KR101220794B1 - 도착시간차를 이용한 실시간 위치추적 시스템 - Google Patents

Abstract

도착시간차(TDOA)를 이용한 실시간 위치추적(RTLS) 시스템이 개시된다. 송신기에서 전송하는 위치신호를 기반으로 하여, 측위부가 송신기의 위치를 추적하는, 본 발명의 RTLS 시스템은, 상기 송신기의 주위에서 상기 송신기로부터 상기 위치신호를 수신하는 복수의 수신기; 및 상기 송신기로부터 상기 복수의 수신기에 도착하는 상기 위치신호의 시각차를 계산하여, 이를 상기 측위부에 제공하는 게이트웨이를 포함한다.

Description

도착시간차를 이용한 실시간 위치추적 시스템{RTLS SYSTEM USING TDOA}

본 발명은 실시간 위치추적 서비스(Real-Time Locating Service; 이하, 'RTLS'라 함) 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도착시간차(Time Difference Of Arrival; 이하, 'TDOA'라 함)를 사용하여 송신기의 위치를 추적하는 RTLS 시스템에 관한 것이다.

종래 RTLS 시스템에서, 송신기의 위치를 정확히 파악하기 위해서는, 수신기들간에 시각 동기화가 나노초 단위까지 정밀하게 이루어져야 한다. 이를 위해 시각 동기를 위한 시스템은, 기본적으로 참조시각을 제공하는 마스터(master)가 필요하며, 수신기들은 마스터로부터 유선 혹은 무선으로 참조시각을 수신하여 자신의 시각을 동기화하는 슬레이브(slave)로 구성되고, 수신기들간의 시각 동기화는 메시지 교환을 통하여 이루어진다.

종래에는, 나노초 이하의 고정밀 시각 동기를 이루기 위해 광케이블을 이용한 유선환경을 활용하거나, 최상위 마스터, 마스터, 브릿지 등의 부가적인 시스템을 이용한 무선 시각 동기 방법이 제시되었다. 이러한 종래기술 중 하나가 TDOA를 이용한 시각동기화 기법이다.

종래의 TDOA 기반 RTLS 시스템은, 송신기가 방사한 신호를 주변에 위치한 수신기가 수신하여, 수신된 데이터와 수신기의 동기신호를 기준으로 하는 송신기 신호 도착시각정보를 서버의 측위엔진에 보낸다. 측위엔진은 각 수신기로부터 송신기의 데이터와 수신기 도착시각정보를 수신하며, TDOA를 통해 송신기의 위치를 계산한다.

한 쌍의 수신기로부터 수신하는 TDOA는, 수신기를 정점으로 하는 거리의 차가 일정한 한 쌍의 쌍곡선을 그릴 수 있고 이런 쌍곡선 간의 교점을 태그의 위치로 추정한다. 따라서, 적어도 3개의 TDOA의 정보로 송신기의 위치를 추정한다. 단, TDOA 방식의 위치추정은 수신기간의 동기가 잡혀 있다는 전제 하에서 가능하다. 이에, 수신기간의 동기화를 이루기 위해, 유선을 통한 수신기간의 동기화 방법이 일반적으로 사용되었으며, 주로 광통신을 이용하는 방법이 이용되었다.

