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KR102610575B1 - 그물망 공간좌표 측위 시스템 - Google Patents

그물망 공간좌표 측위 시스템 Download PDF

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KR102610575B1
KR102610575B1 KR1020210056041A KR20210056041A KR102610575B1 KR 102610575 B1 KR102610575 B1 KR 102610575B1 KR 1020210056041 A KR1020210056041 A KR 1020210056041A KR 20210056041 A KR20210056041 A KR 20210056041A KR 102610575 B1 KR102610575 B1 KR 102610575B1
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이호재
이상선
김현진
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은, 그 위치 정보가 이미 결정되어 있으며 무선 거리 측정 기능을 구비한 기준점 스테이션과, 그 위치 정보가 가변적이며 무선 거리 측정 기능을 구비한 복수의 보조점 스테이션과, 다양한 유무선 통신 수단을 이용해 기준점 스테이션과 복수의 보조점 스테이션 간의 무선 거리 정보 및 복수의 보조점 스테이션 상호 간의 무선 거리 정보를 일정 시간마다 수신하여, 복수의 무선 거리 정보 및 기준점 스테이션의 위치 정보에 근거하여 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 일정 시간마다 산출하는 보조점 위치 산출 서버와, 보유한 제1 무선 통신 수단을 이용해 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 수신하여 자신의 위치 정보를 산출하는 이동 단말을 포함하는 그물망 공간좌표 측위 시스템을 제공한다.

Description

그물망 공간좌표 측위 시스템{WEB POSITIONING SYSTEM}
본 발명은 그물망 공간좌표 측위 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 공간 좌표가 변동될 수 있는 복수의 보조점 스테이션이 설치된 공간에서 기준점 스테이션의 공간 좌표와 보조점 스테이션 간의 거리 정보에 근거하여 보조점 스테이션의 공간 좌표를 일정 주기마다 산출함으로써 공간 내의 측위 대상 물체의 위치를 고정밀도로 측정할 수 있는 그물망 공간좌표 측위 시스템을 효과적으로 활용할 수 있는 방법에 관한 것이다.
위성 항법 시스템은 위성을 이용하여 사용자에게 현재의 위치 및 사용자가 원하는 목적지까지의 경로를 제공하는 시스템을 말한다. 현재 널리 이용되고 있는 위성 항법 시스템(Global Navigation Satellite System)은 미국에서 제공하는 GPS(Global Positioning System)가 대표적이다.
이러한 위성 항법 시스템의 대표적인 사용례로서 차량 항법(Car Navigation) 시스템이 있다. 차량 항법 시스템은 운전자에게 차량의 현재 위치를 파악하여 사용자가 원하는 목적지까지 최적 경로를 제공하며 경로에 따라 운전자를 안내하는 시스템을 말한다. 이러한 차량 항법 시스템은 일반적으로 GPS(Global Positioning System) 센서를 이용하여 차량의 현재 위치를 계산하고 현재 위치로부터 목적지까지의 경로 안내를 수행한다.
한편, 최근에는 무인으로 차량을 주행하는 무인 주행 시스템이 개발되고 있다. 무인 주행 시스템에서 차량의 차선 이탈을 방지하기 위해 차량 위치의 측정 정밀도는 수 센티미터 이내로 매우 높아야 하는데, 현재 사용되는 GPS의 위치 산출 오차는 수 미터 내외로 크다는 문제점이 있다.
또한, 위성항법 시스템을 구성하고 있는 위성에 대한 수명 및 유지관리의 한계가 있어 이에 대한 보완방식이 요구되고 있다.
또한, 향후에는 지하철, 지하차도, 지하상가 등과 같이 위성 신호가 도달하지 못하는 지하공간에서의 공간 정보를 얻기 위한 공간좌표 측위 시스템의 필요성이 증가할 것으로 예상되고 있다.
이에 대하여, 본 출원인의 특허출원 제10-2016-0122139호는 GPS 대비 위치 산출 정밀도를 높일 수 있도록 지상에 설치되어 있는 다수의 기준점 스테이션(ground base pont)과 보조점 스테이션(assistant point)을 이용하여 측위 대상의 위치를 측정할 수 있는 고정밀 공간정보 계측 지원 시스템을 개시하고 있다.
그러나 특허출원 제10-2016-0122139호의 고정밀 공간정보 계측 지원 시스템이 실제로 구현되기 위해서는 공간좌표를 알고 있는 국가 기준점으로부터 가시거리가 확보될 수 있는 거리 내에 다수의 기준점 스테이션을 일정 간격마다 설치해야 하는 문제점이 있다. 즉, 기준점 스테이션을 전국에 일정 간격마다 설치하는 경우, 큰 비용과 장기간의 공사 및 유지관리가 필요하므로 이를 구현하기에는 현실적으로 어려움이 있다.
