KR101402112B1 - 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 송신기에서 전송되는 동기 신호의 도착 시간을 다수의 수신기에서 보다 정확하게 측정할 수 있으므로 송신기의 위치 계산시 그 정확도를 증대시킬 수 있는, 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치에 관한 것으로서, 무선 송신기로부터 수신된 동기 신호의 도착 시간의 측정 분해능을 증가시키는 수신기와; 상기 수신기의 위치와 펄스 신호를 발생하는 GPS 수신기와; 상기 수신기에서 전송된 동기 신호의 도착 시간 및 상기 수신기의 위치를 이용하여 상기 무선 송신기의 위치를 계산하는 중앙처리장치를 포함할 수 있다.

Description

무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치{MEASUREMENT SYSTEM WITH HIGH RESOLUTION FOR SOURCE LOCALIZATION SYSTEM USING RF SIGNAL}

본 명세서는 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 송신기를 장착한 이동체의 위치를 측정하는 방법은 관성항법장치나 GPS 시스템을 이동체에 장착하여 이 장치로부터 출력되는 데이터를 처리하여 위치를 계산하는데, 이동체의 크기가 협소하여 관성항법장치나 GPS 시스템을 장착할 수 없는 경우 이동체에 장착된 송신기를 이용하여 그 위치를 계산한다. 위치 계산시 필수적인 요소는 동기 신호의 도착 시간를 오차없이 측정해야 하고 높은 분해능으로 측정해야 하는데 종래의 연구 결과는 송신기와 수신기의 발진기 오차와 다수의 수신기 사이에서 발생하는 동기 오차를 계산하지 못하여 동기 신호의 도착 시간을 정확히 측정하지 못하므로 위치 오차가 증가하는 문제점을 안고 있었다. 또한 수신기의 발진기의 주파수가 증가할수록 동기 신호의 도착시간을 좀더 높은 분해능으로 측정할 수 있으나 FPGA(Field Programmable Gate Array)와 같은 디지털 소자의 동작 속도에 제한이 있으므로 분해능에 한계를 갖는 문제점을 안고 있었다.

본 명세서는, 송신기에서 전송되는 동기 신호의 도착 시간을 다수의 수신기에서 보다 정확하게 측정할 수 있으므로 송신기의 위치 계산시 그 정확도를 증대시킬 수 있는 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 명세서에 개시된 실시예에 따른 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치는, 무선 송신기로부터 수신된 동기 신호의 도착 시간의 측정 분해능을 증가시키기 위해, 발진기의 클록 신호를 서로 다른 위상차를 갖는 다수개의 클록 신호로 변경한 후 상기 다수개의 클록 신호를 다수개의 카운터에 입력하고, 상기 다수개의 카운터를 이용하여 상기 수신된 동기 신호를 카운팅 하고, 상기 카운팅 값들을 합산하고, 상기 합산된 카운팅 값 및 해당 수신기의 위치를 출력하는 카운터 회로를 포함하는 N 개의 수신기와;

상기 해당 수신기의 위치와 펄스 신호를 발생하는 GPS 수신기와;

상기 N 개의 수신기에서 전송된 동기 신호의 도착 시간에 해당하는 상기 카운팅 값 및 상기 해당 수신기의 위치를 이용하여 상기 무선 송신기의 위치를 계산하는 중앙처리장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치는, 송신기에서 전송되는 동기 신호의 도착 시간을 다수의 수신기에서 보다 정확하게 측정할 수 있으므로 송신기의 위치 계산시 그 정확도를 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 송신기와 수신기 및 중앙 처리 장치(MPU)를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따라 각 수신기에 적용된 카운터 회로를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 동기 신호의 도착 시간을 4배의 분해능으로 측정하기 위한 예를 나타낸 도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 송신기와 수신기 및 중앙 처리 장치(MPU)를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

송신기(무선 송신기)(10)는 자신의 위치를 알고 있고, 일정한 주기로 동기 신호를 전송한다.

수신기 1(11)은 자신의 위치를 알고 있고, 송신기(10)가 전송한 동기 신호를 검출하여 상기 동기 신호의 도착 시간을 측정한 후, 그 측정된 도착 시간을 MPU(14)에 전송한다.

수신기 2(12)는 자신의 위치를 알고 있고, 송신기(10)가 전송한 동기 신호를 검출하여 상기 동기 신호의 도착 시간을 측정한 후, 그 측정된 시간을 상기 MPU(14)에 전송한다.

수신기 N(13)는 자신의 위치를 알고 있고, 송신기(10)가 전송한 동기 신호를 검출하여 상기 동기 신호의 도착 시간을 측정한 후, 그 측정된 시간을 상기 MPU(14)에 전송한다.

