KR20090117556A

KR20090117556A - 무선인식 결합 항법시스템에 기반한 정밀항법시스템

Info

Publication number: KR20090117556A
Application number: KR1020080043663A
Authority: KR
Inventors: 기창돈; 이택진; 김도윤; 박병운; 손경호; 조암
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-11-12
Also published as: KR100972815B1

Abstract

무선인식 시스템을 이용하는 항법시스템에 있어서, 하나 이상의 항법위성; 태그 정보를 송신하는 하나 이상의 무선인식(RFID) 태그; 및 항법위성으로부터 신호를 수신하고 처리하며, 무선인식 태그로부터 태그 정보를 수신하는 사용자 모듈 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템이 개시된다.

또한 무선인식 시스템을 이용하는 항법시스템에 있어서, 하나 이상의 의사위성; 태그 정보를 송신하는 하나 이상의 무선인식 태그; 및 의사위성으로부터 신호를 수신하고 처리하며, 무선인식 태그로부터 태그 정보를 수신하는 사용자 모듈 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템이 개시된다.

또한 무선인식 태그를 검출하는 단계; 무선인식 태그로부터 위치 정보를 도출하는 단계; 및 위치 정보를 항법해로 하여 미지정수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미지정수 결정 방법이 개시된다.

위성항법시스템, 의사위성

Description

무선인식 결합 항법시스템에 기반한 정밀항법시스템{Precise Navigation System based on the Radio Frequency Identification aided Global Navigation Satellite System}

본 발명은 무선인식(Radio Frequency Identification; RFID)과 위성항법시스템을 결합한 새로운 개념의 항법시스템에 관한 것으로, 무선인식 시스템이 사용자에게 제공하는 위치 정보와 위성항법시스템이 제공하는 항법신호를 이용하여 보다 정확하고 안정적인 항법시스템을 구축하는 것에 관한 것이다. 또한 의사위성 항법시스템에도 무선인식 기술을 결합하여 보다 정확하고 안정적인 항법시스템을 구축하는 것에 관한 것이다.

종래 위성항법시스템의 측위 기법

미 국방성이 위치 측정 시스템(Global Positioning System, GPS)의 신호를 민간 분야에 일부 개방함으로써 시작된 위성항법시스템에 대한 연구는 이미 상용화 단계에 이른지 오래되었다. 차량 항법시스템이나 항공기나 선박의 항법시스템 등이 그 한 예이다. GPS 수신기 하나만으로 지구상 어느 곳에서나 자신의 위치를 비교적 정확히 알 수 있다는 것은 위성항법시스템만의 큰 장점이다.

종래의 위성항법시스템의 경우 일반적으로 의사거리(pseudorange) 측정치를 이용하여 위치를 계산하였는데, 의사거리 측정치의 경우 잡음 수준이 표준편차로 1m 내지2m 정도이며, 의사거리를 이용해 구한 위치는 수m 수준의 정확도를 보인다. 이보다 더욱 정확한 위치를 얻기 위해서는 반송파 위상(carrier phase) 측정치를 사용해야 하는데, 반송파 위상 측정치의 잡음 수준은 표준편차로 2mm 정도이며, 반송파 위상 측정치를 이용해 구한 위치는 일반적으로 수cm 수준의 정확도를 보인다. 하지만 반송파 위상 측정치를 이용하기 위해서는 미지정수를 구해야 하는 과정을 거쳐야 한다.

미지정수는 일반적으로 LAMBDA(Least Squares AMBiguity Decorrelation Adjustment), LSAST(Least Squares Ambiguity Search Technology) 등 통계적 방법을 이용하는 매우 복잡한 과정을 거쳐 계산이 된다. L1과 L2의 이중 주파수(dual frequency)를 사용하는 수신기의 경우는 미지정수를 결정하는데 1분 정도의 시간이 걸리고, 단일 주파수 수신기의 경우는 수분 정도의 시간이 필요하며, 구해진 미지정수의 적절성을 보장하지 못하는 경우가 많은 편이다. 종래의 위성항법시스템의 반송파 위상 측정치는 다음의 수학식1과 같다. 수학식1에서

을 구하는 것이 바로 미지정수를 결정하는 것이다. 실제 구현시에는 수학식2처럼 이중 차분된 반송파 위상 측정치에서 이중 차분된 미지정수 값을 구한다.

