KR101356856B1 - 복수의 안테나를 포함한 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템 및 방법 - Google Patents

복수의 안테나를 포함한 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 안테나를 포함한 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 복수의 안테나에서 송신하는 신호의 도달 시간(time of arrial)과 신호 간의 도달 시간의 차이(time difference of arrival)를 이용하여 단말기에 대한 정밀한 3차원 위치 해를 제공할 수 있는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템은, 측정 신호를 송신하는 복수의 안테나를 갖는 무선 통신 장치; 상기 안테나에서 송신하는 신호를 수신하는 단말기; 및 상기 단말기에서 수신한 신호들의 도달 시간(time of arrial)과 신호 간의 도달 시간의 차이(time difference of arrival)를 기반으로 단말기의 위치를 추정하는 위치 계산 모듈을 포함한다.

Description

복수의 안테나를 포함한 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템 및 방법 {POSITIONING SYSTEM AND METHOD BASED ON WIRELESS COMMUNICATION APPARATUS COMPRISING MULTIPLE ANTENNA}
본 발명은 복수의 안테나를 포함한 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 복수의 안테나에서 송신하는 신호의 도달 시간(time of arrial)과 신호 간의 도달 시간의 차이(time difference of arrival)를 이용하여 단말기에 대한 정밀한 3차원 위치 해를 제공할 수 있는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템 및 방법에 관한 것이다.
종래의 위치 확인 시스템은 무선 주파수(radio frequency, RF) 통신 장치를 이용한 시스템이 그 주를 이루었으며, RF 통신 외에도 광통신, 가시광통신, 적외선, 음파, 초음파 등 다양한 신호원을 이용한 위치 확인 시스템이 연구되고 있다. 상기 시스템들을 이용하는 방법들은 대개 다수의 송신기를 설치해야 하므로 비용이 증가하거나, 데이터베이스의 구축 등의 제한이 있었다.
이와 관련하여, 본 출원인은 등록특허 10-0979623에서, 하나의 통신 장치만으로도 단말기의 위치를 정확하게 계산할 수 있는 방안을 제안하였으나, 3차원 공간에서 단말기의 위치를 추정하는 방식에 대해서는 개선의 여지가 있다.
특허문헌 1: 한국등록특허 10-0979623 (서울대학교 산학협력단) 2010. 08. 26. 요약, 청구항 1, 도면 1
본 발명의 목적은 복수의 안테나에서 송신하는 신호의 도달 시간(time of arrial)과 신호 간의 도달 시간의 차이(time difference of arrival)를 이용하여 간단한 무선 장치 구성만으로 3차원 공간에서의 위치 해를 정밀하게 산출할 수 있는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템은, 측정 신호를 송신하는 복수의 안테나를 갖는 무선 통신 장치; 상기 안테나에서 송신하는 신호를 수신하는 단말기; 및 상기 단말기에서 수신한 신호들의 도달 시간(time of arrial)과 신호 간의 도달 시간의 차이(time difference of arrival)를 기반으로 단말기의 위치를 추정하는 위치 계산 모듈을 포함한다.
본 발명의 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템 및 방법은, 간단한 무선 장치 구성만으로 3차원 공간에서 단말기의 위치 해를 정밀하게 산출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 통신 장치 기반 위치 확인 방법에 대한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템을 이용하는 위치 계산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 통신 장치 기반 위치 확인 방법에 대한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 위치 계산 방법을 적용하기 위한 시뮬레이션 환경을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 시뮬레이션 환경 하에서 제1 실시예의 방법으로 위치 계산을 독립적으로 1000번 시행한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 7은 도 5의 시뮬레이션 환경 하에서 제2 실시예의 방법으로 위치 계산을 독립적으로 1000번 시행한 결과를 나타낸 그래프들이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템 및 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템은, 무선 통신 장치(100), 단말기(200) 및 위치 계산 모듈(미도시)을 포함한다.
무선 통신 장치(100)는 항법 시스템의 송신부의 기능을 수행하며, 복수의 송신 안테나(110a, 110b, 110c, 120)를 포함한다. 본 발명은 복수의 안테나(110a, 110b, 110c, 120)에서 송신하는 신호의 도달 시간(time of arrial)과 신호 간의 도달 시간의 차이(time difference of arrival)를 이용하여 위치 계산 모듈에서 단말기(200)에 대한 정밀한 3차원 위치 해를 산출하는 구성을 갖는다.
