KR20080060502A

KR20080060502A - Ｇｐｓ 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위시스템 및측위방법

Info

Publication number: KR20080060502A
Application number: KR1020060134683A
Authority: KR
Inventors: 지규인; 임성혁
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-07-02

Abstract

본 발명은 실내와 같이 GPS 신호의 수신이 불가하여 GPS를 이용한 위치 기반 서비스를 할 수 없는 음영지역에서 GPS 스위칭 중계기를 이용하여 실외에서 GPS를 이용한 위치기반 서비스를 이용하는 것처럼 실내에서도 GPS를 이용한 위치기반 서비스를 제공 할 수 있도록 한 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위 시스템 및 측위방법에 관한 것이다. 본 발명은 실외에 설치된 GPS 기준 안테나를 통해 수신된 GPS 위성신호를 GPS 스위칭 중계기를 이용하여 GPS 송신 안테나를 통해 실내로 GPS 위성 신호를 전송한다. 실내에서 GPS 수신기를 이용하여 GPS 스위칭 중계기에서 발신한 GPS 신호를 측정하여 실외는 물론 실내에서까지 연속적으로 위치 정보를 제공할 수 있다. 송신 안테나는 실내에서 측위하고자 하는 지역의 벽면 혹은 천정에 설치되며 이들의 정확한 위치 좌표는 측위서버에서 파악하고 있으며 수신기에게도 위치좌표는 알려진다. 송신안테나들과 수신기 사이의 거리 차이 즉, TDOA(Time Difference of Arrival) 값을 2개 이상 측정한 후 TDOA 기반 측위 알고리즘을 적용하여 수신기의 위치를 추정 가능하도록 한 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위 시스템 및 측위방법에 관한 것이다.

GPS, GPS 스위칭 중계기, 실내 측위, 측위 서버, TDOA

Description

ＧＰＳ 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위시스템 및 측위방법{Indoor measuring system for Global Positioning System switching repeater and measuring method}

도 1은 본 발명의 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위시스템의 구성도.

도 2는 본 발명의 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위시스템의 측위 과정을 나타낸 흐름도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : GPS 위성 2 : GPS 기준 안테나

3 : GPS 스위칭 중계기 4 : GPS 송신 안테나

5 : 실내 GPS 수신기 6 : 측위 서버

본 발명은 실내에서의 전파음영 때문에 GPS의 사용이 어려운 현재 GPS 측위 기술의 한계점을 해결하기 위한 것으로, GPS 스위칭 중계기를 이용하여 실내에서 GPS를 이용한 위치 정보를 항상 제공할 수 있도록 한 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위시스템 및 측위방법에 관한 것이다.

무선측위 기술은 이동 단말기의 위치를 측정하기 위한 기술로서 통신망의 신호를 이용하는 망 기반 방식, 단말기에 장착된 GPS 수신기 등을 이용하는 단말기 기반 방식 그리고 이들을 혼합하여 사용하는 혼합 방식으로 분류할 수 있다.

망 기반 방식은 단말기 상의 특별한 장치를 추가로 사용하지 않으나 위치 정확도가 통신망의 기지국 셀 크기와 측정방식에 따라 차이가 많으며 일반적으로 500m에서 수 ㎞의 측정오차가 발생한다는 문제점이 있다.

단말기 기반방식은 단말기에 GPS 수신기 등 신호 수신 장치를 추가로 장착해야 하며 망 기반 방식에 비해 위치 정확도가 높으나, 고층빌딩이 많은 도심지역, 나무가 많은 산림지역 혹은 실내에서 GPS 신호 세기의 감쇠에 따라 신호 수신이 불가하여 위치를 결정하지 못하는 문제점이 있다.

이러한 두 방식이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 두 방식을 혼합하여 사용하는 혼합방식 기술이 연구개발 되고 있다. 현재 국내 이동통신 사업자들은 대부분 GPS 와 CDMA 통신망 신호를 이용하는 혼합측위방식 혹은 CDMA 통신망 신호만을 이용한 측위기술을 사용하여 측위정보를 제공하고 있다.

