KR100397326B1 - 위치 추적을 위한 거리 추출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위치 추적 기술에 관한 것으로서, 임의의 대상체의 위치를 추적하기 위한 거리 추출 방법에 관한 것이다.

본 발명은 임의의 대상체의 위치를 추적하기 위한 거리 추출 방법에 있어서,

상기 대상체로부터 송신되고, 수신시 복조과정에서 데이터의 개시시간과 데이터의 종료시간을 측정하여 송신시점으로부터 수신시점까지의 지연시간을 계산하도록, 사전에 정의된 특정 형태의 위치신호를 수신받은 복수개의 기지국에서 상기 위치신호에 대해 소정의 기준시각을 기점으로 하여 각 기지국에서 상기 위치신호를 검출한 시각까지의 상대적 시간으로 정의되는 상대적 지연시간을 측정하고, 상기 상대적 지연시간을 상기 상대적 지연시간과 전파속도를 곱한 값인 상대적 거리데이터로 환산하여 상기 복수개의 기지국의 위치좌표를 기준으로 상기 상대적 거리데이터에 따른 상기 임의의 대상체의 위치좌표를 계산하여 발신 위치를 추적한다.

따라서, 종래의 GPS 수신기 등의 위치추적장치에서 문제가 되고 있는 전파 장애물(옥내, 터널안, 지하층, 숲속 등)조건에서도 기간무선통신망의 3개 이상의 기지국에 전파를 송신할 수 있는 상태에서는 비교적 정확한 위치 추적을 할 수 있는 효과가 있다.

Description

위치 추적을 위한 거리 추출 방법{DERIVE METHOD OF DISTANCE FOR POSITION -TRACKING}

본 발명은 위치 추적 기술에 관한 것으로서, 임의의 대상체의 위치를 추적하기 위한 거리 추출 방법에 관한 것이다.

종래의 위치추적시스템은 여러 가지 방식이 제안되어 왔다. 이를 열거하면, GPS 위성을 이용한 위치추적시스템, 고지향성 안테나를 이용한 점진적 발신지 위치추적 시스템, 도로상에 많은 송수신기를 설치하여 도로를 통과하는 차량의 위치를 감지하는 비콘 방식의 위치추적시스템, PCS 혹은 셀룰러폰 등의 기지국에 수신된 전파를 분석하여 개략적인 위치를 판별하는 지역 추적 방식, 휴대전화의 기지국에서 일정시간 간격으로 동기된 위치계산을 위한 신호를 송신하고 이 신호를 수신한 휴대용 수신기에 수신된 신호 지연 및 신호 발신 기지국의 정보를 이용하여 자기 위치를 계산하는 위치추적방식 등이다.

상기의 위치추적시스템에서 사용하는 방식들은, 수신기를 휴대한 사람의 위치를 추적하는 방식이기 때문에, 긴급한 상황이 발생했을 경우 대응방안으로 부적절한 문제점들이 있다.

그중 가장 많이 사용되는 GPS 신호 수신방식의 경우 옥내, 터널, 빌딩밀집지역 등의 장애물 지역, 숲 속 등의 지역에서 위치를 추적할 수 없는 단점이 있으며, 빠른 위치 추적을 위하여 항시 많은 전력을 소비해야하는 단점이 있다.

또, 긴급 상황 발생시 GPS 수신기 휴대자가 대응하지 못하면 활용도가 매우 떨어지는 단점이 있으며 고지향성 안테나를 이용한 점진적인 위치추적 방식은 고지향성 안테나를 장착한 수신기를 가지고 계속하여 전파의 방향 및 강도를 추적하여 접근하는 방식으로 추적시간이 매우 오래 걸리는 단점 및 시스템의 비용이 비싸지는 문제점이 있다.