무선 통신 장치(100)가 송수신하는 무선 통신 신호는 반송파, 부반송파, 레인징 신호 등을 포함할 수 있으며, 안테나에서 송신하는 신호의 도달 시간(time of arrival, TOA)이나 신호 간의 도달 시간의 차이(time difference of arrival, TDOA)를 측정할 수 있도록 하는 신호, 혹은 신호의 도달 시간이나 신호 간의 도달 시간의 차이로 모델링될 수 있는 어떠한 신호도 사용될 수 있다. 여기서는, 일예로서, 단말기(200)의 위치 산출의 정확성을 위해 반송파와 레인징 신호를 이용하는 방법이 제안된다.
무선 통신 장치(100)는 반송파 생성 모듈과 레인징 신호 생성 모듈을 포함할 수 있으며, 각각의 모듈이 별개로 구비되어 반송파 생성 모듈은 제1 안테나(110a, 110b, 110c)에 연결되고, 레인징 신호 생성 모듈은 제2 안테나(120)에 연결되거나, 또는 무선 통신 장치(100)를 구성하는 부재 내에 반송파 생성 모듈과 레인징 신호 생성 모듈이 함께 구비될 수 있다. 제1 안테나(110a, 110b, 110c)에서 송신하는 반송파들과 제2 안테나(120)에서 송신하는 레인징 신호는 클럭을 공유하는 방법 등을 이용하여 시각이 서로 동기될 수 있다.
만약 동기되지 않은 경우에는 외부에서 시각 오차 추정을 위한 정보를 제공하거나 단말기 내부에서 시각 오차를 추정하여 사용하는 것도 가능하다. 여기서, 외부에서 시각 오차 추정을 위한 정보를 생성하기 위해 위치가 알려진 기준국을 사용하는 방법 등이 사용될 수 있고, 단말기 내부에서 시각 오차를 추정하기 위한 오차 모델을 이용하여 보상하는 방법 등이 사용될 수 있다.
단말기(200)는 항법 시스템의 수신부로서 기능하며, 상기 무선 통신 장치(100)와 양방향 혹은 단방향으로 통신한다.
위치 계산 모듈은 상기 단말기(200)에서 수신된 통신 신호를 이용하여, 상기 무선 통신 장치(100)를 구성하는 각 안테나(110a, 110b, 110c, 120) 별로 반송파 위상 측정치 혹은 거리 측정치를 생성하고 이를 이용하여 단말기(200)의 위치를 계산한다. 상기 위치 계산 모듈은 단말기(200)에서 수신한 반송파와 레인징 신호를 기반으로 단말기(200)의 위치를 추정하며, 이를 통해 위치 결과의 정확도를 향상시키고, 3차원 위치 해를 제공할 수 있다. 상기 위치 계산 모듈은 단말기(200)에 내장되거나, 또는 별도의 부재로 구성하여 단말기(200)에 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 통신 장치 기반 위치 확인 방법에 대한 순서도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템을 이용하는 위치 계산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 3을 참조하면, 안테나(110a, 110b, 110c)에서 송신한 반송파와 안테나(120)에서 송신한 레인징 신호를 단말기(200)에서 수신한다(S210).
도 3에서, 각 안테나의 위치 벡터는 기하학적 관계에 따라 정해지며, R0 는 레인징 신호를 송신하는 0번 안테나의 위치 벡터, R1, R2, R3 는 각각 반송파를 송신하는 1, 2, 3번 안테나의 위치 벡터를 나타낸다. 여기서, 레인징 신호를 송신하는 안테나는 1개, 반송파를 송신하는 안테나는 3개로 도시하였지만, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 이에 제한되지 않는다. Ru 는 산출하고자 하는 단말기의 위치 벡터를 나타낸다.
이어서, 위치 계산 모듈은 반송파 위상 측정치 및 레인지 측정치를 생성하고(S220), 상기 단말기(200)에서 수신된 통신 신호를 이용하여, 상기 무선 통신 장치(100)를 구성하는 각 안테나(110a, 110b, 110c, 120) 별로 반송파 위상 측정치 또는 거리 측정치를 생성하고, 이를 이용하여 단말기(200)의 위치를 계산한다.
