KR101459046B1 - 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법 및 이를 이용한 통합항법장치 - Google Patents

Abstract

무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법은, 제1송신기와 수신기의 시각을 동기화 하는 단계, 제1송신기의 전파 송출 시각정보를 포함하는 전파를 수신기로 전송하는 단계, 전파 송출 시각정보와 전파 수신 시각정보를 비교하여 시간차이를 도출하는 단계, 시간차이와 전파의 속도를 통해서 제1송신기와 수신기의 거리를 도출하여 수신기의 위치 정보를 추정하는 단계를 포함한다.

Description

무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법 및 이를 이용한 통합항법장치 {ONE-WAY RF BASED DISTANCE MEASURING BETWEEN WIRELESS TRASMITTER AND RECIEVER METHOD AND INTEGRATED WITH INERTIAL NAVIGATION APPARTUS}

본 발명은 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법 및 이를 이용한 관성항법장치와의 결합 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단방향 전파를 이용하여 수신기의 거리를 측정하고 이를 관성항법장치에 결합하여 위치를 도출하는 방법에 관한 것이다.

전파는 무선통신을 위한 종래의 목적외에도 거리 측정을 위해서도 사용되고 있다. 항공기 착륙 장치 중 하나인 DME(Distance Measurement Equipment), 항해용 항법장치인 LORAN(Long Range Navigation), 위성항법시스템인 GPS(Global Positioning System) 등에서 전파를 이용하여 거리, 또는 거리차이를 구하고, 위치를 계산하는 데 사용한다. 이 외에도 실내와 같은 곳에서 사용하기 위하여 국소지역에서 Zigbee, UWB(Ultra Wide Band)를 이용한 거리 측정 및 위치 계산 장치들이 있다.

전파로 거리를 측정하기 위해서는 도면 1에 나타낸 바와 같이 두 단말기 사이 거리에 따라 소요되는 전파도달시간을 측정하여야 한다. 거리측정 오차는 시간 오차에 비례하고, 1μsec의 시간 오차만 있더라도 거리상으로는 300m의 큰 오차가 발생하기 때문에 두 단말기의 시간이 정확하게 동기되어 있어야 한다. 공간적으로 서로 떨어져 있는 두 단말기는 내장된 시계(오실레이터 등)의 오차로 인하여 정확하게 동기를 맞추는 것이 어렵다. 떨어진 두 단말기간의 시간 동기를 맞추기 위해서는 동기를 위한 별도의 링크를 사용하거나 원자시계와 같은 고성능의 시계를 사용하기도 한다. 그렇지만 두 단말기간의 거리가 매우 먼 경우에는 동기를 위한 단말기간의 연결이 어렵고, 원자시계를 사용한 경우에도 시간이 지남에 따라 성능이 열화되어 동기 오차가 발생하고 부피가 커지며, 고가인 문제가 있다.

한편, 두 단말기간의 직접적인 시간동기를 이루지 못하는 경우에 양방향 전파를 이용하는 방법이 있다.

양방향 전파를 이용한 방법은 도면 2에 나타낸 것과 같이, 거리를 측정하기 원하는 단말기쪽에서 다른 단말기로 전파신호를 송출한다. 다른 단말기는 전파신호를 수신한 후 신호를 송출한 단말기로 재송출한다. 재송출한 신호를 수신한 단말기에서는 전파신호가 왕복하는데 소요된 시간을 측정하여 두 단말기 사이의 거리를 계산한다. 양방향 전파를 이용한 방법을 위해서는 두 단말기간 모두 송수신 기능이 있어야 하며, 먼 거리에 있는 경우 고출력으로 전파신호를 송출하기 위하여 두 단말기의 부피, 무게 및 소모전력 등이 증가한다. 이러한 제한으로 양방향 전파를 이용한 방법은 수십~수백미터 범위의 좁은 지역이나, 부피, 무게 및 소모전력 등에 제한을 덜 받는 곳에서 사용된다. 또한 이 방법은 전파신호를 주고 받아야 하므로 동일한 주파수대역 안에서 많은 수의 단말기가 동시에 송수신하고 거리 측정하는 것이 어렵다.

한국공개특허 제2008-0050981호는 양방향 무선 전파 이동 시간을 이용한 거리 측정 방법 에 대해 개시하고 있으나, 이 한국공개특허에 개시된 기술은 상기한 바와 같이 단방향 전파를 활용하는 방식에는 적용하기가 어렵고, 양쪽 단말이 모두 신호를 송수신할 수 있는 기능이 구비되어야 하는 한계가 존재한다.

