KR100704793B1 - 전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템 및 위치측정방법 - Google Patents

전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템 및 위치측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 위치측정시스템 및 위치측정방법에 관한 것으로서, LBS(Location Based Service)와 같은 위치기반 서비스나 GPS(Global Positioning System)와 같은 전파항법, 지진파의 진원을 추적하는 진원의 위치추적, 또는 음원의 위치를 추적하는 음원위치추적에 있어, 3개 이상의 기지국으로부터 수신된 신호의 전파도달 시간차를 이용하여 기지국에서 수신기까지의 각각의 전파도달 거리차를 계산하고 이러한 거리차이에 의해 형성된 쌍곡선 또는 쌍곡면의 교점을 최소자승법으로 결정하여 수신기의 위치로 결정하거나, 또는 원점을 기지국 위치로 하고 반지름을 전파도달 거리차로 하는 원 또는 구에 평균적으로 외접하는 원 또는 구의 중심을 최소자승법으로 결정하여 수신기의 위치로 결정함으로써, 수신기의 위치를 측정할 수 있는 위치측정시스템 및 위치측정방법에 관한 것이다.
TDOA, 위치측정, 조정국, 기지국, 수신기

Description

전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템 및 위치측정방법 {POSITION MEASUREMENT SYSTEM AND METHOD USING FOR TIME DIFFERENCE OF ARRIVAL}
도 1은 본 발명에 따른 전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 전파도달 시간차를 이용한 위치측정방법의 단계 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 전파도달 시간차를 나타내는 타이밍도,
도 4는 본 발명에 따라 쌍곡선의 교점을 수신기의 위치로 결정하는 것을 나타내는 상태도,
도 5는 본 발명에 따라 평균외접원의 중심을 수신기의 위치로 결정하는 것을 나타내는 상태도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 - 조정국 200 - 기지국
210 - 주국 220 - 종국
300 - 수신기 400 - 기준국
본 발명은 위치측정시스템 및 위치측정방법에 관한 것으로서, LBS(Location Based Service)와 같은 위치기반 서비스나 GPS(Global Positioning System)와 같은 전파항법, 지진파의 진원을 추적하는 진원의 위치추적, 또는 음원의 위치를 추적하는 음원위치추적에 있어, 기지국에서 수신기까지의 전파도달 시간차를 이용하여 수신기의 위치를 결정하는 위치측정시스템 및 위치측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신단말기나 방송용 차량과 같은 이동하는 물체의 위치를 측정하기 위한 위치측정방법으로는 신호의 방위각을 이용하는 AOA(Angle of Arrival)방식이나, 기지국과 단말기간의 전파전달시간을 측정하여 단말기의 위치를 구하는 TOA(Time of Arrival)방식이나, 두개 이상의 신호원으로부터의 전파도달시간차를 이용하는 TDOA(Time Difference of Arrival)방식, 또는 GPS위성항법 등이 이용된다.
이중에서 전파도달 시간차를 이용한 TDOA방식은 쌍곡선의 교차점을 단말기의 위치로 결정하는 쌍곡선 전파항법 시스템에서 주로 사용한다. 쌍곡선 전파항법 시스템은 시스템구성이 용이 하지만 위치결정 알고리즘이 복잡하고, 평면상에서 2개의 쌍곡선과 공간상에서 3개의 쌍곡면 이상이 만날 경우에 전파도달 시간차 측정의 오차로 인하여 쌍곡선의 교점은 한점에서 모이지 않고, 쌍곡선 개수의 증가에 따라서 쌍곡선의 교점은 기하학적으로 증가한다. 그러므로 다수의 전파도달 시간차를 이용하여 정밀한 위치결정을 하는데 어려움이 있으며, 전파도달 시간차를 측정하기 위하여 선택된 기준도달전파의 도착시간 측정 정확도가 전체 시스템의 정확도에 영향을 미치는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 어려움과 단점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 3개 이상의 기지국으로부터 시간차를 갖고 수신기에 수신된 신호의 전파도달 시간차를 이용하여 기지국에서 수신기까지의 전파도달 거리차를 계산하고 이러한 거리차이에 의해 형성된 쌍곡선 또는 쌍곡면의 교차점을 최소자승법으로 결정하여 수신기 위치의 정확도를 향상시킨 전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템 및 위치측정방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 기지국 위치를 원점으로 하고 전파도달 시간차에 의해 결정된 전파도달 거리차를 반지름으로 하는 원 또는 구와 이에 평균적으로 외접하는 원 또는 구의 중심을 수신기의 위치로 결정함으로써, 수신기의 위치 정확도가 주국 전파도달 시간측정의 