KR102666203B1 - 도심지 특성을 고려한 다중 gnss 위성 선별 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성 선별 방법은 (a) 다중 GNSS의 복수의 가시위성 중 GNSS 별로 가장 높은 앙각을 갖는 복수의 제1 위성을 선택하는 단계, (b) 상기 복수의 가시위성 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 기준 위성으로 선택하는 단계, (c) 상기 기준 위성의 방위각을 활용하여 영역을 분할하는 단계, 및 (d) 분할된 복수의 영역별로 가장 낮은 앙각을 갖는 복수의 제2 위성을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성 선별 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MULTI-GNSS SATELLITE SELECTION CONSIDERING URBAN CANYON CHARACTERISTICS}

본원은 도심지 특성을 고려한 다중 GNSS(Global Navigation Satellite System) 위성 선별 장치 및 방법에 관한 것이다.

근래에 들어 다중 GNSS의 활용으로 가시위성의 수가 대폭 증가함에 따라 위치해 성능이 개선되었다. 반면, 가시위성 수의 증가는 위치해 산출 시 연산량의 증가를 수반하므로 높은 성능을 가진 고가의 GNSS 수신기가 요구된다. 차량, 무인 비행체, 핸드폰 등 저가형 GNSS 수신기가 탑재된 장비에서 모든 가시위성을 활용하는 것은 연산량 관점에서 큰 부담이 된다. 일반적으로 GNSS 위치해의 정확도는 가시위성의 수 보다 위성의 기하학적 배치에 더 크게 영향을 받는다. 따라서, 모든 가시위성을 고려하지 않고 일부 가시위성의 효율적인 조합을 위한 위성 선별 기법이 필요하다.

종래 기술로서 위성 앙각을 활용한 기법은 일반적으로 위성 선별 기법에서 자주 사용되는 기법이다. 제한된 위성 개수를 k 라고 할 때, 가시위성 중 가장 높은 앙각을 가진 위성을 k 개 선택한다. 이 같은 앙각 활용 기법은 후술할 Brute-force 기법에 비해 연산량이 대폭 감소하는 장점을 가졌다. 또한 가장 낮은 앙각을 가진 위성을 제거함으로써 수직 정밀도가 크게 증가한다. 하지만 위 기법은 위성 신호 상태 및 가중치를 고려하지 않는 단점이 있다.

또한, 종래의 Brute-force 기법(Optimal Method)은 최적 위성 조합을 선택하는데 최적화 되어있다. 구체적으로, Brute-force 기법은 모든 가시위성의 위성 조합을 구하고 그 중 최적의 위성 조합을 선별 후 위성을 선택하는 것으로서, 설정한 k에 따라 위성 조합 수가 대폭 증가한다. Brute-force 기법은 매우 큰 연산량을 가지기 때문에 실제 알고리즘 적용에는 한계가 있다.

또한, 종래의 탐욕적 기법(Greedy Method)은 모든 가시위성에서 임의의 위성 한 개를 제거하였을 경우에 대한 부분 집합에 대하여 위성 조합을 선별하는 과정을 가진다. 조합 선별 후 해당 위성을 제거하고 제한된 위성 수를 선택할 때까지 위의 과정을 반복한다. Brute-force 기법에 비해서는 연산량이 상대적으로 감소한다.

또한, 종래의 Downdate 기법은 임의의 위성 한 개를 제거하였을 경우에 대한 부분집합을 한 개의 행렬로 나타낸다. 탐욕적 기법에서 위성을 선별하기 위해 반복하는 과정을 앞서 구한 행렬을 활용해 단 한 번에 최적 위성 조합을 위한 위성을 선별할 수 있다. Downdate 기법을 탐욕적 기법과 비교하였을 때, 연산량은 대폭 감소하며, 성능은 유사함을 확인할 수 있다.

하지만, 상술한 종래의 위성 선별 기법들은 예를 들어, 30개 이상의 가시위성 중 20개 이상의 가시위성을 선별하는 기법인데 이는 도심지와 같이 가시위성 확보가 어려운 환경에서는 적용하는데 한계가 있다.

본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-0450954호에 개시되어 있다.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수신기 연산량을 감소하고 동시에 측위 성능 저하를 최소로 할 수 있는 도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성 선별 장치 및 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성 선별 방법은, 다중 GNSS 위성 선별 장치에 의해 수행되는 다중 GNSS 위성 선별 방법으로서, (a) 다중 GNSS의 복수의 가시위성 중 GNSS 별로 가장 높은 앙각을 갖는 복수의 제1 위성을 선택하는 단계, (b) 상기 복수의 가시위성의 적어도 일부 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 기준 위성으로 선택하는 단계, (c) 상기 기준 위성의 방위각을 활용하여 영역을 분할하는 단계, 및 (d) 분할된 복수의 영역별로 가장 낮은 앙각을 갖는 복수의 제2 위성을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 다중 GNSS 위성 선별 방법은, (e) 상기 복수의 제1 위성 및 상기 복수의 제2 위성의 합이 m이고, 기 설정된 위성 선택 개수가 k 일 때, m이 k 보다 작은 경우, 상기 복수의 제1 위성 및 상기 복수의 제2 위성을 제외한 가시위성 중 k-m개의 제3 위성을 추가 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 (e) 단계에서, 상기 제3 위성은 GDOP를 최소화하는 방향으로 추가 선택될 수 있다.

