KR20150112659A - 단말 이동 방향 결정 및 위치 보정 방법, 그리고 이를 이용한 측위 장치 - Google Patents

단말 이동 방향 결정 및 위치 보정 방법, 그리고 이를 이용한 측위 장치 Download PDF

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Abstract

단말 이동 방향 결정 및 위치 보정 방법, 그리고 이를 이용한 측위 장치가 제공된다. 단말에 대한 N 개의 위치 정보들을 토대로 상대 방향 정보를 추정하고, 상대 방향 정보로부터 왜곡 정보를 제거하여 방향 무결성이 해결된 상대 방향 정보를 획득한다. 그리고 이러한 상대 방향 정보를 절대 방향 정보로 전환하여, 단말의 이동 경로 방향을 획득한다. 이후, 단말의 이동 경로 방향을 토대로 단말의 위치 정보를 보정한다.

Description

단말 이동 방향 결정 및 위치 보정 방법, 그리고 이를 이용한 측위 장치{Method for determining moving direction and correcting position information and positioning apparatus using the method}
본 발명은 무선랜을 이용하여 단말의 이동 방향을 결정하고 위치를 보정하는 방법과 이를 이용한 측위 장치에 관한 것이다.
무선 통신 인프라를 이용한 측위 기술은 인프라 종류 및 서비스 범위에 따라 다양하다. GNSS(Global Navigation Satellite System)은 지구 궤도상의 위성 신호를 이용하여 사용자의 위치를 결정하는 시스템이며, 미국의 GPS(Global Positioning System), 러시아의 GLONASS(Global Navigation Satellite System), 유럽의 갈릴레오(Galileo) 등이 현재 운용 중이거나 운용 예정이다. GNSS는 지구 전 지역을 서비스 하도록 배치되며, 정밀한 시각 정보와 위성 궤도 정보를 포함하는 신호를 송출하는 위성부, 적어도 4개 이상의 위성 신호를 수신하여 위치 및 속도를 계산하는 수신부, 그리고 위성의 상태 및 궤도를 감시하고 제어하는 지상 제어부로 구성된다.
GNSS는 위성부와 수신부의 직접 가시선(Direct Line Of Sight)이 확보되는 평지나 교외 지역에서는 10m 이내의 높은 위치 정확도(Accuracy)와 가용성(Availability)을 제공하지만, 비 가시선(Non Line Of Sight) 구간인 도심 밀집 지역에서는 다중 경로 오차로 인해 위치 오차가 50m에 다다르고, 특히 실내 지역에서는 수신 신호 감도가 저하되어 신호 획득을 하지 못해 위치 및 속도 결정이 불가능한 문제점이 있다.
셀룰러 기반 측위 기술은 이동 통신 기지국의 위치 정보와 측정 신호를 이용하여 사용자의 위치를 결정하는 기술이며, 구체적으로 단말에서 수신 가능한 기지국 수에 따라 셀-ID(Cell-ID), E-OTD(Enhanced-Observed Time Difference), AFLT(Advanced-Forward Link Trilateration) 등으로 분류된다. 도심 및 교외 대부분의 지역을 서비스 범위로 가지는 이통 통신 인프라의 특성 상, 실외뿐만 아니라 실내에서도 위치 결정이 가능하다는 장점을 가진다. 하지만 기지국의 배치 밀도에 따라 측위 정확도가 달라지고 평균적으로 약 100~800m의 비교적 낮은 위치 정확도를 가져서 수m 정도의 위치 정확도를 요구하는 실내외 항법 서비스 등에 적용하기 어렵다.
AGNSS(Assisted GNSS)는 단말에 내장된 GNSS 수신기의 최소 수신 신호 감도를 향상시키고 초기 위치 결정시간(Time To First Fix)을 단축시키기 위해, 측위 서버로부터 보조 정보를 획득하는 기술이다. AGNSS를 통해, 미약 신호 환경인 도심 밀집 지역에서는 GNSS를 이용한 빠른 위치 결정이 가능하지만, 실내 지역에서는 수신되는 신호가 매우 미약하여 큰 효과를 얻을 수 없다.
Wi-Fi 기반 측위 방법은 위에 기술된 바와 같은 실내 측위의 어려움을 극복하기 위한 방법으로써, 대표적으로 Wi-Fi AP(Access Point)의 위치 및 측정 신호를 이용하여 단말의 위치를 계산하는 방법과, Wi-Fi AP의 무선 맵(radio map)을 이용한 핑거프린팅(Fingerprinting) 방법이 있다.
Wi-Fi AP 위치 기반 측위 방법은 차량 또는 보행자의 수집 위치 및 각 Wi-Fi AP별 수신 신호 세기를 활용하여 Wi-Fi AP의 위치를 추정하고 이를 활용하여 삼변측량(Trilateration), WCL(Weight Centroid Localization), 몬테카를로(Monte-Carlo) 등의 측위 알고리즘을 통해 단말 위치를 계산한다. 핑거프린팅 기반 측위 방법은 차량 및 보행자의 수집위치 및 각 Wi-Fi AP별 수신 신호 세기를 가공하여 기준 위치의 무선맵을 생성한다. 최종적으로 해당 무선맵과 단말에서 측정된 각 AP별 Wi-Fi 수신 신호 세기 패턴을 비교하여 최소 수신신호 세기 오차를 가지는 기준 위치를 단말 위치로 추정한다.
위에 기술된 바와 같은 다양한 측위 방법들을 종합해보면, Wi-Fi 기반 측위기술은 기존 GNSS, 셀룰러 기반 측위 기술에 비하여 실내 환경에서 정밀한 단말의 위치정보를 제공할 수 있다. 하지만 기존 Wi-Fi 기반 측위 기술은 위치 정보 외에 또 다른 유용한 정보인 방향 정보(heading)를 계산하는데 어려움이 있다.
기존에 Wi-Fi에서 방향 정보를 계산하는 방법들은 다음과 같다.
첫째로 Wi-Fi AP의 위치를 알고 있고 단말 위치가 계산되었거나, Wi-Fi AP 위치를 모르더라도 사전에 단말 방향 및 위치를 포함한 핑거프린팅 DB가 구축되어 있는 경우, 빔 안테나(Beam Antenna)를 이용하여 AP-단말간 방향정보를 계산할 수 있다. 하지만 이러한 방법은 고가의 빔 안테나를 필요로 하고 단말 안테나 설계 시 많은 제약 조건이 존재한다는 측면에서 상용 단말에 적용하기에 부적절하다.
둘째로, Wi-Fi AP의 위치를 알고 있고 단말 위치가 계산되었을 때, AP-단말간 수신 신호 세기 변화율을 이용하여 AP로의 접근 또는 후퇴 여부를 판단할 수 있다. 하지만 일반적인 단말 환경에서 수신 신호 세기의 잡음이 크기 때문에 비정상적인 측정값을 제거하기 위해, K-최근접 이웃 분류기(k-nearest neighbor clustering)를 통해 최대 클러스터 크기를 가지는 AP들만을 대상으로 단말 방향을 결정한다. 이러한 방법은 고가의 빔 안테나가 없는 상용 스마트폰에 적용할 수 있지만, Wi-Fi 수신 신호 세기의 불안정성 때문에 추정되는 방향 정확도가 떨어지고, AP 위치를 알지 못하는 핑거프린팅 방법에는 적용할 수 없는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 무선랜을 이용하여 단말의 이동 경로 방향을 결정하고, 이동 경로 방향을 토대로 단말의 위치를 보정할 수 있는 방법 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 특징에 따른 방법은 단말의 이동 경로 방향을 결정하고 위치를 보정하는 방법에서, 단말의 위치 정보들을 획득하고, N 개의 위치 정보들을 토대로 상대 방향 정보를 추정하는 단계; 상기 추정된 상대 방향 정보가 전진 방향인지 후진 방향인지를 결정하여 방향 모호성이 해결된 제1 상대 방향 정보를 획득하는 단계; 상기 제1 상대 방향 정보로부터 왜곡 정보를 제거하여 방향 무결성이 해결된 제2 상대 방향 정보를 획득하는 단계; 상기 제2 상대 방향 정보를 절대 방향 정보로 전환하여, 단말의 이동 경로 방향을 획득하는 단계; 및 상기 단말의 이동 경로 방향을 토대로 단말의 위치 정보를 보정하는 단계를 포함한다.