정확도에 따라서 크게 영향을 덜 받는 한 전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템 및 위치측정방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전파도달 시간차를 이용한 위치측정방법은, 전송신호에 항법데이터를 부가하고 조정국에서 3개 이상의 기지국으로 전송하는 항법데이터 송신단계; 상기 각 기지국을 경유하여 전송된 전송신호를 수신기에서 수신하는 전송신호 수신단계; 상기 수신기에 구비된 제어부에서 전송신호가 경유한 상기 각 기지국 중 하나를 주국으로 선정하고, 나머지 기지국을 종국으로 선정하는 주국선정단계; 상기 제어부에서 상기 기지국을 경유하여 수신기에 도착한 전송신호 중 주국을 경유한 전송신호의 수신기 도달시간을 기준으로 종 국을 경유한 전송신호의 수신기 도달시간차이를 측정하는 전파도달 시간차 측정단계; 상기 제어부에서 측정된 전파도달 시간차에서 조정국과 기지국 사이의 거리차이에 의해 발생하는 기지국 도달시간차, 기지국 회로지연, 대기층 전파지연 등을 보정하는 오차보정단계; 및 상기 수신기에 구비된 연산부에서 보정된 전파도달 시간차에 의해 계산된 전파도달 거리차이를 쌍곡선 형태로 변환하여, 상기 쌍곡선의 교점을 수신기의 위치로 결정하는 수신기 위치 측정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징은, 전송신호에 항법데이터를 부가하고 조정국에서 3개 이상의 기지국으로 전송하는 항법데이터 송신단계; 상기 각 기지국을 경유하여 전송된 전송신호를 수신기에서 수신하는 전송신호 수신단계; 상기 수신기에 구비된 제어부에서 전송신호가 경유한 상기 각 기지국 중 하나를 주국으로 선정하고, 나머지 기지국을 종국으로 선정하는 주국선정단계; 상기 제어부에서 상기 기지국을 경유하여 수신기에 도착한 전송신호 중 주국을 경유한 전송신호의 수신기 도달시간을 기준으로 종국을 경유한 전송신호의 수신기 도달시간차이를 측정하는 전파도달 시간차 측정단계; 상기 제어부에서 측정된 전파도달 시간차에서 조정국과 기지국 사이의 거리차이에 의해 발생하는 기지국 도달시간차, 기지국 회로지연, 대기층 전파지연 등을 보정하는 오차보정단계; 및 상기 수신기에 구비된 연산부에서 보정된 전파도달 시간차에 의해 계산된 전파도달 거리차이를 원 또는 구의 반지름으로 변환하여, 상기 원 또는 구에 평균적으로 외접하는 원 또는 구의 중심을 수신기의 위치로 결정하는 수신기 위치 결정단계를 포함하여 구성되는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징은, 상기 오차보정단계는 위치가 미리 알려진 기준국에서 상기 전파도달 시간차를 이용하여 결정한 측정위치와 상기 기준국의 실제위치를 비교한 후, 그 오차를 보정 값으로 하여 상기 수신기의 위치 값을 보정하는 것이다.
본 발명에 따른 전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템은, 전송신호에 항법데이터를 부가하고 이를 무선 전송하는 조정국; 상기 조정국에서 전송된 전송신호를 수신하여 수신기로 무선 전송하는 3개 이상의 기지국; 및 상기 기지국에서 전송되는 전송신호를 무선 송수신하는 다채널 무선송수신수단과, 상기 수신기에서 수신한 전송신호에 의해 1개의 기지국을 주국으로 선정하고 나머지 기지국을 종국으로 선정하며 상기 주국의 타이밍신호와 종국의 타이밍신호를 비교하여 전송신호의 전파도달 시간차를 측정하는 제어부와, 상기 전파도달 시간차를 이용하여 수신기에서 상기 각 주국과 종국간의 전파도달 거리차를 결정하고 상기 전파도달 거리차이에 의해 결정된 쌍곡선의 교점을 수신기의 위치로 결정하는 연산부가 구비된 수신기를 포함하여 구성되는 것이다.
본 발명의 다른 특징은, 전송신호에 항법데이터를 부가하고 이를 무선 전송하는 조정국; 상기 조정국에서 전송된 전송신호를 수신하여 수신기로 무선 전송하는 3개 이상의 기지국; 및 상기 기지국에서 전송되는 전송신호를 무선 송수신하는 다채널 무선송수신수단과, 상기 수신기에서 수신한 전송신호에 의해 1개의 기지국을 주국으로 선정하고 나머지 기지국을 종국으로 선정하며 상기 주국의 타이밍신호와 종국의 타이밍신호를 비교하여 전송신호의 전파도달 시간차를 측정하는 제어부 와, 상기 전파도달 시간차를 이용하여 수신기에서 상기 각 주국과 종국간의 전파도달 거리차를 결정하고 상기 전파도달 거리차이에 의해 결정된 원 또는 구에 평균적으로 외접하는 원 또는 구의 중심을 수신기의 위치로 결정하는 연산부가 구비된 수신기를 포함하여 구성되는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징은, 상기 조정국에서 각 기지국을 경유하여 전송되는 전송신호를 수신하고 위치가 미리 알려진 기준국이 더 포함되며, 상기 기준국은 전송신호의 전파도달 시간차를 이용하여 전파도달 거리차를 계산하고, 상기 전파도달 거리차를 이용하여 결정한 측정위치와 상기 기준국의 실제위치를 비교하여 오차를 구한 후, 그 오차를 수신기에서 결정된 위치의 보정 값으로 적용하도록 상기 수신기에 연결되어 구성된 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.
