KR101049905B1 - 다중분리 레이더 시스템에서 이동 표적의 위치 추적 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중분리 레이더 시스템에서 이동 표적의 위치 추적 방법을 제시한다. 상기 방법은 타겟 범위가 미리 설정한 범위이내 이면, 표적에 의해 반사되어 각 안테나를 통해 수신된 신호(τ _i )를 통해 표적 거리(R _i )를 계산하는 단계와; 상기 각 안테나에 의한 표적 거리(R _i )를 각기 저장하는 단계와; 상기 각 안테나에 의한 표적 거리가 미리 설정한 갯수 이상인지 판별하는 단계와; 상기 미리 설정한 갯수 미만인 경우, 상기 표적의 운동 특성을 이용하여 표적의 거리(R _i (t))를 추정하는 단계와; 상기 각 안테나를 통해 수신된 신호의 신호대잡음비(SNR)를 산출하는 단계와; 상기 각 안테타를 통해 수신된 신호 중 신호대잡음비의 임계값을 넘는 신호에 의한 표적 거리(R _i )와 상기 추정된 표적 거리(R _i (t))를 이용하여, 표적 거리를 정밀 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

다중분리 레이더 시스템에서 이동 표적의 위치 추적 방법{METHOD FOR ESTIMATING LOCATION OF MOVING TARGET USING MULTISTATIC RADAR}

본 발명은 이동 표적의 위치 추적에 관한 것이다.

가입자의 위치 추적을 위해, 근래 이동통신망에서는 최근 위치기반서비스(LBS, Location Based Service)를 이용하여 가입자의 위치를 측정하고, 측정된 위치를 기반으로 다양한 고부가 서비스를 제공하고 있다. 이때, 가입자의 위치를 판단하기 위한 방법으로는 3개 기지국의 신호가 가입자의 단말기에 반사된 신호를 기지국 및 상위 계층의 서비스 제공자가 종합하여 위치 정보를 판단하는 TOA(Time of Arrival), TDOA(Time Difference of Arrival), AOA(Angle of Arrival)등의 방법이 있다.

한편, 다중분리 레이더는 기존의 레이더 구조와 달리 송신기와 수신기가 분리되어, 수신기의 위치가 노출되지 않고 표적의 위치를 추적할 수 있다. 위성항법장치(GPS, Global Positioning Service)는 4개의 위성이 각각 표적에 반사된 신호의 시간을 측정(TOA, Time of Arrival)하여 지상의 표적의 위치를 측정한다.

특히, 레이더 시스템과 현존하는 항법장치에서 응용되고 있는 DR(Dead Reckoning)은 일시적으로 수신기가 표적의 위치를 측정할 수 없을 때에도 현재 표적이 이동하고 있는 패턴을 속도, 가속도, 표적의 이전 위치를 통해 현재 시간의 위치를 추정할 수 있는 방법이다.

