KR102236304B1 - Indoor positioning apparatus and method - Google Patents

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KR102236304B1
KR102236304B1 KR1020190096917A KR20190096917A KR102236304B1 KR 102236304 B1 KR102236304 B1 KR 102236304B1 KR 1020190096917 A KR1020190096917 A KR 1020190096917A KR 20190096917 A KR20190096917 A KR 20190096917A KR 102236304 B1 KR102236304 B1 KR 102236304B1
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안진현
설동민
임재욱
정성문
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국방과학연구소
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    • G01S2205/02Indoor

Abstract

실시 예들은 긴급 상황 발생 시 실내 위치 서비스를 제공할 수 있는 실내 측위 장치 및 방법에 관한 것으로, 일 실시 예에 따른 실내 측위 장치는 위성으로부터 위치 정보를 수신하고 이동 가능한 차량에 설치된 적어도 하나의 실외용 앵커로부터 위치 정보를 수신하고, 실외용 앵커로부터 수신된 위치 정보를 기초로 실내에서의 현재 위치를 계산함으로써, 재난 및 테러와 같은 긴급 상황이 발생했을 때, 미리 전파 송신 장치가 설치되어 있지 않은 건물에서도 실내 위치기반 서비스를 제공할 수 있다. The embodiments relate to an indoor positioning device and method capable of providing an indoor location service in case of an emergency. The indoor positioning device according to an embodiment receives location information from a satellite and provides at least one outdoor anchor installed in a movable vehicle. By receiving the location information from the device and calculating the current location indoors based on the location information received from the outdoor anchor, when an emergency situation such as a disaster or terror occurs, even in a building where a radio wave transmission device is not installed in advance. Can provide location-based services.

Description

실내 위치 추정 장치 및 방법{Indoor positioning apparatus and method} Indoor positioning apparatus and method TECHNICAL FIELD

본 발명은 실내 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an indoor location estimation apparatus and method.

위치기반 서비스는 과거 차량용 내비게이션을 포함한 지도 안내 애플리케이션에서 휴대 단말기를 활용한 다양한 IoT 서비스로 확장하고 있다. 다만, 현재까지의 위치기반 서비스는 GPS 위성으로부터 신호를 수신할 수 있는 야외에서만 서비스를 제공하며, 실내에서도 이러한 서비스를 제공하기 위해 다양한 위치추적 기술이 개발되고 있다. 실내 위치기반 서비스를 제공하는 기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 센서를 이용하는 방법이고, 다른 하나는 전파를 이용하는 방법이다. 또한, 두 가지를 혼합하는 방법도 있다. Location-based services are expanding from map guidance applications including vehicle navigation in the past to various IoT services using mobile terminals. However, until now, location-based services are provided only outdoors where signals can be received from GPS satellites, and various location tracking technologies are being developed to provide such services indoors. Technologies that provide indoor location-based services can be roughly divided into two. One is a method using a sensor, and the other is a method using radio waves. There is also a way to mix the two.

센서를 이용한 기술은 자이로스코프나 지자기센서, 고도 센서 등을 이용하여 현재의 위치에서 이동하는 방향과 속도에 따라 위치를 추정하는 기술이다. 이 방법은 초기 시작 지점의 정확한 위치와 센서의 정렬(Calibration)이 측위 성능에 영향을 준다. 또한, 시간이 지남에 따라 오차가 누적되는 문제가 있어 서비스 시간이 길어지면 급격한 위치 오차가 증가하게 된다. 전파를 이용한 방법은 일상생활에서 많이 사용하는 초음파, Bluetooth, WiFi, UWB, 의사위성(또는 GPS 전파방식) 등을 이용하여 위치를 추정하는 방식이다. 추정 알고리즘도 TOA(Time of Arrival), TDOA(Time Difference of Arrival), AOA(Angle of Arrival), ROA, Finger print 등 다양한 방법이 존재한다. 이러한 전파를 이용하기 위해서는 전파를 송출하거나 위치 추정의 기본이 되는 Anchor를 미리 설치해야 하고, 그 위치도 미리 추정이나 측정이 되어야 한다. 여기서, 기준 송수신기의 명칭은 Anchor, 위성, AP(Access Point) 등으로 기술마다 상이하지만, 앵커(Anchor)로 통일하여 설명한다. 특정 알고리즘에서는 그 환경 및 환경 변수까지도 미리 측정이 되어야 한다. 그렇지 않으면 시스템 사용이 불가능하거나 시스템 오차가 크게 발생한다.A technology using a sensor is a technology that estimates the position according to the moving direction and speed from the current position using a gyroscope, a geomagnetic sensor, or an altitude sensor. In this method, the exact position of the initial starting point and the alignment of the sensor affect the positioning performance. In addition, there is a problem that errors accumulate over time, so as the service time increases, a sudden position error increases. The method using radio waves is a method of estimating the location using ultrasonic waves, Bluetooth, WiFi, UWB, and pseudo-satellite (or GPS radio wave method), which are widely used in everyday life. As for the estimation algorithm, there are various methods such as Time of Arrival (TOA), Time Difference of Arrival (TDOA), Angle of Arrival (AOA), ROA, and Finger print. In order to use such radio waves, an anchor that transmits radio waves or is the basis for position estimation must be installed in advance, and its position must also be estimated or measured in advance. Here, the name of the reference transceiver is an anchor, a satellite, an AP (Access Point), and the like, which are different for each technology, but are unified and described as an anchor. In certain algorithms, the environment and even environmental variables must be measured in advance. Otherwise, the system cannot be used or system errors occur.

무선통신을 통한 위치추정 기법은 군 분야뿐만 아니라 일반 대중에게까지도 널리 쓰이며 없어서는 안 될 기술이 되었다. 실외 위치 추정에 있어서는, 위성을 바탕으로 한 GPS가 잘 구축된 시스템으로서 그 역할을 다하고 있다. 더불어 실내 위치추정 역시도 다방면에서 연구되고 있으며 실생활에 천천히 적용되는 추세이다. 다만 일반적인 위치 추정 기술은 위치추정을 위한, 즉 위치를 알고 있는 앵커와 위치를 추정하고 싶은 태그 사이에 장애물이 존재할 때 심각한 성능 저하를 겪게 된다. 왜냐하면 장애물로 인한 지연 때문에 앵커와 태그 사이 측정된 거리가 실제보다 다소 길게 측정되기 때문이다. 이러한 이유 때문에, 단말이 건물 안에 위치할 때 GPS 시스템이 엉뚱한 위치를 추정하게 되는 문제점이 있다. The location estimation technique through wireless communication is widely used not only in the military field but also in the general public, and has become an indispensable technique. When it comes to outdoor location estimation, a GPS-based satellite is playing its role as a well-established system. In addition, indoor location estimation is also being studied in various fields and is slowly applied to real life. However, a general location estimation technique suffers a serious performance degradation when an obstacle exists between an anchor that knows the location and a tag that wants to estimate the location for location estimation. This is because the measured distance between the anchor and the tag is measured somewhat longer than the actual due to the delay caused by the obstacle. For this reason, there is a problem in that the GPS system estimates an incorrect location when the terminal is located in a building.

