KR20060072979A - 지상무선국에서의 열차 위치결정오차 보정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일정한 노선을 따라 이동하는 이동체인 열차의 위치결정시 발생할 수 있는 오차를 보정하여 보다 정확하게 위치를 결정할 수 있도록 하는 지상무선국에서의 열차 위치결정오차 보정방법에 관한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은, 컴퓨터가 지상무선국의 신호발생기에서 발생하는 기준신호와 차상무선국이 상기 기준신호에 대응하여 송신하는 신호를 지상무선국 수신기가 수신하는 위상정보신호로부터 각각 샘플링 신호를 추출하는 단계, 상기 기준신호와 위상정보신호의 샘플링 신호에서 각각 부호가 바뀌는 샘플을 찾는 단계, 부호가 바뀌는 샘플에서 크기가 제로인 f(t)=0을 계산하는 단계, f(t)=0인 t의 기준신호의 시간(ta)과 f(t)=0인 t의 위상정보신호의 시간(tb)을 이용해서 시간차(tb-ta)를 구하는 단계, 지상무선국의 데이터베이스에서 시간차에 대한 차상무선국의 위치를 탐색하는 단계, 탐색된 위치정보를 출력하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발명임.
위상차, 열차추적, 위치추적, 지상무선국, 차상무선국, 오차보정

Description

지상무선국에서의 열차 위치결정오차 보정방법{Method for correcting train positioning error in wayside radio station}
도 1 은 본 발명에 따른 차상무선국과 이동무선국간의 송수신 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 위치정보신호와 기준신호의 샘플링 신호를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 위치보정방법을 설명하는 흐름도를 나타낸다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10(WRS1, WRS2, WRS3) -- 지상무선국,
11 -- 신호발생기, 13 -- 송신기,
14 -- 수신기, 16 -- 컴퓨터,
20(VRS) -- 차상무선국, 21 -- 수신기,
23 -- 송신기.
본 발명은 일정한 노선을 따라 이동하는 이동체인 열차의 위치추적시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위치결정시 발생할 수 있는 오차를 보정하여 보다 정확하게 위치를 결정할 수 있도록 하는 지상무선국에서의 열차 위치결정오차 보정방법에 관한 것이다.
열차위치 검지는 역과 역 사이에서는 열차의 간격을 제어하기 위해, 그리고 역내에서는 열차의 진로를 제어하기 위해 요구되는 가장 중요한 정보로써, 철도와 같이 안전성과 신뢰성을 최우선으로 고려되는 상황에서는 열차에 탑재되는 이동 무선국의 크기, 소비전력 그리고 비용 등과 같은 요소보다는 위치추적의 정밀도가 가장 중요하며, 경량전철과 같은 무인운전시스템에서는 각 철도차량의 위치를 정확히 파악하여야만 이들 차량을 유기적으로 제어하여 효율적인 운영이 가능하도록 되어 있다.
종래에 사용되고 있는 위치추적 기술로는 위성을 이용한 위치추적시스템인 GPS(Global Positioning System)기술, 도착시간방법으로써 지상의 고정 무선국과 이동 무선국사이의 전파 지연시간을 이용하는 TOA(Time Of Arrival)방법, 도착시간차 방법으로써 이동 무선국에서 송신한 전파가 각 기지국에 도달하는 시간차를 이용하는 TDOA(Time Difference Of Arrival)방법, 도달각방법으로써 이동 무선국에서 송신한 전파가 고정국에 도달하는 각도를 이용하는 AOA(Angle Of Arrival), 그리고 이동 무선국에서 송신한 전파의 강도를 이용하는 방법들이 소개되고 있다.
상기 GPS를 이용한 방법은 수신전용단말기로 장애물이 없는 어느 곳에서나 위치를 추적할 수 있기 때문에, 이동범위가 넓은 경우에는 적용이 가능하다. 그러나, 경량전철과 같이 주로 도심이나 지하로 운행되는 시스템에는 적용이 힘든 상태이다. 고정 무선국에 수신된 전파의 강도를 이용하는 방법과 AOA는 경량전철의 경우에 많은 장에물과 지하구간으로 인하여 적용이 어렵기 때문에, 현재는 상기 TOA 나 TDOA가 주로 사용되고 있는 실정이다. 그렇지만, 상기 TOA나 TDOA의 경우에도 각 고정 무선국의 시간을 동기시키는 것이 어렵고 그에 따른 오차가 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 방법들은 적용지역환경 및 대상에 따라 적절한 방법을 선정하여 사용하는 것이 중요할 뿐만 아니라 신뢰성을 갖는 것 또한 매우 중요하다.