본 발명에 따른 전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 항법 데이터를 무선전송 할 수 있는 고정된 위치의 조정국(100)과, 상기 조정국에서 전송된 항법 데이터를 수신하고 이를 중계하는 기지국(200)과, 상기 기지국에서 전송되는 항법 데이터를 수신하고, 전파도달 시간차를 측정하며, 전파도달 시간차와 수신된 항법 데이터를 이용하여 수신기의 위치를 결정하고, 위치 이동이 가능한 수신기(300)로 구성된다.
상기 조정국(100)은 이동통신단말기의 위치를 추적하는 이동통신사업자시스템과 같이 이미 알고 있는 위치에 있으며, 항법 데이터를 무선 송출할 수 있는 송수신수단이 구비되어 구성된다. 이때, 상기 조정국(100)은 1개로 구성되며, 상기 조정국에서 송출되는 항법 데이터는 각각의 기지국(200)을 경유하여 수신기(300)에 전파가 도달하는 시간차를 측정하고 수신기의 위치를 측정하기 위한 타이밍신호와, 조정국의 위치, 기지국의 위치, 기지국의 식별번호, 보정데이터 뿐만 아니라, 긴급 뉴스, 교통정보 등을 포함 할 수 있다. 이때, 상기 항법 데이터는 상기 조정국(100)에서 전송신호에 부가되어 전송된다.
상기 기지국(200)은 상기 조정국(100)에서 전송된 전송신호를 수신하고 이를 수신기(300)로 중계하는 무선 송수신수단이 구비되어 구성되며, 상기 조정국과 마찬가지로 이미 알고 있는 위치에 기하학적 위치를 고려하여 3개 이상으로 구성된다. 이때, 기지국은 그 위치와 함께 상기 조정국과 수신기에서 기지국을 각각 식별할 수 있도록 기지국식별번호가 할당되어 구성되며, 상기 수신기(300)와 상기 각 기지국(200)간의 전파도달 거리차에 의해 평면상에서 2 이상의 쌍곡선이나 쌍곡면을 형성할 수 있도록 3개 이상의 기지국(200)으로 구성되는 것이 바람직하다(공간상에서는 4개 이상의 기지국(200)으로 구성된다). 또한, 상기 기지국은 상기 조정국에서 전송된 전송신호가 상호 간섭되지 않으면서 전송되도록 구성된다.
상기 수신기(300)는 위치이동이 가능하며, 상기 각 기지국(200)을 통해 중계되는 전송신호를 무선 송수신할 수 있는 다채널 무선송수신수단과, 상기 기지국(200)을 통해 중계되는 전송신호의 전파도달 시간차를 측정할 수 있는 제어부와, 측정된 전파도달 시간차와 항법데이터로부터 수신기의 위치를 결정할 수 있는 연산부로 구성된다.
상기 제어부는 기지국(200)으로부터 수신된 기지국 식별번호와 항법데이터를 기초로 하여 상기 수신된 기지국(200) 중에 1개를 주국(210)으로 선정하고, 나머지를 종국(220, 230)으로 선정한 후, 상기 주국의 타이밍 신호와 종국의 타이밍 신호를 비교하여 전파의 도착 시간차를 측정하는 비교기를 포함하여 구성된다.
상기 연산부는 상기 제어부에서 측정된 전파도달 시간차와 항법데이터를 이용하여 수신기의 위치를 결정하는 연산을 수행하도록 프로그래밍된 연산기로 구성된다.
또한, 보다 정확한 수신기의 위치측정을 위해 미리 알려진 위치에 고정 설치되고, 상기 수신기와 마찬가지로 상기 기지국으로부터 전송된 전송신호를 수신하며, 수신한 전송신호의 전파도달 시간차를 이용하여 전파도달 거리차이를 계산하고, 전파도달 거리차이와 기지국의 위치 데이터를 이용하여 기준국(400)의 위치를 결정하고, 이렇게 결정된 기준국의 측정위치와 미리 알고 있는 기준국의 실제위치를 비교하여 대기층의 전파지연, 기지국의 회로지연 등의 원인에 의해 발생하는 오차를 계산하여 보정 값을 결정할 수 있는 기준국(400)이 더 포함되어 구성되는 것이 바람직하다.
다음에는 이와 같이 구성된 시스템에서 측정된 전파도달 시간차를 이용한 위치측정방법을 설명한다.
