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KR100780392B1 - 양방향 의사위성을 이용한 동기식 의사위성 정밀항법시스템 - Google Patents

양방향 의사위성을 이용한 동기식 의사위성 정밀항법시스템 Download PDF

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KR100780392B1
KR100780392B1 KR1020060098349A KR20060098349A KR100780392B1 KR 100780392 B1 KR100780392 B1 KR 100780392B1 KR 1020060098349 A KR1020060098349 A KR 1020060098349A KR 20060098349 A KR20060098349 A KR 20060098349A KR 100780392 B1 KR100780392 B1 KR 100780392B1
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KR
South Korea
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pseudo
satellite
module
bidirectional
navigation system
Prior art date
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KR1020060098349A
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Inventor
기창돈
이택진
박병운
Original Assignee
재단법인서울대학교산학협력재단
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Publication date
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Abstract

의사위성군의 위치정보 없이 시각동기를 하기 위해서 양방향 의사위성(Two-way Pseudolite) 모듈이 제안된다. 양방향 의사위성 모듈은 의사위성의 신호를 생성하여 송신하는 의사위성과 다른 의사위성의 신호와 자신의 신호를 함께 수신할 수 있는 수신기, 의사위성과 수신기에 클럭을 공급하는 클럭제공모듈 그리고 의사위성의 시각오차를 계산하고, 이를 보정하는 명령을 생성하는 시각동기모듈로 구성된다. 시각동기 알고리즘은 양방향 거리 측위 방법을 이용하여 자신의 시각과 상대방 신호의 클럭의 차이를 계산하고, 이를 이용하여 물리적으로 의사위성의 클럭을 상대방 의사위성의 클럭에 동기 시키는 방식이다. 하나의 주 의사위성 모듈과 하나 이상의 부 의사위성 모듈로 시스템 구성이 가능하며, 기존의 위성항행시스템(GPS, GLONASS, Galileo)과 함께 사용할 경우, 주 의사위성 모듈 없이 하나 이상의 부 의사위성 모듈로서 시스템 구성이 가능하다. 이러한 시스템은 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템에 이용되며, 이렇게 정밀하게 시각 동기된 양방향 의사위성군을 이용함으로써, 이동체는 기준국의 보정정보 없이 단독항법 알고리즘으로 정밀항법을 수행할 수 있게 된다.
의사위성(Pseudolite), 양방향의사위성모듈(Two-way Pseudolite Module), 동 기식 의사위성 항법시스템

