KR20030060210A - 전세계 위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기측위 장치 및 방법 - Google Patents

전세계 위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기측위 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전세계 위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기 측위 장치 및 방법에 관한 것으로서, 초기 시점에서 상기 전세계 위치 시스템 위성으로부터 수신되는 신호를 가지고서 상기 사용자 단말기 및 상기 사용자 단말기에 서비스를 제공하고 있는 기지국의 초기 위치값들을 계산하고, 상기 초기 시점에서 상기 기지국으로부터 수신되는 제1왕복 지연 시간 정보를 가지고서 상기 사용자 단말기와 기지국간 제1거리를 계산하며, 상기 초기 시점 이후의 시점에서 상기 기지국으로부터 수신되는 제2왕복 지연 시간 정보를 가지고서 상기 사용자 단말기와 기지국간 제2거리를 계산한 후, 상기 이후의 시점에서 상기 제1거리와, 상기 제2거리 및 관성 기준점에 따른 상기 사용자 단말기의 자세각을 가지고 상기 사용자 단말기의 이동 거리를 계산하며, 상기 자세각을 이용하여 상기 이동거리에 따른 위치 변동값을 계산하여 상기 초기 위치값에 가산한 값을 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기의 위치값으로 검출한다.

Description

전세계 위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기 측위 장치 및 방법{APPARATUS FOR DETECTING POSITION OF USER EQUIPMENT USING GLOBAL POSITIONING SYSTEM/DEAD-RECKONING AND METHOD THEREOF}
본 발명은 이동 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 전세계 위치 시스템 위성 신호의 음영 지역에서 사용자 단말기 위치를 정확하게 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
현대 사회가 발전해 나감에 따라서 개인 휴대 통신 역시 비약적으로 발전해나가고 있으며, 그 중 응급 서비스, 일 예로 E-911(emergency call) 서비스와 같은 응급 서비스를 위해 전세계적으로 사용자 단말기(UE: User Equipment)에서 위치 제공 서비스를 지원하도록 규정하고 있는 추세에 있다. 특히, 미국의 경우 상기 E-911 서비스를 위하여 위치정보를 사용자 단말기의 기본적으로 정의하여 향후에는 모든 사용자 단말기들에 상기 E-911 서비스를 위한 위치 정보가 적용되도록 할 추세에 있다. 그리고 상기 사용자 단말기의 위치 제공 서비스는 그 실제 위치에서 적어도범위 내의 오차를 가지도록 규정하여 비교적 정확한 위치 제공을 하도록 하고 있으며, 이런 비교적 정확한 사용자 단말기 위치를 가지고서 각종 위치 정보 관련 서비스를 추가적으로 제공하는 것이 가능하게 된다.
이렇게 사용자 단말기의 정확한 위치를 필요로 하는 서비스가 증가함에 따라서, 실제 사용자 단말기의 정확한 위치를 파악하는 것이 중요하게 되었으며, 상기 사용자 단말기 위치를 검출하는데 사용되는 방법은 크게 셀-아이디(CELL-ID) 방식과, 도착 각도(AOA: Angle Of Arrival) 방식과, 도착 시간(TOA: Time Of Arrival)/도착 지연 시간(TDOA: Time Difference Of Arrival) 방식과, 전세계 위치 시스템(GPS: Global Positioning System) 위성을 이용한 방식의 4가지 방식으로 크게 분류된다.
상기 셀 아이디 방식은 각 셀을 담당하는 기지국(Node B)의 정확한 위치 정보를 가지고 있는 상태에서, 상기 셀 내에 존재하는 사용자 단말기의 위치를 상기 기지국 위치 정보를 가지고서 결정하는 방식이다. 그래서, 상기 셀 아이디 방식은 상기 사용자 단말기 위치가 기지국 셀 단위로 결정되기 때문에 상기 사용자 단말기위치가 부정확하다는 문제점을 가진다. 상기 도착 각도(AOA) 방식은 지능형 안테나, 일 예로 스마트 안테나(smart antenna)와 같은 지능형 안테나를 사용하여 상기 기지국과 사용자 단말기간의 각도를 알고 있을 경우에만 상기 사용자 단말기에 대한 위치를 검출하는 것이 가능하다. 즉, 상기 기지국은 상기 사용자 단말기로 신호를 전송할 때 상기 기지국과 사용자 단말기간 전송 각도를 알고 있어야만 상기 사용자 단말기에 대한 정확한 위치를 파악하는 것이 가능하게 되기 때문에, 상기 전송 각도를 파악하지 못할 경우에는 상기 사용자 단말기에 대한 정확한 위치 파악이 불가능하다는 문제점을 가진다.
