KR20040016453A - 이동 단말기의 위치 추적 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
이동통신 단말기의 위치를 추적하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
나. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제
본 발명에서는 이동통신 시스템에서 사용되는 전파 측정을 통해 전파전달지연 오차를 직접 추정하고, GPS 신호를 혼용하거나 또는 이동통신 시스템에서만 사용되는 신호만으로 이동단말의 위치 오차를 줄일 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
다. 발명의 해결방법의 요지
본 발명에 따른 장치는 이동통신 시스템으로부터 이동단말의 위치 획득을 위한 신호 및 위성으로부터 기준 신호를 수신하며, 상기 이동통신 시스템과 연결되어 상기 이동단말의 위치를 결정하기 위한 위치 결정 장치로서, 상기 이동단말로부터 수신된 전파전달시간, 전파전달시간 차이 및 전파전달 도래각 신호를 상기 이동통신 시스템으로부터 수신하고, 위성으로부터 수신되는 기준 신호로부터 위치 신호를 획득하여 출력하는 위치 신호 획득부와, 상기 위치 신호 획득부의 출력 중 상기 이동통신 시스템으로부터 수신된 신호를 이용하여 전파 지연 오차범위를 설정하는 전파지연 오차범위 설정부와, 상기 전파지연 오차범위 설정부의 출력과 상기 위치 신호 획득부에 의해 계산된 1차 위치 값을 이용하여 전파지연 오차를 추정하는 전파지연 오차 추정부와, 상기 위치 신호 획득부의 신호로부터 상기 1차 위치 값을 계산하고, 상기 전파지연 오차 추정부로부터 수신되는 오차 추정 값에 의해 2차 위치 값을 계산하여 출력하는 위치 계산부를 포함한다.
라. 발명의 중요한 용도
이동통신 단말의 위치를 추적할 경우 사용한다.

Description

이동 단말기의 위치 추적 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING POSITION OF MOBILE STATION}
본 발명은 이동 단말기의 위치를 추적하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 이동통신 시스템에서 전파의 측정을 통해 이동통신 단말기의 위치를 추적하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신 단말기가 급속도로 확산됨에 따라, 개인의 안전 및 비즈니스 활용 등의 이유로 단말기의 위치 결정이 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라 미국 통신위원회는 이동통신 단말기와 서비스를 제공하는 시스템에서 이러한 기능을 제공할 수 있도록 규정하고 있으며, 이동통신 표준화 단체에서도 이를 이동통신 단말기의 요구되는 기능으로 정립하고 있다. 따라서 향후 국내에도 이동통신 단말기와 이동통신 시스템에 상기한 기능들이 도입될 예정이다.
이동통신 단말기의 위치를 결정하는 방법에는 이동통신망에서 사용되는 기존 신호를 이용하는 방법과 미국 국방성에서 개발된 GPS(Global Positioning System) 위성을 이용하는 방법이 있다. 이동통신망으로부터 획득 가능한 신호는 기지국과 이동 단말간의 전달시간을 측정하는 TOA(Time of Arrival), 두개의 기지국으로부터의 전파전달시간의 차이를 측정하는 TDOA(Time Difference of Arrival), 그리고, 전파의 도래각을 측정하는 AOA(Angle of Arrival) 등이 있다. 이와 같은 여러 개의 신호를 동시에 수신하게 되면 이동 단말과 기지국간의 거리 및 각을 계산한 후, 삼각측량법을 이용하여 이동 단말의 위치를 대략적으로 결정하는 것이 가능하다. 또한 GPS 칩셋을 이동 단말에 내장하여 위치를 결정할 수도 있다.
그런데 GPS 위성 신호를 수신하여 이동통신 단말에서 위치를 결정하는 데 있어서는 다음의 문제점을 포함하고 있다. GPS 위성 신호는 항법 메시지의 전달속도가 느리고, 여러 위성에 대한 정보량이 많기 때문에 시스템을 초기화한 상태에서 이동 단말의 위치를 결정하는 데 있어서는 긴 초기 기동시간이 요구되는 문제가 있다. 또한 수신신호가 약하기 때문에 위치결정을 위한 충분한 신호를 확보하기 어려우므로 위치 결정의 어려운 점이 발생할 수도 있다. 이는 이동 단말에서의 위치 결정이 사용자의 사생활보호 측면에서 연속적인 위치 추적보다는 사용자의 요구가 있는 경우에만 위치 결정을 해야 하는데 초기 동기 시간이 많이 소요되므로 빠른 위치 추적이 불가능한 문제가 있다. 또한 이동 단말은 이동성을 확보하기 위해 배터리를 전원으로 사용한다. 그런데, 이동 단말의 위치를 확인하기 전에 이동 단말의 배터리가 모두 소모될 수도 있다.
이에 따라, 소정의 네트워크의 도움을 받아 GPS 위성을 사용하는 방법이 있다. 이러한 방법은 GPS 위성의 궤도정보를 예를 들어 이동통신망과 같은 무선망을 통하여 빠른 속도로 전달받음으로써 위성신호를 빨리 탐색하고 위치 결정에의 가능성을 높일 수 있다. 그러나 실내와 빌딩 도심지역에서와 같이 근원적으로 보이는 위성수가 부족한 지역에서는 불가피하게 GPS와 함께 이동통신망의 신호를 결합하여 이용하게 된다.
