KR101460149B1 - Ｇｐｓ 정보를 이용해 상대 거리 및 위치를 결정하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 GPS 정보를 이용해 상대 거리 및 위치를 결정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 상대 거리를 결정하는 방법은, 복수 개의 단말기에 각각 구비된 GPS(global positioning system) 수신기를 이용하여 단말기들이 각각 GPS 위성으로부터 GPS 정보를 수신하고, 무선 통신을 이용하여 제 1 단말기가 제 2 단말기와 수신된 자신의 GPS 정보를 교환하고, 제 1 단말기가 자신의 GPS 정보와 제 2 단말기로부터 수신한 GPS 정보를 비교하여 양자가 일치하는 공통의 GPS 위성을 선택하고, 선택된 공통의 GPS 위성을 이용하여 제 1 단말기와 제 2 단말기의 절대 좌표를 각각 산출하며, 제 1 단말기의 절대 좌표와 제 2 단말기의 절대 좌표의 차를 연산하여 양자 간의 상대 거리 및 위치를 산출한다.

Description

ＧＰＳ 정보를 이용해 상대 거리 및 위치를 결정하는 장치 및 방법{Apparatus and method of determining relative distance and position using global positioning system information}

본 발명은 복수 개의 물체 간의 상대적인 거리(relative distance) 및 위치를 결정하는 기술에 관한 것으로, 특히 자동차와 같은 이동체에서 위성으로부터 수신되는 GPS(global positioning system) 정보와 이동체 주위에 존재하는 다른 물체와의 통신을 이용해 물체 간의 상대적인 거리와 각 이동체의 위치를 결정하는 장치, 방법 및 이를 기록한 기록매체에 관한 것이다.

GPS(Global Positioning System)는 GPS 위성에서 보내는 신호를 수신해 사용자의 현재 위치를 계산하는 위성항법시스템이다. 항공기, 선박, 자동차 등의 내비게이션 장치에 주로 쓰이고 있으며, 최근에는 스마트폰, 태블릿 PC등에서도 많이 활용되는 추세다.

GPS는 위성 부문, 지상관제 부문, 사용자 부문으로 구성된다. 여기서 위성 부문은 GPS 위성을, 지상관제 부문은 지상에 위치한 제어국을, 사용자 부문은 GPS 수신기를 말한다.

지구 위에는 약 30여개의 GPS 위성이 돌고 있다. 이중 24개의 위성이 지구를 고전하는 6개의 궤도면에 분포해 전세계 어디에서도 최소 6개의 GPS 위성을 관측할 수 있도록 한다. 나머지 6개의 위성은 24개의 위성에 문제가 생겼을 경우 백업 역할을 수행한다. GPS 위성은 태양 에너지로 작동되며, 수명은 약 8~10년 정도다. 제어국은 미국 콜로라도 스프링스(Colorado Springs)에 있는 주 제어국과, 세계 곳곳에 분포된 5개의 부 제어국으로 나뉜다. 각 부 제어국은 상공을 지나는 GPS 위성을 추적하고 거리와 변화율을 측정해 주 제어국으로 보낸다. 주 제어국은 정보를 취합해 위성이 제 궤도를 유지하도록 처리한다. GPS 수신기는 GPS 위성의 신호를 수신하는 안테나, 시계, 신호를 처리하는 소프트웨어, 이를 출력하는 출력장치 등으로 이루어져 있다.

이러한 GPS를 차량과 같은 이동체(moving body)에 채택함으로써 차량의 이동에 관한 정보뿐만 아니라, 차량의 제어 및 운행과 같은 다양한 분야에 활용할 수 있는 기술 및 특허에 관해서는 이하에서 인용되는 비특허문헌을 통해 제시된 바 있다.

그러나, 이러한 종래의 GPS 수신기를 활용하는 방법은 하나의 GPS 수신기를 통해 수신된 GPS 정보만을 이용하여 자신의 위치 내지 운행 상황을 파악하기 위해 활용되고 있을 뿐, 주위의 물체 또는 이동체와 상호 통신이 이루어지지는 않고 있으며, 이로 인해 이동체 자신을 둘러싼 다양한 객체와의 상대적인 위치 정보를 제공해주지는 못한다.

자동차 GPS(Global Positioning System)의 특허동향, 이유미, 한국특허정보원, 2002.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 GPS 정보를 수신하는 이동체가 자신의 위치만을 파악할 수 있을 뿐, GPS 위성으로부터 수신된 GPS 정보만으로는 이동체 주위의 이동체 또는 고정체 등 여타의 물체와의 상대적인 위치 관계를 파악할 수 없다는 한계를 극복하고, 그로 인해 이동체 자신의 운행에 작용할 수 있는 주변의 위험 상황에 효과적으로 대처할 수 없는 문제점을 해결하고자 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 방법은, 상기 복수 개의 단말기에 각각 구비된 GPS(global positioning system) 수신기를 이용하여 상기 단말기들이 각각 GPS 위성으로부터 GPS 정보를 수신하는 단계; 무선 통신을 이용하여 제 1 단말기가 제 2 단말기와 상기 수신된 자신의 GPS 정보를 교환하는 단계; 상기 제 1 단말기가 자신의 GPS 정보와 상기 제 2 단말기로부터 수신한 GPS 정보를 비교하여 양자가 일치하는 공통의 GPS 위성을 선택하는 단계; 상기 선택된 공통의 GPS 위성을 이용하여 상기 제 1 단말기와 상기 제 2 단말기의 절대 좌표를 각각 산출하는 단계; 및 상기 산출된 제 1 단말기의 절대 좌표와 상기 산출된 제 2 단말기의 절대 좌표의 차를 연산하여 양자 간의 상대 거리 및 위치를 산출하는 단계;를 포함한다.