그리고, 상기 도착 시간/도착 지연 시간 방식에서 상기 도착 시간(TOA) 방식은 상기 기지국에서 신호를 전송한 시각과 상기 신호가 도착한 시간간의 차를 가지고서 상기 사용자 단말기 위치를 검출하는 방식이고, 상기 도착 지연 시간 방식은 적어도 3 개 이상의 기지국들에서 상기 사용자 단말기로 전송한 신호들을 삼각 위치법과 같은 방식을 사용하여 상기 사용자 단말기 위치를 검출하는 방식이다. 그러나, 상기 도착 시간/도착 지연 시간 방식은 고층 건물등과 같은 장애물이 밀집되어 있는 환경에서는 신호의 굴절 및 회절 등과 같은 위치 오차 요인이 많아서 상기 사용자 단말기에 대한 정확한 위치를 파악하는 것이 불가능하다는 문제점을 가진다. 그리고 상기 전세계 위치 시스템(GPS) 위성 신호를 사용하는 방식은 상기 전세계 위치 측정 위성에서 수신되는 신호를 가지고서 상기 사용자 단말기 위치를 파악하는 방식이다. 그러나 상기 전세계 위치 시스템 위성 신호를 사용하는 방식은 상기 전세계 위치 시스템 위성 신호가 단절되는 지역, 즉 전세계 위치 시스템 위성 신호음영 지역(일 예로, 지하도 등) 에서는 신호 자체가 존재하지 않기 때문에 상기 사용자 단말기에 대한 위치를 측정하는 것이 불가능하다는 문제점을 가진다.
현재 이동 통신 시스템(mobile communication system)에서는 상기와 같은 위치 측정 방식들을 혼용한 형태 혹은 상기 위치 측정 방식들 중 하나를 선택한 형태를 취해 사용자 단말기에 대한 위치 측정을 수행하고 있다. 그 중에서도 특히 상기 전세계 위치 시스템 위성 신호를 사용하는 방식은 상기 전세계 위치 시스템 위성으로부터 제공되는 위성 신호를 이용하여 상기 사용자 단말기에 대한 정확한 절대 위치를 제공하기 때문에 점점 그 사용이 증가되는 추세에 있다. 그러나 상기 전세계 위치 시스템 위성 신호를 사용하는 방식은 상기에서 설명한 바와 같이 상기 전세계 위치 시스템 위성 신호가 단절되는 전세계 위치 시스템 위성 신호 음영 지역에서는 상기 사용자 단말기에 대한 정확한 위치 측정을 수행하는 것이 불가능하다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이동 통신 시스템의 전세계 위치 시스템 위성 신호 미수신 지역에서 관성 기준점에 따른 자세각을 이용하여 정확한 사용자 단말기 위치를 측정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 이동 통신 시스템의 전세계 위치 시스템 위성 신호가 미수신 지역에서 이동 속도를 가지고 정확한 사용자 단말기 위치를 측정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제1견지에 따른 장치는; 전세계 위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기 측위 장치에 있어서, 관성 기준점에 따른 상기 사용자 단말기의 자세각을 센싱하는 관성 센서와, 상기 전세계 위치 시스템 위성 신호를 수신하여, 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간 코드 의사거리와, 반송파 의사거리율을 계산하는 전세계 위치 시스템 처리기와, 초기 시점에서 상기 코드 의사거리와 반송파 의사거리율을 가지고 상기 사용자 단말기의 초기 위치값을 계산하고, 상기 초기 시점에서 상기 기지국으로부터 수신되는 제1왕복 지연 시간 정보를 가지고 상기 사용자 단말기와 기지국간 제1거리를 계산하고, 상기 초기 시점 이후의 시점에서 상기 기지국으로부터 수신되는 제2왕복 지연 시간 정보를 가지고 상기 사용자 단말기와 기지국간 제2거리를 계산하고, 상기 제1거리와 제2거리 및 상기 이후의 시점의 자세각을 가지고 상기 사용자 단말기의 이동 거리를 계산하며, 상기 자세각을 이용하여 상기 이동 거리에 따른 위치 변동값을 계산하여 상기 초기 위치값과 가산한 값을 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기의 위치값으로 검출하는 위치 검출기를 포함함을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제2견지에 따른 장치는; 전세계 위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기 측위 장치에 있어서, 관성 기준점에 따른 상기 사용자 단말기의 자세각을 센싱하는 관성 센서와, 상기 전세계 위치 시스템 위성 신호를 수신하여, 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간 코드 의사거리와, 반송파 의사거리율을 계산하는 전세계 위치 시스템 처리기와, 상기 사용자 단말기가 위치한 이동체의 속도값을 센싱하는 속도 센서와, 상기초기 시점에서 상기 코드 의사거리와 반송파 의사거리율을 가지고 상기 사용자 단말기 및 상기 사용자 단말기에 서비스를 제공하고 있는 기지국의 초기 위치값들을 계산하고, 상기 초기 시점 이후의 시점에서 상기 속도값을 가지고 상기 사용자 단말기의 이동 거리를 계산하고, 상기 이후의 시점의 자세각을 가지고 상기 이동 거리에 따른 위치 변동값을 계산하여 상기 초기 위치값과 가산한 값을 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기 위치값으로 검출하는 위치 검출기를 포함함을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제3견지에 따른 방법은; 전세계 위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기 