이와 같이 이동통신망에서의 신호만을 이용하거나, GPS와 함께 이용하여 위치를 결정하는 기존 방법의 경우, 이동통신망에서 획득 가능한 신호(TOA, TDOA, AOA)는 전파의 반사, 회절, 굴절 등의 속성으로 인하여 지상에서의 전파 전송에 따른 큰 지연 오차를 포함하게 된다. 즉, 기지국과 이동 단말의 중간에 놓여있는 건물, 지형지물에 의하여 전파가 반사, 회절, 굴절되기 때문에 이러한 오차가 발생하게 된다. 특히, TOA와 TDOA와 같이 시각 측정법을 이용하는 방법은 신호의 전송시각과 수신시각을 비교하여 거리를 계산하므로 전파의 전달 경로에 비례한 오차가 포함되게 된다. 상기 시각차를 계산하는 방법으로는 직교한 PN(Peudorandom Noise) 코드를 상관시킴에 의하여 얻는 것이 일반적인 방법이다. 이러한 시각차를 이용하는 방법은 전파 지연 오차를 고려하지 않고 위치를 최소 자승법에 의하여 계산하기 때문에 위치 측정 범위를 넓혔음에도 불구하고 이동 단말의 위치 결정에 있어서 전파 지연 오차가 위치 계산 추정치에 직접적으로 포함되므로 편향성을 보이는 큰 위치 오차가 야기되게 된다. 즉, 원하는 위치정확도를 전파환경에 따라 획득하지 못할 가능성이 많이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 이동통신 시스템에서 사용되는 전파 측정을 통해 전파지연 오차를 직접 추정하고, 이동 단말의 위치 오차를 줄일 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 이동통신 시스템에서 사용되는 전파와 GPS 신호를 혼용하여 이동 단말기의 위치 오차를 줄일 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 이동통신 시스템에서 사용되는 전파만으로 이동 단말의 위치 오차를 줄일 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 이동통신 시스템으로부터이동단말의 위치 획득을 위한 신호 및 위성으로부터 기준 신호를 수신하며, 상기 이동통신 시스템과 연결되어 상기 이동단말의 위치를 결정하기 위한 위치 결정 장치로서, 상기 이동단말로부터 수신된 전파전달시간, 전파전달시간 차이 및 전파전달 도래각 신호를 상기 이동통신 시스템으로부터 수신하고, 위성으로부터 수신되는 기준 신호로부터 위치 신호를 획득하여 출력하는 위치 신호 획득부와, 상기 위치 신호 획득부의 출력 중 상기 이동통신 시스템으로부터 수신된 신호를 이용하여 전파 지연 오차범위를 설정하는 전파지연 오차범위 설정부와, 상기 전파지연 오차범위 설정부의 출력과 상기 위치 신호 획득부에 의해 계산된 1차 위치 값을 이용하여 전파지연 오차를 추정하는 전파지연 오차 추정부와, 상기 위치 신호 획득부의 신호로부터 상기 1차 위치 값을 계산하고, 상기 전파지연 오차 추정부로부터 수신되는 오차 추정 값에 의해 2차 위치 값을 계산하여 출력하는 위치 계산부를 포함한다.
또한 상기 전파지연 오차범위 설정부는,
상기 이동단말로부터 수신되어 측정된 전파전달 시간, 전파전달 시간 차이 및 전파전달 도래각의 신호열과 상기 이동단말 인접 기지국들의 배치를 이용하여 오차 범위를 설정하거나, 상기 이동통신 시스템의 기지국들과 상기 이동단말간 송수신되는 전파의 세기를 측정하고, 이를 전파의 경로에 따른 경로 손실 함수로 하여 오차 범위를 설정하거나, 상기 이동통신 시스템의 기지국들이 설치된 디지털 지도 데이터베이스를 구비하고, 상기 획득된 상기 이동단말의 위치 값에 따라 전파의 전달 경로를 지도상에서 추적하여 확률적으로 그 지연 오차의 범위를 설정할 수 있다.
그리고, 상기 전파지연 오차 추정부는, 순환법에 의해 오차 추정을 수행할 수 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 이동통신 시스템으로부터 이동단말의 위치 획득을 위한 신호 및 위성으로부터 기준 신호를 수신하며, 상기 이동통신 시스템과 연결되는 위치 결정 장치에서 이동단말의 위치 결정 방법으로서, 이동단말로부터 수신된 전파전달시간, 전파전달시간 차이 및 전파전달 도래각 신호를 상기 이동통신 시스템으로부터 수신하고, 위성으로부터 수신되는 기준 신호로부터 위치 신호를 획득하여 출력하는 제1과정과, 상기 제1과정에서 획득된 신호 중 상기 이동통신 시스템으로부터 수신된 신호를 이용하여 전파 지연 오차범위를 설정하는 제2과정과, 상기 제1과정에서 획득된 신호로부터 1차 위치 값을 계산하는 제3과정과, 상기 설정된 전파지연 오차범위와 상기 1차 위치 값을 이용하여 전파지연 오차를 추정하는 제4과정과, 상기 1차 위치 값과 상기 추정된 오차 추정 값에 의해 2차 위치 값을 계산하여 출력하는 제5과정을 포함한다.
