KR102134506B1 - 실내외 연속 위치측정 시스템 - Google Patents

Abstract

실내외 연속 위치 측정 시스템은 보행자의 걸음 정보를 기반으로 보행자의 제1위치정보를 측위하는 추측항법모듈 및 위성 항법 신호를 기반으로 보행자의 제2위치정보를 측위하고, 상기 제1위치정보와 상기 제2위치정보를 상호 연계하여서, 실외 및 실내의 보행자의 최종 위치정보를 산출하고, 상기 최종 위치정보를 실시간으로 관제단말에 송신하는 메인모듈을 포함한다.

Description

실내외 연속 위치측정 시스템{SYSTEM FOR MEASURING POSITION}

본 발명은 위치측정 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 위성항법 및 보행 추측항법을 연동하여 보행자의 위치를 실내 및 실외에서 연속적으로 측위할 수 있는 실내외 연속 위치측정 시스템에 관한 것이다.

항법은 항공기, 선박, 차량 또는 보행자 등을 한 장소에서 다른 장소로 이동하기 위한 계획, 분석 및 조절하는 과정이다. 나침반과 시계를 갖춘 천체와 지형을 관측하여 방위와 위치를 알고 이동 방향을 결정하는 것이 가장 기본적인 항법이지만, 과학 기술의 발전에 따라 다양한 이정표가 되는 모듈의 이용이 가능해졌다.

이중, 글로벌 포지셔닝 시스템(Global Positioning System, GPS)에 의해 간편하면서 정확한 위치정보를 얻을 수 있게 되었다. GPS는 인공위성을 이용해 위치를 결정할 수 있게 하는 시스템으로 수신자가 지구에서 인공위성으로부터 측위관련 정보를 받고 사용자의 수신기가 위치를 계산하여 통해 수신자의 위치, 주변 지도 등의 정보를 전송 받아 목적지로 가는 쉬운 경로 따위를 유추할 수 있도록 도와주는 체계이다.

GPS는 어디서나 손쉽게 보행자의 위치와 속도 정보를 얻을 수 있고 시간에 따른 오차 누적이 없지만 위성신호를 수신할 수 없는 상황, 즉 숲, 도심, 터널, 실내에서는 사용할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 군사용 목적에 사용되는 GPS는 시가전 이나 도심지 전투 또는 적군의 실내 및 지하공간 잠입이 발생하였을 때, 건 물 또는 지하 등의 실내 공간에서는 작전병의 위치 추적이 어려웠다. 따라서, 지상, 지표 및 지하의 3차원 공간정보에 기반하여 보행자의 끊김 없는 실시간 위치추적이 가능한 위치측정 시스템의 개발이 시급하다.

실시 예의 목적은, 보행자 추측항법 및 위성항법을 기반으로 실내 및 실외에서 보행자의 실시간 위치추적이 가능한 실내외 연속 위치측정 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 실외에서 위성 항법에서의 위치정보를 보행자 추측항법의 위치정보로 보정하여 정확한 실외 위치를 제공할 수 있는 실내외 연속 위치측정 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 실내 위치 측정에서 보행자 추측항법의 위치정보를 주파수 발생 모듈의 신호 정보를 기반으로 보정하여서 정확한 실내 위치를 보정하여 정확도를 향상시킬 수 있는 실내외 연속 위치측정 시스템을 제공하는 것이다.

실시 예에 따른 실내외 연속 위치측정 시스템에 대해 설명한다.

실내외 연속 위치측정 시스템은 보행자의 걸음 정보를 기반으로 보행자의 제1위치정보를 측위하는 추측항법모듈 및 위성 항법 신호를 기반으로 보행자의 제2위치정보를 측위하고, 상기 제1위치정보와 상기 제2위치정보를 상호 연계하여서, 실외 및 실내의 보행자의 최종 위치정보를 산출하고, 상기 최종 위치정보를 실시간으로 관제단말에 송신하는 메인모듈을 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 추측항법모듈은, 보행자의 걸음 정보를 기반으로 보행자의 제1위치정보를 측위하는 제1측위유닛 및 상기 제1위치정보를 송신하는 제1근거리 통신유닛을 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 추측항법모듈은, 상기 제1측위유닛 및 상기 제1근거리 통신유닛이 결합되는 기판을 포함하고, 상기 제1측위유닛은 복수로 구비되어서, 상기 기판의 서로 대향되는 양면에 각각 적어도 하나이상이 결합될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 제1측위유닛은, 가속도계 및 자이로스코프를 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 메인모듈은, 위성 항법 신호를 기반으로 보행자의 제2위치정보를 측위하는 제2측위유닛, 상기 제1위치정보를 수신하는 제2근거리 통신유닛, 상기 제1위치정보와 상기 제2위치정보를 연계하여 보행자의 최종 위치정보를 판별하는 위치정보 처리유닛 및 상기 보행자의 최종 위치정보를 통신망을 통해 관제단말에 송신하는 통신유닛을 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 제2측위유닛은, 적어도 두 종류 이상의 위성 항법 신호를 수신할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 제2측위유닛은, 측정되는 위성항법 신호의 신호잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)가 35를 초과했을 때 보행자의 헤딩 값을 상기 추측항법모듈로 전달할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 제2측위유닛은, 측정되는 위성항법 신호의 DOP(Dilution of Precision)가 1.5 이하일 때, 보행자의 헤딩 값을 상기 추측항법모듈로 전달할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 추측항법모듈은, 상기 헤딩 값을 기준으로 상기 보행자의 상대 위치를 측정하여 제1위치정보를 측위할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 위치정보 처리유닛은, 상기 제2측위유닛에서 수신되는 신호잡음비가 25이하일 경우, 상기 제1위치정보로 상기 최종 위치정보를 판별할 수 있다.

