KR20150020956A - 외부 단말과의 협력통신을 이용한 위치 파악 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

외부 단말과의 협력통신을 이용한 위치 파악 방법 및 그 장치가 개시된다.
위치파악장치는 외부의 제1 단말과 제2 단말로부터 각각 수신되는 신호의 도달 시간차를 이용하여 제1 단말과 상기 제2 단말에 대한 거리 차를 파악하고, 제1 단말과 제2 단말로부터 각각 수신되는 신호 사이의 이격각도를 구한 후 이를 이용하여 자신의 위치를 파악한다.

Description

외부 단말과의 협력통신을 이용한 위치 파악 방법 및 그 장치{Location-aware method and apparatus using cooperative communication with external terminals}

본 발명은 위치 파악 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 GPS나 기지국을 이용하지 않고 위치정보를 가진 외부 단말과의 협력통신을 이용하여 위치를 파악하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

종래 디바이스들은 위치 파악을 위하여 GPS(Global Position System)를 이용한다. GPS의 경우, 디바이스는 적어도 3개 이상의 인공위성으로부터 시간과 위치정보가 담긴 신호를 수신하고 삼각측량 방법을 이용하여 위치를 파악한다. 그러나 실내와 같은 GPS 음영지역에서는 GPS를 이용한 위치 파악이 불가능한 문제점이 있다.

또 다른 위치 파악방법으로 스마트 폰 등의 경우 기지국을 이용한 네트워크 기반 삼각측량 방법이 있다. 그러나 최근 우리나라를 비롯한 세계 주요국들의 트래픽 사용량은 거의 포화상태이며, 특히 인구 밀집지역에서 증가되는 트래픽을 감당하기 위해서는 보다 많은 수의 기지국이 필요하며 위치 파악으로 인한 주파수 자원의 부족 문제가 발생한다. 따라서 기지국을 통하여 위치인식을 하는 것은 비효율적이며 트래픽을 증가시킨다.

특허공개번호 제2010-0076340호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 실내와 같은 GPS 음영지역에서 기지국을 이용하지 않고 위치 정보를 가진 외부 단말과의 협력통신을 통해 위치를 파악하는 방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 위치 파악 방법의 일 예는, 위치정보를 가진 제1 단말 및 제2 단말을 이용하여 제3 단말의 위치를 파악하는 방법에 있어서, 상기 제3 단말은, 상기 제1 단말과 상기 제2 단말로부터 각각 수신되는 신호의 도달 시간차를 이용하여 상기 제1 단말과 상기 제2 단말에 대한 거리 차를 파악하는 단계; 상기 제1 단말과 상기 제2 단말로부터 각각 수신되는 신호 사이의 이격각도를 구하는 단계; 및 상기 거리 차 및 상기 이격각도를 기초로 상기 제3 단말의 위치를 파악하는 단계;를 포함한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 위치파악장치의 일 예는, 위치정보를 가진 제1 단말 및 제2 단말과 무선 통신을 통해 위치를 파악하는 위치파악장치에 있어서, 상기 제1 단말 및 제2 단말로부터 각각 수신되는 신호의 도달 시간차를 기초로, 상기 제1 단말과의 제1 거리와 상기 제2 단말과의 제2 거리의 거리 차를 파악하는 거리 파악부; 상기 제1 단말 및 제2 단말로부터 각각 수신되는 신호 사이의 이격각도를 구하는 각도 파악부; 및 상기 거리 차 및 상기 이격각도를 만족하는 위치를 상기 제3 단말의 위치로 파악하는 위치 인식부;를 포함한다.

본 발명에 따르면, GPS 신호를 수신할 수 없는 실내에서도 정확한 위치 파악이 가능하다. 또한 기지국 등을 이용하지 않고 위치정보를 가진 주변 단말들과의 통신을 통해 위치 파악을 수행하므로 종래 기지국을 이용한 위치파악시 트래픽이 증가하는 문제점을 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단말이 GPS를 이용하여 위치를 파악하는 방법의 일 예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른, 외부 단말과의 협력통신을 이용한 위치파악방법이 적용되는 일 예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 위치파악방법을 기하학적 개념으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 위치파악장치의 일 실시예의 구성을 도시한 도면, 그리고,
도 5는 본 발명에 따른 위치 파악 방법의 일 예의 흐름을 도시한 도면이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른, 외부 단말과의 협력통신을 이용한 위치파악 방법 및 그 장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 단말이 GPS를 이용하여 위치를 파악하는 방법의 일 예를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 단말(110)은 적어도 3개 이상의 GPS 위성(100.,102,104)으로부터 수신한 신호를 이용하여 현 위치를 파악한다. 그러나 GPS 신호를 수신하기 위해서 단말(110)은 개방된 장소에 위치하여야 하며, 실내와 같은 GPS 음영지역에 위치한 경우 GPS 신호를 수신할 수 없어 위치파악이 불가능하다.

