KR101570061B1 - 모바일 노드의 위치 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보다 낮은 오차를 가지는 인접한 앵커(Anchor)들로부터 위치를 측정하기 위한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는, 주변의 노드들로부터 위치 측정을 위한 정보를 교환하는 통신부와, 상기 주변의 노드들로부터 수신된 정보를 이용하여 위치를 측정하는 위치 측정부와, 누적되는 위치 오차를 표시하기 위해, 초기 위치값으로부터 위치값이 갱신된 횟수를 계산하는 전파도 계산부와, 상기 주변의 노드들 중 적어도 일부로부터 오차 공분산을 산출하기 위한 공분산 산출부, 및, 상기 전파도 계산부의 계산 결과 또는 상기 공분산 산출부의 산출 결과 중 적어도 하나를 이용하여 주변의 노드들 중 적어도 일부를 선택하고, 선택된 노드들로부터 수신되는 정보를 이용하여 현재의 위치를 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모바일 노드의 위치 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR LOCALIZATION OF MOBILE NODE}

본 발명은 모바일 노드에서 위치를 측정하기 위한 것으로, 특히 보다 낮은 오차를 가지는 인접한 앵커(Anchor)들로부터 위치를 측정하기 위한 것이다.

일반적으로 실외에서는 GPS(Global Positioning System) 또는 GNSS(Global Navigation Satellite System)를 이용하여 위치를 정확하게 측정할 수 있으며, 반송파 측정치를 이용하면 보다 고정밀의 궤적 생성이 가능하다. 한편 UWB(Ultra-Wideband) 기반의 TWR(Two Way ranging) 측정치를 획득하게 되면 보다 고정밀의 위치 측정이 가능하다. 이러한 TWR 기반의 측위 시스템의 구성 요소는 크게 기지국(Base station), 태그(tag), 앵커(anchor)로 구분할 수 있다. 여기서 기지국은 네트워크를 초기화하고 구성하며, 이용 가능한 태그에게 TWR 시작 및 정지 명령을 전송한다. 이때 태그에게 앵커 리스트를 전달하면 태그는 이를 기반으로 주변의 앵커들과 통신을 수행하게 되며, 각 앵커들과의 통신을 통하여 TWR 기반의 측정치를 획득 및 이를 기지국에 반환하는 역할을 한다.

태그와 앵커의 차이점은, 앵커는 자신의 위치를 알고 있다는 것이고, 태그는 위치값을 산출하는 노드라는 것이다. 각각의 노드는 앵커 또는 태그로 동작할 수 있고, 앵커 노드는 임무 수행을 위하여 GPS 음영 지역으로 이동할 수 있다. 그리고 GPS 음영 지역으로 이동한 앵커는 자신이 태그가 되어 다른 앵커들로부터 자신의 위치를 구할 수도 있다. 즉, 각 노드들은 자신의 위치를 알고 있을 때는 앵커로 동작할 수 있고, 자신의 위치를 모를때는 태그로 동작할 수 있다.

따라서 이처럼 태그-앵커 전환을 반복하며 노드들이 이동하는 경우, 노드들의 위치 갱신에 따라 측위 영역을 계속 확대할 수 있다는 장점이 있다.

그런데, 이처럼 태그-앵커 전환을 반복하며 측위 영역을 확대해 나가는 경우(협업 측위(Collaborative Localization)), 이러한 협업 측위시에 태그-앵커 전환 반복에 의해, 연속 측위가 이루어지는 경우 태그에서 산출되는 위치 추정값은, 태그가 위치를 구할 때마다 계속 누적되는 경향을 보인다.