일측에 따르면, 서로 다른 복수의 위치에 배치되어서 주파수를 발생하는 복수의 주파수 발생모듈을 더 포함하고, 상기 메인모듈은 상기 복수의 주파수 발생모듈의 각각의 위치정보, 신호세기 또는 주파수 도착 시간 값을 수신하여서 보행자의 제3위치정보를 측위하는 주파수 수신유닛을 더 포함하여서, 제1위치정보를 제3위치정보와 연계하여 위치정보의 오차를 보정하여 정확도를 향상시킬 수 있다.

일측에 따르면, 상기 위치정보 처리유닛은, 상기 제1위치정보와 제3위치정보를 칼만필터로 결합하여 최종 위치정보를 판별할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 추측항법모듈은 상기 보행자의 하체 일측에 부착되고, 상기 메인모듈은 상기 보행자의 상체 일측에 부착될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 관제단말은, 3차원 공간정보 상에 상기 최종 위치정보를 디스플레이할 수 있다.

실시 예에 따르면, 보행자 추측항법 및 위성항법을 기반으로 실내 및 실외에서 보행자의 실시간 위치추적이 가능할 수 있다.

또한, 실외에서 위성 항법에서의 위치정보를 보행자 추측항법의 위치정보로 보정하여 정확한 실외 위치를 제공할 수 있다.

또한, 실내 위치 측정에서 보행자 추측항법의 위치정보를 주파수 발생모듈의 신호정보를 기반으로 보정하여서 정확한 보행자의 실내 위치 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 일 실시 예에 따른 위치측정 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다
도 2는 일 실시 예에 따른 위치측정 시스템의 블록도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 추측항법모듈의 전면 및 배면을 보여주는 도면이다.
도 4는 제1측위유닛의 배치 형태에 따른 측위의 정확도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 추측항법모듈의 부착위치에 따른 측위의 정확도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 제2측위유닛의 종류에 따른 측위의 정확도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 제2측위유닛의 부착위치에 따른 측위의 정확도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 다른 실시 예에 따른 위치측정 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 다른 실시 예에 따른 위치측정 시스템의 블록도이다.
도 10은 주파수 발생모듈의 종류에 따른 위치정보의 측위의 정확도를 나타내는 그래프이다.

이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 위치측정 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 위치측정 시스템(1)은 보행자(U)에게 부착되는 추측항법모듈(10) 및 메인모듈(20)을 포함하여서, 추측항법모듈(10)의 보행자 추측항법 기반의 제1위치정보 및 메인모듈(20)의 위성항법 신호 기반의 제2위치정보를 측위하고, 측위된 최종 위치정보를 관제단말(30)에 송신한다.

위치측정 시스템(1)은 실외에서는 위성(S)에서 송신되는 위성항법 신호를 기반으로 보행자의 위치를 측위한다. 위치측정 시스템(1)은 위성항법 신호만으로 보행자를 측위할 수도 있고, 제1위치정보 및 제2위치정보를 연계하여서 실외에서의 보행자(U)의 위치를 측위할 수 있다. 또한, 위치측정 시스템(1)은 보행자(U)가 위성항법신호를 수신하기 힘든 장소 예를 들어, 지하나 건물 안 등의 실내로 이동했을 때, 보행자 추측항법을 통해 보행자(U)의 위치를 측위한다.

도 2는 일 실시 예에 따른 위치측정 시스템의 블록도이다.

도 2를 참조하면, 위치측정 시스템(1)은 추측항법모듈(10) 및 메인모듈(20)을 포함한다.