상기 MPU(Main Processing Unit)(중앙처리장치 또는 제어기)(14)는 N 개의 수신기에서 전송된 동기 신호의 도착 시간 및 각 수신기의 위치를 이용하여 송신기(10)의 위치를 계산한다.

송신기(10)는

에 위치하고, 그 위치를 알고 있으며, N 개의 수신기는 각각

에 위치하며 GPS 시스템을 탑재하고 있어서 각 수신기의 위치를 알 수 있으며, N 개 수신기를 시간 동기화 시키기 위하여 GPS에서 출력되는 1PPS(Pulse per Second) 신호를 이용하여 수신기에 탑재된 카운터 회로를 리셋(reset) 시킨다. 송신기(10)는 일정한 주기로 동기 신호를 전송하며, 임의의 수신기(예를 들면, 11,12)는 동기 신호를 수신하여 그 동기 신호의 도착 시간을 측정하여 중앙 처리 장치(MPU)(14)에 전송한다.

도 2는 본 발명에 따른 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치를 나타낸 도이다.

도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치는, 송신기(10)로부터 수신된 동기 신호의 도착 시간의 측정 분해능을 증가시키기 위해, 발진기의 클록 신호를 서로 다른 위상차를 갖는 다수개(q개)의 클록 신호로 변경한 후 상기 다수개(q개)의 클록 신호를 다수개(q개)의 카운터에 입력하고, 상기 다수개(q개)의 카운터를 이용하여 상기 수신된 동기 신호를 카운팅 하고, 그 카운팅 값들을 합산하고, 그 합산된 카운팅 값 및 상기 수신기의 위치를 출력하는 카운터 회로를 포함하는 N 개의 수신기와;

상기 수신기의 위치와 펄스(예를 들면, 1 PPS(Pulse per Second)) 신호를 발생하는 GPS 수신기(24)와; N 개의 수신기(예를 들면, 도면 부호 11,12)에서 전송된 동기 신호의 도착 시간에 해당하는 상기 카운팅 값 및 각 수신기의 위치를 이용하여 송신기(10)의 위치를 계산하는 MPU(Main Processing Unit)(중앙처리장치 또는 제어기)(14)를 포함한다.

상기 N 개의 수신기 각각은,

송신기(10)로부터 송신된 신호를 수신 안테나를 통해 수신하고, 그 수신된 신호(수신 신호)를 증폭 및 복조하는 증폭 및 복조부(20)와;

상기 증폭 및 복조부(20)에 의해 증폭 및 복조된 수신 신호와 동기 신호 저장부(22)에 미리 저장된 동기 신호(송신기(10)의 동기 신호)를 서로 비교하고, 상기 수신 신호와 상기 미리 저장된 동기 신호가 서로 일치하면 상기 수신 신호를 상기 송신기(10)의 동기 신호로서 출력하는 비교부(21)와;

클럭 신호를 발생하는 발진기(23)와;

해당 수신기의 위치와 펄스(예를 들면, 1 PPS(Pulse per Second)) 신호를 발생하는 GPS 수신기(24)와;

상기 동기 신호의 도착 시간의 측정 분해능을 증가시키기 위해, 상기 발진기(23)의 클록 신호를 서로 다른 위상차를 갖는 다수개(q개)의 클록 신호로 변경한 후 상기 다수개(q개)의 클록 신호를 다수개(q개)의 카운터에 입력하고, 상기 다수개(q개)의 카운터를 이용하여 상기 수신된 동기 신호를 카운팅 하고, 그 카운팅 값들을 합산하고, 그 합산된 카운팅 값 및 상기 수신기의 위치를 상기 MPU(14)에 출력하는 카운터 회로(25)를 포함한다. 상기 q는 4 이상의 자연수이다.

상기 카운터 회로(25)는 상기 펄스(예를 들면, 1 PPS(Pulse per Second)) 신호에 의해 주기적으로 리셋된다.

상기 카운터 회로(25)는 360/q도만큼 위상 차이를 갖는 q개의 클록과 q개의 카운터를 사용하면 분해능을 q 배 증가시킬 수 있다. 본 발명에서는 도 3에서 보는 바와 같은 발진기(23)의 주파수를 증가시키지 않고 상기 카운터 회로(25)를 통해 분해능을 증가시킨다.

도 3은 본 발명에 따라 각 수신기에 적용된 카운터 회로를 나타낸 도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 상기 카운터 회로(25)는,

발진기(23)의 클록 신호를 위상 지연시킴으로써 다수의(q개) 클록 신호를 발생하는 위상 지연부(25-1)와;

상기 다수의(q개) 클록 신호에 따라 상기 수신된 동기 신호를 카운팅하는 다수의(q개) 카운터(25-2, 25-3)와;

상기 다수의(q개) 카운터를 통해 카운팅된 값을 합산하고, 그 합산된 카운터 값을 상기 MPU(14)에 출력하는 카운터 합산부(25-4)를 포함한다.

