KR100264977B1 - 위치정보제공시스템의 사용자 위치 실시간 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 위치정보 제공시스템의 사용자 위치 실시간 측정 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 각 기준국과 사용자사이의 거리에 따른 공간상관거리 값을 데이터 윈도우를 이용하여 실시간으로 계산하여 다중기준국 위치정보 제공시스템의 사용자 위치를 측정하는 방법을 제공하고자 함.
3. 본 발명의 해결 방법의 요지
본 발명은, 다수의 기준국으로부터 오차보정 값을 수신한 후에, 위성정보 제공위성으로부터 위치정보를 수신하여 사용자 위치를 구하는 제 1 단계; 계산된 사용자 위치를 이용한 데이터 윈도우를 사용하여 보정된 상관거리를 구하는 제 2 단계; 상기 다수의 기준국으로부터 수신한 오차보정 값과 보정된 상관거리를 이용하여 칼만 필터링을 수행하여 보정된 오차보정값을 구하는 제 3 단계; 및 보정된 오차보정 값에 따라 보정된 사용자 위치를 측정하는 제 4 단계를 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 위치정보 제공시스템의 사용자 위치 측정 등에 이용됨.

Description

위치정보제공시스템의 사용자 위치 실시간 측정 방법
본 발명은 위치정보 제공시스템의 기준국에서 보내온 오차보정 정보를 이용하여 사용자의 위치를 측정하는 방법에 관한 것으로, 특히 실시간으로 추정한 공간상관거리를 이용하여 사용자의 위치를 측정하는 방법에 관한 것이다.
위치정보 제공시스템(DGPS : Differential Global Positioning System)은 사용자가 주변의 기준국의 도움을 얻어 자신의 위치를 계산하는 시스템이다.
먼저, 위치정보 제공시스템에서 사용되는 용어를 살펴보면 다음과 같다.
상관도는 상관관계가 100%이면 "1"이고, 전혀 없으면 "0"이며, 비상관도는 원래는 (1-상관도)이지만, 상관도와 같은 의미로 사용하는 경우가 많다.
그리고, 공간상관도는 거리에 따른 상관도를 말한다. 즉 거리에 따라 상관도가 변화하는 특성에 근거하여 정의되어진다.
한편, 상관거리에 대해 살펴보면 다음과 같다.
위치정보 제공시스템 기준국에서 오차보정 값을 계산하면 기준국 사이의 거리에 따라 이 보정값들의 상관도가 변하게 된다. 즉 거리에 따른 상관도가 형성되게 된다. 이를 상관거리라고 한다. 다시 말하면, 기준국사이의 거리가 0이면 두 보정값을 비교하여 상관도를 구하면 1이고, 두 기준국사이의 거리가 멀면 멀수록 0에 가까워진다.
도 1 은 공간상관거리에 대한 설명도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 기준국 사이의 거리(d)에 따라 의사거리 보정오차의 분산은 σ2exp(-d/D)의 형태로 감소한다.
따라서, D값을 적당히 찾아내는 것이 중요하며, 이 D를 상관거리라고 한다.
한편, 공간상관거리란 이 상관거리가 공간적인 분리에서 나왔다는 것을 강조하기 위하여 사용되는 것으로 상관거리와 같은 의미로 사용된다.
이제, 일반적인 단일기준국 위치정보 제공시스템의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
도 2 는 일반적인 단일기준국 위치정보 제공시스템의 구성 예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 단일기준국 위치정보 제공시스템은, 위치정보 제공 위성(210), 기준국(220) 및 사용자(230)를 구비하고 있다.
기준국(220)은 미리 측정된 자신의 위치와 위치정보 제공위성(210)으로부터 받은 위치정보를 사용하여 오차보정 값을 계산한 후에, 주변의 사용자(230)에게 전달하며, 사용자(230)는 구비하고 있는 위치정보 수신장치를 이용하여 이 오차보정 값을 자신의 위치 계산에 반영하여 비교적 정확한 위치를 계산한다.
