KR101978769B1 - Tdoa/fdoa 조합을 이용한 위치탐지방법 및 장치 - Google Patents

Tdoa/fdoa 조합을 이용한 위치탐지방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법이 개시된다. 본 발명에 따른 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법은, 수신기의 위치정보를 저장하며, 음영지역의 위치나 방향을 판단하기 위한 사전정보를 생성하는 초기화단계; 목표물의 펄스신호를 수집하여 제원정보를 측정하는 신호수집단계; 및 TDOA(Time Difference Of Arrival)와 FDOA(Frequency Difference Of Arrival)의 정보를 조합하여 목표물의 위치를 탐지하는 단계;를 포함한다.

Description

TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR POSITIONING USING COMBINATION OF TDOA/FDOA}
본 발명은 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원거리에서 고속으로 이동하는 목표물을 탐지하기 위해 다수의 이격된 수신기로 구성된 위치탐지시스템에서 TDOA와 FEOA의 정보를 조합하여 위치탐지를 수행할 수 있는, TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법 및 장치에 관한 것이다.
목표물의 방사 신호가 다수의 이격되어 있는 수신기에 수신될 때 발생하는 신호의 도래시간차(TDOA; Time Difference Of Arrival) 및 도래주파수차(FDOA; Frequency Difference Of Arrival) 정보 등의 수집정보를 이용하는 위치탐지기술은 항공관제와 같은 민수분야뿐만 아니라 국방분야, 특히 전자전(EW; Electronic Warfare)의 전자전지원(ES; Electronic Support) 장비의 대표적인 기술로 부각되고 있으며, 그 기술이 발전함에 따라 높은 정확도를 갖는 성능이 요구되고 있다.
한편, 원거리에서 고속으로 이동하는 목표물을 탐지하는 경우, TDOA 정보를 이용한 위치탐지기술은 이미 선진국에서 장비로 상용화될 정도로 기술이 축적되어 있으나, FDOA 정보를 이용하는 위치탐지기술은 고속으로 이동하는 목표물의 속도벡터 등을 정확하게 추정하기 어렵기 때문에 실제 장비에 적용되어 상용화된 사례를 찾아보기 힘들다.
또한, TDOA와 FDOA의 정보를 조합하여 위치를 추정하는 과정이 TDOA 정보만을 이용하여 위치를 추정하는 과정보다 수학적 연산량이 많아져서 전체 위치탐지시스템의 수행속도에 크게 영향을 미치게 된다. 이러한 한계들로 인해, 대부분의 선진국에서도 TDOA 정보만을 이용하거나 부가적인 정보로 목표의 방향정보(AOA; Angle Of Arrival)를 이용하여 위치탐지시스템을 개발했거나 개발 중인 것으로 알려져 있다.
하지만, TDOA 정보만을 이용하여 위치를 탐지하는 경우, 목표물의 위치와 다수의 이격된 수신기의 기하학적 배치구조에 따른 DOP(Dilution of Precision) 특성에 따라 위치탐지정확도가 급격히 저하되는 음영지역 또는 음영방향이 발생하는 문제점이 있다.
이러한 문제점은 다수의 수신기를 음영지역(방향)이 생기지 않도록 적절하게 배치하면 극복이 가능하나, 원거리 목표에 대해 정밀한 성능을 갖기 위해서는 수신기 간 거리가 수~수십 km 이격되어야하는 위치탐지시스템의 특성 상 산악지역이 많은 지형이나 빌딩 등이 밀집되어 있는 도심지역 같이 원하는 위치에 설치할 수 없는 경우에는 음영지역(방향) 발생 문제를 추가적인 기술로 해결해야 하는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1221978호
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 목표물의 위치와 다수 수신기의 기하학적 배치구조에 따라 발생할 수 있는 음영지역 또는 음영방향에서의 위치추정 성능저하를 최소화할 수 있어, 원거리 고속 이동 목표물이 음영지역(방향)에 진입 시 발생되는 급격한 위치탐지 성능저하를 방지할 수 있으면서도, 시스템 운용 시 추가적인 운용작업을 최소화하고, 수학적 연산량으로 발생할 수 있는 시간지연을 방지할 수 있는, TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법은, 수신기의 위치정보를 저장하며, 음영지역의 위치나 방향을 판단하기 위한 사전정보를 생성하는 초기화단계; 목표물의 펄스신호를 수집하여 제원정보를 측정하는 신호수집단계; 및 TDOA(Time Difference Of Arrival)와 FDOA(Frequency Difference Of Arrival)의 정보를 조합하여 목표물의 위치를 탐지하는 단계;를 포함한다.
