내장된 ＧＰＳ 신호 수신 기능부를 구비하고 또 무선 통신네트워크 내에서 동작하도록 장비를 갖춘 이동국의 위치결정 방법 및 시스템 document_id A220623030810

본 발명은 무선 통신 네트워크의 동작 영역 내에서 동작하는 모바일 무선-주파수 송수신기의 위치의 결정에 관한 것이다. 상세하게는, 주된 관심의 모바일 유닛으로는 셀룰러 전화, 개인 휴대 단말기(PDA), 무선-장비를 갖춘 랩톱 컴퓨터, 및 GSM에 기반한 것 등의 "셀룰러화된(cellularized)" 전화 시스템 하에서의 정상적인 동작을 위한 무선 송수신기를 갖춘 다른 유사한 장치가 있다. 본 명세서에 기술된 위치-결정 기술은 서로 다른 방법 하에서 개별적으로 달성가능한 결과를 악화시킬 수 있는 조건 하에서 향상된 정확성 및 안정된 효과를 위해 GPS 데이터를 인프라 데이터 및 부수적인 데이터와 최적으로 통합한다. 광범위한 종래 기술에서 실현되고 주목한 바와 같이, 셀룰러 무선 통신 장치의 위치를 항상, 신뢰성있게 또 신속하게 확인할 수 있는 것은 공공의 안전 및 편의에서 또 상업적 생산성에서 상당한 공공 이익을 제공할 가능성이 있다. 통신 시스템 인프라와 제휴하여 위치-결정 시설의 인프라의 구현을 통해 이러한 통신 장치의 위치의 결정을 위한 많은 시스템이 기술되어 있다. 무선 모바일 유닛에 대한 위치의 결정을 위한 이러한 인프라-기반(또는 네트워크-기반) 시스템의 예는 Stilp 등의 미국 특허 제5,327,144호, Stilp 등의 미국 특허 제5,608,410호, Kennedy 등의 미국 특허 제5,317,323호, Maloney 등의 미국 특허 제4,728,959호, 및 관련 기술에서 찾아볼 수 있다. 이러한 인프라-기반 시스템의 추가의 응용에서의 위치 결정을 향상하고 또 심지어 이를 가능하게 해주기 위한 부수적인 정보의 사용은 Maloney 등의 미국 특허 제5,959,580호에 소개되어 있으며, Maloney 등의 미국 특허 제6,108,555호 및 제6,119,013호에 추가적으로 확장되어 있다. 인프라-기반 위치 결정 시스템에 대한 종래 기술의 이들 및 이하의 관련 설명은 적절한 측정 데이터가 도출될 수 있거나 다른 방식으로 이용가능한 경우 안정되고 효과적인 위치-결정 수행을 가능하게 해준다. 인프라-기반 위치 확인 시스템의 사용에서의 주된 이점은 임의의 모든 유형의 모바일 무선 통신 유닛의 위치 측정을 위한 기술의 적용가능성이다. 인프라 기술은 통상의 통신-대역 전송에 내재된 위치-관련 신호 특성의 측정을 통해 모바일 유닛의 위치를 확인하는 설비를 구축한다. 따라서, 구형의 전화 모델은 물론 새로 등장하는 무선 통신 유닛도 모두 똑같이 위치 확인 설비로 서비스받을 수 있다. 모바일 유닛은 표준의 무선 통신 시스템 신호 포맷 및 프로토콜을 이용하기만 하면 되며, 위치 확인 설비를 지원하기 위해 어떤 특수한 위치 추적-관련 수정을 필요로 하지 않는다. 인프라-기반 시스템의 응용에서 발생하는 어려움은 인구가 희박한 시골 환경에서 그 시스템을 사용하는 경우에 일어난다. 이들 환경에서, 충분히 이용되지 않는 통신 설비의 경제적 제약은 서로 상당히 멀리 떨어져 있는 셀룰러 지상국(cellular land station)에 통신 설비를 배치하는 것을 지원할 뿐이다. 이와 유사하게, 이용가능한 셀 사이트 간에 위치-결정 설비가 드문 드문 배치되어 있는 경우, 계산된 위치의 정확성은 도시 및 교외 환경에서 달성가능한 것에 대해 떨어진다. 도시 및 교외 환경에서, 항상 개개의 셀의 용량을 초과하는 일 없이 통신 트래픽에 대한 수요에 서비스하기 위해 통신 셀 스테이션의 공간 밀도가 높다. 이와 유사하게 비교적 서로 근접해 있는 셀 스테이션에 위치 확인 시스템 설비가 배치되어 있는 경우, 위치 결정은 상당히 더 높은 신호 세기로 감지 위치에서 추출된 상당히 더 많은 분량의 도움이 되는 측정치를 사용하여 도출되며, 그에 따라 위치 평가에 대한 상당히 더 나은 누적 정밀도를 제공한다. 시골 환경에서의 인프라 장비의 배치 밀도가 낮은 것은 인프라-기반 위치 결정 시스템의 정확도 성능에 난제가 되고 있다. 미국 정부의 GPS(Global Positioning System) 사용에 기초한 위치-결정 시스템은 GPS 수신기가 훤히 트인 하늘로 수신 액세스를 할 때 아주 정확하다. 머리 위쪽으로부터 전송하는 GPS 위성들의 위성군(constellation)이 신호를 제공하고 이 신호로부터 GPS 수신기는 그의 위치를 결정할 수 있다. 