여기서,

: j번째 위성에서 방송한 신호를 사용자 수신기(u)에서 수신한 반송파 위상 측정치

　: j번째 위성에서 사용자 수신기까지의 거리

　: 사용자 수신기의 시계 오차

　: j번째 위성의 시계 오차

　: j번째 위성에서 사용자 수신기까지 경로의 전리층 지연 오차

　: j번째 위성에서 사용자 수신기까지 경로의 대류층 지연 오차

　: j번째 위성에서 사용자 수신기까지 다중경로 지연 오차

　: j번째 위성에서 사용자 수신기까지 신호 경로 미지정수

　: 반송파 신호의 한 파장

　: 반송파 신호의 잡음

수학식 2를 통해 구해진 미지정수는 다음의 수학식3과 같다. 실제로 미지정수는 정수값이기 때문에 수학식3에서 구해진 값을 정수화하여 미지정수를 구하게 된다. 이는 측정치의 잡음으로 인한 이유이다. 다만 수학식3에서 미지정수를 구하기 위해서는 이중차분 된 거리 정보(

)를 알아야 하는데, 이 값을 구하기 위해서는 사용자의 위치를 알아야 한다(수학식4). 일반적으로는 의사거리 정보를 이용하여 사용자의 위치를 대략적으로 구하게 되는데, 이미 앞에서 언급한 것처럼 의사거리를 이용한 사용자의 위치 오차는 대략 수m 수준이 된다. 따라서 정확한 미지정수를 구하는 것이 불가능하며, 이로 인해 통계적 방법으로 미지정수를 계산하게 된다. 이것이 종래의 미지정수 결정기법의 기본 아이디어가 된다.

: i번째 위성의 위치 (위성에서 전송해주는 항법데이터에 포함)

: 사용자의 위치

: 기준국의 위치 (기존에 측정된 위치)

종래의 미지정수 결정 방법은 검색공간을 설정하고, 해당 검색 공간에서 검색과정을 통해 미지정수를 결정하게 된다. 미지정수 결정 기법들은 검색 공간을 효율화하거나, 검색과정을 효율적으로 발전시키는데 목적을 두고 있다. 예를 들어 미지정수를 결정하는 기법 중 하나인 LSAST의 목적은 검색공간을 줄이는데 있으며, 다른 기법인 LAMBDA는 검색 공간의 효율화에 그 목적이 있다.

반면 본 발명은 검색을 통해 미지정수를 결정하는 것이 아니라 사용자의 위치에 기반하여 미지정수를 결정하게 된다.

도 1은 종래 위성항법시스템의 반송파 위상 측정치를 이용한 정밀항법의 개념도를 나타낸 도면이다. 종래의 위성항법시스템은 GNSS위성(101a, 101b), 기준국(103), 사용자(102)로 구성된다. 위성으로부터 오는 신호를 기준국에서 받아서 보정치를 생성하고, 이를 사용자에게 보내면 사용자는 기준국으로부터 받은 보정치를 이용해 위성으로부터 오는 반송파 위상 측정치의 미지정수를 결정하고, 이를 이용해 반송파 위상 측정치 기반 정밀항법을 수행하는 것이 가능하다. 이를 실시간 정밀 이동 측위(RealTime Kinematics; RTK)라 한다. 실시간 정밀 이동 측위 기법의 개략적인 과정은 도 5에 있다.

의사위성을 이용한 실내항법시스템

또한 위성항법시스템 신호가 도달하지 못하는 음영지역 내지는 실내의 경우 위성항법시스템을 대체할 수 있는 의사위성 기반의 실내항법시스템 구축이 가능한데, 실내항법시스템에서도 미지정수를 결정하는 것이 매우 큰 문제로 남아있다. 또한 실내라는 환경의 특성 상 신호의 안정성을 보장하는 것이 어렵다.

의사위성은 종래 위성항법시스템의 항법위성에서 방송하는 항법신호와 같은 신호를 방송하는 신호 발생기이다. 따라서 사용자는 의사위성의 신호를 위성 신호와 같은 신호로 인식이 가능하며, 의사위성 신호를 이용해 항법을 수행하는 것이 가능하다. 또한 의사위성은 GPS를 포함한 위성항법시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System) 위성과는 달리 실내/외에서 자유롭게 이용될 수 있어 실내 항법시스템과 같은 분야에 적절히 이용될 수 있다. 실외에서 사용된다면 기존 GPS 또는 GNSS 위성과는 독립적으로 운용이 가능한 항법시스템을 구축할 수 있다.

도 2, 도 3 및 도 4는 종래기술에 따른 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템의 구성도를 나타낸 도면이다.

도 2는 비동기식 의사위성 실내항법시스템의 개요도를 나타낸 도면이다. 비동기식 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템(200a)으로 의사위성(201a 내지 201d), 기준국(202) 및 이동체(203)를 구비한다.

도 3은 기준국을 구비한 동기식 의사위성 실내항법시스템(200b)의 개요도를 나타낸 도면이다. 기준국을 구비한 동기식 의사위성을 이용한 정밀 항법시스템(200b)으로 주 의사위성(205), 부 의사위성 모듈(206a, 206b), 시각동기용 기준국(208) 및 이동체(207)를 구비한다.

도 4는 기준국이 없는 양방향 의사위성 기반의 동기식 정밀 항법시스템(200c)의 개요도를 나타낸 도면이다.

기준국이 없는 양방향 의사위성 기반의 동기식 정밀 항법시스템(200c)이며, 주 의사위성(209), 부 의사위성(210a 내지 210c) 및 이동체(211)를 구비한다.

