WO2014109472A1 - 위치 확인 시스템 및 방법 - Google Patents

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WO2014109472A1
WO2014109472A1 PCT/KR2013/010230 KR2013010230W WO2014109472A1 WO 2014109472 A1 WO2014109472 A1 WO 2014109472A1 KR 2013010230 W KR2013010230 W KR 2013010230W WO 2014109472 A1 WO2014109472 A1 WO 2014109472A1
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WO
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signal
frequency
monitoring
monitoring devices
positioning object
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Application number
PCT/KR2013/010230
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Inventor
이흥수
Original Assignee
Lee Heung Soo
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/06—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements
    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S2205/01—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations specially adapted for specific applications
    • G01S2205/03—Airborne

Definitions

  • the present invention relates to a positioning system and method.
  • LBS location based services
  • LDT location detection technology
  • AOA angle of arrival
  • TOA Time of Arrival
  • TOA Time of Arrival
  • TDOA Time Difference Of Arrival
  • A-GPS Assisted-Global Positioning System
  • A-GPS is the most used as the location determination technology (LDT) because it has the best accuracy, but at least 4 GPS satellites are required, so in the shadow area where 4 satellites are not secured, the desired service requirements are required.
  • LDT location determination technology
  • a hybrid GPS technique that additionally uses a relative delay time (TDOA) technique or a cell ID technique is used according to the number of base stations that a user can secure.
  • TDOA relative delay time
  • cell ID technique is used according to the number of base stations that a user can secure.
  • the collection device cannot receive and process the signals received from the signal source at the same time.
  • TOA arrival delay time
  • TDOA relative delay time
  • the predetermined signal is received and the position is confirmed. If it does not meet, there was a problem that can not determine the location of the signal source.
  • Korean Laid-Open Patent Publication No. 2007-0006726 discloses a method for measuring a position by reconstructing an original signal (impulse), but it has been cumbersome to reconstruct the original signal, resulting in a large amount of computation and a large system. There was a problem that the speed is slowed down.
  • the present invention provides a positioning system and method that can determine the position of the signal source using a signal generated from the signal source when the signal from the signal source satisfies the minimum condition for positioning even when the signal of the signal source is not a predetermined signal. It is to.
  • the positioning system for detecting the signal generated by the positioning object to calculate the position, detecting the signal generated by the positioning object to generate a detection signal of the time domain A plurality of monitoring devices; And a signal processing unit for converting the sensing signals received from the plurality of monitoring devices into frequency domain signals, and calculating a phase difference between the plurality of monitoring devices by comparing phases for each frequency, and comparing the phase differences between the plurality of monitoring devices.
  • a position calculating device including a signal calculating unit for calculating a signal arrival time difference of a signal and a position calculating unit for estimating a position of the positioning target object using the signal reaching time difference and the positions of the plurality of monitoring devices.
  • the signal processor may separate the detection signal of the time domain having the same collection time for each frequency, and perform phase measurement for each frequency to convert the signal into the frequency domain signal.
  • the signal processor may convert the detection signal in the time domain having the same acquisition time into the frequency domain signal through a fast Fourier transform (FFT).
  • FFT fast Fourier transform
  • the signal calculating unit may calculate the phase difference by selecting a frequency band having a data matching ratio of a predetermined ratio or more between detection signals converted into the frequency domain signal and comparing the phases.
  • the signal calculator may calculate the signal arrival time difference from a correlation between the phase difference and a predetermined frequency band.
  • Each of the plurality of monitoring devices may initiate detection of a signal generated by the positioning object by a positioning check start command transmitted from another monitoring device or the position calculating device.
  • the position calculating unit calculates a distance difference between the positioning object and the plurality of monitoring apparatuses by using the signal reaching time difference and the traveling speed of the signal generated by the positioning object, and using the distance difference. After obtaining a plurality of hyperbolas focusing on the position of the monitoring device, the intersection can be estimated as the position of the positioning object.
  • a positioning system for detecting a signal generated by a positioning object and calculating its position, generating a detection signal in a time domain by detecting a signal generated by the positioning object.
  • a plurality of monitoring devices for converting the sensed signals into frequency domain signals;
  • a signal calculator configured to receive the frequency domain signals from the plurality of monitoring devices, compare phases for each frequency, calculate phase differences between the plurality of monitoring devices, and calculate signal arrival time differences between the plurality of monitoring devices.
  • a position calculating unit including a position calculating unit for estimating the position of the positioning target object by using the signal arrival time difference and the positions of the plurality of monitoring apparatuses.
  • the plurality of monitoring devices convert the detection signal of the time domain having the same collection time into the frequency domain signal, wherein the frequency domain signal includes at least one of a frequency, a phase for each frequency, and a signal size for each frequency included in the detection signal. It may include.
  • the signal calculating unit may calculate the phase difference by selecting a frequency band having a data matching ratio of a predetermined ratio or more between detection signals converted into the frequency domain signal and comparing the phases.
  • the signal calculator may calculate the signal arrival time difference from a correlation between the phase difference and a predetermined frequency band.
  • Each of the plurality of monitoring devices may initiate detection of a signal generated by the positioning object by a positioning check start command transmitted from another monitoring device or the position calculating device.
  • the position calculating unit calculates a distance difference between the positioning object and the plurality of monitoring apparatuses by using the signal reaching time difference and the traveling speed of the signal generated by the positioning object, and using the distance difference. After obtaining a plurality of hyperbolas focusing on the position of the monitoring device, the intersection can be estimated as the position of the positioning object.
  • a positioning system for detecting a signal generated by a positioning object and calculating its position, detecting a signal generated by the positioning object to measure a reference frequency and a reference phase.
  • a first monitoring device for outputting a reference signal comprising;
  • a plurality of second monitoring devices for detecting a signal generated by the positioning object and calculating a phase difference with the first monitoring device as a result of comparing with the reference signal;
  • a signal calculating unit that calculates a signal arrival time difference between the first monitoring device and the plurality of second monitoring devices from the phase difference, the signal arrival time difference, and positions of the first monitoring device and the plurality of second monitoring devices.
  • a position calculation system is provided that includes a position calculation device including a position calculation unit for estimating the position of the positioning object by using the position calculation unit.
  • the first monitoring device and the plurality of second monitoring devices may output and calculate the reference signal and the phase difference by converting a sensing signal of a time domain having the same collection time into a frequency domain.
  • the signal calculator may calculate the signal arrival time difference from a correlation between the phase difference and the reference frequency.
  • Each of the first monitoring device and the plurality of second monitoring devices may initiate detection of a signal generated by the positioning object by a positioning check start command transmitted from another monitoring device or the position calculating device.
  • the position calculating unit uses the signal arrival time difference and the moving speed of the signal generated by the positioning object to determine the distance between the positioning object and the first monitoring device, and the positioning object and the plurality of second monitoring devices. Calculate the difference between the distances to any one of them, and obtain a plurality of hyperbolas that focus on any one position of the first monitoring device and the plurality of second monitoring devices using the difference of the distances, and then calculate the intersection point. It can be estimated by the position of the positioning object.
  • the signal generated by the positioning object may be at least one of vibration, sound, light, heat, electric signals, and radio waves.
  • a method for calculating the position of the positioning object in a position calculating device that communicates via a network with a plurality of monitoring devices for detecting a signal generated by the positioning object and performing the same A record carrier on which a program is described is provided.
  • a position calculation method includes: (a) converting a detection signal in a time domain received from the plurality of monitoring devices into a frequency domain signal; (b) calculating phase differences between the plurality of monitoring devices by comparing phases between the detection signals converted into the frequency domain signals; (c) calculating a signal arrival time difference between the plurality of monitoring devices from the phase difference; And (d) estimating the position of the positioning object by using the signal reaching time difference and the positions of the plurality of monitoring devices.
  • the step (a) may include separating the sensing signals of the time domain having the same collection time for each frequency and performing phase measurement for each frequency.
  • a fast Fourier transform may convert the detection signal of the time domain having the same acquisition time into the frequency domain signal.
  • the phase difference may be calculated by comparing phases with respect to a frequency band in which a data matching ratio between the detection signals converted into the frequency domain signal is equal to or greater than a predetermined ratio.
  • the signal arrival time difference may be calculated from a correlation between the phase difference and a predetermined frequency band.
  • the step (d) may include calculating a distance difference between the positioning object and the plurality of monitoring apparatuses using the signal arrival time difference and the traveling speed of the signal generated by the positioning object, and the distance difference. And obtaining a hyperbolic curve focusing on the positions of the plurality of monitoring devices, and calculating a plurality of hyperbolic curves and estimating their intersection points as the positions of the positioning object.
  • a position calculation method includes: (a) comparing phases between detection signals converted from a plurality of monitoring devices into frequency domain signals to calculate phase differences between the plurality of monitoring devices; (b) calculating a signal arrival time difference between the plurality of monitoring devices from the phase difference; And (c) estimating the position of the positioning object by using the signal arrival time difference and the positions of the plurality of monitoring devices.
  • step (a) Before the step (a), at each of the plurality of monitoring devices, (i) detecting a signal generated by the positioning object; (ii) generating the frequency domain signal by converting a detection signal having the same collection time among the detected signals from a time domain to a frequency domain.
  • the phase difference may be calculated by comparing phases with respect to a frequency band in which a data matching ratio between the detection signals converted into the frequency domain signal is equal to or greater than a predetermined ratio.
  • the signal arrival time difference may be calculated from a correlation between the phase difference and a predetermined frequency band.
  • the step (c) may include calculating a distance difference between the positioning object and the plurality of monitoring apparatuses using the signal arrival time difference and the traveling speed of the signal generated by the positioning object, and the distance difference. And obtaining a hyperbolic curve focusing on the positions of the plurality of monitoring devices, and calculating a plurality of hyperbolic curves and estimating their intersection points as the positions of the positioning object.
  • a method for calculating a position of the positioning object by detecting a signal generated by the positioning object in a position calculating system and a recording medium on which a program for performing the same is recorded.
  • a method of calculating a position may include: (a) generating a reference signal including a reference frequency and a reference phase by detecting a signal generated by a positioning object in a first monitoring device; (b) detecting a signal generated by the positioning object in a plurality of second monitoring devices and calculating a phase difference with the first monitoring device as a result of comparing with the reference signal; (c) calculating a signal arrival time difference between the first monitoring device and the plurality of second monitoring devices from the phase difference in a position calculating device; And (c) estimating the position of the positioning object by using the signal arrival time difference and the positions of the first monitoring device and the plurality of second monitoring devices.
  • the step (a) may include: (a1) generating a detection signal of a time domain by detecting a signal generated by a positioning object in the first monitoring device; (a2) converting the sense signal in the time domain into a frequency domain signal; And (a3) selecting the reference frequency as a reference among the frequency domain signals, and setting a phase at the reference frequency as a reference phase.
  • the step (b) may include: (b1) generating a detection signal by detecting signals generated by the positioning object in the plurality of second monitoring devices; (b2) converting the sense signal in the time domain into a second frequency domain signal; And (b3) calculating a phase difference from the first monitoring device by comparing the reference signal transmitted from the first monitoring device and the phase of each frequency of the second frequency domain signal.
  • the signal arrival time difference may be calculated from a correlation between the phase difference and a reference frequency.
  • the step (d) may include the distance between the positioning object and the first monitoring device and the positioning object and the plurality of agents by using the signal arrival time difference and the traveling speed of the signal generated by the positioning object. Calculating a difference of distances to any one of the two monitoring devices; using the difference of the distances, using the position of the first monitoring device as one focal point, and setting the position of any one of the plurality of second monitoring devices.
  • the method may include obtaining a hyperbola having a different focal point, and obtaining a plurality of hyperbolas for different second monitoring devices and estimating the intersection point as the position of the positioning object.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a positioning system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a monitoring device and a position calculating device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an exemplary view showing a positioning method in a positioning system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a monitoring device and a position calculating device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a monitoring device and a position calculating device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flow chart of a positioning method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart of a positioning method according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flow chart of a positioning method according to another embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • ... unit described in the specification means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a positioning system according to an embodiment of the present invention.
  • the positioning system detects a signal generated by a positioning object by a plurality of monitoring apparatuses installed in different places, collects them, and collects them between the plurality of monitoring apparatuses based on a phase difference obtained in a frequency domain.
  • the signal arrival time difference is calculated, and the location of the positioning object is calculated using the same with high accuracy.
  • the positioning system 1 detects a signal generated by the positioning object 10 and converts the plurality of monitoring devices 100a, 100b, and 100n into data of a predetermined format. , Hereinafter referred to collectively as “100”), and a position calculating device 200 that collects these data and finally calculates the position of the positioning target 10.
  • the plurality of monitoring devices 100 are connected to each other and between each monitoring device 100 and the position computing device 200 by wired and / or wireless network, so that the raw data of the signal detected by any monitoring device 100, One of the intermediately processed signal and the final demodulated data may be received and processed by the other monitoring apparatus 100 or the position calculating apparatus 200.
  • the monitoring device 100 receives a signal generated by an arbitrary positioning object 10, and after amplifying and / or digitally converting a received signal or performing a predetermined signal processing as required, calculates a position calculating device 200. ) Or other monitoring device 100.
  • the monitoring apparatus 100 may receive a positioning start command, collected reference frequency and phase data transmitted from another monitoring apparatus 100 or the positioning apparatus 200.
  • the signal transmitted from the monitoring device 100 includes identification information of the monitoring device 100 in addition to a detection signal detected by the monitoring object 100 by the positioning object 10 or an intermediate process or final demodulated signal, and And / or location information may be included.
  • the monitoring device 100 may be a stationary device installed at a predetermined place or a mobile device whose position can be freely changed, or may be configured by using a fixed type and a mobile type.