본 발명에 따른 전파도달 시간차를 이용한 위치측정방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 조정국에서 항법데이터가 할당된 전송신호를 3개 이상의 기지국으로 각각 전송하는 항법데이터 송신단계(S10)와, 상기 조정국에서 각 기지국을 경유하여 전송된 각 전송신호를 수신기에서 수신하는 전송신호 수신단계(S20)와, 상기 각 전송 신호가 경유한 기지국 중 하나를 주국으로 선정하고 나머지를 종국으로 선정하는 주국선정단계(S30)와, 상기 주국의 전송신호가 수신기에 도달하는 시간을 기준으로 종국의 전파도달 시간차를 측정하는 전파도달 시간차 측정단계(S40)와, 상기 전파도달 시간차에서 조정국과 각 기지국까지의 거리가 상이한 결과로 생기는 기지국 동기오차를 항법데이터 내에 포함된 조정국과 기지국의 위치데이터와 기준국의 보정데이터를 이용하여 보정하는 오차보정단계(S50)와, 보정된 전파도달 시간차에 전파속도를 곱하여 전파도달 거리차로 계산하고 상기 전파도달 거리차와 항법 데이터를 이용하여 수신기의 위치를 결정하는 수신기 위치 측정단계(S60)를 포함하여 구성된다.
상기 항법데이터 송신단계(S10)는 조정국(100)에서 각 기지국(200)을 경유하여 수신기(300)에 도착하는 경로차이에 의하여 발생하는 전파도달 시간차를 측정하기 위한 타이밍신호와, 조정국의 위치와, 각 전송신호가 중계되는 기지국의 위치와, 기지국 식별번호 및 보정데이터 등의 항법데이터가 기타 메시지와 함께 전송신호에 부가되고, 3개 이상의 기지국(200)으로 각각 전송된다. 그리고 상기 기지국은 조정국으로부터 수신된 전송신호가 서로 간섭하지 않도록 중계한다.
상기 전송신호 수신단계(S20)는 상기 조정국(100)에서 전송된 전송신호가 상기 항법데이터에서 지정된 식별번호를 갖는 각각의 기지국(200)을 경유하여 수신기(300)로 전송되고, 이를 상기 수신기(300)의 다채널 무선송수신수단에서 각각 수신한다.
상기 주국선정단계(S30)는 상기 제어부에서 상기 다채널 무선송수신수단에서 수신된 전송신호를 이용하여 하나의 기지국(200)을 주국(master)(210)으로 선정하고 그 외의 기지국(200)을 종국(220, 230)으로 한다. 이때 주국을 선정하는 방법은 전송신호의 강도, 전송신호의 수신기 도착순서, 기지국과 수신기 위치의 기하학적 배치, 수신 가능한 전송 신호의 개수 등을 고려하여 선정하는 것이 바람직하다.
상기 전파도달 시간차 측정단계(S40)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제어부에 구비된 비교기에서 상기 조정국(100)에서 송출된 전송신호가 각각의 기지국(200)을 경유하여 수신기의 다채널 무선송수신수단에 수신되는 전송신호 중 상기 주국(210)의 전송신호와 종국(220, 230)의 전송신호의 도착시간을 비교하여 전파도달 시간차를 측정한다. 상기 전파도달 시간차이
Figure 112005032195537-pat00001
는 조정국과 각 기지국까지의 거리가 상이한 결과로 생기는 기지국 전파도달 시간차이
Figure 112005032195537-pat00002
와 기지국에서 수신기에 도달하는 수신기 전파도달 시간차이
Figure 112005032195537-pat00003
와 대기층 전파지연 차이 및 회로지연 차이 등의 합으로 표현된다. 이때
Figure 112005032195537-pat00004
는 기지국의 식별번호이고 이후 편의상
Figure 112005032195537-pat00005
을 주국으로 선정한다.
상기 오차보정단계(S50)는 상기 제어부에서 측정된 전파도달 시간차에서 조정국과 각 기지국까지의 거리가 상이한 결과로 생기는 기지국 전파도달 시간차이
Figure 112005032195537-pat00006
를 조정국 위치와, 기지국 위치, 및 전파의 속도를 이용하여 보정하고, 또한 미리 정확한 위치가 알려진 기준국(400)에서의 측정위치와 실제위치를 비교하여 대기층 전파지연 및 회로지연 오차 등을 보정함으로써 전송신호가 기지국에서 수신기 에 도달하는 좀 더 정확한 수신기 전파도달 시간차이
Figure 112005032195537-pat00007
를 결정한다.
상기 수신기 위치 측정단계(S60)는 상기 연산부에서 상기 수신기 전파도달 시간차에 전파의 속도를 곱하여 기지국(200)에서 수신기(300)까지의 전파도달 거리차를 계산하고, 상기 전송신호에 포함된 기지국 위치를 이용하여 상기 전파도달 거리차에 의해 형성된 쌍곡선 교차점을 최소자승법으로 결정하거나, 또는 기지국의 위치를 원점으로 하고 반지름을 전파도달 거리차로 하는 원들과 이에 외접하는 평균원의 중심을 수신기의 위치로 결정함으로써 수신기(300)의 위치를 결정한다.
