KR101183753B1 - 내장된 ｇｐｓ 신호 수신 기능부를 구비하고 또 무선 통신네트워크 내에서 동작하도록 장비를 갖춘 이동국의 위치결정 방법 및 시스템 - Google Patents
내장된 ｇｐｓ 신호 수신 기능부를 구비하고 또 무선 통신네트워크 내에서 동작하도록 장비를 갖춘 이동국의 위치결정 방법 및 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
셀룰러 전화 통신 시스템에서 모바일 무선 송수신기에 대해 결정된 위치의 정확성 및 안정성을 향상시키는 방법 및 시스템은 모바일 유닛에 내장된 보조 GPS 장치 및 네트워크화된 기지국에서 신호 특성 데이터를 추출하는 인프라-기반 설비 둘다로부터의 위치-관련 정보를 통합한다. 향상된 안정성 및 정확성의 위치 추정을 제공하기 위해 이용가능한 도움이 되는 부수적인 정보가 부가적으로 평가될 수 있다.
위치 확인 시스템, GPS, TDOA, 셀룰러 전화
Description
본 발명은 일반적으로 무선 위치 확인 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선 장치의 위치를 확인하는 인프라-기반(infrastructure-based) 및 핸드셋-기반 방법 둘다를 이용하는 무선 위치 확인 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 예시적인 측면 중 어떤 것은 GSM(Global System for Mobile Communication)과 호환되는 무선 위치 확인 시스템, 및 관련 방법 및 서브시스템에 특히 적합하다. 그렇지만, 유의할 점은 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법의 측면이 구체적으로는 GSM 시스템에 관한 것이지만, 본 명세서의 끝에 있는 청구항들은 명시적으로 그렇게 제한되어 있는 경우를 제외하고는 GSM 시스템으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다는 것이다.
본 발명은 무선 통신 네트워크의 동작 영역 내에서 동작하는 모바일 무선-주파수 송수신기의 위치의 결정에 관한 것이다. 상세하게는, 주된 관심의 모바일 유닛으로는 셀룰러 전화, 개인 휴대 단말기(PDA), 무선-장비를 갖춘 랩톱 컴퓨터, 및 GSM에 기반한 것 등의 "셀룰러화된(cellularized)" 전화 시스템 하에서의 정상적인 동작을 위한 무선 송수신기를 갖춘 다른 유사한 장치가 있다. 본 명세서에 기술된 위치-결정 기술은 서로 다른 방법 하에서 개별적으로 달성가능한 결과를 악화시킬 수 있는 조건 하에서 향상된 정확성 및 안정된 효과를 위해 GPS 데이터를 인프라 데이터 및 부수적인 데이터와 최적으로 통합한다.
광범위한 종래 기술에서 실현되고 주목한 바와 같이, 셀룰러 무선 통신 장치의 위치를 항상, 신뢰성있게 또 신속하게 확인할 수 있는 것은 공공의 안전 및 편의에서 또 상업적 생산성에서 상당한 공공 이익을 제공할 가능성이 있다. 통신 시스템 인프라와 제휴하여 위치-결정 시설의 인프라의 구현을 통해 이러한 통신 장치의 위치의 결정을 위한 많은 시스템이 기술되어 있다. 무선 모바일 유닛에 대한 위치의 결정을 위한 이러한 인프라-기반(또는 네트워크-기반) 시스템의 예는 Stilp 등의 미국 특허 제5,327,144호, Stilp 등의 미국 특허 제5,608,410호, Kennedy 등의 미국 특허 제5,317,323호, Maloney 등의 미국 특허 제4,728,959호, 및 관련 기술에서 찾아볼 수 있다. 이러한 인프라-기반 시스템의 추가의 응용에서의 위치 결정을 향상하고 또 심지어 이를 가능하게 해주기 위한 부수적인 정보의 사용은 Maloney 등의 미국 특허 제5,959,580호에 소개되어 있으며, Maloney 등의 미국 특허 제6,108,555호 및 제6,119,013호에 추가적으로 확장되어 있다. 인프라-기반 위치 결정 시스템에 대한 종래 기술의 이들 및 이하의 관련 설명은 적절한 측정 데이터가 도출될 수 있거나 다른 방식으로 이용가능한 경우 안정되고 효과적인 위치-결정 수행을 가능하게 해준다.
인프라-기반 위치 확인 시스템의 사용에서의 주된 이점은 임의의 모든 유형 의 모바일 무선 통신 유닛의 위치 측정을 위한 기술의 적용가능성이다. 인프라 기술은 통상의 통신-대역 전송에 내재된 위치-관련 신호 특성의 측정을 통해 모바일 유닛의 위치를 확인하는 설비를 구축한다. 따라서, 구형의 전화 모델은 물론 새로 등장하는 무선 통신 유닛도 모두 똑같이 위치 확인 설비로 서비스받을 수 있다. 모바일 유닛은 표준의 무선 통신 시스템 신호 포맷 및 프로토콜을 이용하기만 하면 되며, 위치 확인 설비를 지원하기 위해 어떤 특수한 위치 추적-관련 수정을 필요로 하지 않는다.
인프라-기반 시스템의 응용에서 발생하는 어려움은 인구가 희박한 시골 환경에서 그 시스템을 사용하는 경우에 일어난다. 이들 환경에서, 충분히 이용되지 않는 통신 설비의 경제적 제약은 서로 상당히 멀리 떨어져 있는 셀룰러 지상국(cellular land station)에 통신 설비를 배치하는 것을 지원할 뿐이다. 이와 유사하게, 이용가능한 셀 사이트 간에 위치-결정 설비가 드문 드문 배치되어 있는 경우, 계산된 위치의 정확성은 도시 및 교외 환경에서 달성가능한 것에 대해 떨어진다. 도시 및 교외 환경에서, 항상 개개의 셀의 용량을 초과하는 일 없이 통신 트래픽에 대한 수요에 서비스하기 위해 통신 셀 스테이션의 공간 밀도가 높다. 이와 유사하게 비교적 서로 근접해 있는 셀 스테이션에 위치 확인 시스템 설비가 배치되어 있는 경우, 위치 결정은 상당히 더 높은 신호 세기로 감지 위치에서 추출된 상당히 더 많은 분량의 도움이 되는 측정치를 사용하여 도출되며, 그에 따라 위치 평가에 대한 상당히 더 나은 누적 정밀도를 제공한다. 시골 환경에서의 인프라 장비의 배치 밀도가 낮은 것은 인프라-기반 위치 결정 시스템의 정확도 성능에 난제가 되고 있다.
미국 정부의 GPS(Global Positioning System) 사용에 기초한 위치-결정 시스템은 GPS 수신기가 훤히 트인 하늘로 수신 액세스를 할 때 아주 정확하다. 머리 위쪽으로부터 전송하는 GPS 위성들의 위성군(constellation)이 신호를 제공하고 이 신호로부터 GPS 수신기는 그의 위치를 결정할 수 있다. 하늘의 시계가 트여 있는 시골 영역에서, 예시적인 GPS 정확도는 항상 달성가능하다.
모바일 유닛의 위치를 파악하는 데 모바일 무선 통신 송수신기를 내장한 GPS 수신기의 사용을 위해 상당한 종래 기술이 이용가능하다. 이러한 방법에 대한 예시적인 설명은 예를 들어 발명의 명칭이 "내비게이션 시스템 및 방법(Navigation System and Method)"인 미국 특허 제4,445,118호(1984년 4월 24일), 및 발명의 명칭이 "기준 위치를 사용하는 무선 지원 GPS(Wireless Assisted GPS Using a Reference Location)"인 미국 특허 제6,538,600호(B1)(2003년 3월 25일)에 포함되어 있다. 적절한 수의 비교적 왜곡되지 않은 위성 신호가 충분한 신호 세기로 수신될 수 있는 경우, GPS 장치의 정확도는 아주 뛰어나다.
무선 통신 유닛에 대한 위치를 결정하는 데 GPS 보강을 사용하는 것에 몇가지 어려움이 내재되어 있다. 모바일 유닛 내의 GPS 설비는 통신 설비와 다르며, 따라서 GPS 수신을 위한 부가적인 하드웨어 기능을 포함하는 전화 모델만이 GPS-기반 위치-결정 이점을 달성하는 데 사용될 수 있다. GPS 신호에 대해 수반되는 신호 처리 및 분석은 그의 특정의 신호 포맷을 갖는 GPS 주파수 대역 신호를 수신하는 부가 설비를 포함한다. 무선 유닛은 이 부가의 기능의 에너지 또는 전력 요구 를 지원해야만 한다. 모바일 유닛에서의 전력 소모를 최소화하기 위해, GPS 수신은 예를 들어 위치 확인 지원을 위해 필요하지 않을 때는 계속적으로 활성이 아닐 수 있다. 그렇지만, GPS 신호의 획득 및 수신은 위치 확인 서비스가 필요할 때 적용가능한 위성 신호의 검색을 필요로 하며, GPS 수신기가 얼마 동안 위성 신호를 적극적으로 모니터링하고 있지 않은 경우 이러한 검색으로 인해 TTFF(time to first fix)가 비교적 크게 될 수 있다. 마지막으로, GPS 수신기는 타당한 정확도의 위치 계산을 지원하기 위해 비교적 광범위하고 균일한 범위의 하늘에 걸쳐 적절한 수의 위성 신호를 획득 및 측정할 수 있어야만 한다. 위성으로부터 수신기로의 전파 경로가 폐색 또는 (예를 들어, 다중 경로 전파에 의해) 상당히 왜곡되어 있는 경우, 위치 결정을 위해 GPS-기반 해결책이 이용 불가능하다. GPS 수신기가 무성한 나뭇잎 아래에, 지형 지물 뒤에, 빌딩의 내부에, 및/또는 하늘의 시야를 가리는 고층 빌딩이 있는 도심의 "도시 협곡(urban canyon)"의 기슭에 있을 때, 이러한 신호 폐색 및 왜곡은 지속된다.
상기 어려움 중 일부를 완화시키기 위해 GPS 수신기를 "지원"하는 기술들은 상기한 미국 특허 제4,445,118호 및 제6,538,600호(B1)에 기술되어 있다. AGPS(assisted GPS) 수신기를 지원함에 있어서, 신호의 세기가 꽤 열화될 때 외부 GPS 인프라는 필요한 GPS 신호의 수신을 용이하게 해주는 안내 정보를 제공할 수 있다. 게다가, 그 도움의 결과로, 보다 간단하고 저전력의 회로로 GPS 수신기를 구현할 수 있게 된다. 아마도 가장 중요한 것은 AGPS에 제공되는 도움이 현재 "머리 위쪽에 있는" 위성들 및 그 위성들만을 포착하는 데 적절한 파라미터에서 수신 기를 안내하는 것이다. 따라서, 그 도움은 위성 신호를 검출하는 데 필요한 신호 검색 프로세싱을 감소시키며 그에 의해 감소된 응답 TTFF를 갖는 향상된 성능을 지원한다.
AGPS 방법이 제공하는 이들 향상에도 불구하고, "답답한" 도시 환경에서 적절한 GPS 신호 포착을 위해 야기되는 어려움은 안타까울 정도까지 GPS-기반 위치 확인을 여전히 상당히 악화시키거나 또는 효과적으로 방해한다. 이들 환경에서의 무선 통신 트래픽의 양은 공공 안전 또는 돌발 사태 대응을 지원함에 있어서 및 위치-기반 서비스가 촉진시킬 수 있는 생산성 향상을 제공함에 있어서 이들 어려움을 받아들일 수 없는 부담이 되게 한다.