또한, 특허출원 제10-2016-0122139호의 고정밀 공간정보 계측 지원 시스템은, 복수의 보조점 스테이션이 초광대역 통신(ultra wide bandwidth; UWB)을 이용해 보조점 스테이션의 위치 정보를 송신하기 때문에, 초광대역 통신을 이용하고 있지 않은 기존의 이동 단말은 자신이 보유하고 있는 무선 통신 수단을 이용해 보조점 스테이션의 위치 정보를 수신할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 측위 영역의 확장이 용이하며, 측위 대상에 대한 고정밀의 공간좌표 측정이 가능한 측위 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 초광대역 통신을 이용하고 있지 않은 기존의 이동 단말도 자신이 보유하고 있는 무선 통신 수단을 이용해 본 발명의 공간좌표 측위 시스템을 이용할 수 있는 공간좌표 측위 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명은, 그 위치 정보가 이미 결정되어 있으며 무선 거리 측정 기능을 구비한 기준점 스테이션과, 그 위치 정보가 가변적이며 무선 거리 측정 기능을 구비한 복수의 보조점 스테이션과, 다양한 유무선 통신 수단을 이용해 기준점 스테이션과 복수의 보조점 스테이션 간의 무선 거리 정보 및 복수의 보조점 스테이션 상호 간의 무선 거리 정보를 일정 시간마다 수신하여, 복수의 무선 거리 정보 및 기준점 스테이션의 위치 정보에 근거하여 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 일정 시간마다 산출하는 보조점 위치 산출 서버와, 보유한 제1 무선 통신 수단을 이용해 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 수신하여 자신의 위치 정보를 산출하는 이동 단말을 포함하는 그물망 공간좌표 측위 시스템을 제공한다.
여기서, 복수의 보조점 스테이션은, 다양한 유무선 통신 수단을 이용해 보조점 위치 산출 서버로부터 자신의 위치 정보를 일정 시간 마다 수신할 수 있다.
또한, 복수의 보조점 스테이션은, 서로 다른 복수의 제2 무선 통신 수단을 이용해 자신의 위치 정보 및 시간 정보를 일정 시간 마다 송신할 수 있다.
또한, 제1 무선 통신 수단은, GPS, 5G, 4G, Wi-Fi, UWB 및 Beacon 중 어느 하나를 이용해 보조점 스테이션의 위치 정보 및 시간 정보를 수신할 수 있다.
또한, 제2 무선 통신 수단은, GPS, 5G, 4G, Wi-Fi, UWB 및 Beacon 중 적어도 하나를 이용해 보조점 스테이션의 위치 정보를 송신할 수 있다.
또한, 이동 단말은, 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 수신한 순서에 따라 우선 순위를 부여하고, 우선 순위에 따라 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 선택하여 자신의 위치 정보를 산출할 수 있다.
또한, 보조점 위치 산출 서버는, 복수의 무선 거리 정보에 대해 무선 거리 정보마다 방정식을 구하고 구한 방정식으로부터 만든 연립 방정식을 풀어 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 산출할 수 있다.
또한, 복수의 보조점 스테이션은, 서브 보조점 스테이션과 메인 보조점 스테이션으로 구성되어, 메인 보조점 스테이션이 보조점 스테이션 간의 무선 거리 정보를 수집하여 보조점 위치 산출 서버로 전송할 수 있다.
또한, 기준점 스테이션은, 절대 거리 측정 기능을 더 구비하여, 자신과 특정의 보조점 스테이션 간의 절대 거리를 측정하고, 측정된 거리 정보를 보조점 위치 산출 서버로 전송할 수 있다.
또한, 기준점 스테이션은, 복수의 보조점 스테이션으로부터 무선 거리 정보를 수집하여 보조점 위치 산출 서버로 전송할 수 있다.
또한, 본 발명은 별도의 보조점 위치산출 서버를 두지 않고 보조점 스테이션의 위치정보를 산출하는 기능이 기준점 스테이션에 구비될 수 있다.
이와 같이, 기준점 스테이션에 보조점 스테이션의 위치정보 산출 기능이 포함되어 있는 경우, 기준점 스테이션이 보조점 스테이션으로부터 무선 거리정보를 수집하여 자신과 특정의 보조점 스테이션 간의 절대 거리정보, 각 보조점 스테이션으로부터 수집한 무선 거리정보 및 자신의 위치정보에 근거하여 각 보조점 스테이션의 위치정보를 산출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 공간 좌표가 변동될 수 있는 복수의 보조점 스테이션이 설치된 공간에서 1개 이상의 기준점 스테이션의 공간좌표와 스테이션 간의 거리 정보에 근거하여 보조점 스테이션의 공간좌표를 일정 시간마다 산출할 수 있어서 이동 단말의 위치를 고정밀도로 계측할 수 있으며, 동시에 시스템의 유지 및 관리를 위한 효율적인 방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 초광대역 통신을 이용하고 있지 않은 기존의 이동 단말도 자신이 보유하고 있는 무선 통신 수단을 이용해 본 발명의 공간좌표 측위 시스템을 이용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 무선 통신 수단을 이용한 그물망 공간좌표 측위시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 기준점 스테이션과 보조점 스테이션에 의해 만들어진 측위 셀을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템에서 보조점의 위치 좌표를 산출하는데 필요한 보조점 스테이션 사이의 거리와, 보조점 스테이션과 지상원점 스테이션 사이의 거리를 초광대역 통신 또는 레이저 거리측정으로 얻을 수 있는 방정식의 개수와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템에서 이동 단말이 자신의 위치를 계측할 수 있도록 사전 수행되는 프로세스를 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템에서 단방향 무선 측위 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템에서 양방향 무선 측위 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템에서 이동 단말의 공간 좌표를 지도 상의 절대좌표로 변환하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공간좌표 측위 시스템의 구성을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 공간좌표 측위 시스템은 기준점 스테이션(100), 보조점 스테이션(110), 보조점 위치 산출 서버(120), 이동 단말(130) 등을 포함한다.
