KR20060130017A - 장치의 위치를 추적하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 제1 위치 추적국(2) 및 장치(1) 간의 거리(range)를 결정하고 적어도 제2 위치 추적국(3) 및 장치(1) 간의 거리를 결정하기 위한 측정치들을 획득함으로써 장치(1)의 위치를 결정하기 위한 방법 및 시스템에 관련된다. 적어도 하나의 측정치가 장치(1)의 위치를 위한 기하학적 표면을 정의한다. 상기 제2 위치 추적국(3) 및 제2 위치 추적국(3)은 상이한 시스템에 속한다. 본 발명에서, 2차 표면들(quadratic surfaces)을 포함할 수 있는 기하학적 모델을 선택하는데 측정치가 사용되고, 선택된 기하학적 모델은 단순화되어 2차 표면들의 개수를 감소시키며, 측정 결과치들이 단순화된 기하학적 모델에 대입되고, 단순화된 기하학적 모델을 풀어냄(solve)으로써 장치(1)의 위치가 결정된다. 또한, 본 발명은 이러한 방법이 적용될 수 있는 장치(1) 및 프로그램은 물론, 이러한 프로그램을 저장하기 위한 저장 수단에 관련된다.

Description

장치의 위치를 추적하기 위한 방법 및 시스템{Method and system for determining the position of a device}
본 발명은 장치를 위치 추적하기 위한 방법으로서, 적어도 제1 위치 추적국 및 상기 장치 간의 거리(range)를 결정하고 적어도 제2 위치 추적국 및 상기 장치 간의 거리를 결정하기 위한 측정치들이 획득되고, 각 측정치가 상기 장치의 위치를 위한 기하학적 표면(geometric surface)을 정의하는 방법에 관련된다. 또한, 본 발명은 장치를 위치 추적하기 위한 시스템으로서, 적어도 제1 위치 추적국 및 상기 장치 간의 거리를 결정하고 적어도 제2 위치 추적국 및 상기 장치 간의 거리를 결정하기 위한 측정을 수행하기 위한 수단 및 적어도 하나의 측정치에 기반하여 상기 장치의 위치를 위한 기하학적 표면을 정의하기 위한 수단을 포함하는 시스템에 관련된다. 더 나아가, 본 발명은 적어도 제1 위치 추적국 및 장치 간의 거리를 결정하고 적어도 제2 위치 추적국 및 상기 장치 간의 거리를 결정하기 위한 측정치들을 획득하기 위한 수단 및 적어도 하나의 측정치에 기반하여 상기 장치의 위치를 위한 기하학적 표면을 정의하기 위한 수단을 포함하는 장치에 관련된다. 또한, 본 발명은 장치를 위치 추적하기 위한 기계에 의하여 실행될 수 있는 프로그램 명령들을 포함하는 프로그램으로서, 제1 위치 추적국 및 상기 장치 간의 거리를 결정하고 제2 위치 추적국 및 상기 장치 간의 거리를 적어도 결정하기 위한 측정을 수행하기 위한 프로그램 명령들을 포함하고, 적어도 하나의 측정치가 상기 장치의 위치를 위한 기하학적 표면을 정의하며, 상기 제1 위치 추적국 및 상기 제2 위치 추적국은 상이한 시스템들에 속하는 프로그램 및 이러한 프로그램을 저장하기 위한 저장 수단에 관련된다.
장치 또는 다른 타겟의 위치는 수 개의 상이한 방법들을 이용하여 결정될 수 있다. 위성 기반 시스템들이 공지되는데, 이러한 시스템들은 지구 주위 궤도를 운행하고 신호들을 송신하는 수 개의 위성들을 이용한다. 위성들에 의하여 송신된 신호들은 수신되고, 신호 수신에 기반하여 다양한 측정치들이 획득되어 타겟의 위치를 결정한다. 신호 측정치들은 위치 결정될 대상인 장치 내에서 획득되거나 및/또는 이동 통신 네트워크의 기지국과 같이 공지된 위치의 지상국(earth station)에서 획득된다. 예를 들어, 이러한 위성 위치 추적 시스템들에는 GPS(Global Positioning System) 및 GLONASS(Global Orbiting Navigation Satellite System)과 같은 것들이 포함된다. 위성 기반 위치 추적 기법의 장점을 예로 들면, 우호적인 조건에서는 위치가 상대적으로 높은 정밀도를 가지고 결정될 수 있다는 것이다. 심지어 상대적으로 고가가 아닌 수신기를 이용하여서도 수 미터 정도의 정밀도를 가지고 위치를 결정할 수 있다. 이러한 경우는 위성 신호들을 감쇄시킬 수 있는 방해물들이 거의 없는 노출된 지역들에서 흔히 발생한다. 그러나, 신호 강도가 약한 열악한 조건에서는, 위성 신호들에 기반한 위치 추적 기술은 그 자체로 반드시 가능한 것이 아니다. 이러한 상황은 신호들이 건물의 구조체를 통과해야만 하는 도시 및 특히 실내에서 흔히 발생한다. 더 나아가, 수신기가 충분히 많은 수의 위성들로부터 신호를 수신할 수 없다면, 인공 위성 위치 추적 시스템만을 이용하여서는 위치가 결정될 수 없다.
현재, 이동 통신 장치의 위치는 기지국에 의하여 결정된다. 그러므로, 이동 통신 네트워크의 기지국 및 이동 통신 장치 간에 송신된 신호들에 기반하여 측정치들이 획득된다. 예를 들어, 이러한 위치 추적 시스템에서는 이동 통신 장치 및 상이한 기지국 간의 신호 전달 시간의 차이가 이용된다. 이러한 시스템에서 위치 추적 정밀도는 전형적으로는 수백 미터의 오차를 가지거나 이보다 열악한데, 이러한 정밀도는 기지국의 범위, 즉 셀의 크기에 따라서 변경된다. 셀의 크기가 작을수록 위치 추적 정밀도는 향상된다. 셀의 크기는 반드시 동일할 필요가 없으며 변동될 수 있다. 일반적으로, 도시와 같이 인구가 밀집한 지역에서는 기지국들이 더 많이 존재하고, 즉, 셀 크기가 더 작지만, 인구가 적은 지역에서는 기지국이 더 적기 때문에 셀 크기가 더 크다. 만일 지향성 안테나들이 기지국에 사용된다면 위치 추적 정밀도는 어느 정도까지 개선될 수 있다. 이러한 기지국 기반 위치 추적 기법의 장점의 예를 들면, 이 시스템에서는 개별 위치 추적 수신기를 사용하지 않아도 되고 위치 추적을 위하여 하나의 이동 통신 장치가 사용될 수 있다는 점이다.
또한, 전술된 방법들을 통합하는 위치 추적 장치들이 개발되어 왔다. 이러한 하이브리드 시스템에서는, 장치의 위치를 결정하기 위하여 위성 및 기지국 모두가 이용된다.
위성 기반 위치 추적 시스템에서, 적어도 세 개의 상이한 인공 위성들로부터 의 신호가 수신되어야 3차원 위치 솔루션(position solution)을 생성할 수 있는데(x, y, z: 위도, 경도, 및 고도) 이 경우 정확한 시간 데이터가 수신기에 알려져 있어야 한다. 예를 들어, GPS 시스템의 인공 위성에서는, 그 정밀도가 지상국에서 제어되는 고정밀 원자 시계들이 이용된다. 필요할 경우, 인공 위성 시계는 이러한 지상국에 의하여 획득되는 측정치들에 기반하여 조절될 수 있다. 그러나, 종래의 상업적 위치 추적 수신기들에서, 이러한 원자 시계를 이용하는 것은 불가능한데, 그 이유의 예를 들면 이들은 매우 귀한 것이며 이들 시계가 신뢰성있게 동작하도록 보장하기 위해서는 상대적으로 일정한 주변 조건(ambient conditions)이 요구된다는 점이 있다. 이러한 경우, 네 번째 인공 위성으로부터의 신호가 시간 오차를 더 결정하기 위하여 역시 필요하다.
기하학적 기반 위치 추적 시스템에서, 이동 통신 장치는 적어도 두 개의 기지국으로부터의 신호를 수신하여야 수신기의 위치를 2차원에서(x, y: 위도 및 경도) 결정할 수 있다. 반면에, 기지국 기반 위치 추적 시스템은 이와 역으로 동작될 수도 있다. 다시 말하면, 이동 통신 장치로부터의 신호가 두개 또는 그 이상의 기지국에 의하여 수신되고 2차원 위치 추적 동작은 기지국에 의하여 수신된 신호들에 기반하여 수행될 수 있다. 3차원 위치 추적 시스템은 현재까지 공지된 기지국 기반 위치 추적 시스템에서는 가능하지 않다.