상기 초기화단계는, 수신기의 위치정보를 중앙처리장치에 저장하는 단계; 목표물의 위치나 방향에 따라 음영지역의 위치나 방향을 판단하기 위한 사전정보를 생성하는 단계; 및 신호수집을 위한 수집카운터 L을 1로 초기화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 사전정보를 생성하는 단계는, 가상의 목표물을 미리 설정된 간격으로 다수 개 생성하며, 생성된 가상 목표물의 위치와 수신기의 위치정보를 이용하여 DOP를 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 가상의 목표물의 개수만큼 DOP(Dilution of Precision)를 계산하여 기준테이블의 형태로 사전정보를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호수집단계는, 목표물의 방사 신호를 수집하는 단계; 제원정보인 TOA(Time Of Arrival)와 FOA(Frequency Of Arrival)를 측정하는 단계; 수집된 상기 제원정보를 중앙처리장치에 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호수집단계는, 수집카운터 L을 증가시키고 수집카운터를 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
N 개의 수신기에서 측정되어 중앙처리장치에 전달된 M개의 상기 제원정보는 하기의 수학식으로 산출되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112017028914017-pat00001
(여기서,
Figure 112017028914017-pat00002
와
Figure 112017028914017-pat00003
는 i 번째 수신기에서 측정한 k 번째 TOA와 FOA를 의미한다.)
상기 탐지하는 단계는, 중앙처리장치에 전달된 제원정보를 기반으로 수집정보(TDOA, FDOA)를 추출하는 단계; TDOA 정보를 이용한 소프트웨어 기반의 방향탐지 단계; 추정된 목표물의 방향에 따른 기준테이블 값이 기 설정된 기준값을 초과하는지 판단하는 단계; 추정된 목표물의 방향에 따른 기준테이블 값이 기 설정된 기준값을 초과하면, TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정을 하는 단계; 상기 목표물의 위치추적을 하는 단계; 및 상기 목표물의 속도벡터를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탐지하는 단계는, 속도벡터 값의 오차를 최소화하기 위하여 필터링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탐지하는 단계는, 추정된 목표물의 방향에 따른 기준테이블 값이 기 설정된 기준값을 초과하지 않으면, TDOA 정보 기반의 위치추정 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탐지하는 단계는, TDOA 방정식 또는 FDOA 방정식은 N 개의 수신기로 구성된 시스템에서 각각 (N-1) 개의 곡선이 생성되며, 그 교차점을 구하여 목표물의 위치를 추정하는 것을 특징으로 한다.
상기 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정을 하는 단계는, 수집카운터 L이 기설정된 임계치 이상이 되는지 판단하는 단계; 상기 수집정보(TDOA, FDOA)를 샘플링 하는 단계; 및 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정을 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 속도벡터를 추정하는 단계 후에 최종적으로 도출된 목표물의 위치 및 속도를 저장하거나 전시기 화면에 도시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저장매체에는 상기 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법이 저장된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지장치는, TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법이 저장된 저장매체; 상호 이격되도록 설치된 다수의 수신기; 및 상기 수신기로부터 필요한 정보를 수집하며, 수집된 제원정보가 전달되는 중앙처리장치;를 포함한다.
본 발명에 따른 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치탐지방법 및 이를 적용한 장치는, 기존의 TDOA 정보만을 이용하여 위치탐지를 수행하는 경우와 비교하면, 목표물의 위치와 다수 수신기의 기하학적 배치구조에 따라 발생할 수 있는 음영지역 또는 음영방향에서의 위치추정 성능저하를 최소화할 수 있어, 원거리 고속 이동 목표물이 음영지역(방향)에 진입 시 발생되는 급격한 위치탐지 성능저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 수신기 설치 이후 음영지역(방향) 판단을 위한 사전정보를 한 번만 생성하고, 목표물의 위치(방향)에 따라 적응적으로 자동 판단하여 위치추정방법을 선택하게 되어 시스템 운용 시 추가적인 로드(load)나 추가적인 운용 작업이 필요하지 않다.