즉, 상기 제어부에서 주국(210)을 경유한 전송신호의 타이밍신호와 종국(220, 230)을 경유한 전송신호들의 타이밍신호를 비교하여 도착시간차
Figure 112005032195537-pat00008
를 측정한다. 이때 상기 도착시간차
Figure 112005032195537-pat00009
는 조정국에서 기지국에 전파가 도달하는 기지국 전파도달 시간차이
Figure 112005032195537-pat00010
와, 기지국에서 수신기에 전파가 도달하는 수신기 전파도달 시간차이
Figure 112005032195537-pat00011
와, 대기층 전파지연 차이
Figure 112005032195537-pat00012
및 회로지연 차이
Figure 112005032195537-pat00013
등의 합으로 나타낼 수 있다. 그러므로
Figure 112005032195537-pat00014
로 표현될 수 있다. 여기서, 상기
Figure 112005032195537-pat00015
는 조정국 위치와 기지국 위치 그리고 전파속도를 이용하여 계산할 수 있고, 대기층 전파지연 차이
Figure 112005032195537-pat00016
은 기준국을 이용하여 측정하거나 전파도달 시간차이가 크지 않을 경우 무시할 수 있다. 그리고 회로지연 차이
Figure 112005032195537-pat00017
는 같은 종류의 기지국을 사용한다면 같은 회로 지연 값을 가진다고 볼 수 있기 때문에 서로 상쇄 된다고 할 수 있다. 그러므로 이상적인 경우에, 기지국에서 수신기에 도달하는 수신기 전파도달 시간차이
Figure 112005032195537-pat00018
는
Figure 112005032195537-pat00019
로 계산되며, 전송신호가 기지국에서 수신기에 도달하는 전파도달 거리차이
Figure 112005032195537-pat00020
는 상기 수신기 전파도달 시간차에 전파속도
Figure 112005032195537-pat00021
을 곱하여 결정된다.
그리고 상기 수신기 전파도달 거리차이
Figure 112005032195537-pat00022
는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 주국과 종국을 기준점으로 하여
Figure 112005032195537-pat00023
개의 쌍곡선 방정식
Figure 112005032195537-pat00024
을 만든다. 여기에서 미지수
Figure 112005032195537-pat00025
은 수신기(300)에서 주국(210)까지의 실제거리이고, 미지수
Figure 112005032195537-pat00026
는 수신기(300)에서 종국(220, 230)까지의 실제거리이다. 그리고 전파도달 거리차이
Figure 112005032195537-pat00027
는 상기 주국과 종국 사이의 거리보다 큰 값을 가질 수 없다. 여기에서 상기 전파도달 거리차가 만든
Figure 112005032195537-pat00028
개의 쌍곡선은 수신기의 위치에서 서로 교차하므로, 수신기의 위치를 측정하기 위해서 쌍곡선의 교점을 구해야 하지만, 미지수
Figure 112005032195537-pat00029
,
Figure 112005032195537-pat00030
는 2차 함수로써 쌍곡선의 교점을 연립방정식의 해법으로 결정하기 어렵다. 그러므로 미지수
Figure 112005032195537-pat00031
,
Figure 112005032195537-pat00032
을 테일러 다항식으로 전개한 후 1차 미분 항까지만 사용하여, 미지수가
Figure 112005032195537-pat00033
인 n-1개의 1차 연립 방정식으로 변환하고, 상수항을 행렬
Figure 112005032195537-pat00034
, 1차 미분 항을 행렬
Figure 112005032195537-pat00035
, 미지수를 행렬
Figure 112005032195537-pat00036
라고 할 때, 쌍곡선 교차점에 대한 행렬식은
Figure 112005032195537-pat00037
로 표현된다. 상기 행렬식에 최적화된
Figure 112005032195537-pat00038
을 구하기 위해 상기 행렬식을 최소제곱근의 형태로 정규화(Normalizing) 하면
Figure 112005032195537-pat00039
로 표현되며, 미지수 행렬은
Figure 112005032195537-pat00040
로 표현된다. 그러므로 미지수 행렬
Figure 112005032195537-pat00041
을 결정할 수 있으며, 수신기의 위치는 테일러전개의 1차 미분 항까지만 사용하였으므로 반복식
Figure 112005032195537-pat00042
,
Figure 112005032195537-pat00043
,
Figure 112005032195537-pat00044
로 표시된다. 그리고 상기 연산부에서 위와 같은 연산 과정을 반복적으로 수행함으로써 수신기의 위치는 충분한 정확도를 얻을 수 있게 된다. 이러한 위치측정방법은 연산 속도가 빠르며, 각 기지국의 수가 상대적으로 적고, 또한 기지국의 위치와 수신기의 위치에 대한 기하학적 구성이 상대적으로 좋지 않은 경우에도 사용할 수 있게 된다.
또한, 상기 각각의 기지국으로부터 수신기에 도착한 전송신호 중 오차가 큰 전송신호를 주국으로 선정할 경우에도 수신기 위치 측정의 오차를 증가시키지 않을 수 있는 다른 실시예로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 수신기 위치 측정단계에서 결정된 전파도달 거리차이를 반지름으로 하고, 기지국(200)의 위치를 원점으로 하는 원에 평균적으로 외접하는 원의 중심을 수신기(300)의 위치로 결정할 수 있다.
