KR20060066367A - 혼성 항법시스템 및 상기 혼성 항법시스템에서 사용하는단말기의 위치결정방법 - Google Patents

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Abstract

E-OTD(Enhanced Observed Time Difference)와 GPS(Global Positioning System)의 장점을 모두 이용하여 단말기의 위치를 결정하는 혼성 항법시스템(Hybrid Navigation System) 및 상기 혼성 항법시스템에서 사용하는 단말기의 위치결정방법을 개시한다. 상기 혼성 항법시스템은, E-OTD(Enhanced Observed Time Difference) 측정장치; GPS(Global Positioning System); 및 상기 E-OTD 측정장치에서 측정한 단말기와 기지국사이에 대하여 측정한 소정의 보조 데이터(Assistance Data) 및 상기 GPS로부터 단말기의 시간대 별 위치 정보를 수신하여, 단말기의 위치 및 이동 속도를 결정하는 칼만 필터를 구비한다. 상기 단말기 위치결정방법은, 단말기와 기지국 사이의 소정의 데이터를 측정하는 단계; GPS에서 단말기의 위치 및 이동 속도를 측정하는 단계; 상기 소정의 데이터 및 단말기의 위치 및 이동 속도를 이용하여 단말기의 위치 및 이동 속도를 정확하게 예측하는 단계를 구비한다.

Description

혼성 항법시스템 및 상기 혼성 항법시스템에서 사용하는 단말기의 위치결정방법{A Hybrid Navigation System and the method for determining the position of terminal using the same}
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 3GPP 표준에서 제안하는 단말기의 상대적 위치 값에 대한 테이블을 나타낸다.
도 2는 E-OTD ASD broadcast message를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 메시지의 구조를 나타낸다.
도 4는 GPS의 보조데이터의 정보 구성인자를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼성 항법시스템의 블록 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼성 항법시스템에서 사용하는 칼만 필터를 나타낸다.
본 발명은 항법시스템(Navigation System)에 관한 것으로, 특히 E-OTD(Enhanced Observed Time Difference)와 GPS(Global Positioning System)의 장점을 모두 이용하여 단말기의 위치를 결정하는 혼성 항법시스템(Hybrid Navigation System) 및 상기 혼성 항법시스템에서 사용하는 단말기의 위치결정방법에 관한 것이다.
무선 측위(radio-determination)란 전파의 전파(propagation) 특성을 이용하여 물체의 위치, 속도 및 기타의 특성을 결정하는 것을 말한다. 상기 무선 측위에 관한 논의는 1996년 미국 연방통신위원회(Federal Communications Committee, 또는 FCC)가 Docket No.94-102를 통해 모든 이동통신사업자들이 이동통신 가입자로부터의 911 호(call)에 대해 67%의 신뢰도와 125미터(410피트) 이내의 정확도를 가지고 단말기 사용자의 위치를 PSAP(Public Safety Answering Point)에 전달할 수 있는 기능을 규정함으로써 시작되었다.
상기 FCC E-911은, 911 송화자가 직접 요구한 경우에 한하여 긴급 상황의 위치 등을 확인하던 종전의 기본적인 911 서비스의 성능을 개선한 것으로, ANI(Automatic Number Identification)와 ALI(Automatic Line Identification)라는 기능을 추가하여 911 호를 가장 가까운 PSAP로 중계할 뿐만 아니라 사용자의 위치를 정확하게 찾아내서 그에 따른 효과적인 조치가 가능하게 해준다. 사용자는 이동단말기에 대한 위치추적의 기능을 여러 가지 이유로 요구하고 있다.
최근에 제안된 무선 측위 방법의 하나인 E-OTD(Enhanced Observed Time Difference) 방법이 있는데, 이 방법을 이용하여 위치추적방법을 제공하는 서비스 는, GSM(Global System for Mobile communication) 네트워크에 채택할 가능성이 많다.
정확도는 최소 50m에서 최대 200m 정도로 뛰어나고, 기지국간의 거리가 먼 교외나 기지국간 거리가 짧은 도심 지역이나 정확도의 편차가 크지 않다. 다만, 기존의 휴대폰에 새로운 소프트웨어를 탑재하는 등의 업그레이드 작업이 선행되어야 한다는 단점이 있다.
E-OTD(Enhanced Observed Time Difference)를 이용한 위치추적방법은, 2개 이상의 기지국에서 단말기(휴대폰)로 전파를 보내고, 다시 이 전파가 되돌아오는 시간의 차이를 측정하는 방식이다. E-OTD를 이용한 위치추적방법은 기지국을 이용하여 단말기의 위치를 계산한다는 점에서 위성을 이용하여 단말기의 위치를 추적하는 GPS에 기반을 둔 위치추적방법과 다르다. 이 때 단말기는, 기지국에서 보내는 BCCH(Broadcast Common Control Channel)의 시스템 정보를 디코딩 함으로써 BA 리스트를 획득하고 기지국들의 주파수를 획득함으로써 주변 기지국의 SCH(Synchronization Channel)를 디코딩 할 수 있게 된다.