일 실시예에 따른 상기 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 방법에서, 상기 GPS 위성으로부터 수신된 GPS 정보는 GPS 원시 데이터(raw data)로서, 코드파, 위상파, 메시지 및 NMEA 프로토콜(protocol) 데이터를 포함한다.

일 실시예에 따른 상기 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 방법에서, 상기 무선 통신은 상기 단말기들 간의 애드혹(Ad-hoc) 네트워크에 기반한 통신이다.

일 실시예에 따른 상기 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 방법에서, 상기 선택된 공통의 GPS 위성은 적어도 3개 이상이며, 상기 단말기들의 절대 좌표는 상기 단말기와 상기 GPS 위성 간의 거리를 반지름으로 하는 적어도 3개의 원의 교차점으로부터 산출된다.

일 실시예에 따른 상기 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 방법에서, 상기 단말기는 이동체에 설치되고, 칼만 필터(Kalman filter)를 이용하여 상기 이동체의 위치를 추정하는 단계를 더 포함한다.

일 실시예에 따른 상기 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 방법은, 상기 제 1 단말기가 주변에 존재하는 복수 개의 단말기에 대하여 상기 과정들을 반복 수행함으로써 상기 각각의 단말기들과의 상대 거리 및 위치를 결정하는 단계; 및 상기 복수 개의 단말기에 대하여 결정된 상기 상대 거리 및 위치로부터 상기 제 1 단말기 자신을 중심으로 한 토폴로지(topology)를 형성하는 단계;를 더 포함한다.

나아가, 이하에서는 상기 기재된 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 장치는, 상기 단말기에 구비되어 GPS 위성으로부터 GPS 정보를 수신하는 GPS 수신기; 주변 단말기로부터 상기 주변 단말기의 GPS 정보를 수신하는 무선 통신부; 및 상기 단말기 자신의 GPS 정보와 상기 주변 단말기로부터 수신한 GPS 정보를 비교하여 양자가 일치하는 공통의 GPS 위성을 선택하고, 상기 선택된 공통의 GPS 위성을 이용하여 상기 단말기 자신과 상기 주변 단말기의 절대 좌표를 각각 산출하여, 산출된 양 절대 좌표의 차를 연산함으로써 양자 간의 상대 거리 및 위치를 산출하는 연산부;를 포함한다.

일 실시예에 따른 상기 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 장치에서, 상기 GPS 위성으로부터 수신된 GPS 정보는 GPS 원시 데이터로서, 코드파, 위상파, 메시지 및 NMEA 프로토콜 데이터를 포함한다.

일 실시예에 따른 상기 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 장치에서, 상기 무선 통신은 상기 단말기들 간의 애드혹 네트워크에 기반한 통신이다.

일 실시예에 따른 상기 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 장치에서, 상기 선택된 공통의 GPS 위성은 적어도 3개 이상이며, 상기 단말기들의 절대 좌표는 상기 단말기와 상기 GPS 위성 간의 거리를 반지름으로 하는 적어도 3개의 원의 교차점으로부터 산출된다.

일 실시예에 따른 상기 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 장치에서, 상기 단말기는 이동체에 설치되고, 상기 이동체의 움직임에 따른 관성력을 검출하는 관성 센서(inertial sensor) 또는 상기 이동체에 가해지는 기압을 검출하는 기압 센서를 더 포함하고, 상기 연산부는 상기 관성 센서 또는 상기 기압 센서를 이용하여 상기 GPS 정보의 오차를 보정한다.

일 실시예에 따른 상기 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 장치에서, 상기 연산부는, 상기 단말기의 주변에 존재하는 복수 개의 단말기 각각에 대하여 상기 상대 거리 및 위치를 결정하고, 상기 결정된 상기 상대 거리 및 위치로부터 상기 단말기 자신을 중심으로 한 토폴로지를 형성한다.

본 발명의 실시예들은 복수 개의 수신기를 통해 수신한 GPS 정보 중, 공통되는 GPS 위성을 선택하고 이로부터 각각의 수신기의 절대 좌표 및 상대 좌표를 산출함으로써, 복수 개의 수신기를 구비한 단말기 간의 상대 거리 및 위치를 획득할 수 있고, 애드혹 통신을 이용하여 위성 정보 교환을 수행함으로써 측위의 효율 및 정확도를 향상시킬 수 있으며, 이동체 자신의 운행에 작용할 수 있는 주변의 위험 상황에 효과적으로 대처할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 복수 개의 이동체들 간의 상대 거리를 산출하는 기본 아이디어를 설명하기 위한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 장치를 이용해 2개의 GPS 수신기에서 공통되는 GPS 위성을 선택하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3에서 2개의 단말기들의 순차적인 데이터 처리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 장치를 도시한 블록도이다.

본 발명의 실시예들을 설명하기 앞서, 본 발명의 실시예들이 활용되는 이동체에서의 측위에 관한 기술 분야에 관한 본 발명의 문제 인식과 이를 해결하고자 하는 기본 아이디어를 소개하도록 한다.

