KR101073771B1 - 알티케이 위치측정 시스템 및 그 위치측정 방법 - Google Patents

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Abstract

수우도라이트의 위치와 고정 기준국의 위치는 이용자 처리 유닛에 의해 미리 알려지며, 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상은 고정 기준국, 이동 기준국 및 로우버 수신기에 의해 측정된다. 고정 기준국, 이동 기준국 및 로우버 수신기에 의해 측정된 코우드와 반송파 위상의 데이터는 데이터 링크를 사용하여 이용자 처리 유닛으로 송신된다. 이용자 처리 유닛은 고정 기준국과 이동 기준국 사이의 기선과 이동 기준국과 로우버 수신기 사이의 기선을 결정한다. 이 2개의 기선과 고정 기준국의 미리 알려진 위치는 로우버 수신기의 위치를 결정하기 위해 사용된다.

Description

알티케이 위치측정 시스템 및 그 위치측정 방법{RTK Positioning System And Positioning Method Therefor}
도 1 은 본 발명의 1 실시예의 요부의 구성을 도시하는 선도,
도 2 는 본 발명에 따른 위치측정 방법의 개략을 도시하는 플로우챠트,
도 3 은 도 1 의 고정 기준국, 이동 기준국 및 로우버 수신기 사이의 위치관계를 나타내는 요부 확대도이다.
본 발명은 실시간 운동학적(이하 RTK 라 한다) 위치측정 시스템 및 그 RTK 위치측정 방법에 관한 것이며, 특히 반송파 위상을 이용하여 수우도라이트 (pseudolite)를 사용하는 정밀한 RTK 위치측정 시스템에 관한 것이다.
인공위성(이하 단지 "위성"이라고 한다)을 이용한 위치측정 방법은 많이 유용하지만, 근래에는 GPS 위성을 이용한 위치측정 방법이 가장 일반적으로 사용되고 있다. GPS를 이용한 위치측정 방법도 여러 가지가 있으며, 그 중 반송파 위상을 이용한 위치측정 방법이 가장 우수한 데, 그 이유는 오차가 수 ㎜ 내지 수 ㎝ 로 정밀하며, 측정시간이 짧기 때문이다. 이 반송파 위상을 이용한 위치측정 방법에서는 반송파 위상 데이터 중의 파수(wave-number) 불확정(이하 "모호성"이라고 한다)이 결정되어야 하며, 이 모호성을 결정하는 방법으로서 GPS 의 경우, 특히 실시간 용도에 대해서는 이미 공지되어 있다. 반송파 위상을 이용한 위치측정 방법으로서 실시간 용도를 사용하는 방법은 RTK 위치측정 방법이다.
건물의 후방이나 옥내, 지하 시설과 같은 위치측정이 곤란한 환경에서도, 이용자가 실시간으로 현재의 위치를 얻어낼 수 있는 방법이 게재되어 있다. 이 방법에 따르면, GPS 수신기능을 내장한 휴대용 단말 장치의 위치가 대표 캐릭터를 사용하여 표시되며, GPS 신호를 사용한 해석에 의해 얻은 위치측정 오차, 속도 및 진행방향을 기초로 하여 캐릭터를 중심으로, 위치측정 오차원, 속도, 진행방향을 나타내는 화살표가 표시된다. 표시 단말 장치는 현재의 위치, 위치측정 오차, 속도 및 진행방향 외에도 현재까지의 단말 장치의 위치, 오차량, 속도 및 진행방향과 같은 정보를 이용함으로써 앞으로 예측되는 GPS 수신장치 또는 GPS 수신기능을 내장한 표시 단말 장치의 위치, 예측되는 위치측정 오차, 예측되는 속도 및 진행방향을 표시한다.
JP-A-2003-215228호가 관련기술로서 언급되었다.
반송파 위상을 이용한 위치측정 방법이 사용될 때, 신호원, 이용자의 로우버 수신기, 기준국의 수신기의 상대적 위치에 맞추어 기하학적 변화가 요구된다. 이 기하학적 변화는 각 측정 주기(이하 "신구간(epoch)"이라고 한다)에 대해서만 변화된다. 이 변화는 모호성을 결정하기 위한 조건이며, 위치측정이 외부에서 수행될 때, 이 조건은 위성의 움직임에 의해 만족된다.
일반적으로, 반송파 위상을 이용하는 위치측정 방법을 위한 초기화 작업으로서, 모호성의 결정이 수행된다. 초기화 작업이 수행될 때 모호성이 결정되며, 이용자의 초기 위치도 결정된다. 그 후, 위성으로부터 신호를 계속 받는 동안, 이용자는 한 측정지점에서 다른 측정지점으로 이동하며, 각 측정지점에서 위치측정이 수행된다. 반송파 위상을 이용하는 위치측정 방법에 따르면, 신호가 각 측정지점에서 뿐 아니라, 이용자가 움직이는 동안에도 계속하여 수신된다는 것이 중요하다. 그러나, 전리층이나 대류권에서의 전파의 전송 지연의 영향, 측정지점에서의 다경로와 같은 전파환경과 같은 외부적인 요소들 때문에, 위성으로부터의 신호 수신의 순단이나 중단은 드물지 않게 일어나고, 그 때마다 신호 수신은 방해를 받으며, 모호성 결정 작업은 되풀이될 것이다.
일반적으로, 큰 문제는 RTK 위치측정 뿐 아니라, 위성을 이용하는 모든 위성에 의존하는 위치측정 방법은, 산이나 삼림, 고층 건축물 중의 위성으로부터 볼 때의 소위 숨은 부분, 터널 내부, 건물 내부, 지하 등의 장소에서는 위성으로부터의 신호 수신이 변덕스럽거나 불가능해진다는 것이다. 따라서, 가끔 위성신호가 수신될 수 없거나 수신된 수효가 위치측정에는 불충분하다. 이런 경우, 위치측정을 수행할 수 없거나 정확하게 수신할 수 없다.