그러나 상기 BA 리스트에 있는 주변 기지국들이 지리적으로 계산이 어려운 곳에 위치하고 있다면, 해당 기지국의 SCH를 분석한다고 해도, 위치 판정에 대한 정확도가 높지 않게 된다.
도 1은 3GPP 표준에서 제안하는 단말기의 상대적 위치 값에 대한 테이블을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 단말기의 위치 및 이동 속도를 측정할 때 사용되는 테이블 의 값은, 최소한의 거리가 5Km로, 단말기의 정확한 위치 및 이동 속도를 측정하기에는 너무나 큰 값이다.
일반적인 항법시스템(Navigation System)에서는 각종 센서의 데이터를 처리하기 위하여, 다양한 종류의 데이터 퓨전 알고리즘(Data Fusion Algorithm)을 사용하는데, 특히 칼만 필터(Kalman Filter)가 널리 이용된다. Rudolf E. Kalman 이 발명한 칼만 필터는 LSM(least-squares method)을 사용해서 잡음에 대한 소정의 운동 방정식 (equations of motion)을 가진 TDSV(time-dependent state vector)를 실시간으로 추적하는 효율적인 순환계산 방법(recursive computational solution)을 수행하기 위해서 사용된다.
상기 칼만 필터를 GPS 시스템에 사용하기 위해서는 시스템의 동적 방정식 및 측정기의 오차모델 등 고려하여야 할 사항이 많다. 또한 항법시스템에 사용이 가능한 위성수가 현재 부족할 뿐만 아니라, 위성으로 관측이 용이하지 않은 실내 및 도심지의 빌딩 숲에서 발생되는 통화신호의 수신문제가 존재한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기지국을 기반으로 하는 E-OTD 방법 및 인공위성을 기반으로 하는 GPS 방법을 혼합하여 단말기의 위치를 결정하는 혼성 항법시스템(Hybrid Navigation System)을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, E-OTD 방법 및 GPS 방법을 이용하여 단말기의 위치를 결정하는 단말기의 위치결정방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 혼성 항법시스템의 일 면은, E-OTD(Enhanced Observed Time Difference) 측정장치; GPS(Global Positioning System); 및 상기 E-OTD 측정장치에서 측정한 단말기와 기지국사이에 대하여 측정한 소정의 보조 데이터(Assistance Data) 및 상기 GPS로부터 단말기의 시간대 별 위치 정보를 수신하여, 단말기의 위치 및 이동 속도를 결정하는 칼만 필터를 구비한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 혼성 항법시스템의 다른 일 면은, E-OTD(Enhanced Observed Time Difference) 측정장치; DGPS(Differential Global Positioning System); 및 상기 E-OTD 측정장치에서 측정한 단말기와 기지국사이에 대하여 측정한 소정의 보조 데이터(Assistance Data) 및 상기 DGPS로부터 단말기의 시간대 별 위치 정보를 수신하여, 단말기의 위치 및 이동 속도를 결정하는 칼만 필터를 구비한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 단말기 위치결정방법은, 단말기와 기지국 사이의 소정의 데이터를 측정하는 단계; GPS에서 단말기의 위치 및 이동 속도를 측정하는 단계; 상기 소정의 데이터 및 단말기의 위치 및 이동 속도를 이용하여 단말기의 위치 및 이동 속도를 정확하게 예측하는 단계를 구비한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
현재 무선 측위 기술개발은 기존 망(network)을 활용하는 방향, 독자적인 새로운 망을 이용하는 방향 및 GPS를 이용하는 방향으로 진행되고 있다. 이러한 기술개발 방향에 대해 무선 측위를 수행하는 일반적인 방법은 망 기반(network-based), 단말기 기반(handset-based), 전용망에 의한 방법 및 GPS를 이용하는 방법으로 분류할 수 있다.
단말기의 위치를 측정하는 방법은 크게 AOA(Angle of Arrival) 방법, TOA(Time of Arrival) 방법 및 TDOA(Time Difference of Arrival) 방법으로 분류할 수 있다.
AOA(Angle of Arrival) 방법은 두 개의 기지국에서 단말기로부터 오는 신호의 방향을 측정하여 방위각을 구하고 이것을 이용하여 단말기의 위치를 구한다. 하나의 기지국에서 측정된 신호의 방향은 하나의 방향 각(Line Of Bearing, 이하 LOB)을 형성한다. 이들 LOB의 교점이 단말기의 위치가 된다. 2차원 평면에서 2개의 LOB가 있으면 단말기의 위치를 구할 수 있다. 그러나 2개의 LOB만 가지고는 구하지 못하는 경우가 생기므로 실제 시스템에서는 3개 이상의 LOB을 이용하게 된다.