종래의 의사위성 실내항법시스템(200a 내지 200c)은 그 형태에 있어 약간의 차이가 있으나, 핵심 역할은 매우 유사하다. 의사위성 간의 클럭이 동기될 경우 동 기식 의사위성 항법시스템(200b, 200c)이고, 클럭 동기 기술이 포함되지 않았다면 비동기식 의사위성 항법시스템(200a)이 된다. 동기식 항법시스템의 경우 사용자는 의사위성의 시각 오차 정보를 보정 받을 필요가 없으며, 비동기식 시스템의 경우 사용자는 의사위성의 시각 오차 정보를 보정 받아야 한다. 하지만 그 차이에도 불구하고, 의사위성의 역할은 동일하며, 본 발명의 핵심 아이디어는 모든 형태에 적용이 가능하다.

도면에 도시된 바와 같이 위성항법신호와 동일한 신호를 발생시키는 장치인 의사위성(201a 내지 201d, 205, 206a 내지 206c, 209, 210a 내지 210c)은 위성항법시스템을 보조하기 위하여 또는 위성항법신호를 수신할 수 없는 지역에서 위성항법시스템과 동일한 신호를 송신하기 위한 구성요소이다. 따라서 측정치 역시 같은 형태를 갖는다. 즉 의사거리 측정치와 반송파 위상 측정치가 사용자가 이용 가능한 주 측정치가 된다. 종래 위성항법시스템처럼 의사거리 측정치는 1m 내지 2m 수준의 잡음을 갖고, 반송파 위상 측정치는 2mm 수준의 잡음 수준을 보인다.

종래 미지정수 결정 기법의 한계

위성항법시스템의 경우 오차 값을 줄이기 위하여 반송파 위상 측정치를 구하여야 한다. 그러나 반송파 위상 측정치를 구하기 위하여는 미지정수를 구해야한다. 종래의 미지정수 결정 방법은 미지정수를 결정하는 데 시간이 오래 걸리고 미지정수의 적절성이 보장되지 않는다.

의사위성에 기반한 실내항법시스템의 경우 의사거리를 이용하지 않고, 반송 파 위상 측정치만을 사용한다. 이는 의사거리 측정치의 잡음 수준으로 인해 비교적 좁은 공간인 실내에서는 비선형성 문제로 인해 위치해가 수렴하지 않을 가능성이 높기 때문이다. 또한 일반적으로 의사거리를 이용한 위치해의 정확도는 수m 수준인데, 실내와 같은 좁은 공간에서 수m 수준의 위치해는 활용 가능성이 매우 떨어지기 때문이다.

문제는 반송파 위상 측정치를 활용하기 위해서는 미지정수를 결정해야 하는데, 일반적인 위성항법시스템에서 사용하는 미지정수 결정기법을 그대로 활용하는 것이 어렵다는 것이다. 앞에서 언급한 것처럼 의사거리 측정치를 이용해 구한 위치를 기반으로 미지정수를 검색하게 되는데, 의사거리 측정치의 잡음 수준이 1m 내지 2m 정도이며, 이 잡음 수준으로 인해 실내에서는 위치해가 수렴하지 않을 가능성이 높기 때문이다. 위치해가 수렴하지 않기 때문에 미지정수를 검색하기 위한 초기치의 생성이 어렵게 된다.

도 5는 일반적인 미지정수 결정기법 과정을 나타낸 도면이다. 도 5에서 볼 수 있듯이 의사거리를 측정하고(S501), 의사거리 기반 항법해를 도출한다(S502). 항법해를 이용해 검색공간을 설정(S503)하고 미지정수를 결정한다(S504). 미지정수가 적절하면 반송파 측위를 하고, 적절하지 않는 경우에는 미지정수를 다시 결정한다(S505).

의사위성 기반 실내항법시스템의 경우 의사거리 기반 항법해를 구하는 것이 어렵기 때문에 실제로 미지정수의 검색공간을 설정하는 것이 불가능하다. 또한 검 색 시, 공간적으로 매우 좁은 실내의 특성 상, 매우 심각한 비선형성으로 인해 종래의 검색 알고리즘을 그대로 적용하는 것이 불가능하다. 따라서 현재까지는 검색이 아닌 배치방법(batch process)등을 이용해 미지정수를 구했으나, 이 방법을 이용할 경우 사용자가 움직이며, 긴 시간동안 측정치를 모아야 하는 문제점을 안고 있다.

