KR100754613B1 - Ｇｐｓ 방식 및 ｔｄｏａ 방식을 통합한 이동단말의 위치추적방법 및 장치 - Google Patents

Ｇｐｓ 방식 및 ｔｄｏａ 방식을 통합한 이동단말의 위치추적방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신 네트워크에서, 도달 시간차(TDOA) 방식과 전세계 위치확인시스템(GPS) 방식을 통합한 위치추적 방법 및 장치에 관한것으로서, 상기 방법은, GPS의 코드 정보를 이용하여 클럭주기를 상기 이동통신 네트워크의 칩속도로 분주된 주파수를 이용하여 구한 단말의 GPS 위치해를 획득하는 과정과, 복수의 기지국들로부터 전송된 파일럿 신호의 송신 시간과, 상기 파일럿 신호들에 대한 단말의 수신시간을 이용하여 단말의 TDOA 위치해들을 구하여 상기 TDOA 위치해들의 평균값을 계산하는 과정과, 상기 TDOA 위치해들의 평균값에서 상기 GPS 위치해를 감산하여 위치 오차값을 구하고, 상기 위치 오차값에 대하여 최소 자승법을 이용한 반복법을 수행함으로써 보정을 수행하는 과정과, 상기 보정된 위치 오차값을 상기 TDOA 위치해들의 평균값에 합산하여 보다 정밀한 위치해를 구하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
CDMA, GPS, TDOA, TOA, Location Tracking, Kalman filter

Description

ＧＰＳ 방식 및 ＴＤＯＡ 방식을 통합한 이동단말의 위치 추적방법 및 장치{A Location Tracking method and apparatus of User Euipment Filter using GPS and TDOA}
도 1은 통상적인 이동통신 네트워크 구성도를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위치추적부의 개략적인 구조를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GPS 타이밍을 이용한 파일럿 신호의 수신시간을 측정하는 관계를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위치 추적부에서 위치해를 구하는 절차를 보여주는 도면.
본 발명은 이동통신 시스템의 위치 추적방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 위성 위치확인 시스템(Global Positioning System, 이하 "GPS"라 칭함) 및 도착 시간차 (Time Difference Of Arrival, 이하 "TDOA"라 칭함)방식을 통합한 위치 추적 방법 및 장치에 관한 것이다.
현대 사회가 발전해 나아감에 따라서 개인 휴대 통신 역시 비약적으로 발전해 나가고 있으며, 그 중 응급 서비스, 일 예로 E-911(emergency call) 서비스와 같은 응급 서비스를 위해 전세계적으로 사용자 단말기(UE: User Equipment)에서 위치 제공 서비스를 지원하도록 요구되고 있다. 특히, 미국의 경우 E-911을 위하여 위치제공 서비스를 사용자 단말기의 기본적인 기능으로 규정하여 향후에는 모든 이동 단말기들에 위치 제공 서비스가 적용되도록 권고하고 있다. 그리고, 이동 단말기의 위치 제공 서비스는 그 실제 위치에서 적어도 100~300미터 범위 내의 오차를 가지도록 규정하여 비교적 정확한 위치 제공을 하도록 하고 있으며, 이런 비교적 정확한 이동 단말기 위치를 가지고서 각종 위치 정보 관련 서비스를 추가적으로 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 통상적인 이동통신 네트워크 구성도를 나타내는 도면이다.
상기 도 1을 참조하면, 이동 단말기(10)를 통해 이동 가입자에게 이동통신 서비스를 제공하는 다수의 기지국들(21,22,23,24)과, 상기 다수의 기지국을 제어하는 기지국 제어기(30)와, 상기 기지국 제어기(30)를 다른 기지국 또는 공중망으로 연결하는 이동교환국(50)으로 구성된다.