상기 상대 방향 정보를 추정하는 단계는, 현재 단말 위치 정보와 과거 단말 위치 정보를 포함하는 N 개의 위치 정보들에 대하여 일차 함수를 산출하는 단계; 및 상기 일차 함수의 기울기 값을 토대로 상대 방향 정보를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 N은 상대 방향 정보 추정시 사용되는 위치 정보의 총 개수를 나타내며, 상기 N은 단말 위치 오차 범위를 벗어나 운동 특성을 반영할 수 있는 최대값과, 허용 가능한 시간 지연에 따른 단말 이동 경로 방향추정 오차를 가지는 최소값을 토대로 설정될 수 있다.
상기 제1 상대 방향 정보를 획득하는 단계는 상기 N 개의 위치 정보들에 대한 위치 변화량 벡터 방향을 산출하는 단계; 상기 추정된 상대 방향 정보와 상기 위치 변화량 벡터 방향을 토대로 비교값을 획득하는 단계; 및 상기 비교값을 설정 각도와 비교하여, 상기 비교값이 설정 각도 이내에 존재하는 경우에, 상기 추정된 상대 방향 정보를 상기 제1 상대 방향 정보로 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 비교값은, 상기 추정된 상대 방향 정보와 상기 위치 변화량 벡터 방향의 차이값의 절대값일 수 있다.
상기 제2 상대 방향 정보를 획득하는 단계는 상기 제1 상대 방향 정보가 미리 설정된 최대 무결성 허용 한도내에 해당하는 횟수로 동일한 방향을 나타내다가 다른 방향을 나타내는 경우에는, 다른 방향을 나타내는 제1 상대 방향 정보는 왜곡된 정보인 것으로 판단하여 제거하는 단계; 및 상기 제1 상대 방향 정보가 미리 설정된 최대 무결성 허용 한도를 벗어나는 횟수로 동일한 방향을 나타내다가 다른 방향을 나타내는 경우에는, 다른 방향을 나타내는 제1 상대 방향 정보는 왜곡이 없는 정보인 것으로 판단하여 방향 정보로 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 단말의 이동 경로 방향을 획득하는 단계 이후에, 상기 제2 상대 방향 정보를 전환하여 획득한 절대 방향 정보를 원시 절대 방향 정보라고 할 때, 상기 원시 절대 방향 정보를 필터링하여 필터링된 절대 방향 정보를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 필터링된 절대 방향 정보를 획득하는 단계는, 상기 원시 절대 방향 정보에 대하여 칼만 필터링 또는 칼만 스무딩의 처리를 수행하여 상기 필터링된 절대 방향 정보를 획득할 수 있다.
상기 단말의 위치 정보를 보정하는 단계는, 현재 획득한 단말의 위치 정보를 원시 위치 정보라고 할 때, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하는 경우에는, 상기 원시 위치 정보에 상기 단말의 이동 경로 방향을 매칭하여 보정된 위치 정보를 획득하는 단계; 및 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하지 않는 경우에는, 상기 원시 위치 정보를 제거하고 이전에 획득한 단말의 위치 정보를 현재 단말 위치 정보로 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
이외에도, 상기 방법은, 과거에 획득한 절대 방향 정보와 연속된 과거 위치 정보를 이용하여, 이전 필터링 위치 대비 위치 변화량 벡터, 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터, 그리고 방향 벡터를 획득하는 단계; 상기 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 양수나 "0"의 값을 가지거나, 상기 이전 필터링 위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 양수나 "0"의 값을 가지는 경우, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하는 것으로 판단하는 단계; 및 상기 이전 필터링 위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 음수의 값을 가지는 경우, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하지 않는 것으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 측위 장치는, 단말의 위치 정보들을 획득하는 단말 위치 정보 획득부; 상기 단말 위치 정보 획득부로부터 제공되는 N 개의 위치 정보들을 토대로 상대 방향 정보를 추정하고, 추정된 상대 방향 정보를 토대로 단말의 이동 경로 방향을 획득하는 방향 추정부; 상기 단말의 이동 경로 방향을 토대로 단말의 위치 정보를 보정하는 위치 정보 보정부를 포함하며, 상기 방향 추정부는 상기 추정된 상대 방향 정보가 전진 방향인지 후진 방향인지를 결정하여 방향 모호성이 해결된 제1 상대 방향 정보를 획득하는 방향 모호성 해결부; 상기 제1 상대 방향 정보로부터 왜곡 정보를 제거하여 방향 무결성이 해결된 제2 상대 방향 정보를 획득하는 방향 무결성 해결부; 그리고 상기 제2 상대 방향 정보를 절대 방향 정보로 전환하여, 단말의 이동 경로 방향을 획득하는 절대 방향 추정부를 포함한다.
상기 방향 추정부는 현재 단말 위치 정보와 과거 단말 위치 정보를 포함하는 N 개의 위치 정보들에 대하여 일차 함수를 산출하고, 상기 일차 함수의 기울기 값을 토대로 상대 방향 정보를 추정하는 상대 방향 추정부를 더 포함할 수 있다.
상기 방향 모호성 해결부는 상기 N 개의 위치 정보들에 대한 위치 변화량 벡터 방향과 상기 추정된 상대 방향 정보를 토대로 한 비교값--상기 비교값은 상기 추정된 상대 방향 정보와 상기 위치 변화량 벡터 방향의 차이값의 절대값임--이 설정 각도 이내에 존재하는 경우에, 상기 추정된 상대 방향 정보를 상기 제1 상대 방향 정보로 사용할 수 있다.
상기 방향 무결성 해결부는 상기 제1 상대 방향 정보가 미리 설정된 최대 무결성 허용 한도내에 해당하는 횟수로 동일한 방향을 나타내다가 다른 방향을 나타내는 경우에는, 다른 방향을 나타내는 제1 상대 방향 정보는 왜곡된 정보인 것으로 판단하여 제거할 수 있다. 또한 상기 제1 상대 방향 정보가 미리 설정된 최대 무결성 허용 한도를 벗어나는 횟수로 동일한 방향을 나타내다가 다른 방향을 나타내는 경우에는, 다른 방향을 나타내는 제1 상대 방향 정보는 왜곡이 없는 정보인 것으로 판단하여 방향 정보로 사용할 수 있다.
한편, 상기 측위 장치는, 상기 제2 상대 방향 정보를 전환하여 획득한 절대 방향 정보를 원시 절대 방향 정보라고 할 때, 상기 원시 절대 방향 정보를 필터링하여 필터링된 절대 방향 정보를 획득하는 방향 필터링부를 더 포함할 수 있다.
