KR20000022804A - 고속 ｇｐｓ 기반의 측위를 위한 통신 네트워크 초기화 장치및 방법 - Google Patents

Abstract

통신 네트워크(10)를 사용하여 (특정 설계에 있어서, 통신 네트워크는 GEM(Geo-Mobile) 위성 시스템이다.), GPS 수신기(19)가 고속으로 GPS 위성 신호를 획득하고 측위 계산을 수행할 수 있도록 (휴대용 사용자 단말기(18), 또는 통신 네트워크(10) 내에 사용된 전화기에 일체화된 것과 같은) GPS(Global Positioning System) 수신기(19)를 초기화하는 장치와 방법이 개시된다. GPS 수신기(19)에 중요한 정보 (GPS 위성 경로, 시간 추정, 위치 추정, 및 추가의 위치 참조)를 체계적으로 제공함으로써, GPS 수신기(19)의 TTFF(the time to first fix)가 극적으로 감소될 수 있다.

Description

고속 ＧＰＳ 기반의 측위를 위한 통신 네트워크 초기화 장치 및 방법 {COMMUNICATION NETWORK INITIALIZATION APPARATUS AND METHOD FOR FAST GPS-BASED POSITIONING}

1998년 11월 25일자로 출원한 미국 가특허 출원 제60/109,963호, 1998년 9월 1일자로 출원한 미국 가특허 출원 제60/098,664호, 및 1998년 9월 1일자로 출원한 미국 가특허 출원 제60/098,686호의 우선권을 USC 199 (e)에 따라 이에 의하여 주장한다.

본 발명은 전체적으로 통신 네트워크용의 GPS(Global Positioning System) 수신기를 초기화하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 GPS 수신기를 개시할 때 GPS 수신기의 위치를 고속으로 결정하는 것을 용이하게 하는 방식에 의해, 통신 네트워크의 일부를 형성하는 GPS 수신기를 초기화하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

전형적으로, GPS 수신기는 최근 동작동안 메모리에 저장된 GPS 위성 궤도 파라미터, 가동 중인 클럭 또는 사용자 입력으로부터의 시간 추정, 및 "객관적인(cold) 개시"보다는 빠르게 개시하기 위한, 메모리 또는 사용자 입력으로부터의 위치 추정에 의존한다. 이러한 정보 중 어느 하나가 누락되면, 객관적인 개시가 필요할 것이고, TTFF(the time to first fix)은 1 내지 3분일 수 있다.

일반적으로, 통신 네트워크에 통합된 GPS 수신기를 위한 일반적인 방법은 정점(fix)을 얻고 지역 클럭을 재동기화시키며 GPS 파라미터를 전송받기 위해 GPS 위성을 연속적으로 추적하거나, 일정 시간 간격으로 GPS 위성을 주기적으로 추적하는 것이다. 이러한 방법의 단점은: 1) 일반적으로 획득 시간이 보다 길고; 2) 전력 소비 및 프로세싱 드레인이 보다 커지게 되며; 그리고 3) 단말기가 달리 사용 중이지 않을 때에도 자주 GPS를 획득할 필요성(휴대용 단말기의 경우, 특히 문제가 있다; 단말기가 사용되지 않을 경우에는 주머니나 서류 가방과 같은 장소에 있을 수 있는데, 이러한 장소는 GPS 위성 가시 범위가 매우 좋지 않은 곳이다.)이 있다는 것이다.

또 다른 방법은 전체적으로 통합하는 방법에 관한 것으로, 단말기는 중재 GPS 측정값들을 네트워크에 보고하고, 네트워크는 실제 측위 계산을 수행한다. 이러한 방법의 단점은: 1) 단말기로부터 네트워크로의 데이터 전송을 증가할 필요가 있고; 2) 각각의 단말기를 개별적으로 처리하기 위한 복잡한 네트워크 전산 시설이 요구되며; 3) 네트워크가 이용가능하지 않을 때 단말기가 GPS 측위를 수행할 수 없다는 것이다.

Navsys, Inc. 및 Snaptrack, Inc에 의해 개발된 시스템과 같이 주로 응급-911(Emergency-911) 시스템용의 통신 네트워크에서 최근에 생긴 기술들은 단말기의 위치 결정에 전체적으로 통합된 방법을 사용하는데, 이러한 위치 결정은 원격 단말기와 네트워크 하부 조직 간의 견고한 핸드셰이킹 및 연대 처리를 요구한다는 것을 의미한다 (본 명세서에서는, "단말기(terminal)"라는 용어를 셀룰러 전화기와 같이 통신 네트워크 내의 이동성 있는 유닛으로서 기술한다.)

본 발명은, 통신 네트워크 (특정 설계에서는, GEM(Geo-Mobile) 위성 통신 네트워크 시스템이다.)를 이용하여 (휴대용 사용자 단말기 내에 포함된 GPS 수신기와 같은) GPS 수신기를 초기화시켜 GPS 수신기가 GPS 위성 신호를 신속하게 획득하여 측위 계산을 수행하게 하는 포괄적인 방법에 관한 것이다. 예를 들어 GPS 위성 궤도, 시간 추정, 위치 추정, 및 추가 위치 참조와 같은 중요한 정보를 체계적으로 GPS 수신기에 공급함으로써, GPS 수신기의 TTFF가 상당히 감소될 수 있다. 본 발명의 신규한 한 가지 특성은, 상기와 다른 방법으로 GPS 수신기에 이용가능하지 않을 수 있는 정보를 결정하고 제공하기 위해 GEM 시스템이 취하는 일련의 행위들이다.

본 발명은, 임의의 단말기 및 모든 단말기가 GEM 위성의 범용 방송에 의해 임의의 시점에서 초기화될 수 있지만 통신 네트워크의 광범위한 계층에 적용될 수 있는 GEM 위성 전화 네트워트에 유용하다. 네트워크는, 단말기 (예를 들어, 무선 전화기)가 네트워크에 요구하는 각각의 호출 전에 그 위치를 결정하고 보고하는 것을 요구할 수 있다. 이러한 이유로, 각각의 단말기 내에 고속 GPS를 기반으로 한 측위 성능이 요구된다. 본 발명은, 최소한의 GPS 획득 시간을 얻는 데 요구되는 정보로, 모든 단말기를 자동으로, 그리고 동시에 초기화하는 성능을 제공한다.

다음 5가지의 정보가 단말기에, 즉 통합된 GPS 수신기에 이용가능하면, 최소 위치 결정 시간이 달성될 수 있다고 결정된다:

1. 단말기의 가시 범위 내에 있는 모든 GPS 위성들에 대한 궤도 경로를 기술하며, 적절한 시점에서 소정의 순간 (수신기가 자신의 위치를 계산하는 데 있어 중요한 단계임)에 위성 위치를 계산하기 위해 단말기에 의해 사용되는 위성 파라미터들;

2. 수 밀리세컨드(milisecond) 이내까지의 GPS 시간 추정;

3. 수백 킬로미터(kilometer) 이내까지의 개략적인 위치 추정;

4. GPS 달력(almanac); 및

5. 추가 위치 참조.

본 기술 분야의 숙력자에 의해 이해될 것이겠지만, 단말기의 가시 범위에 있는 모든 GPS 위성들에 대한 궤도 경로는 최적으로 제공된다. 그러나, 본 발명은 또한 가시 범위 내에 있는 모든 GPS 위성보다는 소수의 GPS 위성의 궤도 경로를 이용하는 것을 시도하였다.

본 발명에 따른 시스템은 도달 범위 영역 내에 있는 모든 단말기의 상기 5가지 정보 모두를 연속적으로 결정하고 제공하여, 임의의 단말기는 임의의 시점에서 고속 위치 결정할 수 있다.

예를 들어, GEM 시스템은 이하 설명되는 다음 중요한 정보들을 제공하도록 설계된다:

1. GPS 위성 경로: 각각의 지상국은, 모든 가시 범위에 있는 GPS 위성을 추적하며 연속적으로 활동하는 GPS 수신기를 제공하고, 모든 지상국에 대한 GPS 위성들의 궤도를 정확하게 기술한 위성 파라미터를 저장한다. 지상국은 어떤 GPS 위성이 각각의 구별된 서비스 영역 (스폿 빔)의 가시 범위 내에 있는지를 예측하고, GEM 위성은 각각의 스폿 빔을 통해서 이러한 GPS 위성에 대한 (지상국에서 계산된) 지역 경로 계수를 방송한다.

