KR20010067044A

KR20010067044A - 무선 단말 위치 측정 방법 및 그것을 이용한 단말 장치

Info

Publication number: KR20010067044A
Application number: KR1020000044219A
Authority: KR
Inventors: 구와하라미끼오; 고이데아유무; 쯔네하라가쯔히꼬; 도이노부까즈
Original assignee: 가나이 쓰토무; 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2001-07-12
Also published as: US6694142B1; JP2001174537A; EP1111403A2; EP1111403A3

Abstract

삼각 측량법을 행하는 기지국의 조합으로 추정 정밀도가 변한다.

기지국의 조합을 선택하여 복수의 단말 추정 위치를 산출하고 그 공간적인 평균치를 취한다.

또한, 추정 위치에 대응하는 기지국이 구성하는 삼각형 중에 해당 추정 위치가 있는 기지국의 조합을 선택한다.

그러므로, 측위 정밀도가 향상된다.

Description

무선 단말 위치 측정 방법 및 그것을 이용한 단말 장치{WIRELESS POSITION LOCATION MEANS AND HANDSET APPARATUS USING IT}

본 발명은 셀룰러 통신을 사용하여 단말 위치를 측정하는 시스템에 관한 것이다.

특개평 7-181242는 셀룰러 방식으로 각 기지국이 GPS 동기한 CDMA 방식을 이용하고 있는 시스템에 있어서, 각 기지국에서부터 오는 파일럿 신호의 수신 타이밍을 관측함으로서 단말 위치를 측정하는 것을 개시하고 있다.

도 2, 도 3은 특개평 7-181242에 기재된 기술을 나타낸다. 도 2에 GPS 위성(20)에 동기한 기지국(21, 22, 23)으로부터 송신되고 있는 기준 신호(25, 26, 27)를 수신하는 단말(24)을 나타내고 있다. 도 3에 상관 연산 결과의 예를 나타내고 있다.

단말(24)은 수신 신호에 대하여, 특정 부호 패턴과의 상관 연산을 행함으로서, 각 기지국에서부터 송신되는 기준 신호의 수신 타이밍을 검출할 수 있다. CDMA 방식에서는 각 기지국이 내보내는 공통 파일럿 신호가 특정 패턴인 신호이며, 단말은 수신 신호와 파일럿 신호 패턴과의 상관 연산을 행함으로서 수신 타이밍을 검출하는 것이 가능하다.

각 기지국은 GPS 동기에 의해 기준 시간을 맞춰서, 정합한 시스템 시간의 특정한 송신 타이밍에서 파일럿 신호를 송신하고 있다. 또한 상기한 특정한 송신 타이밍을 오프셋 시간이라 부르며, 싱크 채널을 통하여 정보가 송신되고, 단말은 자유롭게 입수할 수 있다. 단말은 측정한 수신 타이밍으로부터 기지인 송신 타이밍의 차를 계산함으로서 전파에 걸린 지연 시간을 알 수 있다.

도 3은 상관 연산 결과의 예를 나타내고 있다. 도면은 지연 프로파일이라고불리는 것으로, 어떠한 지연 패스가 관측되는지를 나타내고 있다. 횡축은 송신 타이밍에 따른 보정 종료의 수신 타이밍으로 지연 시간을 나타내고 있다. 단위는 확산 부호의 칩에 대응하고 있다. 종축은 상관 연산 출력으로 상관치가 큰 부분은 그 지연 시간으로 신호가 수신된 것 즉, 버스의 존재를 나타내고 있다.

이 결과를 사용하면, 전파가 기지국에서부터 단말에 도래하기까지 걸린 상대 지연 시간을 구할 수 있다. 여기서 지연 시간이 상대치인 것은 단말에서는 절대 시간을 모르기 때문이다. 얻어진 상대 지연 시간에 광속을 걸어서, 상대 전파 거리차를 구할 수 있다. 적어도 3개 이상의 기지국에 대해서 상대 전파 거리차를 구하면, 3점 측위에 의해 단말 위치를 추정하는 것이 가능하다.