도 2는 본 발명에 따른, 외부 단말과의 협력통신을 이용한 위치파악방법이 적용되는 일 예를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 제1 단말(200) 및 제2 단말(210)은 실외에 위치하여 GPS를 이용한 위치 파악이 가능한 단말이고, 제3 단말(220)은 실내(230)에 위치하여 GPS를 이용한 위치 파악이 불가능한 단말이다. 제3 단말(220)은 외부 두 단말(200,210)과의 협력 통신을 통해 자신의 위치를 파악한다.

본 실시 예에서, 단말(200,210,220)의 위치가 실내(230) 또는 실외에 한정되는 것은 아니며, 제3 단말(220)은 제1 단말(200) 및 제2 단말(210)과 기지국을 경유함이 없이 서로 간에 직접 데이터 송수신이 가능한 단말이면 되고, 제1 단말(200)과 제2 단말(210)는 자신의 위치정보를 종래의 다양한 방법(예를 들어, GPS, 기지국 네트워크 기반 위치 파악 등)으로 알고 있는 장치이면 된다. 또한 제1 단말 내지 제3 단말(200,210,220)은 특정 장소에 고정된 장치이거나 스마트폰이나 네비게이션 등과 같은 이동이 가능한 장치일 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 위치파악방법을 기하학적 개념으로 도시한 도면이다.

도 3을 함께 참조하면, C 지점과 나머지 두 지점 A,B(300,310) 사이의 거리 차(a-b)가 일정한 점들을 연결하면, 두 지점 A,B(300,310)를 초점으로 하는 쌍곡선이 그려지고, C 지점(320)은 쌍곡선 상에 위치한다.

두 지점 A,B(300,310)의 좌표가 알려져 있다면, 두 지점 A,B(300,310) 사이의 거리 c를 구할 수 있다. 그리고 A,B,C를 연결하여 생성되는 삼각형의 내부 각을 파악할 수 있으면, 삼각법이나 피타고라스 정리 등을 이용하여 C 지점의 위치를 A,B 두 지점에 대한 C 지점의 상대적인 위치를 알 수 있고, A,B 두 지점의 절대 좌표값을 안다면 그에 따라 C 지점의 절대 좌표값도 구할 수 있다. 이러한 개념을 이용하여, 외부 단말과의 협력 통신을 이용한 위치 파악방법에 대해 이하에서 구체적으로 살펴본다.

도 4는 본 발명에 따른 위치파악장치의 일 실시예의 구성을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 위치파악장치(400)는 거리 파악부(410), 각도 파악부(420) 및 위치 인식부를 포함한다.

거리 파악부(400)는 위치정보(좌표값)를 가진 외부의 두 단말(도 2의 경우, 제1 및 제2 단말(200,210))로부터 도달하는 참조 신호(reference signal)의 시간차를 구한다. 이때 외부의 두 단말은 서로 동기화되어 있다고 가정하며, 동기화 방법으로는 GPS 신호를 이용하는 등 종래 다양한 방법이 적용될 수 있다. 예를 들어, 외부 두 단말이 도 3의 A,B 지점에 위치하는 경우, 거리 파악부(410)는 두 단말로부터 수신되는 신호의 시간 차에 속도를 곱하여 거리 차(d)를 구할 수 있다.

t_i및 t_j은 동기화된 두 외부 단말로부터 신호를 수신하는데 걸리는 시간, c는 빛의 속도, ||는 절대값을 나타낸다.

거리 파악부(400)는 수신되는 신호의 시간 차를 구하기 위하여 수신된 참조신호의 상관관계를 취하여 그 피크값을 통해 시간차를 도출할 수 있다.

여기서, argmax f()는 함수 f가 최대가 되게 하는 τ값을 의미한다. S()는 수신신호를 의미하고, i,j는 외부 두 단말을 나타내며, 본 실시예의 경우 외부 단말의 대수는 2대 이므로 K=2이다.

각도 파악부(420)는 외부의 두 단말로부터 입사되는 신호 사이의 각도, 즉 이격각도를 파악한다. 각도 파악부(420)는 MUSIC(Multiple Signal Classification) 알고리즘을 이용하여 이격각도를 파악할 수 있다. 다만 위치파악장치(400)가 건물이 밀집된 지역이나 실내 공간 등에 위치한 경우 주변 환경에 의한 다중경로 페이딩으로 인해 정확한 이격각도의 측정에 어려움이 있을 수 있다. 따라서 외부 두 단말이 위치파악장치(400)로부터 수신되는 신호의 도래각(AOA, Angle of Arrival)을 측정하고, 각도 파악부(420)는 외부 두 단말에서 측정된 도래각 정보를 수신한 후 이를 기초로 이격각도를 파악하는 것이 바람직하다. 외부 단말에서 도래각 파악시 MUSIC 알고리즘이 이용될 수 있다.