따라서, 양 단말간의 시계를 동기화하여 단방향 전파를 통해 거리를 측정하고, 동기화 된 시계가 시간이 지남에 따라 발생할 수 있는 오차를 보상하여 정밀도를 높일 수 있는 기술의 필요성이 절실하게 대두된다.

본 발명의 목적은 두 단말간의 거리를 측정함에 있어서, 이동식 송신기에서 단방향으로 송출된 전파 신호로 수신기에서 송신기로부터의 정확한 거리와 거리변화율을 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 측정된 거리 및 거리변화율 정보를 관성항법장치와 결합하여 보다 정밀한 위치정보를 제공하는 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법은, 제1송신기와 수신기가 소정의 거리에 위치하며 시각을 초기 동기화하고 수신기 시간 오차 변화율 및 주파수 오프셋을 추정하는 단계; 상기 수신기가 초기 동기화 이후 이동하며, 초기 동기된 시각정보와 시간 오차 변화율 정보를 이용하여 별도의 시각동기 기준이나 링크 없이 자체적으로 제1송신기와 동기된 시간을 계속적으로 계산하는 단계; 상기 제1송신기가 제1송신기의 전파 송출 시각정보와 제1송신기의 위치정보를 포함하는 전파를 상기 수신기로 전송하는 단계; 상기 수신기가 상기 전파 송출 시각정보와 상기 수신기의 자체 시간정보를 기반으로 전파 수신 시간정보를 비교하여 시간차이를 도출하는 단계; 및 상기 시간차이와 전파의 속도를 통해서 상기 제1송신기와 수신기의 거리를 도출하는 단계; 상기 수신기에서 제1송신기에서 도달한 신호의 주파수 도플러 변화량과 초기에 구한 주파수 오프셋을 반영하여 거리 변화율을 도출하는 단계를 포함한다.

이 때, 상기 제1송신기와 수신기의 시각을 동기화하고 수신기 내장된 시계의 오차 변화율을 추정하는 단계는, 상기 제1송신기와 수신기가 근접한 소정의 거리에 위치하고, 유선 또는 무선통신 방식으로 링크를 이루는 단계; 상기 제1송신기에서 펄스 형태의 신호와 신호 송출 시각정보를 포함하는 데이터 신호를 상기 수신기로 전송하는 단계; 상기 수신기에서 펄스 형태의 신호가 도달하는데 소요되는 시간을 측정하고, 상기 신호 송출 시각 정보가 포함된 데이터 신호를 통해서 수신기의 시각을 조절하여 시각 동기화를 이루는 단계; 를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제1송신기와 수신기의 시각정보를 동기화 하는 단계는, 상기 제1송신기에서 반복적으로 펄스 형태의 신호와 신호 송출 시각정보를 포함하는 데이터 신호를 상기 수신기로 전송하는 단계; 상기 수신기에서 펄스 형태의 신호가 도달하는데 소요되는 시간을 반복적으로 측정하여 변화율을 측정하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 수신기는 상기 변화율을 반영하여 수신기 시각의 오차를 보상하고, 이를 통해 상기 제1송신기의 시계와 수신기의 시계를 동기화 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 수신기는 전파의 도플러 변화량을 측정하여 수신기의 이동속력을 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법을 이용한 통합항법장치는 제1송신기와 시각동기화를 이룬 상태에서 제1송신기로부터 전달되는 전파를 수신하고, 상기 제1송신기와 수신기간의 거리정보 및 이동속도정보를 추정하는 수신기; 상기 수신기의 각속도와 가속도를 측정하는 관성측정기; 상기 관성측정기에 의하여 측정된 수신기의 각속도 및 가속도 정보를 바탕으로, 시간에 대한 연속적인 적분을 수행하여 소정의 출발점에 대한 수신기의 위치, 이동 속도를 도출하는 관성항법장치; 상기 관성항법장치로 도출한 수신기의 위치, 이동 속도 정보로부터 제1송신기로부터의 거리, 이동 속도를 계산한 후 상기 수신기로부터 얻은 거리, 이동 속도와 비교하여 오차를 추정하여 상기 관성항법장치의 오차를 보상하는 통합필터를 포함한다.

