KR20140142610A - 위치 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20140142610A KR20130064283A KR20130064283A KR20140142610A KR 20140142610 A KR20140142610 A KR 20140142610A KR 20130064283 A KR20130064283 A KR 20130064283A KR 20130064283 A KR20130064283 A KR 20130064283A KR 20140142610 A KR20140142610 A KR 20140142610A
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박정우
김완희
이숙진
박만호
최민석
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면 단말의 현재 위치를 측정하는 위치 측정 장치가 제공된다. 상기 위치 측정 장치는, 상기 단말의 현재 위치에서 다수의 제1위성으로부터 위성 신호를 수신하여 상기 제1위성 각각의 위치와 상기 제1위성 각각과 상기 단말 간의 제1의사거리를 획득하는 제1의사거리 획득부; 추측항법(Dead-reckoning)을 통해 상기 단말의 이동 정보를 획득하는 추측항법부; 상기 단말의 이전 위치에 대응하는 가상 위성인 제2위성의 위치와 상기 단말의 이동 정보를 이용해 상기 제2위성과 상기 단말 간의 제2의사거리를 획득하는 제2의사거리 획득부; 및 상기 다수의 제1의사거리와 상기 제2의사거리를 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는 위치 계산부를 포함한다.

Description

위치 측정 장치 및 방법{LOCATION MEASUREMENT DEVICE AND METHOD}
본 발명은 위치 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 위성 항법과 추측 항법(Dead-Reckoning)을 이용해 단말의 위치를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
스마트폰 정밀항법 기술은 스마트폰에 포함된 모든 종류의 자원을 이용하여 높은 정밀도의 측위 알고리즘을 수행함으로써 사용자에게 위치를 서비스하기 위한 기술을 의미한다. 동 기술과 관련하여 현재 연구 중이거나 연구 가능성이 있는 측위 관련 스마트폰의 자원은 GPS, Wi-Fi, 이동통신망, UWB, 블루투스, 자이로스코프(Gyroscope), 가속도 센서(Accelerator), 지자기 센서(Magnatometer) 등 매우 다양하다.
이 중에서 글로벌 위성항법 시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)은 지구를 도는 인공위성의 네트워크 정보를 이용해 지상에 있는 목표물의 위치, 고도와 속도를 알아내는 시스템이다. 미사일 유도 같은 군사적 용도나 항공기, 선박, 자동차 등의 항법장치에 이용되는데, 그 중 대표적 시스템이 미국의 GPS(Global Positioning System)이다. 그리고 러시아의 글로나스, 유럽의 갈릴레오(Galileo), 중국의 베이더우(北斗, 영문명 COMPASS), 일본의 준천정(準千頂, QZSS)이 있다.
GPS에서는 모두 24개의 인공위성에서 발신하는 전파(마이크로파)를 수신자의 수신기에서 수신하여 수신기의 위치를 결정한다. 24개의 GPS 인공위성이 하루에 두 번씩 지구 둘레를 돌며 지구상의 수백만 개 GPS 단말기에 1초마다 위치값을 송신하고 있다. 인공위성들은 약 2만㎞ 상공의 6개 회전궤도 상에 각 60도마다 4개가 배치되어 일정한 간격을 두고 돌고 있다. 이는 지구가 평면이 아니라 둥근 입체 모양이어서 위치 하나를 찾기 위해서는 4개의 GPS 위성이 필요하기 때문이다.
GPS 측위 방식은 A-GPS(Assisted-GPS) 방식과 Conventional(또는 Autonomous) GPS 방식으로 분류할 수 있다. 보통 무선통신망을 이용하는 A-GPS 측위 방식은 GPS 수신기를 내장한 이동단말기와 이동통신망 내에 설치한 위치 측위 서버인 SLP(SUPL Location Platform) 간에 OMA SUPL(Secure User Plane Location) 규격을 이용하여 위치 계산 과정을 수행하게 된다. 구체적으로 A-GPS 측위 방식은 A-GPS 측위를 위한 프로토콜인 SUPL POS(=RRLP(Radio Resource Location Protocol)를 내장한 A-GPS 프로토콜)를 통한 메시지 송수신으로 단말기의 위치를 결정한다. 그리고 A-GPS 측위 방식은 GPS 위성으로부터 4개 이상의 위성신호가 수신될 경우에 GPS 방식의 위치계산을 수행하므로 위치 결정이 매우 정확하고, GPS 위성을 수신할 수 있는 지역 즉, 실외(Outdoor) 환경에서 주로 사용된다. A-GPS의 세부 위치 측위방식은 MS-Assisted 방식과 MS-Based 방식으로 나눌 수 있다. MS-Assisted 방식은 단말에서 신호 수신이 가능한 위성정보를 수신하여 위치 측위 서버에 전달하면 위치측위 서버(SLP)가 해당 정보를 이용하여 측위하는 방식이다. 그리고 MS-Based 방식은 위치 측위 서버(또는 위성정보 제공 서버)에서 저장하고 있는 위성정보를 단말의 요구에 의해 위치 측위 서버가 단말에 내려주고 이를 이용해 단말이 위치 측위를 하는 방식을 말한다.