종래 기술에 의한 위치 추적 시스템에서, 위치는 비선형 방정식 집합을 이용하여 되풀이되어(iteratively) 결정된다. 더 나아가, 과도결정 기법(overdetermination)을 이용하는 것도 가능하다. 즉, 풀어내야 할 미지 변수들보 다 더 많은 방정식이 이용될 수도 있다. 실무상에서는, 이러한 상황은 수신 신호들의 개수가 최소치를 초과한다는 것을 의미한다. 방정식 집합을 풀어내기 위해서는, 예를 들어 최소값을 찾기 위하여 최소 평균 자승법(least mean squares)들을 이용하는 것이 가능하다. 이러한 방식의 문제점을 예를 들면, 만일 사용되어온 디폴트 위치(default position)가 매우 부정확하거나, 상이한 측정치들에 바람직하지 않은 이유로 가중치들이 부여된다면, 되풀이 연산 방법은 부정확한 최소 지점(minimum point)을 도출해내게 된다. 이것은 결정된 위치가 정확하지 않다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 목적은 위치 추적을 위한 개선된 방법 및 시스템 및 이러한 방법이 적용되는 장치를 제공하는 것이다. 본 발명에서는, 위치 솔루션을 찾아내기 위하여 되풀이 연산(iterative computation) 대신에 닫힌 연산(closed computation)이 이용된다. 이러한 솔루션에서, 최소 개수의 측정치 결과들 또는 실무적으로는 세 개의 상이한 신호들의 측정치가 3차원 위치 솔루션을 획득하기 위하여 이용되는데 이러한 것은 과도결정 기법과는 상이한 것이다. 본 발명은, 획득되어야 하는 측정치들이 기하학적 표면들로서 교차점들이 연산에 의하여 결정되어야 하는 기하학적 표면들을 결정하는데 사용된다는 아이디어에 기반한다. 이러한 교차점들 중 하나는 실제 위치에 가장 가까우며, 이러한 교차점의 좌표 데이터가 위치 솔루션으로서 이용될 수 있다. 기하학적 표면들은 2차 표면들(2차 방정식)일 수 있다. 더 나아가, 본 발명의 목적은 가능한 한 적은 개수의 소정 평면들이 2차 표면들이며, 바람직하게는 하나만이 2차 표면이고 다른 것들은 평면(plane)들이 되도록 하는 것이다. 이를 좀더 상세히 기술하면, 본 발명에 따른 방법은 측정치에 기반하여 2차 표면들을 포함할 수 있는 기하학적 모델이 선택되고, 선택된 기하학적 모델은 단순화되어 2차 표면들의 개수를 감소시키며, 측정치 결과들이 단순화된 기하학적 모델에 대입되고, 장치의 위치가 단순화된 기하학적 모델을 풀어냄으로써 결정된다는 점에 첫 번째 특징을 가진다. 본 발명에 따른 시스템은, 측정치에 기반하여 2차 표면들을 포함할 수 있는 기하학적 모델을 선택하기 위한 수단, 선택된 기하학적 모델은 단순화시켜 2차 표면들의 개수를 감소시키기 위한 수단, 측정치 결과들을 단순화된 기하학적 모델에 대입하기 위한 수단, 및 위치가 단순화된 기하학적 모델을 풀어냄으로써 장치의 위치를 결정하기 위한 수단을 포함한다는 점에 첫 번째 특징을 가진다. 더 나아가, 본 발명에 따른 장치는, 측정치에 기반하여 2차 표면들을 포함할 수 있는 기하학적 모델을 선택하기 위한 수단, 선택된 기하학적 모델은 단순화시켜 2차 표면들의 개수를 감소시키기 위한 수단, 측정치 결과들을 단순화된 기하학적 모델에 대입하기 위한 수단, 및 위치가 단순화된 기하학적 모델을 풀어냄으로써 장치의 위치를 결정하기 위한 수단을 포함한다는 점에 첫 번째 특징을 가진다. 본 발명에 따른 프로그램은,
- 2차 표면들을 포함할 수 있는 기하학적 모델을 상기 측정치들에 기반하여 선택하고,
- 선택된 상기 기하학적 모델을 단순화하여 상기 2차 표면들의 개수를 감소시키며,
- 상기 측정 결과치들을 단순화된 기하학적 모델에 대입하고,
- 단순화된 상기 기하학적 모델을 풀어냄으로써 장치의 위치를 결정하기 위한 프로그램 명령들을 포함하는 것을 첫 번째 특징으로 한다.
더 나아가, 본 발명에 따른 저장 수단은 저장 수단에 저장되는 프로그램이
- 2차 표면들을 포함할 수 있는 기하학적 모델을 상기 측정치들에 기반하여 선택하고,
- 선택된 상기 기하학적 모델을 단순화하여 상기 2차 표면들의 개수를 감소시키며,
- 상기 측정 결과치들을 단순화된 기하학적 모델에 대입하고,
- 단순화된 상기 기하학적 모델을 풀어냄으로써 장치의 위치를 결정하기 위한 프로그램 명령들을 포함하는 것을 첫 번째 특징으로 한다.
본 발명은 종래 기술에 의한 솔루션들에 비하여 장점을 가진다. 본 발명에 따른 방법에서, 예를 들면 되풀이 계산법에 기반한 솔루션에 비하여 연산 횟수가 현저히 감소된다. 그러므로, 장치의 연산 능력이 다소 떨어져도 된다. 본 발명에 따른 방법을 적용할 때, 모든 가능한 위치 솔루션들을 획득하고, 적합한 기준에 의하여 이들 중에 정확한 하나를 결정하는 것도 가능하다. 그러나, 되풀이 연산법은 하나의 위치 솔루션을 제공할 뿐인데, 이것마저도 부정확할 수 있다. 더 나아가, 위치 추적 기법은 고속이며 이 때문에 장치의 전력 소모량이 감소된다. 또한, 위치 추적 기법은 인공 위성에만 기반한 시스템들에 비하여 더 열악한 신호 조건에서도 양호하게 동작한다. 본 발명에 따른 방법은 이용가능한 측정치들의 개수가 과도결정 기법을 채택하는 방법에 적용되기에는 충분하지 않은 경우에도 이용될 수 있다.
이하, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 채택하는 위치 추적 기법의 일 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 장치를 간략화된 블록도로 도시하는 도면이다.
도 3a는 3개의 상이한 표면들을 이용한 위치 추적 기법을 예시하는 도면이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 위치 추적 기법에서 한 개의 2차 표면들이 평면 표면으로 대체된 상황을 예시한다.
도 3c는 기하학적 모델이 하나의 평면 표면 및 두 개의 2차 표면들을 포함하는 경우로서, 이들 중 하나가 구형 표면인 경우를 예시한다.
이하 도 1에 도시된 상황에서 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방법이 설명된다. 상이한 송신기들로부터 송신된 신호들이 장치(1)에서 수신된다. 장치(1)는 적어도 두 개의 상이한 시스템들로부터 송신된 신호들을 수신하고자 시도한다.
본 발명에 따른 방법에서, 바람직하게는 인공 위성 위치 추적 시스템 및 이 동 통신 네트워크의 기지국들이 이용되며, 신호들은 인공 위성들(2)로부터 송신된 신호들이거나 기지국들(3)로부터 송신된 신호들일 수 있다. 본 명세서에서, 이러한 송신국들은 통합되어 위치 추적국(positioning station)이라고 불릴 것이다. 신호들에 기반하여, 신호를 송신한 위치 추적국 및 타겟 간의 거리 및/또는 의사 거리(pseudo range) 및 하나의 위치 추적국 및 타겟(즉, 장치(1)) 간의 거리의 차이, 및 제2 위치 추적국 및 장치(1) 간의 거리(또는 의사 거리)와 같은 다양한 측정치 결과들을 얻는 것이 목적이다. 더 나아가, 장치(1)의 시계 및 인공 위성 시스템의 시간 간의 차이를 결정하는 것이 목적일 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 다음과 같은 네 가지 단계들로 분리될 수 있다. 측정 단계에서는 신호들이 수신되고 수신된 신호들에 기반하여 측정치들이 획득된다. 필요할 경우, 측정치 결과들은 더욱 평가되어 어떤 측정치들이 위치 추적을 하기에 유용한지를 알아낼 수 있다. 충분한 개수의 유용한 측정치들을 획득한 이후에 변환 단계가 수행됨으로써 측정치 결과들로부터 기하학적 포맷(geometric format)의 방정식 집합들을 생성할 수 있다. 더 나아가, 기하학적 형태는 가능할 경우 단순화될 수 있다. 예를 들어, 감소법(reduction) 또는 다른 적합한 방법으로 단순화 작업이 수행될 수 있다. 2차 표면 및 선분 간의 교차점들을 이용하여 정의될 수 있는 솔루션을 결정하는 것이 목표인데, 바람직하게는 2차 표면 및 직선 선분 간의 교차점들을 이용한다. 변환 단계 이후의 솔루션 단계에서는, 기하학적 문제에 대한 솔루션이 획득되는데, 즉, 상이한 기하학적 형태 간의 교차점들을 찾아낸다. 최소 정의(minimal definition)를 가지는 문제는 두 개의 상이한 솔루션들을 생성하는데, 여기서 부수적인 기준이 사용됨으로써 어떠한 솔루션이 정확한 것인지를 알아내게 된다. 이러한 부수적 기준(auxiliary criteria)들의 예를 들면 장치(1) 및 기지국들(3) 간의 최대/최소 거리, 최대/최소 고도 등이 있다. 예를 들어, 이러한 정보는 기지국(3)(도 1의 선분 4)로부터의 개별 부수 데이터로서 획득될 수 있다. 솔루션 단계 이후의 평가 단계(estimation step)에서는, 솔루션 단계에서 획득된 솔루션의 오차를 평가하는 것이 목표이며, 바람직하게는 오차를 포함하거나 오차가 없는 솔루션을 몇 가지 소정 한계치들과 비교하는 것이 목표이다.