추측항법모듈(10)은 보행자(U)의 걸음 정보를 기반으로 보행자(U)의 제1위치정보를 측위한다. 예를 들어, 추측항법모듈(10)은 보행자의 이동에 따른 관성 가속도 및 진행방향을 포함하는 보행자(U)의 걸음 정보를 이용하여 보행자의 제1위치정보를 측위할 수 있다. 여기서, 제1위치정보는 특정위치에 대한 상대위치에 대한 정보로써 보행자(U)의 이동 시, 특정위치에 대한 보행자의 이동경로 정보일 수 있다. 추측항법모듈(10)은 제1측위유닛(11) 및 제1근거리 통신유닛(12)을 포함할 수 있다.

제1측위유닛(11)은 관성측정유닛(Inertial Measurement Unit, IMU)일 수 있다. IMU(11)는 가속도와 각속도(회전율) 즉, 관성을 측정하여 3차원 공간에서의 움직임을 측정할 수 있는 통합된 유닛이다. IMU(11)는 가속도계 및 자이로스코프를 포함할 수 있다.

가속도계는 보행자의 이동에 따른 가속도 물리량을 측정한다. 가속도계의 단위는 G값으로 나타내며 센서에 따라 다양한 범위를 가진다.

자이로스코프는 각속도를 측정하여 얻은 정보를 가지고 이동 방위각을 측정한다. 자이로스코프는 방향의 측정 및 유지에 사용된다.

제1측위유닛(11)은 보행자의 걸음정보를 기반으로 보행자(U)의 제1위치정보를 생성한다. 예를 들어, 제1측위유닛(11)은 걸음정보에 따른 자이로스코프의 관성값 및 가속도계의 가속도값을 이중 적분하여 거리와 이동방향을 출력함으로써 갱신된 상대위치를 제1위치정보로 생성한다.

제1측위유닛(11)은 보행자(U)의 하체에 부착될 수 있다. 예를 들어, 제1측위유닛(11)은 보행자(U)의 신발에 부착될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 보행자(U)의 걸음정보를 획득할 수 있는 적절한 위치에 부착이 가능할 수 있다.

제1측위유닛(11)은 보행자(U)가 걸음을 걷는 동안의 가속도를 측정하여 거리 값을 구한다. 예를 들어, 제1측위유닛(11)은 보행자(U)의 신발에 장착되어서, 가속도계로부터 걸음을 걷는 동안의 가속도를 측정하여 거리값을 산출한다. 또한, 제1측위유닛(11)은 자이로스코프의 각속도 값을 통해 보행방향을 판별한다. 제1측위유닛(11)은 거리값 및 이동 방향을 통해 갱신된 제1위치정보를 생성한다.

제1측위유닛(11)은 아래의 수학식1에 기초하여 제1위치정보를 산출한다.

<수학식1>

(여기서,

는 시간인덱스

는 시간증분(미분)

는 위치

는 속도

는 특정 힘(중력)

는 각속도

는 시스템 방위를 기술하는 4원수 (동등한 오일러각(롤, 피치, 요)

에 상호 교환 또는 표현 가능)

는

의

에 의한 회전

는 4원수 갱신 행렬이다.)

여기서, 제1측위유닛은 정지 구간의 속도에 대해서 영속도 보정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1측위유닛은 아래의 수학식2에 기초하여, 제로속도의 검출 임계값보다 낮은 제로속도 테스트 통계치를 제1위치정보에서 제외함으로써 누적오차를 최소화 할 수 있다.

<수학식 2>

(여기서,

는 제로속도 테스트 통계치

는 어떤 시간(

)동안의 관성 측정치

는 제로속도(zero-velocity) 검출 임계값(threshold)이다.)

도 3은 일 실시 예에 따른 추측항법모듈의 전면 및 배면을 보여주는 도면이다.

도 3의 (a)는 추측항법모듈의 전면도이고, 도 3의 (b)는 추측항법모듈의 배면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 추측항법모듈(10)은 기판(13)에 제1측위유닛(11) 및 제1근거리 통신유닛(12)이 결합되는 형태를 가질 수 있다. 여기서, 제1측위유닛(11)인 IMU(11)는 복수로 구비되어서, 기판의 서로 대향되는 양면에 각각 적어도 하나 이상이 결합된다. 예를 들어, IMU(11)는 두 쌍으로 구비되어서, 각각의 쌍이 기판(13)의 서로 대향되는 양면에 결합될 수 있다. 두 쌍의 IMU(11)는 기판(13)의 양면에 서로 대향되도록 결합될 수 있다. 다시 말하면, 두 쌍의 IMU(11)가 기판(13)에 서로 대향되도록 배치되는 멀티 어레이 설정을 통해 동시에 걸음정보를 측정함으로써 위치정보의 정확도를 상승시킨다. 추측항법모듈은 멀티 어레이 설정을 하면 헤딩 값 오차가 보정되어서 측위오차가 5m 이하로 형성될 수 있다.