  • the signal generated by the arbitrary positioning object 10 may be at least one of vibration, sound, light, heat, electric signal, and radio wave, and the monitoring device 100 may include some hardware elements for receiving these signals. Signals can be detected by adding or changing.
  • the positioning system 1 may include at least three or more monitoring devices 100 having different positions, and the number of the monitoring devices 100 may vary as necessary.
  • the position calculating device 200 collects detection signals from the plurality of monitoring devices 100, converts the detection signals from the time domain into the frequency domain, and calculates a phase difference in a predetermined frequency band. Compute the signal arrival time difference between the devices 100.
  • the position calculating device 200 receives phase data for each frequency pre-calculated by the plurality of monitoring devices 100 or receives phase difference data between the reference frequency and the plurality of monitoring devices 100 and based on the plurality of monitoring devices ( It is also possible to calculate the signal arrival time difference between 100).
  • the position calculating device 200 may estimate the expected position of the positioning object 10 by using the signal arrival time difference between the plurality of monitoring devices 100 and the position of each monitoring device 100.
  • the arbitrary positioning object 10 may be a signal generator that directly generates a signal.
  • the positioning object 10 may be capable of identifying its own position through a reflected signal reflecting a signal (for example, sound waves, light, etc.) generated from a separate signal generator 20 instead of directly generating a signal. It may be.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a monitoring device and a position calculating device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an exemplary view showing a positioning method in a positioning system according to an embodiment of the present invention.
  • the monitoring devices 100a to 100n (hereinafter, collectively referred to as '100') have n (random natural numbers) located at different positions, and the monitoring devices 100 are located at each other and the position calculation device 200a. And performs signal transmission and reception through at least one communication network of a wired network and a wireless network.
  • the monitoring device 100 may include a signal detector 110, and may further include at least one of an amplifier 120, an analog / digital converter 130, and a phase parameter measurer 140 as necessary. .
  • the signal detector 110 detects a signal generated by an arbitrary positioning object.
  • the signal detected by the signal detection unit 110 is determined according to the location confirmation object, and may be at least one of vibration, sound, light, heat, an electric signal, and an electric wave.
  • the signal generated by the positioning object is an optical signal such as a flame
  • a photo sensor having a light sensing function and a signal generated by the positioning object are propagated.
  • a radio wave transmitted by a transmitter, a radio wave receiver having a reception function of the radio wave a signal generated by a positioning object is a microphone, a signal generated by the positioning object is caused by a poor connection or a poor contact.
  • the thermal noise or the signal noise may be a PIC that detects the noise.
  • the signal detecting unit 110 When the signal detecting unit 110 detects a signal generated by an arbitrary positioning object, the signal detecting unit 110 transmits a positioning start command to another monitoring device 100 so as to detect a signal for positioning the same positioning object. Can be.
  • the signal detection unit 110 may start signal detection or read a detection signal previously stored in a memory (not shown) according to a positioning check start command transmitted from another monitoring device 100 or a position calculation device 200a to be described later. It may be.
  • the sensing signal may be stored in a memory provided in the monitoring apparatus 100 corresponding to the collection time.
  • a detection signal corresponding to the collection time may be read out to be used for the position calculation.
  • the amplifier 120 amplifies the magnitude of the detection signal received by the signal detector 110 by a predetermined gain.
  • the amplified signal may be converted into a digital signal by the analog / digital converting unit 130 at a later stage.
  • the amplifier 120 is an intermediate frequency amplifier using an intermediate frequency positioned between a sensing signal having an RF band and a baseband signal corresponding to a radio signal (for example, an RF signal). Can be.
  • the intermediate frequency is used to amplify by dividing the frequency by a frequency in a somewhat lower frequency band to stabilize the monitoring device 100 and perform modulation and demodulation at a lower frequency to simplify the circuit and reduce the product cost.
  • a noise removing unit (not shown) for removing noise included in the amplified signal after signal amplification may be interposed between the amplifier 120 and the analog / digital converter 130.
  • a decoder (not shown) for decoding the amplified signal may be disposed between the amplifier 120 and the analog / digital converter 130 or after the analog / digital converter 130.
  • the monitoring apparatus 100 may transmit at least one of the raw data, the intermediate frequency signal, and the final demodulated signal to the position calculating apparatus 200a.
  • the monitoring apparatus 100 may include a phase parameter measuring unit 140 measuring a phase parameter affecting the phase of the detection signal.
  • the sensing signal is converted from the time domain to the frequency domain, and then the position calculation is performed using a phase for each frequency band.
  • the response time, etc. of the device 100 may be measured as a phase parameter and transmitted to the position calculating device 200a for phase correction of the detection signal.
  • the position calculating device 200a receives a sensing signal from the plurality of monitoring apparatuses 100 through a wired network and / or a wireless network, and estimates the position of the positioning object by performing predetermined signal processing and calculation on the sensing signal. .
  • the sensing signals received from the plurality of monitoring apparatuses 100 are digitally converted data signals
  • the sensing signals transmitted from the plurality of monitoring apparatuses 100 may be analog signals.
  • Signals transmitted from the plurality of monitoring devices 100 include at least one of identification information and location information of the monitoring device 100 in addition to the detection signal.
  • the positioning start command may include information on a collection time together with a signal detection command for the positioning object. That is, each of the monitoring apparatus 100 may transmit the detected signal at the corresponding collection time based on the collection time included in the positioning start command so that the detected signals collected at the same time may be compared at the position calculating device 200a. have.
  • the position calculating device 200a includes a signal processing unit 210, a signal calculating unit 220, and a position calculating unit 230.
  • the signal processor 210 converts the sensing signal transmitted from the monitoring apparatus 100 into a frequency domain. That is, the frequency detection phase of the detection signal to measure the phase for each frequency.
  • the signal processing conversion to the frequency domain
  • the signal processor 210 may include a band pass filter that separates the sensing signal by the same frequency, and a phase measuring unit that measures the phase for each frequency of the separated signal.
  • the signal processor 210 may not perform separate frequency separation and phase measurement by separate hardware, but may convert the detected signal into phases by frequency by performing fast Fourier transform (FFT).
  • FFT fast Fourier transform
  • the Fast Fourier Transform is a method of converting continuous data into continuous data of another dimension, and it is possible to convert time-based data into frequency-based data or frequency-based data into time-based data. It can be used to analyze the frequency characteristics of a signal measured over time or to analyze the temporal characteristics of frequency data. Therefore, it is possible to easily derive the time difference by the frequency characteristic of each channel (for example, the characteristic of the monitoring apparatus 100) through the fast Fourier transform.
  • the signal calculator 220 calculates a phase difference corresponding to the plurality of monitoring apparatuses 100 with respect to the signal processed by the signal processor 210 (that is, the signal converted into the frequency domain), and from this, the plurality of monitoring apparatuses 100. Compute the difference in signal delivery time between the signal processor 210 and the signal converted into the frequency domain.
  • the signal processed by the signal processor 210 is a detection signal in the frequency domain
  • the signal calculator 220 compares the phases of the detection signals in the frequency domain corresponding to each of the plurality of monitoring apparatuses 100 located at different positions. The phase difference can be obtained.
  • a frequency band (ie, a reference frequency) for comparing phases may be predetermined.
  • the spectrum of the detected signal in the frequency domain is analyzed to check whether there is a frequency band in which the data of each signal matches by a predetermined ratio or more, and when there is a frequency band indicating a data matching rate by a predetermined ratio or more, set the frequency band as a reference frequency.
  • the phase difference is a value calculated by the correlation between the plurality of monitoring apparatuses 100 and is data related to the distance difference between the positioning object and the monitoring apparatus 100.
  • phase correction of the detection signal using the phase parameter measured by the monitoring apparatus 100 may be performed prior to calculating the phase difference.
  • the position calculating device 200 may receive the phase parameter from the monitoring device 100 together with the detection signal or separately.
  • the time difference of arrival of the signal generated by the positioning object can be calculated from the positioning object to each of the plurality of monitoring devices 100 according to Equation 1 below.
  • T is the signal arrival time difference
  • ?? 1 is the phase of the first channel (first monitoring device)
  • ?? 2 is the phase of the second channel (second monitoring device)
  • f is selected for phase comparison. It means the frequency band.
  • the sensed signals of the first and second supervisors may not completely match their waveforms due to attenuation caused by different signal travel distances and noise from other paths. It is difficult to compare how delayed it is.
  • the time difference when the signal generated by the conventional positioning object reaches the first monitoring device and the second monitoring device synchronizes the reference time and directly measures the time when a specific signal is detected by the first monitoring device and the second monitoring device. Can be measured by comparison.
  • the signal generated by the positioning object should be a specific signal for measuring the time difference, there was a problem that the reference time synchronization is required for the comparison of the arrival time.
  • a phase difference is obtained by converting a phase of a predetermined frequency band after converting to a frequency domain for any type of signal having the same acquisition time without having to specify the type of the signal.
  • Signal arrival time difference can be calculated.
  • the frequency is selected by comparing the phase difference by selecting the optimal frequency with little or no noise as the reference frequency. You can also improve.
  • the values calculated by separating the respective frequencies in selecting the reference frequency may be used by filtering only useful values through a predetermined filter (for example, average, minimum, maximum, etc.).
  • the position calculating unit 230 calculates the position of the object to be identified using the signal arrival time difference between the plurality of monitoring apparatuses 100 calculated by the signal calculating unit 220 and the position information of each monitoring apparatus 100.
  • the location information of the monitoring apparatus 100 may be separately transmitted from the monitoring apparatus 100 or may be transmitted together with the detection signal.
  • the position of the monitoring apparatus 100 is previously stored in a memory (not shown), for example, in the form of a lookup table, the position information corresponding to the identification information of the monitoring apparatus 100 transmitted together with the detection signal is obtained by searching. You may.
  • the hyperbolic curve corresponding to the signal arrival time difference calculated by the signal calculator 220 may be viewed as an expected position of the positioning object.
  • the position coordinates of the two monitoring apparatuses 100 in which the signal arrival time difference is calculated become the focal point of the hyperbola.
  • the hyperbola is a set of points where the difference in distance from two vertices is constant, and includes a three-dimensional hyperbolic plane in addition to the two-dimensional hyperbolic curve.
  • two vertices correspond to the focal point of the hyperbola, that is, the position coordinates of the two monitoring apparatuses 100 in which the signal arrival time difference is calculated.
  • the difference in distance is a value calculated from the signal arrival time difference, and may be a value obtained by multiplying the signal arrival time difference by the traveling speed of the signal generated by the positioning object.
  • the distance difference (d1
  • ) can be estimated from the signal arrival time difference (?? t1) calculated between a and b, and the first hyperbolic (from the position coordinate and distance difference (d1) of a and b h1) can be obtained.
  • the distance difference d2
  • the hyperbola h2 can be found.
  • intersection point P1 may be estimated as the expected position of the positioning object.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a monitoring device and a position calculating device according to another embodiment of the present invention.
  • a signal processing for example, FFT processing
  • a detection signal for a positioning object into a frequency domain signal in a monitoring device 101a to 101b (hereinafter, referred to as '101').
  • the signal processing data such as frequency, phase, signal size, etc., which are the result of the signal processing, are transmitted to the position calculating device 200.
  • the position calculating device 200b calculates a phase difference between the monitoring devices 101 at different positions using the signal processing data transmitted from the plurality of monitoring devices 101, and calculates a signal arrival time difference therefrom.
  • the position of the 101 is used to estimate the position of the positioning object.
  • a signal processing unit 151 is added as compared with the monitoring apparatus 100 illustrated in FIG. 2, and the position calculating apparatus 200b according to the present embodiment is provided.
  • the signal processor 210 is omitted in comparison with the position calculating apparatus 200a shown in FIG. 2.
  • Other components (signal detector 111, amplifier 121, analog / digital converter 131, phase parameter measurer 141, signal calculator 221, position calculator 231) are shown in FIG. Same as the illustrated components (signal detector 110, amplifier 120, analog / digital converter 130, phase parameter measurer 140, signal calculator 220, position calculator 230) or Since the similar function is performed, the difference between the present embodiment and the one illustrated in FIG. 2 will be described below.
  • the monitoring device 101 further includes a signal processing unit 151.
  • the signal processor 151 frequency-separates the detection signal detected by the signal detector 111 to measure the phase for each frequency.
  • the signal processing unit 151 may perform signal processing on a detection signal having the same collection time among the detection signals transmitted from each monitoring device 101.
  • the signal processor 151 may have a structure including a band pass filter unit and a phase measurement unit or may be a module capable of fast Fourier transform (FFT).
  • FFT fast Fourier transform
  • the sensing signal is converted into a frequency domain signal, and more specifically, in the signal processing unit 151, the signal processing includes a separated frequency, a phase for each frequency, a signal size for each frequency, and the like.
  • Data may be generated and transmitted to the position calculating device 200b.
  • the reference frequency and the phase data at the reference frequency corresponding to significant data among the signal processing data may be transmitted to the position calculating apparatus 200b, thereby reducing the data transmission amount.
  • identification information and / or location information for identifying the monitoring apparatus 101 may be transmitted together with the signal processing data.
  • the signal processing unit 210 as shown in FIG. 2 is unnecessary and omitted.
  • the signal calculating unit 221 compares the phases at the reference frequency with respect to the signal processing data transmitted from the plurality of monitoring devices 101 at different positions, obtains a phase difference thereof, and compares the plurality of monitoring devices ( 101) calculates a signal arrival time difference between This has been described in detail with reference to Equation 1 above, and a description thereof will be omitted.
  • the position calculating unit 231 calculates the position of the positioning object by using the signal arrival time difference between the plurality of monitoring devices 101 calculated by the signal calculating unit 221 and the position information of each monitoring device 101.
  • the location information of the monitoring apparatus 101 may be separately transmitted from the monitoring apparatus 101 or may be transmitted together with the signal processing data.