측위 방법에 있어서, 초기 시점에서 상기 전세계 위치 시스템 위성으로부터 수신되는 신호를 가지고서 상기 사용자 단말기의 초기 위치값을 계산하는 과정과, 상기 초기 시점에서 상기 기지국으로부터 수신되는 제1왕복 지연 시간 정보를 가지고서 상기 사용자 단말기와 기지국간 제1거리를 계산하는 과정과, 상기 초기 시점 이후의 시점에서 상기 기지국으로부터 수신되는 제2왕복 지연 시간 정보를 가지고서 상기 사용자 단말기와 기지국간 제2거리를 계산하는 과정과, 상기 이후의 시점에서 상기 제1거리와, 상기 제2거리 및 관성 기준점에 따른 상기 사용자 단말기의 자세각을 가지고 상기 사용자 단말기의 이동 거리를 계산하며, 상기 자세각을 이용하여 상기 이동거리에 따른 위치 변동값을 계산하여 상기 초기 위치값에 가산한 값을 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기의 위치값으로 검출하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제4견지에 따른 방법은; 전세계위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기 측위 방법에 있어서, 초기 시점에서 상기 전세계 위치 시스템 위성으로부터 수신되는 신호를 가지고서 상기 사용자 단말기 및 기지국의 초기 위치값을 계산하는 과정과, 상기 초기 시점 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기가 위치한 이동체의 속도값을 가지고 상기 사용자 단말기의 이동 거리를 계산하고, 상기 이후의 시점에서 관성 기준점에 따른 상기 사용자 단말기의 자세각을 가지고 상기 이동 거리에 따른 위치 변동값을 계산한 후 상기 초기 위치값에 가산한 값을 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기의 위치값으로 검출하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전세계 위치 시스템/관성센서를 이용하는 사용자 단말기 측위 장치 내부 구조를 도시한 블록도
도 2는 도 1의 속도 센서의 내부 구조를 개략적으로 도시한 도면
도 3a-도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 단말기 위치값을 추정하는 방법을 개략적으로 도시한 도면
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여
상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전세계 위치 시스템/관성센서를 이용하는 사용자 단말기 측위 장치 내부 구조를 도시한 블록도이다.
상기 도 1을 설명하기에 앞서, 상기 사용자 단말기(UE: User Equipment)의 위치를 정확하게 측정하기 위해서는, 상기 사용자 단말기의 초기 위치와, 상기 사용자 단말기가 서비스 받고 있는 기지국(Node B)과 상기 사용자 단말기간의 거리와, 상기 사용자 단말기의 자세각과, 상기 사용자 단말기의 진행 방향 속도가 필요로 하게 된다. 상기 사용자 단말기 초기 위치는 기지국으로부터 수신한 미분 전세계 위치 시스템(DGPS: Differential Global Positioning System) 정보를 수신함으로써 측정 가능하며, 상기 미분 전세계 위치 시스템 정보로부터 구해지는 상기 사용자 단말기 위치는 위치 오차가 최대범위 내에 있어서 비교적 정확한 값을 가진다.
여기서, 상기 미분 전세계 위치 시스템은 전세계 위치 시스템(GPS: Global Positioning System)에서 제공하는 위치보다 더욱 정확하게 사용자 단말기 위치를 측정하는 측위 시스템으로서, 기지국 의사거리 보정 정보를 이용하여 사용자 단말기의 의사거리(Pseudorange)를 보정하여 시계 오차 및 대기 오차 등을 고려하여 사용자 단말기의 위치를 측정한다. 상기 미분 전세계 위치 시스템은 먼저 사용자 단말기로부터 사용자 단말기 자신이 측정한 의사거리를 수신하고, 상기 사용자 단말기로부터 수신한 의사거리와 상기 미분 전세계 위치 시스템이 연결되어 있는 기지국의 의사거리 보정값을 가지고서 상기 사용자 단말기의 보정 의사거리를 검출한다. 그래서 상기 기지국은 상기 사용자 단말기의 보정 의사거리와 전세계 위치 시스템 위성 거리를 가지고서 상기 사용자 단말기 위치를 정확하게 검출하게 된다. 그래서 상기 기지국이 상기 사용자 단말기에 대한 미분 전세계 위치 시스템 정보를 상기 사용자 단말기로 전송하고, 상기 사용자 단말기는 이를 수신하여 자신의 초기 위치를 파악하게 된다.
한편, 상기 기지국과 단말기간 거리는 왕복 지연 시간(RTT: Round Trip Time)을 가지고 검출하며, 상기 사용자 단말기의 진행 방향 속도는 상기 사용자 단말기의 속도를 직접 검출하는 속도계가 별도로 구비되어 있지 않기 때문에 상기 최초 수신한 기지국과 사용자 단말기간 왕복 지연 시간과, 설정시간, 일 예로 1초(sec)후에 수신한 상기 기지국과 사용자 단말기간 왕복 지연 시간을 가지고서, 각각 최초 기지국과 사용자 단말기간 거리와, 상기 1초후 기지국과 사용자 단말기간 거리를 검출하여 상기 두 시점에서의 기지국과 사용자 단말기간 거리의 차를 가지고서 상기 사용자 단말기에 대한 위치를 검출할 수 있다. 물론 이 경우는 상기 최초에는 전세계 위치 시스템 위성 신호를 수신하다가 상기 설정 시간, 즉 1초 후에는 상기 전세계 위치 시스템 위성 신호를 수신하지 못하는 경우를 가정할 경우이다.