위성을 이용한 위치 측위 방식으로는 지피에스(GPS, Global Positioning System), 디지피에스(DGPS, Differential Global Positioning System), 에이지피에스(AGPS,Assisted Global Positioning System) 등이 알려져 있다. 일반 GPS 원시 정보(Raw data)에 기지국/기준국에서 측정된 오차 보정을 위한 정보를 받아 위치 오차를 줄이는 방식이 디지피에스(DGPS)와 에이지피에스(AGPS) 이다. 일반적으로 위성 측위 시스템은 일반 GPS인 경우 위성들의 측위 정보를 바탕으로 자체 계산을 통하여 위치를 판단하고, 디지피에스(DGPS)와 에이지피에스(AGPS)의 경우는 기지국 혹은 기준국에서 위성정보를 분석하여 일정 지역(기지국/기준국 통신가능 거리, 위성오차 적용범위)의 위성 오차정보를 일반 GPS에 적용하여 측위 오차 정도를 줄이는 방법이다.

그러나, 상기된 종래의 측위 방법에 따라 이동체 자신이 수신한 GPS 정보만으로는 이동체 주위에 존재하는 차량, 단말기, 노변 장치 등에 대한 상대 위치/거리를 정확하게 판단할 수 없다. 특히, 종래의 위성 측위 시스템은 기지국/기준국에서의 위성정보 분석과 일정 지역(기지국/기준국 통신가능 거리, 위성오차 적용범위)의 오차정보 적용 없이는 오차의 정도를 줄일 수 없다.

예를 들어, 이동 중인 차량은 자신이 수신한 GPS 정보를 통해 자신의 현재 위치만을 알 수 있을 뿐, 주위의 이동 차량의 위치는 알 수가 없다. 비록, 초음파 송수신 장치나 카메라 등과 같은 부가적인 장치를 통해 주위의 상황을 파악할 수도 있으나, 이동 차량들 간에 차폐물이 존재하거나 야간과 같은 상황 하에서는 이러한 부가적인 장치를 통해 주위의 이동 차량에 대한 정보를 정확하게 확보하는 것이 매우 곤란하다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, GPS 정보를 이용하여 이동체 주위의 물체와의 상대적인 거리를 측정, 파악할 수 있는 기술적 수단을 제공한다.

통상적으로, GPS는 GPS 위성과 GPS 수신기의 거리를 계산해 좌표값을 구한다. 만일 우리가 GPS 위성의 위치와 거리를 정확하게 알 수 있다면 3개의 GPS 위성만 있어도 정확한 위치를 알 수 있다. 우리는 대략 3차원의 구형인 지표면에 살고 있기 때문이다. 만일 직선과 같은 1 차원이라면 2 개의 기준점과 각각의 거리값을 알면 쉽게 위치를 결정할 수 있다. 2 차원 세상에서는 3 개의 기준점과 각각의 거리값을 알아야 한다. 각 기준점을 원의 중심으로 잡고, 거리값을 반지름으로 했을 때 세 원이 만나는 지점이 해당 위치가 되기 때문이다. 마찬가지로 3차원에서는 4 개의 구(球)가 겹치는 부분에서 위치를 찾을 수 있다. 그러나 지구 표면 자체가 1 개의 구의 역할을 하기 때문에, 3 개의 GPS 위성이면 원리적으로는 위치를 결정할 수 있다.

하지만 이것만으로는 실제로는 거리를 정확하게 계산할 수 없다. GPS 위성과 GPS 수신기의 거리는 위성에서 보내는 전파의 도달 시간을 바탕으로 계산하게 되는데, 위성에 장착된 시계와 수신기에 장착된 시계가 일치하지 않아 오차가 발생하기 때문이다. 따라서 4 개 이상의 GPS 위성에서 전파를 수신해야 정확한 위치를 파악할 수 있게 된다. 최근 나오고 있는 GPS 수신기는 20 개의 위성으로부터 신호를 받을 수 있어 정확하게 위치를 계산한다.

따라서, 본 발명의 실시예들은 GPS 원시 데이터(Raw data)를 분석하여 위성 정보를 확보하고, 그 분석 내용(위상 정보를 포함한다.)을 애드혹 무선통신을 통해 공유하여 동시간/동위성을 선택하여 GPS 수신기를 구비한 이동체 자신 뿐만 아니라 주변에 위치하는 GPS 수신기를 구비한 다양한 객체(이동체 및 고정체를 포함할 수 있다.)의 절대 좌표를 계산하며, 그 결과를 바탕으로 이동체(자신)-이동체 또는 이동체(자신)-고정체 간의 상대 거리를 산출할 수 있는 기술적 수단을 제공한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 복수 개의 이동체들 간의 상대 거리를 산출하는 기본 아이디어를 설명하기 위한 도면으로서, 이동체로는 2대의 차량(R1 및 R2)이 예시되어 있으며, 이들 차량에는 각각 GPS 수신기가 구비되어 있다고 가정하자.