  • the position of the monitoring apparatus 101 is stored in advance in a memory (not shown), for example, in the form of a lookup table, so that the position information corresponding to the identification information of the monitoring apparatus 101 transmitted together with the signal processing data is retrieved. Can also be obtained.
  • the position calculation in the position calculator 231 may be performed by using a hyperbolic characteristic, which has been described in detail above with reference to FIG. 3, and thus description thereof will be omitted.
  • the amount of data to be transmitted may be reduced, and the data rate and transmission accuracy may be improved.
  • FIG. 5 is a configuration block diagram of a monitoring apparatus and a position calculating apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • a signal processing for example, FFT processing
  • '102' a signal processing converting a detection signal for a positioning object into a frequency domain signal in the monitoring apparatuses 102a to 102n
  • the phase difference with the corresponding monitoring apparatus is calculated using the signal processing data transmitted from one of the monitoring apparatuses as reference data and then transmitted to the position calculating apparatus 200c.
  • the position calculating device 200c calculates a signal arrival time difference from the phase differences transmitted from the plurality of monitoring devices 102, and estimates the position of the positioning object using the positions of the monitoring devices 102.
  • the monitoring device 102 may include a signal processor 152, a reference signal transmitter 162, and / or a signal calculator 172 when compared to the monitoring device 100 illustrated in FIG. 2.
  • the signal processing unit 210 is omitted in the position calculating apparatus 200c according to the present embodiment as compared with the position calculating apparatus 200a shown in FIG. 2.
  • the other components (signal detector 112, amplifier 122, analog / digital converter 132, phase parameter measurer 142, position calculator 232) are shown in FIG.
  • the same as or similar to that of the detector 110, the amplifier 120, the analog / digital converter 130, the phase parameter measurer 140, and the position calculator 230, is illustrated in FIG. 2. Differences compared with the one embodiment will be mainly described.
  • the first monitoring device 102a is a reference signal as a reference for calculating the phase difference from another monitoring device (the second monitoring device 102b to the n-th monitoring device 102n). Assume to send.
  • the monitoring apparatus for transmitting the reference signal may be predetermined or determined by the user's selection.
  • the first monitoring device 102a further includes a signal processor 152 and a reference signal transmitter 162.
  • the signal processor 152 frequency-separates the detection signal detected by the signal detector 112 to measure phase for each frequency.
  • the signal processor 152 may perform signal processing on a sense signal having the same collection time among the sense signals transmitted from each monitoring device 102.
  • the signal processor 152 may have a structure including a band pass filter unit and a phase measurement unit, or may be a module capable of fast Fourier transform.
  • the detection signal is converted into a frequency domain signal, and more specifically, in the signal processing unit 152, the signal processing includes a separated frequency, a phase for each frequency, a signal for each frequency, and the like.
  • the data is generated.
  • the reference signal transmitter 162 may include a reference frequency and a reference phase corresponding to significant data among the signal processing data generated by the signal processor 152 (phase at the reference frequency of the detection signal detected by the first monitoring device 102a).
  • the reference signal is transmitted to the other monitoring devices 102b to 102n and / or the position calculating device 200c.
  • the other monitoring devices 102b to 102n include a signal calculating unit 172, and compares the reference signal transmitted by the reference signal transmitting unit 162 with the signal processing data processed by the signal processing unit 152 thereof, and compares the phase difference. Can be calculated.
  • the signal processing data processed by the signal processor 152 includes various frequencies and phases for each frequency included in the detection signal detected by the corresponding monitoring apparatus, and among them, frequencies corresponding to the reference frequencies included in the reference signal.
  • the phase difference at the reference frequency can be calculated by reading the star phase and comparing it with the reference phase included in the reference signal.
  • the calculated phase difference may be transmitted to the position calculating device 200c, and compared with other embodiments, only a small amount of data may be transmitted, thereby increasing data rate and transmission accuracy while reducing transmission bandwidth.
  • the position calculating device 200c Since the position calculating device 200c according to the present embodiment transmits the phase difference data with respect to the phase difference calculated after the signal processing in the monitoring device 102 has already been performed, the signal processing unit 210 as shown in FIG. 2 is unnecessary and omitted.
  • the function of the signal calculator 222 illustrated in FIG. 5 is somewhat different from that of the signal calculator 221 illustrated in FIG. 4.
  • the signal calculating unit 222 of the position calculating device 200c identifies the monitoring device that is the reference for the position calculation based on the reference signal received by the first monitoring device 102a.
  • the signal calculating unit 222 uses the phase difference data according to the relationship with the first monitoring device 102a received from the other monitoring devices 102b to 102n, and the first monitoring device 102a and the other monitoring devices 102b to 102n. Calculate the difference in signal arrival time between.
  • the calculation of the signal arrival time difference has been described in detail above with reference to Equation 1, and thus description thereof will be omitted.
  • the position calculating unit 232 uses the signal arrival time difference between the first monitoring device 102a and the other monitoring devices 102b to 102n calculated by the signal calculating unit 222 and the position information of each monitoring device 102a to 102n. Calculate the position of the object to be checked.
  • the location information of the monitoring device 102 may be transmitted separately from the monitoring device 102 or may be transmitted together with the reference signal or phase difference data.
  • the position of the monitoring device 102 may be stored in advance in a memory (not shown), for example, in the form of a lookup table, so that the position information corresponding to the identification information of the monitoring device 102 transmitted together with the reference signal or phase difference data may be obtained. Can also be obtained by searching.
  • the position calculation in the position calculator 232 may be performed by using a hyperbolic characteristic, which has been described in detail above with reference to FIG. 3, and thus description thereof will be omitted.
  • FIG. 6 is a flowchart of a positioning method according to an embodiment of the present invention. Each step of FIG. 6 may be performed at each component of the positioning system shown in FIG. 2.
  • the positioning process is started by transmitting a positioning start command from the position calculating device 200a to each of the monitoring devices 100a and 100b or from any monitoring device 100a or 100b to the other monitoring device 100b or 100a. Can be.
  • the first monitoring device 100a and the second monitoring device 100b detect signals generated by an arbitrary positioning object.
  • the number of monitoring devices for detecting signals may be three or more, and the location of each monitoring device may have different coordinates.
  • the sensed signal may be amplified by a certain gain for easy signal processing and may be analog / digital converted.
  • the monitoring device may also measure phase parameters that depend on the device characteristics.
  • the phase parameter is measured by the phase parameter such as the phase characteristic of the signal detector, the length of the signal detector, the phase characteristic of the amplifier, the start time of the analog / digital converter, and the response time of the monitoring device. May be sent to 200a.
  • the first monitoring device 100a and the second monitoring device 100b transmit a sensing signal to the position calculating device 200a.
  • the transmitted sensing signal may be any one of raw data itself, an intermediate frequency processed signal, or a final demodulated signal.
  • the position calculating device 200a receives the detection signal from the monitoring device 100, and the signal processing unit 210 converts the signal into a frequency domain signal.
  • the detection signal may be transmitted together with at least one of identification information and location information of the monitoring apparatus 100.
  • the sensing signal is a time domain signal, and may be converted into a frequency domain signal through frequency separation and frequency measurement by frequency, or by a fast Fourier transform.
  • the signal calculator 220 calculates a phase difference between the plurality of monitoring devices 100a and 100b by comparing the phases between the detection signals converted into the frequency domain signals.
  • phase correction step using the phase parameter may be performed.
  • a step of selecting a frequency band for calculating the phase difference may be performed. For example, when data of two sensing signals coincide more than a predetermined ratio in an arbitrary frequency band, the frequency band may be selected as a reference frequency for phase difference calculation.
  • the signal calculator 220 calculates a signal arrival time difference between the plurality of monitoring apparatuses using the phase difference and the reference frequency calculated in operation S340.
  • the calculation of the signal arrival time difference has been described with reference to Equation 1 above.
  • the position calculator 230 estimates an expected position of the positioning object using the signal arrival time difference calculated in operation S350.
  • Hyperbolic curves may be used to estimate the expected position, and in this case, location information of each monitoring apparatus may be additionally used.
  • the distance difference between the signal arrival time difference and each of the plurality of monitoring devices is calculated, and a hyperbolic line having two focal points of each of the plurality of monitoring devices is obtained, and at least two such hyperbolic lines are found to find the intersection point. It can be estimated by the position of a positioning object.
  • FIG. 7 is a flowchart of a positioning method according to another embodiment of the present invention. Each step of FIG. 7 may be performed at each component of the positioning system shown in FIG. 4.
  • the positioning process is started by transmitting a positioning start command from the position calculating device 200b to each of the monitoring devices 101a and 101b or from any monitoring device 101a or 101b to the other monitoring devices 101b or 101a. Can be.
  • the first monitoring device 101a and the second monitoring device 101b detect a signal generated by an arbitrary positioning object.
  • the number of monitoring devices for detecting signals may be three or more, and the location of each monitoring device may have different coordinates.
  • the sensed signal may be amplified by a certain gain for easy signal processing and may be analog / digital converted.
  • the first monitoring device 101a and the second monitoring device 101b convert the sensing signal into a frequency domain signal.
  • the sensing signal is a time domain signal, and may be converted into a frequency domain signal through frequency separation and frequency measurement by frequency, or by a fast Fourier transform.
  • the phase parameter may be a phase characteristic of the signal detector, a length of the signal detector, a phase characteristic of the amplifier, a start time of the analog / digital converter, a response time of the monitoring apparatus, and the like.
  • the first monitoring device 101a and the second monitoring device 101b transmit signal processing data, that is, a frequency domain signal, to the position calculating device 200b.
  • the signal processing data may be transmitted together with at least one of identification information and location information of the monitoring apparatuses 101a and 101b.
  • the signal calculator 221 calculates a phase difference between the plurality of monitoring devices 101a and 101b by comparing the phases between the detection signals converted into the frequency domain signals.
  • a step of selecting a frequency band for calculating the phase difference may be performed. For example, when data of two sensing signals coincide more than a predetermined ratio in an arbitrary frequency band, the frequency band may be selected as a reference frequency for phase difference calculation.
  • the signal calculator 221 calculates signal arrival time differences between the plurality of monitoring apparatuses using the phase difference and the reference frequency calculated in operation S440.
  • the calculation of the signal arrival time difference has been described with reference to Equation 1 above.
  • the position calculator 231 estimates an expected position of the positioning object by using the signal arrival time difference calculated in operation S450.
  • Hyperbolic curves may be used to estimate the expected position, and in this case, location information of each monitoring apparatus may be additionally used.
  • the distance difference between the signal arrival time difference and each of the plurality of monitoring devices is calculated, and a hyperbolic line having two focal points of each of the plurality of monitoring devices is obtained, and at least two such hyperbolic lines are found to find the intersection point. It can be estimated by the position of a positioning object.
  • FIG. 8 is a flowchart of a positioning method according to another embodiment of the present invention. Each step of FIG. 8 may be performed at each component of the positioning system shown in FIG. 5.
  • the positioning process is started by transmitting a positioning start command from the position calculating device 200c to each of the monitoring devices 102a and 102b or from any monitoring device 102a or 102b to the other monitoring devices 102b or 102a. Can be.
  • the first monitoring device 102a and the second monitoring device 102b detect signals generated by any positioning object.
  • the number of monitoring devices for detecting signals may be three or more, and the location of each monitoring device may have different coordinates.
  • the sensed signal may be amplified by a certain gain for easy signal processing and may be analog / digital converted.
  • the first monitoring device 102a and the second monitoring device 102b convert the sensing signal into a frequency domain signal.
  • the sensing signal is a time domain signal, and may be converted into a frequency domain signal through frequency separation and frequency measurement by frequency, or by a fast Fourier transform.
  • the phase parameter may be a phase characteristic of the signal detector, a length of the signal detector, a phase characteristic of the amplifier, a start time of the analog / digital converter, a response time of the monitoring apparatus, and the like.
  • Any one of the plurality of monitoring devices includes a reference frequency and a reference phase by setting a significant frequency obtained through conversion of its signal processing data, that is, a frequency domain, as a reference frequency, and a phase at the reference frequency as a reference phase.
  • the reference signal may be transmitted to the other monitoring device and the position calculating device 200c.
  • the first monitoring device 102a transmits a reference signal to the second monitoring device 102b and the position calculating device 200c in steps S530 and S535.
  • the reference signal in step S535 may be transmitted together with at least one of the identification information and the location information of the first monitoring device 102a.
  • the second monitoring device 102b compares its signal processing data with a reference signal transmitted from the first monitoring device 102a to calculate a phase difference at a reference frequency.
  • the calculated phase difference becomes a phase difference between the first monitoring device 102a and the second monitoring device 102b.
  • the second monitoring apparatus 102b transmits the calculated phase difference data to the position calculating apparatus 200c.
  • the phase difference data may be transmitted together with at least one of identification information and position information of the second monitoring device 102b.
  • the signal operation unit 222 uses the reference frequency included in the reference signal transmitted in operation S535 and the phase difference data transmitted in operation S545 to monitor the first monitoring device 102a and another monitoring device (the second monitoring device in the drawing). Compute the difference in signal arrival time between 102b). The calculation of the signal arrival time difference has been described with reference to Equation 1 above.
  • the position calculator 232 estimates an expected position of the positioning object using the signal arrival time difference calculated in operation S550.
  • Hyperbolic curves may be used to estimate the expected position, and in this case, location information of each monitoring apparatus may be additionally used.
  • the distance difference between the signal arrival time difference and each of the plurality of monitoring devices is calculated, and a hyperbolic line having two focal points of each of the plurality of monitoring devices is obtained, and at least two such hyperbolic lines are found to find the intersection point. It can be estimated by the position of a positioning object.
  • the positioning method described with reference to one of FIGS. 6 to 8 may be performed by an automated procedure in a time series order by a program embedded in or installed in a digital processing apparatus (positioning system). Codes and code segments constituting the program can be easily inferred by a computer programmer in the art.