상기 위치 정보 보정부는, 현재 획득한 단말의 위치 정보를 원시 위치 정보라고 할 때, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하는 경우에는, 상기 원시 위치 정보에 상기 단말의 이동 경로 방향을 매칭하여 보정된 위치 정보를 획득하고, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하지 않는 경우에는, 상기 원시 위치 정보를 제거하고 이전에 획득한 단말의 위치 정보를 현재 단말 위치 정보로 사용할 수 있다.
상기 위치 정보 보정부는 과거에 획득한 절대 방향 정보와 연속된 과거 위치 정보를 이용하여, 이전 필터링 위치 대비 위치 변화량 벡터, 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터, 그리고 방향 벡터를 획득하고, 상기 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 양수나 "0"의 값을 가지거나, 상기 이전 필터링 위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 양수나 "0"의 값을 가지는 경우, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 또한 상기 이전 필터링 위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 음수의 값을 가지는 경우, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 무선랜을 이용하여 계산된 단말의 현재 및 과거 위치 정보들을 활용하여, 단말의 이동 경로 방향을 결정할 수 있다. 또한 결정된 단말의 이동 경로 방향 정보를 이용하여 단말의 위치를 정확하게 보정할 수 있다.
또한 별도의 방향 센서를 가지지 않는 단말도 무선랜을 이용하여 방향 정보를 결정할 수 있으며, 이에 따라 단말의 하드웨어 사양을 단순화시킴으로써 단말의 크기를 줄이고, 제작 및 구입 비용을 절감시킬 수 있다.
또한 무선랜 기반 단말의 위치 정보뿐만 아니라 이동 경로의 방향 정보를 함께 제공함으로써, 단말 사용자에게 방향 정보를 활용한 다양한 위치 기반 서비스를 부가적으로 제공할 수 있다. 더불어, 방향 정보를 이용하여 단말의 위치 정보를 보정함으로써, 불안정하고 위치 오차가 큰 위치 정보의 표시로 인한 사용자 위치 인식의 불편함을 극복할 수 있으며, 지도의 경로 정보의 맵 매칭 지원 없이도 이동 경로 상에 보다 정밀하고 스무딩된(smoothing) 위치를 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 측위 장치의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 측위 장치를 구성하는 각 부의 기능을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 방향 추정부의 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 이동 방향 결정 및 위치 보정 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 위치 정보들 및 이에 대한 일차 함수를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 상대 방향 정보에 대한 위치 변화량 벡터를 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보를 결정하는 과정을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라, 2가지 서로 다른 보행자 운동 시나리오에 대해서, 방향 무결성이 해결된 상대 방향 정보를 획득하는 것을 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 절대 방향 정보 필터링 과정을 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 단말 위치 보정 과정을 나타낸 도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예에서, 방향 정보 기반으로 단말 위치 정보를 보정하기 위한 조건문들에 따른 단말 위치 정보 보정 원리를 나타낸 도이다.
도 13은 위에 기술된 바와 같은 단말 위치 보정 과정을 토대로, 임의의 연속적인 단말 위치들에 대해서, 방향 정보 기반 단말 위치 정보 보정을 수행하는 과정을 나타낸 도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 방향 결정 및 위치 보정 방법에 따른 측위 성능을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 잡음이 완화된 절대 방향 정보 특성을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 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, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 측위 방법 및 그 장치에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에서는 무선랜을 이용하여 계산된 단말의 현재 위치 정보 및 과거 위치 정보들을 활용하여, 단말의 이동 경로 방향(heading)을 결정하고, 결정된 단말의 이동 경로 방향 정보를 이용하여 단말의 위치를 보정한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 측위 장치의 구조도이다.
첨부한 도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 측위 장치(100)는, 단말 위치 정보 획득부(110), 방향 추정부(120), 위치 정보 보정부(130)를 포함하며, 방향 필터링부(140)를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 측위 장치를 구성하는 각 부의 기능을 나타낸 도이다.
단말 위치 정보 획득부(110)는 무선랜 기반으로 획득되는 단말의 위치 정보를 입력받는다.
방향 추정부(120)는 위치 정보들을 토대로 단말의 이동 경로 방향(heading)을 추정한다. 특히, 단말에 대한 현재 위치 정보 및 과거 위치 정보들을 포함하는 N개의 위치 정보들을 토대로 단말의 이동 경로 방향을 추정한다. 도 2에서와 같이, N개의 위치 정보들은 {Xdev, Ydev}T-(N-1), …, {Xdev, Ydev}T-1, {Xdev, Ydev}T로 나타낼 수 있다. 여기서 T는 현재 시각을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 방향 추정부의 구조를 나타낸 도이다.
방향 추정부(120)는 도 3에서와 같이, 상대 방향 추정부(121), 방향 모호성 해결부(122), 방향 무결성 해결부(123), 그리고 절대 방향 추정부(124)를 포함한다.
상대 방향 추정부(121)는 N개의 위치 정보들을 포함하는 단말 위치 정보 집합을 토대로 회귀 분석을 수행하여 상대 방향 정보를 추정한다. 추정된 상대 방향 정보를 " θreg" 라고 나타낼 수 있다.
방향 모호성 해결부(122)는 추정된 상대 방향 정보에 대한 방향 모호성을 해소한다. 즉, 추정된 상대 방향 정보가 전진 방향인지 아니면 후진 방향인지를 결정한다. 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보는 " θamb"라고 나타낼 수 있으며, 설명의 편의상 "제1 상대 방향 정보"라고 명명될 수 있다.
방향 무결성 해결부(123)는 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보에 대하여 방향 왜곡이 발생된 정보를 제거한다. 잡음 특성이 큰 무선랜 기반의 위치 정보들을 토대로 방향 추정이 이루어졌으므로 왜곡이 발생할 수 있다. 이러한 왜곡을 해결하기 위하여 최대 무결성 허용 한도 내에서 왜곡된 방향 정보를 필터링한다. 이에 대해서는 추후에 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 방향 무결성이 해결된 상대 방향 정보는 " θint"라고 나타낼 수 있으며, 설명의 편의상 "제2 상대 방향 정보"라고 명명될 수 있다.
절대 방향 추정부(124)는 방향 무결성이 해결된 상대 방향 정보를 토대로 절대 방향 정보를 추정한다. 여기서 추정된 절대 방향 정보를 " ΦRaw"라고 나타낼 수 있으며, "원시 방향 정보"라고도 명명될 수 있다.
이러한 구조로 이루어지는 방향 추정부(120)로부터 출력되는 절대 방향 정보가 단말 위치 보정부(130)로 전달된다.
단말 위치 보정부(130)는 입력되는 절대 방향 정보를 토대로 현재 단말의 위치 정보를 보정한다. 여기서 단말 위치 정보 보정시 사용되는 절대 방향 정보는 방향 추정부(120)로부터 제공되는 절대 방향 정보이거나 또는 이후에 설명되는 방향 필터링부(140)로부터 제공되는 필터링된 방향 정보일 수 있다.
단말 위치 보정부(130)는 도 2에서와 같이, 단말 위치 정보 획득부(110)로부터 제공되는 연속된 단말 위치 정보들({Xdev, Ydev}T-1, {Xdev, Ydev}T)을 입력받고, 입력된 위치 정보들을, 원시 방향 정보(ΦRaw) 또는 필터링된 방향 정보(ΦFiltered)를 기반으로 보정하여, 보정된 현재 단말 위치 정보({Xdev _ correct, Ydev _ correct}T)를 출력한다.
한편, 방향 필터링부(140)는 선택적으로 측위 장치(100)에 포함될 수 있는데, 방향 추정부(120)로부터 제공되는 절대 방향 정보 즉, 원시 방향 정보(ΦRaw)에 대하여 필터링을 수행하여 필터링된 절대 방향 정보를 출력한다. 방향 필터링부(140)는 칼만(kalman) 필터링이나 칼만 스무딩(amoothing) 등의 필터링을 수행하여 필터링된 절대 방향 정보를 출력할 수 있다.