상기 JP-A-2003-215228호에 게재된 방법에 따르면, 산이나 삼림, 고층 건축물 중의 위성으로부터 볼 때의 소위 숨은 부분, 터널 내부, 건물 내부, 지하 등 위치측정이 불가능한 장소에 대하여는 과거의 이력, 즉 이런 장소에서의 위치측정의 이력이 예측진로를 산출하기 위하여 사용된다. 따라서 위치측정이 수행될 수 없는 초기 위치를 참조로 하여 위치측정을 개시하면, 과거의 이력이 없어 위치측정은 그 장소에서는 수행될 수 없다.
본 발명자들은 실내에서 위치측정을 할 수 있는 1가지 방법을 제안했다. 이 방법에 따르면, 예를 들어 GPS 위성 대신에 수우도위성(이하 "수우도라이트" 라고 한다)이 지상에 설치되며 또한 RTK 위치측정을 위해 일반적으로 사용되는 1개의 기준 수신기가 설치된다. 그리고, 이용자의 로우버 수신기는 수우도라이트로부터 수신된 신호를 이용하여 보정된다. 그러나, 이 방법을 사용하면 수우도라이트와 기준 수신기가 고정되므로 기하학적 변화는 발생하지 않는다. 따라서 이용자의 로우버 수신기의 최초 위치가 결정될 수 없으며, 단지 수 ㎜ 내지 수 ㎝의 오차를 갖는 정확한 반송파 위상 위치측정 기능을 사용할 수 없다.
반송파 위상을 사용하는 위치측정 방법을 이용하기 위하여 본 발명자들은 기하학적 변화를 발생시키기 위해 1개의 기준국 수신기를 이동하였다. 그러나, 반송파 위상을 사용하는 위치측정 방법에 따라, 모호성 결정 작업이 시작되기 전에 기준 수신기의 위치가 얻어져야 되므로 본 발명자들에 의해 안출된 이 방법은 실현가능한 해결책이 아니다. 그리고, 코우드를 사용하는 단독 위치측정 방법이 또한 가능하지만 이 방법도 오차가 적어도 수 ｍ 이상 발생하므로 특히 정밀한 옥내 위치측정에는 적합하지 않다.
로봇 공학 분야에서 옥내 자동 정밀 위치측정이 요구되므로, 로봇을 위해 사용될 수 있는 정밀한 위치측정 수단이 요구된다.
해결되어야 하는 문제점은, 실내 등과 같이 위성으로부터의 신호가 수신될 수 없는 장소, 위성으로부터의 신호가 위치측정에 필요한 수만큼 수신될 수 없는 도시 또는 산악지 등과 같이 지형적으로 위성으로부터 숨겨진 장소에서는 반송파 위상을 사용하는 위치측정 방법이 이용될 수 없으며, 따라서 정밀한 위치측정 방법이 불가능하다는 점이다. 특히, 상기 문제는 이용자가 어떤 장소에 대해 미리 정보를 가지지 못할 때 이용자가 그 위치를 결정하기 위한 수단이 없다는 것이다.
본 발명은 그 각각이 미리 정해진 위치에 위치하는 다수의 수우도라이트, 각 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정하기 위한 로우버 수신기, 미리 정해진 위치에 위치하며 각 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정하기 위한 고정 기준국, 각 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정하며 이동하기 위한 이동 기준국, 고정 기준국과 이동 기준국으로부터 각각 수신된 코우드와 반송파 위상 및 로우버 수신기로부터 수신된 코우드와 반송파 위상을 기초로 하여 로우버 수신기의 위치측정을 하기 위한 이용자 처리 유닛 및 고정 기준국, 이동 기준국 및 로우버 수신기로부터 각 데이터를 이용자 처리 유닛으로 송신하기 위한 데이터 링크를 가지며, 고정 기준국의 위치와 수우도라이트의 각 위치가 이용자 처리 유닛에 의해 알려지는, GPS 위성 대신에 수우도라이트로 위치를 측정하는 RTK(실시간 운동학적) 위치측정 시스템을 제공한다.
그리고, 4개 이상의 수우도라이트가 로우버 수신기의 3차원 위치측정을 위해 사용되며, 3개 이상의 수우도라이트가 로우버 수신기의 2차원 위치측정을 위해 사용된다.
본 발명은 GPS 위성, 그 각각이 미리 정해진 위치에 위치하는 1개 이상의 수우도라이트, 각 GPS 위성과 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정하기 위한 로우버 수신기, 미리 정해진 위치에 위치하며 각 GPS 위성과 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정하기 위한 고정 기준국, 각 GPS 위성과 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정하며 이동하기 위한 이동 기준국, 고정 기준국과 이동 기준국으로부터 각각 수신된 코우드와 반송파 위상 및 로우버 수신기로부터 수신된 코우드와 반송파 위상을 기초로 하여 로우버 수신기의 위치측정을 하기 위한 이용자 처리 유닛 및 고정 기준국, 이동 기준국 및 로우버 수신기로부터 각 데이터를 이용자 처리 유닛으로 송신하기 위한 데이터 링크로 구성되며, 고정 기준국의 위치와 수우도라이트의 각 위치가 이용자 처리 유닛에 의해 알려지는, GPS 위성과 수우도라이트로 위치를 측정하는 RTK(실시간 운동학적) 위치측정 시스템을 제공한다.
그리고, GPS 위성과 수우도라이트를 포함하는 4개 이상의 위성이 로우버 수신기의 3차원 위치측정을 위해 사용되며, GPS 위성과 수우도라이트를 포함하는 3개 이상의 위성이 로우버 수신기의 2차원 위치측정을 위해 사용된다.
