KR100780392B1 - Synchronous Pseudo Satellite Precise Navigation System Using Two-way Pseudo Satellite - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 기술에 따른 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템의 구성도.1 is a block diagram of a precision navigation system using a pseudo-satellite according to the prior art.
도 2는 도 1의 의사위성의 구성도.2 is a configuration diagram of the pseudo satellite of FIG. 1.
도 3은 도 1의 의사위성 시스템에서 이동체의 구성도.3 is a block diagram of a moving body in the pseudo-satellite system of FIG.
도 4a는 종래 기술에 따라 기준국에서 의사위성의 시각을 동기 시키는 동기식 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템의 구성도.Figure 4a is a block diagram of a precision navigation system using a synchronous pseudo-satellite to synchronize the time of the pseudo-satellite in the reference station according to the prior art.
도 4b는 도 4a의 시스템에서 시각을 동기 시키는 알고리즘을 나타내는 블록도.4B is a block diagram illustrating an algorithm for synchronizing time in the system of FIG. 4A.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 양방향 의사위성 모듈의 구성도.5a to 5d is a block diagram of a bidirectional pseudosatellite module according to the present invention.
도 6은 송수신 안테나 통합시의 스위칭 타이밍도.6 is a switching timing diagram when the transmission and reception antennas are integrated.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 양방향 의사위성을 이용한 동기식 의사위성 정밀 항법시스템의 구성도.7a to 7c is a block diagram of a synchronous pseudo-satellite precision navigation system using a bidirectional pseudo-satellite according to the present invention.
도 8은 도 7의 동기식 의사위성 시스템에서 이동체의 구성을 나타내는 블록도.8 is a block diagram showing the configuration of a mobile body in the synchronous pseudo-satellite system of FIG.
도 9는 양방향 의사위성의 시각오차 계산방법을 나타내는 블록도.9 is a block diagram illustrating a visual error calculation method of a bidirectional pseudo satellite.
도 10은 시각동기 과정(시각동기모듈과 클럭제공모듈)을 나타내는 구성도.10 is a block diagram showing a time synchronization process (time synchronization module and clock providing module).
도 11은 부 의사위성 모듈에 관한 개념도.11 is a conceptual diagram related to a sub pseudosatellite module.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of codes for main parts of drawing
100: 의사위성을 이용한 정밀 항법 시스템100: precision navigation system using pseudo-satellite
101a, 101b, 101c, 101d: 의사위성 103: 시각 보정용 기준국 101a, 101b, 101c, 101d: pseudosatellite 103: reference station for visual correction
105, 404, 703: 이동체 107: 시각보정정보105, 404, 703: Moving object 107: Visual correction information
301, 801: GPS 수신기 302: 무선데이터링크301, 801: GPS receiver 302: wireless data link
303, 802: 위치계산모듈303, 802: position calculation module
400: 동기식 의사위성을 이용한 정밀 항법 시스템400: Precision Navigation System Using Synchronous Pseudo Satellites
401: 주 의사위성모듈 402a, 402b, 402c: 부 의사위성 모듈 401: primary
403: 시각 동기용 기준국 405: 정밀주파수제어클럭수단 403: reference station for time synchronization 405: precision frequency control clock means
501: 안테나 502: 안테나 스위칭 501: antenna 502: antenna switching
503, 900, 901: 수신기 504, 902: 시각동기모듈503, 900, 901:
505, 903, 904: 클럭제공모듈 506, 905, 906: 의사위성505, 903, 904:
507: 무선데이터링크507: wireless data link
700: 양방향 의사위성모듈을 이용한 의사위성 항법 시스템700: Pseudo Satellite Navigation System Using Bi-directional Pseudo Satellite Module
701: 주 양방향 의사위성모듈 701: main bidirectional pseudosatellite module
702, 702a, 702b, 702c: 부 양방향 의사위성모듈702, 702a, 702b, 702c: secondary bidirectional pseudosatellite module
704a, 704b, 704c, 704d: 양방향 의사위성모듈 704a, 704b, 704c, 704d: bidirectional pseudosatellite module
705: GPS 위성705: GPS satellite
1000: 시각오차계산부 1001: 시각동기루프 필터수단1000: visual error calculation unit 1001: visual synchronous loop filter means
1002: 기준클럭생성부 1003: 수치제어클럭생성부1002: reference clock generation unit 1003: numerical control clock generation unit
본 발명은 양방향 의사위성(Two-way Pseudolite)을 이용한 정밀 항법시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 의사위성의 위치 정보 없이 정확하게 시각 동기가 이루어진 양방향 의사위성을 사용하여 항법 알고리즘을 수행할 수 있도록 하는 동기된 양방향 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a precision navigation system using two-way Pseudolite, and more particularly, to perform a navigation algorithm using a two-way pseudo satellite precisely synchronized with time without the position information of the pseudo satellite. The present invention relates to a precise navigation system using synchronized bidirectional satellites.
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.Research on satellite navigation systems, which began with the Pentagon's opening of signals from the Global Positioning System (GPS) to the private sector, has now moved beyond research and development to commercialization. For example, the vehicle navigation system or the navigation system of an aircraft or a ship. It is a great advantage of the satellite navigation system that a GPS receiver can know its position relatively accurately anywhere on earth.
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.However, the conventional GPS can be used only in an area where GPS satellite signals can be received, that is, an area where the GPS satellites are visible from the antenna of the receiver. .
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.In other words, since the strength of radio waves transmitted from GPS satellites is weak, if satellites are not observed due to the terrain or features and the radio waves are not received, position measurement by GPS is impossible, and GPS is generally used only outdoors when satellites are observed. This is possible and not available indoors, such as inside a building, inside a factory.
이러한 GPS의 문제점을 해결하기 위해 제시된 의사위성을 이용한 항법시스템에 따르면 실내에서도 GPS 위성으로부터 수신한 신호와 동일한 신호를 발생시키는 의사위성으로부터 GPS 수신기를 통해 의사위성신호를 수신하여 이동체의 위치를 측정할 수 있다.According to the navigation system using pseudo-satellite to solve the problem of GPS, the position of the moving object can be measured by receiving the pseudo-satellite signal through the GPS receiver from the pseudo-satellite which generates the same signal as the signal received from the GPS satellite in the room. Can be.
의사위성은 GPS 또는 위성항행시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System) 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.Unlike GPS or Global Navigation Satellite System (GNSS) satellites, pseudo-satellites can be used freely indoors and outdoors, and can be used appropriately in fields such as indoor navigation systems. In addition, when used outdoors, it is possible to construct a navigation system that can operate independently of existing GPS or GNSS satellites.
그러나 의사위성 시스템은 GPS 또는 GNSS 시스템과는 달리 각 의사위성의 클럭이 서로 동기 되어 있지 않고, 이는 매우 큰 의사위성 시각오차를 유발하여 항법이 불가능하게 한다. 이러한 점으로 인해 종래의 기술을 이용한 의사위성 시스템에서는 의사위성의 시각오차를 보정하는 보정정보를 생성하기 위한 기준국을 설치하여 운용하였다. 기준국에서 의사위성의 클럭 차이에 대한 보정정보를 생성하여 이를 이동체에 전해주어 이동체의 측위가 가능토록 하는 것이다.However, unlike GPS or GNSS systems, pseudo-satellite systems do not synchronize their clocks with each other, which causes very large pseudo-satellite visual errors, making navigation impossible. For this reason, in the pseudo satellite system using the conventional technology, a reference station for generating correction information for correcting the visual error of the pseudo satellite has been installed and operated. The reference station generates correction information for the clock difference of the pseudo-satellite and transmits it to the moving object to enable positioning of the moving object.
