KR100501949B1 - 동기된 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

정확하게 시각 동기가 이루어진 의사위성을 사용하여 항법 알고리즘을 수행할 수 있도록 하는 동기된 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템에 관한 것임.

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

이동체가 기준국에서 생성된 보정정보를 필요로 하지 않도록, 의사위성군 중 주 의사위성으로 선택된 의사위성의 클럭에 다른 의사위성들의 클럭을 동기시킴으로써 정확하게 시각 동기가 이루어진 의사위성을 사용하여 항법 알고리즘을 수행할 수 있도록 하는 동기된 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템을 제공함.

3. 발명의 해결 방법의 요지

기준국으로부터의 데이터링크를 통한 보정정보 없이도 이동체의 위치를 결정할 수 있는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템에 있어서, 상기 항법시스템의 기준 클럭을 갖는 주 의사위성, 정밀주파수제어클럭수단을 구비하는 적어도 하나의 부 의사 위성, 기준국으로부터의 데이터링크를 통한 보정정보 없이도 상기 주 의사위성 및 부 의사위성으로부터 수신한 클럭 동기된 신호를 기초로 자기 위치를 결정하는 이동체 및 상기 주 의사위성 및 부 의사위성으로부터 각각 수신한 의사거리 정보 및 반송파 위상정보를 기초로 부 의사위성의 동기정보 를 생성하여 상기 정밀주파수제어클럭수단으로 전송함으로써 상기 정밀주파수제어클럭수단이 상기 부 의사위성의 클럭을 상기 주 의사위성의 기준 클럭에 동기시키도록 하는 시각동기루프필터수단을 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

의사위성을 이용한 정밀 항법시스템에 이용됨

Description

동기된 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템{Pseudolite-Based Precise Positioning System with Synchronised Pseudolites}

본 발명은 의사위성(Pseudolite)을 이용한 정밀 항법시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정확하게 시각 동기가 이루어진 의사위성을 사용하여 항법 알고리즘을 수행할 수 있도록 하는 동기된 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템에 관한 것이다.

미 국방성이 위치 측정 시스템(Global Positioning System, GPS)의 신호를 민간 분야에 일부 개방함으로써 시작된 위성항법시스템에 대한 연구는 이제 연구 개발 단계를 넘어서 상용화 단계에 이르렀다. 차량 항법시스템이나 항공기나 선박의 항법시스템 등이 그 한 예이다. GPS 수신기 하나만으로 지구상 어느 곳에서나 자신의 위치를 비교적 정확히 알 수 있다는 것은 위성항법시스템만의 큰 장점이다.

그러나 종래의 GPS는 GPS 위성 신호의 수신이 가능한 지역 즉 수신기의 안테나에서 GPS 위성이 보이는 지역에서만 이용이 가능하기 때문에, 야외에서만 사용이 가능하며 위성 신호가 차단되는 지역이나 실내에서는 GPS를 이용할 수 없다.

즉 GPS 위성으로부터 송신되는 전파의 세기가 미약하기 때문에, 지형 지물에 의하여 위성이 관측되지 않아 전파가 수신되지 않으면 GPS에 의한 위치 측정은 불가능하고, GPS는 일반적으로 위성이 관측되는 실외에서만 사용이 가능하며, 빌딩 내부, 공장 내부 등과 같은 실내에서는 이용이 불가능하다.

이러한 GPS의 문제점을 해결하기 위해 개시된 의사위성을 이용한 항법시스템에 따르면 실내에서도 GPS 위성으로부터 수신한 신호와 동일한 신호를 발생시키는 의사위성으로부터 GPS 수신기를 통해 의사위성신호를 수신하여 이동체의 위치를 측정할 수 있다.

의사위성은 GPS 또는 GNSS 위성과는 달리 실내/외에서 자유롭게 이용될 수 있어 실내 항법시스템과 같은 분야에 적절히 이용될 수 있다. 또한, 실외에서 사용된다면 기존 GPS 또는 GNSS 위성과는 독립적으로 운용이 가능한 항법시스템을 구축할 수 있다.

도1은 종래기술에 따른 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템의 구성도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템(100)은 의사위성(101a 내지 101d), 기준국(103) 및 이동체(105)를 구비한다.

도면에 도시된 바와 같이 GPS 위성 신호와 동일한 신호를 발생시키는 장치인 의사위성(101a 내지 101d)은 GPS를 보조하기 위하여 또는 GPS 위성의 신호를 수신할 수 없는 지역에서 GPS와 동일한 신호를 송신하기 위한 구성요소이다.

도1의 의사위성(101a 내지 101d)에 대한 구성은 도2에 도시되어 있다. 도2에 도시된 바와 같이 의사위성(101a 내지 101d)은 L1(1575.42MHz)의 반송파에 C/A 코드와 항법 메시지 즉 PRN(Pseudo Random Number) 코드와 데이터 메시지를 변조하여 반송파 신호를 기준국(103) 및 이동체(105)로 송신한다. 즉 의사위성(101a 내지 101d)은 GPS 위성과 동일한 신호를 발생시킴으로써 또다른 GPS 위성 역할을 수행하게 된다.

도1에 도시된 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템(100)에서 의사위성(101a 내지 101d)이 설치되는 장소의 좌표는 미리 정밀한 측량을 통해 계산된다.

기준국(103)은 의사위성(101a 내지 101d)으로부터 수신한 반송파 위성 정보를 이용하여 이동체(105)로 반송파 보정정보를 전송하고 이동체(105)는 의사위성(101a 내지 101d)으로부터 수신한 반송파 정보와 기준국(103)으로부터 수신한 반송파 보정정보를 이용하여 자신의 위치를 파악한다. 여기서 반송파 보정정보는 이중 차분을 이용하여 생성된다.

이동체(105)는 별도의 수신기를 필요로 하지 않고, 종래의 GPS 수신기를 이용하여 의사위성(101a 내지 101d)으로부터의 전파를 수신함으로써 자신의 위치를 측정할 수 있다. 이러한 의사위성(101a 내지 101d)을 이용한 정밀 항법시스템(100)은 건물내 사람의 위치를 추적하고, 공장 내부를 주행하는 이동 로봇(mobile robot)의 위치를 추적할 때 효과적으로 이용될 수 있으며, 실내에서 이동중이던 이동체가 실외로 이동할 때 연속적으로 위치를 측정할 수 있다.

도3은 도1의 이동체 구성 블럭도로서, 의사위성 안테나(301), 의사위성신호수신부(303), 신호처리부(305), 마이크로프로세서(306) 및 메모리 모듈의 소프트웨어(307)를 구비한다.