본 발명은 이용자 처리 유닛에 의해 미리 알려진 수우도라이트의 위치를 설정하고 이용자 처리 유닛에 의해 알려진 고정 기준국의 위치를 설정하며, 고정 기준국, 이동 기준국 및 이용자의 로우버 수신기에 의해 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 각각 측정하고, 상기 고정 기준국, 상기 이동 기준국 및 상기 로우버 수신기에 각각 측정된 코우드 데이터와 반송파 위상 데이터를 데이터 링크로 이용자 처리 유닛으로 송신하며, 상기 고정 기준국, 이동 기준국 및 로우버 수신기로부터 수신된 코우드와 반송파 위상을 기초로 하여 로우버 수신기의 위치측정을 행하는 단계들을 갖는 RTK 위치측정 방법을 제공한다.
따라서, 반송파 위상을 사용하는 위치측정 방법은 GPS 신호가 수신될 수 없는 실내와 같은 장소나 위치측정을 위해 요구되는 GPS 신호의 수효가 수신되지 않는 산, 삼림 및 도시의 건축물 후방과 같은 위성으로부터 숨겨진 장소에서도 사용될 수 있다. 결과적으로, 단지 수 ㎜ 내지 수 ㎝의 오차를 갖는 정밀한 위치측정이 수행될 수 있다.
그리고, 상기 수우도라이트가 GPS 위성으로부터 수신한 데이터를 발신하며, 상기 고정 기준국, 상기 이동 기준국 및 상기 로우버 수신기는 GPS 수신기의 기능을 갖는다.
따라서, GPS 를 사용하는 종래의 위치측정에 관한 다양한 용도가 제공된다.
그리고, 상기 수우도라이트는 FDMA(주파수 분할 다원접속)를 사용하며 GPS 위성을 포함하는 항법 위성, 정지 위성 및 준 정지 위성 모두로부터 수신된 데이터를 재발신한다.
그리고, 상기 수우도라이트는 위성의 공간적 분할을 이용함으로써 GPS 위성을 포함하는 항법 위성, 정지 위성 및 준 정지 위성 모두로부터 수신된 데이터를 재발신한다.
따라서, GPS위성 뿐만 아니라 항법 위성, 정지 위성 및 준정지 위성 모두를 채용하는 RTK 위치측정 시스템을 제공할 수 있다.
그리고, 상기 1개 이상의 수우도라이트는 의사 GPS 위성이다.
그리고, 상기 1개 이상의 수우도라이트는 고정된 확산 스펙트럼 신호원이다.
그리고, 상기 1개 이상의 수우도라이트는 정지 위성 또는 준 정지 위성이다.
따라서, 신호원으로서 정지 위성 또는 준정지 위성을 사용함으로써 실외에서 기능을 발휘하는 RTK 위치측정 시스템을 제공할 수 있다.
그리고, 상기 고정된 확산 스펙트럼 신호원은 싱크로라이트이다.
그리고, 상기 고정된 확산 스펙트럼 신호원은 GPS 신호 재발신기이다.
그리고, 상기 GPS 신호 재발신기는 의사 GPS 신호를 발신한다.
그리고, 상기 GPS 신호 재발신기는 상기 의사 GPS 신호에 유사한 확산 스펙트럼 신호를 발신한다.
그리고, 5개의 수우도라이트가 사용되며, 상기 수우도라이트는 2개의 다른 주파수대역에서 신호를 재발신하고, 상기 이동 기준국의 위치는 온-더-플라이 수법에 의해 결정된다.
따라서, 상기 온-더-플라이 수법에 의해 초기화가 자동적으로 수행되므로 이용자는 실시간으로 위치측정을 수행할 수 있는데, 이것은 대단히 실용적이고 편리하다.
그리고, 그 중심에 상기 고정 기준국이 있는 원을 따라 상기 이동 기준국이 이동한다.
따라서, 미지수의 파라미터가 감소하므로 기선을 얻기 위한 공정은 보다 단순화되며, 분석 프로그램에 부여된 부하는 감소될 수 있다.
그리고, 상기 이용자 처리 유닛은 상기 로우버 수신기 내부의 처리기이다.
따라서, RTK 위치측정 시스템의 형상은 단순화될 수 있다.
그리고, 상기 이용자 처리 유닛은 상기 로우버 수신기에 접속된 컴퓨터이다.
높은 계산 능력을 갖는 컴퓨터에 의해 분석 프로그램이 수행되는 경우, 분석 기간은 상당히 감소될 수 있다.
그리고, 상기 데이터 링크는 무선 링크이다.
그리고, 상기 데이터 링크는 유선 링크이다.
그리고, 상기 2개 이상의 로우버 수신기가 사용되며, 그것으로 기준국의 기능이 제공되는 상기 로우버 수신기의 1개가 이동 기준국으로서 이용된다.
따라서, 실내에 설치되는 장치의 수효가 감소될 수 있다.
<실시예>
수우도라이트와 고정 기준국의 위치를 미리 얻은 후, 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드 및 반송파 위상이 고정 기준국, 이동 기준국 및 이용자가 갖고 있는 로우버 수신기에 의해 측정된다. 고정 기준국, 이동 기준국 및 로우버 수신기에 의해 측정된 코우드 및 반송파 위상의 데이터는 데이터 링크를 사용하여 이용자 처리 유닛으로 송신된다. 이용자 처리 유닛은 고정 기준국과 이동 기준국 사이의 기선과 이동 기준국과 로우버 수신기 사이의 기선을 결정하며, 로우버 수신기의 위치를 결정하기 위하여 2개의 기선 및 고정 기준국의 미리 알려진 위치를 사용한다. 따라서 GPS 신호가 수신될 수 없는 실내와 같은 장소 또는 위치측정을 위해 요구되는 GPS 신호의 수만큼 수신될 수 없는 산, 삼림 또는 도시의 고층 건축물 후방과 같은 위성으로부터 숨겨진 장소와 같은 곳에서도 반송파 위상을 사용하는 위치측정 방법이 사용될 수 있다. 결과적으로, 단지 수 ㎜ 내지 수 ㎝ 의 오차를 갖는 정밀한 위치측정이 수행될 수 있으며, GPS 를 사용하는 통상의 위치측정에 비하여 다양한 용도가 제공된다.
