KR100351962B1 - 의사위성을 이용한 항법 시스템 - Google Patents

Abstract

의사위성들(pseudolites)을 이용한 항법 시스템에 대해 개시하고 있다. 본 발명의 항법 시스템은: L1(1575.42㎒) 주파수에 PRN 코드와 데이터 메시지를 실은 반송파 신호를 송출해주는 적어도 3개 이상의 의사위성들과; 상기 의사위성들로부터 나오는 신호를 송출해주기 위한 송신 안테나들과; 상기 의사위성 신호를 수신하기 위한 수신기와; 이중차분을 이용한 보정 항법을 위한 무선전송을 할 수 있는 기준국과; 상기 기준국으로부터 보정 정보를 수신하고 자신의 수신기로부터 얻어진 데이터를 처리하여 정확한 위치를 구하기 위한 중앙처리수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 항법 시스템은 정적으로 수 ㎜, 동적으로 수 ㎝ 수준의 항법이 가능하기 때문에, 대형 조립 공장의 자동화나 실내 놀이시설의 위치 정보 확인 시스템, 그밖에도 GPS(Global Positioning System) 위성 신호를 수신할 수 없는 환경에서의 항법에 유용하다.

Description

의사위성을 이용한 항법 시스템 {Navigation system using pseudolites}

본 발명은 위성 항법 시스템에 관한 것으로, 특히 의사위성들을 이용하여 실내 항법을 할 수 있는 항법 시스템에 관한 것이다.

최근, 미 국방성이 GPS(Global Positioning System)의 신호를 민간 분야에 일부 개방함으로써 시작된 위성 항법 시스템에 대한 연구는 이제 연구 개발 단계를 넘어서 상용화 단계에 이르렀다. 차량 항법 시스템이나 항공기나 선박의 항법 시스템 등이 그 한 예이다. GPS 수신기 하나만으로 지구상 어느 곳에서나 자신의 위치를 비교적 정확히 알 수 있다는 것은 위성 항법 시스템만의 큰 장점이다. 그러나 위성 신호가 차단되는 지역이나 실내에서는 GPS를 이용할 수 없으니 이는 얼마 되지 않는 GPS의 단점 중의 하나라 할 수 있다. 특히 반송파 보정 위성 항법(CDGPS : Carrier phase Differential GPS)와 같이 정밀한 항법 알고리듬을 실내와 같은 곳에서 사용할 수 있다면 많은 응용 분야가 있을 수 있음에도 불구하고 현재까지의 기술로는 실내에서 이와 같은 시스템을 구축하지 못하였다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 위성 신호를 수신할 수 없는 지역, 즉 대표적으로 실내 및 지하의 환경에서도 사용할 수 있는 저가의 항법 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 기존의 위성 항법 시스템(GPS)의 항법 알고리듬, 특히 CDGPS의 항법 알고리듬을 GPS 수신기 하드웨어의 개조 없이도 실내에서 가능하게 하는 것이며, 실내 환경의 특성으로 발생하게되는 근거리/원거리 문제, 타임-태그 오차(time-tag error), 다중경로 문제 등을 해결하여 정확한 항법 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 항법 시스템의 구성과 항법을 위한 측정값들을 보여주는 개념도;

도 2는 본 발명의 항법 시스템의 개념을 나타낸 도면;

도 3은 본 발명의 항법 시스템에 사용된 의사위성 중 가장 간단한 구조를 가지는 것을 나타낸 블록도;

도 4a는 본 발명의 항법 시스템에 사용된 송신 안테나의 개략도;

도 4b는 본 발명에 사용된 의사위성과 송신 안테나가 설치된 모습을 나타낸 도면;

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실내 항법 시스템 전체의 개략적 구성도;

도 6a 및 6b는 도 5의 실내 항법 시스템의 정적 측위의 정확도를 알아보기 위한 실험 결과의 그래프들;

도 7a 및 7b는 도 5의 실내 항법 시스템의 성능을 알아보기 위한 실험 및 그 결과 그래프;

