KR101744192B1 - 경주마 위치 추적 시스템 - Google Patents

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Abstract

경주마 위치 추적 시스템이 개시된다. 이 시스템은 경주 트랙을 따라 배치되어 경주마에 부착된 태그로부터 위치 신호를 수신하면 해당 태그에 대한 타임스탬프를 생성하는 복수의 리더기, 리더기들로부터 타임스탬프를 수신하는 제어기, 및 제어기로부터 타임스탬프를 전달받아 TDOA(Time differences of Arrival) 측위 기술을 이용하여 경주마의 위치를 측정하는 측위 서버를 포함하되, 제어기는 복수의 리더기와 광케이블로 연결되며 광케이블을 통해 클록 신호를 전달하여 전체 리더기들의 시각을 동기화한다.

Description

경주마 위치 추적 시스템{Race horse tracking system}
본 발명은 경마 관련 기술에 관한 것으로, 특히 경주마의 위치를 추적하는 시스템에 관한 것이다.
국내공개특허공보 제10-2014-0073055호에는 경마 모니터링 시스템에 대해 개시되어 있다. 이 시스템은 마권 발행기와 위치 송신기와 위치 수신기 및 서버를 포함한다. 마권 발행기는 마권을 발행할 때 배팅 정보와 더불어 배팅 정보를 포함하는 식별패턴을 마권에 함께 인쇄한다. 위치 송신기는 경주마에 부착된다. 위치 수신기는 위치 송신기로부터 경주마의 위치 신호를 수신한다. 그리고 서버는 위치 수신기로부터 경주마의 위치 신호를 수신하며, 스마트폰에 의해 마권의 식별패턴이 스캔되되 스마트폰이 웹페이지에 연결되면 경주마의 위치를 스마트폰으로 전송한다.
국내공개특허공보 제10-2014-0073055호 (2014년 6월 16일)
본 발명은 경주마의 위치 추적 오차를 최소화하는 경주마 위치 추적 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 태그로부터 경주마의 위치 추적을 위한 신호를 수신하는 리더기들 간의 시각 동기화 성능을 더욱 정밀하게 향상시킬 수 있는 경주마 위치 추적 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 경주마 위치 추적 시스템은 경주 트랙을 따라 배치되어 경주마에 부착된 태그로부터 위치 신호를 수신하면 해당 태그에 대한 타임스탬프를 생성하는 복수의 리더기, 리더기들로부터 타임스탬프를 수신하는 제어기, 및 제어기로부터 타임스탬프를 전달받아 TDOA(Time differences of Arrival) 측위 기술을 이용하여 경주마의 위치를 측정하는 측위 서버를 포함하되, 제어기는 복수의 리더기와 광케이블로 연결되며 광케이블을 통해 클록 신호를 전달하여 전체 리더기들의 시각을 동기화한다.
일 양상에 따르면, 복수의 리더기는 다수로 그룹화되고, 제어기는 복수의 채널을 통해 그룹별로 리더기들과 직렬 연결되며, 복수의 채널을 통해 동일한 클록 신호를 그룹별 리더기들로 전달하여 전체 리더기들의 시각을 동기화할 수 있다.
일 양상에 따르면, 리더기는 타임스탬프 값에 리더기별 지연 오프셋을 반영한 후 측위 서버로 전달할 수 있다.
일 양상에 따르면, 제어기는 리더기들의 시각을 동기화한 후에 리더기들 각각의 클록 지연 시간을 측정하여 이를 지연 오프셋으로 관리할 수 있다.
일 양상에 따르면, 복수의 리더기는 경주 트랙의 내주와 외주를 따라 지그재그 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 경주마 위치 추적 시스템은 리더기들 간의 시각 동기화, 특히 멀티 채널 동기화 방식을 통해 리더기들 간의 시각 동기화 성능을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 경주마에 대한 위치 추적 오차를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 경주마 위치 추적 시스템은 리더기들을 경주 트랙의 내주와 외주를 따라 지그재그 배치함으로써, 측위 성능을 더욱 높일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 경주마 위치 추적 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 제어기와 리더기들 간의 연결 방식을 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 멀티 채널 동기화 설명을 위한 참조도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 동기 모드 동작 절차를 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 학습 모드 동작 절차를 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 운영 모드 동작 절차를 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 리더기들의 설치 위치를 나타낸 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 리더기들의 설치 위치를 나타낸 도면이다.