또한, 상기 (b) 단계는, GNSS 수신기를 포함한 이동체의 헤딩(heading)을 활용하여 상기 기준 위성을 선택할 수 있다.

또한, 상기 (b) 단계는, 상기 복수의 가시위성 중에서, 상기 이동체의 헤딩 방향 및 헤딩 반대 방향 중 적어도 한 방향에 대응하는 방위각 범위 내에 포함된 가시위성에 한정하여, 한정된 가시위성 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 상기 기준 위성으로 선택할 수 있다.

또한, 상기 (c) 단계는, 기 설정된 위성 선택 개수가 k이고, 상기 복수의 제1 위성의 개수가 n일 때, k-n개로 상기 영역을 분할할 수 있다.

또한, 상기 (c) 단계는, 기 설정된 위성 선택 개수가 k이고, 상기 복수의 제1 위성의 개수가 n이고, 미리 설정된 임계값이 p일 때, k가 p 미만이면, (k-n)개로 상기 영역을 분할하고, k가 p 이상이면, (p-n)개로 상기 영역을 분할할 수 있다.

또한, 상기 (c) 단계는, 방위각 방향으로 영역을 균등 분할하되, 상기 기준 위성의 방위각을 포함하는 영역을 기준으로 나머지 영역을 분할할 수 있다.

한편, 본원의 일 실시예에 따른 도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성 선별 장치는 다중 GNSS의 복수의 위성으로부터 위성 신호를 수신하는 GNSS 수신기, 및 상기 위성 신호를 이용하여 도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성을 선별하는 GNSS 위성 선별부를 포함하되, 상기 GNSS 위성 선별부는, 다중 GNSS의 복수의 가시위성 중 GNSS 별로 가장 높은 앙각을 갖는 복수의 제1 위성을 선택하고, 상기 복수의 가시위성의 적어도 일부 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 기준 위성으로 선택하고, 상기 기준 위성의 방위각을 활용하여 영역을 분할하고, 분할된 복수의 영역별로 가장 낮은 앙각을 갖는 복수의 제2 위성을 선택할 수 있다.

또한, 상기 GNSS 위성 선별부는, 상기 복수의 제1 위성 및 상기 복수의 제2 위성의 합이 m이고, 기 설정된 위성 선택 개수가 k 일 때, m이 k 보다 작은 경우, 상기 복수의 제1 위성 및 상기 복수의 제2 위성을 제외한 가시위성 중 k-m개의 제3 위성을 선택할 수 있다.

또한, 상기 GNSS 위성 선별부는, GDOP를 최소화하는 방향으로 상기 제3 위성을 추가 선택할 수 있다.

또한, 상기 GNSS 위성 선별부는, GNSS 수신기 이동체의 헤딩(heading)을 활용하여 상기 기준 위성을 추가 선택할 수 있다.

또한, 상기 GNSS 위성 선별부는, 상기 복수의 가시위성 중에서, 상기 이동체의 헤딩 방향 및 헤딩 반대 방향 중 적어도 한 방향에 대응하는 방위각 범위 내에 포함된 가시위성에 한정하여, 한정된 가시위성 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 상기 기준 위성으로 선택할 수 있다.

또한, 상기 GNSS 위성 선별부는, 기 설정된 위성 선택 개수가 k이고, 상기 복수의 제1 위성의 개수가 n일 때, k-n개로 상기 영역을 분할할 수 있다.

또한, 상기 GNSS 위성 선별부는, 기 설정된 위성 선택 개수가 k이고, 상기 복수의 제1 위성의 개수가 n이고, 미리 설정된 임계값이 p일 때, k가 p 미만이면, (k-n)개로 상기 영역을 분할하고, k가 p 이상이면, (p-n)개로 상기 영역을 분할할 수 있다.