한편, DoP(Dilution-of-Precision, 이하 DoP라 한다)란 앵커와 태그의 배치가 정해졌을 때, 태그를 기준으로 앵커들의 배치가 얼마나 효율적으로 이뤄졌는지를 나타내는 값이다. 현재까지는 편향되지 않은 측정 거리 오차와, 벽이 없는 환경을 고려하여 기존의 DoP가 제안되었고 널리 쓰이고 있다. 다만 이때 가정되는 편향되지 않은 측정 거리 오차는 비현실적이라고 볼 수 있다. 왜냐하면 거리를 측정할 때 생기는 오차는 항상 0보다 크기 때문이다.On the other hand, DoP (Dilution-of-Precision, hereinafter referred to as DoP) is a value indicating how efficiently the anchors are placed based on the tag when the anchors and tags are placed. Until now, the existing DoP has been proposed and widely used in consideration of the unbiased measurement distance error and the environment without walls. However, the assumed unbiased measurement distance error can be considered unrealistic. This is because the error that occurs when measuring distance is always greater than zero.

[선행기술문헌번호] [Prior technical literature number]

선행 1: 한국등록특허 10-1470694호Prior 1: Korean Patent Registration No. 10-1470694

선행 2: 한국등록특허 10-1515013호Prior 2: Korean Patent Registration No. 10-1515013

실시 예들은 기존의 위치 추정 기법을 개선하여 벽이 존재할 때에도 정확하게 위치를 추정할 수 있는 실내 위치 추정 장치 및 방법을 제공하는 것이다. Embodiments provide an indoor location estimation apparatus and method capable of accurately estimating a location even when a wall exists by improving an existing location estimation technique.

또한, 벽이 있을 때도 쓸 수 있는 개선된 enhanced-DoP(E-DoP)를 고려하여 효율적인 실내 추정이 가능하다.In addition, efficient indoor estimation is possible by considering the improved enhanced-DoP (E-DoP) that can be used even when there is a wall.

일 실시 예에 따른 실내 위치 추정 장치에 있어서, 다수의 벽들이 존재하는 실내에 위치한 태그와의 거리를 측정하기 위해, 실외에 서로 다른 위치에 배치된 적어도 셋 이상의 앵커들; 및 상기 앵커들로부터 측정된 태그와의 거리들과, 상기 다수의 벽들에 의한 지연 정보를 기초로 상기 태그의 위치를 계산하는 제어부를 포함한다.An indoor location estimation apparatus according to an embodiment, comprising: at least three or more anchors disposed at different locations outdoors to measure a distance from a tag positioned indoors where a plurality of walls exist; And a control unit that calculates the position of the tag based on the distances to the tag measured from the anchors and delay information due to the plurality of walls.

상기 지연 정보는, 각각의 벽의 굴절률과 두께에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.The delay information is characterized in that it is determined by the refractive index and thickness of each wall.

상기 실내 위치 추정 장치는 상기 지연 정보를 계산하기 위해, 상기 적어도 셋 이상의 앵커들끼리의 서로의 위치를 추정하고, 각각의 앵커들 사이를 연결한 라인이 상기 실내에 존재하는 모든 벽들을 포함하도록 설정하는 것을 특징으로 한다.In order to calculate the delay information, the indoor position estimation apparatus estimates the positions of the at least three or more anchors, and sets a line connecting each of the anchors to include all walls existing in the room. Characterized in that.

상기 앵커들 사이의 거리는 다음 수학식 2 및 3에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.The distance between the anchors is characterized in that it is calculated by the following equations 2 and 3.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019081520279-pat00001
,
Figure 112019081520279-pat00001
,

Figure 112019081520279-pat00002
:
Figure 112019081520279-pat00003
번째 앵커와
Figure 112019081520279-pat00004
번째 앵커를 선으로 그었을 때 지나치는 벽의 집합을 의미하고,
Figure 112019081520279-pat00002
:
Figure 112019081520279-pat00003
First anchor and
Figure 112019081520279-pat00004
It means the set of walls that pass when the first anchor is drawn with a line,

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019081520279-pat00005
,
Figure 112019081520279-pat00005
,

Figure 112019081520279-pat00006
: 다중 경로로 인해 생기는 오차의 평균 값이고,
Figure 112019081520279-pat00007
: 측정 기기로 인해 생기는 오차의 평균 값임
Figure 112019081520279-pat00006
: It is the average value of the error caused by multiple paths,
Figure 112019081520279-pat00007
: This is the average value of the error caused by the measuring device.

상기 실내 위치 추정 장치는 상기 태그와, 서로 다른 위치에 배치된 적어도 셋 이상의 앵커들의 배치의 의 적절성을 평가하는 E-DoP값은 다음 수학식 10에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.The indoor position estimation apparatus is characterized in that the E-DoP value for evaluating the appropriateness of the tag and the arrangement of at least three or more anchors arranged at different positions is calculated by Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112019081520279-pat00008
,
Figure 112019081520279-pat00008
,

Figure 112019081520279-pat00009
는 대각성분을 1, 비대각 성분을
Figure 112019081520279-pat00010
로 갖는
Figure 112019081520279-pat00011
행렬.
Figure 112019081520279-pat00009
Is 1 for the diagonal component and 1 for the non-diagonal component.
Figure 112019081520279-pat00010
Having as
Figure 112019081520279-pat00011
procession.

다른 실시 예에 따른 실내 위치 추정 방법에 있어서, 다수의 벽들이 존재하는 실내에 위치한 태그와의 거리를 측정하기 위해, 실외에 서로 다른 위치에 배치된 적어도 셋 이상의 앵커들로부터 상기 태그와의 거리를 수신하는 단계; 및 상기 앵커들로부터 측정된 태그와의 거리들과, 상기 다수의 벽들에 의한 지연 정보를 기초로 상기 태그의 위치를 계산하는 단계를 포함한다.In an indoor location estimation method according to another embodiment, in order to measure a distance from a tag located indoors where a plurality of walls exist, a distance from the tag from at least three or more anchors disposed at different locations outdoors Receiving; And calculating the position of the tag based on the distances to the tag measured from the anchors and delay information due to the plurality of walls.

상기 지연 정보는, 각각의 벽의 굴절률과 두께에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.The delay information is characterized in that it is determined by the refractive index and thickness of each wall.

상기 실내 위치 추정 방법은 상기 지연 정보를 계산하기 위해, 상기 적어도 셋 이상의 앵커들끼리의 서로의 위치를 추정하고, 각각의 앵커들 사이를 연결한 라인이 상기 실내에 존재하는 모든 벽들을 포함하도록 설정하는 것을 특징으로 한다.In the indoor location estimation method, in order to calculate the delay information, the locations of the at least three or more anchors are estimated, and a line connecting each of the anchors is set to include all walls existing in the room. Characterized in that.

상기 앵커들 사이의 거리는 다음 수학식 2 및 3에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.The distance between the anchors is characterized in that it is calculated by the following equations 2 and 3.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019081520279-pat00012
,
Figure 112019081520279-pat00012
,

Figure 112019081520279-pat00013
:
Figure 112019081520279-pat00014
번째 앵커와
Figure 112019081520279-pat00015
번째 앵커를 선으로 그었을 때 지나치는 벽의 집합을 의미하고,
Figure 112019081520279-pat00013
:
Figure 112019081520279-pat00014
First anchor and
Figure 112019081520279-pat00015
It means the set of walls that pass when the first anchor is drawn with a line,

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019081520279-pat00016
,
Figure 112019081520279-pat00016
,

Figure 112019081520279-pat00017
: 다중 경로로 인해 생기는 오차의 평균 값이고,
Figure 112019081520279-pat00018
: 측정 기기로 인해 생기는 오차의 평균 값임.
Figure 112019081520279-pat00017
: It is the average value of the error caused by multiple paths,
Figure 112019081520279-pat00018
: This is the average value of the error caused by the measuring device.

