KR102566519B1 - 다중경로 페이딩 환경에서 gps 정확도를 개선하는 위치 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중경로 페이딩 환경에서 GPS 정확도를 개선하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 도시의 고층 건물 등에 설치되는 기준국을 이용하여 reflected 위성 신호를 식별하고, 해당 위성 신호를 보정함으로써 GPS 정확도를 개선하는 방법에 관한 것이다.

Description

다중경로 페이딩 환경에서 GPS 정확도를 개선하는 위치 측정 방법{POSITION MEASURING METHOD FOR IMPROVING ACCURACY OF GPS IN MULTIPATH FADING}

본 발명은 다중경로 페이딩 환경에서 GPS 정확도를 개선하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 도시의 고층 건물 등에 설치되는 기준국을 이용하여 reflected 위성 신호를 식별하고, 해당 위성 신호를 보정함으로써 GPS 정확도를 개선하는 방법에 관한 것이다.

GPS(Global Positioning System)는 GPS 위성에서 보내는 신호를 수신해 사용자의 현재 위치를 계산하는 위성항법시스템이다. 항공기, 선박, 자동차 등의 내비게이션장치에 널리 이용되고 있다. GPS를 이용하여 위치를 파악하기 위해서 일반적으로는 도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 삼각측량법을 이용하며 위치변수(x,y,z) 외에 시간에 관한 변수가 포함되어 최소 4개 이상의 위성으로부터 신호를 수신한다.

그러나, 도 3과 같이 도심의 빌딩 숲 등 다중경로 페이딩의 영향이 큰 지역에서는 기존의 방법을 그대로 이용하게 되는 경우, 그 정확도가 떨어져(도 4 참조) 자율주행차, 측량 등의 고정밀의 측위를 요하는 분야에서는 이를 그대로 이용하기가 어렵다. GPS의 정확도를 높이기 위하여 DGPS, RTK, Network RTK 등의 고정밀 위치 정보를 제공할 수 있는 방식이 개발되었다. 하지만, 다중경로 페이딩의 영향이 큰 지역에서는 정밀도가 급격히 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, cascade 형태로 기준국을 구축하고, 위성으로부터 수신되는 direct 신호와 reflected 신호를 구분하여 보정함으로써 다중경로 페이딩 환경에서 GPS 정확도를 개선하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 다중경로 페이딩 환경에서 GPS 정확도를 개선하는 방법은, 대상체가 위성으로부터 direct 신호와 delay가 큰 reflected 신호를 함께 수신하는 경우이다. 상기 delay가 큰 reflected 신호는 기준국에서 검출되며, 이는 direct 신호에 비하여 먼 곳에서 reflected 되었을 확률이 높으므로 상기 대상체의 근처에 위치한 기준국과 상기 대상체는 동일한 신호를 수신하는 것으로 가정할 수 있다. 상기 기준국은 검출된 reflected 신호의 profile 정보를 상기 대상체에 전송하고, 상기 대상체는 direct 신호만을 측위에 활용한다.

또한, 대상체가 위성으로부터 reflected 신호만을 수신하는 경우이다. 마찬가지로 reflected 신호의 profile 정보를 이용하여 delay가 큰 신호와 delay가 작은 신호를 구분한다. delay가 큰 신호의 경우 상기 기준국에서 보정된 정보도 알 수 있으므로 이를 바탕으로 대상체는 delay가 큰 신호를 보정한다. 이 때, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 위성에서부터 대상체까지의 거리가 최초 측정치 보다 짧아지면서 삼각측량때의 세 원의 교차점이 유지되는 방향으로 진행된다. delay가 큰 신호와 delay가 작은 신호는 각기 보정되어 soft combine 방식으로 최종 보정 신호를 만든다.

