KR102052519B1 - 저전력 블루투스 기반의 실내 측위 방법 및 장치 - Google Patents

저전력 블루투스 기반의 실내 측위 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 실시예들은 사용자 단말의 방향성을 고려하여 복수의 신호세기 맵들을 생성하고, 사용자의 위치이력을 기반으로 추적범위를 설정하여 신호세기 맵을 선별함으로써, 실내에서 사용자의 위치를 정확하게 측정할 수 있는 실내 측위 방법 및 장치를 제공한다.

Description

저전력 블루투스 기반의 실내 측위 방법 및 장치 {Indoor Positioning Method and Apparatus Based on Bluetooth Low Energy}
본 발명이 속하는 기술 분야는 실내 공간에서 측위하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
GPS(Global Positioning System)를 이용한 위치정보는 차량 내비게이션, 재난 상황 대처, 위치 기반의 서비스 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 그러나 GPS 기술은 상대적으로 신호가 약하기 때문에 가시거리(Line of Sight, LoS) 환경이 보장되지 않는 건물 내부나 신호 방해가 있는 장소에서는 위치 인식이 어려운 문제가 있다.
GPS를 대체하기 위해, BLE(Bluetooth Low Energy), Zigbee, Wi-Fi, Cellular 등의 통신 기술을 실내 측위에 적용할 수 있다. 근거리 통신기술을 이용하여 측정한 실내 측위 정보들은 대규모의 물자관리, 놀이동산, 대형 쇼핑몰 등 다양한 분야에서 응용될 수 있다.
특히, BLE는 기존의 클래식 블루투스(Classic Bluetooth) 프로토콜의 패킷 구조를 간소화하여 에너지 효율적이고 클래식 블루투스 기기들과 호환성이 우수하여, 다른 근거리 통신 기술들에 비해 선호도가 높은 편이다. BLE 기술을 이용한 실내 측위 시스템은 BLE가 가진 3 개의 광고(Advertisement) 채널로부터 전송되는 신호세기(Received Signal Strength Indicator, RSSI)를 이용한다. RSSI는 여러 가지 외부 요인에 의해 변화량이 크고 값이 일정하지 않아서 실내 측위시 높은 오차율의 원인이 된다.
게다가, 기존의 BLE 기반의 실내 측위 시스템은 BLE 비콘(Beacon)을 실내에 고정시켜 사용한다. 이러한 구조는 다수의 사용자가 동일 공간에 존재하는 경우에 관리자는 사용자에게 제공할 서비스마다 애플리케이션을 구성해야 하기 때문에, 위치 기반 서비스의 확장성 측면에서 불리한 문제가 있다.
본 발명은 사용자 단말의 방향성을 고려하여 복수의 신호세기 맵을 생성하고, 사용자의 위치이력을 기반으로 추적범위를 설정하여 신호세기 맵을 선별함으로써, 실내에서 사용자의 위치를 정확하게 측정하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 컴퓨팅 디바이스에 의한 실내 측위 방법에 있어서, 실내 공간에서의 복수의 방향마다 맵 구축용 제1 디바이스로부터 복수의 제2 디바이스들이 무선 신호를 수신하여 측정한 신호세기를 기록하고, 셀(Cell)로 구분된 복수의 방향별 신호세기 맵(RSSI Orientation Map)들을 생성하는 단계, 및 상기 복수의 방향별 신호세기 맵들에 기록된 상기 신호세기를 사용자의 제3 디바이스로부터 상기 복수의 제2 디바이스들이 측정한 신호세기와 비교하여, 상기 실내 공간에서 상기 사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 실내 측위 방법을 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 실내 공간에서의 복수의 방향마다 맵 구축용 제1 디바이스로부터 복수의 제2 디바이스들이 측정한 신호세기를 기록하고, 셀(Cell)로 구분된 복수의 방향별 신호세기 맵(RSSI Orientation Map)들을 생성하는 신호 맵 생성부, 및 상기 복수의 방향별 신호세기 맵들에 기록된 상기 신호세기를 사용자의 제3 디바이스로부터 상기 복수의 제2 디바이스들이 측정한 신호세기와 비교하여, 상기 실내 공간에서 상기 사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정하는 위치 추정부를 포함하는 실내 측위 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 사용자 단말의 방향성을 고려하여 복수의 신호세기 맵을 생성하고, 사용자의 위치이력을 기반으로 추적범위를 설정하여 신호세기 맵을 선별함으로써, 실내에서 사용자의 위치를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 복수의 신호세기 맵에서 선별된 셀의 위치에 방향별 가중치를 적용하여 사용자의 위치를 추정함으로써 추정된 위치의 오차를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 사용자의 무선 신호 송신기로부터 특정 위치에 고정된 무선 신호 수신기들이 무선 신호를 수신하여 서비스 제공 서버에 측위 데이터를 전송함으로써, 별도의 스마트 기기가 없어도 사용자는 위치 기반 서비스를 제공받을 수 있고 하나의 사용자의 무선 신호 송신기에 문제가 생겨도 다른 사용자가 위치 기반 서비스를 제공받는 데 영향을 미치지 않는 효과가 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 통상의 기술자에게 자명한 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1의 (a)는 능동 방식의 실내 측위 시스템을 예시한 도면이고, 도 1의 (b)는 수동 방식의 실내 측위 시스템을 예시한 도면이다.