  • the program is also stored in a computer readable media that can be read by a digital processing device, and read and executed by the digital processing device to implement the method.
  • the information storage medium includes a magnetic recording medium, an optical recording medium and a carrier wave medium.
  • the positioning system and the positioning method according to the present embodiment may be used in the following cases.
  • a telescope having a photo sensor installed at three or more positions detects an engine flame generated from a rocket or a shell, and calculates the current position of the rocket and its path by calculating according to the above-described positioning method. Or shell tracking is possible.
  • the radio wave transmitted from the transmitter installed in the mobile device is received by the receiver and calculated according to the above-described positioning method, so that the location of the mobile device (for example, a stealth plane or the like) in which the transmitter is installed can be determined.
  • the reflected signal is received by the receiver, and the position of the vehicle can be determined by calculating according to the above-described positioning method.
  • a plurality of microphones are installed at different positions, and the position of a person or the position of a bird may be detected by detecting a footstep sound or a bird sound.
  • the leak point or shock or vibration is detected through a microphone or vibration sensor spaced along the pipe to identify the leak point and prompt repair. Can be done.
  • thermal noise or signal noise caused by this is detected by a PIC spaced apart along the wire or cable, thereby detecting contact failure points or corrosion. It is easy to find a point.
  • the phase difference is calculated from the phase of each frequency using the phase difference of each bird sound and separated into two kinds of sound from it. Only one type of bird sound can be separated.

Landscapes

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Abstract

위치 확인 시스템 및 방법이 개시된다. 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하는 복수의 감시 장치와 네트워크를 통해 통신하며 상기 위치 확인 대상물의 위치를 연산하는 위치 연산 장치는, 상기 복수의 감시 장치로부터 수신된 시간 영역의 감지 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 신호 처리부, 상기 주파수 영역 신호로 변환된 감지 신호들 간의 위상을 비교하여 상기 복수의 감시 장치 사이의 위상차를 계산하고, 상기 위상차로부터 상기 복수의 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 연산하는 신호 연산부 및 상기 신호도달 시간차 및 상기 복수의 감시 장치의 위치를 이용하여 상기 위치 확인 대상물의 위치를 추정하는 위치 연산부를 포함할 수 있다.

Description

위치 확인 시스템 및 방법
본 발명은 위치 확인 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 위치에 기반한 다양한 서비스를 제공받고자 하는 사용자의 요구가 증대함에 따라 위치 기반 서비스(LBS, Location Based Service)가 다양한 형태로 개발되고 있다.
일반적으로 이동 통신 단말이나 방송용 차량 등과 같은 이동하는 물체의 위치를 측정하기 위한 위치 확인 기술(LDT, Location Detection Technology)로는, 신호의 방위각을 이용하는 셀 아이디(Cell ID) 기법, 도래각(AOA, Angle Of Arrival) 기법, 신호발생원과 수집장치 간의 전파 전달 시간을 측정하여 신호발생원의 위치를 구하는 도달지연시간(TOA, Time Of Arrival) 기법, 둘 이상의 신호발생원으로부터의 전파 도달 시간차를 이용하는 상대지연시간(TDOA, Time Difference Of Arrival) 기법, A-GPS(Assisted-Global Positioning System) 기법 등이 알려져 있다.
이러한 기법들 중 A-GPS 기법이 가장 좋은 정확도를 가지기 때문에 위치 확인 기술(LDT)로 가장 많이 사용되지만, 최소 4개의 GPS 위성이 필요하므로 4개의 위성 확보가 되지 않는 음영지역에서는 원하는 서비스의 요구사항이나 사용자가 확보할 수 있는 기지국의 개수 등에 따라서 상대지연시간(TDOA) 기법 또는 셀 아이디 기법 등을 추가로 활용하는 하이브리드 GPS 기술이 사용된다.
그러나, 이동 중인 신호발생원의 위치를 확인하기 위하여 도달지연시간(TOA) 기법이나 상대지연시간(TDOA) 기법을 사용할 경우, 수집장치는 신호발생원으로부터 수신된 신호를 동시에 수신 및 처리하기 어렵기 때문에 신호발생원이 고속으로 이동할 경우에는 감지 위치의 오차 이외에도, 3개의 위치로부터 거리를 측정하여야 하나 이들을 동시에 처리하지 못함으로 인하여 측정시간이 같지 않아 이러한 측정시간의 차이에 의하여 이동 중인 신호발생원의 위치가 변하게 되어 오차가 더욱 가중되는 문제점이 있었다.
또한, 신호발생원의 위치를 확인하기 위하여 도달지연시간(TOA) 기법이나 상대지연시간(TDOA) 기법을 사용할 경우에 미리 특정된 신호를 수신하여 위치를 확인하게 됨으로써 미리 특정된 신호가 소정의 개수를 충족시키지 못하는 경우 신호발생원의 위치를 확인할 수 없다는 문제점이 있었다.
상기 방법들은 이미 거리를 측정할 수 있는 기준 신호(예를 들어, 마크 등)를 준비하여 비교해야 하기 때문에, 기준 신호의 준비가 어려운 상황에서 임의의 신호발생원의 위치를 찾고자 할 때 기준점을 찾기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 한국공개특허공보 제2007-0006726호에는 원 신호(임펄스)를 재구성하여 위치를 측정하는 방법이 개시되어 있으나, 원 신호를 재구성해야 하는 번거로움이 있었으며, 이로 인해 연산량이 많아지고 시스템이 방대해짐으로써 속도가 느려지는 문제점이 있었다.
본 발명은 신호발생원의 신호가 미리 특정된 신호가 아닌 경우에도 위치 확인 가능한 최소한의 조건을 충족하는 경우 신호발생원으로부터 발생된 신호를 이용하여 신호발생원의 위치를 확인할 수 있는 위치 확인 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 그 위치를 연산하는 위치 확인 시스템에 있어서, 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 시간 영역의 감지 신호를 생성하는 복수의 감시 장치; 및 상기 복수의 감시 장치로부터 수신된 상기 감지 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 신호 처리부와, 주파수별 위상을 비교하여 상기 복수의 감시 장치 사이의 위상차를 계산하고, 상기 위상차로부터 상기 복수의 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 연산하는 신호 연산부와, 상기 신호도달 시간차 및 상기 복수의 감시 장치의 위치를 이용하여 상기 위치 확인 대상물의 위치를 추정하는 위치 연산부를 포함하는 위치 연산 장치를 포함하는 위치 확인 시스템이 제공된다.
상기 신호 처리부는 수집 시간이 동일한 상기 시간 영역의 감지 신호를 주파수별로 분리하고, 주파수별 위상 측정을 수행하여 상기 주파수 영역 신호로 변환할 수 있다.
상기 신호 처리부는 고속 퓨리에 변환(FFT)을 통해 수집 시간이 동일한 상기 시간 영역의 감지 신호를 상기 주파수 영역 신호로 변환할 수 있다.
상기 신호 연산부는 상기 주파수 영역 신호로 변환된 감지 신호들 간의 데이터 일치율이 소정 비율 이상인 주파수 대역을 선정하여 그 위상을 비교함으로써 상기 위상차를 계산할 수 있다.
상기 신호 연산부는 상기 위상차와 선정된 주파수 대역 간의 상관관계로부터 상기 신호도달 시간차를 연산할 수 있다.
상기 복수의 감시 장치 각각은 타 감시 장치 혹은 상기 위치 연산 장치에서 전송된 위치 확인 개시 명령에 의해 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호 감지를 개시할 수 있다.
상기 위치 연산부는 상기 신호도달 시간차 및 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호의 진행 속도를 이용하여 상기 위치 확인 대상물과 상기 복수의 감시 장치까지의 거리차를 계산하고, 상기 거리차를 이용하여 상기 복수의 감시 장치의 위치를 초점으로 하는 쌍곡선을 복수 개 구한 후 그 교점을 상기 위치 확인 대상물의 위치로 추정할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 그 위치를 연산하는 위치 확인 시스템에 있어서, 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 시간 영역의 감지 신호를 생성하고, 상기 감지 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 복수의 감시 장치; 및 상기 복수의 감시 장치로부터 상기 주파수 영역 신호를 수신하여 주파수별 위상을 비교하여 상기 복수의 감시 장치 사이의 위상차를 계산하고, 상기 위상차로부터 상기 복수의 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 연산하는 신호 연산부와, 상기 신호도달 시간차 및 상기 복수의 감시 장치의 위치를 이용하여 상기 위치 확인 대상물의 위치를 추정하는 위치 연산부를 포함하는 위치 연산 장치를 포함하는 위치 확인 시스템이 제공된다.
상기 복수의 감시 장치는 수집 시간이 동일한 상기 시간 영역의 감지 신호를 상기 주파수 영역 신호로 변환하되, 상기 주파수 영역 신호는 상기 감지 신호에 포함된 주파수, 주파수별 위상 및 주파수별 신호크기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 신호 연산부는 상기 주파수 영역 신호로 변환된 감지 신호들 간의 데이터 일치율이 소정 비율 이상인 주파수 대역을 선정하여 그 위상을 비교함으로써 상기 위상차를 계산할 수 있다.
상기 신호 연산부는 상기 위상차와 선정된 주파수 대역 간의 상관관계로부터 상기 신호도달 시간차를 연산할 수 있다.
상기 복수의 감시 장치 각각은 타 감시 장치 혹은 상기 위치 연산 장치에서 전송된 위치 확인 개시 명령에 의해 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호 감지를 개시할 수 있다.
상기 위치 연산부는 상기 신호도달 시간차 및 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호의 진행 속도를 이용하여 상기 위치 확인 대상물과 상기 복수의 감시 장치까지의 거리차를 계산하고, 상기 거리차를 이용하여 상기 복수의 감시 장치의 위치를 초점으로 하는 쌍곡선을 복수 개 구한 후 그 교점을 상기 위치 확인 대상물의 위치로 추정할 수 있다.
한편 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 그 위치를 연산하는 위치 확인 시스템에 있어서, 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 기준주파수 및 기준위상을 포함하는 기준신호를 출력하는 제1 감시 장치; 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하고 상기 기준신호와 비교한 결과 상기 제1 감시 장치와의 위상차를 계산하는 복수의 제2 감시 장치; 및 상기 위상차로부터 상기 제1 감시 장치와 상기 복수의 제2 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 계산하는 신호 연산부와, 상기 신호도달 시간차 및 상기 제1 감시 장치와 상기 복수의 제2 감시 장치의 위치를 이용하여 상기 위치 확인 대상물의 위치를 추정하는 위치 연산부를 포함하는 위치 연산 장치를 포함하는 위치 연산 시스템이 제공된다.
상기 제1 감시 장치 및 상기 복수의 제2 감시 장치는 수집 시간이 동일한 시간 영역의 감지 신호를 주파수 영역으로 변환하여 상기 기준신호 및 상기 위상차를 각각 출력 및 계산할 수 있다.
상기 신호 연산부는 상기 위상차와 상기 기준주파수 간의 상관관계로부터 상기 신호도달 시간차를 연산할 수 있다.
상기 제1 감시 장치 및 상기 복수의 제2 감시 장치 각각은 타 감시 장치 혹은 상기 위치 연산 장치에서 전송된 위치 확인 개시 명령에 의해 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호 감지를 개시할 수 있다.
상기 위치 연산부는 상기 신호도달 시간차 및 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호의 진행 속도를 이용하여 상기 위치 확인 대상물과 상기 제1 감시 장치까지의 거리 및 상기 위치 확인 대상물과 상기 복수의 제2 감시 장치 중 어느 하나까지의 거리의 차를 계산하고, 상기 거리의 차를 이용하여 상기 제1 감시 장치 및 상기 복수의 제2 감시 장치 중 어느 하나의 위치를 초점으로 하는 쌍곡선을 복수 개 구한 후 그 교점을 상기 위치 확인 대상물의 위치로 추정할 수 있다.
상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호는 진동, 소리, 빛, 열, 전기신호 및 전파 중 적어도 하나일 수 있다.
한편 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하는 복수의 감시 장치와 네트워크를 통해 통신하는 위치 연산 장치에서의 상기 위치 확인 대상물의 위치를 연산하는 방법 및 이를 수행하는 프로그램이 기재된 기록매체가 제공된다.
일 실시예에 따른 위치 연산 방법은, (a) 상기 복수의 감시 장치로부터 수신된 시간 영역의 감지 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 단계; (b) 상기 주파수 영역 신호로 변환된 감지 신호들 간의 위상을 비교하여 상기 복수의 감시 장치 사이의 위상차를 계산하는 단계; (c) 상기 위상차로부터 상기 복수의 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 연산하는 단계; 및 (d) 상기 신호도달 시간차 및 상기 복수의 감시 장치의 위치를 이용하여 상기 위치 확인 대상물의 위치를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (a)는, 수집 시간이 동일한 상기 시간 영역의 감지 신호를 주파수별로 분리하는 단계와, 주파수별 위상 측정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (a)는 고속 퓨리에 변환(FFT)을 통해 수집 시간이 동일한 상기 시간 영역의 감지 신호를 상기 주파수 영역 신호로 변환할 수 있다.
상기 단계 (b)는 상기 주파수 영역 신호로 변환된 감지 신호들 간의 데이터 일치율이 소정 비율 이상인 주파수 대역에 대하여 위상을 비교하여 상기 위상차를 계산할 수 있다.
상기 단계 (c)는 상기 위상차와 선정된 주파수 대역 간의 상관관계로부터 상기 신호도달 시간차를 연산할 수 있다.