또한, 상기 GNSS 위성 선별부는, 방위각 방향으로 영역을 균등 분할하되, 상기 기준 위성의 방위각을 포함하는 영역을 기준으로 나머지 영역을 분할할 수 있다.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 높은 앙각을 가진 위성을 활용하여 정상 신호를 제공하는 위성을 선별하고, 방위각을 활용하여 위성의 기하학 배치를 고려함으로써 가시위성 확보가 열악한 도심지 환경에서도 높은 측위 정확도를 확보할 수 있는 다중 GNSS 위성을 선별하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 도심지 환경을 고려하여 소수의 위성을 선별하여 이용함으로써 수신기 연산량을 감소할 수 있고 동시에 측위 성능 저하를 최소로 할 수 있는 위성 선별 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 연산량을 감소하여 프로세서 사용을 최소화함으로써 GNSS 수신기에서 필요한 하드웨어(연산회로, 메모리 등)의 개수를 줄일 수 있고, 이에 따라 저가형 GNSS 수신기를 탑재하는 차량, 핸드폰 등 다양한 모빌리티 장비에도 적용할 수 있는 위성 선별장치 및 방법을 제공할 수 있다.

다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 위성 선별 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 위성 선별 방법의 개략적인 동작 흐름도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 제1 위성 및 기준 위성(최저앙각위성)을 선택하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 영역 분할 개수를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 제2 위성을 선택하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 제3 위성을 선택하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 위성 선별 장치의 성능을 평가하기 위해 수행된 실험예이다.
도 8a 및 도 8b는 본원의 일 실시예에 따른 위성 선별 장치와 종래 기법의 선택 위성 및 GDOP 값을 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본원은 도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성 선별 장치 및 방법에 관한 것이다. 도심지는 다중 GNSS를 활용함에 불구하고 정상 가시위성 확보가 어렵다. 또한 도심지는 가시위성 중 장애물에 의한 다중 경로 오차 등 다양한 오차를 포함하는 신호를 송신하는 위성이 포함되어 있는 환경이다. 본원은 높은 앙각을 가진 위성을 활용하여 정상 신호를 제공하는 위성들을 선별하고 방위각을 활용하여 위성의 기하학적 배치를 고려하여 도심지 환경에 적합한 위성 조합을 선택할 수 있는 위성 선별 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 위성 선별 장치의 개략적인 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본원의 위성 선별 장치는 GNSS 수신기(110), GNSS 위성 선별부(120) 및 측위 정밀도 계산부(130)를 포함할 수 있다.

GNSS 수신기(110)는 다중 GNSS의 복수의 위성으로부터 위성 신호를 수신할 수 있다. 다중 GNSS는 GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo 등을 포함할 수 있으나, GNSS의 종류 및 수는 이에 제한되지 않는다.

GNSS 수신기(110)는 GPS위성으로부터 GPS 신호를 수신하고 GLONASS 위성으로부터 GLONASS 신호를 수신하고, BeiDou 위성으로부터 BeiDou 신호를 수신하고, Galileo 위성으로부터 Galileo 신호를 수신할 수 있다. 각 위성 신호는 반송 주파수, 코드, 그리고 항법 메시지 등을 포함할 수 있으나 위성 신호에 포함된 정보는 이에 제한되지 않는다.

GNSS 위성 선별부(120)는 GNSS 수신기(110)로부터 GNSS 데이터를 수신하고, 수신한 GNSS 데이터를 이용하여 도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성을 선별할 수 있다. 여기서 도심지 특성이란 예를 들어 정상 가시위성 확보가 어렵고, 측방위에 고층 빌딩 및 장애물로 인한 다중경로 오차 및 사이클 슬립이 빈번한 환경을 의미할 수 있다.

GNSS 위성 선별부(120)는 도심지 환경에서 위성의 앙각과 방위각을 활용하여 위성을 선별할 수 있다. 예를 들어, 도심지의 좌우 측방에 고층의 건물 및 장애물이 존재하는 환경을 고려하여 높은 앙각을 가진 위성을 활용하여 정상 신호를 제공하는 위성(제1 위성)들을 선별하고, 방위각을 활용하여 위성의 기하학적 배치를 고려하여 위성(제2 위성)을 선별할 수 있다.

구체적인 위성 선별 방법은 이하 도 2 내지 도6를 참조하여 설명하도록 한다. 본원의 위성 선별 방법을 통해 도심지와 같이 가시위성 확보가 어려운 환경에서도 위치해 성능 저하가 최소화될 수 있다.

측위 정밀도 계산부(130)는 선별된 위성을 통해 측위 정밀도를 계산하여 위성 선별 기법의 성능을 분석할 수 있다.

예를 들어, 측위 정밀도 계산부(130)는 DOP(Dilution of Precision)를 계산할 수 있다. DOP는 사용자의 측위 정확도를 평가하기 위해 사용되는 항법 성능 요인으로서, GDOP(Geometric DOP), TDOP(Time DOP), 및 HDOP(Horizontal DOP), VDOP(Vertical DOP) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 위성 선별 기법에서는 주로 GDOP를 활용하며, 좋은 DOP를 갖기 위해서는 넓게 위성이 분포 되어있음이 바람직하며, 반대로위성 배치가 모여 있거나 편향되어 있는 경우 열악한 DOP를 갖는 것으로 평가될 수 있다.