2. GPS 시간: 지상국은 지상국의 활동하는 GPS 수신기를 통해 GPS 시간과 동기화된다. 전파 지연을 수 밀리세컨드 이내로 조정한 GPS 시간이 위성 정보와 함께 방송된다.

3. 개략적인 위치 추정: 단말기는 인접 스폿 빔에서 방송 채널의 상대 신호 강도를 측정한다. 약 1,000㎞까지의 위치 추정 정확도가 용인될 수 있지만, 위치 추정은 상기 측정을 기초로 하여 전형적으로 약 100㎞까지 정확하게 계산될 수 있다.

4. GPS 달력은 지상국에 전송되고, 도달 범위 영역까지 재방송된다.

5. 네트워크 초기화를 진행하면서, 그리 좋지 못한 GPS 가시 상태에서의 GPS 획득이 있을 수 있다. 위치 정확도에서 얼마간의 저하가 용인될 수 있다면, (예를 들어, 2 마이크로세컨드 이내까지 정확한) 극히 정확한 시간 참조는, 요구된 GPS 위성 신호 획득의 수를 3 내지 4까지 감소할 수 있다. 만일 통신 네트워크가 (고도, 및/또는 소정의 기준으로부터의 거리와 같은) 중요한 위치 정보를 제공할 수 있다면, 필요한 GPS 위성의 수는 더 감소될 수 있다.

본 발명의 한 특성에 따르면, GPS 수신기 위치를 정확하게 추정하기 위한 GPS 위성 신호를 고속으로 획득하기 위해 GPS 수신기를 초기화하는 방법이 제공된다. 이 방법은: GPS 수신기의 가시 범위 내에 있는 하나 이상의 GPS 위성의 궤도 경로를 나타내는 신호를 방송하는 단계; 시간 동기화 신호를 방송하는 단계; 계산될 수 있는 GPS 수신기 위치의 개략적인 추정을 계산하는 단계; 및 궤도 경로, 시간 동기화 신호, 및 GPS 수신기 위치의 개략적인 추정을 나타내는 신호를 GPS 수신기에 삽입하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 시간 동기화 신호는 약 5 밀리세컨드 이내까지 정확하고, GPS 수신기 위치의 개략적인 추정은 약 1,000킬로미터 이내까지 정확하다.

바람직하게, 궤도 경로 신호는 사용되지 않는 통신 채널를 이용하여 위성을 통해 방송된다. 또한 바람직하게, 시간 동기화 신호도 사용되지 않는 통신 채널을 이용하여 위성을 통해 방송된다.

명백하게, (예를 들어, 수 마이크로세컨드 이내까지) 극히 정확한 시간 동기화 신호를 갖는 것은 바람직하다. 그러나, 그러한 정확성 수준은 일반적으로 실행가능하지 않다.

본 발명의 또 다른 특성에 따르면, 통신 네트워크는 적어도 하나의 통신국과 다수의 GPS 위성, 그리고 하나의 단말기를 포함한다. 통신국은 통신 신호, GPS 위성 경로 신호, 및 신호 동기화 신호를 단말기로 송신하기 위한 성능을 포함한다. 단말기는, 통신국으로부터 통신 신호들을 수신하기 위한 장치, 통신 신호를 통신국으로 송신하기 위한 장치, GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하기 위한 장치, 및 GPS 위성 경로 신호와 시간 동기화 신호를 처리하여 단말기의 위치를 신속하게 결정하기 위한 장치를 포함한다.

본 발명의 또 다른 특성에 따르면, 원격 GPS 수신기 위치를 정확하게 추정하기 위한 GPS 위성 신호를 신속하게 획득하기 위해 원격 GPS 수신기를 초기화하는 방법이 제공된다. 이 방법은: 정확한 GPS 위성 경로를 계산하며, 고정된 위치에서 활동하는 GPS 수신기를 제공하는 단계; 원격 GPS 수신기의 가시 범위 내에 있는 하나 이상의 GPS 위성의 정확한 GPS 위성 경로를 나타내는 신호를 방송하는 단계; 원격 GPS 수신기 위치의 개략적인 추정을 계산하는 단계; 및 궤도 경로, 시간 동기화 신호, 및 원격 GPS 수신기 위치의 개략적인 추정을 원격 GPS 수신기에 삽입하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 특성에 따르면, 통신 네트워크에 사용되기 위한 단말기가 제공된다. 통신 네트워크는 적어도 하나의 통신국과 다수의 GPS 위성을 포함한다. 통신국은 통신 신호, GPS 위성 경로 신호, 및 시간 동기화 신호를 단말기로 송신하기 위한 장치를 포함한다. 단말기는 통신국으로부터 통신 신호를 수신하기 위한 장치, 통신 신호를 통신국으로 송신하기 위한 장치, GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하기 위한 장치, 및 GPS 위성 경로와 시간 동기화 신호를 처리하여 단말기의 위치를 신속하게 결정하기 위한 장치를 포함한다.

본 발명의 또 다른 특성에 따른면, 통신 네트워크에 사용되기 위한 게이트웨이가 제공된다. 통신 네트워크는 적어도 하나의 단말기와 , 하나의 통신 위성, 그리고 다수의 GPS 위성을 포함한다. 게이트웨이국은 연속-추적 GPS 수신기, 각각의 단말기의 가시 범위 내에 있는 GPS 위성에 대한 GPS 위성 경로 데이터를 계산하기 위한 장치, 각각의 단말기에 대한 개략적인 위치 추정을 계산하기 위한 장치, 및 GPS 위성 경로 데이터, 시간 동기화 신호, 및 개략적인 위치 추정을 나타내는 신호를 단말기 각각에 송신하기 위한 장치를 포함한다.

본 명세서에 개시된 본 발명은, 단말기들이 독립적이고 완전한 기능성의 GPS 수신기를 구비하고 있다는 독특한 장점을 가진다. 본 발명은 GPS 수신기의 동작을 대체하는 것이 아니라 GPS 수신기 동작의 속도를 상당히 빠르게 하기 위한 보완의 역할을 한다. 따라서, 각각의 단말기는 통신 네트워크가 이용가능하지 않을 때조차도 완전한 GPS 기능을 가진다. 게다가, 단말기 위치를 계산하는 데 요구되는 핸드셰이킹은, 통신 네트워크로부터 단말기들로 일방향 범용 방송이 된다. 수백 ㎞까지의 소정의 지리학적 클러스터 내의 모든 단말기는 동일한 정보를 수신하고, GPS 획득 속도가 빨라지게 된다. 어떤 정보도 단말기로부터 네트워크로 전송되도록 요구되지 않는다. 위치가 계산되면, 그 위치는 단말기의 사용자에게 즉시 표시되도록 이용가능하고, 원한다면 네트워크로 전송될 수 있다.

본 발명을 이용하면, GEM 시스템은 메모리의 내용, 동작 중인 클럭, 및 사용자의 개입에 관계없이, 개시를 최적화하기에 충분한 정보를 GPS 수신기에 자동적으로 공급하게 된다. 그 결과로, 보다 일관성있고, 전형적으로 단지 수 초만 걸리는, 초고속 초기 위치 정점을 얻게 된다.

본 발명은 높은 고객 만족 및, 단말기 내의 전력 절약을 제공하는데, 특히 단말기가 한정된 배터리 충전량을 가진 휴대용 핸드세트인 경우 중요하다. 더욱이, 사용자가, 호출이 가능하게 되기 전에 GPS 위치 정점을 요구하는 네트워크에 전화 호출를 하게 될 때마다 특히 효과적이다. 1 내지 3분간 호출 셋업을 일관되게 지연하는 GPS 측위 기능은 생산 품질에 상당한 효과를 나타낼 것이다. 본 발명의 이용으로, GPS 처리는 등록 또는 호출 셋업을 겨우 수초 지연한다. 본 발명의 두번째 이점은 일단 GPS 위치를 획득하면, GPS 수신기는 턴 오프 될 수 있다는 것이다. GPS 수신기가 온인 동안 약 0.5W까지 소비할 수 있어서, 본 발명을 이용함으로써 정기적인 소비량을 크게 감소시킬 수 있고, 그러므로 전력 소비를 감소시키게 된다.

