KR20130047934A - 위성항법시스템을 이용한 측위방법 - Google Patents

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박지호
김남혁
임영철
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

본 발명은 위성항법시스템을 이용한 측위방법에 관한 것으로, 다수의 위성 및 GPS 수신기로 구성된 위성항법시스템을 이용한 정밀 단독 측위 방법에 있어서, (a) 상기 다수의 위성 중 상기 측위에 사용가능한 위성의 수를 모니터링 하는 단계; (b) 상기 위성의 수가 4개 이상인 경우, 정밀 단독 측위 방법으로 사용자의 위치를 산출하는 단계; (c) 상기 위성의 수가 3개인 경우, 코드 추적(code tracking)을 통한 맵 매칭(map matching) 방법으로 사용자의 위치를 산출하는 단계; 및 (d) 상기 위성의 수가 3개 미만인 경우, 비젼 시스템을 사용하여 사용자의 위치를 산출하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명은 종래의 장애물로 인해 사이클 슬립(cycle slip) 발생하여 측위가 단절되거나, 정확도가 떨어지는 문제점을 보완하게 되어, 위성항법시스템의 환경 변화나 장애물에 의한 상황 변화에도 변화 시스템을 사용하여 안정적이고 신뢰성 있는 연속 측위를 수행할 수 있고, 위성항법시스템이 가지고 있는 내재적인 문제점을 해결할 수 있다는 장점이 있다.

Description

위성항법시스템을 이용한 측위방법{positioning method using of GPS}
본 발명은 측위방법에 관한 것으로, 안정성 및 신뢰성이 높은 위성항법시스템을 이용한 측위방법에 관한 것이다.
정밀단독측위(precise Point Positioning)는 위성항법시스템의 위상관측식을 이용하여 위성항법시스템 수신기로 수신된 반송파 위상의 개수를 기록한 정현파 수, 즉 위상수를 모호정수(Integer Ambiguity Number)라고 부르는데, 이를 알면 상대측위에 의하여 두 점간의 기선벡터의 계산이 가능하게 된다.
문제는 반송파는 모든 파장의 파형이 고르기 때문에 파장의 개수를 정확히 구하기가 어렵다. 따라서 위성항법시스템 측량 계산의 기본은 모호정수를 빨리 또는 적은량의 데이터로 구하느냐 하는데 있다.
도시의 산업화 또는 산악지역이 많거나 나무 등 숲이 많은 지역에서의 위성항법시스템을 이용한 위치측위는 매우 열악한 환경이라고 할 수 있다. 특히 정밀단독측위(PPP)를 이용한 위치측위에서는 외부 장애물에 의해 반송파의 신호를 잠시라도 수신 못하면 사이클 슬립(Cycle Slip)이 발생하게 되고, 모호정수를 빨리 구해야 한다는 문제가 발생한다. 위에서 설명하였듯이 반송파 위상은 모호정수를 빨리 구하기가 쉽지 않고, 많은 시간을 소요하게 되어 위성항법시스템을 이용한 실시간 위치측위의 신뢰성과 안정성이 문제점으로 지적되고 있다.
즉, 사이클 슬립(Cycle Slip)은 위성항법시스템 측량시 반송파의 위상추적회로에서 위상값을 순간적으로 놓침으로 발생하는 오차를 말한다. 사이클 슬립의 원인은 주위의 지형지물로 인한 신호의 단절, 반송파에 포함된 잡음, 반송파의 낮은 신호 강도, 낮은 위성고도이다. 사이클 슬립의 효과는 위성항법시스템 수신기의 위상추적회로의 종류에 따라 다르지만 일반적으로 반송파 파장의 정수배 만큼 위상차가 달라지므로 그만큼 거리 측정에 오차가 생기는 것이다. 일반적으로 반송파 측정법에서 동일한 관측시기에서는 파장의 정수치 불확정(Integer Ambiguity)값을 상수로 취급하여 연립방정식을 풀어 측정값을 구하므로 사이클 슬립이 발생한 관측시기의 측정값을 발생하지 않은 측정값과는 상당한 차이가 있으므로 데이터의 전처리 단계에서 다른 측량값과의 비교를 통하여 제거할 수 있다.