상기 이동 교환국(50)은 가입자가 어느 셀에 위치하고 있는지를 파악하여 가입자를 호출하는데 필요한 시간을 줄일 수 있다. 그러나, 화재나 긴급환자 발생과 같은 비상시에는 이동 가입자가 위치하고 있는 장소를 보다 정확하게 추적할 필요가 있다. 이와 같이 이동통신 네트워크에서 임의의 셀에 위치한 이동 가입자에 보다 정확한 위치를 찾아내는 것을 위치 추적 서비스(Location Service)라고 한다. 이러한, 위치 추적 서비스는 기지국 제어기(30) 내부에 포함되거나 독립적으로 존재할 수 있는 위치추적 수단(40)에 의해 제공된다.
이동통신 네트워크에서 사용자 단말기의 위치를 검출하는데에는, 크게 이동 전화기에서 수행하는 방식과, 네트워크에서 수행하는 위치 결정 방식이 있다.
이동 단말기가 수행하는 방법 중 하나인 GPS(Global Positioning System) 신호를 이용하는 방식은, GPS 위성으로부터 제공되는 위성 신호를 이용하여 이동 단말기에 대한 정확한 절대 위치를 제공하기 때문에 점점 그 사용이 증가되는 추세에 있다. 그러나, 상기 GPS 방식은 절대 위치 및 높은 정확도를 제공하지만 신호 블로킹 지역이 많은 단점이 있다.
네트워크에서 수행하는 방법은, 세 개 이상의 기지국들이 전송한 특정신호를 단말이 수신한 도착시간과, 상기 기지국에서 신호를 전송한 시간을 이용하여 각 기지국과 이동 전화기간의 거리를 구한 다음 삼각법을 이용하여 이동 전화기의 위치를 계산한다. 이러한 방법에는 도착 시간방식(Time Of Arrival, 이하 "TOA"라 칭함) 혹은 도착 시간차 방식(Time Difference Of Arrival, 이하 "TDOA"라 칭함)을 이용하는 방법이 있다.
TOA를 이용하는 방법은, 이동 단말기로부터의 특정 신호가 기지국으로 전파되어 간 시간을 기초로 계산한 이동 단말기와 기지국 사이의 거리를 이용한다. 즉, 세 개 이상의 기지국(상기 도 1의 경우(21 내지 23)과 이동 단말기 사이의 거리를 반지름으로 하는 세 개의 원이 교차되는 지점에 이동 단말기가 위치하고 있다고 판단한다. TDOA를 이용하는 방법은, 세 개 이상의 기지국이 각각, 이동 단말기로부터 수신한 신호의 차이가 일정한 점들의 집합, 즉 쌍곡선을 이용하여, 세 개 이상의 쌍곡선이 만나는 점에 이동단말기가 위치하고 있다고 판단하는 방법이다. 상기 TDOA 방법은 상기 TOA 방법에 비해 각 기지국들의 동기가 정확하게 일치하여야 한다는 어려움이 있다. 이러한 TDOA, TOA는 이동 단말기가 전송하는 특정 신호를 이용하여 위치를 추적하기 때문에, 실제 환경상의 다중 경로, 페이딩 등으로 인하여 이동 단말기가 전송한 신호가 지연되어 전달됨으로써, 실제위치를 보장할 수 없는 문제점이 발생한다.
따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 절대위치를 제공하는 GPS방식과 연속적인 위치를 제공하는 네트워크방식(TDOA 또는 TOA)을 이용한 하이브리드 방식을 필요로 하게 되었다.
따라서 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은, 이동 단말기의 위치 측정을 계산하기 위해서 절대위치를 제공하는 GPS 타이밍을 이용하여 TDOA의 위치해를 보정하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 칼만 필터를 제공함으로써, 연속적인 위치측정 신뢰성 및 위치의 정확성을 제공한다.