도 2의 (a)는 가로 방향으로 설치된 비콘의 각도별 RSSI 분포를 예시한 도면이고, 도 2의 (b)는 세로 방향으로 설치된 비콘의 각도별 RSSI 분포를 예시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 실내 측위 장치를 예시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 장치가 실내 공간에서 K 개 방향을 설정하는 것을 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 장치가 K 개의 방향별 신호세기 맵들을 생성하는 것을 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실내 측위 장치가 추적범위를 설정하는 것을 예시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 실내 측위 방법을 예시한 흐름도이다.
도 10의 (a)는 본 발명의 실시예들이 윈도우 크기 1s에서 수행한 측위 결과의 오차 거리를 나타낸 그래프이고, 도 10의 (b)는 본 발명의 실시예들이 윈도우 크기 2s에서 수행한 측위 결과의 오차 거리를 나타낸 그래프이다.
도 11의 (a)는 본 발명의 실시예들이 맵 구축용 비콘과 동일한 비콘을 이용하여 측위한 결과의 오차 거리를 나타낸 그래프이고, 도 11의 (b)는 본 발명의 실시예들이 맵 구축용 비콘과 상이한 비콘을 이용하여 측위한 결과의 오차 거리를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
위치 기반 서비스(Location Based Service, LBS)는 사용자의 변경된 위치에 따라 특정 정보를 제공하는 무선 콘텐츠 서비스를 말한다. 실내 공간에서 위치 기반 서비스를 지원하기 위해서는 실내 측위 시스템이 필요하다.
도 1의 (a)는 능동 방식의 실내 측위 시스템을 예시한 도면이고, 도 1의 (b)는 수동 방식의 실내 측위 시스템을 예시한 도면이다.
능동 방식의 실내 측위 시스템은 고정된 리시버(스캐너)가 이동 가능한 비콘(애드버타이저)로부터 신호를 수신하도록 구축되고, 리시버는 위치 기반 서비스 제공 서버에 연결된다. 수동 방식의 실내 측위 시스템은 고정된 비콘(애드버타이저)이 이동 가능한 리시버(스캐너)로 신호를 송신하도록 구축되고, 리시버는 위치 기반 서비스 제공 서버에 연결된다. 본 실시예들에 따른 실내 측위 시스템은 능동 방식의 실내 측위 시스템으로 구현된다.
실내 측위 시스템은 핑거프린트 방식을 주로 사용한다. 기존의 핑거프린트 방식은 실내 공간을 작은 셀(Cell)로 나누고 각 셀에서 직접 RSSI 값을 수집하고 데이터베이스화하여 신호 맵을 구축한 후, 사용자의 위치에서 수신한 RSSI 값을 데이터베이스와 비교하여 유사한 신호 패턴을 보이는 셀을 사용자의 위치로 추정한다. 기존의 핑거프린트 방식은 무선 송수신기의 방향을 고려하지 않고 임의의 방향에서 측정된 신호 맵을 구축하기 때문에, 신호 맵과 비교할 때 오차율이 높아지는 문제가 있다.
도 2의 (a)에서는 가로 방향으로 설치된 비콘의 각도별 RSSI 분포가 도시되어 있고, 도 2의 (b)에서는 세로 방향으로 설치된 비콘의 각도별 RSSI 분포가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 실내 측위 시스템을 구성하는 기기들의 방향, 즉, 송신기 및 수신기의 안테나의 방향에 따라 RSSI 값의 달라지게 된다. 송신 안테나 및 수신 안테나의 안테나 이득 또는 실내 환경의 멀티 패스 때문에, RSSI 값의 차이가 발생한다. 시뮬레이션한 결과, 각도 변경시 가로로 설치된 비콘의 RSSI 값은 -78 dB 내지 -84 dB의 범위로 변화하고, 세로로 설치된 비콘의 RSSI 값은 -75 dB 내지 -87 dB의 범위로 변화하였다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 실내 측위 장치를 예시한 블록도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 실내 측위 장치(300)는 신호 맵 생성부(310) 및 위치 추정부(320)를 포함한다. 실내 측위 장치(300)는 도 3에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, 실내 측위 장치(400)는 추적범위 설정부(420)를 추가로 포함할 수 있다.
신호 맵 생성부(310, 410)는 맵 구축용 제1 디바이스로부터 복수의 제2 디바이스들이 측정한 신호세기를 기록한다. 복수의 제2 디바이스들은 실내 공간에서의 복수의 방향마다 맵 구축용 제1 디바이스로부터 신호세기를 측정한다. 신호 맵 생성부(310, 410)는 신호세기를 기록한 복수의 셀(Cell)로 구분된 복수의 방향별 신호세기 맵(RSSI Orientation Map)들을 생성한다.