또한, 본 발명에 따르면, TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정에 필요한 파라미터인 속도벡터는 추적필터를 통한 위치추적 수행의 결과에서 도출하여 사용한다. 이 때, 속도벡터값의 오차제거를 위해 속도벡터를 필터링하여 사용하며, 속도벡터값의 안정화를 위해 수집카운터가 일정 임계치 이상인 경우에 이를 이용하여 TDOA/FDOA 조합 기반 위치추정을 수행하므로, 안정된 위치추정 결과를 도출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 신뢰성이 낮은 수집정보에 대해 위치추정을 수행하지 않는 샘플링 단계를 수행한 후에 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정을 수행하므로 추가적인 수학적 연산량으로 발생할 수 있는 시간지연을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 위치탐지시스템을 나타내는 개략도,
도 2a는 본 발명에 따른 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법을 나타내는 순서도,
도 2b는 본 발명에 따른 위치탐지 단계를 구체화한 순서도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 TDOA 및 FDOA 곡선 및 이를 이용한 위치탐지 오차범위 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 TDOA/FDOA 정보 조합 기반의 위치탐지 결과와 TDOA 정보 기반의 위치탐지 결과의 비교 예시도이다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 위치탐지시스템을 나타내는 개략도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 다수의 수신기(1)를 이격되게 설치하고, 수신기(1)로부터 필요한 정보를 수집할 수 있는 중앙처리장치(2)를 설치한다. 이 후, 목표물(3)로부터 방사된 신호(4)를 다수의 수신기(1)에서 수신하여 필요한 수집정보를 측정하여 중앙처리장치(2)로 전달한다. 여기서, 다수의 수신기(1)에서 중앙처리장치(2)로 전달하는 정보로는 수신기의 위치정보, 목표물(3)로부터 수신된 신호(4)의 제원정보인 도래시간(TOA; Time Of Arrival)과 도래주파수(FOA; Frequency Of Arrival) 등이 포함되어 있다.
도 2a는 본 발명에 따른 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법을 나타내는 순서도이며, 도 2b는 본 발명에 따른 위치탐지 단계를 구체화한 순서도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법은, 수신기의 위치정보를 저장하며, 음영지역의 위치나 방향을 판단하기 위한 사전정보를 생성하는 초기화단계(S100); 목표물의 펄스신호를 수집하여 제원정보를 측정하는 신호수집단계(S200); 및 TDOA(Time Difference Of Arrival)와 FDOA(Frequency Difference Of Arrival)의 정보를 조합하여 목표물의 위치를 탐지하는 단계(S300);를 포함한다.
먼저, 초기화단계(S100)로 수신기(1) 및 중앙처리장치(2)를 도 1과 같이 배치 후에, 다수의 이격된 수신기(1)의 위치정보를 중앙처리장치(2)에 저장하는 단계(S110)를 수행한다.
이 후, 목표물의 위치나 방향에 따라 음영지역(방향)을 판단하기 위한 사전정보를 생성하는 단계(S120)를 수행한다. 사전정보를 생성하는 일례로, 먼저 수신기로부터 임의의 거리만큼 떨어져 있는 가상의 목표물을 1 도 간격으로 전방향을 포함하도록 360개 생성한다. 생성된 가상 목표물의 위치와 수신기의 위치정보를 이용하여 DOP(Dilution of Precision)를 계산한다.
여기서 계산된 DOP의 값이 클수록 위치추정정확도가 낮음을 의미하며, 일정 값 이상이면 위치추정정확도가 크게 저하될 수 있음을 의미한다. TDOA 정보 기반의 위치추정정확도 분석을 위한 DOP을 계산하기 위한 기하학적 행렬 H는 다음과 같이 수학식 1로 정의된다.
Figure 112017028914017-pat00004
여기서,
Figure 112017028914017-pat00005
는 i번째 수신기(1)의 위치이며,
Figure 112017028914017-pat00006
는 가상 목표물의 위치이다.
Figure 112017028914017-pat00007
는 가상 목표물과 i번째 수신기 간의 거리이며 다음과 같이 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112017028914017-pat00008
한편, 2차원 위치탐지시스템을 위해서는 2차원 평면 위치오차정도를 나타내는 HDOP(Horizontal DOP)을 사용하며, 3차원 위치탐지시스템을 위해서는 3차원적인 위치오차정도를 나타내는 PDOP(Position DOP)을 사용하며, 각각의 표현식은 다음 수학식 3 및 4와 같다.