또한, 대상체가 위성으로부터 direct 신호, delay가 큰 reflected 신호 및 delay가 작은 reflected 신호 모두를 수신하는 경우이다. 우선, delay가 큰 신호를 분류하는 작업을 먼저 수행한다. 다음으로 direct 신호와 delay가 작은 reflected 신호를 분류할 때, 수신 윈도우의 크기를 정하고 수신 신호가 일정 레벨 이하인 경우에 해당 신호를 reflected 신호로 간주한다. 이 때, 윈도우 크기와 수신 신호 레벨은 기준국에 의하여 측정될 수 있다. direct 신호, delay가 큰 신호와 delay가 작은 신호는 각기 보정되어 soft combine 방식으로 최종 보정 신호를 만든다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 위치 측정 방법은 복수의 위성으로부터 대상체의 위치를 확인하기 위한 복수의 위치 신호가 전송되는 단계; 상기 대상체와 상기 대상체의 위치 측정에 사용되는 기준국이 상기 복수의 위치 신호를 수신하는 단계; 상기 대상체가 상기 기준국으로부터 상기 기준국이 수신한 위치 신호의 프로필 정보를 수신하는 단계; 및 상기 대상체가 수신한 상기 복수의 위치 신호와 상기 프로필 정보를 이용하여 상기 대상체의 위치를 계산하는 단계; 를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 도심의 빌딩 숲 등의 다중경로 페이딩 환경에서 GPS 정확도를 개선시킬 수 있다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 삼각측량법을 이용하여 대상체의 위치를 측정하는 방법을 도시한 것이다.
도 2는 4개의 위성을 통해 대상체의 위치를 측정하는 방법을 도시한 것이다.
도 3은 도심에서의 다중경로 페이딩 환경을 환경을 도시한 것이다.
도 4는 다중경로 페이딩의 영향으로 인해 위성 신호의 정확성이 떨어지는 상황을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 GPS 정확도를 개선하는 방법의 제1 실시예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 GPS 정확도를 개선하는 방법의 제2 실시예를 도시한 것이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 위성 신호의 범위를 보정하는 방법을 도시한 것이다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 GPS 정확도를 개선하는 방법의 제3 실시예를 도시한 것이다.
도 12는 종래 기준국, 제어국, 감시국으로 이루어지던 GPS 시스템과 본 발명에 따른 기준국이 cascade 형태로 구성된 GPS 시스템을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명에 따른 cascade 형태로 구축되어 상위 레벨의 기준국이 하위 레벨의 기준국을 단계적으로 보정하는 것을 도시한 것이다.
도 14는 무선 통신 네트워크에서 GPS 정확도를 개선하기 위한 각 구성을 포함하는 시스템의 일례를 도시한 것이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.

이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 다중경로 페이딩 환경에서 GPS 정확도를 개선하는 방법을 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 GPS 정확도를 개선하는 방법의 제1 실시예를 도시한 것이다.

도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 고층 건물 등으로 인한 페이딩 환경에서 고층 건물의 옥상에 설치된 기준국을 이용하여 GPS 정확도를 개선할 수 있다.

본 발명에 따른 제1 실시예는 크게 세 가지 경우로 구분될 수 있다.

첫 번째는 대상체(차량)가 위성으로부터 direct 신호와 delay가 큰 reflected 신호를 함께 수신하는 경우이다. 상기 delay가 큰 reflected 신호는 기준국에서 검출되며, 이는 direct 신호에 비하여 먼 곳에서 reflected 되었을 확률이 높으므로 상기 대상체의 근처에 위치한 기준국과 상기 대상체는 동일한 신호를 수신하는 것으로 가정할 수 있다. 상기 기준국은 검출된 reflected 신호의 profile 정보를 상기 대상체에 전송하고, 상기 대상체는 direct 신호만을 측위에 활용한다.

두 번째는 대상체가 위성으로부터 reflected 신호만을 수신하는 경우이다. 마찬가지로 reflected 신호의 profile 정보를 이용하여 delay가 큰 신호와 delay가 작은 신호를 구분한다. delay가 큰 신호의 경우 상기 기준국에서 보정된 정보도 알 수 있으므로 이를 바탕으로 대상체는 delay가 큰 신호를 보정한다. 이 때, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 위성에서부터 대상체까지의 거리가 최초 측정치 보다 짧아지면서 삼각측량때의 세 원의 교차점이 유지되는 방향으로 진행된다. delay가 큰 신호와 delay가 작은 신호는 각기 보정되어 soft combine 방식으로 최종 보정 신호를 만든다.

세 번째는 대상체가 위성으로부터 direct 신호, delay가 큰 reflected 신호 및 delay가 작은 reflected 신호 모두를 수신하는 경우이다. 우선, delay가 큰 신호를 분류하는 작업을 먼저 수행(첫 번째 경우 참조)한다. 다음으로 direct 신호와 delay가 작은 reflected 신호를 분류할 때, 수신 윈도우의 크기를 정하고 수신 신호가 일정 레벨 이하인 경우에 해당 신호를 reflected 신호로 간주한다. 이 때, 윈도우 크기와 수신 신호 레벨은 기준국에 의하여 측정될 수 있다. direct 신호, delay가 큰 신호와 delay가 작은 신호는 각기 보정되어 soft combine 방식으로 최종 보정 신호를 만든다.

도 6은 본 발명에 따른 GPS 정확도를 개선하는 방법의 제2 실시예를 도시한 것이다.