하늘의 시계가 트여 있는 시골 영역에서, 예시적인 GPS 정확도는 항상 달성가능하다. 모바일 유닛의 위치를 파악하는 데 모바일 무선 통신 송수신기를 내장한 GPS 수신기의 사용을 위해 상당한 종래 기술이 이용가능하다. 이러한 방법에 대한 예시적인 설명은 예를 들어 발명의 명칭이 "내비게이션 시스템 및 방법(Navigation System and Method)"인 미국 특허 제4,445,118호(1984년 4월 24일), 및 발명의 명칭이 "기준 위치를 사용하는 무선 지원 GPS(Wireless Assisted GPS Using a Reference Location)"인 미국 특허 제6,538,600호(B1)(2003년 3월 25일)에 포함되어 있다. 적절한 수의 비교적 왜곡되지 않은 위성 신호가 충분한 신호 세기로 수신될 수 있는 경우, GPS 장치의 정확도는 아주 뛰어나다. 무선 통신 유닛에 대한 위치를 결정하는 데 GPS 보강을 사용하는 것에 몇가지 어려움이 내재되어 있다. 모바일 유닛 내의 GPS 설비는 통신 설비와 다르며, 따라서 GPS 수신을 위한 부가적인 하드웨어 기능을 포함하는 전화 모델만이 GPS-기반 위치-결정 이점을 달성하는 데 사용될 수 있다. GPS 신호에 대해 수반되는 신호 처리 및 분석은 그의 특정의 신호 포맷을 갖는 GPS 주파수 대역 신호를 수신하는 부가 설비를 포함한다. 무선 유닛은 이 부가의 기능의 에너지 또는 전력 요구를 지원해야만 한다. 모바일 유닛에서의 전력 소모를 최소화하기 위해, GPS 수신은 예를 들어 위치 확인 지원을 위해 필요하지 않을 때는 계속적으로 활성이 아닐 수 있다. 그렇지만, GPS 신호의 획득 및 수신은 위치 확인 서비스가 필요할 때 적용가능한 위성 신호의 검색을 필요로 하며, GPS 수신기가 얼마 동안 위성 신호를 적극적으로 모니터링하고 있지 않은 경우 이러한 검색으로 인해 TTFF(time to first fix)가 비교적 크게 될 수 있다. 마지막으로, GPS 수신기는 타당한 정확도의 위치 계산을 지원하기 위해 비교적 광범위하고 균일한 범위의 하늘에 걸쳐 적절한 수의 위성 신호를 획득 및 측정할 수 있어야만 한다. 위성으로부터 수신기로의 전파 경로가 폐색 또는 (예를 들어, 다중 경로 전파에 의해) 상당히 왜곡되어 있는 경우, 위치 결정을 위해 GPS-기반 해결책이 이용 불가능하다. GPS 수신기가 무성한 나뭇잎 아래에, 지형 지물 뒤에, 빌딩의 내부에, 및/또는 하늘의 시야를 가리는 고층 빌딩이 있는 도심의 "도시 협곡(urban canyon)"의 기슭에 있을 때, 이러한 신호 폐색 및 왜곡은 지속된다. 상기 어려움 중 일부를 완화시키기 위해 GPS 수신기를 "지원"하는 기술들은 상기한 미국 특허 제4,445,118호 및 제6,538,600호(B1)에 기술되어 있다. AGPS(assisted GPS) 수신기를 지원함에 있어서, 신호의 세기가 꽤 열화될 때 외부 GPS 인프라는 필요한 GPS 신호의 수신을 용이하게 해주는 안내 정보를 제공할 수 있다. 게다가, 그 도움의 결과로, 보다 간단하고 저전력의 회로로 GPS 수신기를 구현할 수 있게 된다. 아마도 가장 중요한 것은 AGPS에 제공되는 도움이 현재 "머리 위쪽에 있는" 위성들 및 그 위성들만을 포착하는 데 적절한 파라미터에서 수신기를 안내하는 것이다. 따라서, 그 도움은 위성 신호를 검출하는 데 필요한 신호 검색 프로세싱을 감소시키며 그에 의해 감소된 응답 TTFF를 갖는 향상된 성능을 지원한다. AGPS 방법이 제공하는 이들 향상에도 불구하고, "답답한" 도시 환경에서 적절한 GPS 신호 포착을 위해 야기되는 어려움은 안타까울 정도까지 GPS-기반 위치 확인을 여전히 상당히 악화시키거나 또는 효과적으로 방해한다. 이들 환경에서의 무선 통신 트래픽의 양은 공공 안전 또는 돌발 사태 대응을 지원함에 있어서 및 위치-기반 서비스가 촉진시킬 수 있는 생산성 향상을 제공함에 있어서 이들 어려움을 받아들일 수 없는 부담이 되게 한다. 무선 위치 확인에 관한 추가의 배경 정보는 본 발명의 양수인인 TruePosition, Inc.