MUSIC 알고리즘에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, MUSIC 알고리즘은 배열신호처리문제에서 널리 사용되는 방법으로서 안테나에서 측정된 데이터들로 이루어진 공간을 신호공간과 잡음공간으로 분리하여 신호원들의 위치에 대한 벡터가 잡음공간과 직교함을 이용하여 위치를 파악하는 방법이다. MUSIC 알고리즘을 수학식으로 나타내면 다음과 같다.

여기서,

는 공액전치(conjugate transpose)(Hermite matrix)를 나타내고,

은 잡음공간(noise subspace),

은 (N-M) 잡음 고유벡터(noise eigenvector),

는 신호 조향 벡터(signal sterring vector), M은 요소 선형 배열(elements linear array), N은 유한한 데이터 샘플들을 나타낸다.

위 수학식에서, φ가 신호의 도래방향 추정 값이라면,

와

이 직교가 될때 분모는 0이 된다. 따라서 MUSIC 알고리즘에서

의 값이 최대일 때의 φ가 도래각이 된다.

각도 파악부(420)는 외부 단말로부터 도래각을 수신하면, 두 외부 단말로부터 수신하는 두 신호의 이격각도를 파악할 수 있다. 도 3의 예를 다시 참조하면, 각도 파악부(420)는 A,B 두 지점(300,310)에 위치한 두 단말로부터 도래각(α,β)에 대한 정보를 수신하여 이격각도 θ를 파악한다.

위치 인식부(430)는 거리 파악부(410)에서 구한 외부 두 단말로부터 상대적인 거리 차(도 3의 경우, a-b)와 각도 파악부(420)에서 파악한 이격각도(도 3의 경우, θ)를 기초로, 자신의 위치를 파악한다. 다시 말하면, 위치 인식부(430)는 도 2에서 설명한 바와 같이 외부 두 단말을 초점으로 하는 쌍곡선 위에서 이격각도를 만족하는 위치를 위치파악장치(400)의 위치로 인식한다. 도 3의 예로 설명하면 수학식 1과 아래 수학식 4의 연립 방정식을 통해 두 외부 단말이 위치한 지점 A,B(300,310)과 위치파악장치가 위치한 C 지점(320) 사이의 거리 a,b를 구하여 C 지점의 위치를 파악할 수 있다.

여기서, c는 위치정보를 가진 두 외부 단말 사이의 거리, a,b는 각각 두 외부 단말과 위치파악장치 사이의 거리, θ는 위치파악장치에서 두 외부 단말로부터 수신하는 신호의 이격각도를 나타낸다.

도 3을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면, 위치 파악 장치는 외부 두 장치와의 거리 차(a-b)와, 외부 두 장치 사이의 거리(c), 이격각도(θ) 또는 두 외부 장치의 도래각(α,β)을 기초로 피타고라스 정리 등을 적용하여 두 외부 장치로부터 일정 거리 및 일정 각도 이격된 자신의 위치를 파악할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 위치 파악 방법의 일 예의 흐름을 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 위치파악장치는 GPS 등을 통해 자신의 위치 정보를 알고 있는 외부 단말과의 협력 통신을 수행하여 두 외부 단말로부터의 상대적인 거리 차를 파악한다(S500). 거리 차는 동기화된 두 외부 단말로부터 수신되는 신호의 시간 차를 이용하여 파악할 수 있다.

그리고 위치파악장치는 두 외부 단말로부터 수신되는 신호 사이의 각도, 즉 이격각도를 파악한다(S510). 위치파악장치는 직접 두 신호 사이의 수신 방향을 파악하여 이격각도를 구할 수도 있으나, 도심이나 실내 등에 위치한 경우 다중경로 페이딩으로 인한 정확한 수신 각도를 파악하기가 힘드므로, 외부 단말로부터 도래각 정보를 수신하여 이격각도를 파악한다. 여기서 외부 단말로부터 수신하는 도래각은, 외부 단말이 위치파악장치로부터 수신하는 신호에 대하여 측정한 도래각이다. 도래각 측정 방법의 일 예로 MUSIC 알고리즘이 있다.