이에 본 발명은 상기와 같은 방법을 통하여 안전한 열차 간격을 유지시킬 수 있음으로 철도의 신뢰성을 증대시킬 수 있는 위상차를 이용한 위치추적방법을 발명한 것으로, 분기점 유무에 따라 선로상에서 열차가 이동할 때 수신한 위상정보신호와 기준신호를 비교하여 열차의 위상정보를 얻음으로 지상무선국에서 차량무선국의 위치를 추정하여 이동체의 위치를 결정하는 방법으로 1 차원에서 물체의 위치를 추적할 수 있는 위상차를 이용한 선로상의 열차추적시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 컴퓨터가 지상무선국의 신호발생기에서 발생하는 기준신호와 차상무선국이 상기 기준신호에 대응하여 송신하는 신호를 지상무선국 수신기가 수신하는 위상정보신호로부터 각각 샘플링 신호를 추출하는 단계, 상기 기준신호와 위상정보신호의 샘플링 신호에서 각각 부호가 바뀌는 샘플을 찾는 단계, 부호가 바뀌는 샘플에서 크기가 제로인 f(t)=0을 계산하는 단계, f(t)=0인 t의 기준신호의 시간(ta)과 f(t)=0인 t의 위상정보신호의 시간(tb)을 이용해서 시간차(tb-ta)를 구하는 단계, 지상무선국의 데이터베이스에서 시간차에 대한 차상무선국의 위치를 탐색하는 단계, 탐색된 위치정보를 출력하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기에 있어서, 상기 기준신호 및 위상정보신호로부터 샘플링신호를 추출하는 단계는 지상무선국의 신호발생기 및 수신기에서 나온 신호를 콘덴서를 통해 직류성분을 제거한 후 추출하도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 차상무선국과 이동무선국간의 송수신 구성도를 나타낸다.
첨부도면에 도시된 바와 같이, 선로 주위에 지상무선국(10: WRS1, WRS2, WRS3 ....)이 설치되어 있고 열차에는 차상무선국(20: VRS)이 탑재되어 있다. 선로영역(Zone1)에서는 지상무선국(WRS1)에 의해서 열차의 위치를 계산하게 되고, 선로영역(Zone2)에서는 지상무선국(WRS2)에 의해서 열차의 위치를 계산하게 된다.
이하에서는 지상무선국에서 무선으로 열차의 위치를 추적하는 과정과 오차를 수정하는 과정에 대해 상세히 설명한다.
신호발생기(11)에서는 위치결정에 필요한 사인파 신호나 삼각파 신호를 기준신호로써 발생시킨다. 신호발생기(11)에서 발생한 신호에 포함되어 있을 수 있는 직류 신호를 차단하기 위해서, 콘덴서(12)로 신호를 전기적으로 연결시켜 보낸다. 신호발생기(11)에서 발생한 신호의 주파수에 의해서 선로 주위에 설치된 지상무선국간 간격을 결정한다. 높을 주파수를 발생시켜서 신호로 이용하게 되면 지상무선국간 거리가 가까워지고 낮은 주파수를 이용하게 되면 지상무선국간 거리가 멀어 진다.
신호발생기(11)와 송신기(13) 사이에 직렬로 전기적으로 연결되어 있는 콘덴서(12)는 신호발생기(11)에서 발생한 신호에서 직류신호(DC신호)는 차단하고 교류신호(AC신호)만 송신기(13)로 전달하는 역할을 한다.
콘덴서(12)를 통과한 신호발생기(11)의 기준신호는 송신기(13)의 입력단자로 들어온다. 이 신호는 송신기(11)에서 변조해서, 반송파의 채널1(CH1)에 실어 차상무선국(20)의 수신기(21)로 보낸다.
송신기(13)의 입력단자로 입력되는 신호는 다음 수학식 1과 같이 정의한다.
Figure 112004061158818-PAT00001
여기서, A는 신호의 크기, f는 신호의 주파수, c는 전파의 속도의 크기(빛의 속도의 크기), x는 위치 변수(여기서는 지상무선국(10)의 송신기(13)에 대한 차상무선국(20)의 수신기(21)의 위치의 변수를 의미), t는 시간 변수(차상무선국(20)의 수신기(21)의 위치에 따라 지상무선국(10)의 송신기(13)에서 수신기(21)로 신호가 전달되는데 걸리는 시간 변수)를 나타낸다.