도 1은 종래 기술에 따른 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템(100)의 구성도 이다. 도면에 도시된 바와 같이, 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템은 의사위성(101a 내지 101d), 기준국(103) 및 이동체(105)를 구비한다.1 is a block diagram of a
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.As shown in the figure, the
도 1의 의사위성(101a 내지 101d)에 대한 구성은 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 의사위성의 구성을 살펴보면, 각각의 의사위성(101a 내지 101d)은 CPU(201), C/A 코드 생성기(202), PLL 모듈(203), L1 필터(204), 및 안테나(205)를 포함하여 구성되어 있는 것을 알 수 있으며, 기준클럭이 화살표 방향에 따라 C/A 코드 생성기(202) 및 PLL 모듈(203)로 공급된다. 도 1 및 도 2에 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 또 다른 GPS 위성 역할을 수행하게 된다.The configuration for
도 1에 도시된 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템(100)에서 의사위성(101a 내지 101d)이 설치되는 장소의 좌표는 미리 정밀한 측량을 통해 계산된다.In the
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 이 중 차분을 이용하여 생성된다.The
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 건물 내 사람의 위치를 추적하고, 공장 내부를 주행하는 이동 로봇(mobile robot)의 위치를 추적할 때 효과적으로 이용될 수 있으며, 실내에서 이동 중이던 이동체가 실외로 이동할 때 연속적으로 위치를 측정할 수 있다.The
종래의 의사위성항법시스템은 시각동기가 되지 않은 의사위성을 이용하여 이동체의 위치를 결정하였으며, 의사위성 간 시각적 비동기로 인하여 유발되는 의사거리 및 반송파 위상에 포함된 의사위성 시계 오차보정정보를 계산하여 오차를 제거하기 위해서는 모든 의사위성 간 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.The conventional pseudo-satellite navigation system determines the position of a moving object using pseudo-synchronized satellites that are not visually synchronized, and calculates pseudo-satellite clock error correction information included in pseudo-range and carrier phase caused by visual asynchronous between pseudo-satellites. In order to eliminate the error, a reference station that measures clock difference information between all pseudolites, that is, pseudorange and carrier phase correction information, is required.In order to transmit such correction information to a moving object, a data link must be established between the reference station and the moving object. And an additional algorithm must be provided for sampling time synchronization between the mobile station and the reference station according to data link setup.
도 1에 도시된 바와 같은 종래의 의사위성항법시스템(100)의 기준국(103)에서 측정된 제1의사위성(101a)의 반송파 위상(P1R) 측정치 ()와 도플러 측정치()는 수학식 1과 같다.Carrier phase (P1R) measurement value of the
여기서,here,
: 제1의사위성(101a)의 신호 송출 안테나와 기준국(103)의 수신기 안테나간 거리 : Distance between signal transmitting antenna of
: 기준국(103)의 수신기 클럭 바이어스 : Receiver clock bias of
: 제1의사위성(101a) 클럭 바이어스 : First Satellite (101a) Clock Bias
: 반송파의 파장( ) Is the wavelength of the carrier ( )
: 제1의사위성(101a)과 이동체(105)간의 반송파 위상 미지정수 : Carrier phase unknown constant between
: 반송파 위상 측정 잡음 : Carrier Phase Measurement Noise
: 기준국(103)의 수신기 클럭 드리프트 : Receiver clock drift of the
: 제1의사위성(101a) 클럭 드리프트 :
: 도플러 측정 잡음 Doppler Measurement Noise
그리고 기준국(103)에서 측정된 제2의사위성(101b)의 반송파 위상 (P2R) 측정치()와 도플러 측정치()는 수학식 2와 같다.The carrier phase (P2R) measurement value of the
여기서,here,
: 제2의사위성(101b)의 신호 송출 안테나와 기준국(103)의 수신기 안테나간 거리 : Distance between signal transmitting antenna of
: 기준국(103)의 수신기 클럭 바이어스 : Receiver clock bias of
: 제2의사위성(101b)의 클럭 바이어스 : Clock bias of the
: 반송파의 파장( ) Is the wavelength of the carrier ( )
: 제2의사위성(101b)과 이동체(105)간의 반송파 위상 미지정수 : Carrier phase unknown constant between
: 반송파 위상 측정 잡음 : Carrier Phase Measurement Noise
: 기준국(103)의 수신기 클럭 드리프트 : Receiver clock drift of the
: 제2의사위성(101b)의 클럭 드리프트 : Clock drift of the
: 도플러 측정 잡음 Doppler Measurement Noise
기준국(103)은 상기 수학식 1과 수학식 2와 같이 측정된 반송파 위상 값과 도플러 값에 대해 수학식 3과 같이 차분 연산을 수행한다.The
수학식 3에서 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.In Equation 3, it is assumed that the positions of the signal transmitting antennas of the
기준국(103)은 반송파 위상 미지정수가 정수라는 특성을 이용하여 수학식3의 반송파 위상 차분을 반올림함으로써 수학식 4와 같이 제1의사위성(101a)과 제2의사위성(101b)의 클럭 차이() 및 클럭 차이의 속도()를 연산 수행한다.The
종래에는 시각 동기가 되지 않은 의사위성군이 이용되었기 때문에 클럭 차 이() 및 클럭 차이의 속도()는 다음과 같은 성질을 갖는다.In the related art, the clock difference (the clock difference) ) And the speed of the clock difference ( ) Has the following properties:
이에 따라, 의사위성 간 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.Accordingly, in order to calculate pseudorange clock error correction information included in pseudoranges and carrier phases caused by asynchronous time between pseudolites, the
즉, 의사위성은 GPS 위성과 달리 저가의 발진기(TCXO, Temperature Compensated Oscillator)를 사용하기 때문에 모든 의사위성들 사이의 시간이 정확히 동기 되어있지 않은 의사위성군을 이용하여 이동체의 위치를 계산하며, 따라서 의사위성 간 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. In other words, since pseudo satellites use a low temperature oscillator (TCXO) unlike GPS satellites, the position of the mobile body is calculated using a pseudo satellite group whose time between all pseudo satellites is not exactly synchronized. Pseudo-distance and carrier phase correction information caused by asynchronous time between pseudo-satellites (clock difference between i-th satellite and j-th satellite) ) And the speed of the clock difference ( There is a problem that a separate reference station should be used to calculate)), and in order to transmit the clock difference information to the moving object, a data link is established between the reference station and the moving object. There is a problem that a price increase and frequent failure are caused by the addition of interbody data link.
도 3은 도 1의 의사위성 시스템에서 이동체의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 이동체는 GPS 또는 의사위성의 신호를 수신하는 GPS 수신기(301), 시각보정 메세지를 수신하는 무선데이터링크(302), 및 이들을 모두 통합하여 이동체의 위치를 계산해 내는 위치계산모듈(303)로 구성된다. 이와 같이 비동기식 의사위성 시스템에서의 이동체에서는 추가적인 무선데이터링크(302) 장비가 반드시 필요하다.3 is a block diagram showing the configuration of a mobile body in the pseudo-satellite system of FIG. As can be seen in Figure 3, the moving object is a
또한, 이동체와 기준국의 샘플링 시각 동기를 위해 추가적인 알고리즘이 마련되어야 한다는 문제점이 있다. 의사위성간의 시각이 동기 되어있지 않을 경우, 기준국과 이동체간의 시각도 동기 되지 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 동기 시키는 방법을 이용하기도 한다.In addition, there is a problem that an additional algorithm must be provided for sampling time synchronization between the mobile station and the reference station. If the time between the pseudo satellites is not synchronized, the time between the reference station and the moving object is also not synchronized so that the reference station and the moving object sample the signals received from the pseudo satellite at different times. In this case, a time-tag error occurs by calibrating navigation with data sampled at different times. In order to solve this problem, a navigation message frame of master pseudolite is used as a reference. Another method is to synchronize the sampling time of the station and the mobile.