또한, 두 쌍의 IMU(11)가 기판(13)에 서로 대향되도록 배치되면 멀티 어레이 설정을 통해 고도측정값의 정확도가 상승될 수 있다. IMU(11)에서 자이로스코프의 상대 변위를 측정하여 고도(또는 층)를 측정하는 경우에는 오차로 인해 정확도가 낮았다. 따라서 IMU고도를 보정하기 위해서 기압계 등의 고도측정모듈을 사용하여 고도를 보정하였으나, 이 또한 오차의 발생이 심하여 정확도가 낮았다. 또한, 실내 공간의 압력에 따라서 고도가 제대로 측정되지 않는 등의 문제가 발생하였다. 하지만, 실시 예에 따른 추측항법모듈(10)은 IMU(11)를 멀티 어레이 설정하여서 각각의 IMU(11)에서 자이로스코프의 3축에 대한 상대 변위가 측정되기 때문에 고도측정값의 정확도가 상승될 수 있다.

도 4는 제1측위유닛의 배치 형태에 따른 측위의 정확도를 나타내는 그래프이다.

도 4를 참조하면, (a)는 IMU가 단독으로 사용된 추측항법모듈(10)의 정확도 결과값이 17%로 측정되었다. IMU가 단독으로 사용된 추측항법모듈(10)에서는 오차가 많이 발생하였음을 알 수 있었다. 또한, (b)는 IMU가 두 쌍으로 구비되어서 기판의 양면에 서로 대향되도록 결합된 추측항법모듈의 정확도 결과값이 83%로 측정되었다. 여기서, 정확도 결과값의 측정은 정해진 트랙을 왕복하였을 때 처음 출발점과 이동 후 복귀한 지점의 위치를 기준으로 산출하였다. 예를 들어, 어떤 위치를 출발하여 100m를 이동한 후, 다시 원래의 출발점으로 돌아왔을 때의 위치 차이를 RPE(Return Position Error)라 한다. 정확도 결과값은 이동횟수 대비 RPE의 미발생횟수를 기준으로 산출하였다.

IMU(11)가 멀티 어레이 설정된 추측항법모듈의 정확도가 IMU(11)가 단독으로 사용된 추측항법모듈(10) 보다 4.8배정도 상승했음을 알 수 있었다. 다시 말하면, 추측항법모듈(10)을 구성할 때 IMU(11)를 멀티 어레이로 구성하면, IMU(11)를 단독으로 구성했을 때 보다 정확한 위치를 측위할 수 있음을 알 수 있다.

도 5는 추측항법모듈의 부착위치에 따른 측위의 정확도를 나타내는 그래프이다.

도 5의 (a)는 추측항법모듈(10)을 보행자(U)의 팔목에 장착했을 때의 정확도 결과값으로, 10%로 측정되었다. 도 5의 (b)는 추측항법모듈(10)을 보행자(U)의 머리에 장착했을 때의 정확도 결과값으로 18%로 측정되었다. 도 5의 (c)는 추측항법모듈(10)을 보행자(U)의 신발에 장착했을 때의 정확도 결과값으로 72%로 측정되었다. 도 5에서의 정확도 결과값의 측정은 도 4의 정확도 측정과 동일한 방법으로 측정을 실시하였다.

추측항법모듈(10)을 보행자(U)의 신발에 장착했을 때는 보행자(U)의 팔목에 부착했을 때에 비해 7.2배의 정확도 상승이 나타났다. 또한, 추측항법모듈(10)을 보행자(U)의 신발에 부착했을 때, 보행자(U)의 머리에 장착했을 때보다 4배의 정확도 상승이 나타났다. 이 결과는 추측항법모듈(10)로 보행자(U)의 이동을 측정할 때, 신발에 장착하는 것이 바람직하다는 것을 보여준다.

다시 도 2로 돌아와서, 제1근거리 통신유닛(12)은 후술하는 제2근거리 통신유닛(22)과 통신한다. 제1근거리 통신유닛(12)은 근거리 통신망을 통해 제1위치정보를 메인모듈(20)에 송신한다. 예를 들어, 제1근거리 통신유닛(12)을 블루투스 유닛일 수 있다. 제1근거리 통신유닛(12)은 블루투스를 이용하여 메인모듈(20)과 무선통신을 통해 제1위치정보를 메인모듈(20)에 송신한다. 다만, 제1근거리 통신유닛(12)은 블루투스 외에도 제1위치정보를 메인모듈에 송신할 수 있는 LAN, IrDa, WiFi또는 지그비 등의 통신방법 및 통신유닛으로 변형이 가능할 수 있다.

