KR101794457B1 - 위치 측위를 위한 효율적인 개체배치방법 및 그 위치측위장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위치측위정확도를 높이되, 효율적인 센서를 배치하도록 주어진 센서 개수 N에 대해서 위치측위정확도의 이상적인(ideal) 값과 흡사하되, 위치측위영역(area)을 높일 수 있도록 한 위치 측위를 위한 개체배치방법 및 위치측정장치에 관한 것으로, 실내 또는 실외의 위치측위를 위해 N개(N은 3이상)의 측위 개체를 N각형의 꼭지점에 배치하는 측위배치구조를 이용하여 N각형 내의 피측위 개체의 위치를 측정하도록 하는 위치측위를 위한 개체배치방법에 있어서, N개의 측위 개체가 형성하는 N각형의 측위배치구조를 M개의 다층으로 배치하되, 각 층에 배치되는 M개의 N각형 측위배치구조를 상대적으로 회전시킴과 아울러 길이를 스케일링(scaling)하여 배치하도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

위치 측위를 위한 효율적인 개체배치방법 및 그 위치측위장치{EFFICIENT OBJECT ARRANGEMENT METHOD FOR DETECTING POSITION AND ITS POSITIONING APPARATUS}

본 발명은 위치 측위를 위한 효율적인 개체배치방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 최적의 위치측위정확도와 비슷한 위치측위정확도 성능을 나타내면서 위치측위영역(area)을 효과적으로 높일 수 있도록 한 위치 측위를 위한 개체배치방법 및 그 장치에 관한 것이다.

현재까지, 실내위치 또는 실외위치에 대한 측위기술은 다양한 위치 기반 서비스의 토대가 되는 기술이고, 이를 이용한 다양한 사용자 시나리오를 가지고 있다. 위치측위기술의 가장 중요한 성능을 가늠하는 잣대 가운데 하나인, 위치측위 정확도를 나타내는 geometric dilution of precision(이하, GDOP)은 측정데이터(Measured Data) 오차에 대한 위치(Location) 오차의 비율을 뜻한다.

공개특허 10-2015-0139170호(위치 관련 정보 제공 방법 및 이를 지원하는 전자 장치)에 따르면, "위치 정보 운용에 관한 것으로, 다양한 실시 예는 실행 중인 또는 실행 요청된 어플리케이션에 지정된 위치 정보 조건을 확인하는 동작, 상기 확인된 위치 정보 조건에 대응하는 방식으로 위치 정보를 수집하는 동작, 수집된 상기 위치 정보를 상기 어플리케이션에 제공하는 동작을 포함하는 위치 관련 정보 제공 방법과 이를 지원하는 전자 장치를 개시할 수 있다. 여기서 본 발명이 상술한 구성에 한정되는 것은 아니며, 발명의 상세한 설명에 기재된 다양한 실시 예들로서 이해되어야 할 것이다."라고 개시된 바가 있다.

한편, 철도의 유지/보수 시, 문제 지점의 위치를 비롯한 특정 관심 지점의 위치를 정확히 알기 위해서는 위치 오차가 낮은 값을 갖도록 위치측위기술의 개발이 선행되어야 하는데, 위치 오차를 낮추기 위해서는 기본적으로 두 가지 사항이 고려되어야 한다.

첫 번째는, measurement의 종류를 포함한 위치측위기술 자체의 알고리듬이고, 두 번째는 낮은 GDOP를 얻기 위한 개체 배치기법이다.

대표적으로는, 배치되는 개체의 실시예로는 실외 위치측위기술에서는 기지국, GPS 등이 될 수 있고, 실내 위치측위기술에서는, WiFi의 access point (AP), ultra wide band (UWB) 센서, beacon 타입의 센서 등이다.