단말의 위치를 결정하기 위한 측위기술은 위치기반 서비스의 가장 기반이 되는 기술로서 위치측정에 소요되는 시간과 위치 정확도를 높이기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다. 그러나 아직까지 실내 및 터널 같은 지역에서는 신뢰할 수 있는 정도의 위치 정보를 제공하지 못하고 있는 것이 현 실정이다,

위성항법시스템인 GPS를 이용하는 경우, 망 기반 방식에 비해 보다 정확하고 연속적인 측위정보를 제공할 수 있기 때문에 텔레메틱스와 같은 응용분야에 보다 적합하게 사용될 수 있으며 또한 보다 고도화된 위치기반서비스(LBS)를 창출 할 수 있다. 그러나 현재 상용화된 망도움 방식의 GPS 기술인 AGPS(Assisted GPS)도 위성신호의 세기가 아주 낮은 실내에서는 사용이 어렵다. 실외는 물론 실내에서도 연속적으로 GPS 사용을 보장해주는 실내 GPS 기술의 개발이 필요하다.

따라서 본 발명은 상기와 같이 실내에서 GPS 위성신호를 수신할 수 없는 현재 GPS 기술의 한계점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 GPS 스위칭 중계기를 이용하여 실내에서 GPS를 이용한 위치 정보를 항상 제공 할 수 있도록 하는 실내 측위시스템 및 측위방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위시스템은, GPS 위성으로부터 수신기까지의 거리 정보를 전송하는 GPS 위성; 상기 GPS 위성으로부터 전송되는 거리 정보를 수신하는 GPS 기준 안테나; 상기 기준 안테나를 통해 GPS 위성으로부터 전송된 L1 C/A GPS의 신호를 수신 받아 3개 이상으로 분배하고 실내에 설치된 3개 이상의 송신 안테나들을 일정한 순서대로 스위칭하여 특정한 시간 동안 오로지 하나의 안테나에서만 GPS 신호를 송신하도록 함은 물론, GPS 신호를 증폭하는 증폭 기능과 GPS 스위칭 시간을 임의로 조절하도록 하는 GPS 스위칭 중계기; 상기 GPS 스위칭 중계기에 연결하여 GPS 신호를 송신하도록 실 내 벽면 혹은 천장 등에 설치하는 GPS 송신안테나; 상기 송신안테나를 통해 GPS 스위칭 중계기로부터 전송된 신호를 측정하여 스위칭 전후의 송신 안테나와 수신기 사이의 거리 차를 계산하는 실내 GPS 수신기; 및 상기 GPS 송신안테나와 실내 GPS 수신기(사용자)에서 측정된 값을 측위 알고리즘에 적용하여 실내 GPS 수신기의 위치를 추정하는 측위 서버로 구성되되, 상기 GPS 스위칭 중계기에 의해 GPS 신호가 두 안테나 사이에서 스위칭 되는 순간 두 송신안테나(4)와 실내 사용자 사이의 거리에 해당하는 TDOA 값을 수신기가 추적하는 위성의 코드 위상의 순간적인 변화 값을 이용하여 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위방법은, GPS 위성으로부터 전송되는 GPS 신호를 실외에 설치된 GPS 기준 안테나에서 수신하는 제1단계; 상기 GPS 기준안테나를 통해 수신된 GPS 신호를 GPS 스위칭 중계기로 전송하는 제2단계; 상기 기준안테나를 통해 GPS 위성으로부터 전송된 L1 C/A(Coasrse Acquisition) GPS의 신호를 수신 받아 3개 이상으로 분배하고 실내에 설치된 3개 이상의 송신 안테나들을 일정한 순서대로 스위칭하여 특정한 시간 동안 오로지 하나의 안테나에서만 GPS 신호를 송신하도록 하는 제3단계; 상기 GPS 스위칭 중계기를 통해 스위칭 되는 순간 직전에 중계기에 연결된 GPS 송신안테나와 실내 GPS 수신기 사이의 거리와 스위칭 발생 후에 중계기에 연결된 GPS 송신안테나와 실내 GPS 수신기 사이의 거리의 차에 해당하는 TDOA를 측정하는 제4단계; 상기 TDOA 값을 이용하여 측위 알고리즘을 통해 실내 사용자인 실내 GPS 수신기의 위치 를 실내 GPS 수신기내에서 계산하는 제5단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위시스템의 구성도, 도 2는 본 발명의 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위시스템의 측위과정을 나타낸 흐름도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위시스템은, GPS 위성으로부터 수신기까지의 거리 정보를 전송하는 GPS 위성(1); 상기 GPS 위성(1)으로부터 전송되는 거리 정보를 수신하는 GPS 기준 안테나(2); 상기 기준 안테나(2)를 통해 GPS 위성(1)으로부터 전송된 L1 C/A GPS의 신호를 수신 받아 3개 이상으로 분배하고 실내에 설치된 3개 이상의 송신 안테나들을 일정한 순서대로 스위칭 하여 특정한 시간 동안 오로지 하나의 안테나에서만 GPS 신호를 송신하도록 하는 GPS 스위칭 중계기(3); 상기 GPS 스위칭 중계기에 연결하여 GPS 신호를 송신하도록 실내 벽면 혹은 천장 등에 설치하는 GPS 송신안테나(4); 상기 송신안테나(2)를 통해 GPS 스위칭 중계기(3)로부터 전송된 신호를 측정하여 스위칭 전후의 송신 안테나와 수신기 사이의 거리 차를 계산하는 실내 GPS 수신기(5); 및 상기 GPS 송신안테나(4)와 실내 GPS 수신기(사용자)(5)에서 측정된 값을 측위 알고리즘에 적용하여 실내 GPS 수신기의 위치를 추정하는 측위서버(6)로 구성된다.

