KR20220082814A - 위치 결정 - Google Patents

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KR20220082814A
KR20220082814A KR1020227010427A KR20227010427A KR20220082814A KR 20220082814 A KR20220082814 A KR 20220082814A KR 1020227010427 A KR1020227010427 A KR 1020227010427A KR 20227010427 A KR20227010427 A KR 20227010427A KR 20220082814 A KR20220082814 A KR 20220082814A
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윌프레드 에드윈 부이즈
빈센트 마르텔로 키에 호우 시오
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포크비어드 테크놀로지스 에이에스
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Abstract

위치 결정 시스템에서, 복수의 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5)은 모바일 수신기 유닛(7)에 수신되는, 각각의 송신기에 특이적인 식별 신호들을 시간 간격을 두고 송신한다. 처리 시스템(7; 9)은 각각의 수신된 식별 신호를 송신한 송신기 유닛을 식별하고, 각각의 신호에 대해, 도달 시간 데이터로부터 거리측정 데이터를 결정하며, 도플러 편이 정보로부터 거리 데이터를 결정한다. 거리측정 데이터 및 거리 데이터가 비교되어, 거리측정 오차 데이터가 결정된다. 모바일 수신기 유닛(7)에 대한 위치 추정치는, 거리측정 오차 데이터에 의존하여 가중되는, 복수의 송신기 유닛들에 대해 결정된 거리측정 추정치들을 이용하여 최적화 문제를 풀이함으로써 결정된다.

Description

위치 결정
본 발명은 모바일 수신기 유닛의 위치를 결정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
초음파 신호들과 같은 신호들을 이용하여, (예를 들어, 건물의 벽들 또는 천장들에 고정된) 복수의 송신기 유닛들로부터 신호들을 전송함으로써 2차원 또는 3차원에서 모바일 유닛들 또는 태그들의 위치를 결정하는 것이 알려져 있다. 이 신호들은 각각의 송신기 유닛들의 식별자들을 인코딩한다. 이러한 신호들은 사람들 또는 장비와 같은 객체들에 부착될 수 있는 모바일 수신기 유닛들에 의해 수신된다. 정적 송신기 유닛들의 위치들이 알려져 있는 경우, 원 또는 구(sphere)의 교차점과 같은 기하학적 원리들에 기초하여, 환경 내의 해당 모바일 유닛의 위치를 추정하기 위해 송신기 유닛들로부터의 신호들의 모바일 유닛으로의 도달 시간들이 사용될 수 있다.
국제공개 WO 2019/038542에서, 본 출원인은 복수의 정적 송신기 유닛들이 CCK(Complementary-Code-Keying) 코드에 기초하여 각각의 위상 변조된 초음파 시그니처를 전송하는 위치 결정 시스템을 개시하였다. 각각의 시그니처는 각각의 송신기 유닛에 특이적이다. 시그니처들은 모바일 수신기 유닛에 의해 수신되고, 그들의 도달 시간은 기하학적 다변측정(multilateration) 프로세스를 통해 수신기 유닛의 위치를 결정하는데 사용된다. 시그니처의 도달 시간 및 수신된 시그니처의 정확한 디코딩을 결정하기 위해, 수신기 유닛은 수신된 신호들에서의 임의의 모션-유도된 위상 편이를 보상하는 것을 목표로 하는 위상 조절 프로세스 이후에, 수신된 신호들을 템플릿 데이터와 교차 상관(cross-correlate)시킨다.
이는 양호한 위치 결정 정확도를 초래할 수 있지만, 본 출원인은 이제, 보다 더 나은 위치 결정 정확도를 제공할 수 있는 접근법들을 개발하였다.
제1 양태로부터, 본 발명은 모바일 수신기 유닛의 위치를 결정하는 방법을 제공하며, 방법은,
복수의 송신기 유닛들로부터 시간 간격을 두고 송신기에 특이적인 식별 신호들을 전송하는 단계;
모바일 수신기 유닛에서 상기 송신기에 특이적인 식별 신호들을 수신하는 단계;
각각의 상기 수신된 식별 신호들을 처리하여 상기 각각의 식별 신호를 전송한 송신기 유닛을 식별하는 단계;
각각의 송신기 유닛에 대해,
- 시간 윈도우 동안 상기 송신기 유닛으로부터 상기 모바일 수신기 유닛에 의해 수신된 복수의 상기 식별 신호들 각각의 도달 시간을 결정하는 단계;
- 상기 도달 시간들을 처리하여, 상기 시간 윈도우 동안 시간 간격을 두고 상기 송신기 유닛과 상기 모바일 수신기 유닛 사이의 복수의 거리들을 나타내는 거리측정 데이터를 결정하는 단계;
- 상기 복수의 수신된 식별 신호들로부터 도플러 편이 정보를 결정하는 단계;
- 상기 도플러 편이 정보를 이용하여, 상기 시간 윈도우 동안 상기 모바일 수신기 유닛의 속도의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 속도 데이터를 결정하는 단계;
- 상기 속도 데이터에 대해 적분 동작을 수행하여, 상기 시간 윈도우 동안 하나 이상의 간격들에 걸쳐 상기 모바일 수신기 유닛에 의해 이동된 거리의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 거리 데이터를 결정하는 단계;
- 상기 거리측정 데이터 및 상기 거리 데이터에 대해 비교 동작을 수행하여, 상기 송신기 유닛에 대한 거리측정 오차 데이터를 결정하는 단계; 및
- 상기 거리측정 데이터를 사용하여, 상기 송신기 유닛과 상기 모바일 수신기 유닛 사이의 거리를 나타내는 거리측정 추정치를 결정하는 단계; 및
복수의 송신기 유닛들에 대해 결정된 거리측정 추정치들을 이용하여 최적화 문제를 풀이함으로써 모바일 수신기 유닛에 대한 위치 추정치를 결정하는 단계를 포함하고, 최적화 문제는 각각의 송신기 유닛에 대해 결정된 거리측정 오차 데이터에 의존하여 각각의 송신기 유닛에 대한 거리측정 추정치를 가중한다.
제2 양태로부터, 본 발명은 모바일 수신기 유닛의 위치를 결정하기 위한 시스템을 제공하며, 시스템은,
복수의 송신기 유닛들 ― 각각의 송신기 유닛은 시간 간격을 두고 각각의 송신기에 특이적인 식별 신호들을 전송하도록 구성됨 ―;
상기 송신기에 특이적인 식별 신호들을 수신하도록 구성된 모바일 수신기 유닛; 및
각각의 수신된 식별 신호를 송신한 송신기 유닛을 식별하도록 구성되는 처리 시스템을 포함하며, 처리 시스템은, 각각의 송신기 유닛에 대해,
- 시간 윈도우 동안에 상기 송신기 유닛으로부터 상기 모바일 수신기 유닛에 의해 수신된 복수의 상기 식별 신호들 각각의 도달 시간을 결정하고;
- 도달 시간들을 처리하여, 상기 시간 윈도우 동안 시간 간격을 두고 상기 송신기 유닛과 상기 모바일 수신기 유닛 사이의 복수의 거리들을 나타내는 거리측정 데이터를 결정하며;
- 상기 복수의 수신된 식별 신호들로부터 도플러 편이 정보를 결정하고;
- 상기 도플러 편이 정보를 이용하여, 상기 시간 윈도우 동안 상기 모바일 수신기 유닛의 속도의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 속도 데이터를 결정하며;
- 상기 속도 데이터에 대해 적분 동작을 수행하여, 상기 시간 윈도우 동안에 하나 이상의 간격들에 걸쳐 상기 모바일 수신기 유닛에 의해 이동된 거리의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 거리 데이터를 결정하고;
- 상기 거리측정 데이터 및 상기 거리 데이터에 대해 비교 동작을 수행하여, 상기 송신기 유닛에 대한 거리측정 오차 데이터를 결정하며;
- 거리측정 데이터를 사용하여, 송신기 유닛과 모바일 수신기 유닛 사이의 거리를 나타내는 거리측정 추정치를 결정하도록 구성되며,
처리 시스템은, 복수의 송신기 유닛들에 대해 결정된 거리측정 추정치들을 사용하여 최적화 문제를 풀이함으로써 모바일 수신기 유닛에 대한 위치 추정치를 결정하도록 더 구성되고, 각각의 송신기 유닛에 대한 상기 거리측정 추정치는 각각의 송신기 유닛에 대해 결정된 거리측정 오차 데이터에 의존하여 최적화 문제에서 가중된다.
제3 양태에서, 본 발명은, 하나의 모바일 수신기 유닛 및 복수의 송신기 유닛들을 포함하는, 위치결정 시스템을 위한 처리 시스템을 제공하며, 복수의 송신기 유닛들 각각은 시간 간격을 두고 각각의 송신기에 특이적인 식별 신호들을 전송하도록 구성되고, 처리 시스템은 각각의 수신된 식별 신호를 전송한 송신기 유닛을 식별하도록 구성되며, 처리 시스템은 복수의 송신기 유닛들 각각에 대해,
- 시간 윈도우 동안에 상기 송신기 유닛으로부터 상기 모바일 수신기 유닛에 의해 수신된 복수의 상기 식별 신호들 각각의 도달 시간을 결정하고;
- 도달 시간들을 처리하여, 상기 시간 윈도우 동안 시간 간격을 두고 상기 송신기 유닛과 상기 모바일 수신기 유닛 사이의 복수의 거리들을 나타내는 거리측정 데이터를 결정하며;
- 상기 복수의 수신된 식별 신호들로부터 도플러 편이 정보를 결정하고;
- 상기 도플러 편이 정보를 이용하여, 상기 시간 윈도우 동안 상기 모바일 수신기 유닛의 속도의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 속도 데이터를 결정하며;
- 상기 속도 데이터에 대해 적분 동작을 수행하여, 상기 시간 윈도우 동안에 하나 이상의 간격들에 걸쳐 상기 모바일 수신기 유닛에 의해 이동된 거리의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 거리 데이터를 결정하고;
- 상기 거리측정 데이터 및 상기 거리 데이터에 대해 비교 동작을 수행하여, 상기 송신기 유닛에 대한 거리측정 오차 데이터를 결정하며;
- 상기 거리측정 데이터를 이용하여, 상기 송신기 유닛과 상기 모바일 수신기 유닛 사이의 거리를 나타내는 거리측정 추정치를 결정하도록 구성되고,
처리 시스템은, 복수의 송신기 유닛들에 대해 결정된 거리측정 추정치들을 사용하여 최적화 문제를 풀이함으로써 모바일 수신기 유닛에 대한 위치 추정치를 결정하도록 더 구성되고, 각각의 송신기 유닛에 대한 거리측정 추정치는 각각의 송신기 유닛에 대해 결정된 거리측정 오차 데이터에 의존하여 최적화 문제에서 가중된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 전체 위치 계산에 대한 각각의 송신기의 신호들의 기여도가, 해당 송신기 유닛에 대한 타이밍 기반 거리 측정치들 및 주파수 기반 거리 측정치들 사이의 합의 정도에 기초하여 가중될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 거리 정보의 이러한 두 소스들 사이에 더 높은 상관을 나타내는 송신기 유닛들에 대한 거리측정 추정치들은 최적화 문제에서 더 큰 가중치를 제공받을 수 있는 반면, 더 낮은 상관을 나타내는 송신기 유닛들에 대한 거리측정 추정치들은 더 적은 가중치를 제공받을 수 있다. 실제로, 모바일 장치가 움직일 때, 송신기 유닛과 모바일 수신기 유닛 사이의 명확한 시선 신호 경로를 따라 이동하는 신호들로부터 획득되는 경우, 전파 시간 거리측정 데이터와 도플러 편이 거리들 사이에는 대개, 더 큰 일관성이 존재하고, 식별 신호들이 환경 내의 하나 이상의 객체들에 의해 반사되거나, 또는 회절된 후에, 모바일 수신기 유닛에 간접적으로 도달되는 경우 더 적은 일관성이 있다. 신호들이 다수의 경로들을 따라 도달하고 중첩될 때, 각각의 경로는 대개, 도달 경로와 모바일 장치의 속도 벡터 간에 상이한 유효 각도를 갖기 때문에 별개의 도플러 편이를 갖는다. 따라서, 본원에 개시된 바와 같은 연관된 거리측정 오차 데이터에 기초한 가중된 기여도들은 반사로 인해 발생하는 가짜 신호들을 효과적으로 필터링할 수 있는데, 이는 그렇지 않은 경우, 위치 결정의 정확도를 손상시킬 수 있다.