위치 계산 모듈은 반송파를 송신하는 안테나들(110a, 110b, 110c) 간의 거리가 미리 정의된 조건을 만족할 때, 각 안테나(110a, 110b, 110c)의 신호로부터 측정된 반송파 위상을 서로 차분한 값이 안테나들(110a, 110b, 110c) 간의 거리의 차분 값과 같다는 조건을 이용하여 위치를 계산한다. 이러한 조건은 기하학적으로 쌍곡선의 교점을 찾는 문제가 되며, 단일 무선 통신 장치(100)에서는 안테나(110a, 110b, 110c) 간의 거리가 짧기 때문에, 쌍곡선의 교점이 방사상(radial)으로 길게 형성되는 문제가 있다. 이를 보완하기 위해, 레인징 신호를 송신하는 안테나(120)를 무선 통신 장치(100)에 추가하고, 단말기(200)에서 수신한 레인지 측정치를 이용하여, 단말기(200)의 방사상 위치 오차를 보정한다.
상기 설명은 안테나(110a, 110b, 110c, 120)에서 송신하는 신호가 반송파와 레인징 신호인 것을 기반으로 하였으나, 본 발명은 복수의 안테나(110a, 110b, 110c, 120)에서 송신하는 신호의 도달 시간(time of arrial)과 신호 간의 도달 시간의 차이(time difference of arrival)를 이용하여 단말기(200)에 대한 정밀한 3차원 위치 해를 제공하기 위한 것으로, 신호의 종류는 제한되지 않는다. 안테나(110a, 110b, 110c, 120)에서 단말기(200)까지 신호가 도달하는데 걸린 시간인 TOA(Time Of Arrival)의 측정치 모델은 다음과 같다.
Figure 112011098887826-pat00001
잔여오차
Figure 112011098887826-pat00002
는 대류층 오차, 전리층 오차 등 기타 오차 성분들을 포함한다. 단말기(200)에서는 무선 통신 장치(100) 시각을 알 수 없기 때문에 위 측정치 모델을 바로 사용할 수 없으므로, 위치 계산의 기준시각
Figure 112011098887826-pat00003
에 대하여 위 식을 정리하여 최종 TOA 모델 식을 얻을 수 있다.
Figure 112011098887826-pat00004
TOA 측정치 모델 식은 양변에 신호의 속도 C를 곱함으로써 거리 도메인(domain)에서 다음과 같이 표현된다.
Figure 112011098887826-pat00005
위 식으로부터, 송신 안테나에서 단말기까지 신호가 도달하는데 걸린 시간의 차이인 TDOA(Time Difference Of Arrival)의 측정치 모델은 다음과 같다.
Figure 112011098887826-pat00006
상기 식을 거리 도메인에서 표현하면 다음과 같다.
Figure 112011098887826-pat00007
본 발명의 일 실시예에서, 거리 도메인의 TOA 측정치로서 레인지 측정치를 사용하고, 이와 함께 반송파 위상 측정치의 차분값을 거리 도메인의 TDOA 측정치로서 사용한다. 먼저 반송파 위상 측정치 모델은 다음과 같이 표현이 가능하다.
Figure 112011098887826-pat00008
반송파 위상 측정치는 TOA를 직접 측정하는 것은 아니나,
Figure 112011098887826-pat00009
를 잔여오차로 보면 수학식 6의 반송파 위상 측정치 식은 수학식 3의 거리 도메인의 TOA 측정치 모델식과 같음을 알 수 있다. 여기에서 미지정수
Figure 112011098887826-pat00010
의 추정이 일반적으로 쉽지 않으므로 i, j번 안테나에 대하여 반송파 위상 측정치 식을 차분하여 사용한다. 다음은 차분된 반송파 위상 측정치이다.
Figure 112011098887826-pat00011
차분 과정에서 공통 오차인
Figure 112011098887826-pat00012
는 제거된다.
Figure 112011098887826-pat00013
를 잔여오차로 보면 수학식 7의 반송파 위상 측정치 차분값은 수학식 5의 거리 도메인의 TDOA 측정치 모델식과 같음을 알 수 있다.