위와 같은 비동기식 의사위성 시스템의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것이 동기식 의사위성 정밀 항법시스템이다. 이는 의사위성군을 주 의사위성과 정밀주파수제어수단을 탑재한 부 의사위성으로 나누고, 기준국에서 모든 의사위성의 신호를 수신하여 주 의사위성으로 선택된 의사위성의 클럭에 다른 부 의사위성 들의 클럭을 동기시킴으로써 정확하게 시각 동기가 이루어진 의사위성을 사용하여 항법 알고리즘을 수행할 수 있도록 하는 시스템이다.In order to solve the problems of the asynchronous pseudo-satellite system described above, a synchronous pseudo-satellite precision navigation system is proposed. It divides the pseudo satellite group into the main pseudo satellite and the sub pseudo satellites equipped with the precision frequency control means, and receives the signals of all pseudo satellites from the reference station, and the clocks of other sub satellites are added to the clock of the pseudo satellite selected as the main pseudo satellite. By synchronizing, it is a system that can perform navigation algorithm using pseudo-synchronized with accurate time synchronization.
도 4a는 위에서 설명한 바와 같이 종래 기술에 따라 기준국에서 의사위성의 시각을 동기 시키는 동기식 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템을 나타낸다.Figure 4a shows a precise navigation system using a synchronous pseudo-satellite to synchronize the time of the pseudo-satellite in the reference station according to the prior art as described above.
도 4a의 동기식 의사위성 시스템은 기준국(403)에서 주 의사위성(401)과 부 의사위성(402a 내지 402c)의 신호를 수신하여 시각동기 명령을 생성하고, 이를 이용하여 부 의사위성의 클럭을 주 의사위성의 클럭에 동기 시키는 시스템이다. 이 시스템을 이용할 경우, 기준국을 이용하여 부 의사위성의 시각을 주 의사위성의 시각에 동기 시키는 것이 가능하여, 결과적으로 모든 의사위성 간의 클럭이 동기 된다. 따라서 이동체(404)는 어떠한 부가적인 정보 없이, 수신기에서 수신한 의사위성 신호만으로 독자적인 항법이 가능하게 된다. 기준국에서는 각 의사위성 간의 시각오차를 추정한 후, 이를 바탕으로 한 시각동기정보를 생성하여 이를 각 부 의사위성으로 보내 정밀주파수제어클럭수단을 이용해 각 부 의사위성의 클럭을 주 의사위성의 클럭에 동기시킨다.The synchronous pseudo-satellite system of FIG. 4A receives the signals of the main
위 항법시스템에서 시각오차를 계산하는 방법은 도 4b와 수학식 4를 참조하자. 기준국(403)은 주 의사위성(401)과 부 의사위성(402)으로부터 각각 신호를 수신한다. 그리고 수학식 4에 의해서 시각오차를 계산하게 된다. 그리고 이 오차를 이용해 시각동기정보를 생성하고, 이를 정밀주파수제어클럭수단으로 보내 동기된 클럭을 부 의사위성에 제공한다.For a method of calculating the visual error in the above navigation system, refer to FIGS. 4B and 4. The
위 발명은 의사위성의 클럭을 동기시킴으로써 이동체가 외부로부터 어떠한 보정정보 없이도 항법을 수행할 수 있다는 매우 큰 장점이 있다. 이동체는 어떠한 보정정보 없이, m 또는 cm수준의 단독항법이 가능하며, 기준국에서 의사위성의 클럭을 계속 감시하고, 동기 시킬 수 있다.The above invention has the great advantage that the moving object can perform navigation without any correction information from the outside by synchronizing the clock of the pseudo satellite. The moving object is capable of single-level navigation at the m or cm level without any correction information, and can continuously monitor and synchronize the pseudo-satellite clock at the reference station.
그러나 위 발명에서 의사위성 클럭 동기알고리즘의 핵심은 의사위성 클럭의 차이를 알아내는 것인데 수학식 4에서 볼 수 있듯이 주 의사위성과 부 의사위성 간의 신호에 의해 측정된 거리의 차이에서 실제 거리의 차이를 뺀 값을 의사위성 간의 클럭 차이로 간주하게 된다. 즉, 의사위성과 기준국의 위치 정보 없이는 절대로 클럭 차이를 알 수가 없게 된다. 따라서 의사위성의 위치는 항상 고정되어야 하며, 기준국 역시 고정된 곳에 존재해야 한다. 또한 기준국이 항상 존재해야하기 때문에 기준국에 문제가 생길 경우, 전체 시스템의 가동이 중지된다. 이는 전체 시스템이 절대적으로 기준국에 의존함을 뜻한다. 게다가 기준국에서는 계속적으로 의사위성의 신호를 수신해야하기 때문에 기준국에서 의사위성의 가시성이 영향을 받아서는 안 된다.However, the key to pseudo-satellite clock synchronization algorithm in the above invention is to find out the difference between pseudo-satellite clocks. As shown in Equation 4, the difference of the actual distance from the difference of the distance measured by the signal between the main and sub-satellite satellites is calculated. The subtracted value is regarded as the clock difference between pseudolites. That is, the clock difference can never be known without the pseudo satellite and the position information of the reference station. Therefore, the position of the pseudosatellite should always be fixed and the reference station should also be in a fixed position. In addition, because the reference station must always be present, if a problem occurs in the reference station, the entire system is shut down. This means that the whole system is absolutely dependent on the reference station. In addition, the visibility of the pseudosatellite in the reference station should not be affected since the reference station must continue to receive signals from the pseudosatellite.
즉, 종래의 동기식 의사위성 항법시스템은 기준국이 존재해야 한다는 문제점과 의사위성의 위치 및 기준국의 위치를 알아야 의사위성의 동기가 가능하므로, 의사위성은 고정이 되어야 한다는 한계성을 지니고 있다고 할 수 있다.In other words, the conventional synchronous pseudo-satellite navigation system has a problem that the reference station must exist and the pseudo satellite can be synchronized only by knowing the position of the pseudo satellite and the position of the reference station, so that the pseudo satellite has a limitation that it must be fixed. have.
따라서, 본 발명은 종래의 기술에서 의사위성 시각 동기를 위해 기준국에서 의사위성의 시각 보정정보를 생성해서 각 부 의사위성의 클럭을 보정해주는 역할을 하는 것을 각 부 의사위성에서 독립적으로 수행할 수 있도록 하기 위해 안출된 것이다.Therefore, the present invention can independently perform pseudo-satellite clock generation in the reference station by calibrating the clocks of the pseudo-satellite satellites in the conventional station for pseudo-satellite visual synchronization. It was designed to make it possible.
본 발명은 이동체가 어떠한 보정정보 없이, 의사위성군 중 주 의사위성으로 선택된 의사위성의 클럭에 다른 의사위성들이 자신의 클럭을 스스로 동기시킴으로써 정확하게 시각 동기가 이루어진 의사위성을 사용하여 항법 알고리즘을 수행할 수 있도록 하는 동기된 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention can perform a navigation algorithm using a pseudo satellite precisely synchronized with other clocks by synchronizing its own clock with the pseudo satellite clock selected as the main pseudo satellite among the pseudo satellite groups without any correction information. The purpose is to provide a precise navigation system using a synchronous pseudo-satellite.