송신기에 특이적인 식별 신호들은 전자기 신호, 예를 들어, 무선 신호들 또는 광학 신호일 수 있지만, 바람직한 실시예들의 세트에서, 이들은 음향 신호들이다. 이들은 초음파 신호일 수 있다. 초음파 신호는 정상 인간 가청 범위보다 높은 주파수를 갖는 음향 신호이며, 대개, 이는 20 kHz 보다 큰 주파수, 예컨대 30 kHz 내지 100 kHz를 갖는 신호를 의미한다.
음향 신호는 특히 실내에서의 위치결정 시스템에서 사용하기에 적합하며, 그 이유는 그들이 전파 및 광파보다 훨씬 더 느리게 이동하기 때문이다. 따라서, 음향 신호들을 사용하는 실시예들은, 주어진 공간 해상도에 대해, 광속 신호들을 사용하는 것들과 비교하여, 덜 정확한 시간 측정들을 필요로 할 수 있다.
모바일 수신기의 위치는 실내 환경일 수 있는 환경 내에서 결정될 수 있지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 예를 들어, 이는 쇼핑몰, 병원, 창고, 사무용 복합건물, 국내 주택 등과 같은 하나 이상의 건물들을 포함할 수 있다.
식별 신호들은 주파수 및/또는 위상 변조를 사용하여, 예를 들어, CP-FSK(continuous-phase frequency-shift-keying), 또는 QPSK(quadrature phase-shift-keying)를 사용하여 인코딩되는 식별 데이터로서, 캐리어 주파수로 인코딩될 수 있다. 식별 신호들은 가변 데이터 페이로드들을 갖는 패킷들 내에 포함될 수 있거나, 어떠한 메시지 데이터도 없이 송신기 시그니처들로서 전송될 수 있다. 특정한 송신기 유닛의 송신기에 특이적인 식별 신호는 시간에 따라 변할 수 있지만, 이는 바람직하게는 일정하며, 이로 인해 디코딩이 단순화될 수 있다. 모든 식별 신호들은 바람직하게는 모든 송신기 유닛들에 걸쳐 동일한 길이를 갖는 것이 바람직하고, 다시, 이로 인해 검출 및 디코딩이 단순화될 수 있다. 각각의 송신기 유닛은 바람직하게는 자신의 식별 신호들을 규칙적인 간격으로, 예를 들어, 1초마다 송신한다.
처리 시스템은 적절한 디코딩을 사용하여 각각의 수신된 식별 신호를 디코딩함으로써 송신기 유닛을 식별할 수 있다. 일부 실시예들에서, 넌-코히런트(non-coherent) 상관 기반 디코딩이 사용되며, 이는 도플러 편이에 대해 양호한 강인성(robustness)을 제공할 수 있다.
모바일 수신기 유닛이 계속해서 움직일 것이 필수적이지는 않지만, 모바일 수신기 유닛은 시간 윈도우 동안 움직이고 있을 수 있다. 시간 윈도우는 미리 결정된 지속기간을 가질 수 있으며, 이는 송신기 유닛들 중 하나 또는 전부의 고정된 전송 간격의 3배 내지 20배일 수 있다. 이는 1초의 전송 간격을 사용할 때, 전송 간격의 약 4배, 예를 들어, 근사적으로 4초일 수 있다. 위치 추정치들은, 예를 들어, 시간에 걸쳐 모바일 수신기 유닛을 추적하기 위해, 본원에 개시된 단계들을 시간 간격을 두고 반복함으로써, 반복적으로 결정될 수 있다.
처리 시스템은 각각의 식별 신호들의 전송 시간을 나타내는 정보에 대한 액세스를 가질 수 있다. 따라서, 거리측정 데이터는, 예를 들어, 대응하는 추정되거나 알려진 전송 시간으로부터 각각의 도달 시간을 차감함으로써, 전송 시간들을 이용하여 결정될 수 있다. 그 후, 전파 시간으로부터 거리 값을 계산하기 위해 신호들의 속도(예를 들어, 가정되거나 측정됨)가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템은 유선 또는 무선(예를 들어, 무선 또는 초음파) 채널들을 통해 전달되는 신호들을 사용하여 동기화될 수 있다.
도플러 편이 정보는, 예를 들어, 미리 결정된 캐리어 주파수와 비교하여, 수신된 식별 신호에서의 주파수 오프셋의 크기를 나타낼 수 있다. 이는 주파수 편이된 템플릿들과의 상관에 의해, 또는 푸리에 분석을 사용하여, 또는 임의의 다른 방식으로 결정될 수 있다.
속도 데이터는 식별 신호가 직접적인 시선 경로를 따라 수신될 때, 속도의 방사상 성분을 나타낼 수 있다.
속도 값의 각각의 성분은 복수의 수신된 식별 신호들 각각으로부터 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 속도 성분 오차 값은 각각의 속도 성분 값들에 대해 결정될 수 있다. 이 오차 값은 특정 기간에 걸친 임의의 도플러 편이의 안정성에 의존하여, 또는 수신된 신호 강도의 측정에 의존하여, 또는 속도 성분 값들의 시퀀스가 특정한 송신기 유닛에 대해 시간에 따라 얼마나 일관되는지에 의존하여, 또는 제1 송신기 유닛에 대한 속도 성분 값이 하나 이상의 다른 송신기 유닛들에 대해 결정된 하나 이상의 속도 성분 값들과 얼마나 일관되는지에 의존하여, 또는 임의의 다른 방식으로 결정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 복수의 식별 신호들은 이상 신호들을 제거하기 위해 필터링될 수 있다. 이러한 필터링은 각각의 식별 신호에 대해, 신호 강도 정보에 대한 거리측정(전파 시간) 정보를 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 시간 윈도우에서 수신된 모든 식별 신호에 대한 신호 강도 정보와 거리측정 정보 사이에 선형 회귀 동작이 수행될 수 있다. 단일 회귀는 시간 윈도우 동안 모든 송신기 유닛들로부터 수신된 식별 신호들에 적용될 수 있다. 선형 회귀로부터 임계치 편차를 초과하는 이상값들은 제거될 수 있다.
속도 데이터는 시간에 걸쳐 적분되어, 시간 윈도우 내의 각각의 송신기 유닛으로부터 수신된 식별 신호들 사이의 각각의 간격에 걸쳐 모바일 수신기 유닛에 의해 이동된 각각의 거리가 추정될 수 있다(선택적 필터링 이후).
비교 동작은 거리측정 데이터 및 거리 데이터에 대한 상관 동작 또는 회귀 동작을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 가중될 수 있는 최소 제곱 회귀 동작을 포함할 수 있다. 선형 회귀일 수 있다. 더 오래된 식별 신호로부터의 데이터보다 더 새로운 식별 신호로부터의 데이터에 더 많은 가중치를 부여하도록 가중될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 식별 신호의 도달 시간에서의 신뢰도를 나타내는 디코딩 오차가 결정될 수 있고, 회귀 동작은 더 높은 디코딩 오차를 갖는 신호에 대해서보다 더 낮은 디코딩 오차를 갖는 신호에 대해서 더 많은 가중치를 부여하도록 가중될 수 있다.
일부 실시예들에서, 준-정적(quasi-static) 거리측정 값들을 생성하기 위해, 거리측정 데이터 내의 하나 이상의 값들에 도플러 기반 거리 데이터가 더해질 수 있다(또는 적분의 방향에 따라, 차감될 수 있다). 이러한 준-정적 거리측정 값들은 예를 들어, 각각의 송신기 유닛(i)으로부터 가장 최근에 수신된 식별 신호의 도달 시간(T1 i )까지 순방향으로 투사되는, 시간적으로 공통된 지점에 대한 거리측정 추정치들을 나타낼 수 있다. 각각의 거리측정 값은, 그 거리측정 값이 도출된 신호의 도달 시간과, 시간적으로 공통된 지점 사이의 간격에 걸쳐 있는 하나 이상의 움직임 기반 거리들을 자신에 더함으로써 조절될 수 있다.
회귀 또는 상관 동작(예를 들어, 선형 회귀)은 각각이 생성되는 대응하는 식별 신호들의 도달 시간들에 대해 준-정적 거리측정 값들을 비교하는 단계를 수행할 수 있다. 이는 수평적인 것으로 제한될 수 있는 선형 회귀일 수 있다. 회귀 또는 상관 동작은, 예를 들어, 선형 회귀의 제곱평균제곱근 편차, 또는 임의의 적절한 상관 계수 또는 편차 측정치에 의존할 수 있는, 거리측정 오차 데이터를 결정하는데 사용될 수 있다. 회귀 또는 상관 동작은 또한, 각각의 송신기 유닛에 대해, 송신기 유닛들 모두에 걸쳐 가장 최근에 수신된 식별 신호의 도달 시간(t=0)에 대응하는 준-정적 거리측정 추정치를 출력하는데 사용될 수 있다. 이러한 준-정적 거리측정 추정치는, 속도 데이터를 사용하여, 임의의 0이 아닌 시간 간격 동안 추정된 움직임에 대해, 각각의 송신기 유닛으로부터의 가장 최근에 수신된 식별 신호의 도달 시간(T1 i )과, 송신기 유닛들 모두에 걸쳐 가장 최근에 수신된 식별 신호의 도달 시간(t=0) 사이에 존재할 수 있도록 조절될 수 있다. 준-정적 거리측정 추정치(임의의 이러한 조절 후)는 최적화 문제에 대한 입력인 거리측정 추정치일 수 있다. 대안적으로, 최적화 문제에 대한 거리측정 추정치는 단순히, 거리측정 데이터로부터의 거리측정 값들 중 하나, 예를 들어, 가장 최근의 이용가능한 거리측정 값일 수 있다.
위치 추정치를 결정하기 위한 최적화 문제는 가중될 수 있는 최소 제곱 문제일 수 있다. 이는 선형 회귀 문제일 수 있다. 이는 가중된 최소 제곱 방법과 같은 회귀 분석을 이용하여 풀이될 수 있다. 뉴턴-랩슨(Newton―Raphson)법 또는 준-뉴턴(quasi-Newton) 방법을 사용하여 풀이될 수 있다. 최적화 문제는 미리 알려지거나 결정될 수 있는 송신기 유닛들의 위치들을 사용할 수 있다. 송신기 유닛들은 바람직하게는 정적인 것, 예를 들어 건물의 표면에 고정된 것이지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 최적화 문제는 비용함수를 포함할 수 있고, 이는 최소화 문제일 수 있다. 이는 시간 윈도우 동안 각각의 송신기 유닛으로부터 수신된 식별 신호들로부터 계산된, 각각의 송신기 유닛에 대한 거리측정 추정치를 입력으로서 수신할 수 있다. 최적화 문제는 모든 거리측정 추정치들이 직선 거리에 대한 것(예를 들어, 표면들로부터의 반사를 모델링하는 것이 아니라)이라는 가정 하에 형식화될 수 있다. 이는 시간 윈도우 동안 각각의 송신기 유닛으로부터 수신된 식별 신호들로부터 계산된, 각각의 송신기 유닛에 대한 거리측정 오차 값을 입력으로서 수신할 수 있다.