상기 실내위치 추정 방법은 상기 태그와, 서로 다른 위치에 배치된 적어도 셋 이상의 앵커들의 배치의 의 적절성을 평가하는 E-DoP값은 다음 수학식 10에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.The indoor location estimation method is characterized in that the E-DoP value for evaluating the appropriateness of the tag and the arrangement of at least three or more anchors arranged at different locations is calculated by Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112019081520279-pat00019
,
Figure 112019081520279-pat00019
,

Figure 112019081520279-pat00020
는 대각성분을 1, 비대각 성분을
Figure 112019081520279-pat00021
로 갖는
Figure 112019081520279-pat00022
행렬.
Figure 112019081520279-pat00020
Is 1 for the diagonal component and 1 for the non-diagonal component.
Figure 112019081520279-pat00021
Having as
Figure 112019081520279-pat00022
procession.

또 다른 실시 예에 따른 실내 위치 추정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체를 포함한다.It includes a recording medium on which a program for executing an indoor location estimation method according to another embodiment on a computer is recorded.

실시 예들은 기존의 위치 추정 기법을 개선하여 벽이 존재할 때에도 정확하게 위치를 추정할 수 있다. The embodiments may improve the existing position estimation technique to accurately estimate the position even when a wall exists.

또한, 벽이 있을 때도 쓸 수 있는 개선된 enhanced-DoP(E-DoP)를 고려하여 효율적인 실내 추정이 가능하다.In addition, efficient indoor estimation is possible by considering the improved enhanced-DoP (E-DoP) that can be used even when there is a wall.

도 1은 일 실시 예에 따른 측위 시스템의 개략 도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 측위 시스템의 개략 도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 측위 시스템의 사용환경의 예시 도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 벽 정보를 추출하는 방법을 설명하기 위한 예시 도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 환경 및 벽이 없는 상황에서 위치 추정 방법의 성능을 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 환경 및 벽이 있는 상황에서 위치 추정 방법의 성능을 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 환경 및 2m의 벽이 있는 상황에서 LM 및 E-LM의 성능을 나타낸 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 다양한 환경들에서의 DoP와 E-DoP 값을 나타낸 도면이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 다양한 환경들에서의 벽이 있는 상황과 벽이 없을 때의 LM 및 E-LM의 성능을 나타낸 도면이다.
1 is a schematic diagram of a positioning system according to an embodiment.
2 is a schematic diagram of a positioning system according to an embodiment.
3 is an exemplary diagram of a usage environment of a positioning system according to an exemplary embodiment.
4 is an exemplary diagram illustrating a method of extracting wall information according to an exemplary embodiment.
5 is a diagram showing the performance of a method for estimating a location in an environment and a situation where there is no wall according to an exemplary embodiment.
6 is a diagram showing the performance of a method for estimating a location in an environment and a situation with walls, according to an exemplary embodiment.
7 is a diagram showing the performance of LM and E-LM in an environment and a situation with a wall of 2 m according to an embodiment.
8 is a diagram illustrating DoP and E-DoP values in various environments according to an embodiment.
9 is a diagram showing the performance of an LM and an E-LM in a situation with a wall and without a wall in various environments according to an exemplary embodiment.

본 실시 예들에서 사용되는 용어는 본 실시 예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 임의로 선정된 용어도 있으며, 이 경우 해당 실시 예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 실시 예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시 예들의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present embodiments have selected general terms that are currently widely used as possible while considering the functions in the present embodiments, but this may vary depending on the intention or precedent of a technician working in the art, the emergence of new technologies, etc. . In addition, in certain cases, there are terms that are arbitrarily selected, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the corresponding embodiment. Therefore, the terms used in the present embodiments should be defined based on the meaning of the term and the contents of the present embodiments, not a simple name of the term.

실시 예들에 대한 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 실시 예들에 기재된 “...부”의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In the description of the embodiments, when a certain part is connected to another part, this includes not only a case in which it is directly connected, but also a case in which it is electrically connected with another component interposed therebetween. In addition, when a certain part includes a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. In addition, the term “... unit” described in the embodiments refers to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software.

본 실시 예들에서 사용되는 “구성된다” 또는 “포함한다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Terms such as “consisting of” or “comprising” used in the present embodiments should not be construed as necessarily including all of the various constituent elements or various steps described in the specification, and some constituent elements or some of them It should be construed that the steps may not be included, or may further include additional elements or steps.

하기 실시 예들에 대한 설명은 권리범위를 제한하는 것으로 해석되지 말아야 하며, 해당 기술분야의 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 실시 예들의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 이하 첨부된 도면들을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다.The description of the following embodiments should not be construed as limiting the scope of the rights, and what those skilled in the art can easily infer should be construed as belonging to the scope of the rights of the embodiments. Hereinafter, embodiments for illustration only will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실내에서의 음영 지역 해소를 위해 실내용 앵커도 함께 사용할 수 있다. 이렇게 실외용 앵커를 사용하면, 센서를 이용하는 방법에서의 문제점이 사라지며, 미리 앵커가 설치되어 있지 않은 건물 내부에서도 위치기반 서비스 제공이 가능하다.Indoor anchors can also be used to eliminate shaded areas indoors. When using the outdoor anchor in this way, the problem in the method of using the sensor disappears, and it is possible to provide a location-based service even inside a building where the anchor is not installed in advance.

실시 예에 따른 측위 시스템은, 예를 들면 eLORAN(enhanced-Long Range Navigation)과 같은 내비게이션 시스템, UWB(Ultra-Wide Band)와 같은 WPAN(Wireless Personal Area Network) 시스템 등이 적용될 수 있으며, 노드 대 노드 간의 정보 교류, 원격 제어 등을 목적으로 한다. The positioning system according to the embodiment may be applied, for example, a navigation system such as eLORAN (enhanced-long range navigation), a wireless personal area network (WPAN) system such as UWB (Ultra-Wide Band), etc. It is for the purpose of information exchange, remote control, etc.

실시 예에 따른 측위 시스템은 지면(G)과 인접하거나 지면(G)으로부터 일정 거리 이격되어 위치할 수 있으며, 별도로 획득되는 고도 정보(H)를 이용하여 원격 노드와 측위 장치 간의 전파 지연시간을 보상할 수 있다. 이러한 추가적인 고도 정보(H)는, 예를 들어 지시 고도(Indicated Altitude) 정보, 진 고도(True Altitude) 정보, 절대 고도(Absolute Altitude) 정보, 기압 고도(Pressure Altitude) 정보 및 밀도 고도(Density Altitude) 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The positioning system according to the embodiment may be located adjacent to the ground (G) or spaced apart from the ground (G) by a certain distance, and the propagation delay time between the remote node and the positioning device is compensated using the separately obtained altitude information (H). can do. Such additional altitude information (H) is, for example, Indicated Altitude information, True Altitude information, Absolute Altitude information, Pressure Altitude information, and Density Altitude information. It may include at least one of information.

도 1은 일 실시 예에 따른 측위 시스템의 개략 도이다.1 is a schematic diagram of a positioning system according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 실외용 앵커만을 이용하여 실내 위치기반 서비스를 제공하는 개략 도이다. 여기서 실외용 앵커는 차량 또는 트럭으로 표현하였으나 다른 형태의 구현도 가능함은 물론이다. 또한 태그(Tag)도 사람으로 표현하였으나 무인 로봇 등에 장착하여 운용할 수도 있으며, 실내에서의 측위 장치로서, 헬멧, 휴대용 단말 등 다양한 형태로 구현할 수 있음은 물론이다.Referring to FIG. 1, it is a schematic diagram of providing an indoor location-based service using only an outdoor anchor. Here, the outdoor anchor is expressed as a vehicle or a truck, but other forms of implementation are of course possible. In addition, the tag is also expressed as a human, but it can also be installed and operated on an unmanned robot, and can be implemented in various forms such as a helmet and a portable terminal as an indoor positioning device.