이 때, 상기 통합필터는 칼만필터인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법은 상기 수신기와 시각 동기화가 이루어지지 않은 제2송신기가 제2송신기의 위치정보와 전파 송출 시각정보를 포함하는 전파를 수신기로 전송하는 단계; 상기 제1송신기로부터 추정된 수신기의 위치정보와 상기 제2송신기의 위치정보를 비교하여 상기 제2송신기와 수신기의 거리를 도출하는 단계; 상기 도출된 제2송신기와 수신기의 거리와 상기 제2송신기의 전파 송출 시각정보를 통하여 상기 제2송신기와 수신기의 시각 차이를 도출하는 단계; 상기 수신기는 상기 제2송신기와 수신기의 시각 차이를 통해 시각 차이 정보를 저장하고, 상기 수신기의 시각을 조절하여 상기 제2송신기와 시각 동기화를 이루는 단계; 를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제1송신기와 제2송신기로부터 상기 수신기로 전송되는 전파는 코드분할방식으로 구분되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법을 이용한 통합항법장치는 제1송신기와 시각동기화를 이룬 상태에서, 상기 제1송신기와 시각동기화를 이루지 않은 제2송신기로부터 전달되는 전파를 수신하고, 상기 제1송신기 및 제2송신기와 수신기간의 거리정보, 위치정보 및 속도정보를 추정하는 수신기; 상기 수신기의 각속도와 가속도를 측정하는 관성측정기; 상기 관성측정기에 의하여 측정된 수신기의 각속도 및 가속도 정보를 바탕으로, 시간에 대한 연속적인 적분을 수행하여 소정의 출발점에 대한 수신기의 위치, 이동 속도를 도출하는 관성항법장치; 상기 관성항법장치로 도출한 수신기의 위치, 이동 속도 정보로부터 제1송신기로부터의 거리, 이동 속도를 계산한 후 상기 수신기로부터 얻은 거리, 이동 속도와 비교하여 오차를 추정하여 상기 관성항법장치의 오차를 보상하는 통합필터; 를 포함하고, 상기 추정된 상기 관성항법장치의 오차를 반영하여 상기 제2송신기와 수신기의 시각 동기화를 이룰 수 있다. 또한 같은 방법으로 제3송신기, 제4송신기에 대한 시각 동기화를 수행하여 거리 및 위치를 추정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 단방향 전파로 거리를 측정할 수 있으면, 작은 크기로 수신기를 로켓이나, 항공기 등에 탑재하여 알고 있는 위치에 설치된 송신기로부터의 거리와 속력 정보를 장거리까지 구할 수 있다.

또한, 이 정보를 이용하면 단독으로 자동 조정 등에 활용할 수 있다.

또한, GPS 수신기 등이 없이도 관성항법시스템의 오차를 추정하여 보상할 수 있으므로 관성항법장치 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 전파를 이용하여 두 단말기 사이의 거리를 측정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 양방향 전파를 이용하여 두 단말기 사이의 거리를 측정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 기준 시각 정보를 공유하여 단?향 전파로 두 단말기 사이의 거리를 측정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신기가 근접에 거리에 위치하여 초기 동기를 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 초기 동기 과정 중 수신기 시계의 시각 변화율을 추정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 송수신기간에 초기 동기 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기가 탑재된 항체의 속도를 추정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단방향 거리측정 기반의 통합항법장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다수의 비동기된 송신기 신호의 시각 동기오차를 초기 동기 과정 없이 구하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 10은 다수의 비동기된 송신기 신호 시각 오차 보상 후 통합항법장치의 필터 측정치를 확장하여 구성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단방향 거리측정 기반의 통합항법장치의 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 은 전파를 이용하여 송수신기 두 단말간의 거리를 측정하는 방법을 나타낸 도면이다.

도 2 는 양반양으로 송출된 전파 신호로 송수신기 두 단말간의 거리를 측정하는 방법을 나타낸 도면이다.

도 3 은 송수신기간에 기준 시각을 공유하여 단방향으로 송출된 전파 신호로 수신기에서 거리와 거리 변화율을 측정하는 방법을 나타낸 도면이다.

도 4 는 단방향으로 송출된 전파 신호로 수신기에서 정확한 거리와 거리 변화율을 측정하기 위하여 초기 시각과 주파수를 동기 시키는 방법을 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 단방향 전파를 이용하여 두 단말기(제1송신기 및 수신기) 사이의 거리를 측정하기 위해서는 제1송신기(100)와 수신기(200)를 구비하고, 이후, 제1송신기(100)와 수신기(200)는 가능한 근접한 거리에 위치하고, 두 단말이 모두 정지해 있거나, 동시에 움직이더라도 상대적인 거리는 변하지 않도록 하여 초기 상태의 두 간말간의 거리가 미리 입력되어 있어야 한다.

