KR20170127912A - 서버기반 gnss 위치결정 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

반송파 위상기반 측위 모듈을 사용하고자 할 경우 측위해를 계산하기 위한 연산모듈이 필요한데 코드기반 측위모듈에 비해 고성능의 모듈이 필요하게 된다. 그 결과 소형화된 반송파 위상기반 측위모듈을 구현하기 어렵게 될 뿐만 아니라 이러한 측위시스템을 전원공급이 제한된 장소에서 사용할 경우 코드기반 수신모듈에 비해 더 큰 용량의 예비전력용 배터리와 충전모듈이 필요하게 되어 전체적인 시스템의 비용 및 부피가 증가 하게 된다.
반송파 위상기반 측위시스템에서 PC나 서버, 또는 스마트폰과 같은 고성능 컴퓨팅 자원을 사용하는 경우 본 발명은 이러한 컴퓨팅 자원의 잉여자원을 활용함으로써 하드웨어 자원을 추가하지 않고 위상기반 측위시스템을 구현하는 것을 목표로 하는 것으로 GNSS 위성신호 수신부와 측위해 연산부를 물리적으로 분리함으로써 이를 달성할 수 있는 상세한 방법이 제시된다.
이를 통해 위상기반 측위모듈의 비용을 낮추고 모듈의 크기를 소형화 할 수 있을 뿐만 아니라 전원공급장치와 같은 부가적인 장치의 용량과 크기도 줄일 수 있게 된다.

Description

서버기반 GNSS 위치결정 시스템 및 방법{Server-Based GNSS Positioning System and Methods}

본 발명은 GNSS 위치결정 시스템 및 방법에 관한 것으로 GNSS 위성신호 수신과 측위해 연산을 독립된 장치 또는 시스템에서 수행하는 방법에 관한 것이다.

GNSS 측위 시스템은 다른 측위 시스템과 비교할 때 몇가지 구분될만한 장점을 가지고 있다. 대기시간이 짧고 측정속도가 빠르며 날씨에 구애 받지도 않는다. 시야각을 확보할 필요도 없으며 유지비용이 낮으며 매우 정확한 타이밍 기능도 제공한다. 이러한 이점으로 인해 거대 구조물이나 높은 건물, 교량, 지진 및 대륙 이동과 같은 변위를 모니터링하거나 정밀측량을 수행하는 데 있어 독보적인 특성을 지니고 있다.

수 미터 정도의 위치정확도가 요구되는 차량 네이게이션과 같은 분야에서는 코드기반 수신기가 사용되며 cm 수준 또는 그 이상이 필요한 측량과 같은 분야는 반송파 위상기반 수신기가 사용되며 이들 중간쯤의 영역에서 사용되는 dgps 수신기가 있다. 최근 자율주행이나 드론과 같은 새로운 산업분야가 발달하면서 cm 수준의 위치정확도를 제공하는 반송파 위상기반 측위 시스템에 대한 요구가 확대되고 있다.

반송파 위상기반 측위 시스템을 구현하기 위해서는 모호정수라 불리는 미지수를 해석해야 하는데 이 과정은 연산이 많이 필요한 수학적 과정이다. 따라서 이를 위해서는 코드기반 측위 시스템보다 더 강력한 연산을 수행할 수 있는 프로세서를 구비하여야 한다. 이러한 이유로 위상기반 측위를 수행하는 수신기는 코드기반 수신기에 비해 구성이 복잡해서 수신기를 일정크기 이하로 제작하기가 어려운 단점이 있으며 코드수신기에 비해 고성능의 연산모듈을 구비해야 하므로 수신기의 제작비용도 상승하게 된다. 또한 시설물이나 구조물 또는 지반과 같은 대상의 변위 모니터링과 같이 상시적인 전원공급이 어려운 열약한 환경에서 위상기반 측위를 수행하고자 할 경우 코드수신기에 비해 늘어난 소비전력 만큼 더 큰 용량의 전원공급장치와 비상용 배터리가 필요하게 되며 그 결과 시스템의 전체적인 비용과 부피가 증가하게 된다.

