WO2017086736A1 - 정밀위치결정장치 및 이를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법 - Google Patents

정밀위치결정장치 및 이를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법 Download PDF

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WO2017086736A1
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임성혁
허문범
이은성
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한국항공우주연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a precision positioning device and a precision positioning method in a forest using the same, and a precision positioning apparatus capable of determining a precise position within an error range of 20 cm even in the forest by combining GPS and broadband signal communication method and using the same
  • the present invention relates to a precision positioning method in a forest.
  • GPS stands for Global Positioning System, and it is a system that knows its position precisely using satellites anywhere in the world.
  • the information that can be obtained by GPS is the location information of latitude, longitude, and altitude, and accurate time information.
  • the GPS itself is divided into civilian and military, and military is used only by the US military who developed GPS, and civilian is open to everyone. It is used in various ways.
  • the most common example of using GPS for the general public is navigation, which uses a navigation service by figuring out the current location of a car or mobile phone with navigation.
  • the GPS receiver theoretically receives signals from four GPS satellites and specifies its position.
  • the GPS receiver determines its own position by obtaining distance and time information from three of the four GPS satellites, and correcting the error with the other satellite to calculate the current position of the GPS by triangulation.
  • the advantage of GPS is that you can pinpoint your location with a low-cost GPS antenna and a few devices.
  • an inertial navigation system using a device such as a gyro for navigation had to be used, which is expensive and has a disadvantage of accumulating errors over time.
  • GPS is being used in various fields, and recently, it is also used in surveying fields using the drone, such as drones.
  • This is a method in which a user operates a drone equipped with a GPS receiver in an area where humans hardly go, such as jungles and alpine areas, and surveys the area or altitude of the corresponding area, and the Korean Patent Application Publication No. 2003-0068871 (“ Remote search system using an unmanned aerial vehicle ”, 2003.08.25.
  • Prior art 1 has the effect that the position can be conveniently measured using a drone, but in forested places, such as the jungle and forests inside, because the multi-path error caused by the trees cause errors more than a few meters, it is impossible to accurately measure There is a problem.
  • the multipath error is a signal transmitted from a satellite due to a feature such as a building around the receiver, which is refracted and reflected.
  • the signal that is refracted and reflected is received by the receiver and received through a multipath, and is an error caused by the multipath.
  • an error of information to be transmitted may occur because the wave is refracted and reflected, and an error occurs in a direction and a distance in which the wave is transmitted.
  • an error is usually corrected using a technique such as a narrow correlator or a specially designed antenna.
  • this is a non-economically improved precision positioning device and a precise position in the forest using the same. Decision methods need to be developed.
  • an object of the present invention is a precision positioning device that can determine the precise position within the error range of 20cm in a forested place, such as forest and precise position in the forest using the same To provide a decision method.
  • the first wideband signal module 110 and the GPS receiver 120 is attached, a plurality of drones 100 and a predetermined position flying over the air It is provided in the characterized in that it comprises a terminal 200 for determining its position in communication with the first broadband signal module 110.
  • the terminal 200 communicates with the first wideband signal module 110 to receive the position of the unmanned aerial vehicle 100 and the distance between the unmanned aerial vehicle 100 and the terminal 200.
  • the operation unit 220 for determining the position of the terminal 200 based on the position of the UAV 100 received by the second wideband signal module 210 and the distance between the UAV 100 and the terminal 200. It is characterized by comprising a).
  • the wireless communication used by the first broadband signal module 110 and the second broadband signal module 210 is a precision positioning device, characterized in that the frequency of 3 ⁇ 6GHz (bandwidth 500MHz ⁇ 1,000MHz).
  • the precision positioning method in the forest according to the present invention is a precision positioning method in the forest using the precision positioning device
  • each GPS receiver 120 receives the GPS signal from the satellite 300 and Unmanned position detection step (S1) to determine the location of each of the plurality of drones 100
  • the first wideband signal module 110 provided in each of the plurality of drones 100 communicates with the terminal 200
  • Location information transmitting step (S2) for transmitting the position of the drone 100 and the distance between the drone 100 and the terminal 200 to the terminal 200 and the information received from the first wideband signal module 110 It characterized in that it comprises a terminal location determining step (S3) to determine the location of the terminal 200 by using.
  • the positioning step (S3) is characterized in that for determining the position of the terminal 200 by using trilateration.
  • the GPS and the broadband signal are used in parallel, the error due to the multipath signal that may occur in the forest is minimized, so that the precise position within the error range of 20 cm can be determined in the forest.
  • the GPS receiver and the broadband signal module to be attached to the conventional drone, there is a convenient operation.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a precision positioning device according to the present invention.
  • Figure 2 is a flow chart of a precision positioning method in the forest using the precision positioning apparatus according to the present invention.
  • 3 is a conceptual diagram of trilateration using the present invention.
  • GPS satellites C / A code and P code, which are satellite identification information, and navigation message information, which are satellite orbit information, are converted into signals and transmitted on the ground in two bands of L1 and L2 waves, and the L1 and L2 waves are carrier waves. It's called a carrier wave.
