KR101627419B1 - 이동 노드의 위치 추정 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동 노드의 위치 추정 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 다수의 고정 노드를 포함하는 무선망에서의 이동 노드의 위치 추정 방법에 있어서, 기준 고정 노드와 다른 고정 노드들 간의 거리를 추정하는 단계와, 상기 추정된 거리와 기 알고 있는 실제 거리를 이용하여 상기 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 추출하는 단계와, 상기 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 확장 칼만 필터에 반영하는 단계와, 상기 이동 노드를 중심으로 하는 상기 기준 고정 노드와 상기 다른 고정 노드들 간의 거리 차를 TDOA(Time Difference of Arrival) 기법을 사용하여 추정하는 단계, 및 상기 추정된 거리 차 및 상기 다수의 고정 노드에 대한 공통의 주파수 편이 상태 변수를 상기 확장 칼만 필터에 반영하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 이동 노드의 위치 추정 방법을 제공한다.
상기 이동 노드의 위치 추정 방법 및 그 장치에 따르면, OWR을 이용한 TDOA 방식을 확장 칼만 필터에 반영한 알고리즘을 사용함에 따라, 이동 노드의 위치 추정을 위한 전송 패킷의 수가 감소하게 되어 처리 시간 또한 감소하는 효과가 있으며 동일한 시간에 처리할 수 있는 이동 노드의 수가 증가하는 이점이 있다.

Description

이동 노드의 위치 추정 방법 및 그 장치{Method for estmating location of mobile node and apparatus thereof}
본 발명은 이동 노드의 위치 추정 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 고정 노드 사이의 주파수 편이 및 주파수 편이 상태 변수를 확장 칼만 필터에 반영하여 이동 노드의 위치를 추정하는 적응적 디지털 필터를 사용한 이동 노드의 위치 추정 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 무선망에서는 소수의 고정 노드를 이용하여 다수의 이동 노드에 대한 위치를 추정하고, 이를 이용하여 이동 노드의 위치 추적, 이동 노드의 상황에 맞는 서비스 제공 등의 다양한 응용에 활용하고 있다.
특히, 위치 추정 알고리즘은 고정 노드와 이동 노드 간의 각도, 거리 및 수신 신호의 세기 등을 이용하는데, 거리는 가장 안정적인 수단으로 널리 이용되고 있으며, 주로 초음파나 무선 등의 신호를 이용한 TOF(Time of Flight)로부터 추정된다. 그러나 거리 추정의 기술적 문제, 무선 전송 특성, 그리고 설치된 환경의 변화 등에 의하여 정확한 거리 정보 또는 TOF를 얻기 어려워 위치 추정 오차가 발생하며, 이러한 오차를 줄이기 위한 후처리 기술이 적용되기도 한다.
IEEE 802.15.4a에서는 망 동기 클럭 없이 비동기로 TOF를 계산할 수 있는 TWR(Two-Way Ranging) 및 SDS-TWR(Symmetric Double Sided-TWR) 방식을 제시하였으며, 첩 확산 스펙트럼(CSS:Chirp Spread Spectrum) 방식의 기술을 사용하여 이동 노드의 거리를 측정하는 시스템이 개발되어 사용이 확산되고 있다.
하지만, 종래에 제시된 CSS 기술은 10m 거리에서 거리 추정 오차가 30cm 내지 1m 정도, 10m x 10m의 2차원 평면에서 위치 추정 오차가 1m 내지 2m 정도로 정확한 위치 추정이 어려운 문제점이 있다. 따라서, 보다 정확한 이동 노드의 위치를 추정하기 위하여 칼만 필터 또는 확장 칼만 필터 등의 후처리 기술이 적용되기도 하였으며, 특히 측정된 거리에 비례하는 하나의 상태 변수를 확장 칼만 필터에 추가하여 추정 오차를 감소시키는 방식도 제안되었다. 그러나, 추가한 변수에 대한 이론적 근거가 제시되지 못하였으며, 이러한 이유로 공통의 변수에 대한 분석 및 성능 개선의 여지 등이 고려되지 못한 문제점이 있다.
