KR20110049945A - 셀룰러망에서 실내 측위 시스템을 위한 의사 위성 구현 - Google Patents

Abstract

현재 전 세계적으로 위치 기반 서비스 ( LBS, Location Based Service )에 가장 많이 사용되어 지는 방법이 GPS( Global Positioning System )를 이용하는 것이다. 그러나 사용자가 실내에 위치하고 있는 경우 적절한 GPS 위성 신호를 수신하기 어렵기 때문에 위치 기반 서비스를 사용자에게 제공하기 어려운 문제가 있다.

이런 문제를 해결하기 위하여 GPS 위성과 유사한 신호를 송출하는 의사 위성을 제작하여 사용하고 있으나 기존의 의사 위성은 현재 위치에서 운행중인 GPS 위성 신호를 송출하는 것이 아니고 특별하게 의사 위성용으로 할당된 위성 번호로 신호를 송출 하던지 아니면 외부와 완전히 차단된 공간에서 실험 등의 특수한 목적으로 사용하고 있는 실정이다. 따라서 현재의 의사 위성을 사용하기 위해서는 사용자는 특수한 목적으로 제작된 의사 위성용 수신기를 사용하거나 혹은 사용하고 있는 GPS 수신기의 Hardware 혹은 Software를 수정해야 하는 단점이 있다.

본 발명은 실내에 설치되어 GPS 위성 신호와 동일한 신호를 송출하여 사용자의 GPS 수신기에 Hardware 혹은 Software 등 어떠한 변경도 가하지 않고 위치 기반 서비스를 제공할 수 있는 신개념의 의사 위성 구현에 관한 것이다.

GPS, LBS, Pseudolite, PLL, OCXO, VCO

Description

셀룰러망에서 실내 측위 시스템을 위한 의사 위성 구현{The method of Pseudolite for Indoor LBS System on the cellular network}

현재 세계적으로 위치 기반 서비스 목적으로 가장 많이 사용하고 있는 GPS ( Global Positioning System )는 실내에서 사용할 수 없는 단점이 있으며 따라서 실내에 위치해 있는 사용자에게는 정확한 위치를 알려 줄 수 없는 문제가 발생한다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 GPS 위성 신호와 동일한 신호를 송출하는 기능을 가진 의사 위성을 제작하여 사용자가 소유하고 있는 장치에 어떠한 변경도 가하지 않고 실내에서도 원활한 위치 기반 서비스를 가능하도록 한다.

본 발명은 실내에 설치되어 실외 환경과 동일한 GPS 신호를 사용자에게 제공하여 LBS등에 이용하고자 하는데 목적이 있다. 이를 구현하기 위해서는 위에서 언급한 현재 개발된 의사 위성 시스템이 가지는 두 가지 문제점이 해결되어야 한다.

현재 세계적으로 위치 기반 서비스 목적으로 가장 많이 사용하고 있는 GPS ( Global Positioning System )는 실내에서 사용할 수 없는 단점이 있으며 따라서 실내에 위치해 있는 사용자에게는 정확한 위치를 알려 줄 수 없는 문제가 발생한다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 GPS 위성 신호와 동일한 신호를 송출하는 기능을 가진 의사 위성을 제작하여 사용자가 소유하고 있는 장치에 어떠한 변경도 가하지 않고 실내에서도 원활한 위치 기반 서비스를 가능하도록 한다

현재 개발 되어진 의사 위성은 크게 두 가지 문제점을 가지고 있다.

첫 번째 문제는 실내에 설치 되어 지는 의사 위성간의 동기 문제이고 두 번째 문제는 GPS 수신기에서 사용해야 할 각 위성의 궤도 정보 및 GPS Time 등을 의사 위성에서 운행 중인 위성과 동일하게 만들 수 없는 문제이다.

GPS 수신기의 경우 최소 4개 이상의 위성 신호를 수신하고 이 신호를 바탕으로 현재 위치를 계산하는데 이를 위해서는 정확한 GPS Time이 필요하고 각 위성 신호는 동기 되어 있어야 한다. 그러나 현재 제작되어 사용하는 의사 위성의 경우 실내에 최대 4 대 이상이 설치 되는데 설치 되는 각 위성의 동기 문제가 발생한다. 만약 의사 위성마다 신호의 시작 시점이 틀리면 GPS 수신기는 정밀한 위치 계산이 불가 능하기 때문이다.

또한 실외의 GPS 위성 환경과 동일한 환경을 제공하기 위해서는 각 위성의 궤도 정보 등이 GPS 신호에 포함이 되어야 하는데 현재의 의사 위성은 이를 계속 변경해 줄 수 없는 문제가 있다. 왜냐하면 위성의 궤도 정보는 항상 일정하지 않고 계속 변경이 되는데 이러한 정보를 자체적으로 생성하기는 불가능하기 때문이다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해 종래의 의사 위성의 경우에는 각 의사 위성을 제어하는 제어 시스템을 따로 설치하여 사용하거나 혹은 각 의사 위성간 동기를 위해 실외에 설치된 GPS 수신기 등을 이용하기도 한다.