도 4를 이용하여 셀룰러 통신을 측위에 사용하는 경우의 과제인 기지국 선택 방법에 대하여 설명한다. 셀룰러 통신으로서는 기지국과 단말 위치가 동일 평면 상에 있고, 그 위치 관계에 의해 측위 정밀도가 다르다. 도 4는 기지국(50, 51, 52)에 대하여, 측정 위치를 참조 부호(90, 91, 및 92)로 바꾼 경우에 측위 오차가 어떻게 분포하는지를 나타낸 것이다. 여기서는, 기지국에서부터의 신호에 ±0.2 ㎲ 이내에 똑같은 분포로 이루어지는 지연 시간 측정 오차를 포함시켰다. 검게 나타낸 영역은 작위적으로 부가된 지연 시간 추정 오차 때문에 발생한 측위 오차의 확대를 나타내고 있다. 제공한 지연 시간의 추정 오차는 모든 경우에 동일함에도 불구하고, 단말, 기지국의 위치 관계에서 오차의 확대가 다른 것을 알 수 있다. 따라서, 선택하는 기지국에 따라 단말의 추정 정밀도가 변화하므로 추정 정밀도를향상하는 것이 과제이다.

3개 이상의 기지국 중, 임의의 3개 조합에 의해 삼각 측량을 행한다. 조합을 바꿔서 복수의 추정 위치를 구한다. 그리고, 이들의 평균을 취한다. 이에 따라, 추정 오차가 감소한다.

한편, 삼각 측량법을 행하는 경우의 오차는 도 5에 도시한 바와 같이 단말로부터 선택하는 기지국으로 향하는 3개의 단위 벡터의 합을 취하여, 그 합성 벡터의 길이가 영(zero)인 경우에 추정 오차가 최소가 된다. 또한 벡터합의 길이가 길어짐에 따라서 단말의 측위 정밀도가 나빠진다. 합성 벡터의 길이가 어느 임계치 내에 있는 추정 위치이면 오차가 작다. 간이한 판정 방법으로 단말이 추정되는 삼각형 내에 있는지 즉 합성 벡터 길이가 l 이하인지를 판정한다. 디지털 계산 장치에서 판정하는 경우에는 단시간에 처리할 수 있기 때문이다.

도 1은 본 발명으로 이루어지는 제1 실시예의 단말 구성을 나타내는 도면.

도 2는 종래예를 설명하는 도면.

도 3은 종래예에서 지연 프로파일의 예를 나타내는 도면.

도 4는 종래예의 과제를 설명하는 도면.

도 5는 본 발명의 개념을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명으로 이루어지는 제1 실시예의 단말 구성을 나타내는 도면.

도 7은 본 발명으로 이루어지는 제1 실시예의 플로우를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 안테나

2 : RF부

3 : A/D 변환기

4 : 신호 처리부

5 : 복조부

6 : CPU

20 : GPS 위성

21, 22, 23 : 기지국

24 : 단말

25, 26, 27 : 기지국으로부터의 신호

40, 41, 42, 43 : 지연 프로파일의 피크

44 : 상대 지연차

50, 51, 52 : 기지국

53, 54 : 단말의 위치의 예에서 기지국으로의 단위 벡터가 걸릴 수 있는 것

60 : 지연량 측정

61 : 위치 연산

62 : 가판정 위치 추정

63 : 선택

64 : 삼각 판정

65 : 공간 평균화

70, 71, 72 : 각 기지국으로부터의 신호의 송신 타이밍 및 수신 타이밍을 측정하는 순서

90, 91, 92 : 전파 거리 추정의 정밀도를 ±0.2 ㎲ 내로 똑같이 분포시킨 경우의 추정 오차의 확대

도 1을 사용하여 본 발명으로 이루어지는 일 실시예를 설명한다.