이때, 주국을 원점으로 하는 원의 반지름은 항상 0 되는 특징이 있으며, 종국을 원점으로 하는 원의 반지름은 상기 수신기 위치 측정단계에서 결정된 전파도달 거리차이
Figure 112005032195537-pat00045
로 표현될 수 있다. 그러므로 상기 전파도달 거리차이
Figure 112005032195537-pat00046
은
Figure 112005032195537-pat00047
개의 방정식
Figure 112005032195537-pat00048
로 표현할 수 있다. 여기에서 미지수
Figure 112005032195537-pat00049
은 수신기(300)에서 기지국(200)까지의 실제거리이고, 미지수
Figure 112005032195537-pat00050
는 상기 전파도달 거리차이
Figure 112005032195537-pat00051
를 반지름으로 하는 원에 평균적으로 외접하는 원의 반지름이다. 그리고 상기 전파도달 거리차이
Figure 112005032195537-pat00052
는 주국과 종국 사이의 거리보다 큰 값을 가질 수 없다. 여기에서 상기
Figure 112005032195537-pat00053
개의 연립방정식을 만족하는 미지수
Figure 112005032195537-pat00054
,
Figure 112005032195537-pat00055
을 구하면 수신기의 위치를 결정할 수 있지만 미지수
Figure 112005032195537-pat00056
,
Figure 112005032195537-pat00057
는 2차 함수로써 연립방정식의 해법으로 구하기 어렵다. 그러므로 미지수
Figure 112005032195537-pat00058
,
Figure 112005032195537-pat00059
을 초기의 수신기위치
Figure 112005032195537-pat00060
에 대해서 테일러 다항식으로 전개한 후 1차 미분 항까지만 사용하여, 미지수가
Figure 112005032195537-pat00061
인
Figure 112005032195537-pat00062
개의 1차 연립 방정식으로 변환한다. 이때 미지수
Figure 112005032195537-pat00063
는 공통항으로써, 초기의 수신기위치
Figure 112005032195537-pat00064
에서 상수항으로 취급된다. 그러므로 상수항 행렬을
Figure 112005032195537-pat00065
, 1차 미분 항을 행렬
Figure 112005032195537-pat00066
, 미지수 행렬을
Figure 112005032195537-pat00067
라고 할 때, 상기 연립방정식에 대한 행렬식은
Figure 112005032195537-pat00068
로 표현된다. 상기 행렬식에서 최적화된
Figure 112005032195537-pat00069
을 구하기 위해 상기 행렬식을 최소제곱근의 형태로 정규화(Normalizing) 하면
Figure 112005032195537-pat00070
로 표현되며, 미지수 행렬은
Figure 112005032195537-pat00071
로 표현된다. 그러므로 미지수 행렬
Figure 112005032195537-pat00072
을 결정할 수 있으며, 수신기의 위치는 테일러전개의 1차 미분 항까지만 사용하였으므로 반복식
Figure 112005032195537-pat00073
,
Figure 112005032195537-pat00074
,
Figure 112005032195537-pat00075
로 표시된다. 그리고 상기 연산부에서 위와 같은 연산 과정을 반복적으로 수행함으로써 수신기의 위치는 충분한 정확도를 얻을 수 있게 된다. 이러한 수신기의 위치측정방법은 각 기지국의 수가 상대적으로 많고 기지국의 위치와 수신기의 위치에 대한 기하학적 구성이 좋은 조건하에서 사용하기 적합한 특징을 가진다.
다음에는 이와 같이 구성된 본 발명이 적용된 실시예를 설명한다.
상기 실시예에서는 방송형태의 위치측정시스템으로서 위치를 알고 있고, 고정된 방송국을 조정국(100)으로 설정하고, 위치를 알고 있고 상기 전파항법에 적합한 기하학 위치를 가지며, 고정된 3개 이상의 중계기를 기지국(200)으로 설정하며, 위치 이동하는 차량을 수신기(300)로 설정하여 위치측정시스템을 구성한다. 이때, 항법데이터는 타이밍 신호와 뉴스정보 등을 포함하여 구성한다.
상기 수신기(300)의 제어부에서 상기 3개 이상의 기지국(200)으로부터 수신된 전송신호의 전파도달 시간차를 측정하고 상기 수신기(300)의 연산부에서 항법데이터를 이용하여 전파도달 거리차이를 결정한 후, 상기 전파도달 거리차이에 의해 만들어지는 쌍곡선, 또는 쌍곡면이 이루는 교점을 수신기(300)의 위치로 결정하거나, 전파도달 거리차이에 의해 만들어지는 원 또는 구에 외접하는 평균외접원의 중심을 수신기(300)의 위치로 결정함으로써, 수신기의 위치정보를 제공하며, 날씨정보, 교통정보, 긴급 뉴스 등의 내용을 추가로 방송함으로써 방송시스템과 위치측정시스템을 같이 운용할 수 있게 할 수 있다.
