KR101695026B1 - 이동 단말의 위치 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단말기에 인접하는 세 개의 기지국에 대한 신호 도달 시간(ToA:Time of Arrival)을 이용하여 상기 각 기지국과 단말기 간의 거리 정보를 산출하는 단계, 상기 각 기지국과 단말기 사이의 각도 정보를 이용하여 상기 거리 정보를 수정하는 단계 및 상기 수정된 거리 정보를 이용하여 단말기의 위치값을 계산하는 단계를 포함하는 이동 단말의 위치 측정 방법에 관한 것이다.

Description

이동 단말의 위치 측정 방법{METHOD FOR MEASURING POSITION OF A MOBILE TERMINAL}
본 발명은 이동 단말의 위치 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세 개의 기지국에서 단말기로부터 전송되는 신호의 도달 시간(ToA:Time of Arrival)을 이용하여 단말기와 기지국 간의 거리 정보를 산출하고, 상기 단말기와 기지국 사이의 각도 정보를 이용하여 상기 거리 정보를 수정함으로써 상기 기지국과 단말기가 근거리에 위치하는 경우에 있어서 위치 측정 오차를 줄일 수 있는 이동 단말의 위치 측정 방법에 관한 것이다.
최근 이동통신 기술의 발전과 더불어 통신 네트워크에서 이동 단말기의 위치를 측정하는 기술이 활발하게 연구되고 있다.
위치 측정을 위한 방법으로 GPS(Global Positioning System)를 사용하거나 무선 네트워크의 기지국 위치를 활용하여 서비스 요청 단말기의 정확한 위치를 파악하는 기술, 네트워크 방식과 단말기 방식, 그리고 이들을 혼합한 하이브리드 방식 등이 있다.
인공위성으로부터 수신된 신호를 이용하는 GPS는 위성 신호의 강도에 의존하고, 위치 측정 대상 단말기에 GPS 수신기가 설치되어야 하며, GPS 수신이 불가능한 실내에서는 사용할 수 없다. 이를 해결하기 위하여 GSM, CDMA 등의 이동통신 특성을 이용하여 위치를 추정하는 방법이 많이 소개되고 있으며, 적어도 3개 이상의 기지국에서 단말기의 전송 신호를 수신하여 측정한 도착시간(ToA: Time of Arrival), 도착시간차(TDoA: Time Difference of Arrival), 신호세기(RSSI: Received Signal Strength Indication), 도래각(AoA: Angle of Arrival) 등을 이용하여 단말기의 위치를 측정하는 삼각 측량법이 일반적으로 사용된다.
상기의 위치 측정 방법은 기지국과 단말기가 충분히 멀리 떨어져서 위치하는 경우를 전제로 한다. 도 1을 참조하면, 기지국과 단말기가 충분히 멀리 떨어져서 위치하는 경우에는 기지국으로부터 단말기까지의 거리(d1)에 비하여 단말기가 위치하는 평면으로부터 기지국까지의 수직 거리(h1)가 충분히 작아서
Figure 112010050088501-pat00001
의 관계가 되므로 전파 도달 시간(ToA)으로부터 d1을 산출하여 단말기의 위치값을 계산할 수 있다. 그러나, 기지국과 단말기가 근거리에 위치하는 경우에는 기지국으로부터 단말기까지의 거리(d2)에 비하여 단말기가 위치하는 평면으로부터 기지국까지의 수직 거리(h2)가 충분히 작지 않아서
Figure 112010050088501-pat00002
의 관계가 되므로 전파 도달 시간(ToA)으로부터 산출한 d2를 이용하여 단말기의 위치값을 계산하게 되면 단말기의 위치 측정에 있어 큰 오차가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 세 개의 기지국에서 단말기로부터 전송되는 신호의 도달 시간(ToA:Time of Arrival)을 이용하여 단말기와 기지국 간의 거리 정보를 산출하고, 상기 단말기와 기지국 사이의 각도 정보를 이용하여 상기 거리 정보를 수정함으로써 상기 기지국과 단말기가 근거리에 위치하는 경우에 있어서 위치 측정 오차를 줄일 수 있는 이동 단말의 위치 측정 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 일실시예인 이동 단말의 위치 측정 방법은 단말기에 인접하는 세 개의 기지국에 대한 신호 도달 시간(ToA:Time of Arrival)을 이용하여 상기 각 기지국과 단말기 간의 거리 정보를 산출하는 단계, 상기 각 기지국과 단말기 사이의 각도 정보를 이용하여 상기 거리 정보를 수정하는 단계 및 상기 수정된 거리 정보를 이용하여 단말기의 위치값을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면 상기 각도 정보는 상기 세 개의 기지국으로부터 각기 연장되어 상기 단말기가 위치하는 평면과 직교하도록 형성되는 선분과 상기 세 개의 