도 1에서 이동 차량 R1과 이동 차량 R2는 각각 10 개의 GPS 위성으로부터 선택적으로 GPS 정보를 수신한다. R1은 수신된 GPS 원시 데이터(Raw data)를 분석하여, 자신이 2, 4, 5, 6, 7, 9, 10 위성으로부터 GPS 정보를 수신한 것을 인식할 수 있다. 또한, R2는 수신된 GPS 원시 데이터를 분석하여, 자신이 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 위성으로부터 GPS 정보를 수신한 것을 인식할 수 있다. 이제, 이동 차량 R1과 R2는 각자 분석한 GPS 원시 데이터 정보를 통신 수단을 통해 공유한다. 이러한 통신 수단은 특정 통신 규격에 한정되지 않으며, GPS 정보를 상호 교환하기에 용이한 다양한 데이터 통신 수단이 활용될 수 있다. 다만, 이러한 통신 수단은 본 실시예에 따른 기술이 활용되는 환경을 고려할 때, 근거리 무선 통신 수단인 것이 일반적일 것이며, 특히 별도의 중계기나 통신 제어 서버 없이 단말기들(이동 차량에 구비된 일체의 통신 모듈을 의미한다.) 간의 상호 통신에 유리한 애드혹(Ad-hoc) 네트워크에 기반한 통신인 것이 바람직하다.

이 때, 도 1에 따르면 이동 차량 R1과 R2은 4, 5, 6, 7번 위성으로부터 GPS 정보를 공통적으로 수신하였음을 알 수 있다. R1과 R2 간의 상대 위치를 산출하기 위해 본 발명의 실시예들은 공통된 위성, 즉 4, 5, 6, 7번 위성 정보를 바탕으로 각각 위치를 계산한다. 왜냐하면, 양자가 공통으로 선택한 위성에 기초하여 결정된 절대 좌표가 바로 이동체 상호 간의 상대 거리 및 위치를 산출하는 기초 데이터로서 활용되기 때문이다. 따라서, 본 발명의 실시예들에서 절대 좌표를 산출함에 있어서 활용되는 GPS 정보는 반드시 공통의 위성으로부터 수신된 GPS 원시 데이터이어야만 한다. 즉, 도 1에서 상대 거리를 계산하기 위해 제 1 수신기(이동 차량 R1)와 제 2 수신기(이동 차량 R2)는 각각 동일한 GPS 위성을 이용하여 상대 거리를 계산한다.

보다 구체적인 수행 과정은 다음과 같다.

(1) 이동 차량 R1과 R2는 각각 위성으로부터 GPS 정보를 수신한다.

(2) R1는 무선 통신(예를 들어, 애드혹 무선 통신을 활용할 수 있다.)을 이용하여 GPS 수신기를 포함하는 주변 단말기로부터 주변 단말기 자신이 수신한 GPS 위성 정보를 수신받는다. 도 1의 경우, R2는 R1에게 자신이 수신한 GPS 정보를 전송 또는 브로드캐스트(broadcast)한다. 물론, R2 역시 필요에 따라서는 R1으로부터 R1이 수신한 GPS 정보를 수신받을 수 있다. 즉, 단말기들은 각각 자신의 GPS 정보를 주변에 위치한 단말기들과 상호 교환할 수 있다. 이렇게 함으로써 하나의 단말기는 자신이 직접 GPS 위성으로부터 수신한 GPS 원시 데이터뿐만 아니라, 주변에 위치한 단말기들의 GPS 원시 데이터 또한 획득할 수 있다.

(3) 수신측(R1)에서는 수신된 주변의 상대 수신기(R2)와 자신의 GPS 수신기를 통해 수집된 GPS 위성 정보를 비교하여 일치하는(동일한) GPS 위성을 선택한다. 즉, GPS 수신의 소스(source)가 동일하도록 GPS 위성을 선택하게 된다. 예를 들어, 도 1의 경우, 4, 5, 6, 7 위성이 될 것이다.

(4) 이동 차량들 간의 상대 거리를 계산하기 위해서는 먼저 절대 위치를 계산하여야 하는데, 이러한 절대 위치의 산출을 위해서는 GPS 위성을 활용한 다양한 측위 방법이 활용될 수 있다. 앞서 간략하게 소개한 바와 같이, 일반적으로 절대 위치를 산출하기 위해서는 최소 3개의 위성으로부터 GPS 정보를 수신해야 하므로, 일치하는(동일한) GPS 위성의 수 역시 최소 3개 이상인 것이 바람직하다. 만약, 소스가 일치하는(동일한) GPS 위성의 수가 측위를 위해 필요한 최소한의 위성 수(예를 들어, 3개가 될 수 있다.)보다 적을 때는 부족한 위성의 수만큼 임의로 각각 GPS 위성을 선택하고, 임의로 선택된 GPS 위성으로부터 산출된 측위값에 대해서는 상대적으로 가중치를 적게 유지하도록 설정할 수 있을 것이다. 이제, 이렇게 선택된 최소 3개의 위성으로부터 수신된 GPS 정보를 이용하여 자신(R1)과 상대방(R2)의 절대 좌표를 각각 산출한다. 즉, 이동 차량 R1은 자신의 절대 좌표와 R2의 절대 좌표를 모두 획득할 수 있다. 마찬가지로, 필요하다면 이동 차량 R2 역시 동일한 방법을 통해 각각 R1 및 R2의 절대 좌표를 획득할 수도 있을 것이다.

(5) 그런 다음, 산출된 절대 좌표의 차이값을 산출하면 양자(R1과 R2) 간의 상대 거리 및 위치를 결정할 수 있다.

이상의 아이디어를 활용하면, 하나의 이동체는 자신의 위치뿐만 아니라, 이동체 자신의 주변에 위치한 다양한 객체(물론, GPS 수신기를 구비하여야 할 것이다.)과 자신과의 상대적인 위치 관계를 정확하게 파악할 수 있다.