최적화 문제는, 수명(예를 들어, 보다 새로운 거리측정 추정치들에 우호적임), 신호 강도(예를 들어, 더 강한 식별 신호들로부터 획득된 거리측정 데이터를 이용하여 생성된 거리측정 추정치들에 우호적임), 및 연관된 거리측정 오차 값들(예를 들어, 대응하는 도플러 유도된 거리 데이터와 더욱 강하게 일관되는 전파 시간 거리측정 데이터를 사용하여 생성된 거리측정 추정치들에 우호적임) 중 임의의 하나 이상에 의존하여 거리측정 추정치들을 가중시킬 수 있다. 이는 각각의 송신기 유닛에 대해 단지 하나의 거리측정 추정치를 사용할 수 있거나, 또는 각각의 시간 간격들에 걸쳐 획득된 각각의 송신기 유닛에 대한 복수의 거리측정 추정치들을 사용할 수 있다. 수명에 대한 가중치가 있는 경우, (예를 들어, 특정한 송신기 유닛에 대해 더 이상의 최근의 거리측정 추정치가 이용가능하지 않은 경우) 더 오래된 거리측정 추정치에 더 적은 가중치가 부여될 수 있거나, 또는 그들이 계산되었던 가장 최근의 거리측정 값의 수명에 기초하여 거리측정 추정치들을 가중할 수 있다.
위치 추정치는 1차원, 2차원 또는 3차원으로 결정될 수 있다. 위치 추정치는 저장 또는 출력되거나 더 처리될 수 있다. 이는 칼만 필터에 입력될 수 있다.
거리 및 거리측정에 대한 참조는 시선 거리일 수 있거나, 반사 또는 회절인 상황에서는 전체 경로 길이를 지칭할 수 있다.
복수의 송신기 유닛들로부터의, 모바일 수신기 유닛의 속도의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 속도 데이터는, 예를 들어, 2개 이상의 성분 벡터들로부터의 결과 벡터를 계산함으로써, 1차원, 2차원 또는 3차원에서 모바일 수신기 유닛에 대한 속도 벡터를 결정하도록 처리(예를 들어, 조합)될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연관된 속도 벡터 오차 값이 또한 결정될 수 있다.
모바일 수신기 유닛에 대한 속도 벡터는 (상이한 각각의 송신기 유닛들로부터의 신호들로부터 결정될 수 있는) 속도 성분 값들을 이용하여 속도 최적화 문제를 풀이함으로써 결정될 수 있다. 속도 최적화 문제는 비용함수를 포함할 수 있고, 이는 최소화 문제일 수 있다. 이는 시간 윈도우 동안 하나 이상의 각각의 송신기 유닛으로부터 수신된 식별 신호들로부터 결정된 속도 성분 값들을 입력으로서 수신할 수 있다. 최적화 문제는 또한, 속도 값들 중 일부 또는 전부에 대한 연관된 속도 오차 값을 입력으로서 수신할 수 있다.
속도 최적화 문제는, 수명(예를 들어, 보다 새로운 속도 값에 우호적임), 신호 강도(예를 들어, 강한 신호들로부터 얻어진 데이터를 사용하여 생성된 속도 값들에 우호적임), 및 연관된 속도 성분 오차 값(예를 들어, 보다 낮은 연관된 속도 오차 값들을 갖는 속도 값들에 우호적임) 중 임의의 하나 이상에 의존하여 속도 성분 값들을 가중시킬 수 있다. 이는 각각의 송신기 유닛에 대해 하나의 속도 값만을 사용할 수 있거나, 또는 각각의 송신기 유닛에 대해 예를 들어, 복수의 각각의 시간 간격들에 걸쳐 획득된 복수의 속도 값들을 이용할 수 있다. 수명에 대해 가중하는 경우, 보다 새로운 속도 값에 비해, 보다 오래된 속도 값에 대해 더 낮은 가중치를 부여할 수 있다.
모바일 수신기 유닛에 대한 결정된 속도 벡터는 선택적으로는, 위치 추정치와 함께 디스플레이 상에 그래픽적으로 출력될 수 있다(예를 들어, 지도 상의 모바일 수신기 유닛을 나타내는 아이콘과 연관된 화살표로서). 이는 환경의 지도 상에 아이콘으로 표시될 수 있다.
결정된 속도 벡터는 칼만 필터에 입력될 수 있다.
하나 이상의 속도 성분 값들(및 선택적으로는, 연관된 속도 성분 오차 값들)은 모바일 수신기 장치에 대한 방향 벡터를 결정하기 위해 처리될 수 있다. 방향 벡터는 모바일 수신기 유닛의 이동 방향을 나타낼 수 있다. 이는 무차원, 예컨대, 단위 벡터일 수 있지만, 모바일 수신기 유닛의 속도를 나타낼 수 있는 크기를 가질 수 있고, 일부 실시예들에서, 방향 벡터는 속도 벡터일 수 있다. 이는 3차원 또는 2차원으로 결정될 수 있다. 이는 3차원 속도 성분 벡터들로부터 결정되는 2차원 벡터일 수 있다. 이는 수평 평면에서 결정되는(즉, 중력에 직교하는) 2차원 벡터일 수 있다. 하나 이상의 3D 속도 성분 값들, 또는 결과적인 3D 속도 벡터는 수평 평면의 속도 벡터를 결정하기 위해 수평 평면에서 분해될 수 있으며, 이는 평면의 방향 벡터를 결정하기 위해 정규화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연관된 방향 벡터 오차가 또한 결정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 무차원 방향 벡터는 결과적인 속도 벡터를 처리함으로써 결정될 수 있다. 다른 실시예들에서, 방향 벡터는 복수의 수신된 식별 신호들로부터 결정된 복수의 성분 속도 값들을 처리함으로써, 예를 들어, 방향의 각각의 성분들의 복수의 값들을 생성하고, 방향 최적화 문제를 풀이하여 결과적인 방향 벡터를 결정함으로써 결정될 수 있다.
방향 최적화 문제는 비용함수를 포함할 수 있고, 이는 최소화 문제일 수 있다. 이는 (시간 윈도우 동안, 상이한 각각의 송신기 유닛들로부터의 신호들로부터 결정될 수 있는) 속도 성분 값들을 처리함으로써 결정된 입력 방향 값들을 입력으로서 수신할 수 있다. 최적화 문제는 또한, 각각의 방향 값들에 대한 방향 오차 값을 입력으로서 수신할 수 있다. 최적화 문제는, 수명(예를 들어, 보다 새로운 방향 값들에 우호적임), 신호 강도(예를 들어, 더 강한 도플러 신호들로부터 획득된 속도 값들을 이용하여 생성된 방향 값들에 우호적임), 및 연관된 방향 오차 값들(예를 들어, 보다 낮은 연관된 방향 오차 값들을 갖는 방향 값들에 우호적임) 중 임의의 하나 이상에 의존하여 방향 값들을 가중시킬 수 있다. 이는 각각의 송신기 유닛에 대해 속도 데이터를 사용하여 결정된 하나의 방향 값만을 사용할 수 있거나, 또는 각각의 시간 구간들에 걸쳐 획득된 각각의 송신기 유닛에 대한 속도 데이터를 사용하여 결정된 복수의 방향 값들을 이용할 수 있다. 수명에 대해 가중하는 경우, 더 오래된 방향 값에는 더 낮은 가중치가 부여될 수 있다.
일부 실시예들에서, 모바일 수신기 유닛은 가속도계, 자이로스코프, 또는 자력계와 같은 추가적인 감지 수단을 포함한다. 이러한 실시예들에서, 벡터 또는 방향 최적화 문제는 추가적인 입력으로서, 추가적인 감지 수단을 사용하여 결정된 하나 이상의 방향 값들을 취할 수 있다. 예를 들어, 최적화 문제는 모바일 수신기 유닛의 자이로스코프 및/또는 모바일 수신기 유닛의 자력계를 이용하여 결정된 방향 값 및 연관된 방향 오차 값을 입력으로서 취할 수 있다.
결정된 방향(또는 속도) 벡터는 선택적으로는 예를 들어, 지도 상의 아이콘과 같은 위치 추정치와 함께, 디스플레이 상에 그래픽으로 표현될 수 있다.
일부 실시예들에서, 모바일 수신기 유닛을 위한 결정된 방향은 지도 상의 모바일 수신기 유닛의 위치를 나타내는 아이콘 상에 중심을 둔 호(arc)로서 디스플레이될 수 있다. 디스플레이에 대한 호의 방향은 환경 내의 모바일 수신기 유닛의 방향을 나타낼 수 있다. 방향 벡터의 오차는 또한, 디스플레이 상에 그래픽으로 표현될 수 있고, 일부 실시예들에서는 호의 길이로 표현될 수 있다. 짧은 호는 상대적으로 낮은 연관된 방향 오차를 갖는 방향 벡터를 나타낼 수 있는 반면, 긴 아크는 상대적으로 높은 연관된 오차를 나타낼 수 있다. 특정 임계치보다 큰 방향 오차들을 갖는 방향 추정치들의 경우, 결정된 방향 벡터에서의 높은 불확실성 정도를 나타내기 위해 호 대신에 원 전체가 디스플레이될 수 있다.
이러한 접근법들 중 임의의 것은, 임의의 적절한 방식으로, 예를 들어, 속도 벡터의 스칼라 속력에 따라 호의 방사상 두께를 변화시킴으로써 수행될 수 있는, 속력의 표시를 또한 디스플레이함으로써, 모바일 수신기 유닛에 대한 속도 벡터를 디스플레이 상에 그래픽적으로 나타내는데 사용될 수 있다.
처리 시스템은 처리 회로 및/또는 하나 이상의 프로세서들과, 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행하기 위한 소프트웨어를 저장한 메모리를 포함할 수 있다. 처리 회로 및/또는 소프트웨어는 본원에 개시된 특징들 중 임의의 것을 구현할 수 있다.
모바일 수신기 유닛은 처리 시스템의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 이는 모바일 수신기 유닛이 디스플레이 스크린 및 강력한 프로세서를 갖는 경우, 예를 들어, 스마트폰인 경우에 특히 적절할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 모바일 수신기 유닛은 자신의 위치 추정치를 계산하고 저장하도록 배열될 수 있다. 이는, 다른 곳에서, 예를 들어, 원격 서버 상에서 처리될 모바일 수신기 유닛으로부터의 데이터를 통신할 필요성을 피할 수 있다.