그러나, 종래에는 LOS(Light of sight: 가시)가 존재하지 않고, 다중경로가 지배적인 레이더 환경에서는 이동하는 표적의 위치를 추적하기 어려운 문제점이 있었으며, 또한 주변 환경적인 요인에 의해 일시적으로 신호를 수신할 수 없거나, 신틸레이션으로 인해 표적의 위치를 잃어버리는 가능성이 높았던 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명은 LOS(Light of Sight: 가시)가 존재하지 않고, 다중경로가 지배적인 레이더 환경에서도, 다중분리 레이더와 이동통신망을 이용하여 이동하는 표적의 위치를 추적할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 주변 환경적인 요인에 의해 일시적으로 신호를 수신할 수 없거나 신틸레이션으로 인해 표적의 위치를 잃어버린 경우에도 오차를 최소화하고, 지속적인 표적의 위치 정보를 제공할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다중분리 레이더 시스템에서 이동 표적의 위치 추적 방법을 제시한다. 상기 방법은 타겟 범위가 미리 설정한 범위이내 이면, 표적에 의해 반사되어 각 안테나를 통해 수신된 신호(τ _i )를 통해 표적 거리(R _i )를 계산하는 단계와; 상기 각 안테나에 의한 표적 거리(R _i )를 각기 저장하는 단계와; 상기 각 안테나에 의한 표적 거리가 미리 설정한 갯수 이상인지 판별하는 단계와; 상기 미리 설정한 갯수 미만인 경우, 상기 표적의 운동 특성을 이용하여 표적의 거리(R _i (t))를 추정하는 단계와; 상기 각 안테나를 통해 수신된 신호의 신호대잡음비(SNR)를 산출하는 단계와; 상기 각 안테타를 통해 수신된 신호 중 신호대잡음비의 임계값을 넘는 신호에 의한 표적 거리(R _i )와 상기 추정된 표적 거 리(R _i (t))를 이용하여, 표적 거리를 정밀 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 각 안테나를 통해 수신된 신호에서 표적의 유무를 탐지하는 탐지기와; 상기 표적에 의해 반사되어 각 안테나를 통해 수신된 지연 신호를 통해 표적 거리(R _i )를 계산하고, 상기 각 안테나에 의한 표적 거리(R _i )를 각기 저장하고, 상기 각 안테나에 의한 표적 거리가 미리 설정한 갯수 미만인 경우, 상기 표적의 운동 특성을 이용하여 표적의 거리(R _i (t))를 추정하고, 상기 각 안테나를 통해 수신된 신호의 신호대잡음비(SNR)를 산출한 후, 상기 각 안테타를 통해 수신된 신호 중 신호대잡음비의 임계값을 넘는 신호에 의한 표적 거리(R _i )와 상기 추정된 표적 거리(R _i (t))를 이용하여, 표적 거리를 정밀 계산하는 위치 추적기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중분리 레이더 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 위치 측위 방법에 의하면, 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다.

1) NLOS 및 multi-path 환경에서도 반사 신호 지연 시간을 이용하여 표적의 위치를 추정할 수 있다.

2) 일시적 혹은 장기적으로 레이더 정보의 부재가 발생하더라도 미래의 표적의 움직임을 예측하여 위치를 추정할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용 어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

도면을 참조하여 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명의 이해를 돕고자, 간략하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 이동통신망과 다중분리 레이더 기술을 이용한 위치 추적 방법을 제안한다. 상기 이동통신망은 현재 전국적으로 설치되어 운용되고 있으며, 기 설치되어 운용 중인 기지국은 상시 전파를 송신하고 있다. 이러한 이동통신망을 이용하면, 경계 지역뿐 아니라 도심지 및 내륙지역에서도 이동통신망 레이더 시스템을 구축할 수 있다. 하지만, 내륙 지역, 특히 도시 지역은 NLOS(비 가시), multi-path(멀티 패스) 등의 문제가 존재하기 때문에, 기존 레이더 시스템에서 표적의 위치를 측정하고, 측위 정보를 통해 표적의 이동을 추적하기 위한 다양한 기법들을 그대로 적용하기 어렵다.

따라서, 본 발명에서는 기존 이동통신망 및 레이더, GPS 항법에서 응용되는 TOA와 DR기술을 NLOS 및 multi-path 환경의 이동통신망 레이더 시스템에서 위치 추적을 구현하기 위한 방법을 제시하고자 한다.

다시 말해서, 본 발명을 통해 이루고자 하는 기술적 과제는 다음과 같다.

가) NLOS 및 multi-path 영향이 높은 환경에서도 이동하는 표적의 위치를 추적할 수 있도록 한다.

나) 레이더 환경에 의해 일시적으로 수신 신호를 이용할 수 없거나 신틸레이션으로 인해 표적의 위치를 잃어버린 경우에도 위치를 지속적으로 추적할 수 있도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다. 본 발명의 사상은 첨부된 도면외에 모든 변경, 균등물 내지 대체물에 까지도 확장되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 위치 추적 구현 방법의 개념도이다.

도 1을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 이동통신망 다중분리 레이더에서 탐지기(110)를 통해 표적에 대한 반사 신호의 지연 정보를 획득한 후, 위치 추적기(120)를 통해 위치 추적을 수행하여 위치 추적 오차를 최소화한 위치 정보를 추적 필터(tracking Filter)(130)에 제공한다. 상기 탐지기(110)는 각 안테나를 통해 수신된 신호에서 표적의 유무를 탐지한다. 상기 추적 필터(130)는 칼만(Kalman) 필터 등과 같은 필터일 수 있다.