상기 대상체 및 기준국은 위성으로부터 수신한 direct 신호 및 reflected 신호를 모두 서버로 전송하고, 상기 서버는 수신한 위성 신호의 정보를 이용하여 상기 도 7에서와 같은 방법으로 보정할 수 있다. 예를 들어, 도 8과 같이 대상체가 4개의 위성으로부터 신호를 수신하였는데, 그 중 2개의 위성(붉은색, 흰색) 신호가 다중경로 페이딩으로 인하여 대상체의 위치 오차 범위(주황색)가 크게 나타난다. 이 때, 상기 서버는 보정된 정보를 상기 기준국/대상체에 전송하여 상기 2개의 위성 신호를 보정하면 도 9와 같이 보다 정확한 측위가 가능하다.

도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 GPS 정확도를 개선하는 방법의 제3 실시예를 도시한 것이다.

상기 제1 실시예 및 제2 실시예와 달리, 자신의 위치를 정확히 알고 있는 몇 개의 대상체가 기준국의 역할을 수행하도록 하는 방법이다. 위치를 알고 있는 대상체는 다른 대상체 중에서 direct 신호를 받지 못하는 위성의 정보를 보정하여 위치 정확도를 개선하거나 위치를 알고 있는 다수의 대상체를 이용하여 서로간의 통신을 통한 삼각측량 방식으로 위치 정확도를 개선할 수 있다.

도 12는 종래 기준국, 제어국, 감시국으로 이루어지던 GPS 시스템과 본 발명에 따른 기준국이 cascade 형태로 구성된 GPS 시스템을 도시한 것이다.

도 12(a)와 같이 종래의 시스템의 경우 하나의 제어국에서 처리해야 하는 용량이 많아지게 되므로 다수의 사용자를 수용하기 어렵게 되고, 기준국의 품질을 감시하는 제어국의 수도 기준국의 수보다 현저히 적기 때문에 완벽한 감시가 어렵다.

그러나, 도 12(b)와 같이 cascade 형태로 기준국을 구축하면, 하위 level의 기준국이 상위 level의 기준국을 감시하는 역할을 하여 다수의 감시국을 가질 수 있다. 하위 level의 기준국은 상위 level의 기준국보다 동일하거나 저가의 GPS 수신장치가 사용되며, 상위 level의 기준국이 하위 level 기준국의 위치를 보정해 준다. 따라서, 하위 level 기준국의 경우 저가의 GPS 수신장치로 구성할 수 있어, 기준국을 구축하는 비용을 줄일 수 있게 된다.

도 13은 본 발명에 따른 cascade 형태로 구축되어 상위 레벨의 기준국이 하위 레벨의 기준국을 단계적으로 보정하는 것을 도시한 것이다.