도면에 도시된 바와 같이, 1575.42 MHz의 GPS L1 주파수를 처리하는 의사위성신호수신부(303)는 의사위성 안테나(301)를 통해 의사위성신호를 수신하여 신호처리부(305)로 전송하며, 수신된 의사위성신호는 신호처리부(305)의 상관기 및 적산기(미도시)를 통해 처리된다. 신호처리부(305)는 의사위성신호수신부(303)로부터 의사위성신호를 수신하여 의사위성신호 처리를 수행하여 항법 메시지를 해독하고 의사위성(101a 내지 101d)의 좌표값을 결정하여 마이크로프로세서(307)로 전송한다. 마이크로프로세서(307)는 신호처리부(305)의 동작을 제어하고 메모리 모듈에 내장된 소프트웨어(309)를 실행시킨다. 마이크로프로세서(307) 및 메모리 모듈의 소프트웨어(309)는 의사위성(101a 내지 101d)과 이동체(105) 사이의 전파 전달 시간 및 의사 거리를 계산하며, 의사위성과 의사거리를 이용해 이동체(105)의 위치를 측정한다.

종래의 의사위성항법시스템은 시각동기가 되지 않은 의사위성을 이용하여 이동체의 위치를 결정하였으며, 의사위성간 시각적 비동기로 인하여 유발되는 의사거리 및 반송파 위상에 포함된 의사위성 시계 오차보정정보를 계산하여 오차를 제거하기 위해서는 모든 의사위성간 클럭차이정보 즉 의사거리 및 반송파 위상 보정정보를 측정하는 기준국이 필요하며, 이러한 보정정보를 이동체에 전송하기 위해서는 기준국과 이동체간에 데이터 링크가 설정되어야 한다는 문제점 및 데이터 링크 설정에 따른 이동체와 기준국의 샘플링 시각 동기를 위해 추가적인 알고리즘이 마련되어야 한다는 문제점이 있다.

도1에 도시된 바와 같은 종래의 의사위성항법시스템(100)의 기준국(103)에서 측정된 제1의사위성(101a)의 반송파 위상(P1R) 측정치 ()와 도플러 측정치()는 수학식1과 같다.

여기서,

: 제1의사위성(101a)의 신호 송출 안테나와 기준국(103)의 수신기 안테나간 거리

: 기준국(103)의 수신기 클럭 바이어스

: 제1의사위성(101a) 클럭 바이어스

: 반송파의 파장()

: 제1의사위성(101a)과 이동체(105)간의 반송파 위상 미지정수

: 반송파 위상 측정 잡음

: 기준국(103)의 수신기 클럭 드리프트

: 제1의사위성(101a) 클럭 드리프트

: 도플러 측정 잡음

그리고, 기준국(103)에서 측정된 제2의사위성(101b)의 반송파 위상 (P2R) 측정치()와 도플러 측정치()는 수학식2와 같다.

여기서,

: 제2의사위성(101b)의 신호 송출 안테나와 기준국(103)의 수신기 안테나간 거리

: 기준국(103)의 수신기 클럭 바이어스

: 제2의사위성(101b)의 클럭 바이어스

: 반송파의 파장()

: 제2의사위성(101b)와 이동체(105)간의 반송파 위상 미지정수

: 반송파 위상 측정 잡음

: 기준국(103)의 수신기 클럭 드리프트

: 제2의사위성(101b)의 클럭 드리프트

: 도플러 측정 잡음

기준국(103)은 상기 수학식1과 수학식2과 같이 측정된 반송파 위상값과 도플러값에 대해 수학식3과 같이 차분 연산을 수행한다.

수학식3에서 각 의사위성(101a 내지 101d)의 신호 송출 안테나의 위치와 기준국(103)의 수신기 안테나 위치는 정확히 알고 있다고 가정한다. 실제로 각 안테나들의 위치는 위치측정을 통해 정확히 결정될 수 있다. 따라서 은 미지수가 아닌 상수항이 된다.

기준국(103)은 반송파 위상 미지정수가 정수라는 특성을 이용하여 수학식3의 반송파 위상 차분을 반올림함으로써 수학식4와 같이 제1의사위성(101a)과 제2의사위성(101b)의 클럭 차이() 및 클럭 차이의 속도()를 연산 수행한다.

종래에는 시각 동기가 되지 않은 의사위성군이 이용되었기 때문에 클럭 차이() 및 클럭 차이의 속도()는 다음과 같은 성질을 갖는다.

이에 따라 의사위성간 시각의 비동기로 인하여 유발되는 의사거리 및 반송파 위상에 포함된 의사위성 시계 오차 보정정보를 계산하기 위하여 기준국(103)을 이용하여 모든 의사위성에 있어서, 제i의사위성과 제j의사위성의 클럭 차이() 및 클럭 차이의 속도()를 연산 수행하여 기준국(103)과 이동체(105)간에 설정된 데이터 링크를 통해 이동체(105)로 전송해야 하며, 이 때, 이동체(105)와 기준국(103) 수신기의 샘플링 시각 동기를 위해 별도의 방법을 사용하여야 한다.

한편, 종래기술에 따라 이동체(105)에서 측정된 의사거리(pseudorange, ) 및 반송파 위상(carrier- phase, )은 각각 수학식5와 수학식6과 같다.

여기서,

: 이동체(105)의 수신기에서 측정된 제k의사위성의 의사거리 측정치

: 제k의사위성의 신호 송출 안테나의 3차원 위치 벡터

: 이동체(105)의 수신기 안테나의 3차원 위치 벡터

: 이동체(105)에서 바라본 제k의사위성의 3차원 단위시선 벡터

: 이동체(105) 수신기의 클럭 바이어스

: 제k의사위성의 클럭 바이어스

: 의사거리 측정치 오차

여기서,

: 이동체(105) 수신기에서 측정된 제k의사위성의 반송파 위상 측정치

: 제k의사위성의 신호 송출 안테나의 3차원 위치 벡터

: 이동체(105) 수신기 안테나의 3차원 위치 벡터

: 이동체(105)에서 바라본 제k의사위성의 3차원 단위시선 벡터

: 이동체(105) 수신기의 클럭 바이어스

: 제k의사위성의 클럭 바이어스

: 반송파의 파장()

: 제k의사위성과 이동체(105)간의 반송파 위상 미지정수

: 반송파 위상 측정치 오차

수학식6의 반송파 위상 미지정수 는 반송파 위상 미지정수 초기화 기법을 적용하여 산출될 수 있다.