한편, Conventional(또는 Autonomous) GPS 방식은 위치 측위서버 등의 도움을 전혀 받지 않고 단말 자체에 내장된 GPS 수신 안테나 및 측위 알고리즘을 이용해 단말이 자체적으로 GPS 방식 위치 측위를 수행하는 방식이다.
원래 군사 프로젝트로 시작했던 GPS는 군사 및 민간에서 모두 중요한 기술로 인식되고 있으며, 상업, 과학, 추적 및 감시를 위한 유용한 도구로 널리 활용되고 있다. 그리고 GPS의 정확한 시각은 시각 동기 및 핸드오프 전환을 가능케 함으로써 GPS는 금용, 이동통신망 운영, 심지어 전력망 제어와 같은 일상 활동에도 요긴하게 이용되고 있다.
이러한 위성항법 시스템(GNSS)의 수신기는 위성으로부터 수신한 항법메시지를 통해 GNSS 위성의 위치와 GNSS 위성의 시계를 확인하고, 반송파에 실린 코드를 감지하여 위성신호가 수신기까지 전달되는데 걸린 시간을 구하고, 걸린 시간에 전파의 속도를 곱해 GNSS 위성과 수신기 간의 거리를 구한다. 하지만 이렇게 구한 거리는 전파 환경, GNSS 수신기에 내장된 시계의 오차, 수신기 내부 오차 등으로 인해 실제 거리가 아닌 의사거리이다.
GNSS 수신기의 좌표를 [x, y, z], 시간 편향을 b, 전파의 속도(빛의 속도)를 c, 다수의 GNSS 위성 중 i번째 GNSS 위성의 좌표를 [xi, yi, zi]라 할 때, i번째 GNSS 위성과 수신기 간의 의사거리(Pi)는 아래의 수학식으로 나타낼 수 있다.
[수학식]
Figure pat00001
GNSS 수신기의 좌표를 구하기 위해서는 네 개의 미지수(x, y, z, b)를 알아야 하므로 네 개의 방정식이 필요하다. 따라서 적어도 네 개의 GNSS 위성으로부터 위성신호를 수신해야 한다.
한편, 고층건물로 둘러쌓인 도심환경 등 위성신호 수신에 방해를 받는 환경에서는 네 개의 위성신호 수신이 어려운 경우가 발생해 위성 측위에 실패하는 경우가 있다. 이러한 위성 항법 측위의 단점을 보완하기 위해 위성 항법과 추측 항법(Dead-Reckoning)을 결합한 기술이 최근 몇몇 등장하고 있다. 추측 항법은 이미 알고 있는 출발점, 추측할 수 있는 거리, 방향을 통해 현재의 위치를 추측해 나가는 방법이다. 추측 항법은 자동차의 경우 차량속도 센서, 조향휠 각속도 센서 등을 통해 가능하고, 최근 스마트폰에 내장된 관성센서를 이용한 추측 항법도 등장하고 있다. 이러한 추측항법을 위성항법 시스템과 결합하기 위한 방식으로써, 크게 약결합(Loose Integration)과 강결합(Tight Integration)의 접근방식이 시도되고 있다.
먼저, 도 1은 약결합 방식의 기본 개념을 설명하는 도면이다. 도 1을 참고하여 약결합 방식을 설명한다. 이 방식에서는 처음에 GPS 신호처리와 관성항법(추측항법의 일종) 신호처리가 각각 독립적으로 이루어진다. GPS 측정 데이터가 GPS 수신기(GPS Receiver, 20) 내의 GPS 전용 칼만 필터(Kalman Fillter)에서 독립적으로 처리된 후, 이 필터의 출력이 주기적으로 INS(Inertial Navigation System) 전용 필터(Kalman Filter, 31)의 입력 신호로 사용된다. 구체적으로 GPS 수신기(20)와 위치 속도 획득부(PV, 21)를 통한 GPS 신호 처리에 의해 위치 및 속도 추정치를 획득한다. 그리고 관성 측정 유닛(IMU: Inertial Measurement Unit, 10), 항법 프로세서(11)와 위치 속도 획득부(12)를 통한 관성항법 신호처리에 의해 위치 및 속도 추정치를 획득한다. 그리고 병합부(30)를 통해 상기 GPS 신호 처리에 의한 위치 및 속도 추정치와 상기 관성항법 신호처리에 의한 위치 및 속도 추정치의 차이값을 구한다. 그리고 INS 전용 필터(31)는 상기 차이값을 오차값 추정을 위한 측정 데이터로서 이용한다. 그리고 병합부(32)에 의해 상기 관성항법 신호 처리에 의한 위치 및 속도 추정치는 칼만 필터(31)에 의해 얻어진 오차 추정치(Error Estimates)와 병합되어 출력된다. GPS 신호 처리에 의한 위치(Position) 및 속도(Velocity) 공분산(Covariance) 행렬은 측정 잡음으로써 GPS 수신기(20) 내의 GPS 전용 필터로부터 INS 전용 필터(31)로 전달된다. 이러한 약결합 방식을 구현하는 방법에는 적용 분야에 따라 개루프(피드 포워드) 및 폐루프(피드백) 방식이 있다.