그러나, 일 세트의 실시예들에서, 하나 이상의 송신기 유닛들은 처리 시스템의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 다른 세트의 실시예들에서, 처리 시스템의 일부 또는 전부는 모바일 수신기 유닛 및 송신기 유닛들 모두의 외부에, 예를 들어, 하나 이상의 외부 서버들 상에 있을 수 있다. 이는 모바일 수신기 유닛 상에서의 처리 요건을 감소시키는데 유리할 수 있고, 이는 심지어 모바일 수신기 유닛으로부터 (예를 들어, 무선으로) 데이터를 전송할 필요성을 고려한 후에도, 비용 및 전력 소모를 감소시킬 수 있다. 이는 모바일 수신기 장치에 배터리 전원이 공급되는 경우에 특히 유용한다. 처리 시스템은 다수의 프로세서들 또는 다수의 위치들에 걸쳐 분할될 수 있거나, 또는 둘 모두에 걸쳐 분할될 수 있다. 모바일 수신기 유닛은 수신된 신호, 또는 그로부터 도출된 정보를 원격 처리 유닛에 전송하도록 구성될 수 있다. 모바일 수신기 유닛 및/또는 송신기 유닛은 수신 또는 송신된 신호와 연관된 정보를 송신하기 위한, 무선 송신기와 같은, 유선 또는 무선 송신기를 포함할 수 있다.
다른 실시예들에서, 모바일 수신기 유닛은, 예를 들어, 수신된 신호들을 샘플링하기 위한 샘플러를 포함하는, 처리 시스템의 일부 부분들만을 포함하거나 심지어 전혀 포함하지 않을 수 있는 반면, 처리 시스템의 다른 부분들, 예를 들어, 도달 시간을 사용하도록 구성된 구성요소들, 및 모바일 수신기 유닛의 위치를 결정하기 위해 디코딩된 송신기 유닛 식별자는, 원격 컴퓨터 또는 서버 상에서와 같은 하나 이상의 다른 유닛들에 상주할 수 있다. 모바일 수신기 유닛은 무선, 광학, 또는 다른 송신기, 예를 들어, 블루투스, WiFi 또는 셀룰러 네트워크 송신기를 포함할 수 있다. 이는 송신기를 이용하여, 수신된 신호들과 연관된 데이터를 원격 처리 유닛에 송신할 수 있고, 이는 아날로그 사운드 파일, 디지털 샘플들, 또는 처리된 데이터일 수 있다.
각각의 송신기 유닛은 무선 안테나, 발광 소자, 음향 트랜스듀서, 또는 식별 신호들을 전송하는 다른 적절한 수단을 포함할 수 있다. 이는 DAC, 증폭기 등과 같이, 송신을 구동 또는 제어하기 위한 적절한 회로를 포함할 수 있다. 실시예들의 바람직한 세트에서, 각각의 송신기 유닛은 초음파 신호들을 생성하기 위한 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서를 포함한다.
모바일 수신기 유닛은 무선 안테나, 광 수신 요소, 음향 마이크, 또는 식별 신호들을 수신하는 다른 적절한 수단을 포함할 수 있다. 이는 증폭기, ADC 등과 같이, 수신을 제어하기 위한 적절한 회로를 포함할 수 있다. 실시예들의 바람직한 세트에서, 모바일 수신기는 초음파 신호들을 수신하기 위한 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서를 포함한다.
처리 시스템 및/또는 각각의 송신기 유닛 및/또는 모바일 수신기 유닛은 설명된 단계들을 수행하기 위한 프로세서들, DSP들, ASIC들, FPGA들 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 이는 데이터를 저장하고/하거나, 프로세서, DSP 또는 FPGA에 의해 실행될 소프트웨어 명령들을 저장하기 위한 메모리를 포함할 수 있다. 이는 파워 서플라이, 발진기, ADC, DAC, RAM, 플래시 메모리, 네트워크 인터페이스, 사용자 인터페이스 등을 포함하는, 임의의 다른 적절한 아날로그 또는 디지털 구성요소들을 포함할 수 있다. 이는 단일 유닛일 수 있거나, 하나 이상의 유선 또는 무선 링크들에 의해 통신하도록 배열될 수 있는 복수의 처리 유닛들을 포함할 수 있다.
처리 시스템은 바람직하게는 데이터 저장부 및/또는 디스플레이 및/또는 데이터 연결부를 더 포함하고, 모바일 수신기 유닛의 위치와 연관된 정보를 저장 및/또는 디스플레이 및/또는 전자적으로 통신하도록 배열된다. 예를 들어, 시스템은 건물 또는 환경의 지도 또는 계획 상에서 모바일 수신기 유닛의 위치를 나타내도록 배열될 수 있다.
시스템은 타이밍 정보를 송신기 유닛들 및/또는 모바일 수신기 유닛에 송신하도록 배열된 무선 송신기를 포함할 수 있다. 도달 시간차 대신에, 도달 시간 정보가 위치 결정을 위해 사용될 수 있도록, 송신기 유닛들 및 모바일 수신기 유닛이 동기화될 수도 있다. 이는 더 적은 송신기 유닛들이 범위 내에 있을 것을 필요로 할 수 있고, 보다 정확할 수 있다.
일부 실시예들에서, 모바일 수신기 유닛은 프로세서 및 디스플레이를 포함한다. 이는 모바일 전화기(휴대폰)나 스마트폰, 또는 태블릿 또는 다른 휴대용 컴퓨팅 장치일 수 있다. 대안적으로, 이는 임의의 복잡한 그래픽 사용자 인터페이스가 없는 자산 태그일 수 있다.
본원에 설명된 임의의 양태 또는 실시예의 특징들은, 적절한 경우, 본원에 설명된 임의의 다른 양태 또는 실시예에 적용될 수 있다. 다른 실시예들 또는 실시예들의 세트들에 대한 참조가 이루어지는 경우, 이들은 반드시 구별되는 것은 아니며, 중첩될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
이제 본 발명의 특정한 바람직한 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명을 구현하는 위치 결정 시스템의 사시도이다.
도 2는 위치 결정 시스템에서 사용하기 위한 정적 송신기 유닛 및 모바일 수신기 유닛의 개략도이다.
도 3은 모바일 수신기 유닛 및/또는 서버 내의 기능 유닛들을 나타내는 개략도이다.
도 4는 모바일 수신기 유닛 및/또는 서버에 의해 수행되는 동작들을 도시하는 흐름도이다.
도 5는 모바일 수신기 유닛 상의 디스플레이의 도면이다.
도 1은 예를 들어, 쇼핑몰 내의 쇼핑객들의 위치를 결정하기 위해 쇼핑몰에서 사용될 수 있는 위치 결정 시스템의 일부를 도시한다. 물론, 이것은 단지 하나의 예시적인 환경이고, 위치 결정 시스템은 또한 창고, 병원, 가정, 차량 등에서 사용될 수 있다.
도 1은 벽들에 4개의 정적 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5)이 부착되어 있는 방(1)을 도시한다. 방 안의 사람(6)은 모바일 수신기 유닛(7)을 들고 있다. 네트워크 케이블(8)은 각각의 송신기 유닛(2, 3, 4, 5)을 서버(9)에 연결하며, 서버는 통상적으로 다른 방 또는 다른 건물 내에 위치한다. 이러한 구성요소들은 협력하여 방(1) 안에서 모바일 수신기 유닛(7)의 3차원 위치를 추정할 수 있는 위치 결정 시스템을 제공한다. 실제로, 시스템은 건물 또는 일련의 방들에 걸쳐 설치되는 유사한 송신기 유닛들과, 사람들, 동물들, 차량들, 로봇들, 재고들, 장비 등에 부착되거나 그 안에 통합되는 복수의 유사한 모바일 수신기 유닛들을 더 가질 수 있다.
도 2는 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5) 중 대표적인 것(2) 및 모바일 수신기 유닛(7)을 도시한다. 송신기 유닛(2)은 초음파 음향기(201)와, 초음파 트랜스듀서(201)로 하여금 초음파 신호들을 전송하게 하기 위한 컨트롤러(202)와, 송신기 유닛에 전력을 공급하기 위한 배터리(203)를 가진다. 다른 송신기 유닛들(3, 4, 5)은 유사하게 구성된다. 모바일 수신기 유닛(7)은 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5)로부터 초음파 신호들을 수신할 수 있는 마이크(204)와, 수신된 신호들을 샘플링하고 처리하기 위한 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)(205)과, 모바일 수신기 유닛(7)에 전력을 공급하기 위한 배터리(207)를 가진다. 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5) 및 모바일 수신기 유닛(7)은 무선 트랜시버, 유선 네트워크 인터페이스, 디스플레이 스크린, 버튼 등과 같은 추가적인 표준 전자적 구성요소들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 모바일 수신기 유닛(7)은 AppleTM 또는 AndroidTM 스마트폰과 같은 태블릿 또는 모바일 전화기(휴대폰)이다.
마이크로컨트롤러 유닛들(202, 205)은 하나 이상의 프로세서들, DSP들, ASIC들 및/또는 FPGA들을 포함할 수 있다. 이들은 데이터를 저장하기 위한 메모리 및/또는 프로세서나 DSP에 의해 실행될 소프트웨어 명령들을 저장하기 위한 메모리를 포함할 수 있다. 이들은 발진기, ADC, DAC, RAM, 플래시 메모리 등을 포함하는 임의의 다른 적절한 아날로그 또는 디지털 구성요소들을 포함할 수 있다.
비록 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5)이 환경(1)에 대해 정적인 것으로 도시되어 있지만, 다른 실시예들에서, 이들은 이동 가능할 수도 있고, 예를 들어, 송신기 유닛들 중 하나 이상이 각각의 사용자의 소유의 모바일 전화기 또는 장치일 수 있음이 이해될 것이다.
사용 시에, 서버(9)는 각각의 송신기 유닛(2, 3, 4, 5)으로 하여금 해당 송신기 유닛에 고유한 시그니처(본원에 개시된 바와 같은 식별 데이터를 포함함)를, 시간 간격을 두고 전송하게 한다. 대규모 배치에서, 시그니처들은 지역 내에서만 고유할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 시그니처들이 하나의 시스템에 걸쳐 재사용되는 경우, 동일한 시그니처들 사이를 구별하기 위해 추가적인 데이터가 사용되는 것이 바람직하다. 각각의 시그니처는 초음파 캐리어, 예를 들면 20 kHz 또는 40 kHz 캐리어 상에서 인코딩된다. 시그니처는 바람직하게는 동일한 초음파 캐리어 대역 상에서 더 인코딩된 프리앰블 및/또는 데이터 콘텐츠와 같은 하나 이상의 추가적인 구성요소들을 더 갖는 더 긴 전송에 포함될 수 있다.
시그니처는 임의의 적절한 주파수 편이 또는 위상 편이 인코딩을 사용하여 인코딩될 수 있다. 일 세트의 실시예들에서, 시그니처는 64개의 QPSK-인코딩된 CCK(Complementary-Code-Keying) 코드들의 세트의 각각의 하나를 포함하고, 각각의 CCK는 8개의 복소 칩들로 구성되며, 각각의 복소 칩은 4개의 가능한 QPSK 심볼들 중 하나로서 인코딩된다. 시그니처는 국제공개 WO 2019/038542에 개시된 바와 같은 시그니처일 수 있으며, 그 전체 내용은 본원에 참고로 포함된다. 다른 세트의 실시예들에서, 시그니처들은, CP-FSK(continuous-phase frequency-shift-keying) 변조를 사용하여 인코딩되는 각각의 이진 식별자들이다.