또한 상기 제2과정은,
상기 이동단말로부터 수신되어 측정된 전파전달 시간, 전파전달 시간 차이 및 전파전달 도래각의 신호열과 상기 이동단말 인접 기지국들의 배치를 이용하여 오차 범위를 설정하거나, 상기 이동통신 시스템의 기지국들과 상기 이동단말간 송수신되는 전파의 세기를 측정하고, 이를 전파의 경로에 따른 경로 손실 함수로 하여 오차 범위를 설정하거나, 상기 이동통신 시스템의 기지국들이 설치된 디지털 지도 데이터베이스를 구비하고, 상기 획득된 상기 이동단말의 위치 값에 따라 전파의전달 경로를 지도상에서 추적하여 확률적으로 그 지연 오차의 범위를 설정할 수 있으며,
상기 제4과정은, 순환법에 의해 오차 추정을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 이동통신 망과 위치 결정 시스템 및 GPS 위성간의 망 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 위치 결정 장치의 내부 블록 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 이동단말의 위치 결정 시의 제어 흐름도,
도 4는 일반적으로 기지국으로부터 이동단말로 송신되는 신호의 전달 경로를 도시한 도면,
도 5는 일반적으로 이동단말의 위치 추정을 위해 다수의 기지국에서 이동단말로 송신하는 신호에 의해 계산된 거리에 따른 이동단말의 추정 범위를 도시한 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
또한 하기 설명에서는 구체적인 메시지 등과 같은 많은 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이동통신망의 신호를 이용하여 위치를 결정하는 시스템은, 전파 전달에서 발생할 수 있는 지연오차를 고려하지 않음에 의하여 위치정확도가 보장되지 못하였다. 따라서, 기존 방법의 위치 결정의 편향성을 극복하고 위치 정확도를 향상시키기 위하여, 건물 및 지형지물에 둘러싸인 지상에서의 전파환경에 따른 전파의 지연 오차의 영향을 완화시켜야 한다. 본 발명에서는 이를 다양한 방법에 의하여 직접추정하고 측정 신호로부터 이러한 오차를 제거함에 의하여 지연오차의 영향을 감소시키게 된다. 전파 지연오차를 추정하기 위하여 본 발명에서는 각 기지국으로부터의 신호에 대하여 각기 지연오차의 허용범위를 설정하기 위한 방법을 열거한다. 그리고 이러한 지연오차의 허용범위가 계산 된 후에, 위치를 결정하기 위해 필요한 두 개 이상의 신호에 대하여 이동 단말의 위치를 얻기 위한 전파지연오차를 이 범위 안에서 선형 최적화 및 제한 최적화 기법을 이용하여 추정하게 된다. 추정된 전파지연오차들의 벡터를 위치 계산의 보정항으로 대입하여 이동 단말의 위치를 기존 방법에 비하여 정확하게 계산하게 된다. 즉, 전파 지연오차의 범위를 설정하는 알고리즘과 다중측정치에 설정된 측정치에 대하여 추정된 범위 안에서 최적으로 전파 지연오차를 추정하는 알고리즘을 포함한 PCF(Position Calculation Function)을 단말기 혹은, 위치 결정 장치(PDE : Position Determination Entity)에 구현한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 이동통신 망과 위치 결정 시스템 및 GPS 위성간의 망 구성도이다. 이하 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 각 시스템의 연결 관계 및 동작과 신호 흐름에 대하여 상세히 설명한다.
상기 도 1은 GPS 위성(170)과 이동통신망의 신호를 함께 이용하여 위치를 결정하는 시스템을 도시하였다. 먼저 상기 구성에 대하여 살펴본다. 이동단말(100)은 음성 및 데이터 서비스 등을 무선으로 제공받을 수 있는 휴대폰 또는 PCS 및 개인정보 휴대 단말(PDA) 등으로 구성된다. 또한 상기 이동단말(100)은 위치 측정을 위한 GPS 위성 신호를 수신할 수 있는 단말이다. 상기 이동단말은 위성(170)으로부터 제공되는 현재 시각 정보, 위성 식별자 정보 및 위성의 위치 정보 등을 수신할 수있다. 또한 상기 이동 단말(100)은 기지국(110)과 무선 링크를 통해 음성 또는 데이터 서비스를 제공받는다. 상기 기지국(110)은 기지국 제어기(BSC)(120)와 연결되어 이동단말(100)로 전달할 신호 또는 이동단말(100)로부터 수신되는 신호를 공중망(PSTN)(160)으로 전달하기 위해 이동통신 교환기(130)로 전달한다. 이동통신 교환기(130)는 공중망(160)과 연결되며, 또한 본 발명에 따라 위치 결정 장치(140)와 연결된다. 상기 위치 결정 장치(140)는 이동단말(100)로부터 수신되는 신호의 수에 따라 이동단말(100)의 위치를 결정하기 위한 제어 동작을 수행한다. 또한 상기 위치 결정 장치(140)는 기준 GPS 수신기(150)와 연결되어 GPS 위성(170)으로부터 기준 신호를 수신한다. 상기 GPS 위성(170)은 위치 결정을 위해 사용되는 위성이다.
본 발명에 따라 위치 결정 장치(140)에서 수행하는 위치 결정은 이동단말(100) 및 GPS 위성(170)으로부터 획득할 수 있는 GPS 위성 신호의 수와 이동통신망에서 획득할 수 있는 신호의 수에 따라 그 알고리즘을 달리한다. 이동 단말(100)은 자신의 위치를 결정하고자 할 때 먼저 망의 이동통신 교환기(MSC : Mobile Service Switching Center)(130)에 연결된 위치 결정 장치(PDE)(120)에 현재 GPS 시간, GPS 위성의 식별자, 위성의 위치 정보를 요청한다. 이에 따른 신호가 이동단말(100)로 제공되면 이동단말(100)은 이를 수신함과 동시에 네트워크로부터 망신호에 해당하는 TOA(Time of Arrival), TDOA(Time Difference of Arrival), 또는 AOA(Angle of Arrival) 측정량을 획득할 수 있다. 또한 상기 기지국(110)으로부터 수신되는 전파의 세기를 확인할 수도 있다.