신호 맵 생성부(310, 410)는 기 설정된 방향마다 제1 디바이스로부터 BLE 신호를 수신하여 복수의 신호세기 맵들을 생성한다. 제1 디바이스 및 제2 디바이스는 무선 통신하며, 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE)를 이용할 수 있다. 제1 디바이스는 BLE 애드버타이저(Advertiser)이고 BLE 애드버타이저는 이동이 가능하다. 제2 디바이스는 BLE 스캐너(Scanner)이고 BLE 스캐너는 실내 공간의 특정 위치에 고정되어 설치된다. 즉, 실내 측위 장치는 능동 방식으로 구현될 수 있다.
능동 방식의 실내 측위 시스템은 사용자들이 동일한 규격의 애드버타이저를 사용할 수 있기 때문에 애드버타이저로부터 측정되는 RSSI 값의 최적화가 가능하다. 능동 방식의 시스템은 리시버가 위치 측위 데이터를 직접 서비스 제공 서버에 제공할 수 있기 때문에 사용자의 스마트 기기가 없어도 사용자는 위치 기반의 서비스를 제공받을 수 있다. 능동 방식의 시스템은 수동 방식의 시스템과는 달리 애드버타이저에 문제가 생기는 경우 하나의 사용자에게만 영향이 있기 때문에 전체 시스템에 영향을 미치지 않는 효과가 있다.
위치 추정부(320, 430)는 복수의 방향별 신호세기 맵들에 기록된 신호세기를 사용자의 제3 디바이스로부터 복수의 제2 디바이스들이 측정한 신호세기와 비교하여, 실내 공간에서 사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정한다. 사용자의 제3 디바이스 및 맵 구축용 제1 디바이스는 BLE 애드버타이저의 기능을 수행할 수 있다.
이하에서는 실내 측위 장치가 방향별 신호세기 맵을 생성하는 것을 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 장치가 실내 공간에서 K 개 방향을 설정하는 것을 예시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 장치가 K 개의 방향별 신호세기 맵들을 생성하는 것을 예시한 도면이다.
신호 맵을 만들기 위해서는 실내 공간 전체를 일정한 크기를 가지는 셀로 구분한다. 셀은 nxn 행렬로 표기할 수 있으며 셀이 가지는 좌표 (x, y)를 기준 셀로부터의 (x, y)좌표로 표기한다. R 개의 BLE 스캐너를 특정 셀의 (x, y) 위치에 고정하여 설치한다. BLE 스캐너는 동일한 셀에 두 개 이상이 위치하지 않도록 구성한다. 실내 측위 시스템 내에서 각 셀 (x, y)은 셀의 좌표 (x, y)와 R 개의 스캐너에서 측정한 RSSI 값을 기록한다.
실내 측위 시스템을 구성하는 BLE 기기들의 방향성을 구분하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이 K 개의 방향 영역으로 나눈다. 방향 k는 BLE 기기의 방향으로 하여 하나의 기기 방향마다 신호 맵을 생성하고 방향별 복수의 신호맵을 구성한다. 방향별 신호 맵 Dk는 신호세기 RSSIi에 의해 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112017061663824-pat00001
Dk 집합은 방향별 신호맵(Orientation Map, OM)을 나타내며 이것은 OM={Dk| k=1, ... ,K}와 같이 나타낼 수 있다.
Dk는 수학식 1에 따라 실내 측위 시스템에 설치된 스캐너의 수가 많을수록, 셀의 개수가 많을수록, 방향의 개수가 많을수록 크기가 커지며 정밀한 실내 측위가 가능해진다. Dk를 구성하는 예시는 도 6에 도시되어 있다. 예컨대, 스캐너(리시버)는 고정되어 있고 실내 공간 끝에 위치하며 스캐너의 개수 R=4로 나타낼 수 있다. 이후 OM을 구성하기 위해 기기의 방향을 총 K 개의 영역으로 분할하고 첫 번째 방향의 신호 맵(D-1)부터 마지막 방향의 신호 맵(DK)까지 신호 맵에 존재하는 각 셀은 셀의 좌표 (x, y)와 모든 RSSIi를 기록한다. 모든 기록이 완료되면 방향별 신호 맵(OM)의 구성을 마친다.
복수의 방향별 신호 맵은 BLE 기기 방향성을 고려하기 때문에 기존의 핑커프린팅 방식의 한계를 어느 정도 극복할 수 있다.
이하에서는 실내 측위 장치가 추적범위를 설정하는 것을 설명한다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실내 측위 장치가 추적범위를 설정하는 것을 예시한 도면이다.
실내 측위 장치는 사용자의 제3 디바이스의 위치이력 및 사용자의 제3 디바이스의 이동 속도를 기반으로 실내 공간의 일부 영역인 추적범위(Tracking Range)를 설정하는 추적범위 설정부를 포함할 수 있다.