실내항법 환경에서 의사위성 신호의 불안정성

또한 종래 의사위성 항법시스템의 경우 실내라는 환경 특성상, 신호의 상태가 좋지 않았다. 특히, 반송파 위상 신호의 경우 사이클 슬립(cycle slip) 현상이 자주 발생하였으며, 또한 다중경로오차(multipath)가 매우 빈번하게 발생하였다. 물론 이러한 오차는 실외에서도 발생하지만, 실내의 경우 좁은 환경적 특성으로 인해서 해당 오차의 영향이 실외에 비해 심각하게 나타났다. 이는 실내항법의 가장 큰 문제인 근원문제(near far problem)등으로 인해 신호의 세기가 급격히 변하기 때문이다. 이러한 오차 요인으로 인해서 신호 안정성에 문제가 발생한다. 종래에는 신호 안정성 확보를 위해 수신기의 적분시간을 늘리는 등의 방법을 주로 취했다. 하지만 이런 방법들은 수신기를 수정해야 한다는 문제를 안고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 종래의 미지정수를 결정하는 기법이 의사거리를 이용해 사용자의 위치를 수m 정확도로 계산한 이후, 미지정수 검색 과정을 통해 미지정수를 결정했다면, 본 방법은 정확한 사용자의 위치를 제공함으로써 미지정수를 매우 쉽게 결정할 수 있다. 이는 또한 의사위성 기반 실내항법시스템에 있어 미지정수 결정뿐만 아니라 신호 안정성 확보에도 도움을 줄 수 있다. 이러한 기술들은 무선인식이 제공하는 신호를 이용하여 위치를 결정할 수 있음에 기인한다. 결정된 위치를 기반으로 미지정수를 계산하고, 신호 안정성을 확보할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 항법 시스템은하나 이상의 항법위성; 태그 정보를 송신하는 하나 이상의 무선인식(RFID) 태그; 및 항법위성으로부터 신호를 수신하고 처리하며, 무선인식 태그로부터 태그 정보를 수신하는 사용자 모듈 장치를 포함하여 구성된다.

또한 다른 실시예에 따른 정밀 항법 시스템은 하나 이상의 의사위성; 태그 정보를 송신하는 하나 이상의 무선인식 태그; 및 의사위성으로부터 신호를 수신하고 처리하며, 무선인식 태그로부터 태그 정보를 수신하는 사용자 모듈 장치를 포함하여 구성된다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 미지정수 결정 방법은 무선인식 태그를 검 출하는 단계; 무선인식 태그로부터 위치 정보를 도출하는 단계; 및 위치 정보를 항법해로 하여 미지정수를 결정하는 단계를 포함하여 구성된다.

무선인식을 위성항법시스템과 결합하는 이유는 무선인식이 측위 목적뿐만 아니라, 다른 목적으로도 많이 활용되기 때문이다. 일반적으로 무선인식은 정보에 대한 접근으로 많이 사용되고 있으며, 향후에는 실내와 실외 등 상당히 많은 곳에 무선인식 장치가 설치될 것으로 예상된다. 즉 기 설치된 무선인식 장치를 항법에 활용하는 것이 본 발명의 이점이라 할 수 있다.

상기된 바와 같이 본 발명에서 제안하는 것처럼 무선인식과 위성항법시스템을 결합함으로써 사용자는 미지정수를 신속하게, 그리고 정확하게 결정할 수 있으며, 이렇게 결정된 미지정수를 이용해 매우 정밀한 항법이 가능하게 된다.

또한 의사위성 기반 실내항법의 경우, 무선인식을 이용해 미지정수를 구하는 역할뿐만 아니라, 의사위성 신호의 안정성을 확보하는 것이 가능하다. 즉 의사위성 신호의 다중경로오차 및 사이클 슬립 등의 오차에 대한 검출 및 보정이 가능하게 된다.

본 발명은 항법시스템의 미지정수 결정기법에 있어, 종래 방법에 비해 훨씬 효과적이고, 신속하고, 안정적이며, 신뢰성 있는 새로운 개념의 미지정수 결정기법을 제안하고, 이를 위해 무선인식 기술을 위성항법시스템과 결합하는 방법을 제안한다.

무선인식 기술과 위성항법시스템 기술이 결합된 정밀항법시스템은 사용자가 무선인식 태그의 위치 정보를 이용하여 해당 지점에서의 위치정보를 획득하고, 이를 바탕으로 미지정수를 결정하는 기법을 포함하며, 해당 미지정수 결정기법을 이용하면 한 에폭(epoch)의 측정치만으로도 안정적으로 미지정수를 결정할 수 있으며, 결정된 미지정수의 신뢰성이 확보된다.　 따라서 본 발명에서 제안하는 항법시스템을 이용하여 보다 효과적이고, 정확한 항법시스템의 구현이 가능하다. 또한 종래의 의사위성 기반 실내항법시스템의 경우, 본 발명에서 제안하는 무선인식 시스템과의 결합 방법을 통해 효과적으로 의사위성 신호의 미지정수를 결정할 수 있으며, 무선인식 태그 정보를 이용해 의사위성 신호의 오차를 검출하고, 이를 보정할 수 있다. 따라서 종래 기술에 비해 효과적이고, 안정적인 실내항법시스템의 구축이 가능하다.

무선인식( RFID ) 시스템

무선인식 시스템은 무선 전파를 이용하여 사물에 부착된 태그로부터 정보를 수집하고, 대상 물체를 인식하는 시스템(300)을 의미한다. 도 6은 무선인식 시스템의 구성도를 나타낸 도면이다. 안테나(303)가 포함된 리더 장치(Reader, 302)와 정보를 저장하고, 프로토콜로 데이터를 교환하는 태그(Tag, 301a 내지 301c), 서버 및 네트워크 등으로 구성된다.

