KR101569354B1 - 영상센서를 이용한 위성항법시스템 신호의 오차 보정 방법 및 장치 - Google Patents

영상센서를 이용한 위성항법시스템 신호의 오차 보정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GNSS 신호 차폐지역, GNSS 수신기의 기계적 한계, 대기상태, 위성의 배치 및 지상물체에 의한 신호 교란 등으로 인해서 필연적으로 발생하는 GNSS 측위 신호의 오차를 영상센서를 이용하여 보정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

영상센서를 이용한 위성항법시스템 신호의 오차 보정 방법 및 장치 {Method and Apparatus for Error Correction of Global Navigation Satellite System Signal using Imaging Sensor}
본 발명은 GPS (Global Positioning System) 등과 같은 위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System) 에서의 측위 신호의 오차 보정 방법 및 장치에 관한 것으로서, GNSS 신호 차폐지역, GNSS 수신기의 기계적 한계, 대기상태, 위성의 배치 및 지상물체에 의한 신호 교란 등으로 인해서 필연적으로 발생하는 GNSS 신호의 측위 오차를 영상센서를 이용하여 보정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
위성항법시스템(GNSS)의 지속적인 기술발전으로 GNSS 신호에서 산출한 위치정보가 높은 측위 정확도를 제공하고 있으며, GPS수신기를 장착한 네비게이션 및 스마트폰과 같은 개인용 GNSS 장비가 보급화되면서 그 활용범위가 점차 확대되고 있다. 그러나 GNSS 위성, 수신기의 기계적 한계, 대기의 상태나 위성의 배치 등과 같은 환경적 요인으로 인해 모든 지역에서 안정적으로 위성으로부터의 GNSS 신호를 수신하는 것은 쉬운 일이 아니다.
안정된 GNSS 신호의 측정을 위해서는 최소한 4개 이상의 가시위성이 확보되어야 한다. 그러나 도심지역에서는 가시위성수의 확보가 어려워 신호차폐가 빈번히 발생하게 된다. 또한 건물표면에 반사되어 수신되는 멀티패스오차로 인해 도심지역에서의 GNSS 의 성능은 현저히 저하된다. 그럼에도 불구하고 도심지역의 위성항법시스템의 사용은 여전히 증가되고 있으며, 정밀 항법을 위한 기반 기술로도 주목 받고 있다. 따라서 GNSS 신호를 보정하여 높은 정확도를 유지할 수 있는 항법기술의 개발이 필요하다.
GNSS 신호의 오차보정을 위해서 흔히 DGPS (Differential GPS)라고 불리는 방식, 즉, GNSS 수신기를 2개 이상 사용해 상대적 측위를 하는 방식으로 이미 알고 있는 좌표 기준점에 제 1 수신기를 설치하고 위성들을 모니터링하여 개별 위성의 거리 오차 보정치를 정밀하게 계산 후 이를 이용하여 제2 수신기의 오차 보정에 이용하는 방식이 사용되어 왔다. 또한 위성방송 내지 기타 방송수단을 이용하여 개별 위성의 거리 오차 보정치를 방송하고 수신기에서 이를 수신하여 수신기의 오차보정에 이용하는 방식이 사용되고 있다. 또한 정확한 자기 위치를 알고 있는 수신기(또는 객체)에 장착된 통신장비를 이용하여 해당 위치를 방송하고 이를 주변의 수신기(또는 객체)가 수신하여 위치오차를 보정하는 방식이 제시되었다. 그러나 상기한 DGPS 방식이나 개별위성 거리오차 보정치 방송방식들은 여전히 GNSS 신호의 수신을 전제로 하고 있어 도심지역과 같은 GNSS 신호 차폐지역에서는 적용될 수 없는 방식이고 자기위치를 방송하는 방식의 경우는 수신된 방송신호에 해당하는 객체의 식별이 어려운 문제점이 있다.
영상센서를 이용한 GNSS 오차보정의 시도도 있어왔으나 주로 이동체와 표적간의 상대위치추정, 특징점 매칭, 에지추출 내지 차선 추출 등의 방법이 수행된 사례는 있으나 영상좌표와 실세계 좌표 간의 관계가 정밀하게 추정되지 못하였고 GNSS 오차를 보정할 만한 수준의 정확도를 얻지 못하였다.
