KR101515513B1 - 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치 - Google Patents

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    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves

Abstract

본 발명에 의한 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 TDOA 기반의 위치 추정 장치는 복수의 수신 신호들을 수신하고 상기 수신된 복수의 수신 신호들을 포함하는 후보 집합을 구성하는 후보 집합 생성부; 상기 후보 집합에 포함된 복수의 수신 신호들 중 어느 하나를 기준점으로 선택하고, 상기 선택된 기준점에 해당하는 수신 신호를 상기 후보 집합으로부터 제거하는 후보 집합 갱신부; 상기 선택된 기준점과 상기 후보집합에 포함된 나머지 수신 신호들 간의 차등 상호 상관에 기초하여 도달 시간 차이(TDOA) 측정 값을 계산하는 TDOA 계산부; 상기 계산된 TDOA 측정 값에 기초하여 위치 값을 추정하는 위치 값 추정부; 및 상기 후보 집합이 공집합일 될 때까지 상기 위치 값 추정부에서 추정된 복수의 위치 값들에 기초하여 최종 위치 값을 결정하는 위치 값 결정부를 포함한다.

Description

도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치 {apparatus for estimating location based on time difference of arrival}
본 발명은 도달 시간 차이(TDOA; Time Difference Of Arrival) 기반의 위치 추정에 대한 것으로, 상세하게는 주파수 옵셋(offset)에 강건하면서 도달 시간 차이(TDOA) 기반으로 수신기의 위치 또는 신호원의 위치에 대한 추정 정확성을 향상시킬 수 있는 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치에 대한 것이다.
이동 통신, 항공, 국방 등 다양한 산업 분야에서 위치 기반 서비스에 대한 수요가 증가하고 있고, 이에 따라 수신기의 위치 측정 및 신호원의 위치 측정에 대한 중요성이 대두되고 있다.
수신기의 위치를 측정하는 경우에 각 기지국의 오실레이터(oscillator) 차이로 인하여 서로 다른 주파수 옵셋(offset)이 발생하고, 신호원의 위치를 측정하는 경우에는 각 수신 센서의 오실레이터 차이로 인해 서로 다른 주파수 옵셋이 발생하는 문제점이 있다.
종래 수신기의 위치 또는 신호원의 위치를 추정하는 기술로, 도달 시간 차이(TDOA) 기반의 위치 추정 방법이 있다.
종래 TDOA 기반의 위치 추정 기술은 단순 상호 상관(cross correlation)을 통해 TDOA 값을 계산하여 위치를 추정하는 기술로서, 다양한 분야에서 사용되고 있다.
하지만, 종래 TDOA 기반의 위치 추정 기술은 주파수 옵셋이 발생하는 경우에 위치 추정 성능이 저하될 수 있기 때문에 추정 성능을 향상시키기 위해서는 별도의 주파수 동기 과정이 추가되어야 하는 문제점이 있다.
또한, 종래 TDOA 기반의 위치 추정 기술은 TDOA 측정 값을 계산할 때 기준점을 어떤 기지국 또는 수신 센서로 선택하느냐에 따라서 위치 추정이 발산할 수 있는 문제점 또한 가지고 있다.
따라서, 주파수 동기 과정의 추가 없이 주파수 옵셋에 강건한 TDOA 기반의 위치 추정 방법의 필요성이 대두된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 도출된 것으로서, 주파수 옵셋(offset)에 강건하면서 도달 시간 차이(TDOA) 기반으로 수신기의 위치 또는 신호원의 위치에 대한 추정 정확성을 향상시킬 수 있는 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 별도의 주파수 동기 과정 없이 수신기의 위치 또는 신호원의 위치에 대한 추정 정확성을 향상시킬 수 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기준점 선택 및 반복 추정을 통해 위치 추정에 대한 정확성을 향상시키고 위치 추정의 발산을 방지할 수 있는 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치는 복수의 수신 신호들을 수신하고 상기 수신된 복수의 수신 신호들을 포함하는 후보 집합을 구성하는 후보 집합 생성부; 상기 후보 집합에 포함된 복수의 수신 신호들 중 어느 하나를 기준점으로 선택하고, 상기 선택된 기준점에 해당하는 수신 신호를 상기 후보 집합으로부터 제거하는 후보 집합 갱신부; 상기 선택된 기준점과 상기 후보집합에 포함된 나머지 수신 신호들 간의 차등 상호 상관에 기초하여 도달 시간 차이(TDOA) 측정 값을 계산하는 TDOA 계산부; 상기 계산된 TDOA 측정 값에 기초하여 위치 값을 추정하는 위치 값 추정부; 및 상기 후보 집합이 공집합일 때까지 상기 위치 값 추정부에서 추정된 복수의 위치 값들에 기초하여 최종 위치 값을 결정하는 위치 값 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 위치 값 결정부는 상기 추정된 복수의 위치 값들에 대한 평균 값을 상기 최종 위치 값으로 결정할 수 있다.
