KR20130021514A - Method and system for wireless positioning - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 무선 측위 방법 및 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 TDOA(Time Difference Of Arrival)를 기반으로 태그의 위치를 실시간으로 보다 정밀하게 추정하는 것이 가능한 무선 측위 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless positioning method and system. More particularly, the present invention relates to a wireless positioning method and system capable of more accurately estimating the position of a tag in real time based on a time difference of arrival (TDOA).
무선 측위에 있어서 UWB(Ultra WideBand)와 같이 시간 분해능이 매우 우수한 전파를 이용하는 경우 무선 측위 대상물에 대한 30cm 이하 수준의 매우 정밀한 위치 추정이 가능하게 되며, 대표적인 무선 측위 방식으로 TOA(Time Of Arrival) 방식과 TDOA(Time Difference Of Arrival) 방식이 있다.When using radio waves with excellent time resolution, such as Ultra WideBand (UWB) for wireless positioning, highly accurate position estimation of 30 cm or less with respect to a wireless positioning object is possible, and a representative wireless positioning method is a time of arrival (TOA) method. And TDOA (Time Difference Of Arrival).
먼저, TOA 방식의 경우 태그(Tag) 등의 측위 대상물과 3개 이상의 수신기(Beacon)간 전파 이동 시간을 측정하여 태그의 위치를 추정하는 방식이며, 이에 따라 TOA 방식의 경우 태그와 수신기들 간의 동기를 맞추어야 하고 태그의 경우 전파의 송수신이 모두 요구되는 특징을 갖는다.First, in the case of the TOA method, the position of the tag is estimated by measuring the propagation movement time between a positioning object such as a tag and three or more receivers (Beacon). Accordingly, in the case of the TOA method, the synchronization between the tag and the receivers is performed. The tag has a feature that both transmission and reception of radio waves are required.
반면, TDOA 방식의 경우 태그 등의 측위 대상물에서 전송하는 신호가 각 수신기에 도달하는 시간에 대한 시간차를 이용하여 태그의 위치를 추정하는 방식이며, 이에 따라 각 수신기 간의 동기는 필요하나 태그와 수신기들 간의 동기는 별도로 요구되지 않으므로 태그를 송신기만으로 구성할 수 있어 태그의 소형화가 용이한 장점을 갖는다.On the other hand, the TDOA method is a method of estimating the position of a tag by using a time difference with respect to the time when a signal transmitted from a positioning object such as a tag reaches each receiver. Since the synchronization is not required separately, the tag can be configured only by the transmitter, so that the tag can be miniaturized easily.
이와 같이, 수신기에 도착하는 신호의 도착시간을 직접 측정하여 태그에 대한 위치 인식이 이루어지는 TOA 방식 및 TDOA 방식의 경우 사용되는 전파의 특성에 따라 매우 정밀한 위치 추정이 가능하지만, 시스템 구성에 있어서 비선형적 요소가 포함되므로 무선 채널환경의 변화 및 송수신기의 하드웨어적인 성능에 따라 위치 추정 성능이 매우 민감하게 반응하게 되는 문제점이 있었다.As described above, in the case of the TOA method and the TDOA method where position recognition is performed by directly measuring the arrival time of the signal arriving at the receiver, highly accurate position estimation is possible depending on the characteristics of the radio wave used. Since elements are included, there is a problem that the position estimation performance is very sensitive to changes in the wireless channel environment and the hardware performance of the transceiver.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 위치 추정시 칼만 필터(Kalman Filter) 또는 파티클 필터(Particle Filter:PF)와 같은 다양한 필터링 방법을 적용하는 방법이 개발되었으나, 칼만 필터를 적용하는 경우 TOA 방식 및 TDOA 방식과 같이 시스템에 비선형적인 요소가 포함되는 경우 노이즈 예측이 용이하게 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.Therefore, to solve this problem, various filtering methods such as a Kalman filter or a particle filter (PF) have been developed to estimate the position, but in the case of applying the Kalman filter, the TOA method and the TDOA method are applied. As such, when a nonlinear element is included in a system, noise prediction cannot be easily performed.