본 발명에서는 부 의사위성 스스로 자신의 클럭을 외부 의사위성 또는 주 의사위성 등에 동기하기 위하여, 자신의 위치를 포함한 어떠한 위치 정보도 이용하지 않고, 단순히 수신된 신호만으로 클럭을 동기 시킬 수 있도록 양방향 의사위성을 개발하여 사용한다.In the present invention, in order to synchronize its own clock with an external pseudo satellite or a main pseudo satellite, the secondary pseudo satellite is a bidirectional pseudo satellite so that the clock can be synchronized with only a received signal without using any position information including its own position. Develop and use
본 발명에서 제안하는 동기 알고리즘은 어떠한 위치 정보도 이용하지 않기 때문에 이동하는 이동체에 본 양방향 의사위성을 탑재하더라도, 의사위성 간의 동기를 수행하는 데에는 전혀 문제가 없다. 즉 본 발명에서 제안하는 양방향 의사위성은 이동체에 탑재하여 움직여도, 의사위성의 시각 동기는 아무런 영향을 받지 않는다. 즉, 움직이는 의사위성을 제안한다.Since the synchronization algorithm proposed by the present invention does not use any position information, even if the bidirectional pseudo-satellite is mounted on a moving mobile object, there is no problem in performing synchronization between pseudo-satellites. That is, even if the bidirectional pseudo-satellite proposed in the present invention is mounted on a moving object, the visual synchronization of the pseudo-satellite is not affected. In other words, we propose a moving satellite.
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.Those skilled in the art to which the present invention pertains can easily recognize other objects and advantages of the present invention from the drawings, the detailed description of the invention, and the claims.
본 발명은 시각동기된 의사위성을 이용하여 이동체의 위치를 결정하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템에 관한 것으로서, 항법 시스템의 기준 클럭을 갖는 주 양방향 의사위성모듈; 주 양방향 의사위성모듈의 기준 클럭에 시각동기되는 적어도 하나의 부 양방향 의사위성모듈; 및 기준국으로부터의 데이터링크를 통한 보정정보 없이도, 상기 주 양방향 의사위성모듈 및 부 양방향 의사위성모듈로부터 수신한 신호를 기초로 단독항법 알고리즘으로 자기 위치를 결정하는 이동체를 포함하는 구성을 갖는다.The present invention relates to a synchronous pseudo-satellite precision navigation system for determining the position of a moving object using a visually synchronized pseudo-satellite, comprising: a main bidirectional pseudo-satellite module having a reference clock of a navigation system; At least one sub-bidirectional pseudosatellite module visually synchronized with a reference clock of the primary bidirectional pseudosatellite module; And a moving body for determining a magnetic position by a mononavigation algorithm based on signals received from the main bidirectional pseudo satellite module and the sub bidirectional pseudo satellite module without correction information through a data link from a reference station.
종래의 동기식 의사위성 시스템과 본 발명과의 가장 큰 차이점은 기준국의 유무와 의사위성 모듈의 설치 방법 그리고 시각 동기 알고리즘의 차이이다. 이 세 가지 문제를 모두 해결하기 위해 본 발명에서는 양방향 의사위성(Two-way Pseudolite) 모듈을 도입하였다. 양방향 의사위성 모듈은 신호를 생성하고 송신하는 의사위성, 외부 의사위성 또는 GPS 위성의 신호를 수신하는 수신기, 의사위성 간의 시각오차를 계산할 수 있는 시각동기모듈 그리고 의사위성과 수신기에 클럭을 공급해주고, 그 클럭을 조절할 수 있는 클럭제공모듈으로 구성된다.The main difference between the conventional synchronous pseudosatellite system and the present invention is the difference between the presence of a reference station, the installation method of the pseudosatellite module, and the visual synchronization algorithm. In order to solve all three problems, the present invention introduces a two-way Pseudolite module. Bi-directional pseudo-satellite module supplies pseudo-satellite to generate and transmit signals, receiver to receive signals from external pseudo-satellite or GPS satellites, visual synchronization module to calculate visual errors between pseudo-satellites, clock to pseudo-satellite and receiver, It consists of a clock providing module that can adjust the clock.
양방향 의사위성 모듈에 대한 구조 및 설명 그리고 구현 방법Structure, description and implementation method of bidirectional pseudosatellite module
본 발명에서 제안하는 양방향 의사위성 모듈은 주 의사위성 모듈과 부 의사위성 모듈이 약간의 차이가 있지만, 그 핵심적인 사항은 동일하다. 따라서 부 의사위성 모듈을 기준으로 설명하도록 하겠다. 주 의사위성 모듈은 부 의사위성 모듈에서 시각동기모듈 만을 제거하면 되기 때문이다.In the bidirectional pseudosatellite module proposed in the present invention, the main pseudo satellite module and the sub pseudo satellite module have slight differences, but the core matters are the same. Therefore, the description will be based on the pseudo-satellite module. This is because the main pseudosatellite module only needs to remove the visual synchronization module from the subsatellite module.
양방향 의사위성의 가장 큰 특징은 신호를 쏘고 받을 수 있다는 것이다. 자신이 신호를 생성하여 송신하고, 타 의사위성 내지는 위성항행시스템의 신호뿐만 아니라 자기 자신의 신호도 함께 수신할 수 있어야 한다. 또한 송신부인 의사위성의 클럭을 조절하여 신호를 동기 할 수 있어야 한다. 이러한 점들을 고려할 때, 양방향 의사위성 모듈은 신호의 송신부인 의사위성과 수신부인 수신기 그리고 시각동기를 하는 시각동기모듈 및 클럭제공모듈을 포함해야 한다.The main feature of a bidirectional pseudosatellite is that it can shoot and receive signals. You should be able to generate and transmit your own signals and receive your own signals as well as signals from other pseudo-satellite or satellite navigation systems. In addition, it should be possible to synchronize the signal by adjusting the clock of the pseudo satellite which is the transmitter. In consideration of these points, the bidirectional pseudo-satellite module should include a pseudo-satellite, a receiver, a receiver, and a time synchronization module and a clock providing module.
이를 다시 한번 정리하자면, 아래와 같이 양방향 의사위성 모듈은 크게 4가지 모듈로 구성된다.To sum it up again, the bidirectional pseudo-satellite module is composed of four modules as shown below.
첫째는 송신부인 의사위성이다. 의사위성은 클럭제공모듈에서 공급되는 클럭에 의해 자신의 설정에 맞는 신호를 생성하고 이를 송신하는 역할을 한다. 의사위성은 종래의 의사위성과 크게 다르지는 않으나, 외부의 클럭제공모듈에서 제공하는 클럭을 메인 클럭으로 이용할 수 있어야 하며, 안테나 스위칭을 위해 컨트롤 신호를 생성해야 한다.The first is the pseudo satellite, which is the transmitter. Pseudosatellite generates and transmits a signal suitable for its setting by the clock supplied from the clock providing module. Pseudosatellite is not very different from the conventional pseudosatellite, but the clock provided by the external clock providing module should be available as the main clock, and the control signal should be generated for the antenna switching.
둘째는 수신부인 수신기이다. 수신기는 자신의 신호와 외부 의사위성 및 위성항행시스템의 위성 신호를 수신하는 역할을 한다. 이는 종래의 수신기와 크게 다르지 않으나, 의사위성과 수신기의 페이즈 노이즈를 최소화하기 위하여 의사위성과 같은 클럭을 공유하는 것이 좋으며, 이로 인해 외부의 클럭제공모듈에서 제공하는 클럭을 사용할 수 있어야 한다.Second is a receiver which is a receiver. The receiver is responsible for receiving its own signals and satellite signals from external pseudosatellite and satellite navigation systems. This is not much different from the conventional receiver, but in order to minimize pseudo-satellite and phase noise of the receiver, it is preferable to share a clock such as pseudo-satellite, and therefore, a clock provided by an external clock providing module should be used.
셋째는 수신기에서 수신한 정보에서 시각오차를 이끌어 내어 시각동기 루프필터 수단을 통해 시각 동기 명령을 생성하는 시각동기모듈이다. 이 부분은 종래의 발명에 비해 많이 다른 점이며, 그 내부의 알고리즘에 대해서는 이후에 설명토록 하겠다.Third, the time synchronization module generates a time synchronization command through the time synchronization loop filter means by deriving a time error from the information received from the receiver. This part is much different from the conventional invention, and the algorithm therein will be described later.