  • the GPS device on the ground measures the distance between the satellite and the GPS terminal using two methods and the L1 and L2 waves, which are a code signal measuring method and a carrier signal measuring method.
  • the code signal measuring method is a method of comparing a code emitted from a satellite and a code previously copied from a receiver, observing a time taken until the two codes are completely matched, multiplying the propagation speed, and obtaining a distance.
  • a carrier wave carrying a code signal is a sinusoidal wave having a constant wavelength (the L1 wave has a frequency of 1,575.42 MHz, the wavelength is about 19 cm, and the L2 wave has a frequency of 1,227.60 MHz and a wavelength of about 24 cm). It is a way to calculate the distance by measuring.
  • Wideband signal used in the present invention is commonly called ultra-wideband (UWB), a wireless communication technology that transmits a large amount of information at a low power over a very wide band compared to the existing spectrum, in a broad sense 3
  • the length of signal string (pulse) is less than 30 ⁇ 60cm using frequency band of ⁇ 6GHz (maximum bandwidth 00MHz ⁇ 1,000MHz). Therefore, because it is a high-frequency signal, the transmittance is good and the length of the signal string is short, which minimizes the error caused by the multipath and has a maximum measurement accuracy of 10 cm.
  • the precision positioning device includes an unmanned aerial vehicle 100 and a terminal 200.
  • the unmanned aerial vehicle 100 includes a plurality of drones, and the first wideband signal module 110 and the GPS receiver 120 are attached to each other and fly over the forest.
  • the drone 100 serves to transmit auxiliary information for determining the position of the terminal 200 and is operated by a user who operates the precision positioning apparatus according to the present invention, and thus, the periphery of the terminal 200. Fly over the air.
  • the drone 100 may be a drone or a drone having a horizontal blade that includes a plurality of rotary blades that can be purchased in the vicinity, and the GPS from the first wideband signal module 110 and the GPS satellite using the above-described wideband signal.
  • the GPS receiver 120 that receives the signal is attached.
  • the first wideband signal module 110 uses the above-described wideband signal as a configuration for communicating with the terminal 200 on the ground, and the GPS receiver 120 receives a GPS signal from a GPS satellite and receives the GPS receiver ( 120 is a configuration for determining the position of the drone 100 is provided.
  • the precision positioning method in the forest using the precision determination device of the present invention to be described later uses trilateration, which is to determine the position of the three points A, B, C in the two-dimensional coordinate system, Knowing the distance between A, B, C and X is a method of specifying the position of X.
  • the trilateration measurement will be described later.
  • the terminal 200 is provided at a predetermined position to determine its own position through communication with the first wideband signal module 110, and includes a second wideband signal module 210 and a calculation unit 220. Is done.
  • the terminal 200 is usually located on the ground, and is located in the forest as described below in the precision positioning method in the forest using the precision positioning apparatus according to the present invention.
  • Precision positioning device according to the present invention is to determine the precise position of the terminal 200.
  • the terminal 200 may be provided with a separate antenna on the top in order to more easily receive a wideband signal.
  • the second wideband signal module 210 communicates with the first wideband signal module 110 to receive a location of the unmanned aerial vehicle 100 and a distance between the unmanned aerial vehicle 100 and the terminal 200.
  • the second wideband signal module 210 uses a wideband signal like the first wideband signal module 110, and the wideband signal pulse transmitted from the drone 100 reaches the terminal 200. It uses the method of measuring the distance between two terminals by converting the time (delay) required to do so into a distance.
  • the calculating unit 220 determines the position of the terminal 200 through the position of the drone 100 received by the second wideband signal module 210 and the distance between the drone 100 and the terminal 200. do.
  • the positions of the four UAVs 100 illustrated in FIG. 1 are identified through the GPS receiver 120, and the distance between the four UAVs 100 and the terminal 200 is also determined by the first wideband signal.
  • the module 110 and the second wideband signal module 210 have been identified through communication. Knowing the distance between the three or more drones 100 whose position is confirmed and the terminal 200 to measure the precise position, the position of the terminal 200 can be determined. This is illustrated in FIG. 3, which will be described in detail when describing the precision positioning method in the forest using the precision positioning apparatus according to the present invention.
  • Wireless communication used by the first wideband signal module 110 and the second wideband signal module 210 has a frequency of 3 to 6 GHz (bandwidth 500 MHz to 1,000 MHz).
  • the wideband signal is considered.
  • the first wideband signal module 110 and the second wideband signal module 210 use the wideband signal as described above.
  • the reason why the unmanned aerial vehicle 100 communicates with the terminal 200 located on the ground by using a broadband signal is to overcome the multipath error described in the background art.
  • the multipath error is a phenomenon in which an error occurs because the radio wave is reflected by a high structure such as a building or a tree and there are several radio wave reception paths.
