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KR101202554B1 - 이동통신 단말기의 위치결정 정확도 향상을 위한 방법 - Google Patents

이동통신 단말기의 위치결정 정확도 향상을 위한 방법 Download PDF

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KR101202554B1
KR101202554B1 KR1020110013026A KR20110013026A KR101202554B1 KR 101202554 B1 KR101202554 B1 KR 101202554B1 KR 1020110013026 A KR1020110013026 A KR 1020110013026A KR 20110013026 A KR20110013026 A KR 20110013026A KR 101202554 B1 KR101202554 B1 KR 101202554B1
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Abstract

본 발명은 가상 기준점의 위치 데이터 생성을 통한 이동통신 단말기의 위치결정 정확도 향상을 위한 방법에 관한 것으로, GPS 신호를 수신하는 단말기를 통해 수행되며, GPS 신호에 포함되는 C/A(Coarse Acquisition) 코드를 위치판단 서버로 제공하는 단계, C/A 코드를 통해 파악되는 단말기의 위치정보를 무게 중심으로 하고, 무게중심 주변에 배열되는 가상 기준점을 설정하는 위치판단 서버로부터 가상 기준점에 대한 정보를 획득하는 단계 및 GPS 신호를 통해 획득한 단말기의 위치정보와 가상 기준점의 위치정보에 대해 이중 차분하여 단말기에 대한 최종 위치정보를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

이동통신 단말기의 위치결정 정확도 향상을 위한 방법{Accuracy Improvement Method for Determining of the Location of Mobile Terminal}
본 발명은 GPS(Global Positioning System) 위성을 이용한 위치 결정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가상 기준점의 위치 데이터 생성을 통한 이동통신 단말기의 위치결정 정확도 향상을 위한 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신 단말기의 위치결정 방법은 기존의 이동통신 시스템을 이용한 이동통신 단말기의 위치결정 방법과 이동통신 단말기에 GPS(Global Positioning System) 신호 수신기를 탑재하여 위치를 결정하는 방법이 있다. GPS 신호 수신기를 탑재한 이동통신 단말기의 위치결정은 대부분 내장된 GPS 칩 내부의 알고리즘을 통해서 이루어진다.
이 같은 방법은 위성의 궤도 및 시계오차, 전리층 지연 오차, 대류층 지연 오차 등에 의한 영향이 무시됨에 따라, 위치 정확도가 10m~100m로 크게 떨어진다는 단점이 있다. 또한, 이동통신 단말기 주변의 건물 또는 산과 같은 장애물에 의해 원활한 GPS 신호 수신이 어렵고, 이로 인해 위치정보의 신뢰성이 저하된다는 문제점이 있다.
한편, 이동통신 단말기의 위치결정 정확도를 향상시키기 위해서 단말기는 GPS 신호를 이용한 복잡한 연산과정을 수행하는 연산기와 고성능의 GPS 신호 수신장치를 탑재해야 한다. 이는 단말기 사용자의 비용 부담을 상승시키고, 시장성이 낮아진다는 문제점을 갖는다.
본 발명은 위에서 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, GPS(Global Positioning System) 신호에서 C/A(Coarse Acquisition) 또는 P(Private) 코드를 이용해 이동통신 단말기의 위치결정 정확도를 향상시키고, 광범위한 서비스 영역을 제공함을 그 목적으로 한다.
나아가, 위치결정 시 정확도를 떨어뜨리는 여러 가지 오차를 제거하고, 송수신을 위한 별도의 장치 없이, 단말기 사용자의 이동 시에도 정확한 위치 정보를 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, GPS 신호를 수신하는 단말기를 통해 수행되며, 상기 GPS 신호에 포함되는 C/A(Coarse Acquisition) 코드를 위치판단 서버로 제공하는 단계, 상기 C/A 코드를 통해 파악되는 상기 단말기의 위치정보를 무게 중심으로 하고, 상기 무게중심 주변에 배열되는 가상 기준점을 설정하는 위치판단 서버로부터 상기 가상 기준점에 대한 정보를 획득하는 단계, 및 상기 GPS 신호를 통해 획득한 상기 단말기의 위치정보와 상기 가상 기준점의 위치정보에 대해 이중 차분하여 상기 단말기에 대한 최종 위치정보를 생성하는 단계에 의해 달성된다.
