 스냅트랙사(SnapTrack, Inc.)에 부여된 미국특허 5,781,156호에 기재되어 있다.
한편, GPS 수신기를 이용하여 실내 측위를 가능하도록 하기 위해서는 수신감도를 높여야 한다. GPS 신호의 수신감도를 높이기 위해서, 위에서 기술한 바와 같이 기지국이 주파수 정보 등을 단말기와 제공하는 것과 아울러, 단말기가 신호를 추적하여 복조함에 있어 다수의 컨벌루션 연산 내지 고속푸리에변환 연산을 수행하는 방안이 제시된 바 있다. 예컨대, 위 미국특허 5,663,734호 및 5,781,156호와, 스냅트랙사에 부여된 미국특허 5,884,214호에는 이처럼 컨벌루션 연산 내지 고속푸리에변환 연산을 여러 번 수행하여 신호를 추적하고 복조하는 과정이 기술되어 있다. 아울러, 수신감도를 높이기 위한 전형적인 방법의 하나로서 위 미국특허 5,884,214호에 기재되어 있는 바와 같이 신호 적분 시간을 늘이는 것이 있다. 그런데, GPS 신호에는 50Hz의 데이터가 실려 있으므로 데이터 정보를 모를 경우 20msec이상 적분이 불가능하며, 추정된 도플러에 오차가 있을 경우 적분시간 제한은 더욱 커진다. 이를 해결하기 위한 핵심기술은 크게 두 가지로 나뉘며, 첫 번째는 기지국(2)의 정밀한 반송파 신호를 이용하여 수신기 클럭 드리프트를 보상한다. 두 번째는 도플러 오차에 의한 신호감쇄를 막기 위하여 짧은 주기로 여러 번 나누어 적분한 후 크기(magnitude)만을 다시 적분하거나, 도플러 오차를 추정하여 검색하게 된다.
Network Assisted GPS 측위 기능을 구비한 단말기의 전력 소모를 줄이기 위한 방안으로서, 예컨대 위 미국특허 5,663,734호 및 5,781,156호에는 GPS 신호 수신 과정에서만 RF 신호 입력단과 스냅샷 메모리에 전력이 공급되도록 하고, IF 데이터 처리 과정에서만 디지털 신호처리부(DSP)에 전력이 공급되도록 하며, 측위가 불필요한 때나 측위 과정 중 여타 단계에서는 이들 부재에 전력이 공급되지 않도록 하는 회로가 기재되어 있다.
본 발명은 측정치 획득 시간을 더욱 감소시킬 수 있고, 단말기의 GPS신호 수신감도를 실질적으로 증대시킬 수 있는 측위 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 GPS 단말기의 바람직한 실시예를 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 GPS 단말기에 있어서의 자가 측위 과정을 보여주는 흐름도.
도 3은 도 1의 GPS 단말기에 있어서의 원격 측위 과정을 보여주는 흐름도.
도 4는 도 2에 도시된 IF 샘플링 신호 처리 과정을 보다 구체적으로 보여주는 흐름도.
도 5는 일반적인 GPS 신호의 구성을 보여주는 파형도.
도 6은 GPS 신호로부터 반송파와 항법 데이터를 제거하는 과정을 보여주는 파형도.
도 7은 수신된 C/A 코드를 코히런트 적분하는 과정을 개념적으로 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 있어서 시간지연 한계치의 추정을 토대로 코드 검색범위를 축소시키는 것을 개념적으로 보여주는 도면.
도 9는 최고 상관값을 갖는 시점을 결정하기 위해 각 샘플링 시점 사이의 시점들에 대해 상관값들을 내삽하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 측위 방법에 있어서 기지국에서 제공되는 측위 보조정보와 그 이용을 설명하기 위한 도면.
도 11은 위성과 단말기간의 의사거리 계산을 위한 검색범위 계산 방법을 설명하기 위한 도면.
도 12는 기지국에서 의사거리 정보가 제공되는 경우의 검색 방법을 보여주는 도면.
도 13은 기지국에서 수집된 RTD 통계치의 일 예를 보여주는 도면.
도 14는 다른 위성에 대해 먼저 계산된 의사거리를 활용하는 측위 방법에 있어서 두 번째 위성 신호 획득을 위한 검색범위를 보여주는 도면.
도 15는 다른 위성에 대해 먼저 계산된 의사거리를 활용하는 측위 방법에 있어서 세 번째 위성 신호 획득을 위한 검색범위를 보여주는 도면.
도 16은 섹터 정보를 활용하는 실시예에 있어서의 검색범위를 보여주는 도면.
도 17은 단말기가 두 개의 기지국으로부터 신호를 받을 수 있는 상태를 보여주는 도면.
도 18은 두개 이상의 기지국을 이용하는 경우의 위치 오차 범위를 보여주는 도면.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 측위 방법에 있어서는, 기지국이 무선통신망을 통해서 단말기에 제공하는 보조정보에 기지국에 대한 의사거리 및 시간 정보와 함께 항법 데이터가 제공된다. 이에 따라, 단말기는 GPS 신호로부터 C/A 코드를 추출함에 있어서 항법 데이터에 의한 비트 위상 변화를 고려할 필요가 없어지게 되며, 적분시간을 항법 데이터의 주파수 즉 20msec이상으로 늘일 수 있으며 같은 크기의 데이터 처리 시에 처리횟수가 줄어들어 시간을 절약할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 측위 방법에 있어서는 수신기와 통신을 하는 기지국의 셀 커버리지에 대한 정보가 보조정보에 포함된다. 이때, 기지국과 단말기간의 경로왕복 지연시간(RTD: Round Trip Delay) 및/또는 섹터 정보 및 중계기 정보가 함께 포함될 수도 있다. 기지국은 이러한 보조정보를 이용하여 측위 과정에서 코드 검색 범위를 줄여서 계산량을 감소시켜 측정치 획득 시간을 짧게 함과 아울러 수신감도를 높일 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 측위 방법을 구현하기 위한 GPS 단말기의 바람직한 실시예를 보여준다. 도 1의 GPS 단말기(10)는 무선신호 송수신 모뎀(12) 및 무선신호 송수신용 안테나(14)와, GPS 수신부(20)를 포함하며, 무선통신 기지국(2, 이하, "기지국"이라 약칭함)과 무선통신 링크를 통해 신호를 송수신할 수 있고 GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 기지국(2)은 CDMA 통신망의 일부로서, 해당 셀 커버리지 내에 위치한 단말기를 대상으로 통신 서비스를 제공한다. 특히 본 발명에 있어서, 기지국(2)의 기지국 송수신기 서브시스템(BTS: Base Station Transceiver Subsystem)은 GPS 수신기를 포함하고 있으며, 연속적인 항법 해를 수행하면서 단말기(10)에 제공할 측위 보조정보를 생성하여 저장하고 지속적으로 갱신한다. 단말기(10)에 측위 시작 요구 명령을 송신하거나 단말기(10)로부터 측위 시작 요구를 수신하는 경우, 기지국(2)은 단말기(10)에 측위 보조정보를 제공하여, 단말기(10)가 보조정보를 사용하여 짧은 시간 내에 그리고 쉽게 측위를 할 수 있게해준다. 본 발명에서 사용되는 측위 보조정보에 대해서는 후술한다.