무선 위치 확인에 관한 추가의 배경 정보는 본 발명의 양수인인 TruePosition, Inc.가 소유하고 있는 이하의 미국 특허, 즉 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 안테나 선택 방법(Antenna Selection Method for a Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,661,379호(B2)(2003년 12월 9일), 발명의 명칭이 "음성/트래픽 채널 추적을 위한 무선 위치 확인 시스템의 협대역 수신기의 자동 동기 동조(Automatic Synchronous Tuning Of Narrowband Receivers Of A Wireless Location System For Voice/Traffic Channel Tracking)"인 미국 특허 제6,646,604호(2003년 11월 11일), 발명의 명칭이 "다중 패스 위치 확인 프로세싱(Multiple Pass Location Processing)"인 미국 특허 제6,603,428호(2003년 8월 5일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에서의 충돌 복원(Collision Recovery In A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,563,460호(2003년 5월 13일), 발명의 명칭이 "E-911 호출에 대한 정확도 향상을 위한 수정된 전송 방법(Modified Transmission Method For Improving Accuracy For E-911 Calls)"인 미국 특허 제6,519,465호(2003년 2월 11일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 수신기 시스템에 대한 내부 캘리브레이션 방법(Internal Calibration Method For Receiver System Of A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,492,944호(2002년 12월 10일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에서 사용하기 위한 기준선 선택 방법(Baseline Selection Method For Use In A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,483,460호(2002년 11월 19일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 정확도를 개선하기 위한 모바일-지원 네트워크 기반 기술(Mobile-Assisted Network Based Techniques For Improving Accuracy Of Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,463,290호(2002년 10월 8일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에 대한 안테나 선택 방법(Antenna Selection Method For A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,400,320호(2002년 6월 4일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 신호 수집 시스템(Signal Collection System For A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,388,618호(2002년 5월 14일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 수신기 시스템을 동기화하는 방법 및 시스템(Method And System For Syncyhronizing Receiver Systems Of A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,351,235호(2002년 2월 26일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 수신기 시스템에 대한 내부 캘리브레이션 방법(Internal Calibration Method For Receiver System Of A Wireless Location System)인 미국 특허 제6,317,081 호(2001년 11월 13일); 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에 대한 스테이션 기반 프로세싱 방법(Station Based Processing Method For A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,285,321호(2001년 9월 4일); 발명의 명칭이 "E-911 호출에 대한 정확도를 향상시키는 수정된 전송 방법(Modified Transmission Method For Improving Accuracy For E-911 Calls)"인 미국 특허 제6,334,059호(2001년 12월 25일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 중앙 집중식 데이터베이스 시스템(Centralized Database System For A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,317,604호(2001년 11월 13일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 캘리브레이션(Calibration For Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,281,834호(2001년 8월 28일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 신호 수집 시스템의 구조(Architecture For A Signal Collection System Of A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,266,013(2001년 6월 24일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 캘리브레이션(Calibration For Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,184,829호(2001년 2월 6일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 긴급 위치 확인 방법(Emergency Location Method For A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,172,644호(2001년 1월 9일); 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에서 사용하기 위한 단말기 재시도 방법(Directed Retry Method For Use In A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,115,599호(2000년 9월 5일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 정확도를 향상시키는 방법(Method For Improving The Accuracy Of A Wireless Location System)"인 미국 특허 제 6,097,336호(2000년 8월 1일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 대역폭 합성(Bandwidth Synthesis For Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,091,362호(2000년 7월 18일), 발명의 명칭이 "버스티 전송의 소스의 위치를 확인하는 시스템(System For Locating A Source Of Bursty Transmissions)"인 미국 특허 제5,608,410호(1997년 3월 4일), 및 발명의 명칭이 "셀룰러 전화 위치 확인 시스템(Cellular Telephone Location System)"인 미국 특허 제5,327,144호(1994년 7월 5일)에서 찾아볼 수 있다. 다른 예시적인 특허로는 발명의 명칭이 "안정되고 효율적인 위치-관련 측정(Robust, Efficient, Location-Related Measurement)"인 미국 특허 제6,546,256호(B1)(2003년 4월 8일), 발명의 명칭이 "위치-의존적 신호 특성의 향상된 결정(Enhanced Determination Of Position-Dependent Signal Characteristics)"인 미국 특허 제6,366,241호(2002년 4월 2일), 발명의 명칭이 "단일 스테이션 통신 위치 추적 장치 및 방법(Apparatus And Method For Single Station Communications Localization)"인 미국 특허 제6,288,676호(2001년 9월 11일), 발명의 명칭이 "단일 스테이션 통신 위치 추적 시스템(Single Station Communications Localization System)"인 미국 특허 제6,288,675호(2001년 9월 11일), 발명의 명칭이 "안정되고 효율적인 위치 추적 시스템(Robust, Efficient, Localization System)"인 미국 특허 제6,047,192호(2000년 4월 4일), 발명의 명칭이 "향상된 시간차 위치 추적 시스템(Enhanced Time Difference Localization System)"인 미국 특허 제6,108,555호(2000년 8월 22일), 발명의 명칭이 "무선 전화의 위치 확인을 위한 의사 위성-보강된 GPS(Pseudolite-Augmented GPS For Locating Wireless Telephones)"인 미국 특허 제6,101,178호(2000년 8월 8일), 발명의 명칭이 "향상된 시간차 위치 추적 시스템(Enhanced Time-Difference Localization System)"인 미국 특허 제6,119,013호(2000년 9월 12일), 발명의 명칭이 "단일 스테이션 통신 위치 추적 시스템(Single Station Communications Localization System)"인 미국 특허 제6,127,975호(2000년 10월 3일), 발명의 명칭이 "통신 위치 추적 시스템(Communications Localization System)"인 미국 특허 제5,959,580호(1999년 9월 28일), 및 발명의 명칭이 "방향 탐지 위치 추적 시스템(Direction Finding Localization System)"인 미국 특허 제4,728,959호(1988년 3월 1일)가 있다.
요약하면, 지난 10년에 걸쳐, 무선 전기 통신 산업 내의 단체들은 무선 위치 확인 기술을 연구하는 데 상당한 시간 및 자원을 투자해왔다. 현재까지 투자된 기술들 중에는, 모두가 어떤 강점 및 약점을 갖는 것으로 밝혀졌다. 지금까지는, 모든 환경에 걸쳐 최적의 성능을 제공하는 단 하나의 어떤 위치 확인 기술도 확인되지 않았다. 그 결과, 모든 적당한 환경에서 타당한 성능을 제공할 수 있는 일련의 보완적인 기술들을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 지금까지의 상당한 현장 배치에서, U-TDOA(uplink time difference of arrival, 업링크 도착 시간 차이) 기술에 기초한 위치 확인 기술은 도시, 교외 및 실내 환경에서 우수한 성능을 제공하는 것으로 증명되었다. U-TDOA 기술은 핸드셋에 대한 수정을 필요로 하지 않으며, 따라서 기존의 이동국에 대한 성능이 이들 동일 환경에서 우수한 것으로 증명되었다. 셀 사이트 밀도, 네트워크 지오메트리(network geometry) 및 통화권 영역이 아주 제한되어 있는 어떤 시골 환경에서, U-TDOA의 성능은 다른 위치 확인 방법의 도움이 없는 경우 악화되는 것으로 증명되었다. AGPS(Assisted Global Position System) 및 AFLT(Advanced Forward Link Trilateration) 위치 확인 기술도 역시 상당한 위치 확인 능력을 가지고 있지만 단점도 역시 가지고 있다. 예를 들어, GPS 신호의 수신이 아주 어렵게 되고 때로는 불가능하게 되는 도시 및 실내 환경에서, 정확도 및 수율 둘다에서의 AGPS 기술의 성능은 상당히 떨어진다. 그렇지만, 이들 동일한 도시 및 실내 환경에서, U-TDOA 기술은 성능이 좋은 것으로 증명되었는데, 그 이유는 업링크 채널의 SNR이 높게 유지되고 셀 사이트 밀도가 아주 조밀하기 때문이다. 게다가, 소지자 및 가입자에게는 더 높은 정확도가 보다 중요하게 되지만 다중 경로의 효과가 더욱 크게 되는 도시 및 조밀한 교외 환경에서, AFLT 기술의 성능은 다중 경로의 효과를 완화시키지 못함으로 인해 제한된다(GPS-Assisted Location Technology, Alpha Trial Field Test in Tampa, FL, March 9th - Apr 2, 1999를 참조, 이의 복사본이 본 명세서와 함께 정보 개시서(Information Disclosure Statement)에 제출되어 있음). 이들 동일한 도시 및 조밀한 교외 환경에서, U-TDOA 기술은 다중 경로의 효과를 완화시키는 최신의 초해상도 기술을 이용할 수 있는 것으로 인해 성능이 좋은 것으로 증명되었다. 마지막으로, U-TDOA는 새로운 AGPS 및 AFLT 지원 모바일을 비롯하여 현재 기존의 이동국 100%에 적용될 수 있다. 그렇지만, AGPS 및 AFLT 위치 확인 방법은 제한된 일련의 판매자로부터 새로운 위치 확인 지원 이동국을 구매하는 가입자에 의존한다.
GPS-기반 성능 및 인프라-기반 성능 둘다의 위치 결정에서의 서로 다른 최적의 이점을 이용하기 위해, 본 발명은 무선 모바일 통신 유닛의 위치를 확인하는 데 양쪽 유형의 프로세싱 둘다로부터의 정보를 통합하기 위한 기술을 제공한다. 지금까지, 다양한 위치 추적 방법에 대해 구현된 시스템 아키텍처는 정보 통합 필요성을 즉각 지원하지 않았다. 오히려, 시스템 설계는 GPS 계산 또는 인프라-기반 계산 둘다가 아니라 그 중 어느 하나에 대해서만 배타적으로 위치-관련 데이터의 추출에 개별적으로 중점을 두고 있다. 위치-관련 정보를 추출 및 분석하는 기능적 명령, 신호 수신 방법, 및 설비 및 방법은 둘다가 아닌 한 형태 또는 다른 쪽 형태의 시스템 해결책에 특유의 방식으로 지향되어 있었다.
예를 들어, 본 발명의 한 양호한 구현에서, 내장된 GSP 신호 수신 기능을 구비한 이동국(MS)의 위치는 GPS 데이터 및 추출된 위치-관련 신호 특성 둘다를 사용하여 결정된다. 본 발명의 방법은 지상국에서 GPS 데이터를 수신하는 단계 - 상기 GPS 데이터는 위치를 확인해야 하는 MS로부터 수신됨 -, 위치-측정 설비를 갖춘 지상국에서, 위치를 확인해야 하는 MS로부터 통신-대역 신호를 수신하고 상기 위치-측정 설비를 사용하여 상기 통신-대역 신호로부터 위치-관련 특성 데이터를 추출하는 단계, 및 위치-결정 계산을 위한 장비를 갖춘 지상국에서, 상기 MS에 대한 추정된 위치를 도출하기 위해 상기 GPS 데이터 및 상기 추출된 위치-관련 특성 데이터를 사용하여 위치-결정 계산을 수행하는 단계를 포함한다. 게다가, 본 방법은 위치를 확인해야 하는 MS에 보조 데이터(assistance data)를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 보조 데이터는 MS가 GPS C/A(coarse/acquisition) 신호를 수신하고 TOA 또는 의사 거리 치수(pseudorange measure)를 추출할 수 있게 해주며, 이는 이어서 위치-측정 설비를 갖춘 지상국으로 전달될 수 있다. 게다가, GPS 데이터 및 추출된 위치-관련 특성 데이터가 개별적인 지상국에서 제공되는 경우, 이들은 위치-결정 계산을 위한 장비를 갖춘 지상국으로 전달될 수 있으며, 그에 의해 위치-확인 기능이 수행될 수 있게 해준다. 이하에 설명하는 바와 같이, 통신-대역 신호로부터 추출된 위치-관련 특성 데이터는 TOA(time of arrival) 데이터, TDOA(time difference of arrival) 데이터, AOA(angle of arrival) 데이터, 신호 세기 또는 PL(propagation loss) 데이터, 및/또는 TA(timing advance) 데이터를 포함할 수 있다. 게다가, 본 발명의 방법은 유익하게도 위치-결정 계산을 수행하는 데 부수적인 정보를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 마지막으로, 본 방법은 유익하게도 E-911에 대한 적용가능한 FCC(Federal Communications Commission) 정확도 요건을 달성하기 위해 이용될 수 있다.
모든 수집된 관련 데이터를 다함께 통합적으로 이용하기 위한 본 발명의 이들 및 다른 혁신적인 방법은 이하의 상세한 설명에 제시되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 구성요소를, 이들 간의 통신 경로와 함께 나타낸 도면.
도 2는 위치-결정 프로세싱 구성요소의 상호 연결을 나타낸 도면.
도 3은 GPS 데이터와 인프라 정보를 최적으로 통합하는 위치 추정치의 결정을 위해 수행되는 주요 기능 및 그의 상호작용을 나타낸 도면.
이제부터 본 발명의 통합된 무선 위치 확인 방법의 개요로부터 시작하여 본 발명의 예시적인 실시예들에 대해 기술한다. 그 다음에, AGPS(Assisted GPS), 시스템 구성요소들 간의 기능적 상호작용, 위치-의존적 치수, GPS SV(satellite space vehicle, 위성 우주 비행체) 송신기 위치, 시간축 정렬(time base alignment), 4-파라미터 위치 결정, 차분 GPS, 유망한 위치 결정, 부수적인 정보, 좌표 관계, 제약된 TDOA/FDOA, 향상된 GPS 동기화, 및 용량/서비스 레벨을 향상시키는 하이브리드 시스템에 대해 기술한다.
개요: 통합된 무선 위치 결정
본 발명은 셀룰러 전화 또는 개인 휴대 단말기(PDA) 기타 등등의 무선 통신 이동국(MS) 장치의 위치 및 움직임을 결정하는 기술을 제공한다. 위치 파라미터는 통신 인프라 신호 및 연관된, 위치를 나타내는 부수적인 인프라 및 환경 정보와 GPS 신호와의 결합에 대한 위치-관련 무선-주파수(RF) 신호 특성 측정의 통합된 평가를 통해 결정된다. 위치 확인해야 할 통신 장치 내에 내장된 GPS 수신기 설비를 통해, MS 위치의 결정을 지원하기 위해 GSP SV 신호가 수신된다. 주된 관심의 특성 GPS 측정치는 수신측 MS의 위치에서의 GPS 전송 대역(들)에서의 SV 신호의 도착 시간이다. 게다가, MS 장치에는 물론 지상국(LS) 사이트에 배치된 통신 시스템 인프라 장비에 내재된 통신 설비도 역시 위치-관련 파라미터의 계산을 위해 처리되는 통신-대역 신호를 제공한다. 이들 인프라-기반 신호 특성은 TOA 또는 TDOA, AOA, (MS에서의 및/또는 LS에서의) 수신 신호 전력 레벨, 및 관심의 MS에 대한 통신-시 스템 TA 정보를 포함한다. 본 발명은 MS 위치의 최적의 추정치를 결정하는 데 양쪽 유형의 신호, 즉 GPS 및 통신 주파수 대역에서의 신호 둘다에 관한 측정 정보의 통합을 가능하게 해주고 또 이를 적용하는 기술에 대해 기재한다. 게다가, 본 발명의 안정성 또는 효과 및 그 정확도는 직접적인 신호 특성 측정과 연관된 것 이외의 잠재적인 MS 위치의 잠정적인 또는 가능한 표시도 또한 제공하는 보완적인 또는 부수적인 정보의 위치 계산에의 통합을 통해 추가로 향상될 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 GSP 신호의 수신은 물론 무선 통신 시스템(wireless communications system, WCS)의 신호 포맷 및 프로토콜에 따라 무선 통신 신호의 전송 및 수신을 위한 설비를 내장하고 있는 MS에 대한 위치를 결정한다. MS(101)는 GPS SV(103)로부터 전송된 GPS 신호(102)를 수신한다. MS는 또한 무선 통신 안테나 구조를 갖추고 있는 LS(105)에서 수신되는 무선 통신 신호(104)를 전송한다. 이들 LS(105)는 또한 수신된 신호를 처리하고 MS의 위치에 관련된 신호 특성을 추출하는 측정 유닛을 구비하고 있다. 이들 LS(105)는 게다가 GPS 신호(106)의 수신을 위한 GPS 수신기도 갖추고 있다. 일반적으로, 이들 LS 설비는 셀룰러화된 WCS 인프라의 기지국 송수신기(base transceiver station, BTS)가 구현되어 있는 동일한 물리적 셀 위치에 설치되어 있다. LS는 MS 위치의 결정에 모든 관련 데이터를 통합시키기 위해 위치-관련 측정 및 GPS 데이터의 중앙 LS(108)로의 전달을 가능하게 해주는 링크(107)를 통해 네트워크화되어 있다. 일반적으로, 이들 논리적 데이터 링크(107)는 하부의 WCS의 스테이션간 데이터 링크 상에 오버레이(overlay)되어 있으며, 중앙 LS 설비는 셀룰러화된 WCS 인프라의 이동 전화 교환 기(mobile switching center, MSC)가 구현되어 있는 동일한 물리적 LS에 설치되어 있다. 그의 수신된 GPS 신호 데이터를 제공하라는 MS에 대한 중앙 명령 또는 요청은 현재 MS에 서비스를 제공하고 있는 WCS LS인 WCS BTS/LS(110)로의 WCS 데이터 링크를 통해 MS로 전달된다. MS가 그 자신의 GPS 데이터를 중앙 LS(108)로 전달하기 위한 최적의 셀인 이 서비스 제공 셀 LS(110)는 위치 측정 LS(105)에서와 같이 반드시 동일한 신호 특성 파악 설비를 갖추고 있을 필요가 없을 수 있다. LS(110)로부터 MS로 전송된 무선 요청(111)은 또한 이하에 기술되는 지원 또는 보조 정보를 포함할 수 있으며, 이는 MS의 GPS 감도 및 응답 시간을 향상시킬 수 있다. 이러한 GPS 보조 정보는 현재의 GPS 구성의 적시의 지원 분석으로부터 LS 네트워크에서 생성된다.