또 다른 목적 및 부수적인 이점들과 함께 본 발명 그 자체는 첨부된 도면과 관련하여 이하 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 위성 통신 네트워크의 개략도.

도 2는 본 발명에 따라, 위성 통신에 의한 지구 상에 투사된, 겹쳐진 스폿 빔의 예시적인 패턴의 개략도.

도 3은 도 1의 위성 통신 네트워크의 일부를 형성하는 GPS 위성의 개략적인 외견상의 정면도.

도 4는 본 발명에 따라, 고속 위치 결정을 위한 GPS 수신기를 초기화하는 방법을 도시한 순서도.

도 5는 하나의 위성과 그 위성으로부터 발산된 스폿 빔들의 개략도로써, 위도에 대한 함수에 따라 지구 상에 투사된 스폿 빔 각각의 직경을 증가시키는 것을 도시하는 도면.

도 6은 하나의 위성과 그 위성으로부터 발산된 스폿 빔들의 개략도로써, 상대 전력 측정을 기초로 한 사용자 단말기 위치 추정을 결정하는 제1 방법에 사용되는 좌표 변환 과정에서 스폿 빔들이 맵핑되는 2-D 평면을 도시하는 도면.

도 7은 하나의 위성과 그 위성으로부터 발산된 스폿 빔들의 개략도로써, 상대 전력 측정을 기초로 한 사용자 단말기 위치 추정을 결정하는 제1 방법에 사용되는 거리 및 각도를 도시하는 도면.

도 8은 3개의 인접 스폿 핌의 개략도로써, 상대 전력 측정을 기초로 한 사용자 단말기 위치 추정을 결정하는 제1 방법에 사용되는 단말기 위치를 추정하는 데 동일한 상대 전력의 라인을 이용하여 탐색 과정을 도시하는 도면.

도 9는 3개의 인접 스폿 핌의 개략도로써, 상대 전력 측정을 기초로 한 사용자 단말기 위치 추정을 결정하는 제1 방법에 사용되는 거리 및 각도를 도시하는 도면.

도 10은 3개의 가장 강한 인접 스폿 빔으로부터 측정된 상대 전압과 동일하며 일정한 상대 전압의 지점들의 세트를 알아 냄으로써 상대 전력 측정을 기초로 한 사용자 단말기 위치를 추정하기 위한 제2 방법의 개략도.

도 11은 지구(21)의 표면 상에 위치한 3개의 가장 강한 스폿 빔이 2-D 평면 상에서 끝나도록 공간 내에서 회전시킴으로써 상대 전력 측정을 기초로 한 사용자 단말기 위치를 추정하기 위한 제2 방법의 개략도.

도 12는 3개의 가장 강한 스폿 빔이 2-D 평면 상에서 끝나도록 공간 내에서 이동시킴으로써 상대 전력 측정을 기초로 한 사용자 단말기 위치를 추정하기 위한 제2 방법의 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 위성 네트워크

12 : GEM 위성

14 : GPS 위성

16 : 게이트웨이

18 : 터미널

19 : GPS 수신기

20 : 연속-추적 GPS 수신기

21 : 지구

22 : 스폿 빔

이제부터 GEM 위성 통신 네트워크 시스템에 대한 본 발명의 방법의 현재 응용과 관련하여 본 발명을 설명한다. 그러나, 본 발명은 어떠한 무선 통신 네트워크에도 응용할 수 있다.

하기 설명할 본 발명의 특성 각각에 대하여, GEM 시스템에 사용되도록 설계된 특정 방법 뿐만 아니라 통신 네트워크의 광범위한 계층에 적용될 수 있는 일반적인 방법을 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 위성 네트워크(10)는 하나의 GEM 위성(12), 다수의 GPS 위성(14), 하나의 게이트웨이(16), 및 다수의 터미널(18)을 포함한다. 터미널(18) 각각은 하나의 GPS 수신기(19)를 포함한다.

전원을 켜면(도 4의 블럭(54)), 도 4의 블럭 (56)에 도시된 바와 같이, 각각의 터미널(18)은 가시 범위 내의 GPS 위성(14)에 대한 위치 데이터와 시간 신호를 즉시 수신하고, GPS 수신기(19)의 개략적인 위치 추정을 수행한다. 예를 들어, 개략적인 위치 추정은 간단히 GPS 수신기(19)가 위치해 있는 스폿 빔(22)의 지식을 기초로 할 수 있다. (지상의 셀룰러 응용에 있어서, 셀들은 전형적으로 직경 수 마일 정도일 뿐이며, 따라서 개략적인 위치 추정은 GPS 수신기(19)를 포함하는 셀의 지식을 기초로 할 수 있다.)

단말기(18) 내의 GPS 수신기(19)가 초기화되고, 정확한 위치 계산을 수행하는 것이 가능하게 된다 (도 4의 블럭(58)). 단말기(18)는 계산된 위치를 수신하고 (도 4의 블럭(59)), GEM 위성(12)으로 계산된 위치를 전송한다 (도 4의 블럭(60)).

GPS 위성 경로의 제공:

일반적인 경우

네트워크(10)는 게이트웨이(16)에 위치한, 적어도 하나의 연속-추적 GPS 수신기(20)를 보유하는데, 이 수신기는 Navstar의 ICD-GPS-200에 정의된 바와 같이 천체 추산 위치표(ephemeris), 전리층 보정, 클럭 보정 등과 같은 GPS 위성 파라미터를 도 4의 블럭(40)에서 지시된 바와 같이 가시 범위 내에 있는 GPS 위성(14) 각각으로부터 전송받아 저장한다. 도 4의 블럭(42 및 44)에서 지시된 바와 같이, GPS 위성(14)이 가시 범위에서 벗어나면, 가장 최근의 이용가능한 파라미터들이 그 유효 기간동안 저장되어 시용된다. 또는, 외삽법을 이용하거나, 다수의 연속-추적 GPS 수신기(20)가 전체 도달 범위 영역에 걸쳐 분포되어 GPS 위성의 저장된 데이터 유효 기간의 종료와 GPS 위성의 가시 범위 내로의 복귀 사이의 잠시의 기간을 조정하도록 네트워킹될 수 있다.

게이트웨이(16) 각각은 항상 게이트웨이(16)의 부담 영역에서 가시 범위 내에 있고 가능한 한 많은 GPS 위성(14)에 대한 유효 파라미터들을 보유한다. 단말기(18)가 위치 정점을 생성할 필요가 있으면, 단말기(18)는 네트워크(10)에 의해 방송되는 신호를 수신하는데, 이 네트워크는 개략적인 위치 추정을 기초로 하여 어떤 GPS 위성들(14)이 단말기(18)의 가시 범위 내에 있어야 하는지를 통신하고, 이러한 GPS 위성들(14)에 대한 유효 파라미터들 (저장된 파라미터, 또는 저장된 파라미터로부터 유도된 지역적 제한 경로 계수들)을 단말기로 송신한다. 이러한 방식으로, 단말기(18)는, 표준의 GPS 수신기 동작에서 일어나는 바와 같이 GPS 위성들(14)로부터 직접 동일한 정보를 수신하고 처리할 수 있는 것보다 훨씬 고속으로 필요한 GPS 정보를 수신한다.

GEM 시스템

GEM 위성(12)은 도 2에 도시된 바와 같이 지구(21) 표면 상의 도달 범위 영역을 반경 약 200㎞이고 겹쳐진 스폿 빔(22)들로 조명한다. 단말기 GPS 수신기가 임의의 시점에서 그 다음 수 분간 GPS 위성 위치를 정확하게 계산하는 것을 가능하게 하는 게이트웨이(16) 각각에서, 전송되고 저장된 GPS 위성 파라미터들로부터 계산된, 스폿 빔 내의 수신기(18)들의 가시 범위 내에 있는 GPS 위성들(14)에 대한 위성 경로 계수들은, 스폿 빔들(22) 각각을 통해 개별적으로 송신되어야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 연속-추적 GPS 수신기(20)는 각각의 지상국 (예를 들어, 게이트웨이(16))에 보유되어 있다. 소정의 시간에 게이트웨이 GPS 수신기(20)의 가시 범위 내에 있는 모든 GPS 위성들(14)로부터, Navstar의 ICD-GPS-200에 정의된 바와 같이 천체 추산 위치표(ephemeris), 전리층 보정, 클럭 보정 등과 같은 파라미터들이 매 기회마다 전송되고 저장된다. GPS 위성(14)이 중앙 게이트웨이(16)의 시야로부터 벗어나면, 가장 최근의 이용가능한 파라미터들이 GPS 위성 데이터가 너무 오래 되거나 GPS 위성(14)이 (수 시간 내에) 시야 내로 복귀할 때까지, 저장되고 이용된다.