도 1에 있어서, 무선신호 송수신 모뎀(12, 이하 "모뎀"이라 약칭함)은 상향 통신 신호를 CDMA 신호로 변조하여 기지국(2)에 송신하고 기지국으로부터의 CDMA 신호를 복조하게 된다. 모뎀(12)과 GPS 수신부(20)는 직렬 I/O를 통해 접속된다. 기지국으로부터 측위 명령을 수신하거나 사용자에 의해 또는 단말기에 적재된 프로그램의 동작에 의해 측위 명령이 인가되는 경우, GPS 수신부(20)는 기지국(2)이 제공하는 측위 보조정보를 모뎀(12)을 통해 받아들이고 GPS 위성으로부터의 GPS 신호를 받아들여서, 상기 측위 보조정보 및 GPS 신호를 사용하여 단말기의 위치를 결정하게 된다.
바람직한 실시예에 있어서는 GPS 수신부(20)와 모뎀(12)이 하나의 하우징 내에 일체화된 형태로 GPS 단말기(10)가 제작된다. 그렇지만, 본 발명의 다른 실시예에 있어서는 GPS 수신부(20)가 별도로 제작되어 무선통신 단말기의 직렬 인터페이스 포트를 통해 무선통신 단말기 내에 있는 모뎀(12)에 접속될 수도 있다. 여기서 무선통신 단말기는 예컨대 셀룰러 전화기 또는 PDA가 될 수 있다.
도 1의 실시예에 있어서, GPS 수신부(20)는 마이크로프로세서(22), 전력 제어부(24), 주파수 합성부(26), 안테나(28), 하향변환부(30), 아날로그/디지털 변환부(32), 스냅샷 메모리(34) 및 디지털 신호처리부(36)를 포함한다.
마이크로프로세서(22)는 모뎀(12)과의 데이터 송수신을 수행함과 아울러, GPS 수신부(20) 내에 있는 각 부분에 대한 전력 제어 기능을 수행한다. 즉, 마이크로프로세서(22)는 전력 제어부(24)를 제어하여, 정상 상태에서는하향변환부(30), 아날로그/디지털 변환부(32), 스냅샷 메모리(34) 및 디지털 신호처리부(36)에 전력이 공급되지 않거나 최소한의 대기전력만이 공급되도록 하고 측위 과정 중 일부 단계에서만 이들에 완전한 전력이 공급되도록 한다.
측위가 행해지지 않는 동안, 하향변환부(30), 아날로그/디지털 변환부(32), 스냅샷 메모리(34) 및 디지털 신호처리부(36)는 저전력 대기 상태에 있게 된다. 이와 같은 상태에서, 측위를 시작하게 되면 먼저 하향변환부(30), 아날로그/디지털 변환부(32) 및 스냅샷 메모리(34)에 완전한 전력이 공급된다. 하향변환부(30)는 안테나(28)를 통해 수신되는 RF 대역의 GPS 신호를 받아들이고, 주파수 합성부(26)로부터의 국부발진신호를 사용하여 GPS 신호의 주파수 대역을 IF 대역으로 하향변환한다. 아날로그/디지털 변환부(32)는 하향변환부(30)로부터의 IF 신호를 주파수 합성부(26)로부터의 샘플링 클럭을 사용하여 샘플링하고 양자화하여 그 결과 생성되는 디지털 데이터(이하, "IF 샘플링 신호"라 칭함)를 스냅샷 메모리(34)에 저장한다. 이와 같이 GPS 신호가 샘플링되어 스냅샷 메모리(34)에 저장되기까지의 과정에서 디지털 신호처리부(36)에는 대기 전력만이 공급된다.
한편, 스냅샷 메모리(34) 내에 IF 샘플링 신호의 저장이 완료되면, 하향변환부(30) 및 아날로그/디지털 변환부(32)는 저전력 대기상태로 전환되며, 스냅샷 메모리(34)와 함께 디지털 신호처리부(36)에는 동작을 위한 완전한 전력이 공급되기 시작한다. 디지털 신호처리부(36)는 스냅샷 메모리(34)에 저장된 IF 샘플링 신호와 마이크로컨트롤러(22)를 경유하여 기지국(2)으로부터 받아들여진 보조정보를 사용하여 가시 위성들 각각에 대한 의사거리를 계산하게 된다. 이를 위해, 디지털신호처리부(36)에는 의사거리를 구하는 과정이 프로그램되어 있다.
가시 위성들 각각에 대한 의사거리 계산을 완료한 후, 디지털 신호처리부(36)는 의사거리 정보를 마이크로프로세서(22)에 제공한다. 의사거리 정보를 수신한 마이크로프로세서(22)는 다시 전력 제어부(24)를 제어하여, 스냅샷 메모리(34) 및 디지털 신호처리부(36)가 저전력 대기 상태에 들어가도록 하게 된다. 그 다음, 마이크로프로세서(22)는 동작 모드에 따라 의사거리 정보를 처리하게 된다. 즉, 단말기가 직접 자신의 위치를 결정하는 자가 측위 모드에 있어서, 마이크로프로세서(22)는 의사거리 정보를 사용하여 단말기 위치를 결정한 후, 단말기 위치 데이터를 단말기의 디스플레이에 표시하거나 기지국(2)에 전송한다. 한편 별도의 중앙 관제소가 단말기 위치를 결정하는 원격 측위 모드의 경우, 마이크로프로세서(22)는 의사거리 정보를 기지국(2)을 경유하여 중앙 관제소에 전송함으로써 중앙 관제소가 최종적으로 단말기의 위치를 구하도록 하게 된다.
도 1에 도시된 GPS 단말기의 하드웨어 구조는 미국특허 5,663,734호 및 5,781,156호에 나타나있는 것과 유사하다고 할 수 있다. 그렇지만, 미국특허 5,663,734호 및 5,781,156호와 대비해볼 때, 도 1의 GPS 단말기에 있어서는 기지국(2)으로부터 수신하는 측위 보조정보의 종류가 상이하며, 특히 상기 보조정보에 우술하는 바와 같이 기지국이 획득한 항법 데이터와, 기지국의 셀 커버리지 범위 즉 유효범위 및/또는 기지국과 단말기간의 경로왕복 지연시간(RTD)과 같은 데이터가 추가된다. 이에 따라, 아래에서 구체적으로 기술하는 바와 같이 GPS 단말기가 수행하는 측위 방법이 위 미국특허들과 상이하게 된다.
도 2는 도 1의 GPS 단말기에 있어서의 측위 방법을 개략적으로 보여준다.
먼저, 측위를 위해서는 기지국(2)과 단말기(10)의 모뎀(12)사이에 통신 링크가 설정되어야 한다(제100단계). 통신 링크가 설정된 후 단말기(10)는 통신망에 있어서 사전에 정해진 프로토콜에 따라 기지국(2)에서 전달되는 신호를 이용하여 시각 오차를 보정한다. 아울러, 통신 링크가 설정된 상태에서 GPS 수신부(20)의 주파수 합성부(26)는 단말기 모뎀(12)과 클럭을 공유하여, 클럭 드리프트 오차 및 이로 인한 도플러 시프트를 최소화하게 된다.