본 발명의 실시예는, 이동통신 네트워크에서, 도달 시간차(TDOA) 방식과 전세계 위치확인시스템(GPS) 방식을 통합한 위치추적 방법에 있어서, GPS의 코드 정보를 이용하여 클럭주기를 상기 이동통신 네트워크의 칩속도로 분주된 주파수를 이용하여 구한 단말의 GPS 위치해를 획득하는 과정과, 복수의 기지국들로부터 전송된 파일럿 신호의 송신 시간과, 상기 파일럿 신호들에 대한 단말의 수신시간을 이용하여 단말의 TDOA 위치해들을 구하여 상기 TDOA 위치해들의 평균값을 계산하는 과정과, 상기 TDOA 위치해들의 평균값에서 상기 GPS 위치해를 감산하여 위치 오차값을 구하고, 상기 위치 오차값에 대하여 최소 자승법을 이용한 반복법을 수행함으로써 보정을 수행하는 과정과, 상기 보정된 위치 오차값을 상기 TDOA 위치해들의 평균값에 합산하여 보다 정밀한 위치해를 구하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 다른 실시예는, 이동통신 네트워크에서, 도달 시간차(TDOA) 방식과 전세계 위치확인시스템(GPS) 방식을 통합한 위치추적 장치에 있어서, GPS 코드정보를 이용하여 구한 단말의 GPS 위치해를 획득하는 GPS 수신부와, 복수의 기지국들로부터 전송된 파일럿 신호의 송신 시간과, 상기 파일럿 신호들에 대한 단말의 수신시간을 이용하여 단말의 TDOA 위치해들을 구하고, 상기 TDOA 위치해들의 평균값을 계산하는 TDOA 계산부와, 상기 TDOA 위치해들의 평균값에서 상기 GPS 위치해를 감산하여 위치 오차값을 구하고, 상기 위치 오차값에 대하여 최소 자승법을 이용한 반복법을 수행함으로써 보정을 수행하는 가중최소자승필터와, 상기 보정된 위치 오차값을 상기 TDOA 위치해들에 합산하는 감산부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
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이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 도면상에 표시된 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호로 나타내었으며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 GPS 방식과 TDOA 방식을 이용함으로써, 기지국과 사용자 단말간의 의사 거리(Pseudo Range)를 측정한 후, 상기 측정된 의사 거리에 대해 칼만필터를 통한 보정을 통해 다중경로 및 페이딩으로 인하여 발생되는 위치 오차 성분을 제거하여 더욱 정확한 의사거리를 제공한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위치추적부의 개략적인 구조를 보여주는 도면이다.
상기 도 2를 참조하면, GPS 수신기(200)는 GPS 코드 정보를 이용하여 단말의 위치(PGPS), 속도(VGPS), HDOP(Horizintal Dilution of Precision) 정보를 제공한다. 이때, 상기 HDOP정보는 위치해 측정치의 정확도를 나타내는 값으로 임계치 범위와 비교되어 상기 위치해의 사용여부 및 가중치를 판단하는데 사용한다. 이때, 상기 HDOP 정보가 소정 임계 범위에서 벗어날 경우, 상기 위치해 측정치는 사용하지 않는다.
TDOA 계산부(210)는 파일럿 신호에 대한 단말의 수신시간과, 기지국의 송신시간 사이의 차를 이용하여 단말의 위치해(PTDOA)및 속도(VTDOA)를 측정한다.
감산기(220)는 상기 GPS 코드 정보를 이용하여 구한 위치(PGPS) 및 속도(VGPS)와, 상기 TDOA 계산부(210)를 통하여 구한 위치해(PTDOA)및 속도(VTDOA)에 대한 위치 오차값을 구한다. 가중 최소 자승(Weighted Least Square) 필터(230)는 최소 자승법을 사용하는 반복을 통해 상기 위치 오차값의 보정을 수행한다. 가산기(240)는 상기 위치해(PTDOA)및 속도(VTDOA)에 상기 가중 최소 자승 필터(230)의 출력값을 가산하여 이동 단말의 보정된 위치해를 출력한다.