메인모듈(20)은 실외에서 보행자(U)의 제2위치정보를 측위한다. 또한, 메인모듈(20)은 제1위치정보를 수신하여서 최종위치정보를 관제단말(30)에 송신한다. 메인모듈(20)은 제2측위유닛(21), 제2근거리 통신유닛(22), 위치정보 처리유닛(23) 및 통신유닛(24)을 구비한다.

제2측위유닛(21)은 위성 항법 신호를 기반으로 보행자(U)의 제2위치정보를 측위한다. 제2측위유닛(21)은 다중 GNSS 수신 유닛일 수 있다. 다중 GNSS 수신 유닛은 GPS(Global Positioning System), GLONASS(Global orbiting Navigation Satellite System), Galileo, Beidou, QZSS(Quasi-Zenith Satellite System), IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System), OmniSTART, WAAS-EGNOS중 적어도 둘 이상의 위성 항법 신호를 수신할 수 있다. 제2측위유닛(21)은 광대역 특성을 가지는 헬리컬 안테나를 장착하여 복수의 위성신호를 수신하여 제2위치정보의 정확도를 높일 수 있다. 제2측위유닛(21)에서 측정되는 다중 GNSS 수신유닛을 사용하여서 4m 이하 측위오차는 일 수 있다.

제2측위유닛(21)은 측정되는 위성항법 신호의 신호잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)가 35를 초과할 때의 보행자(U)의 헤딩 값을 제1측위유닛(11)의 초기 헤딩 값으로 적용한다. 제2측위유닛(21)에서 위성항법 신호의 신호잡음비를 35를 초과할 때, 정확한 헤딩 값을 제1측위유닛(11)로 전달함으로써 측위 정확도를 향상시킬 수 있다.

또한, 제2측위유닛(21)은 DOP(Dilution of Precision)가 1.5 이하일 때, 헤딩 값을 제1측위유닛(11)로 전달할 수 있다. 여기서 DOP는 위성항법 신호가 수신되는 위성의 고른 정도를 말한다. 제2측위유닛(21)은 PDOP(Positional DOP), Geometric DOP (GDOP), Horizontal DOP (HDOP) 및 Vertical DOP (VDOP) 중 어느 하나의 신호가 1.5이하일 때 보행자의 헤딩 값을 제1측위유닛(11)의 헤딩 값으로 적용하여 초기 헤딩 값으로 전달한다.

또한, 제2측위유닛(21)은 신호잡음비가 35를 초과하고 DOP가 1.5이하일 때 높은 정확도의 헤딩 값을 산출하여서 제1측위유닛으로 전달할 수 있다.

제1측위유닛(11)은 초기의 절대위치를 기준으로 상대위치를 측정하는 것으로 최초 위치에 대한 헤딩(heading) 값과 위치 값이 필요하다. 따라서, 제1측위유닛(11)은 GNSS 를 이용한 현재 위치 정보로부터 초기 위치를 구하고 보행자(U)의 헤딩 값을 전달 받은 시점부터 헤딩 값을 기준으로 보행자(U)의 상대 위치를 측정하여 제1위치정보를 측위한다.

도 6은 제2측위유닛의 종류에 따른 측위의 정확도를 나타내는 그래프이다.

도6을 참조하면, (a)는 GPS 위성 신호만을 단독으로 수신하는 GPS수신유닛의 위치측위 값의 정확도 결과값이고, (b)는 복수 종류의 위성 신호를 다중으로 수신하는 다중GNSS 수신유닛의 위치측위 값의 정확도 결과값이다. 도6의 정확도 결과값의 측정은 도 4의 정확도 측정과 동일한 방법으로 측정을 실시하였다.

GPS유닛은 위치측위 값이 30%의 정확도 결과값을 가졌으며, 다중 GNSS 수신유닛은 위치측위 값이 70% 정확도 결과값이 나타났다. 도 6의 그래프에 따르면, 다중 GNSS 수신유닛은 GPS유닛에 비해 가져 더 정확한 측정이 가능함을 알 수 있었다. 따라서, 제2측위유닛은 다중 GNSS 수신유닛을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

도 7은 제2측위유닛의 부착위치에 따른 측위에 정확도를 나타내는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 도 7의 (a)는 제2측위유닛(21)을 보행자(U)의 신발에 결합되는 추측항법모듈에 결합하였을 때, 위성항법 신호가 수신되는 위성 정보 및 위성의 SNR을 나타내는 그래프이다. 도 7의 (a)에서는 위성항법 신호가 수신되는 위성이 8개로 나타났으며, SNR은 최저 9이고 최대 27인 것으로 나타났다.

도 7의 (b)는 제2측위유닛(21)을 보행자(U)의 상체에 결합되는 메인모듈에 결합하였을 때, 위성항법 신호가 생성되는 위성 정보 및 위성의 SNR을 나타내는 그래프이다. 도 7의 (b)에서는 위성항법 신호가 수신되는 위성이 19개로 나타났으며, SNR은 최저 21이고 최대 51로 나타났다.