위성항법시스템의 정밀단독측위(precise Point Positioning)는 시간에 따라 변화되는 이동체의 3차원 궤도결정에 사용된다. 정밀단독측위에서 이동체는 이동 위치에 따라 사용할 수 있는 위성항법시스템의 수가 변한다. 그 이유로는 이동체의 장소와 환경이 바뀌고, 높은 건물이나 산 또는 나무 등 장애물에 의해 위성이 가려지고, 시간의 흐름에 따른 위성의 이동 등 다양한 이유가 있을 것이다. 정밀단독측위(PPP)에서 사이클 슬립(CS)이 발생하는 주된 이유와 문제점은 나무나 숲 또는 높은 건물에 의해 일시적으로 반송파 위상을 받지 못하는 경우 발생하게 된다. 이러한 현상이 생기면, 반송파는 모든 파장의 파형이 고르기 때문에 파장의 개수를 정확히 구하기가 어렵다. 따라서 모호정수를 구하기가 어렵게 되고, 모호정수를 구하는 동안 Break off가 된다. 이러한 이유로 정밀단독측위(PPP)를 통한 위치측위의 정밀도는 cm단위로 향상되나, 안정성과 신뢰도가 떨어지게 된다.
상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 위성항법시스템의 환경 변화나 장애물에 의한 상황 변화에도 변화 시스템을 사용하여 안정적이고 신뢰성 있는 연속 측위를 수행할 수 있는 측위 방법을 제공하고자 함이다.
상술한 과제를 해결하려는 본 발명의 특징은 다수의 위성 및 GPS 수신기로 구성된 위성항법시스템을 이용한 정밀 단독 측위 방법에 있어서, (a) 상기 다수의 위성 중 상기 측위에 사용가능한 위성의 수를 모니터링 하는 단계; (b) 상기 위성의 수가 4개 이상인 경우, 정밀 단독 측위 방법으로 사용자의 위치를 산출하는 단계; (c) 상기 위성의 수가 3개인 경우, 코드 추적(code tracking)을 통한 맵 매칭(map matching) 방법으로 사용자의 위치를 산출하는 단계; 및 (d) 상기 위성의 수가 3개 미만인 경우, 비젼 시스템을 사용하여 사용자의 위치를 산출하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (c) 단계는, 수신기에서 적어도 어느 하나의 위성으로부터 받은 신호에 대한 추적 방법으로서, 반송파 추적(carrier tracking)에서 코드 추적(code tracking)으로 변환하는 단계; 및 상기 코드 추적 방법으로 생성된 정보를 맵 매칭(map matching)을 적용하여 사용자의 위치를 산출하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (d) 단계는, 좌표가 미리 설정된 건물이나 사물에 비젼시스템을 이용하여 좌표값을 인식하여 사용자의 위치를 산출하는 단계인 것이 바람직하고, 상기 (a) 단계는, 사용자의 위치측정 요청이 있는 경우, 상기 위치측정이 종료할 때까지 상기 위치측정에 적용 가능한 위성의 수를 계속 모니터링 하는 단계인 것이 바람직하다.
더하여, 바람직하게는 상기 (b), (c) 및 (d) 단계는 상기 위성으로부터 수신된 정보를 바탕으로 의사 거리를 계산하는 단계; 상기 의사 거리를 통해 네비게이션 데이터를 산출하는 단계; 상기 의사 거리를 보정하는 단계; 사용자의 위치를 산출하는 단계를 포함하는 것일 수 있고, 상기 의사 거리를 보정하는 단계는, 위성 시계의 오차, 위성궤도의 오차, 대기권의 전파지연에 의한 오차, 상기 GPS 수신기에서 발생하는 오차 및 상기 위성의 배치상황에 따른 기하학적 오차 중 적어도 어느 하나를 보정하는 단계인 것일 수 있다.