또한, 각 고정 노드에 별도로 사용되는 망동기 유선 케이블 사용시 고정 길이의 문제점이 발생하여, 고정 노드 위치의 제한이 있는 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제1219913호(2013.01.09 공고)에 개시되어 있다.
본 발명은 CSS WPAN에서 OWR(One-Way Ranging)을 이용한 TDOA(Time Difference of Arrival) 방식을 확장 칼만 필터에 반영하여 이동 노드의 위치 추정 정확도를 향상시킬 수 있는 이동 노드의 위치 추정 방법 및 그 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 다수의 고정 노드를 포함하는 무선망에서의 이동 노드의 위치 추정 방법에 있어서, 기준 고정 노드와 다른 고정 노드들 간의 거리를 추정하는 단계와, 상기 추정된 거리와 기 알고 있는 실제 거리를 이용하여 상기 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 추출하는 단계와, 상기 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 확장 칼만 필터에 반영하는 단계와, 상기 이동 노드를 중심으로 하는 상기 기준 고정 노드와 상기 다른 고정 노드들 간의 거리 차를 TDOA(Time Difference of Arrival) 기법을 사용하여 추정하는 단계, 및 상기 추정된 거리 차 및 상기 다수의 고정 노드에 대한 공통의 주파수 편이 상태 변수를 상기 확장 칼만 필터에 반영하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 이동 노드의 위치 추정 방법을 제공한다.
또한, 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 단계는, 상기 확장 칼만 필터에 반영 시에 측정 벡터 방정식의 야코비안 행렬 및 프로세스 벡터 방정식의 야코비안 행렬이 변경되어 상기 이동 노드의 위치 추정이 이루어질 수 있다.
그리고, 본 발명은 다수의 고정 노드를 포함하는 무선망에서의 이동 노드의 위치 추정 장치에 있어서, 기준 고정 노드와 다른 고정 노드들 간의 거리를 추정하는 거리 추정부와, 상기 추정된 거리와 기 알고 있는 실제 거리를 이용하여 상기 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 추출하는 주파수 편이 추출부와, 상기 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 확장 칼만 필터에 반영하는 필터 적용부와, 상기 이동 노드를 중심으로 하는 상기 기준 고정 노드와 상기 다른 고정 노드들 간의 거리 차를 TDOA(Time Difference of Arrival) 기법을 사용하여 추정하는 거리차 추정부, 및 상기 추정된 거리 차 및 상기 다수의 고정 노드에 대한 공통의 주파수 편이 상태 변수를 상기 확장 칼만 필터에 반영하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 위치 추정부를 포함하는 이동 노드의 위치 추정 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 이동 노드의 위치 추정 방법 및 그 장치에 따르면, OWR을 이용한 TDOA 방식을 확장 칼만 필터에 반영한 알고리즘을 사용함에 따라, 이동 노드의 위치 추정을 위한 전송 패킷의 수가 감소하게 되어 처리 시간 또한 감소하는 효과가 있으며 동일한 시간에 처리할 수 있는 이동 노드의 수가 증가하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 위치 추정 서비스 망의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 TDOA의 개념적 모델이다.
도 3은 도 1의 위치 서버의 구성도이다.
도 4는 도 3을 이용한 이동 노드의 위치 추정 방법의 흐름도이다.
도 5는 도 4의 S410 단계를 설명하는 개념도이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 위치 추정 서비스 망의 구성도를 나타낸다. 위치 추정 서비스 망은 위치 서버(100), 다수의 고정 노드(N1, N2, N3, N4), 그리고 이동 노드(NM)를 포함한다.
여기서 위치 서버(100)는 다수의 고정 노드(N1, N2, N3, N4)가 설치된 위치를 미리 알고 있으며, 고정 노드(N1, N2, N3, N4)와 이동 노드(NM)로 명령을 송신하고 그 결과를 수신한다. 또한, 위치 서버(100)는 특정 고정 노드 즉, 기준 고정 노드(N1)와 다른 고정 노드(N2, N3, N4) 사이의 거리(di1; d21, d31, d41)를 추정하며, 이 거리 정보로부터 각 고정 노드(N1, N2, N3, N4)의 주파수 편이 파라미터를 추출하고 이를 적응적 디지털 필터인 확장 칼만 필터에 적용한다. 또한, 이동 노드(NM)의 위치를 중심으로 기준 고정 노드(N1)와 다른 고정 노드(N2, N3, N4) 간의 거리 차(di ,1=di-d1; d2,1, d3 ,1, d4 ,1)를 TDOA 기법으로 추정하여 이를 상기 확장 칼만 필터에 적용함으로써, 이동 노드(NM)의 위치를 적응적으로 추정한다.