넷째는 실질적으로 클럭을 생성하여 의사위성과 수신기에 기준 클럭을 공급하는 클럭제공모듈이다. 클럭제공모듈은 시각동기모듈에서 생성된 시각 동기 명령에 의거하여 클럭을 조절, 생성하고 이렇게 조절된 클럭을 공급하게 된다. 이는 기준 클럭을 갖고 있으며, 기준 클럭의 안정도에 의거하여 이를 중심으로 시각동기명령에 의거하여 원하는 클럭을 생성하여 의사위성과 수신기에 공급하게 된다.The fourth is a clock providing module that substantially generates a clock and supplies a reference clock to the pseudo satellite and the receiver. The clock providing module adjusts and generates a clock based on the time synchronization command generated by the time synchronization module, and supplies the adjusted clock. It has a reference clock. Based on the stability of the reference clock, it generates a desired clock based on the time synchronization command and supplies it to the pseudo satellite and the receiver.
이러한 4가지 모듈을 거쳐 양방향 의사위성 모듈은 기준 신호에 동기된 신호를 생성하게 된다.Through these four modules, the bidirectional pseudo-satellite module generates a signal synchronized with the reference signal.
본 발명에서 제안하는 양방향 의사위성 모듈은 그 구현방법에 있어서 여러 가지 방안이 있다. 본 발명 제안서에서는 도 5a 내지 도 5d의 대표적인 4가지를 도시하였다. 물론 본 발명에서 제안하는 4가지 이외에도 여러 구현방법이 있을 수 있겠으나 가장 핵심적인 것을 고려할 때, 4가지 정도로 나눌 수 있으며, 이외의 다른 방안들은 이 4가지를 이용한 것이라 할 수 있다.The bidirectional pseudo-satellite module proposed in the present invention has various methods for its implementation. In the present invention proposal, four representative examples of FIGS. 5A to 5D are illustrated. Of course, there may be various implementation methods in addition to the four proposed in the present invention, but considering the most important, it can be divided into four, other methods can be said to use these four.
도 5a 내지 도 5d의 4가지는 모두 양방향 의사위성 모듈을 나타낸 것이다. 도 5a 및 도 5b는 송신부인 의사위성(506)과 수신부인 수신기(503)가 각각 독립적인 안테나를 사용하는 것이고, 도 5c 및 도 5d는 송신부인 의사위성(506)과 수신부인 수신기(503)에 하나의 안테나를 공통으로 사용하는 방안이다. 또한, 도 5a 및 도 5c는 의사위성 간의 데이터 교환을 위해 별도의 무선데이터링크(507) 장비를 사용하는 방안이며, 도 5b 및 도 5d는 의사위성 간의 데이터 교환을 의사위성 데이터 메시지를 이용하는 방안이다. 이 가장 기본적인 두 가지 사항을 혼합할 때, 4가지의 서로 다른 방안이 나오게 된다.All four of FIGS. 5A-5D show a bidirectional pseudosatellite module. 5A and 5B show that the
추후 양방향 의사위성의 동기 알고리즘을 설명하는데서 그 이유가 언급되겠지만, 본 발명에서 제안하는 동기 알고리즘을 위해서는 상대방 의사위성의 신호뿐만 아니라, 자기 자신의 신호도 함께 수신해야 한다(도 9 참조). 따라서 의사위성은 자기 자신의 신호와 외부의 신호를 모두 수신할 수 있는 구조가 되어야 하며, 이를 구현하는 방법은 크게 송신부와 수신부가 서로 다른 독립적인 안테나를 사용하는 방안과 송수신부의 안테나를 하나로 통합하는 방안이 있다.Although the reason will be mentioned later in describing the synchronization algorithm of the bidirectional pseudo-satellite, the synchronization algorithm proposed by the present invention should receive not only the signal of the counterpart pseudo-satellite but also its own signal (see FIG. 9). Therefore, the pseudo-satellite should be a structure that can receive both its own signal and an external signal, and the method of implementing this method is to integrate the antenna of the transceiver and the transmitter and receiver in a large way. There is a way.
송신부와 수신부의 안테나를 독립적으로 사용하는 방안은 구현이 쉽다는 장점이 있는 반면, 두 안테나 사이의 거리가 너무 가깝기 때문에 신호 간섭이 일어날 가능성이 존재한다. 이를 최소화하는 방법으로는 의사위성 신호의 펄싱기법을 들 수 있다. 펄싱 기법이란 의사위성 신호를 연속적으로 내보내는 것이 아니라, 1ms 안에서 일정 시간 동안만 신호를 내보내고, 그 외의 시간에는 신호를 송신하지 않는 것이다. 대략 1ms의 5-20% 정도의 시간 동안만 신호를 송신한다. 펄싱 기법은 본 발명과 관련된 연구 분야에서는 이미 대중화된 기법이므로 자세한 설명은 생략하겠다.Independently using the transmitter and the receiver antennas has the advantage of being easy to implement, while there is a possibility that signal interference occurs because the distance between the two antennas is too close. One way to minimize this is to use a pulsing technique for pseudo-satellite signals. The pulsing technique does not emit pseudo-satellite signals continuously, but emits signals only for a certain period of time within 1ms, and does not transmit signals at other times. Transmit signal only for 5-20% of the time. Since the pulsing technique is already popularized in the research field related to the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
송신부와 수신부의 안테나를 통합하여 하나의 안테나를 사용하는 방안은 그 구현이 전자에 비해 비교적 난해하지만, 간섭이 적다는 장점이 있다. 하나의 안테나를 사용하기 위해서는 안테나가 송신부와 수신부의 역할을 모두 행할 수 있어야 하며, 이를 위해 안테나 스위칭 모듈을 도입하였다. 즉 안테나가 일부 시간에는 송신 안테나의 역할을 하며, 그 외 시간에는 수신 안테나의 역할을 하는 것이다. 본 안테나 스위칭 알고리즘의 핵심은 안테나의 스위칭 타이밍이 의사위성의 펄싱 타이밍과 일치해야 한다는 것이다. 도 6에서 볼 수 있듯이 의사위성의 펄싱이 켜질 경우, 수신기는 해당 의사위성(같은 모듈 내의 의사위성)의 신호만을 수신할 수 있게 되고, 외부의 신호는 수신할 수 없도록 안테나 스위칭 모듈이 작동한다. 반면 의사위성의 펄싱이 꺼질 경우, 수신기는 외부의 신호만을 수신할 수 있게 된다. 이러한 안테나 스위칭 모듈을 이용할 경우, 양방향 의사위성 모듈은 하나의 안테나를 이용하면서 자신의 신호와 외부의 신호를 모두 수신할 수 있게 된다.The use of one antenna by integrating the antenna of the transmitter and the receiver is relatively difficult compared to the former, but has the advantage of low interference. In order to use a single antenna, the antenna must be able to perform both a transmitter and a receiver. To this end, an antenna switching module is introduced. That is, the antenna plays a role of a transmitting antenna at some time, and serves as a receiving antenna at other times. The key to this antenna switching algorithm is that the switching timing of the antenna must match the pulsing timing of the pseudosatellite. As shown in FIG. 6, when the pulsing of the pseudo satellite is turned on, the receiver can receive only a signal of the corresponding pseudo satellite (pseudo-satellite in the same module), and the antenna switching module operates so that external signals cannot be received. On the other hand, if pulsing of the pseudo satellite is turned off, the receiver can only receive external signals. When the antenna switching module is used, the bidirectional pseudo-satellite module can receive both its own signal and external signals while using one antenna.
양방향 의사위성 모듈 구현에 있어 또 하나의 고려사항은 의사위성 간에 서로 데이터의 교환이 이루어져야 한다는 것이다. 이는 역시 본 발명에서 제안하는 동기 알고리즘의 구현을 위해 필요한데, 이를 위해 두 가지 통신 방안이 구현 가능하다.Another consideration in implementing a bidirectional pseudosatellite module is that data must be exchanged between pseudolites. This is also necessary for the implementation of the synchronization algorithm proposed in the present invention, for which two communication schemes can be implemented.