바람직하게, 상기 위치 값 결정부는 상기 추정된 복수의 위치 값들에 대한 분포로부터 상기 복수의 위치 값들 중 위치 값의 변화량이 미리 결정된 문턱 값 이상인 위치 값을 제거하고, 나머지 위치 값들에 대한 평균 값을 상기 최종 위치 값으로 결정할 수 있다.
바람직하게, 상기 TDOA 계산부는 상기 차등 상호 상관이 최대가 되는 시간을 상기 TDOA 측정 값으로 계산할 수 있다.
바람직하게, 상기 TDOA 계산부는 상기 기준점과 상기 나머지 수신 신호들 간의 D 차등 상호 상관에 기초하여 상기 TDOA 측정 값을 계산하고, 여기서, 상기 D 값은 상기 수신된 복수의 수신 신호들에 대한 오버샘플링 수에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치는 복수의 수신 신호들을 수신하고 상기 수신된 복수의 수신 신호들을 포함하는 후보 집합을 구성하는 후보 집합 생성부; 상기 후보 집합에 포함된 복수의 수신 신호들 중 어느 하나를 기준점으로 선택하고, 상기 선택된 기준점과 상기 후보집합에 포함된 수신 신호들 간의 차등 상호 상관에 기초하여 도달 시간 차이(TDOA) 측정 값을 계산하는 TDOA 계산부; 상기 계산된 TDOA 측정 값에 기초하여 위치 값을 추정하는 위치 값 추정부; 및 상기 후보 집합이 공집합일 될 때까지 상기 위치 값 추정부에서 추정된 복수의 위치 값들에 기초하여 최종 위치 값을 결정하는 위치 값 결정부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 차등 상호 상관을 이용한 TDOA 측정 값을 기반으로 수신기의 위치 또는 신호원의 위치를 추정함으로써, 주파수 옵셋에 강건하면서 위치에 대한 추정 정확성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 기준점 선택 및 반복 추정 과정을 통해 수신기의 위치 또는 신호원의 위치를 추정함으로써, 주파수 동기 과정 없이 위치 추정을 수행할 수 있으며, 위치 추정에 대한 발산 문제를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 방법에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2a 내지 도 2b는 수신기 또는 신호원의 위치 추정에 대한 실시예들을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 D 차등 상호 상관을 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4b는 최종 위치 값을 결정하는 과정을 설명하기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 방법과 종래 방법에 대해 주파수 옵셋이 없는 경우와 있는 경우의 상호상관의 최대값 검출 성능에 대한 예시도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치에 대한 구성을 나타낸 것이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도달 시간 차이(TDOA) 기반의 위치 추정 장치를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
주파수 옵셋은 무선 통신, 전파 항법, 위치 탐지 시스템에서 오실레이터 차이에 의해서 항상 발생하는데, 이런 주파수 옵셋이 발생하는 경우 종래 TDOA 기반의 위치 추정 기술은 별도의 주파수 동기 과정을 추가하여 정확한 위치를 추정한다.
본 발명은 주파수 동기 과정의 추가 없이 TDOA 기반으로 주파수 옵셋에 강건한 위치 추정 기술을 제공함으로써, 위치 추정에 대한 정확성을 향상시키고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDOA 기반의 위치 추정 방법에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 위치 추정 장치는 복수의 수신 신호들을 수신하고 수신된 복수의 수신 신호들을 포함하는 후보 집합을 구성할 수 있다(S110, S120).