다음에는 이러한 구조로 이루어지는 측위 장치를 토대로, 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 이동 방향 결정 및 위치 보정 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 이동 방향 결정 및 위치 보정 방법의 흐름도이다.
먼저, 단말에 대한 위치 정보를 획득한다. 단말 위치 정보 획득부(110)는 현재의 단말의 위치 정보를 포함하는 N개의 위치 정보들을 단말의 이동 방향 결정 및 위치 보정을 위한 단말 위치 정보 집합으로 사용한다(S100).
현재 위치 정보 및 복수의 과거 위치 정보들을 포함하는 단말 위치 정보 집합을 토대로 상대 방향 정보를 계산한다. 상대 방향 정보는 임의의 좌표계에 대해서 계산된 단말의 이동 경로 방향을 나타낸다. 방향 추정부(120)는 회귀 분석 기법을 토대로 단말 위치 정보 집합에 포함되는 N개의 위치 정보들을 지나가는 일차 함수를 추정하고, 추정된 일차 함수의 기울기 값으로부터 상대 방향 정보를 계산한다(S110).
여기서 N은 상대 방향 추정 시 활용되는 단말 위치 정보의 총 개수를 나타내며, 실험적 방법을 통해 결정될 수 있다. 일차 함수 추정을 위해서는 N 값이 최소 2 이상의 값으로 설정되어야 한다. N 값은 보행자의 운동 속도, 위치 정보의 정확도 및 스캔 주기 등에 영향을 받을 수 있다. N 값이 크면 클수록 많은 과거 위치 정보들을 활용하게 됨으로써, 잡음 특성이 큰 특성을 가지는 위치 정보 활용 시 보다 안정적인 상대 방향 정보 추정이 가능하지만, 시간 지연이 큰 상대 방향 정보가 추정될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 되는 이러한 사항을 고려하여 단말 위치 정보 집합에 포함되는 위치 정보들의 총 개수 N 값을 적절하게 설정한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 위치 정보들 및 이에 대한 일차 함수를 나타낸 예시도이다.
예를 들어, Wi-Fi 기반으로 획득되는 위치 정보의 경우, 약 5m 수준의 단말 위치 오차를 가지며, Wi-Fi 기능을 지원하는 단말에 대하여 약 1Hz 정도의 위치 정보 획득이 가능하다. 이때, 단말 사용자가 일반적인 보행 환경(예를 들어, 보폭: 70cm, 보폭 주기: 2Hz → 운동 속도=1.4m/s)으로 이동하고 있다고 가정하면, N 값은 단말 위치 오차 범위를 벗어나 운동 특성을 반영할 수 있는 최대값(Max)과 허용 가능한 시간 지연에 따른 단말 이동 경로 방향추정 오차를 가지는 최소값(Min) 사이로 설정할 수 있다.
위의 보행 환경(운동 속도=1.4m/s)에서, 예를 들어, 도 5에서와 같이, 현재 시각이 T이고, N값이 5인 경우, 5개의 위치 정보들(예를 들어, T, T-1, T-2, T-3, T-4 각각의 시점에 대응하는 위치 정보들)이 단말 위치 정보 집합에 포함될 수 있다.
현재 단말 위치(현재 시간 T에서의 위치)와 가장 과거 시점의 단말 위치(시각 T-(N-1)에서의 위치)간 거리는, 1.4m/s x 4s = 6.4(m)이다. 이러한 거리는 단말 위치 오차(약 5m) 보다 커서 단말의 이동 특성을 반영함으로, 이로부터 이동경로 방향을 추정할 수 있다. 또한 N 값이 5인 경우, 현재 시각 대비 최대 4초의 시간 지연된 위치 정보를 활용하게 되는데, 이때 발생되는 시간 지연에 따른 이동 경로 방향 추정 오차는, 일반적인 저속의 보행자의 운동 속도(예를 들어, 1.4m/s)를 고려할 때, 일반적인 위치 기반 서비스 활용 시 허용 가능한 수준이다. 본 발명의 실시 예에서는 단말 위치 오차 범위를 벗어나 운동 특성을 반영할 수 있는 최대값(Max)과, 허용 가능한 시간 지연에 따른 단말 이동 경로 방향추정 오차를 가지는 최소값(Min)을 고려하여, N 값을 "5"로 설정한 것을 예로 들지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
다음, 위에서 추정된 상대 방향 정보에 대한 모호성을 해소한다. 즉, 위치 정보들에 대한 일차 함수의 기울기 값을 기반으로 상대 방향 정보를 추정할 경우, 보행자 이동 방향이 전진 방향(θ1)인지 아니면 후진 방향(θ2) 인지가 명확하지 않은 모호성이 존재한다. 이를 해결하기 위해, 현재 및 과거 위치정보들에 대한 위치 변화량 벡터 방향(θpos _ diff)을 산출하고(S120), 이를 위의 단계(S110)에서 계산된 상대 방향 정보(θreg)와 비교하여 보행자의 이동 방향이 전진 방향(θ1) 또는 후진 방향(θ2)인지의 여부를 최종적으로 판단한다(S130).
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 상대 방향 정보에 대한 위치 변화량 벡터를 나타낸 예시도이다.
현재 및 과거 위치정보들의 위치 변화량 벡터는 다음과 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, T는 단말의 현재 시각을 나타낸다.
위의 수학식 1과 같이, 가장 과거 시각의 위치 정보와 현재 시각의 위치 정보의 변화 방향을 산출함으로써, 시간에 따른 단말의 이동 방향을 추정할 수 있다.
위와 같이, 위치 변화량 벡터(θpos _ diff)가 산출되면, 위치 변화량 벡터를 토대로 상대 방향 정보에 대한 이동 방향을 결정하여, 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보(θamb)를 획득한다. 상대 방향 정보(θamb)에 대한 방향 모호성을 해소하는 과정을 나타내면 다음과 같다.
Figure pat00002
상대 방향 정보(θamb)에 대하여, 현재 방향 모호성이 2가지 방향(전진 방향 또는 후진 방향)에만 존재하기 때문에, 참 방향 대비 ± 90도 범위 내에서 방향 모호성을 해결하면 된다. 따라서 위의 단계(S110)에서 계산된 상대 방향 정보(θreg: θ1 또는 θ2)와 현재 및 과거 위치 정보들의 위치 변화량 벡터 방향(θpos _ diff)의 차분 절대값(｜θreg - θpos_diff｜)이 설정 각도(예를 들어, 90도) 내에 존재하는 값(θ1 또는 θ2)을 상대 방향 정보(θamb)로 최종적으로 결정한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보를 결정하는 과정을 나타낸 예시도이다.
첨부한 도 7에, 현재 시각 T에서 단말의 위치가 ①인 경우(a)와, 현재 시각 T에서 단말의 위치가 ②인 경우(b)를 각각 도시하고 있다.
T-1, T-2, T-3, T-4의 각 시각에서 단말의 위치는 동일하며, 현재 시각 T에서의 단말의 위치에 따라 단말의 이동 경로 방향이 상반되게 설정될 수 있다.
현재 시각 T에서, 단말의 위치가 ①인 경우에는 위치 변화량 벡터 방향(θpos _ diff)과 상대 방향 정보를 토대로, 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보(θamb)는 도 7의 (a)와 같이 전진 방향인 것으로 결정된다.