인프라-기반 위치-결정 시스템은 MS와 WCS 인프라 장비 간에 전송되는 통신-대역 RF 신호로부터 획득되는 위치-관련 정보를 추출 및 이용하기 위해 LS 및/또는 MS 내의 신호 프로세싱 및 데이터 분석 설비를 이용한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 위치 측정 유닛(location measurement unit, LMU)(201)은 신호 검출 및 프로세싱을 위해 네트워크화된 LS(105)에 내장되어 있는 위치-결정 장비(position-determination equipment, PDE) 인프라 장치이다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 각각의 LMU는 GPS 안테나(202) 및 무선 통신 대역 안테나(203)에 연결되어 그로부터 신호를 수신한다. "중앙" 수집-분석 LS(108)에 있는 SMLC(serving mobile location center)(204) 설비는 MS 위치를 계산하기 위해 LMU 네트워크로부터의 적절한 측정치들을 모아 정리한다. 이하에서 기술하는 바와 같이, SMLC는 가능한 MS 위치를 추정하는 부가적인, 부수적인 또는 도움이 되는 위치-표시 정보를 추가적으로 이용할 수 있다. 이러한 부수적인 정보는 명확한 위치 계산의 효과를 개선시키거나 심지어 그의 완료를 가능하게 해준다. 관심의 MS에 대한 식별자 및 서비스 제공 WCS 할당 데이터를 규정하는 MPC(mobile positioning center)(205)로부터의 임의의 특정의 위치 확인 요청에 응답하여, 요청에 대한 적절한 SMLC가 요청의 수신 및 허가를 위한, 또 위치-결정 결과의 제공을 위한 PDE 포털을 구현하는 LG(location gateway, 위치 확인 게이트웨이)(206)를 통해 선택된다. 셀룰러 전화 시스템, PCS(Personal Communications System), 또는 GSM 등의 무선 통신 네트워크 내에서 동작하는 이동국의 위치를 결정하기 위한 이러한 기술들에 대한 설명은 본 명세서에서 인용된 종래 기술에서 광범위하게 기술되어 있다. 이러한 시스템은 TDOA, TOA, TA, 수신 신호 전력 레벨, 및/또는 AOA의 측정치(이들 중 임의의 것 또는 그 모두는 다른 도움이 되는 부수적인 정보로 보강될 수 있음)를 이용함으로써 관심의 MS의 위치를 도출한다. 종래 기술에 나타낸 바와 같이, 협력하는 인프라 장비의 정확하게 알려진 지상-기반 위치에 대해 원하는 MS 위치를 도출하기 위해 추출된 측정치가 획득되고 평가될 수 있다.
GPS는 MS에 내장된 GPS 수신기가 궤도를 그리며 돌고 있는 SV의 위성군(constellation)으로부터 계속하여 전송되는 신호들로부터 추출하는 연관된 "의사 거리" 및 TOA 측정치에 기초하여 MS 위치를 계산할 수 있다. GPS 신호의 수신은 또한 각각의 수신된 SV 신호와 연관된 도플러 천이의 측정을 수반하며, 도플러 값은 수신측 MS의 움직임의 결정을 지원한다. 미국 FCC 통신 사업자(Common Carrier) 문서 번호 CC 94-102 하의 초기의 NPRM(notice of proposed rule making)을 비롯한, 공식 기록에 의한 종래 기술은 예를 들어 긴급 통신에 대한 향상된 공공 안전 대응을 위해, 요청 시에 MS 위치를 제공하기 위해 WCS 하에서 동작하는 MS에 내장된 GPS 수신기의 사용에 대해 기술하고 있다.
AGPS
MS GPS 수신기의 단순성, 효율, 감도 및 응답 시간은 하나 이상의 지원 스테이션의 인프라로부터 획득되는 도움의 사용을 통해 향상될 수 있다. 본 명세서에 인용되고 포함된 GPS 설명서 및 유사한 관련 문헌에 나타낸 바와 같이, 표준의 (예를 들어, 비군사용) GSP 수신기는 GPS SV C/A 신호를 수신하고 기지의 전송된 신호 파형에 기초하는 상관적 신호 처리를 통해 TOA 또는 의사 거리 치수를 추출한다. 기본적인 GPS C/A 신호는 50 bps 데이터 스트림의 코드 분할 다중 접속(CDMA) 인코딩에 의해 형성된 내비게이션 메시지로 이루어져 있다. 각각의 SV는 1.023 Mcps(million chips per second) 레이트로 C/A 메시지의 인코딩에 적용되는 "칩"의 1023-비트 코드 또는 패턴과 일의적으로 연관되어 있다. 따라서, C/A 코드는 SV 전송에서 매 1.0 msec(millisecond, 밀리초)마다 반복되고, 20번의 이러한 반복이 각각의 전송된 비트에 대해 포함된다. CDMA 복조 프로세스는 효율적으로 처리된 신호 대역폭에 역비례하는 시간 해상도로 수신된 신호에 코드가 존재하는지 검출하기 위해 정합된 복제 상관(matched replica correlation)을 적용하며, 상관 지연 격차(correlation delay lag)는 TOA의 가능한 범위를 포괄한다. 표준의 SV 궤도의 경우, SV에서 지구 표면 상에 또는 그 근방에 있는 MS까지의 신호 전파 시간은 67 내지 89 msec의 범위에 있다, 즉 MS에서 SV로의 방향에 의존하여 22 msec 이하의 윈도우에 걸쳐 있다(바로 위쪽에 있는 SV에 대해서는 더 가깝고 수평선에 있는 SV에 대해서는 더 멀다). 머리 위쪽에 있는 SV에 대한 최소값으로부터 수평선에 있는 SV에 대한 거의 4.5kHz에 이르는 범위의 도플러 천이된 주파수 차이의 가능한 범위도 역시 상관의 유효 코히런트 적분 시간(effective coherent integration time)에 역비례하는 도플러 주파수 해상도로 신호 상관 계산에 포함되어야만 한다. 마지막으로, 이들 신호 상관은 MS 수신기가 수신하려고 시도하고 있는 각각의 SV 신호에 대해 그의 고유의 CDMA 코드로 달성되어야만 한다. GPS 수신기가 이러한 잠재적인 파라미터 다양성에 걸쳐 검색할 필요성이 응답 TTFF(time to first fix)를 연장시키며, 그 시간 내에 수신기는 위치 추정치를 알아내거나 일단의 이용가능한 SV 신호와의 접촉을 성공적으로 달성할 수 있다. 이들 신호 처리 검색 영역 모두는 지원 인프라에 의해 제공되는 도움을 받아 간단해질 수 있다.
AGPS 프로세싱에서, MS는 하나 이상의 지원 스테이션의 네트워크로부터 획득되고 MS 내에 내장된 통신 설비를 통해 도 1의 요청 메시지(111)에 의해 전달되는 도움이 되는 정보를 이용할 수 있다. AGPS 구현에 대한 기본적인 방법은 Taylor 등의 미국 특허 제4,445,118호에 기술되어 있으며, 이는 여기에 인용함으로써 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, MS와 동일한 일반적 근방 또는 동작 영역에 있는 인프라 LS에 있는 LMU를 갖는 GPS 모니터링 스테이션으로부터, 일련의 지원 정보는 후보 상관 검색을 보증하기 위해 어느 SV가 현재 바로 머리 위쪽에 있는지 또는 거의 수평선 상에 있는지, 도플러 주파수 천이 의 어느 대략적인 제한된 영역이 각각의 후보 SV 검색에 적당한지, 및 TOA의 어느 대략적인 제한된 영역이 각각의 후보 SV 검색에 적당한지를 알려주기 위해 MS에 메시지(111)에 의해 전달될 수 있다. 본 발명의 이 실시예에서, LS는 그 자신의 LMU-내장된 GPS 수신기의 사용 및 신호 모니터링 평가를 통해 이용가능한 SV 개수 및 연관된 도플러 및 지연 검색 윈도우를 이와 같이 알려주는 것을 지원할 수 있고, 이 신호 모니터링 평가는 GPS 위성군 내의 현재 이용가능한 SV의 정보 및 특성을 계속하여 감지 및 평가한다. 이와 같이 알려주는 것은 또한 다른 GPS 수신 및 모니터링 스테이션을 갖는 네트워크를 통해 보강 또는 달성될 수 있다. 이 실시예에서, 도움이 되는 정보는 MS 및 WCS LS 내의 내장된 WCS 설비를 통해 MS에 제공된다. Taylor 등의 미국 특허 제4,445,118호에서 언급한 바와 같이, MS에 대한 프로세싱 부담도 역시 PDE의 지원 인프라에서의 위치-계산 기능의 구현을 통해 완화될 수 있고 양호하게는 더욱 완화된다. 이 실시예에서, 본 발명의 MS는 LS 인프라에 그 자신의 도출된 GPS 의사 거리 측정치를 제공하기 위해 그의 내장된 통신 설비를 사용하지만, MS는 GPS-도출된 위치도 또한 제공해야만 하는 것은 아니다. 위치-결정 지원의 통신 부담이 WCS 부하 및 응답 시간에서의 인자가 아닌 경우, MS는 또한 선택적으로 그의 복조된 연관된 SV 내비게이션 메시지 데이터, 및/또는 그의 계산된 MS 위치 또는 SV 위치 및 클럭 정보를 이용가능한 범위 내에서 제공할 수 있다. 이어서, LS 인프라는 MS 위치를 결정하기 위해 독립적으로 도출된 인프라-기반 LMU 측정치 및 모든 관련되고 이용가능한 부수적인 정보와 함께 MS에 의해 제공된 GPS 정보의 최적의 통합을 이룩한다.
주요 기능적 상호작용
본 발명의 양호한 실시예는 도 3에 나타낸 주요 기능을 구현한다. 도 3은 도 2의 PDE의 주요 구성요소, 즉 LG, SMLC 및 LMU의 중요한 기능을 나타낸 것이다. 관심의 특정 MS의 위치에 대한 요청은 PDE 외부에 있는 MPC라고 하는 논리적 구성요소에서 시작된다. LG는 위치 요청을 수신하고 그에 대한 인증 및 권한을 검증한다(301). 유효한 요청은 WCS 서비스 제공 셀 및 MS와의 WCS 통신을 위해 적용되어야 할 할당된 주파수 사용을 비롯한 연관된 통신 프로토콜 파라미터를 확인한다. LG는 그 요청을 WCS 서비스 제공 셀의 근방에서 동작하는 MS에 대한 위치의 결정에 적절한 SMLC에 제공한다(302). 선택된 SMLC는 확인된 서비스 제공 셀과 연관된 위치 확인 요청을 지원하는 데 최적인 협력하는 LMU의 리스트를 결정하라는 요청을 수신 및 검토한다(303). 도움이 되는 GPS 데이터에 대한 요청을 신속하게 지원할 필요성을 예상하여, SMLC는 또한 GPS SV에 대한 위치 및 움직임 파라미터를 지정하는 현재의 GPS 구성 데이터를 항상 유지 및 평가한다(304). 이들 데이터는 LMU에 의해 그의 GPS 수신기를 통해 지속적으로 모니터링된다(305). LMU는 도플러 천이, 의사 거리 및 LMU 위치에 수신되는 GPS SV 원격 측정 스트림(telemetry stream)에 대한 관련 복조된 내비게이션 메시지 데이터를 SMLC에 제공한다. SMLC는 LMU로부터 주기적으로 전달되는 이들 GPS SV 데이터를 수신한다(306). 각각의 잠재적인 서비스 제공 셀에 대해, SMLC는 주기적으로 또는 요구 시에, AGPS 수신에 도움을 주는 데 적절할 것으로 예상되는 도플러 천이 및 의사 거리의 제한된 범위와 함께, 셀 사이트 근방에서의 가능한 시계에 있는 최적의 SV를 지정하는 현재의 리스트를 평가 및 도출한다(307).
본 발명의 양호한 실시예는 MS GPS 수신기로부터의 감소된 TTFF를 지원하기 위해 GPS 구성 파라미터에 대한 최신의 설명서의 이용가능성을 이용한다. SMLC는 특정의 위치 확인 요청에 신속하게 응답하고 서비스 제공 WCS 셀 사이트의 근방에 대해 적절한 AGPS 파라미터를 제공한다(308). 이들 AGPS 파라미터는 LG에 의해 수신되고(309), MPC 및/또는 MSC에 제공되어 MS에 그의 GPS 데이터 요청(111)에 의해 전달된다. 본 발명의 통합된 방법에서, SMLC는 확인된 셀 사이트에 의해 서비스되는 위치의 결정에 협력하도록 최적으로 구성된 모든 LMU에 대해 계속하여 MS 위치에 관계된 데이터의 발생을 요청한다(310). SMLC 요청에 대한 응답에 따라, LMU는 위치-결정 계산의 지원에 적절한 데이터를 검출 및 추출하는 데 그의 신호 획득 및 처리 설비를 적용한다(311). 이들 LMU 데이터는 이어서 위치 확인 프로세싱에 통합하기 위해 SMLC에 제공되고 그에 의해 수신된다(312).