여기서, 단계 S110의 수신 신호들을 수신하는 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2b는 수신기 또는 신호원의 위치 추정에 대한 실시예들을 나타낸 것이다.
도 2a 내지 도 2b를 참조하면, 도 2a에서처럼 수신기에서 각 기지국의 신호를 수신할 수도 있고, 도 2b에서처럼 수신센서에서 신호원의 신호를 수신할 수도 있다. 물론, 도 2b의 각 수신센서에서 수신한 신호원의 신호는 신호원의 위치를 추정하기 위한 수단 예를 들어, 서버 등에서 수신할 수도 있으며, 서버에서 각 수신센서에서 수신한 신호원의 신호들을 이용하여 신호원의 위치를 추정할 수도 있다.
이때, 수신되는 수신 신호 yk(t)는 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112014071838332-pat00001
여기서, yk(t)는 k번째 수신기 또는 k번째 수신센서에 수신되는 신호인 k번째 수신 신호를 의미하고, Ak(t)는 k번째 수신 신호의 크기가 αk(t)이고 위상 변화가 exp(j2πβk)인 채널 특성을 의미하고, Bk(t)= exp(j2πεk t/T) 는 주파수 옵셋 εk에 의해 발생하는 위상 회전을 의미한다.
단계 S120는 수신된 복수의 수신 신호들을 이용하여 기준점 후보 집합을 구성하는 단계로서, 기준점 후보 집합은 수신된 복수의 수신 신호들일 수 있다.
단계 S120에 의해 후보 집합이 구성되면 구성된 후보 집합에 포함된 복수의 수신 신호들 중 어느 하나를 기준점으로 선택하고 선택된 기준점을 후보 집합에서 제거할 수 있다(S130, S140).
예를 들어, 수신 신호가 1~K까지 존재하는 경우 기준점 후보 집합 SRef은 아래 [수학식 2]와 같이 구성될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112014071838332-pat00002
기준점 후보 집합에서 기준점으로 1이 선택되는 경우 기준점 후보 집합은 아래 [수학식 3]과 같이 갱신될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112014071838332-pat00003
즉, 기준점이 선택되면 기준점 후보 집합에서 선택된 기준점을 제거함으로써, 기준점 후보 집합을 갱신한다.
단계 S130에서 기준점이 선택되면, 차등 상호 상관을 통한 TDOA 측정 값을 계산한다(S150).
이 때, 단계 S150은 D 차등 상호 상관을 이용하여 TDOA 측정 값을 계산할 수 있으며, 단계 S150은 주파수 옵셋에 강건한 TDOA 측정 값을 산출하는 단계로써, 복수의 수신 신호들을 수신하는 단계(S110)와 기준점 선택 단계(S130)에서 구한 수신 신호들과 기준점, 기준점 후보 집합을 사용하여 수행될 수 있다.
이 때, 단계 S150에 의해 계산되는 TDOA 측정 값은 기준점과 후보 집합에 포함된 나머지 수신 신호들 간의 D 차등 상호 상관이 최대가 되는 시간을 TDOA 측정 값으로 계산할 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해의 편의를 위하여 기준점으로 수신 신호 1이 선택된 것으로 가정하여 설명한다.
종래의 단순 상호 상관을 이용하는 경우에 기준점과 다른 수신 신호와의 TDOA 측정 값은 상호 상관 값이 최대가 될 때의 시간으로써 상호 상관은 아래 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112014071838332-pat00004
여기서, P1 ,k(τ1,k)는 기준점 1과 k번째 수신 신호와의 상호 상관을 의미하고, (·)*는 컨쥬게이션(conjugation)을 의미하고, T는 신호의 주기를 의미한다.
TDOA 측정 값은 상기의 상호 상관이 최대가 될 때의 시간으로, 샘플링된 이산 신호로 나타내면 아래 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112014071838332-pat00005
여기서, yk[n]은 수신 신호 k의 이산 신호를 의미하고, N은 전체 샘플수를 의미하고,
Figure 112014071838332-pat00006
는 기준점 1과 수신신호 k사이의 TDOA 측정 값을 의미한다.