또 GPS 위성 궤도 등을 제공할 수 없으므로 현재 사용 중인 위성 번호가 아닌 퇴역한 위성 번호 혹은 의사 위성으로 할당되어 있는 위성 번호를 이용하여 신호를 송출함으로써 사용자의 수신기의 Hardware 혹은 Software를 변경하여야 의사 위성을 사용할 수 있는 문제를 야기한다.

현재 사용이 어려운 실내에서의 GPS를 이용한 위치 기반 서비스를 본 발명을 이용하면 가능해진다.

본 발명은 실내에 설치되어 실외 환경과 동일한 GPS 신호를 사용자에게 제공 하여 LBS등에 이용하고자 하는데 목적이 있다. 이를 구현하기 위해서는 위에서 언급한 현재 개발된 의사 위성 시스템이 가지는 두 가지 문제점이 해결되어야 한다.

본 발명의 내부 블록도는 도1과 같다. 본 발명에서는 현재 개발된 의사 위성의 첫 번째 문제점인 각 의사 위성간 동기 문제를 해결하기 위하여 도1과 같은 구성으로 이루어져 있다. 도1에서 보는 바와 같이 의사 위성 1개에서 4개의 위성 신호를 발생시키는 구조이고 각 의사 위성 신호 발생부(C/A code Generator부)는 첫 번째 위성 신호 발생부에서 도4와 같은 방식으로 생성하는 상호간 동기 신호를 공유하고 이를 기준으로 의사 위성 신호를 생성함으로써 손쉽게 동기 되도록 구성된다.

본 발명의 전체적인 구성은 도2와 같이 의사 위성과 서버로 구성된다. 의사 위성 내부에서 자체적으로 각 위성의 궤도 정보 등을 생성하여 사용하기는 불가능하므로 의사 위성은 서버로부터 LAN을 이용하여 각 위성의 정보를 수신한다. 수신된 각 위성 정보는 의사 위성에서 송출하는 위성 정보에 포함되게 되며 사용자의 GPS 수신기는 이를 수신하여 현재 위치를 계산하는데 사용한다.

서버는 GPS 위성 신호를 양호하게 수신하는 장소에 설치된 GPS 수신기와 연결되어 있으며 현재의 위성 정보를 연결된 GPS 수신기를 통하여 알아낸다. 서버는 수십 혹은 수 백 개의 의사 위성을 관리하며 의사 위성과의 인터페이스는 기본적으로 LAN을 사용하나 의사 위성이 설치되는 환경에 따라 이동 통신 단말기를 이용한 방법 혹은 Wi-Fi, Wi-Max 등의 무선 환경을 이용하는 방법이 있을 수 있다. 기본적으로 서버는 GPS 수신기로부터 입력된 GPS Time과 각 위성의 궤도 정보를 관리하는 의사 위성으로 송신하며 각 의사 위성의 상태 등도 관리한다.

도 1은 의사 위성 내부의 블록도이다. 의사 위성은 서버와의 연결 및 내부 콘트롤등을 담당하는 Micro Processor 부와 내부의 Clock Source로 사용되는 OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)부, 그리고 위성 신호 반송파를 만들기 위한 VCO(Voltage Controlled Oscilator)와 PLL 부, 의사 위성 항법 데이터를 생성하기 위한 C/A code Generator부, 그리고 생성된 의사 위성 신호를 전송하기 위한 Mixer 등을 포함한 RF부로 나뉘어진다.

도1에서 보는 바와 같이 Micro Processor는 외부의 의사 위성 서버와 Ethernet을 통하여 연결되며 이를 이용하여 현재의 GPS 위성 정보를 수신하여 사용한다. 또한 Serial Port를 가지고 있어서 사용자가 처음 의사 위성을 설치할 때 설치 장소를 입력 시킬 수 있다. 의사 위성 내부의 Clock Source로는 OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)를 사용하는데 만약 주파수 정밀도가 낮은 일반 오실레이터를 사용할 경우 이는 사용자의 GPS 수신기에 오차로 나타날 수 있기 때문이다. 반송파를 만들기 위해서는 VCO(Voltage Controlled Oscillator)를 사용하는데 이는 이름에서 보는 바와 같이 오실레이터의 주파수를 입력 Voltage에 따라 가변 할 수 있다. 또한 VCO는 PLL(Phase Lock Loop) 회로를 이용하여 OCXO의 주파수 정밀도에 Lock 시켜 사용한다.