이러한 위치 서버(100)는 본 발명의 실시예에서 위치 추정 장치에 해당된다. 또한 본 발명의 실시예의 경우, 기준 고정 노드와 다른 고정 노드 간의 거리 추정은 TWR(Two-Way Ranging)을 이용한 TOA(Time of Arrival) 방법을 사용하고, 이동 노드를 중심으로 하는 기준 고정 노드와 다른 고정 노드 간의 거리 차 추정은 OWR(One-Way Ranging)을 이용한 TDOA(Time Difference of Arrival) 방법을 사용한다. 즉, 이동 노드(NM)와 기준 고정 노드(N1) 사이의 거리(d1), 그리고 이동 노드(NM)와 다른 고정 노드(N2, N3, N4) 사이의 거리(di)에 대한 거리 차(di ,1)를 추정할 때에는 OWR 기반의 TDOA를 사용한다. 이러한 di ,1의 정의는 기존의 TDOA 원리에 준하는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 TDOA의 개념적 모델이다. 도 2에서 N0, N1, N2는 각각 다수의 고정 노드의 위치이고 M은 이동 노드의 위치를 나타낸다. 이동 노드와 각 고정 노드 간의 거리가 각각 D0, D1, D2이고 N0는 기준 고정 노드라면, 이동 노드의 위치를 기준으로 하는 기준 고정 노드와 다른 고정 노드 간의 거리 차 즉, Di,0는 Di-D0로 정의할 수 있다. 여기서, D1-D0이 일정한 궤적과 D2-D0가 일정한 궤적은 타원형을 가지게 되는데, 타원이 만나는 교점을 구하면 이동 노드의 위치가 된다.
도 3은 도 1의 위치 서버의 구성도이고, 도 4는 도 3을 이용한 이동 노드의 위치 추정 방법의 흐름도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 위치 추정 장치(100)는 거리 추정부(110), 주파수 편이 추출부(120), 거리차 추정부(140), 위치 추정부(150)를 포함한다. 이를 바탕으로 하는 이동 노드의 위치 추정 방법은 다음과 같다.
먼저, 거리 추정부(110)는 기준 고정 노드와 다른 고정 노드들 간의 거리를 추정한다(S410). 주파수 편이 추출부(120)는 상기 S410 단계에서 추정된 거리와 기 알고 있는 실제 거리를 이용하여 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 추출한다(S420). 이후, 필터 적용부(130)는 상기 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 확장 칼만 필터에 반영한다(S430). 다음, 거리차 추정부(140)는 상기 이동 노드를 중심으로 하는 상기 기준 고정 노드와 상기 다른 고정 노드들 간의 거리 차를 OWR을 이용한 TDOA 기법을 사용하여 추정한다(S440). 그러면, 위치 추정부(150)는 상기 추정된 거리 차 및 상기 다수의 고정 노드에 대한 공통의 주파수 편이 상태 변수를 상기 확장 칼만 필터에 반영하여 상기 이동 노드의 위치를 추정한다(S450).
이하에서는 도 4의 흐름도에 도시된 각 단계에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 우선, S410 단계는 기준 고정 노드와 다른 고정 노드 사이 즉, 두 고정 노드 사이의 거리(di1; d21, d31, d41)를 각각 추정하며, 이는 TWR을 이용한 TOA 방법을 사용한다. 여기서, TWR 또는 SDS-TWR(Symmetric Double Sided-TWR)을 사용할 수 있으며 이는 본 출원인에 의한 등록특허 제1219913호에 상세히 기재되어 있다.