측위 정밀도 계산부(130)는 HPL(Horizontal Protection Level), VPL(Vertical Protection Level)을 계산할 수 있다. HPL, VPL은 무결성을 판단하는 수치로 사용될 수 있다. 측위 정밀도 계산부(130)에서 계산하는 값은 이에 제한되지 않으며, 측위의 정확도를 평가할 수 있는 디양한 요인들을 포함할 수 있다.

도 2는 본원의 일 실시예에 따른 위성 선별 방법의 개략적인 동작 흐름도이다.

도 2에 도시된 위성 선별 방법은 앞서 설명된 위성 선별 장치에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 위성 선별 장치에 대하여 설명된 내용은 위성 선별 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 단계 S210는 다중 GNSS의 복수의 가시위성 중 GNSS 별로 가장 높은 앙각을 갖는 복수의 제1 위성을 선택할 수 있다. 여기서, 가시위성은 GNSS 수신기에서 관측 가능한(위성 신호의 수신이 가능한) 인공 위성을 의미할 수 있다. 여기서, 가장 높은 앙각은 사용자 좌표계를 기준으로 가장 높은 앙각을 의미할 수 있다. 다만, 가시위성, 앙각 등의 개념은 당 분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

예를 들어, 다중 GNSS가 GPS, GLONASS, BeiDou, 및 Galileo를 포함하는 4개(4종류)의 GNSS로 구성된 경우, GPS가시위성 중 가장 높은 앙각을 갖는 위성 1개, GLONASS 가시위성 중 가장 높은 앙각을 갖는 위성 1개, BeiDou 가시위성 중 가장 높은 앙각을 갖는 위성1개, Galileo 가시위성 중 가장 높은 앙각을 갖는 위성 1개를 선택하여, 총 4개의 제1 위성을 선별할 수 있다.

단계 S220는 다중 GNSS에 포함된 복수의 가시위성의 적어도 일부 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 기준 위성으로 선택할 수 있다.

단계 S220은 다중 GNSS에 포함된 복수의 가시위성 전부 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 기준 위성으로 선택할 수 있다. 즉, 단계 S220은 다중 GNSS에 포함된 전방위에 위치하는 복수의 가시위성 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 기준 위성으로 선택할 수 있다.

또한, 단계 S220은 GNSS 수신기를 포함한 이동체의 헤딩(heading)을 활용하여 기준 위성을 선택할 수 있다. 예를 들어, 도심지에서는 이동체가 이동하는 경로를 기준으로 좌우 측방에 고층의 건물 및 장애물이 존재할 가능성이 높으므로, 이동체의 전방 및 후방에 최저앙각위성이 존재할 확률이 상당히 높다. 따라서, 단계 S220은 이동체의 전방측인 헤딩 방향 측의 소정의 방위각 범위와 후방측인 헤딩 반대 방향 측의 소정의 방위각 범위 중 적어도 하나의 방위각 범위 내에서 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 선택하도록 설정될 수 있다. 이처럼 다중 GNSS에 포함된 복수의 가시위성 중 일부(이동체의 헤딩 방향 및 헤딩 반대 방향에 대응하는 가시위성)에 한정하여, 상기 일부 중에서 선택된 최저앙각위성이 영역을 분할할 때 기준이 되는 기준위성으로 사용될 수 있다. 즉, 단계 S220은, 다중 GNSS에 포함된 복수의 가시위성 중에서, 이동체의 헤딩 방향 및 헤딩 반대 방향 중 적어도 한 방향에 대응하는 방위각 범위 내에 포함된 가시위성들에 한정하여, 상기 한정된 가시위성들 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 기준 위성으로 선택할 수 있다.

단계 S230은 기준 위성의 방위각을 활용하여 영역을 분할할 수 있다.

단계 S230은, 영역의 분할 개수와 관련하여, 기 설정된 위성 선택 개수(미리 설정하여 둔 선택할 위성의 개수)가 k이고 복수의 제1 위성의 개수가 n일 때, k-n개로 영역을 분할할 수 있다. 예를 들어, 설정된 위성 선택 개수가 10개이고, 제1 위성의 개수가 4개인 경우, 6개의 영역으로 분할할 수 있다.

또한, 단계 S230은, 기 설정된 위성 선택 개수가 k이고, 복수의 제1 위성의 개수가 n이고 미리 설정된 임계값이 p일 때, k가 p 미만이면, (k-n)개로 상기 영역을 분할하고, k가 p 이상이면, (p-n)개로 상기 영역을 분할할 수 있다. 예를 들어, 임계값이 12개이고, 사용 GNSS가 4개이며, 위성 선택 개수가 임계값 12개 이상에 해당하는 14개인 경우, 영역 분할 수는 14-4=10개가 아니라, 12-4=8개로 설정될 수 있다. 다른 예로, 임계값이 12개이고, 사용 GNSS가 4개이며, 위성 선택 개수가 임계값 12개보다 작은 10개인 경우, 영역 분할 수는 10-4=6개로 설정될 수 있다.