이하, 상기 TDOA 계산부(210)에서 TDOA 위치해를 측정하는 방법을 상세히 설명한다. 전파의 속도는 빛의 속도와 동일하므로, 위치해의 계산 절차에서 기지국들로부터의 수신 시간차를 나타내는 TDOA는 단말과 기지국들 간의 의사 거리의 차로 대체될 수 있다. 두 개의 신호원으로부터 전파도달 시각의 상대적인 차를 측정하여 위치를 결정하는 측위 방식으로, 다수의 신호원과 한 개의 수신기로 구성된 포워드 링크(forward link) 방식과, 한 개의 신호원과 다수의 수신기로 구성된 리버스 링크(reverse link) 방식이 있다. TDOA의 기본 원리에 따르면, 두 신호원에서 수신기까지 거리의 차에 비례하는 전파 도달 시간차가 측정되고, 두 신호원에서 거리가 일정한 곳 즉, 두 신호원을 초점으로 하는 쌍곡선 위에 수신기가 위치하게 된다. 이 때, 각 기지국은 동기화되어 있어야 하며 기지국간의 시간의 동기화는 위성시계를 이용하여 이루어진다. 이를 통해, 3개의 신호원으로부터 2개의 쌍곡선이 얻어지고 두 곡선의 교점이 수신기의 위치가 된다.
CDMA(Code Division Multiple Access) 및 W(wide)CDMA 통신 시스템 기반에서 TDOA방식을 이용할 경우, 이동 단말기가 기지국의 파일럿 신호를 수신하기 위해서 GPS 수신기의 GPS 시각을 이용한다. 이동 단말기의 모뎀은 GPS 엔진 출력인 1PPS(Pulse Per Second)를 이용하여 주파수를 분주한다. 상기 분주된 주파수의 해상도는 위치 측정의 정확도를 높이기 위해서, 이동 통신시스템의 칩 비율(rate)의 N배(N=1,2,3...)에 비례한다. WCDMA 시스템의 경우 3.84Mcps(Mega chips per second) 칩 비율의 16배 주파수 해상도인 61.44Mcps를 사용한다.
따라서, 이동 단말기의 모뎀부(도시하지 않음)에서는 61.44Mcps로 분주한 주파수 펄스를 카운팅하여 GPS 절대 시간에 동기된다. 상기 모뎀부에서는 61.44Mcps 클럭에 따라 10msec 길이를 가지는 파일럿 신호의 수신 시간을 측정한다. TDOA계산부(210)는 상기 수신시간을 이용하여 위치해를 계산한다. 3.84Mcps의 칩 속도를 사용하는 WCDMA 시스템에서 한 칩의 길이는 거리의 기준으로 약 78미터에 대응하므로,(3*10E8/3.84*10E6) 61.44Mcps의 분주 주파수를 사용하는 경우 TDOA 위치해는 4.6미터의 오차범위를 가짐을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GPS 타이밍을 이용한 파일럿 신호의 수신시간을 측정하는 관계를 보여주는 도면이다.
상기 도 3을 참조하면, GPS 코드 정보는 1초 주기를 가지므로, GPS 수신기(200)는 1초 주기마다 위치해(PGPS)를 계산하게 된다. 이동통신시스템은 10msec 주기의 무선 프레임을 사용하므로, TDOA 계산부(210)는 1초 동안 최대 100개의 파일럿 신호를 측정하여 최대 100개의 위치해(PTDOA)를 계산할 수 있다. 이때, TDOA계산부(210)는 GPS의 1초 주기동안 61.44Mcps로 분주한 주파수를 이용함으로써, GPS 위치해의 계산과, TDOA위치해의 계산이 정확히 일치하지 않음으로써 발생하는 위치해의 오차를 보다 정확히 측정하여 이로 인한 지연 거리 및 시간을 추정해 낼 수 있다.
이하, 상기 가중최소자승필터(230)가 GPS 수신부의 위치해와 TDOA 계산부의 위치해 사이의 오차를 추정하는 과정을 설명한다. 여기서, 사용되는 수식들은 일반적인 최소자승계산법을 따르는 것으로 상세한 설명은 생략한다.
먼저, TDOA 계산부(210)는 원천 기지국의 파일럿 신호 수신시간과, 주변 기지국의 파일럿 수신시간을 가지고 TDOA 위치해를 계산한다.