관련 선행 문헌으로서, 대한민국등록특허번호 제10-1241171호 (2013년 03월 11일 공고) 등이 참조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 기존 GNSS 가 가지고 있는 한계를 극복하여, GNSS 신호 차폐지역, GNSS 수신기의 기계적 한계, 대기상태, 위성의 배치 및 지상물체에 의한 신호 교란 등으로 인한 GNSS 신호 미수신 또는 오차 발생 상황에서, 영상센서를 이용하여 GNSS 신호의 측위 오차를 보정함으로써, 실시간으로 대응이 가능한, GNSS 신호의 오차 보정 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, GNSS 신호의 오차 보정 방법은, 데이터베이스에 랜드마크에 대한 영상정보와 그에 대응되는 지상위치정보를 저장하는 단계; 영상 센서를 이용해 촬영한 영상 내에 포함된 상기 랜드마크의 영상 좌표를 산출하고, 상기 영상 좌표와 상기 지상위치정보로부터 상기 영상 센서의 촬영 위치를 산출하는 단계; 및 상기 영상 센서의 촬영 위치를 이용하여 GNSS 신호의 측위 오차를 보정하는 단계를 포함한다.
상기 랜드마크의 영상 좌표를 산출하기 위하여, 상기 영상 센서를 이용해 촬영한 영상 내에서, GNSS 측위 정보의 해당 위치로부터 소정 거리 이내에 있는 상기 데이터베이스의 후보 랜드마크 영상들 중에서 가장 유사한 랜드마크 영상을 탐색하고, 해당 랜드마크 영상의 상기 영상 좌표를 분석한다.
상기 영상 센서의 촬영 위치는, 다음의 수학식에 따라 산출하고,
Figure 112014001964357-pat00001
여기서, 랜드마크의 지상위치정보(X, Y, Z), 영상 센서의 촬영 위치(Sx, Sy, Sz), 랜드마크의 영상 좌표(x,y), 영상 센서의 초점거리(f), 비율 계수(s), 회전이동변환행렬의 원소값(r11~r33)을 이용한다.
상기 보정하는 단계는, 상기 영상 센서의 촬영 위치와 상기 영상 센서가 해당 영상을 촬영할 당시의 GNSS 측위 정보 간의 위치 오차를 산출하는 단계; 및 상기 위치 오차를 이용하여, 상기 영상 센서가 촬영한 영상에 상기 데이터베이스에 저장된 랜드마크가 존재하지 않는 위치에서의 GNSS 측위 정보를 보정하는 단계를 포함한다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 측위 장치는, 영상 센서; 랜드마크에 대한 영상정보와 그에 대응되는 지상위치정보가 저장되는 데이터베이스; 상기 영상 센서가 촬영한 영상 내에 포함된 상기 랜드마크의 영상 좌표를 산출하고, 상기 영상 좌표와 상기 지상위치정보로부터 상기 영상 센서의 촬영 위치를 산출하는 촬영위치 산출부; 상기 영상 센서의 촬영 위치를 이용하여 GNSS 측위 정보를 보정하는 위치 보정부를 포함한다. 상기 GNSS 측위 정보를 생성하는 GNSS 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 촬영위치 산출부는, 상기 랜드마크의 영상 좌표를 산출하기 위하여, 상기 영상 센서를 이용해 촬영한 영상 내에서, GNSS 측위 정보의 해당 위치로부터 소정 거리 이내에 있는 상기 데이터베이스의 후보 랜드마크 영상들 중에서 가장 유사한 랜드마크 영상을 탐색하고, 해당 랜드마크 영상의 상기 영상 좌표를 분석한다.
상기 촬영위치 산출부는, 다음의 수학식에 따라 상기 영상 센서의 촬영 위치를 산출하고,
Figure 112014001964357-pat00002
여기서, 랜드마크의 지상위치정보(X, Y, Z), 영상 센서의 촬영 위치(Sx, Sy, Sz), 랜드마크의 영상 좌표(x,y), 영상 센서의 초점거리(f), 비율 계수(s), 회전이동변환행렬의 원소값(r11~r33)을 이용한다.
상기 위치 보정부는, 상기 영상 센서의 촬영 위치와 상기 영상 센서가 해당 영상을 촬영할 당시의 GNSS 모듈의 측위 정보 간의 위치 오차를 산출하고, 상기 위치 오차를 이용하여, 상기 영상 센서가 촬영한 영상에 상기 데이터베이스에 저장된 랜드마크가 존재하지 않는 위치에서의 GNSS 모듈의 측위 정보를 보정한다.