최근 새로운 산업으로 각광받고 있는 드론이나 IOT와 같은 분야에서 상기와 같은 위상기반 측위를 이용하고자 할 때 GNSS모듈의 크기와 전력소모량은 매우 중요한 선택의 기준이 되므로 GNSS 수신기 모듈을 가능한한 소형화 해야 하지만 상기한 것처럼 일정 성능 이상의 연산모듈을 사용해야 하므로 그 목적을 달성하는 것이 어렵다.

한편, 산업 전분야로 사용이 확대되고 있는 스마트폰이나 태블릿과 같은 기기의 컴퓨팅 능력은 위상기반 측위해를 구하는 데 필요한 충분한 연산력을 가지고 있으며 근거리 무선통신모듈과 이동통신 모듈이 탑재되어 있어 이러한 기기들을 측위시스템에 활용할 경우 비용을 절감할 수 있음은 물론 구축과정이 간단해 질 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, GNSS 수신기의 위성신호 수신부와 위상기반 측위해를 위한 연산부를 물리적으로 분리하여 측위시스템을 구성하는 방법을 제시 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 일실시예에 따른 서버기반 GNSS 위치결정 시스템 및 방법은 위치결정 대상이 되는 지점이나 물체에 장착되어 GNSS 위성신호를 수신하는 이동국, 위치를 알고 있는 지점에 설치되어 보정신호를 생성하고 RTK서버에 이를 전송하는 기준국, 이동국과 기준국으로부터 GNSS 위성신호와 보정신호를 수신하여 위치를 결정하는 RTK서버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 이동국은 GNSS 위성신호를 수신하여 코드기반 의사거리를 계산하고 그 결과 또는 원시데이터를 출력하는 GNSS모듈, RTK서버 또는 다른 이동국 및 기준국과 데이터를 송수신하는 통신모듈, 이동국 시스템 전체를 제어하고 관리하는 제어모듈을 포함한다.

상기 기준국은 GNSS 위성신호를 수신받아 요청이 있을 경우 보정데이타를 생성하여 RTK서버로 전송한다.

상기 RTK서버는 이동국과 기준국으로부터 전송된 GNSS 위성데이터를 이용하여 측위해를 구하고 그 결과를 저장하거나 출력하고 전송하는 기능을 수행한다.

본 발명에 따르면, 이동국으로 사용되는 장치를 소형화할 수 있고 전력소비량을 줄임으로써 공간과 전력소비량이 측위시스템 운영에 주요한 고려대상이 되는 분야에서 보다 용이하게 높은 정확도의 위치결정 시스템을 사용할 수 있다.

도면1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하드웨어 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도면2는 본 발명의 일 실시예에 따라 두 개의 이동국과 한 개의 기준국 및 한 개의 RTK서버로 구성된 시스템의 소프트웨어 기능별 블럭도.
도면3은 본 발명의 일 실시예에 따라 스마트폰을 RTK서버로 사용하고 VRS기준국을 기준국으로 하는 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도면4는 본 발명의 일 실시예에 따라 여섯개의 이동국과 하나의 기준국, 두개의 RTK서버로 구성된 시스템을 개략적으로 도시한 도면.

본 발명은 다양한 형태로 변형되어 여러 가지 실시예를 가질 수 있으므로 본 발명의 요지가 잘 설명될 수 있는 특정한 실시예를 도면에 도시하여 설명하고자 한다. 이것은 특정한 실시예에 본 발명이 한정되는 것이 아니고 단지 설명의 편의를 위한 것으로 이해되어야 한다.

도면1은 본 발명의 요지를 간략하게 도시한 도면으로서 본 발명의 핵심적인 구성이 도시되어 있다. 본 발명에서 이동국(100)은 통상의 방식과는 달리, 위상기반 측위해를 구하지 않고 GNSS모듈(101)이 관측한 위성신호를 통신모듈(102)을 통해 RTK서버(104)로 전송한다. RTK서버(104)는 기준국(105)에 보정데이타를 요청(108)하여 수신(108)받고 이를 이용하여 위치를 결정한다.