상기 도 1을 참조하면, 먼저 자이로 센서(GYRO SENSOR)(101)는 일종의 관성 센서(DR: Dead-Reckoning)이다. 여기서, 상기 관성 센서는 스핀(spin)축에 직교하는 1개 이상의 축 주위의 관성 공간을 기준으로 한 경우, 각(amplitude)운동량을 사용하여 각운동을 감지하는 센서로서, 관성 기준점에 따라서 항체, 일 예로 상기 사용자 단말기와 같은 항체가 상기 관성 기준점에서 돌아가는 자세각을 센싱한다. 상기 자이로 센서(101)는 상기 사용자 단말기의 적소에 부착되어 관성 기준점, (본 발명의 실시예에서는 북쪽(North)을 관성 기준점으로 설정한다)을 기준으로 하여 상기 사용자 단말기가 돌아가는 자세각(Θ)을 센싱한다. 그리고, 상기 자이로 센서(101)는 내진 특성이 좋고, 비교적 높은 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio) 특성을 가지도록 한다.
상기 자이로 센서(101)는 상기 관성 기준점을 기준으로 하여 상기 사용자 단말기의 자세각(Θ)을 센싱한 후, 상기 센싱한 사용자 단말기의 자세각(Θ)을 아날로그/디지털 변환기(ADC: Analog to Digital Convertor)(102)로 출력한다. 상기 아날로그/디지털 변환기(102)는 상기 자이로 센서(101)에서 센싱한 자세각(Θ)을 입력하여 디지털 변환한 후 수신기 인터페이스부(Receiver Interface Unit)(104)로 출력한다. 상기 아날로그/디지털 변환기(102)는 상기 자이로 센서(101)의 특성과 적합하도록, 즉 상기 자이로 센서(101)의 최대 분해 능력 범위 내에 존재하는 비트(BIT) 수를 가지는 아날로그/디지털 변환기로 구현되어야만 한다. 그리고, 상기 아날로그/디지털 변환기(102)에서 출력하는 디지털 변환된 자세각(Θ)을으로 표현하기로 하며, 하기 설명에서는 상기 아날로그/디지털 변환기(102)에서 출력한 디지털 변환된을 자세각()이라 칭하기로 한다.
전세계 위치 시스템 처리기(GPS processor)(103)는 상기 전세계 위치 시스템 위성으로부터 수신되는 신호를 가지고서 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간의 코드 의사거리(ΦPR)와, 상기 전세계 위치 시스템 위성과 사용자 단말기간 반송파 의사 거리율()을 검출하고, 상기 검출한 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간의 코드 의사거리(ΦPR)와, 상기 전세계 위치 시스템 위성과 사용자 단말기간 반송파 의사 거리율()을 상기 수신기 인터페이스부(104)로 출력한다. 여기서, 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간의 코드 의사거리(ΦPR)는 상기 전세계 위치 시스템 위성에서 사용하는 코드(code)의 거리를 이용하여 구할 수 있고, 상기 전세계 위치 시스템 위성과 사용자 단말기간 반송파 의사 거리율()은 상기 전세계 위치 시스템 위성에서 사용하는 반송파(carrier)의 주파수 편이(doppler shift)를 가지고서 구할 수 있다.
속도 센서(108)는 상기 사용자 단말기가 이동체, 일 예로 자동차와 같은 이동체에 존재할 경우 상기 자동차의 속도를 센싱한다. 여기서, 상기 차속도 센서(108)의 구조를 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
상기 도 2는 도 1의 속도 센서의 내부 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 도 2를 참조하면, 먼저, 사용자 단말기가 존재하는 이동체, 즉 자동차의 바퀴의 다수의 적소들에 트리거 포인트들(trigger points)(211)을 위치시킨다. 그리고, 픽업부(pick-up unit)(213)는 상기 자동차 바퀴의 트리거 포인트들(211)을 감지하고, 상기 트리거 포인트들(211)을 감지할 때마다 그 감지신호를 신호 제어기(signal controller)(215)로 출력한다. 여기서, 상기 픽업부(213)는 상기 트리거 포인트들(211)을 자기장 신호로서 감지 가능하다. 상기 신호 제어기(215)는 상기 픽업부(213)에서 출력한 트리거 포인트들(211) 감지 신호를 입력하여 카운터(counter)(217)로 출력한다. 상기 카운터(217)는 상기 신호 제어기(215)에서 출력하는 트리거 포인트들(211) 감지 신호를 입력하여 카운팅하고, 상기 카운팅한 값을 다시 상기 신호 제어기(215)로 출력한다. 그러면 상기 신호 제어기(215)는 상기 카운터(217)에서 카운팅한 값을 범용 직렬 버스(USB: Universal Serial Bus)(219)를 이용하여 상기 도 1에서 설명한 수신기 인터페이스부(104)를 통해 위치추정기(107)로 전달한다. 이때, 상기 자동차 속도는 상기 자동차 바퀴의 길이와 상기 트리거 포인트들(211)의 카운팅 값을 가지고서 구해지는데, 상기 자동차 바퀴의 실제 길이와, 상기 트리거 포인트들(211)이 상기 자동차 바퀴에 몇 개 존재하는지를 알고 있으면 상기 트리거 포인트들(211)이 카운팅된 값을 가지고 상기 자동차 속도 값이 구해지게 되는 것이다.