도 9는 리더기 설치 위치에 따른 RMSE 성능 비교 그래프이다.
도 10은 측위 데이터 생성방식에 따른 RMSE 성능 비교 그래프이다.
도 11은 추적필터에 따른 RMSE 성능 비교 그래프이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 경주마 위치 추적 시스템을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 경주마 위치 추적 시스템은 태그(Tag)(100)들과, 리더기((Locating Access Point, LAP))(200)들과, 제어기(Locating Controller, LCT)(300), 및 측위 서버(Locating Server, LSV)(400)를 포함한다. 태그(100)들은 경주마별로 부착되며, 리더기(200)들은 경주 트랙을 따라 고정되게 배치된다. 태그(100)와 리더기(200) 간에는 무선망을 통해 신호를 송수신하는데, 초광대역(Ultra Wide Band, UWB) RF 통신과 협대역(Narrow Band, NB) RF 통신을 통해 신호를 송수신할 수 있다. 그리고 리더기(200)들은 제어기(300)와 광케이블로 연결되어 광 네트워크를 이룬다. 또한 리더기(200)들은 원격 전원 스위치(Remote Power Switch)(600)와 전원 케이블로 연결되어 원격 전원 스위치(600)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
제어기(300)와 측위 서버(400) 및 위치 정보 데이터베이스(500)는 네트워크 연결되는데, 이 네트워크는 TCP/IP 기반의 네트워크일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제어기(300)는 측위 서버(400) 및 위치 정보 데이터베이스(500)와 네트워크 스위치(700)를 통해 연결될 수 있다. 측위 서버(400)는 위치 측정 알고리즘을 이용하여 경주마들의 위치를 측정하는 역할을 수행하며, 측정된 경주마들의 실시간 위치 정보는 위치 정보 데이터베이스(500)에 저장되어 관리된다. 그리고 위치 측정 알고리즘으로는 TDOA(Time differences of Arrival), TOA(Time of Arrival), AOA(Angle of Arrival), RSS(Received Signal Strength) 등이 알려져 있다. 이 중 위치 정확성을 얻기 위해 TOA와 TDOA를 이용할 수 있다. 특히 TDOA를 이용할 수 있는데, TDOA는 TOA에 비해 저전력 태그, 고속 위치 갱신이 가능하다. 다만, TDOA를 이용할 경우 리더기 간의 고정밀 동기화가 요구된다.
태그(100)로부터 빛의 속도로 전송되는 RF 신호의 도착시간 차이로 인해 태그(100)의 위치를 측정해야 하는 실시간 위치 추적 시스템(Real Time Locating System, RTLS)에서 리더기(200)들의 동기는 무엇보다도 중요하다. 아무리 정교한 클록 부품을 사용하더라도 각각의 부품에서 발생하는 편차는 시스템의 정확도를 감소시킨다. 예를 들어, 1ppm 온도 보상용 클록(Temperature-Compensated Crystal Oscillator, TCXO)을 사용할 경우, 1/1000초 시간 경과 후에 각 리더기(200)의 시간 편차는 1ns(10-9)가 되어 30cm의 측정 오차를 발생하게 된다. 따라서, 모든 리더기(200)의 클록 동기가 요구된다. 따라서, 제어기(300)의 클록 마스터(clock master)는 리더기(200)들로 클록 신호를 전달하여 전체 리더기(200)들의 시각을 동기화한다. 그런데, 리더기(200)들이 단일 채널로 직렬 연결되어 있을 경우에, 경주 트랙을 따라 배치된 리더기의 수가 많기 때문에 클록 신호가 리더기를 거쳐 갈수록 클록 지터(jitter)가 심해질 수밖에 없다.