그러면, 위치 결정 장치(140)는 기준 DGPS 수신기(150)의 GPS 신호를 빠르고정확하게 획득할 수 있다. 만일 GPS 신호의 부족으로 인하여 GPS만으로 위치 결정이 가능하지 않은 경우, 상기 위치 결정 장치(140)는 이동통신 교환기(130)로부터 수신되는 신호만을 이용하거나, 부족한 GPS 정보와 네트워크 신호를 결합하여 위치를 결정하게 된다. 또한 상기 기술된 본 발명의 실시 예에서는 상기 위치 결정 장치(140)에서 수행되는 동작으로 설명하였으나, 상술한 신호들을 이동단말(100)이 수신할 수 있도록 구성하는 경우 이동단말(100)에서도 이동단말의 위치를 보다 정확하게 결정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 위치 결정 장치의 내부 블록 구성도이다. 이하 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 위치 결정 장치(140)의 구성 및 각 구성에 따른 동작을 상세히 설명한다.
위치 결정 장치(140)는 이동통신 교환기(130)로부터 이동단말로부터 수신된 기저대역의 신호를 수신한다. 상기 기저대역의 신호는 위치 결정을 위해 사용되는 신호이다. 상기 이동통신 교환기(130)로부터 수신되는 기저대역의 신호는 위치를 측정하기 위해 일반적으로 사용되는 RTD(Round Trip Delay) 신호 및 파일럿(Pilot) 채널의 신호를 사용할 수 있다. 또한 상기 위치 결정 장치(140)는 기준 DGPS 수신기(150)로부터 위성 안테나로부터의 기저대역 신호를 수신한다. 상기 기준 DGPS 수신기(150)로부터 수신된 신호는 위성에서 결정한 위치 신호가 될 수 있다.
여기서 상기 기지국(110)은 스마트 안테나와 같은 멀티 안테나를 이용하여 신호를 수신할 수도 있으며, 하나의 휩(whip) 안테나를 이용할 수 있다. 상기와 같이 위성 안테나로부터 수신된 기저대역 신호와 이동단말로부터 수신된 기저대역 신호는 신호 처리부(201)로 입력된다. 상기 신호 처리부(201)는 기저대역 신호를 디지털 신호로 변환하여 위치 신호 획득부(203)로 출력한다. 그러면 상기 위치 신호 획득부(203)는 위성 안테나로부터 수신된 신호를 이용하여 의사 거리(PR : Pseudo Range)를 계산한다. 그리고 이동통신 시스템에서 사용되는 파일럿 신호를 이용하여 기지국(110)과 이동단말(100)간의 TOA, TDOA 및 AOA의 신호를 획득한다. 상기 TOA 및 TDOA의 신호는 기지국(110) 또는 기지국 제어기(120)에서 계산할 수 있는 신호이고, AOA는 기지국 제어기(120)에서 계산할 수 있으므로 상기 계산된 신호를 기지국(110) 또는 기지국 제어기(120)로부터 획득할 수도 있다.
상기 위치 신호 획득부(203)는 이와 같이 계산하거나 또는 획득된 의사 거리와 TOA, TDOA 및 AOA 신호를 전파지연 오차범위 설정부(205)로 출력하며, 동시에 위치 계산부(209)로 출력한다. 그러면 전파 지연 오차범위 설정부(205)는 상기 수신된 신호로부터 전파지연 오차 범위를 설정한다. 여기서 전파지연 오차의 범위 설정은 하기의 3가지 방법에 의해 이루어진다.
(1) 이동단말(100)의 통화 가능 지역에서는 항상 이용될 수 있는 TOA, TDOA 및 AOA 등의 측정 신호열과 이동단말(100) 주변의 기지국들(110a, 110b, 110c)의 배치를 이용하여 오차 범위를 설정하는 방법.
(2) 기지국(110)으로부터 이동단말(100)로 수신되는 또는 이동단말(100)로부터 기지국(110)으로 수신되는 전파의 세기를 이용할 수 있는 경우 현재 사용되고 있는 전파의 경로에 따른 감쇠 현상을 보여주는 경로 손실 함수를 이용하여 오차 범위를 설정하는 방법.
(3) 기지국(110)과 이동단말(100)간의 디지털 지도 데이터베이스를 사용하는 경우 전파의 전달 경로를 지도상에서 추적함에 의해 확률적으로 그 지연 오차의 범위를 설정하는 방법.
상기한 방법에 의거하여 전파 지연 오차범위가 설정되면, 상기 전파지연 오차범위 설정부(205)는 설정된 오차범위를 전파지연 오차 추정부(207)로 출력한다. 상기 전파지연 오차 추정부(207)는 상기 전파지연 오차범위 설정부(205)로부터 수신된 값을 이용하여 오차를 추정한다.
상기 전파지연 오차 추정부(207)에서 수행되는 전파지연 오차의 추정은 상기한 3가지 방법 중 하나 또는 둘 이상의 방법을 이용하여 전파 지연 오차를 추정할 수 있다. 여기서 전파지연 오차의 추정은 하기와 같은 방법으로 이루어진다. 그러면 상기 3가지 방법에 따라 전파지연의 오차 추정을 수행하는 방법에 대하여 더 각각 살펴본다.
먼저 상기 첫 번째 방법을 이용하는 경우에 대하여 살펴본다. 현재 위치 추적을 위해 위성을 이용하는 GPS와 이동통신망의 신호를 결합하는 위치 계산부(209)로부터 계산되어 출력되는 1차 위치 해와 비교함에 의하여 각 신호가 전파지연 오차에 의해 편향되는 정도를 나타내는 양을 획득할 수 있다. 이때 각 신호가 전파지연 오차에 의해 편향되는 정도를 "유수"라 한다. 또한 상기 유수의 제곱에 해당하는 양을 "비용함수"로 정의한다. 여기서 상기 비용함수를 최소가 되도록 하는 각 신호에 포함되어 있는 전파지연 오차의 추정치를 최적화 기법에 의해 다시 계산할 수 있다.