그러나, 이러한 유선환경에서의 기반시설의 설치는, 고가의 장비가 요구되는 문제점이 있으며, 무선환경에서의 동기방법 역시, 부가적인 시스템에 요구되므로, 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 위치측위그룹 단위로 존재하는 게이트웨이에서 송신기로부터 신호가 도착하는 정밀한 시각차를 계산하여, RTLS 시스템의 구조를 간소화하는, TDOA를 이용한 RTLS 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 송신기에서 전송하는 위치신호를 기반으로 하여, 측위부가 송신기의 위치를 추적하는, 본 발명의 실시간 위치추적(RTLS) 시스템은, 상기 송신기의 주위에서 상기 송신기로부터 상기 위치신호를 수신하는 복수의 수신기; 및 상기 송신기로부터 상기 복수의 수신기에 도착하는 상기 위치신호의 시각차를 계산하여, 이를 상기 측위부에 제공하는 게이트웨이를 포함한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 송신기가 송신하는 상기 위치신호는 무선주파수(RF) 위치신호이고, 상기 수신기는, 상기 송신기가 송신하는 상기 RF 위치신호를 수신하는 안테나; 및 상기 RF 위치신호를 중간주파수(IF) 대역의 IF 위치신호로 변환하는 변환부를 포함한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에서, 상기 게이트웨이는, 상기 복수의 수신기로부터 위치신호를 각각 수신하기 위한 복수의 모뎀; 클럭을 제공하기 위한 클럭부; 상기 클럭부가 제공하는 클럭을 기준으로 하여, 상기 복수의 모뎀에서의 상기 위치신호의 수신시각을 이용하여 도착시간차(상기 수신기에서의 위치신호 도착시각과 상기 송신기에서의 위치신호 송신시각의 차)(TDOA)를 측정하기 위한 측정부를 포함한다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 복수의 수신기와 상기 복수의 모뎀은, 소정의 케이블에 의해 연결되는 것이 바람직하고, 상기 측정부가 측정하는 TDOA는, 상기 해당 모뎀에서의 위치신호의 수신시각과 상기 케이블의 신호전달 특성에 의해 미리 결정되는 지연시간의 차인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예에서, 상기 게이트웨이는, 상기 복수의 모뎀이 수신한 상기 위치신호를 디코딩하기 위한 신호처리부를 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 송신기와 상기 복수의 수신기는, 위치측위그룹을 형성하여, 상기 위치측위그룹 내의 송신기에 한하여 상기 복수의 수신기가 위치신호를 수신하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은, TDOA 기반 RTLS 시스템에서 수신기간의 시각동기화를 필요로 하지 않도록 하여, TDOA기반 RTLS 시스템의 구조를 간소화하도록 하고, 위치측위그룹 단위로 존재하는 게이트웨이에서 송신기로부터 신호가 도착하는 정밀한 시각차이를 계산하도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 RTLS 시스템의 수신기는 RF 위치신호를 IF 위치신호로 변환만을 수행하도록 하여, RTLS 시스템의 수신기의 구조를 간소화할 수 있으며, 각 게이트웨이에 로컬클럭부를 구비하도록 하여, 정밀한 시각측정이 가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 TDOA 기반 RTLS 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 종래의 TDOA 기반 RTLS 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 1의 수신기의 상세 구성을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 RTLS 시스템의 일실시예 구성도이다.
도 5는 도 4의 시스템에서의 상세 구성을 설명하기 위한 일실시예 구조도이다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 종래의 시각 동기화 장치에 관하여 설명한 후, 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 종래의 TDOA 기반 RTLS 시스템의 개략적인 구성도로서, 도 1은 광통신망을 이용하여 수신기간의 시각동기를 수행하는 것을 설명하는 것이며, 도 2는 무선망을 이용하여 수신기간 시각동기를 수행하는 것을 설명하기 위한 것이다. 또한, 도 3은 도 1의 수신기의 상세 구성을 설명하기 위한 일예시도이다.

도 1을 참조로 하면, 종래의 유선 RTLS 시스템은, RTLS 송신기(100), RTLS 수신기(200), RTLS 측위엔진(300) 및 시각동기화를 위한 펄스발생 모듈(400)로 구성된다.