위에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 이동통신 단말기에서 획득한 위치 데이터와 가상 기준점의 위치 데이터를 통해 위성의 궤도 및 시계 오차, 전리층 지연 오차, 대류층 지연 오차 또는 수신기의 시계 오차 등을 소거함으로써, 이동통신 단말기의 위치결정 정확도를 향상시킬 수 있다.
나아가, 단말기의 위치에 근접하는 가상 기준점을 선정하고, 단말기의 위치가 상시 관측소를 꼭지점으로 연결하는 다각형의 무게 중심에 근접하도록 상시 관측소를 선정함으로써, 위치결정 정확도 향상을 위한 데이터를 단말기에 제공할 수 있다.
더 나아가, 상시 관측소의 자료를 이용해 실시간 가상 기준점 위치 데이터를 제공함으로써, 단말기 사용자의 이동시에도 신뢰성 있는 위치 데이터 획득이 가능하고, 위치결정의 정확도를 수십 cm 단위 수준까지 높일 수 있다.
도 1은 종래 이동통신 단말기의 위치결정을 위한 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동통신 단말기의 위치결정을 위한 시스템을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치결정 방법을 설명하는 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
도 1은 종래 이동통신 단말기의 위치결정을 위한 시스템을 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이 종래 위치결정을 위한 시스템은 4개 이상의 GPS 위성(101)과 GPS 수신기를 포함하는 단말기(102)를 포함한다.
일 실시 예에 있어서, GPS 위성(101)은 4개 이상으로 이루어져 단말기(102)로 GPS 신호(103)를 전송한다. GPS 위성(101)은 단말기(102)의 3차원 위치 및 수신기의 시계 오차(Clock Error)를 계산하기 위해 지구 전역에서 최소한 4개 이상의 GPS 위성(101)이 항상 보이도록 특수하게 배치된다. 해당 기술 분야에 소개된 바와 같이 GPS 신호(103)에 의한 위치결정은 복수의 GPS 위성(101)들로부터 수신된 GPS 신호(103)들을 수신함으로써 가능하다.
또한, GPS 위성(101)은 지상으로 1575.42MHz의 L1파와 1227.60MHz의 L2파를 반송파로 하여 1.023MHz의 C/A(Coarse Acquisition) 코드, 10.23MHz의 P(Private) 코드, 50Hz의 항법 메시지를 CDMA(Code Division Multiple Access) 방식으로 전송한다.
일 실시 예에 있어서, 단말기(102)는 일반적인 GPS 안테나를 통해 GPS 신호(103)들을 수신하는 GPS 수신기를 포함한다. 단말기(102)는 4개의 GPS 위성(101)으로부터 신호를 수신하여, 단말기(102)와 각 GPS 위성(101) 사이의 거리를 계산하고, GPS 위성(101)으로부터 수신한 추가적인 데이터를 이용하여 단말기(102)의 위치를 계산한다. 이 단말기(102)는 GPS 위성(101)과 사용자에 의해 위치 결정을 위한 GPS 신호(103)를 송수신한다.