전파지연 오차의 추정은 전파지연 오차의 허용범위 설정과 제한 최적화 기법에 의해 최적 추정의 2단계로 이루어진다. 먼저 TOA, TDOA 및 AOA 등의 측정 신호열의 통계적 양을 이용하여 전파지연 오차의 허용범위를 계산한다. 그리고 미리 가지고 있는 기지국(110)의 위치와 이동단말(100)의 위치로 계산된 1차해 즉, 위치 계산부(209)로부터 1차 계산되어 수신된 값을 이용하여 실제로 관측 가능한 TOA, TDOA의 범위를 계산한다. 따라서 이동단말(100)과 기지국(110)간의 전파의 가시선 경로에 의한 TOA 또는 TDOA의 길이를 T_t라 하고, 그 상한 값을 T_u라 하며, 그 하한 값을 T_l이라 할 때, 상기 가시선 경로에 의한 T_t는 하기 <수학식 1>의 관계를 가진다.
또한 상기 전파지연 오차범위 설정부(205)는 기지국으로부터 측정되어 수신된 둘 이상의 TOA, TDOA의 측정 열로부터 신호의 평균 길이와 표준편차를 얻을 수 있다. 여기서 TOA, TDOA의 측정 열로부터 얻어지는 신호의 평균 길이를 T_m이라 하고, TOA, TDOA의 측정 열로부터 신호의 표준편차를 T_s라 하면, 상기 기지국(110)으로부터 수신된 전파지연오차가 포함된 관측 값에 대하여는 하기 <수학식 2>의 관계를 만족하게 된다.
상기 <수학식 2>에서 k는 신뢰범위를 결정하는 양의 값을 가지는 상수이며, b는 전파지연 오차이다. 따라서 기지국(110)과 이동단말(100)간 실측된 즉, 비 가시선 거리에 의한 TOA 및 TDOA의 거리를 T_o라 하면, 하기 <수학식 3>과 같은 관계가 만족된다.
따라서 상기한 <수학식 1> 내지 <수학식 3>으로부터 전파지연 오차에 해당하는 b의 범위는 각 기지국으로부터 수신된 신호에 대하여 하기 <수학식 4>와 같이 추정할 수 있다.
상기한 <수학식 4>에서 TOA 또는 TDOA의 범위를 나타내는 상한값 T_u와 하한값 T_l은 미리 구비된 기지국의 위치와 1차 추정해를 이용하여 추정이 가능하다. 또한 전파의 세기와 디지털 지도 데이터베이스가 이용 가능한 경우 상기한 정보들을 결합하고, 이들을 순환법에 의하여 계산할 경우 편향오차 b를 보다 정확히 추정할 수 있다.
다음으로 두 번째 방법인 전파의 세기를 이용하는 방법에 대하여 살펴본다. 전파의 세기를 이용하여 구해지는 경로 손실함수를 이용하여도 전파 지연오차의 범위를 설정하는 방법으로 사용할 수 있다. 이동단말 또는 기지국에서 측정되는 전파의 세기는 대체로 이동단말과 기지국간의 거리의 제곱에 반비례한다. 그러나 비 가시선 환경 하에서는 거리의 네제곱에 반비례한다. 이와 같이 거리의 네제곱에 반비례하는 것에 대하여는 Okumura 모델, Hata 모델, COST231 모델 등을 이용하여 전파 세기의 관측이 가능한 경우 상기한 방법들 중 하나의 방법으로 범위를 추정하여 사용할 수 있다.
마지막으로 데이터 베이스를 이용하는 방법에 대하여 살펴본다. 상기 데이터 베이스를 이용하는 방법은 위치 계산 장치(140)에 건물 지도 데이터 베이스가 포함되어 있는 경우이다. 이러한 경우 전파의 반사와 회절을 ray-tracing 기법을 이용하여 추정할 수 있다. 상기 ray-tracing 방법은 기존의 망 설계에서 많이 개발되어 온 방법이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 상기한 방법을 이용하면 전파의 전달경로를 지도의 정확도와 충실도에 따라 사실에 가깝게 추정할 수 있으며, 가장 정확하게 전파 지연 오차의 범위를 결정하는 방법이 된다. 특히, 3차원 건물 지도를 포함하는 경우에는 평면에서의 회절 및 반사에 더하여 수직방향으로의 전파의 회절, 반사 알고리즘을 사용함으로써 전파의 최단거리가 계산된다. 또한 전파의 최단 거리와 함께 전파의 세기를 고려한 최장거리가 범위를 설정하는데 이용된다. 따라서 건물 지도 데이터 베이스를 포함하는 경우에는 실시간 위치 계산을 위하여 ray-tracing을 위한 도심의 단순환된 블록 모델을 이용한다.
상기한 3가지 방법 중 어느 하나의 방법을 이용하면 전파지연 오차의 추정 범위(b)는 하기 <수학식 5>와 같이 하한 값 b_l와 상한 값 b_u로 설정된다.
상기 <수학식 5>와 같이 결정된 전파지연 오차의 허용 범위 내에서 비용함수를 최소로 하는 각 신호에 포함된 지연오차를 추정한다. 이와 같은 추정은 대체로 최적화 기법을 이용하여 이루어진다. 제한 범위를 포함한 제한 최적화식을 m개의 기지국으로부터 순방향(forward link or down link) 또는 역방향(reverse link or up link)에서 측정된 TOA 또는 TDOA 측정치에 대하여 세울 수 있다. 상기 측정치 벡터를 r이라 할때, 상기 측정치 벡터 r은 하기 <수학식 6>과 같은 관계식을 가진다.