도 14는 무선 통신 네트워크에서 GPS 정확도를 개선하기 위한 각 구성을 포함하는 시스템의 일례를 도시한 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 복수의 위성으로부터 대상체의 위치를 확인하기 위한 복수의 위치 신호가 전송되는 단계;
   상기 대상체와 상기 대상체의 위치 측정에 사용되는 기준국이 상기 복수의 위치 신호를 수신하는 단계;
   상기 대상체와 상기 기준국이 상기 복수의 위성으로부터 수신한 복수의 위치 신호에 대한 정보를 위치 측정 서버로 전송하는 단계;
   상기 위치 측정 서버가 상기 대상체의 위치 오차 범위가 줄어들도록 상기 복수의 위치 신호에 대한 정보를 보정하여 상기 대상체에 제공하는 단계; 및
   상기 대상체는 상기 복수의 위성으로부터 수신된 복수의 위치 신호와 상기 위치 측정 서버로부터 제공받은 상기 보정된 복수의 위치 신호에 관한 정보를 이용하여 상기 대상체의 위치를 계산하는 단계를 포함하되,
   상기 대상체가 수신한 복수의 위치 신호가 다이렉트(direct) 위치 신호와 리플렉트(reflect) 위치 신호를 포함하는 경우, 상기 위치 측정 서버는 상기 기준국이 수신한 복수의 위치 신호에 관한 정보를 이용하여 상기 대상체가 수신한 다이렉트 위치 신호와 리플렉트 위치 신호를 분류하고, 상기 분류된 리플렉트 위치 신호를 보정하는 것을 특징으로 하는 다중경로 페이딩 환경에서의 위치 측정 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 대상체가 수신한 리플렉트 위치 신호가 고지연 리플렉트 위치 신호인 경우,
   상기 계산하는 단계는, 상기 대상체가 수신한 상기 복수의 위치 신호 중 다이렉트 위치 신호만을 이용하여 상기 대상체의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중경로 페이딩 환경에서의 위치 측정 방법.
3. 복수의 위성으로부터 대상체의 위치를 확인하기 위한 복수의 위치 신호가 전송되는 단계;
   상기 대상체와 상기 대상체의 위치 측정에 사용되는 기준국이 상기 복수의 위치 신호를 수신하는 단계;
   상기 대상체와 상기 기준국이 상기 복수의 위성으로부터 수신한 복수의 위치 신호에 대한 정보를 위치 측정 서버로 전송하는 단계;
   상기 위치 측정 서버가 상기 대상체의 위치 오차 범위가 줄어들도록 상기 복수의 위치 신호에 대한 정보를 보정하여 상기 대상체에 제공하는 단계; 및
   상기 대상체는 상기 복수의 위성으로부터 수신된 복수의 위치 신호와 상기 위치 측정 서버로부터 제공받은 상기 보정된 복수의 위치 신호에 관한 정보를 이용하여 상기 대상체의 위치를 계산하는 단계를 포함하되,
   상기 대상체가 수신한 복수의 위치 신호가 저지연 리플렉트(reflect) 위치 신호와 고지연 리플렉트 위치 신호를 포함하는 경우,
   상기 기준국이 수신한 위치 신호에 관한 정보를 이용하여 상기 저지연 리플렉트 위치 신호와 상기 고지연 리플렉트 위치 신호를 구분하고, 상기 저지연 리플렉트 위치 신호와 상기 고지연 리플렉트 위치 신호에 대한 보정 신호를 제공하는 단계; 및
   상기 기준국이 수신한 위치 신호에 대한 보정 신호를 이용하여 최종 보정 신호를 생성하는 단계;를 더 포함하고,
   상기 계산하는 단계는, 상기 대상체가 상기 기준국으로부터 상기 기준국이 수신한 위치 신호에 관한 정보와 상기 최종 보정 신호를 수신하여 상기 대상체의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중경로 페이딩 환경에서의 위치 측정 방법.
4. 복수의 위성으로부터 대상체의 위치를 확인하기 위한 복수의 위치 신호가 전송되는 단계;
   상기 대상체와 상기 대상체의 위치 측정에 사용되는 기준국이 상기 복수의 위치 신호를 수신하는 단계;
   상기 대상체와 상기 기준국이 상기 복수의 위성으로부터 수신한 복수의 위치 신호에 대한 정보를 위치 측정 서버로 전송하는 단계;
   상기 위치 측정 서버가 상기 대상체의 위치 오차 범위가 줄어들도록 상기 복수의 위치 신호에 대한 정보를 보정하여 상기 대상체에 제공하는 단계; 및
   상기 대상체는 상기 복수의 위성으로부터 수신된 복수의 위치 신호와 상기 위치 측정 서버로부터 제공받은 상기 보정된 복수의 위치 신호에 관한 정보를 이용하여 상기 대상체의 위치를 계산하는 단계를 포함하되,
   상기 대상체가 수신한 복수의 위치 신호가 다이렉트(direct) 위치 신호, 저지연 리플렉트(reflect) 위치 신호 및 고지연 리플렉트 위치 신호를 포함하는 경우,
   상기 기준국은 상기 기준국이 수신한 위치 신호에 관한 정보를 이용하여 상기 고지연 리플렉트 위치 신호를 구분하고, 수신 신호 레벨에 따라 상기 다이렉트 위치 신호와 상기 저지연 리플렉트 위치 신호를 구분하여, 상기 기준국이 수신한 위치 신호 각각에 대한 보정 신호를 제공하는 단계; 및
   상기 기준국이 수신한 위치 신호에 대한 보정 신호를 이용하여 최종 보정 신호를 생성하는 단계;를 더 포함하고,
   상기 계산하는 단계는, 상기 대상체가 상기 기준국으로부터 상기 기준국이 수신한 위치 신호에 관한 정보와 상기 최종 보정 신호를 수신하여 상기 대상체의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중경로 페이딩 환경에서의 위치 측정 방법.
5. 삭제
6. 제1 항에 있어서, 상기 기준국은,
   일정한 위치에 설치되어 고정되는 것을 특징으로 하는 다중경로 페이딩 환경에서의 위치 측정 방법.
7. 제1 항에 있어서, 상기 기준국은,
   위치 확인이 가능한 다른 대상체인 것을 특징으로 하는 다중경로 페이딩 환경에서의 위치 측정 방법.