이하, 전술된 상이한 단계들에 대해서 더욱 상세히 논의한다. 장치(1)의 3차원 위치를 결정하는 것이 목표라고 가정한다. 더 나아가, 장치(1)의 위치가 어느 정도의 정밀도로써 공지되며, 예를 들어 수백 미터 단위의 정밀도로 공지된다고 가정한다. 몇 가지 상황에서는, 이러한 디폴트 위치는 더욱 정확할 수 있는데, 예를 들어 GSM 이동 통신 네트워크 내의 셀의 크기 정도의 수준일 수 있다. 후자의 가정에서, 위치 추적을 위하여 이용될 기하학적 모델(geometry)을 다소 단순화화는 것이 가능하다. 이러한 문제를 풀어내기 위하여, 국부 좌표계(local coordinate system)가 적용되며, 이 예시에서는 ENU(East-North-Up) 좌표계가 적용되는데, 여기서는 장치(1)의 디폴트 위치에 충분히 가까운 기준점(reference point)에 원점이 설정된다. 그러나, 본 발명은 이러한 좌표계에 한정되는 것이 아니며, 본 발명은 ECEF(Earth-Centered Earth-Fixed) 좌표계 및 임의로 선택된 기준점과 같은 다른 좌표계들에도 용이하게 일반화될 수 있다.
위치 추적국들은 상대적으로 이동 통신 네트워크의 기지국(3)과 같은 사용자 장치(1)에 근접하거나, 인공 위성들(2)과 같이 장치(1)들로부터 원격에 위치될 수 있다. 위치 추적국들이 멀리 위치되는 경우에, 장치(1) 및 위치 추적국 간의 거리 벡터가 검사 대상인 전체 영역에서 상수라는 것이 가정되는데, 즉, 장치(1)가 위치된 것으로 가정되는 영역 내에서 상수라고 가정된다. 예를 들어, GPS 시스템의 인공 위성들의 경우에, 장치(1)가 기준점으로부터 10km 이상의 거리에 있지 않다면 이러한 가정에 기인하는 오차는 2.5m 이상이 아니다.
측정치들(Measurements)
장치(1)의 위치를
Figure 112006016751718-PCT00001
라고 나타내고 위치 추적국들의 위치들을
Figure 112006016751718-PCT00002
로서 나타내자.
본 발명에 따른 방법에서 이용되는 측정치 타입들 및 이에 상응하는 방정식들은 다음과 같다.
장치(1) 및 위치 추적국(2, 3) 간의 거리는 다음 수학식 1과 같이 정의된다.
Figure 112006016751718-PCT00003
수학식 1에서 i는 측정치의 개수를 나타낸다.
장치(1) 및 기지국(3) 간의 바이어싱된 거리(biased range)(의사 거리)는 다음 수학식 2에 의하여 표시된다.
Figure 112006016751718-PCT00004
장치(1) 및 인공 위성(2) 간의 바이어싱된 거리(의사 거리)는 다음 수학식 3에 의하여 표시된다.
Figure 112006016751718-PCT00005
최종적으로, 장치(1)의 고도 측정치는 다음 수학식 4에 의하여 표시된다.
Figure 112006016751718-PCT00006
수학식 3에 따른 원격의 의사 거리의 측정치 방정식은 1차 테일러 근사 공식인 수학식 5에 기반한다.
Figure 112006016751718-PCT00007
Figure 112006016751718-PCT00008
의 조건이 만족되면, 근사화 오차는 고작 다음 수학식 6 정도로 표 현된다는 것이 증명될 수 있다.
Figure 112006016751718-PCT00009
장치(1)의 시계의 시간 오차에 대한 추정치 βi, 즉 장치(1) 자체의 시간 데이터 및 위치 추적국 간의 시간 간의 예측된 차이는 위치 추적국들이 상호 동기화된다면 상이한 측정치들에서 동일할 수 있다. 상이한 시스템에 속한 위치 추적국들의 시간이 동기화되지 않은 경우에는, 상이한 측정치들에 대하여 일반적으로 상이한 시간 오차 예측치들이 필요하다. 예를 들어, 이러한 상황은 이동 통신 네트워크가 인공 위성 위치 추적 시스템의 시간 데이터와 동기화되지 않은 경우에 발생한다.
수학식 1 내지 4에서, m i 항은 반드시 동일할 필요가 없다. 예를 들어, 수학식 1에서 거리 측정치가 직접 이용될 수 있고 수학식 2에서는 의사 거리 측정치들이 이용될 수 있으며, 수학식 3 및 4에서는 m i 항은 국부 좌표계를 선택하는 데에 따라서 달라진다. 수학식 4에서 국부 좌표계에 관련하여 고도 측정이 수행되고, 수학식 3의 m i 항은 국부 좌표계에 대한 의사 거리 측정치이다. 수학식 3에서 m i 항은 측정된 의사 거리로부터 위치 추적국의 위치 벡터의 놈(norm)을 감산함으로써 연산될 수 있다.
기하학적 모델(Geometric model)
이제, 위치 추적 솔루션을 결정하는데 이용되는 기하학적 모델에 대하여 논의한다. 이러한 기하학적 모델은 3차원 표면들을 포함하는데, 장치(1)의 위치는 상이한 표면들 간의 공통 교차점들 중 하나에 위치하게 된다. 이러한 가정은 오차가 존재하지 않는 상황에서는 자연스럽게 참인 명제가 된다. 실무에서는, 공통 교차점은 일반적으로 장치(1)의 실제 위치와 정밀하게 동일하지는 않다. 각 표면들은 하나의 측정치(예를 들어 거리 또는 고도) 또는 하나의 측정쌍(measurement pair)(예를 들어 의사 거리들 간의 차이)을 표현한다.
거리 측정식인 수학식1은 중심이 위치 추적국의 위치인
Figure 112006016751718-PCT00010
에 위치된 구(sphere)를 정의한다. 그러므로, 장치(1)의 가정된 위치는 이러한 구형 표면 상의 동일 지점에 위치한다.
의사 거리 측정식인 수학식 2 및 3은 시간 오차항인 βi를 포함하는데 이 항은 거리 차이를 정의하는 측정쌍을 형성함으로써 제거될 수 있다. 상이한 시스템들의 위치 추적국들이 상호 동기화되지 않는다면, 이용되는 측정쌍들은 위치 추적국들이 동일한 시스템에 속하는 측정치들이 되어야 한다. 결과적으로, 이러한 측정쌍들은 두 개의 인공 위성(2)들 및 장치(1) 간의 의사 거리 측정치들 및 두 개의 기지국(3)들 및 장치(1) 간의 의사 거리 측정치들을 포함할 수 있다.
인공 위성(2)들이 측정쌍을 형성하기 위하여 사용되면, 이러한 측정치들에 기반하여 연산된 거리 차이(range difference)는 평면 표면을 정의한다. 그러므 로, n 개의 인공 위성 측정치들은 n-1 개의 평면들을 정의할 것이다. 이러한 사실은 장치(1)가 기지국에 상대적으로 근접하게 위치된다는 전술된 가정과 일치한다.
또한, 측정쌍들은 기지국들이 상호 동기화된다면, 즉 기지국들이 인공 위성 시스템의 시간 데이터와 동기화된다면 인공 위성(2) 및 기지국(3)일 수도 있다. 이러한 방식으로 형성된 거리 차이는 포물면(paraboloid)을 정의하게 된다. 그러므로, 모든 측정쌍들은 동일한 인공 위성을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다. 그러므로, n 개의 의사 거리 측정치들은 단일 인공 위성의 의사 거리 측정치를 가지는 n 개의 포물면들을 정의하게 된다.