도 2는 일 실시예에 따른 제어기와 리더기들 간의 연결 방식을 나타낸 도면이며, 도 3은 일 실시예에 따른 멀티 채널 동기화 설명을 위한 참조도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 리더기(200)들은 일부씩 그룹화된다. 제어기(300)는 복수의 입출력 포트를 구비하며, 하나의 입출력 포트에 하나의 그룹에 속하는 리더기(200)들이 광케이블로 직렬 연결된다. 따라서, 리더기의 출력은 다음 리더기의 입력으로 이어지며, 직렬 연결된 마지막 리더기의 출력은 제어기의 입출력 포트로 입력된다. 이 같이 멀티 채널을 구성하는 것이다. 그리고 제어기(300)는 클록을 발생시켜 도 3과 같이 포트 채널(CH_1, CH_2, CH_3, ..., CH_n)별로 출력한다. 이 같이, 제어기(300)는 멀티 채널을 통해 리더기들의 동기화를 달성할 수 있다. 이에 따라, 클록 지터를 최소화하면서 리더기들의 시각을 동기화할 수 있다. 즉, 리더기간 시각 동기화 성능을 더욱 정밀하게 향상시킬 수 있다.
위치 추적 과정은 다음과 같다. 태그(100)는 주기적으로 위치 신호인 블링킹(blinking) 메시지를 송신하며, 리더기(200)는 블링킹 메시지를 수신한다. 블링킹 메시지에는 태그의 식별정보와 메시지 송신 시각 정보가 포함될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 태그(100)와 리더기(200)는 UWB를 이용하여 위치 신호를 송수신한다. 경마장 환경에서 경주마의 실시간 위치를 30cm 이내의 오차로 추적하기 위해, 스펙트럼에 비해 매우 넓은 대역에 걸쳐 낮은 전력밀도로 대용량의 정보전송 또는 경로 고분해능이 가능한 무선전송기술인 UWB를 사용하는 것이다. 위치 신호를 수신한 리더기(200)는 그 수신 시점의 타임스탬프를 생성하여 제어기(300)로 전달한다. 제어기(300)는 리더기(200)로부터 타임스탬프 메시지를 수신하고, 이를 측위 서버(400)로 전달한다. 이때, 제어기(300)는 타임스탬프 메시지를 측위 서버(400)로 전달하기 전에 유선 지연만큼의 오프셋을 타임스탬프에 반영한 후에 전달할 수 있다. 측위 서버(400)는 태그들의 타임스탬프 데이터에 근거하여 경주마들의 위치를 측정한다. 일 양상에 따르면, 측위 서버(400)는 TDOA 측위 기법을 이용하여 경주마들의 위치를 측정한다. 그리고 측정된 경주마들의 실시간 위치 정보는 위치 정보 데이터베이스에 저장되어 관리된다.
일 실시예에 있어서, 제어기(300)는 동기 모드(synchronization mode), 학습 모드(Learning mode), 그리고 운영 모드(operational mode) 순으로 동작할 수 있다. 동기 모드는 상술한 바와 같이 리더기(200)들의 시각을 동기화하기 위한 단계로서, 각 리더기 내부의 UWB 수신 타임스탬프 카운터 값을 초기화하는 단계이다. 이 동기 모드는 리더기 신규 설치 및 교체, 전원 재투입, 주기적/선택적으로 수행될 수 있다. 학습 모드는 제어기(300)로부터 각각의 리더기(200)에 전송되는 클록의 유선 평균 지연 값을 찾는 과정이다. 즉, 제어기(300)는 리더기(200)들의 시각 동기 후에 리더기(200)들 각각의 클록 지연 시간을 측정하여 이를 지연 오프셋으로 관리한다. 리더기별 지연 오프셋은 운영 모드에서 타임스탬프 보정 값으로 사용된다. 그리고 운영 모드는 태그의 위치를 추적하는 정상 동작 단계이다. 운영 모드에서 제어기(300)는 태그의 위치를 추적하는 동작을 개시하고, 리더기(200)들로부터 수신되는 타임스탬프 값을 지연 오프셋으로 보정하여 측위 서버(400)로 전송한다.