본 발명의 목적은, 이러한 모바일 노드들의 협업 측위시에 발생할 수 있는 누적 오차를 최소화할 수 있도록 하는 위치 측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 이러한 모바일 노드들의 협업 측위시 보다 정확한 위치가 측정될 수 있도록 하는 위치 측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는, 주변의 노드들로부터 위치 측정을 위한 정보를 교환하는 통신부와, 상기 주변의 노드들로부터 수신된 정보를 이용하여 위치를 측정하는 위치 측정부와, 누적되는 위치 오차를 표시하기 위해, 초기 위치값으로부터 위치값이 갱신된 횟수를 계산하는 전파도 계산부와, 상기 주변의 노드들 중 적어도 일부로부터 오차 공분산을 산출하기 위한 공분산 산출부, 및, 상기 전파도 계산부의 계산 결과 또는 상기 공분산 산출부의 산출 결과 중 적어도 하나를 이용하여 주변의 노드들 중 적어도 일부를 선택하고, 선택된 노드들로부터 수신되는 정보를 이용하여 현재의 위치를 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 초기 위치값은, GPS(Global Positioning System) 또는 GNSS(Global Navigation Satellite System)를 이용하여 산출되는 위치값이며, 상기 전파도는, 상기 초기 위치값으로부터 적어도 하나의 노드가 위치값을 갱신한 횟수임을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 주변의 노드들 중 자신의 위치값을 알고 있는 적어도 일부 중, 상기 전파도가 일정 수준 이하인 노드들만을 선별하고, 상기 선별된 노드들 중 적어도 일부를, 상기 오차 공분산 산출 결과에 근거하여 선택 및, 선택된 노드들로부터 수신되는 정보를 이용하여 위치를 측정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 전파도가 일정 수준 이하인 노드들로부터, 위치 측정에 필요한 최소한의 개수 이상으로 구성되는 적어도 하나의 조합을 생성하고, 상기 생성된 조합들 각각으로부터 상기 오차 공분산을 산출하여, 산출된 오차 공분산이 최소인 조합을 구성하는 노드들로부터 수신되는 정보를 이용하여 위치를 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 방법은, 주변의 노드들 중 자신의 위치값을 알고 있는 복수의 노드를 선택하는 단계와, 상기 선택된 노드들 중 적어도 일부가 포함되는 적어도 하나의 조합들을 생성하는 단계와, 상기 적어도 하나의 조합 중 어느 하나를 선택하고, 선택된 조합을 구성하는 노드들로부터 위치 측정치 모델을 생성하는 단계와, 상기 생성된 위치 측정치 모델로부터 오차 공분산을 산출하는 단계와, 상기 산출된 오차 공분산을 이용하여 위치 오차가 최소인 조합을 선택하는 단계, 및, 상기 위치 오차가 최소인 조합에 포함된 노드들로부터 수신된 위치 측정 관련 정보를 이용하여 위치를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 주변의 노드들 중 복수의 노드를 선택하는 단계는, 상기 주변의 노드들 각각으로부터, 초기 위치값으로부터 위치값이 갱신된 횟수를 나타내는 전파도를 확인하는 단계, 및, 상기 주변의 노드들 중, 상기 전파도가 일정 수준 이하인 노드들만 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 초기 위치값은, GPS(Global Positioning System) 또는 GNSS(Global Navigation Satellite System)를 이용하여 산출된 값이며, 상기 전파도는, 누적되는 위치 오차를 표시하기 위하여, 초기 위치값으로부터 위치값이 갱신된 횟수를 표시한 것임을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 적어도 하나의 조합들을 생성하는 단계는, 상기 선택된 노드들 중 위치 측정에 필요한 최소한의 개수 이상으로 구성되는 적어도 하나의 조합을 생성하는 단계임을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 모바일 노드의 위치 측정 장치는, 최소의 오차를 가지는 앵커들의 조합으로부터 위치가 측정되도록 함으로써 오차를 최소화하여 보다 정확한 위치가 측정되도록 하고, 이에 따라 누적되는 오차를 최소화시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 구성을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치에서 전파도를 이용하여 누적오차를 최소화하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는, 도 2에서 설명한 전파도를 설정하는 예를 보이기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치에서 측위 공분산을 산출하여 누적 오차를 최소화하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5a 및 도 5b는, 인접한 앵커로부터 위치를 측정하는 경우에 발생할 수 있는 추정 위치 오차를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은, 도 5에서 설명한 방법에서, 앵커들을 선택하는 경우에 도 2에서 설명한 전파도에 근거하여 앵커들을 선택하는 경우를 설명하기 위한 개념도이다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하도록 한다. 이하의 본 명세서에서는 TWR 기반의 측위 시스템을 예로 들어 설명하도록 한다. 이에 따라 본 명세서에서 사용되는 용어 중 '태그'는 자신의 위치를 모르는 모바일 노드로서, 위치를 측정할 노드를 말하는 것이며, '앵커'는 이미 자신의 위치를 측정하여, 현재 자신의 위치값을 알고 있는 모바일 노드를 말하는 것임을 전제한다. 또한 이하의 본 명세서에서는 상기한 협업 측위를 통해, 앵커와 태그가 얼마든지 서로 전환될 수 있음을 전제로 한다.

먼저 본 발명의 완전한 이해를 돕기 위해, 본 발명의 기본 원리를 설명하면 본 발명에서는, 전파계산도(LQI : Location Quality Indicator)를 도입하여, GPS 또는 GNSS를 통해 자신의 고정된 위치값을 측정한 노드들의 전파계산도를 0으로 설정하고, 협업 측위시에 사용된 모바일 노드(앵커)의 최악의 전파계산도를 n으로 설정 및, 협업 측위를 수행할 태그로 지정된 모바일 노드의 전파계산도를 n+1로 설정되도록 한다. 그리고 상기 전파도에 근거하여 일정갯수 이상의 앵커를 선택하여 위치가 측정되도록 할 수 있다.

또는 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는, 상기 전파도가 아니라, 현재 위치를 측정하기 위해 사용할 수 있는 주변의 앵커들로부터 측위 공분산(측정 위치에 포함된 오차의 공분산)값을 산출하고, 측위 공분산 값에 근거하여 선택되는 일정 개수 이상의 앵커들로부터 위치가 측정되도록 할 수도 있다.