따라서, 상기 [수학식 4]의 상호 상관을 샘플링된 이산 신호로 나타내면 아래 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112014071838332-pat00007
여기서, 채널 특성 Ak[n]은 상호 상관을 계산하는 시간 동안 변화량이 크지 않기 때문에 Ak로 나타낼 수 있으며, TDOA 측정 값(
Figure 112014071838332-pat00008
)은 수신 신호 1의 지연 값과 수신 신호 k의 지연 값으로 표현될 수 있고, Bk[n]은 주파수 옵셋 εk으로 인해 발생하는 위상 회전을 의미한다.
주파수 옵셋 ε1=εk=0이면, 상기 [수학식 6]의 상호 상관 값은 아래 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112014071838332-pat00009
[수학식 7]을 통해 알 수 있듯이, 주파수 옵셋이 0인 경우 상호 상관의 최대값은 성능 저하 없이 최대값을 가질 수 있으며, 주파수 옵셋 ε1≠0, εk≠0이면, 상기 수학식 6의 상호 상관 값은 아래 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112014071838332-pat00010
[수학식 8]에서 알 수 있듯이, 주파수 옵셋이 존재하면 주파수 옵셋이 없는 경우에 비해 상호 상관의 최대값의 전력이 감소하는 것을 알 수 있으며, 이는 TDOA 측정 값의 정확도를 감소시켜서 위치 값의 추정 성능을 저하시키는 요인이 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 D 차등 상호 상관을 나타낸 것이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 위쪽에 도시된 i번째 수신된 신호의 D 차등 상호 상관과 아래쪽에 도시된 j번째 수신된 신호의 D 차등 상호 상관을 보여주고 있다.
따라서, 본 발명은 종래의 단순 상호 상관이 아닌 D 차등 상호 상관을 이용하여 TDOA 측정 값을 계산하며, D 차등 상호 상관은 아래 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112014071838332-pat00011
TDOA 측정 값은 상기의 D 차등 상호 상관이 최대가 될 때의 시간으로, 샘플링된 이산 신호로 나타내면 아래 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112014071838332-pat00012
그리고, 상기 [수학식 10]의 D 차등 상호 상관을 샘플링된 이산 신호로 나타내면 아래 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112014071838332-pat00013
여기서, 채널 특성 Ak[n]은 상호 상관을 계산하는 시간 동안 변화량이 크지 않기 때문에 Ak로 나타낼 수 있으며, TDOA 측정 값(
Figure 112014071838332-pat00014
)은 수신 신호 1의 지연 값과 수신 신호 k의 지연 값으로 표현될 수 있다.
이때, D 차등 상호 상관의 D 값은 수신부 예를 들어, 수신기의 수신부 또는 수신 센서의 수신 신호를 수신하는 서버의 수신부의 오버샘플링 수와 채널 상황 예를 들어, 수신기와 기지국 또는 신호원과 수신 센서 사이의 무선 채널 상황에 의해 적응적으로 결정된다. 아래 [수학식 12]는 채널 상황에 따른 적응적 D 값을 나타낸다.
[수학식 12]
Figure 112014071838332-pat00015
여기서, round는 가장 가까운 정수로의 반올림 또는 내림을 나타내고, floor은 가까운 정수로의 버림을 나타내며, TS는 샘플링 시간을 나타낸다.
Figure 112014071838332-pat00016
는 적응상수를 나타내며, D 차등 상호 상관의 성능을 결정하는 요인으로 적응상수가 작아지면, 계산 복잡도가 감소하지만 상호 상관의 성능은 저하된다. 반대로 적응상수가 커지면, 계산 복잡도는 증가하지만 상호 상관의 성능은 향상된다. 그리고 D 차등 상호 상관의 D 값은 채널 상황이 열악해 지는 경우 예를 들어, 주파수 옵셋이 증가하거나 전체 샘플링 수 N이 감소하는 경우에는 적응 상수를 조절하여 D 값이 작은 값을 갖게 하는 것이 바람직하다. 또한, 상관 성능을 유지하기 위해서 D 값은 오버샘플링 수보다 큰 값으로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 채널 상황을 모르는 경우에는 D 값을 오버샘플링 수와 일치 시키는 것이 바람직하다.