이후, 제1송신기(100)는 시각동기를 위한 펄스 형태의 신호와 제1송신기(100)의 시각정보를 수신기로 전송한다.

이후, 수신기(200)에 도달한 제1송신기(100)의 펄스 신호, 시각정보는 두 단말기간의 상대적인 거리에 해당하는 만큼 지연되어 도착하므로, 수신기(200)는 이를 고려하여 수신기(200) 자체 시계를 제1송신기(100)의 시각정보에 동기화 시킨다.

이후, 수신기(200)는 미리 정해진 일정 시간 후에 다시 제1송신기(100)로 펄스 신호를 전송하고, 제1송신기(100)에서는 신호 수신 시간이 미리 정해진 시간과 크게 벗어나지 않는다면 수신기(200)로 시각 동기가 이루어졌다는 신호를 전송한다.

반면, 신호 수신 시간이 미리 정해진 시간과 큰 차이가 난다면 앞의 과정을 다시 수행한다. 제1송신기(100)에서 판단하는 시간 차이는 시각 동기를 이루고자 하는 소정의 목표 정확도로부터 결정할 수 있다. 단, 수신기(200)가 제1송신기로 재전송하는 양방향 전송은 초기 상태에서만 수행하고, 초기화 완료 후에는 양방향 링크는 해제된다.

도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 단방향으로 송출된 전파 신호로 수신기에서 시간 오차의 변화율을 측정할 수 있는 방법을 나타내는 도면이다.

배경기술에서도 언급한 바와 같이 제1송신기(100)와 수신기(200)는 초기에 시간의 동기화를 이루더라도 시간이 흘러감에 따라 자체 시계의 오차로 인하여 동기화된 시계에 오차가 발생하여 거리 오차를 유발하고 결과적으로 위치 오차에도 영향을 줄 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 종래에는 양방향 전파를 이용하여 동기화 하는 방법, 고성능의 시계를 이용하는 방법 등이 제시되었으나 이를 단방향 전파의 거리측정 방법에 도입하는 것에는 많은 기술적 한계가 존재하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 단방향 전파를 이용하여 두 단말기(제1송신기 및 수신기) 사이의 거리를 측정하고 시간이 흐름에 따라 각각의 단말기에서 발생할 수 있는 시간 흐름 오차를 보정하기 위해서는, 제1송신기(100)와 수신기(200)는 초기 시각동기를 이룬 후, 고정된 거리에 위치한 상태를 유지한다.

이후, 제1송신기(100)는 시각 동기의 기준이 되는 펄스 형태의 신호와 시각 정보가 포함된 데이터 신호를 수신기(200)로 전송한다.(S20)

이후, 수신기(200)는 미리 알고 있는 위치의 제1송신기(100)가 전송한 기준 펄스 신호가 도달되는데 소요되는 시간을 측정하고, 거리를 계산한다.

이후, 일정 시간 동안 이 과정을 반복하면, 계산된 거리가 미리 알고 있는 거리와 차이나는 정도를 측정할 수 있고, 일반적인 시계의 특성상 차이나는 정도의 기울기를 계산하면 수신기(200)에 내장된 시계의 오차가 변화하는 정보를 알아낼 수 있다.

이후, 이 변화율을 메모리에 저장하여 송신기와 초기화와 양방향 링크가 해제된 후에 전파 도달시간을 측정하는데 있어 수신기(100) 시계 변화를 보상하는데 사용한다.(S50)

또한, 제1송신기(100)와 수신기(200)의 시각을 동기화 하는 방법과 수신기(200) 자체에서 발생할 수 있는 시각 오차 등의 보정 방법은 이하의 도5 내지 도8을 통하여 상세히 설명한다.

이러한 과정이 완료되면 수신기(200)는 제1송신기(100)와 링크를 해제하고 이동하게 되고, 수신기(200)는 초기 동기화된 시간으로부터 내장된 시계를 기반으로 연속적으로 시간을 계산할 수 있다.

이후, 제1송신기(100)는 미리 알고 있거나 GPS 등을 통하여 구한 자신의 위치를 측정하고 제1송신기(100)의 위치 정보와 전파 송출 시각 정보를 전파로 송출한다.