수학식 7에서 송신 안테나 간 동기 혹은 시각 오차 보상을 통해
Figure 112011098887826-pat00014
를 제거할 수 있고, 지상 조건으로부터 전리층 앞섬을 무시할 수 있으며, 무선 통신 장치와 단말기 간의 거리가 짧을 때는 대류층 지연을 무시할 수 있다. 여기서, 대류층 지연은 모델을 통해 제거할 수도 있다. 또한 미지정수 항인
Figure 112011098887826-pat00015
는 안테나 간 거리 조건이나 각 안테나의 위치조건 등을 이용하여 제거할 수 있으며, 미지정수 검색기법 등을 이용하여 풀어낼 수도 있다. 따라서 반송파 위상 측정치식은 다음과 같이 간략화된다.
Figure 112011098887826-pat00016
이제 수학식 8을 위치 벡터와 단위 시선벡터를 이용하여 최종적으로 다음 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011098887826-pat00017
다음으로 레인지 측정치 모델의 경우 다음과 같이 표현이 가능하다.
Figure 112011098887826-pat00018
Figure 112011098887826-pat00019
를 잔여오차로 보면 수학식 10의 레인지 측정치 식은 수학식 3의 거리 도메인의 TOA 측정치 모델식과 같음을 알 수 있다. 수학식 10에서 송신 안테나 간 동기 혹은 시각 오차 보상을 통해
Figure 112011098887826-pat00020
를 제거할 수 있고, 지상 조건으로부터 전리층 앞섬을 무시할 수 있으며, 무선 통신 장치(100)와 단말기(200) 간의 거리가 짧을 때는 대류층 지연을 무시할 수 있다. 여기서, 대류층 지연은 모델을 통해 제거할 수도 있다. 따라서 레인지 측정치식은 다음과 같이 간략화된다.
Figure 112011098887826-pat00021
상기 식은 양방향 통신 또는 별도의 시각 동기 모듈을 구비한 단방향 통신에서, 하기 식과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112011098887826-pat00022
이제 수학식 12를 위치 벡터와 단위 시선벡터를 이용하여 최종적으로 다음 수학식 13와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011098887826-pat00023
수학식 9의 반송파 위상 측정치 차분식과 수학식 13의 레인지 측정치식과 같은 비선형 방정식은 식 자체를 그대로 풀거나 선형화하여 해를 구할 수 있다. 각 방법에서 해석적인 풀이와 반복법에 의한 수치적인 풀이 등 다양한 풀이 방법이 가능하나, 본 실시예에서는 초기 위치를 가정하고 그 위치에서의 단위시선벡터 값을 계산하여 다시 위치를 풀어내는 방식의 반복법으로 해를 구한다.
계속하여, 위치 계산 모듈의 위치 계산 과정을 살펴보면, 2개의 안테나 간의 반송파 위상 측정치를 차분한다(S230). 이를 수학식으로 표현하면 하기와 같다.
Figure 112011098887826-pat00024
상기 수학식 14는 상기 수학식 9와 동일한 결과를 나타내며, 상기 수학식 14과 같이 차분 과정을 통해 시계오차 항과 미지정수 항이 제거된다. 시계오차는 각 측정치마다 들어 있는 공통오차이므로, 차분 과정에서 제거될 수 있다. 이제 계산하고자 하는 단말기 위치 벡터
Figure 112011098887826-pat00025
를 좌변으로 모으고 나머지 항을 우변으로 모으면 다음과 같다.
Figure 112011098887826-pat00026
상기 수학식 13의 레인지 측정치의 경우도, 단말기 위치 벡터
Figure 112011098887826-pat00027
를 좌변으로 모으고, 나머지 항을 우변으로 모으면 다음과 같다.
Figure 112011098887826-pat00028
3개의 반송파 위상 측정치와, 1개의 레인지 측정치를 사용하는 경우, 상기 수학식 15와 16을 이용하여, 다음과 같은 행렬식으로 표현할 수 있다.
Figure 112011098887826-pat00029
상기 수학식 17에서는 차분에 사용한 안테나 조합을 1번과 2번, 1번과 3번으로 설정하였으나, 단말기(200)에서 획득한 반송파 위상 측정치들 중 독립적인 임의의 측정치 조합을 선택할 수 있다. 또한, 더 많은 수의 안테나를 사용하는 경우에도 유사한 방식으로 확장하여 식을 설정할 수 있다.