비콘을 이용하는 위치추적시스템은 도로상에 일정한 간격으로 송수신 장치를 설치하여야 하므로 많은 비용이 필요하며 도로를 벗어난 지역에서 위치추적이 곤란한 문제가 있고, 기지국으로부터의 신호를 휴대 전화 등의 수신기에서 수신하여 지연시간을 계산하는 방식은 위치추적의 장애 요소를 줄일 수 있으나, 휴대전화의 가격이 상당히 상승하는 문제점이 계속 존재하고 휴대전화이외의 활용을 위해서는 추가적인 시스템 설치비용이 상당히 많이 소요될 수밖에 없는 문제점들이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 대상체에서 송신된 특정한 위치신호가 다수의 기지국으로 전달되기까지 걸린 지연 시간에 의해 상기 대상체와 각 기지국간의 실제 거리가 아닌 상대적 거리데이터를 구하고, 이를 이용하여 대상체의 위치를 추적하는 거리 추출 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 임의의 대상체의 위치를 추적하기 위한 거리 추출 방법에 있어서, 임의의 대상체의 위치를 추적하기 위한 거리 추출 방법에 있어서, 상기 대상체로부터 송신되는 위치신호를 수신받은 복수개의 기지국에서 상기 위치신호에 대해 소정의 기준시각을 기점으로 하여 각 기지국에서 상기 위치신호를 검출한 시각까지의 상대적 시간으로 정의되는 상대 지연시간을 측정하는 단계; 상기 상대적 지연시간을 상기 상대적 지연시간과 전파속도를 곱한 값인 상대 지연거리로 환산한 값을 원의 반지름으로 하고, 상기 복수개의 기지국의 위치좌표를 원의 중심으로 하는 복수개의 원을 계산하는 단계; 및 상기 복수개의 원에 내접 내지 외접하는 원을 계산한 후 상기 내접 내지 외접하는 원의 중심을 구하여 상기 원의 중심을 상기 대상체의 실제위치로 설정하는 단계를 포함하며, 상기 상대 지연시간을 측정하는 단계는 상기 각 기지국 내부에서 실험 신호를 발생하여 상기 각 기지국 내부의 지연시간을 구한 후, 상기 소정의 기준시각을 기점으로 하여 상기 각 기지국에서 상기 위치신호를 검출한 시각까지의 상대적 시간에서 상기 내부의 지연시간을 뺀 시간을 상대 지연시간으로 계산하는 것을 특징으로 하는 위치 추적을 위한 거리 추출 방법인 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 거리 산정 방법을 적용한 위치추적 시스템의 구성도

도 2는 위치신호가 무선송신장치로부터 기지국에 도달했을 때의 상대 지연 시간을 설명하기 위한 도면

도 3은 3개의 기지국으로부터 측정된 상대거리를 이용한 무선송신장치의 위치 산정법을 설명하기 위한 도면

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 무선송신장치 20a,20b,20c : 기지국

30 : 위치추적센터

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 거리 산정 방법을 적용한 위치추적시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1에서, 위치추적시스템은 위치를 추적의 대상체에 해당하는 무선송신 장치(10), 기존 통신망의 기지국과 같이 이미 알려진 위치에 설치되어 무선송신장치와 통신하는 복수개의 기지국(20a, 20b, 20c), 상기 복수개의 기지국과 통신하면서 소정의 상대 거리 알고리즘에 따라 상기 무선송신장치의 위치를 추적하는 위치추적센터(30)로 구성된다.

무선송신장치(10)는 임의의 시간에 기지국에서 전파 수신이 가능한 지역내의 임의의 위치에서, 위치추적을 위한 특정한 형태의 위치신호와 자신의 식별을 위한 고유번호를 포함하는 전파를 송신하는 송신수단을 구비한다. 무선송신장치의 사용대역은 VHF/UHF 대역을 사용한다.

여기서, 상기 위치신호는 다수의 기지국에서 수신되었을 때 신호의 개시점 및 신호의 종료점을 알 수 있도록 사전에 정의된 형태를 갖으며 일정 시간동안 지속적으로 송신된다. 또한, 위치신호의 개시 시점 혹은 종료 시점에 무선송신장치의 고유번호를 추가하여 어떤 수신 기지국에서 전파가 수신되더라도 어떤 무선송신장치의 위치신호인지를 구별할 수 있도록 한다.

기지국(20a, 20b, 20c)은 상기 무선송신장치(10)에서 송신한 전파를 수신받아 분석하여 특정 무선송신장치로부터 송신된 위치신호를 검출하고, 그 위치신호 의 수신시각을 측정하고, 무선송신장치의 송신시점으로부터 기지국의 수신시점까지의 전파 전달 지연 시간을 계산한다.