  • radio wave it is a kind of wavelength, and the property of radio wave is determined by frequency. The higher the frequency, the closer to light, the stronger the straightness, and the better the directivity. In addition, the reflectivity is lowered and the transmittance is increased, but in the forest, it is advantageous to receive radio waves at low frequencies where diffraction occurs well, but in order to determine a specific position in real time as in the present invention, the frequency is high and the bandwidth is wide. It is advantageous to use radio waves. This is because, as described above, the radio waves having high frequency and bandwidth have strong straightness and can easily distinguish between the straight signal and the diffraction signal, so that the terminal 200 can catch only the straight signal. That is, since the second wideband signal module 210 included in the terminal 200 communicates with the first wideband signal module 110 included in the unmanned aerial vehicle 100 through a wideband signal, an accurate The location can be confirmed.
  • the distance between the drone 100 and the terminal 200 may be up to 1 km, which is the distance over which the broadband communication is possible, but considering that it is forestry, it operates within 300m for precise positioning through accurate distance calculation.
  • the operating distance of the precision positioning apparatus of the present invention that is, the distance between the drone 100 and the terminal 200 may vary according to the frequency of the broadband communication, weather environment, and operation region.
  • the precision positioning method in the forest using the precision positioning apparatus includes an unmanned position detecting step S1, a position information transmitting step S2, and a positioning step S3. It is done by
  • each of the GPS receivers 120 receives a GPS signal from the satellite 300 to determine the positions of each of the plurality of drones 100. Since the precision positioning method in the forest according to the present invention uses the above-described precision positioning apparatus, the plurality of drones 100 to be grasped are four as shown in FIG. As mentioned above. Determining the position of the drone 100 through the GPS receiver 120 uses a general GPS satellite, and there are no obstacles between the plurality of drones 100 and the GPS satellites so that the latitude, longitude, and altitude are accurate. The location can be determined.
  • the location information transmission step (S2) is the first wideband signal module 110 provided in each of the plurality of unmanned aerial vehicle 100 communicates with the terminal 200, the location of the unmanned aerial vehicle 100 and the unmanned aerial vehicle 100 ) And the distance between the terminal 200 and the terminal 200.
  • the terminal 200 is located in the forest, and each of the first wideband signal module 110 communicates with the terminal 200 using a short-wavelength wideband signal in real time regardless of the trees in the forest.
  • the distance between the terminal 200 and each of the drone 100 and the position of the drone 100 may be transmitted to the terminal 200.
  • the location determining step S3 determines the location of the terminal 200 using the information received from the first wideband signal module 110.
  • the position of the terminal 200 is determined by trilateration.
  • FIG. 3 illustrates a method of determining the position of the terminal 200 through trilateration in a state where the distance between the drone 100 and the terminal 200 and the position of the drone 100 are determined.
  • the distance between the first UAV 101, the second UAV 102 and the third UAV 103, and each of the UAVs and the terminal 300 is shown.
  • the distance between the first unmanned aerial vehicle 101 and the terminal 200 in which the position is determined is 100 m.
  • a circle having a radius of 100 m is shown around the first drone 101.
  • a circle having a radius of 100 m around the first drone 101 is a candidate for a position where the terminal 200 exists.
  • a circle having a radius of 200 m is shown around the second drone 102.
  • a point A and a point A ' which are points where a circle centered on the first drone 101 and a circle centered on the second drone 102 meet each other are position candidates of the terminal 200. As shown in FIG.
  • the position of the terminal 200 is determined in a two-dimensional coordinate system, and the three drones 100 are required. Since the actual environment used is three-dimensional, when a specific position is identified at the same time in a three-dimensional coordinate system, a sphere centered on the single drone 100 becomes a candidate for the position of the terminal 200, and the two are mutually A circle formed by overlapping spheres centered on the other two drones 100 will be the position candidate of the terminal 200. In this manner, the three overlapping parts will be two points, and the four overlapping parts will be points to determine the position of the terminal 200.
  • the terminal 200 has a fixed position, and the first drone 101 and the second drone 102 And the third drone 103 may move with time and reduce the position candidates of the terminal 200 by reducing the position candidates of the terminal 200. It may be, but typically operated by using the four drone (100).
  • the precision positioning apparatus according to the present invention and the precision positioning method in the forest using the same can be useful for geodesic and surveying in a lot of high structures such as forests, jungles and downtown, or to enjoy leisure.
  • Korea has a lot of mountainous areas, and the location of each mountain trail is not clearly marked. When applied, it can be easily applied to surveying forest and mountainous areas.
  • the present invention can also be usefully used for rescue and rescue.
  • a device with the terminal 200 is rented at the entrance of a hiking trail, and when the user is distressed while climbing the mountain, the drone 100 is operated to determine the location of the terminal 200 that the user has. It is a way to find and utilize to facilitate the structure.
  • the structure of the terminal 200 having a person in distress is transmitted to the outside or the drone 100 to partially modify the configuration so that the rescue team knows.