본 발명의 1 실시예가 도 1 내지 도 3 을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1 은 본 발명의 실시예의 요부의 구성을 도시하는 도면이다. 도 2 는 본 발명에 따른 위치측정 방법의 개략을 도시하는 플로우챠트이다. 도 3 은 후술하는 고정 기준국(3), 이동 기준국(4) 및 로우버 수신기(5) 사이의 위치관계를 나타내는 요부 확대도이다. 본 실시예에서는 GPS 신호를 수신할 수 없는 옥내에서 후술하는 이용자가 갖는 로우버 수신기(5)의 위치측정을 실시하는 경우에 대하여 설명한다.
도 1 및 도 3 에 있어서, RTK(실시간 운동학적) 위치측정 시스템(1)은 이용자의 로우버 수신기(5)의 위치를 측정하기 위하여 RTK 위치측정 방법을 사용한다. RTK 위치측정 시스템(1)은 4개의 수우도라이트(2)와, 고정 기준국(3)과 이동 기준국(4)을 포함한 2개의 기준국, 로우버 수신기(5)와, 이용자 처리 유닛(6)과, 데이터 링크(7)를 갖는다.
수우도라이트(2)는 위성으로서 작용하는 신호원으로서 사용된다. 3차원 위치측정을 위해서는 4개 이상의 수우도라이트(2)가 요구되며, 2차원 위치측정을 위해서는 3개 이상의 수우도라이트(2)가 요구된다. 이 실시예에서 수우도라이트는 시판 되고 있는 것들이 사용된다. 수우도라이트(2) 대신에 의사 GPS 또는 고정된 확산 스펙트럼 신호원이 사용되기도 한다. 확산 스펙트럼 신호원은 싱크로라이트(synchrolite) 또는 의사 GPS 위성 신호 또는 유사한 확산 스펙트럼 신호를 발신하기 위한 GPS 신호 재발신기일 수도 있다. 다양한 신호원이 사용될 수 있으므로, 다양한 용도의 RTK 시스템이 제공될 수 있다.
고정 기준국(3)은 고정되며, 기준국으로서 기능을 발휘한다. 이동 기준국(4)은 항상 이동하며, 제2 중간 기준국으로서 기능을 발휘한다. 로우버 수신기(5)는 이용자에 의해 소유된다. 이 실시예에서 고정 기준국(3), 이동 기준국(4) 및 로우버 수신기(5)는 GPS 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정할 수도 있는 시판되고 있는 GPS 수신기의 기능을 갖는다. 4개의 수우도라이트(2)로부터의 신호를 수신 및 측정할 수 있도록 이들 수우도라이트(2)는 각 수신기에 설정 등록되어야 한다. 또, 고정 기준국(3), 이동 기준국(4) 및 로우버 수신기(5)는 시판하는 GPS 수신기에 한정되지 않으며, 수우도라이트(2)로부터의 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정할 수 있는 수신기라면 어느 것이라도 좋다.
이용자 처리 유닛(6)은 고정 기준국(3), 이동 기준국(4) 및 로우버 수신기(5)로부터 각각 보내어져 온 데이터를 이용하여 데이터 처리 알고리즘을 실행하여 로우버 수신기(5)의 위치측정을 행한다. 이 실시예에서는 표준적인 랩탑 컴퓨터가 사용되며, 후술하는 데이터 처리 알고리즘이 소프트웨어로서 설치된다. 그러나, 데이터 처리 알고리즘은 로우버 수신기(5)의 내부 프로세서에서 처리되기도 한다.
데이터 링크(7)는 고정 기준국(3), 이동 기준국(4) 및 로우버 수신기(5)로부 터의 각 데이터와 이용자 처리 유닛(6) 사이에서 교환하기 위해 사용된다. 따라서 이 실시예에서는 고정 기준국(3), 이동 기준국(4) 및 로우버 수신기(5)에 부착 또는 접속된 데이터 발신기 및 데이터 수신기를 포함하는 무선 통신 수단이 사용된다. 케이블과 같은 유선 통신 수단이 사용되기도 한다.
도 1 내지 도 3 을 참조로 하여, RTK 위치측정 시스템(1)의 작동에 대하여 상세히 설명한다.
위치 측정을 하기 전에, 4개의 수우도라이트(2)가 방의 네 모서리에 각기 설치된다. 수우도라이트(2)의 각 위치는 이용자 처리 유닛(6)에 의해 측정되어 미리 알려진다. 방의 임의의 장소에 고정 기준국(3)과 이동 기준국(4)이 설치된다. 고정 기준국(3)의 위치는 이용자 처리 유닛(6)에 의해 측정되어 미리 알려진다.
도 1 및 도 3 에 도시한 바와 같이, 실선은 이동 기준국(4)의 신구간 k 시의 위치를 나타내며, 점선은 이동 기준국(4)의 신구간(k+1) 시의 위치를 나타낸다. 즉, 이동 기준국(4)은 그 반경이 소정의 값 "R" 이고 고정 기준국(3)이 그 중심에 있는 원을 따라 이동하도록 배치된다. 그 원은 고정 기준국(3)과 동일한 평면상에 있다. 그러나 이동 기준국(4)이 항상 이동하는 한, 그런 이동 제한은 필요치 않으며, 이동 기준국(4)은 임의로 이동하여도 된다.
그러나, 고정 기준국 수신기(3)와 이동 기준국 수신기(4) 사이의 상기 위치관계는 바람직하다. 이동 기준 수신기(4)가 고정 기준국(3)과 같은 평면을 따라 이동하면, 로우버 수신기(5)의 위치측정을 위해 이동 기준국(4)의 높이를 향한 파라미터는 설정될 수 있다. 그리고 이동 기준국(4)이 상기 원을 따라 이동하면, 이동 기준국(4)이 특정한 이동 경로를 따라 이동하므로, 고정 기준국(3)과 이동 기준국(4) 사이의 거리는 일정하고 미리 정해진 값으로 설정된다. 결과적으로, 기선의 해석을 위해 사용된 미지수의 파라미터는 더욱 감소한다. 그러므로, 로우버 수신기(5)의 위치를 결정하기 위한 기선의 해석은 더욱 간단해진다.