상기 단계 (d)는, 상기 신호도달 시간차 및 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호의 진행 속도를 이용하여 상기 위치 확인 대상물과 상기 복수의 감시 장치까지의 거리차를 계산하는 단계와, 상기 거리차 및 상기 복수의 감시 장치의 위치를 초점으로 하는 쌍곡선을 구하는 단계와, 상기 쌍곡선을 복수 개 구한 후 그 교점을 상기 위치 확인 대상물의 위치로 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 위치 연산 방법은, (a) 상기 복수의 감시 장치로부터 주파수 영역 신호로 변환된 감지 신호들 간의 위상을 비교하여 상기 복수의 감시 장치 사이의 위상차를 계산하는 단계; (b) 상기 위상차로부터 상기 복수의 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 연산하는 단계; 및 (c) 상기 신호도달 시간차 및 상기 복수의 감시 장치의 위치를 이용하여 상기 위치 확인 대상물의 위치를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (a) 이전에, 상기 복수의 감시 장치 각각에서, (i) 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하는 단계; (ii) 상기 감지된 신호 중 수집 시간이 동일한 감지 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하여 상기 주파수 영역 신호를 생성하는 단계를 선수행할 수 있다.
상기 단계 (a)는 상기 주파수 영역 신호로 변환된 감지 신호들 간의 데이터 일치율이 소정 비율 이상인 주파수 대역에 대하여 위상을 비교하여 상기 위상차를 계산할 수 있다.
상기 단계 (b)는 상기 위상차와 선정된 주파수 대역 간의 상관관계로부터 상기 신호도달 시간차를 연산할 수 있다.
상기 단계 (c)는, 상기 신호도달 시간차 및 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호의 진행 속도를 이용하여 상기 위치 확인 대상물과 상기 복수의 감시 장치까지의 거리차를 계산하는 단계와, 상기 거리차 및 상기 복수의 감시 장치의 위치를 초점으로 하는 쌍곡선을 구하는 단계와, 상기 쌍곡선을 복수 개 구한 후 그 교점을 상기 위치 확인 대상물의 위치로 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
한편 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 위치 연산 시스템에서 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 상기 위치 확인 대상물의 위치를 연산하는 방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.
일 실시예에 따른 위치 연산 방법은, (a) 제1 감시 장치에서 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 기준주파수 및 기준위상을 포함하는 기준신호를 생성하는 단계; (b) 복수의 제2 감시 장치에서 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하고, 상기 기준신호와 비교한 결과 상기 제1 감시 장치와의 위상차를 계산하는 단계; (c) 위치 연산 장치에서 상기 위상차로부터 상기 제1 감시 장치와 상기 복수의 제2 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 연산하는 단계; 및 (c) 상기 신호도달 시간차 및 상기 제1 감시 장치와 상기 복수의 제2 감시 장치의 위치를 이용하여 상기 위치 확인 대상물의 위치를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (a)는, (a1) 상기 제1 감시 장치에서 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 시간 영역의 감지 신호를 생성하는 단계; (a2) 시간 영역의 상기 감지 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 단계; 및 (a3) 상기 주파수 영역 신호 중 기준이 되는 상기 기준주파수를 선정하고, 상기 기준주파수에서의 위상을 기준위상으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (b)는, (b1) 상기 복수의 제2 감시 장치에서 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 감지 신호를 생성하는 단계; (b2) 시간 영역의 상기 감지 신호를 제2 주파수 영역 신호로 변환하는 단계; 및 (b3) 상기 제1 감시 장치로부터 전송된 상기 기준신호와 상기 제2 주파수 영역 신호의 주파수별 위상을 비교하여 상기 제1 감시 장치와의 위상차를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (c)는 상기 위상차와 기준주파수 간의 상관관계로부터 상기 신호도달 시간차를 연산할 수 있다.
상기 단계 (d)는, 상기 신호도달 시간차 및 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호의 진행 속도를 이용하여 상기 위치 확인 대상물과 상기 제1 감시 장치까지의 거리 및 상기 위치 확인 대상물과 상기 복수의 제2 감시 장치 중 어느 하나까지의 거리의 차를 계산하는 단계와, 상기 거리의 차를 이용하고, 상기 제1 감시 장치의 위치를 일 초점으로 하고 상기 복수의 제2 감시 장치 중 어느 하나의 위치를 다른 초점으로 하는 쌍곡선을 구하는 단계와, 서로 다른 제2 감시 장치에 대하여 상기 쌍곡선을 복수 개 구한 후 그 교점을 상기 위치 확인 대상물의 위치로 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, GPS 위성의 음영지역에서도 고속으로 이동 중인 신호발생원에 의해 발생된 신호의 발생위치를 확인할 수 있는 효과가 있다.
또한, 신호발생원의 신호가 미리 특정된 신호가 아닌 경우에도 위치 확인 가능한 최소한의 조건을 충족하는 경우 신호발생원으로부터 발생된 신호를 이용하여 신호발생원의 위치를 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 확인 시스템을 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 감시 장치 및 위치 연산 장치의 구성 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 확인 시스템에서의 위치 확인 방법을 나타낸 예시도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 감시 장치 및 위치 연산 장치의 구성 블록도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감시 장치 및 위치 연산 장치의 구성 블록도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 확인 방법의 순서도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 위치 확인 방법의 순서도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 위치 확인 방법의 순서도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 확인 시스템을 나타낸 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 확인 시스템은 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 서로 다른 장소에 설치된 복수의 감시 장치에서 감지한 후 이들을 수집하여 주파수 영역에서 구한 위상차에 기초하여 복수의 감시 장치 간의 신호도달 시간차를 연산하고, 이를 이용하여 위치 확인 대상물의 위치를 높은 정확도로 연산하는 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 위치 확인 시스템(1)은 위치 확인 대상물(10)에 의해 발생된 신호를 감지하고 이를 소정 포맷의 데이터로 변환하는 복수의 감시 장치(100a, 100b, 100n, 이하 '100'으로 통칭함) 및 이들 데이터를 취합하여 위치 확인 대상물(10)의 위치를 최종적으로 연산하는 위치 연산 장치(200)를 포함한다.
복수의 감시 장치(100) 서로 간에 그리고 각 감시 장치(100)와 위치 연산 장치(200) 간에는 유선망 및/또는 무선망으로 연결되어 있어, 임의의 감시 장치(100)에서 감지한 신호의 원 데이터, 중간 처리된 신호 및 최종 복조된 데이터 중 하나를 타 감시 장치(100) 혹은 위치 연산 장치(200)에서 전송받아 처리할 수 있다.
감시 장치(100)는 임의의 위치 확인 대상물(10)에 의해 발생된 신호를 수신하고, 필요에 따라 수신된 신호를 증폭 및/또는 디지털 변환하거나 소정의 신호 처리를 수행한 후 위치 연산 장치(200) 혹은 타 감시 장치(100)로 전송한다.
또한, 감시 장치(100)는 타 감시 장치(100) 혹은 위치 확인 장치(200)에서 전송된 위치 확인 개시 명령, 수집된 기준주파수 및 위상 데이터 등을 전송받을 수 있다.
감시 장치(100)에서 전송하는 신호에는 감시 장치(100)에서 위치 확인 대상물(10)에 의해 발생된 것으로 감지한 감지 신호 혹은 이를 중간 처리 또는 최종 복조한 신호 이외에 감시 장치(100)의 식별 정보 및/또는 위치 정보가 포함될 수 있다.
감시 장치(100)는 미리 지정된 장소에 설치되는 고정형 장치 또는 자유로이 그 위치가 변경 가능한 이동형 장치일 수 있으며, 혹은 고정형과 이동형을 혼용하여 구성될 수도 있다.
임의의 위치 확인 대상물(10)에 의해 발생되는 신호는 진동, 소리, 빛, 열, 전기신호 및 전파 중 적어도 하나일 수 있으며, 감시 장치(100)에서는 이들 신호의 수신을 위한 일부의 하드웨어 요소를 추가 혹은 변경함으로써 신호 감지가 가능하다.
본 실시예에서 위치 확인 시스템(1)은 그 위치가 서로 다른 적어도 셋 이상의 감시 장치(100)를 포함할 수 있으며, 감시 장치(100)의 수는 필요에 따라 가변될 수 있다.
위치 연산 장치(200)는 복수의 감시 장치(100)에서의 감지 신호를 수집하고, 감지 신호에 대해서 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하여 소정 주파수 대역에서의 위상차를 연산하며, 이에 기초하여 복수의 감시 장치(100) 간의 신호도달 시간차를 연산한다. 또는 위치 연산 장치(200)는 복수의 감시 장치(100)에서 미리 연산된 주파수별 위상 데이터를 전송받거나 기준주파수 및 복수의 감시 장치(100) 간의 위상차 데이터를 전송받고 이에 기초하여 복수의 감시 장치(100) 간의 신호도달 시간차를 연산할 수도 있다.
그리고 위치 연산 장치(200)는 복수의 감시 장치(100) 사이의 신호도달 시간차 및 각 감시 장치(100)의 위치를 이용하여 위치 확인 대상물(10)의 예상 위치를 추정할 수 있다.
본 실시예에서 임의의 위치 확인 대상물(10)은 직접 신호를 발생하는 신호발생원일 수 있다. 또는 위치 확인 대상물(10)은 직접 신호를 발생하는 대신에 별도의 신호발생원(20)에서 발생한 신호(예를 들어, 음파, 광 등)를 반사한 반사 신호를 통해 자신의 위치 확인이 가능하도록 할 수도 있다.
이하 감시 장치(100) 및 위치 연산 장치(200)에 포함되는 구성요소 및 그 기능에 대하여 관련 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 감시 장치 및 위치 연산 장치의 구성 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 확인 시스템에서의 위치 확인 방법을 나타낸 예시도이다.
도 2를 참조하면, 감시 장치(100a~100n, 이하 '100'으로 통칭함)는 n(임의의 자연수)개가 서로 다른 위치에 위치하고 있으며, 감시 장치(100) 서로 간 및 위치 연산 장치(200a)와는 유선망 및 무선망 중 적어도 하나의 통신망을 통해 신호 송수신을 수행한다.
감시 장치(100)는 신호 감지부(110)를 포함하며, 필요에 따라 증폭부(120), 아날로그/디지털 변환부(130), 위상 파라미터 측정부(140) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
신호 감지부(110)는 임의의 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지한다. 신호 감지부(110)에서 감지하는 신호는 위치 확인 대상물에 따라 결정되며, 진동, 소리, 빛, 열, 전기신호 및 전파 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들어, 신호 감지부(110)는 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호가 불꽃과 같은 광 신호인 경우에는 광 감지 기능을 가지는 포토 센서(photo sensor), 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호가 전파 송신기에서 송신하는 전파인 경우에는 해당 전파의 수신 기능을 가지는 전파 수신기, 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호가 소리인 경우에는 마이크로폰, 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호가 접속 불량, 접촉 불량 등에 의해 발생하는 열 잡음 혹은 신호 잡음인 경우 이를 감지하는 PIC 등일 수 있다.
신호 감지부(110)는 임의의 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하면, 타 감시 장치(100)에 위치 확인 개시 명령을 전송하여 동일한 위치 확인 대상물의 위치 확인을 위한 신호 감지가 이루어지도록 할 수 있다.
또는 신호 감지부(110)는 타 감시 장치(100) 혹은 후술할 위치 연산 장치(200a)에서 전송된 위치 확인 개시 명령에 따라 신호 감지를 시작하거나 메모리(미도시)에 기 저장된 감지 신호를 독출할 수도 있다. 여기서, 감지 신호는 그 수집 시간에 상응하여 감시 장치(100)에 구비된 메모리에 저장되어 있을 수 있다. 수신한 위치 확인 개시 명령에 수집 시간이 포함된 경우, 해당 수집 시간에 상응하는 감지 신호가 독출되어 위치 연산에 활용되도록 할 수 있다.
증폭부(120)는 신호 감지부(110)에 수신된 감지 신호의 크기를 소정 이득(gain) 만큼 증폭한다. 증폭된 신호는 후단의 아날로그/디지털 변환부(130)에 의해 디지털 신호로 변환될 수 있다.
증폭부(120)는 무선 신호(예를 들어, RF 신호)에 해당하여 RF 대역을 가지는 감지 신호와 기저대역(Baseband) 신호의 중간에 위치하는 중간주파수(Intermediate Frequency)를 사용하는 중간주파수 증폭기일 수 있다. 중간주파수 증폭의 경우 중간주파수를 사용함으로써 다소 낮은 주파수 대역에서 주파수별로 나누어서 증폭하여 감시 장치(100)를 안정화시키고 낮은 주파수에서 변복조를 수행하여 회로를 간단히 하고 제품 단가를 절약할 수도 있다.
여기서, 신호 증폭 이후 증폭된 신호에 포함된 잡음을 제거하기 위한 잡음 제거부(미도시)가 증폭부(120)와 아날로그/디지털 변환부(130) 사이에 개재될 수 있다.
또한, 증폭된 신호를 복호화하는 복호화부(미도시)가 증폭부(120)와 아날로그/디지털 변환부(130) 사이 혹은 아날로그/디지털 변환부(130) 후단에 배치될 수도 있다.
즉, 감시 장치(100)는 원 데이터, 중간주파수 신호 및 최종 복조된 신호 중 적어도 하나를 위치 연산 장치(200a)로 전송할 수 있다.
본 실시예에 따른 감시 장치(100)에는 감지 신호의 위상에 영향을 미치는 위상 파라미터를 측정하는 위상 파라미터 측정부(140)가 포함될 수 있다.
후술할 위치 연산 장치(200a)에서 감지 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환한 후 주파수 대역별 위상을 이용하여 위치 연산을 수행하는 바, 위상에 영향을 미칠 수 있는 파라미터인 신호 감지부(110)의 위상 특성, 신호 감지부(110)의 물리적 특성(예를 들어, 길이 등), 증폭부(120)의 위상 특성, 아날로그/디지털 변환부(130)의 개시 시간, 위치 확인 개시 명령에 대한 감시 장치(100)의 응답 시간 등이 위상 파라미터로 측정되고, 감지 신호의 위상 보정을 위해 위치 연산 장치(200a)로 전송될 수 있다.