또한, 파티클 필터를 적용하는 경우 랜덤하게 생성되는 다수의 파티클들을 통하여 모델링 되지 않는 노이즈와 시스템의 비선형성을 제거하는 필터의 특성상 다수의 파티클들을 생성하고 처리하는 과정에서 많은 연산량이 요구되므로 RFID 환경에서 수십 개 내지 수백 개에 이르는 태그의 위치를 초당 수 회에 걸쳐 실시간으로 추정해야 하는 경우 또는 저전력 임베디드 프로세서를 사용하여 필터링 연산에 필요한 하드웨어 자원이 매우 제한적인 경우 적합하지 못한 문제점이 있었다.In addition, when the particle filter is applied, a large amount of computation is required in the process of generating and processing a plurality of particles due to the characteristics of a filter that removes noise that is not modeled through a plurality of randomly generated particles and nonlinearity of the system. If the position of dozens or hundreds of tags needs to be estimated in real time several times per second, or if the hardware resources required for filtering operations using a low power embedded processor are very limited, there is a problem.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 적응 확장 칼만 필터(Adaptive Extended Kalman Filter)를 적용하여 태그의 위치를 실시간으로 추정하는 과정에서 독립적으로 복수 개의 수신기로부터 발생하는 측정 노이즈를 예측하는 것이 가능하도록 하여 보다 형상된 위치 추정 성능을 가질 수 있는 무선 측위 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is possible to independently estimate measurement noise generated from a plurality of receivers in the process of estimating the position of a tag in real time by applying an Adaptive Extended Kalman Filter. It is an object of the present invention to provide a wireless positioning method and system that can enable a more shaped position estimation performance.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 측위 방법은 (a) 태그로부터 복수 개의 신호 수신부 각각에 미리 결정된 동일한 시간 간격을 갖는 복수 개의 펄스를 포함하는 위치인식 신호가 전송되는 단계; (b) 상기 전송된 위치인식 신호에 따라 상기 복수 개의 신호 수신부 각각에서 생성되는 상기 위치인식 신호에 대한 수신시간 정보 및 측정 노이즈(measurement noise) 정보를 전송하는 단계; 및 (c) 상기 전송되는 수신 시간 정보 및 측정 노이즈 정보를 이용하여 상기 태그의 위치를 실시간으로 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Wireless positioning method according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object comprises the steps of: (a) transmitting a position recognition signal including a plurality of pulses having a predetermined same time interval from each of a plurality of signal receivers; (b) transmitting reception time information and measurement noise information for the position recognition signal generated by each of the plurality of signal receivers according to the transmitted position recognition signal; And (c) estimating the position of the tag in real time using the transmitted reception time information and the measured noise information.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 측위 시스템은 미리 결정된 동일한 시간 간격을 갖는 복수 개의 펄스를 포함하는 위치인식 신호를 전송하는 태그; 상기 태그로부터 전송되는 위치인식 신호를 각각 수신하여 상기 위치인식 신호에 대한 수신시간 정보 및 측정 노이즈 정보를 생성하는 복수 개의 신호 수신부; 및 상기 복수 개의 신호 수신부로부터 상기 생성된 상기 수신시간 정보 및 상기 측정 노이즈 정보를 전송받은 후 이를 이용하여 상기 태그의 위치를 실시간으로 추정하는 위치 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the wireless positioning system according to a preferred embodiment of the present invention includes a tag for transmitting a position recognition signal including a plurality of pulses having a predetermined same time interval; A plurality of signal receivers each receiving a position recognition signal transmitted from the tag to generate reception time information and measurement noise information for the position recognition signal; And a position estimator for estimating the position of the tag in real time after receiving the generated reception time information and the measured noise information from the plurality of signal receivers.
본 발명에 의하면 태그로부터 복수 개의 신호 수신부로 전송되는 위치 인식 신호를 미리 결정된 동일한 시간 간격을 갖는 복수 개의 펄스를 포함하는 형태로 구성함으로써 적응 확장 칼만 필터를 적용하여 태그의 위치를 추정하는 과정에서 독립적으로 측정 노이즈를 예측할 수 있도록 하여 태그에 대한 위치 추정 정확도를 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.According to the present invention, the position recognition signal transmitted from the tag to the plurality of signal receivers is configured to include a plurality of pulses having a predetermined same time interval, thereby applying an adaptive extended Kalman filter to independently estimate the position of the tag. In this way, the measurement noise can be predicted, thereby improving the position estimation accuracy of the tag.
또한, 위치 인식 신호를 UWB 대역 및 패킷 형태로 전송함으로써 대량의 태그를 동시에 사용하는 경우에도 각각의 태그에 대한 위치 추정을 실시간으로 수행하는 것이 가능한 효과를 갖는다.In addition, by transmitting the location recognition signal in the UWB band and packet form, even when using a large number of tags at the same time, it is possible to perform the position estimation for each tag in real time.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 측위 시스템의 블록도,
도 2는 태그로부터 전송되는 위치 인식 신호와 복수 개의 신호 수신부에 수신되는 위치 인식 신호에 대한 참고도,
도 3은 측정 노이즈 분포에 대한 참고도,
도 4는 도 1의 위치 추정부(30)에 대한 상세 블록도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 측위 방법에 대한 순서도,
도 6은 도 5의 S30에 대한 상세 순서도, 및
도 7은 태그 위치 추정 결과에 대한 참고 그래프이다.1 is a block diagram of a wireless positioning system according to a preferred embodiment of the present invention;
2 is a reference diagram of a location recognition signal transmitted from a tag and a location recognition signal received from a plurality of signal receivers;