위치 결정을 지원하기 위해, MS 위치에 관계된 GPS 데이터는 어떤 도움이라도 받아서 MS 수신기에 의해 감지되며, MS 수신기의 프로세싱 설비는 이 도움을 이용하도록 구성되어 있다. MS는 요청(111)에 응답하여 이 데이터를 발생하고 위치 계산에 포함시키기 위해 그 데이터를 서비스 제공 셀 사이트(110)로 전달한다. MS의 GPS 데이터는 WCS를 거쳐 MPC를 통하거나 또는 MSC로부터 직접 PDE에 제공될 수 있다. LG는 이들 데이터를 WCS로부터 수신할 수 있거나(313), 선택적으로 LMU는 MS 응답 메시지로부터 MS의 GPS 데이터를 수신, 복조 및 제공할 수 있다(314). SMLC는 통합된 위치-결정 계산에 삽입하기 위해 MS가 제공한 GPS 정보를 수신한 다(315).
LMU로부터(312) 및 MS로부터(315) 수신된 데이터를 사용하여, SMLC는 MS 위치 파라미터에 대한 최적의 가능한 추정치를 도출하기 위해 그 데이터 모두를 통합한다. 이하에서 더 기술하는 바와 같이, 협력하는 LMU로부터 획득된 위치-관련 측정치는 여러가지 형태의 데이터, 및 여러가지 개별적인 정확도를 지원하는 LMU 위치 및 장비로부터의 위치 감도를 포함할 수 있다. 또한, 이하에서 더욱 상세히 기술하는 바와 같이, GPS 데이터는 잠재적인 정정가능한 바이어스로 독립적인 데이터 위치를 개별적으로 정의 또는 지원할 수 있거나, GPS 신호 전파 경로의 폐색 또는 왜곡으로 인해 제한된 또는 불완전한 일련의 SV 신호에 대한 의사 거리 및 도플러 측정치를 제공할 수 있을 뿐이다. SMLC는 제공된 데이터 모두를 결합하고, 위치 추정치에 추가적으로 조건을 부여하는 데 이용가능한 어떤 부가의 관련된 부수적인 정보라도 포함하는 확률-기반 평가에 이들을 통합한다(316). 이들 통합된 평가에 적절한 방법 및 기술은 이하의 설명에서 제시된다. MS 위치에 대한 결과의 추정치는 LG에 제공되고 따라서 LG는 그의 최초의 위치 확인 요청에 응답하여 MPC로 그 정보를 보낼 수 있다(317).
위치-의존적 치수
본 명세서에 개시된 기술 및 응용에 충분한 정확도로, 수신측 위치에서의 TOA의 측정치는 신호 수신의 위치와 신호 전송의 위치 간의 거리에 직접 관계되어 있다. 전송 신호의 전파에서 거쳐가는, 신호 송신기-수신기 거리 DTR은 ECI(earth- centered, inertial, 지구 중심 관성) 3차원 직교 좌표계에 나타낸 전송 위치 X T와 수신 위치 X R 간의 직선 벡터 길이로 나타내어진다.
송신기-수신기 신호 전파 시간 간격, tTR은 TOA와 TOT 간의 차이이고, 신호 전파 거리 DTR=|X T(TOT)- X R(TOA)|를 RF 신호 전파 속도(즉, "빛의 속도") c로 나눈 것과 같다.
여기서, X R(TOA)는 "시기"(epoch) 또는 시간 TOT에서의 수신기 위치의 3차원 벡터 좌표 표현이고, X T(TOT)는 시기 TOT에서의 송신기 위치의 벡터 좌표 표현이다. 수학식 2에 기술된 것 등의 RF 신호 전파 시간 관계를 이용하는 시스템에서, (일정한) 전파 속도, "c"는 측정치를 직접 거리 또는 길이 단위로 만들기 위해 기본적인 시간 측정치와 곱해질 수 있다. GPS 등의 동기화된 위치-결정 시스템에서, 수신된 신호 간격에 대한 TOT는 지정되고 정밀하게 유지되는 시간 표준, 예를 들어 GPS 시간 또는 관계된 UTC(Universal Time Coordinated, 협정 세계시)에 대해 정의되고, 제어되며 또 파악된다. 내장된 GPS 수신기를 사용하는 MS는 전송된 궤도-결정 파라미터로부터 계산될 수 있는 위치를 갖는 SV로부터 파악된 시간에 전송되는 GPS 신호를 수신하도록 설계되어 있다. MS에 의해 전송된 신호에 대해 분리된 LS 위치에서 또는 LS에 의해 전송된 신호에 대해 MS에서 측정된 TOA를 이용함으로써 MS 위치를 결정하는 지상-기반 인프라는 분리된 LS 수신 스테이션에 대한 클럭 표준 및/또는 MS에서의 개별적인 신호 수신을 연관시키는 시간 공통점을 조정하기 위해 시간축 동기화(예를 들어, GPS 전송에 동기화됨)를 사용한다. 시간 측정치 및 송신기와 수신기 위치 간의 RF 신호 전파 거리에 대한 그의 관계를 이용함으로써, 여러가지 신호를 수신 및/또는 전송하는 MS의 위치가 결정될 수 있다.
이와 유사하게, 다른 수학적 관계가 다른 유형의 측정치(예를 들어, TDOA, TA, 전력 레벨 및 AOA의 측정치)를 관심의 MS 위치 좌표와 관계시킨다. 다른 예시적인 거리-관련 치수로서, TDOA 측정치는 2개의 서로 다른 별개의 신호 수신에 대한 2개의 TOA 간의 차이의 치수를 제공한다. 개별적인 위치 X R1 및 X R2에 위치하는 서로 다른 수신 스테이션에 도착하는 공통의 전송 신호 구간으로부터 추출된 TDOA 측정치의 경우, 도착 시간 차이 TDOA21는 신호 전파 거리 DR2와 DR1의 차이에 직접 관계가 있다.
송신기의 위치의 결정에 이러한 TDOA 측정치를 이용하는 것은 관심의 신호가 방출된 공통의 TOT 순간 또는 시기에 대한 선험적 지식을 필요로 하지 않는다. 이 특징은 전송의 시간이 MS와 다수의 LS 시간축 간에 반드시 동기화될 필요가 없는 일반적인 통신 시스템 전송의 사용에 유익하다.
통신 시스템 동기화를 위해 측정되고 적용되는 MS에 대한 TA 파라미터도 역시 제어측 LS에서 관심의 MS까지 갔다가 되돌아오는 신호 전파의 거리에 직접 관계가 있다, 즉 MS는 LS로부터 전송된 신호를 감지하고, 그 자신을 이 신호에 동기화시키며, LS에서 감지되는 응답하는 전송을 협조적으로 시간 정렬하여 방출한다. 어떤 MS 응답 회로 지연을 제외한 LS에서 감지되는 수신된 왕복 타이밍 정렬 오프셋이 MS와 LS 간의 양방향 전파 시간에 대략적으로 비례하기 때문에, TAMS는 이 오프셋으로 설정되고, MS와 LS 위치 간의 위치-관련 전파 거리 DML의 2배와 직접적인 관계가 있다.
수신 신호의 거리와 관계가 있는, 측정된 전력 레벨은 송신기로부터 방출되고 수신기에 의해 감지되는 그의 전파에 대한 손실 계수 LTR만큼 그의 전송된 레벨로부터 감소된다. 다른 관계가 있는, 도움이 되는 인자에 대한 가정된 또는 기지의 값을 사용하는 경우, 이 손실 계수는 전파 환경의 모델링된 표현을 통해 신호 전파 거리 DTR의 치수를 제공할 수 있다.
여기서 SR 및 ST 측정치는 수신 및 전송 신호 전력 레벨 치수이고, G는 신호 전파의 상대 방향에서의 수신 및 전송 안테나 "시스템" 이득 등의 다른 도움이 되는 인자들을 담고 있는 거리-독립적인 계수이며, PL()는 설치된 전송 및 수신 안테나 간의 전파 신호 세기에 대한 환경적 경로 손실의 거리-의존적인 모델이다. 간단한 구면 확산 모델의 경우,
이고, 여기서 λ는 신호 전파의 파장이다. SV로부터 수신측 MS로의 GSP 신호 전파에 대한 거리 차이는 그와 비례하여 작으며, 전리층 및 대기 효과로 인해 또한 MS 근방에서의 다중 경로 반사로 인해 서로 다른 SV로부터의 GPS 신호 전파에 상당한 변동성이 존재한다. 일반적으로 이들 특성은 수신된 GPS 전력 레벨의 사용을 MS 위치 결정에 중요하지 않게 만든다. 그렇지만, MS와 하나 이상의 LS 간의 지상-기반 전파에 대해 측정된 전력 레벨로 MS 위치를 결정하는 경우, 위치 계산은 이하의 논문, 즉 Empirical Formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services, M. Hata, IEEE Trans. Veh. Tech., Vol VT-29, No. 3(1980년 8월)에 상세히 기록되어 있는 Okumura 데이터의 Hata 표현 등의 경험적으로 검증된 전파 손실 모델을 효과적으로 사용할 수 있으며, 위 논문은 여기에 인용함으로써 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다.
환경적 조건 및 다중 경로 전파 조건의 변덕으로 인해, 전력 레벨의 경험적 측정치는 dB의 로그 단위로 정량화될 때 더욱 거의 정규 분포 또는 가우시안 분포를 따른다. 따라서, Hata 모델 및 다른 이러한 모델의 PL()에 대한 표현에서의 곱셈 계수는 일반적으로 로그항의 덧셈 및 뺄셈으로서 표현된다. 상세하게는, 수학식 5의 손실 모델은 위치-의존적인 거리의 항으로 표현된 dB 손실을 전송된 전력 레벨과 수신된 전력 레벨 간의 측정된 dB 차이에 연관시킨다. 전송된 전력 레벨이 제휴된 통신 시스템으로부터의 명령 제어에 의해 알려지는 경우, 위치 결정에 대해 이 관계가 입증될 수 있다. 그렇지만, 전송된 레벨은 측정으로부터 파악할 수 없거나 이용가능하지 않을 수 있다. 이 경우, 2개의 서로 다른 수신기에 의해 수신되는 공통의 전송 신호에 대한 수신된 레벨의 비가 전송 스테이션과 수신 스테이션 간의 2개의 위치-의존적인 거리에 대한 비(즉, dB 차이)에 관계된 척도로서 이용될 수 있다. 전력 레벨 비, 즉 dB 차이는 각각의 수신 위치에 고유한 이득 계수에 대해 조정된다. 수신 전력 비, 즉 dB 차이의 이러한 사용은 공통의 전송 전력 레벨에 관한 이용가능한 정보를 필요로 하지 않는다. 로그 표현식을 포함한 모델링된 거리 의존 관계에서, 하나 이상의 LS로부터 MS로의 전송 및/또는 MS로부터 하나 이상의 LS로의 전송에 대해 MS 위치-의존적인 정보가 추출될 수 있다.
상기한 거리에 관계된 치수 이외에, 신호 AOA 측정치도 역시 MS 위치-의존적인 정보를 제공하며, 이러한 유형의 정보는 통상 신호 전파 거리와 무관하다. AOA의 측정치가 수신 위치에서 방향에 민감한 수신 안테나 구조의 가용성을 요구하기 때문에, AOA는 일반적으로 MS에 의해 전송되고 LS에서 수신되는 신호에 대해 추출된다. 따라서, AOA는 대략적으로 지표면을 따라 "수평"으로 전파되는 통신-대역 신호에 대해 측정된다. AOA는 일반적으로 측지 진북(true, geodetic North)의 알려진 고정된 방향에 대해 정량화된, 수신 지점으로부터 착신 신호쪽으로의 방향의 각도로서 표현될 수 있다. 이 관계는 수학식 7로 표현될 수 있으며,
여기서, atan2[]는 완전 4-상한 아크탄젠트(complete four-quadrant arctangent)를 제공하고, ()E 및 ()N은 수신기 위치 X R로부터 송신기 위치 X T쪽으로 향하는 벡터에 대한 동쪽 및 북쪽 성분을 나타낸다. 이러한 치수는 수신측 LS에서 감지되는 LOB(line of bearing, 방위각 선)를 따라 가능한 또는 예상되는 전송측 MS 위치의 궤적에 관한 정보를 제공하고, 그 치수는 통상 LS로부터 MS 위치로의 LOB를 따라 거리에 독립적이다.
GPS SV 송신기 위치
상기한 위치-의존적인 관계에서, GPS 및 어떤 형태의 인프라 시스템 측정치에서와 같이, MS 위치의 결정은 MS가 신호 수신의 지점일 때 송신기 위치에 대해 알고 있을 것을 요구하며, 또 MS가 송신기일 때 수신기 위치에 대해 알고 있을 것을 요구한다. 고정된 LS 수신기의 위치는 GPS-기반 측량을 비롯한 측량에 의해 정밀하게 결정될 수 있다. LS를 수반하는 측정으로부터 결정된 MS 위치의 정확도는 LS 위치가 파악된 정확도와 직접적인 관계가 있다. GPS 시간 측정치의 이용에 특히 중요한 것은, MS 위치가 결정되는 정확도의 한계가 SV 송신기 위치가 파악되고 표현된 정확도에 의존한다는 것이다.