상기 MPU(Main Processing Unit)(중앙처리장치 또는 제어기)(14)는 N 개의 수신기(예를 들면, 도면 부호 11,12)에서 전송된 동기 신호의 도착 시간에 해당하는 상기 카운팅 값 및 각 수신기의 위치를 이용하여 송신기(10)의 위치를 계산한다. 상기 송신기(10)의 위치를 계산하는 방법 자체는 이미 공지된 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 발진기(23)의 주파수는 300MHz(

) 이며, 전파의 속도가

이므로 카운터 회로(25)의 분해능은 1m 이다. 카운터 회로(25)의 분해능을 증가시키기 위해서는 발진기(23)의 주파수를 증가시켜야 한다. 예를 들어 분해능을 0.1m 로 하기를 원한다면 필요한 발진기(23)의 주파수는 3GHz

이다. 그러나 디지털 회로는 최대로 작동하는 주파수에 한계가 있기 때문에 분해능을 증가시키기 위하여 발진기(23)의 주파수를 증가시키는데 문제가 발생한다. 예를 들어, 도 4에서 Clock 1(31) 보다 4 배 높은 주파수(30)를 발생시키지 않고 분해능을 4배 증가시키기 위하여 Clock 2(32)와 같은 신호를 발생시킨다. 이때, Clock 2(32)는 Clock 1과 90도 위상차가 발생하여야 한다. Clock 3(33)과 Clock 4(34)는 180도, 270도 위상차가 발행하도록 생성한다. 그 생성된 4개의 Clock 을 4개의 카운터에 입력한 후, 도 4과 같이 그 카운터 값을 더하면 4배 증가된 Clock의 카운터 값을 얻을 수 있다. 주파수(30)는 발진기(40)의 출력보다 4배 주파수를 갖는 클록 신호를 나타낸다.

Clock 1(31)은 발진기에서 출력된 신호를 나타내며, Clock 2(32)는 발진기(23)에서 출력된 클록 신호를 90도 지연 시킨 클록 신호를 나타내며, Clock 3(33)은 발진기(23)에서 출력된 클록 신호를 180도 지연 시킨 클록 신호를 나타내며, Clock 4(34)는 발진기(23)에서 출력된 클록 신호를 270도 지연 시킨 클록 신호를 나타낸다.

따라서, 카운터 회로(25)를 통해 360/q도만큼 위상 차이를 갖는 q개의 클록과 q개의 카운터를 사용하면 분해능을 q 배 증가시킬 수 있다.

이하에서는, 각 수신기에 포함된 카운터 회로(25)를 사용하여 동기 신호의 도착 시간에 해당하는 카운터 값을 출력하는 과정을 설명한다.

먼저, 각 수신기는 동기식 도착 시간 (Synchronous TOA)를 이용한 송신기의 위치를 계산하기 위하여 동기 신호의 도착 시간을 측정해야 한다. 본 발명에서는 카운터 회로(25)를 사용하여 동기 신호의 도착 시간을 측정하며, 그 도착 시간에 해당하는 카운터의 출력 값은 수학식 1에 의해 결정된다.

수학식 1에서 각 부호의 의미는 다음과 같다.

: 수신기 j에서 카운터 출력 값

q: 수신기 내 카운터 개수

: 송신기와 수신기 사이의 거리

: 송신기 내부 발진기의 명목상 주파수

: 수신기 j 내부 발진기의 명목상 주파수

c: 전파 속도

: 수신기 j 내부 발진기의 주기 =

: 수신기 j 의 카운터 리셋 후 송신기에서 첫번째 동기신호를 전송한 시간

: 수신기 j 의 카운터 리셋 시간

: 측정 오차

수학식 1의 오른쪽 첫번째 항은 송신기와 수신기 j 사이의 거리이고, 두번째 항은 송신기와 수신기의 발진기의 오차에 관련된 항이며, 세번째 항은 수신기 j 의 카운터 리셋 후 송신기(10)에서 첫번째 동기 신호를 전송한 시간이다.

수학식 1의 오른쪽 두번째 항을 계산하기 위하여 다음과 같이 t = k+1 시간에서 카운터 출력 값을 측정하면 수학식 2와 같다.

송신기(10)는 이미 알고 있는 위치

에 정지하고 있으며, 수신기 j 도 이미 알고 있는 위치

에 정지하고 있으므로 수학식1과 수학식2의 오른쪽 첫번째 항은 상수 항이고, 수신기 j 가 리셋된 후 송신기에서 첫번째 동기신호를 전송한 시간도 일정한 값이므로 수학식1과 수학식2의 오른쪽 세번째 항도 상수의 값을 갖는다. 수학식 2에서 수학식1을 빼면 수학식 3과 같다.