또는 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는, 상기 전파도 및 상기 측위 공분산을 모두 사용하여 가장 누적오차가 적게 발생할 수 있는 일정 개수 이상의 앵커들을 선택하고, 선택된 앵커들로부터 위치가 측정되도록 할 수도 있다.

도 1은 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 구성을 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 모바일 노드의 위치 측정 장치는, 통신부(106), 공분산 산출부(108), 전파도 계산부(110), 메모리(104), 위치 측정부(112), 제어부(100)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 표시부(102)를 더 포함할 수도 있다. 그러나 도 1에 도시된 구성 요소들이 필수적인 것은 아니며, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 가질 수도 있다.

이하 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.

통신부(106)는 위치 측정 장치 주변의 노드들과 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(106)는 적어도 하나의 주변 노드에게 자신의 위치 계산에 필요한 정보를 요청할 수도 있으며, 또는 적어도 하나의 주변 노드에게 현재 알고 있는 자신의 위치값 또는 상기 주변 노드가 위치 계산을 하기위해 필요로 하는 정보들을 전송할 수 있다. 또는 GPS 또는 GNSS 로부터 측정된 위치값을 수신할 수도 있다.

위치 측정부(112)는 상기 통신부(106)를 통해 적어도 하나의 주변 노드들로부터, 수신된 위치 측정을 위한 정보(예를 들어 각 주변 노드들에 대한 위치 측정값)를 이용하여 현재의 위치를 측정한다. 위치 측정부(112)는 일정 개수 이상의 주변 노드들로부터 적어도 하나 이상의 위치 측정값을 산출할 수 있으며, 산출된 위치 측정값들에 근거하여 측정치 모델을 생성할 수도 있다.

본 발명에서는 GPS 또는 GNSS를 통해 자신의 위치를 계산한 모바일 노드를 이용하여 측위를 수행할 때의 측위 공분산을 유도하도록 한다. 이를 위해 공분산 산출부(108)는 상기 측정치 모델로부터, 상기 산출된 위치 측정값에 포함된 잡음(오차)의 오차 공분산을 구할 수 있다. 공분산 산출부(108)는 상기 적어도 하나 이상의 위치 측정값들에 포함된 오차들로부터, 그 상관관계를 분석하고, 그 상관관계에 따른 공분산을 산출한다. 그리고 산출된 오차 공분산을 이용하여 상기 적어도 하나 이상의 위치 측정값들로부터 잔여 위치를 산출할 수 있다. 여기서 '잔여 위치'라는 것은 기존 위치에서의 변화량을 말하는 것으로, 기존의 위치 측정값과, 새로 측정된 위치 측정값의 차이를 말하는 것이다. 그리고 상기 공분산 산출부(108)는 상기 잔여 위치 및 측정된 위치값의 변화량에 근거하여 협업 측위 공분산을 산출할 수 있다.

전파도 계산부(110)는, 만약 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치가 GPS 또는 GNSS를 통해 자신의 위치를 측정한 경우에는 전파도를 0으로 설정한다. 그러나 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치가 인접한 다른 노드들이 계산한 위치 측정값을 이용하여 자신의 위치를 측정하는 경우에는, 상기 위치 측정값을 전송한 노드에 설정된 전파도보다 더 큰 값으로 전파도를 설정한다.

예를 들어 만약 전파도가 '1'인 노드로부터 위치 측정값을 받아 자신의 위치를 측정하는 경우라면, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 전파도 계산부(110)는, 자신의 전파도를 1+1 즉, 2로 설정할 수 있다. 이는 "전파도가 1인 노드로부터 계산된 위치 측정값을 이용하여 측정된 위치값"이라는 의미가 되며, 초기에 GPS 또는 GNSS를 통해 측정되었던 위치값, 즉, 전파도가 '0'인 노드의 위치 측정값이, 전파도가 '1'인 노드를 거쳐 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치로 전파된 것을 의미할 수 있다.

본 발명의 이하의 설명에서는 이처럼 특정 노드가 위치값을 받아서 자신의 위치값을 측정하는 것을 위치값을 '갱신'하는 것으로 가정하고, 이에 따라 상기 '전파도'는 GPS 또는 GNSS 등으로부터 초기 측정된 위치값으로부터 적어도 하나의 노드에 의해'갱신'된 횟수를 의미하는 것으로 칭하기로 한다. 그러므로 위의 예에서 전파도가 '1'인 노드는 초기 위치값을 1회 갱신, 즉, 초기 위치값을 기준 위치값으로 적어도 하나의 노드가 처음으로 위치값을 산출한 것을 의미하며, 전파도가 '2'인 노드의 위치값은 상기 초기 위치값을 기준으로 산출된 위치값을, 다시 기준 위치값으로 하여 산출된 위치값을 의미할 수 있다. 여기서 상기 '기준 위치값'의 의미는, 태그 노드가 자신의 위치를 측정하기 위한, 상기 태그 노드 주변의 앵커 노드의 기 계산된 위치 측정값을 의미한다.