도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 방법을 도시한 흐름도로서, 도 1의 이동체 R1(이하에서는 제 1 단말기라고 명명하자.)의 입장에서 자신의 주변 단말기들과의 상대 거리 및 위치를 결정하는 단계들을 기술하고 있다.

210 단계에서, 복수 개의 단말기에 각각 구비된 GPS(global positioning system) 수신기를 이용하여 상기 단말기들이 각각 GPS 위성으로부터 GPS 정보를 수신한다. 이 때, 상기 GPS 위성으로부터 수신된 GPS 정보는, GPS 원시 데이터(raw data)로서, 코드파, 위상파, 메시지 및 NMEA 프로토콜(protocol) 데이터를 포함하는 것이 바람직하다.

220 단계에서, 제 1 단말기는 무선 통신을 이용하여 제 2 단말기와 상기 210 단계를 통해 수신된 자신의 GPS 정보를 교환한다. 물론, 필요에 따라 제 1 단말기는 제 2 단말기에 자신의 GPS 정보를 제공함 없이, 제 2 단말기의 GPS 정보만을 수신받을 수도 있을 것이다. 이 때, 상기 무선 통신은, 통신의 효율을 위해 양자간의 직접적인 통신 네트워크를 구성할 수 있도록 상기 단말기들 간의 애드혹(Ad-hoc) 네트워크에 기반한 통신인 것이 바람직하다.

230 단계에서, 제 1 단말기는 자신의 GPS 정보와 상기 제 2 단말기로부터 수신한 GPS 정보를 비교하여 양자가 일치하는 공통의 GPS 위성을 선택한다. 즉, 소스가 동일한 GPS 위성을 선택한다. 이 경우, 상기 선택된 공통의 GPS 위성은 적어도 3개 이상이며, 상기 단말기들의 절대 좌표는 상기 단말기와 상기 GPS 위성 간의 거리를 반지름으로 하는 적어도 3개의 원의 교차점으로부터 산출될 수 있다. 만약 공통의 GPS 위성의 수가 3개 이하인 경우, 부족한 수만큼 임의의 GPS 위성을 선택할 수 있으나, 이렇게 임의로 선택된 위성에 대해서는 상대적으로 낮은 가중치를 부여함으로써 측위를 정확성을 유지하는 것이 바람직하다.

240 단계에서, 제 1 단말기는 230 단계를 통해 선택된 공통의 GPS 위성을 이용하여 상기 제 1 단말기와 상기 제 2 단말기의 절대 좌표를 각각 산출한다.

250 단계에서, 제 1 단말기는 240 단계를 통해 산출된 제 1 단말기의 절대 좌표와 제 2 단말기의 절대 좌표의 차를 연산함으로써 양자 간의 상대 거리 및 위치를 산출한다.

한편, 이상의 과정(제 1 단말기가 자신 및 제 2 단말기와의 상호 거리 및 위치를 산출하는 과정)을 제 2 단말기뿐만 아니라, 상기 제 1 단말기의 주변에 존재하는 복수 개의 단말기에 대하여 반복 수행할 수 있을 것이다. 이러한 과정을 통해 상기 제 1 단말기는 주변의 단말기들과의 상대 거리 및 위치를 각각 결정할 수 있다. 이제, 제 1 단말기는 상기 복수 개의 단말기에 대하여 결정된 상기 상대 거리 및 위치로부터 상기 제 1 단말기 자신을 중심으로 한 토폴로지(topology)를 형성할 수 있다. 이러한 토폴로지는 마치 지도 상에 표시된 좌표와 같이 이동체들 각각이 자신을 중심으로 어떠한 움직임을 보이는지 파악하는데 도움을 줄 수 있으며, 이를 활용하여 자동차 안전에 관련된 다양한 서비스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 차량간 충돌 방지 서비스, 복잡한 도로에서의 차선 인식 서비스 및 추월 가능 여부에 대한 정보 제공 서비스 등에 활용될 수 있을 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 장치를 이용해 2개의 GPS 수신기에서 공통되는 GPS 위성을 선택하는 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 구현 및 실험의 편의를 위해 실제 차량에 구현되는 방법과는 일부 구성이 다소 다르게 구현되었으나, 그 본질은 앞서 소개한 도 1 및 도 2의 과정과 동일함을 밝혀둔다.

도 3에는 이동체를 나타내는 2개의 GPS 수신기(A 및 B)가 도시되어 있으며, 편의상 이렇게 수신된 정보를 USB와 같은 인터페이스를 통해 특정 연산기(PC 또는 다양한 프로세서가 활용될 수 있다.)로 전달하였다. 이들 연산기는 상호 연결되어 220 과정에 도시된 바와 같이 A 및 B의 GPS 수신기를 통해 수신된 GPS 원시 데이터를 수집할 수 있다.

이제, 230 과정에서는 각각의 연산기를 통해 분석된 GPS 정보 내에 포함된 GPS 원시 정보를 수집하여 양자를 비교함으로써 측위를 위해 공통적으로 활용되는 GPS 위성을 선택할 수 있음을 예시하였다. 즉, 각각의 GPS 수신기를 통해 수신된 GPS 원시 데이터를 비교하여 소스가 동일한 GPS 위성을 선택하게 된다.