이러한 파라미터들로부터, 그리고 도 4의 블럭(46)에 도시된 바와 같이, GPS 위성 위치가, Navstar의 ICD-GPS-200에 기술되고 표 1, 표 2, 및 표 3에 재생된 바와 같이, 매 초마다 계산된다. 하기 방정식들에서 제시되는 형태의 예측 3차 곡선 일치는, 시간 t₀에서 현 위치가 시작되어 미래의 위치를 예측하도록 10분 간격에 걸쳐 분포된 수 개의 계산된 위치들에 대해 라그랑지(Lagrange) 내삽법을 기초로 하여 각각의 위성 경로에 대해 계산된다.

스폿 빔(22)의 임의의 위치에서 가능한 가시 범위에 있는 12개의 GPS 위성들(14)에 이르기까지, 경로 계수들 a_0-3, b_0-3, c_0-3, 및 t₀는 그 스폿 빔(22)에 수 차례 방송된다.

어떤 GPS 위성들(14)이 각각의 스폿 빔(22)의 가시 범위 내에 있는지를 결정하기 위해서, 도 4의 블럭(48)에 표시된 바와 같이, 게이트웨이(16)는 매 5분마다 각각의 GPS 위성(14) 위치 (X_k,Y_k,Z_k) 및 스폿 빔 중심 좌표 (X_r,Y_r,Z_r)를 기초로 하여 각각의 스폿 빔(22)에 대한 GPS 위성 가시성 리스트를 계산한다. 도 4의 블럭(50)에 표시된 바와 같이, 각각의 스폿 빔(22)의 가시 범위 내에 있는 GPS 위성(14)에 대해 계산된 위치 데이터가 경로 데이터를 형성하기 위해 처리된 다음, GEM 위성(12)에 전송된다. 도 4의 블럭(52)에 표시된 바와 같이, GEM 위성(12)은 각각의 스폿 빔(22)을 통해서 가시 범위 내에 있는 GPS 위성들(14)에 대해 계산된 경로 데이터를 연속해서 전송한다.

단말기(18)의 안테나 고도 마스크 내에 존재하고 지구(21)의 표면에 있는 하나의 스폿 빔(22)의 소정의 중심으로부터의 고도 각도를 가진 임의의 GPS 위성(14)이 그 스폿 빔(22)의 가시성 리스트에 대해 적합하다. (이 경우에는 스폿 빔 중심인) 지구(21)의 표면 상의 참조 지점 (X_r,Y_r,Z_r)으로부터 (X_k,Y_k,Z_k)에서의 GPS 위성(14)의 고도가 도 3에 도시되어 있으며, 표 4에 나타난 바와 같이 계산된다. 소정의 스폿 빔(22) 내에서 가시 범위 내에 있는지가 결정된 GSP 위성(14)에 대한 경로 계수들 a_0-3, b_0-3, 및 c_0-3은, 그 스폿 빔(22) 내의 임의의 단말기(18)를 초기화하기 위해 GEM 위성(12)에 의해 스폿 빔(22) 내에 반복하여 방송된다.

<GPS 위성 천체 추산 위치표 파라미터들>

<GPS 위성 위치 계산, 1부>

<GPS 위성 위치 계산, 2부>

<지구 표면 상의 지점으로부터 관측되는 바와 같은 위성 고도의 계산>

표 2 내지 4에서 보인 계산의 수행으로 네트워크(10)가 어떤 GPS 위성들(14)들이 (자신의 경로를 계산하는 것 뿐만 아니라) 각각의 스폿 빔(22)에 대한 경로를 방송할 것인지를 선택할 수 있게 된다. 임의의 스폿 빔(22) 내의 임의의 단말기(18)는 단말기(18)의 가시 범위 내에 있는 GPS 위성들(14)에 대한 상기의 모든 정보를 수신할 수 있다. 이 정보는 반복적으로, 그리고 고속으로 방송되어야 한다.

단말기(18)는 GEM 위성(12)으로부터 이러한 정보를 수신하고, 이 정보를 GPS 수신기에 의해 받은 입력에 맞게 번역한다.

GPS 수신기(19)는 다수의 GPS 위성들로부터 수신받은 위성 경로들과 신호들을 기초로 하여 정확한 위치를 계산한다. 이러한 GPS 위성 신호들은 Navstar의 ICD-GPS-200에 설명된 바와 같은 시간 오류들 (클럭 오프셋, 상관성, 및 그룹 지연)에 대해 보정되어야 한다.

각각의 수신된 GPS 위성 신호에 대하여, 시간 t에서 "코드 위상 오프셋"이 다음과 같이 계산되어야 한다:

여기서,,,, △t_r및 T_gd는 모두 Navstar의 ICD-GPS-200에 설명된 바와 같이 GPS 방송으로부터 이용가능하고, 또한 방송되는 시간 T_OC에 참조된다.

본 발명의 한 특성에 따르면, 각각의 GPS 위성에 대한 위성 경로 방송은, GPS 수신기(19)가 GPS 위성으로부터 직접 이러한 파라미터들을 전송받지 않고 그 위치를 계산할 수 있게 하기 위해서 이러한 파라미터들로 보충된다. (동일한 위성에 대하여) 각각의 위성의 경로와 함께 방송된다:

경로들이 계산된 동일한 시간 t_o에 대해 계산된 △t_sv.

방송 신호는 △t_sv에 시간 변화값을 준다는 사실로 인해 감소된 정밀도를 가진. 그리고 나서, 시간 t₀에서의 △t_sv의 원래의 계산값은 또한 시간 변화를 발생시키지만, 그 영향이 무시되고 방송되지 않기 때문에, GPS 수신기(19)는 경과된 시간동안 수신된 △t_sv를 보정할 수 있다.

그리고 나서, GPS 수신기는 교정된 코드 위상 오프셋 △t_sv(참값) = △t_sv(수신한값) +(t - t₀)을 계산한다.

여기서, t = 현재 시간

t₀= 계산된 (수신한) △t_sv에서의 시간 (계산된 경로에 대해 동일한 시간)

따라서, 가시성 리스트의 각각의 위성에 대하여, 경로 정보 방송이 표 5에 나타나 있다.

시간의 제공:

일반적인 경우

연속-추적 GPS 수신기(20)는 GPS 시간에 동기화된다. 네트워크(10)가 단말기(18) 각각을 GPS 시간에 동기화시켜서, 단말기의 GPS 수신기(19)는 정확한 GPS 시간으로 초기화될 수 있다. GPS 수신기의 시간 추정의 정확성은 단말기(18) 및 네트워크(10) 간의 동기화의 타이밍 불확실성을 제어함으로써 제어될 수 있다.

GEM 시스템

GPS 시간은 게이트웨이(16)의 GPS 수신기(20)로부터 이용가능하다. 각각의 게이트웨이(16)는 방송 프레임 구조 그 자체를 참조하여 주(week)의 GPS 시간을 GEM 위성(12)을 통해서 각각의 스폿 빔(22)으로 반복하여 방송한다. 각각의 스폿 빔(22)에 대하여, 지구(21)의 표면에 있는 참조된 프레임 에지(edge)의 도착 시간은 GEM 위성(12)을 통한 전파 지연, 및 위성으로부터 지구(21)의 표면까지의 이동 시간을 기초로 하여 추정된다. 지연은 빔에 따라 다양하고, 방송이 설계되어 최대 오류가 최소화된다 (즉, 최대 및 최소 지연의 평균이 추정된다). 각각의 스폿 빔(22)에 방송되는 시간 메시지는 표 6에 나타나 있다. 단말기(18)는 시간 값들을 GPS 시간으로 변환하고 (대역폭을 절감시키기 위해 대체가능한 포맷이 방송된다.), 단말기 GPS 수신기(19)로 중계한다.