실외에 설치하는 앵커(실외용 앵커 1 내지 4)는 다수 개로 구성할 수 있다. 실외용 앵커는 GPS 수신기를 구비하여, 자신의 위치를 쉽게 알 수 있으며, 또한, 선택적으로, RTK-GNSS 수신기를 사용할 경우 수십 mm 급의 측위 성능을 갖게 된다. 실외용 앵커가 2개의 안테나를 사용하면 하나의 앵커로 2차원 측위가 가능하며 2개의 실외용 앵커(예를 들면 4개의 안테나)를 사용한다면, 3차원 측위를 수행할 수 있다. 또한, 실외용 앵커를 자동차 등의 이동수단으로 구현하면, 건물 외곽에 도착하자마자 바로 서비스를 시작할 수 있어 빠른 설치 시간을 갖게 된다.Anchors installed outdoors (outdoor anchors 1 to 4) can be composed of a plurality. The outdoor anchor has a GPS receiver, so that its own location can be easily known, and optionally, when using an RTK-GNSS receiver, it has a positioning performance of several tens of mm. If the outdoor anchor uses two antennas, two-dimensional positioning is possible with one anchor, and if two outdoor anchors (for example, four antennas) are used, three-dimensional positioning can be performed. In addition, if the outdoor anchor is implemented as a means of transportation such as a car, the service can be started as soon as it arrives at the outside of the building, resulting in a quick installation time.

도 2는 도 1에 도시된 측위 시스템의 개략적인 블록 도이다.Figure 2 is a schematic block diagram of the positioning system shown in Figure 1;

도 2를 참조하면, 실외용 앵커(200)는 다수 개의 위성들(300 내지 330)로부터 위치 정보를 수신한다. 실외용 앵커(200)는 수신된 위치 정보를 측위 장치(100)에 전송한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 측위 시스템은 측위 장치(10)를 포함하며, 측위 장치(10)는 원격지에 위치한 GPS(Global Positioning System) 위성(2a~2d)으로부터 신호를 수신하여 자신의 위치를 측정할 수 있다.Referring to FIG. 2, the outdoor anchor 200 receives location information from a plurality of satellites 300 to 330. The outdoor anchor 200 transmits the received location information to the positioning device 100. As shown in Fig. 2, the positioning system includes a positioning device 10, and the positioning device 10 receives a signal from a GPS (Global Positioning System) satellite 2a to 2d located at a remote location to determine its position. Can be measured.

도 2와 같은 측위 시스템은 복수의 GPS 위성, 예를 들어 4개의 GPS 위성(300 내지 330)이 실외용 앵커(200)와 신호를 서로 교신할 수 있다. 도 2에 도시한 GPS 위성(300 내지 330)은 예시일 뿐이며, 그 개수에 제한을 둘 필요는 없다. 예컨대, 2차원 측위를 수행하는 측위 시스템인 경우에는 3개의 GPS 위성을 사용하여 위도 및 경도를 산출할 수 있으며, 3차원 측위를 수행하는 측위 시스템의 경우에는 4개 이상의 GPS 위성을 사용하여 위도, 경도 및 고도를 산출할 수 있다. GPS 위성(300 내지 330)으로부터 수신한 위치 정보를 측위 장치(100)에 전송한다. 측위 장치(100)는 실외용 앵커(200)로부터 위치 정보를 수신하는 수신부와, 위치 정보를 기초로 자신의 위치를 계산하는 제어부를 포함할 수 있다.In the positioning system as shown in FIG. 2, a plurality of GPS satellites, for example, four GPS satellites 300 to 330, may communicate signals with the outdoor anchor 200 with each other. The GPS satellites 300 to 330 shown in FIG. 2 are only examples, and there is no need to limit the number of the GPS satellites 300 to 330. For example, in the case of a positioning system performing two-dimensional positioning, latitude and longitude can be calculated using three GPS satellites, and in the case of a positioning system performing three-dimensional positioning, latitude and longitude are calculated using four or more GPS satellites. Hardness and altitude can be calculated. The location information received from the GPS satellites 300 to 330 is transmitted to the positioning device 100. The positioning device 100 may include a receiving unit that receives location information from the outdoor anchor 200 and a control unit that calculates its own location based on the location information.

도 3은 일 실시 예에 따른 측위 시스템의 사용환경의 예시 도이다.3 is an exemplary diagram of a usage environment of a positioning system according to an exemplary embodiment.

도 3을 참조하여 실시 예에서 가정하는 상황에 대해 먼저 설명한다. 먼저 3차원 공간을 가정하고 이 공간 안에 앵커, 태그, 건물이 있다고 가정한다. 추정된 태그의 위치는 앵커의 절대 위치를 통해, 상대 위치에서 절대 위치로 바꾸어 추정할 수 있다. 앵커들은 벽 바깥에 위치하고 있다고 가정한다. 앵커는 태그와의 무선 통신을 통해 각 앵커와 태그 사이의 거리를 측정한다. 각 앵커가 추정한 거리를 통해 통합처리기가 태그의 위치를 추정한다. 이 때 통합처리기가 벽의 기하학적 구조는 알고 있다고 가정하지만 벽들의 두께와 굴절률에 관한 정보는 없어도 된다. 더불어 측정 오차에 대해서는 두 개의 오차의 합으로 고려하는데 첫 번째는 측정 기기로 인한 오차이고 두 번째로는 다중 경로로 인해 생기는 오차이다. 이를 고려하여

Figure 112019081520279-pat00023
번째 앵커에서 측정한 거리 정보는 다음과 수학식 1과 같다.A situation assumed in the embodiment will be described first with reference to FIG. 3. First, assume a three-dimensional space, and assume that there are anchors, tags, and buildings in this space. The estimated position of the tag can be estimated by changing from a relative position to an absolute position through the absolute position of the anchor. It is assumed that the anchors are located outside the wall. The anchor measures the distance between each anchor and the tag through wireless communication with the tag. Through the distance estimated by each anchor, the integrated processor estimates the position of the tag. At this time, it is assumed that the integrated processor knows the geometry of the wall, but information about the thickness and refractive index of the walls is not required. In addition, the measurement error is considered as the sum of the two errors. The first is an error due to the measuring device and the second is an error due to multiple paths. Taking this into account
Figure 112019081520279-pat00023
The distance information measured at the th anchor is as follows in Equation 1.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019081520279-pat00024
,
Figure 112019081520279-pat00024
,

Figure 112019081520279-pat00025
: 앵커의 순서
Figure 112019081520279-pat00026
,
Figure 112019081520279-pat00025
: Order of anchors
Figure 112019081520279-pat00026
,

Figure 112019081520279-pat00027
: 추정한 태그의 위치,
Figure 112019081520279-pat00027
: Estimated tag location,

Figure 112019081520279-pat00028
,
Figure 112019081520279-pat00028
,

Figure 112019081520279-pat00029
:
Figure 112019081520279-pat00030
번째 앵커의 위치,
Figure 112019081520279-pat00029
:
Figure 112019081520279-pat00030
The position of the first anchor,

Figure 112019081520279-pat00031
: 벽 순서의 집합,
Figure 112019081520279-pat00031
: A set of wall sequences,

Figure 112019081520279-pat00032
:
Figure 112019081520279-pat00033
Figure 112019081520279-pat00034
번째 앵커 사이에 있는 벽들의 순서,
Figure 112019081520279-pat00032
:
Figure 112019081520279-pat00033
Wow
Figure 112019081520279-pat00034
The order of the walls between the th anchor,

Figure 112019081520279-pat00035
,
Figure 112019081520279-pat00035
,

Figure 112019081520279-pat00036
:
Figure 112019081520279-pat00037
번째 벽의 두께,
Figure 112019081520279-pat00036
:
Figure 112019081520279-pat00037
Th wall thickness,

Figure 112019081520279-pat00038
:
Figure 112019081520279-pat00039
번째 벽의 굴절률,
Figure 112019081520279-pat00038
:
Figure 112019081520279-pat00039
The refractive index of the th wall,

Figure 112019081520279-pat00040
: 다중경로로 인해 생기는 오차,
Figure 112019081520279-pat00040
: Error caused by multipath,

Figure 112019081520279-pat00041
: 측정기기로 인해 생기는 오차.
Figure 112019081520279-pat00041
: Error caused by measuring equipment.