먼저, i개의 기지국과 이동 단말기의 의사거리(Ri)는 하기 <수학식 1>과 같이 정의된다.
Figure 112005069970549-pat00017
여기서, (xBSi, ybsi)는 i개의 기지국의 지리학적 위치, (x, y)는 이동 단말기의 추정 위치이다. 상기 측정된 의사거리(Pseudo-Range) Ri 는 이동 단말의 파일럿 수신시간(Reception time)과 기지국의 파일럿 송신시간(Transmission time)의 차를 GPS 타이밍 카운터 값으로 측정하여 계산한다. 상기 의사거리는 단말의 2차원 위치해로 간주된다.
TDOA계산부(210)는 원천 기지국(R1)과 주변 기지국들(Ri)간의 전파 도달 시간차를 서로 뺌으로써 쌍곡선 방정식을 유도한다. 하기의 <수학식 2>는 i개의 기지국과 원천 기지국 간에 측정된 의사거리의 차를 나타낸다.
Figure 112005069970549-pat00018
이동 단말기가 동일한 위치를 유지하고 있다면, 10msec 주기의 무선 프레임을 이용할 때, TDOA 계산부(210)는 1초 동안 최대 100개의 의사거리 샘플을 얻을 수 있으므로, 최대 100개의 샘플들의 평균 샘플(Sample Average)은 하기 <수학식 3>을 통해 계산된다.
Figure 112005069970549-pat00019
이때, 이동 단말기가 5~100km/h로 움직일 경우에 초당 대략 1.4~28m를 갈 수 있다. 즉, 이동 단말기가 움직임으로써 기지국과의 거리가 변하게 되어 샘플 평균값에 영향을 줄 수 있다. 이때, 사용자 단말기가 빠른 속도로 이동할 경우의 상기 평균 샘플은 GPS 코드 정보를 통하여 얻은 속도 정보를 이용하여 보정될 수 있다.
상기 GPS 위치값과 TDOA 위치해 사이의 오차값을 정확히 추정하기 위해서 가중최소자승필터(230)를 사용한다. 일반적으로, 상기 가중최소자승필터(230)는 GPS 수신기에 사용되는 필터로 위성정보와 같이 코드화된 통계적인 정보분석을 수행한다. 따라서, 장애물에 의해 약간의 수신 장애가 발생할 경우의 약한 수신신호에도 좋은 결과를 검출하고, 신호와 잡음을 분리하는데 우수하여 순간적인 위치 점프 현상을 방지하고, 정확한 위치 및 속도와 시간을 검출한다.
구체적으로, TDOA 계산부에서 계산된 상기 <수학식 2>에 GPS 코드 정보를 이용한 위치결정식인 상기 <수학식 1>의 이동 단말기의 초기위치 (
Figure 112005069970549-pat00020
)로 테일러(Taylor) 급수를 통해 선형화하며, i개의 기지국 신호에 대해서 하기 <수학식 4>와 같은 선형화된 측정식을 얻을 수 있다.
Figure 112005069970549-pat00021
하기 <수학식 5>는 i개의 기지국 신호와 GPS신호들간에 서로 차분한 방정식을 선형화한 방정식이다.
Figure 112005069970549-pat00022
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상기 <수학식 4>에서, zi는 위치해의 관측값이고, 즉 Zi는 단말기와, 기지국 그리고 GPA 위성간에 의사거리(pseudo-range)를 측정한 값이고, hi는 선형화에 따른 변환계수이다. Wi는 i개의 기지국과 GPS 신호의 시스템 오차로, 환경에 의한 다중경로 및 페이딩 등으로발생되는 백색잡음(white noise)을 나타낸다. hi T는 기저선 (Line of sight: LOS)벡터로 i개의 기지국의 위치해에 대한 편미분으로부터 설계된 행렬로 하기 <수학식 6>과 같이 계산된다.