기지국(3)들 또는 다른 지상국(earth station)들이 측정쌍들로서 이용되면, 각 측정쌍은 포물면 또는 사실상 2-면(two-sheeted) 포물면의 일면을 정의하게 된다. 본 발명에서, 두 개의 기지국들의 측정쌍들은 해당 기지국들이 인공 위성과 동기화되지 않는 상황 및 인공 위성 신호들로부터 충분히 신뢰성있는 방식으로 측정이 이루어질 수 없는 경우에만 이용될 것이다. 이러한 경우에, n 개의 의사 거리 측정치들은 n-1개의 포물면들을 정의하게 된다.
더 나아가, 고도 측정 공식인 수학식 4는 지표면(ground surface)에 평행인 평면을 정의하게 된다.
본 발명에 따른 기하학적 모델에서, 이용되는 표면들은 평면이거나 2차 표면들이다. 평면 표면들은 일반적으로 다음 수학식 7에 의하여 표시된다.
Figure 112006016751718-PCT00011
상응하는 방식으로, 2차 표면들은 다음 수학식 8을 이용하여 회전 2차 표면(quadratic surface of revolution)의 일부로써 표시될 수 있다.
Figure 112006016751718-PCT00012
여기서 j는 표면의 인덱스를 나타낸다. 수 개의 표면들이 동일한 위치 추적국을 포함할 수 있다. 벡터 nT j 는 다음과 같은 방식으로 2차 표면의 타입을 정의한다. 즉, 만일
Figure 112006016751718-PCT00013
이 만족되면, 2차 표면은 쌍곡면(hyperboloid)이다. 만일
Figure 112006016751718-PCT00014
가 만족되면, 2차 표면은 포물면이다. 만일 ni=0 이 만족되면, 표면은 구형 표면이고, 최종적으로
Figure 112006016751718-PCT00015
의 관계가 만족되면 표면은 타원면(ellipsoid surface)이다. 그러나, 본 발명에 따른 방법을 적용하는 하이브리드 위치 추적 시스템에서는, 일반적으로 타원면을 이용할 필요가 없다.
기지국(3) 및 인공 위성(2) 간의 측정치들로부터 거리 차이가 형성된다면, 표면은 수학식 8을 만족하게 된다는 점이 명백하게 이해될 수 있는데, 이 경우에 제1항은 기지국(3) 및 장치(1) 간의 의사 거리 측정치에 상응하고, 제2항은 인공 위성(2) 및 장치(1) 간의 의사 거리 측정치에 상응한다.
이하, 거리 차이(range difference)에 의하여 정의되는 표면의 방정식을 결정한다. 거리 차이는 두 개의 기지국(3)들 및 장치(1) 간의 의사 거리들을 상호 감산함에 의하여 결정된다. 그 결과는 다음 수학식 9와 같다.
Figure 112006016751718-PCT00016
수학식 9에서 i는 제1 기지국의 인덱스이고, j는 제2 기지국의 인덱스이다. 수학식 9는 다음 수학식 10의 형태로 재정렬될 수 있다.
Figure 112006016751718-PCT00017
수학식 10은 수학식 8과 동일한 형태를 가진다는 것이 명백하다. 다시 말하면, 이것은 회전의 2차 표면이다.
위치 추적 솔루션에서 이용되는 기하학적 모델이 가능한 한 간단하게 되도록 측정치들을 선택하는 것이 목적이다. 예를 들어, 인공 위성들 및 기지국들의 의사 거리 측정치들이 모두 이용하다면, 인공 위성 의사 거리 내에 가능한 한 많은 차이를 형성하는 것이 바람직한 목적인데, 그 이유는 평면 표면들이 관련되기 때문이다. 더 나아가, 인공 위성들 기지국들 간의 의사 거리들의 하나 또는 그 이상의 차이들은 포물면의 형태로서 구해진다. 기지국들의 의사 거리들의 차이(=쌍곡면) 는 이용 가능한 인공 위성 의사 거리 측정치들이 존재하지 않거나, 기지국들이 인공 위성 시스템의 시간과 동기화되지 않은 경우에만 이용되는 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 기하학적 모델을 더 단순화함으로써 풀어내야 할 기하학적 모델에 평면 표면들 및/또는 선분 외에 고작 한 개의 2차 표면이 존재하도록 하는 것이 목적이다. 이러한 목적은 알려진 바와 같이 두 개의 동심(con-focal) 2차 표면들의 교차점들은 이러한 2차 표면들 중 하나를 평면으로 대체함으로써 풀어질 수 있다는 특징을 이용하여 달성될 수 있다.
그러므로, 평면 및 다른 2차 표면들 간의 교차점들은 원래의 2차 표면들의 교차점들과 동일하다.
두 개의 2차 표면들의 교차점들은 다음 수학식 11을 이용하여 풀어질 수 있다.
Figure 112006016751718-PCT00018
여기서 s i = s j 또는 n i = n j 의 관계가 만족된다. 첫 번째 경우에(s i = s j ), 수학식 11에 따르는 기하학적 모델은 다음 수학식 12와 같은 형태로 단축된다.
Figure 112006016751718-PCT00019
여기서 이것은 2차 표면 및 평면의 표차점이다.
이에 상응하는 방식으로, 후자의 경우에(n i =n j ), 수학식 11에 따른 기하학적 모델은 다음 수학식 13의 형태로 단축된다.
Figure 112006016751718-PCT00020
이것 역시 2차 표면 및 평면의 교차점이다.
평면, 2차 표면 및 다른 2차 표면 간의 거의 모든 교차점들은 이러한 단순화된 방정식인 수학식 12 및 13을 이용하여 풀어질 수 있다. 심지어 2차-2차-2차의 케이스도 이러한 단축(reduction) 동작을 두 번 수행함으로써 선분-2차 케이스로 변환될 수 있다. 그러나, 이러한 단축 동작은 두 개의 2차 표면들의 각 쌍이 동일 초점(focus)을 가지는 경우에만 수행될 수 있다는 점에 주의하여야 한다. 만일 모든 위치 추적국들이 상호 동기화되었다면, 기하학적 모델을 선분-2차 케이스로 단축시키는 동작 역시 수행될 수 있다.
기하학적 솔루션(Geometric solution)
기하학적 모델이 선분 및 2차 표면 간의 교차 형태로 단축된 이후에, 방정식의 집합은 장치(1)의 위치를 결정하기 위하여 풀려질 수 있다. 선분 및 2차 표면 간의 교차점은 다음 수학식 14에 의하여 제공될 수 있다.
Figure 112006016751718-PCT00021
예를 들어, 수학식 14는 다음과 같은 방식으로 풀려질 수 있다. 선분에 대하여 다음 수학식 15와 같은 방정식이 형성되어 수학식 14 내의 두 개의 선형 방정식들을 연산한다.
Figure 112006016751718-PCT00022
수학식 15에서, w는 선분의 단위 방향 벡터(unit direction vector)이며, 이것은 다음 수학식 16으로부터 유도된다.
Figure 112006016751718-PCT00023
여기서 p는 상기 선분 상의 일 점이다. 후속 연산을 용이하게 하기 위하여, 다음 수학식 17을 만족하도록 p가 선택될 수 있다.
Figure 112006016751718-PCT00024
몇 가지 비수렴(non-convergent) 케이스들을 제외하고는, 수학식 17은 다음 과 같은 수학식 18로 표시되는 방정식들의 선형 집합을 이용하여 결정될 수 있는 비다의성 솔루션(unequivocal solution)을 가진다.
Figure 112006016751718-PCT00025
수학식 14에 표시된 방정식의 집합에서, 변수 x를 수학식 15에 따른 정의로 대체하면 다음 수학식 19가 제공된다.
Figure 112006016751718-PCT00026
수학식 19로부터, t가 방정식 내의 유일한 변수라는 것을 알 수 있다. p를 전술된 바와 같이 선택하면 수학식 19에 제곱을 수행하고 항들을 재정렬함으로써 1차항들이 제거되는 결과를 얻는다. 이러한 결과들은 다음 수학식 20에 제공된다.
Figure 112006016751718-PCT00027
수학식 20으로부터 t가 풀려지고 구해진 t가 수학식 15에 대입되면, 검색될 위치는 다음 수학식 21에 의하여 제공될 수 있다.
Figure 112006016751718-PCT00028
수학식 21은 두 개의 솔루션들을 가질 수도 있고, 하나의 솔루션을 가질 수도 있으며, 솔루션이 없을 수도 있는데, 이는 루트가 씌워진 항(discriminant)의 부호에 따라서 달라진다. 수학식 21로부터 아무런 솔루션을 얻을 수 없는 경우는 측정치 오차가 너무 크기 때문일 수 있다. 그러므로, p 값은 위치 x에 대한 양호한 디폴트 값인 것으로 볼 수 있으며, 또는 위치는 예를 들어 최소 평균 자승법을 이용함으로써 결정될 수 있는데, 이 방법에서 상이한 측정치들에 상이한 방법으로 가중치가 부여될 수 있다.