상기 GPS 위성(1)에서 GPS 기준안테나(2)까지 공중을 통해서 전파된 신호는 기준 안테나로부터 GPS 스위칭 중계기(3)까지 단일선로를 통해서 전달되며, GPS 스위치 중계기(3)는 각각의 GPS 송신안테나(4)로 정해진 시간에 신호를 전송한다.

상기 GPS 스위칭 중계기(3)와 GPS 송신안테나(4)를 통해 실내 GPS 수신기(5)로 GPS 신호를 보내는 방법은 중계기에 따라서 여러 개의 발신 안테나를 사용하는데, 기본적으로 측위를 할 수 있는 3개의 송신안테나를 사용할 경우 R1, R2, R3, R4, R1, R2 …… 의 순서로 일정한 시간에 따라서 순차적으로 스위칭 하여 실내에 위치한 실내 GPS 수신기(5)로 GPS 신호를 송신한다.

상기와 같이 GPS 송신 안테나(4)를 통해 GPS 스위칭 중계기(3)로부터 전송된 신호를 실내의 사용자가 측정하여 GPS 송신안테나(4)와 사용자의 거리를 측위 알고리즘을 이용하여 GPS 송신안테나(4)와 실내 사용자의 위치 즉, 실내 GPS 수신기(5)의 위치를 계산하게 된다.

상기 측위 서버(6)는 GPS 스위칭 중계기(3)의 정보를 가지고 있어 사용자가 실내 GPS 수신기(5)에서 TDOA를 측정하여 실내 사용자의 위치를 계산하기 위해 필요한 송신안테나(4)가 설치된 위치 및 스위칭 주기 정보를 제공하며, GPS 스위칭 중계기(3)의 스위칭 주기를 조정하는 기능을 수행한다. 또한 TDOA 측정값이 수신기로부터 전해지는 경우 TDOA 측위기법을 이용하여 실내 사용자의 위치를 계산하는 기능을 수행한다.