본 발명에 따른 GNSS 신호의 오차 보정 방법 및 장치에 따르면, GNSS 신호 차폐지역, GNSS 수신기의 기계적 한계, 대기상태, 위성의 배치 및 지상물체에 의한 신호 교란 등으로 인한 GNSS 신호 미수신 또는 오차 발생 상황에서, 영상센서를 이용하여 GNSS 신호의 측위 오차를 실시간으로 보정하여 줌으로써, 정확한 측위가 안정적으로 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 GNSS를 이용한 측위 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 GNSS를 이용한 측위 장치의 동작 설명을 위한 흐름도이다.
도 3은 도 2의 측위 보정 과정을 설명하기 위한 참고 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 GNSS 를 이용한 측위 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 GNSS 를 이용한 측위 장치(100)는, 데이터베이스(110), 촬영위치 산출부(120), 영상 센서(121), 위치 보정부(130), 및 GNSS 모듈(140)을 포함한다.
여기서, GNSS 모듈(140)은 위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)을 구비하는 모듈로서, 복수의 위성으로부터의 신호를 수신하여 측위 정보인 GNSS 신호를 제공한다. GNSS 모듈(140)은 복수의 GPS 위성 신호를 수신하여 측위 정보를 생성하는 모듈일 수도 있고, 복수의 GLONASS(Global Navigation Satellite System) 위성신호 또는 복수의 Gallileo위성 신호를 수신하여 측위 정보를 생성하는 모듈일 수도 있다. 또한 GNSS모듈(140)은 GPS, GLONASS 등 여러 종류의 항법위성의 위성신호를 수신하여 측위 정보를 생성하는 모듈을 포함할 수 있다.
데이터베이스(110)에는 실세계에 존재하는 도로표지판, 신호등, 교통표지판 등 하나 이상의 랜드마크에 대한 템플릿 영상(Template Image) 등에 대한 영상정보와 그에 대응되는 실세계 지상위치정보(예, 3차원 위치좌표값(X, Y, Z))가 데이터베이스화되어 미리 저장된다(도 2의S110).
영상 센서(121)는 CMOS 이미지 센서, CCD 이미지 센서 등을 포함한 촬영 수단으로서, 위와 같은 랜드마크가 포함된 영상을 촬영한다(도 2의S120).
촬영위치 산출부(120)는 데이터베이스(110)를 참조하여 영상 센서(121)가 촬영한 영상에 랜드마크가 포함되면, 해당 랜드마크의 영상 좌표계(촬영 영상의 미리 정한 기준점으로부터의 2차원 좌표(x,y))에서의 영상 좌표를 산출하고, 해당 랜드마크의 영상 좌표(x,y)와 데이터베이스(110)에 저장되어 있는 해당 랜드마크의 지상위치정보(X, Y, Z)를 이용하여 영상 센서(121)의 실세계 촬영 위치(Sx, Sy, Sz)를 산출한다(도 2의S130).
예를 들어, 촬영위치 산출부(120)는 영상 센서(121)가 촬영하는 위치에서 GNSS 모듈(140)에 의해 취득된 초기 GNSS 신호(또는 측위 정보)를 이용하여, 데이터베이스(110)에 존재하는 많은 복수의 랜드마크들 중에서 영상 센서(121)에 의해 촬영된 영상에 존재할 만한 랜드마크 영상 후보들(예, 해당 GNSS 측위 정보에 따른 해당 위치에서 소정 거리 내의 랜드마크 영상들)를 검색하여 이를 목록화하고 비교 대상 템플릿 영상으로 설정할 수 있다.
촬영위치 산출부(120)는 영상 센서(121)가 촬영한 영상(입력 영상)(예, 도 3의 Target Image)에서 위와 같이 후보로 설정된 비교 대상 템플릿 영상(랜드마크 영상) 중 가장 유사한 템플릿 영상(도 3의 Template Image)을 탐색하고 그 영상 좌표(x,y)를 분석하기 위한 영상정합방식은, 해당 템플릿 영상내의 화소값의 패턴과 입력영상의 화소값의 패턴을 비교하여 가장 화소값 패턴이 유사한 지점을 찾고 유사정도를 기초로 판단하는 화소상관성기반 영상정합방식, 템플릿 영상 내의 특징점과 입력영상 내의 특징점을 검출하고 특징점간의 유사도롤 이용하여 판단하는 특징점기반 영상정합방식, 템플릿 영상과 입력영상 간의 색상정보를 이용하여 가장 유사한 색상이 존재하는 지점을 찾고 유사정도를 기초로 판단하는 색상정보기반 영상정합방식, 템플릿 영상과 입력영상의 주파수 특성을 분석하여 주파수 영역 상에서 두 영상간의 변환관계로부터 추정하는 주파수 기반 영상정합방식 등이 사용될 수 있다. 템플릿 영상(랜드마크 영상)의 입력 영상내의 영상 좌표(x,y)를 찾아내는 세부 영상정합방식은 위와 같은 다양한 방식 중 어느 하나 이상이 이용될 수 있으며, 다른 방식이 사용될 수도 있다.