이처럼 전파도(LQI : Location Quality Indicator)는, 위치값이 측정된 노드들을 이용하여 다른 노드가 위치값을 측정하는 경우 상기 전파도를 하나씩 증가시킴으로써, 최초로 측정된 위치값의 전파 정도를 표시하기 위한 것이다. 즉 상기 전파도는, 초기 위치값으로부터 적어도 하나의 노드들로부터 위치값이 갱신된 횟수를 나타내는 것으로, 노드로부터 위치값이 산출될 때마다 오차가 포함되기 때문에 이처럼 위치값이 갱신될 때마다 누적되는 오차를 표시하기 위한 것이다.

따라서 전파도가 높을수록, 초기에 GPS 또는 GNSS를 통해 산출된 위치값에 더 많은 노드들이 측정한 위치값이 반영되었다는 것을 의미하며, 이는 그만큼 많은 오차가 포함되어 있다는 것을 의미할 수 있다. 전파도 계산부(110)는 이처럼 전파도 설정을 통해, 현재 측정된 위치값에 포함된 누적 오차에 대한 정성적 특징을 표시할 수 있다.

한편 제어부(100)는 상기 전파도 계산부(110)에서 계산된 전파도 또는 상기 공분산 산출부(108)에서 산출된 협업 측위 공분산 중 적어도 하나를 이용하여 최소 오차를 가지는 위치값을 측정할 수 있다. 예를 들어 제어부(100)는, 전파도가 높을수록, 더 많은 노드들을 거쳐 전파된 것이므로, 오차는 더 많이 누적될 수 있기 때문에 이를 고려할 수 있다.

즉, 제어부(100)는 현재 자신의 위치를 측정하기 위해 이용할 수 있는 주변의 적어도 하나의 앵커들 중, 전파도가 일정 수준 이하인 것들만 선택하고, 이를 이용하여 위치가 측정되도록 할 수도 있다(전파도를 이용한 최적화). 또는 제어부(100)는 상기 공분산 산출부(108)를 통해 산출된 협업 측위 공분산이 최소값을 가질 수 있는 적어도 하나의 주변 앵커들을 이용하여 위치가 측정되도록 할 수 있다(오차 공분산을 이용한 최적화).

또는 제어부(100)는 상기 전파도 및 상기 협업 측위 공분산 결과를 모두 이용하여 위치가 측정되도록 할 수도 있다. 즉, 제어부(100)는, 계산량을 보다 감소시키기 위해 일정 수준 이하의 전파도를 가지는 주변의 앵커들만을 선택하고, 선택된 앵커들로부터 생성 가능한 적어도 하나의 조합(Combination)을 결정할 수 있다. 그리고 제어부(100)는 결정된 각 조합마다 협업 측위 공분산을 산출하고, 산출된 협업 측위 공분산이 최소값인 조합을 선택할 수 있다. 그리고 제어부(100)는 선택된 조합의 앵커들로부터 위치를 측정함으로써 누적 오차가 최소인 위치 측정값이 산출(위치 측정값의 최적화)되도록 할 수도 있다.

제어부(100)의 이러한 동작 과정에 대해서는 하기 도 2, 도 4, 도 6에서 도면을 참조하여 보다 자세히 설명하기로 한다.

한편 메모리(104)는 제어부(100)의 동작을 위한 프로그램을 저장할 수 있고, 입/출력되는 데이터들(예를 들어, 산출된 공분산값 또는 전파도 등)을 임시 저장할 수도 있다.

그리고 표시부(102)는 사용자의 선택에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치 주변의 앵커들에 대한 정보 및 그 앵커들 중 적어도 일부로 생성가능한 복수의 조합들과, 상기 복수의 조합들 각각으로부터 산출되는 공분산 결과값등을 표시할 수 있다.

한편 상술한 바에 의하면, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 제어부(100)는 전파도 또는 협업 측위 공분산 중 적어도 하나를 이용하여 최적화된 위치 측정값(누적 오차가 최소인 위치 측정값)을 산출할 수 있음을 언급한 바 있다.

도 2는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치에서 전파도만을 이용하여 누적오차를 최소화하는 방법을 설명하기 위한 것이다. 그리고 도 3a 및 도 3b은, 도 2에서 설명한 전파도를 설정하는 예를 보이기 위한 개념도이다.

도 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 제어부(100)는 위치 측정이 시작되면 주변의 노드들 중 '앵커'로 판단되는 노드들을 선택한다(S200). 즉, 제어부(100)는 자신의 주변에서 자신의 위치 측정값이 산출된 노드들을 탐색하고 이 노드들을 선택할 수 있다.