본 발명에서는 실내 또는 실외 위치측위기술의 위치측위정확도를 높이면서, 위치측위영역을 효과적으로 높이기 위한 효율적인 센서 배치를 위한 방법 및 장치를 제안하고자 한다. 구체적으로, 주어진 센서 개수 N에 대해서 GDOP의 이상적인(ideal) 값과 흡사하되, 위치측위 area를 높일 수 있는 효율적인 위치 측위를 위한 개체배치방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

참고로, 위치측위 영역(area)는 위치측위기술이 적용되는 범위(coverage)를 뜻하는데, N개의 센서 각각의 위치 좌표들을 통해 얻게 되는 볼록집합(convex set)에 해당하는 면적을 뜻한다.

선형적 위치측위기술을 전제로 했을 때, N개의

개체를 배치하여 얻을 수 있는 GDOP는 이미 알려진 사실이 존재하는데, N개의 개체를 사용하여 N각형의 꼭지점에 해당하는 위치에 개체를 놓으면, 정N각형의 정중앙에 해당하는 위치에서의 GDOP는

를 얻는다. 여기서,

는 선형 위치측위 estimation을 가정하여 얻을 수 있는 가장 높은 위치측위정확도에 해당한다.

비선형 위치측위 estimation을 가정하면 더 높은 위치측위정확도를 얻을 수 있으나, 본 발명의 해결 방안을 제안하는데에는 근본적으로 달라지는 것이 없다.

따라서, 선형 위치측위 estimation을 가정하여 효율적인 센서 배치 기술을 제안하고 이를 비선형 위치측위 기술에도 적용가능하다.

위 GDOP 식에서 알 수 있듯이, 위치측위를 위하여 배치하는 개체 개수 N을 높일수록 GDOP는

에 반비례하는 형태로 위치측위정확도가 증가함을 알 수 있다.

본 발명에서는, N×M개의 개체를 배치하여 얻은 기존 배치 방안과 견주어 위치측위정확도측면에서의 성능은 비슷하되, 위치측위 coverage를 효율적으로 넓힐 수 있는 구조, 곧, N개의 개체를 M-layered 구조 형태로 배치하는 방법을 제안한다.

이를 통해, 정중앙의 위치측위정확도는 동일하게 NM개의 개체를 배치한 위치측위기술의 위치측위정확도와 동일하되, 위치측위서비스를 받는 위치측위 coverage는 기존 것보다 넓어진 형태의 위치측위서비스가 가능하다.

본 발명에서는 절대 위치 측위와 상대 위치 측위 방법을 모두 고려한다. 예를 들면, 기지국을 개체로 활용하는 경우에는 절대 위치 측위 방법을 쓰는 경우에 해당하고, 센서를 개체로 활용하는 경우에는 기준이 되는 센서의 절대 위치 및 센서들 사이의 상대 위치를 모두 고려하는 경우라고 할 수 있다.

본 발명에서는 기본적으로 layered 개체 배치 구조를 제안하는 것이며 정중앙을 중심으로 N각형의 꼭지점에 해당하는 위치에 개체를 배치하고, 이와 같은 N각형을 M개 활용하여 길이를 위치측위서비스의 요구사항에 맞게 유동적으로 조절하는 것을 포함한다. 아래와 같은 표기법을 쓰기로 한다.

은 M번째 layer에 해당하는 N각형의 꼭지점과 모든 N각형의 중심에 해당하는 곳 사이의 거리를 나타낸다.

상기한 사정을 감안한 본 발명의 위치 측위를 위한 개체배치방법은,

실내 또는 실외의 위치측위를 위해 N개(N은 3이상)의 측위 개체를 N각형의 꼭지점에 배치하는 측위배치구조를 이용하여 N각형 내의 피측위 개체의 위치를 측정하도록 하는 위치측위를 위한 개체배치방법에 있어서, N개의 측위 개체가 형성하는 N각형의 측위배치구조를 M개의 다층으로 배치하되, 각 층에 배치되는 M개의 N각형 측위배치구조를 상대적으로 회전시킴과 아울러 길이를 스케일링(scaling)하여 배치하도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 측위 개체는 탈착식 또는 고정식인 것을 특징으로 한다.