  • drone 101 first drone

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Abstract

본 발명에 의한 정밀위치결정장치는 제1광대역신호모듈(110) 및 GPS수신기(120)가 부착되고, 상공을 비행하는 복수의 무인기(100) 및 미리 정해진 위치에 구비되어 상기 제1광대역신호모듈(110)과의 통신으로 스스로의 위치를 결정하는 단말기(200)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명에 의한 정밀위치결정장치를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법은 각각의 상기 GPS수신기(120)가 인공위성(300)으로부터 GPS신호를 수신하여 상기 복수의 무인기(100) 각각의 위치를 파악하는 무인기 위치파악단계(S1), 상기 복수의 무인기(100) 각각에 구비된 상기 제1광대역신호모듈(110)이 상기 단말기(200)와 통신하여 상기 무인기(100)의 위치 및 상기 무인기(100)와 단말기(200)의 거리를 상기 단말기(200)로 송신하는 위치정보송신단계(S2) 및 상기 제1광대역신호모듈(110)로부터 수신한 정보를 이용하여 상기 단말기(200)의 위치를 결정하는 단말기 위치파악단계(S3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

정밀위치결정장치 및 이를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법
본 발명은 정밀위치결정장치 및 이를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법에 관한 것으로, GPS와 광대역신호통신방식을 결합하여 임야에서도 오차범위 20cm 내외에서 정밀한 위치를 결정할 수 있는 정밀위치결정장치 및 이를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법에 관한 것이다.
GPS는 범지구 위치결정 시스템(Global Positioning System)의 약자로, 세계 어느 곳에서든지 인공위성을 이용하여 자신의 위치를 정확히 알 수 있는 시스템이다. GPS로 얻을 수 있는 정보는 위도, 경도 및 고도의 위치정보와 정확한 시간정보로, GPS 자체는 민간용과 군용으로 나뉘는데, 군용은 GPS를 개발한 미군만 사용 중이며, 민간용은 모두에게 공개되어 있어 전 세계에서 다각적으로 사용되고 있다. 민간용으로 일반인들이 GPS를 사용하는 가장 대표적인 예는 내비게이션(Navigation)으로, 내비게이션이 설치된 자동차나 휴대전화의 현재위치를 파악하여 길찾기 서비스를 사용하는 것이 대표적이다. GPS수신기는 이론적으로 네 개의 GPS용 인공위성으로부터 신호를 수신 받아 GPS수신기 자신의 위치를 특정한다. GPS수신기가 스스로 자신의 위치를 결정하는 방법은 상기 GPS용 인공위성 네 개 중 세 개로부터 거리와 시간정보를 얻고, 나머지 한 개의 위성으로 오차를 수정하여 삼각측량법으로 GPS의 현 위치를 계산한다. GPS의 장점은 저렴한 가격의 GPS안테나와 몇 가지 장비만으로 자신의 위치를 정확하게 알 수 있다는 점이다. 종전에는 항법을 위한 자이로와 같은 장치를 이용한 관성항법장치를 사용해야 했는데 이는 가격이 비싸고 시간이 지날수록 오차가 누적되는 단점이 있어 일반 민간용에는 잘 사용되지 않는다.
상술했듯 GPS는 다양한 분야에서 활용되고 있는 추세이고, 최근에는 드론과 같은 무인기의 보급과 함께 이를 이용한 측량분야에도 사용되고 있다. 이는 사용자가 GPS수신기를 탑재한 무인기를 정글 및 고산지대와 같이 사람이 직접 가기 어려운 지역에서 운용하여 해당지역의 면적이나 고도 등을 측량하는 방식으로, 이에 관하여 한국공개특허 제2003-0068871호(“무인기를 이용한 원격탐색 시스템”, 2003.08.25. 이하 선행문헌 1)에 개시되어 있다. 선행문헌 1은 무인기를 이용해서 편리하게 위치를 측량가능하다는 효과가 있지만, 정글 및 임야의 내부와 같이 숲이 우거진 곳에서는 나무에 의한 다중경로오차 발생으로 수 미터 이상의 오차가 발생하므로 정확하게 측량이 불가능하다는 문제점이 있다.
상기 다중경로오차란 수신기 주변의 건물 등의 지형지물로 인해 위성으로부터 송신된 신호가 굴절 및 반사되는데, 굴절 및 반사되는 신호가 수신기에 수신되어 다중 경로로 수신되게 되고, 이로 인해 발생하는 오차이다. 상기 다중경로오차가 발생하게 되면, 전파가 굴절 및 반사되기 때문에 전달하고자 하는 정보의 오류가 생길 수 있고, 전파가 송출되는 방향 및 거리에 오차가 발생한다. 상기 다중경로오차를 보정하기 위해서 통상 협대역 상관기(Narrow correlator)나 특별히 설계된 안테나 등의 기법을 사용해 오차를 보정하나, 이는 경제적이지 않은 방식으로 개선된 정밀위치결정장치 및 이를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법이 개발되어야 할 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 임야와 같이 숲이 우거진 곳에서 오차범위 20cm내외의 정밀위치를 결정할 수 있는 정밀위치결정장치 및 이를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 정밀위치결정장치는, 제1광대역신호모듈(110) 및 GPS수신기(120)가 부착되고, 상공을 비행하는 복수의 무인기(100) 및 미리 정해진 위치에 구비되어 상기 제1광대역신호모듈(110)과의 통신으로 스스로의 위치를 결정하는 단말기(200)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단말기(200)는 상기 제1광대역신호모듈(110)과 통신하여 상기 무인기(100)의 위치 및 상기 무인기(100)와 단말기(200)의 거리를 수신하는 제2광대역신호모듈(210) 및 상기 제2광대역신호모듈(210)이 수신한 상기 무인기(100)의 위치 및 상기 무인기(100)와 단말기(200) 사이의 거리를 통해 상기 단말기(200)의 위치를 결정하는 연산부(220)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1광대역신호모듈(110)과 제2광대역신호모듈(210)이 사용하는 무선통신은 주파수가 3~6GHz(대역폭 500MHz~1,000MHz)인 것을 특징으로 하는 정밀위치결정장치.