그 중에서 SDS-TWR을 간단히 설명하면 다음과 같다. 도 5는 도 4의 S410 단계를 설명하는 개념도이다. 두 노드 A와 B의 거리 추정에 있어서, 두 노드의 주파수 편이를 각각 eA, eB로 나타내면, 추정된 거리는
Figure 112014079672752-pat00001
와 진실된 노드(두 노드 간의 실제 거리)의 곱으로 표현된다. 따라서, 확장 칼만 필터에서 관측되는 노드 간의 거리 정보는 두 노드의 주파수 편이가 포함된 것으로 포함되어야 한다. 이를 상세히 나타내면 다음과 같다.
우선, 두 노드 간의 진실된 전파 시간은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014079672752-pat00002
수학식 1에서,
Figure 112014079672752-pat00003
를 나타낸다.
두 노드 간의 추정된 전파 시간은 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112014079672752-pat00004
추정된 전파 시간
Figure 112014079672752-pat00005
은 이론적 전파 시간(실제 전파 시간; tp)과 각 노드 A와 B의 주파수 편이 요소 eA, eB와 관련되며, 이를 다시 정리하면 다음의 수학식 3과 같다.
Figure 112014079672752-pat00006
이를 바탕으로 두 노드 사이의 추정된 거리
Figure 112014079672752-pat00007
및 주파수 편이는 다음과 같다.
Figure 112014079672752-pat00008
여기서, d는 두 노드 간의 실제 거리로서 미리 알고 있는 값이며, c는 빛의 속도이다.
상기의 수학식 4를 이용하면, 기준 고정 노드와 다른 고정 노드 간의 추정된 거리(
Figure 112014079672752-pat00009
)를 알 수 있다. 또한, 추정된 거리(
Figure 112014079672752-pat00010
)와 실제 거리(
Figure 112014079672752-pat00011
)를 이용하여 각 고정 노드에 대한 주파수 편이를 계산할 수 있다.
각 고정 노드에 대한 주파수 편이를 추출하는 이유는 일반적으로 무선망에서 각각의 고정 노드들은 동일한 기준의 주파수로 제작되지만 실제로는 허용된 범위 내에서 주파수 편이를 가지기 때문이다. 이러한 주파수 편이는 거리 오차(ranging error)를 줄이기 위하여 보상되어야 하는 요소이다.
수학식 4에서 foffset은 더욱 구체적으로는 기준 고정 노드를 기준으로 하는 다른 고정 노드의 상대 주파수 편이에 해당되는 것을 알 수 있다. 이를 각 고정 노드를 대상으로 표현하면 수학식 5와 같다.
Figure 112014079672752-pat00012
확장 칼만 필터 모델에 있어서 고정 노드의 주파수 편이는 두 가지로 구분된다. 하나는 각 고정 노드의 각각의 주파수 편이에 해당하고, 나머지 하나는 고정 노드들의 공통의 주파수 편이에 해당한다. 여기서, 각 고정 노드의 주파수 편이는 앞서와 같이 고정된 정수 값이고, 고정 노드들에 대한 공통의 주파수 편이는 가변하는 값이다. 따라서 공통의 주파수 편이는 상태 변수로 존재한다.
본 실시예에서 확장 칼만 필터는 n 차원 평면의 위치로 가정하면, k번째 고정 노드의 n차원 위치 좌표는 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014079672752-pat00013
물론, 2차원 좌표인 경우, k번째 고정 노드의 좌표는 [ak1 ak2]T로 정의될 것이다. 또한, 이동 노드의 n차원 좌표를 포함하는 i 시간에서의 상태 벡터(state vector) xi는 다음의 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014079672752-pat00014
여기서, [x1(i),..,xn(i)]T는 이동 단말의 n차원 위치 좌표를 의미하고, r(i)는 다수의 고정 노드들에 대한 공통의 주파수 편이 상태 변수를 나타낸다.
확장 칼만 필터에 사용되는 비선형 상태 방정식(Non-linear state equation)은 수학식 8로 나타낼 수 있다.
Figure 112014079672752-pat00015
앞서 수학식 7에서 정의한 바와 같이 xi=[x1(i),..,xn(i) r(i)]T이다. 또한, wi= [w1(i),..,wn +1(i)]T이다. 여기서 wi는 i번째 프로세서 오류 확률 변수(process measurement noise vector)를 나타낸다. fi()는 nonlinear transition matrix를 의미한다.