3 is a reference diagram for measurement noise distribution,
4 is a detailed block diagram of the
5 is a flow chart for a wireless positioning method according to a preferred embodiment of the present invention;
6 is a detailed flowchart of S30 of FIG. 5, and
7 is a reference graph for a tag position estimation result.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used as much as possible even if displayed on different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. In addition, preferred embodiments of the present invention will be described below, but the technical idea of the present invention may be implemented by those skilled in the art without being limited or limited thereto.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 측위 시스템의 블록도, 도 2는 태그로부터 전송되는 위치 인식 신호와 복수 개의 신호 수신부에 수신되는 위치 인식 신호에 대한 참고도, 및 도 3은 측정 노이즈 분포에 대한 참고도이다.1 is a block diagram of a wireless positioning system according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 2 is a reference diagram for a position recognition signal transmitted from a tag and a position recognition signal received at a plurality of signal receivers, and FIG. 3 is measurement noise. See also distribution.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 측위 시스템(1)은 태그(10), 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d), 및 위치 추정부(30)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the
태그(10)는 미리 결정된 동일한 시간 간격을 갖는 복수 개의 펄스를 포함하는 위치 인식 신호를 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)로 전송한다.The
이때, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 태그(10)로부터 전송되는 위치 인식 신호는 미리 결정된 동일한 시간 간격(Td)을 갖는 복수 개의 펄스를 포함하며, 도 2의 (b)와 (c)에 도시된 바와 같이 신호 수신부(20a) 및 신호 수신부(20d)에 전송되는 상기 위치 인식 신호는 전파 채널상의 노이즈, 샘플링 노이즈, 수신기 간 동기의 미스 매치에 의한 노이즈, 및 신호 수신부(20a) 하드웨어 지터(jitter)에 의해 발생하는 측정 노이즈(measurement noise)에 의해 도 2의 (a)에 도시된 위치 인식 신호와 비교 시 다른 형태를 갖게 된다.At this time, as shown in (a) of FIG. 2, the position recognition signal transmitted from the
또한, 상기 위치인식 신호는 UWB(Ultra Wide Band) 대역의 신호일 수 있고 패킷 형태로 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)에 전송될 수 있으며, 단일 태그가 아닌 복수 개의 태그를 적용하여 무선 측위 시스템을 구성하는 경우에도 각 태그로부터 전송되는 위치인식 신호를 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)가 각각 구분가능하도록 고유 아이디 신호를 더 포함할 수 있다.In addition, the position recognition signal may be a signal of the UWB (Ultra Wide Band) band and may be transmitted to the plurality of
또한, 태그(10)로부터 전송되는 상기 위치인식 신호의 송신 주기는 1Hz 내지 5Hz일 수 있고, 상기 위치인식 신호를 구성하는 패킷의 길이가 매우 짧으므로 기본적인 ALOHA Mac protocol을 사용하는 경우에도 복수 개의 태그, 예를 들어 수백 개의 태그로부터 동시에 위치인식 신호가 전송되는 것이 가능해진다.In addition, since the transmission period of the location recognition signal transmitted from the
상기와 같이 태그(10)로부터 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)로 전송되는 위치인식 신호를 미리 결정된 동일한 시간 간격을 갖는 복수 개의 펄스를 포함하는 형태로 구성하는 이유는 다음과 같다.The reason for configuring the position recognition signal transmitted from the
먼저, 복수 개의 신호 수신부 중 기준이 되는 신호 수신부를 m이라 하고 다른 신호 수신부들 중 어느 하나를 n이라고 하면, 태그(10)로부터 신호 수신부 m과 n에 각각 k번째 로 전송되는 위치 인식 신호에 대한 TDOA 값은 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.First, if a signal receiving unit, which is a reference among the plurality of signal receiving units, is m and any one of the other signal receiving units is n, the
여기에서, Tm ,k는 태그(10)로부터 신호 수신부 m까지 위치 인식 신호가 이동한 시간, Tn ,k는 태그(10)로부터 신호 수신부 n까지 위치 인식 신호가 이동한 시간, Nm,k는 신호 수신부 m의 상기 위치 인식 신호 수신 과정에서 발생하는 측정 노이즈(measurement noise), 및 Nn ,k는 신호 수신부 n의 상기 위치 인식 신호 수신 과정에서 발생하는 측정 노이즈를 의미하고, Nm ,k와 Nn ,k는 평균이 0이고 분산이 각각 σm,k 및 σn,k인 가우시안 형태로 가정하도록 한다.Here, T m , k is the time the position recognition signal is moved from the
이때, 상기 측정 노이즈는 전파 채널 상의 노이즈, 샘플링 노이즈, 신호 수신부 간 동기의 미스매치(mismatch)에 의한 노이즈, 및 신호 수신부 하드웨어 지터(jitter)에 의한 노이즈를 포함할 수 있고, 특히 CMOS 형태로 제조된 신호 수신부에 있어서 제조 공정상의 편차는 GHz급의 고속 샘플링 동작 시 상당한 노이즈로 작용할 수 있으며 신호 수신부마다 다른 특성을 나타낼 수 있다.In this case, the measurement noise may include noise on a propagation channel, sampling noise, noise due to mismatch of synchronization between signal receivers, and noise due to signal jitter hardware jitter, and particularly manufactured in a CMOS form. Deviation in the manufacturing process of the signal receiver may cause considerable noise during the high-speed sampling operation of the GHz class and may exhibit different characteristics for each signal receiver.
또한, 전파 채널 상의 노이즈에 비하여 샘플링 노이즈, 동기 노이즈, 및 하드웨어 노이즈가 지배적이므로 Nm ,k 와 Nn ,k는 서로 독립적이라고 근사할 수 있으며, 이에 따라 TDOAmn ,k는 평균이 0이고 분산이 σm,k+σn,k인 가우시안 노이즈 σmn ,k를 가질 수 있는데, 도 3에 도시된 바와 같이 약 10,000개의 실제 측정된 TDOA 값에 대한 측정 노이즈 분포 그래프의 경우 가우시안 형태의 분포를 갖는 것을 확인할 수 있다.In addition, since sampling noise, synchronization noise, and hardware noise are dominant compared to noise on a propagation channel, N m , k and N n , k can be approximated as independent of each other. Thus , TDOA mn , k has an average of 0 and variance. It can have a Gaussian noise σ mn , k , where σ m, k + σ n, k . As shown in FIG. 3, a Gaussian-shaped distribution is obtained for a measured noise distribution graph of about 10,000 actual measured TDOA values. I can confirm that I have.