TDOA를 이용하는 송신기(100)는, 자신의 위치정보를 포함하는 위치신호를 수신기(200)에 전송하고, 수신기(200)는 송신기(100)의 메시지를 수신하고, 메시지가 수신된 시점(펄스발생 모듈(400)이 발생하는 동기펄스를 기준으로 함)을 기록하여, 여러가지 통신망 기술(예를 들어, 이더넷)을 이용하여 측위엔진(300)에 전달한다(TDOA 백홀(backhaul)). 측위엔진(300)는 각 수신기(200)로부터 송신기(100)가 송신하는 위치신호를 수신하여(TDOA 백홀), TDOA를 통해 송신기(100)의 위치를 계산한다.

한 쌍의 수신기(200)로부터 읽혀 들인 TDOA는 수신기(200)를 정점으로 하는 거리의 차가 일정한 한 쌍의 쌍곡선을 그릴 수 있고, 이런 쌍곡선간의 교점을 태그의 위치로 추정한다. 따라서, 적어도 3개의 TDOA 정보로 송신기(100)의 위치를 추정한다.

위와 같은 과정으로 수행되는 종래의 RTLS 시스템은, 나노초 단위의 해상도(resolution)를 유지하기 위해, 수신기(200)의 개수만큼의 광선로와, 수신기(200) 내부에 구성되는 동기화모듈(230)과, 수신기(200)의 메시지를 측위엔진(300)으로 전달하기 위한 통신모듈(240)이 요구된다. 또한, 각각의 수신기(200)는 독립적인 발진자를 사용하므로, 복수개의 발진자(도시되지 않음)가 필요하다. 이 경우, 각 수신기(200)는 각자 독립적인 클럭에 맞추어 동작을 하게 되고, 이에 따라 클럭표류가 발생하는 문제점이 있다.

이러한 유선환경에서 발생하는 문제점을 해결하기 위하여, 무선환경의 RTLS 시스템이 도 2와 같이 고려되었지만, 복수의 수신기(200)가 시각동기 송수신기(250)를 각각 구비하여야 하므로, 부가적인 시스템의 구축이 요구되며, 이 경우에도 역시 클럭표류의 문제점이 발생한다.

본 발명은 TDOA 기반 RTLS 시스템에서 수신기간의 시각동기화를 필요로 하지 않도록 하여, TDOA기반 RTLS 시스템의 구조를 간소화하기 위한 것이다. 또한, 본 발명은 위치측위그룹 단위로 존재하는 게이트웨이에서 송신기로부터 신호가 도착하는 정밀한 시각차이를 계산하도록 한다.

본 발명의 수신기는 RF 위치신호를 IF 위치신호로 변환하는 기능만을 담당하므로, RTLS 시스템의 수신기의 구조를 간소화할 수 있으며, 각 게이트웨이에 클럭부를 구비하도록 하여, 정밀한 시각측정이 가능하게 한다.

도 4는 본 발명에 따른 RTLS 시스템의 일실시예 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템은, 다수의 RTLS 송신기(이하, '송신기'라 함)(10), 다수의 RTLS 수신기(이하, '수신기'라 함)(20), 다수의 RTLS 게이트웨이(이하, '게이트웨이'라 함)(30) 및 RTLS 측위부(이하, '측위부'라 함)(40)를 포함하여 구성된다.

본 발명에서, 하나의 송신기(10)와, 소정 개수(도 4에서는 3개)의 수신기(20)는 위치측위그룹을 구성하며, 하나의 위치측위그룹에는 하나의 게이트웨이(30)가 대응된다. 본 발명에서, 하나의 위치측위그룹 내의 송신기(10)는 위치측위그룹 내의 수신기(20)에 한하여 위치신호를 전송한다. 설명의 편의를 위하여, A 위치측위그룹 내의 송신기를 '10a'라 하고, 수신기를 '20a~20c'라 하고, A 위치측위그룹에 대응하는 게이트웨이를 '30a'로 도시한다. 또한, B 위치측위그룹 내의 송신기를 '10b'라 하고, 수신기를 '20d~20f'라 하고, B 위치측위그룹에 대응하는 게이트웨이를 '30b'로 도시한다. 다만, 이는 설명의 편의를 위하여 임의로 정한 것으로, 위치측위그룹의 수, 위치측위그룹 내의 수신기의 수, 및 게이트웨이의 수 등은 필요에 따라 결정될 수 있는 것이며, 도면 및 본 설명에 의해 한정되는 것이 아님은 자명하다.