공간좌표 측위 시스템의 각 구성을 설명하기에 앞서, 위치 정보는 각 객체의 공간좌표(x, y, z)를 의미하고, 거리 정보는 두 객체 간의 거리를 의미하며, 방송 정보는 위치 정보 및 시간 정보를 포함하는 정보를 의미한다. 공간 좌표와 위치 정보는 혼용하여 사용하기로 한다.
기준점(global point) 스테이션(100)은 설치 장소와 비용 및 최적화 알고리즘을 고려하여 최소한의 수량으로 설치되어 있으며, 무선 거리 측정 및 절대 거리 측정 기능을 구비하고 있다. 기준점 스테이션(100)의 공간좌표는 국가 기준점으로부터 정의되어 이미 알려져 있다.
무선 거리 측정 기능은 무선 신호에 근거하여 두 객체 간의 거리를 측정하여 무선 거리 정보(점선 표시)를 산출하는 기능이고, 절대 거리 측정 기능은 레이저 또는 광을 이용하여 두 객체 간의 거리를 측정하여 절대 거리 정보(실선 표시)를 산출하는 기능이다.
기준점 스테이션(100)은 레이저 거리 측정 기능으로 원거리에 위치한 보조점 스테이션(110)까지의 정확한 거리 정보를 측정하거나, 인접하는 보조점 스테이션(110)과의 무선 거리 정보를 측정하여 보조점 위치 산출 서버(120)로 전송할 수 있다.
또한, 기준점 스테이션(100)은 복수의 보조점 스테이션(110)으로부터 무선 거리정보를 수집하여 수집한 무선 거리 정보를 보조점 위치 산출 서버(120)로 전송할 수 있다.
보조점(assistant point) 스테이션(110)은 지상에 수십 미터 간격마다 설치될 수 있으며, 무선 거리 측정 기능을 구비하고 있다. 보조점 스테이션(110)의 무선 거리 측정 기능을 통해 인접하는 두 보조점 스테이션(110) 간의 거리를 측정할 수 있다.
보조점 스테이션(110)의 공간좌표는 기준점 스테이션(100)과 같이 설치 시에 이미 알려져 있는 고정된 값이 아니며, 본 발명에서는 보조점 위치 산출 서버(120)가 보조점 스테이션(110)의 공간 좌표를 일정 주기로 산출할 수 있다.
보조점 스테이션(110)은 보조점 위치산출 서버(120)로부터 일정 주기마다 자신의 공간좌표를 수신하여 공간좌표 및 시간정보로 구성된 방송정보를 주변으로 송출한다.
보조점 스테이션(110)은 위치산출 알고리즘을 단순화시키기 위하여 지표면으로 일정 높이로 높게 설치될 수 있다. 이러한 보조점 스테이션(110)은 송출 타워나 건물에 설치될 수 있는데, 외부 충격이나 송출 타워의 이동 등과 같이 원래의 위치로 회복될 수 없는 요인에 의해 송출 타워나 건물에 유동이 발생하여 보조점 스테이션(110)의 위치가 변경될 수 있다.
이에 따라 보조점 스테이션(110)은 보조점 위치산출 서버(120)로부터 자신의 공간좌표를 일정 주기마다 수신함으로써 외부 환경에 의해 자신의 위치가 변경되더라도 실시간 산출된 공간좌표에 의해 정확한 위치를 보장받을 수 있다.
보조점 스테이션(110)은 각각 무선 거리정보를 보조점 위치산출 서버(120)로 전송할 수 있으나, 복수의 보조점 스테이션(110)이 메인 보조점 스테이션과 서브 보조점 스테이션으로 구성된 경우, 메인 보조점 스테이션이 서브 보조점 스테이션으로부터 무선 거리정보를 수집하여 수집한 무선 거리정보를 보조점 위치산출 서버(120)로 전송할 수 있다.
보조점 위치산출 서버(120)는 기준점 스테이션(100) 및 보조점 스테이션(110)으로부터 거리정보를 수신하고 기준점 스테이션(100)의 공간좌표 및 거리정보를 이용하여 각 보조점 스테이션(100)의 공간좌표를 산출한다. 보조점 위치산출 서버(120)는 보조점 스테이션(110)의 공간좌표를 보조점 스테이션(110)에 일정 주기마다 제공한다.
이동 단말(130)은 기준점 스테이션(100) 또는 보조점 스테이션(110)으로부터 송출되는 방송정보를 수신하여 자신의 위치정보를 산출한다.
이동 단말(130)은 기준점 스테이션(100) 또는 보조점 스테이션(110)으로부터 떨어진 거리를 구하고 그 거리를 반지름으로 하는 각각의 구가 교차하는 지점을 찾아 위치정보를 산출한다.