상기 수학식 17은 행렬과 벡터를 사용하여 다음과 같이 간략하게 표현할 수 있다.
Figure 112011098887826-pat00030
상기 수학식 18로부터 상태(state) 벡터 x, 즉, 단말기의 위치벡터
Figure 112011098887826-pat00031
를 추정할 수 있다.
즉, 위치 계산 모듈은 차분된 반송파 위상 측정치와 레인지 측정치를 기반으로 단말기(200)의 위치를 추정할 수 있다(S240).
상기 위치벡터
Figure 112011098887826-pat00032
를 추정하는 방법은 다양한 방법이 사용될 수 있으나, 본 실시예에서는 가중최소자승법을 이용한 반복법으로 추정하였다.
초기에 단말기(200)의 위치 정보가 없으므로 단말기(200)로부터 각 안테나(110a, 110b, 110c, 120)를 바라보는 시선벡터들을 알 수 없다. 따라서, 단말기(200)의 초기 위치를 적당한 임의의 값으로 가정하고, 예를 들어, 단말기(200)의 초기 위치를 (0, 0, 0)으로 가정하고, 수학식 18로부터 가중최소자승법을 적용하여 다음과 같이 단말기 위치 벡터를 1차적으로 추정한다.
Figure 112011098887826-pat00033
상기 수학식 19에서 R은 가중치를 위한 행렬을 의미한다. 상기 R은 경험에 따라 임의로 설정할 수 있으나, 측정치 잡음 분포를 이용하여 설정하는 것이 바람직하다. 일반적으로 측정치 잡음은 미리 측정하여 알고 있는 값이므로, 이를 적용한다. 본 실시예에서는 각 측정치 잡음의 분산과 반송파 위상 측정치의 차분에 의한 상관관계를 고려하여 다음과 같이 행렬 R을 설정하였다.
Figure 112011098887826-pat00034
상기 수학식 20에서 Var는 분산 값을 의미한다.
이제 수학식 19를 통하여 1차적으로 추정된 위치
Figure 112011098887826-pat00035
를 이용하여 시선벡터를 다시 계산한 후, 그 결과를 수학식 18에 적용하고, 다시 수학식 19을 이용하여
Figure 112011098887826-pat00036
의 위치 추정을 반복한다. 반복적으로 추정되는 단말기(200)의 위치의 변화량이 일정 수준 이하로 수렴하면 최종적으로 단말기(200)의 위치를 결정한다(S250).
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 통신 장치 기반 위치 확인 방법에 대한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 우선, S310 단계 내지 S330 단계는 도 2의 S210 단계 내지 S230 단계와 동일하므로, 설명을 생략한다.
다음으로, 거리 측정치는 수학식 13과 동일하며, 수학식 13은 다음과 같이 다시 표현될 수 있다.
Figure 112011098887826-pat00037
여기서,
Figure 112011098887826-pat00038
는 k번 안테나와 단말기 간의 실제 거리값이다.
한편, 반송파 위상 측정치의 차분값은 수학식 14와 동일하며, 수학식 14는 다음과 같이 다시 표현될 수 있다.
Figure 112011098887826-pat00039
상기 수학식 21에 따르면 레인지 측정치는 실제 거리와 측정치 잡음 수준 이내에서 같은 값을 가지며, 상기 수학식 22에 따르면 반송파 위상 측정치의 차분값은 실제 거리 차분값과 측정치 잡음 수준 이내에서 같은 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
이러한 조건을 이용하여 단말기의 위치를 계산하는 방법은 다양한 방법이 사용될 수 있으나 본 실시예에서는 단말기(200)의 임의의 위치를 가정하고, 임의의 위치에서 각 안테나(110a, 110b, 110c, 120) 간의 거리값과 거리 차분치를 계산하여, 단말기에서 획득한 측정치와 비교함으로써 사용자 위치를 결정하는 방법을 사용하였다.
이를 구체적으로 살펴보면, 단말기(200)의 위치를 산출하기 위해 위치 계산 모듈은 단말기(200)가 속한 공간에 임의로 격자를 설정하고(S340), 각 격자 점에서 안테나(110a, 110b, 110c, 120)와의 실제 거리값을 차분하고, 차분된 반송파 위상 측정치와의 잔차값과, 레인지 측정치와의 잔차값을 각각 다음과 같이 계산할 수 있다(S350).