안테나(1)가 수신한 신호는 RF 유닛(2)이며, 이것은 기저 대역 신호로 변환된다. 변환된 신호는 A/D 변환기(3)에 의해서 디지털 신호로 변환된다. 신호 처리부(4)는 기지국에서부터 내보낸 기준 신호의 수신 타이밍을 측정하는 것이다. 수신 타이밍은 수신 신호와 기준 신호와의 상관 연산을 행함으로서 얻어진다. 복조부(5)는 기지국의 정보를 수신하기 위한 유닛이다. 예를 들면 cdma0ne 방식의 셀룰러 시스템에서는 각 기지국이 기준 신호를 송신하는 타이밍은 싱크 채널 내에 저장되어 있는 PN 부호 송신 타이밍의 오프셋치로부터 알 수 있다. 이에 의해 송신 타이밍을 계산할 수 있다. 단말은 수신 타이밍에서부터 송신 타이밍을 빼서 전파 지연을 구할 수 있다. CPU(6)는 얻어진 송수신 타이밍에서부터 전파 거리를 추정하고, 그 정보로부터 단말의 위치를 추정하는 유닛이다.

위치 추정으로는 이하의 셀룰러 통신의 특징을 사용한다. 즉, 단말은 동일 지점에서 복수의 기지국의 신호를 관측한다. 적어도 3개의 기지국에서부터 도래하는 신호의 전파 거리를 측정함으로서, 삼각 측량법에 의해 단말의 위치 측정이 가능해진다.

기지국이 4개 이상으로 n개 발견되는 경우에는 그 중 3개를 선택하여,_nC₃개의 추정 위치를 구한다. 그리고, 이들의 추정 위치의 공간적인 평균을 취한다. 이에 따라, 위치의 오차를 삭감한다.

여기서 공간적인 평균이란, 얻어진 좌표의 무게 중심을 취하는 조작이다. 예를 들면, (X1, Y1), (X2, Y2)의 2개의 추정 위치가 얻어지면, (X1+X2, Y1+Y2)/2가 되는 연산을 행하는 것이 공간적 평균이다.

여기서의 과제는 단말과 기지국의 위치 관계에 의해, 추정 정밀도가 변화하는 것이다. 오차가 크게 추정되는 기지국의 선택 방법을 피하고 추정된 단말 위치에서부터 평균 위치를 구하면 그 제도를 크게 향상시킬 수 있다.

도 6은 CPU 내에서 소프트웨어적으로 실현되는 처리를 나타낸다. 도 1에서 도시하는 복조부(5)에서 얻어지는 기지국으로부터의 신호의 송신 타이밍과, 신호 처리부(4)에서 얻어지는 기지국으로부터의 신호의 수신 타이밍은 지연량 추정(60)으로 차분이 취해져서, 상대 지연량이 계산된다. 위치 연산(61)에서는 미리 준비되어 있던 기지국의 위치 정보(66)와, 먼저 구해진 상대 지연량으로부터 삼각 측량법으로 단말 위치를 추정하고_nC₃개의 추정 위치를 구한다.

가판정 위치 추정(62)에서는 우선 복수의 추정 위치의 공간적 평균을 취하고 그것을 가판정의 위치로 한다. 그리고, 삼각 판정(64)에서 가판정 위치를 그 내부에 포함하는 삼각형을 형성하는 3개의 기지국의 조합을 선택하고, 선택된 조합에 관한 추정 위치를 추출한다. 이에 따라, 오차가 큰 추정 위치의 데이터는 제외된다. 그리고, 추출된 추정 위치만이 평균(65)이 된다. 또, 선택(63)에서 복수의 추정 위치 중 하나의 추정 위치를 제외한 다른 위치의 모든 평균 위치와 상기 하나의 추정 위치가 예를 들면, 200m 이상 떨어진 경우에는 가판정 위치 작성의 후보로부터 제외된다. 또한, 이 선택(63)으로 추정 오차가 감소한다. 이 선택(63)의 방법 단독으로도 오차 감소의 효과가 있다.