도 4는 일 실시예에 따른 동기 모드 동작 절차를 나타낸 도면이다. 측위 서버(400)는 동기 모드 준비(prepare SYNC mode) 메시지를 송신하며, 제어기(300)는 동기 모드 준비 메시지를 수신하여 모든 리더기(200)들로 전달한다. 리더기(200)들은 준비 완료 메시지를 자신의 어드레스와 함께 송신하며, 제어기(300)는 이를 수신하여 측위 서버(400)로 전달한다. 측위 서버(400)는 리더기(200)들 모두가 준비 완료되었는지 판단하여 완료되었으면 동기 신호를 발생시키며, 제어기(300)는 동기 신호를 수신하여 모든 리더기(200)들로 전달한다. 리더기(200)들은 동기 신호에 따라 동기를 완료한 후에 동기 완료 메시지를 자신의 어드레스와 함께 송신하며, 제어기(300)는 이를 수신하여 측위 서버(400)로 전달한다. 측위 서버(400)는 리더기(200)들 모두가 동기 완료되었는지 판단하여 완료되었으면 동기 모드 종료 메시지를 송신하며, 제어기(300)는 동기 모드 종료 메시지를 수신하여 모든 리더기(200)들로 전달한다. 리더기(200)들은 동기 모드를 종료한 후에 종료 메시지를 자신의 어드레스와 함께 송신하며, 제어기(300)는 이를 수신하여 측위 서버(400)로 전달한다.
도 5는 일 실시예에 따른 학습 모드 동작 절차를 나타낸 도면이다. 측위 서버(400)는 학습 모드 메시지를 제어기(300)로 전송한다. 학습 모드 메시지를 수신한 제어기(300)는 표준 태그(Reference TAG)로 지정할 리더기(200)의 주소를 부가하여 입출력 포트를 통해 출력한다. 리더기(200)는 학습 모드 메시지를 수신하며, 메시지에 포함된 주소와 자신의 주소를 비교한다. 일치하지 않을 경우, 리더기(200)는 다음 리더기로 학습 모드 메시지를 전달한다. 일치할 경우, 리더기(200)는 자신을 표준 태그로 동작시킨다. 여기서, 리더기(200)가 표준 태그로 동작한다는 의미는 태그(100)처럼 블링킹 신호를 송신한다는 의미이다. 블링킹 신호는 일정 시간 주기적으로 송신될 수 있다. 이에 통신 가능 범위 내에 있는 다른 리더기들은 표준 태그로부터 블링킹 신호를 수신하게 되며, 평균 TOA(Time of Average) 정보를 제어기(300)로 전달한다. 제어기(300)는 모든 리더기(200)들로부터 지연 오프셋인 TOA 정보를 수신하였는지 확인한다. 모든 리더기(200)들로부터 TOA 정보를 수신하지 못하였을 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 상술한 과정이 반복된다. 과정을 반복할 경우, 제어기(300)는 다른 리더기를 표준 태그로 지정한다. 즉, 표준 태그로 지정할 다른 리더기의 주소를 학습 모드 메시지에 부가하여 리더기들로 전달하는 것이다. 모든 리더기(200)들로부터 TOA 정보를 수신하면, 리더기(200)는 도 5에 도시된 바와 같은 TOA 테이블을 저장 및/또는 측위 서버(400)로 전달한다.
도 6은 일 실시예에 따른 운영 모드 동작 절차를 나타낸 도면이다. 측위 서버(400)는 운영 모드 메시지를 제어기(300)로 전송한다. 제어기(300)는 운영 모드 메시지를 수신하고, 이를 비컨 구조의 메시지로 모든 리더기(200)들로 전달한다. 비컨 메시지를 수신한 리더기(200)들은 운영 모드로 동작할 준비가 되었음을 알리는 레디(Ready) 메시지에 자신의 주소 정보를 포함시켜 제어기(300)로 회신하며, 또한 태그(100)들로 타임 슬롯 할당을 위한 비컨 구조의 메시지를 송신한다. 제어기(300)는 리더기(200)들로부터 수신된 레디 메시지를 측위 서버(400)로 전달한다. 측위 서버(400)는 모든 리더기(200)들이 준비 완료되었는지 판단하여 준비 완료되었을 경우 동작 개시를 위한 스타트 메시지를 제어기(300)로 전송한다. 제어기(300)는 스타트 메시지를 수신하여 리더기(200)들로 전달하고, 리더기(200)들은 태그(100)들로 전달하며, 태그(100)들은 할당된 타임 슬롯마다 블링킹 메시지를 송신한다. 