그리고, 이러한 과정은 위치정보 제공위성(210)으로부터 받은 위치정보에 포함되어 있는 여러 오차 요인(즉, 위치정보 제공 위성의 궤도정보오차, 위치정보 제공 위성의 시계오차, 위치정보 제공위성으로부터 제공되는 위치정보 신호가 전리층과 대류층을 통과시 발생되는 전리층 지연오차와 대류권 지연오차, 다중 경로 오차, 수신기 잡음 오차 등) 등 다중 경로오차와 수신기 잡음 오차를 제외한 나머지 오차를 기준국(220)과 사용자(230)의 공통 오차로 간주하여 이들을 소거한다.
이 때, 기준국(220)과 사용자(230)간의 거리가 멀어지면 (통상 100km 이상) 공통오차로 간주되었던 오차들의 공통성질들이 점점 적어져 위치정보 제공위성(210)으로부터 제공되는 위치정보로부터 사용자(230)가 정확히 위치를 측정하는 것이 더 어려워지게 된다.
이는 결국 기준국(220)이 담당할 수 있는 영역의 제한 요인으로 작용하며, 위치정보 제공위성(210)으로 넓은 지역을 서비스하기 위해서는 많은 수의 기준국(220)을 설치하여야 한다.
또한, 이러한 단일기준국 위치정보 제공시스템에서는 사용자(230)가 의존했던 기준국(220)에 문제가 발생하면 이를 극복하기가 매우 어렵다는 문제점이 있었다.
이러한 단점 극복을 위해 여러개의 기준국(220)을 묶어서 취합 된 정보를 이용하는 다중 기준국 위치정보 제공시스템을 개발하게 되었다.
그리고, 다중 기준국 위치정보 제공시스템의 사용자(230)는 여러 기준국(220)으로부터 보내온 정보를 이용하여 위치를 측정함으로 단일 기준국 위치정보 제공시스템보다 정확하게 위치를 측정할 수 있게 되었다.
그러나, 다중 기준국 위치정보 제공시스템에서도 사용자(230)와 각 기준국(220)간의 공간상관도를 미리 실험적으로 추정한 후에 이를 이용하는 것이 일반적이었다.
도 3 은 거리와 시간에 따른 공간상관도의 변화에 대한 설명도이다.
도면에서 가로축은 기준국과 사용자의 거리를 나타내며, 세로는 공간상관도를 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, 거리가 멀어짐에 따라 공간상관도는 작아지고, 시간적으로도 오전이 가장 작고, 오후가 그 다음이며, 저녁이 가장 높게 나타난다.
이처럼, 공간상관도는 거리와 시간에 따라 변화가 있음을 알 수 있다.
종래의 다중기준국 위치정보 제공시스템에서는 공간상관도가 거리는 물론 시간에 따라 변동된다. 하지만, 종래에는 시간에 따른 변화를 고려하지 않고 상수값을 이용함으로써 그 위치 측정에 있어서 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.
따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 각 기준국과 사용자사이의 거리에 따른 공간상관거리 값을 데이터 윈도우를 이용하여 실시간으로 계산하여 다중 기준국 위치정보 제공시스템의 사용자 위치를 측정하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 상관 거리에 대한 설명도.
도 2 는 일반적인 단일기준국 위치정보 제공시스템의 구성 예시도.
도 3 은 거리와 시간에 따른 공간상관도의 변화에 대한 설명도.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 위치정보 제공시스템의 사용자 위치 실시간 측정 방법의 흐름도.
도 5 는 도 4 에 이용되는 공간상관거리를 구하기 위한 데이터 윈도우의 구조도.
도 6 은 본 발명에 이용되는 칼만 필터에 대한 설명도.