상기 수신기 인터페이스부(104)는 상기 아날로그/디지털 변환기(102)에서 출력한 자세각()과, 상기 전세계 위치 시스템 처리기(103)에서 출력한 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간의 코드 의사거리(ΦPR) 및 상기 전세계 위치 시스템 위성과 사용자 단말기간 반송파 의사 거리율()과, 상기 속도센서(108)에서 출력하는 속도 값을 입력하여 위치 검출기(IMT-2000 DS processor)(105)로 인터페이싱(interfacing)한다.
상기 위치 검출기(105)는 모뎀(MODEM)(106)과, 위치추정기(107)로 구성된다. 상기 모뎀(106)은 상기 기지국으로부터 시간 함수인, 상기 기지국과 사용자 단말기간의 왕복 지연 시간(RTTb,m) 정보를 수신하고, 상기 수신한 왕복 지연 시간(RTTb,m) 정보를 상기 위치 추정기(107)로 출력한다. 상기 위치 추정기(107)는 상기 모뎀(106)에서 출력한 왕복 지연 시간(RTTb,m) 정보와, 상기 수신기 인터페이스부(104)에서 출력한 자세각()과, 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간의 코드 의사거리(ΦPR)와, 상기 전세계 위치 시스템 위성과 사용자 단말기간 반송파 의사 거리율() 및 속도값을 가지고서 상기 사용자 단말기에 대한 위치값을 추정한다.
그러면 여기서 상기 위치 추정기(107)가 상기 사용자 단말기에 대한 위치값을 계산하는 방법은 크게 왕복 지연 시간과 속도를 이용하는 두 가지 방법으로 구분되며, 먼저 상기 왕복 지연 시간을 이용하는 방법을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 위치 추정기(107)는 (1) 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간의 코드 의사거리(ΦPR)와, 상기 전세계 위치 시스템 위성과 사용자 단말기간 반송파 의사 거리율()을 가지고서 초기 시점의 상기 사용자 단말기의 위치값, 즉 초기 위치값을 계산한다. 그리고, 상기 사용자 단말기에 대해 서비스를 하고 있는 기지국(Node B)의 정확한 위치값은 상기 사용자 단말기가 상기 기지국으로부터 특정 위치 정보 형태로 수신하게 된다. (2) 그리고, 상기 초기 시점에서 상기 모뎀(106)을 통해 입력되는 왕복 지연 시간 정보(이하 "제1왕복 지연 시간 정보"라 칭하기로 한다)를 가지고서 상기 사용자 단말기와 기지국(Node B)간의 거리(이하 "제1거리"라 칭하기로 한다)를 구한다. (3) 그리고 상기 초기 시점 이후의 시점, 일 예로 상기 초기 시점에서 1초가 지난 시점에서 다시 상기 모뎀(106)을 통해 입력되는 왕복 지연 시간 정보(이하 "제2 왕복 지연 시간 정보"라 칭하기로 한다)를 가지고서 상기 사용자 단말기와 기지국간의 거리(이하 "제2거리"라 칭하기로 한다)를 구한다. (4) 그리고 상기 이후의 시점에서 상기 자이로 센서(101)에서 센싱한 상기 사용자 단말기의 자세각()과, 상기 제1거리 및 제2 거리를 이용하여 상기 사용자 단말기가 상기 초기 시점에서 이후의 시점까지의 시구간에서 실제 이동한 이동 거리를 구한다. (5) 상기 이동거리와 상기 자세각()을 가지고서 실제 위치 변동값을 구한 후, 상기 위치 변동값과 상기 초기 위치값을 가산하여 상기 이후의 시점에서의 사용자 단말기 위치값으로 검출한다.
다음으로 속도를 이용하여 사용자 단말기의 위치값을 검출하는 방법을 설명하기로 한다.
상기 위치 추정기(107)는 (1) 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간의 코드 의사거리(ΦPR)와, 상기 전세계 위치 시스템 위성과 사용자 단말기간 반송파 의사 거리율()을 가지고서 초기 시점의 상기 사용자 단말기의 위치값, 즉 초기 위치값을 계산한다. 그리고, 상기 사용자 단말기에 대해 서비스를 하고 잇는 기지국(Node B)의 정확한 위치값은 상기 사용자 단말기가 상기 기지국으로부터 특정 위치 정보 형태로 수신하게 된다. (2) 그리고, 상기 초기 시점 이후의 시점에서 상기 속도 센서(108)에서 센싱한 속도값을 가지고서 상기 사용자 단말기가 상기 초기 시점에서 이후의 시점까지의 시구간에서 실제 이동한 이동 거리를 구한다. (3) 상기 이동거리와 상기 자세각()을 가지고서 실제 위치 변동값을 구한 후, 상기 위치 변동값과 상기 초기 위치값을 가산하여 상기 이후의 시점에서의 사용자 단말기 위치값으로 검출한다.
그리고, 상기 위치 추정기(107)는 칼만 필터(Kalman filter)로 구현되거나, 혹은 least square 방식을 사용하여 상기 사용자 단말기에 대한 위치값을 추정한다. 여기서, 상기 칼만 필터는 일반적으로 시스템의 상태 변수에 잡음이 섞여 있는경우, 측정값을 기초로 하여 평균 제곱 오차가 최소가 되도록 상태 변수의 최적 선형 추정값을 제공하는 필터이다.
그러면 다음으로 도 3a 및 도 3b를 참조하여 상기 위치 추정기(107)가 상기 사용자 단말기에 대한 위치값을 추정하는 방법을 설명하기로 한다.