여기서

Figure 112019081520279-pat00042
는 직선으로 진행하는 빛이 벽 속에서 진행하는 거리와 벽의 두께의 비를 의미한다. 예를 들어, 벽이
Figure 112019081520279-pat00043
평면과 평행할 때
Figure 112019081520279-pat00044
의 값을 가지며,
Figure 112019081520279-pat00045
평면과 평행하면
Figure 112019081520279-pat00046
의 값을 갖게 된다. here
Figure 112019081520279-pat00042
Means the ratio of the distance that the light traveling in a straight line travels in the wall and the thickness of the wall. For example, the wall
Figure 112019081520279-pat00043
When parallel to the plane
Figure 112019081520279-pat00044
Has the value of,
Figure 112019081520279-pat00045
Parallel to the plane
Figure 112019081520279-pat00046
Will have the value of

도 4는 일 실시 예에 따른 벽 정보를 추출하는 방법을 설명하기 위한 예시 도이다.4 is an exemplary diagram illustrating a method of extracting wall information according to an exemplary embodiment.

도 4를 참조하여, 각 벽의

Figure 112019081520279-pat00047
정보를 추출하는 것을 설명한다.4, each wall
Figure 112019081520279-pat00047
Explain extracting information.

도 3을 참조하여 설명한 전술한 가정에서는, 각 벽의 굴절률 및 두께를 모른다고 가정하지만, 실시 예에서, 태그의 위치를 추정하기 위해서는 각 벽의

Figure 112019081520279-pat00048
값을 알아야 한다. 따라서 실시 예에서, 먼저 이 값들을 추정하기 위한 방법을 제시한다. 위치 추정 전에 앵커들끼리 서로의 위치를 추정하기를 가정한다. 그 방법은 다음과 같다. 먼저 벽 주변에 앵커들이 서로의 위치를 측정하는데, 앵커들끼리 그은 선이 통과하는 벽들이 모든 벽을 포함해야 하고, 그 수는 적어도 벽의 수만큼 된다. 이러한 집합을
Figure 112019081520279-pat00049
라고 한다. 이 집합
Figure 112019081520279-pat00050
에 속한 앵커들끼리 사이의 거리를 측정하여 이를 수식으로 나타내면 다음과 수학식 2와 같다. In the above-described assumption described with reference to FIG. 3, it is assumed that the refractive index and thickness of each wall are not known, but in the embodiment, in order to estimate the position of the tag,
Figure 112019081520279-pat00048
You need to know the value. Therefore, in an embodiment, first, a method for estimating these values is presented. It is assumed that anchors estimate each other's positions before position estimation. The method is as follows. First, anchors around the wall measure each other's positions, and the walls through which the lines drawn between the anchors pass must include all the walls, and the number is at least as many as the number of walls. These sets
Figure 112019081520279-pat00049
It is called. This set
Figure 112019081520279-pat00050
The distance between the anchors belonging to is measured and expressed as an equation as shown in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019081520279-pat00051
,
Figure 112019081520279-pat00051
,

Figure 112019081520279-pat00052
:
Figure 112019081520279-pat00053
번째 앵커와
Figure 112019081520279-pat00054
번째 앵커를 선으로 그었을 때 지나치는 벽의 집합을 의미한다.
Figure 112019081520279-pat00052
:
Figure 112019081520279-pat00053
First anchor and
Figure 112019081520279-pat00054
It means the set of walls that pass when the second anchor is drawn with a line.

이를 반복적으로 행한 후 평균 값을 구하면 다음 수학식 3과 같다.After repeatedly doing this, the average value is calculated as shown in Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019081520279-pat00055
,
Figure 112019081520279-pat00055
,

Figure 112019081520279-pat00056
: 다중 경로로 인해 생기는 오차의 평균 값이고,
Figure 112019081520279-pat00057
: 측정 기기로 인해 생기는 오차의 평균 값이다.
Figure 112019081520279-pat00056
: It is the average value of the error caused by multiple paths,
Figure 112019081520279-pat00057
: This is the average value of errors caused by the measuring device.

만약

Figure 112019081520279-pat00058
Figure 112019081520279-pat00059
를 둘 다 알고 있다면 위의 연립방정식을 품으로써
Figure 112019081520279-pat00060
,
Figure 112019081520279-pat00061
를 얻을 수 있다. 하지만 더 현실적인 상황을 위해서 모르고 있다고 가정하여 본 발명에서는 이를 0으로 둔다. 이것이 정확한 위치 추정에 있어서 큰 영향을 끼치지 않는다는 것은 뒤에서 확인할 수 있다. 이를 다르게 표현하면
Figure 112019081520279-pat00062
는 다음 수학식 4와 같은 연립방정식을 품으로써 얻을 수 있는
Figure 112019081520279-pat00063
로 추정할 수 있다.if
Figure 112019081520279-pat00058
and
Figure 112019081520279-pat00059
If you know both, by having the above system of equations
Figure 112019081520279-pat00060
,
Figure 112019081520279-pat00061
Can be obtained. However, for a more realistic situation, it is assumed that it is unknown, and this is set to 0 in the present invention. It can be seen later that this does not have a significant effect on accurate position estimation. In other words,
Figure 112019081520279-pat00062
Is obtained by having a system of equations such as the following Equation 4
Figure 112019081520279-pat00063
It can be estimated as

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019081520279-pat00064
.
Figure 112019081520279-pat00064
.

이어, 위치 추정 기법에 대해 설명한다.Next, a location estimation technique will be described.

실시 예에서, 기본적으로 기존의 반복 위치 추정을 발전시킨다. 이에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다. 거리 정보를 바탕으로 위치를 추정하는 기법에는 삼변측량법, 다변측량법과 같은 방법 이외에도, 측정 오차에 더 강인한 반복 위치 추정 기법이 있다. 이는 다음 수학식 5와 같은 값을 비용함수로 갖고 이를 최소화하는 위치를 추정하는 것이 그 목표가 되는 기법이다.In an embodiment, the existing repetitive position estimation is basically developed. A brief description of this is as follows. In addition to methods such as trilateral surveying and multilateral surveying, there are repetitive position estimation techniques that are more robust to measurement errors as techniques for estimating a location based on distance information. This technique is aimed at estimating the location of minimizing the value as shown in Equation 5 below as a cost function.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112019081520279-pat00065
,
Figure 112019081520279-pat00065
,

Figure 112019081520279-pat00066
.
Figure 112019081520279-pat00066
.