각 기지국(20a, 20b, 20c)은 단지 무선송신장치(10)의 위치신호와 고유번호만을 일정한 자체 지연 조건에서 수신한다. 상기 수신된 위치신호와 고유번호에의존하여, 해당 무선송신장치의 위치를 추적하기 위한 하나이상의 파라메터를 포함한 지연정보데이터를 생성하여 기준 시간대별로 상기 위치추적센터(30)로 보낸다.

여기서, 상기 지연정보데이터는 신호 도착시간 및/또는 상대 지연시간과, 무선송신장치의 고유번호 및 기지국의 고유번호를 포함한다.

한편, 상기 지연정보데이터의 정확성을 높이기 위해서는 무선송신장치(10) 및 기지국(20a, 20b, 20c)의 반송 주파수를 가능한 한 높이는 것이 좋지만, 경제성을 감안하여 현재 사용하고 있는 800MHz 대의 셀룰러폰이나 1900MHz 대의 PCS와 같은 주파수를 사용하면 이론상으로는 20cm에서 40cm 정도의 정확성을 얻게 된다. 그렇지만, 셀룰러폰이나 PCS에서는 실제 전자회로의 내부 신호 검출에 필요한 오차 및 발진기의 오차 정밀도가 있게 되므로, 약 40m 내외의 전파지연오차가 발생하게 된다. 이러한 오차를 최대한 줄이기 위해 본 명세에서는 수신부 지연시간 검출기능을 추가 할 것을 제안하며, 이에 대해서는 하기에 설명될 것이다.

위치추적센터(30)는 미리 알고있는 좌표상에 설치된 상기 복수개의 기지국의 위치좌표를 기준으로, 각 기지국에서 보내온 상기 지연정보데이터를 처리하여 상기 무선송신장치의 실제 위치를 추적한다.

이를 위한 상기 위치추적센터(30)는 복수개의 기지국(20a, 20b, 20c, ...)으로부터 기간통신망(무선 기간 통신망)을 통해 수신받은 각각의 지연정보데이터를 이용하여, 사전에 구성된 각 기지국의 위치정보데이터베이스로부터 상기 위치신호를 수신받은 기지국의 위치좌표를 근간으로 하여 상기 위치신호를 송신한 무선송신장치의 위치좌표를 계산해 낸다.

즉, 지연정보데이터에 포함된 기지국 고유번호와 무선송신장치의 고유번호로부터 위치신호를 수신한 기지국과 위치신호를 송신한 무선송신장치를 구별해 내고, 각 기지국이 하나의 무선송신장치와 상대적으로 얼마만큼 떨어져 위치해 있는지에 대한 상대적 거리를 상기 지연시간데이터를 이용하여 계산해 낸다. 이제 상대적 거리 데이터를 상기 기지국의 위치좌표에 적용하면 하나의 무선송신장치의 위치를 계산해 낼 수 있는 것이다.

이렇게, 다수의 기지국으로부터 획득한 지연정보데이터를 이용하여 무선송신장치의 정확한 위치를 추적할 수 있으며, 컴퓨터 모니터의 각 기지국들의 위치좌표를 디스플레이한 수치 지도상에 추적된 무선송신장치의 위치를 표시하게 된다. 또 추적된 무선송신장치의 위치좌표를 수치로 출력하여 이 결과를 여러 가지 응용분야에 활용할 수 있다.

여기서 고려할 점은, 수신된 지연정보 데이터에 의하여 무선송신장치(10)가 언제 전파를 발신했는지 알 수 없고, 또 기지국 자체의 신호 검출을 위한 회로자체의 지연시간, 주변 기후 및 기온, 습도 등의 조건에 따라 상당한 오차를 포함하게 되므로, 지연정보데이터를 통해 직접적으로 전파 발신지까지의 거리를 직접 계산하는 것은 불가능하다는 것이다.

그러나, 본 발명에서는 이러한 오차정보의 크기나 무선송신장치(10)에서 언제 전파를 송신했는지에 관계없이, 최소 3개의 기지국(20a, 20b, 20c)으로부터 수신된 지연정보데이터를 이용하여, 등가오차를 포함하는 3개 이상의 거리정보로부터 위치를 산출하는 방식을 제안한다. 이 제안은 하기 도 2내지 도 3에 설명된 바와같이, 이론적으로 매우 정확한 위치를 산출할 수 있다.

