KR101658465B1

KR101658465B1 - 신호의 도착시간을 이용한 방향탐지 장치 및 그의 위치 추정 방법

Info

Publication number: KR101658465B1
Application number: KR1020150031151A
Authority: KR
Inventors: 박영미; 박진오
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2016-09-22
Also published as: KR20160107817A

Abstract

본 발명은 위치추정 모호성을 야기하지 않고 신호원의 위치를 탐지할 수 있는 방향 탐지 장치 및 그의 위치 추정 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 방향탐지 기반의 위치 추정 방법은, 수신 기간 측정된 도착신호의 시간차 정보인 3개의 도착시간 차(TDOA)를 근거로 6개의 방향탐지 정보인 도래각(DOA)들을 산출하는 단계와; 상기 6개의 방향탐지 정보를 조건 조합하여 8개의 방향탐지 정보들을 그룹핑하는 단계와; 상기 8개의 그룹핑된 방향탐지 정보 각각에 대해 최소자승법을 적용함으로써 8개의 신호원의 위치추정 값과 잔차(residual)들을 산출하는 단계와; 상기 잔차가 작은 순서대로, 상기 추정된 신호원의 위치 추정값과 상기 도래각들간의 관계를 이용하여 상기 추정된 신호원의 위치 값이 유효한지 확인하는 단계와; 상기 도래각들과의 관계를 비교한 추정된 신호원의 위치 값 중에 가장 잔차가 작은 신호원의 위치추정 값을 선택하고, 상기 선택된 신호원의 위치추정 값을 상기 신호원의 위치로서 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

신호의 도착시간을 이용한 방향탐지 장치 및 그의 위치 추정 방법{LOCATION ESTIMATION METHOD BASED ON DIRECTION FINDING USING TDOA OF SIGNAL AND DIRECTION FINDER THEREOF}

본 발명은 방향탐지 장치 및 그의 위치 추정 방법에 관한 것이다.

종래의 방향탐지 방법은, 전 방위에서 신호의 수신이 가능한 안테나(Omni- Antenna)를 사용할 경우에 하나의 TDOA (y축, delta time)에 대해 2개의 도래각(x축, DOA)이 존재하므로 방위 모호성(direction ambiguity)이 존재하게 된다. 여러 개의 수신기들을 이용하여 다수의 TDOA 정보를 획득한다고 하더라도, 방위 모호성이 존재하는 TDOA를 이용한 방향탐지 정보로 신호원의 위치를 추정하는 것은 위치추정 모호성을 야기할 수 있는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술이 갖고 있는 문제점을 해결할 수 있도록 한 것으로, 위치추정 모호성을 야기하지 않고 신호원의 위치를 탐지할 수 있는 방향 탐지 장치 및 그의 위치 추정 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 방향탐지 기반의 위치 추정 방법은,

수신 기간 측정된 도착신호의 시간차 정보인 3개의 도착시간 차(Time difference of Arrival, TDOA)를 근거로 6개의 방향탐지 정보인 도래각(difference of Arrival, DOA)들을 산출하는 단계와;

상기 6개의 방향탐지 정보를 조건 조합(conditional combination)하여 8개의 방향탐지 정보들을 그룹핑하는 단계와;

상기 8개의 그룹핑된 방향탐지 정보 각각에 대해 최소자승법을 적용함으로써 8개의 신호원의 위치추정 값과 잔차(residual)들을 산출하는 단계와;

상기 산출된 8개의 신호원의 위치 추정 값과 잔차(residual)들을 오름차순으로 정렬하는 단계와;

상기 잔차가 작은 순서대로, 상기 추정된 신호원의 위치 추정값과 상기 도래각들간의 관계를 이용하여 상기 추정된 신호원의 위치 값이 유효한지 확인하는 단계와;