위치결정 방법은 단말기(102) 내부의 GPS 칩에서 이루어지며, 이는 자체 알고리즘을 통한 계산식으로 가능하다. 이를 위한 계산은 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112011010505939-pat00001
Figure 112011010505939-pat00002
는 위성 k로부터 수신기 i까지의 실제 거리(참값)(m)
Figure 112011010505939-pat00003
는 의사 거리 (관측값)(m)
Figure 112011010505939-pat00004
는 위성 k로부터 수신기 i까지의 관측값에 포함된 대류층에 따른 지연 거리(m)
Figure 112011010505939-pat00005
는 위성 k로부터 수신기 i까지의 L1 신호의 관측값에 포함된 전리층에 따른 지연 거리(m)
Figure 112011010505939-pat00006
는 진공속에서의 빛의 속도 (m/s)
Figure 112011010505939-pat00007
는 수신기 i의 시계 오차(s)
Figure 112011010505939-pat00008
는 위성 k의 시계 오차(s)
Figure 112011010505939-pat00009
는 수신기 i의 interchannel bias(L1 반송파 위상 기준)(m)
Figure 112011010505939-pat00010
는 관측 오차
위에서 의사 거리는 오차를 포함한 거리를 뜻하며, 실제 GPS 신호(103)는 오차가 포함된 상태로 전달되기 때문에 ±10~100m의 정밀도로 위치가 결정된다.
수학식 1에서는 위성의 궤도 및 시계 오차, 전리층 지연 오차, 대류층 지연 오차 및 interchannel bias 등에 의한 영향을 무시하면, 10~100m 범위에 달하는 위치 정확도를 가진다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동통신 단말기의 위치결정을 위한 시스템을 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이 이동통신 단말기의 위치결정을 위한 시스템은 4개 이상의 GPS 위성(101), GPS 수신기를 포함하는 단말기(102), 단말기(102)의 위치와 근접한 가상의 위치 데이터를 가지는 가상 기준점(201), 지속적으로 GPS 신호(103)을 수신하는 상시 관측소(202), 단말기(102) 및 상시 관측소(202)와 위치 데이터를 송수신하는 서버(203)를 포함한다.
일 실시 예에 있어서, GPS 위성(101), GPS 수신기를 포함하는 단말기(102)는 도 1에서 설명한 바와 같으며, 단말기(102)는 서버(203)로 위치 정보를 송신한다. 이 위치 정보는 단말기(102)의 내부 연산기에서 수학식 1을 통해 생성된 것이며, 세계 측지좌표계에 따른 NMEA 포맷으로 서버(203)에 전송된다. NMEA 포맷은 위치 측정에 사용되는 위성 수, 위성의 고유번호, 고도, 방위각, 신호대비 잡음비율, 위도, 경도, 측정의 정확도 등을 포함한다.
일 실시 예에 있어서, 가상 기준점(201)은 단말기(102)의 위치와 근접하도록 서버(203)에 의해 선정된다. 가상 기준점(201)은 GPS 위성(101), 단말기(102), 상시 관측소(202)와의 위치관계를 고려하여 선정되며, 실제로 위치 관측에 의해 이루어지는 것이 아닌 상시 관측소(202)의 관측 데이터 자료를 토대로 한다. 가상 기준점(201)은 의사 거리를 포함하며, 상시 관측소(202)의 데이터를 기반으로 오차 모델을 형성하고, 가상 기준점 알고리즘을 이용해 위치 데이터를 획득한다.
이는, 위치결정의 정확도를 높이기 위한 것으로, 가상 기준점(201)과 단말기(102)의 위치와 가까울수록 바람직하다. 가상 기준점(201)의 위치 선정은 특정 지역에 한정되어 이루어지지 않으며, 단말기(102)의 위치를 가상 기준점(201)의 위치로 선정할 수 있다.
반면, 단말기(102)의 위치와 가상 기준점(201)의 위치가 멀어지면 GPS 신호(103)의 수신 환경이 달라지고, 단말기(102)의 위치결정시 대류층 및 전리층의 지연 오차 제거가 이루어지지 않는다. 따라서, 위치 데이터의 정확도가 떨어지게 된다.
