KR102574736B1 - 수신 성능이 개선된 gps 수신 장치 - Google Patents

Abstract

수신 강도가 개선된 GPS 수신 장치가 제공된다. 상기 GPS 수신 장치는 케이스, 상기 케이스의 내부 저면 및 측면을 감싸 내부 공간을 형성하는 차폐판, 상기 내부 공간에 배치되어 전원을 공급하는 배터리, 상기 내부 공간에 배치되고 GPS 수신모듈이 실장되는 기판, 및 상기 내부 공간에 배치되고 GPS 신호를 수신하는 안테나를 포함한다.

Description

수신 성능이 개선된 GPS 수신 장치{GPS RECEIVING DEVICE WITH IMPROVED RECPTION PERFORMANCE}

본 발명은 수신 성능이 개선된 GPS 수신 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 GPS 수신 장치의 차폐 성능 및 신호 선택 성능을 개선함으로써 수신 성능이 개선된 GPS 수신 장치에 관한 것이다.

GPS(Global Positioning System) 수신 장치는 GPS 위성에서 송신된 신호를 수신하여 위성과 수신기의 위치를 결정하는 장치이다. GPS 수신 장치는 위성에서 송신된 신호와 수신된 신호 사이의 시간차에 기초하여 위성과 수신기 사이의 거리를 구한 후, 최소 3개의 위성과의 거리 및 각 위성들의 위치에 기초하여 수신 장치의 위치를 계산할 수 있다.

GPS 수신 장치는 스마트폰, 차량용 네비게이션 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 그런데 통상의 GPS 수신 장치는 수신 장치 주변의 지형, 장애물의 배치 상태 등의 영향에 따라 위치 정보 획득 시 일정한 수준의 오차를 가지며, 이는 장치에 따라 10~30m에 이를 수 있다.

이러한 수준의 오차는 상술한 일반 차량용 네비게이션에서는 크게 문제없이 사용할 수 있는 수준이나, 최근 각광받고 있는 도심항공교통(Urban Air Mobility; UAM)이나 완전자율주행과 같이 초고정밀도의 위치 정보가 필요한 적용 분야에서는 활용되기 어렵다.

따라서 통상적인 수신 장치보다 정밀한 GPS 위치 정보를 획득할 수 있는 GPS 수신 장치가 계속적으로 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 정확한 GPS 위치 정보를 획득하기 위한 개선 사항을 구비한 GPS 수신 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 GPS 수신 장치는, 케이스, 상기 케이스의 내부 저면 및 측면을 감싸 내부 공간을 형성하는 차폐판, 상기 내부 공간에 배치되어 전원을 공급하는 배터리, 상기 내부 공간에 배치되고 GPS 수신모듈이 실장되는 기판, 및 상기 내부 공간에 배치되고 GPS 신호를 수신하는 안테나를 포함한다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 기판은, 상기 GPS 모듈을 제어하는 마이크로컨트롤러를 더 포함하고, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 GPS 수신모듈의 마스크 각도를 15도 이상으로 제어할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 GPS 수신모듈의 PDOP의 마스크값을 3 내지 5로 제어할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 GPS 수신모듈의 업데이트 주기를 5 내지 8Hz로 제어할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 차폐판은 내외부에 샌딩 처리되고, 금속성 물질을 포함하는 전자파 차폐 도료가 도포될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 차폐판은 스테인레스 스틸로 구성되고, 0.7mm~1.3mm의 두께를 가질 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신 장치는 케이스 내부에서 부품들에 대한 교란신호를 차폐파는 차폐판을 포함하여 GPS 신호의 수신 성능을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명의 GPS 수신 장치는 마스크 각도, PDOP 마스크 및 GPS 신호의 업데이트 주기를 적절히 설정함으로써 GPS 신호의 간섭을 감소시키고 위치 정보의 정확도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신 장치의 내부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신 장치의 향상된 성능을 설명하기 위한 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "연결된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 구성 요소와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "직접 연결된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소를 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성 요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성 요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성 요소 일 수도 있음은 물론이다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 GPS 수신 장치의 내부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신 장치(1)는 기판(10), 안테나(20) 및 배터리(30), 케이스(40) 및 차폐판(50)을 포함할 수 있다.

GPS 수신 장치(1)는 GPS 위성으로부터 위성의 상태 정보, 궤도 정보 및 오차 보정을 위한 계수가 포함된 항법 메시지(navigation message)를 수신하고, 복수의 GPS 위성으로부터 수신한 항법 메시지에 기초하여 GPS 수신 장치(1)의 경도, 위도 및 표고를 포함하는 위치 정보를 연산하여 출력할 수 있다.