주파수 옵셋이 ε1=εk=0이면, 상기 [수학식 11]의 상호 상관 값은 아래 [수학식 13]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112014071838332-pat00017
[수학식 13]을 통해 알 수 있듯이, 주파수 옵셋이 0인 경우 상호 상관의 최대값은 성능 저하 없이 최대값을 가질 수 있으며, 주파수 옵셋 ε1≠0, εk≠0이면, 상기 수학식 11의 상호 상관 값은 아래 [수학식 14]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112014071838332-pat00018
여기서, D<<N이기 때문에 exp(j2π(ε1-εk)D/N)
Figure 112014071838332-pat00019
1이 될 수 있고, 따라서 주파수 옵셋이 존재하는 경우에도 D 차등 상호 상관의 최대 값은 성능 저하 없이 최대 값을 가질 수 있다. 이는 종래 단순 상호 상관을 이용한 TDOA 측정 값을 계산하는 기술과 다르게 주파수 옵셋이 존재하는 경우에도 TDOA 측정 값의 정확도가 감소되지 않고, 따라서 주파수 옵셋에 강건한 위치 값 추정이 가능하다.
단계 S150에 의해 TDOA 측정 값이 계산되면 계산된 TDOA 측정 값을 이용하여 위치 값을 추정한다(S160).
즉, 단계 S160의 위치 값은 TDOA 측정 값으로부터 계산되며, TDOA 측정 값은 사전에 알고 있는 좌표와 추정하고자 하는 좌표의 조합으로 아래 [수학식 15]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112014071838332-pat00020
여기서, (x, y)는 추정하고자 하는 좌표를 의미하고, (xi, yi)는 이미 알고 있는 좌표로 i번째 기지국 또는 i번째 수신 센서의 좌표를 의미하고, c는 전파 속도를 의미한다.
상기 [수학식 15]에 나타난 TDOA 측정 값은 기준 값과 각 수신 신호와의 조합에 따라서 아래 [수학식 16]과 같이 벡터로 나타낼 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112014071838332-pat00021
상기 [수학식 16]을 이용한 위치 값의 추정은 아래 [수학식 17]에 의해 수행될 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112014071838332-pat00022
여기서, 함수 G는 함수 F에 대한 역함수를 의미한다.
함수 G에 대한 일 실시예로 Taylor Series를 통해 함수 F를 선형화하여 위치 값을 반복적으로 추정할 수 있고, 함수 G는 Taylor Series를 사용하는 기술 외에 칼만 필터(Kalman Filter)를 이용한 기술, 최소 자승법 기준의 Closed-loop으로 위치 값을 구하는 기술 등 일반적인 기술 등이 사용될 수도 있다.
단계 S160에 의해 위치 값이 추정되면, 기준점 후보 집합이 공집합인지 확인하고, 공집합이 아니면 기준점을 바꿔서 상기 단계들 S130 내지 S160을 반복 수행한다(S170).
단계 S170 확인 결과, 기준점 후보 집합이 공집합이면 추정된 위치 값들에 기초하여 최종 위치 값을 결정한다(S180).
이때, 단계 S180은 상기 단계들에 의해 추정된 복수의 위치 값들에 대한 평균 값을 최종 위치 값으로 결정할 수 있다.
이때, 단계 S180은 상기 단계들에 의해 추정된 복수의 위치 값들에 대한 분포로부터 복수의 위치 값들 중 위치 값의 변화량이 미리 결정된 문턱 값(threshold) 이상인 위치 값을 제거하고, 나머지 위치 값들에 대한 평균 값을 최종 위치 값으로 결정할 수 있다.
즉, 상기 최종 위치 값을 결정하는 단계(S180)는 도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같이, 반복 추정된 위치 값들의 분포로부터 변화량이 미리 결정된 변화량 문턱 값보다 큰 위치 값은 제거하고, 제거되지 않은 위치 값들의 평균을 최종 위치 값으로 결정한다.