차상무선국(20)의 수신기(21)는 지상무선국(10)의 송신기(13)에서 보낸 신호를 받아서 반송파로부터 신호를 복조한다. 지상무선국(10)의 송신기(13)에서 차상무선국(20)의 수신기(21)로 보낸 반송파의 채널은 같은 채널을 이용해야한다. 차상무선국(20)의 수신기(21)와 콘덴서(22)를 전기적으로 연결시켜서 차상무선국(20)의 수신기(21)에서 복조된 신호를 콘덴서(22)로 보낸다.
상기 콘덴서(22)는 차상무선국(20)의 수신기(21)의 복조된 신호에서 직류성분을 제거한 후 직류성분이 제거된 신호를 차상무선국(20)의 송신기(23)로 보낸다. 차상무선국(20)에서 콘덴서(22)를 통과한 신호는 다음 수학식 2와 같이 표시된다.
Figure 112004061158818-PAT00002
상기 수학식 2에서 신호가 지상무선국(10)의 송신기(13)에서 차상무선국(20) 의 수신기(21)로 전송되는데 걸리는 시간지연(t1)에 의한 위상지연 항과 송수신기(21)와 콘덴서(22) 등을 통과 할 때 생기는 위상지연항(
Figure 112004061158818-PAT00003
)이 있을 것이다.
차상무선국(20)의 송신기(23)는 콘덴서(22)와 전기적으로 직렬로 연결되어있다. 따라서 콘덴서(22)를 통과한 신호는 송신기(23) 입력단자로 들어가고 이 신호는 변조되어 무선으로 지상무선국(10)의 수신기(14)로 전송된다. 차상무선국(20)의 송신기(23)에서 지상무선국(10)의 수신기(14)로 전송할 때 반송파 채널은 지상무선국(10)의 송신기(13)와 차상무선국(20)의 수신기(21)에서 사용하지 않은 반송파 채널을 이용해야 한다. 도 1에서는 채널1(CH1)과 다른 종류의 채널을 사용한다는 의미에서 채널4(CH4)를 이용하는 것으로 표시하였다. 그리고 인접 채널을 이용하면 신호 간섭이 있기 때문에 인접채널은 이용하지 않는다. 바람직하기로는 다른 주파수 대역의 반송파를 이용하면 좋다.
지상무선국(10)의 수신기(14)는 차상무선국(20)의 송신기(23)에서 보낸 신호를 받아서 복조한다. 복조된 신호는 콘덴서(15)를 통해서 직류성분을 제거한다. 상기 콘덴서(15)에 의해서 직류성분이 필터링된 신호는 차상무선국(20)의 위상정보를 갖고 있는 위상정보신호가 된다. 이것을 수식으로 표현하면 다음 수학식 3과 같다.
Figure 112004061158818-PAT00004
상기 수학식 3에서 차상무선국(20)의 위치에 따라 발생한 2배의 t1의 시간지 연에 의해서 발생한 위상지연 항과 시스템에서 발생한 위상지연 항(
Figure 112004061158818-PAT00005
)이 있다. 이 신호를 컴퓨터(16)에서 검출하면 위상정보신호로 이용할 수 있다.
컴퓨터(16)는 위상정보신호와 기준신호의 위상을 샘플링하고 샘플링하면서 발생한 오차를 보정해서 지상무선국(WRS1)에서 차상무선국(VRS)까지 거리가 얼마나 떨어져 있는지 계산하고 비교하는 부분이다. 위상정보신호는 신호가 지상무선국(10) 수신기(14)를 거쳐 콘덴서(15)를 통과한 신호를 이용한다. 그리고 기준신호는 신호발생기(11)에서 발생한 신호가 콘덴서(12)를 통과해서 발생한 신호를 이용한다. 이 두 신호를 샘플링해서 비교를 하면 샘플과 샘플 사이에 중요한 위상정보가 손상될 수 있다. 따라서 이것을 다음과 같이 보정하는 과정이 필요하다.
도 2는 본 발명에 따른 위치정보신호와 기준신호의 샘플링 신호를 나타내고, 도 3은 컴퓨터(16)에서 기준신호와 위상정보신호의 샘플링 신호를 추출하여 차상무선국 즉 열차의 위치를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1의 컴퓨터(16)에서 기준신호와 위상정보신호의 주파수가 같기 때문에 샘플과 샘플의 크기에서 부호가 바뀌는 정확한 시간을 계산할 수 있다면 더 정확한 위상지연 값이 계산된다. 도 2에서 수평축은 샘플신호의 번호를 나타내고 수직축은 신호의 크기를 나타낸다.