가판정 위치 추정(62)을 생략할 수 있다. 이 경우, 삼각 판정(64)에는위치 연산(66)으로 구해진 각 추정 위치가 해당 추정 위치를 구할 때 대응하는 3개의 기지국이 만드는 삼각형 내에 있는지의 여부를 판정함과 함께, 상기 삼각형 내에 없는 추정 위치는 제외하는 방법도 단독으로 오차가 큰 추정 위치를 효과적으로 제외할 수 있다.

공간 평균화(65)는 삼각 판정(64)으로 선택된 추정 위치만을 사용하여 공간 평균을 취하고 단말의 최종 추정 위치를 얻는다.

또한, 위치 측정자의 오차의 허용 범위에 따라서는 계산 시간 단축을 위해서 선택한 3개의 기지국이 만드는 삼각형 중에 추정 위치가 존재하면, 어느 정도 오차의 범위인 것을 확인할 수 있으므로, 그 하나의 추정 위치만을 표시해도 된다.

삼각형 내인 것을 식별하기 위한 방법을 예로 든다. 도 5에 도시한 바와 같이, 가판정 위치(X0, Y0)로부터 각 기지국 (XA, YA) (XB, YB) (XC, YC)로 향하는 단위 벡터를 늘린다. 각 벡터는,

(XA-X0, YA-Y0)/ | (XA-X0, YA-Y0) | (기지국 A로의 벡터)

(XB-X0, YB-Y0)/ | (XB-X0, YB-Y0) | (기지국 B로의 벡터)

(XC-X0, YC-Y0)/ | (XC-X0, YC-Y0) | (기지국 C로의 벡터)

로 나타낸다. 이들의 합을 구하여 그 길이를 구했을 때, 길이가 1이상이면, 삼각형의 외측으로, 길이가 1보다 짧으면 삼각형의 내측으로 판단할 수 있다.

이상의 실시예는 CPU 내에서의 소프트웨어적인 실현뿐만 아니라 하드웨어에 의해서 구성해도 된다. 하드웨어에서는 계산 시간이 단축된다.

도 7은 전체의 플로우를 나타낸 것이다.

(1) 각 기지국에서부터의 신호를 수신(70)

(2) 수신 신호와 특정 부호 패턴과의 상관 연산에 의해 기지국의 수신 타이밍을 취득(71)

(3) 기지국에서부터의 신호를 수신하여 송신 타이밍을 취득(72)

(4) 삼각 측량법과 삼각 판정을 조합하여, 최종 추정 위치를 취득(60 ∼ 65)

여기서 참조 부호 60 ∼ 65는 도 6에서 도시한 CPU에서의 처리를 나타내고있다. 이 일련의 방법으로 과제가 해결될 수 있다.

상기 실시예에서는 가추정 위치로부터 각 기지국으로 향하는 단위 벡터의 합이 1 이하가 되는 「삼각 추정」을 사용하여, 추정 위치의 정밀도를 판정하는 방법을 설명하였다. 본 발명의 효과는 추정 오차가 작은 것을 선별하는 것이 본 발명의 포인트이고, 상기 벡터합의 길이가 일정치 이하인 것을 선택하는 방법도 본 발명에 포함되는 것은 자명하다. 이 임계치를 작게 함으로서, 정밀도를 올릴 수 있지만, 선택되는 추정 위치의 수가 적어지기 때문에, 평균화의 효과는 열화하게 된다.

한편, 본 실시예에서 관측 가능한 기지국수가 증가한 경우에는 계산하는 조합의 수_nC₃이 급격히 증가하여, 위치 연산(61)의 계산량이 대폭 증가하는 문제가 있다.

그래서, 도 1의 신호 처리부(4)에는 수신 타이밍뿐만 아니라, 수신 신호의 강도를 도 6의 지연량 추정(60)에 통지시키는 수단을 설치한다. 그리고 지연 추정(60)에서 수신 레벨이 일정치 이하의 열악한 신호를 삭제함으로서, 계산량을 효과적으로 삭감할 수 있다. 또는 수신 레벨이 강한 K개의 기지국을 선택한다.