제2측위유닛(21)은 추측항법모듈(10)에 결합되는 것보다 메인모듈(20)에 결합되어서 보행자(U)의 상체에 구비되는 것이, 수신되는 위성의 수 및 신호잡음비가 높아지는 것을 알 수 있었다. 따라서, 제2측위유닛(21)은 메인모듈(20)에 결합되고, 메인모듈(20)은 보행자(U)의 상체 일측 예를 들어, 팔, 허리 등에 부착되는 것이 바람직하다.

다시 도2로 돌아와서, 제2근거리 통신유닛(22)은 제1근거리 통신유닛(12)과 통신한다. 제2근거리 통신유닛(22)은 제1위치정보를 수신한다. 제2근거리 통신유닛(22)의 통신방법은 제1근거리 통신유닛(12)과 동일한 통신방법을 사용한다.

위치정보 처리유닛(23)은 제1위치정보와 제2위치정보를 연계하여 보행자(U)의 최종 위치정보를 판별한다. 예를 들어, 위치정보 처리유닛(23)은 제2측위유닛(21)에서 수신되는 위성 신호의 신호 잡음비가 35이상이고 DOP 값이 1.5 이하일때면 측위 정확도가 높기 때문에 제2위치정보로 최종 위치 정보를 판별한다.

제2측위유닛(21)에서 수신되는 위성 신호의 신호 잡음비의 평균치가 25이하인 경우에는 제2위치정보와 실제 위치의 오차가 4m 이상 차이가 날 수 있다. 위치정보 처리유닛(23)은 제2측위유닛(21)에서 수신되는 위성 신호의 신호 잡음비가 25이하일 경우, 기존의 제2위치 측위 유닛으로부터 수신한 위치 정보를 기준으로 제1위치정보와 연동하여 최종 위치정보를 판별한다. . 또한, 위치정보 처리유닛(23)은 제2측위유닛(21)에서 수신되는 위성 신호의 신호 잡음비가 25 내지 35일 때 제2위치정보에 제1위치정보를 기반으로 최종 위치정보를 보정하여 판별한다.

다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 위치정보 처리유닛(23)은 신호잡음비가 35 이상인 경우에도 제2위치정보를 제1위치정보를 기반으로 보정하는 것도 가능할 수 있다.

통신유닛(24)은 보행자(U)의 최종위치정보를 통신망을 통해 관제단말(30)에 송신할 수 있다. 예를 들어, 통신유닛(24)은 WiFi를 통해 통신망에 접속하여서 보행자(U)의 최종위치정보를 관제단말(30)에 송신할 수 있다. 다만, 통신유닛(24)의 통신방법은 이에 한정되지 않으며, WCDMA, 3G, 4G, LTE, 5G등 데이터 통신이 가능한 모든 통신방법이 적용될 수 있다.

관제단말(30)은 3차원 공간정보상에 최종 위치정보를 디스플레이할 수 있다. 예를 들어, 관제단말(30)은 모바일 단말기, PDA, 태블릿 PC, 노트북, PC 등일 수 있다.

관제단말(30)은 공간정보 플랫폼(P)과 연계되어, 공간정보 플랫폼(P)의 지상, 해양, 건물, 실내 정보 등의 3차원 공간정보에 최종 위치정보를 매칭하여 디스플레이한다. 예를 들어, 관제단말(30)은 디스플레이되는 최종 위치정보를 국방 통합 공간정보 플랫폼과 연계하여 도심지 군사작전에 활용되면 도심지에서의 작전 시 작전병에 대한 끊임없는 실시간 위치추적이 가능할 수 있다. 또한, 관제단말(30)은 디스플레이되는 최종 위치정보를 바탕으로 건물이나 지하공간의 재난 및 응급상황에 투입되는 응급대원들의 위치를 파악하는 것도 가능할 수 있다.

이하에서는 다른 실시 예에 따른 위치측정 시스템을 설명한다.

도 8은 다른 실시 예에 따른 위치측정 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 9는 다른 실시 예에 따른 위치측정 시스템의 블록도이다.

도 8 내지 도9를 참조하면, 위치측정 시스템(2)은 추측항법모듈(10), 메인모듈(40) 및 주파수 발생모듈(50)을 포함한다.

추측항법모듈(10)의 구성은 일 실시 예와 비교하여 동일한 구성요소를 포함하고 있으므로 설명을 생략한다.

메인모듈(40)은 제2측위유닛(21), 제2근거리 통신유닛(22), 위치정보 처리유닛(23), 통신유닛(24) 및 주파수 수신유닛(41)을 포함한다.

제2측위유닛(21), 제2근거리 통신유닛(22) 및 통신유닛은 일 실시 예와 비교하여 동일한 구성요소를 포함하고 있으므로 설명을 생략한다.