상기 도 3a-도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 단말기 위치값을 추정하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
먼저, 상기 도 3a를 설명하기로 하며, 상기 도 3a는 시간이 지나감에 따라 초기보다 사용자 단말기가 기지국에서 멀어지는 경우를 나타낸다.
상기 도 3a에서 기지국과 사용자 단말기의 정확한 초기 위치를 각각 BTS= (xB, yB, zB)와, X0= (x0, y0, z0)로 나타내며, (x, y, z)의 3차원 평면에서 0점은 상기 사용자 단말기의 정확한 초기 위치를 나타낸다. 그리고, 상기에서 설명한 바와 같이 상기 사용자 단말기의 초기 위치값은 전세계 위치 시스템 위성 신호를 이용하여 이미 정확하게 알고 있다는 점을 가정한다. 그러면 상기 위치 추정기(107)는 상기 자세각()을 가지고서 상기 사용자 단말기가 현재 존재하고 있는 위치 X1과 연관된 각들, 즉 α와, β와, γ를 검출하게 된다. 여기서, 상기 자세각()을 가지고서 상기 α와, β와, γ를 검출할 수 있는 이유는, 상기 자세각()이 상기 사용자 단말기가 북쪽(N)을 기준으로 하여 돌아간 각을 나타내는 것이기 때문이다. 또한 상기 위치 추정기(107)는 상기 초기의 정확한 기지국 위치값 BTS= (xB, yB, zB)와 사용자 단말기의 위치값 X0= (x0, y0, z0)을 알고 있으므로 상기 기지국과 사용자 단말기간 거리를 구할 수 있다. 여기서, 상기 초기 시점의 기지국과 사용자 단말기간 거리는 하기 수학식 1과 같이 표현된다.
단, 상기 수학식 1에서 D는 상기 초기 시점에 기지국과 사용자 단말기간 거리를 나타내며, λ는 주파수의 파장길이이며, RTTb,m0는 상기 초기 시점에 상기 기지국과 사용자 단말기간 왕복 지연 시간을 나타낸다.
그리고, 상기 RTTb,m0과 현재 시점에서 모뎀(106)으로부터 수신되는 왕복 지연 시간 RTTb,m1과, 상기 (α, β, γ)를 가지고서 상기 초기 시점과, 상기 초기 시점 이후의 시점간 상기 사용자 단말기가 이동한 거리를 구할 수 있다. 여기서, 상기 초기 시점과 이후의 시점간 상기 사용자 단말기가 이동한 거리를 d라고 표현하기로 한다. 또한, 지금부터는 상기 사용자 단말기 위치값을 검출할 때는 상기에서 설명한 바와 같이 (x, y, z)의 3차원 형태의 위치값을 고려하지 않고, (x,y)의 2차원 형태의 위치값을 고려하기로 한다. 즉, 초기 위치값을 X0= (x0, y0, z0)로, 이후의 시점에서의 위치값을 X1= (x1, y1, z1)의 3차원 형태를 고려한 위치값이 아닌 초기 위치값을 X0= (x0, y0)로, 이후의 시점에서의 위치값을 X1= (x1, y1)의 2차원 형태를 고려한 위치값으로 고려하게 되는 것이다.
그러면, 여기서 상기 이후의 시점에서의 사용자 단말기 위치 X1는 하기 수학식 2와 같이 표현된다.
상기 수학식 2에서 상기는 상기 사용자 단말기의 초기 위치값이며, 상기=(x0, y0)이고, 상기는 상기 초기 시점의 초기 위치에서 상기 이후의 시점의 위치까지의 거리성분이며, 동쪽 방향 거리와 북쪽 방향 거리를 구하여 계산되는 값으로서, 하기 수학식 3과 같이 표현된다.
상기 수학식 3에서, d는 상기에서 설명한 바와 같이 상기 초기시점에서 이후의 시점까지 사용자 단말기가 이동한 거리이며, dE는 상기 초기 위치값에서 동쪽 성분으로 변동된 위치 변동값이며, dN은 상기 초기 위치값에서 북쪽 성분으로 변동된 위치 변동값이다. 그래서 상기 초기 위치값에 상기 동쪽 성분 위치 변동값 dE과 북쪽 성분 위치 변동값 dN을 가산하면 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기의 실제 위치값이 되는 것이다.
상기 도 3a에서는 시간이 지나감에 따라 초기 시점보다 이후의 시점에서 사용자 단말기가 기지국에서 더 멀어진 경우를 설명하였으며, 상기 도 3b는 시간이지나감에 따라 초기 시점보다 사용자 단말기가 기지국에 더 근접한 경우를 나타내고 있다. 상기 도 3b와 같이 시간이 지나감에 따라 초기 시점보다 사용자 단말기가 기지국에 근접할 경우 역시 상기 도 3a에서 설명한 바와 같은 방식으로 현재 사용자 단말기가 위치하고 있는 위치값을 구하는 것이 가능하다.
그러면 여기서 상기 도 3a 및 도 3b에서 설명한 방식에 따른 위치값을 구하기 위한 각각의 파라미터들을 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
첫 번째로, 상기 도 3a에 있어서,
이다. 이런 식으로 각각의 파라미터들을 구해서 상기 도 3a에서 이동한 거리 d를 구할 수 있는 것이다.
