KR20100093346A - 위치 결정 시스템 수신기 및 그것의 위성 시간 보정 방법 - Google Patents

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KR20100093346A
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조재범
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Abstract

본 발명은 위치 결정 시스템(GPS) 수신기에 관한 것이다. 본 발명의 GPS 수신기는 적어도 하나의 위성으로부터 위성 신호를 수신하고, 상기 위성 신호로부터 네비게이션 데이터를 추출하는 위성 신호 수신부, 상기 네비게이션 데이터를 디코딩하는 디코더, 상기 디코딩된 네비게이션 데이터를 이용하여 상기 위성의 위치를 결정하는 위성 위치 결정부, 및 상기 위성의 속도를 계산하고, 상기 위성 속도와 상기 위성 위치 중 적어도 하나를 이용하여 위성 시간을 보정하는 위성 시간 보정부를 포함한다.
위치 결정 시스템(GPS), GPS 위성, GPS 수신기, 위성 시간

Description

위치 결정 시스템 수신기 및 그것의 위성 시간 보정 방법{GLOBAL POSITIONING SYSTEM RECEIVER AND CORRECTING SATELLITE VEHICLE CLOCK METHOD THEROF}
본 발명은 네비게이션 시스템에 관한 것으로서, 특히 네비게이션 시스템에서 위치 결정 시스템 수신기 및 그것의 위성 시간 보정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 위치 결정 시스템(Global Positioning System, 이하 'GPS'라 칭하기로 함)은 물체의 위치를 측정하기 위해 만들어진 시스템으로 위치 결정 서비스는 GPS 위성들로부터 송신되는 위성 신호를 수신하여 현재의 위치에 대한 정보를 측정하고 이를 사용자에게 알려줌으로서 사용자가 현재 자신의 위치에 대해 인지할 수 있도록 하는 서비스를 의미한다.
부가적으로 이러한 GPS 서비스는 지도 또는 교통 정보 등과 같은 데이터들을 더 이용하여 사용자가 특정 목적지를 선택하면, 기 저장된 지도 정보 등을 이용하여 사용자의 위치로부터 사용자가 선택한 목적지까지의 교통편 정보 또는 길 안내 정보 등과 같은 네비게이션 정보를 제공하는 네비게이션 서비스로 많이 사용되고 있다. 또한, GPS 서비스는 측지와 측량분야, 군사용, 항공 운항 제어 등의 분야 에서도 다양하게 적용되고 있다.
이러한 GPS 서비스를 이용하면 위치와 시간에 대한 정보를 획득할 수 있다.
한편, 위치 결정 시스템은 지표면으로부터 멀리 떨어진 상공에 위치하여 위성 신호를 송신하는 GPS 위성과 위성 신호를 수신하여 위치 정보를 제공하는 GPS 수신기로 구성된다.
위치 결정 시스템에서 24개의 GPS 위성(실제로는 보충 위성 3개를 포함한 27개의 GPS 위성)은 서로 다른 궤도로 지구를 회전한다. 일예로, GPS 수신기는 4개 이상의 GPS 위성들을 확보하고, 확보된 GPS 위성들 각각으로부터 4개 이상의 위성 신호들을 획득한다.
GPS 수신기는 GPS 수신기의 위치 정보 획득을 위해서 의사 거리 계산을 수행한다. GPS 수신기는 의사 거리 계산을 위해서 GPS 위성이 위성 신호를 송신한 시간과 GPS 수신기가 위성 신호를 수신한 시간 간의 차이를 이용한다.