임의의 순간 또는 시기에서의 GPS SV 위치 및 속력은 SV 내비게이션 메시지 전송에서 GPS로부터 전달되는 위성 궤도 파라미터(ephemeris parameter)에 따라 기술되고 결정된다. 위성 궤도로부터의 SV 타원-궤도 위치 및 속력의 표현 및 계산에 관여되는 수학적 관계에 대한 설명은 이하의 텍스트, 즉 Global Positioning System, Theory and Practice, 5th Ed., Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger, 및 Collins, Springer-Verlag(1994년), 및 Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration, Grewal, Weill 및 Andrews, John Wiley(2001년) 등의 텍스트에서 입수할 수 있다. 이들 텍스트에 언급되어 있는 바와 같이, SV 위성 궤도 파라미터는 지구의 형상 및 다른 물리적 특성에 대한 WGS 84(World Geodetic System 1984) 설명에 따라 표현된 SV 위치 및 움직임 파라미터를 생성하는 데 사용된다.
각각의 GPS SV에 대해, 위성 궤도 파라미터는 위성 의사 난수(PRN) 식별자, 파라미터 값이 지정되어 있는 GPS 기준 시기의 규격, 케플러 궤도 파라미터, 및 케플러 타원 및 그의 근지점의 평면 정렬을 지정하는 파라미터를 포함한다. 위성 궤도는 ECEF(earth-centered, earth-fixed; 지구 중심 지구 고정) 좌표계(이 좌표계 자체는 태양 고정(관성), 춘분점 기반 ECI 좌표계에 대해 회전함)에 대해 SV 위치 및 움직임을 정의한다. GPS 위성 궤도력 데이터(almanac data) 내의 위성 궤도 파 라미터가 신호 접촉을 달성하는 데 적절한 수 킬로미터 정확도를 제공하지만, 기준 시기로부터 적절한 4시간 시기 윈도우 내의 관찰 시기에 대해 사용될 때, (SA(selective availability)의 디더링(dither) 또는 절사(truncation)가 없는 경우) 각각의 SV로부터의 방송 위성 궤도가 일반적으로 수 미터 이내에 이르는 SV의 특정의 ECEF 직교 좌표 위치의 계산을 가능하게 해준다.
SV 위치의 적당한 특성 파악은 의사 거리 측정치가 이용가능한 각각의 SV에 대한 "지연해(retarded solution)" 시간에 평가된다, 즉 수학식 2에 나타낸 바와 같이, 지표면 근처에서의 GPS 수신은 TOA를 제공하지만, SV로부터의 신호 전파 거리는 신호가 수신된 TOA 시기보다 ~78±11 msec 이전인 TOT 시기와 연관되어 있다. 전파 시간 동안에, SV는 ~300±40 미터(m)를 전진하고, 따라서 각각의 SV 위치는 각각의 측정된 TOA에 대한 그의 적절한 TOT에서의 위치-결정 계산에서 평가된다.
시간축 정렬
상기 관계들에서 언급한 바와 같이, 특정의 순간에 MS의 위치를 결정하기 위해, 관심의 신호 간격의 수신 시간 및/또는 전송 시간이 적절히 획득되고, 처리된 신호 데이터에 태깅되어야만 한다. GPS 시간이라고 하는 GPS에 대한 시간축은 미국 해군 천문대에서 정의된 표준과 정확히 동기화하여 유지된다. 각각의 SV의 GPS 전송은 그 SV의 클럭에 의해 확립된 시간축에 동기화되어 있는 순간들에 일어난다. 전 세계에 걸쳐 있는 GPS 지상국은 각각의 SV의 위치, 시간 동기화 및 상태를 모니터링하고 GPS 시간 표준과 동기화하여 SV 전송의 정확한 해석을 위한 "현재의" 시간 정렬 보정에 대해 기술하는 보정 계수(correction term)를 SV에 제공한다. 2차 까지의 이들 시간 보정 파라미터는 SV로부터 전송된 내비게이션 메시지에 포함되어 있다.
4-파라미터 위치 결정
GPS 및 연관된 인프라 측정치 및 부수적인 정보의 공통 결합(joint combination)을 이용하는 본 발명에 기술된 기술에 있어서, 관심의 MS의 위치 X는 그 위치가 도출되는 측정치 및 정보와 관련이 있는 특정 순간에 대해 결정된다, 즉 MS 위치는 일반적으로 또는 반드시 시간에 따라 일정한 것으로 추정 또는 제약되는 것은 아니라 오히려 시간의 함수 X(t)인 것으로 본다. 이것의 예는 수학식 2에 나타내어져 있다. GPS 신호가 MS에 수신되고 그의 TOA가 측정될 때, 시간 측정은 GPS 수신기에 내장된 시간축 클럭에 대해 정량화된다. SV에서와 같이, MS 수신기의 시간축은 본질적으로 GPS 시간과 동기화되어 있지 않으며, 예를 들어 MS 시간은 적어도 GPS의 시간축으로부터 클럭 주파수 차이만큼 오프셋(0차 보정) 및 드리프트(1차 보정)될 수 있다. 따라서, MS 시간축에 따라 라벨링(labeling) 또는 "태깅(tagging)"되어 있는 기본적인 TOA 측정치는 아마도 GPS 시간에 맞춰 정렬된 그의 "진짜" 값에 대해 바이어스되어 있다. 따라서, GPS 수신기에서의 기본적인 TOA 측정치는 그 측정치에 대한 MS 클럭 바이어스 또는 오프셋의 결정 이전에 수학식 2에서 사용될 때 (진짜 범위 또는 거리보다는) "의사 거리"의 측정치를 제공한다고 말해진다.
본 발명은 GPS-관련 위치 결정에는 적어도 4개의 서로 다른 독립적인 의사 거리 측정치가 이용가능해야만 한다는 일반적인 필요성을 완화시킬 수 있다. 독립 형 GPS 수신기의 경우, MS 클럭 바이어스와 함께 MS 3차원 좌표 위치를 도출하기 위해 위치 계산을 완료하는 데 4개의 측정치 또는 위치-결정 데이터가 요구된다. 본 발명에서는, 임의의 이용가능한 의사 거리 측정치가 인프라-기반 장비로부터 이용가능한 임의의 관련된 위치-관련 측정치 및 가능한 MS 위치에 관하여 이용가능한 임의의 다른 관련된 위치-관련 부수적인 정보와 함께 위치 계산에 통합된다.
차분 GPS(DGPS)
인용된 GPS 설명에 나타낸 바와 같이, GPS 의사 거리 측정치를 이용하는 위치-결정 계산의 정확도는 차분 GPS(DGPS) 조정의 적용을 통해 체계적 바이어스(systematic bias)에 대해 보정될 수 있으며, 예를 들어 이러한 체계적 바이어스는 GPS 관리가 SV 내비게이션 메시지 내의 전송된 시간축 또는 위성 궤도 파라미터를 고의로 디더링 또는 절사하는 SA를 도입할 때 존재한다. 다른 바이어스는 전리층 보정 파라미터, 즉 SV 내비게이션 메시지로 전달되는 전파 그룹 지연이 전파 경로를 따라 만나게 되는 조건을 정확하게 표현하지 않을 때 존재할 수 있다. 이러한 것 등의 바이어스는 하나 이상의 지원 스테이션의 네트워크로부터 도출되는, DGPS 조정의 모니터링, 평가 및 적용 동안에 MS 위치의 계산에서 완화 또는 보정될 수 있다.
MS 위치 계산에 대한 DGPS 보정은 GPS 모니터링 스테이션에 대해 그 스테이션에서의 현재 감지된 GPS 측정치와 그 위치에 대한 도출된 위치 파라미터의 비교 평가를 통해 평가된다. 도출된 값은 SV의 위성 궤도에 기초하여 그 SV의 "파악된" 위치에 대해 계산되고 지원 스테이션 위치에 대한 "파악된" 값과 관련하여 평가된다. 고정/정지 LS를 지원 DGPS 기준 스테이션으로서 사용하는 본 발명의 양호한 실시예에서, 파악된 LS 위치는 정확한 측지 조사를 통해 얻어진 것들이다. 이들 측량은 GPS 신호의 장기간 적분으로부터의 GPS-도출된 값에 기초하고 또 이를 기준으로 삼는다. MS가 독립형 GPS 위치를 생성하기에 충분한 SV로부터 GPS 의사 거리 측정치를 수신 및 추출할 수 있는 경우, 기본적으로 동일한 SV 신호를 수신하는 근처의 지원 LS는 그 자신의 위치에 대한 그의 현재 계산된 위치와 그의 이전에 알려진 위치 간의 차이를, MS에 대한 임의의 도출된 GPS 위치에 대한 직접적인 보정으로서 적용할 수 있다.
양호한 실시예에 보다 기본적인 것은, 지원 LS의 네트워크로부터 이용가능한 모든 임의의 보정이 MS 측정치에 전체적으로 적용된다는 것이다. MS는 그의 관측된 의사 거리 측정치를, MS 위치의 인프라 계산에 통합시키기 위해 지원 LS 인프라로 전달한다. SV 내비게이션 메시지로 전송되는 연관된 현재의 공통 SV 클럭 바이어스 및 위성 궤도 파라미터가 주어진 경우, 각각의 의사 거리 측정치는 그 동일 SV로부터의 그의 현재 관측된 의사 거리 측정치와 그의 이전에 알려진 위치와 부합하는 현재 값 간의 어떤 근처의 지원 참조 LS에서 관측되는 차이에 따라 보정될 수 있다. 이러한 차분 보정은 의사 거리 측정치에서의 지역의 체계적 바이어스의 효과를 완화시키고 도출된 MS 위치의 정확도를 향상시킨다.
유망한 위치 결정
본 명세서에 설명된 기술을 사용하여, MS 위치의 최적의 추정치는 그의 결정에 이용가능한 모든 위치-관련 정보로부터 도출된다. 위치-관련 정보는 수신 신호 특성의 측정치 및 잠재적인 MS 위치의 상대 확률 또는 가능성을 나타내는 부수적인 정보에서 이용가능하다. 위치-상태 파라미터의 추정을 위한 확률-기반 기술은 통계적 추정 프로세스의 당업자에게 잘 알려져 있으며 Harry L. Van Trees에 의해 Detection, Estimation, and Modulation Theory, Parts I-IV, Van Trees, John Wiley, 2001에서의 그의 설명의 파트 1의 섹션 2.4에서 추정 이론에 대한 일반적인 설명에 잘 언급되어 있다. 본 명세서에 인용된 문헌들에서 나타낸 바와 같이, 측정치의 벡터 세트 
에 내재된 정보에 대해 조건 부여된 위치 파라미터 
의 "상태 벡터"의 후보 추정치의 상대적 조건부 확률 또는 가능성은 상태 및 상태의 선험적 확률의 조건 하에서 Bayes 확률 관계를 통해 측정치의 상대적 발생 가능성에 관계될 수 있다. 이 확률적 관계는 일반적으로 수학식 8로서 표현될 수 있다.
여기서, p(x|z)는 관측이 z 내의 측정치 값들에 대해 실제로 획득된 값을 갖는다는 조건 하에서 상태 벡터 성분이 x에 대해 평가된 것일 확률을 나타내고, p(z|x)는 상태 변수가 x 내의 값을 갖는다는 조건 하에서 벡터 z의 값들이 관측될 확률을 나타내며, p(x)는 x의 상태 값이 발생할 총 (한계) 상대 선험적 확률(total (marginal) relative apriori probability)이고, p(z)는 측정된 파라미터 값이 관측 벡터 z에 대해 발생할 총 (한계) 확률이다. 최적의 가능성 또는 상대 확률의 위치 해(positional solution) 또는 추정치의 도출에서, p(z) 항 등의 위치-독립적 인 인자는 중요하지 않다.
표준적인 통계적 고려 사항이 독립적인 데이터 요소에 대한 확률들을 연관시키는 데 관여되어 있는 경우, 독립적인 데이터 요소들 모두의 공통 결합(jointly combined) 확률 또는 가능성은 독립적인 데이터 세트의 확률들의 곱이다, 예를 들어 본 발명의 기술의 경우, 다양한 소스로부터의 여러가지 유형의 데이터의 어셈블리는 통계적으로 독립적인 데이터를 통합시킨다. 확률의 로그의 최대값을 통해 확률의 최대값이 도출되는 경우, 곱 확률 관계는 "로그 확률"의 합으로서 누적된다.
최대 또는 가장 가능성있는 값에 대한 파라미터 위치 해는 일반적으로 가능한 값들의 전체 영역에 걸쳐 있는 개별적인 위치 파라미터 값의 그리드 또는 세트에 대해 확률 함수 값을 샘플링 또는 계산함으로써 도출된다. 샘플링 간격(sampling interval) 또는 그리드 간격(grid spacing)은 일반적으로 잠재적으로 최적인 값의 국지적 영역을 나타내는 데 충분한 거친 메쉬(coarse mesh)에서 시작되고, 이어서 샘플링 그리드의 메쉬는 제한된 범위의 최적 영역에 중점을 둔 차후의 반복에서 점차적으로 세밀하게 구분된다. 최종 결과는 도움이 되는 측정 정확도가 지원하는 해상도로 평가된다. 인용된 텍스트에서의 통계적 분석에 대해 기술된 보완적 절차에 있어서, 최적 값의 영역에 또 측정치에 의해 지원되는 고유 해상도에 중점을 둘 때 구배-기반(gradient-based) 계산이 적용될 수 있다. 상기 문헌에 인용된 통계적 위치-결정 계산에 대한 설명 이외에, 추가의 설명은 일반적인 파라미터 추정에 관한 Harold W. Sorenson의 설명 및 위치 결정을 위한 개별적으로 샘플링된 확률 함수의 적절한 평가에 관한 Roy E. Bethel의 설명, 즉 Least- Squares Estimation: From Gauss To Kalman, H. W. Sorenson, IEEE Spectrum., No. 7(1970년 7월) 및 A PDF Tracker, R. E. Bethel, et al., IEEE Trans. on AES, Vol. 30(1994년 4월)은 물론 발명의 명칭이 "타겟 위치의 확률적 결정 방법 및 장치(Method and Arrangement for Probabilistic Determination of a Target Location)"인 Hodson의 미국 특허 제5,045,860호에서 찾아볼 수 있다.