각각의 송신기 유닛(2 내지 5)은 매초마다 한 번씩과 같이 시간 간격을 두고 그의 시그니처를 송신한다. 물론 다른 주기도 가능하다. 모바일 수신기 유닛(7)은 수신된 초음파 신호들을 검출하고 복조하여, 수신기 유닛(7)의 가청 거리 내에서 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5)에 의해 전송되었던 시그니처들을 식별하도록 시도한다. 수신되고 복조되는 각각의 CCK 코드에 대해, 코드를 전송한 각각의 송신기 유닛(2, 3, 4, 5)의 아이덴티티가 결정될 수 있다.
특히, 많은 수의 송신기 유닛들을 갖는 실시예들에서는, 모바일 수신기 유닛(7)으로 하여금 상이한 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5)로부터의 동일한 시그니처들 사이를 구별하게 하는 추가적인 정보를 송신하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 단거리 RF 신호, 또는 하나 이상의 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5)에 의해 전송되는 초음파 신호 내에 인코딩된 추가적인 데이터는 시그니처들로 하여금 모호함 없이 어느 장소를 가로지르는 상이한 위치들에서 재사용되게 할 수 있다.
수신기 유닛(7)은 내부 클럭을 사용하여 각각의 수신된 시그니처를 타임스탬핑한다. 수신기 유닛(7)은 각각의 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5)과(그리고 선택적으로는 서버(9)와 함께) 동기화될 수 있고, 따라서, 수신하는 모든 시그니처에 대해 전파 시간(TOF: time of flight)을 계산할 수도 있다. 알려진 송신기 위치들로부터의 세 개 이상의 TOF 측정들을 조합함으로써, 모바일 수신기 유닛(7)의 위치는 삼변측량의 기하학적 원리들(또한, 다변측량으로도 지칭됨)을 이용하여 결정될 수 있다. 이 동기화는 Bluetooth Low EnergyTM 연결과 같은 라디오 채널을 사용하여, 또는 임의의 다른 적절한 방식으로 수행될 수 있다. 클럭 동기화에 대한 한 가지 가능한 접근법은 본 출원인의 앞선 미국 특허 제9,398,534호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용은 본원에 참고로 포함된다.
일 예에서, 위치 결정 시스템은 근사적으로 68 cm의 공간 해상도(= 0.002초 x 공기 중 소리의 속도(340 m/s))에 대응하는 2밀리초의 개략적인 시간 해상도를 갖는다. 그러나, 이하에 기술되는 기술들을 사용하여, 훨씬 더 미세한 시간 해상도가 달성될 수 있다.
수신기 유닛(7)이 송신기들(2 내지 5)과 동기화되지 않은 경우, 수신기 유닛(7)의 위치를 결정하기 위해 전파 시간차(TDOF: time difference of flight) 방법이 여전히 사용될 수 있지만, 이 경우에, 더 많은 송신기 유닛들이 범위 내에 있어야 할 수 있다.
수신기 유닛(7)의 위치는 3차원(예를 들어, 방 1 또는 건물의 기준 프레임에 대한 x, y, z 직교 좌표들로서), 또는 2차원(예를 들어, 수평 평면에서만), 또는 1차원(예를 들어, 복도를 따르는 거리로서)으로 추정될 수 있다. 위치 결정 계산들은 모바일 수신기 유닛(7) 상에서 수행될 수 있거나, 또는, 수신기 유닛(7)이 타이밍 또는 거리 정보를 포함하는 수신된 신호들에 관한 정보를 서버(9)에 전송할 수 있으며, 서버는 계산의 일부 또는 전부를 수행할 수 있다.
도플러 편이는 모바일 수신기 유닛(7)이 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5) 중 하나 이상을 향해 또는 그로부터 멀리 이동할 때마다 발생한다.
도플러 편이로 인한 주파수의 변화는 다음에 의해 주어진다.
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여기서,
Figure pct00002
은 송신기 유닛(2, 3, 4, 5)을 향해 또는 그로부터 멀어지는 방향으로의 모바일 수신기 유닛(7)의 속도의 성분이고,
Figure pct00003
는 공기 중의 파동의 속도이며,
Figure pct00004
은 송신기 유닛으로부터 방출된 신호의 주파수이다. 양의
Figure pct00005
은 송신기 유닛(2, 3, 4, 5)을 향하는 모바일 수신기 유닛(7)의 이동을 나타낸다.
공기 중 소리의 속도의 상대적으로 낮은 값(근사적으로 340 m/s)은 전송된 신호에 상대적으로 큰 주파수 편이를 생성하도록 심지어 더 낮은 속도의 이동을 야기한다. 일 예로서, 모바일 수신기 유닛(7)을 운반하는 사람(6)이 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5) 중 하나를 향해 초당 1.5미터의 속도로 걷는 경우, 20 kHz에서의 음향 신호는 약 90 Hz의 주파수 상승을 경험할 것이다.
도플러 편이는 수신된 신호들의 위상 및 주파수에 상당한 영향을 미칠 수 있기 때문에, 모바일 수신기 유닛(7)은 코히런트(coherent) 검출 방법들을 쉽게 이용할 수 없다. 대신에, 비동기 검출 방법들이 사용된다.
시스템은, 예를 들어, CCK 코드들을 사용할 때 국제공개 WO 2019/038542에 개시된 바와 같이, 전송된 신호를 디코딩하는 정확도를 향상시키기 위해 도플러 편이 보상 메커니즘을 사용할 수 있다. 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이, 서버(9) 또는 모바일 수신기 유닛(7)에 의해 수신기 유닛(7)의 위치 추정 또는 추적을 개선하기 위해 (예를 들어, 주어진 송신기를 향해 또는 그로부터 멀어지게, 그리고 얼마의 방사상 속도로 이동하고 있는지 여부에 관계없이) 모바일 수신기 유닛(7)의 속도에 관한 정보를 결정하기 위해 도플러 편이의 측정들이 또한 사용된다.
비록 처리 단계들은 단순화를 위해 본원에서 수신기 유닛(7)에 의해 수행되는 것으로 설명되었지만, 일부 실시예들에서, 이러한 단계들은 그 대신에, 적절한 경우, 서버(9)에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 수행될 수 있음을 이해해야 한다. 중간 결과는 임의의 적절한 수단, 예를 들어, 무선 링크를 통해 수신기 유닛(7)과 서버(9) 사이에서 통신될 수 있다.
도 3은 모바일 수신기 유닛(7)의 일반적인 구조를 도시하는 반면, 도 4는 모바일 수신기 유닛(7)에 의해 수행되는 핵심 동작들의 흐름도이다. 대안적인 실시예들에서, 동작들 중 일부는 서버(9) 상에서 수행될 수 있다.
개요
수신된 초음파 에너지는 먼저, 초음파 신호를 기저대역 신호로 하향 변환하고 동상(in-phase)(I)(302) 샘플 및 직교 위상(quadrature-phase)(Q)(303) 샘플을 얻는 직교 복조기(301)를 통해 통과된다(단계 400). 하향 변환은 수신된 초음파 에너지를 국부 발진기(304)로부터 국부적으로 발생된 20 kHz신호의 2개의 복사본을 이용하여 주파수를 혼합함으로써 달성되는데, 복사본 중 하나는 다른 하나에 대해 90도 지연된다. 2개의 주파수 혼합된 신호들은 각각의 저역통과 필터들(305)을 통과하고, 이는 혼합 동작으로부터 발생하는 고주파수 성분들을 제거한다.
결과적인 동상(302) 성분 및 직교(303) 성분은 (예를 들어, 2 kHz의) 샘플링을 위해 각각의 아날로그 디지털 변환기들(306)을 통과한다. 이어서, 307에서 동상 샘플 및 직교 샘플이 조합되어 복소 IQ 데이터 샘플들의 시퀀스를 제공한다.
복소 IQ 데이터 샘플들은 샘플별로 패킷 검출기(308)에 공급된다. 패킷 검출기(308)는 수신된 신호에 시그니처가 존재할 것 같은 곳을 검출한다(단계 402). 그 후, 패킷 검출기(308)는 연관된 샘플들을 넌-코히런트(non-coherent) 디코더(309)에 출력한다. 패킷 검출기(308)는 또한 개략적인 도달 시간 추정치를 출력할 수 있다.
디코더(309)는 미리 결정된 세트의 시그니처 템플릿들 중 어느 것이 수신된 시그니처와 가장 잘 매칭되는지를 식별하기 위해 상관기를 사용하여, 수신된 신호를 송신한 특정한 송신기 유닛(2, 3, 4, 5)을 식별하며, 이는 선택적으로는 시그니처에 대한 더 정확한 도달 시간 추정치를 결정할 수 있다(단계 404). 또한, 디코더에서 도출된 오차 값 및 도플러 편이의 추정치(선택적으로는 도플러 편이 추정치에 대한 오차 값을 함께)를 결정하고, 이를 거리측정 모듈(310)에 전달한다(단계 406).
거리측정 모듈(310)은 도달 시간 정보 및 도플러 편이 정보를 처리하여, 본원에 개시된 신규한 방법들을 이용하여, 거리측정 오차와 함께, 각각의 송신기 유닛(2, 3, 4, 5)에 대한 거리측정 추정치를 계산한다(단계 408 내지 422). 거리측정 모듈(310)은 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)에 대한 거리측정 추정치들 및 거리측정 오차들을 삼변측량 모듈(311)에 전달한다. 삼변측량 모듈은 이러한 값들을 사용하여, 기하학적 최적화 문제, 예를 들어, 과다-지정된(over-specified) 구 또는 쌍곡선 교차점들에 대한 최소화 문제를 풀이함으로써 방 안의 모바일 수신기 유닛(7)에 대한 1D, 2D 또는 3D 위치 추정치를 결정한다(단계 424). 기하학적 최적화는 거리측정 오차를 사용하여 가중된다.
이 프로세스는 대개, 모바일 장치(7)가 추적되어야 하는 한, 모바일 수신기 유닛(7)으로 하여금 거의 실시간으로 추적되게 하면서 시간에 따른 연속된 위치 추정치들을 생성하기 위해, (단계 400으로 루프백하는 단계 424에 의해 지시되는 바와 같이) 계속적으로 수행된다. 삼변측량 모듈(311)로부터의 위치 추정치들은 시간 평활화를 제공할 수 있거나, 예컨대, 자이로스코프, 고도계, 나침반, RFID 위치결정 시스템 등으로부터의 위치 데이터의 하나 이상의 추가적인 소스들을 이용하여 위치 추정치들을 조합할 수 있는 칼만 필터(Kalman filter) 또는 다른 유사한 모듈에 입력될 수 있다.
위치 추정치들에 추가하여, 도플러 편이 정보(및 선택적으로는 연관된 도플러 편이 오차 값)는 또한, 모바일 수신기 유닛(7)의 속도에 관한 정보를 결정하는데 사용될 수 있다. 주어진 송신기 유닛(2, 3, 4, 5)에 대해, 모바일 수신기 유닛(7)이 송신기 유닛(2, 3, 4, 5)을 향해 또는 그로부터 멀어지게 얼마의 추정된 방사상 속도로 향하는지 여부가 결정될 수 있다. 일단 모바일 수신기 유닛(7)에 대한 위치 추정치가 알려지면, 이 정보는 각각의 방향을 따른 속도의 성분이 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)으로부터의 신호들로부터 결정될 수 있게 한다. 다수의 송신기 유닛들(2, 3, 4, 5)로부터 수신된 성분 속도 정보를 조합함으로써, 모바일 수신기 유닛(7)의 결과적인 순(net) 속도가 추정될 수 있다.