이와 같은 본 발명은 종래의 장애물로 인해 사이클 슬립(cycle slip) 발생하여 측위가 단절되거나, 정확도가 떨어지는 문제점을 보완하게 되어, 위성항법시스템의 환경 변화나 장애물에 의한 상황 변화에도 변화 시스템을 사용하여 안정적이고 신뢰성 있는 연속 측위를 수행할 수 있고, 위성항법시스템이 가지고 있는 내재적인 문제점을 해결할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 위성항법시스템을 이용한 정밀 단독 측위 방법의 흐름도를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 위성항법시스템을 이용한 정밀 단독 측위 방법의 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 정밀 단독 측위방법은 다수의 위성 및 GPS 수신기로 구성된 위성항법시스템을 이용한 정밀 단독 측위 방법에 있어서, (a) 상기 다수의 위성 중 상기 측위에 사용가능한 위성의 수를 모니터링 하는 단계(S100); (b) 상기 위성의 수가 4개 이상인 경우, 정밀 단독 측위 방법으로 사용자의 위치를 산출하는 단계(S200,S300)); (c) 상기 위성의 수가 3개인 경우, 코드 추적(code tracking)을 통한 맵 매칭(map matching) 방법으로 사용자의 위치를 산출하는 단계(S210,S300); 및 (d) 상기 위성의 수가 3개 미만인 경우, 비젼 시스템을 사용하여 사용자의 위치를 산출하는 단계(S230,S300)를 포함하여 구성된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 장애물로 인해 위성항법시스템이 가려져 사이클 슬립(CS)이 발생하는 경우 정밀단독측위(PPP)에 필요한 모호정수를 구하는 시간동안 반송파 추적(Carrier Tracking)에서 코드 추적(Code Tracking)으로 변환하여, 맵 매칭(Map Matching)을 적용하여 위치측위를 하고(S210,S300), 코드 추적(Code Tracking)도 어려운 상황에서는 비전시스템을 이용하여 위치측위를 수행함으로써(S230,S300), 위성항법시스템의 Break off 상태를 극복하고 안정성과 신뢰도를 향상시킬 수 있는 정밀 단독 측위방법을 제안한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 정밀 단독 측위(PPP)를 수행하기 위한 시스템에서 사용할 수 있는 위성항법시스템 또는 위성의 수가 충분한 경우 정밀도가 좋은 정밀 단독 측위(PPP)를 수행한다.(S200) 그러기 위해서는 항상 실시간으로 사용할 수 있는 위성항법시스템 위성의 수를 모니터링 해야 한다. 즉, 정밀 단독측위를 하기 위한 위성의 수를 모니터하고, 사용 가능한 위성의 수에 따라, 측위방법을 달리하여, 장애물에 의한 사이클 슬립(CS)이 발생한 경우에도 측위를 수행할 수 있는 방법 또는 시스템을 제안한다.
먼저, 위성항법시스템에서 사용할 수 있는 위성의 수를 모니터하고(S100), 사용할 수 있는 위성항법시스템 수가 4개 이상인 경우(S110), 정밀 단독 측위(PPP)를 수행한다.(S200,S300) 그러나 사용할 수 있는 위성의 수가 3개인 경우(S130), 장애물에 가려지거나 위성항법시스템으로부터 수신을 잘할 수 없는 상황이 되고, 사이클 슬립(CS)이 발생하여 모호정수를 구해야 하는 상황이 된다.
이 경우 일반적으로 Break off가 되지만, 제안하는 본 발명에 따른 측위방법에서는 사용할 수 있는 위성항법시스템 또는 위성의 수가 3개인 경우, 반송파 추적(Carrier Tracking)에서 코드 추적(Code Tracking)으로 변환하고, 위치 측위에 필요한 위성항법시스템 또는 위성이 수가 충분히 확보되지 못하였으므로 맵매칭(Map Matching)을 적용하여(S210) 위치 측위를 수행한다.(S300)
이 경우 정밀도는 m 단위로 떨어지나, 사이클 슬립(CS)으로 인한 모호정수를 구하기 전까지 측위를 수행할 수 있다. 그리고 사용할 수 있는 위성 또는 위성항법시스템이 3개 미만인 경우(S140), 미리 좌표값을 설정해 둔 주변 건물이나 특정 사물로부터 비전시스템을 이용하여 좌표값을 인식하고(S230), 위치 측위를 수행한다.(S300)
이 경우도 정밀도가 m 단위로 떨어지나 사이클 슬립(CS)이 발생하여 상용할 수 없는 정밀단독측위(PPP)를 보완해 줄 수 있고, 더욱이 코드 추적(Code Tracking)에서 위성항법시스템 수 부족으로 맵 매칭(Map Matching)도 할 수 없는 경우에도 위치 측위를 연속적으로 수행할 수 있다는 장점이 있다.