이에 리더기(200)들은 블링킹 메시지를 수신하여 타임스탬프를 생성하며, 생성한 타임스탬프를 제어기(300)로 전달한다. 타임스탬프 전달은 주기적으로 이루어지는데, 예를 들어 33.3ms(30Hz) 단위로 이루어질 수 있다. 제어기(300)는 리더기(200)들로부터 타임스탬프를 수신하고 측위 서버(400)로 전달한다. 이때, 제어기(300)는 타임스탬프에 지연 오프셋을 반영한 후 측위 서버(400)로 전달할 수 있다. 혹은 측위 서버(400)에서 지연 오프셋이 반영될 수도 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 리더기들의 설치 위치(Reader position)를 나타낸 도면이며, 도 8은 다른 실시예에 따른 리더기들의 설치 위치를 나타낸 도면이다. 도 7은 리더기들이 경주 트랙의 내주와 외주를 따라 지그재그로 배치된 예를 보이며, 도 8은 리더기(200)들이 경주 트랙의 외주를 따라 배치된 예를 보인다. 참고로, 화살표는 경주마의 경주 궤적을 의미한다. 리더기들은 도 7 또는 도 8과 같이 배치될 수 있는데, 일 양상에 따르면 도 7과 같이 배치된다. TDOA 데이터를 이용한 위치 추적은 가관측성(observability)에 따라 그 성능이 크게 영향을 받기 때문에 리더기 위치 선정이 매우 중요한데, 도 7과 같이 리더기 위치를 선정하였을 경우에 측위 성능이 뛰어나기 때문이다.
도 7과 도 8에 대해 각각 측위를 수행하여 성능을 비교하기 위해, 아래 표 1과 같이 시뮬레이션 시나리오를 설정한다.
시나리오 #1 - 도 7
- 경주마는 초기 2초 동안 가속 후 내주로를 따라 65km/h로 질주
- 직선주로 리더기 개수: 18개
- 곡선주로 리더기 개수: 12개
- 신호의 수신범위는 태그를 중심으로 200m
- 최대 6개의 TDOA 측정치를 이용
- 총 500회의 몬테칼로 시뮬레이션 수행
- 30Hz(33.3ms) 주기로 TDOA 측정치 생성
시나리오 #2 - 도 8
- 경주마는 초기 2초 동안 가속 후 내주로를 따라 65km/h로 질주
- 직선주로 리더기 개수: 17개
- 곡선주로 리더기 개수: 10개
- 신호의 수신범위는 태그를 중심으로 200m
- 직선 코스에서 리더기는 지그재그 형태로 y축에 10m 차이를 둠(리더기가 경주 트랙의 내,외주에 지그재그로 설치되는 경우 아님)
- 최대 6개의 TDOA 측정치를 이용
- 총 500회의 몬테칼로 시뮬레이션 수행
- 30Hz 주기로 TDOA 측정치 생성
도 9는 리더기 설치 위치에 따른 RMSE 성능 비교 그래프로서, 확장칼만필터(Extended Kalman Filter, EKF)를 적용하였을 때의 RMSE(Root Mean Square Error)를 나타낸다. 시뮬레이션 시나리오 #2에서는 외주로를 따라 리더기가 위치하고 있으며, 이때 추정된 경주마의 위치 오차를 파란색 그래프로 표현하였다. 도 9의 그래프를 통해 리더기의 위치 설정에 따라 측위 정확도가 달라질 수 있음을 알 수 있는데, 성능을 비교해보면 경주 트랙의 곡선 구간에서는 시나리오 #1과 시나리오 #2가 유사하나 직선 구간에서는 시나리오 #1이 시나리오 #2에 비해 뛰어나다.
한편, TDOA란 송신기에서 송신된 신호가 다수의 수신기까지 도착하는데 걸리는 시간의 차이를 의미하며, 신호의 속도는 빛의 속도와 동일하기 때문에 결국 TDOA는 송신기와 각각의 수신기 사이의 거리차이로 변환이 가능하다. TDOA를 이용한 측위 데이터 생성 기법은 거리차이 정보만을 이용하여 송신기의 위치에 대한 데이터를 생성하는 기술로 수신기의 위치에 따라 가관측성(observability)이 정해지며, 신호를 수신받은 수신기의 개수에 따라 위치를 측정할 수 있는지에 대한 여부가 결정된다. 경마장에서 경주마의 위치 측정은 2차원으로 모델링이 가능하며, 이때 최소한 2개의 TDOA 측정치(3개의 수신기)가 존재해야만 위치 측정이 가능하다.