그리고 제어부(100)는 선택된 앵커들 중 전파도가 일정 수준 이하인 것들만 추출할 수 있다(S202). 여기서 전파도는, 상술한 바와 같이 최초로 측정된 위치값의 전파 정도를 표시하기 위한 것이다. 즉, 전파도가 높을수록, 초기에 GPS 또는 GNSS를 통해 산출된 위치값에 더 많은 노드들이 측정한 위치값이 반영되었다는 것을 의미하며, 이는 그만큼 많은 오차가 포함되어 있다는 것을 의미한다.

이러한 전파도는, 위치 측정시에 사용한 주변 앵커의 전파도에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어 도 3a에서 보이고 있는 것처럼, 위치 측정값을 전송한 주변 앵커들(302, 304, 306, 308)의 전파도가 '0'인 경우, 제어부(100)는 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치(300)의 전파도를 '1'로 설정할 수 있다. 이는 전파도가 '0'인 앵커들의 위치 측정값을 이용하여 위치를 측정하였기 때문이다.

그러나 이와는 달리, 위치를 측정하기 위해 사용한 주변 앵커들 중 어느 하나의 전파도가 '0'이 아닌 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 전파도는 '1'이 아닐 수도 있다. 도 3b는 이러한 예를 보이고 있는 것이다.

도 3b를 참조하여 살펴보면, 도 3b에서는 전파도가 '0'인 앵커들(352, 354)과 전파도가 '0'이 아닌 앵커(356)를 이용하여 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치(350)가 위치를 측정하는 경우를 가정한 것이다. 이러한 경우, 제어부(100)는 전파도가 더 큰 앵커, 즉, 앵커(356)의 전파도에 따라 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치(350)의 전파도를 설정할 수 있다.

따라서 도 3b에서 보이고 있는 것처럼, 전파도가 '1'인 앵커(356)가 산출한 위치 측정값을 이용하여 위치를 측정하는 경우, 제어부(100)는 앵커(356)의 전파도 '1'에 근거하여, 자신의 전파도를 '2'로 설정할 수 있다.

한편 제어부(100)는 앵커들을 추출할 때에 전파도가 최소값인 앵커들을 우선적으로 기 설정된 일정 개수 만큼 추출할 수도 있다. 예를 들어 제어부(100)는 전파도가 '0'인 앵커들부터 기 설정된 개수 만큼 추출할 수도 있다. 또는 제어부(100)는 상기 일정 수준이 '0'인 경우, 도 3a와 같이, 주변의 앵커들 중에서 전파도가 '0'인 앵커들, 즉 자신의 주변에 GPS 또는 GNSS를 통해 정확한 위치가 측정된 노드들만 추출할 수도 있다.

그리고 제어부(100)는 현재 추출된 앵커들로부터 위치 측정값을 수신하고, 수신된 값을 이용하여 위치를 측정할 수 있다(S204). 이에 따라 제어부(100)는, 전파도가 일정 수준 이하인 앵커들만을 선별하고, 따라서 누적 오차가 일정 수준 이하인 앵커들만이 위치 측정에 사용될 수 있다. 이에 따라 누적 오차가 최소화된, 최적화된 위치 측정값을 얻을 수 있다. 그리고 제어부(100)는 현재 추출된 앵커들의 전파도에 근거하여 자신의 전파도를 산출할 수 있다.

한편 도 4는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치에서 측위 공분산을 산출하여 누적 오차를 최소화하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 그리고 도 5a 및 도 5b는, 인접한 앵커로부터 위치를 측정하는 경우에 발생할 수 있는 추정 위치 오차를 설명하기 위한 개념도이다.

우선 도 4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 제어부(100)는 위치 측정이 시작되면, 주변의 노드들 중, '앵커'로 판단되는, 즉 자신의 위치값을 알고 있는 노드들을 선택한다(S400), 그리고 제어부(100)는 선택된 앵커들로부터 생성 가능한 적어도 하나의 조합을 결정한다(S402). 여기서 상기 조합은, 상기 선택된 앵커들로부터 제어부(100)가 자신의 위치를 측정하기 위한 것으로, 위치 계산에 필요한 최소한의 개수 이상의 노드들로 구성될 수 있다. 예를 들어 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치에 5개의 앵커가 있는 경우이고, 위치 계산에 필요한 최소한의 개수가 3개인 경우라면, 제어부(100)는 상기 S402 단계에서 상기 5개의 노드들을 3개 이상씩 조합하여, 각각 3개, 4개 그리고 5개의 서로 다른 노드들로 구성되는 조합들을 생성할 수 있다.

상기 S402 단계에서 조합들이 생성되면, 제어부(100)는 어느 하나의 조합을 선택하고, 그 조합을 구성하는 앵커들 각각으로부터 위치를 추정하여 위치 측정치 모델을 생성할 수 있다(S404).

도 5a는 이러한 측위 시나리오를 도시한 예를 보이고 있는 것이다.