또한, TDOAmn ,k의 측정 노이즈인 σmn ,k를 추정하기 위하여 태그(10)로부터 k번째 위치인식 신호 전송 이후 미리 결정된 시간 간격(TD)을 두고 다음번 위치인식 신호인 k+1 번째 위치인식 신호를 신호 수신부 m,n으로 전송하고, 각 신호 수신부(m, n)별로 연속된 신호를 수신한 후 그 시간차인 TDOAm ,k,k+1 및 TDOAn ,k,k+ 1를 계산하면 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.In addition, in order to estimate σ mn , k , which is the measurement noise of TDOA mn , k , the k + 1th position, the next position recognition signal, is located at a predetermined time interval T D after the k-th position recognition signal is transmitted from the
또한, TDOAm ,k,k+1 와 TDOAn ,k,k+1의 차를 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.In addition, the difference between TDOA m , k, k + 1 and TDOA n , k, k + 1 can be expressed by
이때, Nm ,k+1-Nn ,k+1은 평균이 0이고 분산이 σmn ,k+1≒(σm,k+1+σn,k+1)인 가우시안 노이즈로 모델링될 수 있고, Nm ,k-Nn ,k는 평균이 0이고 분산이 σmn ,k≒(σm,k+σn,k)인 가우시안 노이즈로 모델링 될 수 있으며, Nm ,k+1-Nn ,k+1 과 Nm ,k-Nn ,k가 서로 독립적이고 미리 결정된 시간 간격(TD) 동안 비유동적(stationary) 이라고 가정하면 TDOAm ,k,k+1 - TDOAn ,k,k+ 1는 평균이 0이고 분산이 2σmn ,k(≒σmn ,k+1+σmn ,k)인 가우시안 노이즈로 근사화할 수 있다In this case, N m , k + 1 -N n , k + 1 can be modeled as Gaussian noise with an average of 0 and a variance of σ mn , k + 1 ≒ (σ m, k + 1 + σ n, k + 1 ). N m , k -N n , k can be modeled as Gaussian noise with mean 0 and variance σ mn , k ≒ (σ m, k + σ n, k ), N m , k + 1 Assume that -N n , k + 1 and N m , k -N n , k are independent of each other and stationary for a predetermined time interval (T D ), then TDOA m , k, k + 1 -TDOA n , k, k + 1 can be approximated with Gaussian noise with a mean of 0 and a variance of 2σ mn , k (≒ σ mn , k + 1 + σ mn , k )
이와 같이, 신호 수신부 m 과 n 에 k번째로 전송되는 위치인식 신호에 대한 측정 노이즈인 σmn ,k의 크기는 각 신호 수신부 별로 시간 간격이 고정된 연속된 위치인식 신호를 수신함으로써 추정할 수 있게 된다.As such, the magnitudes of the measured noises σ mn , k for the position recognition signals transmitted to the kth signals in the signal receivers m and n can be estimated by receiving a continuous position recognition signal having a fixed time interval for each signal receiver. do.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 측위 시스템(1)의 경우 미리 결정된 동일한 시간 간격을 갖는 복수 개의 펄스를 포함하는 위치 인식 신호를 패킷 형태로 전송함으로써 각 신호 수신부별로 위치인식 신호에 대한 측정 노이즈를 추정할 수 있고, 결과적으로 적응 확장 칼만 필터(Adaptive Extended Kalman Filter)를 적용하여 태그(10)의 위치를 실시간으로 추정하는 과정에서 측정 노이즈를 독립적으로 추정할 수 있게 되는데, 이에 대해서는 이하 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.Therefore, in the case of the
복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)는 태그(10)로부터 전송되는 상기 위치 인식 신호를 각각 수신하여 상기 위치 신호에 대한 수신 시간 정보 및 상기 위치 신호의 수신 과정에 발생하는 측정 노이즈에 대한 측정 노이즈 정보를 생성한 후 위치 추정부(30)로 전송한다.The plurality of
이때, 도 1에는 도시되지 않았지만 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)는 동일한 동기 신호에 따라 상기 위치 인식 신호에 대한 수신이 이루어질 수 있도록 클락 동기 라인(Clock Sync. Line)으로 서로 연결될 수 있다.In this case, although not shown in FIG. 1, the plurality of
위치 추정부(30)는 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d) 각각으로 부터 전송되는 상기 수신 시간 정보 및 상기 측정 노이즈 정보를 이용하여 태그(10)의 위치를 실시간으로 추정한다.The
이때, 위치 추정부(30)는 태그(10)로부터 전송되는 신호가 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d) 각각에 도달하는 시간차를 이용하여 태그(10)의 위치를 추정하는 TDOA(Time Difference Of Arrival) 방식을 이용하여 태그(10)의 위치를 실시간으로 추정할 수 있다.In this case, the