상술한 본 발명이 실시예에 따른 측위 방법은 위성의 수에 따라 나누어 방법을 달리 적용함으로써, 사이클 슬립이 발생한 경우에도 측위를 수행할 수 있게 하여 측위 안정성을 높일 수 있는 장점이 있다. 각 단계의 측위 방법은 서로 다르지만, 위성정보를 수신받아, 의사 거리를 계산하고(S310), 항법 데이터를 추출한 후(S320), 다시 의사 거리를 보정하고(S330) 사용자의 위치를 측정(S340)하는 과정은 동일하다.
여기서, GPS 수신기는 각 블록의 기능에 따라 안테나로부터 전단부의 RF부오 상관기 블록, 실시간 제어 블록 및 직렬 통신 블록을 포함하는 신호 처리부 그리고 마이크로프레세서, 메모리 및 제어 로직으로 구성된 항법데이터 처리부로 구성되는데(도시하지 않음), 항법을 수행하기 위해서는 위성 정보와 코드 또는 반송파 위상 측정치를 필요로 한다.
위성정보는 신호의 추적(tracking)을 수행하면서 위성 신호에서 위성정보를 복원할 수 있고, 추적 과정에서 항법에 필요한 측정(PR: Pseudo-Range, PPR: Pseudo-Range Rate)를 얻을 수 있다. 추적성능은 이러한 항법에 필요한 측정치의 정밀도에 매우 큰 영향을 미치게 된다.
일반적으로 직접 시퀀스 대역 확산(Direct sequence spread spectrum) 변조 방식을 사용하는 GPS 시스템은 데이터 복조뿐만 아니라, 의사거리(Pseudo-Range:PR) 생성을 위해 상술한 반송파 추적(carrier tracking)과 코드 추적(code tracking)을 하고 있다. 그러나 정밀한 반송파 위상을 이용하기 위해서는 우수한 성능의 반송파 추적루프가 필요하며 일반적으로 코드 위주로 설계 되어진 항법용 수신기로는 정밀한 반송파 위상을 측정하기에 한계가 있다.
반송파 추적은 PLL(Phase-Lock Loop) 또는 FLL(Frequency Lock-Loop)를 이용하고 코드 추적은 DLL(Delay-Lock Loop)를 이용한다. PLL은 FLL에 비하여 정확하지만 동특성에 보다 민감하다. 따라서, 급격한 동특성에 강인하려면 FLL을 사용하여야하며 반송파 위상을 이용한 측위 및 자세결정 시스템을 위해서는 보다 정밀한 추적성능을 가진 PLL을 사용해야 한다.
코드의 상관값을 이용하는 DLL 코드 추적(code tracking)은 일반적으로 코드 획득 후, 한 칩 이내의 구간을 추적해 나아가며 신호의 동기를 이루고 의사거리(Pseudo-range)를 측정하게 된다.
이와 같은 이유로, 본 발명에서는 위성의 수를 실시간으로 계속 모니터링 하고(S100), 위성의 수가 4개 이상의 경우(S110), 단독 정밀측위(PPP)를 수행하고(S200,S300)), 위성의 수가 3개의 경우(S210), 단독 정밀 측위에서 적용했던 캐리어 추적(carrier tracking)을 코드 추적(code tracking)으로 변환하여, 코드 추적을 통해 산출된 좌표값을 이용하여 지도(map)와 매칭시켜(S210) 사용자의 위치를 산출(S300)하는 방법을 수행하게 된다.
여기서, 맵 매칭(map matching)은 이미 좌표가 설정된 지도(map)에 상기 위성정보의 좌표값을 매칭시키는 방법을 말하는 것으로, 본 발명에서는 변환된 코드 추적을 통해 획득한 좌표값을 미리 저장된 지도의 좌표에 대응시켜 위치를 산출한다.