도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 다중기준국 위치정보 제공시스템의 실험 개요도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
210 : 위치정보 제공위성 220 : 기준국
230 : 사용자
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 위치정보 제공시스템에 적용되는 사용자 위치 측정 방법에 있어서, 다수의 기준국으로부터 오차보정 값을 수신한 후에, 위성정보 제공위성으로부터 위치정보를 수신하여 사용자 위치를 구하는 제 1 단계; 계산된 사용자 위치를 이용한 데이터 윈도우를 사용하여 보정된 상관거리를 구하는 제 2 단계; 상기 다수의 기준국으로부터 수신한 오차보정 값과 보정된 상관거리를 이용하여 칼만 필터링을 수행하여 보정된 오차보정값을 구하는 제 3 단계; 및 보정된 오차보정 값에 따라 보정된 사용자 위치를 측정하는 제 4 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 4 내지 도 7 을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 종래 다중 기준국 위치정보 제공시스템의 정확도를 향상시키기 위한 구조를 제안한 것이다.
즉 종래의 방식은 사용자와 기준국간의 거리가 멀어지면 상관도가 떨어지는 정도를 나타내는 공간상관도를 미리 결정하고 이를 갱신없이 사용하므로 상관관게의 시간에 따른 변화를 효과적으로 추정할 수 없게 된다.
본 발명은 각 기준국에서 전송되는 오차보정 정보를 이용하여 상관관계를 실시간으로 추정하므로 종래의 구조에 비해 정확도를 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명은 차량 위치추적, 항공기 위치추적, 배의 항구진입 등 다양한 분야에 쓰일 수 있으며, 실시간 제공으로 경제성이 뛰어나다.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 위치정보 제공시스템의 사용자 위치 실시간 측정 방법의 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 위치정보 제공시스템의 사용자 위치 실시간 측정 방법은, 먼저 다수의 기준국으로부터 오차보정 값을 수신하고(410), 위치정보 제공위성으로부터 클럭정보와 위성궤도 정보 등을 수신한다(411).
이후에, 위성별 보정 오차를 계산한 후에(412), 계산된 위성별 보정 오차를 이용한 데이터 윈도우를 사용하여 상관거리를 구한다(413).
다음에, 칼만 필터링을 수행한 후에(414), 사용자 위치를 측정하고(415), 종료한다.
도 5 는 도 4 에 이용되는 공간상관거리를 구하기 위한 데이터 윈도의 구조도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 데이터 윈도우 구조는, 먼저 위치정보 제공위성 j에 의한 기준국 i와 k사이의 상관거리인 Dj ik를 더하여 총 기준국 개수로 나눈다.
상기 과정은 기준국의 개수를 3개의 경우로 가정하면, 다음 (수학식 1)로 표현된다.
그리고, 모든 위치정보 제공위성에 대한 상기의 과정에 의한 계산값을 합하여 총 위치정보 제공위성의 개수로 나눈 후에, 이러한 계산 과정을 일정 시간 구간안에서 이산적으로 수행한다.
상기 과정은 다음 (수학식 2)에 의해 표현된다.
여기서, Nsat는 총 위치정보 제공위성의 개수를 나타낸다.
다음에, 이산적으로 수행된 결과값을 사용하여 윈도우에서 갱신된 추정된 상관거리를 구한다.
상기 갱신된 추정된 상관거리를 구하는 과정은 다음 (수학식 3)으로 표현된다.
윈도우에서 갱신된 추정된 상관거리를 나타내며, W(t)는 각 데이터 포인트에 대한 웨이팅(과거 데이터에 대한 망각 정도를 고려할 수 있으나, 데이터 값이 급변하지 않으면 1로 놓으면 됨)을 나타낸다.
한편, 데이터 윈도우의 크기가 크면 변하는 상관거리를 잘 따라가지 못하고, 너무 작으면 값이 불안하게 추정될 것이다. 그러므로 실험에 의해 상황에 맞는 데이터 윈도우의 크기를 미리 정해야 한다.