위치측정을 위하여, 고정 기준국(3)과 이동 기준국(4)을 초기화 작업은 이미 수행되어져 있다. 초기화 작업이 RTK 위치측정 방법으로 잘 알려진 온-더-플라이(on-the-fly) 수법에 의해 자동적으로 수행되면, 그것은 더욱 실용적이다. 그러나, 초기화 작업을 위해서는, 5개 이상의 수우도라이트(2)가 요구되며, 수우도라이트(2)는 두 개의 다른 주파수대 L1 과 L2의 신호를 재발신하여야 한다.
상기 온-더-플라이 수법은 위치측정이 시작되기 전의 자동 초기화 작업뿐 아니라 위치측정도중 발생하기도 하는 위성으로부터의 신호 수신의 순단이나 중단으로 인하여 요구될 수 있는 초기화 작업을 위해서도 유용하므로 실용적이다.
RTK 위치측정 시스템(1)에서, 이용자는 로우버 수신기(5), 이용자 처리 유닛(6) 및 데이터 링크(7)의 일부(로우버 수신기(5)에 부착 또는 접속된 부분)를 갖는다. 이용자가 이동함에 따라 이들 유닛들은 실내를 이동한다. 이용자가 실내로 들어오면 로우버 수신기(5)의 위치측정이 개시된다.
먼저, 실내에 설치되어 있는 4개의 수우도라이트(2)로부터의 신호의 코우드와 반송파 위상은 고정 기준국(3), 이동 기준국(4) 및 로우버 수신기(5)에 의해 측정된다.
고정 기준국(3), 이동 기준국(4) 및 로우버 수신기(5)에 의해 측정된 신호의 코우드와 반송파 위상의 데이터는 데이터 링크(7)를 이용하여 이용자 처리 유닛(6)으로 송신된다.
이용자 처리 유닛(6)은 고정 기준국(3), 이동 기준국(4) 및 로우버 수신기(5)로부터 보내어져 온 측정 데이터를 인터페이스를 통해 수신한다(도 2의 단계 21). 그리고 이용자 처리 유닛(6)은 로우버 수신기(5)의 위치를 측정하기 위하여 데이터 처리 알고리즘의 하기 단계들을 실행한다.
이용자 처리 유닛(6)은 측정 데이터의 스크리닝을 행하여 측정 데이터로부터 필요한 데이터를 추출한다(단계 22). 다음, 이용자 처리 유닛(6)은 코우드를 초기화하며(단계 23), 반송파 위상에 의해 로우버 수신기(5)의 위치를 측정한다(단계 24).
위치측정시 이동 기준국(4)이 항상 이동하는 것이 중요하다. 실시예에서, RTK 위치측정을 행하기 위한 신호원으로서 위성 대신에 실내의 설정된 위치에 설치된 수우도라이트(2)가 사용되고 있다. 따라서, 신호원으로서 작용하는 수우도라이트(2)가 고정되어 있으므로, 기하학적 변화가 발생하지 않으며, 모호성은 결정될 수 없다. 그러나 이동 기준국(4)이 이동함에 따라, 이동 기준국(4)과 고정 기준국(3) 사이 및 이동 기준국(4)과 로우버 수신기(5) 사이에서 기하학적 변화가 발생한다. 따라서 고정 기준국(3)과 이동 기준국(4) 사이의 기선 A 와 이동 기준국(4)과 로우버 수신기(5) 사이의 기선 B 가 결정될 수 있다. 기선 C 는 고정 기준국(3)과 로우버 수신기(5) 사이의 기선이다.
기선 A 와 기선 B 및 고정 기준국(3)의 위치는 이용자 처리 유닛(6)에 의해 미리 알려져 있으므로, 로우버 수신기(5)의 위치측정이 수행될 수 있다.
이용자 처리 유닛(6)은 로우버 수신기(5)의 결정된 위치를 표시한다(단계 25). 그리고 이용자 처리 유닛(6)은 로우버 수신기(5)의 정해진 위치를 이용하여 GPS 수신기와 내비게이션 장치 사이의 통신 규격인 NMEA 데이터를 발생한다(단계 26).
참고로, 데이터 처리 알고리즘의 근거가 하기와 같이 서술된다.
우선, 로우버 수신기(5)와 고정 기준국(3) 사이의 상대적인 모호성은 하기 식 (1)에 의해 표시된다.
Figure 112004040476986-pat00001
상기 식 (1)에서
∥X∥0 : 로우버 수신기(5)의 좌표의 벡터.
∥X∥1 : 고정 기준국(3)의 좌표의 벡터.
∥N∥10 : 기선 C(로우버 수신기(5)와 고정 기준국(3) 사이의 기선)의 DD(이중 위상 차) 모호성의 벡터.
∥N∥12 : 기선 A(고정 기준국(3)과 이동 기준국(4) 사이의 기선)의 DD(이중 위상 차) 모호성의 벡터.
∥N∥20 : 기선 B(이동 기준국(4)과 로우버 수신기(5) 사이의 기선)의 DD(이중 위상 차) 모호성의 벡터.
∥B∥12 : 기선 A( 고정 기준국(3)과 이동 기준국(4) 사이의 기선).
∥B∥20 : 기선 B(이동 기준국(4)과 로우버 수신기(5)와 사이의 기선).
고정 기준국(3)의 좌표 벡터 ∥X∥1 는 이미 설정된 것으로 한다(고정 기준국(3)과 이동 기준국(4) 사이의 기선 A의 기선 길이 모드(mod) ∥B∥12 도 이미 설정되어 있다).
하기 식 (2) 및 (3)은 ∥B∥20 , ∥B∥12 , ∥N∥20 및 ∥N∥12 에 대하여 풀어져야만 한다.