그러므로 GPS 수신기가 정확한 위치 정보를 획득하기 위해서는 GPS 수신기 내부에 저장된 GPS 시간, 즉 위성 시간이 정확해야 한다. GPS 수신기는 위성 시간 결정을 위해서 GPS 신호에 포함된 정보를 이용한다. GPS 위성은 고정된 위치에 존재하는 것이 아니라 일정한 궤도를 가지고 지구를 회전하고 있다. 하지만, 위성 시간 측정에 GPS 신호에 포함된 정보만을 이용하는 경우에는 실제 지구를 회전하고 있는 GPS 위성의 위성 환경이 반영되지 못하므로 정확한 위성 시간 측정이 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 GPS 위성의 위성 환경을 반영하여 위성 시간을 보정하는 GPS 수신기 및 그것의 위성 시간 보정 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 위치 결정 시스템(GPS) 수신기는 적어도 하나의 위성으로부터 위성 신호를 수신하고, 상기 위성 신호로부터 네비게이션 데이터를 추출하는 위성 신호 수신부, 상기 네비게이션 데이터를 디코딩하는 디코더, 상기 디코딩된 네비게이션 데이터를 이용하여 상기 위성의 위치를 결정하는 위성 위치 결정부, 및 상기 위성의 속도를 계산하고, 상기 위성 속도와 상기 위성 위치 중 적어도 하나를 이용하여 위성 시간을 보정하는 위성 시간 보정부를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 위성 시간 보정부는 상기 위성의 속도를 계산하는 위성 속도 계산부, 상기 위성 속도와 상기 위성 위치 중 적어도 하나를 이용하여 위성 시간 오차를 계산하는 위성 시간 오차 계산부, 및 상기 위성 시간 오차를 이용하여 위성 시간을 보정하는 시간 보정부를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 위성 시간 오차 계산부는 위성 속도와 위성의 위치를 곱한 값을 빛의 속도의 제곱으로 나누어 위성 시간 오차를 계산함을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 위성 신호 수신부는 상기 위성 신호와 상기 위성 신호를 복사한 위성 신호의 코드 간 일치 정도를 확인하여 네비게이션 데이터를 추 출하는 상관기, 및 상기 네비게이션 데이터를 고속 푸리에 변환하여 도플러 값을 획득하는 고속 푸리에 변환기를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 위성 속도 계산부는 상기 도플러 값을 이용하여 위성 속도를 계산함을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 위치 결정 시스템 수신기의 위성 시간 보정 방법은 적어도 하나의 위성으로부터 위성 신호를 수신하는 단계, 상기 위성 신호로부터 네비게이션 데이터를 추출하는 단계, 상기 네비게이션 데이터를 디코딩하는 단계, 상기 디코딩된 네비게이션 데이터를 이용하여 상기 위성의 위성 위치를 결정하는 단계, 상기 위성의 위성 속도를 계산하는 단계, 상기 위성 속도와 상기 위성 위치 중 적어도 하나를 이용하여 위성 시간 오차를 계산하는 단계, 및 상기 위성 시간 오차를 이용하여 위성 시간을 보정하는 단계를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 위성 시간 오차를 계산하는 단계는 상기 위성 속도와 상기 위성 위치를 곱한 값을 빛의 속도의 제곱으로 나누어 위성 시간 오차를 계산하는 단계를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 네비게이션 데이터를 추출하는 단계는 상기 위성 신호와 상기 위성 신호를 복사한 위성 신호의 코드 간 일치 정도를 확인하여 네비게이션 데이터를 추출하는 단계, 및 상기 네비게이션 데이터를 고속 푸리에 변환하여 도플러 값을 획득하는 단계를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 위성 속도를 계산하는 단계는 상기 도플러 값을 이용하여 상기 위성 속도를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 네비게이션 시스템에서 GPS 수신기는 위성의 위치 정보와 속도 정보를 이용하여 위성 시간을 보정함으로서 위성 환경이 반영된 위성 시간 보정이 가능하다는 이점을 갖는다. GPS 수신기는 위성 환경이 반영된 위성 시간을 사용함으로서 GPS 수신기의 위치 결정에 따른 정확도가 향상된다는 이점을 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은 위치 결정 시스템(Global Positioning System, 이하 'GPS'라 칭하기로 함)에 관한 것으로서, 특히 GPS 수신기 및 그것의 위성 시간 보정 방법을 제안한다.