또한, 본 발명에 의한 임야에서의 정밀위치결정방법은 상기 정밀위치결정장치를 이용하는 임야에서의 정밀위치결정방법으로, 각각의 상기 GPS수신기(120)가 인공위성(300)으로부터 GPS신호를 수신하여 상기 복수의 무인기(100) 각각의 위치를 파악하는 무인기 위치파악단계(S1), 상기 복수의 무인기(100) 각각에 구비된 상기 제1광대역신호모듈(110)이 상기 단말기(200)와 통신하여 상기 무인기(100)의 위치 및 상기 무인기(100)와 단말기(200)의 거리를 상기 단말기(200)로 송신하는 위치정보송신단계(S2) 및 상기 제1광대역신호모듈(110)로부터 수신한 정보를 이용하여 상기 단말기(200)의 위치를 결정하는 단말기 위치파악단계(S3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위치파악단계(S3)는 삼변측량을 이용하여 상기 단말기(200)의 위치를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 따르면, GPS와 광대역신호를 병행하여 사용하므로 임야에서 발생할 수 있는 다중경로신호에 의한 오차가 최소화되어 임야에서 오차범위 20cm이내의 정밀위치를 결정할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 종래 무인기에 GPS수신기 및 광대역신호모듈을 부착하면 되므로, 운용이 편리한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, GPS수신기 및 광대역신호모듈을 사용해 다중경로신호를 보정하기 위한 종래 협대역상관기나 특별히 설계된 안테나를 사용하지 않으므로 경제적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 정밀위치결정장치의 개념도.
도 2는 본 발명에 의한 정밀위치결정장치를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법의 순서도.
도 3은 본 발명을 이용한 삼변측량의 개념도.
본 발명에 의한 정밀위치결정장치 및 이를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법에 대해 설명하기에 앞서, 본 발명에서 사용하는 GPS(Global Positioning System)와 광대역신호의 신호특성에 대해서 설명한다. GPS용 위성은 위성의 식별정보인 C/A코드 및 P코드, 위성의 궤도 정보인 항법메세지 정보가 신호로 바뀌어 L1 및 L2파의 2개 밴드에 실려 지상으로 송신되며, 상기 L1 및 L2파는 반송파(Carrier wave)라 불린다. 지상의 GPS단말기는 두 가지 방식 및 상기 L1 및 L2파를 이용하여 위성과 GPS단말기 간의 거리를 측정하는데, 코드신호 측정방식과 반송파 신호 측정방식이다. 상기 코드신호 측정방식은 위성에서 발사한 코드와 수신기에서 미리 복사된 코드를 비교하여, 두 코드가 완전히 일치할 때까지 걸리는 시간을 관측하여 여기에 전파속도를 곱하여 거리를 구하는 방식이고, 상기 반송파 신호 측정방식은 코드신호를 운반하는 반송파는 정현파로서 파장이 일정(상기 L1파는 주파수가 1,575.42MHz, 파장이 약 19cm, L2파는 주파수가 1,227.60MHz, 파장이 약 24cm)하므로, GPS위성과 단말기간의 파장 개수를 측정함으로써 거리를 계산하는 방법이다.
본 발명에서 사용하는 광대역신호는 흔히 초광대역(Ultra-WideBand, UWB)이라 부르는 것으로, 기존의 스펙트럼에 비해 매우 넓은 대역에 걸쳐 낮은 전력으로 대용량의 정보를 전송하는 무선통신 기술로, 넓은 의미에서 3~6GHz(대역폭 최대속력00MHz~1,000MHz)의 주파수대역을 사용하여 신호열(펄스)의 길이가 30~60cm이하이다. 따라서 고주파신호이므로 투과성이 좋고 신호열의 길이가 짧아 다중경로에 의한 오차를 최소화하여 최대 10cm 거리측정 정확도를 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 정밀위치결정장치에 관하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 정밀위치결정장치는 무인기(100) 및 단말기(200)로 이루어져 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 무인기(100)는 복수개로, 제1광대역신호모듈(110) 및 GPS수신기(120)가 부착되고, 임야의 상공을 비행한다. 상기 무인기(100)는 상기 단말기(200)의 위치를 결정하기 위한 보조적인 정보를 송신하는 역할로, 본 발명에 의한 정밀위치결정장치를 운용하는 사용자에 의해 조작되어, 상기 단말기(200)의 주변 상공을 비행하게 된다. 상기 무인기(100)는 주변에서 구매 가능한 회전익을 다수 포함하여 비행하는 드론이거나 수평익을 가지는 무인항공기일 수 있으며, 상술한 광대역신호를 사용하는 상기 제1광대역신호모듈(110) 및 GPS용 위성으로부터 GPS신호를 받는 GPS수신기(120)가 부착되어 있다. 상기 제1광대역신호모듈(110)은 지상의 상기 단말기(200)와 통신하기 위한 구성으로 상술한 광대역신호를 사용하고, 상기 GPS수신기(120)는 GPS용 위성으로부터 GPS신호를 받아 상기 GPS수신기(120)가 구비된 상기 무인기(100)의 위치를 확정하기 위한 구성이다.
