KR101432901B1 - 기준국간 항법신호 송신간격 조정을 통한 위치오차 보정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수신단말에서 별도의 위치보정시스템을 구비하지 않고, 다수의 기준국에서 송신된 항법신호를 통해 수신자의 정확한 위치를 계산하도록 하는 새로운 기준국간 항법신호 송신간격 조정을 통한 위치오차 보정방법에 관한 것이다. 이를 위해, 지구상의 자신의 위치를 알고 있는 적어도 4개의 기준국으로부터 주기적으로 항법신호를 수신하는 수신단계와, 상기 기준국간에 주기적으로 시각 동기화를 위한 동기제어를 수행하는 동기단계, 각 기준국은 상기 수신단계에서 수신한 항법신호를 이용한 위치계산값과 실제 좌표를 비교하여 위치오차를 계산하는 오차계산단계, 상기 오차계산단계에서 계산된 위치오차를 반영하여 수신단말의 위치계산을 위한 항법신호를 재전송하는 전송단계, 그리고 상기 전송단계에서 전송된 항법신호를 수신하여 위치를 계산하는 위치계산단계를 포함하는 기준국간 항법신호 송신간격 조정을 통한 위치오차 보정방법이 개시된다.

Description

기준국간 항법신호 송신간격 조정을 통한 위치오차 보정방법 {Position error correction method using transmission interval adjustment of navigation signals among reference stations}

본 발명은 기준국간 항법신호 송신간격 조정을 통한 위치오차 보정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수신단말에서 별도의 위치보정시스템을 구비하지 않고, 다수의 기준국에서 송신된 항법신호를 통해 수신자의 정확한 위치를 계산하도록 하는 새로운 위치오차 보정방법에 관한 것이다.

일반적으로 지상의 이동체 또는 단말의 위치를 결정하기 위한 항법시스템은 Pilotage, 천체항법, Dead Reckoning, 관성항법, 무선항법(VOR, Omega, LORAN) 등 여러 가지 형태로 진화를 거듭하여, 위성항법시스템(Satellite-Based Navigation System)에 이르게 되었다.

위성항법시스템은 인공위성을 이용하여 위치를 결정할 수 있도록 하는 체계로 수신자가 지구상의 특정위치에서 인공위성을 통해 수신자의 위치(위도와 경도), 주변 지도 등의 정보를 전송받고 목적지로 이동하기 위한 쉬운 경로를 유추할 수 있도록 도와준다. 수신자의 위치를 파악하기 위하여, 수신기에서는 위성에서 발신된 전파를 수신하고, 위성으로부터의 거리를 계산함으로써 수신자의 위치를 결정할 수 있다.

이러한 위성항법시스템은 서비스의 범위가 전 세계적이고, 24시간 사용이 가능하며, 기상 상태에 무관하게 사용이 가능하고, 정확도가 뛰어나므로 현재까지 항법시스템 중에서 가장 완성된 형태라고 할 수 있다.

미국의 GPS(Global Positioning System)로 대표되는 위성항법시스템은 정보통신 산업의 급속한 확대와 더불어 항법, 측지, 측량, 우주, 통신, 국방, 기상, 지구과학에 이르기까지 폭 넓은 분야에서 사용되고 있다.

그러나 위성항법시스템은 이와 같은 많은 장점에도 불구하고 몇 가지 문제점을 갖고 있다. 먼저, 낮은 수신신호세기(-160dBW)로 인해 전파 교란에 취약하다는 것이다. 이를 보완하기 위해, 각국의 위성항법시스템은 신호의 암호화 및 다수의 주파수 사용을 통해 교란에 대한 대응력을 가지기 위한 노력을 하고 있다.

위성항법시스템의 다른 문제점은 항법신호(Navigation Signal)의 전파시 무선 채널을 통해 전달되고 매우 높은 상공으로부터 전송되어 오기 때문에 무선 채널의 특성과 자연현상에 의한 전파지연이 항상 포함되어 있다는 것이다. 신호의 도착시간을 이용한 거리기반의 측위 방식(TOA : Time Of Arrival)을 사용하는 위성항법시스템은 이러한 전파지연으로 인해 수십에서 수백 미터의 오차가 발생하게 된다.

이러한 전파지연을 발생시키는 요인으로는 지구상의 대류권, 전리층의 존재로 인한 전파지연, 그리고 다중경로(multi-path)로 인한 전파 지연 등 여러 가지 요인으로 인해 발생하게 된다.

그러나 위성항법시스템만으로는 오작동의 유무를 판단할 수 없다. 따라서 이를 모니터링하고 오차를 계산하여 이를 보정할 수 있는 보정/보강 시스템의 사용이 필요하게 된다.