첫째는 독립적인 무선데이터링크 모듈을 양방향 의사위성 모듈에 탑재하는 것이다. 도 5a 및 도 5c가 이러한 구현을 나타낸다. 둘째는 자신의 신호에 포함된 데이터 메시지에 해당 데이터를 실어서 송신하는 것이다. 이럴 경우, 상대방 수신기에서는 해당 신호를 받아 원하는 데이터를 추출할 수 있으며, 이런 방법으로 데이터 통신이 가능하게 된다. 도 5b 및 도 5d가 이의 구현이다. 물론 도 5b 및 도 5d의 방법을 구현하기 위해서는 의사위성 클럭의 안정도가 매우 높아야 하거나, 데이터 전송률이 높아야 한다는 단서가 붙게 된다.The first is to mount an independent wireless data link module on the bidirectional pseudo-satellite module. 5A and 5C illustrate this implementation. Secondly, the data is included in the data message included in the signal and transmitted. In this case, the counterpart receiver may extract the desired data by receiving the corresponding signal, thereby enabling data communication. 5B and 5D are implementations thereof. Of course, in order to implement the method of FIGS. 5B and 5D, there is a clue that the stability of the pseudo-satellite clock must be very high or the data rate must be high.
의사위성 모듈의 구성과 그 구현방안을 정리해서 설명하자면, 도 5c를 대표도로 설명할 수 있다. 안테나 스위칭 모듈(502)에서 안테나(501)를 송신부 또는 수신부로 스위칭할 수 있으며, 본 스위칭은 의사위성(506)의 펄싱 신호에 의하여 움직이게 된다.To summarize the configuration of the pseudo-satellite module and its implementation, FIG. 5C can be described as a representative. In the
수신기(503)는 자신이 수신한 데이터를 시각동기모듈(504)에 전달하고, 또한 무선데이터링크(507)를 통해 다른 의사위성에도 전달한다. 또한, 무선데이터링크(507)를 통해 들어온 다른 의사위성 또는 주 의사위성 모듈의 수신기로부터의 신호 역시 시각동기모듈(504)로 전달된다. 시각동기모듈(504)에서는 시각오차를 계산하고, 이에 의하여 시각동기명령을 생성하여 이를 클럭제공모듈(505)으로 전달한다. 클럭제공모듈(505)에서는 수신기(503)와 의사위성(506)에 메인 클럭을 공급하게 되는데, 수신기(503)에는 안정적인 메인 클럭을 공급하게 되고, 의사위성(506)에는 시각동기명령에 의해 제어된 클럭을 공급하게 된다. 이렇게 의사위성(506)은 제어된 클럭을 공급받게 되고, 이 클럭에 의해 신호를 생성하고 이를 송신하게 된다. 이러한 과정을 통해 의사위성(506)의 신호는 주 의사위성 내지는 위성항행시스템의 신호에 동기 된다.The
양방향 의사위성 항법시스템 설명Bidirectional Pseudo Satellite Navigation System Description
본 발명에서 제안하는 양방향 의사위성 모듈을 이용한 의사위성 정밀항법시스템(700)은 움직이는 의사위성의 클럭을 동기 시킬 수 있다는 것을 그 핵심으로 한다. 도 7a 내지 도 7c는 모두 양방향 의사위성 모듈을 이용한 의사위성 정밀항법시스템(700)을 나타낸다. 그 구현 방안은 여러 가지로 나뉘지만, 핵심 알고리즘은 거의 같다고 할 수 있다.The pseudosatellite
움직이는 의사위성 모듈에 대한 시스템System for moving pseudosatellite modules
도 7a의 의사위성 정밀 항법시스템(700)은 움직이는 양방향 의사위성 모듈을 기본으로 한다. 즉, 도 7a는 움직이는 양방향 의사위성 모듈을 형상화하기 위해 기구 모양으로 표현하였다. 그림에서처럼 양방향 의사위성 모듈은 주 양방향 의사위성 모듈(701)과 부 양 방향 의사위성 모듈(702a, 702b, 702c), 및 이동체(703)로 구성된다. 각각의 양방향 의사위성 모듈은 자신의 신호를 송신하고, 서로의 신호와 자신의 신호를 수신하게 되며, 주 양방향 의사위성 모듈(701)의 신호와 자신의 신호를 비교하여, 자신의 신호를 주 양방향 의사위성 모듈(701)의 신호에 동기하게 된다. 또 이렇게 주 양방향 의사위성 모듈(701)과 부 양방향 의사위성 모듈(702a, 702b, 702c)이 동기 되면, 주 양방향 의사위성 모듈(701)의 가시성에 문제가 생겨도 부 양방향의사위성 모듈(702a, 702b, 702c)끼리도 동기가 가능해지므로 서로의 클럭의 안정성을 유지할 수 있다. 이미 언급했듯이 양방향 의사위성 모듈은 모두 움직이고 있으며, 이동체(703) 역시 움직이는 상황이다. 움직이고 있는 양방향 의사위성 모듈은 서로의 위치 정보 없이 클럭을 동기할 수 있으며, 이로 인해 이동체(703)는 클럭 보정 정보 없이 단독항법 알고리즘으로 자신의 위치를 구할 수 있다. The pseudosatellite
도 8은 도 7의 동기식 의사위성 시스템에서의 이동체(703)의 구성도이다. 비동기 의사위성 시스템(100)의 이동체의 구성도(도 3)와 비교했을 때, 본 발명에 따른 양방향 의사위성 모듈을 이용한 의사위성 정밀항법시스템의 이동체(703)는 추가적인 무선데이터링크 장비가 필요치 않기 때문에, 사용자 입장에서 보다 간단한 사용이 가능하며 비용적인 측면에서도 훨씬 큰 이익이 된다.FIG. 8 is a configuration diagram of the
고정된 의사위성 모듈에 대한 시스템System for Fixed Pseudo Satellite Module
도 7a가 움직이는 의사위성에 대한 것이라면, 도 7b는 고정되어 있는 양방향 의사위성 모듈을 이용한 의사위성 항법시스템(700)이다. 도 7b의 시스템을 보면, 모든 의사위성 모듈이 고정되어 있는 상태이며, 따라서 기준국이 없다는 점을 제외하면 도 4의 종래기술에 따른 동기식 의사위성 정밀 항법시스템(400)과 유사하다.If FIG. 7A is for a moving pseudosatellite, FIG. 7B is a
그러나 종래의 동기식 의사위성 정밀 항법시스템이 기준국에서 각 의사위성 들의 신호를 수신하여 시각 동기 정보를 생성하는 반면에 본 발명에 따른 고정되어 있는 양방향 의사위성 모듈을 이용한 의사위성 항법시스템은 기준국 없이 양방향 의사위성 모듈 자체적으로 시각 동기 정보를 생성하여 자신의 클럭을 주 양방향 의사위성 모듈(701)의 클럭에 맞추게 된다. 또한 종래의 동기 알고리즘이 각 의사위성과 기준국의 위치 정보를 이용하는데 반해서, 본 발명의 동기 알고리즘은 어떠한 위치정보도 이용치 않고, 의사위성의 클럭을 동기하게 된다. However, the conventional synchronous pseudo-satellite navigation system generates visual synchronization information by receiving signals of each pseudo-satellite from the reference station, while the pseudo-satellite navigation system using the fixed bidirectional satellite module according to the present invention has no reference station. The bidirectional pseudo-satellite module generates time synchronization information by itself and adjusts its clock to the clock of the main bidirectional
따라서, 종래의 동기 알고리즘의 경우 의사위성의 위치 오차가 의사위성 시각 동기에 영향을 미치는데 반해서 본 발명에서 제안하는 시각 동기 알고리즘에서는 각 의사위성의 위치 오차가 시각 동기에 영향을 미치지 않는다. 이로 인해 보다 정확한 시각 동기가 가능하게 된다.Therefore, in the conventional synchronization algorithm, the positional error of the pseudo-satellite affects the pseudo-satellite time synchronization, whereas the positional error of each pseudo-satellite does not affect the time-synchronization in the time synchronization algorithm proposed by the present invention. This enables more accurate time synchronization.