이와 같이 통신 링크가 설정된 상태에서, 기지국(2)은 단말기(10) 위치를 알기를 원하는 경우 단말기(10)에 측위 시작 명령을 송신할 수 있다(제102단계). 측위 시작 명령은 특정 시각을 지정하여 지정된 시각에 측위가 이루어지도록 할 수도 있고, 즉시 측위가 이루어지도록 할 수도 있다. 측위 시작 명령을 수신한 단말기(10)는 확인 신호를 기지국(2)에 송신한다. 아울러, 측위 시작 명령에 특정 시각을 지정되어 있는 경우, 해당 시각에 단말기(10)는 측위 시작 통지 신호를 기지국(2)에 송신한다. 한편, 단말기(10)에서 측위 시작을 기지국(2)에 요청할 수도 있는데, 이러한 경우 요청을 수신한 기지국(2)은 단말기(10)에 기지국(2)으로 측위 시작 통지 신호를 송신하게 된다.
이어서, 단말기(10)는 GPS 신호를 받아들이고 IF 샘플링 신호를 스냅샷 메모리(34)에 저장하게 된다(제104단계). 한편, 같은 시간에 기지국(2)은 단말기(10)에 대한 측위 보조정보를 준비하게 된다(제106단계). 기지국(2)에서 마련된 보조정보는 단말기(10)의 모뎀(12)으로 전송된 후, GPS 수신부(20)의마이크로프로세서(22)로 직렬통신에 의해 전달된다(제108단계). 바람직한 실시예에 있어서, 단말기(10)의 GPS 수신부(20)가 측위에 사용하는 보조정보는 기지국(2)에서 제공해 주는 것과 미리 계산하여 갖고 있는 것을 포함하는데, 이러한 보조정보의 종류가 표 1에 정리되어 있다.
보조정보 종류 용도
기지국에서 제공되는 것 위성 코드(SV_ID) 신호를 처리할 위성을 선택
위성과 기지국간의의사거리() 해당 위성에 대한 단말기 의사거리의 초기값
위성 궤적(Ephemeris) 해당 위성에 대한 도플러 시프트 계산
항법 데이터 단말기에서 수집된 신호에서 항법 데이터를 제거
시간 정보 위성 위치계산 시각 설정
측위 시간 설정
단말기 의사거리 계산 기준 시각 설정
기지국 유효범위(RBS) 코드 검색 범위 계산
경로왕복 지연시간(RTD) 코드검색범위 축소
기지국과 단말기간의 거리에 따른 시간오차 보정
미리 알고 있는 것 단말기 클럭 오차 코드 검색 범위 계산
기지국 클럭 오차 코드 검색 범위 계산
한편, 코드 검색범위를 축소시키기 위하여 셀 커버리지 즉, 기지국 유효범위()대신에 또는 이와 함께 중계기 유효범위() 데이터가 제공될 수도 있다. 또한, 섹터 정보가 측위 보조정보에 포함될 수도 있다. 아울러, 단말기와 통신하는 기지국(또는 중계기)의 위치와, 통신 상대방이 기지국인지 중계기인지에 대한 정보가 측위 보조정보에 포함될 수도 있다. 특히, 중계기에 관한 정보를 모르거나 중계기가 사용되지 않는 경우의 기지국의 유효범위(R)는 후술하는 바와 같이 기지국이 사용되는 경우의 기지국 유효범위()와 다른 값을 가질 수도 있다.
제106단계 및 제108단계에서 IF 샘플링 신호가 수집되고 기지국(2)으로부터 측위 보조정보를 받아들인 후, 단말기의 GPS 수신부(20)는 IF 샘플링 신호를 처리하여 가시위성 모두 또는 그중 일부에 대한 의사거리를 계산한다(제110단계). 의사거리 계산이 완료되면, 마이크로프로세서(22)는 복수의 가시위성에 대한 의사거리와 위성 궤적(Ephemeris) 데이터로부터 단말기의 위치를 계산하여 기지국(2)에 전송한다(제112단계 및 제114단계). 한편, 도 2는 자가 측위의 경우의 경우를 예시한 것이며, 원격 측위의 경우에 있어서는 계산된 의사거리 정보를 기지국(2)을 경유하여 중앙 관제소에 전송함으로써 중앙 관제소가 최종적으로 단말기의 위치를 계산하도록 하게 된다. 이러한 원격 측위 과정이 도 3에 도시되어 있다.
도 4는 도 2에 도시된 IF 샘플링 신호 처리 과정 즉, 제110단계를 보다 구체적으로 보여준다. 도 4에 도시된 과정을 개략적으로 살펴보면, 먼저 어느 한 가시위성에 대한 C/A 코드를 생성한다(제150단계). 일반적으로 C/A 코드는 1메가헤르쯔(MHz)의 주파수를 가지며 1밀리초(msec)의 주기로 즉, 매 1023비트마다 반복되는 의사잡음(PN) 코드이다. 제150단계에 있어서, 이와 같은 C/A 코드는 디지털 신호처리부(36) 내에 있는 PN코드 발생기에 의해 생성된다. 그렇지만, 본 실시예가 변형된 다른 실시예에 있어서는 C/A 코드가 메모리 내에 적재되는 룩업테이블로부터 읽혀져서 사용될 수도 있다. C/A 코드가 생성된 다음에는, 스냅샷 메모리(34)내에 저장되어 있는 IF 샘플링 신호로부터 수신 GPS 신호 내에 포함된 C/A 코드(이하, "수신된 C/A 코드"라 칭함)를 복원하여 코히런트 적분한다(제154단계). 아울러, 기지국(2)으로부터 수신된 항법 데이터 비트에 붙어있는 시간-태그를 참조하여 생성된 C/A 코드와 적분된 C/A 코드간의 타이밍을 일치시킨 후 두 코드간의 코드 지연 시간을 계산함으로써 의사거리를 결정하게 된다(제156단계 내지 제168단계).
제154단계 내지 제168단계에 대해 구체적으로 설명한다.
일반적으로 GPS 신호는 도 5에 도시된 바와 같이 항법 데이터, C/A 코드 및 반송파로 이루어져 있으며, 항법 데이터 또는 C/A 코드가 논리상태를 천이할 때 반송파의 위상이 반전되는 파형을 갖는다. 이와 같은 GPS 신호를 사용하여 의사거리를 구하는 기본 원리는 GPS 신호에 실려있는 C/A 코드의 지연시간을 계산하는 것이며, 이를 위해서는 반송파가 먼저 제거되어야 한다. 일반적으로 반송파를 제거할 때에는 항법 데이터에 의한 비트 위상 변화를 고려해야만 한다. 즉, 50 Hz의 주파수를 가지는 항법 데이터가 남아 있는 경우에는, 제154단계의 코히런트 적분 과정에서 적분 시간을 20 ms 이상으로 늘일 수 없게 되고 이에 따라 적분을 통한 수신감도 증대가 한계를 가지게 된다.