도 1에 나타난 바와 같이, 상\상기 위치 추적기(120)는 다중분리(Multistatic) TOA(Time of Arrival) 모듈(121)과, DT(Dead Tracking) 모듈(122)와, 그리고 LS 추정 모듈(123)으로 이루어질 수 있다.

상기 TOA 모듈(121)은 기지국에서 수신기에 도달하는 신호를 표적에 반사되어 도달하는 총 시간에 의해 거리로 환산하고, 배치된 세 개의 수신기에 의해 표적의 위치를 추정한다. 이때, 수신기의 안테나는 무지향성 형태이다. 즉, 휴대폰망 다중 분리 레이더는 기존의 이동통신망에서 서비스되고 있는 위치 측위 기법과 달리 송신자와 기지국이 분리되어 있는 구조이기 때문에, 이를 위한 것이다.

이때, AOA(Angle of Arrival) 등과 같이 수신기에서 수신한 신호의 각도 정보를 이용하면, 본 발명이 적용하고자 하는 NLOS 및 multi-path 환경에서 수신한 신호의 각도에 따라 오차가 증가하게 되지만, 수신기에서 TOA 정보를 이용한다면, 수신 신호가 multi-path 일지라도 가장 적은 지연 시간의 수신 신호를 표적에 반사되어 도착한 신호로 판단하는 탐지 기법의 레이크 수신기 구조를 반영하므로 3개 이상의 수신기를 통해 NLOS 및 multi-path 환경에도 성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 이와 같이 상기 TOA 모듈(121)만으로는 다음과 같이 두 가지 중요한 문제가 발생한 경우 표적의 위치를 일시적 혹은 장기간 잃어버릴 수 있다. 첫 번째, 3개의 수신기 중 1개 이상의 수신기에서 NLOS 환경에 의해 반사 신호를 받지 못하여 신호 지연 정보(τ _i )을 거리 R _i 로 환산하지 못하는, 경우 3개의 타원을 그릴 수 없다. 둘째, 표적이 RCS 신틸레이션 효과로 인해 혹은 상당히 영향력 있는 주변 클러터에 의해 일시적으로 탐지가 불가능 할 경우 타원을 그릴 수 없다.

이와 같이 상기 TOA 모듈(121)만으로는 여러 문제점이 있기 때문에 본 발명에 따르면, 상기 위치 추정기(120)는 DT 모듈(122)을 포함한다. 상기 DT 모듈(122)은 일시적 혹은 연속적으로 레이더 정보가 부재될 때, 계속적으로 표적에 대한 위치를 추정하기 위한 것이다. 이와 같은 DT 모듈(122)의 동작 방식은 DR(Dead Reckoning)과 다소 유사하다. 상기 DR(Dead Reckoning)은 표적의 운동에 대한 기존 위치 정보와 운동 방정식을 이용하여 표적의 위치 정보 부재 상황에서도 현재까지의 속도, 가속도, 위치 정보를 바탕으로 현재의 위치를 추정하는 방법이다. 하지만, 상기 DR(Dead Reckoning)은 NLOS(비가시) 및 다중 경로(multi-path) 환경 그리고 표적이 음영 지역을 통과하는 환경에서 적용하면, LS 추정에 필요한 기지국-표적-수신기 경로의 거리를 3개의 모든 수신기가 동시에 획득하지 못하는 경우가 빈번하게 발생할 수 있다. 즉, 도심지와 같이 다중 경로 영향이 지배적이고, 표적의 이동이 순간적으로 수신기의 시야에서 빈번하게 벗어날 경우, 위치 측위에 있어서 다양한 오차를 발생시킬 수 있다. 다시 말해서, 3개의 수신기에서 수신한 신호 정보를 바탕으로 표적의 위치를 추정할 때, 레이더의 신틸레이션과 같은 요인에 의해 어느 1개의 수신기라도 표적에 반사되어 돌아오는 신호를 수신하지 못할 경우, 2개의 수신기만으로 위치를 추정해야 하므로 오차요인이 증가한다. 이처럼 상기 DR(Dead Reckoning)이 빈번하게 적용되면, 추적 필터에 필요한 위치 추정 오차가 누적되거나, 혹은 추정 자체를 못하는 횟수가 증가한다.