의사거리의 측정 오차 은 미터(m) 단위의 크기를 갖고, 반송파 위상의 측정 오차 은 밀리미터(mm) 단위의 크기를 갖기 때문에 이동체(105) 위치 결정에 있어서 요구되는 정확도에 따라 의사거리 측정치를 이용하거나 반송파 위상 측정치를 이용할 수 있다. 즉 미터(m) 단위의 오차를 허용하는 경우에는 의사거리 측정치를 이용하여 이동체(105) 위치를 결정하고, 센티미터(Cm) 단위의 오차를 허용하는 경우에는 반송파 위상 측정치를 사용하여 이동체(105)의 위치를 결정한다.

또한, 반송파 위상 측정치를 이용하여 이동체(105)의 위치를 결정하는 과정에서 미지정수 가 결정되기 전에는 의사거리 측정치를 이용하여 이동체(105)의 대략적인 위치를 결정할 수 있다.

이동체(105)는 기준국(103)이 전송한 의사위성 클럭보정정보()를 이동체(105)가 측정한 의사거리(pseudorange, )(수학식5)에 적용한다.

클럭보정정보()를 수학식5에 적용하면 수학식7과 같이 된다.

즉,

여기서, x는 이동체(105)의 위치를 나타내며, 이동체(105)는 기준국(103)이 전송한 의사위성 클럭보정정보()를 이동체(105)가 측정한 의사거리(pseudorange, )(수학식5)에 적용한 수학식7에 대해 비선형 최소 자승법을 적용하여 자기 자신의 3차원 위치를 결정한다.

반송파 위상(carrier- phase, )(수학식6)을 이용할 경우에도 이동체(105)는 기준국(103)으로부터 수신한 의사위성 보정정보()를 기초로 상기 의사거리 측정치를 이용한 이동체(105) 위치 산출 과정과 동일하게 자기 자신의 위치를 결정한다.

그러나, 종래기술에 따르면, 의사위성은 GPS 위성과 달리 저가의 발진기(TCXO)를 사용하기 때문에 모든 의사위성들 사이의 시간이 정확히 동기되어 있지 않은 의사위성군을 이용하여 이동체의 위치를 계산하며, 따라서 의사위성간 시각의 비동기로 인하여 유발되는 의사거리 및 반송파 위상 보정정보(제i의사위성과 제j의사위성의 클럭 차이() 및 클럭 차이의 속도())를 계산하기 위하여 별도의 기준국을 사용해야 한다는 문제점이 있으며, 이러한 클럭차이정보를 이동체에 전송하기 위해서는 기준국과 이동체간에 데이터 링크가 설정됨으로써 이동체의 장비 복잡성, GPS 수신 이외의 기준국-이동체간 데이터 링크 추가로 인한 가격 상승, 잦은 고장이 유발된다는 문제점이 있다.

또한 이동체와 기준국의 샘플링 시각 동기를 위해 추가적인 알고리즘이 마련되어야 한다는 문제점이 있다. 의사위성간의 시각이 동기되어 있지 않을 경우, 기준국과 이동체간의 시각도 동기되지 않아 기준국과 이동체가 각각 다른 시각에 의사위성으로부터 수신한 신호를 샘플링을 하게 된다. 이 경우 서로 다른 시각에 샘플링 한 데이터를 가지고 보정항법을 함으로써 타임-태그 오차(time-tag error)가 발생하며, 이러한 문제를 해결하기 위해 주의사위성(master pseudolite)의 항법메시지 프레임을 이용하여 기준국과 이동체의 샘플링 시각을 동기시키는 방법을 이용하기도 한다.

따라서, 본 발명은 종래기술에서 의사위성 클럭을 동기시킬 수가 없었기 때문에 의사위성간 시각의 비동기로 인하여 유발되는 의사거리 및 반송파 위상 보정정보를 별도의 기준국으로부터 이동체로 전송하고, 이동체는 이러한 보정정보를 사용하여 자신의 위치를 계산함으로써 발생하는 제 문제를 해결하기 위해 안출된 것이다.

본 발명은 이동체가 기준국에서 생성된 보정정보를 필요로 하지 않도록, 의사위성군 중 주 의사위성으로 선택된 의사위성의 클럭에 다른 의사위성들의 클럭을 동기시킴으로써 정확하게 시각 동기가 이루어진 의사위성을 사용하여 항법 알고리즘을 수행할 수 있도록 하는 동기된 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서의 도면, 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위로부터 본 발명의 다른 목적 및 장점을 쉽게 인식할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기준국으로부터의 데이터링크를 통한 보정정보 없이도 이동체의 위치를 결정할 수 있는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템에 있어서, 상기 항법시스템의 기준 클럭을 갖는 주 의사위성, 정밀주파수제어클럭수단을 구비하는 적어도 하나의 부 의사 위성, 기준국으로부터의 데이터링크를 통한 보정정보 없이도 상기 주 의사위성 및 부 의사위성으로부터 수신한 클럭 동기된 신호를 기초로 자기 위치를 결정하는 이동체 및 상기 주 의사위성 및 부 의사위성으로부터 각각 수신한 의사거리 정보 및 반송파 위상정보를 기초로 부 의사위성의 동기정보 를 생성하여 상기 정밀주파수제어클럭수단으로 전송함으로써 상기 정밀주파수제어클럭수단이 상기 부 의사위성의 클럭을 상기 주 의사위성의 기준 클럭에 동기시키도록 하는 시각동기루프필터수단을 포함하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면 각 의사위성 클럭 동기 제어시스템에서 주 의사위성신호 및 자기 신호를 동시에 수신하여 자기 자신의 클럭과 주 의사위성의 클럭 차이를 측정한 후, 클럭 동기 제어시스템의 의사위성 클럭 제어기를 사용하여 자기 자신의 클럭을 제어한다. 결과적으로 각 의사위성군들이 주 의사위성에 동기가 된다면, 이동체는 기준국이 생성한 보정정보 없이도 센티미터 또는 미터 정도의 정확도의 위치 결정이 가능하게 되며, 기준국과 이동체를 연결하여 보정정보를 전달하는 데이터 링크가 필요 없는 정밀 항법시스템을 구현 할 수 있게 된다.