Figure 112004040476986-pat00002
Figure 112004040476986-pat00003
상기 식 (2) 및 (3)에서,
P20 : 의사 거리(이동 기준국(4)과 로우버 수신기(5) 사이의 의사 거리)의 DD(이중 위상 차).
P12 : 의사 거리(고정 기준국(3)과 이동 기준국(4) 사이의 의사 거리)의 DD(이중 위상 차).
C20 : 반송파 위상(이동 기준국(4)과 로우버 수신기(5) 사이의 반송파 위상)의 DD(이중 위상 차).
C12 : 반송파 위상(고정 기준국(3)과 이동 기준국(4) 사이의 반송파 위상)의 DD(이중 위상 차).
[|A20|]{K} : 디자인 매트릭스(이동 기준국(4)과 로우버 수신기(5) 사이의 디자인 매트릭스).
[|A12|]{K} : 디자인 매트릭스(고정 기준국(3)과 이동 기준국(4) 사이의 디자인 매트릭스).
각 계의 방정식의 수는 2k(m-1)이며, 여기서 m은 수우도라이트의 수, k는 신구간의 수이다. 4개의 수우도라이트에 관한 방정식을 풀기 위해서는 1개의 신구간으로 충분하지만, 얻은 해는 의사 거리의 정밀도에 따라 한정된다.
모호성을 해결하기 위하여, 구성으로부터 정밀도가 낮은 의사 거리를 위한 식이 제거되며, 반송파 위상을 위한 식은 분석이 될 수 있는 초기 영역을 정의하기 위해서만 사용된다.
의사 거리를 위한 식이 제거된 식들은 하기 식 (4) 및 (5)로써 표시된다.
Figure 112004040476986-pat00004
Figure 112004040476986-pat00005
초기 해를 나타내는 하기 식 (6) 및 (7)이 식 (2) 및 (3)으로부터 도출된다.
Figure 112004040476986-pat00006
Figure 112004040476986-pat00007
하기 식 (8)이 상기 계들에 추가되기도 한다.
b 12{k}x 2 + b 12{k}y 2 + b 12{k}z 2 = R 12 ```( 8 )
상기 식 (8)에서 실내 위치측정을 위하여 ∥B∥12{K} 는 단지 2개의 성분 X, Y 를 갖는다.
식 (4) 및 (5)의 식의 수(행렬의 계수(the number of ranks))는 (m-1)k이며, 여기서 m은 수우도라이트의 수를 나타내며, k는 신구간의 수를 나타낸다.
따라서, 식 (8)에 포함된 식의 합계 수 N 은 N = (2m-1)k 이다.
미지수 M 은 M = 5k + 2m - 2 이다.
따라서, M ≤N 일 때 이 계의 좌표와 모호성은 풀릴 수 있다.
수우도라이트의 수는 m ≥4 이어야 하며, 신구간의 수는 k ≥3 이어야 한다.
이용자가 수직방향으로 이동하지 않는다고 가정하면, ∥B∥20{K} 도 성분 X, Y 만을 가지므로 M = 4k + 2m - 2 이다.
따라서 수우도라이트의 최저 요구 수가 m ≥3 으로 감소될 때, 신구간의 수는 k ≥4 이며, 수우도라이트의 수가 m ≥4 일 때 신구간의 수는 k ≥2 이다.
본 실시예는 이동 기준국(4)을 사용하지만, 본 실시예와 비교하기 위하여 이동 기준국(4)을 사용하지 않는 다른 실시예가 설명될 것이다. 이동 기준국(4)을 포 함하지 않는 식은 얼마나 많은 수우도라이트가 제공되는 가에 관계없이 풀릴 수가 없다. 왜냐하면, 시이퀀셜 신구간에 관한 식은 선형 의존이 되고 계의 계수가 증가하지 않기 때문이다. 이동 기준국(4)이 사용될 때 디자인 행렬 [|F12|]{K} 및 [|F20|]{K} 은 각 신구간에 대하여 변화하며, 시이퀀셜 신구간에 관한 식은 선형 의존을 나타내지 않는다.
일반적으로, RTK 위치측정 방법에 필요한 시간은 다른 위치측정 방법에 필요한 시간보다 짧으며, 실외에서 통상적인 위치측정에는 1초 내지 1분이 필요하다. 본 발명에 따르면, 신호원이 각 수신기에 상당히 근접하므로 이동 기준국(4)이 이동함에 따라 기하학적 변화가 크므로, 모호성이 상당히 신속하게 결정될 수 있다.
본 실시예에서 GPS 신호가 수신될 수 없는 실내에서 수우도라이트에 의해 GPS 신호가 재발신되며, 신호원만이 수우도라이트인 동안 이용자의 로우버 수신기(5)의 위치가 계산되는 예들에 대하여 설명되었다. 그러나, 본 발명은 이 실시예에 국한되는 것은 아니며, 실외에서 신호가 위성으로부터 수신될 수 없는 위치, 소위 지형적으로 숨은 장소에서도 로우버 수신기(5)가 보정될 수 있다.
그리고 본 발명에 따르면 수우도라이트로부터 신호를 수신하기 위하여 시판되고 있는 GPS 수신기가 고정 기준국(3), 이동 기준국(4) 및 로우버 수신기(5)로서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 위치측정 시스템 및 그 위치측정 방법은 GPS 신호가 수신될 수 없는 장소뿐만 아니라, 위치측정에 필요한 신호의 수만큼 수우도라이트로부터 얻을 수 없는 장소에서도 사용될 수 있으며, 위성 대신에 수우도라이트를 사용함으로써 로우버 수신기(5)를 보정할 수 있다.
수우도라이트 대신에 신호원으로서 미국의 WAAS, 일본의 MSAS 또는 유럽의 EGNOS 와 같은 정지 위성이 사용될 수 있으며, 또한 일본의 QZSS 와 같은 준정지위성이 사용될 수 있다.