본 발명의 GPS 수신기는 일예로, 이동 단말기, 노트북(notebook), 개인 정보 단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 스마트폰(smart phone), PMP(Portable media player), 네비게이션(Navigation) 등과 같이 GPS 서비스 기능이 적용된 단말기들 또는 GPS 모듈을 탑재한 단말기들을 모두 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 위치 결정 시스템 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 위치 결정 시스템은 GPS 수신기(10)와 GPS 위성(20)을 포함한다.
GPS 위성(20)은 지상으로부터 멀리 떨어진 상공(일예로, 지상으로부터 약 20,000km)에 위치하여 GPS 신호, 즉 위성 신호를 송신하며, GPS 수신기(10)는 위성 신호를 수신하여 사용자에게 위치 정보를 제공한다.
GPS는 24개의 GPS 위성(실제로는 보충 위성 3개를 포함한 27개의 GPS 위성) 이 서로 다른 궤도로 지구를 회전한다. GPS 위성(20)은 지구를 회전하는 GPS 위성들 중의 하나이고, GPS 수신기 주변의 상공에 위치한 GPS 위성이다. GPS 수신기(10)는 도시된 GPS 위성(20)뿐만 아니라 GPS 수신기(10) 주변에 위성 신호 수신이 가능한 복수개의 GPS 위성으로부터 위성 신호를 수신한다. 일예로, GPS 수신기(10)는 위치 결정 즉, GPS 수신기(10)의 현재 위치 판단을 위해서 4개 이상의 가시 위성으로부터 위성 신호를 수신할 수 있다.
본 발명에서 GPS 수신기(10)는 위성 시간을 GPS 위성(20)의 위성 환경, 일예로 GPS 위성(20)의 위치 정보와 속도 정보를 이용하여 보정한다. 여기서 위성 시간은 GPS 수신기 내부에 저장된 GPS 시간이다. GPS 수신기(10)는 보정된 위성 시간을 이용하여 GPS 위성(20)과의 의사 거리(pseudo-range)를 계산하고, 적어도 4개의 GPS 위성들 각각에 대해서 의사 거리 계산이 완료되면, GPS 수신기(10)의 위치 결정을 한다.
도 2는 도 1에 도시된 GPS 수신기를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 2를 참조하면, GPS 수신기(10)는 위성 신호 수신부(satellite signal receive device)(100), 디코더(decoder)(110), 위성 위치 결정부(satellite location determiner)(120), 네비게이션 필터(navigation filter)(130)를 포함한다.
GPS 수신부(100)는 적어도 하나의 GPS 위성으로부터 위성 신호를 수신한다. GPS 수신부(100)는 수신된 위성 신호로부터 네비게이션 데이터를 추출한다. 또한 GPS 수신부(100)는 위성 신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, 이하 'FFT'라 칭하기로 함)을 통해서 도플러(doppler) 편이량을 측정한다. GPS 수신부(100)는 도플러 편이량 측정에 따른 도플러 값을 획득한다.
디코더(110)는 네비게이션 데이터를 디코딩한다.
위성 위치 결정부(120)는 디코딩된 네비게이션 데이터에 포함된 정보를 이용하여 GPS 위성의 위치를 결정한다. GPS 위성의 위치 결정에 사용되는 정보는 일예로, 네비게이션 데이터에 포함된 알마낙(Almanac) 정보와 에피메리스(Ephemeris) 정보 중 적어도 하나가 될 수 있다.
네비게이션 필터(130)는 결정된 GPS 위성의 위치 정보를 이용하여 GPS 위성과의 의사 거리를 계산한다. 네비게이션 필터(130)는 계산된 의사거리를 사용하여 GPS 수신기(10)의 위치 결정을 한다. 네비게이션 필터(130)는 일예로 칼만 필터(Kalman filter)가 사용될 수 있다. 칼만 필터는 선형 시스템에 적용 가능한 순환 필터로서 위성 관련 자료의 실시간 처리에 활용되는 필터이다. 칼만 필터는 위치, 속도, 시간 오차, 시간 오차 변화율 등에 대한 등속도 모델의 시스템 방정식을 사용하고, 칼만 필터의 측정식은 의사 거리로 나타낸다.