즉 본 발명에 따르면 GPS 위성과 동일한 신호를 송출하는 의사위성의 클럭을 정확하게 동기시켜 이동체가 보정정보를 받지 않고도 정확하게 자신의 위치를 계산할 수 있는 항법시스템을 구현할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 따르면 의사위성항법시스템은 시각동기된 의사위성을 이용하여 이동체의 위치를 결정하기 때문에 의사위성간 클럭차이정보 즉 의사거리 및 반송파 위상 보정정보를 측정하는 기준국이 불필요하며, 보정정보를 이동체에 전송하기 위해서는 기준국과 이동체간에 데이터 링크도 불필요하게 된다. 또한 기준국과 이동체간의 데이터 링크 설정에 따른 이동체와 기준국의 샘플링 시각 동기를 위해 추가적인 알고리즘도 불필요하게 된다.

본 발명에 따라 구현되는 동기식 의사위성군을 이용한 정밀 항법시스템은 신호 송출기인 의사위성들 자체가 정확하게 동기 되어있기 때문에, 외부 기준국이 생성한 보정정보를 수신하여야 하는 보정위성항법시스템(Differential GPS)이나 반송파 위상 보정위성항법시스템(Carrierphase Differential GPS)의 이동체들과는 달리 데이터링크가 없이도 수 미터 또는 수 센티미터의 위치 정확도의 위치 결정이 가능하게 되어 경제적 이득과 시스템 안정성을 증대시킬 수 있다.

나아가, 본 발명은 기존 GPS 수신기를 사용하는 이동체 수신기의 하드웨어 변경 없이 일부 소프트웨어 변경만으로 구현 될 수 있다. 특히, 현재 미 국방성에 의하여 운영되고 있는 GPS와 러시아의 GLONASS, 그리고 미래 운영될 유럽의 Galileo 시스템과 같은 GNSS 시스템과 연계하여 보완 운용될 수 있고, 환경에 따라서는 GNSS 시스템과는 독립적으로 저렴한 비용을 들여 구축할 수 있으므로 국가 경제나 안보 면에서 중요하다 할 수 있다.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블럭도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.

프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블럭을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다. 또한 프로세서, 제어가 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다. 유사하게, 도면에 도시된 스위치는 개념적으로만 제시된 것일 수 있다. 이러한 스위치의 작용은 프로그램 로직 또는 전용 로직을 통해 프로그램 제어 및 전용 로직의 상호 작용을 통하거나 수동으로 수행될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 특정의 기술은 본 명세서의 보다 상세한 이해로서 설계자에 의해 선택될 수 있다.

본 명세서의 청구범위에서, 상세한 설명에 기재된 기능을 수행하기 위한 수단으로 표현된 구성요소는 예를 들어 상기 기능을 수행하는 회로 소자의 조합 또는 펌웨어/마이크로 코드 등을 포함하는 모든 형식의 소프트웨어를 포함하는 기능을 수행하는 모든 방법을 포함하는 것으로 의도되었으며, 상기 기능을 수행하도록 상기 소프트웨어를 실행하기 위한 적절한 회로와 결합된다. 이러한 청구범위에 의해 정의되는 본 발명은 다양하게 열거된 수단에 의해 제공되는 기능들이 결합되고 청구항이 요구하는 방식과 결합되기 때문에 상기 기능을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서로부터 파악되는 것과 균등한 것으로 이해되어야 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점들은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 핵심기술은 의사위성 클럭의 동기방법이다. 클럭 동기방법은 크게 유선을 이용한 방법과 무선을 이용한 방법으로 나뉜다. 유선 동기법은 주 의사위성 클럭 신호를 도선을 이용하여 다른 의사위성의 클럭 입력으로 사용하는 것이며 도선을 사용하기 때문에 의사위성 군들이 비교적 좁은 장소에 집결되어 있는 경우에 적합하다. 무선 동기법은 각 의사위성 클럭 동기 제어시스템에 설치되어 있는 GPS 수신기에서 주 의사위성과 해당 의사위성의 신호를 동시에 수신하여 해당 의사위성의 클럭과 주 의사위성의 클럭 차이를 측정한 후, 클럭 동기 시스템의 의사위성 클럭 제어기를 사용하여 의사위성의 클럭을 제어한다.

본 발명에 따른 의사위성을 이용한 항법시스템은 실내에서도 이용 가능함은 물론, 실외에서도 이용 가능하며, 이에 따라 GPS 및 GNSS 위성군을 대체할 수 있는 독립적인 항법시스템으로서 구현될 수 있다.

도4a 및 도4b는 본 발명의 실시예가 적용된 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템의 구성도이다. 이동체의 3차원 위치를 결정하기 위해서는 최소 4개 이상의 의사위성신호가 필요하며 본 명세서에서는 3차원 위치를 결정할 수 있는 항법시스템이 본 발명의 실시예로서 설명된다. 본 발명에 따르면 복수의 의사위성 중 하나를 주 의사위성으로 하고 나머지를 부 의사위성으로 하여 모든 부 의사위성의 클럭을 주 의사위성의 클럭에 동기시킨다.

도4a에 도시된 제1실시예에서는 시각동기루프필터수단(Clock Synchronisation Loop Filter Means, 407)에서 모든 부 의사위성들(403)의 클럭을 동기시키기 위한 명령 를 생성하여 각 부 의사위성(403)으로 전송하며, 각 부 의사위성(403)은 정밀주파수제어클럭수단(Digitally Controlled Numerical Controlled Oscillator Means, 405)을 통해 클럭을 동기시키게 된다.

반면, 도4b에 도시된 제2실시예에서는 각 부의사위성(403)이 시각동기루프필터수단(407)을 구비함으로써 클럭을 동기시키기 위한 명령 을 자체적으로 생성하여 정밀주파수제어클럭수단(405)을 구동시키게 된다.

부 의사위성(403)은 의사위성신호를 송출하기 위한 안테나 및 의사위성 클럭을 제어하기 위한 정밀주파수제어클럭수단(405)을 포함한다. 제1실시예에서는 시각동기루프필터수단(407)과의 데이터 인터페이스인 데이터 링크용 무선모뎀(미도시)이 부 의사위성(403)에 포함되고 제2실시예에서는 GPS 수신기(미도시)와 안테나가 부 의사위성(403)에 포함된다.

제1실시예 및 제2실시예에서는 참조번호 401의 의사위성을 주 의사위성으로 하며, 주 의사위성(401)에서는 정밀주파수제어클럭수단이 포함되지 않는다. 본 발명에 따르면 부 의사위성(403)이 주 의사위성(401)의 클럭에 동기되기 때문이다.

이동체(409)는 GPS 수신기(미도시)와 안테나(미도시)를 포함한다. 본 발명에 따른 시각동기루프필터수단(407)은 GPS 수신기(미도시), 안테나(미도시) 및 연산부(미도시)를 포함하며, 특히 제1실시예에서 시각동기루프필터수단(407)은 부 의사위성(403)과의 데이터 인터페이스인 데이터 링크용 무선모뎀(미도시)을 더 포함한다.