그리고 수우도라이트는 FDMA(주파수 분할 다원 접속)와 이용가능한 시스템 주파수를 사용한다. 따라서 수우도라이트는 미국의 GPS 위성뿐만 아니라 러시아의 GLONASS 및 유럽의 GALILEO 와 같은 항법 위성, 미국의 WAAS, 일본의 MSAS 및 유럽의 EGNOS 와 같은 정지 위성 및 일본의 QZSS 와 같은 준정지 위성으로부터의 신호를 수신할 수 있다. 따라서 수우도라이트가 이들 신호를 수신하고 그들을 재발신할 때, 본 발명의 위치측정 시스템 및 위치측정 방법은 항법 위성, 정지 위성 및 준정지 위성 모두에 의해 발신된 신호들을 사용할 수 있다.
그리고 수우도라이트가 위성의 공간적 분할을 사용하므로, 수우도라이트는 러시아의 GLONASS 및 유럽의 GALILEO 와 같은 항법 위성, 미국의 WAAS, 일본의 MSAS 및 유럽의 EGNOS 와 같은 정지 위성 및 일본의 QZSS 와 같은 준정지 위성에 의해 발신된 신호를 사용할 수 있다. 따라서 수우도라이트가 이들 신호를 수신하고 그들을 재발신할 때, 본 발명의 위치측정 시스템 및 위치측정 방법은 항법 위성, 정지 위성 및 준정지 위성에 의해 발신된 신호를 사용할 수 있다.
이동 기준국(4)이 설치되지 않을 때, 2기 이상의 로우버 수신기(5)가 설치되면 이 로우버 수신기(5)가 제2 중간 기준국, 즉 이동 기준국(4)으로서 작용하도록 하기 위하여 기준국의 기능이 로우버 수신기(5)의 1기에 부가적으로 제공된다.

Claims (40)

  1. 그 각각이 미리 정해진 위치에 위치하는 다수의 수우도라이트, 각 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정하기 위한 로우버 수신기, 미리 정해진 위치에 위치하며 각 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정하기 위한 고정 기준국, 각 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정하며 이동하기 위한 이동 기준국, 고정 기준국과 이동 기준국으로부터 각각 수신된 코우드와 반송파 위상 및 로우버 수신기로부터 수신된 코우드와 반송파 위상을 기초로 하여 로우버 수신기의 위치측정을 하기 위한 이용자 처리 유닛 및 고정 기준국, 이동 기준국 및 로우버 수신기로부터 각 데이터를 이용자 처리 유닛으로 송신하기 위한 데이터 링크로 구성되며, 고정 기준국의 위치와 수우도라이트의 각 위치가 이용자 처리 유닛에 의해 알려지는, GPS 위성 대신에 수우도라이트로 위치를 측정하는 RTK(실시간 운동학적) 위치측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 4개 이상의 수우도라이트가 로우버 수신기의 3차원 위치측정을 위해 사용되며, 3개 이상의 수우도라이트가 로우버 수신기의 2차원 위치측정을 위해 사용되는 RTK 위치측정 시스템.
  3. GPS 위성, 그 각각이 미리 정해진 위치에 위치하는 1개 이상의 수우도라이트, 각 GPS 위성과 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측 정하기 위한 로우버 수신기, 미리 정해진 위치에 위치하며 각 GPS 위성과 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정하기 위한 고정 기준국, 각 GPS 위성과 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 측정하며 이동하기 위한 이동 기준국, 고정 기준국과 이동 기준국으로부터 각각 수신된 코우드와 반송파 위상 및 로우버 수신기로부터 수신된 코우드와 반송파 위상을 기초로 하여 로우버 수신기의 위치측정을 하기 위한 이용자 처리 유닛 및 고정 기준국, 이동 기준국 및 로우버 수신기로부터 각 데이터를 이용자 처리 유닛으로 송신하기 위한 데이터 링크로 구성되며, 고정 기준국의 위치와 수우도라이트의 각 위치가 이용자 처리 유닛에 의해 알려지는, GPS 위성과 수우도라이트로 위치를 측정하는 RTK(실시간 운동학적) 위치측정 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, GPS 위성과 수우도라이트를 포함하는 4개 이상의 위성이 로우버 수신기의 3차원 위치측정을 위해 사용되며, GPS 위성과 수우도라이트를 포함하는 3개 이상의 위성이 로우버 수신기의 2차원 위치측정을 위해 사용되는 RTK 위치측정 시스템.
  5. 제 1 또는 3 항에 있어서, 상기 수우도라이트가 GPS 위성으로부터 수신한 데이터를 발신하며, 상기 고정 기준국, 상기 이동 기준국 및 상기 로우버 수신기는 GPS 수신기의 기능을 갖는 RTK 위치측정 시스템.
  6. 제 1 또는 3항에 있어서, 상기 수우도라이트가 FDMA(주파수 분할 다원접속)를 사용하며, GPS 위성을 포함하는 항법 위성, 정지 위성 및 준 정지 위성 모두로부터 수신된 데이터를 재발신하는 RTK 위치측정 시스템.
  7. 제 1 또는 3항에 있어서, 상기 수우도라이트가 위성의 공간적 분할을 이용함으로써 GPS 위성을 포함하는 항법 위성, 정지 위성 및 준 정지 위성 모두로부터 수신된 데이터를 재발신하는 RTK 위치측정 시스템.
  8. 제 1 또는 3 항에 있어서, 상기 수우도라이트의 적어도 하나가 의사 GPS 위성인 RTK 위치측정 시스템.
  9. 제 1 또는 3 항에 있어서, 상기 수우도라이트의 적어도 하나가 고정된 확산 스펙트럼 신호원인 RTK 위치측정 시스템.
  10. 제 1 또는 3 항에 있어서, 상기 수우도라이트의 적어도 하나가 정지 위성 또는 준 정지 위성인 RTK 위치측정 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 고정된 확산 스펙트럼 신호원이 싱크로라이트인 RTK 위치측정 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 고정된 확산 스펙트럼 신호원이 GPS 신호 재발신기인 RTK 위치측정 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 GPS 신호 재발신기가 의사 GPS 신호를 발신하는 RTK 위치측정 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 GPS 신호 재발신기가 의사 GPS 신호에 유사한 확산 스펙트럼 신호를 발신하는 RTK 위치측정 시스템.