반면, 본 발명에 의한 상기 DT 모듈(122)은 이러한 단점을 극복하기 위해, 3 개의 수신기 중 1개 이상의 수신기에서 일시적으로 R _i 를 획득하지 못하더라도 이러한 상황이 동일한 수신기에서 연속적으로 발생하지 않으면, 위치 추정 오차를 최소화하여 위치 추적을 가능하게 한다.

본 발명에 의한 상기 DT 모듈(122)은 표적이 일시적으로 음영지역에 위치할 지라도, 표적의 운동 방정식(예컨대, 일정 시간 동안의 속도, 가속도, 위치 정보를 통하여 산출한 운동 방정식)을 통해 표적의 위치를 추정하여 지속적으로 위치를 추정하여 추적 필터에 제공한다.

한편, 전술한 바와 같이, 세 개의 안테나 각각을 통해 추적을 하면 표적이 영역으로 나타나므로, LS 모듈(123)은 LS 추정을 통해 근사화하여, 하나의 지점으로 근사화한다.

즉, 상기 TOA 모듈(121)와 상기 DT 모듈(121)을 통해 추정한 위치는 표적이 존재하는 영역으로 나타나기 때문에, 이에 대한 오차율을 최소화하기 위해 가장 빠르고 쉽게 연산할 수 있는 최소자승법(LS)으로 표적의 위치를 결정한다. 수신기의 배치에 따라 오류 영역은 큰 차이가 발생하지만, 세 개의 수신기일 때, 정삼각형 형태로 배치하고 최대한 수신기 간의 거리를 이격할 때 오류가 최소화된다. 이 모듈은 정확도나 회로 구현 상황에 따라 동일한 기능을 갖는 다른 모듈로 대체 가능하다.

도 2는 도 1에 도시된 개념을 구체화한 흐름도로서, 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 타겟 범위가 R_max보다 작으면(S110), 상기 TOA 모듈(121)은 각 수신기( i )마다 반사 신호 지연 정보(τ _i )를 통해 거리(R _i )를 계산한다(S120). 기지국과 1개의 각 수신기에 대해 1개의 기지국-표적-수신기 경로의 지연 시간 정보를 얻게 되며, 거리로 환산하여 타원(2차원) 혹은 타원체(3차원)를 그리게 된다. 이렇게 각각에 대해 3개의 타원을 그리면, 그 겹치는 영역이 3개의 수신기와 1개의 송신 기지국을 통해 탐지할 수 있는 영역이 된다. 실제로, 탐지 블록을 통해 입력된 레이더 정보는 오차를 포함하고 있기 때문에, TOA에 의해 추정한 표적의 위치는 한 점에서 교차하지 않고 일정 영역을 만들게 된다.

이어서, 각 수신기 i에 Ri를 저장한다(S130). 이와 달리, 각 수신기마다 이전의 측정한 R _i 를 바탕으로 현재의 R _i 를 추정하도록 구현하면 상기 각 수신기마다 독립적으로 위치 추정 오차에 영향을 주게 된다. 즉, 각 수신기마다 표적의 속도, 가속도, 위치 좌표를 저장하면, 상기 속도, 가속도, 위치 좌표를 종합하는데, 지연시간이 추가로 발생하므로, 각 수신기는 속도, 가속도, 표적의 위치를 저장하지 않고 매 순간 측정한 R _i 만을 저장하여 R _i 의 변화율로 DT를 적용한다.

이어서, 상기 각 안테나를 통해 수신한 신호의 신호대잡음비(SNR)가 미리 설정한 임계값(SNR_th)을 넘는지 비교하고, 상기 각 안테나를 통해 수신한 신호들이 미리 설정한 K개 이상인지 확인한다(S140). 여기서, K 값은 TOA에 의해 타겟의 위치를 추정하기 위한 최소 수신기 개수이다.

상기 K가 미만인 경우, 상기 (K-n(A))개 R_i에 대해 다음의 수학식을 수행하고(S150), S160과정으로 진행한다.