이러한 측위 서버(6)를 포함한 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위 시스템의 측위 과정을 나타낸 흐름은 도 2에 도시한 바와 같이 GPS 위성(1)으로부터 전 송되는 GPS 신호를 실외에 설치된 GPS 기준안테나(2)에서 이를 수신하는 제1단계(S1); 상기 GPS 기준안테나(2)를 통해 수신된 GPS 신호를 GPS 스위칭 중계기(3)로 전송하는 제2단계(S2); GPS 스위칭 중계기(3)가 상기 GPS 기준안테나(2)로부터 전송된 L1 C/A GPS의 신호를 수신한 후 3개 이상으로 분배하여 실내에 설치된 여러 대의 GPS 송신안테나(4) 중 특정 순간 하나의 GPS 송신안테나(4)에서만 신호를 송신하도록 GPS 송신안테나(4)를 일정한 시간, 일정한 순서대로 스위칭 하는 제3단계(S3); 상기 GPS 스위칭 중계기(3)를 통해 스위칭 된 순간 전후의 중계기에 연결된 GPS 송신안테나(4)와 실내 GPS 수신기(5) 사이의 거리의 차에 해당하는 TDOA 측정값을 계산하는 제4단계(S4); 상기 GPS 송신안테나(4)의 위치 정보와 실내 GPS 수신기(5)에서 측정된 TDOA 측정값을 이용하여 실내 GPS 수신기(5)의 위치를 계산하는 제5단계(S5)로 이루어진다. 이때 수신기 위치 계산은 수신기에서 직접 수행될 수도 있고 측위서버에서 수행될 수도 있다.

상기 제3단계에서 GPS 신호를 GPS 스위칭 중계기(3)를 통해서 복수의 송신 안테나로 분배하여 실내에 재송신 하는 경우, GPS 신호를 송신하는 안테나를 구별할 수 있어야하므로 GPS 스위칭 중계기에서 GPS 시각에 동기를 맞추고, 송신하는 안테나 순서와 스위칭 시간을 조정할 수 있는 기능을 부여하여 안테나를 구별할 수 있다.

상기 4단계에서 거리를 계산하는 방법은 GPS 스위칭 중계기(3)가 실내에 전송한 GPS 신호를 실내에 있는 실내 GPS 수신기(5)가 측정하는 것으로, 스위칭 되는 순간 전후의 두 GPS 송신안테나(4)와 실내의 사용자 사이의 거리에 해당하는 TDOA 를 측정한다. 이때 TDOA는 수신되는 모든 위성신호로부터 동일하게 측정될 수 있으므로 일반적으로 가장 품질이 양호한 신호 즉, 신호대잡음비(SNR:Signal to Noise Ratio)가 가장 높은 위성 신호를 이용한다.

상기 TDOA 측정 방법은 일반적인 GPS 수신기에서 사용하는 의사거리 즉 위성과 수신기 사이의 거리인 TOA(Time of Arrival) 측정과는 다른 방식으로 수신기가 추적하는 위성의 코드 위상의 순각적인 변화 값을 측정한다. 송신 안테나가 스위칭 되는 순간 두 개 안테나와 수신기 사이의 거리 차이 때문에 위성신호 전달 경로에는 순간적인 거리의 차이가 존재하게 되며 이 거리의 순간 변화량이 코드 위상 값의 차이로 나타나게 된다. 수신기 내부 신호처리 부분에서 이 코드위상의 변화량을 을 감지하고 측정하여 TDOA를 측정한다.

상기 TDOA 방식은 두 개의 신호원으로부터 전파도달 시각의 상대적인 차를 측정하여 위치를 결정하는 측위 방식으로 두 신호원에서 수신기까지 거리의 차를 측정할 수 있다면 수신기는 두 신호원으로부터 거리 차가 일정한 곳 즉, 두 신호원을 초점으로 하는 쌍곡선 위에 위치하게 된다는 사실에 근거한다. 3개의 안테나를 스위칭 하는 경우 2개의 쌍곡선이 얻어지고 두 쌍곡선의 교점이 수신기의 2차원 위치가 된다. 3개 이상의 안테나를 이용하는 경우 수신기의 3차원 위치를 계산할 수 있다.