상기된 본 발명의 실시예들에 따르면, 복수 개의 수신기를 통해 수신한 GPS 정보 중 공통되는 GPS 위성을 선택하고, 이로부터 각각의 수신기의 절대 좌표 및 상대 좌표를 산출함으로써, 복수 개의 수신기를 구비한 단말기(이동체가 될 수 있다.) 간의 상대 거리를 획득할 수 있다.

특히, 종래의 GPS를 이용한 측위 시스템의 정확도는 한계가 있으며, 측위 정확도 향상을 위하여 기지국/기준국에서의 오차 보정 정보를 수신하여 정확도를 향상시키는 종래의 방법은 인프라 구축과 적용범위의 한계가 발견되는데 반해, 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 상대 거리 측정 기술에 의하면, 애드혹 통신을 이용하여 위성 정보 교환을 통해 측위의 효율을 향상시킬 수 있으며, 측위의 정확도 또한 디지피에스(DGPS) 또는 에이지피에스(AGPS)보다 향상된 의 측위 오차(예를 들어, 도 3의 실시예를 통해 실험한 결과, 0.3m 이내의 오차를 나타내었다.)를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3에서 2개의 단말기들의 순차적인 데이터 처리 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 각각 GPS 수신기 A 및 B를 포함하는 단말기에서 처리하는 데이터 및 상호 교환하는 데이터를 예시하고 있다. 각각의 과정은 순차적으로 수행되고 있으며, 도 2에서 설명한 과정들에 대응한다.

210 단계에서, GPS 수신기 A 및 B는 각각 GPS 위성으로부터 GPS 원시 데이터를 포함하는 GPS 정보 세트(set)를 수신받는다. 도 4에는 이러한 정보 세트를 각각 'AGPSInfSet' 및 'BGPSInfSet'으로 예시하였다.

220 단계에서, GPS 수신기 A 및 B(또는 이를 구비한 단말기가 될 수 있다.)는 자신의 GPS 정보 세트를 상호 교환한다.

230 단계에서, GPS 수신기 A 및 B를 구비한 단말기 각각은 자신의 GPS 정보와 상대 단말기로부터 수신한 GPS 정보를 비교함으로써 동일한 GPS 정보 세트를 선택/추출한다.

240 단계에서, GPS 수신기 A 및 B를 구비한 단말기 각각은 선택된 공통의 GPS 정보 세트로부터 GPS 수신기 A 및 B에 대한 절대 좌표를 산출하고, 다시 이들의 차로부터 양자 간의 상대 거리 및 위치를 산출한다. 도 4에는 이러한 상대 거리를 각각 'DAB1' 및 'DAB2'로 예시하였다. 원칙적으로 이들 상대 거리는 동일한 값으로 결정되는 것이 이상적이다.

이제, 450 단계에서는 선택적으로 칼만 필터(Kalman filter)를 이용하여 상기 단말기의 위치를 추정할 수 있다. 이 때, 단말기는 이동체에 구비되며, 상기 이동체는 시간의 흐름에 따라 선형성을 갖는 동적 시스템에 기반하여 이동한다는 가정에 따른다. 칼만 필터는 이동체/비행체의 위치 제어 또는 네비게이션에서 각 시스템의 작동 중에 필수적으로 요구되는 주요 변수(예를 들어, 이동체/비행체의 위치 또는 tracking 객체의 위치 등이 될 수 있다.)를 예측하는데 사용되며, 선형 시스템(linear system)에서 발생할 수 있는 오류를 최소화하는데 널리 활용된다.

예를 들어, GPS의 위치 정보 획득 주기가 1초인 경우, 이는 고속 이동체에 적용하기에는 다소 그 간격이 넓으므로 칼만 필터를 활용하여 GPS 수집 주기 사이의 정보를 예측 내지 추정함으로써 스무딩(smoothing)하는 효과를 얻을 수 있다. 칼만 필터를 통한 GPS 위치 정보 수집 주기 사이의 정보 예측은 이전 위치 정보와 현재 위치 정보를 기준으로 다음의 위치 정보를 예측하는 것인데, 기본 주기가 1초일 경우 이러한 주기를 보다 작은 단위로 분기함으로써 여러 위치 정보를 생성하여 활용할 수 있게 된다. 스무딩 효과는 오차에 의해 상대 거리의 급격한 변화가 발생하였을 때 이를 완화시켜주는 것을 말하며, 예측된 다음 위치 정보를 실제 측정된 위치 정보에 대입함으로써 그 효과가 나타나게 된다.

본 실시예에 관하여, 이동체의 위치 측정값에는 확률적인 오차가 포함될 수 있는데, 이동체의 특정 시점에서의 상태가 시간적으로 이전 시점의 상태와 선형적인 관계를 가지고 있는 경우, 연속적으로 측정되는 값들을 칼만 필터를 이용하여 위치 추정이 가능하다. 즉, 본 실시예들을 통해 결정된 이동체들 간의 상대 거리 및 위치를 바탕으로 연속된 정보가 산출 가능하며, 여기에 포함된 오차에 대한 보정이 가능하다.