R _i (t)=R _i (t-1)+{R _i (t-1)-R _i (t-2)}----------------------수학식 (1)

한편, 상기 K개 이상인 경우, 상기 신호들 중 SNR이 높은 순으로 K개의 Ri를 선택하여(S160), LS를 수행한다(S170)

도 3은 DT(Dead Tracking)과 DR(Dead Reckoning)의 비교를 나타낸 예시도이다.

도 3을 참고하여 알 수 있는 바와 같이, 종래 기술에 따른 DR과 본 발명에 따른 DT를 비교하였다. 예를 들면, t₀~t₃의 시간동안 t₂와 t₃에서 각각 R2, R₃을 획득하지 못하였을 경우, 종래 기술에 따른 DR에 의하면 t2와 t₃에서 연속하여 위치를 추정하게 된다. 이 때, 연속하여 추정된 위치 정보는 오차가 누적되며, 추적 필터에 정확하지 못한 위치 추정 정보를 제공하게 된다. 반면에 같은 상황에서 DT를 적용하면, t₂에서 위치 추정 오차를 유발한 R₃는 t₃에서는 오차가 제거되고 R₃만 추정 오차를 유발하기 때문에, 연속하여 R₂, R₃를 획득하지 못하더라도 누적되지 않은 위치 추정 오차를 추적 필터에 제공하므로 최소의 추정 오차로 이동통신망 레이더 시스템의 위치 추적을 구현할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명 의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 위치 추적 구현 방법의 개념도이다.

도 2는 도 1에 도시된 개념을 구체화한 흐름도이다.

도 3은 DT(Dead Tracking)과 DR(Dead Reckoning)의 비교를 나타낸 예시도이다.

Claims (4)

1. 타겟 범위가 미리 설정한 범위이내 이면, 표적에 의해 반사되어 각 안테나를 통해 수신된 신호(τ _i )를 통해 표적 거리(R _i )를 계산하는 단계와;

   상기 각 안테나에 의한 표적 거리(R _i )를 각기 저장하는 단계와;

   상기 각 안테나에 의한 표적 거리가 미리 설정한 갯수 이상인지 판별하는 단계와;

   상기 미리 설정한 갯수 미만인 경우, 상기 표적의 운동 특성을 이용하여 표적의 거리(R _i (t))를 추정하는 단계와;

   상기 각 안테나를 통해 수신된 신호의 신호대잡음비(SNR)를 산출하는 단계와;

   상기 각 안테나를 통해 수신된 신호 중 신호대잡음비의 임계값을 넘는 신호에 의한 표적 거리(R _i )와 상기 추정된 표적 거리(R _i (t))를 이용하여, 표적 거리를 정밀 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중분리 레이더 시스템에서 이동 표적의 위치 추적 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 표적 거리(R _i )를 계산하는 단계는

   다중분리(multistatic) TOA(Time of Arrival)을 이용하는 것을 특징으로 하는 다중분리 레이더 시스템에서 이동 표적의 위치 추적 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 표적 거리 정밀 계산 단계는

   최소자승법(LS: Least Square)을 이용하여 근사화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중분리 레이더 시스템에서 이동 표적의 위치 추적 방법.
4. 각 안테나를 통해 수신된 신호에서 표적의 유무를 탐지하는 탐지기와;

   상기 표적에 의해 반사되어 각 안테나를 통해 수신된 지연 신호를 통해 표적 거리(R _i )를 계산하고, 상기 각 안테나에 의한 표적 거리(R _i )를 각기 저장하고, 상기 각 안테나에 의한 표적 거리가 미리 설정한 갯수 미만인 경우, 상기 표적의 운동 특성을 이용하여 표적의 거리(R _i (t))를 추정하고, 상기 각 안테나를 통해 수신된 신호의 신호대잡음비(SNR)를 산출한 후, 상기 각 안테나를 통해 수신된 신호 중 신호대잡음비의 임계값을 넘는 신호에 의한 표적 거리(R _i )와 상기 추정된 표적 거리(R _i (t))를 이용하여, 표적 거리를 정밀 계산하는 위치 추적기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중분리 레이더 시스템.

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