또한, 영역을 분할하는 방법과 관련하여, 기준 위성의 방위각을 기준으로 영역을 균등하게 분할할 수 있다. 예를 들어, 기 설정된 위성 선택 개수(k)가 10개이고, 다중 GNSS가 4종류로서 제1 위성의 개수가 4개인 경우, 영역 분할은 방위각 방향을 따라 6개로 60도 방위각 범위씩 균등하게 이루어질 수 있다.

단계 S240은 분할된 복수의 영역별로 가장 낮은 앙각을 갖는 복수의 제2 위성을 선택할 수 있다.

기준 위성이 선택된 영역에서는 이미 최저 앙각을 갖는 위성이 기준 위성으로서 선택되었는데, 단계 S240은 이를 포함하여 분할 영역 각각에 대해 가장 낮은 앙각을 갖는 위성을 제2 위성으로 선별할 수 있다. 즉, 복수의 제2 위성에는 영역 분할의 기준이 되는 기준 위성 또한 포함될 수 있다.

이처럼, 본원에 의하면, 분할된 각 영역에서 가장 낮은 앙각을 갖는 위성이 선택됨으로써 수직 정확도를 고려할 수 있다. 또한, 본원에 의하면, 도심지 환경을 고려한 방위 영역 분할을 통하여 도심지 특성 맞춤형의 보다 효율적인 위성 배치(선별)가 가능하다.

또한, 본원의 일 실시예에 따른 위성 선별 방법은 복수의 제1 위성 및 복수의 제2 위성의 합이 m이고, 기 설정된 위성 선택 개수가 k 일 때, m이 k 보다 작은 경우, 복수의 제1 위성 및 복수의 제2 위성을 제외한 가시위성 중 k-m개의 제3 위성을 추가 선택하는 단계 S250을 포함할 수 있다.

이때, 단계 S250에서, 제3 위성은 GDOP를 최소화하는 방향으로 추가 선택됨이 바람직하다. 예를 들어, 단계 S240까지 이미 선택된 m개의 위성(제1 위성 및 제2 위성)을 제외한 가시위성 중 k-m개를 선택하는 조합들 각각에 대하여 GDOP를 모두 계산하고 그 중 GDOP가 최소가 되는 조합에 대응하는 k-m개를 제3위성으로 선택할 수 있다.

상술한 설명에서, 단계 S210 내지 단계 S250은 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.

도 3은 본원의 일 실시예에 따른 제1 위성 및 기준 위성을 선택하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 3을 참조하면, 단계 S210은 활용한 GNSS마다 앙각이 가장 높은 위성을 1개씩 선택할 수 있다. 예를 들어, 다중 GNSS가 4종류(GPS, GLONASS, BeiDou 및 Galileo)인 경우, GPS 위성 군, GLONASS 위성 군, BeiDou 위성 군, 및 Galileo위성 군에서 각각 1개씩 위성을 선택하여 4개의 위성을 제1 위성으로 선별할 수 있다.

또한, 단계 S220은 모든 가시위성 중 앙각이 가장 낮은 최저앙각위성을 기준 위성으로 선택할 수 있다. 이 과정에서 활용한 GNSS가 예컨대 4개인 경우, 4개의 제1 위성, 및 1개의 기준 위성이 선택될 수 있다.

도 4는 본원의 일 실시예에 따른 영역 분할 개수를 설명하기 위한 개념도이다.

도 4를 참조하면, 일반적으로 위치해를 얻기 위해서 사용자의 위치와 수신기 시계오차를 추정할 수 있다. 이를 바탕으로, 단계 S230은 위성 선택 개수에서 사용 GNSS를 뺀 값을 영역 분할 개수로 설정하여 영역을 분할할 수 있다.

예를 들어, 사용 GNSS가 4개인 경우, 설정된 위성 선택 개수가 12, 11, 10, 9, 8, 7일 때 영역 분할 수는 각각 8, 7, 6, 5, 4, 3개일 수 있다.

다만, 설정된 위성 선택 개수가 임계값 이상인 경우, 영역 분할 수는 위성 선택 개수에서 사용 GNSS를 뺀 값이 아니라, 임계값에서 사용 GNSS를 뺀 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 임계값이 12개이고, 사용 GNSS가 4개이며, 위성 선택 개수가 임계값 12개 이상에 해당하는 15개인 경우, 영역 분할 수는 15-4=11개가 아니라, 12-4=8개로 설정될 수 있다.