Figure 112007022469015-pat00023
상기 <수학식 5>에서 cB는 사용자 단말기의 시계오차(Clock Bias)값이다. w는 wi로 이루어진 행렬로서, 최소자승필터안에서 TDOA 위치해와 GPS 위치해의 차분된 공분산 행렬을 의미하는 QDTG 변수로 사용된다.
Figure 112007022469015-pat00024
는 GPS위성과 단말기간 거리를 의미하고, Ri는 상기 <수학식 3>을 통해 계산된 샘플 평균값이고, (xsv, ysv)는 GPS 위성 좌표이다. 상기
Figure 112007022469015-pat00025
는 상기 단말의 초기 위치에 대한 오차값으로 Ri와
Figure 112007022469015-pat00026
간의 오차값으로 계산된다.
삭제
위치 및 수신기 시계오차(
Figure 112005069970549-pat00027
)는 하기 <수학식 7>과 같이 구해지며, 정확도를 향상시키기 위하여 하기 <수학식 7>을 반복적으로 수행할 수 있다.
Figure 112005069970549-pat00028
이때, A는 상태 천이 행렬로
Figure 112005069970549-pat00029
을 나타낸다.
상기 <수학식 7>에 대한 가중 최소제곱 조정해와 추정된 초기위치 공분산 행렬은 하기 <수학식 8>과 같다.
Figure 112005069970549-pat00030
여기서, 상기 QDTG는 하기 <수학식 9>와 같이 표현된다.
Figure 112005069970549-pat00031
여기서, cov(TDOA)=Ccov(R)C로, C는 TDOA 차분 행렬이고, cov(R)는 기지국과 사용자 단말기 사이의 측정 잡음 공분산이며, R은 위치해의 오차값이고, TG(TDOA & GPS)는 TDOA와 GPS 차분 행렬로서, 기지국과 GPS의 위치간 감산에 따라 발생되는 화이트노이즈의 차이를 나타낸다.
상기 <수학식 7>에서 최소 자승법 후의 잔차(remained value or remainder)를 이용하여 위치해의 오차에 대한 사후 분산(a posteriori variance)을 하기 <수학식 10>과 같이 추정한다.
Figure 112005069970549-pat00032
여기서, n은 관측된 기지국의 수이고, m은 차분 방정식의 미지수 개수이며,
Figure 112005069970549-pat00033
은 잔차이고, P는 선 분산(a priori variance)을 1로 두고 구한 가중치 행렬을 의미한다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 GPS위성을 통해 측정된 단말의 위치와 TDOA의 위치해 사이의 오차를 최소자승필터를 이용하여 보정함으로써 보다 정확한 위치해를 얻을 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위치 추적부에서 위치해를 구하는 절차를 보여주는 도면이다.
상기 도 4를 참조하면, 400단계에서 위치 추적부는 GPS 코드정보를 이용하여 구한 단말의 절대위치(PGPS)와 HDOP 정보 등 단말의 GPS 위치해를 획득한다.
410단계에서 위치 추적부는 복수의 기지국들로부터 전송된 파일럿 신호의 송신 시간과, 상기 파일럿 신호들에 대한 단말의 수신시간의 차를 이용하여 단말의 TDOA 위치해(PTDOA) 및 속도(VTDOA)를 측정한다.
420단계에서 위치 추적부는 상기 GPS 위치해에서 상기 TDOA 위치해 및 속도를 감산한 위치 오차값을 구하고, 430단계에서 상기 위치 오차값에 대하여 최소 자승법을 이용한 반복법을 수행하여 상기 위치 오차값을 보정한다.