개루프 방식에서는 관성항법 장치가 칼만 필터의 존재와 관계없이 독립적으로 동작한다. 칼만 필터는 관성항법 장치의 항법정보 오차를 추정하고, 수정하며, 출력한다. 수정된 파라미터 및 추정된 센서의 바이어스(Bias)/드리프트(Drift) 성분은 관성항법 장치로 되돌려지지 않는다. 관성항법 오차 모델은 항법 방정식을 테일러(Taylor) 급수 전개를 이용해 선형화시킴으로써 얻어진다. 피드백이 없으므로 관성항법 장치의 오차가 급격히 증가하게 되고, 이로 인해 테일러 급수 전개의 과정에서 무시된 항들의 영향력이 커지게 되어 전체 시스템에서 큰 오차가 발생될 가능성이 잠재한다. 이러한 종류의 결합 방식은 비교적 작은 오차만을 전파시키는 고성능 관성 센서를 사용하는 경우에 적합하고, 저가의 MEMS 관성항법 장치인 경우에는 단시간에 큰 오차를 전파시키게 되므로 실시간 오차 보정이 병행되지 않는 한 이러한 방식이 적합하지 않다.
폐루프 방식에서는 폐루프(도1에서 칼만 필터(31)로부터 관성 측정 유닛(10)과 항법 프로세서(11)로 이어지는 점선부)가 사용된다. 상기 폐루프는 센서의 최초 출력 데이터 및 기타 관성항법 장치의 파라미터가 칼만 필터(31)에 의해 얻어진 추정 오차(Error Estimates)를 이용해 수정되도록 한다. 이러한 폐루프 방식은 개루프 방식에 비해 관성항법 장치가 상대적으로 작은 오차만을 전파시키도록 할 수 있다. 위성항법 및 추측항법의 약결합 방식은 상대적으로 구조가 간단하고 계산이 단순하여 구현이 쉽고 많은 연산능력을 필요로 하지 않는다. 하지만 그 성능 개선의 정도가 강결합 방식에 비해 작은 것이 단점이다.
도 2는 강결합 방식의 기본 개념을 나타낸 도면이다. 도 2를 참고하여 강결합 방식을 설명한다. 위성항법과 추측항법의 강결합 방식에서는 INS 알고리즘의 일련의 관성항법 방정식에 의해 관성항법 장치의 최초 측정 데이터를 유용한 위치(Position), 속도(Velocity) 및 자세(Attitude) 등의 정보로 변환한다. 관성항법 방정식의 구현은 2단계의 과정을 거쳐 수행되는데, 첫번째 단계에서는 센서 몸체가 감지한 각속도를 적분하여 IMU 보디 프레임(body-frame)으로부터 ECEF(Earth-Centered Earth-Fixed) 프레임으로의 변환 행렬을 계산한다. 자이로스코프는 지구 자전에 의한 각속도와 사용자의 움직임에 의한 각속도를 감지한다. 사용자의 실제 각속도를 알아내기 위해 지구 자전속도를 보디 프레임(body-frame)으로 변환한 다음에 이를 측정된 각속도로부터 빼주어야 한다. 일단 각속도를 구한 다음에 쿼터니언(Quarternion) 접근법을 써서 변환 행렬을 계산한다. 두 번째 단계에서는 계산된 변환 행렬을 이용하여 가속도계의 측정 데이터를 IMU 보디 프레임(body- frame)으로부터 ECEF 프레임으로 회전시킨다. 가속도계의 출력은 사용자의 실제 가속도, 코리올리(Coriolis) 가속도 및 중력 가속도의 합을 나타낸다. 따라서 사용자의 실제 가속도를 도출하기 위해서, 감지된 가속도 정보에 대해 코리올리(Coriolis) 가속도 및 중력 가속도를 이용한 보상이 이루어져야 한다. 이렇게 해서 얻어진 가속도를 적분하여 위치 및 속도의 해를 구할 수 있다. 상기 과정을 수학적으로 기술하면 아래의 수학식과 같다.