도 2는 위치신호가 무선송신장치로부터 기지국에 도달했을 때의 상대 지연 시간을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 3개의 기지국으로부터 측정된 상대 거리를 이용한 무선송신장치의 위치 산정법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 무선송신장치(10)에서의 특정 형식 데이터로 구성된 위치신호 송신 개시 시간이 T0이고, 위치신호의 지속시간이 Tdat 라고 하자. 또, 기지국(20a)에서의 GPS 표준시각장치의 동기시각 출력이 T1이고, 송신된 위치신호가 기지국에 도달하여 실제 검출된 시간이 T2이라고 하자.

이론상, 기지국(20a)에서는 무선송신장치로부터 송신된 위치신호가 도달하는 데까지 실제 걸리는 지연시간(Tdob)을 이용하여 무선송신장치와 기지국과의 떨어진 지연거리(L)를 수학식 1과 같이 구할 수 있다.

(C = 299,792,458 m/sec)

여기서, Tdob는 실제 전파 전달시의 지연시간이고, 대기중에서 전파의 속도는 빛의 속도 C와 동일하다.

그러나, Tdob는 측정할 수 없는 값이기 때문에, 기지국에서 측정할 수 있는 상대 지연시간(Trel)을 이용한다. 이 상대 지연시간으로부터 상대 지연거리를 구하게 된다. 이것은 절대 거리가 아닌 송신장치에서 적어도 3개 이상의 기지국까지의 상대적 거리에 해당하고 이를 위치추적센터에서 취합하여 송신장치의 절대적 위치를 추적할 수가 있는 것이다.

그러면, 상대 지연시간(Trel)은 수학식 2와 같이, 기지국에서 측정한 지연시간(Tdms)으로부터 기지국 회로내의 자체지연시간(Tdck)을 뺀 나머지 시간에 해당한다.

여기서, Tdms는 T2-T1 이다.

이제, 위치추적센터(30)에서 무선송신장치(10)까지의 거리를 산정하는 방법을 도 3을 통해 설명한다.

1. 도 3의 (가)를 참조하면, 무선송신장치에서 3개의 지기국(B1,B2,B3)까지의 계산된 거리를 L1, L2, L3라 하자. 2차원 상에서의 각 기지국의 좌표를 각각 (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3)라 하면 무선송신장치의 좌표는, 각 기지국의 좌표를 원의 중심으로 한 반경 L1, L2, L3인 세 원의 교점의 위치 A(x, y)가 된다.

2. 도시하지 않았으나 만일, 3차원 공간상의 위치를 계산하려면, 각 기지국의 좌표를 3차원 좌표{xn, yn, zn}로 하고 최소 4개의 기지국의 좌표를 중심으로 한 거리 L1, L2, L3, L4를 구의 중심으로 한 구면의 교점(x, y, z)이 무선송신장치의 위치좌표가 된다.

3. 이제, 도 3의 (나)를 참조하면, 기지국(20a)에서 측정되고 계산된 상대 지연시간(Trel)을 이용한 거리 산정은, 상기 1의 계산방법과 동일하나 세 원의 교점을 구할 수 없다. 왜냐하면 상대 지연시간(Trel)으로부터 계산된 거리는 무선송신장치에서 전파를 송신한 시간을 알 수 없는 상태로 계산된 결과이기 때문이다.

따라서, 이 경우 무선송신장치까지의 실제 거리를 사용하지 않고, 각각의 상대 거리 L' 또는 L'' (=상대 지연시간 × C)을 원의 반경으로 하고 각 기지국의 좌표를 원의 중심(B1, B2, B3)으로 한 3개의 원을 그리고 세 원의 호에 내접하는 원을 찾으면 그 원의 중심이 바로 무선송신장치의 정확한 2차원 위치 좌표(A)가 된다.

도시하지는 않았지만, 3차원 공간상의 무선송신장치의 위치를 찾고자 할 경우에는, 4개 이상의 기지국의 각각의 좌표를 중심으로 하고 각 기지국에서 측정된 상대 거리를 반경으로 한 구를 그리고, 각 구의 표면에 내접하는 구의 중심을 구하면 바로 그 구의 중심이 무선송신장치의 공간상의 정확한 위치 좌표가 된다.

이때의 상대 지연거리(Lrel)는 다음 수학식 3과 같이 계산한다.