여기서,

Figure 112019081520279-pat00067
를 잔차라고 부른다. 이와 같은 비용함수의 값을 더 작게하기 위해
Figure 112019081520279-pat00068
를 변화시켜 가는데, 변화시킬 때에 잔차의 자코비안 행렬 값이 쓰이게 된다. here,
Figure 112019081520279-pat00067
Is called the residual. To make this cost function smaller
Figure 112019081520279-pat00068
When changing is changed, the Jacobian matrix value of the residual is used.

실시 예에서는 이러한 반복 위치 추정 기법에서, 측정 거리 값을 벽으로 인한 지연을 포함한 새로운 값으로 모델링 하여 다음 수학식 6와 같이 같이 잔차를 수정한다.In an embodiment, in this repetitive position estimation technique, a measured distance value is modeled as a new value including a delay due to a wall, and the residual is corrected as shown in Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112019081520279-pat00069
,
Figure 112019081520279-pat00069
,

Figure 112019081520279-pat00070
,
Figure 112019081520279-pat00071
.
Figure 112019081520279-pat00070
,
Figure 112019081520279-pat00071
.

모든 벽들이

Figure 112019081520279-pat00072
평면 혹은
Figure 112019081520279-pat00073
평면에 평행하다고 가정한다면 자코비안 행렬은
Figure 112019081520279-pat00074
행렬로서, 다음 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.All the walls
Figure 112019081520279-pat00072
Flat or
Figure 112019081520279-pat00073
Assuming that it is parallel to the plane, the Jacobian matrix is
Figure 112019081520279-pat00074
As a matrix, it can be expressed as in Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112019081520279-pat00075
,
Figure 112019081520279-pat00075
,

Figure 112019081520279-pat00076
,
Figure 112019081520279-pat00076
,

Figure 112019081520279-pat00077
.
Figure 112019081520279-pat00077
.

이 때

Figure 112019081520279-pat00078
Figure 112019081520279-pat00079
중에서
Figure 112019081520279-pat00080
평면에 평행한 벽의 집합,
Figure 112019081520279-pat00081
Figure 112019081520279-pat00082
중에서
Figure 112019081520279-pat00083
평면에 평행한 벽의 집합을 의미한다. At this time
Figure 112019081520279-pat00078
Is
Figure 112019081520279-pat00079
Between
Figure 112019081520279-pat00080
Assembly of walls parallel to the plane,
Figure 112019081520279-pat00081
Is
Figure 112019081520279-pat00082
Between
Figure 112019081520279-pat00083
It means a set of walls parallel to the plane.

다음으로, E-DoP를 유도하는 방법을 설명한다. 여기서, DoP는 앵커와 태그의 배치가 정해졌을 때, 태그를 기준으로 앵커들의 배치가 얼마나 효율적으로 이뤄졌는지를 나타내는 값으로서, 편향되지 않은 측정 거리 오차와, 벽이 없는 환경을 고려한 값이다. 실시 예에서는 개선된 DoP를 E-DoP로 정의하고, 벽이 있을 때도 쓸 수 있는 개선된 enhanced-DoP(E-DoP)에 대해 설명한다. Next, a method of inducing E-DoP will be described. Here, the DoP is a value indicating how efficiently the anchors are arranged based on the tag when the anchor and the tag are arranged, and is a value considering an unbiased measurement distance error and an environment without walls. In the embodiment, the improved DoP is defined as E-DoP, and an improved enhanced-DoP (E-DoP) that can be used even when there is a wall will be described.

앞서 언급한 E-DoP는 아래와 같이 유도한다. 먼저 DoP의 유도를 보자면 일차근사를 통해 다음 수학식 8과 같은 식을 유도한다.The aforementioned E-DoP is derived as follows. First, looking at the derivation of DoP, the following equation (8) is derived through a linear approximation.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112019081520279-pat00084
,
Figure 112019081520279-pat00084
,

Figure 112019081520279-pat00085
:
Figure 112019081520279-pat00086
의 자코비안 행렬,
Figure 112019081520279-pat00085
:
Figure 112019081520279-pat00086
Jacobian procession of,

Figure 112019081520279-pat00087
Figure 112019081520279-pat00088
는 서로 독립적임.
Figure 112019081520279-pat00087
Figure 112019081520279-pat00088
Are independent of each other.

이를 통해

Figure 112019081520279-pat00089
Figure 112019081520279-pat00090
로 추정되며 DoP는 그 정의에 따라 다음 수학식 9와 같다.because of this
Figure 112019081520279-pat00089
Is
Figure 112019081520279-pat00090
It is estimated as and DoP is as shown in Equation 9 below according to its definition.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112019081520279-pat00091
Figure 112019081520279-pat00091

이는 결국

Figure 112019081520279-pat00092
가 편향되지 않음을 기반으로
Figure 112019081520279-pat00093
가 된다. 실시 예에서, 앞서 언급한대로 현실성을 고려하여 평균을
Figure 112019081520279-pat00094
, 분산을
Figure 112019081520279-pat00095
으로 갖는 오차를 고려한다. 이와 더불어 앞서 유도한
Figure 112019081520279-pat00096
를 대입하여 다음 수학식 10과 같은 E-DoP를 유도할 수 있다. In the end
Figure 112019081520279-pat00092
Is not biased
Figure 112019081520279-pat00093
Becomes. In the embodiment, as mentioned above, the average is calculated in consideration of reality.
Figure 112019081520279-pat00094
, Variance
Figure 112019081520279-pat00095
Consider the error you have. In addition to this,
Figure 112019081520279-pat00096
By substituting, it is possible to derive the E-DoP as shown in Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112019081520279-pat00097
,
Figure 112019081520279-pat00097
,

Figure 112019081520279-pat00098
는 대각성분을 1 비대각 성분을
Figure 112019081520279-pat00099
로 갖는
Figure 112019081520279-pat00100
행렬임.
Figure 112019081520279-pat00098
Is the diagonal component and 1 non-diagonal component
Figure 112019081520279-pat00099
Having as
Figure 112019081520279-pat00100
It's a procession.

발명의 효과를 설명하기 위해 모의 실험을 진행하였는데, 그 모의 실험의 환경은 다음과 같다. 먼저 앞서와 같이 3차원 유클리드 공간을 가정하며. 건물은