이동 단말(130)은 기준점 스테이션(100) 또는 보조점 스테이션(100)과 무선신호를 송수신하고 그들로부터 방송정보를 수신할 수 있는 기능을 구비하고 있다면 어떠한 종류의 기기나 장치라도 가능하다. 예를 들어, 이동 단말(130)은 스마트폰 등의 휴대단말이 될 수 있으며 자동차, 선박, 드론 등의 다양한 물체에 탑재될 수 있다.
도 1에서는 보조점 스테이션(110)의 공간좌표를 산출하기 위해 통신망에 연결된 보조점 위치산출 서버(120)가 독립적으로 존재하고 있으나, 별도의 보조점 위치산출 서버(120)를 두지 않고 보조점 스테이션(110)의 위치정보를 산출하는 기능이 기준점 스테이션(100)에 구비될 수 있다.
기준점 스테이션(100)에 보조점 스테이션(110)의 위치정보 산출 기능이 포함되어 있는 경우, 기준점 스테이션(100)이 보조점 스테이션(110)으로부터 무선 거리정보를 수집하여 자신과 특정의 보조점 스테이션 간의 절대 거리정보, 각 보조점 스테이션(110)으로부터 수집한 무선 거리정보 및 자신의 위치정보에 근거하여 각 보조점 스테이션(110)의 위치정보를 산출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 무선 통신 수단을 이용한 그물망 공간좌표 측위 시스템의 구성을 나타낸다.
도 2에서는 초광대역 통신(Ultra-wideband; UWB)은 실선으로 표시하였고, GPS, 5G, 4G, Wi-Fi, UWB 및 Beacon 통신은 점선으로 표시하였다.
도 2를 참조하면, 보조점 위치 산출 서버(120)는 초광대역 통신(Ultra-wideband; UWB)을 이용해 기준점 스테이션(100)과 복수의 보조점 스테이션(110) 간의 무선 거리 정보 및 복수의 보조점 스테이션(110) 상호 간의 무선 거리 정보를 일정 시간마다 수신할 수 있다. 그리고, 수신한 복수의 무선 거리 정보 및 기준점 스테이션(100)의 위치 정보에 근거하여 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치 정보를 일정 시간마다 산출할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 기준점 스테이션(100)에 보조점 스테이션(110)의 위치정보 산출 기능이 포함되어 있는 경우, 기준점 스테이션(100)이 초광대역 통신을 이용해 보조점 스테이션(110)으로부터 무선 거리정보를 수집하여 자신과 특정의 보조점 스테이션 간의 절대 거리정보, 각 보조점 스테이션(110)으로부터 수집한 무선 거리정보 및 자신의 위치정보에 근거하여 각 보조점 스테이션(110)의 위치정보를 산출할 수 있다.
복수의 보조점 스테이션(110)은, 다양한 유무선 통신 수단을 이용해 보조점 위치 산출 서버(120) 또는 기준점 스테이션(100)으로부터 자신의 위치 정보를 일정 시간 마다 수신할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은, 지상에 설치되어 있는 기준점 스테이션(100)과 복수의 보조점 스테이션(110) 간 초광대역 통신을 수행하여, 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치를 산출함으로써, 보조점 스테이션(110)의 위치 정밀도는 기준점 스테이션(100)의 위치 정밀도와 거리정보 정밀도에 근사한 수준으로 향상시킬 수 있다. 여기서, 기준점 스테이션(100)의 공간정보가 지도상의 절대좌표인 경우에는 보조점 스테이션(110)과 이동 단말의 공간정보도 지도상의 절대좌표에 해당된다.
하지만 도 9에서와 같이 측위시스템을 다수의 영역(도메인)으로 분할하여 구성하는 경우에 단일 영역에 설치되는 기준점 스테이션(100)의 좌표는 측량과정을 통하여 절대좌표와 지역좌표를 모두 가지게 되며, 이들을 이용하여 좌표계 변환행렬(D1, D2)이 정의될 수 있다. 따라서 단일 영역 내부에서 측정된 이동 단말(130)의 공간좌표는 기준점 스테이션(100)의 지역좌표로 정의되는 지역좌표계 값으로 먼저 측정이 되고, 이어서 좌표계 변환행렬에 의하여 절대좌표로 변환될 수 있다.
이동 단말(130)은 보유한 제1 무선 통신 수단을 이용해 복수의 보조점 스테이션(110)으로부터 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치 정보를 수신하여 자신의 위치 정보를 산출할 수 있다. 여기서, 제1 무선 통신 수단은 GPS, 5G, 4G, Wi-Fi, UWB 및 Beacon 중 어느 하나를 이용해 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 및 시간 정보를 수신할 수 있다.
복수의 보조점 스테이션(110)은, 서로 다른 복수의 제2 무선 통신 수단을 이용해 자신의 위치 정보 및 시간 정보를 일정 시간 마다 송신할 수 있다. 여기서, 제2 무선 통신 수단은 GPS, 5G, 4G, Wi-Fi, UWB 및 Beacon 중 적어도 하나를 이용해 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 및 시간 정보를 송신할 수 있다.