이후, 제1송신기(100)가 송출한 전파 신호를 수신기(200)가 수신하면 연속적으로 계산하고 있는 시간 정보를 기반으로 수신한 전파 신호의 도달 시간을 측정하여 거리를 측정할 수 있다.

상기와 바와 같이 제1송신기(100)로부터 단방향으로 송출된 전파를 통해 거리를 측정함에 있어서, 제1송신기(100)와 수신기(200)의 링크가 해제된 이 후 수신기(200) 자체에서 계산한 시간은 수신기(200) 시계의 변화로 인하여 거리 측정에 오차가 발생 할 수 있으므로, 초기에 구한 수신기(200) 시계 변화량과 이동하면서 발생하는 시계의 변화를 연속적으로 추정하여 수신기(200) 시계를 보상하여 제1송신기(100)와 시각의 동기가 유지되도록 할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기가 탑재된 항체의 속도를 추정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.

수신기(200)는 항체에 속하여 소정의 방향으로 이동할 수 있으며, 수신기(200)의 속도를 측정함으로써 항체의 이동속도를 추정할 수 있다. 즉, 수신기(200)가 이동하는 속도와 방향을 추정하여 본 발명이 적용될 수 있는 항체제어 분야에 응용하여 적용할 수 있게 된다.

전파는 고유의 주파수로 제1송신기(100)로부터 수신기(200)로 이동하게 됨으로 수신기(200)에서 수신한 신호의 전파(반송파) 주파수의 도플러 변화량을 이용하여 수신기(200)의 이동속도, 즉 항체의 속도를 추정할 수 있게 된다.

제1송신기(100)는 수신기(200)로 제1송신기(100)의 위치 및 속도정보를 포함하는 신호를 전송한다.(S100)

이후, 수신기(200)에서 수신된 신호 본래의 고유 주파수와 수신된 주파수를 비교하여 도플러 변화량을 측정한다.(S200)

이후, 수신기(200)에서 측정된 도플러 변화량을 바탕으로 수신기가 탑재된 항체의 속도를 추정한다.(S300)

추정한 도플러 변화량에는 수신기 시계 주파수 오차가 포함되어 있을 수 있으나, 수신기가 탑재된 항체가 일정 속도 이상으로 운동하며, 이 오차가 상대적으로 작으므로 수신기 자체 시계 오차의 영향을 고려하지 않고 사용할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단방향 거리측정 기반의 통합항법장치의 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 단?항 거리측정 기반의 통합항법장치는 수신기(200), 관성측정기(300), 관성항법장치(400) 및 통합필터(500)를 구비할 수 있다.

수신기(200)는 제1송신기(100)로부터 전달되는 전파를 수신하고, 제1송신기(100)와 수신기(200)간의 거리정보, 수신기(200)의 위치정보, 수신기(200)의 속도정보 등을 추정할 수 있다.

관성측정기(300)는 이동하는 항체의 각속도와 가속도를 측정하여 관성항법장치(400)에 제공한다.

관성항법장치(400)는 관성측정기(300)로부터 전달된 항체의 각속도 및 가속도 정보를 바탕으로, 시간에 대한 연속적인 적분을 수행하여 이미 알고 있는 출발점에 대한 항체의 위치, 이동 속도를 도출하고 이에 따라 항체의 진행방향을 결정할 수 있다.

통합항법장치에서는 관성항법장치(400)로 구한 위치, 속도 정보로 제1송신기(100)로부터의 거리, 속도를 계산한 후 수신기(200)로부터 얻은 거리, 속도정보를 통합필터를 통해 비교하여 관성항법장치(400) 오차를 추정하여 보상할 수 있다.

이때, 통합필터는 칼만필터를 이용하는 것이 바람직하며 칼만 필터는 기존에 알려진 확장형 칼만필터와 관성항법 오차모델을 이용하여 구성하며, 칼만필터 측정치는 관성항법장치(400)로 구한 위치, 속도 정보로 제1송신기(100)로부터의 거리, 거리 변화율을 계산한 값과 수신기(200)가 단방? 전파신호로부터 측정한 거리, 거리변화율의 차이를 사용하며 다음 식과 같다.