즉 태그는 고유의 식별인자를 갖고 있으며, 이와 함께 위치 등의 필요한 정보를 갖고 있다. 리더기는 일정 거리에서 태그를 검출할 수 있으며, 태그의 검출을 통해 태그의 식별인자 및 위치 정보를 얻을 수 있다. 여기서 리더기는 위치 정보를 태그의 식별인자와 함께 읽을 수도 있고, 태그 식별인자에 대한 위치 데이터를 사전에 메모리에 넣어 놓을 수도 있다.

또한 무선인식 시스템은 검출 거리에 따라 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있으며, 그에 따라 사용하는 주파수도 달라진다. 무선인식 시스템은 사용 전원의 유무에 따라 수동형과 능동형으로 나눌 수 있다. 본 시스템에서 활용하려는 무선인식은 특정한 시스템에 국한되지 않으며, 무선인식의 기본 성능만 갖는다면 활용이 가능하다.

본 발명에서 제안하는 시스템의 구성

본 발명에서 제안하는 시스템은 무선인식과 종래 위성항법시스템이 결합된 새로운 항법시스템이다. 본 항법시스템은 무선인식 태그로부터 태그의 위치 정보를 제공받게 되고, 이를 이용해 종래 위성항법시스템의 반송파 위상 측정치의 미지정수를 매우 빠르고, 신뢰성 있게 결정할 수 있다.

도 7은 본 발명에서 제안하는 무선인식 시스템 결합 위성항법시스템의 개략도(400)를 나타낸 도면이다. 본 항법시스템은 항법 위성(101a 내지 101b)과 무선인식 태그(301a 내지 301c), 사용자 모듈(401)로 구성된다.

도 8은 무선인식 시스템 결합 의사위성 기반 실내항법시스템(800)의 개략도를 나타낸 도면이다. 본 발명에서 제안하는 실내항법시스템은 항법신호를 생성해서 방송하는 의사위성(801a 내지 801d)과 무선인식 태그(301a 내지 301c), 사용자 모듈(401)로 구성된다. 여기서 의사위성(801a 내지 801d)는 도 2, 도 3, 도 4에서 언급한 모든 의사위성(201a 내지 201d, 205, 206a 내지 206c, 209, 210a 내지 210c) 을 포함한다. 즉 본 발명에서 제안하는 실내항법시스템은 도 2, 도 3및 도 4에서 언급한 실내항법시스템(200a 내지 200c)을 모두 포함한다.

도 9는 본 발명에서 제안하는 항법시스템의 사용자 모듈 장치(401)의 구성을 나타낸 도면이다. 위성 및 의사위성으로부터 신호를 수신하여 처리하는 수신기(402)와 위성 및 의사위성으로부터 신호를 수신하기 위한 수신기용 안테나(403), 무선인식 태그로부터 태그 정보를 수신하는 무선인식 리더 장치(302)와 무선인식 태그로부터 태그 정보를 수신하기 위한 무선인식 리더 장치용 안테나(303)로 구성된다.

미지정수 결정 알고리즘 1

사용자 모듈을 지닌 사용자는 해당 무선인식 태그로 접근하게 되고, 검출 거리 안으로 들어갈 경우 태그를 인식하게 된다. 태그 검출 거리가 반송파 위상 신호의 반파장 보다 짧을 경우는 미지정수를 바로 구하는 것이 가능해지는데, 이는 수학식 5와 같다. 즉 무선인식 태그를 통해 얻어진 사용자 위치를 통해 이중 차분된 거리를 추정할 수 있고, 이렇게 추정된 거리 값을 이용해 미지정수(

)를 추정하는 것이 가능하다.

여기서,

: 무선인식 태그를 통해 도출한 사용자의 위치

수학식 5를 통해 구해진 미지정수(

)를 반송파 위상 측정치에서 빼주면 수학식 6과 같이

를 얻을 수 있으며, 이 값을 이용해 사용자의 위치를 구하는 것이 가능하다. 측정치(

)를 이용해 사용자의 위치를 구하는 방법은 이미 널리 알려진 알고리즘이기에 생략한다.

만약 항법시스템이 의사위성 기반 동기식 실내항법시스템이면, 식의 형태가 다소 달라진다. 이는 동기식 시스템이기 때문에 의사위성 간의 시계오차가 발생하지 않고, 실내항법시스템이기 때문에 전리층 오차가 사라지는 이유이다. 따라서 의 사위성 기반 동기식 실내항법시스템에서는 이중차분을 하지 않고, 수신기 내에서 측정치간 단일차분만을 수행하게 된다. 이는 수학식 7에 있다.

앞의 수학식 5와 마찬가지로

는 무선인식 태그를 이용해 구한 사용자의 위치가 된다. 또한 수학식 8에 의하여 미지정수(

)이 해결된 단일차분 반송파 위상 측정치(

)를 이용해 항법해를 구할 수 있다. 항법해를 구하는 방법은 널리 알려졌기에 본 발명에서는 생략한다.