위치 연산 장치(200a)는 복수의 감시 장치(100)로부터 유선망 및/또는 무선망을 통해 감지 신호를 수신하고, 감지 신호에 대하여 소정의 신호 처리 및 연산을 수행함으로써 위치 확인 대상물의 위치를 추정한다. 복수의 감시 장치(100)로부터 수신하는 감지 신호는 디지털 변환된 데이터 신호인 것을 가정하여 설명하지만, 복수의 감시 장치(100)로부터 전송되는 감지 신호가 아날로그 신호일 수도 있음은 물론이다.
복수의 감시 장치(100)로부터 전송되는 신호에는 감지 신호 이외에 감시 장치(100)의 식별 정보 및 위치 정보 중 적어도 하나가 포함된다.
여기서, 감지 신호는 수집된 시간이 동일한 것으로 가정한다. 이를 위해 위치 확인 개시 명령에는 위치 확인 대상물에 대한 신호 감지 명령과 함께 수집 시간에 대한 정보가 함께 포함되어 있을 수 있다. 즉, 감시 장치(100) 각각은 위치 확인 개시 명령에 포함된 수집 시간에 기초하여 해당 수집 시간에 감지된 신호를 전송함으로써 동일한 시간에 수집된 감지 신호가 위치 연산 장치(200a)에서 비교되도록 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 위치 연산 장치(200a)는 신호 처리부(210), 신호 연산부(220), 위치 연산부(230)를 포함한다.
신호 처리부(210)는 감시 장치(100)에서 전송한 감지 신호를 주파수 영역으로 변환한다. 즉, 감지 신호를 주파수 분리하여 주파수별 위상을 측정한다. 여기서, 신호 처리(주파수 영역으로의 변환)는 각 감시 장치(100)에서 전송된 감지 신호 중에서 수집 시간이 동일한 감지 신호에 대해서 수행될 수 있다.
일 예로, 신호 처리부(210)는 감지 신호를 동일 주파수별로 분리하는 대역통과필터부와 분리된 신호의 주파수별 위상을 측정하는 위상 측정부를 포함할 수 있다.
다른 예로, 신호 처리부(210)는 별도의 하드웨어에 의해 주파수 분리 및 위상 측정이 별도로 수행되는 것이 아니라, 감지 신호를 고속 퓨리에 변환(FFT)함으로써 주파수별 위상으로 변환할 수 있다.
여기서, 고속 퓨리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)이란 연속 자료를 다른 차원의 연속 자료로 변환시키는 방법으로서, 시간계열 자료를 주파수계열 자료로 혹은 주파수계열 자료를 시간계열 자료로 변환하는 것이 가능하며, 시간에 따라 측정한 신호의 주파수 특성을 분석하거나 주파수 자료의 시간적 특성을 분석하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 고속 퓨리에 변환을 통해 각 채널의 주파수 특성(예를 들어, 감시 장치(100)의 특성)에 의한 시간차를 용이하게 도출할 수 있도록 한다.
신호 연산부(220)는 신호 처리부(210)에서 처리한 신호(즉, 주파수 영역으로 변환된 신호)에 대하여 복수의 감시 장치(100)에 대응되는 위상차를 계산하고, 이로부터 복수의 감시 장치(100) 간의 신호도달 시간차를 연산한다.
신호 처리부(210)에서 처리한 신호는 주파수 영역에서의 감지 신호로서, 신호 연산부(220)는 서로 다른 위치에 있는 복수의 감시 장치(100) 각각에 대응되는 주파수 영역에서의 감지 신호의 위상을 비교하여 그 위상차를 구할 수 있다.
위상차를 계산함에 있어, 위상을 비교하기 위한 주파수 대역(즉, 기준주파수)이 미리 정해져 있을 수 있다. 혹은 주파수 영역에서의 감지 신호의 스펙트럼을 분석하여 각 신호의 데이터가 소정 비율 이상으로 일치하는 주파수 대역이 있는지 검사하고, 소정 비율 이상의 데이터 일치율을 나타내는 주파수 대역이 있는 경우 해당 주파수 대역을 기준주파수로 설정하여 위상을 비교함으로써 이루어질 수 있다.
여기서, 위상차는 복수의 감시 장치(100) 간의 상관관계에 의해 계산되는 값으로서, 위치 확인 대상물과 감시 장치(100) 사이의 거리 차에 연관된 데이터이다.
위상차의 계산에 앞서 감시 장치(100)에서 측정된 위상 파라미터를 이용한 감지 신호의 위상 보정이 선수행될 수 있다. 이를 위해 위치 연산 장치(200)는 감시 장치(100)로부터 위상 파라미터를 감지 신호와 함께 혹은 별도로 전송받을 수 있다.
위상차가 계산되면, 하기의 수학식 1에 따라 위치 확인 대상물에서 복수의 감시 장치(100) 각각에까지 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호의 도달 시간차를 연산할 수 있다.
[수학식 1]
??t = (??1-??2)/f
여기서, ??t는 신호도달 시간차, ??1은 제1 채널(제1 감시 장치)의 위상, ??2는 제2 채널(제2 감시 장치)의 위상, f는 위상 비교를 위해 선정된 주파수 대역을 의미한다.
일반적으로 제1 감시 장치 및 제2 감시 장치에서의 감지 신호는 신호의 진행 거리가 다름에서 발생하는 감쇠와 다른 경로에서 발생하는 잡음으로 인하여 그 파형이 완전히 일치하지 않을 수 있어, 실제 두 개의 파형이 얼마나 지연되었는지를 비교하기가 어렵다.
따라서, 종래 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호가 제1 감시 장치 및 제2 감시 장치에 도달하는 시간차는 기준시각을 동기화하고 특정 신호가 제1 감시 장치 및 제2 감시 장치에서 감지되는 시간을 직접 측정하여 비교함으로써 측정될 수 있었다. 이 경우, 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호는 시간차를 측정하기 위한 특정 신호여야 하며, 도달시간의 비교를 위해서는 기준시각 동기화가 필요한 문제점이 있었다.
하지만, 본 실시예에 따르면, 신호의 종류가 특정될 필요가 없이 동일한 수집 시간을 가지는 임의의 종류의 신호에 대해서도 주파수 영역으로 변환한 후 선정된 주파수 대역에서의 위상을 비교하여 위상차를 구하고 이에 기초하여 신호도달 시간차를 연산할 수 있다.
또한, 잡음으로 인한 요인 역시 백색잡음이 아닌 특정 잡음은 모든 주파수에 포함되지는 않기 때문에, 주파수 분리된 신호들 중에서 잡음이 적거나 없는 최적 주파수를 기준주파수로 선정하여 그 위상차를 비교함으로써 그 정확도를 향상시킬 수도 있다.
여기서, 기준주파수를 선정함에 있어서 각각의 주파수로 분리하여 계산된 값들은 소정의 필터(예를 들어, 평균, 최소, 최대 등)를 통해 유용한 값만을 필터링하여 이용할 수 있을 것이다.
위치 연산부(230)는 신호 연산부(220)에서 연산된 복수의 감시 장치(100) 사이의 신호도달 시간차 및 각 감시 장치(100)의 위치 정보를 이용하여 위치 확인 대상물의 위치를 연산한다.
감시 장치(100)의 위치 정보는 감시 장치(100)로부터 별도 전송되거나 감지 신호와 함께 전송될 수 있다. 또는 감시 장치(100)의 위치가 예를 들어 룩업테이블 형태로 메모리(미도시)에 미리 저장되어 있어, 감지 신호와 함께 전송된 감시 장치(100)의 식별 정보에 상응하는 위치 정보를 검색하여 획득할 수도 있다.
신호 연산부(220)에서 연산된 신호도달 시간차에 상응하는 쌍곡선을 위치 확인 대상물의 예상 위치로 볼 수 있다. 여기서, 신호도달 시간차가 계산된 두 감시 장치(100)의 위치 좌표는 쌍곡선의 초점이 된다.
본 실시예에서 쌍곡선은 두 정점으로부터 거리의 차가 일정한 점의 집합으로서, 2차원적인 쌍곡선 이외에 3차원적인 쌍곡면까지 포함한다. 여기서, 두 정점이 쌍곡선의 초점, 즉 신호도달 시간차가 계산된 두 감시 장치(100)의 위치 좌표에 해당한다. 그리고 거리의 차는 신호도달 시간차로부터 계산되는 값으로서, 신호도달 시간차에 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호의 진행 속도를 곱한 값일 수 있다.
도 3을 참조하면, 감시 장치가 a, b, c에 위치하고 있는 경우가 예시되어 있다.
a와 b 사이에 연산된 신호도달 시간차(??t1)로부터 거리차(d1=|da-db1|)를 추정할 수 있으며, a와 b의 위치 좌표 및 거리차(d1)로부터 제1 쌍곡선(h1)을 구할 수 있다. 또한, b와 c 사이에 연상된 신호도달 시간차(??t2)로부터 거리차(d2=|dc-db2|)를 추정할 수 있으며, b와 c의 위치 좌표 및 거리차(d2)로부터 제2 쌍곡선(h2)을 구할 수 있다.
제1 쌍곡선(h1)과 제2 쌍곡선(h2)이 구해지면, 이들의 교점(P1)이 바로 위치 확인 대상물의 예상 위치로 추정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 감시 장치 및 위치 연산 장치의 구성 블록도이다.
본 실시예에 따른 위치 확인 시스템에서는 감시 장치(101a~101b, 이하 '101'로 통칭함)에서 위치 확인 대상물에 대한 감지 신호에 대하여 주파수 영역 신호로 변환하는 신호 처리(예를 들어, FFT 처리)를 완료한 후 그 신호 처리 결과물인 주파수, 위상, 신호크기 등의 신호 처리 데이터를 위치 연산 장치(200)로 전송한다. 위치 연산 장치(200b)에서는 복수의 감시 장치(101)에서 전송된 신호 처리 데이터를 이용하여 서로 다른 위치에 있는 감시 장치(101)들 간의 위상차를 계산하고 이로부터 신호도달 시간차를 연산하며, 감시 장치(101)들의 위치를 이용하여 위치 확인 대상물의 위치를 추정한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 감시 장치(101)는 도 2에 도시된 감시 장치(100)와 비교할 때 신호 처리부(151)가 추가되어 있으며, 본 실시예에 따른 위치 연산 장치(200b)는 도 2에 도시된 위치 연산 장치(200a)와 비교할 때 신호 처리부(210)가 생략되어 있다. 기타 구성요소(신호 감지부(111), 증폭부(121), 아날로그/디지털 변환부(131), 위상 파라미터 측정부(141), 신호 연산부(221), 위치 연산부(231))는 도 2에 도시된 구성요소(신호 감지부(110), 증폭부(120), 아날로그/디지털 변환부(130), 위상 파라미터 측정부(140), 신호 연산부(220), 위치 연산부(230))와 동일하거나 유사한 기능을 수행하는 바, 이하 도 2에 도시된 일 실시예와 비교할 때의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
감시 장치(101)는 신호 처리부(151)를 더 포함하고 있다. 신호 처리부(151)는 신호 감지부(111)에서 감지한 감지 신호를 주파수 분리하여 주파수별 위상을 측정한다. 여기서, 신호 처리부(151)는 각 감시 장치(101)에서 전송된 감지 신호 중에서 수집 시간이 동일한 감지 신호에 대해서 신호 처리를 수행할 수 있다.
신호 처리부(151)는 대역통과필터부와 위상 측정부를 포함하는 구조를 가지거나 고속 퓨리에 변환(FFT)이 가능한 모듈일 수 있다.
신호 처리부(151)에서의 신호 처리에 의해, 감지 신호는 주파수 영역 신호로 변환되며, 보다 상세하게는 신호 처리부(151)에서는 분리된 주파수, 주파수별 위상, 주파수별 신호크기 등을 포함하는 신호 처리 데이터가 생성되어 위치 연산 장치(200b)로 전송될 수 있다. 여기서, 신호 처리 데이터 중 유의미한 데이터에 해당하는 기준주파수 및 기준주파수에서의 위상 데이터 만이 위치 연산 장치(200b)로 전송되도록 하여 데이터 전송량을 절감할 수도 있다.
또한, 신호 처리 데이터와 함께 감시 장치(101)를 식별하기 위한 식별정보 및/또는 위치 정보가 함께 전송될 수 있다.
본 실시예에 따른 위치 연산 장치(200b)는 감시 장치(101)에서 이미 신호 처리된 신호 처리 데이터가 전송되기 때문에 도 2에 도시된 것과 같은 신호 처리부(210)가 불필요하여 생략되어 있다.
신호 연산부(221)는 서로 다른 위치에 있는 복수의 감시 장치(101)에서 전송된 신호 처리 데이터에 대하여 기준주파수에서의 위상을 비교하여 그 위상차를 구하고, 기준주파수와의 관계로부터 복수의 감시 장치(101) 간의 신호도달 시간차를 연산한다. 이에 대해서는 앞서 수학식 1을 참조하여 상세히 설명하였는 바 여기서는 그 설명을 생략한다.
위치 연산부(231)는 신호 연산부(221)에서 연산된 복수의 감시 장치(101) 사이의 신호도달 시간차 및 각 감시 장치(101)의 위치 정보를 이용하여 위치 확인 대상물의 위치를 연산한다.
감시 장치(101)의 위치 정보는 감시 장치(101)로부터 별도 전송되거나 신호 처리 데이터와 함께 전송될 수 있다. 또는 감시 장치(101)의 위치가 예를 들어 룩업테이블 형태로 메모리(미도시)에 미리 저장되어 있어, 신호 처리 데이터와 함께 전송된 감시 장치(101)의 식별 정보에 상응하는 위치 정보를 검색하여 획득할 수도 있다.