그리고 방송신호 중에서 화상신호의 수직, 수평 동기신호 등을 타이밍 신호 로 설정하고, 중계기의 위치 등 항법데이터를 온라인 또는 오프라인으로 제공 받는다면 위치측정시스템을 더욱 간소하게 구현할 수 있게 된다. 이렇게 결정된 수신기의 위치는 긴급구조, 자동항법 등 다양하게 이용될 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예나 도면에 기재된 내용에 그 기술적 사상이 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 내에 있게 된다.
본 발명의 효과는 기지국에서 수신기까지의 전파도달 시간차를 측정하여 계산된 기지국과 수신기 사이의 전파도달 거리차를 쌍곡선 형태로 변환하여, 상기 쌍곡선 또는 쌍곡면의 교점을 최소자승법을 적용하여 구하고 이를 수신기의 위치로 결정하거나, 상기 기지국과 수신기 사이의 전파도달 거리차를 원 또는 구의 반지름으로 변환하여 원 또는 구에 평균적으로 외접하는 원 또는 구의 중심을 최소자승법을 적용하여 구하고 수신기의 위치로 결정함으로써, 저렴한 비용으로 높은 정확도를 갖으면서 수신기의 위치를 측정할 수 있는 것이다.

Claims (7)

  1. 항법데이터가 부가된 전송신호를 조정국에서 3개 이상의 기지국으로 송신하는 항법데이터 송신단계와, 각 기지국을 경유하여 전송된 전송신호를 수신기에서 수신하는 전송신호 수신단계와, 상기 수신기에 구비된 제어부에서 각 기지국을 경유한 전송신호의 전파도달시간차를 측정하는 전파도달 시간차 측정단계와, 상기 제어부에서 측정된 전파도달시간차에서 조정국과 기지국 사이의 거리차이에 의해 발생하는 오차를 보정하는 오차보정단계와, 전파도달시간차에 의해 거리를 계산하고 그에 따른 쌍곡선의 교점을 수신기의 위치로 결정하는 위치측정단계로 이루어진 전파도달시간차를 이용한 위치측정방법에 있어서,
    상기 전파도달 시간차 측정단계는,
    상기 3개 이상의 기지국 중 하나를 주국으로 선정하고, 나머지 기지국을 종국으로 선정하는 주국선정단계가 포함되어 구성되며,
    상기 위치측정단계는,
    상기 주국을 경유한 전송신호와 종국을 경유한 전송신호간의 전파도달 시간차이를 계산하는 과정;
    상기 주국과 종국을 기준점으로 하며 계산된 전파도달 시간차이에 의해 연산된 전파도달 거리차이(
    Figure 112006084870344-pat00081
    )를 데이터로 하는 쌍곡선을 기지국수보다 하나 적은 수만큼 설정하는 과정;
    상기 쌍곡선의 데이터를 상기 수신기에 구비된 연산부에서 테일러 다항식으로 전개하고 1차 미분항까지 사용하여 이루어진 선형화 데이터로 변환하는 과정; 및
    상기 연산부에서 선형화된 데이터를 최소제곱근의 형태로 정규화하면서 쌍곡선들의 교차점을 추정하고, 이러한 교차점 추정을 반복하여 수신기의 위치를 결정하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전파도달 시간차를 이용한 위치측정방법.
  2. 항법데이터가 부가된 전송신호를 조정국에서 3개 이상의 기지국으로 송신하는 항법데이터 송신단계와, 각 기지국을 경유하여 전송된 전송신호를 수신기에서 수신하는 전송신호 수신단계와, 상기 수신기에 구비된 제어부에서 각 기지국을 경유한 전송신호의 전파도달시간차를 측정하고 오차를 보정하는 전파도달 시간차 측정단계와, 전파도달시간차에 의해 거리를 연산하고 그에 따른 원을 이용하여 수신기의 위치를 결정하는 위치측정단계로 이루어진 전파도달시간차를 이용한 위치측정방법에 있어서,
    상기 전파도달 시간차 측정단계는,
    상기 3개 이상의 기지국 중 하나를 주국으로 선정하고, 나머지 기지국을 종국으로 선정하는 주국선정단계가 포함되어 구성되며,
    상기 위치측정단계는,
    상기 주국을 경유한 전송신호와 종국을 경유한 전송신호간의 전파도달 시간차이를 계산하는 과정;
    상기 주국과 종국을 각각 중심으로 하며 계산된 전파도달 시간차이에 의해 연산된 전파도달 거리차이(
    Figure 112006084870344-pat00082
    )를 반지름으로 하는 원들의 데이터와, 상기 전파도달 거리차이(
    Figure 112006084870344-pat00083
    )를 반지름으로 하는 원들에 평균적으로 외접하는 반지름(
    Figure 112006084870344-pat00084
    )과 중심을 갖는 원의 데이터를 설정하는 과정;
    상기 전파도달 거리차이를 반지름으로 하는 원들의 데이터와 그에 평균적으로 외접하는 원의 데이터를 상기 수신기에 구비된 연산부에서 테일러 다항식으로 전개하여 1차 미분항의 선형화 데이터로 변환하는 과정; 및
    상기 연산부에서 선형화된 데이터를 최소제곱근의 형태로 정규화하면서 외접하는 원의 반지름과 중심을 추정하고, 이러한 추정을 반복하여 외접하는 원의 중심을 수신기의 위치로 결정하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전파도달 시간차를 이용한 위치측정방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 오차보정단계는 위치가 미리 알려진 기준국에서 상기 전파도달 시간차를 이용하여 결정한 측정위치와 상기 기준국의 실제위치를 비교한 후, 그 오차를 보정 값으로 하여 상기 수신기의 위치 값을 보정하는 것을 특징으로 하는 전파도달 시간차를 이용한 위치측정방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전송신호에 부가되는 항법데이터는 타이밍신호, 조정국위치, 기지국식별번호, 기지국 위치, 보정데이터, 또는 기타 메시지로 구성되는 것을 특징으로 하는 수신기 전파도달 시간차를 이용한 위치측정방법.