상기 이동국(100)의 제어모듈(103)은 임베디드시스템으로써 이동국(100)이 독립적으로 작동할 수 있는 펌웨어 또는 운영체제를 탑재하고 있으며 GNSS모듈(101)과 통신모듈(102)을 장착하여 이동국(100)을 구성한다. 제어모듈(103)은 GNSS모듈(101)로부터 데이터를 수신하거나 그 데이터를 통신모듈(102)을 통해 RTK서버(104)로 전송하는 기능이 구비된 소프트웨어모듈을 포함한다.

상기 소프트웨어모듈 중 GNSS모듈(101)로부터 데이이터를 수신하는 것이 도면2에 도시된 관측부(201,211)이며 통신모듈(102)을 통해 RTK서버(104)로 데이터를 전송하는 것이 통신부(203,213)이다.

상기의 GNSS모듈(101)은 코드기반 위치와 위성신호의 원시데이터를 출력하는 기능이 구비된 모듈을 사용한다. GNSS모듈(101)과 제어모듈(103)은 UART 또는 I2C 또는 SPI와 같은 직렬통신방식 중의 하나를 이용하여 데이터를 송수신한다. 여기서 원시데이터라 함은 안테나를 통해 수신된 신호가 GNSS모듈의 RF 처리부에서 처리된 후 디지털화 된 데이터를 의미한다. 이러한 원시데이터는 GNSS 모듈의 제조사에 따라 표준 포맷으로 출력하거나 제조사 고유의 포맷을 사용하여 출력하기도 한다. 통상의 경우 위성신호라 함은 이 원시데이터를 의미하나 본 발명의 경우 일차적으로 코드기반 위치해를 구해서 출력하고 추가적인 설정을 통해 위성신호를 출력할 수 있는 GNSS 모듈이 사용됨으로써 오는 혼란을 피하기 위해 이처럼 원시데이터라는 용어를 사용하고자 한다.

상기 이동국(100)의 통신모듈(101)은 와이파이(WIFI), 블루투스(Bluetooth), 지그비(ZigBee) 또는 이동통신과 같은 무선통신 방식 중 하나 또는 그 이상을 지원하며 제어모듈(103)과는 UART나 I2C 또는 SPI와 같은 직렬통신방식 중의 하나를 이용하여 연결된다. 상기의 무선통신 방식 중 이동통신을 제외한 방식들은 통상의 경우 산업용 모듈이 제공하는 통신거리가 수십미터 정도이므로 사용환경에 따라 더 강화된 출력의 통신모듈을 사용하거나 안테나의 감도를 높이는 방법을 사용해야 한다.

상기 기준국(105)은 상술한 바와 같이 RTK서버(104)의 요청에 따라 보정신호를 생성하여 RTK서버(104)로 전송한다(108).

상기 RTK서버(104)는 상술한 바와 같이 이동국(100)과 기준국(105)으로부터 전송된 위성데이타를 이용하여 코드 및 반송파 위상기반 측위해를 구한다. RTK서버(104)의 시스템 사양과 개수는 최대로 접속 가능한 이동국(100) 수에 따라 달라지므로 측위시스템을 설계하는 시점에서 미리 결정이 되어야 한다. RTK서버(104)는 리눅스나 윈도우즈 계열, OS X, IOS, 안드로이드와 같은 운영체제(263)에 의해 작동되는 임베디드시스템, PC, 스마트폰, 서버, 워크스테이션과 같은 시스템이 사용될 수 있다.