상기 보정된 위치 오차값을 상기 TDOA 위치해 및 속도에 합산하여 440단계에서 보다 정밀한 위치해를 구한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, GPS 또는 TDOA 중 단독 위치결정 기법을 사용할 경우에 발생될 수 있는 사용자 단말기의 위치오차 또는 위치해 미결정을 해결할 수 있는 효과가 있다. 또한, GPS 위치해와 TDOA위치해 사이의 위치 오차값을 최소자승 필터를 통해 보정함으로써, 위치측정 신뢰성 및 위치의 정확성을 보장할 수 있는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 이동통신 네트워크에서, 도달 시간차(TDOA) 방식과 전세계 위치확인시스템(GPS) 방식을 통합한 위치추적 방법에 있어서,
    GPS의 코드 정보를 이용하여 소정 클럭주기마다 단말의 GPS 위치해를 획득하는 과정과,
    복수의 기지국들로부터 전송된 파일럿 신호의 송신 시간과, 상기 클럭주기를 상기 이동통신 네트워크의 칩속도로 분주한 주파수에 따라 결정되는 상기 파일럿 신호들에 대한 단말의 수신시간을 이용하여 단말의 TDOA 위치해들을 구하여 상기 TDOA 위치해들의 평균값을 계산하는 과정과,
    상기 TDOA 위치해들의 평균값에서 상기 GPS 위치해를 감산하여 위치 오차값을 구하고, 상기 위치 오차값에 대하여 반복법을 수행함으로써 보정을 수행하는 과정과,
    상기 보정된 위치 오차값을 상기 TDOA 위치해들의 평균값에 합산하여 보다 정밀한 위치해를 구하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 위치 추적 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 클럭주기는 1초이며, 상기 분주한 주파수는 61.44Mcps인 것을 특징으로 하는 위치추적방법.
  3. 이동통신 네트워크에서, 도달 시간차(TDOA) 방식과 전세계 위치확인시스템(GPS) 방식을 통합한 위치추적 장치에 있어서,
    GPS 코드정보를 이용하여 소정 클럭주기마다 구한 단말의 GPS 위치해를 획득하는 GPS 수신부와,
    복수의 기지국들로부터 전송된 파일럿 신호의 송신 시간과, 상기 클럭주기를 상기 이동통신 네트워크의 칩속도로 분주한 주파수에 따라 결정되는 상기 파일럿 신호들에 대한 단말의 수신시간을 이용하여 단말의 TDOA 위치해들을 구하고, 상기 TDOA 위치해들의 평균값을 계산하는 TDOA 계산부와,
    상기 TDOA 위치해들의 평균값에서 상기 GPS 위치해를 감산하여 위치 오차값을 구하고, 상기 위치 오차값에 대하여 반복법을 수행함으로써 보정을 수행하는 가중최소자승필터와,
    상기 보정된 위치 오차값을 상기 TDOA 위치해들에 합산하는 감산부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 위치추적 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 클럭주기는 1초이며, 상기 분주한 주파수는 61.44Mcps인 것을 특징으로 하는 위치추적 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 반복법은 최소자승법을 이용한 것임을 특징으로 하는 위치 추적 방법.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 반복법은 최소자승법을 이용한 것임을 특징으로 하는 위치 추적 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서, 상기 보정을 수행하는 과정은,
    상기 계산된 위치해들과, 상기 단말의 절대 위치값에 대해 상기 단말의 초기 위치로 테일러 급수를 통해서 하기 제1 수학식으로 선형화하는 것을 특징으로 하는 위치추적 방법.
    Figure 112007022469015-pat00034
    여기서, zi는 위치해의 관측값, hi는 선형화에 따른 변환계수, Wi는 i개의 기지국과 GPS 신호의 시스템 오차, hi T는 i개의 기지국의 위치해에 대한 편미분으로부터 설계된 행렬, cB는 사용자 단말기의 시계오차임.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 hi T는 하기 제2 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 하는 위치추적 방법.
    Figure 112007022469015-pat00035
    여기서,
    Figure 112007022469015-pat00036
    는 GPS위성과 단말기간 거리를 의미하고, Ri는 TDOA 위치해들의 샘플 평균값이고, (xsv, ysv)는 GPS 위성 좌표임.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 위치해의 정확성을 향상시키기 위해서 하기 제3 수학식을 반복하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치추적 방법.
    Figure 112007022469015-pat00037
    이때, A는 상태 천이 행렬로
    Figure 112007022469015-pat00038
    을 나타냄.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제3 수학식에 대한 가중 최소제곱 조정해와 추정된 초기위치 공분산 행렬을 하기 제4 수학식으로 계산하는 것을 특징으로 하는 위치추적 방법.