기지국과 단말기를 각각 연결한 선분이 형성하는 세 개의 각도를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면 상기 거리 정보를 수정하는 단계는 상기 거리 정보에 각도의 사인(sine)값을 곱하여 각 기지국에 대한 거리 정보를 수정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면 상기 수정된 거리 정보를 이용하여 단말기의 위치값을 계산하는 단계는 상기 각 기지국의 위치를 중심으로 하고 상기 수정된 거리를 반경으로 하는 세 개의 원을 형성하고, 상기 세 개의 원들이 중첩하는 부분으로부터 단말기의 위치값을 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면 상기 세 개의 각도는 오차 각도를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면 상기 수정된 거리 정보를 이용하여 단말기의 위치값을 계산하는 단계는 상기 오차 각도를 포함한 각도 정보를 이용하여 수정된 거리 정보에 따라 각 기지국의 위치를 중심으로 하여 형성되는 세 개의 도넛 형상이 중첩하는 부분으로부터 단말기의 위치값을 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상술한 구성을 갖는 본 발명의 이동 단말의 위치 측정 방법에 의하면, 단말기와 기지국이 근거리에 위치하는 경우에, 상기 단말기와 기지국 사이의 각도 정보를 이용하여 전파 도달 시간(ToA)으로부터 산출되는 거리 정보를 수정함으로써 단말기의 위치 측정 오차를 크게 줄일 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 단말기와 기지국 사이의 각도 정보를 이용하여 단말기의 3차원 위치값을 산출할 수 있다.
도 1은 기지국과 단말기가 근거리에 위치할 경우 종래의 위치 측정 방법을 적용함에 따른 위치 측정 오차를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 삼각 측량법을 이용한 위치 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이동 단말의 위치 측정 방법의 순서 흐름도이다.
도 4는 기지국과 단말기 사이의 각도 정보를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도6은 본 발명의 일실시예에 따른 이동 단말의 위치 측정 방법에서 단말기의 위치값 계산을 설명하기 위한 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 일반적인 삼각 측량법을 이용한 위치 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 삼각 측량법을 이용하여 단말기의 위치를 측정하기 위해서는 단말기의 신호를 수신하는 기지국이 적어도 세 개 필요하다. 즉, 제1 기지국, 제2 기지국, 제3 기지국에서 단말기로부터 수신되는 신호 도달 시간(ToA : Time of Arrival)을 이용하여 단말기의 위치값을 계산하게 된다.
단말기의 위치값을 계산하기 위하여 각 기지국에서 상기 단말기로부터 전송되는 신호의 도달 시간(t1, t2, t3)을 측정하고, 상기 신호 도달 시간에 전송 속도를 곱하여 각 기지국과 단말기 간의 거리(d1, d2, d3)를 계산한다. 다음으로, 각 기지국을 중심으로 상기 거리를 반지름으로 하는 원을 그린다. 즉, 제1 기지국을 중심으로 d1을 반경으로 하는 원을 그리고, 제2 기지국을 중심으로 d2를 반경으로 하는 원을 그리고, 제3 기지국을 중심으로 d3를 반경으로 하는 원을 그린다. 상기 세 개의 원이 중첩되는 교점의 좌표가 상기 단말기의 위치값이 된다. 그런데, 상기 세 개의 원이 교점으로 중첩되지 않고, 일정한 면적을 가지는 중첩 부분을 형성할 수 있는데, 이러한 중첩 부분은 단말기의 위치 측정에 있어서 발생하는 오차에 해당한다. 한편, 상기 중첩 부분을 감소시킴으로써 위치 측정 오차를 크게 줄일 수 있는 본 발명에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이동 단말의 위치 측정 방법의 순서 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이동 단말의 위치 측정 방법에 따르면, 단말기는 세 개의 기지국으로부터 전송되는 각 기지국 신호의 도달 시간(Time of Arrival : ToA)을 측정한다(S100). 상기 도달 시간(ToA)으로부터 각 기지국과 단말기 간의 거리 정보를 계산하게 된다(S200). 각 기지국과 단말기 간의 거리 정보는 각 기지국에 대한 도달 시간과 전파 전달 속도의 곱으로 계산할 수 있다.