확률적 계산에서 평가되는 데이터 또는 정보는 노이즈 또는 여러가지 형태의 불확실성 분포를 가지고 발생할 수 있다. 상기 인용된 문헌에 기술되어 있는 바와 같이, 측정 또는 데이터-도출 시스템은 일반적으로 실제로부터의 정규 또는 가우시안 분포의 에러 또는 편차를 갖는 정보를 생성하는 것으로 표현된다. 상기 수학식 2 내지 수학식 7에 나타내어진 바와 같이, 이용가능한 위치-관련 데이터의 벡터 z는 일반적으로 위치 상태 벡터 x 및 가법성 노이즈 성분 벡터 v의 비선형 함수 h()로서 표현될 수 있다. 이 관계는 이하의 관측 방정식으로 표현된다.
함수 h()는 데이터와 원하는 위치 상태 파라미터 간의 실제 연관 관계를 정확하게 표현하기 위한 것이다. 따라서, 노이즈에 대한 기대값 "E()"은 영이고(즉, 노이즈가 바이어스되어 있지 않고), 통상의 가정 하에서, 관측 불확실성(observation uncertainty)은 가우시안 공분산 행렬 R로 표현된다.
이들 표현식은 또한 데이터 또는 "의사-" 측정치가 원하는 상태 파라미터의 "직접적인" 측정치 또는 심지어 그 파라미터에 대한 "가우시안" 제약 또는 그 파라미터 중 하나 이상을 포함하는 경우에 적용가능할 수 있으며, 예를 들어 이용가능한 데이터가 전체 상태 벡터의 GPS "측정"을 포함하는 경우, 그 데이터에 대한 관측 함수는 선형 항등 함수 h(x)=x이고, 불확실성 행렬은 관측된 상태 파라미터에서의 에러들 간에 존재하는 불확실성 상관 관계를 나타내는 위치 공분산 P이다. 종종, 다양한 물리적으로 서로 다른 측정 시스템으로부터의 측정치에 있어서, 각각의 데이터 소스에 대한 에러 분포는 상호 독립적인 것으로, 즉 상관이 없는 것으로 추정되며, 측정치 공분산 행렬의 대응하는 비대각 성분은 영이다. 통상의 통계의 상기 가정에서, 데이터 벡터에 대한 수학식 8에서의 상대 확률 또는 가능성 분포는 
와 무관한 항을 무시하면 수학식 11처럼 표현된다.
다른 대안적인 환경 하에서, 측정 데이터 에러가 덜 조밀하게 분포되고 지수 또는 라플라스 통계에 의해 보다 정확하게 표현되는 것처럼 보이는 경우, 대각 평균 제곱 편차 행렬을 갖는 독립적인 바이어스되지 않은 측정치의 경우,
이고, 여기서 m=n일 때 δmn=1이고, 그렇지 않은 경우 라플라스 분포된 데이터 벡터에 대한 상대 확률 또는 가능성 기여는, 다시 말하면, x와 무관한 항을 무시하고 또 rms 에러 기대값 σm의 역과 같은 성분을 갖는 벡터를 나타내는 데 
를 사용하고 개별적인 측정 혁신의 절대값, 즉 잔차 
와 같은 성분을 갖는 벡터를 나타내는 데 
를 사용하면, 수학식 13과 같이 표현된다.
수학식 11 및 수학식 13 등의 관계, 및 발견적 학습법적으로 관측된 에러 분포에 대한 확률 계수에 대한 유사한 처리는 다양한 관측의 기여를 위치 파라미터에 대한 최적의 값의 확률적 결정에 통합시키는 기본적인 방식을 제공한다.
GPS 및 연관된 좌표 및 측정치에 관한 설명에서 상기한 바와 같이, 상태 벡터 x는 일반적으로 3개의 MS 위치 좌표 및 하나의 MS 클럭 바이어스 좌표를 포함하는 4-파라미터 벡터이고, 측정 벡터는 일반적으로 4개 이상의 측정치의 벡터이다. 그렇지만, 이하에서 보다 상세히 언급하는 바와 같이, MS에 대한 유망한 위치에 관한 선험적 정보가 가능한 위치의 범위를 제한하기 위해 이용가능한 경우, 측정 벡터의 차원은 감소될 수 있고, 여전히 타당할 정도로 정확한 MS 위치가 얻어진다. 수학식 8의 적용에 있어서, MS 위치에 대한 최적의 추정치는 임의의 이용가능한 부수적인 정보 및 이용가능한 측정 정보(GPS-기반이기도 하고 인프라-기반이기도 함) 모두를 통합시키는 결합 곱 확률(combined product probability)을 최대화하는 최 대 확률 또는 최대 가능성 상태 추정치를 얻기 위해 도출될 수 있다.
본 발명의 기술을 적용하면, GPS-기반 측정치 및 인프라-기반 측정치 및 연관된 정보의 최적의 통합은 유용한 정확도의 위치를 결정하기 위해 인프라만으로부터 또는 GPS 측정치로부터 이용가능한 충분한 정보가 없는 경우에도 MS 위치가 도출될 수 있게 해준다. 하늘의 트인 시야가 이용가능한 경우 작은 원형의 불확실성 영역을 갖는 일반적인 GPS 정확도가 달성되며, 따라서 SV 신호는 MS 상부 및 이를 둘러싸고 있는 위성들의 거의 균일한 분포로부터 성공적으로 수신될 수 있다. 그렇지만, 대규모 대도시 영역의 중심에 있는 높이 솟은 빌딩의 도시 협곡에서의 신호 전파 조건의 결과 폐색된 SV 수신이 있을 수 있으며, 그에 따라 독립형 GPS 해결책에 대한 충분한 일련의 GPS SV 신호의 수신을 방해한다. 이 조건은 MS가 빌딩 내부에 있을 때 및/또는 유일한 관측가능한 SV 신호가 MS가 동작하고 있는 비교적 똑바른 좁은 도로의 양측에 있는 빌딩의 "벽"에 의해 형성된 경로 또는 관측폭(swath)을 따라 있는 하늘/우주의 호를 따라 정렬되어 있는 SV로부터 온 것일 때 특히 보편적이다. 이러한 "도시 협곡" 시나리오 하에서, SV로부터의 신호는 MS 위치가 있을 법한 거리에 대해 횡단하는 길고 좁은 영역을 적절히 나타낼 수 있지만, 이 가능한 영역의 불확실성은 거리를 따라 수신된 SV의 정렬에 대해 횡단하는 방향에서 아주 크게 된다. 다른 시나리오에서, 무성한 잎 또는 지형 지물은 어떤 SV 신호를 폐색시키고 MS에서의 4개의 SV 의사 거리의 통상의 최소값의 측정을 방해할 수 있다. 본 발명에서는 GPS 및 인프라 정보의 통합으로, 정확한 위치 해가 MS와 LS 간의 주로 "수평인" 평면에서 전파되는 통신-대역 신호로부터 추출되는 인프라- 기반 측정치에서 이용가능한 부가 정보로부터 도출될 수 있다.
부수적인 정보
수학식 8에 표현된 Bayes 확률 관계는 보조하는 부수적인 정보를 다수의 보완적 방식으로 이용 및 적용하는 것을 가능하게 해준다. 이상에서 또 인용 문헌에서 언급한 바와 같이, 이용가능한 측정치 및 관련 정보가 주어진 경우, 가능한 MS 위치의 범위가 총 발생 확률에 대해 평가될 수 있다. 수학식 2 내지 수학식 7에 나타낸 바와 같이, 일반적인 측정된 특성들 각각은 특정의 시점에서 관심의 MS의 위치의 비선형 함수로서 표현될 수 있다. 게다가, 어떤 유형의 부수적인 정보는 MS 상태 파라미터에 대한 하나 이상의 제약 관계로 표현될 수 있으며, 예를 들어 일반적인 GPS 해가 ECEF 좌표계의 3차원으로 계산되지만, 그 결과 얻은 위치 추정치는 MS가 비행 중이 아니라 지상 지형물 근처에 위치하는 것으로 알려져 있을 때 그 위치를 지구의 표면에(또는 거의 표면에) 효과적으로 배치하는 지구 중심에 있는 ECEF 원점으로부터 떨어져 있도록 제약될 수 있다. 이러한 제약 및 유사한 제약은 후보 위치와 연관된 선험적 확률에 사전 조건 부여함으로써 또는 여러가지 제약 및 그의 불확실성 범위를 위치의 함수로서 표현하는 "의사 측정치"를 효과적으로 포함시킴으로써 확률 계산에 포함될 수 있다.
MS의 잠재적인 위치에 대한 알고 있는 통계의 효과적인 사용은 확률 계산에서 적용될 수 있다. 셀룰러 전화의 위치의 결정을 위해, 전화 사용에 대한 관련 위치의 통계적 분포가 수집된 사용 통계 또는 데이터베이스로부터 이용가능할 수 있으며, 예를 들어 답답한 도시 환경에서의 전화 사용의 통계는 MS 전화가 도시 도 로망의 거리 상에 또는 그 가까이에 있을 가능성이 더 많음을 나타낼 수 있으며, 이와 유사하게 인구 밀도가 낮은 시골 환경에서의 동작에 대한 통계는 MS 전화가 시골 지역을 통과하는 고속도로 또는 간선 도로 상에 또는 그 가까이에 있을 가능성이 더 많음을 나타낼 수 있다. 도로 또는 고속도로망의 도로 위치의 정확한 표현은 민간 기관에 의해 유지되는 것을 비롯한 표준적인 지도 데이터베이스로부터 획득될 수 있다. 따라서, 예를 들어 수학식 8의 p(x) 항에서, 가능한 위치의 후보 영역에 오버레이하게 확률 계수의 선험적 분포를 적용하는 것은 우선적으로 유망한 위치가 도로 상에 또는 그 가까이에 있도록 조건을 부여할 수 있다. 관련 확률의 표현에서 더 나은 정확성 및 현실성을 위해, 지표면 상의 도로 위치의 2차원 묘사는 공간적으로 "저역통과" 필터링될 수 있다. 이 필터링은 선험적 확률 표현을 디리졸브(de-resolve) 또는 간략화할 수 있으며, 그에 따라 도로 상에서 또는 그 가까이에서는 확률이 실제로 높아지지만 도로에 대해 횡단하는 방향에서는 서서히 감소하거나 현실적인 정도까지 확산/평탄화된다. 실제로, 본 발명에서의 이용가능한 통계의 효과적인 사용은 재귀적으로 보강, 강화되고 확률 표현을 업그레이드하는 데 적용될 수 있는데, 그 이유는 그 통계가 본 발명에서 도출된 위치로부터 수집되기 때문이다.
좌표 관계
GPS 정보의 인프라-기반 정보와의 통합을 지원하기 위해, 위치 계산에서 적용되는 공통의 좌표계는 양쪽 유형의 정보를 정확하게 표현해야만 한다. 전술한 바와 같이, GPS 계산은 일반적으로 지상에 또는 그보다 위쪽에 있는 관심의 MS와 LS의 위치 및 속력을 정확하게 표현하는 ECEF 좌표계를 사용하여 구현된다. 지금까지, 셀룰러 전화 위치 결정을 위해 LS의 지형-기반 네트워크에 관한 정보만을 이용하는 데 적용되는 좌표계는 일반적으로 LS의 국지적 근방에서 지표면의 평면 투사를 실시한다. 이러한 기존의 인프라-기반 위치-결정 시스템에서, 위치 확인 시스템의 적용가능한 동작 영역의 지리적 범위는 지표면의 곡률이 무시못할 정도로 관측된 관계에 영향을 주지 않을 만큼 충분히 작은 지역으로 제한된다. 지형-기반 LS 안테나의 측량된 위치는 일반적으로 지역 지상 고도의 관련 평균 해수면 고도(above mean sea level(amsl))와 함께, 측지 위도, 경도, 및 지상 고도(height above ground level(agl))의 항으로 표현된다. (예를 들어, WGS 84) 타원에 기초한 측지 좌표의 평탄한 평면 좌표계로의 변환은 일반적으로, John P. Snyder의 텍스트 Map Projections - A Working Manual, Snyder, U.S. Geological Survey Professional Paper 1395, US Government Printing Office, 1987 및 Map Projections, A Reference Manual, Bugayevskiy 및 Snyder, Taylor & Francis, 1995에 기술되어 있는 바와 같이, 람베르트 정각 원추 또는 UTM(universal transverse Mercator) 투사 등의 정각 투사를 적용한다.
GPS 데이터와 인프라 정보의 결합을 위해, 본 발명의 양호한 실시예는 관련된 위치 관계 모두의 정확한 표현을 제공하기 위해 지역 위도 표현의 신뢰성있는 변환과 함께 GPS-표준 ECEF 좌표계를 적용한다. 또한, 각각의 LMU 위치에 있는 GPS 안테나 및 수신기는 현장에 있는 통신 안테나의 높이(agl)와의 차분 비교를 위한 직접적인 WGS 84 기초를 제공한다. 감지된 또는 통계적 정보와 후보 MS 위치 간의 관계를 수반하는 확률 계산은 GPS 데이터의 이용에 표준적인 3차원 WGS-기반 ECEF 직교 좌표계에서 간단히 구현될 수 있다. LS 안테나 및 부수적인 정보에 대한 모든 위치 설명은 위치-결정 평가를 위해 이 시스템에 따라 변환된다.
본 명세서에 인용되어 있는 GPS-관련 좌표 변환에 대한 설명, 예를 들어 Bugayevskiy 및 Snyder의 섹션 1 및 Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger 및 Collins의 섹션 10은 ECEF 좌표값을, 지역 측지 좌표의 항으로 표현된 수평(위도, 경도) 위치 및 고도 또는 평균 해수면 고도에 대한 대응하는 값에 관련시키는 데 관여되는 계산에 대해 기술하고 있다. GPS 좌표 변환은 지구의 형상의 WGS 84 파라미터 표현에 기초하고 있다. 따라서, 회전 타원체로서의 지구의 WGS 84 표현은 계산된 위치 결과의 표현에서 측지 기초를 제공한다. 임의의 지역 위치-결정 시스템의 동작 영역에서, 그 결과는 WGS 84 측지 위도, 경도, 및 WGS 84 타원체 고도 및/또는 지역 지오이드면의 평균 해수면 고도의 항으로 정량화되며, 이 지역 지오이드면 그 자체는 WGS 84 타원체면 고도의 항으로 표현되어 있다. 전술한 바와 같이, 관심의 MS가 지역 지표면에 있는 것으로 적절히 추정될 수 있는 경우, 그 높이는 이러한 지역의 대표적인 WGS 84 타원체 표면 고도로 제한될 수 있다. 이 경우에, 확률 고려 사항에서 평가되는 위치는 이용가능한 관측 또는 측정치의 앙상블에 관련한 위도 및 경도 영역에 걸쳐 있기만 하면 된다.