예를 들어 앵커로 지정된

번째 앵커가 GPS 또는 GNSS로 구한 3차원위치 측정값에서 오차 벡터

가 존재할 때 오차 공분산

이며, 이는 3차원 공간에서 타원체 모양으로 나타내어질 수 있다.

이 때 도 5a에서 보이고 잇는 것과 같이 위치를 모르는 노드 하나가 자신의 위치값을 알고 있는 3개 이상의 앵커와 TWR 측정치를 획득하였다고 가정한다. 이 때에 측위 오차의 전파는 공분산으로, 전파되는 양은 시선각 벡터로 투영시킨 오차 공분산에 해당한다.

도 5b는 이러한 측위 오차 전파가 TWR 추정치에 미치는 영향을 수식화하기 위한 것으로 TWR 추정치를 도식화한 것이다. 태그로 지정된 노드는 앵커로 지정된 노드와 TWR 추정치를 생성한다. TWR 추정치는 실제 안테나 간의 거리 및 측정치 잡음의 합으로 나타낼 수 있다. 그러나 앵커로 지정된 각 노드는 안테나의 예상 위치와 실제 위치와 다를 수 있고, 이러한 양이 실제 추정 위치 오차로 나타날 수 있다. 여기서 추정 위치 오차는 시선각 벡터

와 위치 오차 벡터

와 내적으로 수식화할 수 있다.

여기서 시선각 벡터

는 태그로 지정된 노드에서 거리 추정을 수행하고자 하는

번째 앵커 방향을 가리키는 단위 벡터이다. 이를 수식으로 나타내면 하기 수학식 1과 같다.

여기에서

는 태그로 지정된 노드의 미지의 위치이며,

는 앵커로 지정된

번째 앵커의 위치 측정값이며,

의 값을 가진다. 이 때 태그로 지정된 노드와 앵커로 지정된

번째 앵커의 앵커의 협업 측위 TWR 추정치는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서

는 분산이

인 측정치 잡음이다.

제어부(100)는 S404 단계에서 상기 수학식 2에서 보이고 있는 것과 같은 측정치 모델이 생성되면, 상기 측정치 모델을 이용하여 상기 측정치 모델에 포함된 오차 공분산을 산출할 수 있다(S406). 여기서 상기 측정치 모델에서 오차(

) 공분산을 구하는 과정은 하기 수학식 3과 같다.

상기 수학식 3에서 도출된 식을 이용하여, TWR 측정치 공분산 행렬을 하기 수학식 4와 같이 정리할 수 있다.

수학식 4에서 보이고 있는 TWR 측정치 공분산 행렬은, 본 발명의 협업 측위 TWR 측정치가 될 수 있다. 이러한 협업 측위 TWR 측정치가 산출되면 제어부(100)는 위치 측정시에 발생할 수 있는 위치 추정치의 잔여위치를 하기 수학식 5와 같이 구할 수 있다(S408).

여기서 상기

는 위치 변화의 분포를 말하는 것이며,

는 잔여 위치, 즉 기존 위치에서의 현재 변화량을 말하는 것이다.

이처럼 잔여 위치 추정치가 산출되면, 제어부(100)는 산출된 잔여 위치 추정치로부터 협업 측위 공분산을 산출한다(S410). 예를 들어 상기 협업 측위 공분산은 하기 수학식 6과 같이 위치 변화의 분포, 즉 상기

의 공분산 결과로부터 산출될 수 있다.

만약 TWR 추정치로 협업 위치 추정을 수행하여

의 측위 공분산을 가지고 있는 태그로 지정된 노드가 첫 번째 앵커로 지정되었으며, 새로운 태그로 지정된 노드가 측위를 시작하는 경우의 TWR 측정치 공분산은 하기 수학식 7과 같이 산출될 수 있다.

따라서 협업 측위 공분산은 상기 수학식 6의 결과와 같이

로 계산이 가능하다.

한편 상기 S410 단계에서 현재 선택된 앵커들의 조합에 따른 협업 측위 공분산이 산출되면, 제어부(100)는 생성된 모든 조합에 대한 측위 공분산이 산출되었는지 판단한다(S412). 그리고 상기 S412 단계의 판단 결과, 모든 조합에 대한 협업 측위 공분산들이 산출되지 않은 경우라면, 제어부(100)는 다른 조합을 선택한다(S416). 그리고 제어부(100)는 다시 상기 S404 단계에서 S410 단계를 진행하여 현재 선택된 조합을 구성하는 앵커 노드들의 협업 측위 공분산을 산출한다.