한편, 본 발명의 실시예의 경우, 이동 노드를 중심으로 하여 기준 고정 노드와 다른 고정 노드 간의 거리 차를 연산하는 TDOA 기법을 이용한다. 도 1의 경우를 예를 들면, 이동 노드(NM)와 고정 노드(N2, N3, N4) 사이 거리(di), 그리고 이동 노드(NM)와 기준 고정 노드(N1) 사이 거리(d1)의 차(di ,1=di-d1)를 OWR에 기반하여 추정하여야 한다.
고정 노드와 이동 노드 간의 측정 거리 벡터는 다음의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다. 도 1의 경우 고정 노드가 4개이므로 m=4가 된다.
Figure 112014079672752-pat00016
여기서, hi()는 비선형 측정 행렬(nonlinear measurement matrix), vi는 i번째 측정 오류 확률 변수(measurement noise vector)로 정의된다.
수학식 9를 참조하면, Di(xi)=[D1(i),..,Dm(i)]T 임을 알 수 있으며, 이는 TDOA에 의한 거리 차와 관련된 항이다. 즉,
Figure 112014079672752-pat00017
로 정의되며 이는 이동 노드와 k번째 고정 노드 간의 거리인 dk(i)와, 이동 노드와 기준 고정 노드 사이의 거리인 dref(i)의 차와 관련된다.
이와 같이, 수학식 9에는 이동 노드를 기준으로 k번째 고정 노드와 기준 고정 노드 간의 거리 차 성분이 포함된다. 수학식 9의 Dk(i)는 구체적으로는 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014079672752-pat00018
즉, 수학식 10의 우변을 A-B로 표현하면, A과 B는 각각 상기 dk(i) 및 dref(i)를 나타낸다. 또한, 수학식 10에서 fk는 k번째 고정 노드의 주파수 편이이고, r(i)는 고정 노드들의 공통의 주파수 편이 상태 변수를 나타낸다.
이와 같이 수학식 9의 측정 벡터(measurement vector)는 각 고정 노드에 대한 주파수 편이 fk, 공통의 주파수 편이 상태 변수 r(i), 그리고 거리 차에 대한 정보가 모두 반영되어 있는 것을 알 수 있다.
다음, 프로세스 잡음(process noise)과 측정 잡음(measurement noise)의 상관 행렬(correlation matrix)은 각각 수학식 11과 같다.
Figure 112014079672752-pat00019
실제 상태와 추정 상태 간의 추정 오차의 상관 행렬은 수학식 12와 같다.
Figure 112014079672752-pat00020
여기서,
Figure 112014079672752-pat00021
는 추정 상태(estimated state)를 나타낸다.
또한, 주파수 편이 상태 변수를 추가한 측정 벡터 방정식(measurement vector equation)의 야코비안 행렬(Jacobian matrix)과 프로세스 벡터 방정식(process vector equation)의 야코비안 행렬(Jacobian matrix)은 각각 다음의 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014079672752-pat00022
수학식 13에서 hi()와, fi() 성분은 앞서 제시한 수학식을 참조하면 된다.
예시로 2차원 위치와 주파수 편이를 반영한 야코비안 행렬은 다음과 같다.
Figure 112015098860528-pat00029
이상과 같은 본 실시예의 경우, 각 고정 노드에 대한 주파수 편이가 반영된 확장 칼만 필터에 대해, 상기 추정된 거리 차 및 공통의 주파수 편이 상태 변수를 반영하여 이동 노드의 위치를 추정하며, 확장 칼만 필터에 반영하는 과정에서 상기 측정 벡터 방정식의 야코비안 행렬 및 프로세스 벡터 방정식의 야코비안 행렬이 변경되어 상기 이동 노드의 위치 추정이 이루어지게 된다. 이러한 과정을 통하여 확장 칼만 필터의 파라미터를 개선하는 것에 의해 상기 이동 노드의 위치를 효과적으로 추정할 수 있다.