주파수 수신유닛(41)은 후술하는 복수의 주파수 발생모듈(50)에서 발생하는 주파수를 수신하여서 보행자(U)의 제3위치정보를 측위한다. 주파수 수신유닛(41)은 복수의 주파수 발생모듈(50)의 수신신호 시간차분을 측정하고 신호 전파 모델링을 이용하여 거리를 환산한 뒤, 복수의 주파수 발생모듈(50)의 거리정보들로부터 보행자(U)의 위치를 산출한다.

예를 들어, 위치정보 처리유닛(23)은 보행자의 위치를 다음 수학식3으로 산출될 수 있다.

<수학식 3>

(여기서,

는 주파수 발생모듈의 위치 좌표

는 보행자의 위치 좌표

는 주파수 발생모듈(10)을 통해 얻은 주파수 발생모듈(50)과 보행자(U)의 거리이다.)

위치정보 처리유닛(23)은 제1위치정보와 제3위치정보를 결합하여 실내위치의 최종위치정보를 판별한다. 예를 들어, 위치정보 처리유닛(23)은 제1위치정보와 제2위치정보를 칼만필터를 사용하여 결합하여 제1위치 정보의 위치오류를 보정하여, 안정적이면서 연속적인 보행자(U)의 최종 위치를 추정한다.

위치정보 처리유닛(23)은 이전 시각에 산출된 추정 위치 좌표와 제1위치 정보 또는 제2위치정보를 이용하여 현 시각에서 보행자의 위치 좌표를 예측한다. 또, 위치정보 처리유닛(23)은 주파수 수신유닛(41)으로 주변의 주파수 발생모듈을 검색하여 검색된 주파수 발생모듈과 주파수 수신유닛(41)의 평균 거리값을 산출한다. 위치정보 처리유닛(23)은 보행자(U)의 예측된 위치 좌표 및 측정된 거리를 통해 산출한 위치 정보를 활용하여 칼만가중치를 계산한다. 위치정보 처리유닛(23)은 예측된 위치 좌표, 및 측정된 거리를 통해 산출된 위치정보와, 칼만가중치를 이용하여 최종 위치정보를 보정한다.

위치정보 처리유닛(23)에서 제1위치정보와 제3위치정보를 결합하여 최종위치를 측정하면 제1위치정보의 헤딩값 오차 및 누적오차가 보정되어서 측위오차가 4m 이하일 수 있다.

복수의 주파수 발생모듈(50)은 실내에 복수 개가 배치된다. 예를 들어 복수의 주파수 발생모듈(50)은 다변측량이 가능하도록 서로 다른 위치에 4개가 설치될 수 있다. 복수의 주파수 발생모듈(50)은 각각의 장소에서 주파수를 생성한다. 주파수 수신유닛(41)은 주파수 발생모듈(50)의 위치정보, 수신신호 세기, 수신신호 도착시간 또는 수신신호의 요청시간과 수신신호 도착시간의 시간 값 차이 등을 다변 측량하여 제3위치정보를 생성할 수 있다. 복수의 주파수 발생모듈(50)은 지그비, 비콘, WiFi, UMB, 블루투스 등 주파수를 생성하여 통신할 수 있는 모든 모듈이 가능하나 UMB를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

도 10은 주파수 발생모듈의 종류에 따른 위치정보의 측위의 정확도를 나타내는 그래프이다.

도 10의 (a)는 복수의 주파수 발생모듈로 지그비를 사용했을 때의 위치정보의 정확도 값이고, 도 10의 (b)는 복수의 주파수 발생모듈로 WiFi를 사용하였을 때의 위치정보의 정확도 값이고, 도 10의 (c)는 복수의 주파수 발생모듈로 UWB를 사용했을 때의 위치정보의 정확도 값이다.

복수의 주파수 발생모듈(50)로 지그비를 사용했을 때 정확도는 10%로 나타났다. 또한 복수의 주파수 발생모듈(50)로 WiFi를 사용했을 때 정확도는 15%로 나타났다. 또한, 주파수 발생모듈(50)로 UMB를 사용했을 때 정확도는 75%로 나타났다.

도 10의 그래프에 의하면 주파수 발생모듈(50)로 UMB를 사용했을 때, 지그비보다 7.5배의 정확도 상승율을 보였으며 Wifi를 사용했을 때 보다 5배의 정확도 상승율을 보였다. 따라서, 복수의 주파수 발생모듈(50)로 UWB가 사용되는 것이 바람직할 수 있다.

이 밖에 위치정보 처리유닛(23) 및 통신유닛(24)은 일 실시 예의 구성요소와 동일한 구성을 포함하고 있으므로 설명을 생략한다.