촬영위치 산출부(120)는 영상 센서(121)가 촬영한 영상의 랜드마크에 대한 영상 좌표(x,y)를 산출하면, 데이터베이스(110)에 저장되어 있는 해당 랜드마크의 지상위치정보(X, Y, Z)를 이용하여, [수학식 1]과 같이 영상 센서(121)의 실세계 촬영 위치(Sx, Sy, Sz)를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112014001964357-pat00003
[수학식 1]에서 f는 영상 센서(121)의 초점거리, 또는 초점거리에 비례하는 상수, s는 비율 계수(scale factor), r11~r33은 영상 좌표계를 지상 좌표계로 변환시키기 위한 회전이동변환행렬의 원소값.
여기서, [수학식 1]을 이용하여 영상 센서(121)의 실세계 촬영 위치(Sx, Sy, Sz)
Figure 112014001964357-pat00004
Figure 112014001964357-pat00005
를 계산하기 위해서는 복수 개의 영상좌표 (x, y)와 지상좌표 (X, Y, Z) 값이 필요하게 된다. 이를 위해서 본 발명에서는 랜드마크의 중심 위치뿐만 아니라 랜드마크의 가장자리 위치에 대한 실세계 지상위치정보가 모두 데이터베이스(110)에 저장되어 사용될 수 있다.
영상 센서(121)가 특정 랜드마크가 포함된 영상을 장치(100)를 이동시키면서 연속해서 여러장 촬영하는 경우는, 이전 프레임에서 촬영위치 산출부(120)가 검출한 랜드마크의 영상 위치(좌표)(x,y)와 장치(100)의 이동 변이를 이용하여, 다음 프레임의 영상 센서(121) 영상 좌표를 추정할 수도 있다. 장치(100)의 이동 변이는 GNSS 모듈(140)의 GNSS 신호(측위 정보)를 이용하여 산출될 수 있다.
한편, 위치 보정부(130)는 촬영위치 산출부(120)가 산출한 영상 센서(121)의 실세계 촬영 위치(Sx, Sy, Sz)를 이용하여 GNSS 모듈(140)의 GNSS 신호(측위 정보)를 보정한다. 이를 통하여 영상 센서(121)를 통해 획득된 영상에 랜드마크가 존재하지 않는 구간의 각 위치에 대해서도 정확한 위치를 계산할 수 있다.
예를 들어, 위치 보정부(130)는 [수학식2]와 같이 영상 센서(121)의 실세계 촬영 위치(Sx, Sy, Sz)와 영상 센서(121)가 해당 영상을 촬영할 당시의 GNSS 모듈(140)의 GNSS 신호(측위 정보)(Gx, Gy, Gz) 간의 차이를 위치 오차 (dx, dy, dz)로 산출할 수 있다. 이에 따라 영상 센서(121)가 촬영한 영상에 데이터베이스(110)에 저장된 랜드마크가 존재하지 않는 위치(Tx, Ty, Tz)에 대하여, 위치 보정부(130)는 [수학식3]과 같이 위치 오차 (dx, dy, dz)를 이용하여 GNSS 측위 정보(Gx, Gy, Gz)를 보정하여 정확한 위치 정보를 추정할 수 있다.