예시(Example)
이하, 예시적 상황에서의 평면 및 두 2차 표면들 간의 교차점에 대한 솔루션을 제공한다. 하나의 고도 측정치, 인공 위성(2)에 대한 하나의 의사 거리 측정치, 및 기지국(3)에 대한 두 개의 의사 거리 측정치들을 가지고 있으며, 기지국(3)들은 인공 위성 위치 추적 시스템의 시간 데이터와 동기화된다고 가정한다. 이러한 상황에 상응하는 기하학적 모델은 도 3a에 도시된다. 도 3a에서, 평면은 참조 기호 c1으로 표시되고, 제1 2차 표면은 참조 기호 c2라고 표시되며, 제2 2차 표면은 참조 기호 c3으로 표시된다. 평면 c1 및 제1 2차 표면 c2 간의 교차 곡선(curve of intersection)은 참조 기호 301이라고 표시된다. 상응하는 방법으로, 평면 c1 및 제2 2차 표면 c3 간의 교차 곡선은 참조 기호 302로서 표시된다. 더 나아가 제1 2차 표면 c2 및 제2 2차 표면 c3 간의 교차 곡선은 도 3a에서 참조 기호 303으로 표시된다. 평면 c1은 다음 수학식 22와 같은 고도 측정치로부터 결정된다.
Figure 112006016751718-PCT00029
2차 표면들 c2 및 c3은 다음 수학식 23에 의하여 표시되는 인공 위성의 의사 거리를(수학식 3 참조) 다음 수학식 24로 표시되는 두 기지국들의 의사 거리들(수학식 2 참조)로부터 감산함으로써 형성된다.
Figure 112006016751718-PCT00030
Figure 112006016751718-PCT00031
그러므로, 2차 표면 c2 및 c3은 다음 수학식 25 및 26의 형태로 제공될 수 있다.
Figure 112006016751718-PCT00032
Figure 112006016751718-PCT00033
이러한 경우에, n i =n j 의 조건이 참이며, 이는 수학식 13에 따르면, 수학식 25 및 26에 따르는 2차 표면들 c2 및 c3의 기하학적 모델이 제1 2차 표면(수학식 25 참조) 및 평면 간의 교차로 단축될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 평면은 다음 수학식 27과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112006016751718-PCT00034
결과적으로, 위치를 결정하기 위하여, 우리는 두 평면들인 수학식 22 및 27과 하나의 2차 표면인 수학식 25의 교차점들을 풀어내야 한다. 도 3b는 도 3a에 도시된 상황으로부터 단축된 기하학적 모델을 예시한다. 도 3b에 도시된 예시에서, 도 3a에 도시된 제1 2차 표면 c2는 평면 c4로써 대체되었다. 더 나아가, 도 3b에서는 참조 기호 304가 제2 평면 c4 및 제1 평면 c1 간의 교차 곡선을 나타낸다. 제2 평면 c4 및 제1 2차 표면 c2 간의 교차 곡선(303)은 도 3a에 도시된 제1 2차 표면 c2 및 제2 2차 표면 c3 간의 교차 곡선(303)과 동일하다. 도 3a 및 도 3b에서 위치 솔루션은 참조 기호 x1 및 x2 로써 표시된다.
단일 평면 및 두 2차 표면들의 기하학적 솔루션(Geometric solution of a plane and two quadratic surfaces)
몇 가지 경우에는, 풀어야할 기하학적 모델이 선분 또는 평면 및 2차 표면 간의 교차로서 단축되지 않으며, 반면에 평면 및 2개의 2차 표면들 간의 교차점들이 풀어내야 할 수 있다. 이러한 상황은 2차 표면들이 공통 초점(common focus)을 가지지 않는 경우에 일반적으로 발생되는데, 예를 들어, 오직 하나의 인공 위성 의사 거리 측정치 및 기지국의 수 개의 의사 거리 측정치들이 존재할 경우에 발생된다.
그러면, 이러한 문제는 2차 표면들 중 하나가 구형 표면인 것으로 가정함으로써 우선 단순화될 수 있다. 이러한 가정은, 예를 들어 측정치들 중 적어도 하나가 기지국의 거리 측정치가 되고, 따라서 그 중심이 기지국(3)에 위치하고 반경이 장치(1) 및 기지국(3) 간의 측정된 거리인 구형 표면을 결정하는 상황에 상응한다. 이러한 상황이 도 3c에 예시된다. 구형 표면은 참조 기호 c5로써 표시된다. 더 나아가, 참조 기호 305는 구형 표면 c5 및 평면 c1 간의 교차 곡선을 나타낸다. 구형 표면 c5 및 제1 2차 표면 c2 간의 교차 곡선들은 참조 기호 306으로써 표시된다. 평면 c1 및 제1 2차 표면 간의 교차 곡선은 참조 기호 301로써 표시된다. 도 3a 및 도 3b에서, 위치 솔루션은 참조 기호 x1 및 x2로써 표시된다. 이제, 기하학적 모델은 다음 수학식 28에 의하여 나타나는 방정식의 집합에 의하여 제공될 수 있다.
Figure 112006016751718-PCT00035
만일 u 및 n이 평행하지 않다면, 수학식 28은 우선 평면 및 구형 표면 간의 교차를 형성함으로써 풀려질 수 있다. 이러한 교차는 다음 수학식 29를 만족하는 곡선을 정의한다.
Figure 112006016751718-PCT00036
수학식 29에서, 다음 수학식 30 내지 수학식 32가 만족된다.
Figure 112006016751718-PCT00037
Figure 112006016751718-PCT00038
Figure 112006016751718-PCT00039
그러면, 수학식 29는 수학식 28의 세 번째 집합에 대입되고, 재정렬 및 제곱 동작을 두 번 수행하면 다음 수학식 33과 같은 4차 다항식을 얻을 수 있다.
Figure 112006016751718-PCT00040
여기서, 다음 수학식 34가 만족된다.
Figure 112006016751718-PCT00041
방정식 28은 우선 다항식 33의 실수근들을 찾아내고 이들을 수학식 29에 대입함으로써 풀릴 수 있다. 경우에 따라서, 수학식 28의 솔루션들의 개수는 4개, 3개, 2개, 1개이거나 존재하지 않을 수 있다.
가능한 솔루션들이 얻어지고, 솔루션의 개수가 하나 이상이라면, 몇 가지 기준(criterion)을 이용함으로써 정확한 솔루션을 구할 수 있다. 예를 들면, 이러한 기준들에는 기지국의 위치와 같이 주어진 지점으로부터의 거리의 최대/최소값, 고 도의 최대/최소값, 및 이전 위치 추적 동작에 의하여 주어지는 위치로부터의 차분치(deviation) 등이 포함될 수 있다.
방법의 적용(Application of the method)
실용적인 어플리케이션에서, 본 발명에 따른 방법은 종래의 과도결정 위치 추적 방식에 이용될만한 충분한 개수의 측정치가 존재하지 않는 경우에도 장치(1)를 위치 추적하기 위하여 사용될 수 있다. 그러므로, 장치(1)에서는 본 발명에 따른 폐 연산(closed computation)을 수행함으로써 솔루션을 구해낼 수 있는 측정치들의 집합이 바람직하게 선택된다. 이러한 측정치들의 집합을 선택하기 위하여, 예를 들어 충분히 강한 인공 위성들이 수신될 수 있고 긍정적인 케이스(positive case)에서는 얼마나 많은 상이한 인공 위성 신호들이 수신될 수 있는지를 결정하는 것이 가능하다. 이러한 동작을 수행한 이후에, 또다른 기지국 측정치들 또는 더 많은 기지국 측정치들이 선택됨으로써 충분한 개수의 이용 가능한 측정치들을 가지도록 한다. 단일 기지국 측정치 또는 인공 위성 측정치 대신에, 장치(1)가 고도를 측정하기 위한 수단 또는 외부 소스로부터 고도 측정치 데이터를 수신하기 위한 수단을 포함한다면 고도 측정치를 이용하는 것도 가능한데, 이러한 외부 소스에는 개별 고도 측정 장치, 지상 측정 시스템, 또는 이동 통신 네트워크로부터의 부가적인 고도 데이터가 포함될 수 있다. 위치를 구하기 위하여, 장치(1)는 이용가능한 측정치들의 타입에 기반하여 이용될 기하학적 모델을 선택한다. 더 나아가, 선택된 기하학적 모델은 단축되어 연산을 단순화하는데, 이는 전술된 바와 같다. 솔루션이 얻어진 이후에, 해당 솔루션이 장치(1)의 디폴트 위치로서 이용될 수 있다. 그 러므로, 이용가능한 측정치들의 개수가 최소치를 초과하는 경우에, 예를 들어 종래 기술의 최소 평균 자승법을 적용하는 것이 가능한데, 여기서 본 발명에 따른 방법에 의하여 결정된 위치는 우선 디폴트 위치로서 설정된다. 이렇게 함으로써 최소 평균 자승법에 따른 솔루션이 얻어질 수 있다는 것을 보장하는데, 그 이유는 본 발명에 따른 방법에 의하여 얻어진 솔루션은 측정치의 가능한 가중치들이 무엇이던 간에 최소 평균 자승법의 연산 결과가 정확한 최소치를 향하여 수렴되는 가능성이 매우 높다는 성질을 가지기 때문이다.