도 8a 및 8b는 도 5의 실내 항법 시스템의 동적 정확도를 알아보기 위한 실험 장면 및 그 결과 그래프;

도 9는 의사위성의 위치결정 알고리듬을 나타낸 순서도; 및

도 10은 사용자의 위치를 구하기 위한 알고리듬을 나타낸 순서도이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 항법 시스템은: L1(1575.42㎒) 주파수에 PRN 코드와 데이터 메시지를 실은 반송파 신호를 송출해주는 적어도 3개 이상의 의사위성들과; 상기 의사위성들로부터 나오는 신호를 송출해주기 위한 송신 안테나들과; 상기 의사위성 신호를 수신하기 위한 수신기와; 이중차분을 이용한 보정 항법을 위한 무선전송을 할 수 있는 기준국과; 상기 기준국으로부터 보정 정보를 수신하고 자신의 수신기로부터 얻어진 데이터를 처리하여 정확한 위치를 구하기 위한 중앙처리수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 실내 항법 시스템(10)의 실시예의 개념도로서,의사위성들(SV#i, SV#j)과 송신 안테나(12, 12')의 설치예, 기준국(14)의 역할, 사용자(16)의 처리 데이터 등을 나타내고 있다. 도 1에서 의사위성들은 송신 안테나들에 가려져 도시되지 않았으며, 데이터 처리를 위한 중앙처리장치도 도시하지 않았다. 본 실내 항법 시스템의 실시를 위해서; 적어도 세 개 이상의 의사위성들과 송신 안테나를 실내에 설치하고, 기준국은 이들로부터 받은 반송파 위상 정보를 이용하여 사용자에게 보정 정보를 송신해 주고, 사용자는 의사위성들로부터 받은 반송파 정보와 기준국으로부터 넘겨받은 보정용 반송파 정보를 이용하여 자신의 위치를 구한다.

도 2는 본 발명의 실내 항법 시스템의 개념을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실내 항법 시스템은: L1(1575.42㎒) 주파수에 PRN 코드와 데이터 메시지를 실은 반송파 신호를 송출해주는 적어도 3개 이상의 의사위성들(300)과; 상기 의사위성들로부터 나오는 신호를 송출해주기 위한 송신 안테나들과; 상기 의사위성 신호(302, 304)를 수신하기 위한 기준국(310)과 사용자(320)의 수신기들과; 이중차분을 이용한 보정 정보(306)를 무선전송 할 수 있는 기준국(310)과; 상기 기준국으로부터 보정 정보(306)를 수신하고 자신의 수신기로부터 얻어진 데이터를 얻기 위한 사용자(320)와 이 모든 정보(308)를 처리하여 정확한 위치를 구하기 위한 중앙처리수단(330)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 3은 도 2의 실내 항법 시스템에 사용하는 의사위성 중 가장 간단한 구조를 가지는 것을 나타낸 블록도이다.

의사위성은 GPS를 보조하기 위하여 또는 GPS 위성의 신호를 받을 수 없는 지역에서 GPS 위성과 같은 신호를 송신해 주기 위한 장비이다. 의사위성은 L1(1575.42 ㎒)의 주파수의 반송파에 C/A 코드와 항법 메시지를 변조하여 송신해 준다. 그러나 의사위성은 사용자와 거리가 GPS 위성에 비해 매우 가깝고, 의사위성들간의 시각이 동기되어 있지 않기 때문에 이를 이용하기 위해서는 몇 가지 문제점들을 해결하여야 한다.

첫째, 근거리/원거리 문제이다. 전파의 크기는 거리의 제곱에 반비례하는데, GPS 위성의 경우는 절대적 거리가 매우 멀기 때문에 지상에서의 이동이 신호의 크기에는 크게 영향을 주지 못한다. 그러나 의사위성은 사용자와의 절대적 거리가 가깝기 때문에 사용자가 조금만 움직여도 그 상대적 거리가 크게 변하기 때문에 의사위성의 신호 크기도 크게 변하게 된다. 이 때, 하나의 의사위성 신호가 특히 커지게 되면, CDMA 통신의 특성상 다른 의사위성의 신호는 수신할 수 없게 된다. 반면에 하나의 의사위성 신호가 매우 작아지게 되면 역시 그 의사위성의 신호는 수신할 수 없게 된다. 따라서 의사위성의 신호를 적절히 조절하고, 주기적으로 약 10% - 20%의 시간동안만 신호를 송출해 주는 의사위성의 펄싱(pulsing) 기능을 사용함으로써 가용 영역을 좀더 넓힐 수 있다.