이에 따라, 이동 단말(130)은 보유한 제1 무선 통신 수단을 이용해 제1 무선 통신 수단과 동일한 제2 무선 통신 수단으로부터 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 및 시간 정보를 수신하여 자신의 위치 정보를 산출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은, 복수의 보조점 스테이션(110)이 다양한 제2 무선 통신 수단을 이용해 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 및 시간 정보를 송신하면, 이동 단말(130)은 다양한 제2 무선 통신 수단 중 자신이 보유한 제1 무선 통신 수단과 동일한 제2 무선 통신 수단으로부터 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 및 시간 정보를 수신할 수 있기 때문에, 초광대역 통신을 이용하고 있지 않은 기존의 이동 단말(130)도 자신이 보유하고 있는 무선 통신 수단을 이용해 본 발명의 공간좌표 측위 시스템을 이용할 수 있는 장점이 있다.
즉, 본 발명은, 기준점 스테이션(100)과 복수의 보조점 스테이션(110) 간 초광대역 통신을 수행하여 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치를 산출함으로써, 위성의 위치 오차와 전리층을 통과하는 위성 신호를 이용하는 GPS 대비 위치 산출 정밀도를 높일 수 있는 동시에, 복수의 보조점 스테이션(110)과 이동 단말(130) 간 다양한 통신 방식을 수행하여 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 및 시간 정보를 수신 받아 이동 단말(130)의 위치 정보를 산출함으로써 초광대역 통신 뿐만 아니라 다양한 무선 통신 수단을 이용하고 있는 이동 단말(130)에 대해 본 발명의 공간좌표 측위 시스템을 적용할 수 있다.
한편, 이동 단말(130)은 다양한 무선 통신 수단을 통해 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 및 시간 정보를 수신함에 있어 무선 신호가 건물 등에 의해 다중 반사가 일어날 수 있고, 이에 따라, 위치 산출 정밀도가 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 이동 단말(130)은 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치 정보를 수신한 순서에 따라 우선 순위를 부여하고, 우선 순위에 따라 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치 정보를 선택하여 자신의 위치 정보를 산출할 수 있다.
즉, 이동 단말(130)이 수신한 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 중 수신 순서가 빠를수록 다중 반사가 덜 일어난 신호일 가능성이 높기 때문에, 수신 순서가 빠른 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치 정보들을 취사 선택하여 이동 단말(130)의 위치를 산출할 수 있다. 이에 따라, 위치 산출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 기준점 스테이션과 보조점 스테이션에 의해 만들어진 측위 셀을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 1개의 기준점 스테이션(100)과 5개의 보조점 스테이션(110)이 삼각형으로 연결되어 4개의 측위 셀을 구성하고 있으며 셀 안에 이동 단말(130)이 존재하고 있다.
도 3에서는 1개의 기준점 스테이션(100)에 의해 구성된 4개의 측위 셀을 도시하고 있으나, 보조점 스테이션의 개수가 증가하면 측위 셀의 개수도 증가한다.
기준점 스테이션(100)은 절대 거리 측정 기능을 통해 특정의 보조점 스테이션(110)과의 절대 거리정보(실선 표시)를 산출하고, 무선 거리 측정 기능을 통해서도 주변의 보조점 스테이션(110)과의 무선 거리정보(점선 표시)를 산출한다.
또한, 보조점 스테이션(110)도 무선거리 측정 기능을 통해 주변의 다른 보조점 스테이션(110)과의 무선 거리정보(점선 표시)를 산출한다.
이와 같이 산출한 절대 거리정보 및 복수의 무선 거리정보와 함께 이미 알고 있는 기준점 스테이션(100)의 공간좌표를 이용하여 각 보조점 스테이션(110)의 위치정보를 산출할 수 있다.
보조점 스테이션(110)의 공간좌표는 (x, y, z)로 표시할 수 있는데, 보조점 스테이션(110)의 높이 즉, z 값은 보조점 스테이션(110)의 설치 시에 쉽게 측정할 수 있는 값이므로 보조점 스테이션(110)의 공간좌표의 미지수는 (x, y) 2개로 줄어든다.
따라서, 도 3과 같이 1개의 기준점 스테이션(100)과 5개의 보조점 스테이션(110)으로 구성된 측위 셀에서, 보조점 스테이션(110)의 공간좌표 미지수는 2*5=10개이고, 상기 산출한 거리정보는 절대 거리정보 1개와 무선 거리정보 9개를 합하여 총 10개이므로 10개의 거리정보로부터 10개의 방정식을 도출할 수 있다.
그러면 10개의 미지수는 10개의 방정식으로부터 만든 연립 방정식을 풀어 그 해를 구할 수 있으므로 결국 각 보조점 스테이션(110)의 공간좌표 (x, y)를 구할 수 있게 된다. 하지만 실제 적용에 있어서 초광대역 통신을 이용한 거리 측정에는 오차가 포함될 수 있기 때문에 무선거리 정보는 10개를 초과하는 방향으로 보조점 스테이션(110)을 공간 배치하는 것이 바람직하다.
각 보조점 스테이션(110)이 자신의 위치정보인 공간좌표와 시간정보로 구성된 방송정보를 일정 주기마다 주변으로 송출하면, 측위 셀(또는, 도메인) 내에 존재하는 이동 단말(130)이 주변의 보조점 스테이션(110)으로부터 방송정보를 수신하여 방송정보를 이용하여 자신의 현재 위치를 산출할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템에서 보조점의 위치 좌표를 산출하는데 필요한 보조점 스테이션 사이의 거리와, 보조점 스테이션과 지상원점 스테이션 사이의 거리를 초광대역 통신(파선) 또는 레이저 거리측정(실선)으로 얻을 수 있는 방정식의 개수와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 방정식의 개수(E)는 아래의 수학식1에 의해 산출될 수 있다. 여기서 기준점 스테이션(100) 간의 거리 측정은 제외하였다.