통상적으로 칼만 필터는 모델의 선형성을 가정하고 있으나, 실제 자연계에 존재하는 많은 이동체에 관한 모델은 비선형 구조에 따르는 경우가 많다. 따라서, 칼만 필터를 직접적으로 적용하거나 단순히 근사화한 모델을 적용하기 보다는 이러한 선형성 가정을 완화시켜 확장된 칼만 필터(extended Kalman filter, EKF)와 같은 기법을 활용할 수 있다. 칼만 필터의 적용 및 변형에 관한 구체적인 기술은 본 발명의 본질을 해칠 우려가 있으므로 이상에서는 그 개요만을 소개하였다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이상의 원리를 활용하여 측정값에 포함된 확률적인 오차를 보정하고 이동체의 위치 변화를 추정할 수 있는 다양한 기술적 수단이 활용될 수 있음을 충분히 이해할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 장치를 도시한 블록도로서, 각각의 구성들은 도 2의 상대 거리 결정 방법에서 소개된 바 있는 과정에 대응하는 동작을 수행한다. 따라서, 여기서는 장치적인 관점에서 그 구성을 소개하는데 집중하되, 중복되는 동작의 설명에 대해서는 약술하도록 한다. 도 5에는 편의상 2개의 단말기(10, 20)만을 도시하였으며, 양자는 필수 구성 요소(GPS 수신기, 무선 통신부 및 연산부)에 있어서 동일한 구조를 가진다고 가정하였다.

GPS 수신기(11, 21)는 단말기(10, 20)에 구비되어 GPS 위성으로부터 GPS 정보를 수신한다. 이 때, 상기 GPS 위성으로부터 수신된 GPS 정보는, GPS 원시 데이터로서, 코드파, 위상파, 메시지 및 NMEA 프로토콜 데이터를 포함하는 것이 바람직하다.

무선 통신부(12, 22)는 주변 단말기로부터 상기 주변 단말기의 GPS 정보를 수신한다. 이 경우, 무선 통신은 통신 및 네트워크 제어의 효율을 향상시키기 위해 상기 단말기들 간의 애드혹 네트워크에 기반한 통신인 것이 바람직하다.

연산부(13, 23)는 상기 단말기 자신(10, 20)의 GPS 정보와 상기 주변 단말기로부터 수신한 GPS 정보를 비교하여 양자가 일치하는 공통의 GPS 위성을 선택하고, 상기 선택된 공통의 GPS 위성을 이용하여 상기 단말기 자신과 상기 주변 단말기의 절대 좌표를 각각 산출하여, 산출된 양 절대 좌표의 차를 연산함으로써 양자 간의 상대 거리 및 위치를 산출한다. 물론, 앞서 설명한 바와 같이 상기 선택된 공통의 GPS 위성은 적어도 3개 이상이며, 상기 단말기들의 절대 좌표는 상기 단말기와 상기 GPS 위성 간의 거리를 반지름으로 하는 적어도 3개의 원의 교차점으로부터 산출될 수 있다.

또한, 상기 연산부(13, 23)는, 상기 단말기(10, 20)의 주변에 존재하는 복수 개의 단말기 각각에 대하여 상기 상대 거리 및 위치를 결정하고, 상기 결정된 상기 상대 거리 및 위치로부터 상기 단말기 자신을 중심으로 한 토폴로지를 형성할 수 있다.

이러한 연산부(13, 23)는 일련의 전자적 데이터를 GPS 수신기(11, 21) 및 무선 통신부(12, 22)로부터 전달받아 정의된 연산을 수행하고, 가공된 데이터로부터 유용한 정보를 추출하는 역할을 수행한다. 따라서, 연산부는 이러한 연산을 수행할 수 있는 다양한 형태의 처리기(processor) 및 연산에 필요한 임시 데이터 및 프로그램 코드를 저장할 수 있는 메모리(memory)의 결합체의 형태로 구현될 수 있다.

한편, 상기 단말기(10, 20)는 이동체에 설치되고, 상기 이동체의 움직임에 따른 관성력을 검출하는 관성 센서(inertial sensor) 또는 상기 이동체에 가해지는 기압을 검출하는 기압 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 연산부(13, 23)는, 이러한 센서(14, 24)를 이용하여 상기 GPS 정보의 오차를 보정하는데 활용할 수 있다. 이러한 관성 센서나 기압 센서는 GPS 정보에 추가하여 보조적으로 활용됨으로써 이동체의 관성 주행의 특성이 변화하는 것을 실시간으로 감지할 수 있을 뿐만 아니라, GPS 정보가 일시적으로 수신되지 않는 경우에 있어서도 이동체의 움직임을 감지할 수 있는 주요 수단으로 활용될 수 있다.

센서(14, 24)는 차량의 가속도와 현재 속도를 감안하여 현재 위치와 방향에 따라 적용됨으로써 주기적인 위치 예측에 활용될 수 있다. 또한, 칼만 필터에 의해 예측된 위치 정보에 측정값을 대입하여 상호보완적인 보정 정보를 획득함으로써, GPS가 수신되지 않는 지역(예를 들어, 터널 등의 음영 지역이 될 수 있다.)에서도 이전 위치 정보와 차량 자신 및 상대 차량의 속도, 가속도 또는 방향 등의 측정 정보를 통해 상대 거리를 예측하는 용도로 활용될 수 있다. 나아가, 기압 센서 등과 같은 여타의 센서들은 이동체마다 가해지는 환경적인 요인의 변화에 따라 변화하는 신호의 변화를 예측함으로써 이러한 변인을 감안한 거리 및 위치를 산출하는 용도로 활용될 수 있다.

이들 센서(14, 24)는 필요에 따라 선택적으로 활용될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 상대 거리 및 위치 측정 방법에 기압/관성 센서를 이용하여 가속도계의 오차를 보정하는 다양한 방법을 적용할 수 있음을 알 수 있다.