도 10은 본 발명에서 제안하는 미지정수 결정 과정을 나타낸 순서도이다. 도 5는 종래의 미지정수 결정 과정이고, 도 10은 본 발명에서 제안하는 미지정수 결정 과정이다. 종래의 방법은 의사거리 측정치를 이용해 사용자의 대략적인 위치를 구하고, 해당 항법해로부터 미지정수 검색공간을 설정하고, 해당 공간에 대해 미지정 수 결정 알고리즘을 이용해 검색하여 미지정수를 찾아낸다. 반면 본 발명에서 제안하는 방법은 사용자가 무선인식 태그로 접근하고, 태그를 인식함(S1001)과 동시에 태그 정보로부터 위치 정보를 도출(S1002)하고, 해당된 위치 정보를 항법해로 하여 미지정수를 결정(S1003)하게 된다. 즉 검색 과정을 거치지 않기 때문에 신속한 미지정수의 결정이 가능해진다.

이미 언급한 것처럼 기존의 미지정수 결정기법이 검색 내지는 측정치를 모아서 한번에 푸는 배치 방법을 이용했기 때문에 시간이 길게 걸렸으며, 또한 실내항법의 경우 관측성을 좋게 하기 위하여 사용자가 움직일 필요가 있었다. 하지만 본 발명에서 제안하는 시스템은 단 한 에폭의 데이터만으로 미지정수를 결정하는 것이 가능하며, 이렇게 구해진 미지정수의 신뢰성도 매우 높다는 장점이 있다.

미지정수 결정 알고리즘 2

만약 무선인식 태그와 리더 장치간의 검출 거리가 반송파 위상 측정치의 반파장을 넘어설 경우는 기존의 검색 알고리즘을 이용할 필요가 있다. 이는 태그가 제공하는 위치 정보가 실제 사용자의 위치와 달라지기 때문에, 이때 발생하는 오차로 인해 미지정수를 제대로 결정하지 못하기 때문이다. 이 경우에는 일단 태그에서 제공받은 측정치를 이용해 검색공간을 설정하고, 미지정수 검색 알고리즘을 구동하게 된다. 하지만 이 경우에도 기존 미지정수 검출기법에 비해 훨씬 작은 검색공간을 제공하기 때문에 신속한 해를 구하는 것이 가능해진다. 이는 무선인식 태그와 리더 장치간의 검출거리가 의사거리를 이용한 항법해의 정확성 보다 더 좋기 때문 이다.

도 11은 이처럼 무선인식 태그를 이용한 미지정수 결정 방법과 종래 방법을 결합한 미지정수 결정 방법을 나타낸 것이다. 즉 무선인식 태그를 이용해 미지정수를 구하고, 이 미지정수의 적절성을 검사하여 적절성이 의심되면, 새롭게 검색공간을 설정하여 종래의 미지정수 검출기법을 적용하여 미지정수를 결정하고, 위치해를 찾는 방법이 된다. 여기서 적절성을 검사하는 방법은, 기존에 계산된 미지정수와 새로운 무선인식 태그에서의 미지정수를 다시 계산하여 양 값을 비교하여 두 값이 다르다면 기존에 계산된 미지정수가 적절치 않다고 판단하는 것이다. 이 경우에는 새롭게 계산한 미지정수를 측정치에 적용하여야 한다.

종래의 의사위성을 이용한 항법 시스템의 오차 보정 알고리즘

본 발명은 무선인식 시스템과의 결합을 통하여, 종래의 의사위성 신호의 오차를 검출하고 이를 보정할 수 있다. 위성 신호는 아래의 수학식 9와 같이 모델링이 가능하다.

여기서,

: 사용자 수신기에서 측정한 j번째 위성의 의사거리 측정치

: j번째 위성에서 사용자 수신기까지의 거리

: 사용자 수신기의 시계오차

: j번째 위성의 시계 오차

: 사용자 수신기에서 측정한 j번째 위성의 의사거리 측정치의 다중경로 오차

: 사용자 수신기에서 측정한 j번째 위성의 의사거리 측정치의 잡음 성분

전리층 지연오차 및 대류층 지연오차를 보정하기 위하여 보정위성항법을 수행하며, 무선인식 시스템에서 제공하는 위치 정보를 활용해 이러한 보정위성항법이 가능하다.

무선인식 태그가 제공하는 정확한 위치 정보를

라 하면, 상기의 수학식 9에서 사용자와 위성간의 거리(

)는 아래와 같다.

여기서,

: j번째 위성의 위치

: 사용자의 위치

종래의 의사거리를 이용한 항법 시스템에서는 사용자의 위치(

)는 알 수 가 없기 때문에 미지수로 처리되며, 따라서 전리층 및 대류층 지연 오차를 외부의 도움 없이 추정하는 것이 불가능 했다. 하지만 본 발명에서는 무선인식 시스템에서 제공하는 위치정보를 이용하면 위의 사용자와 위성간의 거리(

)를 추정하는 것이 가능하다. 사용자와 위성간의 거리(

)는,

와 같이 추정할 수 있고, 실제로 다중경로 오차 및 기타 잡음 성분은 그 크기가 일반적으로 크지 않기 때문에 아래와 같이 오차의 추정이 가능해진다. 추정된 오차(

)는 아래와 같다.