상기 측위 개체는 기지국, Wifi AP, UWB 센서, 블루투스 타입의 beacon 센서 중 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 N각형은 기본적으로 정N각형인 것을 특징으로 한다. 하지만, 위치측위서비스 요구 사항에 따라, 위치측위정확도에 대한 요구 사항이 약하거나 위치측위영역에 대한 요구 사항이 상대적으로 높은 경우에는 N각형으로도 배치할 수 있다.

상기 M개의 정N각형은 서로

회전 관계를 가진 것을 특징으로 한다.

상기 측위 개체를 N×M개의 다층 구조로 배치하되, 사전에 위치를 알고 있는 측위 개체 1개 이상의 위치를 절대 위치로 지정하고, 나머지 N×M-1개 이하의 개체 위치는 개체 사이의 상대 위치를 기반으로 절대 위치를 유추하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 위치측위장치는, N개의 측위 개체를 N개의 측위 개체에 의해 형성되는 N각형의 꼭지점에 각각 배치한 N각형 측위 수단을 설치하고, 상기 N각형 측위 수단을 M개의 다층으로 배치하여 N×M개의 측위 개체로 이루어지는 다층 측위 수단을 설치하되, 각 층에 배치되는 M개의 N각형 측위 수단을 상대적으로 회전시킴과 아울러 길이를 스케일링(scaling)하여 배치한 것을 특징으로 한다.

상기 N×M개의 측위 개체로 이루어진 다층 측위 수단을 구조물로 형성하여 L개의 무인이동체에 탑재하고, GPS 등과 같은 위치측위기술을 이용하여 지정된 위치에 상기 무인이동체를 보내어 위치를 측정하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 무인이동체는 드론을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 효과에 따르면, N×M개의 측위 개체를 배치하여 얻은 기존 배치 방안과 견주어 위치측위 정확도 측면에서의 성능은 비슷하되, 위치측위범위(coverage)를 효율적으로 넓힐 수 있는 구조적 장점을 제공한다.

도 1은 종래의 배치방법을 설명하기 위한 블록도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배치방법을 설명하기 위한 블록도.
도 3은 종래의 배치방법을 설명하기 위한 블록도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배치방법을 설명하기 위한 블록도.
도 5는 본 발명의 배치장치를 설명하기 위한 블록도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

참고로, 본 발명에 따른 배치방법 및 배치장치를 좀 더 구체적으로 설명하기 위해서 특정상황을 예시하면서, 그 상황에서 종래의 배치방법과 비교하면서 상세하게 설명하고, 이를 일반화시키도록 한다.

도 1은 종래의 배치방법을 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배치방법을 설명하기 위한 블록도이며, 도 3은 종래의 배치방법을 설명하기 위한 블록도이며, 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배치방법을 설명하기 위한 블록도이며, 도 5는 본 발명의 배치장치를 설명하기 위한 블록도이다.

1. N=3이고, M=2인 경우

1)기존의 배치방법

N×M개의 측위 개체를 배치하여 얻는 위치측위 정확도 GDOP=

이며, 도 1과 같은 배치구조를 가지고, 정중앙에서 가장 높은 위치측위 정확도를 보인다.

도 1에 도시된 바와 같이, 정중앙은 위치1, 위치3, 위치5가 그리는 정삼각형의 무게중심에 해당한다.

2)본 발명의 배치방법

본 발명에서는, 정중앙에서의 위치 측위 정확도는 기존 배치 방안과 동일한 값을 갖되, 도 1이 나타내는 위치측위범위(coverage) 곧, 위치1 내지 위치6이 나타내는 정육각형의 면적보다 넓은 면적에서 위치측위 서비스가 가능한 배치 방안을 제안하는 것을 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, N=3인 정3각형의 배치 구조를 M=2 layered 구조 형태로 배치하는 것을 포함한다. 이때, 2개의 정3각형은 서로

회전 관계를 갖는다.