Figure 112017028914017-pat00009
Figure 112017028914017-pat00010
본 단계(S120)에서는 전방향의 가상 목표물의 개수만큼 DOP을 계산하여 기준테이블(Look-up Table) 형태로 사전정보를 생성한다. 이 후, 위치탐지단계(S300)에서 목표물의 방향을 추정(S320)하여, 기준테이블 내의 해당 방향에 대응하는 DOP 값이 사용자가 지정한 임의의 값을 초과하는 경우 위치추정정확도가 크게 저하되는 음영지역(방향)으로 판단(S330)하게 된다.
가상 목표물의 방향에 대해서 사전정보를 생성하는 것은 본 단계(S120)를 설명하기 위한 일례이며 가상 목표물의 방향 이외에도 다수의 목표물과의 거리, 가상 목표물의 격자형태 배치 등의 여러 형태로 사전정보를 생성할 수 있다.
사전정보 생성 이 후, 신호 수집을 위한 수집카운터 L 을 1 로 초기화 하는 단계(S130)를 수행한다.
초기화단계(S100)을 마치면, 수신기(1)에서 목표물의 펄스 신호를 수집하여 필요정보를 측정하는 신호수집단계(S200)를 수행한다. 먼저, 중앙처리장치(2)의 제어에 따라 정해진 시간에 수신기(1)에서 목표의 방사 신호 수집을 시작하는 단계(S210)를 거쳐, 제원정보인 TOA와 FOA를 측정하는 단계(S220)를 수행한다.
이 후, 중앙처리장치(2)의 제어 또는 정해진 시간 등에 의해 수집을 중지하여, 수집된 제원정보를 중앙처리장치(2)에 전달한다(S230).
이 후, 다음 제어 또는 정해진 시간에 따라 신호수집 시작 단계(S210)를 반복적으로 수행할 수 있다. 이 때, 수집카운터 L을 증가시키고 수집카운터를 저장하는 단계(S240)를 수행한다.
여기서, N 개의 수신기(1)에서 측정되어 중앙처리장치(2)에 전달된 N 개의 제원정보(TOA, FOA)는 다음과 같이 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure 112017028914017-pat00011
여기서,
Figure 112017028914017-pat00012
와
Figure 112017028914017-pat00013
는 i 번째 수신기에서 측정한 k 번째 TOA와 FOA를 의미한다.
신호수집단계(200)을 마치면, 목표물의 위치를 탐지하는 위치탐지단계(S300)에 들어선다.
먼저, 중앙처리장치(2)에 전달된 제원정보를 기반으로 수집정보(TDOA, FDOA) 정보를 추출하는 단계(S310)를 수행한다. 여기서 추출된 수집정보는 다음의 수학식6, 수학식 7과 같다.
Figure 112017028914017-pat00014
Figure 112017028914017-pat00015
여기서
Figure 112017028914017-pat00016
와
Figure 112017028914017-pat00017
는 k 번째 수집정보의 j 번째 수신기와 첫 번째 수신기 간의 TDOA와 FDOA 정보를 의미하며, 이는 j 번째 수신기의 k 번째 수집정보에 대한 제원정보(TOA, FOA)와 첫 번째 수신기의 k 번째 수집정보에 대한 제원정보(TOA, FOA)의 차이이다.
상기 단계(301)에서 수집정보의 추출이 완료되면,
TDOA 정보를 이용한 소프트웨어 기반의 방향탐지 단계(S320)를 수행하여 목표물의 방향(AOA)를 추정한다. 만약, 수신기에 안테나를 이용한 하드웨어 기반의 방향탐지 기능이 있으면 그 정보를 이용하여 본 과정이 생략될 수 있다.
이 후, 사전정보 생성 단계(S120)에서 생성된 기준테이블 값을 보고 추정된 목표의 방향(AOA)에 따른 기준테이블 값이 사용자가 지정한 기준값을 초과하는지 판단하는 단계(S330)를 수행한다.