한편, 현재 시각 T에서, 단말의 위치가 ②인 경우에는 위치 변화량 벡터 방향(θpos_diff)과 상대 방향 정보를 토대로, 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보(θamb)는 도 7의 (b)와 같이 후진 방향인 것으로 결정된다.
위에 기술된 바와 같이, 단말의 상대 방향 정보가 전진 방향인지 또는 후진 방향인지를 최종적으로 결정하여 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보가 획득된 다음에, 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보에 대하여 방향 무결성을 위한 다음과 같은 처리 과정이 수행될 수 있다.
무선랜 기반으로 획득되는 위치 정보는 잡음 특성이 크기 때문에 이러한 위치 정보들을 토대로 획득된 상대 방향 정보가 왜곡될 수 있다. 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보(θamb)가 일시적으로 잡음 특성이 큰 무선랜 기반 위치정보로 인해 왜곡되었을 때, 이를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예에서는 최대 무결성 허용 한도 내에서 왜곡된 상대 방향 정보를 필터링 해서 급격한 방향 전환이 발생하지 않도록 한다. 만약, 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보가 최대 무결성 허용 한도를 넘어서는 경우에는, 일시적인 방향 왜곡이 아닌 실제 방향 전환인 것으로 판단하여 해당 정보를 토대로 현재 방향 정보를 초기화한다(S140).
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라, 2가지 서로 다른 보행자 운동 시나리오에 대해서, 방향 무결성이 해결된 상대 방향 정보(θint)를 획득하는 것을 나타낸 예시도이다.
첫번째 보행자 운동 시나리오는 보행자가 한 방향으로 전진하는 경우이다. 이 경우, 실제 이동 경로 방향 정보는 일정하게 결정되어야 하지만, 실질적으로 획득되는 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보(θamb) 중 일부는 왜곡된 방향 정보를 제공한다. 즉, 잡음 특성이 큰 무선랜 기반 위치정보를 이용하여 방향을 추정하기 때문에 방향 모호성이 완전하게 해결되지 못하는 경우에 해당 상황이 발생할 수 있다. 이러한 경우, 방향 무결성 해결부(122)는 최대 무결성 허용 한도 내에서 방향 왜곡이 발생된 정보를 필터링한다. 본 발명의 실시 예에서는 최대 무결성 허용 한도를 "3"인 경우를 예로 하여 필터링을 수행하였으나, 이것에 한정되는 것은 아니다.
방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보가 최대 무결성 허용 한도내에 위치되는 경우에는 방향 왜곡이 발생한 것으로 판단하여 해당 정보를 필터링시킨다. 그리고 방향 모호성이 해결된 상대 방향 정보가 최대 무결성 허용 한도를 넘어서는 경우에는 실제 방향 전환인 것으로 판단하여, 해당 정보를 현재 방향 정보로 사용한다. 이러한 필터링을 통해 비정상적인 상대 방향 정보를 제거할 수 있다.
두번째 보행자 운동 시나리오는 보행자가 한 방향으로 전진하다가 후진하는 경우이다.
이 경우, 실제 방향 정보는 일정한 전진 방향 후 일정한 후진 방향인 것으로 추정되어야 한다. 그러나 첫번째 시나리오와 마찬가지 이유로 방향 모호성이 완전하게 해결되지 않은 방향 정보가 추정될 수 있다. 이를 극복하기 위해, 최대 무결성 허용 한도를 설정(예를 들어, 3)하고 필터링을 수행하면, 비정상적인 방향 정보는 제거되었지만 최대 무결성 허용 한도 내 지속시간(예를 들어, 위치가 약 1Hz로 획득되는 경우, 지속 시간은 3초에 해당됨)만큼 시간 지연이 발생할 수 있다. 따라서 최대 무결성 허용 한도는 해당 측위 기술 또는 위치 기반 서비스에서 허용 가능한 시간 지연 범위 내에서 설정되는 것이 좋다. 이를 통해 보다 정확한 방향 정보를 제공할 수 있다.
도 8에서 화살표는 상대 방향 정보를 나타내며, 실선으로 표시된 화살표는 무결성 문제가 발생하지 않는 방향을 나타내고, 굵은 실선으로 표시된 화살표는 무결성 문제가 발생하는 경우, 해결 전 방향을 나타내며, 점선으로 표시된 화살표는 무결성 문제가 발생하는 경우, 해결 후 방향을 나타낸다.
첫번째 보행자 운동 시나리오에 따라, 방향 무결성이 해결되기 전의 상대 방향 정보가 도 8의 (a)와 같이 주어질 경우, 2회의 전진 방향을 나타내다가 후진 방향을 나타내는 경우에는, 후진 방향을 나타내는 정보가 최대 무결성 허용 한도 내에 위치되어 방향 왜곡이 발생한 것으로 판단하여, 해당 후진 방향 정보를 필터링하여 제거하고 전진 방향으로 처리한다. 이와 같이 상대 방향 정보가 최대 무결성 한도 내에 해당하는 횟수로 동일한 방향을 나타내다가 다른 방향을 나타내는 경우에는, 다른 방향을 나타내는 해당 정보가 왜곡된 정보인 것으로 판단하여 제거한다. 이러한 필터링 처리 후, 전진 방향과 후진 방향이 포함된 무결성 해결전 상대 방향 정보들에 대한 왜곡을 제거하여, 모두 전진 방향으로 판단되는 무결성이 해결된 상대 방향 정보들이 획득된다.
또한, 두번째 보행자 운동 시나리오에 따라, 방향 무결성이 해결되기 전의 상대 방향 정보가 도 8의 (b)와 같이 주어질 경우에도 위에 기술된 바와 같이 최대 무결성 허용 한도 내에 위치되는 방향 정보들을 제거한다. 그리고 무결성 해결전 상대 방향 정보가 4회나 후진 방향을 나타내는 경우에는, 실질적인 방향 전환이 발생한 것으로 판단하여, 해당 방향이 후진 방향인 것으로 판단한다. 이와 같이, 상대 방향 정보가 최대 무결성 한도를 벗어나는 횟수로 동일한 방향을 나타내다가 다른 방향을 나타내는 경우에는, 다른 방향을 나타내는 해당 정보가 왜곡이 없는 정보인 것으로 판단하여 방향 정보로 사용한다. 이러한 필터링 처리 후, 상대 방향 정보들에 대한 왜곡이 제거된 무결성이 해결된 상대 방향 정보들이 획득된다.
위의 과정을 통하여, 방향 무결성이 해결된 상대 방향 정보(θint)가 획득되면, 절대 방향 추정부(124)는 상대 방향 정보(θint)를 절대 방향 정보로 변환한다(S150).
상대 방향 정보는 임의의 좌표계에 대해서 계산된 단말의 이동 경로 방향을 나타내는데, 예를 들어 2차원 실내지도의 경우, 실내지도 내 기준 좌표계(X-Y축)를 설정하고, X축에 대한 반시계 방향으로 단말 이동 경로의 상대 방향 정보(θ)를 계산할 수 있다. 하지만 기준 좌표계가 다른 타 실내지도나 전역 지도상에 동일한 단말 이동 경로를 표시하기 위해서는, 정북 기준 반시계 방향으로 정의된 방위각 정보와 같은 절대 방향 정보(Φ)로의 전환이 필요하다. 이에 따라, 실내 지도 내 속성정보(예: 실내지도 좌표계의 Y축과 정북(True North)간 방향 차이값)나 기타 보조 정보를 활용하여 회전 변환 연산을 수행하여, 상대 방향 정보를 절대 방향 정보(예: 방위각)로 전환한다. 이러한 절대 방향 정보가 단말의 이동 경로 방향으로 최종 결정된다.