도면2는 본 발병의 일 실시예에 따라 두 개의 이동국(200,210)과 한 개의 기준국(220) 및 한 개의 RTK서버(230)로 구성된 시스템의 소프트웨어 기능별 블럭도이다. 이동국의 개수와 기준국의 개수 그리고 RTK서버의 개수를 다르게 한 시스템 구성에서도 도면2에 도시된 소프트웨어 모듈의 기능과 작동방식은 동일하다. 따라서 도면2의 이동국(200,210)과 RTK서버(230)에 탑재된 소프트웨어의 기능을 살펴봄으로써 본 발명의 소프트웨어 작동 방식을 전체적으로 이해할 수 있다.

상기 관측부(201,211)와 통신부(203,213)는 임베디드운영체제(202,212, 또는 펌웨어, 이하 임베디드운영체제)와는 별개의 소프트웨어모듈로써 관측부(201,211)는 상기 도면1의 GNSS모듈(101)로부터 코드기반 위치 또는 위성신호의 원시데이타를 출력받아 통신부(203,213)에 포함된 TCP SOCKET(204,214,241,251)을 통해 RTK서버프로세스(240,250)에 포함된 RTK서버프로세스(242,252)로 전송한다.

상기 RTK서버프로세스(240,250)는 독립된 소프트웨어 모듈인데 RTK서버프로세서컨트롤러(250)에 의해 실행되고 관리된다. 이동국(200,210)의 개수만큼 실행되며, 하나의 이동국 데이터에 대해 서로 다른 모호정수 해석 알고리즘을 적용하여 동시에 실행할 수 있으며 이 경우 하나의 이동국에 대해 둘 이상의 RTK서버프로세스(240,250)를 실행하게 된다. 따라서 RTK서버프로세스(240,250) 하나가 하나의 측위 결과를 생성하는 독립 프로세스가 된다. RTK프로세스(242,252)는 RTK서버프로세스(240,250) 모듈에 포함된 루틴으로써 TCP SOCKET(241,251)을 통해 수신된 위성의 원시데이터와 기준국(220)의 보정데이타를 이용해 측위해를 구한다.

상기 RTK서버프로세스컨트롤러(260)는 RTK서버프로세스(240,250)를 실행하고 관리하는 소프트웨어모듈로써 이동국(200,210)의 요청이나 제어부(264)부의 제어명령에 따라 작업을 수행한다. 과다하게 RTK서버(230) 자원을 사용하지 않도록 RTK서버프로세스(240,250)를 실행하기 전에 서버시스템의 CPU와 메모리 사용율을 확인하고 사전 설정된 값 이하일 경우에만 RTK서버프로세스를 실행한다.

상기 제어부(264)는 이동국(200,210)의 임베디드운영체제(202,212)를 업데이트하거나 RTK서버프로세스(240,250)의 측위결과나 제어명령을 요청이 있을 경우 이동국(200,210)이나 다른 장치로 TCP SOCKET을 통해 전송하며, RTK서버프로세스컨트롤러(250)를 제어하는 것과 같은 작업을 수행하는 소프트웨어 모듈이다.

RTK서버프로세스(240,250)의 측위결과는 사전 설정에 따라 DB(262)에 그 결과를 저장할 수 있다.

도면3은 본 발명의 일 실시예에 따라 스마트폰을 RTK서버로 사용하고 VRS기준국을 기준국으로 하는 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 실시예에서 이동국(30)은 무선통신(34)을 통해 스마트폰(31)으로 위성신호 원시데이터를 전송한다. 이동국(30)과 스마트폰(31)의 거리가 수십미터 이하일 경우 WIFI나 블루투스 또는 지그비 통신을 이용할 수 있으나 그 이상의 통신거리에 대해서는 통상의 경우 다른 방식을 선택해야 한다. 통신가능 거리는 구성된 시스템과 환경에 따라 매우 다르므로 본 발명의 실시상황에 따라 적절한 방식을 선택해야 한다.