TOA(Time of Arrival) 방법은 단말기와 기지국간의 전파전달 시간을 측정하여 거리를 구하는 방법이다. 여러 기지국에서 측정한 여러 개의 측정값으로부터 각 기지국을 중심으로 한 원들이 생기게 되고, 단말기는 이 원들의 교점에 놓이게 된 다는 것이다. GPS 위성이 TOA 방법을 사용하여 단말기의 위치를 구하는 대표적인 시스템이다. GPS 기반 위치추적방법을 사용한 서비스는, CDMA 시스템을 사용하는 국내에서도 현재 제공되고 있다.
TDOA(Time Difference of Arrival) 방법은 항법을 위해 널리 사용되고 있는 시스템인 로랜(LORAN)이나 데카(DECCA)에서 사용되고 있다. 현재 사용중인 TDOA 방법은 서로 다른 곳에서 송신한 신호의 도달 시간차를 이용하여 위치를 결정한다. 두 기지국에서 단말기까지 거리의 차에 비례하는 전파 도달 시간차가 측정되고, 두 기지국에서 거리 차가 일정한 곳, 즉, 두 기지국을 초점으로 하는 쌍곡선 위에 단말기가 위치하게 된다.
무선 측위 기술에는 지금까지 언급한 기술을 한가지만 사용하는 것이 아니라 이들을 결합하여 더욱 우수한 정확도와 신뢰도를 얻는 방식이 있다. 즉, TOA와 AOA 또는 TDOA와 AOA를 같이 결합하여 쓰기도 하는데 도심에서 3개 혹은 그 이상의 LOS (Line Of Sight)신호 성분을 확보하기가 쉽지 않은 상황을 극복할 수 있는 좋은 방법 중 하나이다.
E-OTD(Enhanced Observed Time Difference)를 이용한 위치추적방법에 있어서, 3GPP 표준에서는 ASD(Assistance Data)를 정의하고 있으며, 상기 ASD에는 주변 기지국들의 SCH를 디코딩 하는데 도움을 줄 수 있는 정보를 포함하고 있다.
본 발명에서는 E-OTD 및 GPS의 보정 값(correction data)을 이용하여 상호 보완적인 하이브리드 시스템을 구성하는 방법에 관한 것이다.
상기 하이브리드 시스템에 사용되는 칼만 필터는, E-OTD의 4가지 요소인 RTD 드리프트 팩터(Real Time Difference Drift factor), 채널 RTD 값(Channel Real Time Difference Value), 써빙 셀 위치(Serving Cell Location) 및 RNLV(Relative Neighbour Location Value)을 사용하며, DGPS로부터 단말기의 위치 및 이동 속도에 대한 정보를 이용한다.
여기서, DGPS(Differential GPS)란 GPS의 오차를 보다 정밀하게 보정하여 이용자에게 제공하는 일종의 GPS 보정 시스템으로서, 정밀하게 측정된 기지국의 위치와 GPS 위성으로부터 수신한 신호를 비교하여 오차 보정 값(Differential Correction Error)을 전송하는 방식으로서 오차가 10m 이내이다. 이미 알고 있는 지점의 기준 기지국에서 결정된 위성신호로부터 계산된 의사 거리의 오차(Pseudo range correction)를 의미하는 보정 값들은, 무선통신을 이용해 실시간으로 방송되거나 후처리를 위해 저장된다. 상기 보정 값들은 미지의 지점에 대한 정확한 위치를 계산하기 위해 RTCM SC-104의 형식으로 전달된다. 상기 RTCM SC-104는 DGPS 보정을 위한 표준 형식으로, 기준 기지국에서 이동 기지국으로 보정 값을 전송하기 위해 사용되는 표준형식을 말한다.
도 2는 E-OTD ASD broadcast message를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼성 항법시스템(Hybrid Navigation System)은, 이 들 중에서, RTD 드리프트 팩터(Real Time Difference Drift factor), 채널 RTD 값(Channel Real Time Difference Value), 써빙 셀 위치(Serving Cell Location) 및 RNLV(Relative Neighbour Location Value)를 사용한다.
도 3은 도 2에 도시된 메시지의 구조를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 위치추정을 위하여 전송되는 데이터의 구조를 알 수 있다.
도 4는 GPS의 보조데이터의 정보 구성인자를 나타낸다.
도 4에 도시된 GPS 보조데이터는 GPS 항법시스템에서 제공된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼성 항법시스템의 블록 다이어그램이다.
도 5를 참조하면, 상기 혼성 항법시스템은, E-OTD 측정장치(501), GPS(503) 및 칼만 필터(505)를 구비한다.