둘째, 의사위성은 GPS 위성과 달리 저가의 발진기(TCXO)를 사용하기 때문에 모든 의사위성들 사이의 시간이 정확히 동기되어 있지 않다. 위성간의 시각이 동기되어 있지 않을 경우, 기준국과 수신기간의 시각도 동기되지 않아 두 개의 수신기가 각각 다른 시각에 샘플링을 하게 된다. 이 경우 서로 다른 시각에 샘플링 한 데이터를 가지고 보정항법을 함으로써 타임-태그 오차(time-tag error)가 발생한다.따라서, 본 발명에서는 두 수신기간의 샘플링 시각을 동기시키기 위한 방법으로, 주의사위성(master pseudolite)의 항법메시지 프레임을 이용하여 두 수신기의 샘플링 시각을 동기시키는 방법을 이용한다.

셋째, 모든 방향으로 밀폐된 실내라는 특성으로 인하여 발생하는 심각한 다중경로 효과이다. 다중경로로 인한 문제점은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 다중경로를 거친 신호들의 간섭효과로 인하여 신호의 크기 변화가 심하여 수신기가 신호를 쉽게 잃어버리게 되는 경우이고, 또 다른 하나는 다중경로 지연으로 인한 부정확함이다. 이 중 심각한 문제가 되는 것은 전자의 경우이다. 본 발명에서는 이 문제를 해결하기 위하여 일상적으로 위성항법에 사용하는 팻치 안테나(patch antenna)를 사용하지 않고 헬리컬 안테나(helical antenna)를 제작하여 사용함으로써 다중경로 효과를 막았다. 또한 앞에서 언급한바 있는 의사위성의 펄싱 기법(pulsing scheme)도 다중 경로 효과를 막는데 도움을 준다.

도 4a는 다중 경로 효과를 막기 위하여 본 발명에 이용한 헬리컬 안테나(100)의 개략도이다. 부도체로 만든 원통형의 파이프(110)에 도체(112)를 나선형으로 감아 제작한 헬리컬 안테나로서, 나선형 도체(112)의 길이와 간격을 조절함으로써 송신 빔의 패턴을 조절할 수 있어 다중 경로에 의한 문제점을 막을 수 있다.

도 4b는 본 발명에 사용된 의사위성(300)과 송신용 헬리컬 안테나(100)가 천장(115)에 설치된 것을 나타낸 도면이다. 도 4b를 참조하면, 의사위성(120)과 헬리컬 안테나(100)는 도선(116)에 의해 서로 연결되어 있으며, 헬리컬 안테나는 고정대(118)에 의해 천장(115)에 고정되어 있음을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실내 항법 시스템 전체의 개략적 구성도이다. 도 5를 참조하면, 간단한 실험을 위하여 바닥에 모형 기차 선로(325)가, 실내 공간의 천장(115)에 의사위성들(300a, 300b, 300c, 300d)과 헬리컬 안테나들(100a, 100b, 100c, 100d)이, 기차 선로(325)의 중간부분에 기준국(310)이 각각 설치되었으며, 사용자(320)에 해당하는 모형 기차에 GPS 수신기와 안테나가 설치되어 있음을 알 수 있다. 의사위성 및 헬리컬 안테나의 총수는 5개이었으나, 도 5에서는 가려져서 4개만 나타나 있다. 한편, 상기 정보들은 한곳에 있는 연산 장치(330)로 전달되어 사용자(320)의 위치를 계산, 모니터링한다.

이하에, 본 발명의 실내 항법 시스템에서의 신호처리에 대해 알아본다.

[반송파 위상의 이중 차분식]

일반적으로, 실외에서 수신되는 GPS의 반송파 위상은 다음 수학식 1로 표현할 수 있다.