(수식 1)

(수식 2)

수식 1 및 수식 2에서,

는 관성항법장치(400) 정보로 구한 거리와 수신기(200)가 측정한 거리의 차이,

는 관성항법장치(400) 정보로 구한 거리 변화율과 수신기(200)가 측정한 거리 변화율의 차이,

는 관성항법장치(400)와 제1송신기(100)의 위치정보로 구한 시선각 벡터로

는 제1송신기(100)의 3차원 위치좌표,

는 관성항법장치(400)가 계산한 3차원 위치좌표이고,

는 칼만필터의 상태변수로 관성항법장치(400)의 순서대로 위치오차, 속도오차, 자세오차, 가속도계 오차, 자이로 오차이다.

도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다수의 송신기를 통하여 단방향으로 송출된 전파 신호로 수신기에서 정확한 거리와 거리변화율을 측정할 수 있는 방법을 나타내는 도면이다.

다른 일 실시예에 따른 다수의 송신기를 통하여 단방향으로 송출된 전파 신호로 수신기에서 정확한 거리와 거리변화율을 측정하기 위하여 제1송신기(110), 제2송신기(120) 및 수신기(210)를 구비할 수 있다.

제1송신기(110)기와 수신기(210)는 도3 내지 도8을 통하여 상기에서 설명한 바와 같이, 상기의 과정을 통하여 시각의 동기화가 이루어져 있으며 각 단말기간의 위치 및 거리정보를 모두 도출한 것으로 가정한다.

또한, 제2송신기(120)와 수신기(210)는 시각 동기화가 이루어져 있지 않는 것으로 가정한다.

먼저, 수신기(210)는 제2송신기(120)로부터 제2송신기(120)의 위치정보와 전파 송출 시각정보를 포함하는 신호를 전송 받는다.

제1송신기(110)와 제2송신기(120)의 신호를 구별하기 위해서는 코드 분할 방식(Code Division Multiple Access) 등의 구별방식을 적용할 수 있다.

이후, 수신기(210)가 초기 동기화된 제1송신기(110)의 신호와 다른 제2송신기(120)의 신호를 수신하면, 제1송신기(110)의 과정과 마찬가지로 제2송신기(120)와 수신기(210)의 자체 시계를 비교하여 각 단말기 사이의 거리를 측정하게 된다.

이때, 이 거리 정보는 제2송신기(120)와 수신기(210) 사이에 초기 동기를 이루지 않았으므로, 각 단말간의 시각 차이만큼의 오차를 가지고 있게 된다.

한편, 제1송신기(110)와 수신기(210) 사이에는 초기에 시각 동기를 이루고 있고 자체 시간 변화율을 알고 있으므로, 이를 통해 수신기(210)는 제1송신기와의 정확한 거리와 거리 변화율을 구하며 관성항법장치와의 결합을 통하여 위치, 속도, 자세 정보를 계산하고 있다.

따라서 수신기(210)는 제2송신기(120)에서 전송한 위치정보를 바탕으로 수신기(210)와 제2송신기(120) 사이의 거리를 측정할 수 있다.

또한, 이렇게 측정된 거리를 바탕으로 제2송신기(120)와 수신기(210)의 시각 차이를 도출하고, 이러한 시각 차이 정보를 저장한 후에 제2송신기(120)로부터 수신한 시간 정보를 이용하여 거리를 구할 때에는 이를 반영하여 계산하면, 제2송신기(120)와 수신기(210)간의 별도의 물리적인 시각동기 없이도 정확한 거리 계산이 가능하다.

또한, 상기 과정을 동일하게 적용하면, 수신기와 시각동기 되지않은 제3송신기, 제4송신기의 신호를 수신한 경우에도 시각동기 차이를 알아내어 정확한 거리를 계산할 수 있다.

이후, 제2송신기(120)로부터 수신한 신호에서도 수신기(210)는 거리 정보를 측정할 수 있으며, 제1송신기(110)와 마찬가지로 전파의 도플러 변화량을 측정하여 수신기(210)와 제2송신기(120)간의 거리 변화율을 측정할 수 있다.

이후, 도 10에 나타낸 것과 같이 제2송신기(120)로부터 수신한 신호로부터 측정한 거리와 거리변화율 측정치를 관성항법장치와 결합하는 통합필터에 다음식과 같이 추가하여 필터의 성능을 향상시킬 수 있다.