네비게이션 필터(130)는 GPS 수신기(10)의 위치 결정뿐만 아니라 GPS 수신기(10)의 속도까지 결정할 수도 있다. 네비게이션 필터(130)는 결정된 GPS 수신기(10)의 위치 정보 또는 GPS 수신기(10)의 속도 정보를 위치 정보 출력부(미도시) 등으로 출력할 수 있다. 일예로, 위치 정보 출력부는 디스플레이부, 오디오부 등으로 구성되어 GPS 수신기(10)의 위치 정보(또는 GPS 수신기(10)의 속도 정보)를 적합한 포맷(영상 데이터 또는 오디오 데이터)의 데이터로 전환하여 출력한다.
본 발명에서 제안된 네비게이션 필터(130)는 위성 시간 보정부(300)를 포함한다. 위성 시간 보정부(130)는 GPS 위성의 속도를 계산하고, GPS 위성의 속도 계산 시 도플러 값을 이용할 수 있다. 위성 시간 보정부(130)는 GPS 위성의 위치 정보와 GPS 위성의 속도 정보 중 적어도 하나를 이용하여 위성 시간을 보정한다. 네비게이션 필터(130)는 보정된 위성 시간을 이용하여 의사 잡음 거리를 계산한다.
도 3은 도 2에 도시된 위성 신호 수신부의 구조를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 3을 참조하면, GPS 수신부(100)는 주파수 변환기(frequency convertor)(200), 상관기(correlator)(210), FFT기(FFT device)(220), 누적기(accumulator)(230), 프레임 동기부(frame synchronization device)(240)를 포함한다.
주파수 변환기(200)는 안테나를 통해 수신한 위성 신호의 주파수를 변환한다. 안테나를 통해 수신한 위성 신호를 중간 주파수(IF: Intermediate Frequency)의 신호로 변환한다.
상관기(210)는 중간 주파수로 변환된 위성 신호를 위상 천이 시키고 반복 발생 시켜서 복사된 복사 위성 신호를 생성한다. 상관기(210)는 위성 신호와 복사 위성 신호 각각의 코드 간 위상 일치 정도를 확인하는 상관 검사를 통해서 네비게이션 데이터를 추출한다.
고속 푸리에 변환기(220)는 네비게이션 데이터를 고속 푸리에 변환하여 도플러 편이량을 측정한다. 고속 푸리에 변환기(220)는 도플러 편이량 측정을 통해서 도플러 값을 획득한다.
누적기(230)는 네비게이션 데이터를 누적한다. 누적기(230)는 네비게이션 데이터를 일정량 누적하여 저장하는 버퍼의 기능을 수행한다.
프레임 동기부(230)는 네비게이션 데이터의 프레임 동기를 획득한다. 프레임 동기부(230)는 프레임 동기 획득을 통해서 네비게이션 데이터를 프레임 단위로 출력한다.
도 4는 도 2에 도시된 네비게이션 필터의 구조를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 네비게이션 필터(130)는 위성 시간 보정부(300), 의사 거리 계산부(310), GPS 수신기 위치 결정부(320)를 포함한다.
위성 시간 보정부(300)는 위성 위치 정보와 도플러 값을 이용하여 위성 시간을 보정한다. 위성 시간 보정부(300)는 위성 속도 계산부(301), 위성 시간 오차 계산부(303), 시간 보정부(305)를 포함한다.
위성 속도 계산부(301)는 GPS 위성의 속도를 계산한다. 위성 속도 계산부(301)는 GPS 위성의 위치 정보를 미분하여 위성 속도를 계산한다. 위성 속도 계산부는 네비게이션 데이터에 포함된 에피메리스 정보 또는 알마낙 정보를 사용하여 위성 속도를 계산할 수도 있다. 또한, 위성 속도 계산부(301)는 GPS 위성의 속도 계산 시 GPS 수신부로부터 수신한 도플러 값을 이용할 수 있다.
위성 시간 오차 계산부(303)는 GPS 위성의 위치와 GPS 위성의 속도를 이용하여 위성 시간 오차를 계산한다. 위성 시간 오차는 상대적 보정 시간(relative correction time)으로 위성 시간 오프셋 계산에 사용된다.