그렇지만, 도 1의 단말기에 있어서는 디지털 신호처리부(36)가 모뎀(12) 및 마이크로프로세서(22)를 경유하여 기지국(2)으로부터 항법 데이터를 받아들이기 때문에, 도 6에 도시된 바와 같이 GPS 신호 즉 IF 샘플링 신호로부터 반송파와 함께 항법 데이터도 동시에 제거해낸다. 이와 같이 항법 데이터를 제거한 후에는 C/A 코드가 모두 같은 위상임을 도 6에서 쉽게 확인할 수 있다. 이에 따라, 항법 데이터에 의한 비트 위상 변화를 고려할 필요가 없어지게 되며, 적분시간을 20msec이상으로 늘일 수 있으며 같은 크기의 데이터 처리 시에 처리횟수가 줄어들어 시간을 절약할 수 있다. 예를 들어 1초 데이터를 처리할 경우 10msec단위로 나누면 100개의 블록이 생기고, 100msec단위로 나누면 10개의 블록이 생기므로, 10msec단위로 나눈 경우에 비하여 100msec로 나눈 경우 계산시간이 10분의 1로 줄어든다. 한편, 반송파를 제거함에 있어서는 도플러 시프트도 함께 제거하게 되는데, 도플러 시프트를 제거하는 방법은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 용이하게 구현할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
GPS 신호로부터 항법 데이터와 반송파를 제거하면 수신된 C/A 코드만이 남게 된다. 따라서, 컨벌루션에 의해 생성된 C/A 코드와의 상관관계를 파악함으로써 코드 지연 시간을 계산할 수 있다. 여기서 수신 감도를 높이기 위하여 수신된 C/A 코드를 직접 사용하여 컨벌루션하는 대신에, 수신된 C/A 코드를 코히런트 적분하여 적분된 수신 C/A 코드와 생성된 C/A 코드간의 상관관계를 파악하게 된다. 도 7은 수신된 C/A 코드를 코히런트 적분하는 과정을 개념적으로 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는 수신된 C/A 코드를 1주기 단위로 분할한 후, 이를 더해주게 된다. 만약 스냅샷 메모리(34)에 1초 분량의 GPS 신호가 저장되어 있는 경우, 코히런트 적분 과정에서 1000주기의 C/A 코드가 더해질 수 있고 이에 따라 C/A 코드는 적분 전에 비해 1000배의 진폭을 가지게 된다(제154단계). 이와 같이 크기가 커진 신호를 사용하여 컨벌루션을 행하기 때문에 수신 감도가 실질적으로 향상된다. 도 5 내지 도 7에 도시된 C/A 코드에 있어서 하나의 펄스는 한 주기의 C/A 코드를 간략하게 표시한 것임을 유의해야 한다.
다시 도 4를 참조하면, 제156단계에서는 적분된 C/A 코드와 생성된 C/A 코드를 이용하여 상관값을 획득하기 위해 타이밍을 계산하고 검색 영역을 결정한다.그리고, 검색 영역 내에서 컨벌루션 기법에 의해 C/A 코드를 검색하면서 상관값 피크를 찾고, 상관값을 넌코히런트 적분한다(제158단계 및 제160단계). 그리고 검색 영역에 대해 검색이 완료될 때까지 제152단계 내지 제160단계를 반복한다(제162단계).
이때 일반적인 컨벌루션 기법을 이용하는 경우에는 C/A 코드 전 범위를 검색해야 하나, 본 발명에 있어서는 기지국(2)에서 제공하는 의사거리(또는 이와 함께 RTD 정보나 섹터 정보를 함께)를 사용하여 시간지연 검색 범위를 크게 줄일 수 있고 이에 따라 빠르게 시간지연을 계산할 수 있게 된다. 예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이 측위 보조정보를 토대로 시간지연 한계치를 추정할 수 있다면, 실제 예상 시간지연은 상기 한계치 범위 내에 있게 될 것이고, 이 범위 내에서만 코드 검색을 하면 족하게 된다. 본 발명에 있어서는 RTD, 해당 셀의 섹터 정보, 기지국 의사거리 등을 토대로 시간지연 한계치를 계산하고 이를 기초로 하여 검색범위를 축소시키게 되는데, 그 구체적인 방법에 대해서는 아래에서 상술한다.
한편, 제162단계에서 검색 영역 전체에 대해 검색이 완료된 것으로 판단되면, 의사거리를 결정한다. 이때, 계산된 시간지연 값은 샘플 주파수에 따라 분해능(Resolution)이 결정되기 때문에, 분해능으로 말미암아 측위 오차가 커지는 원인이 된다. 이 문제를 해결하기 위하여, 도 9에 도시된 바와 같이 각 샘플링 시점 사이의 시점들에 대해 상관값들을 내삽(Interpolation)하여 최고 상관값을 갖는 시점을 결정하고, 이에 상응한 의사거리를 결정하게 된다(제164단계 및 제166단계). 한편, 제150단계 내지 제166단계는 측위에 사용하고자 하는 모든 가시위성들 각각에 대해서 순차적으로 수행된다(제168단계).
기지국에서의 항법 데이터 생성 및 전송
기지국(2)에서 항법 데이터를 제공하고 단말기(10)에서 이 데이터를 측위 보조정보로 사용함에 있어서의 관건은 시각동기이다. 즉, 기지국(2)에 의해 획득된 항법 데이터를 단말기(10)에서 수집된 IF 신호에 적용함에 있어서 시각동기가 맞지 않는 경우에는 신호 손실이 야기된다. 따라서, 단말기(10)에서 IF 데이터를 수집하는 시각과 기지국(2)에서 항법 데이터를 수집하는 시각을 일치시켜야 한다. 이와 같이 데이터 수집시각을 일치시키기 위해서, 본 발명에서는 기지국(2)에서 수집된 항법 데이터 비트에 시간-태그를 붙여서 단말기(10)에 전송하고, 단말기(10)에서는 시간-태그를 참조하여 IF 신호를 수집한 시각과 타이밍을 일치시키게 된다.
일반적으로 동일 시각에 각 위성으로부터 수신되는 항법 데이터 비트에는 위상 차이가 존재한다. 이러한 현상이 나타난 이유는 GPS수신기에서 각 위성까지의 거리가 다르기 때문이다. 따라서, 단말기(10)가 항법 데이터를 이용할 때에는 우선적으로 항법 데이터 수집 시작 시점의 비트 위상을 계산하게 된다. 기지국(2)에서는 항법 데이터 비트를 수집한 시각과 각 위성에 대한 의사거리 정보를 지니고 있으며, 각 위성에 대한 의사거리는 신호를 받은 시각과 위성이 보낸 시각의 차이이므로 이 두 가지 정보를 이용하여 각 위성이 위성 신호를 보낸 시각을 다음 수학식 1과 같이 구할 수 있다.