<GPS 시간 동기화 메시지>

위치 추정의 제공:

일반적인 경우

네트워크(10)는 단말기(18)의 위치에 대한 어떤 표시를 가진다. 예를 들어, 셀룰러 네트워크에서는 단말기(18)에 어떤 셀이 있는지를 알고 있다. 보다 나은 추정을 위해서, 단말기(18)는 가장 최근에 알려진 GPS 위치, 및 위치 정점의 시간을 저장할 수 있다. 단말기(18)는 네트워크의 추정, 네트워크의 추정의 예측된 정확성, 가장 최근에 알려진 위치, 위치 정점 이후의 경과된 시간, 가장 최근의 위치 정점 이후의 움직임에 대한 예측된 가능성, 및 단말기(18)의 위치에 대한 통계적 기대값을 기초로 한 위치에서 지능적인 추측을 한다.

GEM 시스템

단말기(18)는 3 또는 4개의 가장 강하면서도 이용가능한 스폿 빔들(22) 내에서 신호의 상대 전력 측정을 이용하여 그 위치를 추정한다. 이용자 단말기는 먼저 GEM 위성(12), 및 수신된 GEM 신호들 내에 전해진 방송 시스템 정보로부터 7 내지 10개의 가장 인접한 스폿 빔들(22)의 그룹 각각의 중심의 위치를 얻는다. 그 다음에, 이러한 정보와, 3 또는 4개의 가장 강한 스폿 빔들로부터 측정된 신호의 상대 강도를 가지고, 단말기(18)는 대략적인 위치를 계산할 수 있다. 단말기(18)로부터 GEM 위성(12)까지의 정확한 거리는 2방향 신호 전송 시간을 모니터링함으로써 게이트웨이에서 결정될 수 있다. 그 다음에, 이러한 거리는 사용자 단말기 위치 정확성을 증가시키는 데 이용될 수 있다.

하기 설명하게 설명될 위치 결정 추정의 2가지 방법 중 어떤 것도, 3 또는 4개의 가장 강한 스폿 빔들(22)이 신호 상대 전력 측정에 기초하여 위치 결정 추정을 정확하게 수행하기 위해 이용될 수 있다.

상대 전력 측정을 기초로 한 위치 결정 방법:

GEM 시스템 내의 스폿 빔(22) 각각은 GEM 위성(22)으로부터 방사되는 원뿔 형태이다. 지구(21) 표면 상의 이러한 원뿔형의 투사는 스폿 빔(22)에 의해 생성된 영역을 형성한다. 위성 투시로부터, 모든 스폿 빔들(22)은 직경 약 0.695°, 즉 GEM 위성이 제로-경사 궤도에 있다면 약 0.695°이다. GEM 위성(12)이 기울어진 궤도 동작으로 인해 하루(day)동안 약 6°및 -6°로 이동하므로, 위성 투시로부터의 빔폭은 지상에서 일정한 빔 "풋프린트(footprint)"를 유지시키기 위해 변화될 것이다. 지구(21)의 곡률로 인해, 지상의 스폿 빔들은 하위 위성 지점으로부터의 거리 함수에 따라 증가하는 직경을 갖는다. 스폿 빔 직경은 지구(21)의 도달 범위의 멀리 떨어진 에지에서 450㎞ 내지 1,200㎞이상 사이에서 변화될 수 있다. 이것이 도 5에 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 위성 반경에 직교하는 평면 상에 투사된 지구(21) 상의 스폿 빔들 모두는 거의 동일하고 기울어진 궤도 동작에 독립적이다.

GEM 시스템에서, GEM 위성(12)은 정상적인 지구 정지 궤도에 올라 있고, 따라서, 저 지구-궤도 시스템과 비교할 때 지구(21)에 비교적 거의 고정된 것으로 보인다. 사실상, GEM 시스템에서, GEM 위성(12)은 기울어진 궤도 동작으로 인해 하루동안 약 -6°와 6°사이에서 이동한다. GEM 위성(12)은 지구(21)의 표면으로부터 약 35,787㎞에 위치한다. 그 높이에서는, 반경이 6,378㎞인 구형의 지구를 가정하고, 지구(21) 상의 단말기(18)의 고도를 무시하는 것이 허용된다. 2가지 가능한 방법이 사용자 단말기 위치 결정에 제안된다.

위치 추정 방법 #1

본 위치 추정 알고리즘은 한 번에 3개의 스폿 빔(22)의 상대 BCCH(Broadcast Control Channel ; 방송 제어 채널) 전력 측정을 이용한다. 이 알고리즘은, 클러스터 내의 인접한 수에 따라서 3개의 스폿 빔(22)의 1 내지 12 조합에 대해 개략적인 위치를 계산한다. 그 다음, 최종 평균 근사 위치를 얻기 위해 3개의 근사 위치를 평균한다. 매우 고속으로 단말기 위치를 추정하므로 본 알고리즘은 바람직한 방법이다.

위치 획득 문제를 쉽게 하기 위해, 먼저 도 6에 도시된 바와 같이 지구(21) 상의 3개의 스폿 빔(22)을 위성 반경 (x'축)에 직교하는 2-D 평면(100) 상에 맵핑시키고 하위 위성 지점(102)에 중심을 두는 2가지 변환이 수행된다. 이러한 새로운 2-D 평면(100) 상에서, 3개의 스폿 빔(22)은 거의 동일한 차원을 갖는다. 제1 변환은 새로운 축 (x',y',z')이 하위 위성 지점(102)를 통과하는 위성 반경과 정렬되도록 θ_sat및 _sat만큼 축 (x,y,z)을 회전시킨다. 만일 GEM 위성(12)이 제로-경사 궤도를 가지고 있다면, θ_sat는 x축과, 하위 위성 지점(102)를 통과하는 위성 반경 x' 사이의 각도이고, _sat는 0과 같다. 이 때로부터, 축이 (x',y',z')에 고정되어 유지되는 동안, 중요한 스폿 빔들(22)의 좌표만이 이동한다. 제2 변환은 지구(21) 상의 3개의 스폿 빔(22)을 하위 위성 지점(102)에 중심을 둔 2-D 평면(100)에 투사한다.

본 문제를 더 평이하게 하기 위해, 2가지 추가의 변환이 수행된다. 먼저 3개의 스폿 빔(22)의 클러스터가, 선택된 스폿 빔이 평면의 중심에 위치되도록 2-D 평면(100) 상에서 이동된다. 그 다음, 이 평면은 하위 위성 지점(102)에 대응하는 2-D 평면(100)의 중심이 지구(21)의 중심과 일치하도록 이동된다. 이러한 4가지 변환으로, 3개의 스폿 빔(22) 모두에 대하여, 미지수인 y와 z, 및 현재 0인 x로 미지수의 수가 감소한다. 다음 알고리즘은 3개의 스폿 빔(22)을 이러한 2-D 평면 상에 맵핑하기 위해 요구되는 4단계를 설명한다. 본 섹션의 나머지를 통한 수학식 및 도면에 대한 일반적인 규칙은, (x_i,y_i,z_i), (x_i',y_i',z_i') 등이 스폿 빔 좌표일 때 아래 첨자없이 (x,y,z), (x',y',z') 등이 축이다.

1) 위성 반경 (x'축)이 도 6의 x축과 정렬되도록 축 (x,y,z)을 θ_sat및 _sat만큼 회전시킨다. 3개의 스폿 빔_i(i = 1, 2, 3)의 좌표들이 중심에 맞춰지고, GEM 위성(12)은 다음과 같이 된다:

여기서,

2) 2-D 평면 상의 스폿 빔_i(i = 1, 2, 3)의 중심의 위치를 알아낸다 (위성은 이러한 변환동안 이동하지 않는다.).

3) x 성분을 소거하기 위해 이제 2-D 평면(100)의 중심이 지구(21)의 중심에 있도록 스폿 빔_i(i = 1, 2, 3) 중심의 x 좌표 및 GEM 위성(12)을 6,378㎞만큼 이동시킨다:

a) GEM 위성(12)과 스폿 빔_i(i = 1, 2, 3)의 중심 사이의 각도를 알아낸다:

이면서

x_i또는 y_i가 음수인지를 검사한다. 만약, 음수이면,= -;

b) 2-D 평면(100) 상의 스폿 빔_i(i = 1, 2, 3)의 중심의 위치를 알아낸다. 그 다음, 스폿 빔_i(i = 1, 2, 3) 중심의 x 좌표 및 GEM 위성(12)을 6,378㎞만큼 이동시킨다:

여기서, R = 6,378㎞; H = 35,787㎞;, λ_sati, d₁, 및 d₂는 도 7에 도시됨.