위치파악장치는 두 외부 단말로부터의 상대적인 거리 차와 이격각도를 이용하여 두 외부 단말로부터 상대적 위치를 파악할 수 있으며, 두 외부 단말의 절대 좌표값에 상대적 위치를 더함으로써 위치파악장치의 절대 좌표도 파악할 수 있다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

1. 위치정보를 가진 제1 단말 및 제2 단말을 이용하여 제3 단말의 위치를 파악하는 방법에 있어서, 상기 제3 단말은,
   상기 제1 단말과 상기 제2 단말로부터 각각 수신되는 신호의 도달 시간차를 이용하여 상기 제1 단말과 상기 제2 단말에 대한 거리 차를 파악하는 단계;
   상기 제1 단말과 상기 제2 단말로부터 각각 수신되는 신호 사이의 이격각도를 구하는 단계; 및
   상기 거리 차 및 상기 이격각도를 기초로 상기 제3 단말의 위치를 파악하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 파악 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 거리 차를 파악하는 단계는,
   동기화된 상기 제1 단말 및 제2 단말로부터 수신한 참조신호의 도달 시간차에 전파속도를 곱하여 상기 거리 차를 파악하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 파악 방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 단말 및 제2 단말은 GPS를 이용하여 자신의 위치를 파악하고 있는 모바일 단말인 것을 특징으로 하는 위치 파악 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 이격각도를 구하는 단계는,
   상기 제1 단말 및 제2 단말에서 MUSIC(Multiple Signal Classification) 알고리즘을 이용하여 측정한 도래각 정보를 수신하는 단계; 및
   상기 제1 단말 및 제2 단말로부터 각각 수신한 도래각 정보를 이용하여 상기 이격각도를 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 파악 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제3 단말의 위치를 파악하는 단계는,
   상기 거리 차를 이용하여 구해지는 상기 제1 단말 및 제2 단말을 초점으로 하는 쌍곡선 상에서 상기 이격각도를 만족하는 위치를 상기 제3 단말의 위치로 파악하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 파악 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 제3 단말의 위치를 파악하는 단계는,
   상기 제1 단말 및 제2 단말의 위치정보를 기초로, 상기 제1 단말과 상기 제2 단말 사이의 제3 거리를 구하는 단계;
   상기 제3 거리, 상기 거리 차 및 상기 이격각도를 기초로, 상기 제1 단말과의 제1 거리 및 상기 제2 단말과의 제2 거리를 구하는 단계;
   상기 제1 거리, 상기 제2 거리, 상기 이격각도에 대해 피타고라스 정리를 적용하여 상기 제3 단말의 위치를 파악하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 파악 방법.
7. 위치정보를 가진 제1 단말 및 제2 단말과 무선 통신을 통해 위치를 파악하는 위치파악장치에 있어서,
   상기 제1 단말 및 제2 단말로부터 각각 수신되는 신호의 도달 시간차를 기초로, 상기 제1 단말과의 제1 거리와 상기 제2 단말과의 제2 거리의 거리 차를 파악하는 거리 파악부;
   상기 제1 단말 및 제2 단말로부터 각각 수신되는 신호 사이의 이격각도를 구하는 각도 파악부; 및
   상기 거리 차 및 상기 이격각도를 만족하는 위치를 상기 제3 단말의 위치로 파악하는 위치 인식부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치파악장치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 거리 파악부는,
   동기화된 상기 제1 단말 및 제2 단말로부터 수신한 전파의 도달 시간차에 전파속도를 곱하여 상기 거리 차를 파악하는 것을 특징으로 하는 위치파악장치.
9. 제 7항에 있어서, 상기 각도 파악부는,
   상기 제1 단말 및 제2 단말에서 MUSIC(Multiple Signal Classification) 알고리즘을 이용하여 측정한 도래각 정보를 수신하여 상기 이격각도를 구하는 것을 특징으로 하는 위치파악장치.
10. 제 7항에 있어서, 상기 위치 인식부는,
    상기 거리 차를 이용하여 구해지는 상기 제1 단말 및 제2 단말을 초점으로 하는 쌍곡선 상에서 상기 이격각도를 만족하는 위치를 상기 제3 단말의 위치로 파악하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치파악장치.
11. 제 7항에 있어서, 상기 위치 인식부는,,
    상기 제1 단말 및 제2 단말의 위치정보를 이용하여 상기 제1 단말과 상기 제2 단말 사이의 제3 거리를 구하고, 상기 제3 거리, 상기 거리 차 및 상기 이격각도를 이용하여 상기 제1 거리 및 제2 거리를 구한 후, 상기 제1 거리, 상기 제2 거리, 상기 이격각도에 대해 피타고라스 정리를 적용하여 상기 제3 단말의 위치를 파악하는 것을 특징으로 하는 위치 파악 방법.
12. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.

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