본 발명의 위성 시간 오차 계산부(303)의 위성 시간 오차를 계산하는 것을 설명하기에 앞서, 기존의 위상 시간 오차를 계산하는 것이 하기의 수학식 1에 나타나있다.
Figure 112009009433675-PAT00001
Figure 112009009433675-PAT00002
는 위성 시간 오차이고, e, A,
Figure 112009009433675-PAT00003
는 위성으로부터 수신된 네비게이션 데이터(일예로, 제 2 서브 프레임 또는 제 3 서브 프레임)에 포함된 파라미터들이다. 또한, 수학식 1의 F는 상수이고, 하기의 수학식 2에 나타나있다.
Figure 112009009433675-PAT00004
Figure 112009009433675-PAT00005
는 빛의 속도이고, 일예로
Figure 112009009433675-PAT00006
의 값을 갖는다. u는 지구의 중력에 대한 파라미터 값이다.
다음으로, 본 발명에서 제안된 위성 시간 오차를 계산하는 것이 하기의 수학식 3에 나타나있다.
Figure 112009009433675-PAT00007
Figure 112009009433675-PAT00008
는 위성 시간 오차이고,
Figure 112009009433675-PAT00009
는 위성 위치이고,
Figure 112009009433675-PAT00010
는 위성 속도이고,
Figure 112009009433675-PAT00011
는 빛의 속도이다. 위성 시간 오차는 위성의 위치와 위성의 속도의 곱을 빛의 속도의 제곱으로 나눈 값이다.
Figure 112009009433675-PAT00012
는 위성 시간 오차 계수로 위성 시간 오차의 정확한 계산을 위한 위성 시간 오차에 곱해지는 임의의 실수값이다.
Figure 112009009433675-PAT00013
는 도플러 값이 반영된 위성 속도이고,
Figure 112009009433675-PAT00014
는 일예로
Figure 112009009433675-PAT00015
의 값을 갖는다.
상기 수학식 3에서는 위성 위치와 위성 속도를 모두 이용하는 경우를 일예로 설명하였으나 위성 위치와 위성 속도 중 하나를 사용하여 위성 시간 오차를 계산할 수도 있다.
위성 오차 계산부(303)는 위성 시간 오차를 수학식 3을 이용하여 계산한다.
시간 보정부(305)는 위성 시간 오차를 이용하여 위성 시간을 보정한다. 시간 보정부(305)는 위성 시간 오차를 이용하여 위성 시간 오프셋(또는 위성 의사 랜덤 잡음(Pseudo Random Noise, 이하 'PRN'라 칭하기로 함) 코드 위상 시간 오프셋(SV PRN code phase time offset))을 계산한다.
위성 시간 오프셋은 하기의 수학식 4에 나타나있다.
Figure 112009009433675-PAT00016
Figure 112009009433675-PAT00017
는 위성 시간 오프셋이고,
Figure 112009009433675-PAT00018
내지
Figure 112009009433675-PAT00019
는 네비게이션 데이터(일예로, 제 1 서브 프레임)에 포함된 다항식 계수(polynominal coefficient)들이고, t는 위성 신호 지연 시간이고,
Figure 112009009433675-PAT00020
는 시간 데이터 보정 시간(clock data correction time)이다.
위성 시간은 GPS 위성이 위성 신호를 송신한 유효 시간(메시지 송신 시점의 유효 위성 PRN 코드 위상 시간(effective SV PRN at message transmission time)에 위성 시간 오프셋을 감산하여 획득한다. 위성 시간은 하기의 수학식 5에 나타나있다.
Figure 112009009433675-PAT00021
t는 위성 시간이고,
Figure 112009009433675-PAT00022
는 유효 시간이고,
Figure 112009009433675-PAT00023
는 위성 시간 오프셋이다. 위성 시간은 GPS 수신기 내부에 설정된 위성 시간이다.
시간 보정부(305)는 수학식 3 내지 수학식 5에 나타낸 바와 같이 위성 시간을 위성 시간 오차를 이용하여 보정한다.