4) 2-D 평면(100)의 중심과 선택된 스폿 빔(yi,zi)의 중심을 일치시키기 위해 스폿 빔_i(i = 1, 2, 3) 중심의 x 좌표 및 GEM 위성(12)을 이동시킨다:

이제 3-D 위치 획득 문제는 2개의 미지수 y및 z을 가진 2-D 문제로 축소된다. 이러한 새로운 평면에서, 이제 단말기(18)는 최소의 계산량으로 효율적으로 위치를 검색할 수 있다. 먼저 단말기(18)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 스폿 빔 선택 또는 재선택 알고리즘에 따라 스폿 빔1 및 스폿 빔2 사이에서 측정된 상대 전력과 동일한 상대 전력으로 지점 (y_u2,z_u2)에 대하여, 스폿 빔₁및 스폿 빔₂와 인접한 축₂를 따라 이러한 평면 상에서 검색할 것이다. 이러한 지점 (y_u2,z_u2)에서, 축₂와 직교하는 라인이 그려질 것이다. 그 다음, 단말기(18)는 스폿 빔₁과 스폿 빔₃사이에서 동일한 과정을 반복한다. 단말기(18)는 스폿 빔 선택 과정동안 스폿 빔₁및 스폿 빔₃사이에서 측정된 상대 전력과 동일한 상대 전력으로 지점 (y_u3,z_u3)에 대하여, 스폿 빔₂및 스폿 빔₃와 인접한 축₃를 따라 검색할 것이다. 다시, 이 제2 지점 (y_u3,z_u3)에서, 축₃와 직교하는 라인이 그려질 것이다. 이러한 2개의 라인의 교점은 단말기(18)의 위치를 추정할 것이다.

다음 알고리즘은, 이러한 2-D 평면 상에 3개의 스폿 빔(22)을 맵핑하기 위해 요구되는 4단계가 완료된 다음, 단말기(18)의 위치를 추정하기 위해 사용된다. 본 알고리즘에서의 규정은 다음과 같다:

·선택된 스폿 빔(22)은 스폿 빔₁으로서 언급된다.

·스폿 빔_i(i = 2, 3)의 중심 좌표는 y_i 및 z_i 로 표시된다.

·스폿 빔 선택 과정을 통해 스폿 빔₁과 스폿 빔_i(i = 2, 3) 간에 계산된 상대 전력은 diff_power_i로서 언급된다.

·측정된 상대 전력 (max₂_power_level)과 동일한 상대 전력 (diff_power₂)과 함께 축₂를 따르는 지점의 좌표는 y_u2및 z_u2로 표시된다. 유사하게, 측정된 상대 전력 (max₃_power_level)과 동일한 상대 전력 (diff_power₃)과 함께 축₃를 따르는 지점의 좌표는 y_u3및 z_u3로 표시된다.

·선택된 스폿 빔 내의 단말기(18)의 위치를 먼저 추측하는 데 이용되는 최소 전력 레벨은 위성의 기울어진 궤도에 따라 변화될 수 있다. 빔 중심 위치는 지상에서 변화되지 않는다. 위성 빔폭은 지상에서 고정된 빔 중심 위치를 유지하기 위해 수정된다. 결과적으로, 빔의 중심과 동일한 빔의 에지 사이의 각도는 고정된 것이 아니라 위성 위치에 따르게 된다. minimum_power_lever₂및 minimum_power_lever₃를 계산하기 위해, 우리는 먼저 빔₁과 빔₂사이의 각도, 및 빔₁과 빔₃사이의 각도를 각각 계산할 필요가 있다. 일단 이러한 각도들을 얻으면, 우리는 안테나 패턴 근사 방정식(antenna pattern approximation equation)을 통해서 이러한 각도들에서의 전력들을 계산할 수 있다.

본 알고리즘은 i = 2, 및 i = 3에 대해 2번 수행되어야 한다.

1) 각각의 변수들을 초기화한다:

·increment = 0.0;

·increment₁= 0.0;

·minimum_power_lever₂, minimum_power_level₃; /* 선택된 스폿 빔 내의 단말기 위치를 먼저 추측하기 위해 사용함. 도 8 참조*/

·maximum_power_lever = 0.0 dB;

·diff_power₂= diff_power₃= 100.0; /* 임시값 */

·if (minimum_power_level_i< max_i_power_lever < maximum_power_level)

y_ui = y_i / 2; z_ui = z_i / 2;

else

y_ui = -y_i / 2; z_ui = -z_i / 2;

2) 위치 결정을 수행한다:

while (max_i_power_lever != diff_power_i)

{

/* ap는 구경(aperture) = 4.5m */

/* dB 단위인 전력 */

diff_power_i= △D₁- △D_i; /* dB 단위인 계산된 상대 전력 */

if (diff_power_i> max_i_power_level)

increment₁= -1 / (4 * increment);

else

increment₁= 1 / (4 * increment);

increment = 2 * increment;

}

if ((y_u2 == 0.0) && (y_u3 == 0.0))

{

y_new = 0.0;

z_new = (z_u2 + z_u3 ) / 2.0;

}

else if ((y_u2 == y_u3 ) && (z_u2 == z_u3 ))

{

y_new = (y_u2 + y_u3 ) / 2.0;

z_new = (z_u2 + z_u3 ) / 2.0;

}

else

{

y_new = z₂ * y₃ * y_u3 + z_u3 * z₂ * z₃ - y₂ * z₃ * y_u2 - z_u2 * z₂ * z₃ ) / (z₂ * y₃ - y₂ * z₃ );

z_new = ((y₂ / z₂ ) * (y_u2 - y_new )) + z_u2 ;

}

여기서, ap = 4.5m는 위성의 구경이고, λ0.2m는 파장이며, H₁, H_i, H_fixed, △₁, △_i, △φ₁, 및 △φ_i는 도 9에 도해적으로 표시됨.

일단 단말기(18)의 위치가 2-D 평면(100) 상에서 결정되면, 이러한 위치의 좌표는 지구(21)의 표면 상에 역으로 매핑될 필요가 있다. 다음 알고리즘은 지구(21)의 표면 상에 단말기(18)의 추정된 위치의 좌표를 역으로 매핑하도록 요구된 3단계를 설명한다.

1) 2-D 평면(100)의 중심에 위치하는 선택된 스폿 빔, 즉 스폿 빔₁이 2-D 평면(100) 상의 원래의 위치로 복귀되도록 좌표들을 이동시킨다:

x_new = x₁ + R;

y_new = y_new + y₁ ;

z_new = z_new + z₁ ;

2) 2-D 평면(100)으로부터 지구(21)의 표면으로 역으로 맵핑시킨다:

여기서, R = 6,378㎞ 및 H = 35,787㎞이면서,

3) GEM 위성(12)이 그 원래의 위치로 복귀되도록 하기 위해 좌표를 θ_sat및 _sat만큼 회전시킨다:

여기서,

단말기(18)의 추정된 위치의 좌표들은 이러한 조합에 대한 x_new, y_new, 및 z_new이다. 이러한 단계는 클러스터 내의 인접한 것의 수에 따라 3개의 스폿 빔의 1 내지 12개의 조합에 대해 반복된다. 단말기(18)의 최종 추정 위치는 3개의 스폿 빔의 조합 각각으로부터 모든 추정된 위치 (x_new, y_new, z_new)의 평균값이다.

위치 추정 방법 #2

사용자 단말기(18)는 선택된 스폿 빔을 제외한 3개의 가장 강한 스폿 빔으로부터 측정된 상대 전력과 동일한 일정 상대 전력의 지점들의 집합을 계산한다. 지점들의 이들 3개의 집합은 도 10에 도시된 바와 같이 지점들과 교차하는 3개의 곡선을 형성한다. 만일 어떠한 오류도 발생하지 않았다면, 오직 하나의 지점이 동시에 3개의 곡선과 교차하고, 사용자 단말기 탐색이 해결된다. 그러나, 빔 지점 표시 오류, 궤도 경사 편향, 페이딩(fading), 및 슬롯 간 이득 파동과 같은 어떤 오류가 발생된다. 곡선₂와 곡선₃, 곡선₂와 곡선₄, 및 곡선₃과 곡선₄간의 3개의 가장 근접한 교차 지점들은 정확한 단말기 위치 주변에 신뢰 영역(104)을 형성한다.