어느 한 지점의 위치를 확정하기 위해 광대역신호를 송신하는 상기 무인기(100)는 통상 복수개인데, 삼각측량 또는 삼변측량을 위해 최소 세 개 이상의 상기 무인기(100)가 이용된다. 삼각측량 또는 삼변측량을 위해 상기 무인기(100)는 최소 세 개가 필요하지만, 통상적으로 도 1에 도시된 바와 같이 네 개를 사용한다. 이는 상기 무인기(100)와 통신하는 상기 단말기(200)의 위치를 정확히 하도록 위함으로, 발생할 수 있는 위치정보 오차를 보정하기 위함이다. 후술할 본 발명의 정밀결정장치를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법은 삼변측량을 사용하는데, 이는 특정 포인트의 위치 X를 알기 위해 2차원 좌표계에서 서로 다른 세 곳 A, B, C의 위치와, 상기 A, B, C와 상기 X 사이의 거리를 알면 X의 위치를 특정할 수 있는 방법이다. 상기 삼변측량에 대해서는 후술한다.
상기 단말기(200)는 미리 정해진 위치에 구비되어 상기 제1광대역신호모듈(110)과의 통신으로 스스로의 위치를 결정하는 구성으로, 제2광대역신호모듈(210) 및 연산부(220)를 포함하여 이루어진다. 상기 단말기(200)는 통상 지상에 위치하며, 본 발명에 의한 정밀위치결정장치를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법에서 후술하듯이 임야에 위치한다. 본 발명에 의한 정밀위치결정장치는 상기 단말기(200)의 정밀한 위치를 결정하는 것이 목적이다. 상기 단말기(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 광대역신호를 보다 용이하게 수신이 가능하기 위해 상부에 별도의 안테나가 구비될 수 있다.
상기 제2광대역신호모듈(210)은 상기 제1광대역신호모듈(110)과 통신하여 상기 무인기(100)의 위치 및 상기 무인기(100)와 단말기(200)의 거리를 수신한다. 상기 제2광대역신호모듈(210)은 상기 제1광대역신호모듈(110)과 같이 광대역신호를 사용하며, 그 방법으로는 상기 무인기(100)로부터 송신된 광대역신호 펄스가 상기 단말기(200)에 도달하는데 소요(지연)된 시간을 거리로 환산하여 두 단말기간의 거리를 측정하는 방법을 사용한다.
상기 연산부(220)는 상기 제2광대역신호모듈(210)이 수신한 상기 무인기(100)의 위치 및 상기 무인기(100)와 단말기(200) 사이의 거리를 통해 상기 단말기(200)의 위치를 결정한다. 도 1에 도시된 네 개의 상기 무인기(100)의 위치는 상기 GPS수신기(120)를 통해 파악이 된 상태이고, 네 개의 상기 무인기(100)와 상기 단말기(200)와의 거리 또한 상기 제1광대역신호모듈(110)과 상기 제2광대역신호모듈(210)의 통신을 통해 파악이 된 상태이다. 위치가 확인된 세 개 이상의 상기 무인기(100)와 정밀위치를 측정하고자 하는 상기 단말기(200)사이의 거리를 알면, 상기 단말기(200)의 위치를 확정할 수 있다. 이는 도 3에 도시되어 있으며, 본 발명에 의한 정밀위치결정장치를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법에 관하여 설명할 때 상세히 설명한다.
상기 제1광대역신호모듈(110)과 제2광대역신호모듈(210)이 사용하는 무선통신은 은 주파수가 3~6GHz(대역폭 500MHz~1,000MHz)이다. 통상 GHz단위의 주파수, 전송대역폭이 100MHz일 경우 광대역신호로 보기 때문에, 상기 제1광대역신호모듈(110)과 제2광대역신호모듈(210)은 상술했듯 광대역신호를 사용한다. 상기 무인기(100)가 지상에 위치한 상기 단말기(200)와 광대역신호를 사용하여 통신하는 이유는 배경기술에서 설명한 다중경로오차를 극복하기 위함이다. 상기 다중경로오차는 상술했듯이 전파가 빌딩이나 나무와 같은 높은 구조물에 반사되어 전파 수신 경로가 여러 개가 되어 오차가 발생하는 현상이다. 전파의 경우 파장의 일종으로, 전파의 성질은 주파수로 결정되게 되는데, 주파수가 높을수록 빛에 가까운 성질을 가지게 되어 직진성이 강해지고, 특정방향으로 송신이 유리한, 즉 지향성이 우수해진다. 또한 반사성은 낮아지고 투과율은 상승하는데, 임야에서는 특정전파를 수신하기 위해서는 회절이 잘 일어나는 주파수가 낮은 전파가 유리하지만, 본 발명에서와 같이 실시간으로 특정한 위치를 확정하고자 할 경우 주파수가 높고 대역폭이 넓은 전파를 이용하는 것이 유리하다. 이는 상술했듯 주파수가 높고 대역폭인 넓은 전파는 직진성이 강하고 직진신호와 회절신호의 구분이 용이하므로 상기 단말기(200)에서 직진신호만을 잡을 수 있기 때문이다. 즉, 상기 단말기(200)에 포함되는 제2광대역신호모듈(210)은 상기 무인기(100)에 포함된 상기 제1광대역신호모듈(110)과 광대역신호로 통신하기 때문에 상기 단말기(200)의 정확한 위치를 확정할 수 있다.