(수식 3)

수식 3을 참고하면,

,

는제1송신기(110)로부터 수신기(210)가 측정한 거리, 거리변화율과 관성항법장치가 계산한 거리, 거리변화율의 차이,

,

는제2송신기(120)로부터 수신기(210)가 측정한 거리, 거리변화율과 관성항법장치가 계산한 거리, 거리변화율의 차이,

는

각각 제1송신기(110)와 제2송신기(120)에 대한 시선각 벡터이다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1 : 송신기 2 : 수신기
10 : 단말1 20 : 단말2
100, 110 : 제1송신기 120 : 제2송신기
200, 210 : 수신기 300 : 관성측정기
400 : 관성항법장치 500 : 통합필터

Claims (12)

1. 제1송신기와 수신기가 시각정보를 초기 동기화하고, 상기 제1송신기와 수신기가 고정된 거리에 위치한 상태로, 상기 제1송신기에서 반복적으로 펄스 형태의 신호와 신호 송출 시각정보를 포함하는 데이터 신호를 상기 수신기로 전송하고, 상기 펄스 형태의 신호가 상기 수신기로 도달하는데 소요되는 시간의 변화율을 측정함으로써, 상기 수신기의 시간 오차 변화율 및 주파수 오프셋을 추정하는 단계;
   상기 수신기가 이동함에 따라, 초기 동기화된 시각정보와 시간 오차 변화율 정보를 이용하여 제1송신기와 동기된 시간을 계속적으로 계산하는 단계;
   상기 제1송신기가 전파 송출 시각정보와 위치정보를 포함하는 전파를 상기 수신기로 전송하는 단계;
   상기 수신기가 상기 전파 송출 시각정보와 상기 수신기의 자체 시간정보를 기반으로 전파 수신 시간정보를 분석하여 시간차이를 도출하는 단계;
   상기 시간차이와 전파의 속도를 통해서 상기 제1송신기와 상기 수신기간의 거리를 도출하는 단계; 및
   상기 수신기에서 상기 제1송신기로부터 전송된 신호의 주파수 도플러 변화량과 상기 주파수 오프셋을 반영하여 거리 변화율을 도출하는 단계를 포함하는, 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1송신기와 수신기가 시각정보를 초기 동기화하고 상기 수신기의 시간 오차 변화율 및 주파수 오프셋을 추정하는 단계는,
   상기 제1송신기와 상기 수신기가 미리 정하여진 거리에 위치하고, 유선 또는 무선통신 방식으로 양방향 링크를 이루는 단계;
   상기 제1송신기가 펄스 형태의 신호와 신호 송출 시각정보를 포함하는 데이터 신호를 상기 수신기로 전송하는 단계;
   상기 수신기가 전송된 상기 제1송신기의 신호 송출 시각정보에서 상기 제1송신기와 상기 수신기간의 미리 정하여진 거리 정보에 해당하는 시간 지연을 반영하여 상기 수신기의 시각정보를 상기 제1송신기와 동기화 시키는 단계;
   상기 수신기가 미리 정하여진 시간 후에 상기 수신기의 신호 송출 시각정보를 포함한 데이터를 상기 제1송신기로 전송하는 단계를 포함하는, 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1송신기가 상기 수신기에서 전송된 신호 송출 시각정보와 미리 정하여진 거리에 의한 지연 시간을 고려하여 상기 제1송신기의 시간과 상기 수신기의 시간 차이를 계산하여 검사하고, 검사결과를 상기 수신기에게 통보하는 단계를 더 포함하는, 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1송신기에서 검사한 시간 차이가 목표 정확도를 만족하지 못하는 경우, 상기 목표 정확도를 만족할 때까지 청구항 3의 각 단계를 재수행하는 것을 특징으로 하는, 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1송신기에서 검사한 시간 차이가 목표 정확도를 만족하는 경우, 상시 수신기는 시간 동기화를 완료하고, 상기 양방향 링크를 해제하고 자체적으로 시간 계산을 시작하는 것을 특징으로 하는, 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1송신기와 수신기가 시각정보를 초기 동기화하고 상기 수신기의 시간 오차 변화율 및 주파수 오프셋을 추정하는 단계는,
   상기 제1송신기와 상기 수신기가 미리 정하여진 거리에 위치하고, 상기 제1송신기가 반복적으로 펄스 형태의 신호와 신호 송출 시각정보를 포함하는 데이터 신호를 상기 수신기로 전송하는 단계;
   상기 수신기가 상기 펄스 형태의 신호가 도달하는데 소요되는 시간과 전파의 속도를 통해서 상기 제1송신기와의 거리정보를 반복적으로 계산하는 단계;