상기 도래각들과의 관계를 비교한 추정된 신호원의 위치 값 중에 가장 잔차(residual)가 작은 신호원의 위치추정 값을 선택하고, 상기 선택된 신호원의 위치추정 값을 상기 신호원의 위치로서 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 잔차가 작을수록 최소자승법에 따른 에러 요소는 작을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 방향탐지 장치는, 신호의 도착시간 차(Time difference of Arrival, TDOA)를 이용한 방향 탐지장치에 있어서, 수신 기간 측정된 도착신호의 시간차 정보인 3개의 도착시간 차(Time difference of Arrival, TDOA)를 근거로 6개의 방향탐지 정보인 도래각(difference of Arrival, DOA)들을 산출하고, 상기 6개의 방향탐지 정보를 조건 조합(conditional combination)하여 8개의 방향탐지 정보들을 그룹핑하고, 상기 8개의 그룹핑된 방향탐지 정보 각각에 대해 최소자승법을 적용함으로써 8개의 신호원의 위치추정 값과 잔차(residual)들을 산출하고, 상기 산출된 8개의 신호원의 위치 추정 값과 잔차(residual)들을 오름차순으로 정렬하고, 상기 잔차가 작은 순서대로, 상기 추정된 신호원의 위치 추정값과 상기 도래각들간의 관계를 이용하여 상기 추정된 신호원의 위치 값이 유효한지 확인하고, 상기 도래각들과의 관계를 비교한 추정된 신호원의 위치 값 중에 가장 잔차(residual)가 작은 신호원의 위치추정 값을 선택하고, 상기 선택된 신호원의 위치추정 값을 상기 신호원의 위치로서 결정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신호의 도착시간 차(Time difference of Arrival, TDOA)를 이용한 방향탐지 기반의 위치 추정 방법은, 상기 위치추정 모호성을 야기하지 않고 상기 신호원의 위치를 탐지할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 신호의 도착시간 차(Time difference of Arrival, TDOA)를 이용한 방향탐지 기반의 위치 추정 방법은, 초기치가 필요한 TDOA/FDOA 위치추정 알고리즘에 TDOA 위치추정 값을 초기치로 적용함으로서 정밀한 위치추정이 가능하다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 종래의 TDOA를 이용한 방향 탐지 방법을 나타낸 도이다.
도 2는 TDOA 방향 탐지의 모호성을 나타낸 예시도 이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신호원의 위치 추정 방법을 나타낸 도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 종래의 TDOA를 이용한 방향 탐지 방법을 나타낸 도이다.

종래에는, 신호원의 방향을 탐지하기 위해 신호원에서 방사되는 신호만을 수신하여 해당 신호원의 방향을 탐지하였으며, 그 신호의 도착시간 차를 수학식 1에 적용함으로써 방향 탐지( 혹은 DOA(direction of arrival)로 칭함)가 가능하다.

여기서, B는 안테나 간격을 나타내며, c는 빛의 속도를 나타낸다.

신호의 도착시간 차(Time difference of Arrival, TDOA)를 이용한 방향 탐지 방법은 전 방위에서 신호의 수신이 가능한 안테나(Omni- Antenna)를 사용할 경우에 도 2와 같이 하나의 TDOA (y축, delta time)에 대해 2개의 도래각(x축, DOA)이 존재하므로 방위 모호성(direction ambiguity)이 존재하게 된다.

도 2는 TDOA 방향 탐지의 모호성을 나타낸 예시도 이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 여러 개의 수신기들을 이용하여 다수의 TDOA 정보를 획득한다고 하더라도, 방위 모호성이 존재하는 TDOA를 이용한 방향탐지 정보로 신호원의 위치를 추정하는 것은 위치추정 모호성을 야기할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 신호원의 위치 추정 방법은, 4개의 수신기에서 측정되는 각각의 TDOA12(수신기 #1과 수신기 #2), TDOA13(수신기 #1과 수신기 #3), TDOA14(수신기 #1과 수신기 #4)를 활용한 모호성이 포함된 방향탐지 정보들을 이용하여 조건 조합(conditional combination)에 따른 경우의 수로 그룹핑하여, 최소자승법을 이용하여 신호원의 위치를 추정한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신호원의 위치 추정 방법을 나타낸 도이다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 방향 탐지장치(direction finder)(도시하지 않음)는, 도 2에 개시된 바와 같이, 수신 기간 측정된 도착신호의 시간차 정보인 3개의 도착시간 차(예를 들면, TDOA 12, TDOA 13, TDOA 14)를 수학식 1에 각각 대입하여 3개의 TDOA에 따른 6개의 방향탐지 정보(도래각(DOA) 정보)를 산출한다(S10).

상기 방향 탐지장치는, 상기 6개의 방향탐지 정보를 조건 조합(conditional combination)하여 8개의 방향탐지 정보들을 그룹핑한다(S20).

상기 방향 탐지장치는, 상기 8개의 그룹핑된 방향탐지 정보 각각에 대해 최소자승법을 적용함으로써 8개의 신호원의 위치추정 값과 잔차(residual)들을 산출한다(S30). 상기 잔차가 작을수록 최소자승법에 따른 에러요소가 작다는 것을 의미한다.