동작 세부사항
이제, 패킷 검출기(308), 디코더(309), 거리측정 모듈(310) 및 삼변측량 모듈(311)의 동작들이 더 상세히 설명될 것이다. 이러한 모듈들 각각은 모바일 유닛(7) 및/또는 서버(9) 내의 하나 이상의 프로세서들 상에서 실행되면서 전체적으로 소프트웨어로 구현될 수 있거나, 또는 하드웨어 회로(예를 들어, ASIC 또는 FPGA)로 구현될 수 있거나, 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합으로 구현될 수 있다.
패킷은 송신기 유닛 시그니처로만 구성될 수 있거나, 시그니처 및 연관된 데이터를 포함할 수 있다. 시그니처는, 모든 송신기 유닛들(2 내지 5)에 걸쳐 동일한 하나 이상의 공통 구성요소들, 예를 들어, 상수 프리앰블을 선택적으로 포함할 수 있다. 상이한 시그니처들은 바람직하게는 모두 동일한 길이를 가진다.
패킷 검출기(308)는 시그니처들과 동일한 길이를 갖는 성형(shaped) 윈도우를 사용하여 인입 패킷들을 검출한다(단계 402). 이 윈도우는 윈도우 내의 에너지 수준들을 단순히 합산하는, CCK 코드들을 검출하기 위한 국제공개 WO 2019/038542에 설명된 윈도우와 같은, 슬라이딩 에너지 윈도우일 수 있다. 대안적으로, 패킷 검출기(308)는 인입 신호를 성형 윈도우와 교차상관시키고, 해당 상관의 크기를 결정할 수 있다. 에너지 또는 상관 크기가 임계치를 초과할 때 패킷이 검출된다. 개략적인 도달 시간은 수신기 유닛(7)의 로컬 클럭을 사용하여, 피크의 위치로부터 결정된다. 예를 들어, 개략적인 도달 시간은 상관의 크기가 검출된 신호에 대한 최대 상관기 진폭의 임계 퍼센트에 있는 시점으로서 결정될 수 있다. 이 시점에서의 상관 크기의 기울기는 개략적인 도달 시간의 오차를 추정하는데 사용될 수 있다.
검출된 피크에 대응하는 샘플들은 시그니처를 디코딩하는 넌-코히런트 디코더(309)로 전달된다(단계 404). (디코더(309)는 또한 임의의 선택적인 데이터를 디코딩할 수 있다.) 디코더(309)가 동작하는 방식은 정확하게는, 사용되는 인코딩 방식에 의존할 것이다. 일부 실시예들에서는, 최대 우도 디코딩을 구현하기 위해 매칭된 필터 뱅크 접근법을 사용할 수 있다. 이는 (예를 들어, 도트 곱(dot product)을 계산함으로써) 시그니처 템플릿들의 세트에 대해 수신된 샘플들을 교차상관시키고, 가장 높은 상관 크기를 갖는 시그니처를 결정할 수 있고, 이에 의해 해당 시그니처를 전송한 송신기 유닛(2 내지 5)를 식별할 수 있다. 디코더(309)는 또한 예를 들어, (패킷 검출기(308)에 의해 출력되는) 상관기 크기의 기울기 및/또는 관찰된 잡음으로부터, 디코더로부터 도출된 오차 값을 결정한다.
디코더(309)는 시그니처에 대한 추정된 도플러 주파수 편이를 결정한다. 이는, 수신된 샘플들의 푸리에 변환을 주파수 영역에서의 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)에 대한 시그니처 템플릿들과 비교함으로써, 또는 국제공개 WO 2019/038542에 개시된 방법들 중 임의의 것을 이용함으로써, 또는 임의의 다른 적절한 방식으로, 수행할 수 있다. 신호가 시선 경로를 따라 도달한다고 가정하면, 도플러 편이의 양은 송신기(2 내지 5)에 대한 모바일 유닛(7)의 방사상 속도 성분에 의존할 것이다. 도플러 편이는 디코더(309)에 의해 모바일 수신기 유닛(7)의 속도의 방사상 성분의 값을 계산하기 위해 사용된다(단계 406). 다수의 송신기 유닛들(2 내지 5)로부터의 신호들로부터 결정하면서, 모바일 유닛(7)에 대한 각각의 방사상 속도 성분들을 조합함으로써, 모바일 수신기 유닛(7)에 대한 하나의 결과적인 속도 벡터가 계산될 수 있다.
거리측정 모듈(310)은 디코더(309)에 의해 식별된 시그니처에 각각 대응하는, 디코더(309)로부터 일련의 튜플들을 수신한다. 각각의 튜플은 적어도 {송신기 유닛 식별자, 도달 시간 스탬프, 디코더 오차 값, 속도 성분 값}을 포함한다. 튜플들 사이의 시간 간격들은, 예를 들어, 모바일 유닛(7)이 환경 주위를 이동함에 따른 다양한 전파 시간으로 인해, 또는 필요한 신호 대 잡음비를 갖는 가청 거리 내에 어떤 송신기 유닛들(2 내지 5)이 있는지에 대한 변화들로 인해, 불규칙적일 수 있다.
거리측정 모듈(310)은 연관된 송신기 유닛(2 내지 5)에 대한 알려진 전송 스케쥴에 기초하여, 전파 시간을 결정하고, 전파 시간을 소리의 속도와 곱함으로써, 각각의 도달 시간 스탬프를 거리로 변환한다. (이는 시스템이 동기화되어 있다고 가정하며, 만약 그렇지 않다면, 거리측정 모듈(310) 및 삼변측량 모듈(311)은 그 대신에 모바일 유닛(7)을 추적하기 위해 도달 시간차 및 타원체 교차 접근법을 사용할 수 있다.) 이 거리는 전파 선 경로의 경우 직선 거리를 나타내지만, 환경에서 하나 이상의 반사 후에 신호가 도달한 경우 더 길어질 수 있다.
거리측정 모듈(310)은 이동(rolling) 시간 윈도우 동안 수신된, 예를 들어, 이전 4초(또는 3초 및 15초 사이)동안 수신된, 적어도 {거리 측정값들, 디코더 오차 값들, 속도 값들}을 포함하는 튜플들의 버퍼를 유지한다(단계 410). 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)에 대해 1초의 송신율(transmission rate)을 이용한 경우, 시간 윈도우는 대개, 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)으로부터의 4개의 거리측정 값들을 포함할 것이지만, 여기에는 누락되거나 오차가 있는 송신들로 인한 갭이 있을 수 있다. 더 짧은 시간 윈도우는 레이턴시를 감소시킬 수 있지만, 하나 이상의 송신기 유닛들에 대한 신뢰할 수 있는 거리측정 값을 결정하기에 데이터가 불충분한, 더 높은 위험을 가질 수 있다. 송신기 유닛들(2 내지 5) 모두에 걸쳐, 가장 최근에 수신된 튜플의 도달 시간에 대한 각각의 튜플의 수명이 또한 저장된다. 가장 최근에 수신된 튜플의 타임스탬프는 시간 기준 t=0을 정의하는 것으로 간주될 수 있고, 이전의 도달 시간은 이 타임스탬프로부터 음의 시간 오프셋들이 된다.
거리측정 모듈(310)은 버퍼에 저장된 값들로부터 예를 들어, 매초마다, 또는 매 4초마다 규칙적인 간격으로 새로운 위치 추정치를 결정한다. 이는 다음과 같이 수행된다.
먼저, 버퍼 내의 튜플들은 이상값(outlier)들을 제거하기 위해 선택적으로 필터링될 수 있다(단계 412). 이는, 패킷 검출기(308)에 의해, 예를 들어, 상관기 피크의 크기로부터 출력될 수 있는, 시그니처에 대한 수신된 신호 강도 값(RSS: received signal strength value)의 제곱근의 역수와, 전파 시간 거리 측정값들 사이의 강인한(robust) 선형 회귀를 수행함으로써 수행될 수 있다. 회귀에 의해 식별되는 이상값들은 제거될 수 있다. 그러나 임계치는 바람직하게는 높게 설정되어 있으므로, 극단적인 이상값들만 제외된다.
버퍼 내에 특징된 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)(i)에 대해, 거리측정 모듈(310)은 해당 송신기 유닛에 대한 가장 최근 튜플의 도달 시간(T1 i )으로부터 시간적으로 뒤로 이동하면서, 송신기 유닛(i)으로부터의 시그니처들의 도플러 유도된 속도 값들을 수치적으로 적분하여, 대응하는 거리 값들의 대응하는 세트를 생성하는데, 거리 값들 각각은 (시선 경로를 가정하면) 해당 송신기 유닛 및 T1 i 에 대한 각각의 튜플의 도달 시간 사이에서 모바일 유닛(7)에 의해 이동된 거리의 방사상 성분의 각각의 추정치이다(단계 414). 적분은 심슨 규칙(Simpson's rule), 또는 임의의 다른 적절한 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 적분이 역방향으로 수행되기 때문에, 방향은 대응하는 거리측정 값들에 대해 반대 부호를 가질 것이다.
각각의 송신기 유닛(2 내지 5)에 대해, 거리측정 모듈(310)은 각각의 도플러 유도된 거리 성분을 그의 대응하는 전파 시간 거리에 대해 차감하여 준-정적(quasi-static) 거리측정 추정치들의 세트를 생성하며, 이들 모두는 시간(T1 i )에 대해 조절된다(단계 416). 시간 윈도우에 걸쳐 모바일 장치(7)의 움직임이 균일한 경우, 그리고 측정 오차들이 없는 경우, 이론적으로, 특정 송신기 유닛에 대한 모든 준-정적 거리측정 추정치들은 동일해야 하며, 해당 송신기 유닛에 대해 수신된 가장 최근의 튜플의 거리와 동일해야 한다. 그러나 오차 항의 존재는 일반적으로 실제로는 그렇지 않다는 것을 의미한다.
그 후, 거리측정 모듈(310)은 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)에 대해 개별적으로, 각각의 가중된 최소제곱 선형 회귀 분석을 수행하여, 해당 송신기 유닛으로부터의 준-정적 거리들을 시간에 따라 피팅한다(단계 418). 시간 윈도우에서 3개 미만의 튜플들을 제공한 임의의 송신기 유닛(2 내지 5)은 불충분하게 가청되므로 배제되는데, 이는 단지 하나의 데이터 포인트를 이용해서는 선형 피팅이 가능하지 않기 때문에, 그리고 선형 피팅은 단지 두 개의 데이터 포인트들만 있는 경우 (자명하지 않은) 분산 측정을 결정하는데 사용될 수 없기 때문이다. 각각의 준-정적 거리는 (보다 덜 신뢰할 수 있는 도달 시간 거리들에는 더 낮은 가중치가 제공되도록) 대응하는 디코더 오차 값에 역으로 가중되고, 수명에 역으로(더 오래된 튜플들에 더 낮은 가중치가 제공되도록) 가중된다. 특히, 일부 실시예들에서, 의존성의 많은 변형들이 가능하지만, 거리는 거리측정 오차의 분산(즉, 표준편차 제곱)에 반비례하여 가중될 수 있다. 시간-기반 가중치는 t=0에서 1에서부터 감소하여, 과거로 시간 윈도우의 지속기간 동안(예를 들어, 지난 4초 동안) 0으로 감소하면서, 선형으로 적용될 수 있다. 선형 피팅은 선택적으로는, 0의 기울기(즉, 수평)를 갖도록 더 제한될 수 있다. 이는 실제 거리측정 변화들과 도플러 유도된 속도들 사이에 완벽한 피팅이 존재하는 것에 대응하며, 이러한 거동으로부터의 임의의 편차는 큰 제곱평균제곱근(root-mean-square) 편차(또는 표준편차)를 초래한다.