[수학식]
Figure pat00002
상기 수학식에서 dot '·'시간 미분을 표시하며, 첨자 'e'와 'b' 각각은 ECEF 프레임 및 보디 프레임을 각각 의미한다. 그리고
Figure pat00003
는 위치 벡터를,
Figure pat00004
는 속도 벡터를,
Figure pat00005
는 중력 가속도 벡터를 의미한다. 그리고
Figure pat00006
는 보디 프레임으로부터 ECEF 프레임으로의 회전 행렬(Rotation Matrix)이고,
Figure pat00007
는 회전 각속도
Figure pat00008
의 Skew-symmetric 행렬이고,
Figure pat00009
는 회전 각속도
Figure pat00010
의 Skew-symmetric 행렬이다. 그런데, 상기 수학식에서는 관성항법 장치의 최초 측정 데이터를 거기에 내재하는 오차를 고려하지 않고 처리한다. 이러한 오차를 수정해 주기 위하여, GPS 데이터를 측정 갱신용 신호로써 이용해 INS 출력의 오차를 추정하는 INS 필터(칼만 필터)가 사용된다. 차동 모드로 제공되는 GPS 갱신 신호에 의하여 의사 거리 측정 데이터는 INS 필터의 측정 갱신용 신호로 사용된다. 위성항법 및 추측항법의 강결합 방식은 수신된 위성신호의 수가 4개 미만인 경우에도 동작하는 장점이 있지만, 매번 위성들의 의사거리와 도플러를 예측해야 하는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 충분한 개수의 위성 신호의 수신이 어려운 도심 음영 지역에서 위성 신호의 가용성을 높여 신뢰성이 높은 측위를 수행할 수 있는 간단한 구조의 위성 항법 및 추측 항법 밀결합 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 단말의 현재 위치를 측정하는 위치 측정 장치가 제공된다. 상기 위치 측정 장치는, 상기 단말의 현재 위치에서 다수의 제1위성으로부터 위성 신호를 수신하여 상기 제1위성 각각의 위치와 상기 제1위성 각각과 상기 단말 간의 제1의사거리를 획득하는 제1의사거리 획득부; 추측항법(Dead-reckoning)을 통해 상기 단말의 이동 정보를 획득하는 추측항법부; 상기 단말의 이전 위치에 대응하는 가상 위성인 제2위성의 위치와 상기 단말의 이동 정보를 이용해 상기 제2위성과 상기 단말 간의 제2의사거리를 획득하는 제2의사거리 획득부; 및 상기 다수의 제1의사거리와 상기 제2의사거리를 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는 위치 계산부를 포함한다.
상기 위치 측정 장치는, 상기 위치 계산부에 의해 계산된 단말의 위치를 저장하고 상기 저장된 단말의 위치를 상기 제2의사거리 획득부에 제공하는 기준 위치 저장부를 더 포함한다. 상기 제2위성의 위치는 상기 기준 위치 저장부에서 제공되는 단말의 위치이다.
상기 기준 위치 저장부는, 저장된 단말의 위치의 신뢰도가 상기 위치 계산부로부터 새롭게 제공받은 단말의 위치의 신뢰도 보다 낮으면 상기 저장된 단말의 위치 대신에 상기 새롭게 제공받은 단말의 위치를 저장한다.
상기 위치 측정 장치는, 자이로스코프(gyroscope), 지자기 센서 및 가속도 센서를 더 포함한다. 상기 제2의사거리는 상기 단말의 이전 위치로부터 상기 단말의 현재 위치까지의 이동 거리에 대응하고, 상기 이동 정보는 상기 자이로스코프와 상기 지자기 센서의 측정 데이터를 이용해 계산한 진행 방향 정보 및 상기 가속도 센서의 측정 데이터를 이용해 계산한 걸음(step) 정보를 포함한다.
상기 위치 계산부는 최소 제곱법(Least square estimation)을 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 단말의 현재 위치를 측정하는 위치 측정 방법이 제공된다. 상기 위치 측정 방법은, 상기 단말의 현재 위치에서 다수의 제1위성으로부터 위성 신호를 수신하여 상기 제1위성 각각의 위치와 상기 제1위성 각각과 상기 단말 간의 제1의사거리를 획득하는 단계; 추측항법(Dead-reckoning)을 통해 상기 단말의 이동 정보를 획득하는 단계; 상기 단말의 이전 위치에 대응하는 가상 위성인 제2위성의 위치와 상기 단말의 이동 정보를 이용해 상기 제2위성과 상기 단말 간의 제2의사거리를 획득하는 단계; 및 상기 다수의 제1의사거리와 상기 제2의사거리를 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 단말의 현재 위치를 측정하는 위치 측정 방법이 제공된다. 상기 위치 측정 방법은, 상기 단말의 현재 위치에서 다수의 제1위성으로부터 위성 신호를 수신하여 위성 항법을 통해 상기 제1위성 각각의 위치와 상기 제1위성 각각과 상기 단말 간의 제1의사거리를 획득하는 단계; 상기 단말의 이전 위치에 대응하는 가상 위성인 제2위성의 위치와 추측 항법(Dead-reckoning)을 통해 획득한 상기 단말의 이동 정보를 이용해 상기 제2위성과 상기 단말 간의 제2의사거리를 획득하는 단계; 및 상기 다수의 제1위성의 위치와 상기 제2위성의 위치 중 일부를 선택하고, 선택된 위성의 위치 및 상기 선택된 위성의 위치에 대응하는 의사거리를 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 단말(예, 스마트폰 단말)에 내장된 각종 센서에 기반한 추측항법을 수행하고, 그 결과를 가상의 위성 신호처럼 취급하고, 가상의 위성 신호를 종래의 위성 항법 시스템에 결합하는 밀결합(tightly coupling) 방식에 의해 단말의 현재 위치를 측위한다. 이를 통해, 밀결합 방식에 의한 추가적인 가상 위성 신호의 제공에 의하여 위성 항법 시스템의 위성 신호 가용성을 향상시킬 수 있다. 특히, 실제 위성 신호의 수신이 어려운 음영 지역에서 가상의 위성 신호를 이용해 밀결합 측위를 수행함으로써 종래의 기술에 비해 측위의 신뢰성과 정확성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 간단한 구조로 구현되는 위치 측정 장치를 통해 음영 지역인 도심 환경에서의 사용 제약이라는 위성 항법 시스템의 단점을 극복할 수 있다. 그리고 구조가 간단하므로 기존의 위성 항법 시스템에 쉽게 추가될 수 있다.