GPS 수신 장치(1)는 케이스(40)와, 케이스(40) 내부에 부착된 차폐판(50), 차폐판(50)으로 둘러싸인 케이스(40) 내부의 공간에 배치되는 기판(10), 안테나(20) 및 배터리(30)로 구성될 수 있다.

기판(10)에는 GPS 수신 장치(1)에서 GPS 위치 정보를 연산하기 위한 연산부를 비롯하여 다양한 부품이 실장될 수 있다. 기판(10)에 실장되는 구성 요소와 관련하여 도 2를 이용하여 자세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신 장치의 내부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신 장치(1)는 마이크로컨트롤러(100), GPS 수신모듈(110), 블루투스 모듈(120), 커넥터(130), 전원부(140), 레귤레이터(150), 앰프(160) 및 필터(170) 등을 포함할 수 있다.

마이크로컨트롤러(100)는 GPS 수신 장치(1), 특히 기판(10)에 실장된 구성 요소들의 동작을 제어할 수 있다. 마이크로컨트롤러(100)는 레귤레이터(150)에 의해 전원을 제공받고, GPS 수신모듈(110)에 의해 생성된 위치 정보를 블루투스 모듈(120) 또는 커넥터(130)를 통해 외부로 출력하도록 제어할 수 있다.

GPS 수신모듈(110)은 안테나(20)를 통해 수신된 GPS 신호를 연산하여 위치 정보를 생성할 수 있다. GPS 수신모듈(110)은 GPS 위성으로부터 송신되는 항법 메시지를 수신하기 위한 복수의 파라미터를 보유하며, 본 발명의 GPS 수신 장치(1)가 향상된 GPS 수신 성능을 가질 수 있도록 한다. GPS 수신모듈(110)에 의해 제어될 수 있는 복수의 파라미터 및 그에 따른 GPS 수신 장치(1)의 수신 성능과 관련하여 별도로 후술한다.

GPS 수신모듈(110)은 안테나(20)를 통해 수신된 입력 신호가 앰프(160)를 통해 증폭되고 필터(170)를 통과함으로써 노이즈가 제거된 형태의 GPS 신호를 수신할 수 있다.

블루투스 모듈(120)은 블루투스 통신을 통해 GPS 수신 장치(1)와 연결되는 외부 장치와 무선으로 데이터를 송수신할 수 있다. 예를 들어 블루투스 모듈(120)은 저전력으로 데이터를 송수신할 수 있는 BLE(Bluetooth Low Energy) 프로토콜을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 블루투스 모듈(120)은 GPS 수신모듈(110)에 의해 생성된 위치 정보를 외부 장치에 송신할 수 있다.

커넥터(130)는 GPS 수신 장치(1)와 연결되는 외부 장치와 유선으로 연결되어 데이터를 송수신할 수 있다. 커넥터(130)는 예를 들어 USB(Universal Serial Bus)와 같은 통신 인터페이스를 이용할 수 있으며, GPS 수신모듈(110)에 의해 생성된 위치 정보를 외부 장치에 송신할 수 있다.

전원부(140)는 외부 전원으로부터 5V의 입력 전원을 제공받고, 배터리(30)를 충전하기 위한 전압을 생성하거나, 레귤레이터(150)를 통해 마이크로컨트롤러(100) 등에 제공할 전원을 제공할 수 있다.

상술한 마이크로컨트롤러(100), GPS 수신모듈(110), 블루투스 모듈(120) 및 커넥터(130)는 기판(10)에 실장될 수 있다.

기판(10), 안테나(20) 및 배터리(30)가 탑재되는 케이스(40) 내부에는 외부의 방해전파 등으로부터 기판(10) 및 안테나(20) 등을 차폐하기 위한 차폐판(50)이 배치될 수 있다. 차폐판(50)은 케이스(40)가 형성하는 내부 공간의 저면 및 측면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 차폐판(50)은 케이스(40)의 상면은 개방시킴으로써 GPS 신호를 수신하고, 블루투스 모듈(120)로부터 송신되는 블루투스 신호를 통과시킬 수 있다.

차폐판(50)은 전자파 차폐 도료 등으로 코팅될 수 있다. 차폐판(50)에 도포되는 전자파 차폐 도료는 안테나(20)가 수신하는 GPS 신호를 교란시키는 외부의 전자파 또는 노이즈 신호를 차단하기 위해 금속성 물질을 포함할 수 있으며, 이러한 금속성 물질은 예를 들어 구리, 니켈 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

차폐판(50)은 차폐 성능을 극대화하기 위하여 내외부에 샌딩 처리가 되어 표면에 미세한 요철 패턴이 형성될 수 있다. 이러한 요철 패턴은 외부의 교란신호를 효과적으로 차단하기 위한 전자파 흡수 성능을 향상시킴으로써 GPS 수신 장치(1)의 GPS 신호 수신 성능을 개선할 수 있다.