이 때, 테이블 값이 기준값보다 낮으면 음영지역(방향)이 아니라고 판단하여 TDOA 정보 기반의 위치추정단계(S350)를 수행하고, 기준값을 초과하면 목표가 음영지역(방향)에 있다고 판단하여 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정단계(S340)를 수행한다.
일반적으로 TDOA 방정식 또는 FDOA 방정식은 N 개의 수신기로 구성된 시스템에서 각각 (N-1) 개의 곡선이 생성되며, 그 교차점을 구하여 목표의 위치를 추정하게 된다. 2차원 위치탐지를 위한 TDOA 방정식과 FDOA 방정식은 일반적으로 다음과 같이 수학식 8과 수학식 9로 나타낼 수 있다.
Figure 112017028914017-pat00018
Figure 112017028914017-pat00019
여기서,
Figure 112017028914017-pat00020
와
Figure 112017028914017-pat00021
는 i 번째 수신기와 첫 번째 수신기 간의 TDOA와 FDOA 정보를 의미하며, c 는 빛의 속도를 나타낸다. 또한,
Figure 112017028914017-pat00022
는 번째 수신기의 이동 속도벡터이며,
Figure 112017028914017-pat00023
는 목표물의 이동 속도벡터, 그리고
Figure 112017028914017-pat00024
는 목표물의 운용주파수이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 TDOA 및 FDOA 곡선 및 이를 이용한 위치탐지 오차범위 예시도이다.
즉. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 4개의 수신기를 사용하는 환경에서 원거리 목표물이 음영지역(방향)에 위치한 경우의 TDOA 방정식 곡선과 FDOA 방정식 곡선의 일례를 보여주고 있다.
도 3a를 보면, 원거리 목표물에 대해서는 3개의 TDOA 곡선이 거의 평행하게 교차하여 적은 오차에도 그 오차범위가 목표물의 방향으로 매우 길게 존재할 수 있음을 보여준다.
반면, 도 3b를 보면, 목표물이 음영지역(방향)에 위치하더라도 하나의 곡선이 평행이 아닌 수직에 가깝게 교차하기 때문에 목표물 방향으로의 오차범위 증가를 방지하여 위치추정정확도 저하를 최소화 해줄 수 있다.
본 발명에 따른 TDOA/FDOA 조합 위치탐지단계(S340)는 TDOA와 FDOA에 대한 모든 곡선의 교차점을 구하는 단계로 음영지역(방향)에서의 오차범위 증가를 최소화 할 수 있다.
한편, TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정단계(S340)는 일반적으로 TDOA 정보 기반의 위치추정단계(S350)보다 연산량이 많기 때문에 상대적으로 수행속도가 느리게 된다. 이로 인한 전체 시스템의 수행속도 지연을 방지하기 위해, 수집정보(TDOA/FDOA)를 샘플링하는 단계(S343)를 거쳐 수집정보의 일부를 수행하지 않을 수 있다. 수집정보의 샘플링은 수집정보 순서대로 단순히 decimation 하거나, 수집정보의 신뢰성을 판단하는 방법을 추가하여 수행할 수도 있다.
TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정단계(S340)을 수행하기 위해서는, 목표물의 속도벡터가 필요하다. 이를 위해, 이 후 단계인 위치추적단계(S360)를 거쳐 목표물의 속도벡터를 추정하는 단계(S370)를 수행하게 된다.
목표물의 속도벡터를 추정(S370)하고 이 값의 오차를 최소화하기 위한 필터링단계(S380)을 거치는 과정에서 속도벡터의 값이 어느 정도 안정화되기 위해서는 일정개수 이상의 과정을 거쳐야 하는 것이 일반적이다.
이를 위해, 수집카운터 L 이 사용자가 정한 임의의 임계치(L_임계치)값 이상이 될 때까지는 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정단계(S340)을 거치지 않고, TDOA 정보 기반의 위치추정단계(S350)만을 수행하도록 하는 단계(S341)를 수행한다.
TDOA 기반 또는 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정 단계(S340, S350)에서는 수집정보인 TDOA 정보열과 FDOA 정보열, 수신기의 위치, 추정된 목표의 속도벡터 등을 이용하여 해당 수집정보에 대해 목표의 순시 위치를 추정한다. 위치추정에 사용되는 알고리즘은 일반적으로 알려져 있는 추정 알고리즘을 사용할 수 있으므로, 본 발명에서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
위치추정단계(S340, S350)를 거치면, 추정된 목표물의 위치를 입력으로 위치추적단계(S360)를 수행한다. 여기서, 위치추적은 칼만필터(Kalman Filter) 등과 같은 다양한 추적필터 알고리즘을 이용할 수도 있으며, 위치추적필터를 거치면 오차가 최소화된 목표의 위치와 추정된 속도벡터가 도출되는 기능을 가져야 한다.