추적 범위(Tracking Range)는 실내 위치 측위의 정확도를 높이기 위해 현재 사용자의 위치 이력과 이동속도를 기반으로 설정할 수 있는 핑거프린팅 맵(Fingerprinting Map)의 범위로 정의한다. 이러한 추적 범위는 사용자의 이동속도와 사용자의 이전 위치와 다음 위치 간의 시간차에 따라 정의된다.
본 실시예들은 추적범위를 설정하여 오차 가능성을 더욱 줄일 수 있어 실내 측위의 정확도를 개선할 수 있다. 기존 핑거프린팅 방식은 실제 측정시 측정 위치에서의 RSSI와 핑거프린팅 맵의 데이터에서의 RSSI 값을 비교할 때 전체 핑거프린팅 맵의 범위에서 가장 비슷한 RSSI 값을 가진 셀을 찾는다. 이러한 방식은 측정한 위치에서 비콘의 RSSI 값이 다를 경우 실제 위치와 다른 셀을 선택할 확률이 높아 오차를 발생시킨다. 반면에, 본 실시예는 전체 핑거프린팅 맵이 아닌 추적 범위 내의 핑거프린팅 맵에서 RSSI 값을 비교하는 경우 이론적으로 계산될 수 있는 사용자의 이동 범위 내에서만 RSSI 값을 비교한다. 이것은 셀 선택의 폭이 좁기 때문에 정확한 셀을 선택할 확률이 상대적으로 높아져 실내 측위 오차를 줄일 수 있다. 시간 t에 사용자 위치에 따른 추적 범위를 l이라 하고 사용자의 이동속도를 v, 다음 시간 사용자의 위치를 t'이라 할 때, 추적 범위(l)는 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112017061663824-pat00002
여기에서 xt는 시간 t에서 위치하는 사용자 위치의 x좌표를 의미하고 xt '은 사용자가 다음 위치에 도달하는 시간 t'에서 사용자 위치의 x좌표를 의미한다. 마찬가지로 yt는 시간 t에서 위치하는 사용자 위치의 y좌표를 의미하고 yt '은 사용자가 다음 위치에 도달하는 시간 t'에서 사용자 위치의 y좌표를 의미한다. 따라서 시간 t에서 추적 범위는 사용자의 이전 위치를 기준으로 설정되며 사용자의 현재 위치와 사용자의 이전 위치의 차이가 v(t - t') 보다 작거나 같은 범위로 설정된다. 이것은 측정하는 실내 환경이 클수록, 사용자의 이동속도가 빠를수록, 셀의 크기가 작을수록 큰 값을 가지며 반대의 경우 추적 범위(l)의 크기는 작은 값을 가진다.
만약 사용자의 이전 위치 좌표 (xt, yt)이 존재하지 않는 경우 이것은 실내 측위 시작이라고 판단하여 추적 범위는 OM이 된다. 즉, OM은 실내 측위 시작시 사용자의 위치를 계산하는 핑거프린팅 맵이 된다. 이후 사용자의 위치좌표 (xt, yt)가 파악되면 도 7에 도시된 바와 같이 OM 내에 존재하는 추적 범위의 기준점이 갱신되고 추적 범위(l)의 범위가 설정된다. 설정된 범위(l) 내에 측정된 좌표 (xt ', yt')가 위치하면 이것은 사용자의 올바른 좌표 (xt ', yt ')가 되고 사용자의 다음 위치 계산을 위해 추적 범위의 기준점이 갱신된다. 설정된 범위(l)를 벗어나는 경우 이것은 사용자의 위치가 될 수 없다. 추적범위 설정부는 추적범위의 기준점을 사용자의 제3 디바이스의 현재 위치로 변경하여 추적범위를 갱신한다. 이러한 추적 범위(l)을 만족시키는 모든 셀 (x, y)의 좌표들의 집합 Tracking Area(TA)는 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112017061663824-pat00003
수학식 3에 따라 실내 측위 시스템에서 사용자의 이동속도가 빠른 경우 시간대비 사용자가 이동하는 거리가 늘어나기 때문에 정확한 측정이 어렵다. 따라서 이것은 큰 범위의 l을 요구하게 되고 실내 측위의 정확도가 낮아지는 요인이 될 수 있다. 또한 이전 사용자의 위치 시간 t와 다음 사용자의 위치 시간 t'의 차이가 작은 경우 충분한 양의 데이터를 수집할 수 없기 때문에 모든 BLE 애드버타이징 채널로부터 정보를 받지 못하는 문제가 생긴다. 따라서 실내 측위 장치는 실내 측위 윈도우 크기, 실내 환경에서 사용자의 이동속도, 및 비콘의 신호 발생 수를 고려하여 설계되어야 한다.
이하에서는 실내 측위 장치가 디바이스의 위치를 추정하는 것을 설명한다. 실제 실내측위 전에 신호 맵 생성부가 핑거프린팅 맵으로 사용할 방향별 신호 맵을 구축하면, 위치 추정부는 실제 측위를 진행한다. 위치 추정부는 비교 대상 핑거프린팅 맵을 결정하고, 유클리드 거리(Euclidean Distance)를 계산하고, 방향별 가중치(Orientation Weight)를 계산한다.