위성항행 시스템과 의사위성 모듈의 통합 시스템Integrated system of satellite navigation system and pseudosatellite module
또한, 본 발명에서 제안하는 시스템은 위성항행시스템과의 통합이 가능하다. 위성항행시스템은 현재 가동중인 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS 그리고 앞으로 가동 예정인 유럽의 Galileo를 포함한다. 현재 가동중이며, 가장 대중화되어있는 GPS를 중심으로 설명하자면, GPS와 의사위성을 함께 사용하는데 있어서 가장 큰 제약은 클럭이 동기되어있지 못하다는 것이다. 이로 인해 매우 큰 시계 오차가 발생한다. In addition, the system proposed in the present invention can be integrated with the satellite navigation system. Satellite navigation systems include the current GPS in the US, GLONASS in Russia and Galileo in Europe. Focusing on the most popular and popular GPS, the biggest limitation in using GPS and pseudo-satellite is that the clock is not synchronized. This results in very large clock errors.
이를 보정하는 방법은 시계 오차를 계산하여 이동체에게 전송해주는 방법이 있는데, 이 방법을 이용할 경우, 이동체는 부가적인 데이터링크 장비가 반드시 필요하므로 효용성적인 측면에서 문제가 생긴다. 또 하나의 방법은 의사위성의 클럭을 GPS에 동기하는 것이다. 이 방법의 경우는 이동체가 단독항법알고리즘으로 자신의 위치를 구할 수 있게 되므로 효용성이 크게 증가한다. 이를 위해서는 GPS와 의사위성의 클럭 동기가 우선 해결되어야 하며, 본 발명에서 제안하는 양방향 의사위성 모듈을 이용할 경우 GPS에 의사위성의 클럭을 동기하는 것이 가능하다. One way to correct this is to calculate the clock error and send it to the mobile. When using this method, the mobile device must have additional data link equipment, which causes problems in terms of utility. Another way is to synchronize the pseudolite's clock with GPS. In this method, since the moving object can find its position by a single navigation algorithm, the utility greatly increases. For this purpose, the clock synchronization of the GPS and the pseudo satellite must be solved first. When using the bidirectional pseudo satellite module proposed in the present invention, it is possible to synchronize the clock of the pseudo satellite with the GPS.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따라 GPS 위성(705)과 양방향 의사위성 모듈(704a 내지 704d)이 통합된 항법시스템을 나타낸다. GPS 위성(705)과 양방향 의사위성 모듈(704a 내지 704d)의 클럭 동기 알고리즘은 양방향 의사위성 모듈끼리의 동기 알고리즘과는 약간 다르다. 본 알고리즘의 경우는 GPS 위성(705)과 양방향 의사위성 모듈(704a 내지 704d)의 위치 정보를 이용해야 한다.7C illustrates a navigation system incorporating a
시각동기Time synchronization 알고리즘 - algorithm - 시각오차Visual error 계산 방안 Calculation plan
이제 본 발명의 핵심인 동기 알고리즘에 대해 설명하겠다. 본 발명에서 제안하는 의사위성의 클럭 동기 알고리즘은 양방향 거리 측위 기법을 이용한다. 도 9는 양방향 의사위성 모듈의 클럭 동기 알고리즘을 설명하기 위한 구성도이다. 도 9의 좌측이 주 양방향 의사위성 모듈(701)이라 하고, 우측이 부 양방향 의사위성 모듈(702)이라 할 때, 주 양방향 의사위성 모듈(701)은 기준 클럭이 되므로 시각동기모듈이 필요 없게 된다. 따라서 부 양방향 의사위성 모듈(702)에만 시각동기모듈(902)이 포함된다. 본 동기 알고리즘의 구현을 위해서는 양방향 의사위성 모듈은 상대방의 신호뿐만 아니라 자신의 신호도 수신할 수 있어야 한다. 이를 수학적으로 이해하기 위해 아래 수학식을 참조하자.The synchronization algorithm, which is the core of the present invention, will now be described. The pseudosynchronous clock synchronization algorithm proposed in the present invention uses a bidirectional distance positioning technique. 9 is a block diagram illustrating a clock synchronization algorithm of a bidirectional pseudo-satellite module. When the left side of FIG. 9 is referred to as the main bidirectional
실제로 주 양방향 의사위성 모듈(701)의 측정치를 부 양방향 의사위성 모듈(702)로 보내주는 시간이 걸리기 때문에 딜레이가 존재하지만, 그 값은 매우 작다고 가정할 수 있으므로, 이를 무시하자.In fact, the delay exists because it takes time to send the measurements of the primary
먼저 의사거리 측정치에 대해서 단일차분하면 아래 수학식 6과 같은 식을 얻을 수 있다.First, a single difference with respect to the pseudorange measurement can be obtained as shown in Equation 6 below.
그리고 수학식 6에서 얻어진 두 식을 더하고, 이 식을 정리하면 수학식 7을 얻는다.Then, two equations obtained in equation (6) are added and the equations are summed up to obtain equation (7).
수학식 7에서 우리가 얻을 수 있는 값은 바로 주 양방향 의사위성 모듈(701)과 부 양방향 의사위성 모듈(702)간의 시각오차값인 ()이다. 의사거리의 잡음 수준이 약 1m 정도 이므로, 위의 방법으로 부 양방향 의사위성 모듈(702)의 클럭을 주 양방향 의사위성 모듈(701)의 클럭에 동기시킬 경우, 약 1-2m 정도의 정확도로 동기가 가능하다.In Equation 7, the value we can obtain is the visual error value between the primary bidirectional
의사거리와 마찬가지로 반송파 위상 측정치를 단일 차분하면 아래 수학식 8 을 얻을 수 있다.Similarly to pseudorange, the following
그리고 수학식 8의 측정치의 단일차분 값을 서로 더하여 정리하며, 의사거리 측정치를 이용한 수학식 7과 마찬가지로 수학식 9처럼 주 양방향 의사위성 모듈(701)과 부 양방향 의사위성 모듈(702) 간의 시각오차값인 ( )을 얻을 수 있다. 게다가 반송파 위상 측정치의 잡음 수준이 약 3mm인 것을 감안할 때, 반송파 위상 측정치를 이용하여 클럭을 동기시키면 mm 수준의 클럭 동기가 가능하다.The sum of the single difference values of the measured values of
물론 반송파 위상 측정치를 사용하기 위해서는 미지정수 ()을 풀어야 한다. 미지정수를 해결하는 방법은 여러 가지가 있으므로 여기서는 이에 대한 것은 생략하겠다.Of course, in order to use the carrier phase measurement, ) Must be solved. There are several ways to solve the unknown, so I will skip this here.
위 수학식 7과 수학식 9를 이용하면, 어떠한 위치 정보 없이 주 양방향 의사위성 모듈(701)과 부 양방향 의사위성 모듈(702) 간의 시각오차를 구하는 것이 가능하다. 따라서 도 7a처럼 움직이는 의사위성 모듈에 대해서도 각 의사위성 모듈 간의 클럭 동기가 가능하게 된다.Using Equations 7 and 9 above, it is possible to obtain a visual error between the main bidirectional
시각동기Time synchronization 알고리즘 - algorithm - 시각동기Time synchronization 과정 process
수학식 7과 수학식 9를 통해서 각 의사위성 모듈 간의 클럭 차이를 알아낼 수 있다. 이후 의사위성 모듈 간의 클럭 차이를 이용하여 클럭을 동기하기 위한 절차에 들어가는데, 이는 도 10을 참조한다. Equations (7) and (9) can be used to determine the clock difference between each pseudosatellite module. Thereafter, a procedure for synchronizing clocks using clock differences between pseudosatellite modules is described, which is described with reference to FIG. 10.