정중앙에서의 GDOP값이 동일한 값이 되도록 하기 위해서 도 1에서의 정6각형의 꼭지점들 가운데 위치 2, 위치 4, 위치 6을 정중앙을 기준으로 동일한 각도를 유지하되, 길이를 넓혀서 도 2와 같이 배치한다.

이를 통해 정중앙 위치를 포함한 부근에서는 기존 배치와 동일한 GDOP를 가지면서 보다 넓은 위치측위범위(coverage)를 확보할 수 있다.

정중앙은, 위치1, 위치3, 위치5가 그리는 정3각형과 위치2, 위치4, 위치6이 그리는 정3각형의 무게 중심의 위치를 뜻한다.

2. N=4이고, M=2인 경우

1)기존의 배치방법

도 3에 나타낸 바와 같이, 기존 개체 배치 기법을 통해서 8개의 개체 배치를 통해 얻은 GDOP=

이며, 도 3과 같은 배치 구조를 가진다. 정중앙에서 가장 높은 위치측위 정확도를 보인다.

2)본 발명의 배치방법

N=3, M=2인 경우와 흡사하게 N각형의 개체 배치를 기본으로 하되, 도 4에 나타낸 바와 같이, M=2 layered 구조를 갖고, 서로 다른 M개의 N각형 사이의 회전각을

로 하여 배치한다.

이를 통해, 정중앙에서의 GDOP는 기존 개체 배치구조와 동일한

를 가지되, 위치측위 coverage는 넓어진 형태로 효율적인 개체 배치구조를 얻게 된다.

정중앙은, 위치1, 위치3, 위치5, 위치7이 그리는 정4각형과 위치2, 위치4, 위치6, 위치8이 그리는 정4각형의 무게 중심의 위치를 뜻한다

.

3. 일반화

상술한 2가지 경우에 있어서 기존의 배치방법과 본 발명의 배치방법을 토대로 일반화과정을 거치면 다음과 같다.

1)기존의 배치방법

정중앙의 위치에서 위치측위정확도를 가장 높일 수 있는 개체 배치 방법은, N×M개의 개체를 가지고, 정N×M각형에서 각 꼭지점에 개체를 배치함으로써, GDOP=

를 얻는다. 이때, 정중앙에서 각 꼭지점 사이의 거리를 조절함으로써, 위치측위 coverage가 결정이 된다. 구체적으로는, 한 변의 길이가 t인 경우 위치측위 coverage는 아래와 같은 식이 된다.

2)본 발명의 배치방법

본 발명에서는, 정N각형을 M개 생성하여, M개의 정N각형을 상대적으로 회전시키고, 길이를 scaling하여 생성되는 N×M개의 꼭지점에 각각 측위 개체를 배치하는 방법을 제안한다.

즉, 정중앙의 위치가 가장 높은 위치측위정확도를 갖도록 하기 위해서 정N각형을 기본적으로 제안하지만, 위치측위 정확도 측면에서 약간의 손실을 감안하는 위치측위 서비스를 목적으로 한다면, 정N각형이라는 제한을 두지 않을 수도 있다.

또한, M개의 정N각형은 차례대로 layer 별로

씩 상대적인 회전각을 갖도록 배치하는 것을 원칙으로 한다. 구체적으로, m 번째 layer에 있는 정N각형과 m+1 번째 layer에 있는 정 N각형 사이에 상대적인 회전각

를 갖는다. 여기서,

이다.

도 2와 도 4에서 예시한 바와 같이, 정N각형이 회전각을 갖고 배치되는 구조를 보여준다.

4. 장치배치

본 발명에서는 위치측위 정확도를 높이면서 위치측위범위(coverage)를 넓힐 수 있는 효과적인 개체 배치 방안을 제안한다.

한 층에 N각형으로 배치될 측위 개체의 수 N과 상기 N개의 측위 개체로 이루어지는 측위 수단을 다층화 하기 위한 레이어의 갯수 M이 정해지고, 위치측위서비스 요구사항이 정해지면, 꼭지점의 위치가 정해진다. 따라서, 이를 기반으로 위치측위서비스를 위하여 미리 세팅된 위치에 센서를 배치할 수 있는 사전구성(preconfiguration)된 배치 장치를 제안할 수 있다.