위치 연산부(231)에서의 위치 연산은 쌍곡선의 특성을 이용하여 이루어질 수 있으며, 이에 대해서는 앞서 도 3을 참조하여 상세히 설명하였는 바 여기서는 그 설명을 생략한다.
본 실시예에 따른 위치 확인 시스템에서는 신호 처리 데이터, 즉 FFT 처리 결과만이 전송되므로 전송 데이터량을 절감하고, 데이터 전송률 및 전송정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감시 장치 및 위치 연산 장치의 구성 블록도이다.
본 실시예에 따른 위치 확인 시스템에서는 감시 장치(102a~102n, 이하 '102'로 통칭함)에서 위치 확인 대상물에 대한 감지 신호에 대하여 주파수 영역 신호로 변환하는 신호 처리(예를 들어, FFT 처리)를 완료한 후 어느 하나의 감시 장치에서 전송된 신호 처리 데이터를 기준 데이터로 하여 해당 감시 장치와의 위상차를 연산한 후 위치 연산 장치(200c)로 전송한다. 위치 연산 장치(200c)에서는 복수의 감시 장치(102)에서 전송된 위상차로부터 신호도달 시간차를 연산하며, 감시 장치(102)들의 위치를 이용하여 위치 확인 대상물의 위치를 추정한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 감시 장치(102)는 도 2에 도시된 감시 장치(100)와 비교할 때 신호 처리부(152), 기준신호 전송부(162) 및/또는 신호 연산부(172)가 추가되었으며, 본 실시예에 따른 위치 연산 장치(200c)는 도 2에 도시된 위치 연산 장치(200a)와 비교할 때 신호 처리부(210)가 생략되어 있다. 기타 구성요소(신호 감지부(112), 증폭부(122), 아날로그/디지털 변환부(132), 위상 파라미터 측정부(142), 위치 연산부(232))는 도 2에 도시된 구성요소(신호 감지부(110), 증폭부(120), 아날로그/디지털 변환부(130), 위상 파라미터 측정부(140), 위치 연산부(230))와 동일하거나 유사한 기능을 수행하는 바, 이하 도 2에 도시된 일 실시예와 비교할 때의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 실시예에서는 발명의 이해 및 설명의 편의를 위해 제1 감시 장치(102a)가 타 감시 장치(제2 감시 장치(102b)~제n 감시 장치(102n))로 위상차 계산의 기준이 되는 기준신호를 전송하는 것으로 가정한다. 여기서, 기준신호를 전송하는 감시 장치는 미리 결정되어 있거나 사용자의 선택에 의해 결정될 수 있다.
제1 감시 장치(102a)는 신호 처리부(152) 및 기준신호 전송부(162)를 더 포함하고 있다.
신호 처리부(152)는 신호 감지부(112)에서 감지한 감지 신호를 주파수 분리하여 주파수별 위상을 측정한다. 여기서, 신호 처리부(152)는 각 감시 장치(102)에서 전송된 감지 신호 중에서 수집 시간이 동일한 감지 신호에 대해서 신호 처리를 수행할 수 있다.
신호 처리부(152)는 대역통과필터부와 위상 측정부를 포함하는 구조를 가지거나 고속 퓨리에 변환이 가능한 모듈일 수 있다.
신호 처리부(152)에서의 신호 처리에 의해, 감지 신호는 주파수 영역 신호로 변환되며, 보다 상세하게는 신호 처리부(152)에서는 분리된 주파수, 주파수별 위상, 주파수별 신호크기 등을 포함하는 신호 처리 데이터가 생성된다.
기준신호 전송부(162)는 신호 처리부(152)에서 생성된 신호 처리 데이터 중 유의미한 데이터에 해당하는 기준주파수 및 기준위상(제1 감시 장치(102a)에서 감지한 감지 신호의 기준주파수에서의 위상)을 기준신호로 하여 타 감시 장치(102b~102n) 및/또는 위치 연산 장치(200c)로 전송한다.
타 감시 장치(102b~102n)는 신호 연산부(172)를 포함하고 있어 기준신호 전송부(162)에 의해 전송된 기준신호와 자신의 신호 처리부(152)에 의해 처리된 신호 처리 데이터를 비교하고 위상차를 계산할 수 있다.
신호 처리부(152)에 의해 처리된 신호 처리 데이터에는 해당 감시 장치에서 감지한 감지 신호에 포함되어 있는 각종 주파수 및 주파수별 위상이 포함되어 있으며, 그 중에서 기준신호에 포함되어 있는 기준주파수에 상응하는 주파수별 위상을 독출하여 기준신호에 포함되어 있는 기준위상과 비교함으로써 기준주파수에서의 위상차를 계산할 수 있다.
계산된 위상차는 위치 연산 장치(200c)로 전송될 수 있으며, 타 실시예에 비교할 때 매우 적은 양의 데이터만을 전송하게 되어 전송 대역폭을 절감하면서 데이터 전송률 및 전송정확도를 높일 수 있다.
본 실시예에 따른 위치 연산 장치(200c)는 감시 장치(102)에서 이미 신호 처리된 이후 계산된 위상차에 대한 위상차 데이터가 전송되기 때문에 도 2에 도시된 것과 같은 신호 처리부(210)가 불필요하여 생략되어 있으며, 도 5에 도시된 신호 연산부(222)의 기능이 도 4에 도시된 신호 연산부(221)의 기능과는 다소 차이가 있다.
위치 연산 장치(200c)의 신호 연산부(222)는 제1 감시 장치(102a)에서 수신된 기준신호에 근거하여 위치 계산의 기준이 되는 감시 장치를 식별한다.
그리고 신호 연산부(222)는 타 감시 장치(102b~102n)로부터 수신된 제1 감시 장치(102a)와의 관계에 따른 위상차 데이터를 이용하여 제1 감시 장치(102a)와 타 감시 장치(102b~102n) 사이의 신호도달 시간차를 계산한다. 신호도달 시간차의 계산에 대해서는 앞서 수학식 1을 참조하여 상세히 설명하였는 바 여기서는 그 설명을 생략한다.
위치 연산부(232)는 신호 연산부(222)에서 연산된 제1 감시 장치(102a)와 타 감시 장치(102b~102n) 사이의 신호도달 시간차 및 각 감시 장치(102a~102n)의 위치 정보를 이용하여 위치 확인 대상물의 위치를 연산한다.
감시 장치(102)의 위치 정보는 감시 장치(102)로부터 별도 전송되거나 기준신호 혹은 위상차 데이터와 함께 전송될 수 있다. 또는 감시 장치(102)의 위치가 예를 들어 룩업테이블 형태로 메모리(미도시)에 미리 저장되어 있어, 기준신호 혹은 위상차 데이터와 함께 전송된 감시 장치(102)의 식별 정보에 상응하는 위치 정보를 검색하여 획득할 수도 있다.
위치 연산부(232)에서의 위치 연산은 쌍곡선의 특성을 이용하여 이루어질 수 있으며, 이에 대해서는 앞서 도 3을 참조하여 상세히 설명하였는 바 여기서는 그 설명을 생략한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 확인 방법의 순서도이다. 도 6의 각 단계들은 도 2에 도시된 위치 확인 시스템의 각 구성요소에서 수행될 수 있다.
우선 위치 연산 장치(200a)에서 각 감시 장치(100a, 100b)로 혹은 임의의 감시 장치(100a 혹은 100b)에서 타 감시 장치(100b 혹은 100a)로 위치 확인 개시 명령을 전송함으로써 위치 확인 과정이 개시될 수 있다.
단계 S310 및 단계 S312에서 제1 감시 장치(100a) 및 제2 감시 장치(100b)는 임의의 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지한다. 본 실시예에서 신호를 감지하는 감시 장치의 수는 셋 이상일 수 있으며, 각 감시 장치의 위치는 서로 다른 좌표를 가질 수 있다.
필요에 따라 감지 신호는 용이한 신호 처리를 위해 소정 이득만큼 증폭되고, 아날로그/디지털 변환될 수 있다.
또한, 감시 장치는 장치 특성에 종속되는 위상 파라미터를 측정할 수도 있다. 위상 파라미터는 신호 감지부의 위상 특성, 신호 감지부의 길이, 증폭부의 위상 특성, 아날로그/디지털 변환부의 개시 시간, 감시 장치의 응답 시간 등이 위상 파라미터로 측정되고, 감지 신호의 위상 보정을 위해 위치 연산 장치(200a)로 전송될 수 있다.
단계 S320 및 단계 S322에서 제1 감시 장치(100a) 및 제2 감시 장치(100b)는 위치 연산 장치(200a)로 감지 신호를 전송한다. 전송되는 감지 신호는 원 데이터 자체, 중간주파수 처리된 신호 혹은 최종 복조된 신호 중 어느 하나일 수 있다.
단계 S330에서 위치 연산 장치(200a)는 감시 장치(100)로부터 감지 신호를 수신하고, 신호 처리부(210)는 이를 주파수 영역 신호로 변환한다. 감지 신호는 감시 장치(100)의 식별 정보 및 위치 정보 중 적어도 하나와 함께 전송될 수 있다.
감지 신호의 경우 시간 영역 신호로서, 주파수 분리 및 주파수별 위상 측정을 통해 주파수 영역 신호로 변환되거나 고속 퓨리에 변환에 의해 주파수 영역 신호로 변환될 수 있다.
단계 S340에서 신호 연산부(220)는 주파수 영역 신호로 변환된 감지 신호들 간의 위상을 비교함으로써 복수의 감시 장치(100a, 100b) 사이의 위상차를 계산한다.
여기서, 위상 파라미터를 이용한 위상 보정 단계가 선수행될 수 있다.
또한, 위상차의 계산을 위한 주파수 대역의 선정 단계가 선수행될 수 있다. 예를 들어, 임의의 주파수 대역에서 두 감지 신호의 데이터가 소정 비율 이상 일치하는 경우에 그 주파수 대역을 위상차 계산을 위한 기준주파수로 선정할 수 있다.
단계 S350에서 신호 연산부(220)는 단계 S340에서 계산된 위상차 및 기준주파수를 이용하여 복수의 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 연산한다. 신호도달 시간차의 연산에 대해서는 앞서 수학식 1을 참조하여 설명한 바 있다.
단계 S360에서 위치 연산부(230)는 단계 S350에서 연산된 신호도달 시간차를 이용하여 위치 확인 대상물의 예상 위치를 추정한다. 예상 위치의 추정에는 쌍곡선이 이용될 수 있으며, 이 경우 각 감시 장치의 위치 정보가 추가적으로 이용될 수 있다.
즉, 신호도달 시간차로부터 위치 확인 대상물과 복수의 감시 장치 각각까지의 거리차를 계산하고, 복수의 감시 장치 각각의 위치를 두 초점으로 하는 쌍곡선을 구하되, 이러한 쌍곡선을 두 개 이상 구하여 찾은 교점을 위치 확인 대상물의 위치로 추정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 위치 확인 방법의 순서도이다. 도 7의 각 단계들은 도 4에 도시된 위치 확인 시스템의 각 구성요소에서 수행될 수 있다.
우선 위치 연산 장치(200b)에서 각 감시 장치(101a, 101b)로 혹은 임의의 감시 장치(101a 혹은 101b)에서 타 감시 장치(101b 혹은 101a)로 위치 확인 개시 명령을 전송함으로써 위치 확인 과정이 개시될 수 있다.
단계 S410 및 단계 S412에서 제1 감시 장치(101a) 및 제2 감시 장치(101b)는 임의의 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지한다. 본 실시예에서 신호를 감지하는 감시 장치의 수는 셋 이상일 수 있으며, 각 감시 장치의 위치는 서로 다른 좌표를 가질 수 있다.
필요에 따라 감지 신호는 용이한 신호 처리를 위해 소정 이득만큼 증폭되고, 아날로그/디지털 변환될 수 있다.
단계 S420 및 단계 S422에서 제1 감시 장치(101a) 및 제2 감시 장치(101b)는 감지 신호를 주파수 영역 신호로 변환한다. 감지 신호의 경우 시간 영역 신호로서, 주파수 분리 및 주파수별 위상 측정을 통해 주파수 영역 신호로 변환되거나 고속 퓨리에 변환에 의해 주파수 영역 신호로 변환될 수 있다.
여기서, 감시 장치의 장치 특성에 종속되는 위상 파라미터를 이용한 위상 보정 단계가 선수행될 수 있다. 위상 파라미터는 신호 감지부의 위상 특성, 신호 감지부의 길이, 증폭부의 위상 특성, 아날로그/디지털 변환부의 개시 시간, 감시 장치의 응답 시간 등일 수 있다.
단계 S430 및 단계 S432에서 제1 감시 장치(101a) 및 제2 감시 장치(101b)는 위치 연산 장치(200b)로 신호 처리 데이터, 즉 주파수 영역 신호를 전송한다. 신호 처리 데이터는 감시 장치(101a, 101b)의 식별 정보 및 위치 정보 중 적어도 하나와 함께 전송될 수 있다.
단계 S440에서 신호 연산부(221)는 주파수 영역 신호로 변환된 감지 신호들 간의 위상을 비교함으로써 복수의 감시 장치(101a, 101b) 사이의 위상차를 계산한다.
또한, 위상차의 계산을 위한 주파수 대역의 선정 단계가 선수행될 수 있다. 예를 들어, 임의의 주파수 대역에서 두 감지 신호의 데이터가 소정 비율 이상 일치하는 경우에 그 주파수 대역을 위상차 계산을 위한 기준주파수로 선정할 수 있다.
단계 S450에서 신호 연산부(221)는 단계 S440에서 계산된 위상차 및 기준주파수를 이용하여 복수의 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 연산한다. 신호도달 시간차의 연산에 대해서는 앞서 수학식 1을 참조하여 설명한 바 있다.