상기 신호 도달 시간(ToA)을 이용하여 거리 정보를 계산한 후에, 각 기지국과 단말기 사이의 각도 정보를 이용하여 상기 거리 정보를 수정한다(S300). 상기 거리 정보를 수정하는 것은 본 발명이 기지국과 단말기가 근거리에 위치하는 경우의 이동 단말의 위치 측정 방법에 관한 것이기 때문이다. 즉, 상기 기지국과 단말기가 근거리에 위치하는 경우에는, 상기 단말기가 위치하는 평면으로부터 상기 기지국이 위치하는 지점까지의 수직 거리가 상기 기지국과 단말기 간의 거리에 비하여 무시할 정도로 짧지 않다. 그러므로, 상기 단말기가 위치하는 평면상에서, 상기 기지국을 단말기가 위치하는 평면에 투영한 지점으로부터 상기 단말기까지의 거리와 상기 기지국과 단말기 간의 거리에는 상당한 정도의 차이가 발생하여 상기 신호 도달 시간(ToA)으로부터 계산되는 기지국과 단말기 간의 거리 정보를 이용하여 단말기의 위치값을 계산하게 되면 큰 오차가 발생하게 된다.
이에 따라 본 발명에 따른 이동 단말의 위치 측정 방법에서는 상기 각 기지국과 단말기 사이의 각도 정보를 이용하여 상기 거리 정보를 수정한 후에 삼각 측량법을 이용하여 단말기의 위치값을 계산하게 된다. 상기의 각도 정보에 관하여는 도 4를 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
다음으로, 상기 수정된 거리 정보를 이용하여 단말기의 위치값을 계산한다(S400). 상기 단말기의 위치값은 삼각 측량법에 의하여 계산하게 된다. 즉, 제1 기지국, 제2 기지국, 제3 기지국에 대응하는 수정된 거리 정보를 각각 d1', d2', d3'라 하면, 상기 제1 기지국, 제2 기지국, 제3 기지국을 중심으로 하고 d1', d2', d3'를 반경으로 하는 세 개의 원을 형성하여 상기 세 개의 원이 중첩하는 교점을 단말기의 위치값으로 계산하게 된다.
도 4는 기지국과 단말기 사이의 각도 정보를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이동 단말의 위치 측정 방법이 적용되는 경우는 기지국과 단말기가 근거리에 위치하여 상기 단말기가 위치하는 평면으로부터 상기 제1 기지국(또는 제2 기지국, 제3 기지국)까지의 수직 거리가 상기 제1 기지국과 단말기 간의 거리인 d1에 비하여 무시할 정도로 짧지 않은 경우이다. 즉, 기지국과 단말기가 근거리에 위치하는 경우에는 상기 제1 기지국을 상기 단말기가 위치하는 평면상에 수직으로 이동시킨 지점으로부터 단말기까지의 거리인 d1'와 상기 제1 기지국 1과 단말기 간의 거리인 d1에는 상당한 정도의 차이가 발생하게 된다. 그러므로, 상기 거리 정보(d1)를 수정함으로써 단말기의 위치 측정 오차를 줄일 수 있게 된다.
상기 거리 정보를 수정하기 위하여 상기 세 개의 기지국에 대한 신호 도달 시간(ToA)으로부터 계산된 각 기지국과 단말기 간의 거리와 상기 기지국과 단말기 사이의 각도 정보가 필요하다. 상기 각도 정보는 상기 제1 기지국으로부터 단말기가 위치하는 평면까지 수직으로 연결한 선분과 상기 제1 기지국을 단말기와 연결한 선분이 이루는 각도인 φ1, 상기 제2 기지국으로부터 단말기가 위치하는 평면까지 수직으로 연결한 선분과 상기 제2 기지국을 단말기와 연결한 선분이 이루는 각도인 φ2 및 상기 제3 기지국으로부터 단말기가 위치하는 평면까지 수직으로 연결한 선분과 상기 제3 기지국을 단말기와 연결한 선분이 이루는 각도인 φ3가 이에 해당한다.
상기의 각도 정보를 이용하여 상기 기지국과 단말기 간의 거리를 수정하는 것은 다음의 수학식에 의한다.