상기 무인기(100)와 단말기(200)사이의 거리는 상기 광대역통신이 통신 가능한 거리인 최대 1km까지 가능하지만, 임야라는 점을 고려하고, 정확한 거리 계산을 통한 정밀위치결정을 위해 300m 이내에서 운용한다. 본 발명의 정밀위치결정장치의 운용거리, 즉 상기 무인기(100)와 단말기(200) 사이의 거리는 상기 광대역통신의 주파수와 기상환경 및 운용지역에 따라 변동될 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 정밀위치결정장치를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법에 관하여 상세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 정밀위치결정장치를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법은 무인기 위치파악단계(S1), 위치정보송신단계(S2), 위치파악단계(S3)를 포함하여 이루어진다.
상기 무인기 위치파악단계(S1)는 각각의 상기 GPS수신기(120)가 인공위성(300)으로부터 GPS신호를 수신하여 상기 복수의 무인기(100) 각각의 위치를 파악한다. 본 발명에 의한 임야에서의 정밀위치결정방법은 상술한 정밀위치결정장치를 이용하므로, 위치를 파악해야하는 상기 복수의 무인기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 네 개이며, 네 개인 이유에 대해서는 상술했다. 상기 GPS수신기(120)를 통해 상기 무인기(100)의 위치를 파악하는 것은 일반적인 GPS위성을 사용하는 것으로, 상기 복수의 무인기(100)와 GPS위성 사이에는 별다른 장애물이 없으므로 위도, 경도 및 고도의 정확한 위치를 결정할 수 있다.
상기 위치정보송신단계(S2)는 상기 복수의 무인기(100) 각각에 구비된 상기 제1광대역신호모듈(110)이 상기 단말기(200)와 통신하여 상기 무인기(100)의 위치 및 상기 무인기(100)와 단말기(200)의 거리를 상기 단말기(200)로 송신한다. 상기 단말기(200)는 임야에 위치하며, 각각의 상기 제1광대역신호모듈(110)은 파장이 짧은 광대역신호를 사용하여 상기 단말기(200)와 통신하기 때문에 임야에 있는 나무들에 관계없이 실시간으로 상기 단말기(200)와 각각의 상기 무인기(100)간의 거리와 상기 무인기(100)의 위치를 상기 단말기(200)로 송신 가능하다.
상기 위치파악단계(S3)는 상기 제1광대역신호모듈(110)로부터 수신한 정보를 이용하여 상기 단말기(200)의 위치를 결정한다. 상기 위치파악단계(S3)에서 상기 단말기(200)의 위치는 삼변측량을 통해 결정한다. 도 3은 상기 무인기(100)와 단말기(200)의 거리와 상기 무인기(100)의 위치가 확정된 상태에서, 삼변측량을 통해 상기 단말기(200)의 위치를 확정하는 방법을 도시한 것으로, 제1무인기(101), 제2무인기(102) 및 제3무인기(103)와 각각의 무인기와 상기 단말기(300)간의 거리가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 위치가 확정된 상기 제1무인기(101)와 상기 단말기(200)간의 거리는 100m이다. 상기 제1무인기(101)와 상기 단말기(200)간의 거리만 가지고 상기 단말기(200)의 위치를 특정할 수 없으나, 상기 제1무인기(101)를 중심으로 반지름이 100m인 원을 도시한다. 상기 제1무인기(101)를 중심으로 반지름이 100m인 원은 상기 단말기(200)가 존재하는 위치의 후보이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 위치가 확정된 상기 제2무인기(102)와 상기 단말기(200)간의 거리는 200m이므로, 상기 제2무인기(102)를 중심으로 반지름이 200m인 원을 도시한다. 상기 제1무인기(101)를 중심으로 하는 원과, 상기 제2무인기(102)를 중심으로 하는 원이 서로 만나는 지점인 포인트 A와 포인트 A’가 상기 단말기(200)의 위치 후보이다. 도 3에 도시된 바와 같이 위치가 확정된 상기 제3무인기(103)와 상기 단말기(200)간의 거리는 50m로, 상기 제3무인기(103)를 중심으로 반지름이 50m인 원을 도시하면, 포인트 A’가 겹쳐지는 것을 알 수 있다. 따라서 상기 포인트 A’가 상기 단말기(200)의 위치이다.