제1실시예 및 제2실시예는 클럭 동기 명령 을 생성하는 곳이 별도로 마련된 하나의 시각동기루프필터수단(407)이 구비되어 있는 실시예와 각 부 의사위성에 시각동기루프필터수단(407)이 구비되어 있는 실시예로서 시각동기루프필터수단(407)의 위치 및 그 개수의 차이만 있을 뿐 기본 개념에는 차이가 없다. 다만, 의사위성간의 가시성이 문제가 될 경우에는 제1실시예가 바람직하고, 시각동기루프필터수단(407)과 부 의사위성간의 데이터 링크 설정이 곤란할 경우에는 제2실시예가 바람직하다.

본 발명이 적용되는 도4a 및 도4b의 항법시스템에서는 이동체(409)를 제외한, 고정된 구성요소의 위치는 사전에 결정되어 있는 것으로 가정한다. 실제로 고정된 구성요소의 위치는 위치측정을 통해 정확히 결정될 수 있다.

도5는 본 발명이 적용되는 의사위성(401, 403)의 부분 구성도이다. 도면에 도시된 바와 같이 의사위성은 클럭 선택부(501)를 통해 자체 클럭-예를 들어 온도보상형수정발진기(Temperature Controlled Crystal Oscillator, TCXO)- 및 외부 클럭 중 하나를 기준 클럭으로 선택할 수 있다.

예를 들어 주 의사위성(401)은 자체 클럭으로서 내부에 장착된 TCXO를 기준 클럭으로 이용하며, 부 의사위성(403)은 외부 입력을 기준 클럭으로 이용한다. 예를 들어 기준 클럭의 주파수는 10.23MHz이며 PLL 주파수 합성부(PLL Frequency Synthesizer, 503) 및 VCO(505)를 통해 1.57542GHz의 반송파를 합성한다.

여기서, 본 발명의 일실시예를 설명하기 위해 도면에 도시된 의사위성(401, 403)은 주파수를 L1으로 하고, PRN 코드 속도(rate)를 1.023MHz로 할 수도 있으나, 본 발명에 따르면, 의사위성(401, 403)의 주파수는 GPS 위성 항법시스템의 주파수인 L2 또는 L5도 이용될 수 있을 뿐만 아니라, PRN 코드 속도(rate)를 10.23MHz로 사용할 수도 있다. 즉 의사위성 주파수 및 PRN 코드 속도(rate)는 의사위성을 이용한 항법시스템에 따라 다양하게 변화될 수 있음은 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다. 따라서 본 발명은 특정의 의사위성 주파수 및 PRN 코드 속도(rate)에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다.

나아가, PRN 코드도 마찬가지로 의사위성을 이용한 항법시스템에 따라 C/A 코드 및 P 코드 등 다양하게 변화될 수 있음은 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다. 따라서 본 발명은 특정의 PRN 코드에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다.

참고로 PRN 코드인 C/A 코드 및 P 코드에 대해 설명하면, 위성으로부터 정보를 수신하기 위해서는 각 위성의 고유 코드를 수신기가 해독하고 있을 필요가 있다. 표준 측위용으로 사용되고 있는 것이 C/A 코드라 부르는 것으로, 이것은 고확도 측위에서 사용되는 P 코드 신호 획득 시간을 줄이는 데에도 사용된다. C/A란 Clean and Acquisition 또는 Coarce and Acquisition의 약자이며, P는 Precision 또는 Protect의 의미이다.

C/A 코드의 길이는 1023비트, 클록 주파수는 1.023MHz로 되어 있다. 즉 이 코드의 반복은 1ms로 된다. 또 P코드쪽은 클록 주파수가 10배인 10.23MHz이고 반복주기는 1주간의 코드가 사용되고 있다.

의사위성제어부(507)는 의사위성의 PRN 번호에 적합하게 PRN 생성부(509) 및 PLL 주파수 합성부(503)를 초기화한다. 또한 의사위성제어부(507)는 RS232C-비교적 느린 속도의 직렬 데이터 통신을 하기 위해 사용하는 인터페이스- 와 같은 통신을 통해 외부로부터 50bps 항법메시지 등을 수신하여 PRN 생성부(509)로 전송한다.

VCO(505)로부터 생성된 반송파와 PRN 생성부(509)로부터 생성된 PRN 코드가 결합되어 송신부(511)를 통해 송출된다.

도6은 정밀주파수제어클럭수단(405) 및 시각동기루프필터수단(407)의 블럭 구성도이다. 수학식4의 클럭 차이() 및 클럭 차이의 속도()가 다음과 같은 성질을 갖게 되면 제1의사위성(101a)에 대응하는 주 의사위성(401)과 제2의사위성(101b)에 대응하는 부 의사위성(403)의 클럭이 동기 된다.

이와 같이 주 의사위성(401)과 부 의사위성(403)의 클럭 차이() 및 클럭 차이의 속도()를 0으로 만들기 위해서는 부 의사위성(403)의 클럭이 제어되어야 하며 정밀주파수제어클럭수단(405)이 시각동기필터수단(407)으로부터 수신한 동기정보 를 기초로 부 의사위성(403)의 클럭 제어 기능을 수행한다.

즉, 정밀주파수제어클럭수단(405)은 주 의사위성(401)과 부 의사위성(403)간의 시각동기오차()를 기초로 시각동기루프필터수단(407)이 생성한 동기 정보 에 따라 수치제어클럭부(Numerically Controlled Oscillator, 603)를 통해 부 의사위성(403)의 클럭 소스로 사용될 기준 주파수를 생성한다.

수치제어클럭부(603)는 예를 들어 TCXO, 항온조수정발진기(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO) 등과 같은 비교적 정밀한 기준 주파수 생성부(605)를 통해 원하는 주파수를 생성한다. 수치제어클럭부(603)에 의해 생성된 클럭은 부 의사위성(403)의 외부 클럭으로 입력되어 부 의사위성(403)의 기준 클럭으로서 이용된다.

시각동기루프필터수단(407)은 부 의사위성(403)의 클럭이 주 의사위성(401)의 클럭에 안정적으로 동기될 수 있도록 한다.

즉 수학식8을 만족하도록 정밀주파수제어클럭수단(405)을 제어하여 부 의사위성(403)의 클럭을 주 의사위성(401)의 클럭에 동기시킨다. 나머지 부 의사위성도 동일한 과정을 통해 클럭을 동기시킨다.