Figure 112010050088501-pat00003
Figure 112010050088501-pat00004
Figure 112010050088501-pat00005
상기 수학식 1에서, d1은 제1 기지국과 단말기 간의 거리, d2는 제2 기지국과 단말기 간의 거리, d3은 제3 기지국과 단말기 간의 거리를 나타내며, d1'은 제1 기지국과 단말기 간의 수정된 거리, d2'는 제2 기지국과 단말기 간의 수정된 거리, d3'은 제3 기지국과 단말기 간의 수정된 거리에 해당한다.
도 5 및 도6은 본 발명의 일실시예에 따른 이동 단말의 위치 측정 방법에서 단말기의 위치값 계산을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하여 단말기의 위치값을 계산하는 과정을 설명한다. 상기의 수정된 기지국과 단말기 간의 거리를 이용하여 상기 단말기의 위치값을 계산하는 식은 다음과 같다. 위치 측정 대상인 단말기의 위치를 (x0, y0), 세 개의 기지국의 위치를 각각 (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3)라고 한다.
Figure 112010050088501-pat00006
Figure 112010050088501-pat00007
Figure 112010050088501-pat00008
상기의 수학식 2에서 위치 측정 대상인 단말기의 위치 (x0, y0)는 (x1, y1)에 위치하는 제1 기지국과 (x2, y2)에 위치하는 제2 기지국, (x3, y3)에 위치하는 제3 기지국을 중심으로 하고 각각 d1', d2', d3'의 반지름을 갖는 원의 내부가 되는 것을 알 수 있다. 상기의 수학식 2를 연립하여 계산하면, 위치 측정 대상인 상기 단말기의 위치 (x0, y0)는 (x1, y1)을 중심으로 하고 반지름 d1'인 원, (x2, y2)을 중심으로 하고 반지름 d2'인 원 및 (x3, y3)을 중심으로 하고 반지름 d3'인 원이 중첩되는 부분에 위치하게 된다.
상기 세 개의 원이 중첩되어 하나의 교점을 형성하게 되면, 그 교점이 바로 단말기의 위치값에 해당한다. 그러나, 도 5를 참조하면 상기 세 개의 원이 중첩되는 부분은 교점이 아닌 일정한 면적을 가지게 되는데, 이는 단말기의 위치 측정에 있어서 발생하는 오차에 해당한다. 도 5를 참조하면, 점선으로 도시된 세 개의 원은 수정하기 전의 거리 정보에 따른 것이고, 실선으로 도시된 세 개의 원은 각 기지국과 단말기 사이의 각도 정보를 이용하여 수정한 거리 정보에 따른 것이다. 상기 점선으로 도시된 세 개의 원이 중첩되는 부분의 면적보다 실선으로 도시된 세 개의 원이 중첩되는 부분의 면적이 감소되었음을 알 수 있다. 이는 각도 정보를 이용하여 거리 정보를 수정함에 따라 상기 단말기의 위치 측정 오차가 감소하고, 정확도가 향상될 수 있음을 의미한다.
한편, 상기 기지국과 단말기 사이의 각도 정보에는 오차 각도가 포함될 수 있다. 상기 오차 각도를 포함한 각도 정보를 이용하여 각 기지국과 단말기 사이의 거리 정보를 수정함으로써 단말기의 위치값을 산출하는 과정을 도 6을 참조하여 설명한다.
오차 각도를 고려한 각도 정보는 제1 기지국에 대하여 φ1±e 1, 제2 기지국에 대하여 φ2±e 2, 제3 기지국에 대하여 φ3±e 3 ,가 된다. 상기 각도 정보에 따라 수정된 기지국과 단말기 간의 거리를 이용하여 상기 단말기의 위치값을 계산하는 식은 다음과 같다. 위치 측정 대상인 단말기의 위치를 (x0, y0), 세 개의 기지국의 위치를 각각 (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3)라고 한다.
Figure 112010050088501-pat00009
Figure 112010050088501-pat00010
Figure 112010050088501-pat00011
여기서,
Figure 112010050088501-pat00012
,
Figure 112010050088501-pat00013
,
Figure 112010050088501-pat00014
,
Figure 112010050088501-pat00015
,
Figure 112010050088501-pat00016
,
Figure 112010050088501-pat00017
이다.