송신기(10)는, 자신의 정보를 포함하는 위치신호를 무선주파수(Radio Frequency; 이하, 'RF'라 함)를 통하여 수신기(20)에 전송한다. 수신기(20)는 송신기(10)의 RF 위치신호를, 중간주파수(Intermediate Frequency; 이하, 'IF'라 함) 대역의 신호로 변환하여, 유선으로 게이트웨이(30)에 전달하는 기능을 담당한다.

게이트웨이(30)는 수신기(20)로부터 IF 위치신호를 수신하고, IF 위치신호가 수신된 시점을 기록하고, 해당 시각정보를 측위부(40)로 전달한다. 측위부(40)는 게이트웨이(30)로부터 시각정보를 수신하여, 이를 이용하여 송신기(20)의 위치를 결정하는 기능을 담당한다.

도 5는 도 4의 시스템에서의 상세 구성을 설명하기 위한 일실시예 구조도로서, 수신기(20)의 상세 구성 및 게이트웨이(30)의 상세 구성을 각각 설명하고 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수신기(20)는, 안테나(21) 및 변환부(22)를 포함하여 구성된다. 그 외의 구성에 대해서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

안테나(21)는 송신기(10)가 송신하는 RF 위치신호를 수신하는 기능을 담당하며, 변환부(22)는 송신기가 송신한 RF 위치신호를 IF대역의 IF 위치신호로 변환하는 기능을 담당한다. 변환부(22)가 변환하는 신호의 IF대역은, 수신기(20)와 게이트웨이(30) 사이에 연결되는 케이블의 주파수 전송특성에 따라 결정될 수 있다.

또한, 본 발명의 게이트웨이(30)는, 수신기(20)로부터 신호를 수신하는 모뎀(31), 시각측정부(32), 클럭부(33), 신호처리부(34) 및 통신부(35)를 포함하여 구성된다. 위의 수신기(20)와 마찬가지로, 게이트웨이(30)에서의 위에서 설명한 것 이외의 구성에 대해서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

위치측위그룹 내의 각각의 수신기(20)는 게이트웨이(30)에 케이블에 의해 연결되어 있으며, 변환부(22)는 송신기(10)의 RF 위치신호를 IF대역의 신호로 변환하여 게이트웨이(30)에 전달한다.

게이트웨이(30)는, 수신기(20)에 대응하는 모뎀(31)을 구비하는데, 도 5에서는 각각의 수신기(20)에 하나의 모뎀(31)이 대응하여 구비되어, 각각의 모뎀(31)이 대응되는 수신기(20)로부터의 IF대역의 위치신호를 수신하는 것을 도시하였으나, 복수의 채널을 가지는 하나의 모뎀을 구비하여, 다수의 수신기(20)로부터 수신되는 IF대역의 위치신호를 모두 수신하는 구성을 배제하는 것은 아니다.

TDOA 기반의 RTLS 시스템에서 송신기(10)의 측위계산은, 송신기(10)에서 보내는 위치신호가 송신기(10) 주변의 다수의 수신기(20)에 도착하는 시각의 차이를 기준으로 한다. 따라서, 본 발명에서 다수의 수신기(20)와 게이트웨이(30) 사이에 케이블의 길이는 동일한 것을 기본으로 하며, 현장 여건상에 길이를 다르게 하여야 할 경우에는, 케이블 길이의 차이만큼의 수신기(20)에서 보내지는 위치신호의 지연을 게이트웨이(30)에서 보상하는 것으로 한다.