수학식 1에서는 i-번째 위성이 위성 신호를 보낸 시각,는 신호 수신 시각,는 i-번째 위성과 기지국간의 의사거리를 각각 나타낸다. 한편, 위성 신호는 GPS 시간에 동기되어 전송되므로 보낸 시각으로부터 비트 위상을 검출해낼 수 있는데, 비트 위상은 다음과 같다.
수학식 2에서는기지국(2) 시계와 GPS 시간 사이에 발생하는 오차이다.
수학식 2에 의해 계산된 비트 위상은 기지국(2)을 기준으로 계산된 것으로서, 단말기(10)에서 그대로 이용할 경우 거리차에 의해서 발생하는 시각 동기 오차를 포함하게 된다. 따라서, 본 발명에 있어서는 RTD 정보를 이용하여 오차를 줄일 수 있는데, 이에 따라 단말기(10)에 적용될 수 있는 비트 위상 정보는 다음과 같다.
수학식 3에서는 MS 및 BS 클락 오차를 나타낸다.
RTD를 이용한 코드 검색범위 축소
단말기의 위치를 구하기 위해서는 각 위성과 단말기사이의 거리를 구해야 하며, 위성과 단말기사이의 거리를 구하기 위해서는 위성 신호의 반송파와 코드 획득 및 추적이 선행되어야 한다. 위에서 기술한 바와 같이, GPS에서 코드를 획득하는 원리는 위성으로부터 전달된 신호와 수신기에서 생성한 신호를 코드 주기동안 컨벌루션해보는 것이다. 만약, 기지국에서 별도의 정보가 제공되지 않는다면, GPS 신호의 C/A 코드 주기인 1 msec에 해당하는 신호의 전 범위를 검색해야 하며, 이 때 상관값 계산을 위해서는 한 주기가 m개의 샘플로 이루어져 있다고 가정하는 경우 2m2의 덧셈과 곱셈이 필요하다. 그렇지만, 본 발명에 있어서는, 단말기에서 신호 획득할 시에 기지국에서 RTD를 포함한 보조정보가 제공되어 코드 검색시간을 크게 단축시키게 된다.
도 10은 본 발명의 측위 방법에 있어서 기지국에서 제공되는 측위 보조정보와 그 이용을 설명하기 위한 도면이다. 도면 중, SV1∼SV3은 위성을 나타내고, BS는 기지국을 나타내며, Repeater1∼Repeater3은 중계기를 나타내고, MS1∼MS4는 단말기를 나타낸다. 한편,는 위성과 기지국사이의 의사거리,는 위성과 단말기사이의 의사거리,는 기지국의 유효범위,는 중계기의 유효범위, R은 중계기에 관한 정보를 모를 경우의 기지국의 유효범위,는 RTD에 상응한 거리를 각각 나타낸다.
기지국을 기준으로 계산된 의사거리( )의 이용:
기지국에서 계산된 의사거리가 단말기에 제공되는 경우, C/A 코드 한 주기 전체를 검색할 필요가 없게 된다. 즉, 단말기는 통신중인 기지국에 인접해 있으므로와는 크게 차이가 나지 않는다. 따라서, C/A 코드의 처음부터 검색하지 않고를 기준으로 일부분만 검색하면 된다. 이때, 검색범위는 단말기와 기지국사이의 거리 차와 두 시스템 사이의 시각동기 차에 의해서 결정된다. 도 11은계산을 위한 검색범위 계산 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도면에서,는 기지국을 기준으로 한 위성의 앙각(Elevation Angle)을 나타낸다. 여기서, 기지국과 단말기사이의 거리차에 의해서 발생하는 의사거리 최대 오차는 기지국의 유효범위()를 기지국으로부터 위성을 향하는 벡터 방향으로 정사영시킨 값인가 된다. 이때, 검색 기준점은로부터 계산된 C/A 코드 위상이 되며 다음 수학식 1에 의해 계산할 수 있다.
여기서는 소수점 이하의 값을 계산하는 함수이며,는 C/A 코드의 파장이고 C는 광속이다. 검색범위는와 두 시스템 사이에서 발생되는 시각동기 오차로부터 계산할 수 있으며, 단말기(10)에서의 C/A 코드 위상는다음과 같은 범위를 갖는다.
여기서,은 두 시스템 사이에서 발생되는 시각동기 오차를 나타낸다. 도 12는 기지국에서 의사거리 정보가 제공되는 경우의 검색 방법을 보여준다. 도시된 바와 같이 코드 검색을 행함에 있어서는, 검색 기준점()을 기준으로 위 수학식 5에 표시된 범위 내에서 적분된 수신 C/A 코드와 생성된 C/A 코드를 컨벌루션하게 된다.
한편, 만약 기지국(2)의 셀 커버리지 내에 중계기가 설치되어 있고 단말기가 어떤 중계기를 통하여 신호를 수신하고 있는지를 알 수 없는 경우에는, 기지국(2) 유효범위를대신에 도 10에 표시된 R을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, R이보다 크기 때문에, 검색 범위는 늘어나게 된다.
RTD에 상응한 거리 정보의 이용:
RTD는 기지국과 단말기사이의 거리를 반영하는 정보로서 기지국에서 그 정보를 갖고 있거나 쉽게 확보할 수 있다. RTD 또는 RTD에 상응한 거리 정보를 단말기에서 제공받게 되는 경우, 검색범위는 더욱 줄어들게 된다. 즉, 기지국 유효범위 전체를 검색하는 대신 도 10의안쪽만 검색하면 되기 때문에 이때의 검색범위는 수학식 6과 같이 된다.
한편, 중계기를 통과한 신호의 경우 중계기를 통과하지 않은 신호에 비해 큰 RTD 값을 갖게 된다. 여기서, 셀 커버리지 내에 다수의 중계기가 설치되어 있는 경우에는 RTD 통계치를 이용하여 해당 링크가 어느 중계기를 경유하고 있는지를 알 수 있다. 도 13은 기지국에서 수집된 RTD정보의 통계치의 일 예를 보여준다. 이처럼 중계기를 통과한 신호의 경우에는 중계기 위치를 기준으로 한 의사거리 정보() 와 앙각 정보() 그리고 중계기 유효범위() 값을 사용하여 검색 기준점()을 계산하여야 한다. 중계기를 통과한 신호의 검색 기준점 및 검색범위는 다음 수학식 7 및 수학식 8과 같이 표시될 수 있다.
여기서 중계기 유효범위()는 RTD 정보와 중계기 및 기지국간의 광케이블 시간지연()에 의하여 다음과 같이 간단하게 근사시킬 수도 있다.
다른 위성에 대해 먼저 계산된 의사거리의 활용:
첫 번째 위성의 의사거리를 계산한 후 두 번째 이후 위성의 의사거리를 계산할 때, 다른 위성에 대해 먼저 계산된 의사거리 정보를 활용하면 위성신호 획득 과정에서 검색범위를 더욱 줄일 수 있다. 이와 같은 실시예에 있어서는, 첫 번째 위성에 대한 의사거리를 획득하면 기지국 의사거리()와 단말기 의사거리()를 비교하여 단말기가 기지국에 비하여 먼 쪽에 있는지 또는 가까운 쪽에 있는지 판단하고 판단 결과를 토대로 검색 범위를 한정하게 된다.