그런데, 위치신호를 수신하는 기지국마다 수신되는 절대시간이 GPS기준시간 전후에 측정될 경우에는 수학식 3에서 상대거리가 음의 값이 될 수 있으므로 (T_dck〉T_dms일 경우)다음 수학식 4와 같이 계산하는 것이 정확한 계산결과를 산출할 수 있다.

물론, 전파의 수신이 불가능할 경우에는 상대 거리를 산출할 수 없다.

한편, 전파 장애물이 있을 경우 송신기의 위치 추적의 구체적인 방법은, 전파 장애물이 있을 경우 정확한 위치추적에는 장애 요소가 되지만 여러 장애물에 반사되어 수신된 전파의 다중경로 중 최단 시간에 도달한 신호를 기준으로 위치계산을 위한 상대 거리를 산출하면 최소의 오차를 가진 위치 추적이 가능하게 된다.

이 경우 다중 경로의 총 전파 전달 거리와 무선송신장치-기지국 사이의 직선거리의 차가 Ldiff라 하면 다중경로로 인한 위치 계산오차는 약 1/2 Ldiff정도 발생하게 된다.

이러한 다중경로에 의한 오차를 줄이기 위해서는 기지국의 설치 위치를 가능한 하나의 반사파를 만들지 않도록 높은 위치에 설치하는 것이 바람직하다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전파 장애물 즉, 옥내, 터널 안, 지하층, 숲 속 또는 가로수 밑 등의 조건에서도 기존의 기간 무선통신망의 3개 이상의 기지국에 전파를 송신할 수 있는 상태에서는 상대 거리를 사용하여 무선송신장치의 비교적 정확한 위치를 찾아낼 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 임의의 대상체의 위치를 추적하기 위한 거리 추출 방법에 있어서,

   상기 대상체로부터 송신되는 위치신호를 수신받은 복수개의 기지국에서 상기 위치신호에 대해 소정의 기준시각을 기점으로 하여 각 기지국에서 상기 위치신호를 검출한 시각까지의 상대적 시간으로 정의되는 상대 지연시간을 측정하는 단계;

   상기 상대 지연시간을 상기 상대 지연시간과 전파속도를 곱한 값인 상대 지연거리로 환산한 값을 원 내지 구의 반지름으로 하고, 상기 복수개의 기지국의 위치좌표를 원 내지 구의 중심으로 하는 복수개의 원을 계산하는 단계; 및

   상기 복수개의 원 내지 구에 내접 내지 외접하는 원 내지 구를 계산한 후 상기 내접 내지 외접하는 원 내지 구의 중심을 구하여 상기 원 내지 구의 중심을 상기 대상체의 실제위치로 설정하는 단계를 포함하며,

   상기 상대 지연시간을 측정하는 단계는 상기 각 기지국 내부에서 실험 신호를 발생하여 상기 각 기지국 내부의 지연시간을 구한 후, 상기 소정의 기준시각을 기점으로 하여 상기 각 기지국에서 상기 위치신호를 검출한 시각까지의 상대적 시간에서 상기 내부의 지연시간을 뺀 시간을 상대 지연시간으로 계산하는 것을 특징으로 하는 위치 추적을 위한 거리 추출 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 위치신호를 수신한 3개의 기지국에서 측정된 각 지연시간으로부터 각각의 상대적 거리 L' 또는 L''(단, L'＜실제거리L＜L'')를 구하여 원의 반경으로 하고,

   각 기지국의 중심좌표를 원의 중심으로 하여 L' 또는 L''에 대한 3개 이상의 원을 그려 세 개 이상의 원의 호에 내접하는 원의 중심을 상기 대상체의 위치좌표로 결정하는 것을 특징으로 하는 위치 추적을 위한 거리 추출 방법.
6. 제 4항에 있어서, 상기 위치신호를 수신한 4개의 기지국에서 측정된 각 지연시간으로부터 각각의 상대적 거리 L' 또는 L''(단, L'＜실제거리L＜L'')를 구하여 구의 반경으로 하고,

   각 기지국의 중심좌표를 구의 중심으로 하여 L' 또는 L''에 대한 4개의 구를 그려 상기 4개의 구의 표면에 내접하는 구의 중심을 상기 대상체의 위치좌표로 결정하는 것을 특징으로 하는 위치 추적을 위한 거리 추출 방법.