단계 S460에서 위치 연산부(231)는 단계 S450에서 연산된 신호도달 시간차를 이용하여 위치 확인 대상물의 예상 위치를 추정한다. 예상 위치의 추정에는 쌍곡선이 이용될 수 있으며, 이 경우 각 감시 장치의 위치 정보가 추가적으로 이용될 수 있다.
즉, 신호도달 시간차로부터 위치 확인 대상물과 복수의 감시 장치 각각까지의 거리차를 계산하고, 복수의 감시 장치 각각의 위치를 두 초점으로 하는 쌍곡선을 구하되, 이러한 쌍곡선을 두 개 이상 구하여 찾은 교점을 위치 확인 대상물의 위치로 추정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 위치 확인 방법의 순서도이다. 도 8의 각 단계들은 도 5에 도시된 위치 확인 시스템의 각 구성요소에서 수행될 수 있다.
우선 위치 연산 장치(200c)에서 각 감시 장치(102a, 102b)로 혹은 임의의 감시 장치(102a 혹은 102b)에서 타 감시 장치(102b 혹은 102a)로 위치 확인 개시 명령을 전송함으로써 위치 확인 과정이 개시될 수 있다.
단계 S510 및 단계 S512에서 제1 감시 장치(102a) 및 제2 감시 장치(102b)는 임의의 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지한다. 본 실시예에서 신호를 감지하는 감시 장치의 수는 셋 이상일 수 있으며, 각 감시 장치의 위치는 서로 다른 좌표를 가질 수 있다.
필요에 따라 감지 신호는 용이한 신호 처리를 위해 소정 이득만큼 증폭되고, 아날로그/디지털 변환될 수 있다.
단계 S520 및 단계 S522에서 제1 감시 장치(102a) 및 제2 감시 장치(102b)는 감지 신호를 주파수 영역 신호로 변환한다. 감지 신호의 경우 시간 영역 신호로서, 주파수 분리 및 주파수별 위상 측정을 통해 주파수 영역 신호로 변환되거나 고속 퓨리에 변환에 의해 주파수 영역 신호로 변환될 수 있다.
여기서, 감시 장치의 장치 특성에 종속되는 위상 파라미터를 이용한 위상 보정 단계가 선수행될 수 있다. 위상 파라미터는 신호 감지부의 위상 특성, 신호 감지부의 길이, 증폭부의 위상 특성, 아날로그/디지털 변환부의 개시 시간, 감시 장치의 응답 시간 등일 수 있다.
복수의 감시 장치 중 어느 하나가 자신의 신호 처리 데이터, 즉 주파수 영역으로의 변환을 통해 획득한 유의미한 주파수를 기준주파수로 정하고, 기준주파수에서의 위상을 기준위상으로 하여 기준주파수 및 기준위상을 포함하는 기준신호를 타 감시 장치 및 위치 연산 장치(200c)로 전송할 수 있다. 본 실시예에서는 단계 S530 및 S535에서 제1 감시 장치(102a)가 제2 감시 장치(102b) 및 위치 연산 장치(200c)로 기준신호를 전송한다. 여기서, 단계 S535에서의 기준신호는 제1 감시 장치(102a)의 식별 정보 및 위치 정보 중 적어도 하나와 함께 전송될 수 있다.
단계 S540에서 제2 감시 장치(102b)는 자신의 신호 처리 데이터와 제1 감시 장치(102a)에서 전송된 기준신호를 비교하여 기준주파수에서의 위상차를 계산한다. 여기서, 계산된 위상차는 제1 감시 장치(102a)와 제2 감시 장치(102b) 사이의 위상차가 된다.
단계 S545에서 제2 감시 장치(102b)는 계산된 위상차 데이터를 위치 연산 장치(200c)로 전송한다. 위상차 데이터는 제2 감시 장치(102b)의 식별 정보 및 위치 정보 중 적어도 하나와 함께 전송될 수 있다.
단계 S550에서 신호 연산부(222)는 단계 S535에서 전송된 기준신호에 포함된 기준주파수 및 단계 S545에서 전송된 위상차 데이터를 이용하여 제1 감시 장치(102a)와 타 감시 장치(도면에서는 제2 감시 장치(102b)) 사이의 신호도달 시간차를 연산한다. 신호도달 시간차의 연산에 대해서는 앞서 수학식 1을 참조하여 설명한 바 있다.
단계 S560에서 위치 연산부(232)는 단계 S550에서 연산된 신호도달 시간차를 이용하여 위치 확인 대상물의 예상 위치를 추정한다. 예상 위치의 추정에는 쌍곡선이 이용될 수 있으며, 이 경우 각 감시 장치의 위치 정보가 추가적으로 이용될 수 있다.
즉, 신호도달 시간차로부터 위치 확인 대상물과 복수의 감시 장치 각각까지의 거리차를 계산하고, 복수의 감시 장치 각각의 위치를 두 초점으로 하는 쌍곡선을 구하되, 이러한 쌍곡선을 두 개 이상 구하여 찾은 교점을 위치 확인 대상물의 위치로 추정할 수 있다.
도 6 내지 도 8 중 하나를 참조하여 설명한 위치 확인 방법은 디지털 처리 장치(위치 확인 시스템)에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
본 실시예에 따른 위치 확인 시스템 및 위치 확인 방법은 다음과 같은 경우에 사용될 수 있다.
제1 실시예로 3곳 이상의 위치에 설치된 포토 센서를 구비한 망원경이 로켓 혹은 포탄에서 발생되는 엔진 불꽃을 감지하고, 전술한 위치 확인 방법에 따라 연산함으로써 로켓의 현재 위치 및 그 경로를 파악하여 로켓 혹은 포탄 추적이 가능하다.
제2 실시예로 이동형 장치에 설치된 송신기에서 전송하는 전파를 수신기에서 수신하고, 전술한 위치 확인 방법에 따라 연산함으로써 송신기가 설치된 이동형 장치(예를 들어, 스텔스 비행기 등)의 위치 파악이 가능하다.
제3 실시예로 특정 송신원에서 발신된 신호가 비행체에 반사된 이후 그 반사신호를 수신기에서 수신하고, 전술한 위치 확인 방법에 따라 연산함으로써 비행체의 위치 파악이 가능하다.
제4 실시예로 서로 다른 위치에 복수의 마이크로폰이 설치되어 있고, 사람의 발자국 소리 혹은 새의 소리 등을 감지함으로써 현재 복도 혹은 회랑에서 사람의 위치 혹은 새의 위치를 파악할 수도 있다.
제5 실시예로 상수도, 가스관, 송유관 등의 누출(누수)가 있는 경우 배관을 따라 이격되어 설치된 마이크로폰 혹은 진동센서를 통해 누출 소리 혹은 그에 따른 충격이나 진동을 감지함으로써 누출 지점을 파악하고 신속한 보수가 이루어지도록 할 수 있다.
제6 실시예로 전선 혹은 케이블에서 불안전한 접속이 이루어지고 있거나 선로가 부식된 경우 이로 인한 열 잡음 혹은 신호 잡음이 발생할 때 전선 혹은 케이블을 따라 이격되어 설치된 PIC를 통해 이를 감지함으로써 접촉 불량 지점이나 부식 지점을 용이하게 찾을 수 있다.
또한, 대상물이 복수 개가 존재하는 경우, 복수의 대상물을 분리하여 적용시킴으로써 특정 대상물에 대한 확인이 가능하다. 대상물이 서로 다른 소리를 내는 2종류의 새인 경우, 각 새소리의 위상차를 이용하여 각 주파수별 위상으로부터 위상차를 계산하고 이로부터 2종류의 소리로 분리함으로써 잡음이 제거된(즉, 한 종류의 새소리가 제거된) 일 종류의 새소리만을 분리해 낼 수 있게 된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (19)

  1. 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 그 위치를 연산하는 위치 확인 시스템에 있어서,
    상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 시간 영역의 감지 신호를 생성하는 복수의 감시 장치; 및
    상기 복수의 감시 장치로부터 수신된 상기 감지 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 신호 처리부와, 주파수별 위상을 비교하여 상기 복수의 감시 장치 사이의 위상차를 계산하고, 상기 위상차로부터 상기 복수의 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 연산하는 신호 연산부와, 상기 신호도달 시간차 및 상기 복수의 감시 장치의 위치를 이용하여 상기 위치 확인 대상물의 위치를 추정하는 위치 연산부를 포함하는 위치 연산 장치를 포함하는 위치 확인 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 수집 시간이 동일한 상기 시간 영역의 감지 신호를 주파수별로 분리하고, 주파수별 위상 측정을 수행하여 상기 주파수 영역 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 고속 퓨리에 변환(FFT)을 통해 수집 시간이 동일한 상기 시간 영역의 감지 신호를 상기 주파수 영역 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 연산부는 상기 주파수 영역 신호로 변환된 감지 신호들 간의 데이터 일치율이 소정 비율 이상인 주파수 대역을 선정하여 그 위상을 비교함으로써 상기 위상차를 계산하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호 연산부는 상기 위상차와 선정된 주파수 대역 간의 상관관계로부터 상기 신호도달 시간차를 연산하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 감시 장치 각각은 타 감시 장치 혹은 상기 위치 연산 장치에서 전송된 위치 확인 개시 명령에 의해 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호 감지를 개시하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 위치 연산부는 상기 신호도달 시간차 및 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호의 진행 속도를 이용하여 상기 위치 확인 대상물과 상기 복수의 감시 장치까지의 거리차를 계산하고, 상기 거리차를 이용하여 상기 복수의 감시 장치의 위치를 초점으로 하는 쌍곡선을 복수 개 구한 후 그 교점을 상기 위치 확인 대상물의 위치로 추정하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  8. 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 그 위치를 연산하는 위치 확인 시스템에 있어서,
    상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 시간 영역의 감지 신호를 생성하고, 상기 감지 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 복수의 감시 장치; 및
    상기 복수의 감시 장치로부터 상기 주파수 영역 신호를 수신하여 주파수별 위상을 비교하여 상기 복수의 감시 장치 사이의 위상차를 계산하고, 상기 위상차로부터 상기 복수의 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 연산하는 신호 연산부와, 상기 신호도달 시간차 및 상기 복수의 감시 장치의 위치를 이용하여 상기 위치 확인 대상물의 위치를 추정하는 위치 연산부를 포함하는 위치 연산 장치를 포함하는 위치 확인 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 감시 장치는 수집 시간이 동일한 상기 시간 영역의 감지 신호를 상기 주파수 영역 신호로 변환하되,
    상기 주파수 영역 신호는 상기 감지 신호에 포함된 주파수, 주파수별 위상 및 주파수별 신호크기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 신호 연산부는 상기 주파수 영역 신호로 변환된 감지 신호들 간의 데이터 일치율이 소정 비율 이상인 주파수 대역을 선정하여 그 위상을 비교함으로써 상기 위상차를 계산하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 신호 연산부는 상기 위상차와 선정된 주파수 대역 간의 상관관계로부터 상기 신호도달 시간차를 연산하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 감시 장치 각각은 타 감시 장치 혹은 상기 위치 연산 장치에서 전송된 위치 확인 개시 명령에 의해 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호 감지를 개시하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 위치 연산부는 상기 신호도달 시간차 및 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호의 진행 속도를 이용하여 상기 위치 확인 대상물과 상기 복수의 감시 장치까지의 거리차를 계산하고, 상기 거리차를 이용하여 상기 복수의 감시 장치의 위치를 초점으로 하는 쌍곡선을 복수 개 구한 후 그 교점을 상기 위치 확인 대상물의 위치로 추정하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  14. 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 그 위치를 연산하는 위치 확인 시스템에 있어서,
    상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하여 기준주파수 및 기준위상을 포함하는 기준신호를 출력하는 제1 감시 장치;
    상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호를 감지하고 상기 기준신호와 비교한 결과 상기 제1 감시 장치와의 위상차를 계산하는 복수의 제2 감시 장치; 및
    상기 위상차로부터 상기 제1 감시 장치와 상기 복수의 제2 감시 장치 사이의 신호도달 시간차를 계산하는 신호 연산부와, 상기 신호도달 시간차 및 상기 제1 감시 장치와 상기 복수의 제2 감시 장치의 위치를 이용하여 상기 위치 확인 대상물의 위치를 추정하는 위치 연산부를 포함하는 위치 연산 장치를 포함하는 위치 연산 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 감시 장치 및 상기 복수의 제2 감시 장치는 수집 시간이 동일한 시간 영역의 감지 신호를 주파수 영역으로 변환하여 상기 기준신호 및 상기 위상차를 각각 출력 및 계산하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 신호 연산부는 상기 위상차와 상기 기준주파수 간의 상관관계로부터 상기 신호도달 시간차를 연산하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제1 감시 장치 및 상기 복수의 제2 감시 장치 각각은 타 감시 장치 혹은 상기 위치 연산 장치에서 전송된 위치 확인 개시 명령에 의해 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호 감지를 개시하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 위치 연산부는 상기 신호도달 시간차 및 상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호의 진행 속도를 이용하여 상기 위치 확인 대상물과 상기 제1 감시 장치까지의 거리 및 상기 위치 확인 대상물과 상기 복수의 제2 감시 장치 중 어느 하나까지의 거리의 차를 계산하고, 상기 거리의 차를 이용하여 상기 제1 감시 장치 및 상기 복수의 제2 감시 장치 중 어느 하나의 위치를 초점으로 하는 쌍곡선을 복수 개 구한 후 그 교점을 상기 위치 확인 대상물의 위치로 추정하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
  19. 제1항, 제8항 및 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 확인 대상물에 의해 발생된 신호는 진동, 소리, 빛, 열, 전기신호 및 전파 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 위치 확인 시스템.
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