먼저, 컴퓨터(16)에서는 신호발생기(11)에서 발생하여 콘덴서(12)를 통과한 기준신호로부터 샘플링신호를 추출함과 아울러 지상무선국(10) 수신기(14)를 거쳐 콘덴서(15)를 통과한 위상정보신호로부터 샘플링 신호를 추출하는 단계를 수행하고, 기준신호와 위상정보신호 샘플 값에서 각각 부호가 바뀌는 샘플을 찾는 단계를 수행한다.
추출한 신호는 도 2에 도시된 바와 같으며, 도시된 바와 같이 도 2에서 샘플1과 샘플2에서 부호가 바뀌고, 샘플8과 샘플9에서 부호가 바뀌며, 샘플14와 샘플15에서 부호가 바뀐다. 또한 샘플21과 샘플22에서도 부호가 바뀐다. 이와 같이 부호가 바뀌는 것은 주파수가 일정하기 때문에 비슷한 주기에서 반복될 것이다.
이어, 부호가 바뀌는 샘플에서
Figure 112004061158818-PAT00006
인 t를 계산한다. 신호의 크기가 0인 값은 다음과 같이 계산할 수 있다. 사인파 신호나 삼각파 신호는 크기가 0인 곳에서 선형적으로 증가하거나 감소하는 것으로 근사화 시킬 수 있다. 샘플링폭(sampling width)이
Figure 112004061158818-PAT00007
[sec]일 때 샘플링번호(sampling number) n번째에서 신호의 크기
Figure 112004061158818-PAT00008
은 0보다 작고, 샘플링번호 (n+1) 번째에서 신호의 크기
Figure 112004061158818-PAT00009
은 0보다 크다면 Δn과 Δ(n+1) 사이에서
Figure 112004061158818-PAT00010
인 t의 값을 계산 할 수 있다. 여기서 다음 수학식 4의 직선의 방정식을 유도할 수 있다.
Figure 112004061158818-PAT00011
상기 수학식 4에 (
Figure 112004061158818-PAT00012
,
Figure 112004061158818-PAT00013
)을 대입하면 b의 값을 계산할 수 있다.
Figure 112004061158818-PAT00014
여기서, f(t)=0인 시간 t를 계산할 수 있다.
Figure 112004061158818-PAT00015
[sec]
상기 수학식 6을 이용해서 도 1의 컴퓨터(16)가 소프트웨어적으로
Figure 112004061158818-PAT00016
인 기준신호의 시간(ta)와
Figure 112004061158818-PAT00017
인 위상정보신호의 시간(tb)를 계산해서 시간차(tb-ta)를 계산하는 단계를 수행한다. 시간차가 한 주기의 시간(1/f[sec]) 내에서 변하도록 지상무선국(WRS)은 설치한다. 그리고 지상무선국(WRS)에는 차상무선국(VRS)의 위치에 대한 데이터베이스 정보가 있다. 그러므로 데이터베이스 정보에서 시간차에 대한 차상무선국(VRS)의 위치를 찾는 단계를 수행한다.
상기한 바와 같이 본 발명은 터널이나 도심지와 같이 이동체인 열차의 위치를 추적하는데 제한이 많은 지역에서도 위치추적에 대한 정확도를 높여 효율적인 열차의 간격제어가 가능한 장점이 있다.

본 발명의 지상무선국에서의 열차 위치결정오차 보정방법에 대한 기술사상을 예시도면에 의거하여 설명했지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명의 특허청구범위를 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 이 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (2)

  1. 컴퓨터가 지상무선국의 신호발생기에서 발생하는 기준신호와 차상무선국이 상기 기준신호에 대응하여 송신하는 신호를 지상무선국 수신기가 수신하는 위상정보신호로부터 각각 샘플링 신호를 추출하는 단계, 상기 기준신호와 위상정보신호의 샘플링 신호에서 각각 부호가 바뀌는 샘플을 찾는 단계, 부호가 바뀌는 샘플에서 크기가 제로인 f(t)=0을 계산하는 단계, f(t)=0인 t의 기준신호의 시간(ta)과 f(t)=0인 t의 위상정보신호의 시간(tb)을 이용해서 시간차(tb-ta)를 구하는 단계, 지상무선국의 데이터베이스에서 시간차에 대한 차상무선국의 위치를 탐색하는 단계, 탐색된 위치정보를 출력하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 지상무선국에서의 열차 위치결정오차 보정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기준신호 및 위상정보신호로부터 샘플링신호를 추출하는 단계는 지상무선국의 신호발생기 및 수신기에서 나온 신호를 콘덴서를 통해 직류성분을 제거한 후 추출하도록 하는 것을 특징으로 하는 지상무선국에서의 열차 위치결정오차 보정방법.
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