의사 거리 계산부(310)는 빛의 속도에 위성 신호 송수신 시간차를 곱하여 해당 GPS 위성과의 의사 거리를 계산한다. 의사 거리를 계산하는 식은 하기의 수학식 6에 나타나있다.
Figure 112009009433675-PAT00024
Figure 112009009433675-PAT00025
는 GPS 수신기에서 위성 신호를 수신한 시간이고,
Figure 112009009433675-PAT00026
는 GPS 위성에서 위성 신호를 송신한 시간이고,
Figure 112009009433675-PAT00027
는 빛의 속도, 일예로
Figure 112009009433675-PAT00028
이다. 의사 거리 계산부(310)는 위성 시간 보정부(300)에서 보정된 위성 시간을 기준으로 위성 신호 송수신 시간을 측정하여 의사 거리를 계산한다. 의사 거리 계산부(310)는 적어도 4개의 GPS 위성 각각에 대해서 의사 거리를 계산한다.
GPS 수신기 위치 결정부(320)는 의사 거리들을 이용하여 수신기의 위치를 결정한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 네비게이션 데이터를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 네비게이션 데이터(즉, 네비게이션 메시지)는 5개의 서브 프레임으로 구성된 하나의 프레임(frame)이 연속적으로 나열된다.
일예로, 1개의 프레임은 1500비트(bit)로 구성되고, 주기는 30초(sec)가 된다. 제 1 서브프레임(subframe 1) 내지 제 5 서브프레임(subframe 5) 각각은 300비트로 구성되고, 각 서브프레임 주기는 6초가 된다.
그러면 다음으로 제 1 서브 프레임 내지 제 5 서브 프레임에 포함된 정보를 설명하기로 한다.
제 1 서브프레임은 주 번호, 위성의 정확도와 상태 정보(SV Accuracy and Health), 위성 시계 보정 항(Satellite Clock Correction Term)들을 포함한다.
제 2 서브프레임과 제 3 서브프레임은 에피메리스 정보를 포함한다. 에피메리스 정보는 위성의 궤도 정보이며, 시간에 따른 천체의 궤적을 기록한 정보로 앞으로 이동할 궤도에 대한 예측 정보이다. 에피메리스 정보는 30초를 단위로 기록되는 정보이고, 16개의 케플리안 엘리먼트(keplerian element)로 구성된다. 따라서, 에피메리스 정보는 일정 시간이 지나면 사용될 수 없는 정보이다.
제 4 서브프레임은 알마낙 정보, 위성 25-32의 상태 정보, 특별 메시지들, 위성 구성 플래그(Satellite Configuration Flags), 전리층 데이터, UTC 데이터를 포함한다.
제 5 서브프레임은 알마낙 정보, 위성 1-24의 상태 정보, 알마낙 참조 시간, 주 번호를 포함한다.
한편, 제 4 서브프레임과 제 5 서브프레임은 25개의 페이지로 이루어져 있으며, 25개의 페이지는 완전한 알마낙 정보를 획득할 수 있는 데이터의 양을 의미한다. 알마낙 정보는 모든 위성의 개략적인 정보를 포함한다.
또한, 제 1 서브 프레임 내지 제 5 서브 프레임 각각은 프레임 동기 획득을 위한 정보인 텔레메트리(TLM: Telemetry)와 위성 간 핸드오버를 위한 핸드오버 플래그인 핸드오버 워드(HOW: Handover Word)를 각각 포함한다.
본 발명에서 위상 신호 오차를 이용하여 위성 시간 오프셋을 계산하는 경우 제 1 서브 프레임에 포함되어 있는 다항식 계수들
Figure 112009009433675-PAT00029
내지
Figure 112009009433675-PAT00030
를 이용하여 위상 시간 오프셋을 계산한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신기의 위성 시간 보정 동작을 도시한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 400단계에서 GPS 수신기는 위성 신호를 수신하고 410단계로 진행한다. GPS 수신기는 위성 신호로부터 네비게이션 데이터를 추출한다. 네비게이션 데이터 추출 시 GPS 수신기는 수신된 위성 신호와 위성 신호를 복사한 복사 위성 신호를 비교하여 네비게이션 데이터를 추출한다.