위치 획득 문제를 평이하게 하기 위해, 지구(21)의 표면 상에 위치한 3개의 가장 강한 스폿 빔이, 3개의 개시 미지수 x, y, 및 z 대신에 2개의 미지수 y 및 z로 2-D 평면 상에서 끝나도록 공간 내에서 회전되고 이동된다. 이러한 변환은 스폿 빔의 형태를 변형시키지는 않는다. 결과적으로, 스폿 빔들 모두가 이러한 2-D 평면 상에서 동일한 차원을 갖지 않게 된다. 스폿 빔들의 클러스터는 선택된 스폿 빔의 중심에 위치된 2-D 평면 상에서 끝나도록 3단계의 변환을 하게 된다:

1) 먼저, 스폿 빔들 및 위성 좌표들은, 선택된 스폿 빔의 중심이 x축과 정렬되도록 θ만큼 회전하게 된다 (도 11 참조):

2) 그 다음, 스폿 빔들과 위성 좌표들은, 선택된 스폿 빔의 중심이 x축에 의해 관통되도록 회전하게 된다:

3) 그 다음, 스폿 빔들과 위성 좌표들은, 선택된 스폿 빔 중심 좌표(x₁,y₁,z₁)이 (0,0,0) 이 되도록 (x₁,y₁,z₁)만큼 이동된다:

4) 마지막으로, 지구의 표면 상에 존재하는 클러스터가 2-D 평면 상에 위치되도록 비곡선이 된다. 이러한 변환은 스폿 빔_i(i = 2, 3, 4) 중심의 좌표의 x 성분을 제거한다. 위성이 스폿 빔_i사이의 거리가 일정하게 유지되도록 가능한 한 많이 시스템의 원래의 차원을 유지시키기 위해서, 각각의 스폿 빔과 함께 위성을 이동한다. 스폿 빔과 위성의 y 및 z 좌표들은 이러한 변환에 의해 영향받지 않는다:

여기서, R = 6,378km이고, r_i및 ω_i는 도 12에 도시된 바와 같음.

이러한 변환을 수행함으로써, 위치 검색 문제는 3-D 문제로부터 미지수로서 y 및 z를 가진 2-D 문제로 축소된다. 일단 3가지 변환이 완료되면, 먼저 사용자 단말기(18)는 그 위치를 검색하는 영역의 한계를 확인하여 계산량을 더 감소시킨다. 그 다음, 사용자 단말기(18)는 이러한 영역을 주사하는 것을 시작한다. 이 영역 내의 가능한 조합 y 및 z 각각에 대하여, 사용자 단말기(18)는 선택된 스폿 빔을 제외한 3개의 가장 강한 스폿 빔으로부터 상대 전력을 계산한다. 만일 임의의 위치 y 및 z에서 각각의 상대 전력이 사용자 단말기에 의해 측정된 각각의 대응하는 상대 전력과 일치하면, 위치 추정을 알아 낸 것이다. 스폿 빔1과 스폿 빔2, 스폿 3과 스폿 빔4 간의 상대 전력은 다음과 같이 임의의 사용자 단말기 위치 (y_u,u_z)에 대해 계산된다:

/* i = 1, 2, 3, 4인 경우에 대하여 */

/* ap = 구경 = 4.5m, λ = 파장, 전력의 단위는 와트 */

/* i = 2, 3, 4인 경우에 대하여, 상대 전력의 단위는 와트 */

여기서, H₁, H₂, H_fixed, △₁, △_i, △φ₁, 및 △φ_i는 도 9에 도해적으로 표시됨.

만일 diff_power_i가 스폿 빔₁과 스폿 빔_i사이에서 측정된 상대 전력과 동일하면, 이러한 지점이 유지되고, 곡선_i를 형성하는 지점 중의 하나일 것이다. 일단 전체 영역이 주사되면, 3개의 곡선을 얻게 된다. 이러한 3개의 곡선의 교차는 도 10에 도시된 바와 같이 사용자 단말기 위치를 추정하게 된다.

신호 전력 측정은 GPS 정점을 획득한 후 단말기(18)에 의해 보고되며, 그 신호들은 네트워크(10)에 의해 차례로 측정된다. 따라서, 신호들은 동일하게 유지되고, 위치 추정에 기초한 전력 측정에서 높은 정확성을 획득하게 된다. 만일 여전히 보다 나은 정확성이 요구된다면, 단말기(18)는 가장 최근에 알려진 위치, 위치가 고정된 이후 경과된 시간, 가장 최근의 위치가 고정된 이후 움직임의 예측된 가능성, 및 단말기(18)의 위치의 통계적 기대값의 지식을 위치 추정에 통합시킬 수 있다.

(식(obscuration) 등으로 인해) GPS 측위가 이용불가능한 경우, 신호 강도에 기초한 이러한 위치 추정은 GPS 위치 정점 대신에 사용된다.

위치 추정은 단말기(18)에 의해 위도/경도 좌표로 변환되고, 단말기 GPS 수신기(19)에 삽입된다.

추가적인 초기화 정보의 제공:

일반적인 경우

전형적인 GPS 수신기는 4개의 GPS 위성 위치의 지식 및 각각의 위성으로부터의 거리를 기초로 한 위치를 계산한다. 4개의 GPS 위성은 4개의 방정식으로부터 4개의 미지수를 결정할 필요에 기인하여 요구된다: 3개의 차원 각각의 위치, 및 정확한 시간.

극히 정확한 (즉, 약 2 마이크로세컨드 이내까지 정확한) 시간 참조의 이용가능성은 이 방정식들의 미지수의 수를 감소시키고, 정점 정확성의 약간의 저하가 용인될 수 있다면 위치 정점에 요구되는 GPS 위성 획득에 요구되는 수를 4개에서 3개로 감소시킬 것이다.

개략적인 추정외에, 추가의 측위 정보는 요구된 GPS 신호 습득의 수를 더 감소시킬 수 있다. 통신 네트워크(10)는 고도 정보의 데이터베이스를 포함할 수 있다. 개략적인 위치 추정, 고도 룩업 테이블, 및 단말기의 히스토리(history)를 기초로 하여, 방정식들 중 하나를 치환할 수 있을 고도 추정이 형성될 수 있다. 또한, 네트워크는 위성 또는 지상-기반 안테나와 같이 단말기(18)와 알려진 기준 사이의 거리를 결정할 수 있다. 그러한 정보는 위치를 계산하는 데 필요한 위성 습득의 수를 더 감소시킬 수 있다. 높은 데이터 속도에서의 현재 GPS 달력을 재방송하는 것은 또한 단말기(18)의 GPS 획득 성능을 강화시킬 것이다.

GEM 시스템

네트워크(10)는 스폿 빔(22)의 지리에 기초한 단말기(18)의 고도, 스폿 빔(22) 내의 개략적인 위치 추정, 스폿 빔(22) 내의 개체군 분포, 및 단말기(18)의 위치 히스토리를 예측한다. 고도 추정은 위치 정점에 요구되는 GPS 위성(14)의 수를 4개로부터 3개로 감소시킨다.

또한, 네트워크(10)는 정확한 GPS 시간, 및 단말기(18)로부터 알려진 위치를 가진 GEM 위성(12)까지의 거리를 결정할 수 있다. 이것은 다음과 방식으로 수행된다: 단말기(18)는 스폿 빔(22)을 결정한 후, 스폿 빔(22)의 중심에 위치한 것으로 가정하고, GPS 위성(14)으로부터 단말기의 스폿 빔(22)의 중심까지의 거리를 기초로 하여, 수신받은 GEM 위성 신호 시간 스탬프에 오프셋을 더함으로써 시간 동기화를 수행한다. 게이트웨이(16)는 실제 GEM 위성 시간과 관련하여 2가지 방향에서의 전송을 모니터링하고 단말기의 지역적 시간에 대해 보정을 계산한다. 그 다음, 게이트웨이(16)는 단말기(18)에 시간-보정 오프셋을 송신한다. 시간-보정 오프셋을 기초로 하여, 단말기(18)는 GPS 시간에 매우 정확한 동기화 (약 2㎲)를 달성한다. 또한, 그 다음에 단말기(18)는 이 오프셋을 기초로 하여 GEM 위성(12)으로부터의 정확한 거리를 계산할 수 있다.