도 5는 본원의 일 실시예에 따른 제2 위성을 선택하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 5를 참조하면, 단계 S230 및 단계 S240은, 예를 들어 사용 GNSS가 4개이고, 기설정된 위성 선택 개수가 10개일 때, 4개의 사용 GNSS로부터 각각 1개씩 총 4개의 제1위성을 선택하였으므로, 영역을 6개(위성 선택 개수 - 사용 GNSS 개수 = 10 - 4)로 분할하되, 방위각 방향 영역 분할에 있어 복수의 가시위성 중 가장 앙각이 낮은 최저앙각위성에 해당하는 기준 위성에 대하여 6개의 영역 중 영역 1(Region 1)을 할당하여 기준 위성을 제2 위성 중 하나로 보고, 이러한 영역 1을 기준으로 나머지 5개의 영역을 분할 설정(예를 들면 6개의 영역 모두 방위각 60도 범위만큼씩 균등 분할되도록 설정)한 다음, 나머지 5개의 영역(Region 2 내지 6)에서 각각 앙각이 가장 낮은 위성을 제2 위성으로 선택할 수 있다. 즉, 단계 S240에서, 제2 위성은 영역 1에 대응하는 기준 위성 1개와, 나머지 5개의 영역 각각에서 가장 앙각이 낮은 위성 5개를 합한 총 6개의 위성일 수 있다.

도 6은 본원의 일 실시예에 따른 제3 위성을 선택하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 6을 참조하면, 단계 S250은, 영역 3(Region 3)에서 제2 위성이 선택되지 않은 경우, 즉 선택된 위성의 개수가 설정된 위성 선택 개수보다 작은 경우, 그 차이만큼 제3 위성을 선택할 수 있다. 참고로, 도 5 및 도 6에서 영역 0(Region 0)은 앞의 과정에서 선택된 위성(제1 위성 및 제2 위성)을 제외한, 선택되지 않은 위성에 대한 영역으로 이해될 수 있다. 이러한 영역 0에 포함된 아직 미선택된 위성 중에서 제3 위성이 선택될 수 있다.

다시 말해, 단계 S250은, 이미 선택된 제1 및 제2 위성 개수를 M개라 하고 설정된 위성 선택 개수를 K개라고 하였을 경우, M이 K보다 작을 시, K-M개의 제3 위성을 추가 선택할 수 있다. 예를 들어 도 6을 참조하면, 단계 S250은, 기설정된 위성 선택 개수(K)가 10개이고, 4개의 GNSS에 대응하여 선택된 제1 위성의 개수가 4개, 6개의 분할된 영역 중 5개의 영역에서 선택된 제2 위성의 개수가 5개인데, 영역 3(Region 3)에서는 위성이 선택되지 못하여 M(4+5)이 K(10)보다 작을 때, 단계 S250은 제2 위성이 선택되지 않은 분할 영역인 영역 3과 4개의 제1 위성이 선택되고 잔여 가시위성이 존재하는 영역을 포함하여 정의되는 영역 0 내에 존재하는 아직 미선택된 위성들 중 이미 선택된 제1 위성 및 제2 위성을 제외한 위성 조합을 검색할 수 있다. 예를 들어, 단계 S250은, GDOP를 최소화하기 위해 조합마다 GDOP를 계산하여 GDOP를 최소화하는 최적의 조합에 해당하는 K-M개의 위성을 제3위성으로 선택할 수 있다. 즉, 영역 0은 제2 위성이 선택되지 못한 분할 영역(예를 들면 도 6의 영역 3), 제1 위성이 다중 GNSS 개수만큼 선택되었으나 잔여 위성이 존재하는 영역 등과 같이 제1 위성 및 제2 위성으로 선택되지 못한 아직 미선택된 위성들에 대응하는 영역으로 이해될 수 있다.

이 과정을 모두 마치고 총 K개의 위성을 선택함으로써 위성 선택을 완료할 수 있다. 다시 말해, 제1 위성 개수와 제2 위성 개수의 총합만으로도 총 K개의 위성이 선택되면 단계 S250의 수행없이 위성 선택이 완료될 수 있고, 제1 위성 개수와 제2 위성 개수의 총합이 기설정된 위성 선택 개수 K보다 작을 경우에는 단계 S250의 수행을 통해 제3 위성이 추가 선택됨으로써 총 K개의 위성 선택이 완료될 수 있다.

도 7은 본원의 일 실시예에 따른 위성 선별 장치의 성능을 평가하기 위해 수행된 실험예이다.

실험 환경은 한국항공대학교 옥상에 설치된 초크링 안테나를 활용한 개활지 실험이며, 활용 GNSS는 GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo를 활용하였고, 마스킹 앵글은 15도로 설정하였다.