실내 측위 장치는 실제 측위를 통해 측정한 RSSI 값과 사전 측정된 비교 대상 핑거프린팅 맵의 RSSI 값을 비교하기 때문에 실제 측위 전에 비교 대상 핑거프린팅 맵을 구성해야 한다. 이때 실내 측위 장치는 방향별 신호 맵(OM)을 사용한다. 실내 측위 시스템 내에 사용자의 위치정보가 없는 경우 모든 방향별 신호 맵(OM)를 비교 대상 핑거프린팅 맵으로 한다. 사용자의 이전 위치정보가 존재하는 경우 앞서 설명한 추적 범위 내 존재하는 방향별 신호 맵(OM)만을 비교 대상 핑거프린팅 맵으로 한다. 즉, 위치 추정부는 복수의 방향별 신호세기 맵들 중에서 사용자의 제3 디바이스의 이전 위치가 추적범위 내에 존재하는 맵을 선별한다.
기존의 방식과 달리, 본 실시예들은 실내 측위 시스템을 구성하는 BLE 기기의 방향 및 사용자의 위치이력을 활용하기 때문에 높은 정확도를 갖는 실내 위치 측위 결과를 보인다.
위치 추정부는 복수의 방향별 신호세기 맵들에 기록된 신호세기 및 사용자의 제3 디바이스로부터 복수의 제2 디바이스가 측정한 신호세기 간의 유클리드 거리를 산출한다. 위치 추정부는 복수의 방향별 신호세기 맵들에서 유클리드 거리가 최소가 되는 셀을 선별하여, 복수의 셀의 위치를 산출한다.
유클리드 거리는 실제 측정된 RSSI 값과 비교 대상 핑거프린트 맵의 RSSI 값을 비교할 때 유사한 정도의 척도를 정하기 위해 사용된다. 정의한 Dk에서 해당 셀 axy의 RSSI 값을 나타내는 RSSIi,axy,k를 이용하여 방향 k에서의 유클리드 거리 Ek를 계산한다. 이때 측정된 RSSI 값을 MRSSIi,axy,k라 하면 Ek는 수학식 4와 같이 표현된다.
Figure 112017061663824-pat00004
Ek는 실제 측정된 RSSI 값과 비교 대상 핑거프린팅 맵의 RSSI 값을 비교하여 그 차이의 절대 값을 계산한다. 이때 최종적으로 계산된 유클리드 거리 값은 BLE 기기의 방향 k의 셀마다 하나의 값을 가진다. 이러한 과정으로 계산된 Ek는 RSSI 값의 비교를 통해 RSSI 값의 차이가 가장 작은 셀을 구하는 척도가 된다. 이때 가장 차이가 가장 작은 Ek의 셀 좌표 Emin,k(axy)는 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112017061663824-pat00005
위치 추정부는 유클리드 거리를 기반으로 복수의 셀에 대한 복수의 방향별 가중치를 산출한다. 위치 추정부는 복수의 셀의 위치에 복수의 방향별 가중치를 각각 적용하여 복수의 셀의 위치를 기반으로 사용자의 제3 디바이스의 위치를 산출한다.
계산된 Emin,k(axy) 값은 각 방향 k의 핑거프린트 맵을 구성하는 셀마다 하나의 값을 가진다. 이때 Emin,k(axy) 값은 기기의 방향별 특성 때문에 같은 셀이라도 다른 (x, y)좌표를 나타낼 수 있다. 기존의 방식은 방향을 고려하지 않기 때문에 가장 비슷한 셀의 하나의 좌표로 나타난다. 하지만 본 실시예에서는 방향별로 좌표가 존재하기 때문에 복수의 (x, y) 좌표들을 통합하여 정확한 사용자 위치를 산출한다. 이때 각기 다른 Emin,k(axy)의 좌표를 통합하기 위해 각 유클리드 거리에 가중치를 설정하여 가장 근접한 RSSI 값을 나타내는 Cell의 좌표의 영향력을 더 크게 반영한다. 여기에서 각 BLE 기기의 방향 k별로 계산되는 가중치를 Wk라 할 때 Wk는 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure 112017061663824-pat00006
Emin,i와 Emin,k는 방향별 유클리드 거리를 의미한다. K는 균등하게 분할한 BLE 기기 방향의 최대 수를 나타낸다. 유클리드 거리가 짧을수록 비교 대상의 RSSI 값에 일치한다는 의미이므로 방향 k에서 계산된 Emin,k의 역수를 취하여 비교 대상 핑거프린팅 맵과 유사한 값의 비중을 높인다. 비교 대상 핑거프린팅 맵과 유사한 값은 같은 셀에 존재하는 모든 방향 K의 유클리드 거리 값의 역수를 나누어 비중을 계산할 수 있다. 따라서 모든 방향 K에서 계산된 WK의 합은 항상 1이 된다. 수학식 6에 따라 유클리드 거리의 값이 작으면 해당 방향 Emin,k의 가중치가 증가하며 반대로 유클리드 거리의 값이 크면 가중치가 감소한다. 결과적으로 이것은 가장 유사한 셀 좌표의 중요도를 더 크게 반영하여 실내 측위 정확도를 높일 수 있다.