도 5에서, 신호처리부(34)는 각 모뎀(31)이 수신한 IF 위치신호를 디코딩(아날로그 신호를 디지털 신호로 복구함)하는 기능을 담당한다. 신호처리부(34)는, 클럭부(33)가 제공하는 클럭을 기준으로, 각각의 모뎀(31)에서의 신호의 수신시각을 알 수 있으며, 이를 시각측정부(32)에 제공한다. 시각측정부(32)는 수신시각과 송신시각의 차이를 다음의 수학식에 의해 결정하는 기능을 담당한다.

위 식에서, '지연시간'은 케이블의 신호전달 특성에 의해 미리 결정되어 있는 것이다.

통신부(35)는 이와 같이 결정된 TDOA를 측위부(40)에 전송하는 기능을 담당한다.

측위부(40)는, 수신된 TDOA를 바탕으로, 송신기(10)의 위치를 측위하는 기능을 담당한다. 이의 상세한 구성에 대해서는 이미 널리 알려진 바와 같으므로, 그 설명은 생략한다.

본 발명에 의하면, 게이트웨이에서 자체적으로 클럭을 제공하므로, 종래 각 수신기에서 독립적으로 발진자를 사용하여 발생하는 수신기간의 클럭표류를 제거할 수 있으며, 수신기간의 시각동기화를 위하여, 수신기 자체에 별도의 장치를 요구하지 않으므로, 시스템의 구성을 간소화할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10: 송신기 20: 수신기
21: 안테나 22: 변환부
30: 게이트웨이 31: 모뎀
32: 시각측정부 33: 클럭부
34: 신호처리부 35: 통신부
40: 측위부

Claims (7)

1. 송신기에서 전송하는 위치신호를 기반으로 하여, 측위부가 송신기의 위치를 추적하는, 실시간 위치추적(RTLS) 시스템에 있어서,
   상기 송신기의 주위에서 상기 송신기로부터 상기 위치신호를 수신하는 복수의 수신기; 및
   상기 송신기로부터 상기 복수의 수신기에 도착하는 상기 위치신호의 시각차를 계산하여, 이를 상기 측위부에 제공하는 게이트웨이를 포함하고, 상기 송신기와 상기 복수의 수신기는, 위치측위그룹을 형성하여, 상기 위치측위그룹 내의 송신기에 한하여 상기 복수의 수신기가 위치신호를 수신하고, 상기 위치측위그룹 내의 송신기에 한하여 상기 게이트웨이가 통신하며, 상기 게이트웨이는,
   상기 복수의 수신기로부터 위치신호를 각각 수신하기 위한 복수의 모뎀;
   클럭을 제공하기 위한 클럭부;
   상기 클럭부가 제공하는 클럭을 기준으로 하여, 상기 복수의 모뎀에서의 상기 위치신호의 수신시각을 이용하여 도착시간차(상기 수신기에서의 위치신호 도착시각과 상기 송신기에서의 위치신호 송신시각의 차)(TDOA)를 측정하기 위한 측정부를 포함하는 RTLS 시스템.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 송신기가 송신하는 상기 위치신호는 무선주파수(RF) 위치신호이고, 상기 수신기는,
   상기 송신기가 송신하는 상기 RF 위치신호를 수신하는 안테나; 및
   상기 RF 위치신호를 중간주파수(IF) 대역의 IF 위치신호로 변환하는 변환부를 포함하는 RTLS 시스템.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 수신기와 상기 복수의 모뎀은,
   소정의 케이블에 의해 연결된 RTLS 시스템.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 측정부가 측정하는 TDOA는,
   해당 모뎀에서의 위치신호의 수신시각과 상기 케이블의 신호전달 특성에 의해 미리 결정되는 지연시간의 차인 RTLS 시스템.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 게이트웨이는,
   상기 복수의 모뎀이 수신한 상기 위치신호를 디코딩하기 위한 신호처리부를 더 포함하는 RTLS 시스템.
   
   
7. 삭제

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