도 1은 위성 항법과 추측 항법의 약결합 방식의 기본 개념을 나타낸 도면.
도 2는 위성 항법과 추측 항법의 강결합 방식의 기본 개념을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위성항법 및 추측항법의 밀결합 측위 단말을 나타낸 도면.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 단말(terminal)은 이동국(mobile station, MS), 이동 단말(mobile terminal, MT), 이동국(mobile station, MS), 진보된 이동국(advanced mobile station, AMS), 고신뢰성 이동국(high reliability mobile station, HR-MS), 가입자국(subscriber station, SS), 휴대 가입자국(portable subscriber station, PSS), 접근 단말(access terminal, AT), 사용자 장비(user equipment, UE) 등을 지칭할 수도 있고, MS, MT, AMS, HR-MS, SS, PSS, AT, UE 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위성항법 및 추측항법의 밀결합 측위 단말(이하 '단말')을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 단말은 위성 수신부(100), 위성 의사거리 획득부(110), 추측 항법부(200), 추측항법 의사거리 획득부(210), 밀결한 위치 계산부(300), 출력부(400) 및 기준위치 저장부(500)를 포함한다.
위성 수신부(100)는 다수의 GNSS 위성으로부터 다수의 GNSS 위성 신호를 수신한다.
위성 의사거리 획득부(110)는 위성 수신부(100)에 의해 수신된 다수의 GNSS 위성 신호를 이용해 다수의 실제 위성 각각의 위치와 상기 실제 위성 각각과 단말 간의 의사거리(Pseudo range)를 획득한다. 구체적으로 위성 의사거리 획득부(110)는 위성 수신부(100)로부터 GNSS 위성 신호의 Raw 데이터를 수신하고, 상기 Raw 데이터를 해석하여 실제 위성의 위치, 실제 위성과 단말 간의 의사거리 및 상기 의사거리의 신뢰도를 획득한다. 상기 의사거리의 신뢰도는 확률 변수의 분산으로 표현될 수 있다.
추측 항법부(200)는 추측 항법을 통해 단말의 이동 정보를 획득한다. 구체적으로 추측 항법부(200)는 단말 내의 자이로스코프와 지자기 센서의 측정 데이터를 이용해 진행 방향(heading) 정보를 계산하고, 단말 내의 가속도 센서의 측정 데이터를 이용해 단말 사용자의 걸음 수(step) 정보를 계산한다. 추측 항법부(200)는 단말의 이동 정보(예, 진행 방향 정보, 걸음 수 정보)를 추측항법 의사거리 획득부(210)로 제공한다.
추측항법 의사거리 획득부(210)는 단말의 이전 위치에 대응하는 가상 위성의 위치를 기준 위치로 하여 단말의 이동 거리를 획득한다. 여기서 기준 위치인 가상 위성의 위치는 이전에 측정된 단말의 위치를 의미한다. 그리고 획득된 단말의 이동 거리는 가상 위성과 단말 간의 의사거리로 사용된다. 구체적으로 추측항법 의사거리 획득부(210)는 추측 항법부(200)로부터 제공받은 단말의 이동 정보(예, 진행 방향 정보, 걸음 수 정보)를 이용해 기준 위치로부터 단말의 현재 위치까지의 거리를 계산한다. 계산된 이동 거리는 가상 위성과 단말 간의 의사거리로서 사용된다. 한편, 추측항법 의사거리 획득부(210)는 사전에 측정된 통계적 특성(예, 확률 변수의 분산)을 이용하여 가상 위성과 단말 간 의사거리의 신뢰도를 계산한다.