상기 <수학식 6>에서 h(x)는 이동단말 위치의 함수인 실제의 기지국과 이동단말간의 TOA 또는 TDOA 값이고, b는 편향오차에 해당하는 전파지연 오차이며, v는 백색잡음이다.
상기 <수학식 6>과 같이 측정식이 주어졌을 경우 오차의 제곱비용을 최소로 하는 최적 추정치를 구하는 널리 알려진 방법인 최소 자승법에 의하여 1차 해를 계산하게 되며, 전파지연 오차의 항을 무시하고 계산하게 된다. 따라서 상기 1차 해를 x1이라 할 때 1차 해 x1은 하기 <수학식 7>과 같이 도시할 수 있다.
상기 <수학식 7>에서 H는 h(x)를 x=x0에서 선형화하여 얻게 되는 측정행렬이고, HT는 H의 전치행렬이고, R-1은 측정오차 r의 공분산이며, x0는 초기 기준점이다.
상기 <수학식 7>에서 1차 해 x1은 편향오차 항을 무시하고, 기준점 x0에 대하여 h(x)를 테일러 시리즈에 의하여 선형화 하여 계산하다. 이와 같이 h(x)를 기준점 x0에 대해서 선형화하면,와 같이 표현되며, 1차해 x1은 편향오차 b가 포함되어 그 해는 실제의 값에서 편향되어 나타나게 된다. 이상에서 추정한 전파지연 오차의 범위를 고려하여 측정치와 추정치의 차를 유수(z)라 하면, 최적화 식을 하기 <수학식 8>과 같이 정의하여 정리할 수 있다.
를 고려한 경우
따라서 상기 <수학식 8>은 b에 상수행렬 S( = I + Hv)가 곱해지고, 여기에 w( = H(x - x2) + v)가 더해진 것으로 볼 수 있다. 따라서 상기 오차 범위를 줄이기 위해서는 w의 값을 최소로 해야 한다. 상기 오차 범위를 줄이기 위해 cost minimization에 의해 계산하는 식을 도시하면 하기 <수학식 9>와 같이 도시할 수 있다.
상기 <수학식 9>에서 J(b)는 b에 대한 cost minimization를 구하기 위한 것이고, w는 유수 z의 오차이고, wT는 w의 전치행렬이고, z는 1차 위치 해로부터 계산된 유수이므로 "z=(r-h(x0)+Hx0)-H·x1"이 된다. 그리고, S는 z와 측정편향오차 b의 상관을 나타내는 행렬이고, QW은 z의 공분산 행렬이다. 따라서 상기 <수학식 9>를 최소화하는 b를 구하면 최적화를 수행할 수 있다. 즉 상기 <수학식 9>를 최소화하는 식은 하기 <수학식 10>과 같이 표현된다.
상기와 같이 표현된 <수학식 10>에서 S는 하기 <수학식 11>과 같은 관계식을 가지게 된다.
상기 <수학식 11>에서 I는 단위행렬이고, H는 기지국과 이동단말간의 가시선 행렬이고, HT는 H의 전치행렬이고, R은 각 측정치들의 공분산이다.
상기 <수학식 11>의 값은 1차 위치 해를 보상하기 위한 전파지연 오차의 추정 값이 되며, 이는 상기 전파지연 오차 추정부(207)에서 계산된 값이다. 상기 전파지연 오차 추정부(207)에서 계산된 값을 이용하여 1차 위치 해를 보상함으로써 이동단말의 최종 위치를 구할 수 있다. 즉, 제한 범위를 고려한 선형 최적화 기법에 의거하여 상기 <수학식 11>을 최소로 하는 추정치 b_hat을 결정할 수 있다.
그러면 상기 위치 계산부(209)는 상기 전파지연 오차 추정부(207)에서 계산된 추정치를 이용하여 2차 해를 구할 수 있다. 즉, 1차 위치 해를 x1, 추정된 전파 지연 오차를 b_hat이라 놓으면, 기지국과 이동단말간의 기하학적으로 계산되는 보정 행렬 V로부터 하기 <수학식 12>와 같이 도시되는 2차 위치 해가 최종적으로 구해진다.
상기 <수학식 12>에서 x2는 최종적으로 구해지는 2차 위치 해가 된다. 또한 상기 <수학식 12>에 도시된 기하학적으로 구해지는 보정 행렬 V는 하기 <수학식 13>과 같다.
즉, 위치 계산부(209)는 상기 <수학식 11>과 같이 전파지연 오차 추정부(207)로부터 구해지는 보정 값을 상기 위치신호 획득부(203)에서 획득되어 1차 계산된 1차 해 x1을 보정하여 보정된 위치 계산을 수행한다.
그런데 만일 상기 위치 계산부(209)에서 보정을 통한 위치 계산이 불가능한 경우 가령, 위성으로부터 신호를 수신할 수 없는 경우 보정을 수행하지 않고 일반적인 계산만을 수행한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 이동단말의 위치 결정 시의 제어 흐름도이다. 이하 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 위치 결정 시의 제어 흐름을 상세히 설명한다.