거리측정 모듈(310)은 각각의 선형 피팅을 사용하여, 범위 내의 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)에 대해 시간 t=0에서의 준-정적 거리의 각각의 추정치를 얻는다. 이는 또한 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)에 대한 준-정적 거리측정 데이터에서의 오차의 추정치를 결정하는데, 여기서, 송신기 유닛의 거리측정 오차는 해당 송신기 유닛에 대한 가중된 선형 피팅의 제곱평균제곱근 편차와 동일하다(단계 420). (도달 시간이 t=0으로 정의된) 가장 최근에 수신된 시그니처를 전송한 송신기 유닛을 제외한 각각의 송신기 유닛에 대해, 해당 송신기 유닛으로부터의 가장 최근의 시그니처는 도달 시간 T1 i < 0일 것이고, 따라서 t=0에 대한 준-정적 거리측정 추정치는, 해당 송신기 유닛에 대한 가장 최근의 도플러 속도 값을 사용하여 기간 t=T1 i 내지 t=0에 걸쳐 시간적으로 순방향으로 거리측정 추정치를 투사함으로써 개선될 수 있다. 이는, 준-정적 거리측정 추정치에 -T1 i 을 곱한 속도를 더하여, 가청 거리 내에 있는 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)에 대해, 조절된 거리측정 값을 산출함으로써 이를 수행한다(단계 422).
그 후, 거리측정 모듈(310)은 시간 윈도우에 걸쳐 가청 거리 내에 있던 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)(i)에 대해 전술한 바와 같이 계산된, 조절된 거리측정 값(R qs i ), 및 거리측정 오차 값
Figure pct00006
을 삼변측량 모듈(311)에 전달한다.
삼변측량 모듈(311)은 방(1) 안의 송신기 유닛들(2 내지 5)의 위치들을 알고 있다. 바람직하게는, 충분히 많은 송신기 유닛들(2 내지 5)이 방(1)에 설치되며, 모바일 유닛(7)의 위치를 결정하는 문제는 일반적으로 과다 지정(over-specified)될 것이지만(즉, 가청 거리에 공간적 치수들의 필요한 수보다 더 많은 송신기 유닛들을 갖지만), 거리측정 데이터에는 오차가 있다. 따라서, 삼변측량 모듈(311)은 거리측정들 및 거리측정 오차들을, 제곱된 잔차들의 가중 합에 기초하여 비용함수를 최소화하려고 하는 기하학적 최적화 프로세스에 입력한다(단계 424). 기울기는 해석적으로 계산된다. 최적화는 준-뉴턴(quasi-Newton) 방법을 사용하여 풀이될 수 있다.
특히, 위치는 비용함수를 최소화함으로써 추정될 수 있다.
Figure pct00007
여기서
Figure pct00008
여기서
- r은 모바일 장치(7)가 위치 {x, y, z}에 있을 때 송신기 유닛(i)(i = 1,.., N) 및 모바일 장치(7) 사이의 거리이고, 여기서, x, y, z는 (2D로 추적될 때 {x, y}로 또는 1D로 추적될 때 {x}만으로) 풀이할 미지수들이며,
- R qs i 는 거리측정 모듈(310)로부터 수신된 바와 같이, 송신기 유닛(i)에 대한 조절된 준-정적 거리측정 추정치이고,
- wt i 는 관찰 기간에 의존하는 가중치이며(예를 들어, 버퍼의 지속기간에 걸쳐 시간에 따라 선형적으로 감소함),
- RSS i 는 패킷 검출기(308)에 의해, 예를 들어, 상관기 피크의 크기로부터 결정되는 바와 같은, 송신기 유닛(i)으로부터 수신된 가장 최근의 시그니처에 대한 수신된 신호 강도 값이고,
-
Figure pct00009
은 거리(예를 들어, 30센티미터)에 대한 더 낮은 표준편차 한계를 나타내는 선택적인, 시스템에 특이적인 상수이며,
-
Figure pct00010
은 거리측정 모듈(310)로부터 수신된 바와 같은, 송신기 유닛(i)에 대한, 송신기 유닛의 거리측정 오차이다.
이런 식으로, 각각의 송신기 유닛들의 기여도들은 보다 새로운 거리측정 추정치들에 우호적인 것으로, 그리고 (대개, 더 가까운 송신기 유닛들에 대응하는) 더 강한 신호들로부터의 거리측정 추정치들에 우호적인 것으로, 그리고 모션-기반 도플러 정보가 이전의 4초 시간 윈도우에 걸쳐 거리측정 이력과 강하게 일관되었던 거리측정 추정치들에 우호적인 것으로, 가중된다.
삼변측량 모듈(311)은 시간 간격을 두고, 위치들의 시계열을 출력할 수 있다. 이러한 구간들은 규칙적일 수 있거나, 또는, 신뢰할 수 있는 추정치가 결정될 수 있게 하기 위해 특정 시간 윈도우에 불충분한 시그니처들이 수신되는 경우에는 불규칙적일 수 있다.
준-뉴턴 최적화 방법은 위치 {x, y, z}에 대한 초기 추측을 필요로 한다. 시작 시, 이는 가중 평균 위치로서 계산될 수 있다. 후속하여, 가장 최근의 위치가 다음 최적화 사이클에 대한 추측으로서 사용될 수 있다. 이는 또한, 해당 위치가 계산된 이후 경과된 시간 및 가장 최근의 위치에 기초하여 모바일 장치(7)의 현재 위치를 예측하기 위해 추정된 속도 벡터를 이용함으로써 보다 효율적으로 수행될 수 있다.
삼변측량 모듈(311)은 선택적으로는, 헤세 행렬(Hessian)(비용함수의 편도함수)을 수치적으로 계산함으로써 각각의 {x, y, z} 위치 추정치에 대한 오차 추정치를 결정할 수 있다.
삼변측량 모듈(311)은 선택적으로는, 각각의 송신기 유닛(2 내지 5)에 대해 결정된 방사상 속도 성분들을 모바일 장치(7) 상에 중심을 둔 직교좌표계로 투사함으로써 장치 속도 벡터 및 그 오차를 결정할 수 있다. 이는, 범위 내의 송신기 유닛들(2 내지 5)의 수가 좌표계의 차원(즉, 1D, 2D 또는 3D)과 동일한 경우에 바로 풀리지만, 대개는, 차원들보다 더 많은 속도 벡터들을 가져, 과다 결정(overdetermined)될 수 있다. 이 경우, 삼변측량 모듈(311)은 비용 최적화 프로세스에서 상술한 바와 같이 계산된 가중치들(w i )을 사용하여 행들이 가중되는 기하학적 좌표 변환 행렬을 계산할 수 있다. 그 후, 이 행렬의 의사-역을 계산하고, 가장 최근의 방사 속도 추정치들을 역 행렬과 곱하여 장치의 속도 벡터를 획득할 수 있다.
일부 실시예들에서, 디코더(309)는 각각의 도플러 편이 측정에 대한 오차 값을 출력할 수 있고, 그로부터, 속도 성분 오차 값이 속도 값의 각각의 성분에 대해 결정될 수 있다. 이러한 오차 값들은 디코더(309)에 의해 결정된 하나의 주파수-오프셋 추정치의 신뢰성(예를 들어, 높은 신호-대-잡음 비가 존재하는 경우, 또는 디코딩 동안에 주파수 오프셋이 균일하지 않은 경우에 더 높음)에 의존할 수 있거나, 또는 복수의 주파수 추정치들에 대한 일관성에 의존할 수 있다. 이 경우, 카테시안 속도 오차 추정치는 이들 방사상 속도 오차들에 기초하여 유사하게 계산될 수 있지만, 모든 곱셈들이 제곱으로 수행되었다.
일부 실시예들에서, 3차원의 결과적인 장치 속도 벡터는, 예를 들어, 평면 속도 벡터를 결정하기 위해 수평 평면에서의 속도 벡터를 분해함으로써, 모바일 수신기 유닛(7)에 대한 2차원의 무차원 방향 벡터를 결정하도록 처리될 수 있으며, 이는 그후 유닛 길이로 정규화된다. 연관된 3D 속도 오차 추정치에 기초하여, 연관된 2D 방향 벡터 오차가 또한 결정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 위치 추정치들(그리고, 선택적으로는, 위치 오차 값들, 및/또는 속도 또는 방향 벡터들, 및/또는 속도 또는 방향 오차 값들)은 개선된 위치 데이터를 생성하기 위해 칼만 필터 모듈에 입력될 수 있다. 칼만 필터(Kalman filter)는 이들을, 자이로스코프 또는 자기력계로부터의 방향 데이터(heading data)와 같은, 다른 센서 데이터와 조합할 수 있다.
삼변측량 모듈(311)에 의해 추정되는 위치들 및 모바일 수신기 유닛(7)에 대한 방향 벡터(무차원일 수 있거나, 특정 길이 값을 가질 수 있음)는 메모리에 저장되고/되거나, 디스플레이 스크린 상에서 또는 네트워크 인터페이스를 통해 더 처리 및/또는 출력될 수 있다. 위치 데이터는 모바일 수신기 유닛(7)의 하나 이상의 기능들을 제어하기 위해 사용될 수 있고, 예를 들어, 장치(7)로 하여금 미리 결정된 지오펜스를 통과할 때 경보를 울리게 하거나, 또는 쇼핑몰 내의 특정한 소매 상점에 근접할 때 광고를 디스플레이하게 하기 위해 사용될 수 있다. 이는 모바일 수신기 유닛(7)을 추적하기 위해 서버(9)에 의해 사용될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 모바일 수신기 유닛(7)의 사용자를 안내하기 위해, 위치 추정치 및 방향 벡터가 모바일 수신기 유닛(7)의 디스플레이 스크린 상에 디스플레이될 수 있다.
도 5는 디스플레이 스크린(501)을 갖고, 환경 내에서 모바일 수신기 유닛(7)에 대한 위치 및 방향 벡터를 디스플레이하도록 구성되는, 모바일 수신기 유닛(7)의 일 실시예를 도시한다. 이는 내비게이션 애플리케이션이 실행되는 동안의 디스플레이(501)의 콘텐츠의 시뮬레이션을 도시한다. 유닛(7)은 스마트폰 또는 다른 개인용 컴퓨팅 장치일 수 있다.
디스플레이(501)는 쇼핑몰과 같은 환경의 전체 스크린의 평면도 지도(502)를 도시한다. 십자선 아이콘(503)은 삼변측량 모듈에 의해 결정되는 바와 같이, 지도(502) 상에서의 모바일 수신기 유닛(7)의 위치에 중심을 둔다. 특정한 소매 상점들의 위치들 또는 다른 관심 지점들(505)을 포함하는 지도(502) 상의 특징부들, 및 다른 지도 데이터는 모바일 수신기 유닛(7)의 메모리에 일시적으로 또는 영구적으로 저장된다. 모바일 수신기 유닛(7)이 움직이고 있을 때, 그 방향은 십자선(503)에 대해 동심으로 위치된 환형(annular) 섹터(507) 내의 고정된 폭의 방사형 라인(radial line)(509)의 형태로 디스플레이(501) 상에 표현된다. 지도(502)에 대한, 환형 섹터(507) 및 방사형 라인(509)의 방향은 모바일 수신기 유닛(7)의 현재 방향을 나타내는데 사용된다. 라인(509)은 결정된 2D 방향 벡터의 방향으로 배향되는 반면, 방향 벡터에 대한 오차 값은 환형 섹터(507)의 가변 각도에 의해 표현되는데, 작은 각도의 환형 섹터는 방향 벡터의 낮은 오차 또는 불확실성을 나타내는 반면, 큰 각도의 환형 섹터는 방향 벡터에서의 높은 정도의 불확실성을 나타낸다. 이는 쉽게 이해되는 방식으로 방향의 신뢰도를 전달할 수 있다. 방향 벡터가 특정 임계치보다 큰 연관된 오차를 갖는 경우, 방향 벡터 내의 높은 불확실성 정도를 나타내기 위해 환형 섹터 대신에 완전한 360도의 고리가 디스플레이될 수 있다.