일반적으로 이러한 보정시스템은 지상의 기준국, 항공기, 위성 등을 사용하여 항법신호를 모니터링함으로써 이를 통해 계산된 보정정보를 정지궤도 위성 또는 지상의 기지국과 같은 기존의 인프라를 사용하여 수신단말에 제공한다. 수신단말은 이러한 보정정보를 이용하여 자신의 위치를 수정하게 된다.

그러나 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술에 의한 보정시스템에 의하면, 항법신호의 모니터링을 위한 모니터링 시스템과 보정정보 제공을 위한 별도의 시스템이 구비되어야 하기 때문에 이러한 시스템을 구축하기 위해 막대한 비용이 소모되는 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 수신단말에서 별도의 오차보정시스템을 구비할 필요없이, 다수의 기준국으로부터 오차가 보정된 중계 항법신호를 사용하여 수신단말의 정확한 위치를 제공하도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 지구상의 자신의 위치를 알고 있는 적어도 4개의 기준국으로부터 주기적으로 항법신호를 수신하는 수신단계와, 상기 기준국간에 주기적으로 시각 동기화를 위한 동기제어를 수행하는 동기단계, 각 기준국은 상기 수신단계에서 수신한 항법신호를 이용한 위치계산값과 실제 좌표를 비교하여 위치오차를 계산하는 오차계산단계, 상기 오차계산단계에서 계산된 위치오차를 반영하여 수신단말의 위치계산을 위한 항법신호를 재전송하는 전송단계, 그리고 상기 전송단계에서 전송된 항법신호를 수신하여 위치를 계산하는 위치계산단계를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

이때, 상기 전송단계에서 각 기준국간의 동기 시각으로부터 위치오차만큼의 시간을 지연시켜 항법신호를 전송하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 오차계산단계에서 측정된 기지국의 오차 정보는 기준국간의 동기 제어시 서로 공유되는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 다수의 기준국으로부터 오차가 보정된 중계 항법신호를 사용하여 수신단말의 위치 계산이 가능하므로 수신단말은 오차가 보정된 정확한 위치 계산할 수 있는 효과를 가진다.

이와 더불어, 수신단말은 기준국으로부터 오차가 보정된 항법신호를 수신하여 정확한 위치를 계산할 수 있으므로, 수신단말에서 보정을 위한 별도의 보정 또는 보강 시스템을 구비하지 않아도 되므로 시스템 구축에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 의한 측위 시스템의 구성을 보인 개념도,
도 2는 본 발명에 의한 측위 시스템의 항법신호 송신방법을 보인 개념도,
도 3은 본 발명에 의한 측위 시스템에 의한 보정 방법을 보인 순서도,
도 4는 본 발명에 의한 측위 시스템의 보정 신호를 보인 개념도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1에는 본 발명에 의한 측위 시스템의 구성이 개념적으로 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 다수의 기준국(1)(Reference Station)과, 상기 기준국(1)으로부터 송신되는 항법신호를 중계하는 중계노드(3), 그리고 상기 중계노드(3)로부터 중계된 항법신호를 수신하는 수신단말(5)을 포함하여 구성된다.

상기 기준국(1)은 지구상에 위치하고, 지구상에서 자신의 정확한 위치(위도와 경도)를 알고 있다. 그리고 상기 수신단말(5)의 측위를 위한 항법신호(Navigation Signal)을 주기적으로 상기 중계노드(3)에 송신한다.

상기 중계노드(3)는 기준국(1)으로부터 수신된 항법신호를 지상에 위치하는 수신단말(5)에 방송(broadcasting)한다. 상기 중계노드(3)로는 일반적으로 인공위성이 사용되지만, 비행기와 같은 항공체 등 우주 또는 항공에 위치하고 있는 어느 것으로든 사용이 가능하다.

상기 수신단말(5)은 지구상에 위치하여 자신의 위치를 측위하고자 하는 것으로, 상기 중계노드(3)로부터 수신된 신호의 도달 시간차를 이용하여 자신의 지구상에서의 위치를 계산하게 된다.

이하에서는 도 2 내지 4를 참조하여 본 발명에 의한 위치 측위 방법에 대해 자세히 설명하도록 한다. 먼저, 도 2에는 본 발명에 의한 측위 시스템의 항법신호 송신방법을 보인 개념도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명에 의한 측위 시스템에 의한 보정 방법을 보인 순서도가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명에 의한 측위 시스템의 보정 신호가 도시되어 있다.