각 방향별 가중치가 계산되면 사용자의 현재 위치를 계산할 수 있다. 사용자의 현재 위치 P(x, y)는 수학식 7과 같이 표현된다.
Figure 112017061663824-pat00007
K 개의 방향으로 구성된 핑거프린팅 맵에서 계산된 Emin,k는 각 방향 k마다 다른 값을 나타낼 수 있다. 따라서 모든 방향 K에서 계산된 가중치를 해당 좌표에 곱하고 그 값을 더했을 때 최종적인 사용자의 위치 P(x, y)가 계산된다. 사용자의 현재 위치는 사용자의 다음 위치 계산을 위하여 실내 측위 장치에 전달된다. 실내 측위 장치는 계산된 사용자의 현재 위치를 받아 다음 위치 계산시 추적범위와 기준점을 설정하는데 이용한다. 이러한 사용자 실내 위치 계산을 위한 전체 알고리즘은 표 1과 같이 나타낸다.
Figure 112017061663824-pat00008
Figure 112017061663824-pat00009
표 1에서 1-15 번째 줄은 방향별 비교 대상 핑거프린팅 맵, 즉 방향별 신호 맵을 설정하는 단계를 나타내고, 16-22 번째 줄은 유클리드거리 Ek를 계산하는 단계를 나타내고, 23-26 번째 줄은 산출한 Ek중 가장 작은 Ek를 나타내는 값을 찾는 단계를 나타내고, 27-34 번째 줄은 Ek의 가중치를 산출하는 단계를 나타내고, 이를 기반으로 35-39 번째 줄은 최종적인 사용자의 좌표 P(x, y)를 산출하는 단계를 나타낸다.
실내 측위 장치에 포함된 구성요소들이 도 2 및 도 3에서는 분리되어 도시되어 있으나, 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.
실내 측위 장치는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.
실내 측위 장치는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 실내 측위 방법을 예시한 흐름도이다. 실내 측위 방법은 컴퓨팅 디바이스에 의해 수행될 수 있다.
단계 S810에서, 컴퓨팅 디바이스는 실내 공간에서의 복수의 방향마다 맵 구축용 제1 디바이스로부터 복수의 제2 디바이스들이 무선 신호를 수신하여 측정한 신호세기를 기록하고, 셀(Cell)로 구분된 복수의 방향별 신호세기 맵(RSSI Orientation Map)들을 생성한다.
제1 디바이스, 제3 디바이스, 및 제2 디바이스는 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE)를 이용한다. 제1 디바이스 및 제3 디바이스는 BLE 애드버타이저(Advertiser)이고 BLE 애드버타이저는 이동이 가능하고, 상기 제2 디바이스는 BLE 스캐너(Scanner)이고 상기 BLE 스캐너는 상기 실내 공간의 특정 위치에 고정 설치된다.
단계 S820에서, 컴퓨팅 디바이스는 복수의 방향별 신호세기 맵들에 기록된 신호세기를 사용자의 제3 디바이스로부터 복수의 제2 디바이스들이 측정한 신호세기와 비교하여, 실내 공간에서 사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정한다.
도 9를 참조하면, 실내 측위 방법은 단계 S910 이후에 추적범위(Tracking Range)를 설정하는 단계(S920)를 추가로 포함할 수 있다.
단계 S920에서, 컴퓨팅 디바이스는 사용자의 제3 디바이스의 위치이력 및 사용자의 제3 디바이스의 이동 속도를 기반으로 실내 공간의 일부 영역인 추적범위를 설정한다. 추적범위를 설정하는 단계(S920)는 추적범위의 기준점을 사용자의 제3 디바이스의 현재 위치로 변경하여 추적범위를 갱신할 수 있다.
사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정하는 단계(S930)는 복수의 방향별 신호세기 맵들 중에서 사용자의 제3 디바이스의 이전 위치가 추적범위 내에 존재하는 맵을 선별한다.
사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정하는 단계(S930)는 복수의 방향별 신호세기 맵들에 기록된 신호세기 및 사용자의 제3 디바이스로부터 복수의 제2 디바이스가 측정한 신호세기 간의 유클리드 거리를 산출하고, 복수의 방향별 신호세기 맵들에서 유클리드 거리가 최소가 되는 셀을 선별하여, 복수의 셀의 위치를 산출한다.
사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정하는 단계(S930)는 유클리드 거리를 기반으로 복수의 셀에 대한 복수의 방향별 가중치를 산출하고, 복수의 셀의 위치에 복수의 방향별 가중치를 각각 적용하여 복수의 셀의 위치를 기반으로 사용자의 제3 디바이스의 위치를 산출한다.