도 14는 이와 같이 다른 위성에 대해 먼저 계산된 의사거리를 활용하는 측위방법에 있어서 두 번째 위성 신호 획득을 위한 검색범위를 보여준다. 도 14에는 기지국을 중심점으로 하는 2차원 평면에 첫 번째 위성(SV1)과 두 번째 위성(SV2)이 투시되어 표시되어 있다. 도면 중,는 i-번째 지점,는 i-번째 지점의 방위각,는 j-번째 위성과 기지국간의 의사거리,는 j-번째 위성의 정사영 지점,는 i-번째 위성의 방위각,는 j-번째 위성의 앙각을 각각 나타낸다.
도 14에서이보다 작은 것으로 가정하면, 단말기는 기지국 유효 범위 중에서 첫 번째 위성(SV1)에 가까운 쪽의 반원(음영이 가해진 곳)에 있게 되며, 따라서 두 번째 위성(SV2) 신호를 획득함에 있어서는 음영이 가해진 반원부분만 검색하면 된다. 이와 같은 경우에 있어서는 두 번째 위성(SV2)의 위치에 따라서 검색 범위가 달라지게 되지만, 반원부분 내에서 의사거리의 최대값과 최소값을 별도로 구할 수 있다. 최대값과 최소값은 원을 두 개의 반원으로 구분하는 직선과 원이 교차하는 두 점(,), 두 번째 위성(SV2)의 시선각 방향 직선과 원의 교점(), 그리고 중심점인 기지국 위치() 중 하나가 된다. 따라서, SV2로부터 네 점(∼)까지의 거리를 구한 후 크기를 비교하여 최대값과 최소값을 구할 수 있다. 위성 위치에서 각 점까지의 거리는 수학식 10에 의해서 구할 수 있다.
검색범위는 수학식 10에 의해서 구해지는 거리 중 최대값()과 최소값()에 의해 정해지며, 다음 수학식 11로 나타낼 수 있다.
이러한 방법으로 두 번째 위성의 의사거리를 구한 후, 세 번째 위성신호 획득 시에는 더욱 줄어든 부분만을 검색하면 된다. 세 번째 위성 신호 획득을 위한 검색범위가 도 15에 도시되어 있다. 도 15의 예에 있어서도 SV3으로부터 네 점(∼)까지의 거리를 구한 후 그 크기를 비교하여 검색범위의 최대값과 최소값을 구할 수 있다. 연속적으로 네 번째 위성 신호를 검색할 시에는 마찬가지 방법으로 검색범위를 더욱 감소시킬 수 있게 된다. 이와 같은 방법을 사용하여 검색범위를 줄이게 되면, 계산량이 줄어들 뿐만 아니라 잡음으로 인해 C/A 코드 위상을 잘못 구할 가능성도 낮아지게 된다.
섹터 정보의 활용:
기지국에서 측위 보조정보로 활용할 수 있는 또 다른 정보로서 섹터 정보가 있다. 일반적으로 하나의 기지국에는 3개의 섹터가 존재하는데, 본 실시예에 있어서는 섹터 정보를 활용하여 검색 범위를 더욱 감소시키게 된다. 본 실시예에 따라 섹터 정보를 이용하여 검색범위를 한정하는 방법은 위에서 기술한 먼저 계산된 의사거리를 활용하는 방법과 유사하며, 이러한 경우의 검색범위가 도 16에 도시되어 있다.
섹터 정보를 활용하는 경우에는 첫 번째 위성 신호를 검색할 때부터 검색범위를 줄일 수 있다. 도 16의 예에 있어서 단말기 해가 있을 수 있는 곳은 회색의 부채꼴 모양 안쪽이 된다. 최대값과 최소값은 섹터를 구분하는 두 직선과 원의 교점(,), 위성의 시선각 방향 직선과 원의 교점() 그리고 중심점인 기지국 위치() 중 하나가 되므로, 위성에서부터 네 점까지의 거리를 구한 후 크기를 비교하여 검색범위의 최대값과 최소값을 구해낼 수 있다. 이와 같이 섹터 정보를 이용하는 경우 두 번째 위성부터는 다른 위성에 대해 먼저 계산된 의사거리를 함께 고려하여 교차되는 범위를 검색하면 더욱 효과적으로 신호를 획득할 수 있다.
두 개 이상의 기지국을 이용한 상관값 검색범위 축소
이상의 설명에서는 단말기가 하나의 기지국과 통신하는 경우에 RTD를 사용하여 검색 범위를 줄이는 경우를 예시하였다. 그런데, 일 수 있음을 살펴보았으며, RTD값이 클수록 검색 범위가 늘어남을 확인하였다. 이때, 단말기(10)가 통신 중인 기지국과 멀리 떨어져 있는 경우에는 다른 기지국과의 거리가 가까워져 있을 수 있으므로 상기 다른 기지국과의 통신 가능성이 높아지고, 이에 따라 여분의 측정치를 획득하여 이용할 수 있게 된다. 즉, 도 17과 같이 두 개 이상의 기지국으로부터 신호를 받을 수 있는 경우에는 C/A 코드 검색 범위를 더울 줄일 수 있다. 그러나, 이와 같은 경우에 구해진 위치는 비시선(NLOS: Non Line-of-sight) 경로 전파 또는 다중 경로 효과 등에 의한 오차를 포함하게 되고, 도 17에서 사각형으로 표시된 곳을 또 하나의 해로서 제공하게 된다.
두 개의 기지국을 이용하는 경우:
도 17에 있어서, 단말기(MS)가 기지국1(BS1)에 소속되어 있고 기지국1(BS1)과 단말기(MS)간의 RTD를 알고 있다고 가정할 때, 기지국1(BS1)과 단말기(MS)사이의 거리()와 기지국2(BS2)와 단말기(MS)사이의 거리()는 각각 다음과 같다.
여기서, C는 광속, tPNoffseti는 기지국마다 다르게 설정되어 있는 PN 코드 옵셋, ??는 기지국1(BS1)과 기지국1(BS2)의 상관 지연 시간을 각각 나타낸다.
단말기 위치를 (x,y,z), 기지국1(BS1)의 위치를 (x1, y1, z1), 기지국2(BS2)의 위치를 (x2, y2, z2)라 하면, 거리에 관한 측정 방정식은 다음과 같다.
여기서,로서 측정잡음과 NLOS 오차로 이루어져 있으며,로서 첫 번째 측정치의 오차에 두 번째 측정치의 오차를 포함한다. 측정식이 두개뿐이므로 3차원 위치를 구할 수는 없으나 고도를 알고 있다고 가정하면 다음과 같은 식을 추가할 수 있다.
여기에서,는 고도 오차의 제곱을 의미한다. 수학식 14에서는 고도를 알고 있다고 가정하였으므로의 오차를 포함한다. 한편, 수학식 13은 다음과 같이 변형될 수 있다.
여기서,는 지구 중심에서 i번째 기지국(BSi)까지의 거리를 나타내는데, 각 기지국 위치를 정확히 알고 있으므로 오차를 포함하지 않는다.