여기서, G는 기준점 스테이션(100)의 개수이고, A는 보조점 스테이션(110)의 개수이다.
도 4의 기준점 스테이션(100) 및 보조점 스테이션(110)의 개수를 상기 수학식1에 적용하면, 방정식의 개수는 27개로 산출된다. 그리고, 보조점 스테이션(100)의 위치 정보인 미지수의 개수는 18개이고, 방정식의 개수가 미지수의 개수 보다 많기 때문에, 보조점 스테이션(100)의 위치 정보를 산출할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템에서 이동 단말(130)이 자신의 위치를 계측할 수 있도록 사전 수행되는 프로세스를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 먼저, 기준점 스테이션(100) 및 보조점 스테이션(110)의 거리 측정 단계(S10)에서, 기준점 스테이션(100)이 특정 보조점 스테이션(110)과의 절대 거리 정보를 산출하고, 각 보조점 스테이션(110)이 주변의 보조점 스테이션(110)과의 무선 거리 정보를 산출한다.
다음, 보조점 위치산출서버(120)의 거리 정보 수신 단계(S20)에서, 보조점 위치산출서버(120)는 기준점 스테이션(100)과 보조점 스테이션(110)이 측정한 거리 정보를 다양한 무선통신 수단을 이용하여 수신한다.
다른 실시예로서, 기준점 스테이션(100)이 초광대역 통신을 이용하여 보조점 스테이션(110)으로부터 무선 거리정보를 수집하여 수집한 무선 거리정보를 보조점 위치 산출 서버(120)로 전송할 수 있다.
다음, 보조점 위치 산출 서버(120)의 보조점 위치 최적화 단계(S30)에서 보조점 위치 산출 서버(120)는 수신된 거리정보와 기준점 스테이션(100)의 공간좌표 값을 이용한 최적화 알고리즘을 수행하여 보조점 스테이션(110)의 공간 좌표를 추정한다.
다음, 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 수신 단계(S40)에서, 각 보조점 스테이션(110)은 다양한 무선통신 수단을 통하여 보조점 위치 산출 서버(120)로부터 자신의 공간 좌표를 수신한다.
다음, 보조점 스테이션(110)의 방송 정보 송출 단계(S50)에서, 각 보조점 스테이션(110)은 수신한 자신의 위치 정보와 함께 시간 정보를 GPS, 5G, 4G, Wi-Fi, UWB 및 Beacon 중 적어도 하나를 이용하여 주기적으로 송출한다.
마지막으로, 이동 단말(130)의 공간 좌표 산출 단계(S60)에서, 기준점 스테이션(100)과 보조점 스테이션(110)이 위치 정보 및 시간 정보로 구성된 방송 정보를 송출하게 되면, 이동 단말(130)은 자신이 보유한 제1 무선 통신 수단을 이용해 방송 정보를 수신하여 자신의 공간 좌표를 계측할 수 있다. 여기서, 제1 무선 통신 수단은 GPS, 5G, 4G, Wi-Fi, UWB 및 Beacon 중 어느 하나를 이용해 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 및 시간 정보를 수신할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은, 복수의 보조점 스테이션(110)이 다양한 제2 통신 수단을 이용해 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 및 시간 정보를 송신하면, 이동 단말(130)은 다양한 통신 수단 중 자신이 보유한 제1 무선 통신 수단과 동일한 제2 무선 통신 수단으로부터 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 및 시간 정보를 수신할 수 있기 때문에, 초광대역 통신을 이용하고 있지 않은 기존의 이동 단말(130)도 자신이 보유하고 있는 무선 통신 수단을 이용해 본 발명의 공간좌표 측위 시스템을 이용할 수 있다.
상술한 거리 측정 단계(S10), 거리 정보 수신 단계(S20), 보조점 스테이션(120)의 위치 최적화 단계(S30), 위치 정보 송수신 단계(S40), 방송 정보 송출 단계(S50), 이동 단말(130)의 공간 좌표 산출 단계(S60)는 일정한 주기마다 반복되어 각 보조점 스테이션(110)의 위치정보가 실시간 보정되기 때문에, 외부 환경이 변하더라도 이동 단말(130)은 그 보정된 위치 정보를 기반으로 자신의 위치를 정확하게 계측할 수 있게 된다.
상술한 실시 예에서 기준점 스테이션(100)은 무선 거리 측정 및 절대 거리 측정 기능을 모두 구비하여 보조점 스테이션(110)의 위치 정보를 산출할 때 레이저나 광을 이용한 장거리 절대 거리 정보를 이용하고 있다.
레이저나 광을 이용한 거리 측정 방식은 오차가 1 mm 이내로 매우 정확한데 반해 무선 거리 측정 방식은 그 오차가 비교적 크며 상호 간 거리가 증가할수록 오차는 더 커지게 된다. 따라서 기준점 스테이션(100)의 절대 거리 정보를 이용하면 오차율을 줄이고 보조점 스테이션(110)의 위치 정보를 좀 더 정확하게 구할 수 있다.