대안적인 좌표계 표현에서, SV의 순간 위치 및 속력에 대한 ECEF 좌표계 값은 해당되는 LS의 지역에 편리한 "ENU(east-north-up)" 좌표계로 변환될 수 있다. 그렇지만, 본 발명의 대체 실시예에서의 이러한 좌표계의 사용은 GPS 위성 궤도의 사용에 자연스러운 ECEF 좌표계로부터 WGS 84 타원체에 접하고 직교하는 지역 ENU 좌표로의 SV 좌표에 대한 부가적인 좌표계 변환을 필요로 한다. 이러한 대안적인 구현은 이러한 좌표계의, 지표면의 지역적 평면, 양호하게는 정각 투사에 대한 유사성 또는 근접성을 이용할 수 있다. 이러한 사용을 위해, 적절한 "상향(up)" 방향에 대한 SV의 순간 위치 및 속력 관계의 적절한 고려가 필수적이다.
제약된 TDOA/FDOA
GPS/AGPS(심지어 EOTD) 수신기에 의해 계산되는 의사-거리는 보다 정확하고 안정된 해를 계산하기 위해 TOA, TDOA, AOA, 상대 전력 및 왕복 지연 등의 네트워크-기반 위치 측정치와 결합될 수 있다. 예를 들어, 제약된 TDOA/FDOA 계산은 GPS/AGPS 환경에서 사용될 수 있다. 이 제약은 보조 GPS 수신기에 의해 수집된 데이터와, GPS/AGPS, 네트워크-기반 위치 확인 방법 또는 이들의 조합에 의해 계산된 위치를 사용하여 결정되는 제약의 결합에 의해 결정될 수 있다. 제약된 TDOA/FDOA는 GPS 수신기에 대한 프로세싱 부담을 감소시키고 잘못된 경보를 할 수 있는 가능성을 대부분 제거함으로써 감도를 향상시킬 수 있다. 추가의 배경 지식에 대해서는, 2001년 7월 18일자로 출원된, 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에서의 TDOA 및 FDOA를 추정하는 향상된 방법(Improved Method for Estimating TDOA and FDOA in a Wireless Location System)"인 미국 출원 제09/908,998호를 참조하기 바라며, 이는 여기에 인용함으로써 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다.
향상된 GPS 동기화
GSM 비이컨을 발견하는 것 및 GPS 시간으로의 그의 개별적인 매핑에 대한 시 스템 감도를 증가시키기 위해 향상된 동기화 기술이 이용될 수 있다. 이 기술을 사용하면, Abis 모니터(또는 Abis 모니터링 시스템, 즉 AMS)는 절대 프레임 번호(FN)의 GPS 시간으로의 매핑을 부분적으로 기술하는 동기화 정보를 제공하는 데 사용될 수 있다. AMS에 의해 제공되는 파라미터는 RFN(reduced frame number, T1', T2, T3) - GSM 프레임 번호의 부분적 설명 - 을 포함한다. 이 정보는 타이밍 해에 더욱 수렴하도록 하기 위해 다운링크 경로를 모니터링하는 LMU에 의해 직접 행해진 관측 및 계산과 결합될 수 있다. 무선 위치 확인 시스템에서의 AMS의 사용에 관한 추가의 정보에 대해서는, 2001년 7월 18일자로 출원된 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에서의 호 정보의 모니터링(Monitoring of Call Information in a Wireless Location System)"인 미국 출원 제09/909,221호(2002년 4월 4일자로 공개 번호 US-2002-0039904-A1으로서 공개됨)를 참조하기 바라며, 이는 여기에 인용함으로써 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다.
용량/서비스 레벨을 향상시키는 하이브리드 AGPS/TDOA/AOA 시스템
다중-벤더 GSM 환경에서, 다수의 위치-기반 서비스가 존재하며, 그 각각은 서로 다른 정확도, 호 상태 및 지연 시간 요건을 가지고 있다. 또한, 위치 확인 기술은 실세계 트래픽 및 부하 요건에 대처하도록 설계되어야만 한다. TDOA/AGPS 결합 시스템은 무선 위치 확인 시스템에 대한 다수의 과제에 대처하기 위한 이상적인 시스템을 제공한다.
1. 조기의 향상된 호 라우팅이 요구되는 경우, TDOA가 최상이다.
2. 사용자가 통화 중일 때, 부가적인 트래픽 부하가 없다면 TDOA가 최상이 다.
3. MS가 유휴 상태이거나 위치가 지연 시간에 민감한 경우, AGPS가 최상이다.
4. 시스템에 부하가 적게 걸린 경우, AGPS가 최상이고 가장 정확하다.
5. 시스템에 부하가 많이 걸린 경우, TDOA가 최상이다.
6. 시스템이 높은 정확도를 요구하는 경우, TDOA 및 AGPS가 결합되어 사용되어야만 한다.
7. 구형 전화(GPS 비지원 전화)가 동작 중인 경우, TDOA가 최상이다.
위치 확인 대기 시간 요건, 호 상태 및 네트워크 상태에 따라 2개의 방법(핸드셋-기반 및 네트워크-기반) 간에 전환할 수 있는 기능은 상당한 이점을 제공한다. 게다가, 호 상태를 결정하는 데 AMS를 사용하는 것은 이 결합된 방법의 성공에 중요하다.
결론
본 발명의 원리, 양호한 실시예 및 동작 모드에 대해 이상의 설명에 기술되어 있으며, 이로부터 당업자라면 설명된 기술을 실시하기 위해 적절한 데이터 프로세싱을 구현할 수 있음은 자명하다. 본 명세서에 기술된 실시예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어야만 한다. 이상의 설명은 어떻게든 당업자에게 이용가능한 등가 구조의 범위를 제한하기 위한 것이 아니라 오히려 이전에 생각되지 않은 방식으로 등가 구조의 범위를 확장하기 위한 것이다. 첨부된 청구항들에 기재된 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 이상의 예시적 인 실시예에 대해 다수의 변형 및 변경이 행해질 수 있다.
따라서, 본 발명의 진정한 범위는 본 명세서에 기술된 양호한 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 무선 위치 확인 시스템의 양호한 실시예에 대한 이상의 설명은 이하의 청구항의 보호 범위를 제한하거나 또는 다른 방식으로 본 발명의 시스템의 측면이 개시된 특정의 방법 및 장치로 제한됨을 의미하기 위한 것으로 해석되어서는 안되는, LUM(Location Measurement Unit), SMLC(Serving Mobile Location Center), 기타 등등의 설명적 용어를 사용한다. 게다가, 당업자라면 잘 알고 있는 바와 같이, 본 명세서에 개시된 본 발명의 측면은 TOA 및/또는 TDOA 기술에 기초하지 않는 위치 확인 시스템에서 적용될 수 있다. 예를 들어, 무선 위치 확인 시스템이 TDOA 및/또는 FDOA 값을 결정하는 프로세스는 비TDOA 시스템에 적용될 수 있다. 이와 유사하게, 본 발명은 상기한 바와 같이 구성된 LMU 및 다른 서브시스템을 이용하는 시스템으로 제한되지 않는다. LMU, SMLC, 기타 등등은 본질적으로 본 명세서에 개시된 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고 다양한 형태를 가질 수 있는 프로그램가능 데이터 수집 및 처리 장치이다. 디지털 신호 처리 및 다른 처리 기능의 가격 하락이 있으면, 예를 들어 본 발명의 시스템의 동작을 변경시키지 않고 본 명세서에 기술된 기능적 요소 중 하나로부터 다른 기능적 요소로의 특정의 기능에 대한 처리를 이전하는 것이 가능하다. 많은 경우에, 본 명세서에 기술된 구현의 장소(즉, 기능적 요소)는 단지 설계자의 선호일 뿐 어려운 요건이 아니다. 따라서, 명시적으로 그렇게 제하될 수 있는 것을 제외하고는, 이하의 청구항의 보호 범위는 상기한 특정 실시예로 제한되어서는 안된다.
Claims (48)
- 내장된 GPS 신호 수신 기능부를 구비하고 또 무선 통신 네트워크(WCN) 내에서 동작하도록 장비를 갖춘 이동국(MS)의 위치를 결정하는 방법으로서,상기 WCN의 서비스 제공 셀 사이트를 사용하여, 위치 확인해야 하는 MS(MS to be located)에게 보조 데이터를 제공하는 단계 - 상기 보조 데이터는 GPS 신호들을 수신하고 TOA(time of arrival) 또는 의사 거리 치수들(pseudorange measures)을 추출하기 위한 상기 MS의 능력을 향상시킴 - ,상기 서비스 제공 셀 사이트에서, 상기 위치 확인해야 하는 MS로부터 GPS 데이터를 수신하는 단계 - 상기 GPS 데이터는 TOA 또는 의사 거리 치수들을 포함함 - ,제1 위치 측정 유닛(location measurement unit; LMU)에서, 상기 위치 확인해야 하는 MS로부터 통신 대역 신호를 수신하고, 위치 측정 설비들을 사용하여 상기 통신 대역 신호로부터 위치 관련 특성 데이터를 추출하는 단계 - 상기 제1 위치 측정 유닛(LMU)에서, 상기 통신 대역 신호로부터 위치 관련 특성 데이터를 추출하는 단계는 상기 통신 대역 신호의 위치 관련 신호 특성을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TOA(time of arrival) 데이터, TDOA(time difference of arrival) 데이터, AOA(angle of arrival) 데이터, 신호 세기 또는 전파 손실(propagation loss; PL) 데이터, 및 TA(timing advance) 데이터 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 상기 제1 위치 측정 유닛(LMU)에 대한 상기 MS의 지리적 위치의 함수임 - ,위치 결정 계산들을 수행하기 위한 장비를 갖춘 지상국에서, 위치 지연 시간 요건들(location latency requirements), 상기 MS의 호 상태, 및 상기 MS의 네트워크 상태에 기초하여 상기 위치 결정 계산들을 위해 위치 결정 데이터를 선택하는 단계 - 상기 위치 결정 데이터는 상기 GPS 데이터, 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터, 또는 상기 GPS 데이터와 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터의 결합으로 구성되는 그룹으로부터 선택됨 -, 및위치 결정 계산들을 수행하기 위한 장비를 갖춘 지상국에서, 상기 위치 결정 데이터를 사용하여 위치 결정 계산들을 수행하여 상기 MS에 대한 추정 위치를 도출하는 단계를 포함하는 위치 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 TOA 또는 의사 거리 치수들은, 상기 위치 확인해야 하는 MS에 의해 상기 서비스 제공 셀 사이트로 전달되는 위치 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 GPS 데이터 및 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터를 상기 위치 결정 계산들을 수행하기 위한 장비를 갖춘 지상국으로 전달하는 단계를 더 포함하는 위치 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TOA(time of arrival) 데이터를 포함하는 위치 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TDOA(time difference of arrival) 데이터를 포함하는 위치 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 AOA(angle of arrival) 데이터를 포함하는 위치 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 신호 세기 또는 전파 손실(Propagation Loss; PL)에 관한 데이터를 포함하는 위치 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TA(timing advance) 데이터를 포함하는 위치 결정 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 방법은 응급 서비스들에 대해 적용가능한 정확도 요건들을 달성하는 데 이용되는 위치 결정 방법.
- 내장된 GPS 신호 수신 기능부를 구비하고 또 무선 통신 네트워크 내에서 동작하도록 장비를 갖춘 이동국(MS)의 위치를 결정하는 시스템으로서,위치 결정 계산들에서 사용하기 위한 GPS 데이터를 수신하기 위한 수단 - 상기 GPS 데이터는 위치 확인해야 하는 MS로부터 수신됨 -,위치 측정 설비들, 및 상기 위치 확인해야 하는 MS로부터 무선 통신 대역 신호를 수신하기 위한 수신기를 갖추고, 상기 위치 측정 설비들을 이용하여 상기 통신 대역 신호로부터 위치 관련 특성 데이터를 추출하기 위한 제1 위치 측정 유닛(LMU) - 상기 위치 측정 설비들은, 상기 통신 대역 신호의 위치 관련 신호 특성들을 측정하고, TOA(time of arrival) 데이터, TDOA(time difference of arrival) 데이터, AOA(angle of arrival) 데이터, 신호 세기 또는 전파 손실(propagation loss; PL) 데이터, 및 TA(timing advance) 데이터 중 적어도 하나를 도출하기 위한 수단을 포함하고, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 상기 제1 위치 측정 유닛(LMU)에 대한 상기 MS의 지리적 위치의 함수임 - , 및상기 위치 결정 계산들을 수행하기 위한 장비를 갖춘 지상국을 포함하고,상기 지상국은,위치 지연 시간 요건들, 상기 MS의 호 상태, 및 상기 MS의 네트워크 상태에 기초하여 상기 위치 결정 계산들을 위해 위치 결정 데이터를 선택하고 - 상기 위치 결정 데이터 세트는 상기 GPS 데이터, 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터, 또는 상기 GPS 데이터와 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터의 결합으로 구성되는 그룹으로부터 선택됨 -,상기 위치 결정 데이터를 사용하여 위치 결정 계산들을 수행하여 상기 MS에 대한 추정 위치를 도출하기 위한프로세서를 포함하는위치 결정 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 GPS 데이터 및 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터를 상기 위치 결정 계산들을 수행하기 위한 장비를 갖춘 지상국으로 전달하기 위한 수단을 더 포함하는 위치 결정 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TOA 데이터를 포함하는 위치 결정 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TDOA 데이터를 포함하는 위치 결정 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 AOA 데이터를 포함하는 위치 결정 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 신호 세기 또는 전파 손실(PL)에 관한 데이터를 포함하는 위치 결정 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TA 데이터를 포함하는 위치 결정 시스템.