가 소유하고 있는 이하의 미국 특허, 즉 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 안테나 선택 방법(Antenna Selection Method for a Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,661,379호(B2)(2003년 12월 9일), 발명의 명칭이 "음성/트래픽 채널 추적을 위한 무선 위치 확인 시스템의 협대역 수신기의 자동 동기 동조(Automatic Synchronous Tuning Of Narrowband Receivers Of A Wireless Location System For Voice/Traffic Channel Tracking)"인 미국 특허 제6,646,604호(2003년 11월 11일), 발명의 명칭이 "다중 패스 위치 확인 프로세싱(Multiple Pass Location Processing)"인 미국 특허 제6,603,428호(2003년 8월 5일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에서의 충돌 복원(Collision Recovery In A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,563,460호(2003년 5월 13일), 발명의 명칭이 "E-911 호출에 대한 정확도 향상을 위한 수정된 전송 방법(Modified Transmission Method For Improving Accuracy For E-911 Calls)"인 미국 특허 제6,519,465호(2003년 2월 11일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 수신기 시스템에 대한 내부 캘리브레이션 방법(Internal Calibration Method For Receiver System Of A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,492,944호(2002년 12월 10일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에서 사용하기 위한 기준선 선택 방법(Baseline Selection Method For Use In A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,483,460호(2002년 11월 19일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 정확도를 개선하기 위한 모바일-지원 네트워크 기반 기술(Mobile-Assisted Network Based Techniques For Improving Accuracy Of Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,463,290호(2002년 10월 8일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에 대한 안테나 선택 방법(Antenna Selection Method For A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,400,320호(2002년 6월 4일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 신호 수집 시스템(Signal Collection System For A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,388,618호(2002년 5월 14일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 수신기 시스템을 동기화하는 방법 및 시스템(Method And System For Syncyhronizing Receiver Systems Of A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,351,235호(2002년 2월 26일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 수신기 시스템에 대한 내부 캘리브레이션 방법(Internal Calibration Method For Receiver System Of A Wireless Location System)인 미국 특허 제6,317,081호(2001년 11월 13일); 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에 대한 스테이션 기반 프로세싱 방법(Station Based Processing Method For A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,285,321호(2001년 9월 4일); 발명의 명칭이 "E-911 호출에 대한 정확도를 향상시키는 수정된 전송 방법(Modified