본 발명에 의하면, 시간 및 고도는, 4개 중 2개의 측위 방정식을 풀면서, 알려진 파라미터로서 처리하기에 충분한 정확성을 가지고 추정될 수 있다. 2개의 위성(14)의 획득은 정점 정확성의 약간의 저하가 용인될 수 있는 상황에서 충분하여야 한다. 그러나, 만일 GEM 위성 및 단말기 GPS 수신기(19)로부터의 거리가 충분히 정확하게 알려지면, 한 GPS 위성(14)은 GEM 위성(12)에 의한 계산으로 대체될 수 있고, GPS 위치는 하나의 GPS 위성 획득으로 가능성 있게 수행될 수 있다.

추가적인 특징으로써, GEM 네트워크(10)는 GPS 달력 재방송을 제공한다. Navstar의 ICD-GPS-200에서 설명된 바와 같이, 모든 GPS 위성들(14)의 개략적인 궤도 묘사를 제공한다. 만일 GPS 수신기에 의해 저장되면, 본 발명과 관련된 최적의 성능을 수행할 수 있다. 만일 단말기의 GPS 수신기가 수 주 시간의 GPS 달력을 가지면, 모든 GEM 방송 데이터를 수신하기 전에도 직접적인 위성 신호 탐색을 시작하는 반면에, 달력을 갖지 않으면, 직접적인 탐색을 시작하기 전에 GEM 위성의 결정을 기다릴 것이다. 따라서, GEM 시스템은 백그라운드 채널로 (게이트웨이(16)에 위치한 GPS 수신기(20)를 통해 얻은) GPS 달력을 재방송하여, 단말기(18)는 필요할 때마다 달력을 갱신할 수 있다.

본 발명은 특정 실시예들을 참조로 하여 설명되었지만, 이것은 오직 예시할 의도에 의한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니며, 변경, 추가, 및/또는 삭제가 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 개시된 실시예들에 수행될 수 있다는 것은 본 기술 분야에 통상의 기술을 가진 자에게 명백하다.

Claims (17)

1. GPS 수신기(19)를 초기화시켜 상기 GPS 수신기(19)의 위치를 정확하게 추정하기 위한 GPS 위성 신호들을 고속으로 획득하는 방법에 있어서,

   상기 GPS 수신기(19)의 가시 범위 내에 있는 하나 이상의 GPS 위성들(14)의 궤도 경로를 나타내는 신호를 방송하는 단계;

   시간 동기화 신호를 방송하는 단계;

   상기 GPS 수신기(19) 위치의 개략적인 추정을 계산하는 단계; 및

   상기 궤도 경로들을 나타내는 신호, 상기 시간 동기화 신호, 및 상기 GPS 수신기(19) 위치의 상기 개략적인 추정을 상기 GPS 수신기(19)에 삽입하는 단계

   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 시간 동기화 신호는 약 5마이크로세컨드 이내까지 정확한 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 GPS 수신기(19) 위치의 상기 개략적인 추정은 약 1,000킬로미터 이내까지 정확한 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 궤도 경로 신호는 위성(12)을 통해서 방송되는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 궤도 경로 신호는 사용되지 않고 있는 통신 채널을 통해 방송되는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시간 동기화 신호는 사용되지 않고 있는 통신 채널을 통해 방송되는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시간 동기화 신호는 위성(12)을 통해서 방송되는 방법.
8. 통신 네트워크(10)에 있어서,

   적어도 하나의 통신국(12, 16);

   다수의 GPS 위성들(14); 및

   하나의 단말기(18)

   를 포함하되,

   상기 통신국(12, 16)은 통신 신호들, GPS 위성 경로 신호들, 및 시간 동기화 신호들을 상기 단말기(18)로 송신하기 위한 장치를 포함하고,

   상기 단말기(18)는, 상기 통신국으로부터 상기 통신 신호들을 수신하고, 상기 통신국에 상기 통신 신호들을 송신하며, 상기 GPS 위성들로부터 GPS 신호들을 수신하고, 상기 GPS 위성 경로 신호들 및 상기 시간 동기화 신호들을 처리하여 상기 단말기(18)의 상기 위치를 고속으로 결정하는 성능을 가지는 통신 네트워크(10).
9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 통신국(12, 16)은 지구 궤도 내의 위성(12)인 통신 네트워크(10).
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 GPS 위성들(14)로부터 GPS 신호들을 수신하기 위한 게이트 수신 장치(20), 및 상기 통신국(12)으로 GPS 데이터를 송신하기 위한 게이트 전송 장치를 포함하는 게이트웨이국(16)을 더 포함하는 통신 네트워크(10).
11. 제10항에 있어서, 상기 게이트웨이국(16)은 상기 지구에 고정되어 있는 통신 네트워크(10).
12. 원격 GPS 수신기(19)를 초기화시켜 상기 원격 GPS 수신기(19)의 위치를 정확하게 추정하기 위한 GPS 위성 신호들을 고속으로 획득하는 방법에 있어서,

    고정된 위치에 있고, 정확한 GPS 위성 경로를 계산하는, 활동하는 GPS 수신기(20)를 제공하는 단계;

    상기 원격 GPS 수신기(19)의 가시 범위 내에 있는 하나 이상의 GPS 위성들(14)의 상기 정확한 GPS 위성 경로를 나타내는 신호를 방송하는 단계;

    시간 동기화 신호를 방송하는 단계;

    상기 원격 GPS 수신기(19) 위치의 개략적인 추정을 계산하는 단계; 및

    상기 궤도 경로들을 나타내는 신호, 상기 시간 동기화 신호, 및 상기 원격 GPS 수신기(19) 위치의 상기 개략적인 추정을 상기 원격 GPS 수신기(19)에 삽입하는 단계

    를 포함하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 고속 채널을 통해 현재의 GPS 달력을 재방송하는 단계를 더 포함하는 방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 원격 GPS 수신기 고도 추정을 방송하는 단계를 더 포함하는 방법.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    알려진 참조 및 상기 원격 GPS 수신기(19) 간의 전파 지연을 측정하는 단계; 및

    상기 측정된 전파 지연으로부터 계산된 매우 정확한 시간 신호 및 위치 참조를 상기 원격 GPS 수신기(19)에 제공하는 단계

    를 더 포함하는 방법.
16. 통신 네트워크(10)용의 단말기(18) - 상기 통신 네트워크(10)는 적어도 하나의 통신국(12, 16) 및 다수의 GPS 위성(14)으로 구성되고, 상기 통신국(12, 16)은 통신 신호들, GPS 위성 경로 신호들, 및 시간 동기화 신호들을 상기 단말기(18)로 송신하기 위한 장치를 포함함 - 에 있어서,

    상기 통신국으로부터 상기 통신 신호들을 수신하기 위한 장치;

    상기 통신국으로 상기 통신 신호들을 송신하기 위한 장치;

    상기 GPS 위성들로부터 GPS 신호들을 수신하기 위한 장치(19); 및

    상기 GPS 위성 경로 신호들 및 상기 시간 동기화 신호들을 처리하여 상기 단말기(18)의 상기 위치를 고속으로 결정하기 위한 장치

    를 포함하는 단말기(18).
17. 통신 네트워크(10)용의 게이트웨이국(16) - 상기 통신 네트워크(10)는 적어도 하나의 단말기(18), 통신 위성(12), 및 다수의 GPS 위성(14)을 포함함 - 에 있어서,

    연속-추적 GPS 수신기(20);

    상기 단말기(18) 각각의 가시 범위 내에 있는 상기 GPS 위성들(14)에 대한 GPS 위성 경로 데이터를 계산하기 위한 장치;

    상기 단말기(18)에 대한 개략적인 위치 추정을 계산하기 위한 장치; 및

    GPS 위성 경로 데이터, 시간 동기화 신호들, 및 개략적인 위치 추정을 나타내는 신호들을 상기 단말기(18) 각각으로 송신하기 위한 장치

    를 포함하는 게이트웨이국(16).