Description

양방향 의사위성을 이용한 동기식 의사위성 정밀 항법시스템 {Pseudolite-Based Precise Positioning System using Synchronized Two-way Pseudolites}
도 1은 종래 기술에 따른 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템의 구성도.
도 2는 도 1의 의사위성의 구성도.
도 3은 도 1의 의사위성 시스템에서 이동체의 구성도.
도 4a는 종래 기술에 따라 기준국에서 의사위성의 시각을 동기 시키는 동기식 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템의 구성도.
도 4b는 도 4a의 시스템에서 시각을 동기 시키는 알고리즘을 나타내는 블록도.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 양방향 의사위성 모듈의 구성도.
도 6은 송수신 안테나 통합시의 스위칭 타이밍도.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 양방향 의사위성을 이용한 동기식 의사위성 정밀 항법시스템의 구성도.
도 8은 도 7의 동기식 의사위성 시스템에서 이동체의 구성을 나타내는 블록도.
도 9는 양방향 의사위성의 시각오차 계산방법을 나타내는 블록도.
도 10은 시각동기 과정(시각동기모듈과 클럭제공모듈)을 나타내는 구성도.
도 11은 부 의사위성 모듈에 관한 개념도.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 의사위성을 이용한 정밀 항법 시스템
101a, 101b, 101c, 101d: 의사위성 103: 시각 보정용 기준국
105, 404, 703: 이동체 107: 시각보정정보
301, 801: GPS 수신기 302: 무선데이터링크
303, 802: 위치계산모듈
400: 동기식 의사위성을 이용한 정밀 항법 시스템
401: 주 의사위성모듈 402a, 402b, 402c: 부 의사위성 모듈
403: 시각 동기용 기준국 405: 정밀주파수제어클럭수단
501: 안테나 502: 안테나 스위칭
503, 900, 901: 수신기 504, 902: 시각동기모듈
505, 903, 904: 클럭제공모듈 506, 905, 906: 의사위성
507: 무선데이터링크
700: 양방향 의사위성모듈을 이용한 의사위성 항법 시스템
701: 주 양방향 의사위성모듈
702, 702a, 702b, 702c: 부 양방향 의사위성모듈
704a, 704b, 704c, 704d: 양방향 의사위성모듈
705: GPS 위성
1000: 시각오차계산부 1001: 시각동기루프 필터수단
1002: 기준클럭생성부 1003: 수치제어클럭생성부
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.
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 제시된 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 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.
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.
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.
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.
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.
도 1에 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 이 중 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 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.
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.
도 1에 도시된 바와 같은 종래의 의사위성항법시스템(100)의 기준국(103)에서 측정된 제1의사위성(101a)의 반송파 위상(P1R) 측정치 (
Figure 112006073044626-pat00001
)와 도플러 측정치(
Figure 112006073044626-pat00002
)는 수학식 1과 같다.
Figure 112006073044626-pat00003
여기서,
Figure 112006073044626-pat00004
: 제1의사위성(101a)의 신호 송출 안테나와 기준국(103)의 수신기 안테나간 거리
Figure 112006073044626-pat00005
: 기준국(103)의 수신기 클럭 바이어스
Figure 112006073044626-pat00006
: 제1의사위성(101a) 클럭 바이어스
Figure 112006073044626-pat00007
: 반송파의 파장(
Figure 112006073044626-pat00008
)
Figure 112006073044626-pat00009
: 제1의사위성(101a)과 이동체(105)간의 반송파 위상 미지정수
Figure 112006073044626-pat00010
: 반송파 위상 측정 잡음
Figure 112006073044626-pat00011
: 기준국(103)의 수신기 클럭 드리프트
Figure 112006073044626-pat00012
: 제1의사위성(101a) 클럭 드리프트
Figure 112006073044626-pat00013
: 도플러 측정 잡음
그리고 기준국(103)에서 측정된 제2의사위성(101b)의 반송파 위상 (P2R) 측정치(
Figure 112006073044626-pat00014
)와 도플러 측정치(
Figure 112006073044626-pat00015
)는 수학식 2와 같다.
Figure 112006073044626-pat00016
여기서,
Figure 112006073044626-pat00017
: 제2의사위성(101b)의 신호 송출 안테나와 기준국(103)의 수신기 안테나간 거리
Figure 112006073044626-pat00018
: 기준국(103)의 수신기 클럭 바이어스
Figure 112006073044626-pat00019
: 제2의사위성(101b)의 클럭 바이어스
Figure 112006073044626-pat00020
: 반송파의 파장(
Figure 112006073044626-pat00021
)
Figure 112006073044626-pat00022
: 제2의사위성(101b)과 이동체(105)간의 반송파 위상 미지정수
Figure 112006073044626-pat00023
: 반송파 위상 측정 잡음
Figure 112006073044626-pat00024
: 기준국(103)의 수신기 클럭 드리프트
Figure 112006073044626-pat00025
: 제2의사위성(101b)의 클럭 드리프트
Figure 112006073044626-pat00026
: 도플러 측정 잡음
기준국(103)은 상기 수학식 1과 수학식 2와 같이 측정된 반송파 위상 값과 도플러 값에 대해 수학식 3과 같이 차분 연산을 수행한다.
Figure 112006073044626-pat00027
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
Figure 112006073044626-pat00028
은 미지수가 아닌 상수항이 된다.
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(
Figure 112006073044626-pat00029
) 및 클럭 차이의 속도(
Figure 112006073044626-pat00030
)를 연산 수행한다.
Figure 112006073044626-pat00031