그러나, 가시 거리를 확보하기 어려운 경우에는 보조점 스테이션(110)의 설치 간격을 좁혀 더 많은 보조점 스테이션(110)을 설치한다고 하면 기준점 스테이션(100)의 절대 거리 정보는 보조점 스테이션(110)의 위치정보 산출 과정에서 생략할 수도 있다. 이동 단말(130)은, 이동 단말(130)의 이동 속도에 따라 단방향 또는 양방향 무선 측위 방법으로 복수의 보조점 스테이션(110)의 위치 정보를 수신하여 자신의 위치 정보를 산출할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템에서 단방향 무선 측위 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 이동 단말(130)이 고속으로 이동하는 이동체인 경우, 단방향 무선 측위 방법을 이용하여 이동 단말(130)의 위치를 산출할 수 있다. 즉, 보조점 스테이션(110)은 위치 정보 및 시간 정보를 제2 무선 통신 수단을 이용하여 지속적으로 방송(B)하고, 이동 단말(130)은 복수의 제1 무선 통신 수단 중의 어느 하나로 보조점 스테이션(110)의 위치 정보 및 시간 정보를 수신하여 이동 단말(130)의 위치를 빠르게 산출할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템에서 양방향 무선 측위 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 이동 단말(130)이 저속으로 이동하는 이동체인 경우, 양방향 무선 측위 방법을 이용하여 이동 단말(130)의 위치를 산출할 수 있다. 즉, 이동 단말(130)은 복수의 제1 무선 통신 수단 중의 어느 하나로 보조점 스테이션(110)에 신호를 보내고, 보조점 스테이션(110)은 수신된 신호에 보조점 스테이션(110)의 위치 정보만을 추가해서 이동 단말(130)에 되돌려 준다. 이에 따라 이동 단말(130)은 처음 보낸 신호의 왕복에 소요된 시간을 이용하여 이동 단말(130)과 보조점 스테이션(110) 사이의 거리를 계산하고, 보조점 스테이션(110)의 위치 정보를 이용하여 이동 단말(130)의 위치를 산출할 수 있다.
이와 같이, 이동 단말(130)이 저속으로 이동하는 이동체인 경우 시각 동기화를 위한 시설을 구비하지 않고도 이동 단말(130)의 위치를 산출할 수 있어 비용을 절감할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템에서 이동 단말의 공간 좌표를 지도 상의 절대 좌표로 변환하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템은 측위 영역에 대해 복수의 도메인으로 구분하여 도메인 별로 이동 단말(130)의 위치를 측정할 수 있다. 여기서, 도메인은 최소한의 측위시스템 구성요건을 갖춘 단일의 측위 영역을 의미하며, 다층 건물 내의 층수에 따라 각각의 층에 구성될 수도 있고, 지상 또는 지하에 공간적으로 분리되어 있는 별도의 구조물 또는 시설물일 수도 있다.
도 8을 참조하면, 제1 도메인(D1)은 제1 및 제2 기준점 스테이션(100a, 100b)과 제1 내지 제4 보조점 스테이션(110a~110d)을 포함하여 구성될 수 있고, 제2 도메인(D2)은 제3 및 제4 기준점 스테이션(100c, 100d)과 제5 내지 제8 보조점 스테이션(110e~110h)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 공간좌표 측위 시스템은 일차적으로 해당 도메인 내에 위치한 이동 단말(130)의 공간좌표를 지역(Local) 좌표계로 측위한다. 즉, 제1 도메인(D1) 내에서 제1 및 제2 기준점 스테이션(100a, 100b)의 공간좌표는 미리 설정된 값이며, 이동 단말(130)의 공간 좌표는 제1 및 제2 기준점 스테이션(100a, 100b)의 공간좌표와의 상대적인 거리에 따라 측위된다. 마찬가지로, 제2 도메인(D2) 내에서 제3 및 제4 기준점 스테이션(100c, 100d)의 공간좌표는 미리 설정된 값이며, 이동 단말(130)의 공간 좌표는 제3 및 제4 기준점 스테이션(100a, 100b)의 공간좌표와의 상대적인 거리에 따라 측위된다.
여기서, 본 발명의 위치 산출 서버(120)는 각 도메인(D1, D2) 별로 정의된 좌표 변환 행렬을 이용해 해당 도메인에 위치한 이동 단말(130)의 공간좌표를 절대(Global) 좌표계로 좌표 변환(이동, 회전)한다. 여기서, 좌표 변환 행렬은 측량과정을 통하여 사전에 파악된 제1 내지 제4 기준점 스테이션(100a~100d)의 절대 공간좌표를 이용해 정의될 수 있다.
이와 같이, 이동 단말(130)의 공간좌표를 절대 좌표계로 좌표 변환시킴으로써, 이동 단말(130)이 제1 도메인(D1)에서 제2 도메인(D2)으로 이동하는 경우, 제1 도메인(D1)과 제2 도메인(D2) 간 연관성을 부여하여, 제1 도메인(D1)에서 산출된 이동 단말(130)의 공간 좌표를 이용할 수 있고, 이와 같은 방식으로 무수히 많은 도메인들을 서로 연결함으로써 공간좌표 측위 시스템의 측위 영역을 무한 확장할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당 업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정할 수 있다.