E-OTD 측정장치(501)는, RTD 드리프트 팩터(Real Time Difference Drift factor), 채널 RTD 값(Channel Real Time Difference Value), 써빙 셀 위치(Serving Cell Location) 및 RNLV(Relative Neighbour Location Value)를 출력한다.
GPS(503)는, 단말기의 위치 및 이동 속도에 관한 정보를 RTCM-104 형태의 데이터로 출력한다.
칼만 필터(505)는, E-OTD 측정장치(501) 및 GPS(503)의 출력데이터를 이용하여 단말기의 위치 및 이동 속도를 정확하게 결정한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼성 항법시스템에서 사용하는 칼만 필터를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 상기 칼만 필터는, 예측장치(601) 및 보정장치(603)를 구비한다.
예측장치(601)는, 초기 값() 및 보정장치(603)의 출력데이터를 이용하여 단말기의 위치에 대응하는 시간 성분을 포함시킨다.
보정장치(603)는, 예측장치(601)의 출력데이터를 이용하여 단말기의 위치(P) 및 이동 속도(K)에 대한 보정을 실시한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 혼성 항법시스템 및 단말기 위치결정방법은, GPS로부터 단말기의 위치 및 이동 속도에 대한 정보 및 이동통신 시스템에서 사용하는 무선 측위의 소정의 변수를 모두 이용함으로써, 상기 GPS 방법 및 E-OTD(Enhanced Observed Time Difference) 방법을 상호 보완하여, 상기 방법을 각각 사용하는 경우에 비하여 상당히 정밀하게 단말기의 위치 단말기의 이동 속도를 결정할 수 있게 한다.

Claims (10)

  1. E-OTD(Enhanced Observed Time Difference) 측정장치;
    GPS(Global Positioning System); 및
    상기 E-OTD 측정장치에서 측정한 단말기와 기지국사이에 대하여 측정한 소정의 보조 데이터(Assistance Data) 및 상기 GPS로부터 단말기의 시간대 별 위치 정보를 수신하여, 단말기의 위치 및 이동 속도를 결정하는 칼만 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼성 항법시스템(Hybrid Navigation System).
  2. 제1항에 있어서, 상기 소정의 보조 데이터는,
    RTD 드리프트 팩터(Real Time Difference Drift factor), 채널 RTD 값(Channel Real Time Difference Value), 써빙 셀 위치(Serving Cell Location) 및 RNLV(Relative Neighbour Location Value)인 것을 특징으로 하는 혼성 항법시스템.
  3. E-OTD(Enhanced Observed Time Difference) 측정장치;
    DGPS(Differential Global Positioning System); 및
    상기 E-OTD 측정장치에서 측정한 단말기와 기지국사이에 대하여 측정한 소정의 보조 데이터(Assistance Data) 및 상기 DGPS로부터 단말기의 시간대 별 위치 정보를 수신하여, 단말기의 위치 및 이동 속도를 결정하는 칼만 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼성 항법시스템(Hybrid Navigation System).
  4. 제3항에 있어서, 상기 소정의 보조 데이터는,
    RTD 드리프트 팩터(Real Time Difference Drift factor), 채널 RTD 값(Channel Real Time Difference Value), 써빙 셀 위치(Serving Cell Location) 및 RNLV(Relative Neighbour Location Value)인 것을 특징으로 하는 혼성 항법시스템.
  5. 단말기와 기지국사이에 대하여 측정한 소정의 보조 데이터(Assistance Data) 및 상기 GPS로부터 단말기의 시간대 별 위치 정보를 수신하여, 단말기의 위치 및 이동 속도를 결정하는 칼만 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼성 항법시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 소정의 보조 데이터는,
    RTD 드리프트 팩터, 채널 RTD 값, 써빙 셀 위치 및 RNLV인 것을 특징으로 하는 혼성 항법시스템.
  7. 단말기와 기지국사이에 대하여 측정한 소정의 보조 데이터(Assistance Data) 및 상기 DGPS로부터 단말기의 시간대 별 위치 정보를 수신하여, 단말기의 위치 및 이동 속도를 결정하는 칼만 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼성 항법시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 소정의 보조 데이터는,
    RTD 드리프트 팩터, 채널 RTD 값, 써빙 셀 위치 및 RNLV인 것을 특징으로 하는 혼성 항법시스템.
  9. 단말기와 기지국 사이의 소정의 데이터를 측정하는 단계;
    GPS에서 단말기의 위치 및 이동 속도를 측정하는 단계;
    상기 소정의 데이터 및 단말기의 위치 및 이동 속도를 이용하여 단말기의 위치 및 이동 속도를 정확하게 예측하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 단말기의 위치결정방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 소정의 데이터는,
    RTD 드리프트 팩터, 채널 RTD 값, 써빙 셀 위치 및 RNLV인 것을 특징으로 하는 단말기의 위치결정방법.
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