셀룰러 통신에서는 동일 기지국이 지향성 안테나에 의해서 섹터로 분리되며, 각각의 섹터가 마치 다른 기지국과 같이 개별의 신호를 송신하는 경우가 있다. 이러한 섹터 기지국으로부터 송신되는 복수의 신호는 삼각 측량법의 복수의 신호로 간주할 수 없기 때문에, 복수로 수신한 신호 중의 1개를 선택한다. 또한, 단말은기지국의 위치 정보를 미리 알고 있기 때문에 동일 장소의 기지국은 섹터 기지국이라는 것을 용이하게 판단할 수 있다. 각 섹터로부터 도래하는 신호의 지연량을 추정하고, 가장 지연량이 적은 섹터를 선택하면 단말로의 직선 거리를 찾아가 섹터로부터 도래한 신호파로 기대할 수 있다.

본 발명에 따르면, 셀룰러 통신 시스템을 이용하여 단말의 측위를 행하는 경우에 삼각 측량법으로 사용하는 기지국의 조합을 최적으로 선택할 수 있고, 단말의 위치를 고정밀도로 추정할 수 있다.

Claims

셀룰러 통신 시스템 중 적어도 3개의 기지국으로부터 도래하는 신호를 사용하여 단말의 위치를 추정하는 무선 단말 위치 측정 방법에 있어서,

임의의 3기지국을 선택하여 삼각 측량법에 의해 단말의 위치를 추정하는 제1 단계와,

상기 제1 단계로 얻어진 추정 위치를 복수개 기억하는 제2 단계와,

상기 복수의 추정 위치 평균을 구하는 제3 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말 위치 추정 방법.
제1항에 있어서, 상기 제2 단계와 상기 제3 단계 간에 기억된 복수의 추정 위치로부터 선택된 하나의 추정 위치와 상기 선택된 하나를 제외한 다른 추정 위치를 평균화한 결과와의 거리가 일정 거리 이상인 경우에 상기 선택된 하나를 제거하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말 위치 추정 방법.
셀룰러 통신 시스템 중 적어도 3개의 기지국으로부터 도래하는 신호를 사용하여 단말의 위치를 추정하는 무선 단말 위치 측정 방법에 있어서,

임의의 3기지국을 선택하여 삼각 측량법에 의해 단말의 위치를 추정하는 제1 단계와,

추정 위치에 대응하는 3기지국에 의해 만들어진 삼각형의 내부에 해당 추정위치가 존재하는 경우의 추정 위치를 선택하는 제2 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말 위치 측정 방법.
제3항에 있어서, 상기 제2 단계에서 선택된 추정 위치를 무선 단말에 표시하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말 위치 추정 방법.
제3항에 있어서, 상기 제2 단계에 있어서 선택된 추정 위치를 복수 기억하는 제3 단계와, 상기 복수의 추정 위치의 평균을 구하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말 위치 추정 방법.
셀룰러 통신 시스템 중 적어도 3개의 기지국으로부터 도래하는 신호를 사용하여 단말의 위치를 추정하는 무선 단말 위치 측정 방법에 있어서,