모바일 수신기 유닛(7)이 환경 내에서 이동함에 따라, 디스플레이(501) 상의 십자선(503)의 위치는 지도(502) 내에서 이동한다. 환형 섹터(507) 및 방사형 라인(509)은 사용자가 방향을 변경함에 따라 십자선 아이콘(503) 주위에서 회전한다. 이런 식으로, 모바일 수신기 유닛(7)의 사용자는 수신기 유닛(7)의 방향과는 독립적으로, 디스플레이(502)를 이용하여, 환경 내에서 쉽게 경로탐색할 수 있다.
통상의 기술자는 본 발명이 하나 이상의 특정 실시예들을 설명하여 예시되었지만, 이들 실시예로 제한되지는 않으며, 첨부된 청구항의 범위 내에서 많은 수정 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (22)

  1. 하나의 모바일 수신기 유닛 및 복수의 송신기 유닛들을 포함하는, 위치결정 시스템을 위한 처리 시스템으로서, 상기 복수의 송신기 유닛들 각각은 시간 간격을 두고 각각의 송신기에 특이적인 식별 신호들을 전송하도록 구성되고, 상기 처리 시스템은 각각의 수신된 식별 신호를 전송한 상기 송신기 유닛을 식별하도록 구성되며, 상기 처리 시스템은 상기 복수의 송신기 유닛들 각각에 대해,
    - 시간 윈도우 동안에 상기 송신기 유닛으로부터 상기 모바일 수신기 유닛에 의해 수신된 복수의 상기 식별 신호들 각각의 도달 시간을 결정하고;
    - 도달 시간들을 처리하여, 상기 시간 윈도우 동안 시간 간격을 두고 상기 송신기 유닛과 상기 모바일 수신기 유닛 사이의 복수의 거리들을 나타내는 거리측정 데이터를 결정하며;
    - 상기 복수의 수신된 식별 신호들로부터 도플러 편이 정보를 결정하고;
    - 상기 도플러 편이 정보를 이용하여, 상기 시간 윈도우 동안 상기 모바일 수신기 유닛의 속도의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 속도 데이터를 결정하며;
    - 상기 속도 데이터에 대해 적분 동작을 수행하여, 상기 시간 윈도우 동안에 하나 이상의 간격들에 걸쳐 상기 모바일 수신기 유닛에 의해 이동된 거리의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 거리 데이터를 결정하고;
    - 상기 거리측정 데이터 및 상기 거리 데이터에 대해 비교 동작을 수행하여, 상기 송신기 유닛에 대한 거리측정 오차 데이터를 결정하며;
    - 상기 거리측정 데이터를 이용하여, 상기 송신기 유닛과 상기 모바일 수신기 유닛 사이의 거리를 나타내는 거리측정 추정치를 결정하도록 구성되고,
    상기 처리 시스템은, 상기 복수의 송신기 유닛들에 대해 결정된 상기 거리측정 추정치들을 사용하여 최적화 문제를 풀이함으로써 상기 모바일 수신기 유닛에 대한 위치 추정치를 결정하도록 더 구성되고, 각각의 송신기 유닛에 대한 상기 거리측정 추정치는 상기 각각의 송신기 유닛에 대해 결정된 상기 거리측정 오차 데이터에 의존하여 상기 최적화 문제에서 가중되는, 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처리 시스템은 상기 식별 신호들 각각의 전송 시간을 나타내는 정보에 액세스하고, 상기 거리측정 데이터를 결정할 때 상기 전송 시간들을 사용하도록 구성되는, 처리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 수신된 식별 신호들 각각으로부터 각각의 속도 성분 값을 결정하도록 구성되는, 처리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 속도 성분 값들 각각과 연관된 각각의 속도 성분 오차 값을 결정하도록 구성되는, 처리 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 복수의 수신된 식별 신호들 각각으로부터 상기 각각의 속도 성분 값들을 처리함으로써 상기 모바일 수신기 유닛에 대한 결과적인 속도 벡터를 결정하도록 구성되는, 처리 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 속도 성분 값들을 이용하여 최적화 문제를 풀이함으로써 상기 모바일 수신기 유닛에 대한 속도 벡터 및 연관된 속도 벡터 오차 값을 결정하도록 구성되며, 각각의 속도 성분 값은 각각의 연관된 속도 성분 오차 값에 의존하여 상기 최적화 문제에서 가중되는, 처리 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모바일 수신기 유닛의 속도의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 상기 속도 데이터를 처리함으로써 상기 모바일 수신기 유닛에 대한 방향 벡터를 결정하도록 구성되는, 처리 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 속도 성분 값들을 처리하여 하나 이상의 각각의 방향 값들을 생성함으로써, 그리고 상기 방향 값들을 이용하여 최적화 문제를 풀이함으로써 상기 모바일 수신기 유닛에 대한 방향 벡터를 결정하도록 구성되고, 각각의 방향 값은 각각의 연관된 방향 오차 값에 의존하여 상기 최적화 문제에서 가중되는, 처리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모바일 수신기 유닛은 자이로스코프 또는 자기력계를 포함하고, 상기 최적화 문제는 상기 방향 값들에 부가하여, 상기 자이로스코프 또는 상기 자기력계를 이용하여 결정된 방향 값 및 연관된 방향 값 오차를 입력으로서 취하는, 처리 시스템.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모바일 수신기 유닛은 디스플레이를 포함하고, 상기 디스플레이 상에 상기 방향 벡터의 그래픽 표현을 디스플레이하도록 구성되는, 처리 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 송신기 유닛에 대해, 상기 복수의 식별 신호들을 필터링하여, 각각의 식별 신호에 대한 신호 강도 정보와 상기 거리측정 데이터를 비교함으로써 이상 신호들을 제거하도록 구성되는, 처리 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비교 동작은, 각각의 송신기 유닛에 대해, 상기 거리측정 데이터로부터의 하나 이상의 거리측정 값들에 상기 거리 데이터로부터의 하나 이상의 거리 값들을 더하여, 각각의 식별 신호들에 대한 준-정적 거리측정 값들을 생성하는 단계 ― 상기 준-정적 거리측정 값들은 시간적으로 공통된 지점에 대한 추정된 거리측정 값들을 나타냄 ―, 및 상기 준-정적 거리측정 값들 및 상기 대응하는 식별 신호들의 도달 시간들에 대한 회귀 또는 상관 동작을 수행하여 상기 거리측정 오차 데이터를 결정하는 단계를 포함하는, 처리 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비교 동작은, 더 나중에 수신된 식별 신호들로부터 획득된 거리측정 값들에 대해서보다 더 먼저 수신된 식별 신호들로부터 획득된 거리측정 값들에 대해 더 적은 가중치를 제공하도록 가중되는, 가중된 최소제곱 회귀 동작을 포함하는, 처리 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적화 문제는 모든 거리측정 추정치들이 직선 거리들에 대한 것으로 가정하는, 처리 시스템.
  15. 모바일 수신기 유닛의 위치를 결정하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은
    복수의 송신기 유닛들 ― 각각의 송신기 유닛은 시간 간격을 두고 각각의 송신기에 특이적인 식별 신호들을 전송하도록 구성됨 ―;
    상기 송신기에 특이적인 식별 신호들을 수신하도록 구성된 모바일 수신기 유닛; 및
    제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 처리 시스템을 포함하는, 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 식별 신호들은 주파수 또는 위상 변조를 이용하여 인코딩되는 음향 신호들인, 시스템.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    각각의 송신기 유닛은 규칙적인 간격들로 송신기에 특이적인 식별 신호들을 전송하도록 구성되고, 상기 규칙적인 간격들은 상기 송신기 유닛들에 걸쳐 공통된 지속기간을 가지며, 상기 시간 윈도우는 상기 공통된 지속기간의 적어도 3배인, 시스템.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모바일 수신기 유닛은 상기 처리 시스템의 일부 또는 전부를 포함하는, 시스템.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모바일 수신기 유닛은 프로세서 및 디스플레이를 포함하고, 상기 디스플레이 상의 상기 위치 추정치로부터 도출된 정보를 출력하도록 구성되는, 시스템.
  20. 모바일 수신기 유닛의 위치를 결정하는 방법으로서, 상기 방법은,
    복수의 송신기 유닛들로부터 시간 간격을 두고 송신기에 특이적인 식별 신호들을 전송하는 단계;
    모바일 수신기 유닛에서 상기 송신기에 특이적인 식별 신호들을 수신하는 단계;
    각각의 상기 수신된 식별 신호들을 처리하여 상기 각각의 식별 신호를 전송한 송신기 유닛을 식별하는 단계;
    각각의 송신기 유닛에 대해,
    - 시간 윈도우 동안 상기 송신기 유닛으로부터 상기 모바일 수신기 유닛에 의해 수신된 복수의 상기 식별 신호들 각각의 도달 시간을 결정하는 단계;
    - 상기 도달 시간들을 처리하여, 상기 시간 윈도우 동안 시간 간격을 두고 상기 송신기 유닛과 상기 모바일 수신기 유닛 사이의 복수의 거리들을 나타내는 거리측정 데이터를 결정하는 단계;
    - 상기 복수의 수신된 식별 신호들로부터 도플러 편이 정보를 결정하는 단계;
    - 상기 도플러 편이 정보를 이용하여, 상기 시간 윈도우 동안 상기 모바일 수신기 유닛의 속도의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 속도 데이터를 결정하는 단계;
    - 상기 속도 데이터에 대해 적분 동작을 수행하여, 상기 시간 윈도우 동안 하나 이상의 간격들에 걸쳐 상기 모바일 수신기 유닛에 의해 이동된 거리의 성분의 하나 이상의 값들을 나타내는 거리 데이터를 결정하는 단계;
    - 상기 거리측정 데이터 및 상기 거리 데이터에 대해 비교 동작을 수행하여, 상기 송신기 유닛에 대한 거리측정 오차 데이터를 결정하는 단계; 및
    - 상기 거리측정 데이터를 사용하여, 상기 송신기 유닛과 상기 모바일 수신기 유닛 사이의 거리를 나타내는 거리측정 추정치를 결정하는 단계; 및
    상기 복수의 송신기 유닛들에 대해 결정된 상기 거리측정 추정치들을 이용하여 최적화 문제를 풀이함으로써 상기 모바일 수신기 유닛에 대한 위치 추정치를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 최적화 문제는 상기 각각의 송신기 유닛에 대해 결정된 상기 거리측정 오차 데이터에 의존하여 각각의 송신기 유닛에 대한 상기 거리측정 추정치를 가중하는, 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 식별 신호들은 주파수 또는 위상 변조를 이용하여 인코딩되는 음향 신호들인, 방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 모바일 수신기 유닛은 상기 시간 윈도우 동안 움직이는, 방법.
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