의사 위성의 항법 메시지는 도1의 140 C/A code Generator 부분에서 만들어지는데 이는 Micro Processor로부터 입력되는 현재 GPS 위성의 항법 메시지를 이용하여 생성된다. 이후 만들어진 데이터는 Mixer를 통하여 반송파에 합쳐지며 적절한 Filter를 통하여 Antenna로 전달된다.

기존 제작된 의사 위성의 경우 도 1에서와 다르게 1개의 의사 위성 데이터 생성 Path 만 존재했으므로 각 의사 위성간의 동기를 맞추기가 아주 힘들었다. 만약 각 의사 위성간의 동기가 이루어지지 않으면 사용자의 GPS 수신기가 정상적으로 동작하지 않으므로 이를 해결하기 위해 별도의 의사 위성 제어/관제국을 설치하던지 혹은 복잡한 형태의 동기 방법을 사용하였다. 그러나 본 발명에서는 1개의 의사 위성이 4개의 GPS 위성 신호를 생성할 수 있는 구조이므로 각 의사 위성 신호를 생성하는 C/A code Generator간 동기 신호를 공유함으로써 손쉽게 의사 위성 간 동기를 맞출 수 있다. 첫 번째 C/A code Generator 부분에서는 도4와 같은 방법으로 입력되는 OCXO 신호를 분주하여 1Hz의 신호를 만들고 이 신호를 나머지 3개의 C/A code Generator 부분에 전송하여 1Hz의 Rising 시점으로부터 도4와 같이 위성 신호 생성을 시작하면 4개의 위성 신호 생성 시점이 동일하게 된다.

도 2는 의사 위성 시스템의 전체적인 구성도이다. 의사 위성 서버는 의사 위성과 원거리에 위치하여 연결된 GPS 수신기로부터 GPS 위성의 궤도 정보 및 GPS Time등의 정보를 수집하고 LAN을 통해 연결된 수 십 혹은 수 백 개의 의사 위성에게 수집된 정보를 전송한다. 또한 필요한 경우 연결된 의사 위성의 상태 정보를 이용하여 각 의사 위성의 동작 상태 등을 관리한다. 의사 위성과의 연결 방법은 기본적으로 LAN을 이용하나 터널 등에 설치되는 의사 위성의 경우에는 유선 환경을 사용할 수 없으므로 이동 통신 단말기 혹은 경우에 따라 Wi-fi, Wi-max 등의 무선으로 연결 될 수 있다.

의사 위성은 서버로부터 수신한 GPS 위성 정보 및 GPS Time등을 이용하여 4개의 위성 신호를 만들어낸다. 4개의 위성 신호는 의사 위성에 연결된 각각의 안테나를 이용하여 사용자의 GPS 수신기로 송신하며 이의 설치는 의사 위성의 설치 장소에 따라 적절히 조절된다.

도 3은 의사 위성의 동작 흐름도이다. 의사 위성은 동작을 시작하면서 사용자가 의사 위성이 설치된 위치를 입력 하였는지를 확인하고 (S200) 설치 위치를 입력 하였으면 의사 위성과 연결된 서버에 현재 GPS 위성 정보를 요청한다 (S210). 이후 서버로부터 수신된 위성 정보를 확인 후 (S220) 수신된 위성 정보를 바탕으로 의사 위성이 설치 된 장소와 해당 GPS 위성과의 거리를 계산한다 (S230). 이 후 의사 위성은 계산된 GPS 위성과의 거리에 해당하는 Offset을 계산하고 (S240) 계산된 Offset 및 위성 정보 데이터를 의사 위성 신호를 만들어내는 FPGA(도1에서의 C/A code Generator 부분)로 입력한다(S250). 이 후 연결된 의사 위성 서버로부터 수신되는 위성 정보 확인 동작(S220)으로 돌아가 이 후의 동작을 반복 수행한다.

도 1은 의사 위성 내부의 블록도이다

도 2는 의사 위성 시스템의 전체적인 구성도이다

도 3은 의사 위성의 동작 흐름도이다

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

　 100 : Micro Processor 110 : OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator)

120 : PLL(Phase Lock Loop) 구성 부분 130 : VCO(Voltage Controlled Oscillator)

140 : Mixer 150 : 위성 항법 메시지 생성부

160 : Filter 부

Claims (2)

1. 여러 개의 의사 위성 신호를 동일한 시각으로 동기 시키기 위하여 OCXO의 출력을 분주하여 1Hz를 생성하고 이를 이용하여 동기 시키는 방법.
2. 현재의 위성 정보와 동일한 정보를 의사 위성에서 만들어 내기 위하여 현재 사용하여야 할 GPS 위성의 정보를 서버로부터 LAN을 이용하여 전송 받는 방법.

Images