이제 수학식 15를 이용하여 x와 y를 z에 관한 함수로 나타내면 다음과 같다.
수학식 16을 간단하게 표현하기 위하여 수학식 17과 같이 계수를 정의하면 수학식 16은 수학식 18과 같이 표현된다.
여기서및는 측정치 오차와 고도 오차를 포함하며, 이들 오차를 고려하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이제 수학식 18을 수학식 14에 대입하여 z를 구하면 다음과 같다.
수학식 20에서 구한 z를 수학식 18에 대입하면 최종적으로 두 개의 위치해를 구할 수 있다.
세 개이상의 기지국을 이용하는 경우:
세 개이상의 기지국을 이용하는 경우는 거리 측정식을 다음과 같이 설정할 수 있다.
여기서 아래첨자는 기지국 식별자이다. 수학식 21을 다시 정리하면 다음과 같이 표현할 수 있다.
수학식 22를 n개의 위성에 대한 식으로 표현하면 수학식 23과 같다.
여기서 X는 계산할 위치이며, H,및는 각각 다음과 같다.
수학식 23으로부터 X는 다음과 같이 결정될 수 있다.
그러나 미지수때문에 수학식 23에서 직접 위치해를 구할 수 없으므로, 수학식 14에 대입하면에 대한 2차 방정식을 얻을 수 있으며 이로부터 두개의을 계산한 후, 수학식 25에 대입하여 2개의 항법해를 얻는다.
이와 같이, 기지국이 두 개이상인 경우에도 단말기 위치를 구할 수 있는데, 다만 항상 두개가 구해지고 측정치 오차의 크기에 의하여 위치 오차 범위도 결정된다. 그렇다 할지라도 두 개이상의 기지국을 이용하게 되면, 도 18의 회색 부분만을 검색하면 되므로 코드 검색범위는 더욱 감소된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 기지국이 단말기에 제공하는 보조정보에 항법 데이터를 포함시키기 때문에 이에 따라 측위 과정에서 계산량을 감소시키게 됨과 아울러 수신감도를 높이게 된다. 따라서, GPS 신호 전력이 미약한 실내에서도 측위가 가능해지는 효과가 있다. 또한, 보조정보에 기지국의 셀 커버리지에 대한 정보를 포함시킴으로써 측위 과정에서 코드 검색범위를 줄이고 계산량을 감소시키게 된다. 본 발명에 의한 GPS 수신기 및 측위 방법은 긴급 구조 서비스는 물론 지능형 물류 시스템(Intelligent Transportation System), 범죄자 추적, 셀룰러 시스템 설계, 또는 호발신 위치에 따른 차등적 과금(Location-based Billing) 등의 분야에서도 널리 사용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 적어도 하나의 기지국을 포함하는 무선통신망을 통해 보조정보를 받아들이고, 상기 보조정보를 활용하여 복수의 위성 각각에 대한 의사거리를 측정하는 위성 측위 시스템(GPS) 수신기를 이용한 측위방법에 있어서,
    (a) 상기 복수의 위성 각각으로부터 반송파, 항법 데이터 및 제1 의사잡음 코드를 포함하는 GPS 신호를 받아들이고, 중간주파수(IF) 대역으로 하향변환한 후 샘플링하여 IF 샘플링 신호를 생성하는 단계;
    (b) 상기 기지국으로부터 시간-태그된 항법 데이터를 포함하는 상기 보조정보를 받아들이고, 상기 제1 의사잡음 코드와 동일할 것이 요구되는 제2 의사잡음 코드를 생성하는 단계;
    (c) 상기 IF 샘플링 신호로부터 상기 시간-태그된 항법 데이터를 사용해서 상기 항법 데이터를 제거하여 상기 제1 의사잡음 코드를 복구하는 단계; 및
    (d) 상기 제2 의사잡음 코드와의 상관값 계산을 토대로 상기 제1 의사잡음코드의 지연시간을 계산하여 상기 의사거리를 결정하는 단계;를 포함하며,
    상기 (d)단계는
    (d1) 상기 제1 의사잡음코드를 코히런트 적분하는 단계; 및
    (d2) 코히런트 적분된 제1 의사잡음코드와 상기 제2 의사잡음코드를 20 ms 이상의 구간동안 넌코히런트 적분하여 상기 지연시간을 계산하는 단계;
    를 포함하는 측위 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 상기 기지국으로부터 수신되는 시간-태그된 항법 데이터는 상기 기지국이 수신한 항법 데이터와 상기 기지국에서의 신호 수신 시각을 포함하며,
    상기 (c)단계가
    (c1) 다음 수학식
    (여기서는 i-번째 위성의 신호 송신 시각,는 상기 기지국에서의 신호 수신 시각,는 i-번째 위성과 기지국간의 의사거리를 각각 나타냄)
    에 의해 상기 위성의 신호 송신 시각을 계산하는 단계; 및
    (c2) 상기 신호 송신 시각을 토대로 상기 항법 데이터를 제거하는 단계;
    를 포함하는 측위 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (c1)단계가
    (c1a) 다음 수학식
    (여기서,는 기지국 시계와 GPS 시간 사이에 발생하는 오차이고,는 소수점 이하의 값을 계산하는 함수임)
    에 의해 상기 기지국에 대한 비트 위상을 계산하는 단계; 및
    (c1b) 다음 수학식
    (여기서,는 MS 및 BS 클락 오차를 나타냄)
    에 의해 상기 수신기에 대한 비트 위상을 계산하는 단계;
    를 포함하며, 상기 (c2)단계에서는 상기 수신기에 대한 비트 위상을 고려하여 상기 항법 데이터를 제거하는 측위 방법.