두 번째로, 상기 도 3b에 있어서,
이다. 이런 식으로 각각의 파라미터들을 구해서 상기 도 3b에서 이동한 거리 d를 구할 수 있는 것이다.
다음으로, 상기 사용자 단말기가 이동체. 즉 자동차에 존재하고 있을 경우 상기 자동차의 속도값을 이용하여 상기 사용자 단말기의 위치값을 검출하는 방법을 상기 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 위치 추정기(107)는 수신기 인터페이스부(104)에서 제공되는 속도값과, 초기 시점에서의 사용자 단말기의 초기 위치값, 즉 X0= (x0, y0)을 가지고서 상기 이후의 시점에서의 상기 사용자 단말기 위치값, 즉 X1= (x1, y1)을 구하게 된다. 여기서, 상기 속도값을 "V"로 표현하기로 한다. 상기 속도값 V는 일정 시간동안의 거리의 비이기 때문에, 상기 속도값 V를 상기 일정 시간동안 적분함으로써 상기 일정 시간동안 이동한 거리를 알 수 있다. 만약, 상기 초기 시점에서 상기 이후의 시점까지 상기 사용자 단말기가 존재하는 자동차가 속도값 V으로 이동하였을 경우, 상기 초기 시점에서 이후의 시점까지 상기 사용자 단말기가 이동한 거리를 알 수 있다. 상기 속도값 V를 가지고서 상기 이후의 시점의 사용자 단말기 위치값 X1은 하기 수학식 4와 같이 구해진다.
상기 수학식 4에서, 상기 t0에서 t까지의 시간이 상기 초기 시점에서 이후의 시점까지의 시간을 의미하며, 상기가 결국 상기 초기 시점에서 이후의 시점까지의 이동 거리가 되는 것이며, 이 이동 거리를 "v"라 칭하기로 한다. 그러면 상기 이동 거리 v에 따른 상기 초기 위치값에서 실제 위치 변동값을 알게 된다.
상기 위치 변동값은 하기 수학식 5와 같이 표현 가능하다.
상기 수학식 5에서, VE는 상기 초기 위치값에서 동쪽 성분으로 변동된 위치 변동값이며, VN은 상기 초기 위치값에서 북쪽 성분으로 변동된 위치 변동값이다. 그래서 상기 초기 위치값에 상기 동쪽 성분 위치 변동값 VE과 북쪽 성분 위치 변동값 VN을 가산하면 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기의 실제 위치값이 되는 것이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 이동 통신 시스템의 전세계 위치 시스템 위성 신호 미수신 지역에서 사용자 단말기의 자세각 및 상기 사용자 단말기가 위치한 이동체의 속도값을 가지고 정확한 위치를 지속적으로 파악할 수 있다는 이점을 가진다. 그래서, 상기 전세계 위치 시스템 위성 신호가 미수신 될 경우에도 사용자 단말기가 정확한 위치값을 구할 수 있기 때문에 위치 정보와 관련된 서비스가 요청될 경우 그에 대한 즉각적인 응답이 가능하다는 이점을 가진다.
한편, 이렇게 전세계 위치 시스템 미수신 지역에서도 연속적으로 정확한 사용자 단말기 위치를 검출하는 것이 가능하기 때문에 사용자 단말기 위치 정보를 근거로 하는 서비스, 일 예로 홈 존 서비스(home-zone service)와 같은 서비스의 과금 체계에 신뢰성을 가져다 준다는 이점을 가진다.

Claims (10)

  1. 전세계 위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기 측위 장치에 있어서,
    관성 기준점에 따른 상기 사용자 단말기의 자세각을 센싱하는 관성 센서와,
    상기 전세계 위치 시스템 위성 신호를 수신하여, 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간 코드 의사거리와, 반송파 의사거리율을 계산하는 전세계 위치 시스템 처리기와,
    초기 시점에서 상기 코드 의사거리와 반송파 의사거리율을 가지고 상기 사용자 단말기 및 상기 사용자 단말기에 서비스를 제공하고 있는 기지국의 초기 위치값들을 계산하고, 상기 초기 시점에서 상기 기지국으로부터 수신되는 제1왕복 지연 시간 정보를 가지고 상기 사용자 단말기와 기지국간 제1거리를 계산하고, 상기 초기 시점 이후의 시점에서 상기 기지국으로부터 수신되는 제2왕복 지연 시간 정보를 가지고 상기 사용자 단말기와 기지국간 제2거리를 계산하고, 상기 제1거리와 제2거리 및 상기 이후의 시점의 자세각을 가지고 상기 사용자 단말기의 이동 거리를 계산하며, 상기 자세각을 이용하여 상기 이동 거리에 따른 위치 변동값을 계산하여 상기 초기 위치값과 가산한 값을 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기의 위치값으로 검출하는 위치 검출기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위치 검출기는;
    상기 기지국으로부터 왕복 지연시간에 대한 정보를 수신하는 모뎀과,
    상기 초기 시점에서 상기 코드 의사거리와 반송파 의사거리율을 가지고 상기 사용자 단말기 및 기지국의 초기 위치값들을 계산하고, 상기 초기 시점에서 상기 제1왕복 지연 시간 정보를 가지고 상기 사용자 단말기와 기지국간 제1거리를 계산하고, 상기 이후의 시점에서 상기 제2왕복 지연 시간 정보를 가지고 상기 사용자 단말기와 기지국간 제2거리를 계산하고, 상기 제1거리와 제2거리 및 상기 이후의 시점의 자세각을 가지고 상기 사용자 단말기의 이동 거리를 계산하며, 상기 자세각을 이용하여 상기 이동 거리에 따른 위치 변동값을 계산하여 상기 초기 위치값과 가산한 값을 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기의 위치값으로 추정하는 위치 추정기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 관성 센서는 자이로 센서임을 특징으로 하는 상기 장치.