도 6 은 본 발명에 이용되는 칼만 필터에 대한 모델링한 예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 칼만필터는, 기준국으로부터 오차보정 값 X2, X3을 입력받고, 위치정보 제공위성으로부터 가공되지 않은 데이터(Raw Data)인 클럭 정보와 위성 궤도 정보 등을 입력받아 추정된 오차보정 값 벡터 X=[X1, X2, X3]를 구한다.
여기서, X1는 사용자의 오차보정 값을, X2는 기준국의 오차보정 값을, X3도 기준국의 오차보정 값을,는 추정된 X벡터 즉[X1, X2, X3]를, D는 상관거리를,는 윈도우에서 갱신된 상관거리를, dij는 기준국 i와 j의 사이의 거리를, σ는 오차의 분산을, R은 위치정보 수신장치의 측정 잡음을 나타낸다.
도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 다중기준국 위치정보 제공시스템의 실험 개요도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 다중기준국 위치정보 제공시스템의 실험 개요는, 날짜는 1997년 8월 18일부터 20일 까지 서울은 건국대학교, 동해는 동해기상대, 대전은 대전천문대, 광주는 조선대학교, 부산은 부산대학교에서 측정하였으며, 수신간격은 15초 간격으로 측정하며, 총 수신시간은 약 24시간이다.
위치정보 수신기는 노바텔(Novatel 3151R)과 트림블(Trimble 4000ssi)이다.
상기 실험 결과는 다음 (표 1)에 도시된 바와 같다.
여기에서 2drms(distance root mean square)는 95%의 확률로 측정된 값이다.
상기 (표 1)에서 알수 있는 바와 같이 개선된 칼만 필터 방법에 의한 경우에 그 정확도가 많이 개선되었음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 다중기준국 위치정보 제공시스템을 이용하여 사용자가 위치를 계산할 때 정확한 값을 얻을 수 있으며, 차량 위치 추적, 항공기 이착륙, 배의 항구 진입 등 다양한 분야에서 쓰일 수 있어 경제성이 뛰어난 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 위치정보 제공시스템에 적용되는 사용자 위치 측정 방법에 있어서,
    다수의 기준국으로부터 오차보정 값을 수신한 후에, 위성정보 제공위성으로부터 위치정보를 수신하여 사용자 위치를 구하는 제 1 단계;
    계산된 사용자 위치를 이용한 데이터 윈도우를 사용하여 보정된 상관거리를 구하는 제 2 단계;
    상기 다수의 기준국으로부터 수신한 오차보정 값과 보정된 상관거리를 이용하여 칼만 필터링을 수행하여 보정된 오차보정값을 구하는 제 3 단계; 및
    보정된 오차보정 값에 따라 보정된 사용자 위치를 측정하는 제 4 단계
    를 포함하여 이루어진 사용자 위치 실시간 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계의 사용자 위치를 구하는 과정은,
    사용자의 위도, 경도 및 고도값을 계산하는 것을 특징으로 하는 사용자 위치 실시간 측정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    상기 위치정보 제공위성에 의한 상기 기준국 사이의 상관거리를 더하여 총 기준국 개수로 나누는 제 5 단계;
    상기 위치정보 제공위성에 의한 상기 기준국 사이의 상관거리를 더하여 총 기준국 개수로 나눈 결과값을 다수의 상기 위치정보 제공위성에 대하여 합하여 총 위치정보 제공위성의 개수로 나누는 제 6 단계; 및
    데이터윈도우에서 갱신된 추정된 상관거리를 구하는 제 7 단계
    를 포함하여 이루어진 사용자 위치 실시간 측정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 7 단계의 갱신된 추정된 상관거리를 구하는 과정은,
    는 데이터윈도우에서 갱신된 추정된 상관거리라 하고, W(t)는 각 데이터 포인트에 대한 웨이팅이라 하면,
    인 것을 특징으로 하는 사용자 위치 실시간 측정 방법.
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