그러나 만약 상기 S412 단계의 판단 결과, 상기 S402 단계에서 생성된 모든 조합들 각각에 대한 협업 측위 공분산이 산출된 경우라면, 제어부(100)는 현재 산출된 협업 측위 공분산 값들 중 최소값을 가지는 조합의 앵커들을 선택한다. 그리고 선택된 앵커들을 이용하여 위치를 측정한다. 즉, 제어부(100)는 협업 측위 공분산이 최소인 조합을 구성하는 앵커들만을 선택하고, 선택된 앵커들의 위치값으로부터 자신의 위치를 측정함으로써, 누적오차가 최소로 최적화된 위치 측정 결과를 얻을 수 있다.

이처럼 제어부(100)는 도 2에서 보이고 있는 것과 같이, 주변의 앵커 노드들의 전파도만을 이용하여, 또는 도 4에서 보이고 있는 것과 같이 공분산 산출부(108)를 이용하여 협업 측위 위치 공분산이 최소인 앵커들의 조합만을 선택하여 자신의 위치를 측정함으로써 누적오차를 최소화할 수 있다.

그러나 이러한 두 가지 방법에는 서로 다른 장단점이 있다. 예를 들어 하기 표에서 보이고 있는 것처럼, 전파도를 이용하는 방법은 계산이 간단하다는 장점이 있는 반면, 정성적 특징만을 확인할 수 있으므로 실제로 오차가 얼마나 발생하였는지(정량적 특징)을 확인할 수 없다는 문제점이 있다. 또한 공분산 산출부(108)를 이용하여 산출되는 오차의 공분산을 이용하는 방법은, 실제로 발생한 오차의 양을 가늠할 수 있다는 장점이 있지만, 생성 가능한 모든 조합에 대하여 공분산을 산출하여야 하므로 그 계산량이 많다는 문제가 있다.

한편 서로 다른 두 가지 방법은 장단점을 서로 보완하기 위해 모두 사용될 수도 있다. 예를 들어 상기 전파도를 이용하는 방법은, 상기 오차의 공분산을 이용하는 방법에서, 계산량을 줄이기 위해 사용될 수도 있다.

도 6은, 이처럼 상기 두 가지 방법을 모두 이용하기 위한 것으로, 도 5에서 설명한 방법에서, 앵커들을 선택하는 경우에 도 2에서 설명한 전파도에 근거하여 앵커들을 선택함으로써 상기 오차의 공분산을 이용하는 경우에 계산량을 감소시키는 경우에 따른 방법을 설명하기 위한 것이다.

도 6을 참조하여 살펴보면, 제어부(100)는 위치 측정이 시작되는 경우, 자신 주변의 노드들 중 앵커들을 선택하고, 선택된 앵커들의 전파 계산도를확인할 수 있다(S600). 그리고 제어부(100)는 상기 선택된 앵커들 중 전파 계산도가 일정 수준 이하인 앵커들만을 선택할 수 있다(S602).

즉, 제어부(100)는 자신 주변의 앵커들을 선택함에 있어, 전파 계산도가 일정 수준 이하인 것들만 선택되도록 함으로써, 측위 오차가 일정 수준 이상 포함되어 있는 앵커들을 아예 공분산을 계산하기 위한 대상에서 제외할 수 있다. 이는 측위 오차가 일정 수준 이상인 앵커들로부터 위치값을 산출하는 경우, 상기 일정 수준 이상의 측위 오차가 그대로 반영될 가능성이 높기 때문이다.

따라서 상기 S600 단계 및 S602 단계를 통해 전파도가 일정 수준 이하인 앵커들만 선택되도록 하면, 제어부(100)는 자신의 주변에서 측위 오차가 가장 적은 앵커들만으로 가능한 조합들을 생성할 수 있다. 이에 따라 생성 가능한 조합들의 수는 대폭 감소하게 되고, 이로 인해 공분산을 산출하는 횟수 역시 크게 감소될 수 있으므로, 계산량 역시 크게 감소될 수 있다.

예를 들어 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 주변에 5개의 앵커 노드가 있는 경우, 위치 측정에 필요한 앵커가 최소 3개라고 가정하면, 최대 9개의 조합이 생성될 수 있다. 그리고 이러한 경우 9개의 조합들 각각의 모든 오차 공분산을 산출하여야만 한다. 그러나 상기 600 단계 및 602 단계에서 전파도가 1이하인 노드들만을 선택한다고 가정하고, 상기 주변의 5개 노드들 중, 전파도가 1이하인 노드가 4개라고 한다면, 제어부(100)는 상기 602 단계에서 전파도가 1 이하인 노드들 4개만을 선택하게 되고, 이에 따라 생성 가능한 조합은 3개가 될 수 있다. 이에 따라 제어부(100)는 상기 3개의 조합들에 대해서만 각각 오차 공분산을 산출하면 되므로, 계산량을 크게 감소시킬 수 있다.