  5. 삭제
  6. 적어도 하나의 신호 송수신 시스템을 포함하는 무선통신망을 통해 보조정보를 받아들이고, 상기 보조정보를 활용하여 복수의 위성 각각에 대한 의사거리를 측정하는 위성 측위 시스템(GPS) 수신기에 있어서,
    (a) 상기 복수의 위성 각각으로부터 반송파, 항법 데이터 및 제1 의사잡음 코드를 포함하는 GPS 신호를 받아들이고 중간주파수(IF) 대역으로 하향변환한 후 샘플링하여 IF 샘플링 신호를 생성하고, 상기 IF 샘플링 신호로부터 제1 의사잡음 코드를 복구하며, 상기 제1 의사잡음 코드와 동일할 것이 요구되는 제2 의사잡음 코드를 생성하는 단계;
    (b) 상기 신호 송수신 시스템에 대한 의사거리 정보와, 상기 신호 송수신 시스템 및 상기 수신기 사이의 거리 범위를 나타내는 유효범위 정보를 상기 신호 송수신 시스템으로부터 받아들이는 단계; 및
    (c) 상기 제2 의사잡음 코드와의 상관값 계산을 토대로 상기 제1 의사잡음코드의 지연시간을 계산하여 상기 의사거리를 결정하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 (c)단계에서 상기 신호 송수신 시스템에 대한 의사거리 정보와, 상기 유효범위 데이터를 사용하여 상기 상관값 계산을 위한 검색 범위를 축소하고 축소된 검색 범위에 대해서만 상기 상관값 계산을 수행하고,
    상기 (c)단계가
    (c1) 상기 신호 송수신 시스템에 대한 의사거리 정보를 사용하여 검색 기준점을 설정하는 단계; 및
    (c2) 상기 유효범위 데이터를 사용하여 상기 검색 기준점을 기준으로 한 검색 범위를 정하는 단계;
    를 포함하는 측위 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 신호 송수신 시스템은 상기 무선통신망의 기지국이며,
    상기 (c1)단계에서 상기 검색 기준점은 상기 기지국을 기준으로 계산된 의사거리()를 토대로 다음 수학식
    (여기서,는 소수점 이하의 값을 계산하는 함수이며,는 C/A 코드의 파장이고 C는 광속임)
    에 의해 계산되고,
    상기 (c2)단계에서 C/A 코드 위상()에 대한 상기 검색범위는 다음 수학식
    (여기서,은 상기 기지국과 상기 수신기 사이에서 발생되는 시각동기 오차를 나타냄)
    에 의해 결정되는 측위 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 신호 송수신 시스템은 상기 무선통신망의 기지국이며,
    상기 (c1)단계에서 상기 검색 기준점은 상기 기지국을 기준으로 계산된 의사거리()를 토대로 다음 수학식
    (여기서,는 소수점 이하의 값을 계산하는 함수이며,는 C/A 코드의 파장이고 C는 광속임)
    에 의해 계산되고,
    상기 (c2)단계에서 C/A 코드 위상()에 대한 상기 검색범위는 다음 수학식
    (여기서, RTD는 상기 기지국과 상기 수신기간의 경로왕복 지연시간을 나타내고,은 상기 기지국과 상기 수신기 사이에서 발생되는 시각동기 오차를 나타냄)
    에 의해 결정되는 측위 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 신호 송수신 시스템은 상기 무선통신망의 기지국에 대한 중계기이며,
    상기 (c1)단계에서 상기 검색 기준점은 상기 중계기를 기준으로 계산된 의사거리()를 토대로 다음 수학식
    (여기서,는 소수점 이하의 값을 계산하는 함수이며,는 C/A 코드의 파장이고 C는 광속임)
    에 의해 계산되고,
    상기 (c2)단계에서 C/A 코드 위상()에 대한 상기 검색범위는 다음 수학식
    (여기서,는 중계기 유효범위를,는 중계기에서의 위성에 대한 앙각을,은 상기 기지국과 상기 수신기 사이에서 발생되는 시각동기 오차를 각각 나타냄)
    에 의해 결정되는 측위 방법.
  10. 삭제
  11. 적어도 하나의 신호 송수신 시스템을 포함하는 무선통신망을 통해 보조정보를 받아들이고, 상기 보조정보를 활용하여 복수의 위성 각각에 대한 의사거리를 측정하는 위성 측위 시스템(GPS) 수신기에 있어서,
    RF 대역의 GPS 신호를 받아들이고, 소정의 국부발진신호를 사용하여 상기 GPS 신호의 주파수 대역을 IF 대역으로 하향변환하는 하향변환부;
    상기 하향변환부로부터의 IF 신호를 소정의 샘플링 클럭을 사용하여 샘플링하여 IF 샘플링 신호를 출력하는 아날로그/디지털 변환부;
    상기 IF 샘플링 신호를 저장하기 위한 스냅샷 메모리;
    시간-태그된 항법 데이터를 사용해서 상기 IF 샘플링 신호에 포함된 항법 데이터를 제거하여 상기 IF 샘플링 신호에 포함된 제1 의사잡음 코드를 복구하고, 상기 제1 의사잡음 코드와 동일할 것이 요구되는 제2 의사잡음 코드를 생성하며, 상기 제2 의사잡음 코드와의 상관값 계산을 토대로 상기 제1 의사잡음코드의 지연시간을 계산하여 상기 복수의 위성들 각각에 대한 의사거리를 계산하는 디지털 신호처리부;
    상기 하향변환부, 상기 아날로그/디지털 변환부, 상기 스냅샷 메모리, 상기 디지털 신호처리부에 대한 전력 공급을 제어하는 전력 제어부; 및
    소정의 모뎀을 통해 상기 시간-태그된 항법 데이터를 받아들여 상기 디지털 신호처리부에 제공하고, 상기 전력 제어부를 제어하는 제어 수단; 및
    소정의 기준 클럭을 사용하여 상기 국부발진신호 및 상기 샘플링 클럭을 발생하는 주파수 합성부;
    를 포함하며, 상기 주파수 합성부가 상기 기준 클럭을 상기 제어 수단과 공유하는 GPS 수신기.
  12. 삭제
  13. 적어도 하나의 신호 송수신 시스템을 포함하는 무선통신망을 통해 보조정보를 받아들이고, 상기 보조정보를 활용하여 복수의 위성 각각에 대한 의사거리를 측정하는 위성 측위 시스템(GPS) 수신기에 있어서,
    RF 대역의 GPS 신호를 받아들이고, 소정의 국부발진신호를 사용하여 상기 GPS 신호의 주파수 대역을 IF 대역으로 하향변환하는 하향변환부;
    상기 하향변환부로부터의 IF 신호를 소정의 샘플링 클럭을 사용하여 샘플링하여 IF 샘플링 신호를 출력하는 아날로그/디지털 변환부;
    상기 IF 샘플링 신호를 저장하기 위한 스냅샷 메모리;
    상기 IF 샘플링 신호에 포함된 제1 의사잡음 코드를 복구하고, 상기 제1 의사잡음 코드와 동일할 것이 요구되는 제2 의사잡음 코드를 생성하며, 상기 제2 의사잡음 코드와의 상관값 계산을 토대로 상기 제1 의사잡음코드의 지연시간을 계산하여 상기 복수의 위성들 각각에 대한 의사거리를 계산하는 디지털 신호처리부;
    상기 하향변환부, 상기 아날로그/디지털 변환부, 상기 스냅샷 메모리, 상기 디지털 신호처리부에 대한 전력 공급을 제어하는 전력 제어부;
    소정의 모뎀을 통해 상기 신호 송수신 시스템에 대한 의사거리 정보와, 상기 신호 송수신 시스템 및 상기 수신기 사이의 거리 범위를 나타내고 시간-태그되어 있는 유효범위 정보를 상기 신호 송수신 시스템으로부터 받아들여 상기 디지털 신호처리부에 제공하고, 상기 전력 제어부를 제어하는 제어 수단; 및,
    소정의 기준 클럭을 사용하여 상기 국부발진신호 및 상기 샘플링 클럭을 발생하는 주파수 합성부;
    를 포함하며, 상기 디지털 신호처리부는 상기 신호 송수신 시스템에 대한 의사거리 정보와, 상기 유효범위 데이터를 사용하여 상기 상관값 계산을 위한 검색 범위를 축소하고 축소된 검색 범위에 대해서만 상기 상관값 계산을 수행하고,
    상기 주파수 합성부가 상기 기준 클럭을 상기 제어 수단과 공유하는 GPS 수신기.
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