본 발명은 GPS L1 신호를 이용한 특정한 실시 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서는 수정 및 변형 실기가 가능함은 물론이다. 즉, 본 발명은 GPS 현대화 신호인 L2C, L5, L1C는 물론 갈릴레오 E1, E5, E6 신호를 이용하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 측위시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 현재 전 세계적으로 가장 많이 쓰이고 있는 측위시스템인 GPS를 실외는 물론 실내에서도 연속적으로 사용할 수 있게 하여 기존 GPS의 가용성(Availability)을 높일 수 있다. 이에 따라 GPS에 기반한 실내외 연속적인(seamless) 위치기반 서비스를 상용화 할 수 있다.

둘째, 근거리 통신망, RFID, 센서네트워크 등을 이용하는 실내 유비쿼터스 네트워크 환경 하에서 위치추적을 위한 방법으로 기존 GPS 수신기를 사용할 수 있기 때문에 측위시스템 구성 및 운영이 용이해진다.

Claims

GPS 위성으로부터 수신기까지의 거리 정보를 전송하는 GPS 위성(1);

상기 GPS 위성(1)으로부터 전송되는 거리 정보를 수신하는 GPS 기준 안테나(2);

상기 기준 안테나(2)를 통해 GPS 위성(1)으로부터 전송된 L1 C/A GPS의 신호를 수신 받아 3개 이상으로 분배하고 실내에 설치된 3개 이상의 송신 안테나들을 일정한 순서대로 스위칭하여 특정한 시간 동안 오로지 하나의 안테나에서만 GPS 신호를 송신하도록 함은 물론, GPS 신호를 증폭하는 증폭 기능과 GPS 스위칭 시간을 임의로 조절하도록 하는 GPS 스위칭 중계기(3);

상기 GPS 스위칭 중계기에 연결하여 GPS 신호를 송신하도록 실내 벽면 혹은 천장 등에 설치하는 GPS 송신안테나(4);

상기 송신안테나(2)를 통해 GPS 스위칭 중계기(3)로부터 전송된 신호를 측정하여 스위칭 전후의 송신 안테나와 수신기 사이의 거리 차를 계산하는 실내 GPS 수신기(5); 및

상기 GPS 송신안테나(4)와 실내 GPS 수신기(사용자)(5)에서 측정된 값을 측위 알고리즘에 적용하여 실내 GPS 수신기의 위치를 추정하는 측위 서버(6)로 구성되되, 상기 GPS 스위칭 중계기(3)에 의해 GPS 신호가 두 안테나 사이에서 스위칭 되는 순간 두 송신안테나(4)와 실내 사용자 사이의 거리에 해당하는 TDOA 값을 수신기가 추적하는 위성의 코드 위상의 순간적인 변화 값을 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 GPS 측위시스템.
GPS 위성(1)으로부터 전송되는 GPS 신호를 실외에 설치된 GPS 기준안테나(2)에서 이를 수신하는 제1단계(S1);

상기 GPS 기준안테나(2)를 통해 수신된 GPS 신호를 GPS 스위칭 중계기(3)로 전송하는 제2단계(S2);

GPS 스위칭 중계기(3)가 상기 GPS 기준안테나(2)로부터 전송된 L1 C/A GPS의 신호를 수신한 후 3개 이상으로 분배하여 실내에 설치된 여러 대의 GPS 송신안테나(4) 중 특정 순간 하나의 GPS 송신안테나(4)에서만 신호를 송신하도록 GPS 송신안테나(4)를 일정한 시간, 일정한 순서대로 스위칭 하는 제3단계(S3);

상기 GPS 스위칭 중계기(3)를 통해 스위칭 된 순간 전후의 중계기에 연결된 GPS 송신안테나(4)와 실내 GPS 수신기(5) 사이의 거리의 차에 해당하는 TDOA 측정값을 계산하는 제4단계(S4);

상기 GPS 송신안테나(4)의 위치 정보와 실내 GPS 수신기(5)에서 측정된 TDOA 측정값을 이용하여 실내 GPS 수신기(5)의 위치를 계산하는 제5단계(S5)로 이루어진 것을 특징으로 하는 GPS 스위칭 중계기를 이용한 실내 GPS 측위방법.