TDOA 측정치를 이용하여 송신기의 측위 데이터를 생성하는 방법은 크게 최소 2개의 TDOA 측정치가 필요한 측위 데이터 생성방식(측위 데이터 생성방식 #1)과 최소 3개의 TDOA 측정치가 필요한 측위 데이터 생성방식(측위 데이터 생성방식 #2)으로 나눌 수 있다. X와 Y 위치를 계산하는데 최소 2개의 TDOA 측정치가 필요한 측위 데이터 생성방식 #1은 먼저 기준 수신기를 선정해야 하며, 일반적으로 가장 신호가 먼저 들어온 수신기로 선정할 수 있다. 이후, 다른 수신기에서 신호가 들어오게 되면 기준 수신기를 기준으로 시간의 차이를 계산하여 다수의 TDOA 측정치를 생성한다. 2개 이상의 TDOA 측정치가 생성되면 그 값을 이용하여 기준 수신기와 송신기 사이의 거리를 산출하며, 이를 통해 두 개의 거리 데이터가 생성된다. 최종적으로, 이러한 거리 데이터를 이용하여 송신기의 측위 데이터를 생성하게 되는데, 거리 데이터가 둘이기 때문에 두 개의 측위 데이터가 생성되며, 이 중 어느 것이 실제 송신기의 측위 데이터인지 선별하는 과정이 필요하다. 다음으로, 최소 3개의 TDOA 측정치가 필요한 측위 데이터 생성방식 #2는 측위 데이터 생성방식 #1과 같이 기준 수신기를 선정하며, 3개 이상의 TDOA 측정치가 생성되면 그 값을 이용하여 송신기의 측위 데이터와 기준 수신기와 송신기 사이의 거리를 한번에 구한다.
도 10은 측위 데이터 생성방식에 따른 RMSE 성능 비교 그래프이다. 측위 데이터 생성방식 #1과 #2는 시뮬레이션 시나리오 #1을 전제로 한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 측위 데이터 생성방식 #1에 비해 측위 데이터 생성방식 #2의 RMSE가 작게 나타난다. 즉, 측위 데이터 생성방식 #2가 안정적이고, 보다 정확한 측위를 계산한다. 따라서, 측위 서버(400)는 정확한 측위 계산을 위해 측위 데이터 생성방식 #2를 이용할 수 있다.
그런데 TDOA 신호를 이용하여 생성된 측위 데이터는 잡음 신호를 함께 포함하고 있기 때문에 정확도가 낮다. TDOA 신호의 측정잡음이 1ns일 때 30cm의 오차가 발생하며, 경주마의 진동, 신호의 간섭, 전파방해 등으로 인해 오차가 증가할 수 있다. 따라서, 측위 서버(400)는 측위 데이터의 정확도를 만족시키기 위해 추정이론(Estimatio Theory)에 근거한 동적 필터링 기법을 적용할 수 있다. 측위 데이터 정확도 향상을 위해 적용할 수 있는 동적 필터링 기법으로는 칼만필터(Kalman Filter, KF)와 확장칼만필터(Extended Kalman Filter, EKF)가 있다. 칼만필터는 백색 가우시안 잡음(White Gaussian Noise)이 실린 선형 동역학 시스템(Linear Dynamic Systems)에서 사용되는 대표적인 상태 추정 필터이다. 동역학 모델을 이용하여 미래의 위치를 예측하는 예측과정과 입력된 측정치를 이용하여 상태변수를 쇄신하는 쇄신과정으로 이루어지며, 동역학 모델과 측정치 모델은 모두 선형으로 가정한다.
TDOA 측정치를 이용한 칼만필터는 비선형성을 가지는 TDOA 측정치를 선형 측정치인 측위 데이터로 변환하여 필터의 상태변수를 쇄신하는 것이다. TDOA 측정치를 측위 데이터로 변형하는 과정에서는 측위 데이터 생성방식 #2가 사용될 수 있다. 칼만필터는 측위 데이터를 이용하여 해당 데이터에 대한 오차 공분산을 계산하고 필터의 상태 변수를 쇄신하게 된다. 여기서 필터의 상태변수는 경주마의 위치, 속도와 같은 정보를 의미하며, 최종적으로 미리 설계된 동역학 모델을 이용하여 다음 순간에서의 필터 상태변수를 예측한다. 그리고 선형 동역학 모델은 등속도 모델, 등가속도 모델, 그리고 등속회전모델 등이 대표적이며, 추적하고자 하는 대상 표적의 특성에 맞게 적용되어야 한다. 경주마의 추적환경은 필터의 쇄신주기가 짧기 때문에 등속도 또는 등가속도를 이용하여 필터 설계가 가능하다.