여기서, Rⁱ는 GPS 위성의 위치벡터, R_u는 사용자의 위치벡터,는 사용자에서 위성까지의 시선벡터, B_u는 수신기의 시계오차, bⁱ는 위성의 시계오차,i는 전리층 지연오차, t는 대류층 지연오차,는 반송파 위상의 미지정수,는 수신기의 잡음이다.

그러나, 실내에서는 전리층 지연과 대류층 지연이 없기 때문에 수학식 1에서 전리층과 대류층 지연 항이 없어진다. 따라서 실내에서 수신되는 의사위성의 반송파 위상식은 다음 수학식 2와 같다.

이 반송파 위상식을 사용자와 기준국, i번째 의사위성과 j번째 의사위성 간의 이중 차분을 하면 다음 수학식 3과 같다.

[의사위성의 위치 결정]

GPS 위성 신호에는 위성의 궤도 정보가 포함되어 있기 때문에 사용자는 현재 수신하는 신호가 송신된 시점의 위성 위치를 정확히 알 수가 있다. 송신 지점의 위치를 아는 것은 전파 항법(radio navigation)에서는 매우 중요한 요소이다. 그러나 의사위성들은 자신의 위치를 송신해 주지 않는다. 따라서 사용자가 의사위성들을 설치한 후에 직접 측정하여 그 데이터를 이용하여야 한다. 그런데 의사위성의 위치, 특히 도 4a에 도시된 것과 같은 헬리컬 안테나의 위상중심을 ㎝ 수준으로 정확히 측정한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 따라서 본 발명에서는 이미 측정된 몇 곳의사용자 위치로부터 사용자가 얻은 의사위성 반송파 위상 정보를 이용하여 역으로 의사위성들의 위치를 계산해 내는 방법을 이용한다.

앞의 수학식 3에서 구한 반송파 위상의 이중 차분 식은 다음 수학식 4와 같이 쓸 수 있다.

이 때, 하나의 지점에서 모은 모든 가시위성 m개에 대한 이중차분 식을 모아서 행렬 형태로 쓰면 수학식 5와 같다.

이를 수학식 6과 같이 정의하자.

k개의 위치에서 받은 측정값들을 모두 모아서 만든 수식은 수학식 7과 같다.

따라서 다음 수학식 8과 같은 관계식을 만족시키도록 k를 잡으면 배치 최소제곱 추정방법(Batch Least-Square Estimation Method)을 이용하여, 의사위성의 위치와 미지정수를 동시에 구할 수 있다.

단, 여기서 m>2이다.

이 모든 알고리듬을 순서도로 나타내면 도 9의 순서도와 같다.

[항법 알고리듬]

반송파 위상을 이용하여 항법을 하기 위해서는 우선적으로 반송파 위상 이중 차분의 미지정수를 결정하여야 한다. 본 발명에서는 그 적용 장소가 실내라는 특성을 감안하여, 이미 알고 있는 어떤 지점에서 사용자가 잠시 신호를 수신하면서 미지정수를 결정한 후 이동하는 방법을 이용한다. 이때, 자신의 위치를 알고 의사위성의 위치를 알기 때문에 두 지점간의 거리를 알 수 있고 따라서 미지정수를 구할 수 있다. 미지정수를 구한 후 수학식 3의 이중 차분 식은 다음 수학식 9와 같이 다시 쓸 수 있다.

m개의 위성에 대한 이중차분 식을 모두 모아보면 수학식 10과 같이 된다.

수학식 10은 비선형 방정식이다. 따라서 사용자의 위치를 구하기 위해서는 도 10의 순서도와 같은 반복(iteration) 알고리듬을 이용하여야 한다.

본 발명의 실내 항법 시스템의 성능을 알아보기 위하여 발명자들은 5m×5m×2.5m 정도의 실내 공간에서 실험을 행하였다. 도 5에 보이는 바와 같이 총 5개의 의사위성을 천장에 위치시키고, 중앙에 기준국을 설치하였으며, 모형 기차를 사용자로 하여 반복 운행한 후 그 결과를 봄으로써 본 실내 항법 시스템의 성능을 평가하였다.