밀결합 위치 계산부(300)는 위성 의사거리 획득부(110)로부터 제공받은 실제 위성 정보(예, 실제 위성의 위치, 실제 위성과 단말 간의 의사거리)와 추측항법 의사거리 획득부(210)로부터 제공받은 가상 위성 정보(예, 가상 위성의 위치, 가상 위성과 단말 간의 의사거리)를 이용한 밀결합 측위 과정을 통해 단말의 현재 위치를 계산한다. 밀결합 위치 계산부(300)는 위성 측위에서 일반적으로 사용되는 최소 제곱법(Least Square Estimation)을 통해 위치 계산을 수행하도록 구현될 수 있다. 구체적으로 밀결합 위치 계산부(300)는 위성 의사거리 획득부(110)로부터 다수의 실제 위성 각각의 위치와 실제 위성 각각과 단말 간의 의사거리를 제공받고, 추측항법 의사거리 획득부(210)로부터 가상 위성의 위치와 가상 위성과 단말 간의 의사거리를 제공받는다. 밀결합 위치 계산부(300)는 다수의 실제 위성의 위치와 가상 위성의 위치 중 일부를 선택하고, 선택된 위성의 위치와 상기 선택된 위성의 위치에 대응하는 의사거리를 이용해 단말의 현재 위치를 계산한다. 구체적으로 밀결합 위치 계산부(300)는 다수의 실제 위성의 위치와 가상 위성의 위치 중 적어도 4개를 선택하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 밀결합 위치 계산부(300)가 다수의 실제 위성의 위치와 가상 위성의 위치 중 4개를 선택하도록 구현된 경우에는, 밀결합 위치 계산부(300)는 다수의 실제 위성의 위치 중 4개를 선택하거나 다수의 실제 위성의 위치 중 3개 그리고 가상 위성의 위치를 선택할 수 있다. 만약 다수의 실제 위성의 위치 중 4개가 선택된 경우에 밀결합 위치 계산부(300)는 아래의 수학식1을 이용해 단말의 현재 위치를 계산하도록 구현될 수 있다.
Figure pat00011
수학식1에서 pi는 선택된 4개의 실제 위성들 중 i번째 실제 위성과 단말 간의 의사거리를 나타낸다. xi, yi, zi는 i번째 실제 위성의 위치를 나타내는 x축, y축, z축 좌표이고, b는 시간 편향, c는 전파 속도를 나타낸다. 그리고 x, y, z는 단말의 현재 위치를 나타내는 x축, y축, z축 좌표이다. 선택된 4개의 실제 위성의 위치와 상기 4개의 실제 위성 각각과 단말 간의 의사거리를 수학식1에 대입하면 4개의 방정식이 나온다. 결국 4개의 방정식을 통해 단말의 현재 위치를 나타내는 x, y, z 축 좌표를 구할 수 있다.
한편, 만약 다수의 실제 위성의 위치 중 3개 그리고 가상 위성의 위치가 선택된 경우에 밀결합 위치 계산부(300)는 상기 수학식1과 아래의 수학식2를 이용해 단말의 현재 위치를 계산하도록 구현될 수 있다.
Figure pat00012
수학식2에서 pk는 가상 위성과 단말 간의 의사거리이고, xk, yk, zk는 가상 위성의 위치를 나타내는 x축, y축, z축 좌표이다. 선택된 3개의 실제 위성의 위치와 상기 3개의 실제 위성 각각과 단말 간의 의사거리를 수학식1에 대입하여 3개의 방정식을 얻고, 선택된 가상 위성의 위치와 가상 위성과 단말 간의 의사거리를 수학식2에 대입하여 1개의 방정식을 얻는다. 결국 상기 4개의 방정식을 통해 단말의 현재 위치를 나타내는 x, y, z 축 좌표를 구할 수 있다. 한편, 밀결합 위치 계산부(300)는 계산된 단말 위치의 신뢰도를 계산한다. 여기서 단말 위치의 신뢰도는 확률 변수의 분산값으로 표현될 수 있다. 밀결합 위치 계산부(300)는 측위 성공 시 계산된 단말의 위치와 단말 위치의 신뢰도를 기준위치 저장부(500)로 제공한다.
기준위치 저장부(500)는 가상 위성의 위치로 사용되는 기준 위치를 저장한다. 구체적으로 기준위치 저장부(500)는 밀결합 위치 계산부(300)로부터 제공받은 측위 결과(예, 단말의 위치, 단말 위치의 신뢰도)를 기준 위치와 기준 위치의 신뢰도로서 저장하고, 저장된 기준 위치를 추측항법 의사거리 획득부(210)에 제공한다. 추측항법 의사거리 획득부(210)는 제공받은 기준 위치를 가상 위성의 위치로써 사용한다. 한편, 기준위치 저장부(500)는 이미 저장하고 있는 기준 위치의 가치(기준 위치의 신뢰도 등을 이용하여 복합적으로 판단)가 밀결합 위치 계산부(300)로부터 새롭게 제공받은 단말 위치의 가치보다 높다고 판단되는 경우에 기준 위치를 갱신하지 않는다. 이와 반대로, 기준위치 저장부(500)는 이미 저장하고 있는 기준 위치의 가치가 밀결합 위치 계산부(300)로부터 새롭게 제공받은 단말 위치의 가치보다 낮다고 판단되는 경우에 이미 저장하고 있는 기준 위치 대신에 상기 새롭게 제공받은 단말 위치를 기준 위치로써 저장한다. 예를 들어, 기준위치 저장부(500)는 이미 저장하고 있는 기준 위치의 신뢰도가 밀결합 위치 계산부(300)로부터 새롭게 제공받은 단말 위치의 신뢰도보다 높은 경우에 기준 위치를 갱신하지 않도록 설계될 수 있다.