또한 전리층 및 대류층 오차는 일반적으로 위치에 따라 크게 바뀌지 않기 때문에 무선인식 위치를 이용해 추정된 오차(

)값을 이용해 의사거리 측정치의 전리층 및 대류층 오차를 추정하는 것도 가능하다.

신호 안정성 유지 역할

의사위성 기반 실내항법시스템의 경우 무선인식 기술은 신호 안정성에도 도움을 준다. 멀티 패스 등 신호 페이딩 현상이 발생할 경우 반송파 위상 측정치가 불안정해지고, 이로 인해 사이클 슬립 현상이 발생하여 미지정수가 바뀌게 될 수도 있다.

본 발명에서 제안하는 항법시스템의 경우 사용자가 움직이며, 무선인식 태그로 갈 때마다 사용자 모듈은 무선인식 태그를 인식하고, 해당 태그의 위치 정보로부터 미지정수의 적절성을 체크하고, 만약 적절성에 문제가 생기면 미지정수를 다시 결정하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

도1은 종래의 위성항법시스템의 개략도를 나타낸 도면.

도2는 종래의 비동기식 의사위성 실내항법시스템의 개략도를 나타낸 도면.

도3은 종래의 동기식 의사위성 실내항법시스템의 개략도를 나타낸 도면.

도4는 종래의 양방향 의사위성 기반 동기식 실내항법시스템의 개략도를 나타낸 도면.

도5는 종래의 미지정수 결정 과정을 나타낸 도면.

도6은 종래의 무선인식 시스템의 개략도을 나타낸 도면.

도7은 무선인식 시스템 결합 위성항법시스템에 기반한 정밀항법시스템 개략도를 나타낸 도면.

도8은 무선인식 시스템 결합 의사위성 실내항법시스템에 기반한 정밀항법시스템 개략도를 나타낸 도면.

도9는 사용자 모듈 장치의 구성도를 나타낸 도면.

도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 미지정수 결정 과정의 순서도를 나타낸 도면.

도11는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미지정수 결정 과정의 순서도를 나타낸 도면.

Claims

무선인식 시스템을 이용하는 항법시스템에 있어서,

하나 이상의 항법위성;

태그 정보를 송신하는 하나 이상의 무선인식(RFID) 태그; 및

상기 항법위성으로부터 신호를 수신하고 처리하며, 상기 무선인식 태그로부터 태그 정보를 수신하는 사용자 모듈 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
무선인식 시스템을 이용하는 항법시스템에 있어서,

하나 이상의 의사위성;

태그 정보를 송신하는 하나 이상의 무선인식 태그; 및

상기 의사위성으로부터 신호를 수신하고 처리하며, 상기 무선인식 태그로부터 태그 정보를 수신하는 사용자 모듈 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 사용자 모듈 장치는,

상기 무선인식 태그로부터 태그 정보를 수신하고 항법 시스템 반송파 위상 측정치의 미지정수를 결정하는 알고리즘을 수행하는 미지정수 결정 장치를 포함하 는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제3항에 있어서,

상기 사용자 모듈 장치는,

상기 위성 및 의사위성으로부터 신호를 수신하는 수신기;

상기 위성 및 의사위성으로부터 신호를 수신하기 위한 수신기용 안테나;

상기 무선인식 태그로부터 태그 정보를 수신하는 무선인식 리더 장치; 및

상기 무선인식 태그로부터 태그 정보를 수신하기 위한 무선인식 리더 장치용 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제4항에 있어서,

상기 사용자 모듈 장치는,

상기 무선인식 태그의 위치정보가 상기 태그 정보에 포함되어, 상기 무선인식 리더 장치가 태그 정보로부터 태그의 위치 정보를 얻는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제4항에 있어서,

상기 사용자 모듈 장치는,

상기 무선인식 태그의 위치 정보가 상기 태그 정보에 포함되어 있지 않고, 상기 무선인식 리더 장치가 태그 정보로부터 태그 식별인자만을 얻고, 기 저장된 태그 식별인자에 대응하는 위치 정보를 얻는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제4항에 있어서,

상기 사용자 모듈장치는,

상기 무선인식 리더 장치와 상기 수신기에 연결되고, 상기 무선인식 리더 장치로부터 태그 정보를 수신받고, 상기 수신기로부터 항법 신호 측정치를 수신받아 항법해를 도출하는 항법 모듈 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제3항에 있어서,

미지정수 결정 장치는,

무선인식 태그와 리더 장치의 인식 거리가 반송파 위상 신호의 반파장 이내일 경우,
는 무선인식 태그에서 수신기까지의 거리,
는 i번째 위성의 위치,
는 j번째 위성의 위치,
는 무선인식을 통해 도출한 사용자의 위치,
은 기존에 측정된 무선인식을 통해 도출한 사용자의 위치,
은 신호 경로 미지정수,
는 반송파 신호의 한 파장,
는 위성에서 방송한 신호를 사용자 수신기에서 수신한 반송파 위상 측정치,
는 위성에서 사용자 수신기까지 경로의 전리층 지연오차,
는 위성에서 사용자 수신기까지 경로의 대류층 지연오차일 때, 수학식은 아래와 같으며,