또한, 위치 추정부(30)의 상세 구성은 이하 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.In addition, a detailed configuration of the
도 4는 도 1의 위치 추정부(30)에 대한 상세 블록도 이다.4 is a detailed block diagram of the
도 3에 도시된 바와 같이 위치 추정부(30)는 TDOA 계산부(32), TDOA 노이즈 계산부(34), 및 TDOA 데이터 처리부(36)를 포함한다.As shown in FIG. 3, the
TDOA 계산부(32)는 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)로부터 각각 전송되는 상기 수신 시간 정보를 이용하여 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d) 중 미리 결정된 기준 신호 수신부(20a)에 대한 상기 기준 신호 수신부를 제외한 다른 신호 수신부들(20b,20c,20d)의 TDOA(Time Difference Of Arrival) 값을 계산한다.The
이때, 기준 신호 수신부(20a)에 대한 다른 신호 수신부들(20b,20c,20d)의 TDOA 값은 아래의 수학식 4와 같이 계산할 수 있다.In this case, the TDOA values of the
여기에서, t(k+1)은 k+1 시간에서 기준 신호 수신부(20a)에 대한 다른 신호 수신부들(20b, 20c, 20d)의 TDOA 값을 의미한다.Here, t (k + 1) means the TDOA values of the
TDOA 노이즈 계산부(34)는 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)로부터 각각 전송되는 상기 측정 노이즈 정보를 이용하여 상기 기준 신호 수신부(20a)에 대한 다른 신호 수신부들(20b, 20c, 20d)의 TDOA 노이즈 값을 계산한다.The
이때, 기준 신호 수신부(20a)와 상기 다른 신호 수신부(20b, 20c, 20d)들의TDOA 노이즈 값은 아래의 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.In this case, the TDOA noise values of the
여기에서, v(k+1)은 k+1 시간에서 기준 신호 수신부(20a)에 대한 다른 신호 수신부들(20b, 20c, 20d)의 TDOA 노이즈 값을 의미한다.Here, v (k + 1) means the TDOA noise values of the
TDOA 데이터 처리부(36)는 TDOA 계산부(32)에서 계산된 TDOA 값과 TDOA 노이즈 계산부(34)에서 계산된 TDOA 노이즈 값을 이용하여 태그(10)의 위치를 실시간으로 추정한다.The
이때, TDOA 데이터 처리부(36)는 상기 TDOA 값과 상기 TDOA 노이즈 값을 적응 확장 칼만 필터(Adaptive Extended Kalman Filter)에 적용하여 태그(10)의 위치를 실시간으로 추정할 수 있다.In this case, the
또한, TDOA 데이터 처리부(36)가 적응 확장 칼만 필터를 적용하여 태그(10)의 위치를 실시간으로 추정하는 상세 과정을 설명하면 다음과 같다.In addition, the detailed process of estimating the position of the
TDOA 데이터 처리부(36)에서 수행되는 태그(10)의 위치에 대한 실시간 추정에 앞서 미리 결정되어 있는 태그(10)의 위치 추정 모델을 적용하게 되는데, 이를 나타내면 아래의 수학식 6과 같다.Prior to real-time estimation of the position of the
여기에서, s(k+1)는 k+1시간에서의 태그(10)의 상태(state), 다시 말해서 k+1 시간에서의 태그(10)의 위치와 속도를 의미하고, w(k)는 모델링 되지 않는 처리 노이즈(process noise), 다시 말해서 태그(10)의 가속도 성분을 의미하며, Δ는 k와 k+1 사이의 시간, 다시 말해서 태그(10)로부터 전송되는 패킷 형태의 위치 인식 신호의 주기를 의미한다.Here, s (k + 1) means the state of the
상기 수학식 6에 따라 TDOA 계산부(32)에서 계산된 TDOA 값은 아래의 수학식7과 같이 나타낼 수 있다.The TDOA value calculated by the
여기에서, t(k+1)은 k+1 시간에서 기준 신호 수신부(20a)에 대한 다른 신호 수신부들(20b, 20c, 20d)의 TDOA 값, v(k+1)은 k+1 시간에서 기준 신호 수신부(20a)에 대한 다른 신호 수신부들(20b, 20c, 20d)의 TDOA 노이즈 값, h(s(k+1))은 s(k+1)과 t(k+1)의 관계를 나타내는 비선형 함수, 다시 말해서 현재 태그(10)의 위치 p(k+1)로부터 다른 신호 수신부들(20b, 20c, 20d)각각과 기준 신호 수신부(20a)의 거리의 차를 전파의 진행 속도(c)로 나눈 값을 의미한다.Here, t (k + 1) is the TDOA value of the
TDOA 데이터 처리부(36)는 적응 확장 칼만 필터(Adaptive Extended Kalman Filter)를 적용하여 태그(10)의 위치를 실시간으로 계산하며, 적응 확장 칼만 필터에 의해 추정되는 이전 상태의 태그(10)의 위치는 아래의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.The
여기에서, 은 이전 데이터를 근거로 추정되는 태그(10)의 스테이트(state), 다시 말해서 추정되는 태그(10)의 위치를 의미하며, P는 의 공분산을 의미하고, Q는 TDOA 데이터 처리부(36)에서 수행되는 태그(10)의 위치 추정 시 발생되는 처리 노이즈(process noise)의 공분산을 의미한다.From here, Denotes a state of the
또한, TDOA 데이터 처리부(36)에서 적응 확장 칼만 필터를 적용하여 갱신되는 태그(10)의 위치는 아래의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.In addition, the position of the