   상기 수신기가 반복적으로 구한 거리정보와 상기 제1송신기와 상기 수신기간의 미리 정하여진 거리를 비교하여 거리 변화율을 산출하고, 상기 수신기의 시간 변화율을 추정하는 단계;
   상기 수신기에서 수신한 제1송신기의 신호의 주파수와 수신기 기준 주파수를 비교하여 주파수 오프셋을 측정하는 단계; 및
   상기 시간 변화율과 상기 주파수 오프셋을 상기 수신기의 내부 메모리에 저장하는 단계를 포함하는, 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 수신기는 상기 거리 변화율을 반영하여 상기 수신기 시간에 따른 오차 변화를 보상하고, 상기 제1송신기의 시간과 상기 수신기의 시간을 동기화하고, 자체적으로 사이 제1송신기와 동기된 시간을 계속적으로 계산하는 것을 특징으로 하는, 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법.
8. 청구항 1항에 있어서,
   제2송신기가 상기 제2송신기의 위치정보와 전파 송출 시각정보를 포함하는 전파를 상기 수신기로 전송하는 단계;
   상기 제1송신기로부터 수신한 거리 및 거리변화율 정보로 보상된 통합항법장치의 위치정보와 상기 제2송신기의 위치정보를 비교하여 상기 제2송신기와 상기 수신기간의 거리를 도출하는 단계;
   상기 도출된 제2송신기와 수신기 간의 거리와 상기 제2송신기의 전파 송출 시각정보를 통하여 상기 제2송신기와 상기 수신기간의 시각 차이를 도출하는 단계;
   상기 수신기가 상기 도출된 제2송신기와 상기 수신기간의 시각 차이에 관한 정보를 저장하고, 상기 수신기의 시각을 조절하여 상기 제2송신기와 시각 동기화를 이루는 단계를 더 포함하는, 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법.
9. 청구항 8항에 있어서,
   상기 수신기는 상기 제1송신기 및 상기 제2송신기를 포함하는 다수의 송신기와 시각동기를 이루는 것을 특징으로 하는, 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리 측정 방법.
10. 제1송신기와 시각동기화를 이룬 상태에서 상기 제1송신기로부터 전달되는 전파를 수신하고, 상기 제1송신기와 수신기간의 거리와 거리 변화율정보를 추정하는 수신기;
    상기 수신기의 각속도와 가속도를 측정하는 관성측정기;
    상기 각속도 및 가속도 정보를 바탕으로, 시간에 대한 연속적인 적분을 수행하여 특정 지점의 출발점에 대한 상기 수신기의 위치, 이동 속도를 도출하는 관성항법장치; 및
    상기 도출된 수신기의 위치, 이동 속도 정보로부터 제1송신기로부터 상기 수신기까지의 거리 및 거리 변화율을 계산한 후 상기 수신기로부터 얻은 거리 및 거리 변화율정보와 비교하여 오차를 추정하여 상기 관성항법장치의 오차를 보상하는 통합필터; 를 포함하고,
    상기 제1송신기와 수신기 간 이루어지는 시각동기화는,
    상기 제1송신기와 수신기가 고정된 거리에 위치한 상태로, 상기 제1송신기에서 반복적으로 펄스 형태의 신호와 신호 송출 시각정보를 포함하는 데이터 신호를 상기 수신기로 전송하고, 상기 펄스 형태의 신호가 상기 수신기로 도달하는데 소요되는 시간의 변화율을 측정함으로써 추정되는 수신기의 시간 오차 변화율을 기초로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법을 이용한 통합항법장치.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 통합필터는 시각동기된 제1송신기로부터 수신한 신호로 측정한 거리 및 거리변화율 정보를 이용하여 관성항법장치의 오차를 보상하고,
    상기 수신기는 오차 보상된 관성항법장치의 위치 및 속도 정보를 이용하여 제2송신기와 시각동기를 이루며,
    상기 통합필터는 시각동기된 제2송신기로부터 수신한 신호로 측정한 거리 및 거리 변화율 정보를 저장하는 것을 특징으로 하는 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법을 이용한 통합항법장치.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 수신기는 상기 제1송신기 및 상기 제2송신기를 포함하는 다수의 송신기와 시각동기를 이루는 것을 특징으로 하는 무선 송수신기간에 단방향 전파 거리측정 방법을 이용한 통합항법장치.
    

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