한편, 위의 과정을 통하여 획득한 절대 방향 정보에 대하여 필터링을 수행하고, 필터링된 절대 방향 정보를 획득할 수 있다(S160). 이 단계는 선택적으로 수행될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 절대 방향 정보 필터링 과정을 나타낸 도이다.
방향 필터링부(140)는 방향 추정부(120)의 절대 방향 추정부(124)로부터 전달되는 절대 방향 정보 즉, 원시 방향 정보(ΦRaw)에 대하여 칼만 필터링 또는 칼만 스무딩 등의 처리를 수행하여 필터링된 절대 방향 정보(ΦFiltered)를 출력한다. 필터링된 절대 방향 정보(ΦFiltered)이 최종적으로 단말의 이동 경로 방향으로 사용될 수 있다.
위에 기술된 바와 같이, 최종적으로 단말의 이동 경로 방향이 결정된 다음에, 결정된 이동 경로 방향을 토대로 단말의 위치를 보정한다(170).
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 단말 위치 보정 과정을 나타낸 도이다.
단말 위치 보정부(130)는 과거에 획득한 절대 방향 정보(원시 절대 방향 정보 또는 필터링된 절대 방향 정보) 및 연속된 과거 위치 정보를 이용하여 현재 위치 정보를 보정한다. 본 발명의 실시 예에 따른 위치 보정 과정을 알고리즘으로 나타내면 다음과 같다.
Figure pat00003
현재 시각 T에 획득한 절대 방향 정보({ΦRaw}T 또는 {Φfiltered}T)에 대한 방향 벡터 (
Figure pat00004
)를 획득하고, 과거에 획득한 절대 방향 정보({ΦRaw}T-1 또는 {Φfiltered}T-1)를 토대로, 이전 필터링 위치 대비 위치 변화량 벡터 (
Figure pat00005
), 즉 이전 필터링 위치와 현재 시각의 방향 매칭된 단말위치간 벡터를 획득한다. 그리고, 연속된 위치 정보((Xdev, Ydev)k, {Xdev, Ydev}k-1)들에 대한 위치 변화량 벡터 즉, 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터(
Figure pat00006
)를 획득한다.
방향 정보 기반으로 단말 위치 정보를 보정하기 위한 조건문들은 다음과 같다.
조건문 1에서는 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터(
Figure pat00007
)와 방향 벡터(
Figure pat00008
)의 내적값을 토대로 위치를 보정한다.
구체적으로, 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터(
Figure pat00009
)와 방향 벡터 (
Figure pat00010
)의 내적값(
Figure pat00011
·
Figure pat00012
)이, 양수나 "0"의 값을 가지는 경우, 측정 위치 변화 방향과 계산된 방향의 상관성이 존재한다고 판단하여, 측정된 위치와 방향이 신뢰성 있는 정보인 것으로 최종 결정한다. 이 경우, 조건문 2의 조건에 따라 최종 필터링된 단말 위치를 계산한다. 여기서 필터링된 단말 위치는 보정 처리된 단말 위치를 나타낸다.
반면, 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터(
Figure pat00013
)와 방향 벡터 (
Figure pat00014
)의 내적값(
Figure pat00015
·
Figure pat00016
)이 음수인 경우에는, 측정 위치 변화 방향과 계산된 방향의 상관성이 존재하지 않는 것으로 판단하여, 측정된 위치와 방향이 신뢰성 있는 정보가 아닌 것으로 최종 결정한다. 이때, 최종 필터링된 단말 위치는 이전 시각의 필터링된 위치를 사용한다. 즉, 최종적인 현재 단말 위치 정보로 이전 시각(예를 들어, T-1)에 획득하여 이동 경로 방향에 따라 보정 처리되었던 단말 위치 정보를 사용한다.
한편, 조건문 2에서는 이전 필터링 위치 대비 위치변화량 벡터(
Figure pat00017
)와 방향 벡터(
Figure pat00018
)의 내적값을 토대로 위치를 보정한다.
조건문 1에서 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터(
Figure pat00019
)와 방향 벡터 (
Figure pat00020
)의 내적값(
Figure pat00021
·
Figure pat00022
)이 양수나 "0"의 값을 가지면서, 동시에 이전 필터링 위치 대비 위치변화량 벡터(
Figure pat00023
)와 방향 벡터(
Figure pat00024
)의 내적값(
Figure pat00025
)이 양수나 "0"의 값을 가지는 경우, 필터링 위치 변화 방향과 계산된 방향의 상관성이 존재한다고 판단하여, 필터링 위치와 방향을 신뢰성 있는 정보인 것으로 최종 결정한다. 이 때, 단말 위치의 불안정성을 완화하기 위해 최종 필터링된 단말 위치는 방향 매칭된 위치를 사용한다. 여기서, 방향 매칭된 위치는 현재 단말 방향 벡터 (
Figure pat00026
)과 현재 단말 위치 정보(
Figure pat00027
)를 매칭한 위치를 나타낸다.
한편, 조건문 1에서 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터(
Figure pat00028
)와 방향 벡터 (
Figure pat00029
)의 내적값(
Figure pat00030
·
Figure pat00031
)이 양수나 "0"의 값을 가지면서, 동시에 이전 필터링 위치 대비 위치변화량 벡터(
Figure pat00032
)와 방향 벡터(
Figure pat00033
)의 내적값(
Figure pat00034
)이 음수인 경우, 필터링 위치 변화 방향과 계산된 방향의 상관성이 존재하지 않다고 판단하여, 필터링 위치와 방향이 신뢰성 있는 정보가 아닌 것으로 최종 결정한다. 이때, 최종 필터링된 단말 위치로 이전 시각의 필터링된 위치를 사용한다.
위에 기술된 바와 같은 조건문들을 토대로 위치 보정 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예에서, 방향 정보 기반으로 단말 위치 정보를 보정하기 위한 조건문들에 따른 단말 위치 정보 보정 원리를 나타낸 도이다.
위의 조건문들에 따라 단말 위치 정보를 보정하는 경우가 두가지 존재한다.
첫번째 보정 예는, 측정 위치 변화량과 계산된 방향 정보의 상관성이 존재하면서(
Figure pat00035
), 동시에 필터링 위치 변화 방향과 계산된 방향 정보의 상관성도 존재하는 경우(
Figure pat00036
)이다. 즉, 조건문 1과 조건문 2에 따라 해당하는 내적값들이 양수 또는 "0"의 값을 가지는 경우이다. 도 11에 첫번째 보정예가 도시되어 있다. 도 11의 보정예서와 같이, 시각 K에 측정된 단말 위치에 대하여 위의 단계(S150)에서 획득한 단말의 이동 경로 방향이 매칭되어 획득한 K 시각의 방향 매칭된 위치를, 최종 필터링된 단말 위치로 사용한다.