전술한 실시 예들은 본 발명을 실시함에 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당 업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 기준점 스테이션 110: 보조점 스테이션
120: 보조점 위치 산출 서버 130: 이동 단말

Claims (17)

  1. 위치 정보가 이미 결정되어 있으며 무선 거리 측정 기능을 구비한 기준점 스테이션;
    위치 정보가 가변적이며 무선 거리 측정 기능을 구비한 복수의 보조점 스테이션;
    다양한 통신 수단을 이용해 상기 기준점 스테이션과 상기 복수의 보조점 스테이션 간의 무선 거리 정보 및 상기 복수의 보조점 스테이션 상호 간의 무선 거리 정보를 일정 시간마다 수신하여, 상기 복수의 무선 거리 정보 및 상기 기준점 스테이션의 위치 정보에 근거하여 상기 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 일정 시간마다 산출하는 보조점 위치 산출 서버; 및
    보유한 제1 무선 통신 수단을 이용해 상기 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 수신하여 자신의 위치 정보를 산출하는 이동 단말을 포함하고,
    상기 이동 단말은
    상기 이동 단말의 이동 속도에 따라 단방향 또는 양방향 무선 통신 거리 측정(ranging) 방법으로 상기 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 수신하여 자신의 위치 정보를 산출하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 보조점 스테이션은
    다양한 유무선 통신 수단을 이용해 상기 보조점 위치 산출 서버로부터 자신의 위치 정보를 일정 시간 마다 수신하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 보조점 스테이션은
    서로 다른 복수의 제2 무선 통신 수단을 이용해 자신의 위치 정보 및 시간 정보를 일정 시간 마다 송신하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 무선 통신 수단은
    GPS, 5G, 4G, Wi-Fi, UWB 및 Beacon 중 어느 하나를 이용해 상기 보조점 스테이션의 위치 정보 및 시간 정보를 수신하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 무선 통신 수단은
    GPS, 5G, 4G, Wi-Fi, UWB 및 Beacon 중 적어도 하나를 이용해 상기 보조점 스테이션의 위치 정보 및 시간 정보를 송신하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조점 위치 산출 서버는
    상기 복수의 무선 거리 정보에 대해 무선 거리 정보마다 방정식을 구하고 구한 방정식으로부터 만든 연립 방정식을 풀어 상기 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 산출하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 보조점 스테이션은
    서브 보조점 스테이션과 메인 보조점 스테이션으로 구성되어, 메인 보조점 스테이션이 보조점 스테이션 간의 무선 거리 정보를 수집하여 상기 보조점 위치 산출 서버로 전송하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준점 스테이션은
    절대 거리 측정 기능을 더 구비하여, 자신과 특정의 보조점 스테이션 간의 절대 거리 정보를 상기 보조점 위치 산출 서버로 전송하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준점 스테이션은
    복수의 보조점 스테이션으로부터 무선 거리 정보를 수집하여 상기 보조점 위치 산출 서버로 전송하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동 단말의 위치 정보는 지역 좌표계로 측위되는
    그물망 공간 좌표 측위 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 보조점 위치 산출 서버는
    각 도메인 별로 정의된 좌표 변환 행렬을 이용하여 해당 도메인에 위치한 상기 이동 단말의 위치 정보를 절대 좌표계로 변환하는
    그물망 공간 좌표 측위 시스템.
  13. 위치 정보가 이미 결정되어 있으며 무선 거리 측정 기능을 구비한 기준점 스테이션;
    위치 정보가 가변적이며 무선 거리 측정 기능을 구비한 복수의 보조점 스테이션; 및
    보유한 제1 무선 통신 수단을 이용해 상기 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보 및 시간 정보를 수신하여 자신의 위치 정보를 산출하는 이동 단말을 포함하고,
    상기 기준점 스테이션은
    상기 복수의 보조점 스테이션 상호 간의 무선 거리정보를 일정 시간마다 수신하고, 복수의 무선 거리정보 및 자신의 위치정보에 근거하여 일정 시간마다 상기 보조점 스테이션의 위치정보를 산출하고,
    상기 이동 단말은
    상기 이동 단말의 이동 속도에 따라 단방향 또는 양방향 무선 통신 거리 측정(ranging) 방법으로 상기 복수의 보조점 스테이션의 위치 정보를 수신하여 자신의 위치 정보를 산출하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 보조점 스테이션은
    다양한 유무선 통신 수단을 이용해 상기 기준점 스테이션으로부터 자신의 위치 정보를 일정 시간 마다 수신하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 보조점 스테이션은
    서로 다른 복수의 제2 무선 통신 수단을 이용해 자신의 위치 정보 및 시간 정보를 일정 시간 마다 송신하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 무선 통신 수단은
    GPS, 5G, 4G, Wi-Fi, UWB 및 Beacon 중 어느 하나를 이용해 상기 보조점 스테이션의 위치 정보 및 시간 정보를 수신하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2 무선 통신 수단은
    GPS, 5G, 4G, Wi-Fi, UWB 및 Beacon 중 적어도 하나를 이용해 상기 보조점 스테이션의 위치 정보 및 시간 정보를 송신하는
    그물망 공간좌표 측위 시스템.





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