위치 결정 장치(140)는 300단계에서 이동단말(100)로부터 위치 신호를 수신한다. 이러한 위치 신호는 TOA, TDOA 및 AOA 신호가 된다. 그러면 이를 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 일반적으로 기지국으로부터 이동단말로 송신되는 신호의 전달 경로를 도시한 도면이다. 기지국(110)은 이동단말(100)로 신호를 송신하고자 하는 경우에 스마트 안테나를 사용하는 경우 빔 포밍(beam forming) 방법을 이용하여 이동단말(100)이 위치한 영역으로 빔을 형성한다. 그리고 스마트 안테나를 사용하지 않는 경우에는 이동단말(100)에서 수신할 수 있는 세기의 전력으로 상기 신호를 송신한다. 이와 같이 기지국(110)에서 송신한 신호는 장애물이 없는 경우라면 참조부호 420과 같이 가시선 경로(LOS path: Line of Sight path)의 경로로 전달되어야 한다. 그러나 일반적으로 도심 등에 이동단말(100)이 위치하는 경우 가시선 경로로 신호가 송신되는 경우는 극히 드물게 된다. 따라서 기지국(110)에서 송신한 신호는 반사, 굴절 및 회절 등을 통해 비 가시선 경로(NLOS path : Non-Line of sight path)를 통해 전달된다. 이는 도 4의 참조부호 430과 같이 도시되어 있다. 상기 도 4에서는 하나의 비 가시선 경로만을 도시하였으나, 실제로는 다중의 비 가시선 경로를 통해 신호가 전달된다.
따라서 일반적으로 기지국(110)과 이동단말(100)간 측정한 신호는 항상 오차가 존재한다. 또한 상기 기지국(110)으로부터 이동단말(100)로 전달되어 위치를 측정하기 위한 신호로는 일반적으로 사용되고 있는 파일럿(Pilot) 및 RTD(Round Trip Delay) 신호를 사용할 수 있다. 상기와 같이 RTD 신호를 사용하는 경우 이동단말(100) 및 기지국(110)에서 처리되는 시스템 처리 시간을 제외하면 기지국(110)으로부터 이동단말(100)까지의 시간을 검출할 수 있다.
또한 이동단말(100)의 위치를 더욱 정확히 하기 위해서는 적어도 둘 이상의기지국들로부터 위치를 검출할 수 있다. 즉, 도 5에 도시한 바와 같이 각 기지국들(110a, 110b, 110c)로부터 상기한 방법을 이용하여 위치를 검출할 수 있다. 상기 도 5는 일반적으로 이동단말의 위치 추정을 위해 다수의 기지국에서 이동단말로 송신하는 신호에 의해 계산된 거리의 범위를 도시한 도면이다.
이때 상기 이동단말(100)과 기지국들(110a, 110b, 110c)간에는 가시선 경로가 아니므로 도 5의 참조부호 500과 같이 이동단말(100)의 위치가 일정한 영역을 가지게 된다. 또한 상기 각 기지국들(110a, 110b, 110c)로부터 수신되는 신호를 이용하여 이동단말(100)이 기지국들(110a, 110b, 110c)과 이루는 각도를 검사할 수 있다.
위치 결정 장치(140)의 신호 처리부(201)는 300단계에서 상기와 같이 이동단말(100)로부터 수신되는 신호를 수신하여 디지털 처리를 수행하고, 이를 위치 신호 획득부(203)로 전달한다. 그러면 위치 신호 획득부(203)는 상기 수신된 디지털 신호에 의해 TOA, TDOA 및 AOA를 획득한다. 그런 후 위치 결정 장치(140)의 신호 처리부(201)는 310단계로 진행하여 기준 DGPS 수신기(150)로부터 위치 신호를 수신하여 디지털 처리를 수행한 후 이를 위치 신호 획득부(203)로 전달한다. 이에 따라 위치 신호 획득부(203)는 위성의 위치를 획득하게 된다. 상기 도 3에서는 상기 300단계와 310단계가 순차적으로 이루어지는 것으로 도시되고 설명되었으나 실제적으로 동시에 이루어질 수 있다.
위치 결정 장치(140)의 위치 신호 획득부(203)는 상술한 과정을 통해 이동단말로부터 수신된 위치 및 위성의 위치를 획득하면, 320단계에서 두 신호를 결합하여 이를 전파 지연 오차 범위 설정부(205)와 위치 계산부(209)로 출력한다. 이때 상기 위치 신호 획득부(203)는 위성으로부터 신호를 수신하는 경우 즉, 보정에 의해 계산이 가능한 경우 위치 계산부(209)로 보정이 가능함을 알리게 된다. 그러면 위치 계산부(209)는 최소 자승법에 의해 1차 위치를 계산한다.
그리고 위치 계산부(209)는 340단계에서 전파 지연 오차 허용범위의 설정이 가능한가를 검사한다. 즉, 상기 위치 신호 획득부(203)로부터 보정 가능 여부 신호를 수신하였는가를 검사한다. 상기 검사결과 보정이 가능한 경우 위치 계산부(209)는 1차 위치 계산을 수행하고, 보정 값의 수신을 대기한다. 또한 상기 전파 지연 오차범위 설정부(205)는 350단계에서 상기 위치 계산부(209)로부터 1차 위치 계산 값을 수신하고, 상기 수신된 1차 위치 계산 값에 의해 전파지연 오차를 추정한 후 이를 전파지연 오차 추정부(207)로 출력한다.