먼저 사용자를 정지시켜 두고 사용자의 위치를 측정하여 정적 측위의 정확도를 알아보았다. 그 결과 도 6a 및 도 6b와 같이 위치가 표시되었으며 이 때의 위치 측정 오차는 표1에 정리하였다.

	X 방향 (m)	Y 방향 (m)	Z 방향 (m)
표준편차	0.001	0.001	0.002
RMS	0.001	0.001	0.002

다음은 본 실내 항법 시스템의 동적 성능을 알아보기 위하여 도 7a와 같이 기차 레일을 설치한 후 사용자가 수 차례 반복 회전 한 결과를 구하여 도시한 결과 도 7b와 같았다. 수 차례 반복 회전한 결과가 하나의 레일을 형성하는 것을 볼 때, 본 실내 항법 시스템이 움직이는 물체의 위치를 표시하는데 사용하기에 적절하다는 것을 알 수 있다. 좀 더 정밀하게 동적 오차를 측정하기 위하여 발명자들은 레일을 도 8a와 같이 직선으로 배치한 후 그 결과가 직선에서 벗어난 정도를 측정함으로써 동적 위치 오차를 측정하였다. 그 결과는 도 8b에 도시하였으며 수치적으로 표 2에 정리하였다.

	방 향	1σ (m)	방 향	1σ (m)
X 방향 오차 분석	X 방향	0.0056	Z 방향	0.0128
Y 방향 오차 분석	Y 방향	0.0056	Z 방향	0.0171

본 발명의 실내 항법 시스템은 GPS 위성 신호를 수신할 수 없는 곳에서도GPS와 같은 방식으로 ㎝ 수준의 항법을 할 수 있다는 것이 특징이자 장점이다. 따라서 본 시스템은 지금까지 GPS의 경제성과 정확성의 혜택을 보지 못했던 실내 공간, 즉 대형 조립 공장이나 실내 놀이동산, 물류 센터, 실험 센터, 실내 구조물 등에 사용될 경우 저가의 비용으로 정확한 위치 정보를 제공해 줄 수 있다.

Claims (7)

1. L1 주파수에 PRN 코드와 항법 메시지와 반송파를 발생시키는 적어도 세 개 이상의 의사위성들과;

   상기 의사위성들로부터 발생된 신호를 송출해 주는 송신 안테나와;

   상기 의사위성의 신호를 수신하여 보정 정보를 발생시키는 기준국과;

   상기 의사위성의 신호와 보정정보를 수신하여 자신의 위치를 구하는 사용자와;

   상기 정보들을 종합하여 사용자의 위치를 표시하는 중앙 처리 장치;

   를 구비하는 항법 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 의사위성들 및 시스템이 일반 GPS 위성의 신호가 도달하지 않는 실내 등에 위치한 것을 특징으로 하는 항법 시스템.
3. 제1항에 있어서, 의사위성의 항법 메시지를 이용하여 기준국과 사용자의 수신기의 샘플링 시각을 동기시키는 수단이 마련된 것을 특징으로 하는 항법 시스템.
4. 제1항에 있어서, 아는 위치에서 수신된 반송파 정보를 이용하여 역으로 의사위성들의 위치를 측정하는 수단이 마련된 것을 특징으로 하는 항법 시스템.
5. 제1항에 있어서, 미리 아는 점에서 잠시 의사위성 신호를 수신함으로써 반송파 위상 이중 차분 식의 미지정수를 결정하는 수단이 마련된 것을 특징으로 하는 항법 시스템.
6. 제1항에 있어서, 의사위성의 펄싱 기능을 이용하여 실내의 다중 경로 또는 근거리/원거리 문제를 해결하는 수단이 마련된 것을 특징으로 하는 항법 시스템.
7. 제1항에 있어서, 송신 신호의 패턴을 조절할 수 있는 헬리컬 안테나를 이용하여 다중경로 효과를 줄이는 수단이 마련된 것을 특징으로 하는 항법 시스템.