  15. 제 1 또는 3 항에 있어서, 5개의 수우도라이트가 사용되며, 상기 수우도라이트는 2개의 다른 주파수대역에서 신호를 재발신하고, 상기 이동 기준국의 위치가 온-더-플라이 수법에 의해 결정되는 RTK 위치측정 시스템.
  16. 제 1 또는 3 항에 있어서, 그 중심에 상기 고정 기준국이 있는 원을 따라 상기 이동 기준국이 이동하는 RTK 위치측정 시스템.
  17. 제 1 또는 3 항에 있어서, 상기 이용자 처리 유닛이 상기 로우버 수신기 내부의 처리기인 RTK 위치측정 시스템.
  18. 제 1 또는 3 항에 있어서, 상기 이용자 처리 유닛이 상기 로우버 수신기에 접속된 컴퓨터인 RTK 위치측정 시스템.
  19. 제 1 또는 3항에 있어서, 상기 데이터 링크가 무선 링크인 RTK 위치측정 시스템.
  20. 제 1 또는 3항에 있어서, 상기 데이터 링크가 유선 링크인 RTK 위치측정 시스템.
  21. 제 1 또는 3항에 있어서, 2개 이상의 로우버 수신기가 사용되며, 그것으로 기준국의 기능이 제공되는 상기 로우버 수신기의 1개가 이동 기준국으로서 이용되는 RTK 위치측정 시스템.
  22. 이용자 처리 유닛에 의해 미리 알려진 다수의 수우도라이트의 위치를 설정하고 이용자 처리 유닛에 의해 알려진 고정 기준국의 위치를 설정하며, 고정 기준국, 이동 기준국 및 이용자의 로우버 수신기에 의해 상기 다수의 수우도라이트로부터 수신된 신호의 코우드와 반송파 위상을 각각 측정하고, 상기 고정 기준국, 상기 이동 기준국 및 상기 로우버 수신기에 각각 측정된 코우드 데이터와 반송파 위상 데이터를 데이터 링크로 이용자 처리 유닛으로 송신하며, 상기 고정 기준국, 이동 기준국 및 로우버 수신기로부터 수신된 코우드와 반송파 위상을 기초로 하여 로우버 수신기의 위치측정을 행하는 단계들로 구성되는 RTK 위치측정 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 신호들이 상기 로우버 수신기의 3차원 위치측정에서는 4개의 수우도라이트로부터 수신되며, 상기 신호들이 로우버 수신기의 2차원 위치측정에서는 3개의 수우도라이트로부터 수신되는 RTK 위치측정 방법.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 수우도라이트가 GPS 위성으로부터 수신된 데이터를 발신하며, 상기 고정 기준국, 상기 이동 기준국 및 상기 로우버 수신기가 GPS 수신기의 기능을 행하는 RTK 위치측정 방법.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 수우도라이트가 FDMA(주파수 분할 다원접속)를 사용하며 GPS 위성을 포함하는 항법 위성, 정지 위성 및 준 정지 위성 모두로부터 수신된 데이터를 재발신하는 RTK 위치측정 방법.
  26. 제 22 항에 있어서, 상기 수우도라이트가 위성의 공간적 분할을 사용함으로써 GPS 위성을 포함하는 항법 위성, 정지 위성 및 준 정지 위성 모두로부터 수신된 데이터를 재발신하는 RTK 위치측정 방법.
  27. 제 22 항에 있어서, 상기 수우도라이트의 적어도 하나가 의사 GPS 위성인 RTK 위치측정 방법.
  28. 제 22 항에 있어서, 상기 수우도라이트의 적어도 하나가 고정된 확산 스펙트럼 신호원인 RTK 위치측정 방법.
  29. 제 22 항에 있어서, 상기 수우도라이트의 적어도 하나가 정지 위성 또는 준 정지 위성인 RTK 위치측정 방법.
  30. 제 28 항에 있어서, 상기 고정된 확산 스펙트럼 신호원이 싱크로라이트인 RTK 위치측정 방법.
  31. 제 28 항에 있어서, 상기 고정된 확산 스펙트럼 신호원이 GPS 신호 재발신기인 RTK 위치측정 방법.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 GPS 신호 재발신기가 의사 GPS 신호를 발신하는 RTK 위치측정 방법.
  33. 제 31 항에 있어서, 상기 GPS 신호 재발신기가 의사 GPS 신호에 유사한 확산 스펙트럼 신호를 발신하는 RTK 위치측정 방법.
  34. 제 22 항에 있어서, 5개의 수우도라이트가 사용되며, 상기 수우도라이트는 2개의 다른 주파수대역에서 신호를 재발신하고, 상기 이동 기준국의 위치가 온-더- 플라이 수법에 의해 결정되는 RTK 위치측정 방법.
  35. 제 22 항에 있어서, 그 중심에 상기 고정 기준국이 있는 원을 따라 상기 이동 기준국이 이동하는 RTK 위치측정 방법.
  36. 제 22 항에 있어서, 상기 이용자 처리 유닛이 상기 로우버 수신기 내부의 처리기인 RTK 위치측정 방법.
  37. 제 22 항에 있어서, 상기 이용자 처리 유닛이 상기 로우버 수신기에 접속된 컴퓨터인 RTK 위치측정 방법.
  38. 제 22 항에 있어서, 상기 데이터 링크가 무선 링크인 RTK 위치측정 방법.
  39. 제 22 항에 있어서, 상기 데이터 링크가 유선 링크인 RTK 위치측정 방법.
  40. 제 22 항에 있어서, 2개 이상의 로우버 수신기가 사용되며, 그것으로 기준국의 기능이 제공되는 상기 로우버 수신기의 1개가 이동 기준국으로서 이용되는 RTK 위치측정 방법.
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