Figure 112011098887826-pat00040
여기서,
Figure 112011098887826-pat00041
는 임의의 하나의 격자점에서 k번 안테나까지의 거리를 나타내며,
Figure 112011098887826-pat00042
는 같은 격자점에서 i번 안테나와의 거리와 j번 안테나와의 거리의 차분값을 나타낸다.
3개의 반송파 위상 측정치와, 1개의 레인지 측정치를 사용하는 경우, 수학식 23은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011098887826-pat00043
본 실시예에서, 차분에 사용한 안테나 조합을 1번과 2번, 1번과 3번으로 하였으나, 단말기에서 얻은 반송파 위상 측정치들 중 독립적인 임의의 측정치 조합을 선택할 수 있다. 또한, 더 많은 수의 안테나를 사용하는 경우에도 유사한 방식으로 확장하여 식을 설정할 수 있다.
이제 수학식 24를 바탕으로 다음과 같이 각 잔차값의 조합을 이용하여 기준 오차값을 계산한다(S360).
Figure 112011098887826-pat00044
상기 수학식 25에서는 k1, k2, k3 를 이용한 각 잔차값들의 선형관계로 간단하게 기준 오차값을 계산하였으나, 각 잔차값들의 함수로 표현되는 다양한 형태로 기준 오차값을 설정하는 것이 가능하다. 본 실시예에서는 상기 측정치의 잡음을 고려하여 계수들을 다음과 같이 정하였다.
Figure 112011098887826-pat00045
여기서,
Figure 112011098887826-pat00046
는 반송파 위상 측정치 잡음의 표준편차이고,
Figure 112011098887826-pat00047
는 레인지 측정치 잡음의 표준편차이다. 이러한 방식으로 모든 격자 점에서의 기하학적 거리와 측정치 간의 오차 값을 계산하고, 기준 오차 값이 최소가 되는 점을 단말기의 위치로 결정할 수 있다(S370).
도 5는 본 발명의 위치 계산 방법을 적용하기 위한 시뮬레이션 환경을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 각 안테나 높이는 기준면으로부터 수직으로 높이 5m 상에 위치하며, 안테나 간격은 9cm 이다. 또한, 사용자 반경은 10m 로 정지된(static) 상태, 즉, 좌표점 (10, 0, 0)이다.
또한, 3개의 반송파 위상 측정치와 1개의 레인지 측정치를 사용하였으며, 반송파 위상 측정치 잡음은 표준편차 2mm, 레인지 측정치 잡음은 표준편차 1.5m이다.
도 6은 도 5의 시뮬레이션 환경 하에서 제1 실시예의 방법으로 위치 계산을 독립적으로 1000번 시행한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 6의 (A), (B), (C) 그래프에서 각각의 횡축은 시행 횟수를 나타내며, 종축은 각각 X좌표 위치, Y좌표 위치, Z좌표 위치를 나타낸다. 또한, 흑색선은 단말기의 실제 위치를 나타내는 선이며, 녹색점은 각 시행에서 계산된 단말기의 위치를 나타낸다. 흑색선을 중심으로 녹색점들이 조밀하게 분포함을 확인할 수 있다.