  5. 전송신호에 항법데이터를 부가하고 이를 무선 전송하는 조정국; 상기 조정국에서 전송된 전송신호를 수신하여 무선 전송하는 3개 이상의 기지국; 및 상기 각 기지국을 경유한 전송신호를 수신하는 다채널 무선송수신수단과, 상기 각 전송신호의 전파도달시간차를 측정하는 제어부와, 이러한 전파도달시간차에 의해 거리를 연산하고 그에 따른 쌍곡선의 교점을 위치로 결정하는 연산부가 구비된 수신기;로 이루어진 전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 3개 이상의 기지국 중 하나를 주국으로 선정하고 나머지 기지국을 종국으로 선정하여, 상기 주국을 경유한 전송신호와 종국을 경유한 전송신호간의 전파도달 시간차이를 계산하도록 프로그래밍되고,
    상기 연산부는,
    상기 전파도달 시간차이에 의해 연산된 전파도달 거리차이(
    Figure 112006084870344-pat00085
    )를 데이터로 하는 쌍곡선을 지기국수보다 하나 적은 수로 설정하고, 이러한 쌍곡선의 데이터를 테일러 다항식으로 전개한 후 1차 미분항까지 사용하여 선형화 데이터로 변환하며, 이와 같이 선형화된 데이터를 최소제곱근의 형태로 정규화하면서 쌍곡선의 교차첨을 반복적으로 추정하여 수신기의 위치를 결정하도록 프로그래밍되어 구성되는 것을 특징으로 하는 전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템.
  6. 전송신호에 항법데이터를 부가하고 이를 무선 전송하는 조정국; 상기 조정국에서 전송된 전송신호를 수신하여 무선 전송하는 3개 이상의 기지국; 및 상기 각 기지국을 경유한 전송신호를 수신하는 다채널 무선송수신수단과, 상기 각 전송신호의 전파도달시간차를 측정하는 제어부와, 이러한 전파도달시간차에 의해 거리를 연산하고 그에 따른 원을 이용하여 위치를 결정하는 연산부가 구비된 수신기;로 이루어진 전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 3개 이상의 기지국 중 하나를 주국으로 선정하고 나머지 기지국을 종국으로 선정하여, 상기 주국을 경유한 전송신호와 종국을 경유한 전송신호간의 전파도달 시간차이를 계산하도록 프로그래밍되고,
    상기 연산부는,
    상기 주국과 종국을 각각 중심으로 하며 상기 전파도달 시간차이에 의해 연산된 전파도달 거리차이(
    Figure 112006084870344-pat00086
    )를 반지름으로 하는 원들의 데이터와 그 원들에 평균적으로 외접하는 반지름(
    Figure 112006084870344-pat00087
    )과 중심을 갖는 원의 데이터를 설정하고, 상기 전파도달 거리차이를 반지름으로 하는 원들의 데이터와 그에 평균적으로 외접하는 원의 데이터를 테일러 다항식으로 전개한 후 1차 미분항까지 사용하여 선형화 데이터로 변환하며, 이와 같이 선형화된 데이터를 최소제곱근의 형태로 정규화하면서 외접하는 원의 반지름과 중심을 반복적으로 추정하여 상기 외접하는 원의 중심을 수신기의 위치로 결정하도록 프로그래밍되어 구성되는 것을 특징으로 하는 전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 조정국에서 각 기지국을 경유하여 전송되는 전송신호를 수신하고 위치가 미리 알려진 기준국이 더 포함되며,
    상기 기준국은 전송신호의 전파도달 시간차를 이용하여 전파도달 거리차를 계산하고, 상기 전파도달 거리차를 이용하여 결정한 측정위치와 상기 기준국의 실제위치를 비교하여 오차를 구한 후, 그 오차를 수신기에서 결정된 위치의 보정 값으로 적용하도록 상기 수신기에 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 전파도달 시간차를 이용한 위치측정시스템.
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