수학식 3에서

이므로 수학식 3을 다시 쓰면 수학식 4와 같다.

수학식 4에서 명목상의 주파수에 의한 값을 빼면 송신기와 수신기의 발진기에 의한 오차(

)를 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.

수학식 1의 오른쪽 세번째 항을 계산하기 위하여 k = 0 일 때의 카운터 출력 값을 측정하면 수학식 6과 같다.

송신기는 이미 알고 있는 위치

에 정지하고 있으며 수신기 j 도 이미 알고 있는 위치

에 정지하고 있으므로, 수학식 6의 오른쪽 첫번째 항은 계산 가능하고 측정 오차

이므로 동기 신호의 오차는 수학식 7과 같이 구할 수 있다.

상기 수학식 1 ~ 7에 대해는 MPU(14)에서 처리하며, 각 수신기는 전송된 동기 신호의 도착시간에 해당하는 카운팅 값을 계산한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치 및 그 오차 보정 방법은, 송신기에서 전송되는 동기 신호의 도착 시간을 다수의 수신기에서 보다 정확하게 측정할 수 있으므로 송신기의 위치 계산시 그 정확도를 증대시킬 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

20: 증폭 및 복조부 21: 비교부
22: 동기 신호 저장부 23: 발진기
24: GPS 수신기 25: 카운터 회로

Claims (6)

1. 무선 송신기로부터 수신된 동기 신호의 도착 시간의 측정 분해능을 증가시키기 위해, 발진기의 클록 신호를 서로 다른 위상차를 갖는 다수의 클록 신호로 변경한 후 상기 다수의 클록 신호를 다수의 카운터에 입력하고, 상기 다수의 카운터를 이용하여 상기 수신된 동기 신호를 카운팅 하고, 상기 카운팅 값들을 합산하고, 상기 합산된 카운팅 값 및 해당 수신기의 위치를 출력하는 카운터 회로를 포함하는 N 개의 수신기와;
   상기 해당 수신기의 위치와 펄스 신호를 발생하는 GPS 수신기와;
   상기 N 개의 수신기에서 전송된 동기 신호의 도착 시간에 해당하는 상기 카운팅 값 및 상기 해당 수신기의 위치를 이용하여 상기 무선 송신기의 위치를 계산하는 중앙처리장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 N 개의 수신기 각각은,
   상기 무선 송신기로부터 전송된 신호를 수신 안테나를 통해 수신하고, 상기 수신된 신호를 증폭 및 복조하는 증폭 및 복조부와;
   상기 증폭 및 복조부에 의해 증폭 및 복조된 신호와 동기 신호 저장부에 미리 저장된 동기 신호를 서로 비교하고, 상기 수신된 신호와 상기 미리 저장된 동기 신호가 서로 일치하면 상기 수신된 신호를 상기 무선 송신기의 동기 신호로서 출력하는 비교부와;
   상기 클록 신호를 발생하는 상기 발진기와;
   상기 동기 신호의 도착 시간의 측정 분해능을 증가시키기 위해, 상기 발진기의 클록 신호를 서로 다른 위상차를 갖는 상기 다수의 클록 신호로 변경한 후 상기 다수의 클록 신호를 다수의 카운터에 입력하고, 상기 다수의 카운터를 이용하여 상기 수신된 동기 신호를 카운팅 하고, 상기 카운팅 값들을 합산하고, 상기 합산된 카운팅 값 및 상기 해당 수신기의 위치를 상기 중앙처리장치에 출력하는 상기 카운터 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 카운터 회로는 상기 펄스 신호에 의해 주기적으로 리셋되는 것을 특징으로 하는 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 카운터 회로는,
   상기 발진기의 클록 신호를 위상 지연시킴으로써 상기 다수의 클록 신호를 발생하는 위상 지연부와;
   상기 다수의 클록 신호에 따라 상기 수신된 동기 신호를 카운팅하는 상기 다수의 카운터와;
   상기 다수의 카운터를 통해 카운팅된 값을 합산하고, 상기 합산된 카운터 값을 상기 중앙처리장치에 출력하는 카운터 합산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 중앙처리장치는,
   상기 도착 시간에 해당하는 이전의 카운터 값과 현재의 카운터 값의 차를 근거로 상기 발진기의 오차를 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 중앙처리장치는,
   상기 발진기의 오차를 이용하여 상기 해당 수신기의 동기 오차를 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 송신기의 위치 계산을 위한 고 분해능 측정 장치.

Images