- 삭제
- 제11항에 있어서, 상기 시스템은 응급 서비스들에 대해 적용가능한 정확도 요건들을 달성하는 위치 결정 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 위치 확인해야 하는 MS에 보조 데이터를 제공하며, 상기 보조 데이터는 GPS 신호들을 수신하고 TOA 또는 의사 거리 치수들을 추출하기 위한 상기 MS의 능력을 향상시키고, 상기 TOA 또는 의사 거리 치수들은 그 후 상기 제1 LMU로 전달되는 위치 결정 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 위치 확인해야 하는 MS에 보조 데이터를 제공하기 위한 수단을 더 포함하며, 상기 보조 데이터는 GPS 신호들을 수신하고 TOA 또는 의사 거리 치수들을 추출하기 위한 상기 MS의 능력을 향상시키는 위치 결정 시스템.
- 내장된 GPS 신호 수신 기능부를 구비하고 또 무선 통신 네트워크 내에서 동작하도록 장비를 갖춘 이동국(MS)의 위치를 결정하는 방법으로서,(a) 위치 확인해야 하는 상기 MS에 보조 데이터를 제공하는 단계 - 상기 보조 데이터는 상기 MS로 하여금 GPS 신호들을 수신하고 TOA 또는 의사 거리 치수를 추출할 수 있게 해줌 -,(b) 제1 위치 측정 유닛(location measurement unit; LMU)에서, 상기 위치 확인해야 하는 MS로부터 통신 대역 신호를 수신하고, 위치 측정 설비들을 사용하여 상기 통신 대역 신호로부터 위치 관련 특성 데이터를 추출하는 단계 - 상기 제1 위치 측정 유닛(LMU)에서, 상기 통신 대역 신호로부터 위치 관련 특성 데이터를 추출하는 단계는 상기 통신 대역 신호의 위치 관련 신호 특성을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TOA(time of arrival) 데이터, TDOA(time difference of arrival) 데이터, AOA(angle of arrival) 데이터, 신호 세기 또는 전파 손실(propagation loss; PL) 데이터, 및 TA(timing advance) 데이터 중 적어도 하나를 포함함 - ,(c) 상기 TOA 또는 의사 거리 치수들 및 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터를 위치 결정 계산들을 수행하기 위한 장비를 갖춘 지상국에게 전달하는 단계,(d) 상기 위치 결정 계산들을 수행하기 위한 장비를 갖춘 지상국에서, 위치 지연 시간 요건들, 상기 MS의 호 상태, 및 상기 MS의 네트워크 상태에 기초하여 상기 위치 결정 계산들을 위해 위치 결정 데이터를 선택하는 단계 - 상기 위치 결정 데이터는 GPS 데이터, 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터, 또는 상기 GPS 데이터와 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터의 결합으로 구성되는 그룹으로부터 선택됨 -, 및(e) 위치 결정 계산들을 수행하기 위한 장비를 갖춘 지상국에서, 상기 위치 결정 데이터를 사용하여 위치 결정 계산들을 수행하여 상기 MS에 대한 추정 위치를 도출하는 단계를 포함하는 위치 결정 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TOA 데이터를 포함하는 위치 결정 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TDOA 데이터를 포함하는 위치 결정 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 AOA 데이터를 포함하는 위치 결정 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 신호 세기 또는 전파 손실(PL)에 관한 데이터를 포함하는 위치 결정 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TA 데이터를 포함하는 위치 결정 방법.
- 삭제
- 제22항에 있어서, 상기 방법은 응급 서비스들에 대해 적용가능한 정확도 요건들을 달성하는 데 이용되는 위치 결정 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 무선 통신 네트워크는 GSM 네트워크이고, 상기 MS로부터 수신되는 통신 대역 신호는 GSM 무선 인터페이스 규격(GSM air interface specification)에 부합하는 위치 결정 방법.
- 삭제
- 내장된 GPS 신호 수신 기능부를 구비하고 또 무선 통신 네트워크 내에서 동작하도록 장비를 갖춘 이동국(MS)의 위치를 결정하는 시스템으로서,위치 확인해야 하는 상기 MS에 보조 데이터를 제공하기 위한 수단 - 상기 보조 데이터는 상기 MS로 하여금 GPS 신호들을 수신하고 TOA 또는 의사 거리 치수들을 추출할 수 있게 해줌 -,상기 위치 확인해야 하는 MS로부터 통신 대역 신호를 수신하고, 위치 측정 설비들을 이용하여 상기 통신 대역 신호로부터 위치 관련 특성 데이터를 추출하도록 구성된 제1 위치 측정 유닛(LMU) - 상기 위치 측정 설비들은, 상기 통신 대역 신호로부터, TOA(time of arrival) 데이터, TDOA(time difference of arrival) 데이터, AOA(angle of arrival) 데이터, 신호 세기 또는 전파 손실(propagation loss; PL) 데이터, 및 TA(timing advance) 데이터 중 적어도 하나를 포함하는 위치 관련 특성 데이터를 도출하기 위한 설비들을 포함함 - , 및위치 결정 계산들을 수행하기 위한 장비를 갖춘 지상국을 포함하고,상기 지상국은,위치 지연 시간 요건들, 상기 MS의 호 상태, 및 상기 MS의 네트워크 상태에 기초하여 상기 위치 결정 계산들을 위해 위치 결정 데이터를 선택하고 - 상기 위치 결정 데이터는 GPS 데이터, 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터, 또는 상기 GPS 데이터와 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터의 결합으로 구성되는 그룹으로부터 선택됨 -,상기 위치 결정 데이터를 사용하여 위치 결정 계산들을 수행하여 상기 MS에 대한 추정 위치를 도출하도록구성되는 위치 결정 시스템.
- 제32항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TOA 데이터를 포함하는 위치 결정 시스템.
- 제32항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TDOA 데이터를 포함하는 위치 결정 시스템.
- 제32항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 AOA 데이터를 포함하는 위치 결정 시스템.
- 제32항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 신호 세기 또는 전파 손실(PL)에 관한 데이터를 포함하는 위치 결정 시스템.
- 제32항에 있어서, 상기 통신 대역 신호로부터 추출되는 상기 위치 관련 특성 데이터는 TA 데이터를 포함하는 위치 결정 시스템.
- 삭제
- 제32항에 있어서, 상기 TOA 또는 의사 거리 치수들 및 상기 추출된 위치 관련 특성 데이터를 상기 위치 결정 계산들을 수행하기 위한 장비를 갖춘 지상국에게 전달하기 위한 수단을 더 포함하는 위치 결정 시스템.
- 제32항에 있어서, 상기 무선 통신 네트워크는 GSM 네트워크이고, 상기 MS로부터 수신되는 통신 대역 신호는 GSM 무선 인터페이스 규격에 부합하는 위치 결정 시스템.
- 삭제
- 내장된 GPS 신호 수신 기능부를 구비하고 또 GSM 통신에 기초하여 무선 통신 네트워크 내에서 동작하도록 장비를 갖춘 이동국(MS)의 위치를 결정하는 시스템으로서 - 상기 시스템은 PDE(position-determination equipment)를 포함하고, 상기 PDE는, 신호 검출 및 처리를 위해 네트워크화된 지상국(land station; LS)에 각각 내장된 복수의 위치 측정 유닛들(LMU), 중앙 수집-분석(central collection-and-analysis) LS에 있는 SMLC(serving mobile location center), 및 관심의 MS에 대해 아이덴티티 및 서비스 제공 셀 할당 데이터를 지정하는 MPC(mobile positioning center)로부터의 위치 확인 요청들을 수신하도록 구성된, 중앙 지상국의 LG(location gateway; 위치 확인 게이트웨이)를 포함하고, 상기 LMU 각각은 GPS 안테나 및 무선 통신 대역 안테나(들)에 접속되고 그들로부터 신호들을 수신하고, 상기 SMLC는 LMU들로부터의 측정치들을 수집하고 MS 위치를 계산하도록 구성되며, 상기 위치 확인 게이트웨이는 위치 확인 요청들의 수신 및 위치 결정 결과의 상기 MPC에의 제공을 위한 PDE 포털을 제공함 -,상기 시스템은,상기 MPC에서 발신되는 관심의 특정 MS의 위치에 대한 요청을 상기 LG에서 수신하고, 상기 LG가 상기 위치 확인 요청에 대한 인증 및 권한을 검증하는 단계 - 유효한 요청은 서비스 제공 셀과, 상기 MS와의 통신에 적용할 할당된 주파수를 포함하는 관련 통신 프로토콜 파라미터들을 식별함 -,상기 LG가 상기 요청을, 상기 서비스 제공 셀의 인근에서 동작하는 MS들에 대한 위치들의 결정을 위하여 선택된 SMLC에게 제공하는 단계,상기 선택된 SMLC가 상기 식별된 서비스 제공 셀과 연관된 위치 확인 요청들을 지원하는, 협력하는 LMU들의 리스트를 결정하라는 임의의 요청을 수신하고 검토하는 단계,보조 GPS 데이터에 대한 요청을 신속하게 지원할 필요성을 예상하여, 상기 SMLC가 GPS SV(satellite vehicle)들에 대한 위치 및 움직임 파라미터들을 지정하는 현재의 GPS 구성 데이터를 유지하고 평가하는 단계 - 이들 데이터는 LMU들에 의해 그들의 GPS 수신기들을 통해 지속적으로 모니터링되고, 상기 LMU들은 도플러 천이들, 의사 거리들, 및 LMU 위치들에서 수신되는 GPS SV 원격 측정 스트림(telemetry stream)들에 대한 관련 복조된 내비게이션 메시지 데이터를 상기 SMLC에 제공함 - ,상기 SMLC가 상기 LMU들로부터 주기적으로 전달되는 이들 GPS SV 데이터를 수신하고, 각각의 잠재적인 서비스 제공 셀에 대해, 상기 SMLC가, AGPS 수신에 도움을 주는 것으로 예상되는 도플러 천이 및 의사 거리의 제한된 범위와 함께, 셀 사이트 근방에서의 잠재적인 시계(potential view)에 있는 SV들을 지정하는 현재의 리스트를 평가하고 도출하는 단계, 및상기 MS GPS 수신기로부터의 감소된 TTFF(time to first fix)를 지원하기 위해 상기 GPS 구성 파라미터들에 대한 설명서의 유용성을 활용하기 위해, 상기 SMLC가 특정의 위치 확인 요청에 응답하고 상기 서비스 제공 셀 사이트의 근방에 대한 AGPS 파라미터들을 제공하는 단계 - 이들 AGPS 파라미터들은 상기 LG에 의해 수신되고, GPS 데이터 요청에서 상기 MS에게 전달되도록 상기 MPC에 제공됨 -를 수행하도록 프로그래밍되고 구성된 위치 결정 시스템.
- 제42항에 있어서, 상기 SMLC는 또한 상기 식별된 셀 사이트에 의해 서비스되는 위치들의 결정에 협력하도록 구성된 모든 LMU들로부터 상기 MS 위치에 관련된 데이터의 발생(the development of data)을 요청하도록 진행되는 위치 결정 시스템.
- 제43항에 있어서, 상기 LMU들은 위치 결정 계산들의 지원을 위한 데이터를 검출하고 추출하는 데 자신들의 신호 획득 및 처리 설비들을 적용하고, 이들 LMU 데이터는 그 후 상기 위치 확인 프로세싱에 통합하기 위해 상기 SMLC에 제공되고 그에 의해 수신되는 위치 결정 시스템.
- 제44항에 있어서, 위치 결정들의 지원 시에, 상기 MS 위치에 관계된 상기 GPS 데이터는 상기 MS 수신기 자신의 처리 설비들이 이용하도록 구성되는 도움을 이용하여 상기 MS 수신기에 의해 감지되며, 상기 MS는 이 데이터를 발생(develop)하고 위치 계산들에 포함시키기 위해 그 데이터를 상기 서비스 제공 셀 사이트에게 전달하며, 상기 MS의 GPS 데이터는 WCS(wireless communications system)의해 상기 PDE에게 제공되며, 상기 LG는 이들 데이터를 상기 WCS로부터 수신하거나, 또는 선택적으로 상기 LMU들은 MS 응답 메시지로부터 상기 MS의 GPS 데이터를 수신하고, 복조하고 제공하는 위치 결정 시스템.
- 제45항에 있어서, 상기 SMLC는, 통합된 위치 결정 계산들에 삽입하기 위해 상기 MS가 제공한 GPS 정보를 수신하는 위치 결정 시스템.
- 제46항에 있어서, 상기 LMU들 및 상기 MS로부터 수신된 데이터를 사용하여, 상기 SMLC는 상기 MS 위치 파라미터들에 대한 가능한 추정치를 도출할 때 그 데이터 모두를 통합하는 위치 결정 시스템.
- 제47항에 있어서, 상기 협력하는 LMU들로부터 획득된 상기 위치 관련 측정치들은 다양한 형태의 데이터, 및 다양한 개별적인 정확도들을 지원하는 LMU 위치들 및 장비로부터의 위치 감도들을 포함하고, 상기 GPS 데이터는 잠재적인 정정가능한 바이어스들로 독립적인(stand-alone) 데이터 위치를 개별적으로 정의하거나 또는 지원할 수 있거나, 또는 상기 GPS 신호의 전파 경로들의 폐색(occlusion) 또는 왜곡으로 인해 제한된 불완전한 일련의 SV 신호들에 대한 의사 거리 및 도플러 측정치들만을 제공할 수 있으며, 상기 SMLC는 제공된 데이터 모두를 결합하고, 위치 추정치에 추가적으로 조건을 부여하는 데 이용가능한 부가의 관련된 부수적인 정보를 포함하는 확률 기반 평가들에 이들 모든 데이터를 통합하는 위치 결정 시스템.
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