Figure 112019081520279-pat00101
형태의 직육면체로 가정한다. 이 때 모든 벽의 굴절률과 두께는 2.73과 0.5m이며 위치 추정을 위해 배치하는 앵커의 위치는
Figure 112019081520279-pat00102
이다. 측정 오차에서
Figure 112019081520279-pat00103
는 평균과 분산을 0.1m로 갖는 정규분포를 따른다고 가정하고,
Figure 112019081520279-pat00104
은 IEEE 802.15.4a에 명시되어 있는 1-5번 채널에 따라 얻은 오차를 가정한다. 벽의
Figure 112019081520279-pat00105
값을 추출하기 위해
Figure 112019081520279-pat00106
에 배치할 수 있고 앞서 언급한 방법대로 벽의
Figure 112019081520279-pat00107
를 얻을 수 있는데, 얻어진 값은 1.385m, 1.080m, 1.385m, 1.080m이다. 실제로
Figure 112019081520279-pat00108
는 0.865m이다. 본 발명에서 추정 정확도는 오차의 제곱 평균 제곱근으로 나타낸다. 이를 얻기 위해서 10000번의 반복 동안 태그를 건물 안에 균일한 분포를 따르도록 임의로 배치하여 계산한다. 또한 본 발명에서 고려하는 위치 추정 기법은 다변측량법, multilateration, GN, LM, SD, enhanced Gauss-Newton algorithm (E-GN), enhanced Levenberg-Marquardt algorithm (E-LM), enhanced Steepest Descent algorithm (E-SD)을 고려한다. 도 5는 벽이 없는 상황에서 위치 추정 기법들의 성능을 나타낸 표이고, 도 6은 벽이 있는 상황을 가정한다. 도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 다변측량법은 굉장히 좋지 않은 성능을 나타낸다. 도 5를 분석한 것은 다음과 같다. 벽이 없음에도 불구하고 다중 경로의 효과가 높은 3번과 5번 채널에서는 본 발명이 제안한 기법을 적용하였을 때 더 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있고, 다중 경로의 효과가 적은 1번, 2번, 4번 채널에서는 거의 같은 성능을 보임을 확인할 수 있다. 도 6을 분석한 것은 다음과 같다. 먼저는 본 발명의 기법을 제안하였을 때 현저한 성능 향상을 확인할 수 있다. 심지어 벽이 없는 상황에서 본 기법을 적용하였을 때, 벽이 없는 상황인 도 5와 비교해보더라도 더 좋은 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 도 7은 벽의 두께를 2m로 늘려서 벽으로 인해 더 위치추정을 하기 어려운 상황을 가정하였을 때 LM 및 E-LM이 성능을 나타낸다. 도 7을 분석한 결과는 다음과 같다. 기존의 기법은 심각하게 성능이 떨어지지만, 본 발명이 제안한 기법을 적용하면 오히려 성능이 더 향상하여 기존의 기법과의 성능차이가 더 커진다는 것을 확인할 수 있다.A simulation was conducted to explain the effect of the invention, and the environment of the simulation is as follows. First, as before, assuming a three-dimensional Euclidean space. The building is
Figure 112019081520279-pat00101
It is assumed to be a rectangular parallelepiped in shape. At this time, the refractive index and thickness of all walls are 2.73 and 0.5m, and the position of the anchor placed for position estimation is
Figure 112019081520279-pat00102
to be. In measurement error
Figure 112019081520279-pat00103
Suppose that follows a normal distribution with a mean and variance of 0.1m,
Figure 112019081520279-pat00104
Assumes an error obtained according to channels 1-5 specified in IEEE 802.15.4a. Of the wall
Figure 112019081520279-pat00105
To extract the value
Figure 112019081520279-pat00106
Can be placed on the wall and in the way mentioned earlier
Figure 112019081520279-pat00107
Can be obtained, and the obtained values are 1.385m, 1.080m, 1.385m, and 1.080m. in reality
Figure 112019081520279-pat00108
Is 0.865m. In the present invention, the estimation accuracy is expressed as the root mean square of the error. To obtain this, tags are randomly placed and calculated to follow a uniform distribution in the building during 10000 iterations. In addition, the position estimation technique considered in the present invention is multilateral survey method, multilateration, GN, LM, SD, enhanced Gauss-Newton algorithm (E-GN), enhanced Levenberg-Marquardt algorithm (E-LM), enhanced Steepest Descent algorithm (E- SD). 5 is a table showing the performance of location estimation techniques in a situation where there is no wall, and FIG. 6 assumes a situation where there is a wall. As shown in Figs. 5 and 6, the multilateral survey method shows very poor performance. Analysis of FIG. 5 is as follows. In channels 3 and 5, which have high multi-path effects despite the absence of a wall, it can be seen that better performance is shown when the scheme proposed by the present invention is applied. It can be seen that the 4th channel shows almost the same performance. Analysis of FIG. 6 is as follows. First, when the technique of the present invention is proposed, remarkable performance improvement can be confirmed. Even when this technique is applied in a situation where there is no wall, it can be seen that even when compared with FIG. 5, which is a situation where there is no wall, better performance is displayed. 7 shows the performance of the LM and E-LM assuming a situation where it is difficult to estimate the location due to the wall by increasing the thickness of the wall to 2m. The results of analyzing FIG. 7 are as follows. Although the existing technique is seriously degraded in performance, it can be seen that when the technique proposed by the present invention is applied, the performance is further improved and the difference in performance from the existing technique is increased.

다음으로는 본 발명에서 제안하는 E-DoP의 효과를 모의실험으로 보이고자 한다. 세 가지의 환경을 고려하는데 앞서 언급한 모의 실험과 다른 점만 언급하면 아래와 같다.Next, the effect of the E-DoP proposed in the present invention will be shown by simulation. Considering the three environments, the differences from the above-mentioned simulation are as follows.

(i) 조건은 앵커 배치는 (27,0,0), (-27,0,0), (0,27,20), (0,-27,20), 벽의 두께는 0.5m이다.(i) Conditions are anchor arrangements (27,0,0), (-27,0,0), (0,27,20), (0,-27,20), and the wall thickness is 0.5m.

(ii)조건은 앵커 배치는 (27,20,0),(20,27,0),(-,27,-20,0),(-20,-27,0),(27,20,20), (20,27,20),(-27,-20,20), (-20,-27,20)이고, 벽의 두께는 0.5m이다. (ii) Conditions are (27,20,0),(20,27,0),(-,27,-20,0),(-20,-27,0),(27,20, 20), (20,27,20),(-27,-20,20), (-20,-27,20), and the wall thickness is 0.5m.

(iii)조건은 앵커 배치는 (ii)조건과 같은 배치이고, 벽의 두께는 1m이다.(iii) The anchor arrangement is the same arrangement as the (ii) condition, and the wall thickness is 1m.

DoP와 E-DoP는 10000번의 반복 동안 균일하게 임의 배치한 태그에 대해서 계산하여 평균 값을 얻는다. 도 8은 위의 (i) 내지 (iii) 조건에 대해서 DoP와 E-DoP를 나타내고, 도 9는 LM과 E-LM을 같은 위치의 태그에 대해서 얻은 오차의 제곱 평균 제곱근의 평균값을 나타낸다. 도 8 및 9를 통해, 다음과 같은 분석을 할 수 있다. 먼저 (i) 내지 (iii) 조건은 벽이 없을 때 비슷한 LM과 E-LM 성능을 얻는데 이는 세 환경이 같은 DoP값을 갖기 때문이다. 반면 벽이 있을 때, 세 환경의 LM 및 E-LM의 오차의 제곱 평균 제곱근은 다음과 같은 대소 관계, (i)조건 < (ii)조건 < (iii)조건이고, 이는 정확히 E-DoP의 대소 관계와 일치함을 알 수 있다.DoP and E-DoP are calculated for the tags uniformly randomly arranged during 10000 iterations to obtain an average value. FIG. 8 shows the DoP and E-DoP for the above conditions (i) to (iii), and FIG. 9 shows the average value of the root mean square of the error obtained for the tag at the same location as LM and E-LM. 8 and 9, the following analysis can be performed. First, conditions (i) to (iii) obtain similar LM and E-LM performance when there is no wall, because the three environments have the same DoP value. On the other hand, when there is a wall, the square root of the squared error of the LM and E-LM in the three environments is the following large-and-small relationship, (i) condition <(ii) condition <(iii) condition, which is exactly the magnitude of E-DoP. You can see that it matches the relationship.

따라서, 실시 예에 따른 개선된 E-DoP는 벽이 있을 때도 사용할 수 있으며, 이를 통해, 효율적인 실내 위치 추정이 가능하다.Therefore, the improved E-DoP according to the embodiment can be used even when there is a wall, and through this, efficient indoor location estimation is possible.