상기된 본 발명의 실시예들에 따르면, 복수 개의 수신기를 통해 수신한 GPS 정보 중, 공통되는 GPS 위성을 선택하고 이로부터 각각의 수신기의 절대 좌표 및 상대 좌표를 산출함으로써, 복수 개의 수신기를 구비한 단말기 간의 상대 거리 및 위치를 획득할 수 있고, 애드혹 통신을 이용하여 위성 정보 교환을 수행함으로써 측위의 효율 및 정확도를 향상시킬 수 있으며, 이동체 자신의 운행에 작용할 수 있는 주변의 위험 상황에 효과적으로 대처할 수 있다.

나아가, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 제 1 단말기 20 : 제 2 단말기
11, 21 : GPS 수신기 12, 22 : 무선 통신부
13, 23 : 연산부 14, 24 : 센서

Claims (12)

1. 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 방법에 있어서,
   (a) 상기 복수 개의 단말기에 각각 구비된 GPS(global positioning system) 수신기를 이용하여 상기 단말기들이 각각 GPS 위성으로부터 GPS 정보를 수신하는 단계;
   (b) 무선 통신을 이용하여 제 1 단말기가 제 2 단말기와 상기 수신된 자신의 GPS 정보를 교환하는 단계;
   (c) 상기 제 1 단말기가 자신의 GPS 정보와 상기 제 2 단말기로부터 수신한 GPS 정보를 비교하여 양자가 일치하는 공통의 GPS 위성을 선택하는 단계;
   (d) 상기 선택된 공통의 GPS 위성을 이용하여 상기 제 1 단말기와 상기 제 2 단말기의 절대 좌표를 각각 산출하는 단계; 및
   (e) 상기 산출된 제 1 단말기의 절대 좌표와 상기 산출된 제 2 단말기의 절대 좌표의 차를 연산하여 양자 간의 상대 거리 및 위치를 산출하는 단계;를 포함하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 GPS 위성으로부터 수신된 GPS 정보는,
   GPS 원시 데이터(raw data)로서, 코드파, 위상파, 메시지 및 NMEA 프로토콜(protocol) 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 무선 통신은, 상기 단말기들 간의 애드혹(Ad-hoc) 네트워크에 기반한 통신인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 선택된 공통의 GPS 위성은 적어도 3개 이상이며,
   상기 단말기들의 절대 좌표는 상기 단말기와 상기 GPS 위성 간의 거리를 반지름으로 하는 적어도 3개의 원의 교차점으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 단말기들은 시간의 흐름에 따라 선형성을 갖는 동적 시스템에 기반하여 이동하는 이동체에 각각 설치되고,
   칼만 필터(Kalman filter)를 이용하여 상기 이동체의 위치를 추정함으로써 상기 산출된 상대 거리 및 위치에 포함된 오차를 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 단말기가 주변에 존재하는 복수 개의 단말기에 대하여 상기 (a) 내지 (e) 과정을 반복 수행함으로써 상기 제 1 단말기로부터 각각의 주변 단말기들과의 상대 거리 및 위치를 결정하는 단계; 및
   상기 복수 개의 주변 단말기에 대하여 결정된 상기 상대 거리 및 위치로부터 상기 제 1 단말기 자신을 중심으로 한 토폴로지(topology)를 형성하는 단계;를 더 포함하는 방법.
7. 복수 개의 단말기들 간의 상대 거리를 결정하는 장치에 있어서,
   상기 단말기에 구비되어 GPS 위성으로부터 GPS 정보를 수신하는 GPS 수신기;
   주변 단말기로부터 상기 주변 단말기의 GPS 정보를 수신하는 무선 통신부; 및
   상기 단말기 자신의 GPS 정보와 상기 주변 단말기로부터 수신한 GPS 정보를 비교하여 양자가 일치하는 공통의 GPS 위성을 선택하고, 상기 선택된 공통의 GPS 위성을 이용하여 상기 단말기 자신과 상기 주변 단말기의 절대 좌표를 각각 산출하여, 산출된 양 절대 좌표의 차를 연산함으로써 양자 간의 상대 거리 및 위치를 산출하는 연산부;를 포함하는 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 GPS 위성으로부터 수신된 GPS 정보는,
   GPS 원시 데이터로서, 코드파, 위상파, 메시지 및 NMEA 프로토콜 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 무선 통신은, 상기 단말기들 간의 애드혹 네트워크에 기반한 통신인 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 7 항에 있어서,
    상기 선택된 공통의 GPS 위성은 적어도 3개 이상이며,
    상기 단말기들의 절대 좌표는 상기 단말기와 상기 GPS 위성 간의 거리를 반지름으로 하는 적어도 3개의 원의 교차점으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 7 항에 있어서,
    상기 단말기는 이동체에 설치되고,
    상기 이동체의 움직임에 따른 관성력을 검출하는 관성 센서(inertial sensor) 또는 상기 이동체에 가해지는 기압을 검출하는 기압 센서를 더 포함하고,
    상기 연산부는, 상기 관성 센서 또는 상기 기압 센서를 이용하여 상기 GPS 정보의 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제 7 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 단말기의 주변에 존재하는 복수 개의 단말기 각각에 대하여 상기 상대 거리 및 위치를 결정하고,
    상기 결정된 상기 상대 거리 및 위치로부터 상기 단말기 자신을 중심으로 한 토폴로지를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.

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