상기 스마트폰(31)에서는 원시데이터를 이용해 코드기반 의사거리를 결정하고 그 결과를 VRS기준국(33)으로 전송한다. VRS기준국은 전송받은 데이터에 기반하여 가상의 기준국 위치를 결정한 다음 그 가상의 위치를 기준으로 보정데이터를 생성하여 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰에서는 전송받은 보정데이타를 이용하여 위상기반 측위해를 계산한다. VRS기준국을 대신하여 본 발명의 이동국으로 사용되는 시스템을 기준국으로 설정하여 사용할 수도 있다. 상기 VRS기준국(33)에서 생성된 보정데이타는 통상의 경우 인터넷망(32)을 통해 전송되지만 반드시 그러한 것은 아니다.

도면4는 본 발명의 일 실시예에 따른 여섯개의 이동국(401,402,403,404,405,406)과 하나의 기준국(400) 및 두 개의 RTK서버(410,420)로 구성된 서버기반 GNSS 위치결정 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도면에 도시된 것처럼 RTK서버(410)에 연결된 이동국의 개수가 RTK서버의 적절한 자원사용 허용치를 초과할 경우 새로운 RTK서버(420)에 이동국을 연결한다.

상기와 같은 시스템의 구성은 대규모 지역의 시설물이나 구조물 또는 지반의 변위를 종합적으로 모니터링하고 관리하고자 할 때 사용될 수 있다. 이러한 경우 전체 시스템에 사용된 하드웨어적인 자원을 효율적으로 분배하여 운영할 수 있는 장점이 있으며 또한 시스템 설치 비용을 절감할 수 있게 된다.

100 : 이동국 101 : GNSS모듈
102 : 통신모듈 103 : 제어모듈
104 : RTK서버 105 : 기준국
106,107,108 : 무선통신

Claims (6)

1. GNSS 위성신호를 수신하고 이 신호의 원시데이터를 전송하는 하나 이상의 이동국과, 보정신호를 생성하여 전송하는 하나 이상의 기준국과, 상기 이동국과 기준국으로부터 전송된 데이터를 이용하여 반송파 위상기반 측위해를 구하는 하나 이상의 RTK서버를 포함하는 서버기반 GNSS 위치결정 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 이동국은,
   GNSS 위성신호를 수신하는 GNSS모듈과, 상기 RTK서버 또는 다른 이동국 및 기준국과의 통신을 위한 통신모듈과, 상기 GNSS모듈과 통신모듈을 제어하기 위한 제어모듈을 포함하는 서버기반 GNSS 위치결정 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 RTK서버는,
   유선통신모듈 또는 무선통신모듈과, 코어 개수가 2 이상인 CPU를 포함하고, 리눅스(Linux), 윈도우즈(Windows), 아이오에스(IOS), 오에스엑스(OS X), 안드로이드(Android) 중의 하나를 운영체제로 사용하는 서버기반 GNSS 위치결정 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 RTK서버는,
   측위해를 계산하는 RTK서버프로세스 모듈과, 상기 RTK서버프로세스 모듈의 실행과 중지를 제어하는 RTK서버프로세스컨트롤러 모듈과, 이동국의 펌웨어를 업데이트하거나 이동국의 상태를 확인하여 그 결과를 DB에 기록하고, RTK서버에서 계산된 측위해를 TCP SOCKET을 통해 전송하거나 DB에 기록하며, 이동국과 RTK서버의 상태를 모니터링하여 오류시 재시작 메시지를 전송하는 제어부를 포함하는 서버기반 GNSS 위치결정 시스템.
5. 제2항에 있어서, 상기 GNSS모듈은,
   단일주파수 위성신호를 수신하고, 코드기반 위치해를 계산하며, 계산된 위치해 또는 위성신호 원시데이터를 제조사 고유의 포맷으로 변환하여, UART나 SPI 또는 I2C와 같은 직렬통신을 통해 출력하는 것을 특징으로 하는 서버기반 GNSS 위치결정 시스템.
6. 제4항에 있어서, 상기 RTK서버프로세스컨트롤러는,
   하나의 이동국으로부터 전송된 데이터를 이용해 서로 다른 모호정수 해석 알고리즘을 적용한 RTK서버프로세스를 동시에 실행할 수 있는 기능이 구비된 서버기반 GNSS 위치결정 시스템.

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