이 때, 추정된 속도벡터는 오차를 최소화하는 필터링 단계(S380)을 거쳐서 이 후 수행되는 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정단계(S345)에서 사용하게 된다. 위치추적단계(S360), 속도벡터 추정단계(S370), 그리고 속도벡터 필터링단계(S380)는 일련의 과정이나 알고리즘에 의해 하나의 단계로 통합될 수도 있다.
위치탐지단계(S300)에서, 최종적으로 도출된 목표물의 위치 및 속도를 시스템에 저장 또는 전시기 화면에 도시하는 단계(S390)을 수행할 수 있으며, 수집카운터 L 이 증가함에 따라 목표물의 이동경로를 저장하고 이를 화면에 전시할 수 있다.
위치탐지단계(S300)에서, 수집카운터의 임계치를 비교하는 단계(S341)에서 수집카운터 L 이 L_임계치를 초과한 이후에는 사용자의 요구사항, 시스템의 성능 등에 따라 방향탐지 단계(S320), 음영여부를 판단하는 단계(S330), TDOA 기반 위치추정단계(S350)를 생략하고 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정단계(S340)만을 수행할 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 TDOA/FDOA 정보 조합 기반의 위치탐지 결과와 TDOA 정보 기반의 위치탐지 결과의 비교 예시도이다.
도 4를 참조하면, 특정 수신기 배치구조에서 목표가 북(N)에서 남(S)으로 이동함에 따라 음영지역(방향)(40)을 통과하는 경우에서의 위치탐지 결과의 일례를 보여주고 있다.
결과를 보면, TDOA 정보만을 이용하는 경우에는 목표물이 음영지역(방향)에 진입한 직후에 위치탐지정확도가 급격히 저하되어 탐지된 목표물의 경로가 크게 벗어나게 되고, 이 후 음영지역(방향)을 벗어난 후에도 위치추적 필터의 특성으로 인해 재탐지 되지 않는다.
본 발명에 따른 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치탐지를 수행하는 경우에는 목표물이 음영지역(방향)에 진입하더라고 탐지된 목표물의 위치가 크게 벗어나지 않으며, 음영지역(방향)을 벗어나면 다시 안정적인 탐지 결과를 보여준다.
본 발명에 다른 실시예에 따른 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지장치는, TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법이 저장된 저장매체(미도시), 상호 이격되도록 설치된 다수의 수신기(1), 수신기(1)로부터 필요한 정보를 수집하며, 수집된 제원정보가 전달되는 중앙처리장치(2)를 포함한다.
이에, 본 발명에 따른 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치탐지방법 및 이를 적용한 장치는, 기존의 TDOA 정보만을 이용하여 위치탐지를 수행하는 경우와 비교하면, 목표물의 위치와 다수 수신기의 기하학적 배치구조에 따라 발생할 수 있는 음영지역 또는 음영방향에서의 위치추정 성능저하를 최소화할 수 있어, 원거리 고속 이동 목표물이 음영지역(방향)에 진입 시 발생되는 급격한 위치탐지 성능저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 수신기 설치 이후 음영지역(방향) 판단을 위한 사전정보를 한 번만 생성하고, 목표물의 위치(방향)에 따라 적응적으로 자동 판단하여 위치추정방법을 선택하게 되어 시스템 운용 시 추가적인 로드(load)나 추가적인 운용 작업이 필요하지 않다.
또한, 본 발명에 따르면, TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정에 필요한 파라미터인 속도벡터는 추적필터를 통한 위치추적 수행의 결과에서 도출하여 사용한다. 이 때, 속도벡터값의 오차제거를 위해 속도벡터를 필터링하여 사용하며, 속도벡터값의 안정화를 위해 수집카운터가 일정 임계치 이상인 경우에 이를 이용하여 TDOA/FDOA 조합 기반 위치추정을 수행하므로, 안정된 위치추정 결과를 도출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 신뢰성이 낮은 수집정보에 대해 위치추정을 수행하지 않는 샘플링 단계를 수행한 후에 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정을 수행하므로 추가적인 수학적 연산량으로 발생할 수 있는 시간지연을 방지할 수 있다.
앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.
1: 수신기
2: 중앙처리장치
3: 목표물
4: 신호

Claims (15)

  1. 수신기의 위치정보를 저장하며, 음영지역의 위치나 방향을 판단하기 위한 사전정보를 생성하는 초기화단계;
    목표물의 펄스신호를 수집하여 제원정보를 측정하는 신호수집단계; 및
    TDOA(Time Difference Of Arrival)와 FDOA(Frequency Difference Of Arrival)의 정보를 조합하여 목표물의 위치를 탐지하는 단계;를 포함하며,
    상기 탐지하는 단계는,
    중앙처리장치에 전달된 제원정보를 기반으로 수집정보(TDOA, FDOA)를 추출하는 단계;
    TDOA 정보를 이용한 소프트웨어 기반의 방향탐지 단계;
    추정된 목표물의 방향에 따른 기준테이블 값이 기 설정된 기준값을 초과하는지 판단하는 단계;
    추정된 목표물의 방향에 따른 기준테이블 값이 기 설정된 기준값을 초과하면, TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정을 하는 단계;
    상기 목표물의 위치추적을 하는 단계; 및
    상기 목표물의 속도벡터를 추정하는 단계;를 포함하고,
    상기 탐지하는 단계는, 속도벡터 값의 오차를 최소화하기 위하여 필터링하는 단계;를 포함하며,
    추정된 목표물의 방향에 따른 기준테이블 값이 기 설정된 기준값을 초과하지 않으면, TDOA 정보 기반의 위치추정 하는 단계;를 포함하는 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초기화단계는,
    수신기의 위치정보를 중앙처리장치에 저장하는 단계;
    목표물의 위치나 방향에 따라 음영지역의 위치나 방향을 판단하기 위한 사전정보를 생성하는 단계; 및
    신호수집을 위한 수집카운터 L을 1로 초기화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 사전정보를 생성하는 단계는, 가상의 목표물을 미리 설정된 간격으로 다수 개 생성하며, 생성된 가상 목표물의 위치와 수신기의 위치정보를 이용하여 DOP를 계산하는 것을 특징으로 하는 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가상의 목표물의 개수만큼 DOP(Dilution of Precision)를 계산하여 기준테이블의 형태로 사전정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호수집단계는,
    목표물의 방사 신호를 수집하는 단계;
    제원정보인 TOA(Time Of Arrival)와 FOA(Frequency Of Arrival)를 측정하는 단계;
    수집된 상기 제원정보를 중앙처리장치에 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 신호수집단계는, 수집카운터 L을 증가시키고 수집카운터를 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법.
  7. 제5항에 있어서,
    N 개의 수신기에서 측정되어 중앙처리장치에 전달된 M개의 상기 제원정보는 하기의 수학식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법.
    Figure 112017028914017-pat00025

    (여기서,
    Figure 112017028914017-pat00026
    와
    Figure 112017028914017-pat00027
    는 i 번째 수신기에서 측정한 k 번째 TOA와 FOA를 의미한다.)
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    TDOA 방정식 또는 FDOA 방정식은 N 개의 수신기로 구성된 시스템에서 각각 (N-1) 개의 곡선이 생성되며, 그 교차점을 구하여 목표물의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정을 하는 단계는,
    수집카운터 L이 기설정된 임계치 이상이 되는지 판단하는 단계;
    상기 수집정보(TDOA, FDOA)를 샘플링 하는 단계; 및
    TDOA/FDOA 조합 기반의 위치추정을 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 속도벡터를 추정하는 단계 후에 최종적으로 도출된 목표물의 위치 및 속도를 저장하거나 전시기 화면에 도시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법.
  14. 제1항 내지 제7항, 및 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항의 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지방법이 저장된 저장매체.
  15. 제14항의 저장매체;
    상호 이격되도록 설치된 다수의 수신기; 및
    상기 수신기로부터 필요한 정보를 수집하며, 수집된 제원정보가 전달되는 중앙처리장치;를 포함하는 TDOA/FDOA 조합을 이용한 위치탐지장치.
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