[수학식2]
(dx, dy, dz) = (Sx, Sy, Sz) - (Gx, Gy, Gz)
[수학식3]
(Tx, Ty, Tz) = (Gx, Gy, Gz) + (dx, dy, dz)
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (9)

  1. 데이터베이스에 랜드마크에 대한 영상정보와 그에 대응되는 지상위치정보를 저장하는 단계;
    영상 센서를 이용해 촬영한 영상 내에 포함된 상기 랜드마크의 영상 좌표를 산출하고, 상기 영상 좌표와 상기 지상위치정보로부터 상기 영상 센서의 촬영 위치를 산출하는 단계; 및
    상기 영상 센서의 촬영 위치를 이용하여 위성항법시스템(GNSS) 측위 정보를 보정하는 단계를 포함하고,
    상기 랜드마크의 영상 좌표를 산출하는 단계는,
    상기 영상 센서를 이용해 촬영한 영상 내에서, GNSS 측위 정보의 해당 위치로부터 소정 거리 이내에 있는 상기 데이터베이스의 후보 랜드마크 영상들 중에서 가장 유사한 랜드마크 영상을 탐색하고, 해당 랜드마크 영상의 좌표를 분석하는 단계와,
    상기 랜드마크 영상의 좌표 분석은 상기 영상 센서를 이용해 촬영한 영상과 상기 해당 랜드마크 영상 간의 주파수 특성을 분석하여 주파수 영역 상에서 두 영상간의 변환관계로부터 좌표를 추정하는 단계를 포함하는 GNSS 신호의 오차 보정 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영상 센서의 촬영 위치는, 다음의 수학식에 따라 산출하고,
    Figure 112014001964357-pat00006

    여기서, 랜드마크의 지상위치정보(X, Y, Z), 영상 센서의 촬영 위치(Sx, Sy, Sz), 랜드마크의 영상 좌표(x,y), 영상 센서의 초점거리(f), 비율 계수(s), 회전이동변환행렬의 원소값(r11~r33)을 이용하는 것을 특징으로 하는 GNSS 신호의 오차 보정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는,
    상기 영상 센서의 촬영 위치와 상기 영상 센서가 해당 영상을 촬영할 당시의 GNSS 측위 정보 간의 위치 오차를 산출하는 단계; 및
    상기 위치 오차를 이용하여, 상기 영상 센서가 촬영한 영상에 상기 데이터베이스에 저장된 랜드마크가 존재하지 않는 위치에서의 GNSS 측위 정보를 보정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 GNSS 신호의 오차 보정 방법.
  5. 영상 센서;
    랜드마크에 대한 영상정보와 그에 대응되는 지상위치정보가 저장되는 데이터베이스;
    상기 영상 센서가 촬영한 영상 내에 포함된 상기 랜드마크의 영상 좌표를 산출하고, 상기 영상 좌표와 상기 지상위치정보로부터 상기 영상 센서의 촬영 위치를 산출하는 촬영위치 산출부;
    상기 영상 센서의 촬영 위치를 이용하여 위성항법시스템(GNSS) 측위 정보를 보정하는 위치 보정부를 포함하고,
    상기 촬영위치 산출부는, 상기 랜드마크의 영상 좌표를 산출하기 위하여, 상기 영상 센서를 이용해 촬영한 영상 내에서, GNSS 측위 정보의 해당 위치로부터 소정 거리 이내에 있는 상기 데이터베이스의 후보 랜드마크 영상들 중에서 가장 유사한 랜드마크 영상을 탐색하고, 해당 랜드마크 영상의 상기 영상 좌표를 분석하고,
    상기 랜드마크 영상의 좌표 분석은 상기 영상 센서가 촬영한 영상과 상기 해당 랜드마크 영상 간의 주파수 특성을 분석하여 주파수 영역 상에서 두 영상 간의 변환관계로부터 좌표를 추정하는 것을 특징으로 하는 측위 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 GNSS 측위 정보를 생성하는 GNSS 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 측위 장치.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 촬영위치 산출부는, 다음의 수학식에 따라 상기 영상 센서의 촬영 위치를 산출하고,
    Figure 112014001964357-pat00007

    여기서, 랜드마크의 지상위치정보(X, Y, Z), 영상 센서의 촬영 위치(Sx, Sy, Sz), 랜드마크의 영상 좌표(x,y), 영상 센서의 초점거리(f), 비율 계수(s), 회전이동변환행렬의 원소값(r11~r33)을 이용하는 것을 특징으로 하는 측위 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 위치 보정부는,
    상기 영상 센서의 촬영 위치와 상기 영상 센서가 해당 영상을 촬영할 당시의 GNSS 모듈의 측위 정보 간의 위치 오차를 산출하고, 상기 위치 오차를 이용하여, 상기 영상 센서가 촬영한 영상에 상기 데이터베이스에 저장된 랜드마크가 존재하지 않는 위치에서의 GNSS 모듈의 측위 정보를 보정하는 것을 특징으로 하는 측위 장치.
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