여기에서, ▽h는 비선형 함수인 h를 적응 확장 칼만 필터에 적용하기 위한 에서의 자코비안(Jacobian)을 의미하고, K는 칼만 이득(Kalman Gain)을 의미하며, R(K+1)은 측정 노이즈(measurement noise)의 공분산을 의미하고, y(k+1)은 k+1 시간에서 갱신되는 태그(10)의 위치를 의미한다.Where ▽ h denotes Jacobian in Essence for applying the nonlinear function h to the adaptive extended Kalman filter, K means Kalman Gain, and R (K + 1) is measured The covariance of the noise (measurement noise), and y (k + 1) refers to the position of the
이때, 칼만 이득은 처리 노이즈(process noise)의 공분산 Q와 측정 노이즈(measurement noise)의 공분산 R에 의해 크기가 결정되는데, 측정 노이즈가 큰 경우 K는 작은 값을 가지게 되므로 결과적으로 새로운 관측 값에 의한 갱신(innovation, y)의 비중을 낮출 수 있게 된다.At this time, the Kalman gain is determined by the covariance Q of the process noise and the covariance R of the measurement noise, and when the measurement noise is large, K has a small value, resulting in a new observation value. This makes it possible to reduce the proportion of innovation (y).
다시 말해서, 칼만 이득의 경우 측정 노이즈와 처리 노이즈의 상대적인 크기에 의존하게 되는데, 본 발명의 경우 미리 결정된 동일한 시간 간격을 갖는 복수 개의 펄스를 포함하는 위치 인식 신호를 패킷 형태로 전송함으로써 각 신호 수신부별로 위치인식 신호에 대한 측정 노이즈를 독립적으로 추정할 수 있으므로 적응 확장 칼만 필터의 매 루프마다 최적의 칼만 이득을 적용하는 것이 가능해진다.In other words, the Kalman gain depends on the relative magnitudes of the measurement noise and the processing noise. In the present invention, each signal receiving unit transmits a position recognition signal including a plurality of pulses having a predetermined same time interval in the form of a packet. By independently estimating the measurement noise for the position-aware signal, it is possible to apply the optimal Kalman gain every loop of the adaptive extended Kalman filter.
또한, 측정 노이즈의 공분산 R은 아래의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있고, 아래의 수학식 11과 같은 완만한(smoothed) 형태의 공분산인 을 사용하는 것이 가능하다.In addition, the covariance R of the measured noise may be expressed as
여기에서, σab ,k+1은 k+1 시간에서 기준 신호 수신부(20a)와 신호 수신부(20b)의 TDOA 노이즈 분산 값, σac ,k+1은 k+1 시간에서 기준 신호 수신부(20a)와 신호 수신부(20c)의 TDOA 노이즈 분산 값, 및 σad ,k+1은 k+1 시간에서 기준 신호 수신부(20a)와 신호 수신부(20d)의 TDOA 노이즈 분산 값을 의미한다.Here, σ ab , k + 1 is the TDOA noise variance value of the
여기에서, λ는 0 내지 1 사이의 값을 갖는 smoothing 강도 결정 계수를 의미한다.Here, lambda means a smoothing intensity determination coefficient having a value between 0 and 1.
또한, 적응 확장 칼만 필터에 의해 갱신되는 k+1 시간에서의 태그(10)의 추정된 위치 및 공분산은 아래의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.In addition, the estimated position and covariance of the
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 측위 방법에 대한 순서도 이다.5 is a flowchart of a radio positioning method according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이 S10에서 태그(10)로부터 미리 결정된 동일한 시간 간격을 갖는 복수 개의 펄스를 포함하는 위치 인식 신호가 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)로 전송된다.As shown in FIG. 5, a location recognition signal including a plurality of pulses having the same predetermined time interval from the
S20에서 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)가 상기 위치 인식 신호에 대한 수신 시간 정보 및 측정 노이즈(measurement noise) 정보를 생성한 후 위치 추정부(30)로 전송한다.In S20, the plurality of
S30에서 위치 추정부(30)가 상기 수신 시간 정보 및 상기 측정 노이즈 정보를 이용하여 태그(10)의 위치를 추정하면 종료가 이루어진다.If the
이때, S30의 상세 과정은 이하 도 6을 참조하여 설명하도록 한다.At this time, the detailed process of S30 will be described with reference to FIG.
도 6은 S30에 대한 상세 순서도 이다.6 is a detailed flowchart for S30.