    Figure 112007022469015-pat00039
  12. 제 11항에 있어서, 상기 QDTG는 상기 최소자승필터안에서 TDOA와 GPS 코드 의사 거리의 차분된 공분산 행렬을 의미하는 w의 변수로 사용되고, 하기 제5 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 위치추적 방법.
    Figure 112007022469015-pat00040
    여기서, cov(TDOA)=Ccov(R)C로, C는 TDOA 차분 행렬이고, cov(R)는 기지국과 사용자 단말기 사이의 측정 잡음 공분산이며, R은 위치해의 오차값이고, TG는 TDOA와 GPS 차분 행렬임.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 제4 수학식에서 사후 분산(a posteriori variance)은 최소 자승법 후의 잔차를 이용하여 하기 제6 수학식과 같이 추정되는 것을 특징으로 하는 위치추적 방법.
    Figure 112007022469015-pat00041
    여기서, n은 관측된 기지국의 수이고, m은 차분 방정식의 미지수 개수이며,
    Figure 112007022469015-pat00042
    은 잔차이고, P는 선 분산(a priori variance)을 1로 두고 구한 가중치 행렬임.
  14. 삭제
  15. 제 3항에 있어서, 상기 가중 최소자승필터는,
    상기 계산된 위치해들과, 상기 단말의 절대 위치값에 대해 상기 단말의 초기 위치로 테일러 급수를 통해서 하기 제1 수학식으로 선형화하는 것을 특징으로 하는 위치추적 장치.
    Figure 112007022469015-pat00043
    여기서, zi는 위치해의 관측값, hi는 선형화에 따른 변환계수, Wi는 i개의 기지국과 GPS 신호의 시스템 오차, hi T는 i개의 기지국의 위치해에 대한 편미분으로부터 설계된 행렬, cB는 사용자 단말기의 시계오차임.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 hi T는 하기 제2 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 하는 위치추적 장치.
    Figure 112007022469015-pat00044
    여기서,
    Figure 112007022469015-pat00045
    는 GPS위성과 단말기간 거리를 의미하고, Ri는 TDOA 위치해들의 샘플 평균값이고, (xsv, ysv)는 GPS 위성 좌표임.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 가중 최소자승필터는,
    상기 위치해의 정확성을 향상시키기 위해서 하기 제3 수학식을 반복하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치추적 장치.
    Figure 112007022469015-pat00046
    이때, A는 상태 천이 행렬로
    Figure 112007022469015-pat00047
    을 나타냄.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 제3 수학식에 대한 가중 최소제곱 조정해와 추정된 초기위치 공분산 행렬을 하기 제4 수학식으로 계산하는 것을 특징으로 하는 위치추적 장치.
    Figure 112007022469015-pat00048
  19. 제 18항에 있어서, 상기 QDTG는 상기 최소자승필터안에서 TDOA와 GPS 코드 의사 거리의 차분된 공분산 행렬을 의미하는 w의 변수로 사용되고, 하기 제5 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 위치추적 장치.
    Figure 112007022469015-pat00049
    여기서, cov(TDOA)=Ccov(R)C로, C는 TDOA 차분 행렬이고, cov(R)는 기지국과 사용자 단말기 사이의 측정 잡음 공분산이며, R은 위치해의 오차값이고, TG는 TDOA와 GPS 차분 행렬임.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 제4 수학식에서 사후 분산(a posteriori variance)은 최소 자승법 후의 잔차를 이용하여 하기 제6 수학식과 같이 추정되는 것을 특징으로 하는 위치추적 장치.
    Figure 112007022469015-pat00050
    여기서, n은 관측된 기지국의 수이고, m은 차분 방정식의 미지수 개수이며,
    Figure 112007022469015-pat00051
    은 잔차이고, P는 선 분산(a priori variance)을 1로 두고 구한 가중치 행렬임.
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