실시 예에 따르면, 위치측정 시스템(1, 2)은 보행자 추측항법 및 위성항법을 기반으로 실내 및 실외에서 보행자의 실시간 위치추적이 가능할 수 있다.

또한, 실외에서 위성 항법에서의 위치정보를 보행자 추측항법의 위치정보로 보정하여 정확한 실외 위치를 제공할 수 있다.

또한, 실내 위치를 보행자 추측항법의 위치정보를 주파수 발생모듈의 신호정보를 기반으로 보정하여서 정확한 실내 위치를 제공할 수 있다.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 모듈 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

1, 2: 위치측정 시스템 10: 추측항법모듈
11: 제1측위유닛 12: 제1근거리 통신유닛
13: 기판 20, 40: 메인모듈
21: 제2측위유닛 22: 제2근거리 통신유닛
23: 위치처리 유닛 24: 통신유닛
41: 주파수 수신유닛 30: 관제 단말
50: 주파수 발생모듈 P: 공간정보 플랫폼

Claims (14)

1. 보행자의 하체 일측에 부착되어, 상기 보행자의 걸음 정보를 기반으로 보행자의 제1위치정보를 측위하는 추측항법모듈; 및
   상기 보행자의 상체 일측에 부착되고, 위성 항법 신호를 기반으로 보행자의 제2위치정보를 측위하고, 상기 제1위치정보와 상기 제2위치정보를 상호 연계하여서, 실외 및 실내의 보행자의 최종 위치정보를 산출하고, 상기 최종 위치정보를 실시간으로 관제단말에 송신하는 메인모듈;
   을 포함하고,
   상기 추측항법모듈은,
   보행자의 걸음 정보를 기반으로 보행자의 제1위치정보를 측위하는 제1측위유닛;
   상기 제1위치정보를 송신하는 제1근거리 통신유닛; 및
   상기 제1측위유닛 및 상기 제1근거리 통신유닛이 결합되는 기판;
   을 포함하고
   상기 제1측위유닛은, 적어도 두 쌍 이상으로 구비되어서 상기 기판의 양면에 각각 적어도 한 쌍 이상이 서로 대향되도록 결합되는 위치측정 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1측위유닛은,
   가속도계 및 자이로스코프를 포함하는 위치측정 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 메인모듈은,
   위성 항법 신호를 기반으로 보행자의 제2위치정보를 측위하는 제2측위유닛;
   상기 제1위치정보를 수신하는 제2근거리 통신유닛;
   상기 제1위치정보와 상기 제2위치정보를 연계하여 보행자의 최종 위치정보를 판별하는 위치정보 처리유닛; 및
   상기 보행자의 최종 위치정보를 통신망을 통해 관제단말에 송신하는 통신유닛;
   을 포함하는 위치측정 시스템.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2측위유닛은,
   적어도 두 종류 이상의 위성 항법 신호를 수신하는 위치측정 시스템.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 제2측위유닛은,
   측정되는 위성항법 신호의 신호잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)가 35를 초과했을 때 보행자의 헤딩 값을 상기 추측항법모듈로 전달하는 위치측정 시스템.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2측위유닛은,
   측정되는 위성항법 신호의 DOP(Dilution of Precision)가 1.5 이하일 때, 보행자의 헤딩 값을 상기 추측항법모듈로 전달하는 위치측정 시스템.
   
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
   상기 추측항법모듈은,
   상기 헤딩 값을 기준으로 상기 보행자의 상대 위치를 측정하여 제1위치정보를 측위하는 위치측정 시스템.
   
10. 제5항에 있어서,
    상기 위치정보 처리유닛은,
    상기 제2측위유닛에서 수신되는 신호잡음비가 25이하일 경우, 상기 제1위치정보로 상기 최종 위치정보를 판별하는 위치측정 시스템.
    
11. 제5항에 있어서,
    서로 다른 복수의 위치에 배치되어서 주파수를 발생하는 복수의 주파수 발생모듈;
    을 더 포함하고,
    상기 메인모듈은,
    상기 복수의 주파수 발생모듈의 각각의 위치정보, 신호세기 또는 주파수 도착 시간 값을 수신하여서 보행자의 제3위치정보를 측위하는 주파수 수신유닛;
    을 더 포함하여서, 제1위치정보를 제3위치정보와 연계하여 위치정보의 오차를 보정하여 정확도를 향상시키는 위치측정 시스템.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 위치정보 처리유닛은,
    상기 제1위치정보와 제3위치정보를 칼만필터로 결합하여 최종 위치정보를 판별하는 위치측정 시스템.
    
13. 삭제
14. 제1항에 있어서,
    상기 관제단말은,
    3차원 공간정보 상에 상기 최종 위치정보를 디스플레이하는 위치측정 시스템.
    

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