도 6에 도시된 바와 같이 S32에서 TDOA 계산부(32)가 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)로부터 전송된 상기 수신 시간 정보를 이용하여 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d) 중 미리 결정되는 기준 신호 수신부(20a)에 대한 다른 신호 수신부들(20b, 20c, 20d)의 TDOA(Time Difference Of Arrival) 값을 계산한다.As shown in FIG. 6, in S32, the
이때, S32에서 TDOA 계산부(32)가 기준 신호 수신부(20a)에 대한 다른 신호 수신부들(20b, 20c, 20d)의 TDOA(Time Difference Of Arrival) 값을 계산하는 방법은 위에서 설명한 바 있으므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.In this case, the method of calculating the TDOA (Time Difference Of Arrival) values of the
S34에서 TDOA 노이즈 계산부(34)가 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)로부터 전송된 상기 측정 노이즈 정보를 이용하여 기준 신호 수신부(20a)에 대한 다른 신호 수신부들(20b, 20c, 20d)의 TDOA 노이즈 값을 계산한다.In operation S34, the
이때, S34에서 TDOA 노이즈 계산부(34)가 기준 신호 수신부(20a)에 대한 다른 신호 수신부들(20b, 20c, 20d)의 TDOA 노이즈 값을 계산하는 방법은 위에서 설명한 바 있으므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.In this case, the method of calculating the TDOA noise values of the
S36에서 TDOA 데이터 처리부(36)가 상기 TDOA 값 및 상기 TDOA 노이즈 값을 이용하여 태그(10)의 위치를 실시간으로 추정하면 종료가 이루어진다.If the
이때, S36에서 TDOA 데이터 처리부(36)는 상기 TDOA 값 및 상기 TDOA 노이즈 값에 대하여 적응 확장 칼만 필터(Adaptive Extended Kalman Filter)를 적용하여 태그(10)의 위치를 실시간으로 추정할 수 있으며, 적응 확장 칼만 필터(Adaptive Extended Kalman Filter)를 적용하는 방법은 위에서 설명한 바 있으므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.In this case, in S36, the
도 7은 태그 위치 추정 결과에 대한 참고 그래프이다.7 is a reference graph for a tag position estimation result.
도 7에 도시된 바와 같이 실제 태그(10)의 이동 경로(그래프 상에서 점선 부분), 종래 방식에 의해 추정된 태그(10)의 이동 경로(그래프 상에서 ○ 표시된 실선 부분), 및 본 발명의 무선 위치 시스템(1)에 의해 추정된 태그(10)의 이동 경로(그래프 상에서 X 표시된 실선 부분)을 비교해보면 본 발명의 무선 위치 시스템(1)에 의해 추정된 태그(10)의 이동 경로가 종래 방식에 비해 실제 태그(10)의 이동 경로와 보다 유사한 것을 확인할 수 있다.As shown in Fig. 7, the moving path of the actual tag 10 (dashed line portion on the graph), the moving path of the
본 발명의 무선 측위 방법 및 시스템은 태그(10)로부터 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)로 전송되는 위치 인식 신호를 미리 결정된 동일한 시간 간격을 갖는 복수 개의 펄스를 포함하는 형태로 구성함으로써 TDOA 데이터 처리부(36)에서 적응 확장 칼만 필터를 적용하여 태그(10)를 위치를 실시간으로 추정하는 과정에서 독립적으로 측정 노이즈를 예측할 수 있도록 하여 태그에 대한 위치 추정 정확도를 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.The wireless positioning method and system of the present invention is configured in the form of a plurality of pulses having a predetermined same time interval for the position recognition signal transmitted from the
또한, 태그(10)로부터 복수 개의 신호 수신부(20a, 20b, 20c, 20d)로 전송되는 위치 인식 신호를 GHz 대역의 UWB 신호 및 패킷 형태로 전송함으로써 대량의 태그를 동시에 사용하는 경우에도 각각의 태그에 대한 위치 추정을 실시간으로 수행하는 것이 가능한 효과를 갖는다.In addition, even when a large number of tags are used simultaneously by transmitting the location recognition signals transmitted from the
따라서, 본 발명의 무선 측위 시스템(1)의 경우 작업장 안전관리, 공장내 물류 관리, 병원 고가 장비 관리, 및 환자 관리 등에 이용할 수 있고, 위치 인식 신호로써 GHz 대역의 UWB 신호를 사용함으로써 단일 무선 측위 시스템 별로 20m x 20m 범위 내에서 30cm 이하의 정밀한 위치 인식 해상도를 가질 수 있다.Therefore, in the case of the
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것 으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경, 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해서 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various modifications, changes, and substitutions may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. This will be possible. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are intended to illustrate and not to limit the technical spirit of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments and the accompanying drawings . The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
(1) : 무선 측위 시스템 (10) : 태그
(20a, 20b, 20c, 20d) : 신호 수신부 (30) : 위치 추정부
(32): TDOA 계산부 (34) : TDOA 노이즈 계산부
(36) : TDOA 데이터 처리부(1): wireless positioning system (10): tags
(20a, 20b, 20c, 20d): signal receiving unit 30: position estimating unit
(32): TDOA calculation section 34: TDOA noise calculation section
36: TDOA data processing unit
Claims (8)
(b) 상기 전송된 위치인식 신호에 따라 상기 복수 개의 신호 수신부 각각에서 생성되는 상기 위치인식 신호에 대한 수신시간 정보 및 측정 노이즈(measurement noise) 정보를 전송하는 단계; 및
(c) 상기 전송되는 수신 시간 정보 및 측정 노이즈 정보를 이용하여 상기 태그의 위치를 실시간으로 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 방법.(a) transmitting, from a tag, a position recognition signal comprising a plurality of pulses having a predetermined same time interval to each of the plurality of signal receivers;
(b) transmitting reception time information and measurement noise information for the position recognition signal generated by each of the plurality of signal receivers according to the transmitted position recognition signal; And
(c) estimating the position of the tag in real time using the transmitted reception time information and the measured noise information.