종래에는 시각 동기가 되지 않은 의사위성군이 이용되었기 때문에 클럭 차 이(
Figure 112006073044626-pat00032
) 및 클럭 차이의 속도(
Figure 112006073044626-pat00033
)는 다음과 같은 성질을 갖는다.
Figure 112006073044626-pat00034
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(
Figure 112006073044626-pat00035
) 및 클럭 차이의 속도(
Figure 112006073044626-pat00036
)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.
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(
Figure 112006073044626-pat00037
) 및 클럭 차이의 속도(
Figure 112006073044626-pat00038
))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.
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.
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.
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.
도 4a는 위에서 설명한 바와 같이 종래 기술에 따라 기준국에서 의사위성의 시각을 동기 시키는 동기식 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템을 나타낸다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
양방향 의사위성 모듈에 대한 구조 및 설명 그리고 구현 방법
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.
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.
이를 다시 한번 정리하자면, 아래와 같이 양방향 의사위성 모듈은 크게 4가지 모듈로 구성된다.
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.
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.
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.
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.
이러한 4가지 모듈을 거쳐 양방향 의사위성 모듈은 기준 신호에 동기된 신호를 생성하게 된다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
양방향 의사위성 항법시스템 설명
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.
움직이는 의사위성 모듈에 대한 시스템
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.
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.
고정된 의사위성 모듈에 대한 시스템
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.
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.
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.
위성항행 시스템과 의사위성 모듈의 통합 시스템
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.
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.
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.
시각동기 알고리즘 - 시각오차 계산 방안
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.
Figure 112006073044626-pat00039
Figure 112006073044626-pat00040
Figure 112006073044626-pat00041
Figure 112006073044626-pat00042
Figure 112006073044626-pat00043
Figure 112006073044626-pat00044
Figure 112006073044626-pat00045
Figure 112006073044626-pat00046
Figure 112006073044626-pat00047
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.
먼저 의사거리 측정치에 대해서 단일차분하면 아래 수학식 6과 같은 식을 얻을 수 있다.
Figure 112006073044626-pat00048
Figure 112006073044626-pat00049
그리고 수학식 6에서 얻어진 두 식을 더하고, 이 식을 정리하면 수학식 7을 얻는다.
Figure 112006073044626-pat00050
Figure 112006073044626-pat00051
Figure 112006073044626-pat00052
수학식 7에서 우리가 얻을 수 있는 값은 바로 주 양방향 의사위성 모듈(701)과 부 양방향 의사위성 모듈(702)간의 시각오차값인 (
Figure 112006073044626-pat00053
)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.
의사거리와 마찬가지로 반송파 위상 측정치를 단일 차분하면 아래 수학식 8 을 얻을 수 있다.
Figure 112006073044626-pat00054
Figure 112006073044626-pat00055
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 (
Figure 112006073044626-pat00056
)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.
Figure 112006073044626-pat00057
Figure 112006073044626-pat00058
Figure 112006073044626-pat00059
물론 반송파 위상 측정치를 사용하기 위해서는 미지정수 (
Figure 112006073044626-pat00060
)을 풀어야 한다. 미지정수를 해결하는 방법은 여러 가지가 있으므로 여기서는 이에 대한 것은 생략하겠다.
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.
시각동기 알고리즘 - 시각동기 과정
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.
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(
Figure 112006073044626-pat00061
)를 계산하고, 시각동기루프필터수단(1001)을 통해 시각동기명 령(U k )을 생성하여 이를 클럭제공모듈(904)에 보내게 된다.
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.
발명에 대한 개요 설명
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
또한, 어떠한 거리 정보 내지는 위치 정보도 이용하지 않고 동기가 가능하기 때문에, 움직이는 이동체에 양방향 의사위성 모듈을 탑재하여 사용하는 것이 가능하게 된다.
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.
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.