도 7을 참조하면, 선택 위성 개수가 많을 때와 적을 때로 구분하여 시뮬레이션을 진행하였으며, 본원에서 제안된 기법 및 기존 기법 중 Greedy 기법과 Down date 기법의 성능 비교를 진행하였다.

본원의 기법(장치 및 방법)의 성능이 기존의 두 기법과 비교하였을 때 동등 내지 유사한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 특히 선택 위성 개수가 적을 때 빨간 박스를 통해 Downdate 기법보다 성능 유지에 대해서 강인한 것을 확인할 수 있었다.

도 8a 내지 도 8c는 본원의 일 실시예에 따른 위성 선별 장치와 종래 기법의 선택 위성 및 GDOP 값을 비교한 도면이다.

도 7과 함께 도8a를 참조하면, 선택하고자 하는 위성 개수(k)가 25개로 충분한 경우, Optimal 기법을 비롯한 모든 기법의 GDOP 값이 유사함을 확인할 수 있다. 이 중 근소하게 Optimal 기법의 GDOP 값이 낮은 이유는 GDOP의 경우 PDOP와 TDOP로 구성된 값이므로, 가장 적은 GNSS를 사용하는 Optimal 기법(GNSS 3개를 사용)이 근소하게 낮은 GDOP를 가지는 것이다. 그러나, 배경기술 파트에서 설명한 바와 같이, Optimal Method(Brute-force 기법)은 모든 가시위성의 위성 조합을 구하고 그 중 최적의 위성 조합을 선별 후 위성을 선택하는 것으로서, 매우 큰 연산량을 가지게 되어 실제 알고리즘 적용에는 한계가 있다. Optimal Method는 특히, k가 커질수록 위성 조합 수가 대폭 증가하게 되는 측면이 있다. 아울러, Greedy Method는 Optimal Method와 대비하여서는 상대적으로 연산량이 감소되기는 하나, 이 기법 또한 k가 커질수록 위성 조합 수가 크게 증가하게 되는 측면이 있다.

도 8b를 참조하면, 선택하고자 하는 위성 개수(k)가 7개일 때의 위성 배치를 나타내며, Downdate기법의 경우 선택 위성 중 같은 종류의 GNSS 위성이 1개인 문제가 발생하여 매우 높은 GDOP를 가지는 것을 확인할 수 있다. 본원의 기법의 경우, 위성 선별 과정에서 위 문제를 고려하여 위성을 선별함으로써 Downdate 기법보다 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 본원은 도심지 특성을 고려한 다중 위성군 위성 선별 기법에 관한 것이다.

기존 위성 선별 기법의 경우 위성군별 선별 위성 수 확보에 대한 고려가 되지 않는 부분이 발생한다. 이에 반해, 본원의 일 실시예에 따른 기법의 경우, 위성 선별 과정에서 직접적으로 활용 위성군별로 위성(제1 위성)을 선택하도록 하였다. 특히, 본원에 의하면, 건물들이 빽빽하게 배치되는 도심지 특성을 고려하여 GNSS별로 가장 높은 앙각을 갖는 위성을 선택하도록 함으로써, 위성 선택이 신속히 이루어질 수 있고 다중 경로 오차와 사이클 슬립에 의해 신호 품질이 저하된 위성이 선별되는 것 또한 지양될 수 있다. 또한, 본원에 의하면, GNSS별 제1 위성 선택 이후에는 최저앙각위성을 기준으로 방위각을 활용하여 고르게 제2 위성을 선택하도록 함으로써, 도심지 특성을 고려한 보다 향상된 위성 선별 최적화가 이루어질 수 있다.

또한 본원의 일 실시예에 따르면, 도심지 환경과 같이 전체 가시위성 확보가 어려운 환경에서는 다중경로 오차와 사이클 슬립에 의해 신호 품질이 저하된 위성이 선별되지 않도록 하는 측면을 고려하기 위해, 차량의 기수각을 활용하여 우선적으로 신호 품질이 좋은 위성을 선별하고 최적 위성 배치를 고려하여 위성 선별을 진행하였다. 이러한 본원의 일 실시예에 의하면, 다중경로 오차가 발생하는 좌우 방위보다 전후 방위에 대한 위성 선별을 우선적으로 고려한다는 점에서 기존 대비 차별적인 작용효과가 발휘될 수 있다.