출력부(400)는 밀결합 위치 계산부(300)의 측위 결과를 출력한다. 구체적으로 출력부(400)는 측위 성공 여부와 측위 성공시 밀결합 위치 계산부(300)에 의해 계산된 단말의 현재 위치를 단말의 화면에 출력하도록 설계될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 위성 항법과 추측 항법의 밀결합 알고리즘을 요약하면 다음과 같다. 위치 측정 장치의 최근 측위점을 기준점으로 설정하고, 단말에 내장된 센서(예, 관성 센서)에 의해 기준점으로부터 단말의 현재 위치까지의 이동 거리를 계산한다. 계산된 단말의 이동 거리는 가상 위성과 단말 간의 의사거리인 가상 의사거리로 사용된다. 가상 위성은 실제 위성 외의 또 하나의 위성처럼 사용되어 가상 의사거리는 수신한 GNSS 위성 신호와 밀결합한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 위성 수신부 110: 위성 의사거리 획득부
200: 추측 항법부 210: 추측항법 의사거리 획득부
300: 밀결합 위치 계산부 400: 출력부
500: 기준위치 저장부

Claims (20)

  1. 단말의 현재 위치를 측정하는 위치 측정 장치에 있어서,
    상기 단말의 현재 위치에서 다수의 제1위성으로부터 위성 신호를 수신하여 상기 제1위성 각각의 위치와 상기 제1위성 각각과 상기 단말 간의 제1의사거리를 획득하는 제1의사거리 획득부;
    추측항법(Dead-reckoning)을 통해 상기 단말의 이동 정보를 획득하는 추측항법부;
    상기 단말의 이전 위치에 대응하는 가상 위성인 제2위성의 위치와 상기 단말의 이동 정보를 이용해 상기 제2위성과 상기 단말 간의 제2의사거리를 획득하는 제2의사거리 획득부; 및
    상기 다수의 제1의사거리와 상기 제2의사거리를 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는 위치 계산부
    를 포함하는 위치 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위치 계산부에 의해 계산된 단말의 위치를 저장하고, 상기 저장된 단말의 위치를 상기 제2의사거리 획득부에 제공하는 기준 위치 저장부를 더 포함하고,
    상기 제2위성의 위치는 상기 기준 위치 저장부에서 제공되는 단말의 위치인
    위치 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기준 위치 저장부는
    저장된 단말의 위치의 신뢰도가 상기 위치 계산부로부터 새롭게 제공받은 단말의 위치의 신뢰도 보다 낮으면 상기 저장된 단말의 위치 대신에 상기 새롭게 제공받은 단말의 위치를 저장하는
    위치 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    자이로스코프(gyroscope), 지자기 센서 및 가속도 센서를 더 포함하고,
    상기 제2의사거리는 상기 단말의 이전 위치로부터 상기 단말의 현재 위치까지의 이동 거리에 대응하고,
    상기 이동 정보는 상기 자이로스코프와 상기 지자기 센서의 측정 데이터를 이용해 계산한 진행 방향 정보 및 상기 가속도 센서의 측정 데이터를 이용해 계산한 걸음(step) 정보를 포함하는
    위치 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위치 계산부는 최소 제곱법(Least square estimation)을 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는
    위치 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 위치 계산부는
    3개의 상기 제1위성의 위치, 상기 3개의 제1위성에 각각 대응하는 3개의 제1의사거리, 상기 제2위성의 위치 및 상기 제2의사거리를 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는
    위치 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 위치 계산부에 의해 계산된 단말의 현재 위치를 출력하는 출력부를 더 포함하는
    위치 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 제1위성으로부터 상기 다수의 위성 신호를 수신하여 상기 제1의사거리 획득부로 제공하는 위성신호 수신부를 더 포함하는
    위치 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1의사거리 획득부는
    상기 다수의 위성 신호를 분석해 상기 제1위성 각각의 위치, 상기 제1위성 각각과 상기 단말 간의 제1의사거리 및 상기 제1의사거리 각각의 신뢰도를 획득하는
    위치 측정 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 위치 계산부는 아래의 수학식1 및 수학식2를 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는
    위치 측정 장치.