도 3에서 도시한 것은 2차원 좌표계에서 상기 단말기(200)의 위치를 결정한 것으로, 세 개의 상기 무인기(100)가 필요하다. 실제 사용하는 환경은 3차원이므로 3차원 좌표계에서 동일시간에 특정 위치를 파악하고 하는 경우 단일개의 상기 무인기(100)를 중심으로 하는 구가 상기 단말기(200)의 위치후보가 되고, 두 개는 서로 다른 두 개의 상기 무인기(100)를 중심으로 하는 구가 겹쳐져 형성되는 원이 상기 단말기(200)의 위치후보가 될 것이다. 이와 같은 형태로, 세 개의 구가 겹쳐지는 부분은 두 개의 점이 될 것이고, 네 개의 구가 겹쳐지는 부분은 점이 되어 상기 단말기(200)의 위치가 확정될 것이다. 상기한 바와 같이 동일 시간에 상기 단말기(200)의 위치를 결정하려면 네 개가 필요하나, 실제로는 상기 단말기(200)는 위치가 고정된 상태이고, 상기 제1무인기(101), 제2무인기(102) 및 제3무인기(103)가 시간에 따라 이동하며 상기 단말기(200)의 위치 후보를 줄이는 방식으로 상기 단말기(200)의 위치 후보를 줄일 수 있기 때문에 최소 세 개의 상기 무인기(100)를 운용하여도 되나, 통상적으로 네 개의 상기 무인기(100)를 이용하여 운용하게 된다.
상기 본 발명에 의한 정밀위치결정장치 및 이를 이용한 임야에서의 정밀위치결정방법은 임야, 정글 및 도심과 같은 높은 구조물이 많은 지역에서 측지 및 측량에 유용하거나, 레저를 즐기는데 사용할 수 있다. 특히 우리나라는 산악지역이 많고 각 산의 등산로의 위치가 확실히 표시된 부분이 많지 않은데 이를 응용하면 임야 및 산악지역의 측량에 간편하게 적용할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명은 구조 및 구난에도 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 단말기(200)가 내장된 장치를 등산로 입구에서 대여해주고, 사용자가 해당 산을 등산하다가 조난을 당했을 경우 상기 무인기(100)를 운용하여 사용자가 가지고 있는 상기 단말기(200)의 위치를 찾아 구조가 용이하도록 활용하는 방식이다. 단, 구조 및 구난에 적용하고자 한다면, 조난을 당한 사람이 가지고 있는 상기 단말기(200)의 위치를 외부 또는 상기 무인기(100)에 송신하여 구조대가 알 수 있도록 구성을 일부 변형한다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 무인기 101 : 제1무인기
102 : 제2무인기 103 : 제3무인기
110 : 제1광대역신호모듈
120 : GPS수신기
200 : 단말기
210 : 제2광대역신호모듈
220 : 연산부
300 : 인공위성

Claims (5)

  1. 제1광대역신호모듈(110) 및 GPS수신기(120)가 부착되고, 상공을 비행하는 복수의 무인기(100); 및
    미리 정해진 위치에 구비되어 상기 제1광대역신호모듈(110)과의 통신으로 스스로의 위치를 결정하는 단말기(200);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정밀위치결정장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단말기(200)는
    상기 제1광대역신호모듈(110)과 통신하여 상기 무인기(100)의 위치 및 상기 무인기(100)와 단말기(200)의 거리를 수신하는 제2광대역신호모듈(210) 및
    상기 제2광대역신호모듈(210)이 수신한 상기 무인기(100)의 위치 및 상기 무인기(100)와 단말기(200) 사이의 거리를 통해 상기 단말기(200)의 위치를 결정하는 연산부(220)
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정밀위치결정장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제1광대역신호모듈(110)과 제2광대역신호모듈(210)이 사용하는 무선통신은 은 주파수가 3~6GHz(대역폭 500MHz~1,000MHz)인 것을 특징으로 하는 정밀위치결정장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 정밀위치결정장치를 이용하는 임야에서의 정밀위치결정방법으로,
    각각의 상기 GPS수신기(120)가 인공위성(300)으로부터 GPS신호를 수신하여 상기 복수의 무인기(100) 각각의 위치를 파악하는 무인기 위치파악단계(S1);
    상기 복수의 무인기(100) 각각에 구비된 상기 제1광대역신호모듈(110)이 상기 단말기(200)와 통신하여 상기 무인기(100)의 위치 및 상기 무인기(100)와 단말기(200)의 거리를 상기 단말기(200)로 송신하는 위치정보송신단계(S2); 및
    상기 제1광대역신호모듈(110)로부터 수신한 정보를 이용하여 상기 단말기(200)의 위치를 결정하는 단말기 위치파악단계(S3);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 임야에서의 정밀위치결정방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 위치파악단계(S3)는
    삼변측량을 이용하여 상기 단말기(200)의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 임야에서의 정밀위치결정방법.
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