예를 들어서, 센서 등과 같은 측위 개체를 배치할 수 있도록 다양한 재료(예컨대, 플라스틱)를 통해 측위 개체를 놓을 수 있는 곳과 측위 개체를 놓는 곳 사이의 이음새로 이루어진 장치를 뜻한다.

도 5는 N=4, M=2인 경우를 예시한 것으로, 재료의 제한은 없으며, 접착식 또는 비접착식으로 구성할 수 있다.

도 5에서 파란 동그라미에 해당하는 것이 센서를 놓는 장소가 되는데, 예컨대, 교량 내부 점검 등에 센서 기반으로 위치 측위를 한다면, 해당 관심 면에 접촉식으로 센서 배치 장치를 구성하며 접착시킨 뒤, 위치측위를 수행할 수 있고, 다른 예를 들면, 도 5와 같이 센서를 배치하는 장치를 기본 구조로 하되, 폴(pole)대를 활용하여 센서를 세워서 위치 측위하는데 활용할 수도 있을 것이다.

N : 측위 개체의 개수
M : N개의 측위 개체가 형성하는 측위 수단의 레이어의 개수

Claims (9)

1. 실내 또는 실외의 위치측위를 위해 N개(N은 3이상)의 측위 개체를 N각형의 꼭지점에 배치하는 측위배치구조를 이용하여 N각형 내의 피측위 개체의 위치를 측정하도록 하는 위치측위를 위한 개체배치방법에 있어서,
   N개의 측위 개체가 형성하는 N각형의 측위배치구조를 M개의 다층으로 배치하되, 각 층에 배치되는 M개의 N각형 측위배치구조를 상대적으로 회전시킴과 아울러 위치측위 정확도를 높이면서 위치측위범위가 넓어지도록 길이를 스케일링(scaling)하여 배치하는 것을 특징으로 하는 위치측위를 위한 개체배치방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 측위 개체는 탈착식 또는 고정식인 것을 특징으로 하는 위치측위를 위한 개체배치방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 측위 개체는 기지국, Wifi AP, UWB 센서, 블루투스 타입의 beacon 센서 중 하나인 것을 특징으로 하는 위치측위를 위한 개체배치방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 N각형은 정N각형을 포함한 N각형인 것을 특징으로 하는 위치측위를 위한 개체배치방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   M개의 N각형은 인접한 layer의 두 N각형 사이에 서로

   

   회전 관계를 가진 것을 특징으로 하는 위치측위를 위한 개체배치방법.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   N×M개의 측위 개체를 배치하되, 사전에 위치를 알고 있는 측위 개체 1개 이상의 위치를 절대 위치로 지정하고,
   나머지 N×M-1개 이하의 측위 개체 위치는 개체 사이의 상대 위치를 기반으로 절대 위치를 유추하는 것을 특징으로 하는 위치측위를 위한 개체배치방법.
   
7. N개의 측위 개체를 N개의 측위 개체에 의해 형성되는 N각형의 꼭지점에 각각 배치한 N각형 측위 수단을 설치하고, 상기 N각형 측위 수단을 M개의 다층으로 배치하여 N×M개의 측위 개체로 이루어지는 다층 측위 수단을 설치하되, 각 층에 배치되는 M개의 N각형 측위 수단을 상대적으로 회전시킴과 아울러 위치측위 정확도를 높이면서 위치측위범위가 넓어지도록 길이를 스케일링(scaling)하여 배치한 것을 특징으로 하는 위치측위장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 N×M개의 측위 개체로 이루어진 다층 측위 수단을 구조물로 형성하여 L개의 무인이동체에 탑재하고, GPS와 같은 위치측위기술을 이용하여 지정된 위치에 상기 무인이동체를 보내어 위치를 측정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 위치측위장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 무인이동체는 드론을 포함하는 것을 특징으로 하는 위치측위장치.
   

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