    [수학식1]
    Figure pat00013

    (pi: 상기 3개의 제1위성 중 i번째 제1위성과 상기 단말 간의 제1의사거리, xi, yi, zi: 상기 i번째 제1위성의 위치를 나타내는 x축, y축, z축 좌표, b: 시간 편향, c: 전파 속도, x, y, z: 상기 단말의 현재 위치를 나타내는 x축, y축, z축 좌표)
    [수학식 2]
    Figure pat00014

    (pk: 상기 제2위성과 상기 단말 간의 제2의사거리, xk, yk, zk: 상기 제2위성의 위치를 나타내는 x축, y축, z축 좌표)
  11. 단말의 현재 위치를 측정하는 위치 측정 방법에 있어서,
    상기 단말의 현재 위치에서 다수의 제1위성으로부터 위성 신호를 수신하여 상기 제1위성 각각의 위치와 상기 제1위성 각각과 상기 단말 간의 제1의사거리를 획득하는 단계;
    추측항법(Dead-reckoning)을 통해 상기 단말의 이동 정보를 획득하는 단계;
    상기 단말의 이전 위치에 대응하는 가상 위성인 제2위성의 위치와 상기 단말의 이동 정보를 이용해 상기 제2위성과 상기 단말 간의 제2의사거리를 획득하는 단계; 및
    상기 다수의 제1의사거리와 상기 제2의사거리를 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는 단계
    를 포함하는 위치 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 계산하는 단계에서 계산된 단말의 위치를 저장하는 단계; 및
    상기 단말이 이동하여 상기 단말의 위치를 다시 측정하는 경우에 상기 저장된 단말의 위치를 상기 제2위성의 위치로써 사용하는 단계를 더 포함하는
    위치 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 계산된 단말의 위치를 저장하는 단계는,
    상기 계산하는 단계에 의해 상기 단말의 위치가 다시 계산된 경우에 그 전에 저장된 단말의 위치의 신뢰도가 상기 다시 계산된 단말의 위치의 신뢰도 보다 낮으면 상기 저장된 단말의 위치 대신에 상기 다시 계산된 단말의 위치를 저장하는 단계를 포함하는
    위치 측정 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2의사거리는 상기 단말의 이전 위치로부터 상기 단말의 현재 위치까지의 이동 거리에 대응하고,
    상기 이동 정보는 자이로스코프와 지자기 센서의 측정 데이터를 이용해 계산한 진행 방향 정보 및 가속도 센서의 측정 데이터를 이용해 계산한 걸음(step) 정보를 포함하는
    위치 측정 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 단말의 현재 위치를 계산하는 단계는,
    최소 제곱법(Least square estimation)을 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는
    위치 측정 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단말의 현재 위치를 계산하는 단계는,
    3개의 상기 제1위성의 위치, 상기 3개의 제1위성에 각각 대응하는 3개의 제1의사거리, 상기 제2위성의 위치 및 상기 제2의사거리를 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는
    위치 측정 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1위성 각각의 위치와 제1의사거리를 획득하는 단계는,
    상기 다수의 위성 신호를 분석해 상기 제1위성 각각의 위치, 상기 제1위성 각각과 상기 단말 간의 제1의사거리 및 상기 제1의사거리 각각의 신뢰도를 획득하는 단계를 포함하는
    위치 측정 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 단말의 현재 위치를 계산하는 단계는,
    아래의 수학식1 및 수학식2를 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는 단계를 포함하는
    위치 측정 방법.
    [수학식1]
    Figure pat00015

    (pi: 상기 3개의 제1위성 중 i번째 제1위성과 상기 단말 간의 제1의사거리, xi, yi, zi: 상기 i번째 제1위성의 위치를 나타내는 x축, y축, z축 좌표, b: 시간 편향, c: 전파 속도, x, y, z: 상기 단말의 현재 위치를 나타내는 x축, y축, z축 좌표)
    [수학식2]
    Figure pat00016

    (pk: 상기 제2위성과 상기 단말 간의 제2의사거리, xk, yk, zk: 상기 제2위성의 위치를 나타내는 x축, y축, z축 좌표)
  19. 단말의 현재 위치를 측정하는 위치 측정 방법에 있어서,
    상기 단말의 현재 위치에서 다수의 제1위성으로부터 위성 신호를 수신하여 위성 항법을 통해 상기 제1위성 각각의 위치와 상기 제1위성 각각과 상기 단말 간의 제1의사거리를 획득하는 단계;
    상기 단말의 이전 위치에 대응하는 가상 위성인 제2위성의 위치와 추측 항법(Dead-reckoning)을 통해 획득한 상기 단말의 이동 정보를 이용해 상기 제2위성과 상기 단말 간의 제2의사거리를 획득하는 단계; 및
    상기 다수의 제1위성의 위치와 상기 제2위성의 위치 중 일부를 선택하고, 선택된 위성의 위치 및 상기 선택된 위성의 위치에 대응하는 의사거리를 이용해 상기 단말의 현재 위치를 계산하는 단계
    를 포함하는 위치 측정 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 계산하는 단계에서 계산된 단말의 위치를 저장하는 단계; 및
    상기 단말이 이동하여 상기 단말의 위치를 다시 측정하는 경우에 상기 저장된 단말의 위치를 상기 제2위성의 위치로써 사용하는 단계를 더 포함하는
    위치 측정 방법.
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