두 번째 보정 예는, 측정 위치 변화량과 계산된 방향정보의 상관성이 존재하지 않거나(
Figure pat00037
) 존재하더라도 동시에 필터링 위치변화 방향과 계산된 방향정보의 상관성이 존재하지 않는 경우(
Figure pat00038
)이다. 즉, 조건문 1에 따른 내적값이 양수 또는 "0"의 값을 가지거나 또는 음수인데, 조건문 2에 따른 내적값이 음수인 경우이다. 도 12에 두번째 보정예가 도시되어 있다. 이 경우, 최종 필터링된 단말 위치는 이전 시각의 필터링된 위치를 사용한다. 즉, 도 12의 보정예서와 같이, 이전 시각 K-1에서 획득되었던 필터링된 단말 위치를, 현재 시각 K에 대한 최종 필터링된 단말 위치로 사용한다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 결정된 단말의 방향 정보를 이용하여, 원시 위치 정보(여기서 원시 위치 정보는 보정 처리되지 않은 위치 정보를 나타낸다)가 결정된 방향에 존재하는 경우에는 해당 원시 위치 정보를 결정된 방향으로 매칭시키고, 원시 위치 정보가 결정된 방향에서 크게 벗어난 경우 원시 위치정보를 제거하는 방향으로의 보정을 수행하여, 신뢰성 있는 단말의 위치 정보를 제공할 수 있다.
도 13은 위에 기술된 바와 같은 단말 위치 보정 과정을 토대로, 임의의 연속적인 단말 위치들에 대해서, 방향 정보 기반 단말 위치 정보 보정을 수행하는 과정을 나타낸 도이다.
실선으로 표시된 원은 원시 측정된 단말 위치를 나타내고, 점선으로 표시된 원은 필터링된 단말 위치를 나타낸다. 또한 원 내의 숫자가 N인 경우, N번째 단말 위치를 의미하며, 굵은 화살표는 계산된 원시 또는 필터링된 방향 정보를 나타낸다. 도 13에서 4번째 단말 위치부터 방향이 결정되었다고 가정하자. 4번째 필터링된 단말 위치는 이전 필터링된 위치가 없기 때문에 현재 단말 위치로 결정된다. 이어 연속적으로 5번째부터 8번째까지 연속적으로 필터링된 단말 위치가 조건문1과 조건문 2를 토대로 결정된다. 구체적으로, 5번째 필터링된 단말 위치는 조건문 1이 양수이며 조건문 2가 양수이기 때문에 방향 매칭된 위치로 결정된다. 6번째 필터링된 위치는 조건문 1이 음수이기 때문에, 이전 필터링된 위치로 결정된다. 그리고 7번째와 8번째 필터링된 단말 위치는 조건문1이 양수이고 조건문 2가 양수이기 때문에 방향 매칭된 위치로 결정된다.
이러한 방향 정보 기반으로 단말 위치 정보 보정을 수행한 경우 다음과 같은 성능 향상을 제공할 수 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 방향 결정 및 위치 보정 방법에 따른 측위 성능을 나타낸 그래프이다.
도 14 및 도 15에서는 미리 설정된 시험 경로를 따라 보행자가 이동 후 다시 되돌아오는 시나리오에, 본 발명의 실시 예에 따른 방법을 적용한 경우이다. 특히, 도 14는 정방향 이동하는 경우를 나타낸 도이며, 도 15는 도 14의 정방향과 반대인 역방향으로 되돌아 오는 경우를 나타낸다. 도 14 및 도 15에서, 녹색점은 방향 정보 기반으로 위치 보정을 수행하기 전의 위치값을 나타내며, 파란색 점은 위치 보정을 수행한 후의 위치값을 나타낸다.
첨부한 도 14 및 도 15를 보면, 본 발명의 실시 예에 따라 방향 기반의 단말 위치 보정을 수행한 결과, 참 위치 대비 앞뒤로 반복적으로 점프하는 측위 오차가 크게 감소됨을 알 수 있다. 또한 전체적으로 실제 이동 방향으로만 단말 위치가 추정됨으로써, 단말 사용자가 급격한 위치 오차(예: 앞뒤로 흔들림 등)로 인해 느끼는 피로감을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에서, 원시 절대 방향 정보를 필터링 또는 스무딩을 통해 필터링된 절대 방향 정보를 사용할 경우, 잡음 특성이 완화된다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 잡음이 완화된 절대 방향 정보 특성을 나타낸 그래프이다.
도 16에, 정해진 경로를 이동 후 다시 되돌아 오는 시험 경로에 대한 방향 필터링 성능을 도시하였다. 도 16에서, 녹색점은 원시 절대 방향 정보를 의미하며, 붉은색(Kalman smoothing 적용) 또는 파란색(Kalman recursive smoothing 적용)점은 방향 필터링부를 통하여 필터링된 절대 방향 정보를 나타낸다. 필터링 과정을 통하여, 보다 비정상적이며 잡음 특성이 큰 방향 정보를 제거함으로써, 보다 연속적인 방향 정보를 단말 사용자에게 제공할 수 있다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따르면, 지자기계, 자이로스코프 등 방향정보를 제공하는 센서가 없는 단말도 이동 경로 방향(heading)을 계산할 수 있다. 또한 단말의 현재 및 과거 위치 정보만을 활용하기 때문에, 무선 통신 인프라 종류(GNSS, 셀룰러, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, RFID, UWB 등) 및 측위방법(Weighted Centroid, Trilateration, Fingerprinting 등)에 무관하게, 단말의 이동 방향을 결정하는 서비스에 활용할 수 있다. 또한, 결정된 단말의 방향 정보를 이용하여 큰 분산을 가지는 무선랜 기반 원시 위치 정보를 보정함으로써, 단말 사용자에게 보다 연속적이고 안정된 위치정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 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.

Claims (17)

  1. 단말의 이동 경로 방향을 결정하고 위치를 보정하는 방법에서,
    단말의 위치 정보들을 획득하고, N 개의 위치 정보들을 토대로 상대 방향 정보를 추정하는 단계;
    상기 추정된 상대 방향 정보가 전진 방향인지 후진 방향인지를 결정하여 방향 모호성이 해결된 제1 상대 방향 정보를 획득하는 단계;
    상기 제1 상대 방향 정보로부터 왜곡 정보를 제거하여 방향 무결성이 해결된 제2 상대 방향 정보를 획득하는 단계;
    상기 제2 상대 방향 정보를 절대 방향 정보로 전환하여, 단말의 이동 경로 방향을 획득하는 단계; 및
    상기 단말의 이동 경로 방향을 토대로 단말의 위치 정보를 보정하는 단계
    를 포함하는, 단말의 이동 경로 방향 및 위치 보정 방법.
  2. 제1항에 있어서
    상기 상대 방향 정보를 추정하는 단계는,
    현재 단말 위치 정보와 과거 단말 위치 정보를 포함하는 N 개의 위치 정보들에 대하여 일차 함수를 산출하는 단계; 및
    상기 일차 함수의 기울기 값을 토대로 상대 방향 정보를 추정하는 단계
    를 포함하는, 단말의 이동 경로 방향 및 위치 보정 방법.
  3. 제2항에 있어서
    상기 N은 상대 방향 정보 추정시 사용되는 위치 정보의 총 개수를 나타내며, 상기 N은 단말 위치오차 범위를 벗어나 운동 특성을 반영할 수 있는 최대값과, 허용 가능한 시간 지연에 따른 단말 이동 경로 방향추정 오차를 가지는 최소값을 토대로 설정되는, 단말의 이동 경로 방향 및 위치 보정 방법.
  4. 제1항에 있어서
    상기 제1 상대 방향 정보를 획득하는 단계는
    상기 N 개의 위치 정보들에 대한 위치 변화량 벡터 방향을 산출하는 단계;
    상기 추정된 상대 방향 정보와 상기 위치 변화량 벡터 방향을 토대로 비교값을 획득하는 단계; 및
    상기 비교값을 설정 각도와 비교하여, 상기 비교값이 설정 각도 이내에 존재하는 경우에, 상기 추정된 상대 방향 정보를 상기 제1 상대 방향 정보로 사용하는 단계
    를 포함하는, 단말의 이동 경로 방향 및 위치 보정 방법.