이동체(409)는 종래의 경우와 동일한 방법을 사용하여 자신의 위치를 계산한다. 다만, 모든 부 의사위성(403)의 클럭이 주 의사위성(401)의 클럭에 동기되면 의사위성 클럭 보정정보(, )가 모두 0이 되므로, 종래 기술에서 이동체(409) 위치 결정을 위하여 사용된 수학식7은 수학식8과 같이 된다.

수학식8에 나타난 바와 같이, 이동체(409)는 더 이상 기준국과의 데이터 링크 필요없이 단독으로 자신의 위치를 정확하게 결정할 수 있음을 알 수 있다. 이로써 동기 의사위성항법시스템 사용자의 장비 구성은 상당히 간단해 진다.

앞서 설명된 바와 같이, 의사거리의 측정 오차 은 미터(m) 단위의 크기를 갖고, 반송파 위상의 측정 오차 은 밀리미터(mm) 단위의 크기를 갖기 때문에 이동체(409) 위치 결정에 있어서 요구되는 정확도에 따라 의사거리 측정치를 이용하거나 반송파 위상 측정치를 이용할 수 있다. 즉 미터(m) 단위의 오차를 허용하는 경우에는 의사거리 측정치를 이용하여 이동체(409) 위치를 결정하고, 센티미터(Cm) 단위의 오차를 허용하는 경우에는 반송파 위상 측정치를 사용하여 이동체(105)의 위치를 결정한다.

또한, 반송파 위상 측정치를 이용하여 이동체(409)의 위치를 결정하는 과정에서 미지정수 가 결정되기 전에는 의사거리 측정치를 이용하여 이동체(409)의 대략적인 위치를 결정할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따라 의사위성의 클럭 동기의 일실시예에 대해 설명된다.

도7은 본 발명의 일실시예에 따라 의사위성 클럭 동기 과정을 설명하기 위한 항법시스템의 개념도로서 도면에 표시된 는 의사거리 측정치이고 는 반송파 위상 측정치를 의미한다. 도면에 도시된 바와 같이 시각동기루프필터수단(407)에서 주 의사위성(401)과 부 의사위성(403) 간의 단일 차분 거리()를 수학식9와 같이 연산 수행한다. 한편, 시각동기루프필터수단(407)과 의사위성(401, 403)의 위치는 정확하게 결정되어 있으므로 기하학적인 거리 차이()는 수학식10과 같이 이미 결정된다. 따라서 주 의사위성(401)과 부 의사위성(403)간의 시각동기오차()는 수학식11과 같이 정의된다.

수학식11의 시각동기오차에 따라 시각동기루프필터수단(407)은 정밀주파수제어클럭수단(405)로 구동명령 를 전송한다.

도8은 시각동기루프필터수단의 동작 흐름도로서, 시각동기루프필터수단(407)은 데이터 전처리 과정(Data Preconditioning, S801 내지 S807) 및 의사위성 시각동기 과정(Pseudolite Clock Synchronisation, S809 내지 S813)으로 동작을 수행한다.

데이터 전처리 과정에서는 시각동기루프필터수단(407)에 구비된 GPS 수신기로부터 소정 주기-예를 들어 10Hz-로 모든 의사위성의 의사거리 및 반송파 위상 측정치를 수신하여 주 의사위성(401)과 부 의사위성(403) 간의 단일 차분 측정치를 계산한다(S801). 다음으로 누적 신호 락킹 회수(Accumulated Locking Epoch Number) 및 누적 사이클 슬립 회수(Accumulated Cycle-slip Epoch Number)를 갱신한다(S803). 이후에는 도9에 도시된 바와 같이 반송파 위상 사이클 슬립 처리를 수행하고(S805), 단일 차분 의사 거리 및 단일 차분 반송파 위상 측정치를 스무딩한다(S807). 단계 S807에서는 단일 차분 의사 거리 스무딩 필터(Single Differential Hatch Filter) 및 단일 차분 도플러 스무딩 필터(Single Differential Phi Smoothing Filter)가 이용될 수 있다. 이와같이 데이터 전처리 과정을 통해 스무딩 된 단일 차분 의사거리 및 단일 차분 반송파 위상 측정치를 이용하여 의사위성 시각 동기 과정을 수행하게된다.

의사위성 시각동기 과정은 의사거리를 이용한 대략적인 동기단계(S809), 도플러를 이용한 주파수 동기단계(Frequency Lock Loop, S811) 및 반송파 위상을 이용한 위상 동기단계(Phase Lock Loop, S813)로 구성된다.

도10은 시각동기루프필터수단(407)의 시각동기 과정 전환 순서 및 전환 조건을 설명하기 위한 도면으로서, 각 동기 페이즈(Synch-phase)와 시각동기 과정의 대응 관계는 다음과 같다.

동기 페이즈1(Synch-phase1)	파라미터 초기화 과정	단일 차분 의사 거리 동기(S809)
동기 페이즈2(Synch-phase2)	의사거리 동기 과정
동기 페이즈3(Synch-phase3)	의사거리의 대략적 동기 과정
동기 페이즈4(Synch-phase4)	주파수 동기 루프 초기화 과정	주파수 동기(S811)
동기 페이즈5(Synch-phase5)	주파수 동기화 과정
동기 페이즈6(Synch-phase6)	위상 동기 루프 초기화 과정	위상 동기(S813)
동기 페이즈7(Synch-phase7)	위상 동기화 과정

도8 및 도10에 도시된 바와 같이, 시각동기루프필터수단(407)은 현재 동기 페이즈(Synch-phase)에 따라 그에 대응하는 단계(S809, S811, S813)를 수행한 후, 동기 페이즈(Synch-phase)를 갱신하고, 이후에 입력되는 단일 차분 의사거리 및 단일 차분 반송파 위상 측정치를 이용하여 의사위성 시각동기 과정을 수행함으로써 단계적으로 부 의사위성(403)을 주 의사위성(401)에 동기시키게 된다.

의사거리를 이용한 대략적인 동기단계(S809)에서는 먼저 주 의사위성(401)과 부 의사위성(403)간의 단일 차분 의사거리()와 기하학적 거리()가 일치되도록 일정시간(, 예를 들어 10초)동안 부 의사위성(403)의 클럭을 제어한다.

도11은 시각동기루프필터수단(407)이 동기 페이즈2(Synch-Phase2)에서 정밀주파수제어클럭수단(405)의 기준 클럭()을 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 에서 부 의사위성(403)의 정밀주파수제어클럭수단(405)으로 인가되는 주파수 변화량()은 수학식12와 같다.