일 실시 예에 있어서, 상시 관측소(202)는 국토지리정보원에서 운영중인 관측소이며, 지속적으로 GPS 위성(101)으로부터 GPS 신호(103)를 수신한다. 또한, 관측소간 기선 거리는 대략 50~100Km 정도이며, 필요에 따라 추가적인 구축이 가능하다.
일 실시 예에 있어서, 서버(203)는 단말기(102)로부터 NMEA 포맷으로 단말기(102)의 위치 데이터를 수신하고, 단말기(102) 위치와 근접하는 가상 기준점(201) 및 상시 관측소(202)를 선정한다.
또한, 서버(203)는 양방향 데이터 전송에 필요한 시간을 줄이기 위해 각 기지국을 가상 기준점(201)으로 미리 생성함으로써, 단말기(102)가 데이터 송수신에 소비하는 시간을 대폭 축소할 수 있다.
또한, 서버(203)는 기존의 이동 통신망을 이용해 가상 기준점(201)의 위치 데이터를 RTCM 포맷으로 단말기(102)에 전송한다. RTCM(Radio Technical Commission for Maritime) 포맷은 효율적인 데이터 전송이 가능하고, GPS 위성(101)으로부터 수신하는 위치 데이터의 Parity 알고리즘을 그대로 사용하기 때문에 정확한 데이터 전송이 가능하고, 단말기 내부에 추가적인 알고리즘을 구현할 필요가 없다.
아울러, 단말기(102)는 RTCM 포맷으로 수신한 가상 기준점(201)의 위치 데이터와 단말기(102)의 위치 데이터를 수학식 2를 통한 이중차분을 통해 신뢰성 높은 위치 데이터를 획득한다.
Figure 112011010505939-pat00011
기호의 정의는,
Figure 112011010505939-pat00012
위 수학식 2에서와 같이 이중차분에서는 단말기(102) 및 위성의 시계 오차 뿐만 아니라 interchannel bias도 함께 제거된다. 최종적인 이중차분 관측값에는 기하학적 거리(
Figure 112011010505939-pat00013
), 대류층 지연(
Figure 112011010505939-pat00014
) 및 전리층 지연(
Figure 112011010505939-pat00015
) 오차만이 남는다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치결정 방법을 설명하는 순서도이다. 도시된 바와 같이 이동통신 단말기의 위치결정 정확도 향상을 위한 방법은 단말기가 GPS 신호를 수신하는 단계(S100), 단말기에서 위치 데이터를 획득하는 단계(S101), 서버로 위치 데이터를 전송하는 단계(S102), 가상 기준점 및 상시 관측소 선정 단계(S103), 가상 기준점의 위치 데이터 획득하는 단계(S104), 가상 기준점의 위치 데이터를 단말기에 전송하는 단계(S105), 단말기의 위치결정하는 단계(S106)에 의해 이루어진다.
단말기에 위치 데이터를 획득하는 단계(S101)는 단말기(102)가 GPS 위성(101)으로부터 수신한 GPS 신호 중 C/A 또는 C1(P1) 코드 자료를 이용해 수학식 1을 통해 위치 데이터를 획득한다.
서버로 위치 데이터를 전송하는 단계(S102)는 단말기(102)에서 획득한 위치 데이터를 단말기(102)가 사용하는 이동통신망을 통해 NMEA 포맷으로 서버(203)에 전송한다. 따라서, 위치정보 데이터의 송수신을 위한 별도의 송수신 장치가 불필요하다.
가상 기준점 및 상시 관측소 선정 단계(S103)는 서버에 의해 단말기(102)의 위치와 근접하도록 가상 기준점(201)을 선정한다. 이 가상 기준점(201)의 선정은 상시 관측소(202), GPS 위성(101), 단말기(102)의 위치를 고려하고, 상시 관측소(202)의 관측 데이터를 기반으로 아래의 수학식 3을 통해 위치 데이터를 획득한다. 나아가, 국토지리정보원에서 운영하고, 각 지역에 분포되어 있는 상시 관측소(202)를 선정한다.