상기 수학식 3에 의하면, 위치 측정 대상인 단말기의 위치 (x0, y0)는 (x1, y1)에 위치하는 제1 기지국과 (x2, y2)에 위치하는 제2 기지국, (x3, y3)에 위치하는 제3 기지국을 중심으로 하고 일정한 폭을 가지는 도넛 형상의 내부가 되는 것을 알 수 있다. 상기의 수학식 3을 연립하여 계산하면, 위치 측정 대상인 상기 단말기의 위치 (x0, y0)를 계산할 수 있다. 즉, 단말기는 (x1, y1)을 중심으로 하고 d1'max-d1'min의 폭을 갖는 도넛 형상, (x2, y2)을 중심으로 하고 d2'max-d2'min의 폭을 갖는 도넛 형상, (x3, y3)을 중심으로 하고 d3'max-d3'min의 폭을 갖는 도넛 형상이 중첩되는 부분에 름 d1'인 원, (x2, y2)을 중심으로 하고 반지름 d2'인 원 및 (x3, y3)을 중심으로 하고 반지름 d3'인 원이 중첩되는 부분에 위치하게 된다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 오차 각도를 고려하지 않은 각도 정보에 따라 상기 각 기지국과 단말기 간의 거리 정보를 수정하여 형성된 세 개의 원이 중첩되는 부분에 비하여 오차 각도를 고려한 각도 정보에 따라 상기 거리 정보를 수정하여 형성된 세 개의 도넛 형상이 중첩되는 부분의 면적이 더 좁은 것을 알 수 있으며, 이와 같은 중첩 부분의 면적 감소는 단말기의 위치 측정 오차의 감소, 위치 측정의 정확도 향상을 의미한다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (9)

  1. 단말기에 인접하는 세 개의 기지국에 대한 신호 도달 시간(ToA:Time of Arrival)을 이용하여 상기 각 기지국과 단말기 간의 거리 정보를 산출하는 단계;
    상기 각 기지국과 단말기 사이의 각도 정보를 이용하여 상기 거리 정보를 수정하는 단계; 및
    상기 수정된 거리 정보를 이용하여 단말기의 위치값을 계산하는 단계를 포함하되,
    상기 각도 정보는
    상기 세 개의 기지국으로부터 각기 연장되어 상기 단말기가 위치하는 평면과 직교하도록 형성되는 선분과 상기 세 개의 기지국과 단말기를 각각 연결한 선분이 형성하는 세 개의 각도를 포함하고,
    상기 거리 정보를 수정하는 단계는,
    상기 거리 정보에 각도의 사인(sine)값을 곱하여 각 기지국에 대한 거리 정보를 수정하는, 이동 단말의 위치 측정 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수정된 거리 정보를 이용하여 단말기의 위치값을 계산하는 단계는
    상기 각 기지국의 위치를 중심으로 하고 상기 수정된 거리를 반경으로 하는 세 개의 원을 형성하고, 상기 세 개의 원들이 중첩하는 부분으로부터 단말기의 위치값을 계산하는 것을 특징으로 하는 이동 단말의 위치 측정 방법.
  5. 삭제
  6. 단말기에 인접하는 세 개의 기지국에 대한 신호 도달 시간(ToA:Time of Arrival)을 이용하여 상기 각 기지국과 단말기 간의 거리 정보를 산출하는 단계;
    상기 각 기지국과 단말기 사이의 각도 정보를 이용하여 상기 거리 정보를 수정하는 단계; 및
    상기 수정된 거리 정보를 이용하여 단말기의 위치값을 계산하는 단계를 포함하되,
    상기 각도 정보는
    상기 세 개의 기지국으로부터 각기 연장되어 상기 단말기가 위치하는 평면과 직교하도록 형성되는 선분과 상기 세 개의 기지국과 단말기를 각각 연결한 선분이 형성하는 세 개의 각도를 포함하고,
    상기 세 개의 각도는,
    오차 각도를 포함하고,
    상기 수정된 거리 정보를 이용하여 단말기의 위치값을 계산하는 단계는,
    상기 오차 각도를 포함하는 각도 정보를 이용하여 수정된 거리 정보에 따라 각 기지국의 위치를 중심으로 하여 형성되는 세 개의 도넛 형상이 중첩하는 부분으로부터 단말기의 위치값을 계산하는, 이동 단말의 위치 측정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도 정보는,
    상기 기지국에 포함된 안테나의 지면으로부터의 높이 정보 및 상기 거리정보를 이용하여 측정된, 이동 단말의 위치 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 높이 정보는,
    미리 측정된 것으로서 상기 기지국이 저장하고 있는 높이 정보인, 이동 단말의 위치 측정 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 세 개의 각도에 오차 각도를 각각 합한 최대 각도들과, 상기 세 개의 각도에서 오차 각도를 각각 감한 최소 각도들에 기초하여 수정된 거리 정보를 이용하는, 이동 단말의 위치 측정 방법.
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