  5. 제4항에 있어서
    상기 비교값은, 상기 추정된 상대 방향 정보와 상기 위치 변화량 벡터 방향의 차이값의 절대값인, 단말의 이동 경로 방향 및 위치 보정 방법.
  6. 제4항에 있어서
    상기 제2 상대 방향 정보를 획득하는 단계는
    상기 제1 상대 방향 정보가 미리 설정된 최대 무결성 허용 한도내에 해당하는 횟수로 동일한 방향을 나타내다가 다른 방향을 나타내는 경우에는, 다른 방향을 나타내는 제1 상대 방향 정보는 왜곡된 정보인 것으로 판단하여 제거하는 단계; 및
    상기 제1 상대 방향 정보가 미리 설정된 최대 무결성 허용 한도를 벗어나는 횟수로 동일한 방향을 나타내다가 다른 방향을 나타내는 경우에는, 다른 방향을 나타내는 제1 상대 방향 정보는 왜곡이 없는 정보인 것으로 판단하여 방향 정보로 사용하는 단계
    를 포함하는, 단말의 이동 경로 방향 및 위치 보정 방법.
  7. 제1항에 있어서
    상기 단말의 이동 경로 방향을 획득하는 단계 이후에,
    상기 제2 상대 방향 정보를 전환하여 획득한 절대 방향 정보를 원시 절대 방향 정보라고 할 때, 상기 원시 절대 방향 정보를 필터링하여 필터링된 절대 방향 정보를 획득하는 단계
    를 더 포함하는, 단말의 이동 경로 방향 및 위치 보정 방법.
  8. 제7항에 있어서
    상기 필터링된 절대 방향 정보를 획득하는 단계는, 상기 원시 절대 방향 정보에 대하여 칼만 필터링 또는 칼만 스무딩의 처리를 수행하여 상기 필터링된 절대 방향 정보를 획득하는, 단말의 이동 경로 방향 및 위치 보정 방법.
  9. 제1항에 있어서
    상기 단말의 위치 정보를 보정하는 단계는,
    현재 획득한 단말의 위치 정보를 원시 위치 정보라고 할 때, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하는 경우에는, 상기 원시 위치 정보에 상기 단말의 이동 경로 방향을 매칭하여 보정된 위치 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하지 않는 경우에는, 상기 원시 위치 정보를 제거하고 이전에 획득한 단말의 위치 정보를 현재 단말 위치 정보로 사용하는 단계
    를 포함하는, 단말의 이동 경로 방향 및 위치 보정 방법.
  10. 제9항에 있어서
    과거에 획득한 절대 방향 정보와 연속된 과거 위치 정보를 이용하여, 이전 필터링 위치 대비 위치 변화량 벡터, 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터, 그리고 방향 벡터를 획득하는 단계;
    상기 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 양수나 "0"의 값을 가지거나, 상기 이전 필터링 위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 양수나 "0"의 값을 가지는 경우, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하는 것으로 판단하는 단계; 및
    상기 이전 필터링 위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 음수의 값을 가지는 경우, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하지 않는 것으로 판단하는 단계
    를 더 포함하는, 단말의 이동 경로 방향 및 위치 보정 방법.
  11. 단말의 측위 장치에서,
    단말의 위치 정보들을 획득하는 단말 위치 정보 획득부;
    상기 단말 위치 정보 획득부로부터 제공되는 N 개의 위치 정보들을 토대로 상대 방향 정보를 추정하고, 추정된 상대 방향 정보를 토대로 단말의 이동 경로 방향을 획득하는 방향 추정부;
    상기 단말의 이동 경로 방향을 토대로 단말의 위치 정보를 보정하는 위치 정보 보정부
    를 포함하며,
    상기 방향 추정부는
    상기 추정된 상대 방향 정보가 전진 방향인지 후진 방향인지를 결정하여 방향 모호성이 해결된 제1 상대 방향 정보를 획득하는 방향 모호성 해결부;
    상기 제1 상대 방향 정보로부터 왜곡 정보를 제거하여 방향 무결성이 해결된 제2 상대 방향 정보를 획득하는 방향 무결성 해결부; 그리고
    상기 제2 상대 방향 정보를 절대 방향 정보로 전환하여, 단말의 이동 경로 방향을 획득하는 절대 방향 추정부
    를 포함하는, 측위 장치.
  12. 제11항에 있어서
    상기 방향 추정부는
    현재 단말 위치 정보와 과거 단말 위치 정보를 포함하는 N 개의 위치 정보들에 대하여 일차 함수를 산출하고, 상기 일차 함수의 기울기 값을 토대로 상대 방향 정보를 추정하는 상대 방향 추정부를 더 포함하는, 측위 장치.
  13. 제11항에 있어서
    상기 방향 모호성 해결부는
    상기 N 개의 위치 정보들에 대한 위치 변화량 벡터 방향과 상기 추정된 상대 방향 정보를 토대로 한 비교값--상기 비교값은 상기 추정된 상대 방향 정보와 상기 위치 변화량 벡터 방향의 차이값의 절대값임--이 설정 각도 이내에 존재하는 경우에, 상기 추정된 상대 방향 정보를 상기 제1 상대 방향 정보로 사용하는, 측위 장치.
  14. 제11항에 있어서
    상기 방향 무결성 해결부는
    상기 제1 상대 방향 정보가 미리 설정된 최대 무결성 허용 한도내에 해당하는 횟수로 동일한 방향을 나타내다가 다른 방향을 나타내는 경우에는, 다른 방향을 나타내는 제1 상대 방향 정보는 왜곡된 정보인 것으로 판단하여 제거하고,
    상기 제1 상대 방향 정보가 미리 설정된 최대 무결성 허용 한도를 벗어나는 횟수로 동일한 방향을 나타내다가 다른 방향을 나타내는 경우에는, 다른 방향을 나타내는 제1 상대 방향 정보는 왜곡이 없는 정보인 것으로 판단하여 방향 정보로 사용하는, 측위 장치.
  15. 제11항에 있어서
    상기 제2 상대 방향 정보를 전환하여 획득한 절대 방향 정보를 원시 절대 방향 정보라고 할 때, 상기 원시 절대 방향 정보를 필터링하여 필터링된 절대 방향 정보를 획득하는 방향 필터링부
    를 더 포함하는, 측위 장치.
  16. 제11항에 있어서
    상기 위치 정보 보정부는,
    현재 획득한 단말의 위치 정보를 원시 위치 정보라고 할 때, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하는 경우에는, 상기 원시 위치 정보에 상기 단말의 이동 경로 방향을 매칭하여 보정된 위치 정보를 획득하고,
    상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하지 않는 경우에는, 상기 원시 위치 정보를 제거하고 이전에 획득한 단말의 위치 정보를 현재 단말 위치 정보로 사용하는, 측위 장치.
  17. 제16항에 있어서
    상기 위치 정보 보정부는
    과거에 획득한 절대 방향 정보와 연속된 과거 위치 정보를 이용하여, 이전 필터링 위치 대비 위치 변화량 벡터, 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터, 그리고 방향 벡터를 획득하고,
    상기 이전 측정위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 양수나 "0"의 값을 가지거나, 상기 이전 필터링 위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 양수나 "0"의 값을 가지는 경우, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하는 것으로 판단하고,
    상기 이전 필터링 위치 대비 위치변화량 벡터와 방향 벡터의 내적값이 음수의 값을 가지는 경우, 상기 원시 위치 정보가 상기 단말의 이동 경로 방향에 존재하지 않는 것으로 판단하는, 측위 장치.




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