상기 (c) 단계는,
(c1) 상기 수신 시간 정보를 이용하여 상기 복수 개의 신호 수신부 중 미리 결정되는 기준 신호 수신부에 대한 상기 기준 신호 수신부를 제외한 다른 신호 수신부들의 TDOA(Time Difference Of Arrival) 값을 계산하는 단계;
(c2) 상기 측정 노이즈 정보를 이용하여 상기 기준 신호 수신부에 대한 상기 다른 신호 수신부들의 TDOA 노이즈 값을 계산하는 단계; 및
(c3) 상기 TDOA 값과 상기 TDOA 노이즈 값을 이용하여 상기 태그의 위치를 실시간으로 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 방법.The method of claim 1,
The step (c)
(c1) calculating time difference of arrival (TDOA) values of signal receivers other than the reference signal receiver for a predetermined reference signal receiver among the plurality of signal receivers using the reception time information;
(c2) calculating TDOA noise values of the other signal receivers with respect to the reference signal receiver using the measured noise information; And
(c3) estimating the position of the tag in real time using the TDOA value and the TDOA noise value.
상기 (c3) 단계는,
상기 TODA 값과 상기 TDOA 노이즈 값에 적응 확장 칼만 필터(Adaptive Extended Kalman Filter)를 적용하여 상기 태그의 위치를 실시간으로 추정하는 단계인 것을 특징으로 하는 무선 측위 방법.The method of claim 2,
The step (c3)
And estimating the position of the tag in real time by applying an adaptive extended Kalman filter to the TODA value and the TDOA noise value.
상기 (a) 단계에서,
상기 위치인식 신호는 UWB(Ultra WideBand) 대역 신호이고, 패킷 형태로 상기 복수 개의 신호 수신부에 전송되는 것을 특징으로 하는 무선 측위 방법.The method of claim 1,
In the step (a)
The location recognition signal is a UWB (Ultra WideBand) band signal, the wireless positioning method characterized in that it is transmitted to the plurality of signal receivers in the form of a packet.
상기 태그로부터 전송되는 위치인식 신호를 각각 수신하여 상기 위치인식 신호에 대한 수신시간 정보 및 측정 노이즈 정보를 생성하는 복수 개의 신호 수신부; 및
상기 복수 개의 신호 수신부로부터 상기 생성된 상기 수신시간 정보 및 상기 측정 노이즈 정보를 전송받은 후 이를 이용하여 상기 태그의 위치를 실시간으로 추정하는 위치 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 시스템.A tag for transmitting a position recognition signal comprising a plurality of pulses having a predetermined same time interval;
A plurality of signal receivers each receiving a position recognition signal transmitted from the tag to generate reception time information and measurement noise information for the position recognition signal; And
And a position estimator for estimating the position of the tag in real time after receiving the generated reception time information and the measured noise information from the plurality of signal receivers.
상기 위치 추정부는,
상기 수신 시간 정보를 이용하여 상기 복수 개의 신호 수신부 중 미리 결정되는 기준 신호 수신부에 대한 상기 기준 신호 수신부를 제외한 다른 신호 수신부들의 TDOA(Time Difference Of Arrival) 값을 계산하는 TDOA 계산부, 상기 측정 노이즈 정보를 이용하여 상기 기준 신호 수신부에 대한 상기 다른 신호 수신부들의 TDOA 노이즈 값을 계산하는 TDOA 노이즈 계산부, 및 상기 TDOA 값과 상기 TDOA 노이즈 값을 이용하여 상기 태그의 위치를 실시간으로 추정하는 TDOA 데이터 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 시스템.6. The method of claim 5,
The position estimating unit,
A TDOA calculator configured to calculate a time difference of arrival (TDOA) value of signal receivers other than the reference signal receiver for a reference signal receiver that is predetermined among the plurality of signal receivers using the reception time information, and the measured noise information A TDOA noise calculator for calculating TDOA noise values of the other signal receivers with respect to the reference signal receiver, and a TDOA data processor for estimating the position of the tag in real time using the TDOA value and the TDOA noise value. Wireless positioning system comprising a.
상기 TDOA 데이터 처리부는 상기 TDOA 값과 상기 TDOA 값에 적응 확장 칼만 필터(Adaptive Extended Kalman Filter)를 적용하여 상기 태그의 위치를 실시간으로 추정하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 시스템.The method according to claim 6,
And the TDOA data processor estimates the position of the tag in real time by applying an Adaptive Extended Kalman Filter to the TDOA value and the TDOA value.
상기 위치 인식 신호는 UWB(Ultra WideBand) 대역 신호이고, 패킷 형태로 상기 복수 개의 신호 수신부에 전송되는 것을 특징으로 하는 무선 측위 시스템.6. The method of claim 5,
The location recognition signal is a UWB (Ultra WideBand) band signal, the wireless positioning system, characterized in that transmitted to the plurality of signal receivers in the form of a packet.
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