시각동기모듈(902)에서는 시각오차를 이용해 클럭 동기 명령을 생성하는데, 시각동기모듈(902)은 크게 시각오차 계산부(1000)와 시각동기루프필터수단(1001)의 두 부분으로 나뉜다. 시각오차 계산부(1000)에서는 수신기로부터의 데이터에서 의사위성 모듈 간의 시각오차를 계산하고, 시각동기루프필터수단(1001)에서는 계산된 시각오차를 이용해 시각동기명령을 생성한다. 즉, 시각동기모듈(902)에서 수신기의 측정치를 받아서 시각오차 계산부(1000)를 통해 각 의사위성 모듈 간의 시각오차()를 계산하고, 시각동기루프필터수단(1001)을 통해 시각동기명 령(U k )을 생성하여 이를 클럭제공모듈(904)에 보내게 된다.The
클럭제공모듈(904)은 크게 두 부분으로 구성되어 있는데, 기준클럭(Ref CLK)을 생성하는 기준클럭생성부(1002)가 그 하나이고, 기준클럭을 이용하여 시각동기명령(U k )에 의해 알맞게 제어된 클럭을 생성하는 수치제어클럭생성부(1003)가 또 다른 부분이다. 수치제어클럭생성부(1003)에서는 원하는 클럭을 생성하여 이를 의사위성 모듈에 공급하게 되며, 이러한 과정을 통해 의사위성 모듈의 클럭은 다른 의사위성 모듈의 클럭에 동기된다.The
발명에 대한 개요 설명Overview of the invention
도 11을 참조할 때, 본 발명에 따르면 각 부 양방향 의사위성 모듈(702)의 수신기(901)에서 주 의사위성 모듈로부터의 신호 및 자기 신호를 동시에 수신하고, 시각동기모듈(902)에서 클럭의 차이를 계산하고, 이를 보정할 수 있는 동기 명령을 생성하여 클럭제공모듈(904)으로 보낸다. 클럭제공모듈(904)에서는 시각동기모듈(902)에서 전달받은 명령에 따라서 클럭을 생성하고, 그 클럭을 의사위성(906)과 수신기(901)에 제공하여 의사위성은 자신의 클럭을 제어할 수 있게 된다.Referring to FIG. 11, according to the present invention, a
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 구현할 수 있게 된다. 또한 이미 언급했듯이, 본 발명 의 시각동기 알고리즘에서는 의사위성 및 기타 어떤 위치 정보도 사용하지 않고 의사위성 클럭의 동기가 가능하므로, 움직이는 이동체에 의사위성을 탑재해도 의사위성 클럭의 동기가 가능하게 된다.As a result, if each pseudo-satellite group is motivated to the main pseudo-satellite, the moving object can be positioned with the accuracy of about centimeter or meter without correction information generated by the reference station, and connects the reference station and the mobile to transmit the correction information. It is possible to implement a precision navigation system that does not require a data link. As already mentioned, in the optical synchronization algorithm of the present invention, the pseudo-satellite clock can be synchronized without using the pseudo satellite and any other positional information, so that the pseudo-satellite clock can be synchronized even when the moving satellite is mounted on the moving satellite.
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.That is, according to the present invention, it is possible to implement a navigation system that can accurately calculate its position without receiving correction information by accurately synchronizing the clock of a pseudo satellite that transmits the same signal as a GPS satellite.
또한, 본 발명의 양방향 의사위성 모듈은 기존의 또는 개발될 위성항행시스템인 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS 그리고 유럽의 Galileo 등과의 시각 동기도 가능하며, 이럴 경우 위성항행시스템과 통합하여 사용도 가능하다. 사용자 입자에서는 위성항행시스템의 약점 내지는 정확도 등을 양방향 의사위성 시스템에 의해 보정 받을 수 있다.In addition, the bidirectional pseudo-satellite module of the present invention is capable of visual synchronization with existing or developed satellite navigation systems such as the GPS of the United States, GLONASS of Russia, and Galileo of Europe. In this case, the bidirectional satellite module of the present invention may be integrated with the satellite navigation system. . In the user particle, weakness or accuracy of the satellite navigation system can be corrected by the bidirectional satellite system.
따라서, 본 발명에 따르면 의사위성항법시스템은 시각 동기된 의사위성을 이용하여 이동체의 위치를 결정하기 때문에 의사위성 간 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. 게다가 움직이는 이동체에 의사위성을 탑재할 수가 있기 때문에 의사위성은 고정되어야 한다는 한계를 극복할 수가 있다.Therefore, according to the present invention, since the pseudo-satellite navigation system determines the position of the moving object using the time-synchronized pseudo-satellite, a reference station for measuring clock difference information between pseudo-satellites, that is, pseudo range and carrier phase correction information, is unnecessary. In order to transmit information to the mobile, no data link is required between the reference station and the mobile. In addition, an additional algorithm is unnecessary to synchronize the sampling time of the mobile station and the reference station according to the data link setting between the reference station and the mobile station. In addition, since the pseudo-satellite can be mounted on a moving vehicle, the pseudo-satellite can be overcome.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 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.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the technical field of the present invention without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.
상기된 바와 같이 본 발명에 따라 양방향 의사위성 모듈을 이용한 항법시스템에서 의사위성 클럭을 동기시킴으로써 반송파 위상 혹은 의사거리에 포함되어 있는 의사위성 시각오차가 모두 동일해져 더 이상 이동체는 기준국의 보정정보에 의존하지 않고도 자신의 위치를 정확하게 계산할 수 있다.As described above, by synchronizing the pseudo-satellite clock in the navigation system using the bi-directional pseudo-satellite module according to the present invention, the pseudo-satellite visual errors included in the carrier phase or pseudo-distance are all the same, and thus the mobile body is no longer subject to correction information of the reference station. You can calculate your position accurately without relying on it.
또한, 어떠한 거리 정보 내지는 위치 정보도 이용하지 않고 동기가 가능하기 때문에, 움직이는 이동체에 양방향 의사위성 모듈을 탑재하여 사용하는 것이 가능하게 된다.In addition, since synchronization is possible without using any distance information or position information, it becomes possible to mount and use a bidirectional pseudo-satellite module on a moving object.
즉, 본 발명에 따르면 의사위성항법시스템은 시각 동기된 양방향 의사위성 모듈을 이용하여 이동체의 위치를 결정하기 때문에 의사위성 간 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.That is, according to the present invention, since the pseudo-satellite navigation system determines the position of the moving object using the time-synchronized bidirectional pseudo-satellite module, a reference station for measuring clock difference information between pseudo satellites, that is, pseudo range and carrier phase correction information, is unnecessary. In order to transmit the correction information to the moving object, no data link is required between the reference station and the moving object. Further, an additional algorithm is also unnecessary for synchronizing the sampling time of the mobile station and the reference station according to the data link setting between the reference station and the mobile station.
그리고 이동체에 본 양방향 의사위성 모듈을 탑재한 상태에서도 의사위성 간의 시각동기가 가능하기 때문에, 그 구현에 있어서 종래의 기술에 비해 설치 및 운 용 등의 한계가 매우 적으며, 또한 기타 응용의 범위가 매우 넓어지게 된다.In addition, since the two-way pseudo-satellite module is mounted on the mobile body, visual synchronization between pseudo-satellites is possible, and thus the implementation and operation of the bi-directional pseudo-satellite module are much smaller than those of the prior art. It becomes very wide.
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