먼저, 도 2를 참조하여 설명하면, 도면에서 점선으로 표시된 화살표는 보정되기 전의 항법신호를 나타낸 것이고, 실선으로 표시된 화살표는 보정된 후의 항법신호를 나타낸 것이다.

먼저, 상기 중계노드(3)는 기준국(1)으로부터 송신된 항법신호를 수신하여 자신의 통신영역 내에 존재하는 모든 수신단말(5)들에게 방송(broadcasting)(도면의 점선 화살표 참조)한다. 이때 각 기준국(1)은 항법신호를 송신한 후 중계된 항법신호를 통해 자신의 위치를 계산하고 실제 기준국(1)의 좌표와 비교하여 오차를 계산할 수 있다.

그리고 각 기준국(1)은 계산된 오차를 반영하여 보정된 항법신호(실선 화살표 참조)를 수신단말(5)로 재송신한다. 이와 같이 재송신된 항법신호를 수신한 수신단말(5)은 수신된 항법신호를 사용하여 자신의 위치를 계산하게 되는데, 이는 오차가 보정된 항법신호이므로 이를 이용하여 수신단말(5)의 위치를 계산하면 수신단말(5)에서는 오차가 보정된 자신의 위치를 계산할 수 있게 된다.

좀 더 구체적으로 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.

먼저, 수신단말(5)의 위치를 계산하기 위해서는 상기 중계노드(3)의 위치를 알아야 한다. 상기 중계노드(3)의 위치는 중계된 항법신호의 중계 시점을 이용하여 TDOA(Time Difference of Arrival) 방법을 통해 계산된다. 구체적으로 상기 중계노드(3)는 4개의 기준국(1)에서 전송된 항법신호를 사용하여, TDOA 방법을 사용하여 중계노드(3)의 위치를 계산하게 된다. 그리고 상기 수신단말(5)의 위치 또한 계산된 중계노드(3)를 기준으로 한 TDOA 방법을 사용하여 위치를 계산할 수 있다.

TDOA 방법이란, 4개의 기준국(1) 중에서, 하나의 마스터 기준국(1)이 정해지고 상기 마스터 기준국(1)과 다른 기준국(1)과의 항법신호 도달 시간의 차이를 이용하여 수신단말(5)의 위치를 계산하는 방법으로 지상의 안테나에서 송신된 장파를 사용하여 측위를 행하는 전파항법시스템에서 사용되고 있다.

다음으로, 각 기준국(1)은 측위시스템의 운용시에 전송되는 항법신호를 다른 기준국들로부터 주기적으로 수신한다(S10). 그리고 본 발명에 의한 위치측위 시스템에서는 TDOA 기반의 알고리즘을 사용하고 있기 때문에 각 기준국(1)간에는 시간 동기화가 필요하다. 따라서 각 기준국(1)은 주기적으로 시각 동기 제어를 수행한다.

상기 중계노드(3)를 통해 중계된 항법신호는 신호의 전파시에 포함된 지연 오차와 수신단말(5)에서는 잡음 등을 포함한 신호이다. 이와 같이 오차가 포함된 신호를 사용한 기준국(1)에서의 오차가 포함된 위치와 각 기준국(1)의 실제 좌표를 비교하여 각 기준국(1)에서의 오차를 계산할 수 있다(S20).

구체적으로 설명하면, 상기 중계노드(3)를 통해 수신된 항법신호를 이용하여 기준국(1)에서의 오차를 계산하기 위해서는 기준국(1)에서 송신된 항법신호를 사용하여 각 기준국(1)의 위치를 계산한다. 항법신호를 이용하여 기준국(1)의 위치를 계산하기 위해서는, 적어도 4개의 기준국(1)이 필요하다. 4개의 기준국(1) 중에서 어느 하나의 기준국(1)이 마스터 기준국(1)이 된다. 상기 마스터 기준국(1)으로부터 도달한 항법신호와 다른 3개의 기준국(1)으로부터 수신된 항법신호의 도달 시간의 차이(Time Difference)를 이용하여 상기 기준국(1)의 위치를 계산한다. 이때, 계산된 기준국(1)의 위치(도 2의 P1e)는 대류권, 전리층, 전파 지연 등 여러 가지 오차가 포함되어 계산된 위치이다.

그리고 상기 기준국(1)은 지구상에서 자신의 위치(도 2의 P1c)에 대한 정보(위도, 경도)를 알고 있기 때문에 앞에서 측위된 위치계산정보와 실제 위치정보를 이용하여 각 기준국(1)에서의 위치오차를 계산할 수 있게 된다.