차폐판(50)은 금속 재질, 특히 스테인레스 스틸로 구성될 수 있으며, 0.7~1.3mm의 두께를 가질 수 있다. 차폐판(50)이 지나치게 두꺼울 경우 위치 정보 생성에 필요한 GPS 신호의 수신 성능과 외부 장치에 연결하기 위한 블루투스 신호의 송신 성능을 저하시키거나 GPS 수신 장치(1)의 무게를 증가시킬 수 있으며, 차폐판(50)이 지나치게 가벼울 경우 교란신호 차단 성능이 저하될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신 장치(1)는 GPS 수신 성능을 개선하기 위한 각종 파라미터에 의해 제어될 수 있다. GPS 수신모듈(110)는 이러한 파라미터를 이용하여 안테나(20)로부터 제공된 GPS 신호를 처리할 수 있다.

우선 GPS 수신모듈(110)은 안테나(20)가 GPS 위성으로부터 송신되는 신호 중 일정 각도 이하의 신호는 무시하도록 하는 마스크 각도(mask angle)를 15도 이상으로 할 수 있다. 마스크 각도가 15도 이하인 신호, 즉 수평선과 일정 각도 이하를 갖도록 수신되는 신호는 지면에 반사되어 수신되는 신호가 대부분으로, 이들을 수신하게 되는 경우 GPS 신호 오차가 증가하며 수신 감도 또한 통상의 신호보다 떨어질 수 있다. 따라서 GPS 수신모듈(110)은 마스크 각도가 15도 이하인 신호들은 무시하도록 설정될 수 있다.

또한, GPS 수신모듈(110)은 GPS 위성으로부터 수신한 신호 중 PDOP(Positional Dilution of Precision)의 마스크값을 3 내지 5, 바람직하게는 4로 제어함으로써 이보다 높은 PDOP 값을 갖는 위성 신호는 무시할 수 있다. 통상적으로 PDOP 마스크는 20 내지 25을 갖도록 설정될 수 있으나 이는 불필요하게 PDOP가 높은 신호를 수신함으로써 위치 정보 생성의 정확도를 감소시키는 요인이 될 수 있다. 따라서 본 발명의 GPS 수신 장치의 구성에 포함된 GPS 수신모듈(110)은 PDOP 마스크값을 3 내지 5 범위로 설정함으로써 수신 신호의 오차를 줄이고 위치 정보의 정확도를 높일 수 있다.

또한 GPS 수신모듈(110)은 GPS 신호의 업데이트 주기를 5 내지 9Hz, 바람직하게는 8Hz로 설정할 수 있다. 일정 속도로 움직이는 차량 등에서 위치 정보의 정확성을 높이기 위해서는 GPS 신호의 업데이트 주기를 가능한 높게 유지하는 것이 필요하다. 즉, 1초에 1번 GPS 업데이트를 수행하는 경우와, 10번 수행하는 경우를 비교하면 100km/h로 움직이는 차량의 위치 정확도는 25m 이상 차이가 날 수 있다.

그러나 GPS 신호의 업데이트 주기를 10Hz 이상으로 설정할 경우, 수신 신호의 간섭으로 인한 신호 감도의 저하로 인해 위치 정확도는 오히려 낮아질 수 있다. 따라서 본 발명의 GPS 수신 장치의 구성에 포함된 GPS 수신모듈(110)은 GPS 신호 수신의 업데이트 주기를 5 내지 8Hz로 설정함으로써 신호의 간섭을 최대한 줄이고, 위치 정보의 정확도를 높일 수 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신 장치의 향상된 성능을 설명하기 위한 그래프이다.

먼저 도 3을 참조하면, GPS 수신 장치에서 상술한 파라미터를 적용하지 않는 경우의 위치 정보에서 얻어지는 좌표의 분산 정도(도 3의 (a))와, HDOP(Horizontal Dilution of Precision) 및 PDOP(도 3의 (b))를 측정한 그래프이다. 이 경우 편차가 0.5m 내지 1m 이상으로 측정되며, 시간이 흐를수록 편차는 증가하는 패턴을 보인다. 또한 PDOP값은 1.0, HDOP값은 0.6 정도로 측정되는 것을 관찰할 수 있다.