확장칼만필터는 비선형 시스템을 테일러 확장(Taylor Series) 기법을 이용하여 전개하고, 고차항을 생략하여 강제 선형화시킨 대표적인 비선형 상태 추정 필터이다. 확장칼만필터는 칼만필터와 같이 예측과정과 쇄신과정으로 이루어지지만, 측정된 TDOA 신호를 필터의 측정치로 바로 사용한다는 점에서 가장 큰 차이를 보인다. TDOA 측정치를 이용한 확장칼만필터는 비선형성을 가지는 TDOA 측정치를 그대로 사용하여 필터의 상태변수를 쇄신하게 되므로 칼만필터보다 간단한 구조를 가지게 되며, TDOA 측정치가 입수되는 순서대로 쇄신하거나 한번에 모아서 쇄신할 수 있다는 장점을 가진다. TDOA 측정치를 이용하여 순차적으로 쇄신하는 경우에는 측정잡음에 존재하는 correlation을 제거하기 위해 pseudo 측정치를 생성하는 방식이 추가된다. 확장칼만필터에 사용되는 동역학 모델은 칼만필터와 동일하게 선형 동역학 모델이 사용되며, 등속도 또는 등가속도를 이용하여 필터 설계가 가능하다.
도 11은 추적필터에 따른 RMSE 성능 비교 그래프이다. 시뮬레이션 시나리오 #1을 전제로 하며, 측정오차의 편차를 각각 30cm, 50cm로 둔다. 도 10에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션을 통해 칼만필터보다 확장칼만필터가 보다 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있으며, 측위 데이터 생성을 통해 측정오차의 편차가 30cm일 때 측위 오차가 평균 10cm 정도로 줄어드는 것을 볼 수 있다. 또한, 측정오차의 편차가 50cm일 경우에는 측위 오차가 평균 15cm 정도로 줄어드는 것을 볼 수 있다. 따라서, 측위 서버(400)는 우수한 성능을 얻기 위해 확장칼만필터를 이용할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 태그 200 : 리더기
300 : 제어기 400 : 측위 서버
500 : 위치 정보 데이터베이스 600 : 원격 전원 스위치
700 : 네트워크 스위치

Claims (5)

  1. 경주 트랙을 따라 배치되어 경주마에 부착된 태그로부터 위치 신호를 수신하면 해당 태그에 대한 타임스탬프를 생성하는 복수의 리더기;
    리더기들로부터 타임스탬프를 수신하는 제어기; 및
    제어기로부터 타임스탬프를 전달받아 TDOA(Time differences of Arrival) 측위 기술을 이용하여 경주마의 위치를 측정하는 측위 서버;를 포함하되,
    제어기는 복수의 리더기와 광케이블로 연결되며, 광케이블을 통해 클록 신호를 전달하여 전체 리더기들의 시각을 동기화하고,
    복수의 리더기는 다수로 그룹화되고,
    제어기는 복수의 채널을 통해 그룹별로 리더기들과 직렬 연결되며, 복수의 채널을 통해 동일한 클록 신호를 그룹별 리더기들로 전달하여 전체 리더기들의 시각을 동기화하는 경주마 위치 추적 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    리더기는 타임스탬프 값에 리더기별 지연 오프셋을 반영한 후 측위 서버로 전달하는 경주마 위치 추적 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제어기는 리더기들의 시각을 동기화한 후에 리더기들 각각의 클록 지연 시간을 측정하여 이를 지연 오프셋으로 관리하는 경주마 위치 추적 시스템.
  5. 제 1 항, 제 3 항, 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 리더기는 경주 트랙의 내주와 외주를 따라 지그재그 설치된 경주마 위치 추적 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2005070019A (ja) * 2003-08-28 2005-03-17 Mitsubishi Electric Corp 追跡システム及び発信機

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