이와 같이 전파지연오차의 추정이 이루어지면, 위치 계산부(209)는 360단계에서 상기 <수학식 12>에 도시한 바와 같이 2차의 최종 위치를 계산한다. 그런 후 위치 계산부(209)는 370단계로 진행하여 위치 계산 결과를 출력한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 전파지연오차를 직접 추정하여 보상함으로써 이동단말의 위치 정확도를 향상시킬 수 있다. 이를 위해 본 발명에서는 먼저 세 가지 방법에 의하여 전파 지연오차의 허용범위를 설정하고, 허용범위 내에서 최적화기법에 의하여 비용함수를 최소로 하는 전파지연오차를 추정한 다음, 위치 계산에서 이를 보정한다. 이를 통해 이동단말의 위치를 신속하고 정확하게 결정할 수 있다. 또한 이동통신망의 신호를 단독으로 이용하는 경우와 GPS와 결합하여 사용하는 경우에 대하여 위치 정확도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (11)

  1. 이동통신 시스템으로부터 이동단말의 위치 획득을 위한 신호 및 위성으로부터 기준 신호를 수신하며, 상기 이동통신 시스템과 연결되어 상기 이동단말의 위치를 결정하기 위한 위치 결정 장치에 있어서,
    상기 이동단말로부터 수신된 전파전달시간, 전파전달시간 차이 및 전파전달 도래각 신호를 상기 이동통신 시스템으로부터 수신하고, 상기 위성으로부터 수신되는 기준 신호로부터 위치 신호를 획득하여 출력하는 위치 신호 획득부와,
    상기 위치 신호 획득부의 출력 중 상기 이동통신 시스템으로부터 수신된 신호를 이용하여 전파 지연 오차범위를 설정하는 전파지연 오차범위 설정부와,
    상기 전파지연 오차범위 설정부의 출력과 상기 위치 신호 획득부로부터 수신된 신호를 이용하여 계산된 1차 위치 값을 이용하여 전파지연 오차를 추정하는 전파지연 오차 추정부와,
    상기 위치 신호 획득부의 신호로부터 상기 1차 위치 값을 계산하고, 상기 전파지연 오차 추정부로부터 수신되는 오차 추정 값과 상기 1차 위치 값에 의해 2차 위치 값을 계산하여 출력하는 위치 계산부를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전파지연 오차범위 설정부는,
    상기 이동단말로부터 수신되어 측정된 전파전달 시간, 전파전달 시간 차이및 전파전달 도래각의 신호열과 상기 이동단말의 인접 기지국들의 배치를 이용하여 오차 범위를 설정함을 특징으로 하는 상기 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전파지연 오차범위 설정부는,
    상기 이동통신 시스템의 기지국들과 상기 이동단말간 송수신되는 전파의 세기를 측정하고, 이를 전파의 경로에 따른 경로 손실 함수로 하여 오차 범위를 설정함을 특징으로 하는 상기 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전파지연 오차범위 설정부는,
    상기 이동통신 시스템의 기지국들이 설치된 디지털 지도 데이터베이스를 구비하고, 상기 획득된 상기 이동단말의 위치 신호에 따라 전파의 전달 경로를 상기 지도상에서 추적하여 확률적으로 그 지연 오차의 범위를 설정함을 특징으로 하는 상기 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전파지연 오차 추정부는,
    순환법에 의해 오차 추정을 수행함을 특징으로 하는 상기 장치.
  6. 이동통신 시스템으로부터 이동단말의 위치 획득을 위한 신호 및 위성으로부터 기준 신호를 수신하며, 상기 이동통신 시스템과 연결되는 위치 결정 장치에서 이동단말의 위치 결정 방법에 있어서,
    이동단말로부터 수신된 전파전달시간, 전파전달시간 차이 및 전파전달 도래각 신호를 상기 이동통신 시스템으로부터 수신하고, 위성으로부터 수신되는 기준 신호로부터 위치 신호를 획득하여 출력하며 상기 출력하는 신호를 이용하여 1차 위치 값을 계산하는 제1과정과,
    상기 이동통신 시스템으로부터 수신된 신호를 이용하여 전파 지연 오차범위를 설정하는 제2과정과,
    상기 설정된 전파 지연 오차 범위와 상기 계산된 1차 위치 값을 이용하여 전파지연 오차를 추정하는 제3과정과,
    상기 계산된 1차 위치 값과 상기 추정된 오차 추정 값에 의해 2차 위치 값을 계산하여 출력하는 제4과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
  7. 제6항에 있어서, 전파 지연 오차 범위를 설정하는 과정은,
    상기 이동단말로부터 수신되어 측정된 전파전달 시간, 전파전달 시간 차이 및 전파전달 도래각의 신호열과 상기 이동단말의 인접 기지국들의 배치를 이용하여 오차 범위를 설정함을 특징으로 하는 상기 방법.
  8. 제6항에 있어서, 전파 지연 오차 범위를 설정하는 과정은,
    상기 이동통신 시스템의 기지국들과 상기 이동단말간 송수신되는 전파의 세기를 측정하고, 이를 전파의 경로에 따른 경로 손실 함수로 하여 오차 범위를 설정함을 특징으로 하는 상기 방법.
  9. 제6항에 있어서, 전파 지연 오차 범위를 설정하는 과정은,
    상기 이동통신 시스템의 기지국들이 설치된 디지털 지도 데이터베이스를 구비하고, 상기 획득된 상기 이동단말의 위치 신호에 따라 전파의 전달 경로를 상기 지도상에서 추적하여 확률적으로 그 지연 오차의 범위를 설정함을 특징으로 하는 상기 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 전파지연 오차를 추정하는 과정은,
    순환법에 의해 오차 추정을 수행함을 특징으로 하는 상기 방법.
  11. 이동통신 시스템으로부터 이동단말의 위치 획득을 위한 신호 및 위성으로부터 기준 신호를 수신하며, 상기 이동통신 시스템과 연결되는 위치 결정 장치에서 상기 이동단말의 위치 결정 방법에 있어서,
    상기 이동단말로부터 수신된 전파전달시간, 전파전달시간 차이 및 전파전달 도래각 신호를 상기 이동통신 시스템으로부터 수신하고, 상기 위성으로부터 수신되는 기준 신호로부터 위치 신호를 획득하여 출력하는 제1과정과,
    상기 제1과정에서 출력된 신호를 이용하여 전파 지연 오차를 추정하는 제2과정과,
    상기 제1과정에서 출력된 신호로부터 1차 위치 값을 계산하고 상기 제2과정에서 추정된 오차 추정 값에 의해 2차 위치 값을 계산하여 출력하는 제3과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
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