이러한 본 발명에 따르면 각 고정 노드와 이동 노드 간의 거리 추정 오류에 영향을 미치는 변수를 실제 거리와 측정 거리로부터 추출하고, 이를 적응적 디지털 필터의 상태 변수에 적용함으로써 정확도가 개선된 위치 정보를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, OWR을 이용한 TDOA 방식을 확장 칼만 필터에 반영한 알고리즘을 사용함에 따라, 이동 노드의 위치 추정을 위한 전송 패킷의 수가 감소하게 되어 처리 시간 또한 감소하는 효과가 있으며 동일한 시간에 처리할 수 있는 이동 노드의 수가 증가하는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 이동 노드의 위치 추정 장치
110: 거리 추정부 120: 주파수 편이 추출부
130: 필터 적용부 140: 거리차 추정부
150: 위치 추정부

Claims (4)

  1. 다수의 고정 노드를 포함하는 무선망에서의 이동 노드의 위치 추정 방법에 있어서,
    기준 고정 노드와 다른 고정 노드들 간의 거리를 추정하는 단계;
    상기 추정된 거리와 기 알고 있는 실제 거리를 이용하여 상기 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 추출하는 단계;
    상기 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 확장 칼만 필터에 반영하는 단계;
    상기 이동 노드를 중심으로 하는 상기 기준 고정 노드와 상기 다른 고정 노드들 간의 거리 차를 TDOA(Time Difference of Arrival) 기법을 사용하여 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 거리 차 및 상기 다수의 고정 노드에 대한 공통의 주파수 편이 상태 변수를 상기 확장 칼만 필터에 반영하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 단계를 포함하며,
    상기 이동 노드의 위치를 추정하는 단계는,
    상기 확장 칼만 필터에 반영 시에 측정 벡터 방정식의 야코비안 행렬 및 프로세스 벡터 방정식의 야코비안 행렬이 변경되어 상기 이동 노드의 위치 추정이 이루어지며,
    상기 측정 벡터 방정식의 야코비안 행렬은 아래의 수학식으로 정의되고,
    Figure 112016041115542-pat00030

    여기서, f1 내지 f4에 해당하는 fk는 상기 다수의 고정 노드인 네 개의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이(k=1,2,3,4), ak는 ak1와 ak2로 구성되는 k번째 고정 노드의 2차원 좌표로서 a1은 상기 기준 고정 노드의 2차원 좌표, a2 내지 a4는 상기 다른 고정 노드들의 2차원 좌표, x는 x1과 x2로 구성되는 상기 이동 노드의 2차원 좌표, r은 상기 공통의 주파수 편이 상태 변수, D1은 상기 이동 노드의 좌표 x를 중심으로 하는 a1과 a2 간의 거리 차, D2는 상기 x를 중심으로 하는 a1와 a3 간의 거리 차, D3는 상기 x를 중심으로 a1와 a4 간의 거리 차, i는 시간을 나타내며,
    상기 TDOA 기법으로 추정한 상기 거리 차로서, 상기 이동 노드의 좌표 x를 중심으로 하는 a1와 ak(이때, k=2,3,4) 간의 거리 차인 D1(i), D2(i), D3(i)는 아래의 수학식으로 정의되는 이동 노드의 위치 추정 방법:
    Figure 112016041115542-pat00032
    .