그리고, 위성의 수가 3개 미만인 경우, 본 발명에 따른 측위방법은 항법시스템에 설치된 비젼시스템을 이용하여, 미리 좌표값을 설정해 둔 주변 건물이나 특정 사물로부터 상기 좌표값을 인식하고, 위치 측위를 수행하게 되는데(S230,S300), 상기 비젼시스템은 카메라 및 미리 좌표값이 설정된 지도 데이터 베이스 및 영상처리부를 포함하여 구성된다.
그리고, 각 단계의 측위방법에서 의사거리의 보정(S330)은 위성 시계의 오차, 위성궤도의 오차, 대기권의 전파지연에 의한 오차, 상기 GPS 수신기에서 발생하는 오차 및 상기 위성의 배치상황에 따른 기하학적 오차 중 적어도 어느 하나를 보정하는 것이 바람직하다.
GPS 위치측정의 정확성을 떨어뜨리는 요소들은 크게 3부분으로 나눌 수 있다. 첫째 구조적 요인으로 생기는 오차로는 인공위성 시간 오차, 인공위성 위치 오차, 전리층과 대류층의 굴절, 잡음(Noise), 다중 경로(Multipath)등이 있다. 두번째로는 위성의 배치상황에 따른 기하학적 오차가 있으며 마지막으로 가장 큰 오차 원인인 SA (Selective Availability) 가 있다. 이 요소들이 모두 잠재적으로 합쳐져서 매우 큰 오차 결과를 낳는데 이것을 UERE(User Equivalent Range Error)라고 한다. 각 오차들은 시간과 장소에 따라서 매우 크게 변한다. 이와 같은 오차 등을 보정하여 사용자의 위치를 산출함으로써, 보다 정밀한 측위가 가능하게 된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 다수의 위성 및 GPS 수신기로 구성된 위성항법시스템을 이용한 정밀 단독 측위 방법에 있어서,
    (a) 상기 다수의 위성 중 상기 측위에 사용가능한 위성의 수를 모니터링 하는 단계;
    (b) 상기 위성의 수가 4개 이상인 경우, 정밀 단독 측위 방법으로 사용자의 위치를 산출하는 단계;
    (c) 상기 위성의 수가 3개인 경우, 코드 추적(code tracking)을 통한 맵 매칭(map matching) 방법으로 사용자의 위치를 산출하는 단계;
    (d) 상기 위성의 수가 3개 미만인 경우, 비젼 시스템을 사용하여 사용자의 위치를 산출하는 단계를 포함하는 위성항법시스템을 이용한 측위방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    수신기에서 적어도 어느 하나의 위성으로부터 받은 신호에 대한 추적 방법으로서, 반송파 추적(carrier tracking)에서 코드 추적(code tracking)으로 변환하는 단계; 및
    상기 코드 추적 방법으로 생성된 정보를 맵 매칭(map matching)을 적용하여 사용자의 위치를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성항법시스템을 이용한 측위방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    좌표가 미리 설정된 건물이나 사물에 비젼시스템을 이용하여 좌표값을 인식하여 사용자의 위치를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 위성항법시스템을 이용한 측위방법
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    사용자의 위치측정 요청이 있는 경우,
    상기 위치측정이 종료할 때까지 상기 위치측정에 적용 가능한 위성의 수를 계속 모니터링 하는 단계인 것을 특징으로 하는 위성항법시스템을 이용한 측위방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b), (c) 및 (d) 단계는
    상기 위성으로부터 수신된 정보를 바탕으로 의사 거리를 계산하는 단계;
    상기 의사 거리를 통해 네비게이션 데이터를 산출하는 단계;
    상기 의사 거리를 보정하는 단계;
    사용자의 위치를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성항법시스템을 이용한 측위방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 의사 거리를 보정하는 단계는,
    위성 시계의 오차, 위성궤도의 오차, 대기권의 전파지연에 의한 오차, 상기 GPS 수신기에서 발생하는 오차 및 상기 위성의 배치상황에 따른 기하학적 오차 중 적어도 어느 하나를 보정하는 단계인 것을 특징으로 하는 위성항법시스템을 이용한 측위방법.





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