본 발명의 일 실시 예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다. An embodiment of the present invention may also be implemented in the form of a recording medium including instructions executable by a computer, such as a program module executed by a computer. Computer-readable media may be any available media that can be accessed by a computer, and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Further, the computer-readable medium may include both computer storage media and communication media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data. Communication media typically includes computer readable instructions, data structures, program modules, or other data in a modulated data signal such as a carrier wave, or other transmission mechanism, and includes any information delivery media.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that other specific forms can be easily modified without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and are not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (11)

실내 위치 추정 장치에 있어서,
다수의 벽들이 존재하는 실내에 위치한 태그와의 거리를 측정하기 위해, 실외에 서로 다른 위치에 배치된 적어도 셋 이상의 앵커들; 및
상기 앵커들로부터 측정된 태그와의 거리들과, 상기 다수의 벽들에 의한 지연 정보를 기초로 상기 태그의 위치를 계산하는 제어부를 포함하고,
상기 지연 정보는,
각각의 벽의 굴절률과 두께에 의해 결정되고,
상기 제어부는,
상기 지연 정보를 계산하기 위해, 상기 적어도 셋 이상의 앵커들끼리의 서로의 위치를 추정하고, 각각의 앵커들 사이를 연결한 라인이 상기 실내에 존재하는 모든 벽들을 포함하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 실내 위치 추정 장치.
In the indoor position estimation device,
At least three or more anchors disposed at different locations outdoors to measure a distance from a tag located indoors where a plurality of walls are present; And
And a control unit for calculating the position of the tag based on the distances to the tag measured from the anchors and delay information due to the plurality of walls,
The delay information,
Determined by the refractive index and thickness of each wall,
The control unit,
In order to calculate the delay information, the positions of the at least three or more anchors are estimated, and a line connecting each of the anchors is set to include all walls existing in the room. Position estimation device.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 앵커들 사이의 거리는 다음 수학식 2 및 3에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 실내 위치 추정 장치.
[수학식 2]
Figure 112020139178588-pat00109
,
Figure 112020139178588-pat00110
:
Figure 112020139178588-pat00111
번째 앵커와
Figure 112020139178588-pat00112
번째 앵커를 선으로 그었을 때 지나치는 벽의 집합을 의미하고,
[수학식 3]
Figure 112020139178588-pat00113
,
Figure 112020139178588-pat00114
: 다중 경로로 인해 생기는 오차의 평균 값이고,
Figure 112020139178588-pat00115
: 측정 기기로 인해 생기는 오차의 평균 값임
The method of claim 1,
The indoor position estimation apparatus, characterized in that the distance between the anchors is calculated by the following equations 2 and 3.
[Equation 2]
Figure 112020139178588-pat00109
,
Figure 112020139178588-pat00110
:
Figure 112020139178588-pat00111
First anchor and
Figure 112020139178588-pat00112
It means the set of walls that pass when the first anchor is drawn with a line,
[Equation 3]
Figure 112020139178588-pat00113
,
Figure 112020139178588-pat00114
: It is the average value of the error caused by multiple paths,
Figure 112020139178588-pat00115
: This is the average value of the error caused by the measuring device.
제 1 항에 있어서,
상기 태그와, 서로 다른 위치에 배치된 적어도 셋 이상의 앵커들의 배치의 의 적절성을 평가하는 E-DoP값은 다음 수학식 10에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 실내 위치 추정 장치.
[수학식 10]
Figure 112019081520279-pat00116
,
Figure 112019081520279-pat00117
는 대각성분을 1, 비대각 성분을
Figure 112019081520279-pat00118
로 갖는
Figure 112019081520279-pat00119
행렬.
The method of claim 1,
The indoor position estimation apparatus, characterized in that the E-DoP value for evaluating the appropriateness of the tag and the arrangement of at least three or more anchors arranged at different positions is calculated by the following equation (10).
[Equation 10]
Figure 112019081520279-pat00116
,
Figure 112019081520279-pat00117
Is 1 for the diagonal component and 1 for the non-diagonal component.
Figure 112019081520279-pat00118
Having as
Figure 112019081520279-pat00119
procession.
실내 위치 추정 방법에 있어서,
다수의 벽들이 존재하는 실내에 위치한 태그와의 거리를 측정하기 위해, 실외에 서로 다른 위치에 배치된 적어도 셋 이상의 앵커들로부터 상기 태그와의 거리를 수신하는 단계; 및
상기 앵커들로부터 측정된 태그와의 거리들과, 상기 다수의 벽들에 의한 지연 정보를 기초로 상기 태그의 위치를 계산하는 단계를 포함하고,
상기 지연 정보는, 각각의 벽의 굴절률과 두께에 의해 결정되고,
상기 지연 정보를 계산하기 위해, 상기 적어도 셋 이상의 앵커들끼리의 서로의 위치를 추정하고, 각각의 앵커들 사이를 연결한 라인이 상기 실내에 존재하는 모든 벽들을 포함하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 실내 위치 추정 방법.
In the indoor location estimation method,
Receiving a distance to the tag from at least three or more anchors disposed at different locations outdoors to measure a distance to a tag located indoors where a plurality of walls are present; And
Computing the position of the tag based on the distances to the tag measured from the anchors and delay information due to the plurality of walls,
The delay information is determined by the refractive index and thickness of each wall,
In order to calculate the delay information, the positions of the at least three or more anchors are estimated, and a line connecting each of the anchors is set to include all walls existing in the room. How to estimate your location.
삭제delete 삭제delete 제 6 항에 있어서,
상기 앵커들 사이의 거리는 다음 수학식 2 및 3에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 실내 위치 추정 방법.
[수학식 2]
Figure 112020139178588-pat00120
,
Figure 112020139178588-pat00121
:
Figure 112020139178588-pat00122
번째 앵커와
Figure 112020139178588-pat00123
번째 앵커를 선으로 그었을 때 지나치는 벽의 집합을 의미하고,
[수학식 3]
Figure 112020139178588-pat00124
,
Figure 112020139178588-pat00125
: 다중 경로로 인해 생기는 오차의 평균 값이고,
Figure 112020139178588-pat00126
: 측정 기기로 인해 생기는 오차의 평균 값임
The method of claim 6,
The indoor location estimation method, characterized in that the distance between the anchors is calculated by the following equations 2 and 3.
[Equation 2]
Figure 112020139178588-pat00120
,
Figure 112020139178588-pat00121
:
Figure 112020139178588-pat00122
First anchor and
Figure 112020139178588-pat00123
It means the set of walls that pass when the first anchor is drawn with a line,
[Equation 3]
Figure 112020139178588-pat00124
,
Figure 112020139178588-pat00125
: It is the average value of the error caused by multiple paths,
Figure 112020139178588-pat00126
: This is the average value of the error caused by the measuring device.
제 6 항에 있어서,
상기 태그와, 서로 다른 위치에 배치된 적어도 셋 이상의 앵커들의 배치의 의 적절성을 평가하는 E-DoP값은 다음 수학식 10에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 실내 위치 추정 방법.
[수학식 10]
Figure 112019081520279-pat00127
,
Figure 112019081520279-pat00128
는 대각성분을 1, 비대각 성분을
Figure 112019081520279-pat00129
로 갖는
Figure 112019081520279-pat00130
행렬.
The method of claim 6,
The indoor position estimation method, characterized in that the E-DoP value for evaluating the appropriateness of the tag and the arrangement of at least three or more anchors arranged at different positions is calculated by Equation 10 below.
[Equation 10]
Figure 112019081520279-pat00127
,
Figure 112019081520279-pat00128
Is 1 for the diagonal component and 1 for the non-diagonal component.
Figure 112019081520279-pat00129
Having as
Figure 112019081520279-pat00130
procession.
제 6 항, 제 9 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 실내 위치 추정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체.A recording medium on which a program for executing the indoor location estimation method according to any one of claims 6, 9 to 10 on a computer is recorded.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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