또한, 본 발명은 과도결정된 상황(overdetermined situation)에도 적용될 수 있는데, 바람직하게는 과도결정된 위치들을 닫힌 연산(closed computation)이 이용되는 수 개의 부분 시스템들로 분리함으로써 적용된다. 이러한 방식으로, 상대적으로 높은 정밀도를 가지고 정확한 위치를 결정할 수 있는 수 개의 솔루션들을 구할 수 있다. 예를 들어, 만일 각 서브-시스템이 두 개 또는 그 이상의 솔루션을 제공한다면, 정확한 솔루션은 이러한 솔루션들 중 어느 것이 실질적으로 모든 서브-시스템에서 동일한지를 검사함으로써 얻을 수 있다. 그러므로, 이러한 솔루션은 실질적으로 높은 가능성을 가지고 장치(1)의 위치에 상응한다. 상이한 서브-시스템들에 의하여 제공된 실시예으로 동일한 솔루션들로부터, 장치(1)의 위치 데이터로서 이용될 수 있는 예를 들어 질량 중심, 평균치 또는 이와 같은 것들을 결정하는 것도 여전히 가능하다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 장치(1)의 일 실시예를 예시한다. 장치(1)는 위치 추적 수신기(1.2) 및 무선 통신 장치(1.1)를 포함하는데, 본 발명은 도 시된 실시예에 한정되지 않는 것임은 명백할 것이다. 본 발명에 따른 무선 통신 장치(1.1)는 다른 장치에 연결되지 않은 개별 전자 장치의 형태로서 본 발명의 기술적 사상의 범위 이내에서 적용될 수도 있다.
본 발명에 따른 방법 중 다수의 단계들은 소프트웨어 형태로서 제어 블록(1.11) 내에 구현될 수 있는데, 예를 들어 디지털 신호 프로세서(DSP, digital signal processor)와 같은 프로세서 내의 프로그램 명령들의 형태로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 위치 추적 방법에서, 의사 거리들은 적어도 하나의 상이한 인공 위성(SV1)에 대하여 측정되어야 한다. 위치 추적 수신기(1.2)는 적어도 하나의 수신 채널을 포함하는데, 실무에서는 일반적으로 적어도 4개 또는 심지어 12개의 수신 채널들이 존재한다. 그러므로, 하나 이상의 인공 위성으로부터의 신호들을 동시에 수신하는 것이 가능하다. 도 2에서, 명확화를 위하여 위치 추적 수신기(1.2)의 블록도는 이러한 수신 채널 중 오직 하나의 구조만을 도시하며, 다른 수신 채널들은 이와 동일한 것이 바람직하다. 안테나(1.3)를 통하여 수신될 반복-코딩된(repetition-coded) 신호는 고주파 증폭기(1.4)에서 증폭되고 클록 발생기(1.5) 및 주파수 합성기(1.6)에 의하여 발생된 클록 신호를 이용하여 변환됨으로써 바람직하게는 중간 주파수로 변환되거나 또는 변환 블록(7) 내의 기저대역으로 직접 변환될 수 있다. 이러한 스테이지에서, 신호는 여전히 아날로그 형태인 것이 바람직하며, 이것은 아날로그-디지털 변환기(1.9)에 의하여 디지털 신호로 변환된다. 아날로그-디지털 변환기(1.9)는 단지 디지털 수신 신호만을 제공하는 것이 아니라 자동 이득 제어(AGC, automatic gain control) 블록(1.8)을 제어하여 공지된 바와 같 은 방법으로 수신 신호의 강도 변화를 억제한다. 중간 주파수 또는 기저 대역으로 변환된 디지털 신호는 디지털 모니터링 블록(1.10)으로 전달되고, 수신 신호의 반송 주파수가 얻어진다. 상이한 블록들에서 결정된 이러한 반송 주파수들 및 공지된 송신 주파수 간의 차이로서 상이한 인공 위성들에 대한 의사 거리 측정치들이 획득되고, 이러한 의사 거리 측정치들은 전술된 기하학적 모델에서 이용된다. 수신 채널의 전술된 블록들 중 몇 개는 안테나(1.3) 및 고주파 증폭기(1.4)와 같은 모든 수신 채널들에 공통일 수 있다.
또한, 장치(1)는 인공 위성 측정치들에 추가하여 적어도 하나의 기지국 측정치를 이용한다. 이러한 기지국 측정치들은 장치(1) 내에서 획득되거나 이동 통신 네트워크에서 획득될 수 있다. 측정치들이 장치(1) 내에서 획득된다면, 이러한 현상은 후술되는 방식으로 발생되는 것이 바람직하다. 장치(1)는 기지국(3)에서 수신된 신호를 기지국(3)으로 송신하고, 바람직하게는 동작하는 적어도 하나의 기지국으로 송신한다. 기지국(3)은 해당 신호를 다시 장치(1)로 송신하고, 장치(1)는 송신 시점 및 수신 시점 간의 시간 차이를 측정한다. 필요할 경우, 신호 수신 및 신호 재송신 간의 지연치(delay)가 알려져 있다면, 이러한 값이 이 시간으로부터 감산된다. 이러한 내부 지연(들)을 감산한 이후에, 정방향 및 역방향 신호 전달 시간(time of signal propagation)을 알 수 있다. 이 시간을 2로 나누고 빛의 속도로 나누면 기지국(3) 및 장치(1) 간의 거리가 구해지는데, 이것이 위치 추적 연산에 이용될 것이다. 일반적으로, 기지국(3)의 위치도 알려지고, 이러한 위치 데이터가 전술된 바와 같은 기지국(3) 및 장치(1) 간의 상기 거리의 데이터로부터 획 득되는 반지름을 가지는 구의 중심으로서 이용될 수 있다. 하나 이상의 기지국 측정치를 이용할 필요가 있다면, 수 개의 기지국들에 대해서 측정치가 획득된다.
그러나, 기지국 측정치들이 이동 통신 네트워크 내에서 획득된다면, 다음과 같은 단계들이 수행되는 것이 바람직하다. 기지국 a3는 장치(1)에 소정 신호를 송신하고, 이 신호에 기반하여 장치(1)는 해당 신호를 기지국(3)으로 재송신한다. 이제, 전술된 바와 상응하는 방식으로 기지국은 기지국(3) 및 장치(1) 간의 거리의 데이터를 결정할 수 있다. 몇 가지 상황에서, 하나 이상의 기지국으로부터 동일한 신호가 수신될 수 있으며, 이 경우 장치(1) 및 수 개의 기지국들 간의 거리를 결정하는 것이 가능하다. 그러나, 상이한 기지국들로부터의 신호의 송신 시점을 결정하기 위해서는 기지국들이 상호 동기화되어야 한다.
의사 거리 측정쌍들이 장치(1)에서 사용되는 한, 필요하다면 상이한 시스템의 기지국들(2, 3)이 상호 동기화되었는지 여부를 장치(1)에 알릴 수도 있다. 본 명세서에서 이미 개시된 바와 같이, 상이한 시스템들의 위치 추적국들은 이들이 상호 동기화될 경우에만 측정쌍들로서 이용될 수 있다. 결과적으로, 측정쌍들은 예를 들어 하나의 인공 위성(2) 및 장치(1) 간의 의사 거리 측정치들 및 한 기지국(3) 및 장치(1) 간의 의사 거리 측정치들을 이용하여 형성될 수 있다. 만일 상이한 시스템의 위치 추적국들이 상호 동기화되지 않는다면, 장치(1)는 측정쌍을 위하여 위치 추적국들(2, 3)이 동일 시스템에 속하도록 하는 측정치들을 선택한다. 결과적으로, 이러한 측정쌍들은 두 인공 위성들(2) 및 장치(1) 간의 의사 거리 측정치들 및 두 기지국(3)들 및 장치(1) 간의 의사 거리 측정치들을 이용하여 형성될 수 있다.
실무상, 이용가능한 인공 위성 측정치가 존재하지 않는 상황이 발생될 수 있다. 이러한 케이스에서, 장치(1)는 충분한 개수의 기지국/기지국 측정쌍들을 형성하려고 시도하는데, 이러한 측정치 결과들이 위치를 구하는데 이용된다.
표 1은 수 개의 다양한 측정 가능치(measurement alternatives)들을 간략히 도시하는데, 이들을 기본으로 측정치들을 전술된 바와 같이 이용함으로써 및/또는 상이한 측정치들의 측정쌍들을 형성함으로써 축소될 기하학적 모델이 형성된다. 측정치들은 고도 측정치인 A, 기지국(3) 및 장치(1) 간의 거리 측정치인 B, 기지국(3) 및 장치(1) 간의 동기화된 의사 거리 측정치인 D, 기지국(3) 및 장치(1) 간의 비동기화 의사 거리 측정치인 E, 및 위치 추적 수신기(1.2) 및 장치(1) 간의 의사 거리 측정치인 G일 수 있다.