도 8 및 도 9에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 9 및 도 9에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
본 실시예들에 따른 동작은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는 데 참여한 임의의 매체를 나타낸다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자기 매체, 광기록 매체, 메모리 등이 있을 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드, 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.
이하에서는 도 10 및 도 11을 참조하여 모의실험한 결과를 설명한다.
도 10의 (a)는 본 발명의 실시예들이 윈도우 크기 1s에서 수행한 측위 결과의 오차 거리를 나타낸 그래프이고, 도 10의 (b)는 본 발명의 실시예들이 윈도우 크기 2s에서 수행한 측위 결과의 오차 거리를 나타낸 그래프이다.
도 10에서 Original Scheme은 기존 방식, OW scheme은 방향을 고려한 실내 측위 방법(Orientation Weight), TM-OW scheme은 사용자의 이전 위치와 기기 방향을 고려한 실내 측위 방법(Tracking Map Orientation Weight)을 나타낸다.
경로별로 측정한 RSSI 값을 이용하여 각 방식들을 적용시킨 후 오차를 계산한다. 이때 실내 측위를 위한 Window 크기는 사용자가 한 장소로부터 RSSI 값을 측정하는 시간을 말한다. 각 방식들은 Window 크기가 1s인 경우, 2s인 경우로 나누어 각 경로별로 실내 위치를 측정하였다.
TM-OW scheme의 CDF(Cumulative Distribution Function)는 오차 범위 1m 이내에 80% 이상의 값이 포함되었고 약 3m 범위의 오차 내에서는 모든 측정값이 포함되어 다른 Scheme 보다 좋은 성능을 나타냈다. 반면 Original Scheme의 경우 하나의 Fingerprinting map을 반영하고 기기 방향성, 사용자의 이전 위치를 고려하지 않기 때문에 오차 범위 4m 이내에 80% 이상의 값이 포함되어 있다. 또한 계산된 모든 측정 위치를 수용하는 오차 범위는 약 10m 정도로 매우 큰 오차가 존재했다.
실내 측위 윈도우가 클수록 정확한 실내 측정이 가능하다는 것을 의미하며 본 실시예들은 다른 실내 위치 측위 방식보다 정확한 측위가 가능한다.
비콘들은 같은 기종이라도 완전히 동일한 칩을 사용하는 것이 아니기 때문에 방향별 특성이 다르고 배터리의 잔량도 다르다. 이것은 실내 측위시 기록하는 RSSI 값에 영향을 미치기 때문에 실내 측위 오차로 이어진다.
도 11의 (a)에서는 본 발명의 실시예들이 맵 구축용 비콘과 동일한 비콘을 이용하여 측위한 결과의 오차 거리를 나타내고, 도 11의 (b)에서는 본 발명의 실시예들이 맵 구축용 비콘과 상이한 비콘을 이용하여 측위한 결과의 오차 거리를 나타낸다. 도 11을 참조하면, TM-OW scheme은 실제 실내 측위시 맵 구축용 비콘(Reference Beacon)을 사용하지 않은 경우에도 Original scheme보다 더 높은 정확도를 갖는다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
300, 400: 실내 측위 장치 310, 410: 신호 맵 생성부
420, 430: 위치 추정부 420: 추적범위 설정부

Claims (14)

  1. 컴퓨팅 디바이스에 의한 실내 측위 방법에 있어서,
    상기 컴퓨팅 디바이스가 실내 공간에서의 복수의 방향마다 맵 구축용 제1 디바이스로부터 복수의 제2 디바이스들이 무선 신호를 수신하여 측정한 신호세기를 기록하고, 셀(Cell)로 구분된 K(상기 K는 2 이상의 자연수) 개의 방향에 따른 K 개의 신호세기 맵(RSSI Orientation Map)들을 생성하는 단계;
    상기 컴퓨팅 디바이스가 사용자의 위치정보가 있는 경우에 상기 사용자의 제3 디바이스의 위치이력 및 상기 사용자의 제3 디바이스의 이동 속도를 기반으로 상기 추적범위의 기준점을 상기 사용자의 제3 디바이스의 현재 위치로 변경하여 상기 실내 공간의 일부 영역인 추적범위(Tracking Range)를 설정하는 단계; 및
    상기 컴퓨팅 디바이스가 상기 사용자의 위치정보가 없는 경우에 (i) 상기 K 개의 신호세기 맵들에 기록된 상기 신호세기를 (ii) 상기 사용자의 제3 디바이스로부터 상기 복수의 제2 디바이스들이 측정한 신호세기와 비교하고, 상기 K 개의 신호세기 맵들에서 선별된 K 개의 셀에 K 개의 가중치를 각각 적용하여, 상기 실내 공간에서 상기 사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정하며,