한편 도 4를 참조하면, 본 발명의 GPS 수신 장치에서 상술한 파라미터를 적용한 경우의 위치 정보에서 얻어지는 좌표의 분산 정도(도 4의 (a)), HDOP 및 PDOP(도 4의 (b))를 측정한 그래프가 도시된다.

도시된 것과 같이 위치 정보에서 얻어지는 좌표의 분산 정도가 일정하게 하나의 위치에서 고정되며, HDOP 및 PDOP는 각각 0.9와 0.5로 측정됨으로써 수신 신호로부터 얻어지는 위치 정확도가 향상된 것을 관찰할 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 수신 장치의 향상된 성능을 설명하기 위한 그래프이다.

도 5를 참조하면, GPS 수신 장치에서 GPS 수신 주기를 10Hz로 설정한 경우의 GPS 위성 수신 현황(도 5의 (a)) 및 HDOP 및 PDOP(도 5의 (b))를 측정한 그래프가 도시된다. 도 5의 (a)의 경우 초록색 막대 위치 정보 생성에 사용할 수 있는 GPS 신호의 그래프를 의미하며, 파란색 그래프는 간섭으로 인해 위치 정보 생성에 사용하기 어려운 GPS 신호의 그래프를 의미한다. 각각의 그래프는 각 GPS 위성으로부터 송신된 GPS 신호의 수신 감도를 dB로 표현한 것이다. GPS 신호의 업데이트 주기가 10Hz 또는 그 이상으로 설정되는 경우, 총 수신 대상의 GPS 위성이 송신하는 신호 31개 중에서 간섭으로 인하여 12개의 신호만 위치 정보 생성에 사용할 수 있는 것으로 표현된다. 이 값은 GPS 수신 업데이트에 따라 실시간으로 변동하는 값으로, 15 내지 20개의 신호가 계속적으로 사용할 수 없는 것으로 측정되었다.

또한, 도 5의 (b)에 나타난 HDOP 및 PDOP는 각각 0.9와 1.6의 값을 갖는 것으로 측정된다.

한편 도 6을 참조하면, GPS 수신 장치에서 GPS 수신 주기를 8Hz로 설정한 경우의 GPS 위성 수신 현황(도 6의 (a)) 및 HDOP 및 PDOP(도 6의 (b))를 측정한 그래프가 도시된다. 도 6의 (a)에서 측정된 것과 같이 총 수신 대상의 GPS 위성이 송신하는 신호 31개 중에서 간섭으로 인하여 사용할 수 없는 신호는 3개인 것으로 표현되며, 측정 주기에서 이 값은 2 내지 5 정도를 나타내 신호간의 간섭이 감소하고 측정 감도가 향상된 것을 관찰할 수 있다.

또한, 도 6의 (b)에 나타난 HDOP 및 PDOP는 각각 0.5와 1.0의 값을 갖는 것으로 측정되어, GPS 신호의 위치 정확성 또한 10H로 설정한 경우보다 향상된 것을 알 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: GPS 수신 장치 10: 기판
20: 안테나 30: 배터리
40: 케이스 50: 차폐판
100: 마이크로컨트롤러 110: GPS 모듈
110: 객체 검출부 120: 특징점 연산부
130: 커넥터 140: 전원부
150: 레귤레이터 160: 앰프
170: 필터

Claims (6)

1. 케이스;
   상기 케이스의 내부 저면 및 측면을 감싸 내부 공간을 형성하는 차폐판;
   상기 내부 공간에 배치되어 전원을 공급하는 배터리;
   상기 내부 공간에 배치되고 GPS 수신모듈이 실장되는 기판;
   상기 내부 공간에 배치되고 GPS 신호를 수신하는 안테나; 및
   상기 GPS 수신모듈을 제어하는 마이크로컨트롤러를 포함하되,
   상기 마이크로컨트롤러는 상기 GPS 수신모듈의 마스크 각도를 15도 이상으로 제어하고,
   상기 마이크로컨트롤러는 상기 GPS 수신모듈의 PDOP의 마스크값을 3 내지 5로 제어하고,
   상기 마이크로컨트롤러는 상기 GPS 수신모듈의 업데이트 주기를 5 내지 8Hz로 제어하고,
   상기 차폐판은 내외부에 샌딩 처리되어 미세한 요철 패턴이 형성되고, 금속성 물질을 포함하는 전자파 차폐 도료가 도포된,
   GPS 수신 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   상기 차폐판은 스테인레스 스틸로 구성되고,
   0.7mm~1.3mm의 두께를 갖는,
   GPS 수신 장치.