410단계에서 GPS 수신기는 도플러 값을 계산하고 420단계로 진행한다. GPS 수신기는 네비게이션 데이터를 FFT 연산을 통해 도플러 편이량을 측정하고, 도플러 편이량 측정을 통해 도플러 값을 획득한다.
420단계에서 GPS 수신기는 네비게이션 데이터를 디코딩하고 430단계로 진행한다.
430단계에서 GPS 수신기는 네비게이션 데이터를 이용하여 위성 위치를 결정하고 440단계로 진행한다. GPS 수신기는 네비게이션 데이터 중에서 에피메리스 정보 또는 알마낙 정보 중 적어도 하나를 사용하여 위성 위치를 결정한다.
440단계에서 GPS 수신기는 위성 속도를 계산하고 450단계로 진행한다. GPS 수신기는 위성의 속도 계산 시 위성 신호로부터 추출한 도플러 값을 반영하여 위성 속도를 계산한다. GPS 수신기는 위성의 속도를 위성의 위치를 미분하여 계산한다.
450단계에서 GPS 수신기는 위성 시간 오차를 계산하고 460단계로 진행한다. GPS 수신기는 수학식 3에 나타난 바와 같이 위성 시간 오차를 위성 속도와 위성 위치를 곱한 값을 빛의 속도의 제곱으로 나누어 계산한다. 위성 시간 오차는 음의 값 이 추가로 설정될 수 있으며, 미리 결정된 상수값을 곱할 수도 있다. 여기서 위성 시간 오차는 위성의 속도와 위성 위치 중 하나만을 사용하여 계산할 수도 있다.
460단계에서 GPS 수신기는 위성 시간을 보정하고 종료한다. GPS 수신기는 보정된 위성 시간을 사용하여 의사 거리를 계산하고, GPS 위성들과의 의사 거리 계산을 통해 GPS 수신기의 위치 결정을 할 수 있다.
GPS 수신기는 GPS 위성의 위치와 위성의 속도를 위성 시간 보정에 활용함으로서 실제 위성의 상황을 반영하여 정확한 GPS 수신기의 위치 결정이 가능하다.
도 7a는 일반적인 위성 시간 보정을 통해 획득한 GPS 수신기의 위치 결정 오차를 도시한 그래프이다.
도 7a를 참조하면, 그래프의 가로축은 미터(meter)를 나타내고, 세로축은 수신 신호 세기(Received Signal Strength, 이하 'RSS'라 칭하기로 함) 에러를 나타낸다.
GPS 수신기는 네비게이션 데이터를 이용하여 위성 시간 보정을 한 경우, 위치 결정에 약 8.2m 정도의 RSS 에러가 발생한다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 위성 시간 보정을 통해 획득한 GPS 수신기 위치 결정 오차를 도시한 그래프이다.
도 7b를 참조하면, 그래프의 가로축은 미터를 나타내고, 세로축은 RSS 에러를 나타낸다.
본 발명에서 제안된 GPS 수신기는 위성 위치와 위성 속도를 이용하여 위성 시간 보정을 한 경우, 위치 결정에 약 3.7m 정도의 RSS 에러가 발생한다.