Transmission Method For Improving Accuracy For E-911 Calls)"인 미국 특허 제6,334,059호(2001년 12월 25일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 중앙 집중식 데이터베이스 시스템(Centralized Database System For A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,317,604호(2001년 11월 13일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 캘리브레이션(Calibration For Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,281,834호(2001년 8월 28일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 신호 수집 시스템의 구조(Architecture For A Signal Collection System Of A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,266,013(2001년 6월 24일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 캘리브레이션(Calibration For Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,184,829호(2001년 2월 6일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 긴급 위치 확인 방법(Emergency Location Method For A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,172,644호(2001년 1월 9일); 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템에서 사용하기 위한 단말기 재시도 방법(Directed Retry Method For Use In A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,115,599호(2000년 9월 5일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 정확도를 향상시키는 방법(Method For Improving The Accuracy Of A Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,097,336호(2000년 8월 1일), 발명의 명칭이 "무선 위치 확인 시스템의 대역폭 합성(Bandwidth Synthesis For Wireless Location System)"인 미국 특허 제6,091,362호(2000년 7월 18일), 발명의 명칭이 "버스티 전송의 소스의 위치를 확인하는 시스템(System For Locating A Source Of Bursty Transmissions)"인 미국 특허 제5,608,410호(1997년 3월 4일), 및 발명의 명칭이 "셀룰러 전화 위치 확인 시스템(Cellular Telephone Location System)"인 미국 특허 제5,327,144호(1994년 7월 5일)에서 찾아볼 수 있다. 다른 예시적인 특허로는 발명의 명칭이 "안정되고 효율적인 위치-관련 측정(Robust, Efficient, Location-Related Measurement)"인 미국 특허 제6,546,256호(B1)(2003년 4월 8일), 발명의 명칭이 "위치-의존적 신호 특성의 향상된 결정(Enhanced Determination Of Position-Dependent Signal Characteristics)"인 미국 특허 제6,366,241호(2002년 4월 2일), 발명의 명칭이 "단일 스테이션 통신 위치 추적 장치 및 방법(Apparatus And Method For Single Station Communications Localization)"인 미국 특허 제6,288,676호(2001년 9월 11일), 발명의 명칭이 "단일 스테이션 통신 위치 추적 시스템(Single Station Communications Localization System)"인 미국 특허 제6,288,675호(2001년 9월 11일), 발명의 명칭이 "안정되고 효율적인 위치 추적 시스템(Robust, Efficient, Localization