측정치
1 ABEE
2 ABGG
3 ADDD
4 ADDG
5 ADGG
6 AEEE
7 AEEGG
8 AGGG
9 BEEE
10 BEEGG
11 BGGG
12 DDDG
13 DDGG
14 DGGG
15 EEEGG
16 EEGGG
측정 가능치들 중 많은 것에서, 네 개의 상이한 이용가능한 측정치들을 가지면 충분할 것이다. 그러나, 몇 가지 케이스에서는, 최소 정의를 가지는 문제를 해결하려면 다섯 개의 측정치들을 이용하여야 할 것이다.
본 발명은 복수 개의 시스템들과 관련하여 적용될 수 있다. 예를 들어, 이동 통신 시스템은 GSM, UMTS, 또는 공지된 바와 같은 다른 이동 통신 시스템일 수 있다. 이러한 이동 통신 시스템 대신에, 또는 이에 추가하여, LORAN-C와 같은 송신국들의 다른 지상 네트워크(terrestrial network)를 이용하는 것도 가능하다. 이에 상응하는 방식으로, 인공 위성 위치 추적 시스템은 GPS, GLONASS, 및/또는 다른 위치 추적 시스템일 수 있으며, 이러한 위치 추적 시스템에서 위치 추적국들은 상대적으로 장치(1)로부터 근거리에 위치한다. 그러므로, 본 발명의 기하학적 모델에서 인공 위성(2) 및 장치(1) 간의 의사 거리를 측정하는데 관련하여 평면 표면을 이용한 것에 관련된 가정은, 위치 추적법의 정밀도에 측면에서는 매우 중요한 위치 추적 결과들 내의 오차를 야기하지 않을 것이다.
예를 들어, 도 2에 도시된 장치(1)는 디스플레이(1.15), 키패드(1.16), 및 오디오 수단들(1.17, 1.18, 1.19)을 더 포함하는데, 실질적인 어플리케이션에서, 전자 장치(1)의 구성은 도 2에 도시된 바와 상이할 수 있다는 것은 명백하다. 더 나아가, 위치 추적 기능은 본 명세서와 관련하여 더 이상 상세히 설명될 필요가 없는 다양한 획득 기능(acquisition) 및 추적 기능(tracking)을 포함할 수 있다.
본 발명은 단지 명세서에 제공된 실시예들에 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구의 범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정될 수 있음은 명백하다.
본 발명은 적어도 제1 위치 추적국 및 장치 간의 거리를 결정하고 적어도 제2 위치 추적국 및 장치 간의 거리를 결정하기 위한 측정치들을 획득하고, 각 측정치가 장치의 위치를 위한 기하학적 표면(geometric surface)을 정의함으로써 장치를 위치 추적하는데 적용될 수 있다.
본 발명은 되풀이 계산법(iterative computation)에 기반한 솔루션에 비하여 연산 횟수가 현저히 감소되므로, 장치의 연산 능력이 다소 떨어져도 되며, 모든 가능한 위치 솔루션들을 획득하고, 적합한 기준에 의하여 이들 중에 정확한 하나를 결정하는 것도 가능하다. 더 나아가, 본 발명에 따른 위치 추적 기법은 고속이며 이 때문에 장치의 전력 소모량이 감소된다. 또한, 위치 추적 기법은 인공 위성에만 기반한 시스템들에 비하여 더 열악한 신호 조건에서도 양호하게 동작한다. 본 발명에 따른 방법은 이용가능한 측정치들의 개수가 과도결정 기법을 채택하는 방법에 적용되기에는 충분하지 않은 경우에도 이용될 수 있다.

Claims (29)

  1. 장치(1)를 위치 추적하기 위한 방법으로서, 적어도 제1 위치 추적국(2) 및 상기 장치(1) 간의 거리(range)를 결정하고 적어도 제2 위치 추적국(3) 및 상기 장치(1) 간의 거리를 결정하기 위한 측정치들(measurements)이 획득되고, 적어도 하나의 측정치가 상기 장치(1)의 위치를 위한 기하학적 표면(geometric surface)을 정의하며, 상기 제1 위치 추적국(2) 및 제2 위치 추적국(3)은 상이한 시스템에 속하는 방법에 있어서,
    기하학적 모델이 상기 측정치들에 기반하여 선택되는 단계로서 상기 모델은 2차 표면들(quadratic surfaces)을 포함할 수 있는 단계;
    선택된 상기 기하학적 모델은 단순화되어 상기 2차 표면들의 개수를 감소시키는 단계;
    상기 측정 결과치들이 단순화된 기하학적 모델에 대입되는 단계; 및
    단순화된 상기 기하학적 모델을 풀어냄(solve)으로써 상기 장치(1)의 위치가 결정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    이용되는 상기 제1 위치 추적국(2)은 위성 시스템(satellite system)의 위성이고,
    상기 제1 위치 추적국(2) 및 상기 장치(1) 간의 적어도 두 개의 의사 거리 측정치(pseudo range measurements)가 상기 장치(1)의 위치를 나타내는 평면 표면(planar surface)을 정의하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    이용되는 상기 제1 위치 추적국(2)은 위성 시스템의 위성이고,
    상기 제1 위치 추적국(2) 및 상기 장치(1) 간의 적어도 두 개의 의사 거리 측정치가 상기 장치(1)의 위치를 나타내는 평면 표면의 방향을 정의하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    이용되는 상기 제2 위치 추적국(3)은 지상 시스템(terrestrial system)의 스테이션이고,
    상기 제2 위치 추적국(3) 및 상기 장치(1) 간의 거리의 측정치가 상기 장치(1)의 위치를 나타내는 구형 표면(spherical surface)을 정의하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    이용되는 상기 지상 시스템은 이동 통신 네트워크이고,
    상기 제2 위치 추적국(3)은 상기 이동 통신 네트워크의 기지국인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 추적국(2, 3) 및 상기 장치(1) 간의 상기 의사 거리 측정치들은 측정쌍(measurement pairs)을 형성하기 위하여 이용되고, 의사 거리들(pseudo ranges) 간의 차이가 상기 측정쌍에 대하여 결정되며,
    상기 의사 거리들 간의 차이가 상기 장치(1)의 위치를 나타내기 위한 2차 표면들을 정의하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 위치 추적국(2)들의 집합 및 제2 위치 추적국(3)들의 집합들로서, 각각 상이한 시스템에 속하는 집합들이 선택되는 단계 및
    상기 제1 집합의 각 위치 추적국(2) 및 상기 장치(1) 간의 의사 거리 측정치들 및 상기 제2 집합의 각 위치 추적국(3) 및 상기 장치(1) 간의 의사 거리 측정치들이 각각 획득되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 위치 추적국(2)들 및 상기 제2 위치 추적국(3)들은 상호 동기화되고,
    각 측정쌍은 상기 제1 집합의 하나의 위치 추적국(2) 및 상기 제2 집합의 하나의 위치 추적국(3)을 포함하여 형성되고,
    상기 제1 집합의 동일한 위치 추적국(2)이 각 측정쌍에서 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 측정쌍들을 형성하기 위하여,
    상기 제1 집합의 얼마나 많은 위치 추적국들에 대하여 이용가능한 의사 거리 측정치가 존재하는지가 검사되되,
    상기 제1 위치 추적국(2)의 하나 이상의 의사 거리 측정치가 이용가능하다면, 상기 제1 위치 추적국(2)들에 대하여 가능한 한 많은 측정쌍들이 형성되고,
    상기 제1 위치 추적국(2)의 의사 거리 측정치가 오직 하나만 이용가능하다면, 상기 제1 위치 추적국(2) 및 제2 위치 추적국들에 대하여 가능한 한 많은 측정쌍들이 형성되며,
    상기 제1 위치 추적국(2)의 의사 거리 측정치가 이용가능하지 않다면, 상기 제2 위치 추적국들(2)에 대하여 가능한 한 많은 측정쌍들이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치(1)의 고도는 지표면(ground level)에 대하여 측정되고,
    상기 고도 측정치는 상기 장치(1)의 위치를 나타내는 평면 표면을 결정하는데 이용되며,
    상기 표면은 실질적으로 상기 지표면에 평행한 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    축소된 상기 기하학적 모델은 상기 측정치들에 의하여 정의되는 표면들 간의 적어도 하나의 교차점을 찾아냄으로써 풀어지는(solved) 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    만일 해(solution)가 하나 이상의 교차점을 포함하면,
    상기 장치(1)의 위치를 정의하는 2개 이상의 교차점을 선택하기 위하여 소정의 기준(criterion)이 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 장치(1)를 위치 추적하기 위한 시스템으로서, 적어도 제1 위치 추적국(2) 및 상기 장치(1) 간의 거리를 결정하고 적어도 제2 위치 추적국(3) 및 상기 장치(1) 간의 거리를 결정하기 위한 측정치들을 획득하기 위한 수단 및 적어도 하나의 측정치에 기반하여 상기 장치(1)의 위치를 위한 기하학적 표면을 정의하기 위한 수단을 포함하고, 상기 제1 위치 추적국(2) 및 제2 위치 추적국(3)은 상이한 시스템에 속하는 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    2차 표면들을 포함할 수 있는 기하학적 모델을 상기 측정치들에 기반하여 선택하기 위한 수단;