그러므로 본 발명의 GPS 수신기는 위성 시간 보정에 위성 위치, 위성 속도를 이용하면, 위성 시간 보정에 네비게이션 데이터를 이용한 경우에 비하여 위치 결정에 따른 오차가 약 4.5m 정도 감소한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 구조를 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 GPS 수신기를 예시적으로 보여주는 블록도,
도 3은 도 2에 도시된 위성 신호 수신부의 구조를 예시적으로 보여주는 블록도,
도 4는 도 2에 도시된 네비게이션 필터의 구조를 예시적으로 보여주는 블록도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 네비게이션 데이터를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신기의 위성 시간 보정 동작을 도시한 순서도,
도 7a는 일반적인 위성 시간 보정을 통해 획득한 GPS 수신기의 위치 결정 오차를 도시한 그래프,
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 위성 시간 보정을 통해 획득한 GPS 수신기 위치 결정 오차를 도시한 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: GPS 수신기 20: GPS 위성
100: 위성 신호 수신부 110: 디코더
120: 위성 위치 결정부 130: 네비게이션 필터
200: 주파수 변환기 210: 상관기
220: FFT기 230: 누적기
240: 프레임 동기부 300: 위성 시간 보정부
310: 의사 거리 계산부 320: GPS 수신기 위치 결정부
301: 위성 속도 계산부 303: 위성 시간 오차 계산부
305: 시간 보정부

Claims (9)

  1. 적어도 하나의 위성으로부터 위성 신호를 수신하고, 상기 위성 신호로부터 네비게이션 데이터를 추출하는 위성 신호 수신부;
    상기 네비게이션 데이터를 디코딩하는 디코더;
    상기 디코딩된 네비게이션 데이터를 이용하여 상기 위성의 위치를 결정하는 위성 위치 결정부; 및
    상기 위성의 속도를 계산하고, 상기 위성 속도와 상기 위성 위치 중 적어도 하나를 이용하여 위성 시간을 보정하는 위성 시간 보정부를 포함하는 위치 결정 시스템(GPS) 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위성 시간 보정부는
    상기 위성의 속도를 계산하는 위성 속도 계산부;
    상기 위성 속도와 상기 위성 위치 중 적어도 하나를 이용하여 위성 시간 오차를 계산하는 위성 시간 오차 계산부; 및
    상기 위성 시간 오차를 이용하여 위성 시간을 보정하는 시간 보정부를 포함하는 위치 결정 시스템 수신기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 위성 시간 오차 계산부는 위성 속도와 위성의 위치를 곱한 값을 빛의 속도의 제곱으로 나누어 위성 시간 오차를 계산함을 특징으로 하는 위치 결정 시스템 수신기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 위성 신호 수신부는
    상기 위성 신호와 상기 위성 신호를 복사한 위성 신호의 코드 간 일치 정도를 확인하여 네비게이션 데이터를 추출하는 상관기; 및
    상기 네비게이션 데이터를 고속 푸리에 변환하여 도플러 값을 획득하는 고속 푸리에 변환기를 포함하는 위치 결정 시스템 수신기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 위성 속도 계산부는 상기 도플러 값을 이용하여 위성 속도를 계산함을 특징으로 하는 위치 결정 시스템 수신기.
  6. 위치 결정 시스템(GPS) 수신기의 위성 시간 보정 방법에 있어서,
    적어도 하나의 위성으로부터 위성 신호를 수신하는 단계;
    상기 위성 신호로부터 네비게이션 데이터를 추출하는 단계;
    상기 네비게이션 데이터를 디코딩하는 단계;
    상기 디코딩된 네비게이션 데이터를 이용하여 상기 위성의 위성 위치를 결 정하는 단계;
    상기 위성의 위성 속도를 계산하는 단계;
    상기 위성 속도와 상기 위성 위치 중 적어도 하나를 이용하여 위성 시간 오차를 계산하는 단계; 및
    상기 위성 시간 오차를 이용하여 위성 시간을 보정하는 단계를 포함하는 위성 시간 보정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 위성 시간 오차를 계산하는 단계는
    상기 위성 속도와 상기 위성 위치를 곱한 값을 빛의 속도의 제곱으로 나누어 위성 시간 오차를 계산하는 단계를 포함하는 위성 시간 보정 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 네비게이션 데이터를 추출하는 단계는
    상기 위성 신호와 상기 위성 신호를 복사한 위성 신호의 코드 간 일치 정도를 확인하여 네비게이션 데이터를 추출하는 단계; 및
    상기 네비게이션 데이터를 고속 푸리에 변환하여 도플러 값을 획득하는 단계를 포함하는 위성 시간 보정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 위성 속도를 계산하는 단계는
    상기 도플러 값을 이용하여 상기 위성 속도를 계산하는 단계를 포함하는 위성 시간 보정 방법.
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