다음으로 부 의사위성(403)의 도플러를 주 의사위성의 도플러에 맞추기 위하여 수학식13과 같이 에서의 정밀주파수제어클럭수단(405)의 주파수를 결정한다.

여기서,

: 에서의 정밀주파수제어클럭수단(405)의 클럭 주파수

: 에서의 정밀주파수제어클럭수단(405)의 클럭 주파수

: 에서의 측정된 단일 차분 도플러

이와 같이 결정된 주파수가 동기정보 로서 정밀주파수제어클럭수단(405)로 전송된다.

위 과정이 진행되는 동안 부 의사위성(403)의 기준클럭이 급격하게 변하게 되므로 시각동기루프필터수단(407)이 정상적으로 부 의사위성(403)의 신호를 추적할 수 없게 된다. 따라서 부 의사위성(403)의 정밀주파수제어클럭수단(405)로 주파수 를 인가한 후에는 시각동기루프필터수단(407)의 채널에 부 의사위성(403)의 갱신된 도플러 정보를 입력하여 신호 재획득 시간(reacquisition time)을 감소시켜야 한다.

시각동기루프필터수단(407)이 신호를 재획득하게 되면 스위칭 경계()에 따라 주파수 변화량()을 변경함으로써 단일 차분 의사 거리에 대해 대략적으로 동기시킨다. 스위칭 경계()와 주파수 변화량()의 관계는 다양한 방식으로 결정될 수 있으며, 일예로서 다음의 표1과 같이 경험적으로 결정될 수 있다. 도12는 시각동기루프필터수단(407)의 동기 페이즈3(Synch-Phase3)에서 스위칭 경계와 주파수 변화량의 관계를 설명하기 위한 도면으로서, 스위칭 경계()와 주파수 변화량()의 관계가 도12에 도시되어 있다.

(m)		(Hz)
	3.0		0.005
	4.0		0.004
	5.0		0.003

주파수 변화량()이 스위칭될 때 슈미트 트리거를 이용하여 채터링이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 의사동기 오차()가 0.5 미터 이하이면 의사거리를 이용한 대략적인 동기단계(S809)를 종료한다.

단계 S811에서는 스무딩된 단일 차분 도플러()를 입력신호로 하여 수학식14와 같이 이산화함으로써 도플러를 이용한 주파수 동기 처리를 수행한다. 도13은 본 발명의 일실시예에 따라 시각동기루프필터수단(407)의 동기 페이즈5(Synch-Phase5)에서 주파수 동기를 위한 2차 주파수 동기 루프 필터의 일례를 예시한 구성도이다.

여기서,

한편, 는 필터의 대역폭()에 의하여 수학식15와 같이 결정된다.

즉, 주파수 동기 루프 필터의 성능은 전적으로 루프 필터의 대역폭()에 의하여 결정되며, 따라서 대역폭()을 하나의 값으로 고정시키지 않고 단일 도플러 동기 오차()의 크기에 따라 단계적으로 변화시킬 수 있다. 단일 도플러 동기 오차()의 크기와 대역폭()의 관계는 다양한 방식으로 결정될 수 있으며, 일예로서 다음의 표2와 같이 경험적으로 결정될 수 있다.

(m/s)	(Hz)
	0.20
	0.25
	0.30
	0.35

단일 도플러 동기 오차()가 1.0m/s 이하가 되면 단계 S811를 종료한다.

단계 S813에서는 반송파 위상 동기 오차()를 입력신호로 하여 수학식16과 같이 이산화함으로써 반송파 위상을 이용한 위상 동기 처리를 수행한다. 도14는 본 발명의 일실시예에 따라 시각동기루프필터수단(407)의 동기 페이즈7(Synch-Phase7)에서 위상 동기를 위한 3차 위상 동기 루프 필터의 일례를 예시한 구성도이다.

여기서,

한편, 는 필터의 대역폭()에 의하여 수학식17과 같이 결정된다.

도15는 본 발명이 적용된 의사위성항법시스템에 대해 실험을 한 결과이다. 2500개의 데이터를 받아본 결과 주 의사위성과 부 의사위성의 클럭이 표준편차 0.1 싸이클 정도의 오차로 동기가 되었다. 반송파 위상의 길이가 약 0.19 m인 것을 고려하여 이 오차를 거리로 환산하면 대략 2cm 정도가 된다.

이러한 수치는 실험실에서 간단히 얻은 대략적인 수치이기 때문에, 반송파 위상 오차를 1cm이하로 줄이는 것도 본 발명의 사상에서 벗어나지 않는 범주 내에서 실현 가능하다. 의사위성의 배치에 따라 달라질 수는 있지만 3차원 이동체가 반송파 위상을 이용할 경우 자기의 위치를 대략 10cm 이내로 결정할 수 있음을 확인해 준다. 즉, 본 발명이 적용된 의사위성군을 이용한 정밀 항법시스템은 이동체가 외부 기준국으로부터 데이터 링크를 통해 받는 보정정보 없이도, GPS 수신기만을 사용해서 10 cm이내의 오차로 위치를 결정할 수 있음을 도15에서 말해준다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(시디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백하다 할 것이다.

상기된 바와 같이 본 발명에 따라 의사위성을 이용한 항법시스템에서 의사위성 클럭을 동기시킴으로써 반송파 위상 혹은 의사거리에 포함되어 있는 의사위성 클럭 오차가 모두 동일해져 더 이상 이동체는 기준국의 보정정보에 의존하지 않고도 자신의 위치를 정확하게 계산할 수 있다.

즉 본 발명에 따르면 의사위성항법시스템은 시각동기된 의사위성을 이용하여 이동체의 위치를 결정하기 때문에 의사위성간 클럭차이정보 즉 의사거리 및 반송파 위상 보정정보를 측정하는 기준국이 불필요하며, 보정정보를 이동체에 전송하기 위해서는 기준국과 이동체간에 데이터 링크도 불필요하게 된다. 또한 기준국과 이동체간의 데이터 링크 설정에 따른 이동체와 기준국의 샘플링 시각 동기를 위해 추가적인 알고리즘도 불필요하게 된다.