  4. 전세계 위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기 측위 장치에 있어서,
    관성 기준점에 따른 상기 사용자 단말기의 자세각을 센싱하는 관성 센서와,
    상기 전세계 위치 시스템 위성 신호를 수신하여, 상기 전세계 위치 시스템위성과 상기 사용자 단말기간 코드 의사거리와, 반송파 의사거리율을 계산하는 전세계 위치 시스템 처리기와,
    상기 사용자 단말기가 위치한 이동체의 속도값을 센싱하는 속도 센서와,
    상기 초기 시점에서 상기 코드 의사거리와 반송파 의사거리율을 가지고 상기 사용자 단말기 및 상기 사용자 단말기에 서비스를 제공하고 있는 기지국의 초기 위치값들을 계산하고, 상기 초기 시점 이후의 시점에서 상기 속도값을 가지고 상기 사용자 단말기의 이동 거리를 계산하고, 상기 이후의 시점의 자세각을 가지고 상기 이동 거리에 따른 위치 변동값을 계산하여 상기 초기 위치값과 가산한 값을 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기 위치값으로 검출하는 위치 검출기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 관성 센서는 자이로 센서임을 특징으로 하는 상기 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 위치 검출기는 상기 이후의 시점의 속도값을 상기 초기 시점에서 상기 이후의 시점까지의 시구간으로 적분한 값으로 상기 이동 거리를 계산함을 특징으로 하는 상기 장치.
  7. 전세계 위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기 측위 방법에 있어서,
    초기 시점에서 상기 전세계 위치 시스템 위성으로부터 수신되는 신호를 가지고서 상기 사용자 단말기 및 상기 사용자 단말기에 서비스를 제공하고 있는 기지국의 초기 위치값들을 계산하는 과정과,
    상기 초기 시점에서 상기 기지국으로부터 수신되는 제1왕복 지연 시간 정보를 가지고서 상기 사용자 단말기와 기지국간 제1거리를 계산하는 과정과,
    상기 초기 시점 이후의 시점에서 상기 기지국으로부터 수신되는 제2왕복 지연 시간 정보를 가지고서 상기 사용자 단말기와 기지국간 제2거리를 계산하는 과정과,
    상기 이후의 시점에서 상기 제1거리와, 상기 제2거리 및 관성 기준점에 따른 상기 사용자 단말기의 자세각을 가지고 상기 사용자 단말기의 이동 거리를 계산하며, 상기 자세각을 이용하여 상기 이동거리에 따른 위치 변동값을 계산하여 상기 초기 위치값에 가산한 값을 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기의 위치값으로 검출하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 초기 시점에서 상기 전세계 위치 시스템 위성으로부터 수신되는 신호를가지고서 상기 사용자 단말기 및 기지국의 초기 위치값들을 계산하는 과정은;
    상기 초기 시점에서 상기 전세계 위치 시스템 위성으로부터 수신되는 신호를 가지고 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간 코드 의사거리와, 반송파 의사거리율을 계산하는 과정과,
    상기 코드 의사거리와 반송파 의사거리율을 가지고 초기시점에서 상기 사용자 단말기 및 기지국의 초기 위치값들을 계산하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
  9. 전세계 위치 시스템/관성 센서를 이용한 사용자 단말기 측위 방법에 있어서,
    초기 시점에서 상기 전세계 위치 시스템 위성으로부터 수신되는 신호를 가지고서 상기 사용자 단말기 및 기지국의 초기 위치값을 계산하는 과정과,
    상기 초기 시점 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기가 위치한 이동체의 속도값을 가지고 상기 사용자 단말기의 이동 거리를 계산하고, 상기 이후의 시점에서 관성 기준점에 따른 상기 사용자 단말기의 자세각을 가지고 상기 이동 거리에 따른 위치 변동값을 계산한 후 상기 초기 위치값에 가산한 값을 상기 이후의 시점에서 상기 사용자 단말기의 위치값으로 검출하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초기 시점에서 상기 전세계 위치 시스템 위성으로부터 수신되는 신호를 가지고서 상기 사용자 단말기 및 기지국의 초기 위치값을 계산하는 과정은;
    상기 초기 시점에서 상기 전세계 위치 시스템 위성으로부터 수신되는 신호를 가지고 상기 전세계 위치 시스템 위성과 상기 사용자 단말기간 코드 의사거리와, 반송파 의사거리율을 계산하는 과정과,
    상기 코드 의사거리와 반송파 의사거리율을 가지고 초기시점에서 상기 사용자 단말기 및 기지국의 초기 위치값들을 계산하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
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