따라서, 본 발명에 따른 위치 추정 방법은 제거되지 않은 위치 값들의 평균으로 인하여 잡음 영향이 감소하기 때문에 위치 추정 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 방법과 종래 방법에 대해 주파수 옵셋이 없는 경우와 있는 경우의 상호상관의 최대값 검출 성능에 대한 예시도를 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5b를 참조하면, 도 5a에 도시된 종래 기술(conventional)과 도 5b에 도시된 본 발명에 따른 방법(proposed)의 주파수 옵셋에 따른 상호 상관의 최대 값 검출 성능 비교를 통해서도 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 방법이 종래 기술에 비해 주파수 옵셋이 있는 경우 상호 상관의 최대 값 검출 성능이 뛰어난 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에 대해 2차원 좌표로 설명하였지만, 본 발명에 따른 방법은 2차원 좌표로 한정되지 않으며, 3차원 좌표에 대해서도 적용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 TDOA 기반의 위치 추정 방법은 주파수 옵셋에 강건하면서 위치에 대한 추정 정확성을 향상시킬 수 있고, 기준점 선택 및 반복 추정 과정을 통해 수신기의 위치 또는 신호원의 위치를 추정함으로써, 주파수 동기 과정 없이 위치 추정을 수행할 수 있으며, 위치 추정에 대한 발산 문제를 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치에 대한 구성을 나타낸 것으로, 상술한 도 1의 방법을 수행하는 장치를 의미하며 도 1의 방법에서 설명한 동작을 수행한다.
이때, 본 발명에 따른 위치 추정 장치는 도 2a에 도시된 수신기가 될 수도 있고, 도 2b에 도시된 복수의 수신 센서들과 연결된 서버가 될 수도 있으며, 이런 본 발명에 따른 장치는 컴퓨터 프로세서를 통해 구성될 수도 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 위치 추정 장치(600)는 후보 집합 생성부(610), 후보 집합 갱신부(620), TDOA 계산부(630), 위치 값 추정부(640) 및 위치 값 결정부(650)를 포함한다.
후보 집합 생성부(610)는 복수의 수신 신호들을 수신하고 수신된 복수의 수신 신호들을 포함하는 후보 집합을 구성한다.
후보 집합 갱신부(620)는 후보 집합 생성부(510)에 의해 구성된, 후보 집합에 포함된 복수의 수신 신호들 중 어느 하나를 기준점으로 선택하고, 선택된 기준점에 해당하는 수신 신호를 후보 집합으로부터 제거한다.
즉, 후보 집합 갱신부(620)는 반복적인 위치 값 추정을 수행하기 위하여, 후보 집합을 구성하는 후보 기준점들을 갱신한다.
TDOA 계산부(630)는 후보 집합 갱신부(620)에서 선택된 기준점과 후보 집합에 포함된 나머지 수신 신호들 간의 차등 상호 상관에 기초하여 도달 시간 차이(TDOA) 측정 값을 계산한다.
이때, TDOA 계산부(630)는 차등 상호 상관이 최대가 되는 시간을 TDOA 측정 값으로 계산할 수 있으며, 나아가 TDOA 계산부(630)는 D 차등 상호 상관에 기초하여 상기 TDOA 측정 값을 계산할 수 있다.
여기서, D 차등 상호 상관의 D 값은 복수의 수신 신호들 또는 수신 신호를 수신하는 수신기의 오버샘플링 수에 의해 결정될 수 있다.
위치 값 추정부(640)는 계산된 TDOA 측정 값에 기초하여 위치 값을 추정한다.
이때, 위치 값 추정부(640)는 Taylor Series의 함수를 이용하여 위치 값을 추정할 수 있으며, Taylor Series를 사용하는 기술 외에 칼만 필터(Kalman Filter)를 이용한 기술, 최소 자승법 기준의 Closed-loop으로 위치 값을 추정할 수도 있다.
위치 값 결정부(650)는 후보 집합이 공집합일 될 때까지 위치 값 추정부(540)에서 추정된 복수의 위치 값들에 기초하여 최종 위치 값을 결정한다.