따라서 이처럼 전파도가 일정 수준 이하인 앵커들만을 선별하고 이로부터 누적오차가 가장 적은 조합을 선택하여 위치를 측정하는 경우, 불필요한 계산을 할 필요가 없으므로 계산량을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 오차 공분산의 정량적 비교를 통해 실제로 오차가 최소인 위치값을 측정할 수 있다는 장점이 잇다. 이에 따라 본 발명은 앵커와 노드들이 태그-앵커 전환을 반복하며 측위 영역을 확대해 나가는 협업 측위 방식에서, 상기 태그-앵커 전환에 따라 누적되는 오차가 최소화되도록 할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는 자신의 위치가 측정되기 전에는 태그로 동작하여 상술한 바에 따른 동작을 수행할 수 있다. 그리고 자신의 위치가 측정된 이후에는 앵커로 동작하여 태그 역할을 하는 다른 노드에게 자신이 산출한 위치 정보를 전송할 수 있다. 따라서 태그 노드가, 본 발명에서 보인 바와 같이 위치 오차를 최소화하는 경우, 전체적인 협업 측위 시스템의 누적 오차를 줄일 수 있게 되고, 결과적으로 협업 측위시스템을 최적화할 수 있다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 그러나 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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석 되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 제어부 102 : 표시부
104 : 메모리 106 : 통신부
108 : 공분산 산출부 110: 전파도 계산부
112 : 위치 측정부

Claims (8)

1. 주변의 노드들로부터 위치 측정을 위한 정보를 교환하는 통신부;
   상기 주변의 노드들로부터 수신된 정보를 이용하여 위치를 측정하는 위치 측정부;
   누적되는 위치 오차를 표시하기 위해, 초기 위치값으로부터 위치값이 갱신된 횟수를 계산하는 전파도 계산부;
   상기 주변의 노드들 중 적어도 일부로부터 오차 공분산을 산출하기 위한 공분산 산출부; 및,
   상기 전파도 계산부의 계산 결과 또는 상기 공분산 산출부의 산출 결과 중 적어도 하나를 이용하여 주변의 노드들 중 적어도 일부를 선택하고, 선택된 노드들로부터 수신되는 정보를 이용하여 현재의 위치를 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 측정 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 초기 위치값은,
   GPS(Global Positioning System) 또는 GNSS(Global Navigation Satellite System)를 이용하여 산출되는 위치값이며,
   상기 전파도는,
   상기 초기 위치값으로부터 적어도 하나의 노드가 위치값을 갱신한 횟수임을 특징으로 하는 위치 측정 장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 주변의 노드들 중 자신의 위치값을 알고 있는 적어도 일부 중, 상기 전파도가 일정 수준 이하인 노드들만을 선별하고,
   상기 선별된 노드들 중 적어도 일부를, 상기 오차 공분산 산출 결과에 근거하여 선택 및, 선택된 노드들로부터 수신되는 정보를 이용하여 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 위치 측정 장치.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 전파도가 일정 수준 이하인 노드들로부터, 위치 측정에 필요한 최소한의 개수 이상으로 구성되는 적어도 하나의 조합을 생성하고,
   상기 생성된 조합들 각각으로부터 상기 오차 공분산을 산출하여, 산출된 오차 공분산이 최소인 조합을 구성하는 노드들로부터 수신되는 정보를 이용하여 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 위치 측정 장치.
   
5. 주변의 노드들 중 자신의 위치값을 알고 있는 복수의 노드를 선택하는 단계;
   상기 선택된 노드들 중 적어도 일부가 포함되는 적어도 하나의 조합들을 생성하는 단계;
   상기 적어도 하나의 조합 중 어느 하나를 선택하고, 선택된 조합을 구성하는 노드들로부터 위치 측정치 모델을 생성하는 단계;
   상기 생성된 위치 측정치 모델로부터 오차 공분산을 산출하는 단계;
   상기 산출된 오차 공분산을 이용하여 위치 오차가 최소인 조합을 선택하는 단계; 및,
   상기 위치 오차가 최소인 조합에 포함된 노드들로부터 수신된 위치 측정 관련 정보를 이용하여 위치를 측정하는 단계를 포함하며,
   상기 주변의 노드들 중 복수의 노드를 선택하는 단계는,
   상기 주변의 노드들 각각으로부터, 초기 위치값으로부터 위치값이 갱신된 횟수를 나타내는 전파도를 확인하는 단계; 및,
   상기 주변의 노드들 중, 상기 전파도가 일정 수준 이하인 노드들만 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
   
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,
   상기 초기 위치값은,
   GPS(Global Positioning System) 또는 GNSS(Global Navigation Satellite System)를 이용하여 산출된 값이며,
   상기 전파도는,
   누적되는 위치 오차를 표시하기 위하여, 적어도 하나의 노드에 의해 초기 위치값으로부터 위치값이 갱신된 횟수를 표시한 것임을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
   
8. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 조합들을 생성하는 단계는,
   상기 선택된 노드들 중 위치 측정에 필요한 최소한의 개수 이상으로 구성되는 적어도 하나의 조합을 생성하는 단계임을 특징으로 하는 위치 측정 방법.

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