    상기 컴퓨팅 디바이스가 상기 사용자의 위치정보가 있는 경우에 상기 K 개의 신호세기 맵들 중에서 상기 사용자의 제3 디바이스의 이전 위치가 상기 추적범위 내에 존재하는 M(상기 M은 상기 K 보다 작은 자연수) 개의 맵을 선별하여, (i) 상기 M 개의 신호세기 맵들에 기록된 상기 신호세기를 (ii) 상기 사용자의 제3 디바이스로부터 상기 복수의 제2 디바이스들이 측정한 신호세기와 비교하고, 상기 M 개의 신호세기 맵들에서 선별된 M 개의 셀에 M 개의 가중치를 각각 적용하여, 상기 실내 공간에서 상기 사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 실내 측위 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 맵 구축용 제1 디바이스, 상기 사용자의 제3 디바이스, 및 상기 제2 디바이스는 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE)를 이용하며, 상기 맵 구축용 제1 디바이스 및 상기 사용자의 제3 디바이스는 BLE 애드버타이저(Advertiser)이고 상기 BLE 애드버타이저는 이동이 가능하고, 상기 제2 디바이스는 BLE 스캐너(Scanner)이고 상기 BLE 스캐너는 상기 실내 공간의 특정 위치에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정하는 단계는,
    상기 K 개의 신호세기 맵들에 기록된 신호세기 및 상기 사용자의 제3 디바이스로부터 상기 복수의 제2 디바이스가 측정한 신호세기 간의 유클리드 거리를 산출하고, 상기 K 개의 신호세기 맵들에서 상기 유클리드 거리가 최소가 되는 셀을 선별하여, 복수의 셀의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정하는 단계는,
    상기 유클리드 거리를 기반으로 상기 K 개의 셀에 대한 K 개의 가중치를 산출하고, 상기 K 개의 셀의 위치에 상기 K 개의 가중치를 각각 적용하여 상기 K 개의 셀의 위치를 기반으로 상기 사용자의 제3 디바이스의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.
  8. 실내 공간에서의 복수의 방향마다 맵 구축용 제1 디바이스로부터 복수의 제2 디바이스들이 측정한 신호세기를 기록하고, 셀(Cell)로 구분된 K(상기 K는 2 이상의 자연수) 개의 방향에 따른 K 개의 신호세기 맵(RSSI Orientation Map)들을 생성하는 신호 맵 생성부;
    사용자의 위치정보가 있는 경우에 상기 사용자의 제3 디바이스의 위치이력 및 상기 사용자의 제3 디바이스의 이동 속도를 기반으로 상기 추적범위의 기준점을 상기 사용자의 제3 디바이스의 현재 위치로 변경하여 상기 실내 공간의 일부 영역인 추적범위(Tracking Range)를 설정하는 추적범위 설정부; 및
    상기 사용자의 위치정보가 없는 경우에 (i) 상기 K 개의 신호세기 맵들에 기록된 상기 신호세기를 (ii) 상기 사용자의 제3 디바이스로부터 상기 복수의 제2 디바이스들이 측정한 신호세기와 비교하고, 상기 K 개의 신호세기 맵들에서 선별된 K 개의 셀에 K 개의 가중치를 각각 적용하여, 상기 실내 공간에서 상기 사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정하며,
    상기 사용자의 위치정보가 있는 경우에 상기 K 개의 신호세기 맵들 중에서 상기 사용자의 제3 디바이스의 이전 위치가 상기 추적범위 내에 존재하는 M(상기 M은 상기 K 보다 작은 자연수) 개의 맵을 선별하여, (i) 상기 M 개의 신호세기 맵들에 기록된 상기 신호세기를 (ii) 상기 사용자의 제3 디바이스로부터 상기 복수의 제2 디바이스들이 측정한 신호세기와 비교하고, 상기 M 개의 신호세기 맵들에서 선별된 M 개의 셀에 M 개의 가중치를 각각 적용하여, 상기 실내 공간에서 상기 사용자의 제3 디바이스의 위치를 추정하는 위치 추정부
    를 포함하는 실내 측위 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 맵 구축용 제1 디바이스, 상기 사용자의 제3 디바이스, 및 상기 제2 디바이스는 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE)를 이용하며, 상기 맵 구축용 제1 디바이스 및 상기 사용자의 제3 디바이스는 BLE 애드버타이저(Advertiser)이고 상기 BLE 애드버타이저는 이동이 가능하고, 상기 제2 디바이스는 BLE 스캐너(Scanner)이고 상기 BLE 스캐너는 상기 실내 공간의 특정 위치에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 실내 측위 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 위치 추정부는,
    상기 K 개의 신호세기 맵들에 기록된 신호세기 및 상기 사용자의 제3 디바이스로부터 상기 복수의 제2 디바이스가 측정한 신호세기 간의 유클리드 거리를 산출하고, 상기 K 개의 신호세기 맵들에서 상기 유클리드 거리가 최소가 되는 셀을 선별하여, K 개의 셀의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 위치 추정부는,
    상기 유클리드 거리를 기반으로 상기 K 개의 셀에 대한 K 개의 가중치를 산출하고, 상기 K 개의 셀의 위치에 상기 K 개의 가중치를 각각 적용하여 상기 K 개의 셀의 위치를 기반으로 상기 사용자의 제3 디바이스의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 장치.
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E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)