Claims (21)

  1. 시각동기된 의사위성을 이용하여 이동체의 위치를 결정하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템에 있어서,
    상기 항법 시스템의 기준 클럭을 갖는 주 양방향 의사위성모듈;
    상기 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 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주 양방향 의사위성모듈은,
    기준 클럭에 따라 자신의 설정에 맞는 신호를 생성하고 이를 송신하는 의사위성;
    자신의 신호 및 외부 의사위성으로부터의 신호를 모두 수신할 수 있는 수신기; 및
    상기 의사위성 및 상기 수신기에 기준 클럭을 공급하는 클럭제공모듈을 구비 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부 양방향 의사위성모듈은,
    기준 클럭에 따라 자신의 설정에 맞는 신호를 생성하고, 이를 송신하는 의사위성;
    자신의 신호 및 외부 의사위성으로부터의 신호를 모두 수신할 수 있는 수신기;
    상기 수신기에서 수신한 정보를 기초로 시각오차를 계산하고, 이를 이용하여 시각 동기 명령을 생성하는 시각동기모듈; 및
    상기 시각동기모듈로부터 시각동기 명령을 받아서 클럭을 생성하고, 상기 의사위성 및 상기 수신기에 기준 클럭을 공급하는 클럭제공모듈을 구비하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시각동기모듈은,
    상기 수신기에서 수신한 의사거리 정보 및 반송파 위상정보를 기초로 의사위 성 간의 시각오차(
    Figure 112006073044626-pat00062
    )를 계산하는 시각오차 계산부; 및
    상기 시각오차 계산부에서 계산된 시각오차를 이용하여 시각동기명령(U k )을 생성하는 시각동기 루프필터 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 클럭제공모듈은,
    기준 클럭을 생성하는 기준클럭생성부; 및
    상기 기준 클럭을 이용하여 상기 시각동기명령에 의해 제어된 클럭을 생성하는 수치제어 클럭생성부를 구비하며,
    상기 부 의사위성모듈의 클럭을 상기 주 의사위성모듈의 기준 클럭에 동기시키도록 동기된 클럭을 생성하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성모듈은 송신부와 수신부가 각각 독립적인 안테나를 사용하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성모듈은 송신부와 수신부가 하나의 안테나를 공통으로 사용하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    송신부와 수신부가 하나의 안테나를 공통으로 사용하는 상기 양방향 의사위성모듈은 송신 측과 수신 측의 안테나 스위칭을 위해 의사위성의 펄싱 신호를 이용하는 것으로서,
    상기 의사위성의 펄싱 신호가 ON 될 경우, 안테나는 송신 역할을 하며 상기 양방향 의사위성모듈 내의 수신기는 상기 양방향 의사위성 모듈 내의 의사위성의 신호만을 수신하고,
    상기 의사위성의 펄싱 신호가 OFF 될 경우, 안테나는 수신 역할을 하며, 상기 양방향 의사위성모듈 내의 수신기는 상기 양방향 의사위성모듈 내의 의사위성의 신호는 수신하지 않고, 외부 의사위성의 신호만을 수신하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성모듈은 내부에 독립적인 무선 데이터링크 수단을 포함하는 것으로서,
    양방향 의사위성 간의 데이터를 상기 무선 데이터링크 수단를 통해서 서로 교환하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성모듈은 독립적인 데이터링크 수단을 포함하지 않는 것으로서,
    의사위성 신호의 데이터 메시지에 양방향 의사위성 간의 데이터를 포함하여 전송하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성모듈은 움직이는 이동체에 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성모듈은 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 동기식 의사 위성 정밀 항법 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성모듈은 이동체에 탑재되어 있는 것과 고정되어 있는 것을 혼용하여 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성 모듈은 실내 및 실외에 모두 설치가 가능한 것으로서,
    독립적인 전파 항법 시스템으로서 운용되는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성 모듈을 실외에 설치하는 경우, 위성항법시스템(GPS, GLONASS, Galileo 등)과 통합된 항법 시스템을 구성하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 이동체는 동기된 양방향 의사위성모듈로부터 수신한 의사거리 정보를 이용하여 단독항법알고리즘으로 미터 단위의 오차로 자기 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 이동체는 동기된 양방향 의사위성모듈로부터 수신한 반송파 위상 정보를 이용하여 단독항법알고리즘으로 센티미터 단위의 오차로 자기 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성모듈의 위치 정보 없이 의사거리 측정치를 이용하여 아래의 수학식에 의해 의사위성 간의 시각오차(
    Figure 112006073044626-pat00063
    )를 계산하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사 위성 정밀 항법 시스템.
    Figure 112006073044626-pat00064
  19. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성모듈의 위치 정보 없이 반송파 위상 측정치를 이용하여 아래의 수학식에 의해 의사위성 간의 시각오차(
    Figure 112006073044626-pat00065
    )를 계산하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사 위성 정밀 항법 시스템.
    Figure 112006073044626-pat00066
  20. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 외부 의사위성은 위성항법시스템(GPS, GLONASS, Galileo 등)의 위성을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기식 의사 위성 정밀 항법 시스템.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 의사위성모듈은 하드웨어 또는 소프트웨어로 구성되는 것을 특징으로 하는 동기식 의사위성 정밀 항법 시스템.
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