    선택된 상기 기하학적 모델을 단순화하여 상기 2차 표면들의 개수를 감소시 키기 위한 수단;
    상기 측정 결과치들을 단순화된 기하학적 모델에 대입하기 위한 수단; 및
    단순화된 상기 기하학적 모델을 풀어냄(solve)으로써 상기 장치(1)의 위치를 결정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 위치 추적국(2)은 위성 시스템의 위성이고,
    상기 제1 위치 추적국(2) 및 상기 장치(1) 간의 적어도 두 개의 의사 거리 측정치가 상기 장치(1)의 위치를 나타내는 평면 표면을 정의하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 위치 추적국(2)은 위성 시스템의 위성이고,
    상기 제1 위치 추적국(2) 및 상기 장치(1) 간의 거리의 측정치가 상기 장치(1)의 위치를 나타내는 평면 표면의 방향을 정의하는데 이용되도록 구현되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 위치 추적국(3)은 지상 시스템의 스테이션이고,
    상기 제2 위치 추적국(3) 및 상기 장치(1) 간의 거리의 측정치가 상기 장치 (1)의 위치를 나타내는 구형 표면을 정의하는데 이용되도록 구현되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 지상 시스템은 이동 통신 네트워크를 포함하고,
    상기 제2 위치 추적국(3)은 상기 이동 통신 네트워크의 기지국인 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 추적국(2, 3) 및 상기 장치(1) 간의 상기 의사 거리 측정치들의 측정쌍들을 형성하고 상기 의사 거리들 간의 차이를 결정하기 위한 수단(1.11)을 더 포함하며,
    상기 의사 거리들 간의 차이가 상기 장치(1)의 위치를 나타내기 위한 2차 표면들을 정의하는데 이용되도록 구현되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 위치 추적국(2)들의 집합 및 제2 위치 추적국(3)들의 집합들로서, 각각 상이한 시스템에 속하는 집합들을 선택하기 위한 수단 및
    상기 제1 집합의 각 위치 추적국(2) 및 상기 장치(1) 간의 의사 거리 측정치들 및 상기 제2 집합의 각 위치 추적국(3) 및 상기 장치(1) 간의 의사 거리 측정치 들을 각각 획득하기 위한 수단(1.2)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 위치 추적국(2)들 및 상기 제2 위치 추적국(3)들은 상호 동기화되고,
    각 측정쌍은 상기 제1 집합의 하나의 위치 추적국(2) 및 상기 제2 집합의 하나의 위치 추적국(3)을 포함하며,
    상기 제1 집합의 동일한 위치 추적국(2)이 각 측정쌍에서 이용되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치(1)의 고도를 지표면에 대하여 측정하기 위한 수단을 더 포함하며,
    상기 고도 측정치는 상기 장치(1)의 위치를 나타내는 평면 표면을 결정하는데 이용되도록 구현되고,
    상기 표면은 실질적으로 상기 지표면에 평행한 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 적어도 제1 위치 추적국(2) 및 장치(1) 간의 거리를 결정하고 적어도 제2 위치 추적국(3) 및 상기 장치(1) 간의 거리를 결정하기 위한 측정치들을 획득하기 위한 수단 및 적어도 하나의 측정치에 기반하여 상기 장치(1)의 위치를 위한 기하학적 표면을 정의하기 위한 수단을 포함하고, 상기 제1 위치 추적국(2) 및 제2 위치 추적국(3)은 상이한 시스템에 속하는 상기 장치(1)에 있어서,
    2차 표면들을 포함할 수 있는 기하학적 모델을 상기 측정치들에 기반하여 선택하기 위한 수단;
    선택된 상기 기하학적 모델을 단순화하여 상기 2차 표면들의 개수를 감소시키기 위한 수단;
    상기 측정 결과치들을 단순화된 기하학적 모델에 대입하기 위한 수단; 및
    단순화된 상기 기하학적 모델을 풀어냄으로써 상기 장치(1)의 위치를 결정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  23. 제22항에 있어서, 상기 장치(1)는,
    상기 위치 추적국(2, 3) 및 상기 장치(1) 간의 상기 의사 거리 측정치들의 측정쌍들을 형성하고 상기 의사 거리들 간의 차이를 결정하기 위한 수단(1.11)을 더 포함하며,
    상기 의사 거리들 간의 차이가 상기 장치(1)의 위치를 나타내기 위한 2차 표면들을 정의하는데 이용되도록 구현되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    제1 위치 추적국(2)들의 집합 및 제2 위치 추적국(3)들의 집합들로서, 각각 상이한 시스템에 속하는 집합들을 선택하기 위한 수단 및
    상기 제1 집합의 각 위치 추적국(2) 및 상기 장치(1) 간의 의사 거리 측정치 들 및 상기 제2 집합의 각 위치 추적국(3) 및 상기 장치(1) 간의 의사 거리 측정치들을 각각 획득하기 위한 수단(1.2)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 위치 추적국(2)들 및 상기 제2 위치 추적국(3)들은 상호 동기화되고,
    각 측정쌍은 상기 제1 집합의 하나의 위치 추적국(2) 및 상기 제2 집합의 하나의 위치 추적국(3)을 포함하며,
    상기 제1 집합의 동일한 위치 추적국(2)이 각 측정쌍에서 이용되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  26. 제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치(1)의 고도를 지표면에 대하여 측정하기 위한 수단을 더 포함하며,
    상기 고도 측정치는 상기 장치(1)의 위치를 나타내는 평면 표면을 결정하는데 이용되도록 구현되고,
    상기 표면은 실질적으로 상기 지표면에 평행한 것을 특징으로 하는 장치(1).
  27. 제22항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    이동 통신 장치의 기능을 수행하기 위한 수단(1.1)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  28. 장치(1)를 위치 추적하기 위한 기계에 의하여 실행될 수 있는 프로그램 명령들을 포함하는 프로그램으로서, 제1 위치 추적국(2) 및 상기 장치(1) 간의 거리를 결정하고 제2 위치 추적국(3) 및 상기 장치(1) 간의 거리를 적어도 결정하기 위한 측정치들을 획득하기 위한 프로그램 명령들을 포함하고, 적어도 하나의 측정치가 상기 장치(1)의 위치를 위한 기하학적 표면을 정의하며, 상기 제1 위치 추적국(2) 및 상기 제2 위치 추적국(3)은 상이한 시스템들에 속하는 프로그램에 있어서,
    - 2차 표면들을 포함할 수 있는 기하학적 모델을 상기 측정치들에 기반하여 선택하고,
    - 선택된 상기 기하학적 모델을 단순화하여 상기 2차 표면들의 개수를 감소시키며,
    - 상기 측정 결과치들을 단순화된 기하학적 모델에 대입하고,
    - 단순화된 상기 기하학적 모델을 풀어냄으로써 상기 장치(1)의 위치를 결정하기 위한 프로그램 명령들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로그램.
  29. 장치(1)를 위치 추적하기 위한 기계에 의하여 실행될 수 있는 프로그램 명령들을 포함하는 프로그램을 저장하기 위한 저장 수단으로서, 상기 프로그램은 제1 위치 추적국(2) 및 상기 장치(1) 간의 거리를 적어도 결정하고 제2 위치 추적국(3) 및 상기 장치(1) 간의 거리를 적어도 결정하기 위한 측정치들을 획득하기 위한 프로그램 명령들을 포함하고, 적어도 하나의 측정치가 상기 장치(1)의 위치를 위한 기하학적 표면을 정의하며, 상기 제1 위치 추적국(2) 및 상기 제2 위치 추적국(3)은 상이한 시스템들에 속하는 저장 수단에 있어서, 상기 저장 수단엘 저장되는 프로그램은,
    - 2차 표면들을 포함할 수 있는 기하학적 모델을 상기 측정치들에 기반하여 선택하고,
    - 선택된 상기 기하학적 모델을 단순화하여 상기 2차 표면들의 개수를 감소시키며,
    - 상기 측정 결과치들을 단순화된 기하학적 모델에 대입하고,
    - 단순화된 상기 기하학적 모델을 풀어냄으로써 상기 장치(1)의 위치를 결정하기 위한 프로그램 명령들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 수단.
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