도 7은 도 5의 시뮬레이션 환경 하에서 제2 실시예의 방법으로 위치 계산을 독립적으로 1000번 시행한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 6과 마찬가지로 도 7의 (A), (B), (C) 그래프에서 각각의 횡축은 시행 횟수를 나타내며, 종축은 각각 X좌표 위치, Y좌표 위치, Z좌표 위치를 나타낸다. 또한, 흑색선은 단말기의 실제 위치를 나타내는 선이며, 녹색점은 각 시행에서 계산된 단말기의 위치를 나타낸다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 무선 통신 장치
110a, 110b, 110c, 120: 안테나
200: 단말기

Claims (10)

  1. 무선 통신 신호를 송신하는 복수의 안테나를 갖는 무선 통신 장치;
    상기 안테나에서 송신하는 신호를 수신하는 단말기; 및
    상기 단말기에서 수신한 신호들의 도달 시간(time of arrial, TOA)과 신호 간의 도달 시간의 차이(time difference of arrival, TDOA)를 기반으로 단말기의 위치를 추정하는 위치 계산 모듈을 포함하되,
    상기 무선 통신 신호는 상기 복수의 안테나 중 복수의 제 1 안테나로부터 송신되는 복수의 제 1 신호 및 상기 복수의 안테나 중 상기 복수의 제 1 안테나와는 상이한 하나 이상의 제 2 안테나로부터 송신되는 제 2 신호를 포함하고,
    상기 도달 시간의 차이는 상기 복수의 제 1 신호가 상기 무선 통신 장치로부터 상기 단말기까지 도달하는 데 걸리는 시간들 사이의 차이고,
    상기 도달 시간은 상기 제 2 신호가 상기 무선 통신 장치로부터 상기 단말기까지 도달하는 데 걸리는 시간인, 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 무선 통신 신호는 TOA나 TDOA를 측정할 수 있도록 하는 반송파, 부반송파, 레인징 신호 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 무선 통신 장치는 반송파를 생성하는 반송파 생성 모듈과, 레인징 신호를 생성하는 레인징 신호 생성 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 위치 계산 모듈은 하기 수학식 1에 따른 TOA 측정치 모델을 통해 각 안테나로부터 단말기까지 신호가 도달하는데 걸린 시간을 추정하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템:
    [수학식 1]
    Figure 112012075572788-pat00055
  5. 제1항에 있어서, 상기 위치 계산 모듈은 하기 수학식 5에 따른 TDOA 측정치 모델을 통해 거리 도메인에서 i, j번 안테나로부터 단말기까지 측정 거리의 차이를 추정하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 시스템:
    [수학식 5]
    Figure 112012075572788-pat00056
  6. 하나 이상의 제1 안테나에서 송신한 반송파와 하나 이상의 제2 안테나에서 송신한 레인징 신호를 단말기에서 수신하는 단계;
    상기 단말기에서 수신한 신호를 기반으로 하여 위치 계산 모듈에서 각 안테나 별로 반송파 위상 측정치 및 레인지 측정치를 생성하는 단계;
    상기 위치 계산 모듈에서 각 안테나 간의 반송파 위상 측정치를 차분하는 단계; 및
    차분된 반송파 위상 측정치와 레인지 측정치를 기반으로 상기 위치 계산 모듈에서 단말기의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 각 측정치 잡음의 분산과 반송파 위상 측정치의 차분에 의한 상관관계를 고려하여, 단말기의 위치를 반복적으로 추정하고, 반복적으로 추정되는 단말기의 위치의 변화량이 일정 수준 이하로 수렴하면 최종적으로 상기 위치 계산 모듈에서 단말기의 위치를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 단말기의 위치 벡터는 하기 수학식 19에 따라 1차적으로 추정하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 방법:
    [수학식 19]
    Figure 112012075572788-pat00057

    여기서, H는 송신 안테나와 단말기 간의 기하학적 위치에 대한 행렬이며,
    R은 가중치를 위한 행렬이고,
    z는 차분된 반송파 위상 측정치와 레인지 측정치에 관한 정보를 나타내는 행렬이다.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 위치 계산 모듈에서 각 안테나 간의 반송파 위상 측정치를 차분하는 단계;
    상기 위치 계산 모듈이 상기 단말기가 속한 공간에 임의로 격자를 설정하는 단계;
    각 격자 점에서 각 안테나와의 실제 거리값을 차분하고, 차분된 반송파 위상 측정치와의 잔차값과, 레인지 측정치와의 잔차값을 계산하는 단계;
    각 잔차값의 조합을 이용하여 기준 오차값을 계산하는 단계; 및
    모든 격자 점에서의 기하학적 거리와 측정치 간의 오차 값을 계산하고, 기준 오차 값이 최소가 되는 점을 단말기의 위치로 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 차분된 반송파 위상 측정치와의 잔차값과, 레인지 측정치와의 잔차값을 각각 하기 수학식 23에 따라 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치 기반 위치 확인 방법:
    [수학식 23]
    Figure 112012075572788-pat00058

    여기서,
    Figure 112012075572788-pat00059
    는 임의의 하나의 격자점에서 k번 안테나까지의 거리를 나타내며,
    Figure 112012075572788-pat00060
    는 같은 격자점에서 i번 안테나와의 거리와 j번 안테나와의 거리의 차분값을 나타낸다.
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