  2. 삭제
  3. 다수의 고정 노드를 포함하는 무선망에서의 이동 노드의 위치 추정 장치에 있어서,
    기준 고정 노드와 다른 고정 노드들 간의 거리를 추정하는 거리 추정부;
    상기 추정된 거리와 기 알고 있는 실제 거리를 이용하여 상기 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 추출하는 주파수 편이 추출부;
    상기 다수의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이를 확장 칼만 필터에 반영하는 필터 적용부;
    상기 이동 노드를 중심으로 하는 상기 기준 고정 노드와 상기 다른 고정 노드들 간의 거리 차를 TDOA(Time Difference of Arrival) 기법을 사용하여 추정하는 거리차 추정부; 및
    상기 추정된 거리 차 및 상기 다수의 고정 노드에 대한 공통의 주파수 편이 상태 변수를 상기 확장 칼만 필터에 반영하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 위치 추정부를 포함하며,
    상기 위치 추정부는,
    상기 확장 칼만 필터에 반영 시에 측정 벡터 방정식의 야코비안 행렬 및 프로세스 벡터 방정식의 야코비안 행렬이 변경되어 상기 이동 노드의 위치 추정이 이루어지며,
    상기 측정 벡터 방정식의 야코비안 행렬은 아래의 수학식으로 정의되고,
    Figure 112016041115542-pat00031

    여기서, f1 내지 f4에 해당하는 fk는 상기 다수의 고정 노드인 네 개의 고정 노드 각각에 대한 주파수 편이(k=1,2,3,4), ak는 ak1와 ak2로 구성되는 k번째 고정 노드의 2차원 좌표로서 a1은 상기 기준 고정 노드의 2차원 좌표, a2 내지 a4는 상기 다른 고정 노드들의 2차원 좌표, x는 x1과 x2로 구성되는 상기 이동 노드의 2차원 좌표, r은 상기 공통의 주파수 편이 상태 변수, D1은 상기 이동 노드의 좌표 x를 중심으로 하는 a1과 a2 간의 거리 차, D2는 상기 x를 중심으로 하는 a1와 a3 간의 거리 차, D3는 상기 x를 중심으로 a1와 a4 간의 거리 차, i는 시간을 나타내며,
    상기 TDOA 기법으로 추정한 상기 거리 차로서, 상기 이동 노드의 좌표 x를 중심으로 하는 a1와 ak(이때, k=2,3,4) 간의 거리 차인 D1(i), D2(i), D3(i)는 아래의 수학식으로 정의되는 이동 노드의 위치 추정 장치:
    Figure 112016041115542-pat00033
    .
  4. 삭제
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101814698B1 (ko) 2017-09-25 2018-01-03 주식회사 엔토소프트 무선 송수신을 이용한 앵커와 태그의 좌표 동시 설정 방법 및 통신 시스템
WO2019059478A1 (ko) * 2017-09-25 2019-03-28 주식회사 엔토소프트 무선 송수신을 이용한 앵커와 태그의 좌표 동시 설정 방법 및 통신 시스템, 그리고 측위 시스템 내 시간 차이 보상 방법 및 그에 따른 측위 시스템
KR20220106338A (ko) * 2021-01-22 2022-07-29 주식회사 원체크 Uwb 기반 다중 접속 효율을 높이기 위한 시분할 동적 타임 슬롯 할당 방법 및 장치

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108012316B (zh) * 2017-11-21 2021-04-23 天津中科智城网络科技有限公司 一种终端定位的优化方法
US11346931B2 (en) 2018-06-18 2022-05-31 Lg Electronics Inc. Method for estimating location of terminal in wireless communication system and apparatus therefor

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100957215B1 (ko) * 2008-03-07 2010-05-11 한국전자통신연구원 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법
KR101219913B1 (ko) * 2012-04-09 2013-01-09 동국대학교 경주캠퍼스 산학협력단 이동 노드 위치 추정 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100957215B1 (ko) * 2008-03-07 2010-05-11 한국전자통신연구원 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법
KR101219913B1 (ko) * 2012-04-09 2013-01-09 동국대학교 경주캠퍼스 산학협력단 이동 노드 위치 추정 방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101814698B1 (ko) 2017-09-25 2018-01-03 주식회사 엔토소프트 무선 송수신을 이용한 앵커와 태그의 좌표 동시 설정 방법 및 통신 시스템
WO2019059478A1 (ko) * 2017-09-25 2019-03-28 주식회사 엔토소프트 무선 송수신을 이용한 앵커와 태그의 좌표 동시 설정 방법 및 통신 시스템, 그리고 측위 시스템 내 시간 차이 보상 방법 및 그에 따른 측위 시스템
KR20220106338A (ko) * 2021-01-22 2022-07-29 주식회사 원체크 Uwb 기반 다중 접속 효율을 높이기 위한 시분할 동적 타임 슬롯 할당 방법 및 장치
KR102432952B1 (ko) 2021-01-22 2022-08-18 주식회사 원체크 Uwb 기반 다중 접속 효율을 높이기 위한 시분할 동적 타임 슬롯 할당 방법 및 장치

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