그 다음으로 본 발명에 의한 위치 측위 시스템에서는 앞에서 언급했듯이 TDOA 기반의 알고리즘을 사용하고 있기 때문에 각 기준국(1)간에는 시간 동기화가 이루어진다. 이때, 각 기준국(1)에서 계산된 위치 오차는 기준국(1)간 동기 제어를 수행할 때 서로 공유된다(S30). 이를 통해, 각 기준국(1)에서 지역적 또는 자연적인 원인으로 인해 발생하는 오차에 대한 범위를 결정할 수 있다.

그리고 앞에서 결정된 오차 범위를 바탕으로 각 기준국(1)이 항법신호를 송신할 때, 각 기준국(1)은 오차가 보정되도록 기준국(1)간의 송신 간격을 결정한다(S40). 이렇게 결정된 송신 간격에 따라 각 기준국(1)은 항법신호를 재전송하게 된다(S50). 그리고 각 기준국(1)은 주기적으로 항법신호의 수신 및 오차를 계산하는 모니터링을 수행하여 시간에 따라 변화하는 오차를 수정할 수 있게 된다.

도 4를 참조하여 오차가 보정된 항법 신호를 전송하는 방법에 대해 설명하도록 한다. 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 측위시스템은 TDOA 기반의 측위 시스템을 사용하고 있기 때문에, 각 기지국은 서로 시각 동기화가 되어 항법신호를 송신하게 된다.

그러나 앞에서 설명한 바와 같이, 각 기준국(1)에서 측정된 오차를 바탕으로 각 기준국(1)은 오차가 보정된 항법신호를 재전송하게 되는데, 이때, 도 4(b)에서 도시된 바와 같이 각 기준국(1)은, 각 기준국(1)에서의 오차만큼 송신 간격을 달리하여 항법신호를 재전송하게 된다.

도면에 도시된 바와 같이, 기준국(1) 1에서의 항법신호는 t3 만큼의 오차가 있으므로 동기시각(t0)에서 t3 만큼의 시간 지연 후에 항법신호를 송신하게 된다. 그리고 기준국(1) 2에서의 항법신호는 t2 만큼의 오차가 있으므로 동기시각(t0)에서 t2 만큼의 시간 지연 후에 항법신호를 송신하게 된다. 또한 기준국(1) 3에서의 항법신호는 t1 만큼의 오차가 있으므로 동기시각(t0)에서 t1 만큼의 시간 지연 후에 항법신호를 송신하게 된다.

마지막으로, 각 수신단말(5)은 이와 같이 오차가 보정된 항법신호를 수신하여 자신의 위치를 계산하게 되면 각 수신단말(5)에서 계산된 위치는 자연적 또는 지역적 원인으로 발생하는 오차가 보정된 정확한 위치를 계산할 수 있게 된다(S60).

이와 같이 본 발명에 의한 위치 보정방법에 의하면, 각 기준국(1)에서 항법신호를 송신할 때 오차가 반영된 항법신호를 송신하기 때문에, 각 수신단말(5)은 별도의 오차 보정 시스템을 구축할 필요가 없이 정확한 위치를 측위할 수 있게 된다. 따라서 수신단말(5)에서 위치 오차 계산을 위한 오차 보정 시스템을 구축할 필요가 없어 시스템 구축에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 장점을 가진다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

1:기준국
3:중계노드
5:수신단말

Claims (3)

1. 수신단말이 지구상의 자신의 위치를 알고 있는 적어도 4개의 기준국으로부터 송신된 항법신호를 중계노드로부터 중계받아 주기적으로 항법신호를 수신하는 수신단계와;
   상기 기준국간에 주기적으로 시각 동기화를 위한 동기제어를 수행하는 동기단계;
   각 기준국은 상기 수신단계에서 수신한 항법신호를 이용한 위치계산값과 실제 좌표를 비교하여 위치오차를 계산하는 오차계산단계;
   상기 오차계산단계에서 계산된 위치오차를 반영하여 수신단말의 위치계산을 위한 항법신호를 재전송하는 전송단계; 그리고
   상기 수신단말이 상기 전송단계에서 전송된 항법신호를 수신하여 위치를 계산하는 위치계산단계를 포함하여 구성되는 기준국간 항법신호 송신간격 조정을 통한 위치오차 보정방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 오차계산단계에서 측정된 기지국의 오차 정보는 기준국간의 동기 제어시 서로 공유되는 것을 특징으로 하는 기준국간 항법신호 송신간격 조정을 통한 위치오차 보정방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전송단계에서 각 기준국간의 동기 시각으로부터 위치오차만큼의 시간을 지연시켜 항법신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 기준국간 항법신호 송신간격 조정을 통한 위치오차 보정방법.
   

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