임의의 3기지국을 선택하여 삼각 측량법에 의해 단말의 위치를 추정하는 제1 단계와,

기지국의 조합을 바꿔서 얻어진 복수의 추정 위치 중 적어도 일부가 공간적인 평균을 취하는 제2 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말 위치 측정 방법.
제6항에 있어서, 상기 제2 단계는 상기 복수의 추정 위치를 평균한 가판정 위치를 구하는 제3 단계를 포함함과 함께, 상기 복수의 추정 위치 중에서부터 상기가판정 위치를 둘러싸는 3기지국의 조합을 이용하여 얻어진 추정 위치를 선택하고, 상기 선택된 추정 위치의 공간적인 평균을 구하는 것을 특징으로 하는 무선 단말 위치 추정 방법.
제7항에 있어서, 상기 제3 단계는 상기 복수의 추정 위치에서부터 선택된 하나의 추정 위치와 상기 선택된 하나를 제외한 다른 추정 위치를 평균화한 결과와의 거리가 일정 거리 이상인 경우에 상기 선택된 하나를 제거하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말 위치 추정 방법.
제6항에 있어서, 상기 제2 단계는 상기 복수의 추정 위치 중 대응하는 3기지국의 각 위치로 향하는 3개의 단위 벡터의 벡터합의 벡터 길이가 일정치 이하인 추정 위치를 선택하여, 선택된 추정 위치의 공간적인 평균을 구하는 것을 특징으로 하는 무선 단말 위치 추정 방법.
셀룰러 통신 시스템 중 적어도 3개의 기지국에서부터 도래하는 신호를 사용하여 단말의 위치를 추정하는 무선 단말에 있어서,

임의의 3기지국을 선택하여 삼각 측량법에 의해 단말의 위치를 추정하는 위치 연산 장치와,

상기 위치 연산 장치에서 얻어진 복수의 추정 위치의 평균을 구하는 평균화 장치

를 갖는 것을 특징으로 하는 무선 단말.
셀룰러 통신 시스템 중 적어도 3개의 기지국에서부터 도래하는 신호를 사용하여 단말의 위치를 추정하는 무선 단말에 있어서,

임의의 3기지국을 선택하여 삼각 측량법에 의해 단말의 위치를 추정하는 위치 연산 장치와,

추정 위치에 대응하는 3기지국에 의해 만들어진 삼각형의 내부에 해당 추정 위치가 존재하는 경우의 추정 위치를 선택하는 삼각 판정 장치

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말.
제11항에 있어서, 상기 삼각 판정 장치로써 선택된 추정 위치를 무선 단말에 표시하는 표시 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말.
제11항에 있어서, 상기 삼각 판정 장치로써 선택된 복수의 추정 위치의 평균을 구하는 평균화 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말.
무선 단말에 있어서,

셀룰러 통신 시스템의 임의의 3기지국을 선택하여, 이들로부터 송신되는 신호를 사용하여 3점 측량법에 의해 단말의 추정 위치를 구하는 위치 연산 장치와,

기지국의 조합을 바꿔서 얻어진 복수의 추정 위치 중 적어도 일부의 공간적인 평균을 취하는 평균화 장치

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말.
제14항에 있어서, 상기 복수의 추정 위치를 평균한 가판정 위치를 계산하는 가판정 위치 추정 장치와,

상기 복수의 추정 위치 중으로부터 상기 가판정 위치를 둘러싸는 3기지국의 조합을 이용하여 얻어진 추정 위치를 선택하는 삼각 판정 장치

를 더 구비하고,

상기 평균화 장치는 상기 삼각 판정 장치에서 선택된 추정 위치의 공간적 평균을 구하는 것을 특징으로 하는 무선 단말.
제15항에 있어서, 상기 복수의 추정 위치에서부터 하나의 추정 위치를 제외한 다른 추정 위치를 평균화한 결과와 상기 하나의 추정 위치와의 거리가 일정 거리 이상인 경우에 상기 하나의 추정 위치를 제외하는 선택 장치를 더 구비하고,

상기 가판정 위치 추정 장치는 상기 선택 장치에서 선택된 추정 위치의 평균을 구하여 가판정 위치로 하는 것을 특징으로 하는 무선 단말.
제14항에 있어서, 상기 복수의 추정 위치의 각 추정 위치에 대해 대응하는 3기지국으로 향하는 3개의 단위 벡터의 벡터합의 벡터 길이가 일정치 이하가 되는 추정 위치를 선택하는 벡터 판정 장치를 더 구비하고,

상기 평균화 장치는 상기 벡터 판정 장치에서 선택된 추정 위치의 공간적 평균을 구하는 것을 특징으로 하는 무선 단말.