도1은 종래기술에 따른 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템의 구성도,

도2는 도1의 의사위성에 대한 구성도,

도3은 도1의 이동체 구성 블럭도,

도4a 및 도4b는 본 발명의 실시예가 적용된 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템의 구성도,

도5는 본 발명이 적용되는 의사위성의 부분 구성도,

도6은 정밀주파수제어클럭수단 및 시각동기루프필터수단의 블럭 구성도,

도7은 본 발명의 일실시예에 따라 의사위성 클럭 동기 과정을 설명하기 위한 항법시스템의 개념도,

도8은 시각동기루프필터수단의 동작 흐름도,

도9는 도8의 반송파 위상 사이클 슬립 처리 과정의 상세 흐름도,

도10은 시각동기루프필터수단의 시각동기 과정 전환 순서 및 전환 조건을 설명하기 위한 도면,

도11은 시각동기루프필터수단이 동기 페이즈2에서 정밀주파수제어클럭수단의 기준 클럭을 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면,

도12는 시각동기루프필터수단의 동기 페이즈3에서 스위칭 경계와 주파수 변화량의 관계를 설명하기 위한 도면,

도13은 본 발명의 일실시예에 따라 시각동기루프필터수단의 동기 페이즈5에서 주파수 동기를 위한 2차 주파수 동기 루프 필터의 일례를 예시한 구성도,

도14는 본 발명의 일실시예에 따라 시각동기루프필터수단의 동기 페이즈7에서 위상 동기를 위한 3차 위상 동기 루프 필터의 일례를 예시한 구성도,

도15는 본 발명이 적용된 의사위성항법시스템에 대한 실험결과를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (13)

1. 기준국으로부터의 데이터링크를 통한 보정정보 없이도 이동체의 위치를 결정할 수 있는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템에 있어서,

   상기 항법시스템의 기준 클럭을 갖는 주 의사위성;

   정밀주파수제어클럭수단을 구비하는 적어도 하나의 부 의사 위성;

   기준국으로부터의 데이터링크를 통한 보정정보 없이도 상기 주 의사위성 및 부 의사위성으로부터 수신한 클럭 동기된 신호를 기초로 자기 위치를 결정하는 이동체; 및

   상기 주 의사위성 및 부 의사위성으로부터 각각 수신한 의사거리 정보 및 반송파 위상정보를 기초로 부 의사위성에 대한 클럭 동기 명령 를 생성하여 상기 정밀주파수제어클럭수단으로 전송함으로써 상기 정밀주파수제어클럭수단이 상기 부 의사위성의 클럭을 상기 주 의사위성의 기준 클럭에 동기시키도록 하는 시각동기루프필터수단

   을 포함하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 시각동기루프필터수단은

   프로세서를 구비하며, 상기 프로세서는 상기 시각동기루프필터가

   상기 수신한 의사거리 정보 및 반송파 위상 정보를 기초로 단일 차분 의사거리 정보 및 단일 차분 반송파 위상 정보를 생성하는 제1단계;

   상기 수신한 의사거리 정보 및 반송파 위상 정보를 스무딩시키는 제2단계; 및

   상기 제2단계에서 스무딩된 의사거리 정보 및 반송파 위상정보를 기초로 단계적으로 상기 정밀주파수제어클럭수단이 상기 부 의사위성의 클럭을 상기 주 의사위성의 기준 클럭에 동기시키도록 하는 제3단계

   를 수행하도록 제어하는 것

   을 특징으로 하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1단계는

   상기 주 의사위성과 부 의사위성 간의 단일 차분 거리()를 하기 수학식1과 같이 생성하는 제4단계; 및

   상기 제4단계에서 생성된 상기 주 의사위성과 부 의사위성 간의 단일 차분 거리() 및 하기 수학식2와 같이 사전에 결정된 상기 시각동기루프필터수단과 상기 주 의사위성 및 부 의사위성 간의 기하학적인 거리 차이 정보()를 기초로 상기 주 의사위성과 부 의사위성간의 시각동기오차 정보()를 하기 수학식3과 같이 생성하는 제5단계

   를 포함하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.

   [수학식 1]

   [수학식 2]

   [수학식 3]
4. 제2항에 있어서,

   상기 제3단계는

   상기 주 의사위성과 부 의사위성간의 단일 차분 의사 거리가 기하학적 거리와 일치하도록 상기 단일 차분 의사거리를 동기시키는 제6단계

   를 포함하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.
5. 제2항에 있어서,

   상기 제3단계는

   상기 주 의사위성과 부 의사위성의 도플러 정보를 이용하여 상기 부 의사위성의 주파수를 상기 주 의사위성의 주파수에 동기시키는 제7단계

   를 포함하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.
6. 제2항에 있어서,

   상기 제3단계는

   상기 주 의사위성과 부 의사위성의 반송파 위상을 이용하여 상기 부 의사위성의 위상을 상기 주 의사위성의 위상에 동기시키는 제8단계

   를 포함하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.
7. 제1항에 있어서,

   상기 이동체는

   상기 시각동기루프필터수단이 수신한 의사거리 정보를 이용하여 미터 단위의 오차로 자기 위치를 결정하는 것

   을 특징으로 하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.
8. 제1항에 있어서,

   상기 이동체는

   상기 시각동기루프필터수단이 수신한 반송파 위상 정보를 이용하여 센티미터 단위의 오차로 자기 위치를 결정하는 것

   을 특징으로 하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.
9. 제1항에 있어서,

   상기 주 의사위성 및 부 의사위성은

   GPS 위성 항법시스템의 주파수를 이용하는 것

   을 특징으로 하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.
10. 제1항에 있어서,

    상기 주 의사위성 및 부 의사위성은

    PRN 코드로서 C/A 코드 또는 P 코드를 이용하는 것

    을 특징으로 하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.
11. 제1항에 있어서,

    상기 주 의사위성 및 부 의사위성은

    1.023MHz 또는 10.23MHz의 속도를 갖는 PRN 코드를 이용하는 것

    을 특징으로 하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.
12. 제1항에 있어서,

    상기 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템은

    실내 또는 실외에 설치되는 것

    을 특징으로 하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.
13. 기준국으로부터의 데이터링크를 통한 보정정보 없이도 이동체의 위치를 결정할 수 있는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템에 있어서,

    상기 항법시스템의 기준 클럭을 갖는 주 의사위성;

    상기 주 의사위성으로부터 유선 접속되어 상기 주 의사위성으로부터 수신한 기준 클럭에 따라 클럭을 제어하는 정밀주파수제어클럭수단을 구비하는 적어도 하나의 부 의사 위성; 및

    기준국으로부터의 데이터링크를 통한 보정정보 없이도 상기 주 의사위성 및 부 의사위성으로부터 수신한 클럭 동기된 신호를 기초로 자기 위치를 결정하는 이동체

    를 포함하는 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템.