상기 방향 탐지장치는 상기 산출된 8개의 신호원의 위치추정 값과 잔차(residual)들을 오름차순으로 정렬한다(S40).

상기 방향 탐지장치는 상기 잔차가 작은 순서대로, 상기 추정된 신호원의 위치와 입력으로 활용했던 도래각(DOA)들간의 관계를 이용하여 상기 추정된 신호원의 위치 값(상기 산출된 8개의 신호원의 위치추정 값)이 유효한지 확인한다(S50).

상기 방향 탐지장치는 상기 도래각(DOA)들과의 관계를 비교한 추정된 신호원의 위치 값 중에 가장 잔차(residual)가 작은 신호원의 위치추정 값을 선택하고, 그 선택된 신호원의 위치추정 값을 상기 신호원의 위치로서 결정한다(S60).

종래의 방향탐지 방법은, 전 방위에서 신호의 수신이 가능한 안테나(Omni- Antenna)를 사용할 경우에 도 2와 같이 하나의 TDOA (y축, delta time)에 대해 2개의 도래각(x축, DOA)이 존재하므로 방위 모호성(direction ambiguity)이 존재하게 된다. 여러 개의 수신기들을 이용하여 다수의 TDOA 정보를 획득한다고 하더라도, 방위 모호성이 존재하는 TDOA를 이용한 방향탐지 정보로 신호원의 위치를 추정하는 것은 위치추정 모호성을 야기할 수 있는 문제점을 가지고 있다.

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.

Claims

수신 기간 측정된 도착신호의 시간차 정보인 3개의 도착시간 차(Time difference of Arrival, TDOA)를 근거로 6개의 방향탐지 정보인 도래각(difference of Arrival, DOA)들을 산출하는 단계와;
상기 6개의 방향탐지 정보를 조건 조합(conditional combination)하여 8개의 방향탐지 정보들을 그룹핑하는 단계와;
상기 8개의 그룹핑된 방향탐지 정보 각각에 대해 최소자승법을 적용함으로써 8개의 신호원의 위치추정 값과 잔차(residual)들을 산출하는 단계와;
상기 산출된 8개의 신호원의 위치 추정 값과 잔차(residual)들을 오름차순으로 정렬하는 단계와;
상기 잔차가 작은 순서대로, 상기 추정된 신호원의 위치 추정값에 대응하는 방향과 상기 도래각들에 대응하는 방향의 차이를 이용하여 상기 추정된 신호원의 위치 값이 유효한지 확인하는 단계와;
상기 도래각들과의 차이를 비교한 추정된 신호원의 위치 값 중에 가장 잔차(residual)가 작은 신호원의 위치추정 값을 선택하고, 상기 선택된 신호원의 위치추정 값을 상기 신호원의 위치로서 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방향탐지 기반의 위치 추정 방법.
제1항에 있어서, 상기 잔차가 작을수록 최소자승법에 따른 에러는 작은 것을 특징으로 하는 방향탐지 기반의 위치 추정 방법.
신호의 도착시간 차(Time difference of Arrival, TDOA)를 이용한 방향 탐지장치에 있어서, 상기 방향 탐지 장치는,
수신 기간 측정된 도착신호의 시간차 정보인 3개의 도착시간 차(Time difference of Arrival, TDOA)를 근거로 6개의 방향탐지 정보인 도래각(difference of Arrival, DOA)들을 산출하고,
상기 6개의 방향탐지 정보를 조건 조합(conditional combination)하여 8개의 방향탐지 정보들을 그룹핑하고,
상기 8개의 그룹핑된 방향탐지 정보 각각에 대해 최소자승법을 적용함으로써 8개의 신호원의 위치추정 값과 잔차(residual)들을 산출하고,
상기 산출된 8개의 신호원의 위치 추정 값과 잔차(residual)들을 오름차순으로 정렬하고,
상기 잔차가 작은 순서대로, 상기 추정된 신호원의 위치 추정값에 대응하는 방향과 상기 도래각들에 대응하는 방향의 차이를 이용하여 상기 추정된 신호원의 위치 값이 유효한지 확인하고,
상기 도래각들과의 차이를 비교한 추정된 신호원의 위치 값 중에 가장 잔차(residual)가 작은 신호원의 위치추정 값을 선택하고, 상기 선택된 신호원의 위치추정 값을 상기 신호원의 위치로서 결정하는 것을 특징으로 하는 방향탐지 장치.