이때, 위치 값 결정부(650)는 추정된 복수의 위치 값들에 대한 평균 값을 최종 위치 값으로 결정할 수 있다.
이때, 위치 값 결정부(650)는 추정된 복수의 위치 값들에 대한 분포로부터 복수의 위치 값들 중 위치 값의 변화량이 미리 결정된 문턱 값 이상인 위치 값을 제거하고, 나머지 위치 값들에 대한 평균 값을 최종 위치 값으로 결정할 수도 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에서는 후보 집합 갱신부가 기준점에 해당하는 수신 신호를 후보 집합으로부터 제거했지만, 반드시 이에 한정되지 않고 기준점만을 선택하고, 그 선택된 기준점에 해당하는 수신 신호를 후보 집합으로부터 제거하지 않을 수도 있다. 또한, 기준점 선택은 수신 신호의 전력 크기가 큰 순서부터 작은 순서로 내림차순으로 정리하여, 전력이 큰 순서부터 기준점을 선택하게 할 수 있다. 이는 기준점 선택 회수가 전체 후보 수보다 적은 경우에도 추정 성능을 확보하기 위함이다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 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.
610: 후보 집합 생성부
620: 후보 집합 갱신부
630: TDOA 계산부
640: 위치값 추정부
650: 위치값 결정부

Claims (10)

  1. 복수의 수신 신호들을 수신하고 상기 수신된 복수의 수신 신호들을 포함하는 후보 집합을 구성하는 후보 집합 생성부;
    상기 후보 집합에 포함된 복수의 수신 신호들 중 어느 하나를 기준점으로 선택하고, 상기 선택된 기준점에 해당하는 수신 신호를 상기 후보 집합으로부터 제거하는 후보 집합 갱신부;
    상기 선택된 기준점과 상기 후보집합에 포함된 나머지 수신 신호들 간의 차등 상호 상관에 기초하여 도달 시간 차이(TDOA) 측정 값을 계산하는 TDOA 계산부;
    상기 계산된 TDOA 측정 값에 기초하여 위치 값을 추정하는 위치 값 추정부; 및
    상기 후보 집합이 공집합일 될 때까지 상기 위치 값 추정부에서 추정된 복수의 위치 값들에 기초하여 최종 위치 값을 결정하는 위치 값 결정부;
    를 포함하되, 상기 기준점은 상기 후보 집합에 포함되는 복수의 수신 신호를 그 수신 신호의 전력 크기가 큰 순서부터 작은 순서로 내림차순으로 정렬하여 그 정렬한 결과로 전력이 큰 순서부터 선택되고,
    상기 구성된 후보 집합에 포함된 복수의 수신 신호들 중 어느 하나를 기준점으로 선택하여 상기 선택된 기준점에 해당하는 수신 신호를 상기 후보 집합으로부터 제거한 후 그 선택된 기준점과 나머지 수신 신호들 간의 TDOA 측정값을 계산하되, 상기 기준점을 변경하면서 상기 후보 집합이 공집합이 될 때까지 그 선택된 기준점과 나머지 수신 신호들 간의 TDOA 측정값을 계산하는 과정을 반복 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 위치 값 결정부는,
    상기 추정된 복수의 위치 값들에 대한 평균 값을 상기 최종 위치 값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 위치 값 결정부는,
    상기 추정된 복수의 위치 값들에 대한 분포로부터 상기 복수의 위치 값들 중 위치 값의 변화량이 미리 결정된 문턱 값 이상인 위치 값을 제거하고, 나머지 위치 값들에 대한 평균 값을 상기 최종 위치 값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 TDOA 계산부는,
    상기 차등 상호 상관이 최대가 되는 시간을 상기 TDOA 측정 값으로 계산하는 것을 특징으로 하는 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 TDOA 계산부는,
    상기 기준점과 상기 나머지 수신 신호들 간의 D 차등 상호 상관에 기초하여 상기 TDOA 측정 값을 계산하고,
    여기서, 상기 D 값은 상기 수신된 복수의 수신 신호들에 대한 오버샘플링 수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 도달 시간 차이 기반의 위치 추정 장치.
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