상기 수학식에 의하여 미지정수(
)를 결정하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제3항에 있어서,

미지정수 결정 장치는,

의사위성 기반 동기식 실내 항법 시스템인 경우에, 무선인식 태그와 리더 장치의 인식 거리가 반송파 위상 신호의 반파장 이내일 경우,
는 무선인식 태그에서 수신기까지의 거리,
는 i번째 위성의 위치,
는 j번째 위성의 위치,
는 무선인식을 통해 도출한 사용자의 위치,
은 신호 경로 미지정수,
는 반송파 신호의 한 파장,
는 위성에서 방송한 신호를 사용자 수신기에서 수신한 반송파 위상 측정치,
는 위성에서 사용자 수신기까지 경로의 대류층 지연오차일 때, 수학식은 아래와 같으며,

상기 수학식에 의하여 미지정수(
)를 결정하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제3항에 있어서,

미지정수결정 장치는,

무선인식 태그와 리더 장치의 인식 거리가 반송파 위상 신호의 반파장보다 클 경우, 상기 태그 정보를 통해 주어진 위치에 기반하여 검색공간을 설정하고 검색기법을 통해 미지정수를 결정하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제10항에 있어서,

상기 무선인식 태그에서 전송된 태그 정보의 위치 정보는 실내 항법 시스템의 미지정수 결정시에, 초기 검색 공간을 설정하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제3항에 있어서,

상기 사용자 모듈 장치는,

상기 무선인식 태그 정보를 이용하여 자신의 위치를 추정하며, 상기 추정된 위치를 위성 항법 시스템의 측위 알고리즘의 초기 위치로 하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제3항에 있어서,

상기 사용자 모듈 장치는,

상기 미지정수 결정 알고리즘에 기반한 항법 시스템의 반송파 위상 측정치를 이용하여 정밀 항법을 수행하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
제13항에 있어서,

상기 사용자 모듈 장치는,

는 j번째 위성에서 사용자 수신기까지의 거리,
는 j번째 위성의 위치,
는 사용자의 위치,
는 무선인식 시스템에서 제공하는 사용자의 정확한 위치,
는 사용자 수신기에서 측정한 j번째 위성의 의사거리 측정치,
는 의사거리 오차일 때, 수학식은 아래와 같으며,

상기 수학식에 의하여 상기 무선인식 태그의 위치 정보를 활용해 단독 항법 알고리즘의 의사거리 오차(
)를 추정하는 방식으로 정밀 항법을 수행하는 것을 특징으로 하는 정밀 항법 시스템.
무선인식 태그를 검출하는 단계;

상기 무선인식 태그로부터 위치 정보를 도출하는 단계; 및

상기 위치 정보를 항법해로 하여 미지정수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미지정수 결정 방법.
제15항에 있어서,

미지정수의 적절성을 검사하는 단계;

상기 검사하는 단계에서 미지정수가 적절하지 않다고 판단된 경우에, 새로운 검색공간을 설정하는 단계; 및

상기 검색공간에서 미지정수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미지정수 결정 방법.
제15항 또는 16항에 있어서,

상기 미지정수를 결정하는 단계는,

상기 무선인식 태그와 리더 장치의 인식 거리가 반송파 위상 신호의 반파장 이내일 경우,
는 무선인식 태그에서 수신기까지의 거리,
는 i번째 위성의 위치,
는 j번째 위성의 위치,
는 무선인식을 통해 도출한 사용자의 위치,
은 기존에 측정된 무선인식을 통해 도출한 사용자의 위치,
은 신호 경로 미지정수,
는 반송파 신호의 한 파장,
는 위성에서 방송한 신호를 사용자 수신기에서 수신한 반 송파 위상 측정치,
는 위성에서 사용자 수신기까지 경로의 전리층 지연오차,
는 위성에서 사용자 수신기까지 경로의 대류층 지연오차일 때, 수학식은 아래와 같으며,

상기 수학식에 의하여 미지정수(
)를 결정하는 것을 특징으로 하는 미지정수 결정 방법.
제15항 또는 16항에 있어서,

상기 미지정수를 결정하는 단계는,

의사위성 기반 동기식 실내 항법 시스템인 경우에, 무선인식 태그와 리더 장치의 인식 거리가 반송파 위상 신호의 반파장 이내일 경우,
는 무선인식 태그에서 수신기까지의 거리,
는 i번째 위성의 위치,
는 j번째 위성의 위치,
는 무선인식을 통해 도출한 사용자의 위치,
은 신호 경로 미지정수,
는 반송파 신호의 한 파장,
는 위성에서 방송한 신호를 사용자 수신기에서 수신한 반송파 위상 측정치,
는 위성에서 사용자 수신기까지 경로의 대류층 지연오차일 때, 수학식은 아래와 같으며,

상기 수학식에 의하여 미지정수(
)를 결정하는 것을 특징으로 하는 미지정수 결정 방법.