System)"인 미국 특허 제6,047,192호(2000년 4월 4일), 발명의 명칭이 "향상된 시간차 위치 추적 시스템(Enhanced Time Difference Localization System)"인 미국 특허 제6,108,555호(2000년 8월 22일), 발명의 명칭이 "무선 전화의 위치 확인을 위한 의사 위성-보강된 GPS(Pseudolite-Augmented GPS For Locating Wireless Telephones)"인 미국 특허 제6,101,178호(2000년 8월 8일), 발명의 명칭이 "향상된 시간차 위치 추적 시스템(Enhanced Time-Difference Localization System)"인 미국 특허 제6,119,013호(2000년 9월 12일), 발명의 명칭이 "단일 스테이션 통신 위치 추적 시스템(Single Station Communications Localization System)"인 미국 특허 제6,127,975호(2000년 10월 3일), 발명의 명칭이 "통신 위치 추적 시스템(Communications Localization System)"인 미국 특허 제5,959,580호(1999년 9월 28일), 및 발명의 명칭이 "방향 탐지 위치 추적 시스템(Direction Finding Localization System)"인 미국 특허 제4,728,959호(1988년 3월 1일)가 있다. 요약하면, 지난 10년에 걸쳐, 무선 전기 통신 산업 내의 단체들은 무선 위치 확인 기술을 연구하는 데 상당한 시간 및 자원을 투자해왔다. 현재까지 투자된 기술들 중에는, 모두가 어떤 강점 및 약점을 갖는 것으로 밝혀졌다. 지금까지는, 모든 환경에 걸쳐 최적의 성능을 제공하는 단 하나의 어떤 위치 확인 기술도 확인되지 않았다. 그 결과, 모든 적당한 환경에서 타당한 성능을 제공할 수 있는 일련의 보완적인 기술들을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 지금까지의 상당한 현장 배치에서, U-TDOA(uplink time difference of arrival, 업링크 도착 시간 차이) 기술에 기초한 위치 확인 기술은 도시, 교외 및 실내 환경에서 우수한 성능을 제공하는 것으로 증명되었다. U-TDOA 기술은 핸드셋에 대한 수정을 필요로 하지 않으며, 따라서 기존의 이동국에 대한 성능이 이들 동일 환경에서 우수한 것으로 증명되었다. 셀 사이트 밀도, 네트워크 지오메트리(network geometry) 및 통화권 영역이 아주 제한되어 있는 어떤 시골 환경에서, U-TDOA의 성능은 다른 위치 확인 방법의 도움이 없는 경우 악화되는 것으로 증명되었다. AGPS(Assisted Global Position System) 및 AFLT(Advanced Forward Link Trilateration) 위치 확인 기술도 역시 상당한 위치 확인 능력을 가지고 있지만 단점도 역시 가지고 있다. 예를 들어, GPS 신호의 수신이 아주 어렵게 되고 때로는 불가능하게 되는 도시 및 실내 환경에서, 정확도 및 수율 둘다에서의 AGPS 기술의 성능은 상당히 떨어진다. 그렇지만, 이들 동일한 도시 및 실내 환경에서, U-TDOA 기술은 성능이 좋은 것으로 증명되었는데, 그 이유는 업링크 채널의 SNR이 높게 유지되고 셀 사이트 밀도가 아주 조밀하기 때문이다. 게다가, 소지자 및 가입자에게는 더 높은 정확도가 보다 중요하게 되지만 다중 경로의 효과가 더욱 크게 되는 도시 및 조밀한 교외 환경에서, AFLT 기술의 성능은 다중 경로의 효과를 완화시키지 못함으로 인해 제한된다(GPS-Assisted Location Technology, Alpha Trial Field Test in Tampa, FL, March 9th - Apr 2, 1999를 참조, 이의 복사본이 본 명세서와 함께 정보 개시서(Information Disclosure Statement)에 제출되어 있음). 이들 동일한 도시 및 조밀한 교외 환경에서, U-TDOA 기술은 다중 경로의 효과를 완화시키는 최신의 초해상도 기술을 이용할 수 있는 것으로 인해 성능이 좋은 것으로 증명되었다. 마지막으로, U-TDOA는 새로운 AGPS 및 AFLT 지원 모바일을 비롯하여 현재 기존의 이동국 100%에 적용될 수 있다. 그렇지만, AGPS 및 AFLT 위치 확인 방법은 제한된 일련의 판매자로부터 새로운 위치 확인 지원 이동국을 구매하는 가입자에 의존한다.