본원의 일 실시 예에 따른 도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성 선별 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 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.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: GNSS 수신기
120: GNSS 위성 선별부
130: 측위 정밀도 계산부

Claims (14)

1. 도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성 선별 장치에 의해 수행되는 다중 GNSS 위성 선별 방법으로서,
   (a) 다중 GNSS의 복수의 가시위성 중 GNSS 별로 가장 높은 앙각을 갖는 복수의 제1 위성을 선택하는 단계;
   (b) 상기 복수의 가시위성의 적어도 일부 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 기준 위성으로 선택하는 단계;
   (c) 상기 기준 위성의 방위각을 활용하여 영역을 분할하는 단계; 및
   (d) 분할된 복수의 영역별로 가장 낮은 앙각을 갖는 복수의 제2 위성을 선택하는 단계
   를 포함하되,
   복수의 가시위성의 적어도 일부는, 이동체의 헤딩 방향 및 헤딩 반대 방향 중 적어도 한 방향에 대응하는 방위각 범위 내에 포함된 가시위성을 포함하도록 선택되는 것인, 위성 선별 방법.
2. 제1항에 있어서,
   (e) 상기 복수의 제1 위성 및 상기 복수의 제2 위성의 합이 m이고, 기 설정된 위성 선택 개수가 k 일 때, m이 k 보다 작은 경우, 상기 복수의 제1 위성 및 상기 복수의 제2 위성을 제외한 가시위성 중 k-m개의 제3 위성을 추가 선택하는 단계
   를 더 포함하는, 위성 선별 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 (e) 단계에서, 상기 제3 위성은 GDOP를 최소화하는 방향으로 추가 선택되는 것인, 위성 선별 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   GNSS 수신기를 포함한 이동체의 헤딩(heading)을 활용하여 상기 기준 위성을 선택하는 것인, 위성 선별 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 (b) 단계는, 상기 복수의 가시위성 중에서, 상기 이동체의 헤딩 방향 및 헤딩 반대 방향 중 적어도 한 방향에 대응하는 방위각 범위 내에 포함된 가시위성에 한정하여, 한정된 가시위성 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 상기 기준 위성으로 선택하는 것인, 위성 선별 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 (c) 단계는,
   기 설정된 위성 선택 개수가 k이고, 상기 복수의 제1 위성의 개수가 n일 때, k-n개로 상기 영역을 분할하는 것인, 위성 선별 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 (c) 단계는,
   기 설정된 위성 선택 개수가 k이고, 상기 복수의 제1 위성의 개수가 n이고, 미리 설정된 임계값이 p일 때,
   k가 p 미만이면, (k-n)개로 상기 영역을 분할하고,
   k가 p 이상이면, (p-n)개로 상기 영역을 분할하는 것인, 위성 선별 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 (c) 단계는,
   방위각 방향으로 영역을 균등 분할하되, 상기 기준 위성의 방위각을 포함하는 영역을 기준으로 나머지 영역을 분할하는 것인, 위성 선별 방법.
9. 도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성 선별 장치로서,
   다중 GNSS의 복수의 위성으로부터 위성 신호를 수신하는 GNSS 수신기; 및
   상기 위성 신호를 이용하여 도심지 특성을 고려한 다중 GNSS 위성을 선별하는 GNSS 위성 선별부를 포함하되,
   상기 GNSS 위성 선별부는,다중 GNSS의 복수의 가시위성 중 GNSS 별로 가장 높은 앙각을 갖는 복수의 제1 위성을 선택하고, 상기 복수의 가시위성의 적어도 일부 중 가장 낮은 앙각을 갖는 최저앙각위성을 기준 위성으로 선택하고, 상기 기준 위성의 방위각을 활용하여 영역을 분할하고, 분할된 복수의 영역별로 가장 낮은 앙각을 갖는 복수의 제2 위성을 선택하되,
   복수의 가시위성의 적어도 일부는, 이동체의 헤딩 방향 및 헤딩 반대 방향 중 적어도 한 방향에 대응하는 방위각 범위 내에 포함된 가시위성을 포함하도록 선택되는 것인, 위성 선별 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 GNSS 위성 선별부는, 상기 복수의 제1 위성 및 상기 복수의 제2 위성의 합이 m이고, 기 설정된 위성 선택 개수가 k 일 때, m이 k 보다 작은 경우, 상기 복수의 제1 위성 및 상기 복수의 제2 위성을 제외한 가시위성 중 k-m개의 제3 위성을 추가 선택하는 것인, 위성 선별 장치.
11. 제9항에 있어서,
    상기 GNSS 위성 선별부는, GNSS 수신기 이동체의 헤딩(heading)을 활용하여 상기 기준 위성을 선택하는 것인, 위성 선별 장치.
12. 제9항에 있어서,
    상기 GNSS 위성 선별부는, 기 설정된 위성 선택 개수가 k이고, 상기 복수의 제1 위성의 개수가 n일 때, k-n개로 상기 영역을 분할하는 것인, 위성 선별 장치.
13. 제9항에 있어서,
    상기 GNSS 위성 선별부는, 방위각 방향으로 영역을 균등 분할하되, 상기 기준 위성의 방위각을 포함하는 영역을 기준으로 나머지 영역을 분할하는 것인, 위성 선별 장치.
14. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.

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