가상 기준점의 위치정보 생성 단계(S104)는 아래의 수학식 3을 통해 이루어지며, 단말기(102)의 위치와 근접하도록 서버(203)에 의해 선정된다. 또한, 가상 기준점(201)은 GPS 위성(101), 단말기(102), 상시 관측소(202)와의 위치관계를 고려하여 선정되며, 실제로 위치 관측에 의해 이루어지는 것이 아닌 상시 관측소(202)의 관측 데이터 자료를 토대로 한다. 수학식 3은 메인 상시 관측소 자료를 기반으로 두 지점 사이의 기하학적 거리만을 고려하여 그 차이를 더해 준다.
Figure 112011010505939-pat00016
위에서
Figure 112011010505939-pat00017
는 위성,
Figure 112011010505939-pat00018
은 기준점,
Figure 112011010505939-pat00019
는 단말기,
Figure 112011010505939-pat00020
는 거리를 나타내며,
Figure 112011010505939-pat00021
는 위성의 좌표,
Figure 112011010505939-pat00022
는 단말기 좌표,
Figure 112011010505939-pat00023
는 가상 기준점 좌표를 나타낸다.
가상 기준점의 위치 데이터를 단말기에 전송하는 단계(S105)는 단말기(102)의 이동 통신망을 이용해 가상 기준점(201)의 위치 데이터를 RTCM 포맷으로 단말기(102)에 전송한다.
단말기의 위치를 결정하는 단계(S106)는 단말기의 위치 데이터를 획득하는 단계(S101) 및 가상 기준점의 위치 데이터 획득하는 단계(S104)에서 획득한 위치 데이터를 수학식 2를 통해 이중차분한다. 따라서, 위성의 궤도 및 시계 오차, 전리층 지연 오차, 대류층 지연 오차, 관측 오차 또는 수신기의 시계 오차가 제거됨에 따라 단말기(102)의 정확한 위치 결정이 결정한다.
나아가, 단말기(102)의 위치결정 정확도 향상을 위해 보정정보를 생성한다. 보정정보는 오차 모델링을 통해 이루어지며, 대류층 지연 오차는 약 90% 이상의 정확도로 모델링이 가능하다. 대류층 지연 오차는 이중차분을 통해서 오차 범위가 cm 수준 이내로 줄어들기 때문에 별도의 모델링 생성이 불필요하다.
또한, 대류층 모델링 오차 및 전리층 지연 오차는 지역에 따라서 서서히 달라짐으로 상시 관측소(202) 자료를 이용하여 거리에 따른 2차원 평면으로 모델링이 가능하다.
오차 모델링은 지구의 곡률을 고려하지 않고, 위도 및 경도 방향의 상시 관측소간 거리만을 이용해 경위도 좌표 생성이 가능하며, 이는 수학식 4로 가능하다.
Figure 112011010505939-pat00024
Figure 112011010505939-pat00025
는 상시 관측소 1과 2 사이의 위도 차[deg]
Figure 112011010505939-pat00026
는 상시 관측소 1과 2 사이의 경도 차[deg]
Figure 112011010505939-pat00027
는 면보정 계수(각각 위도방향, 경도방향)
이때, 면보정 계수 a,b를 추정하기 위해서는 최소 3개 이상의 상시 관측소(202) 자료를 필요로 하며, 각 이중차분 위성 조합별로 별도의 계수를 최소제곱조정 방법을 이용하여 추정한다.
또한, 가상 기준점(201)과 가장 근접하는 상시 관측소(202)를 메인 상시 관측소(202)로 선정한다. 이때, 가상 기준점(201)의 위치정보 데이터 생성은 수학식 3과 같이, 메인 상시 관측소 자료를 기반으로 두 지점 사이의 기하학적 거리만을 고려하여 그 차이를 더해 준다.
생성된 보정신호의 적용은 가상 기준점(201) 자료에 메인 상시 관측소(202)와 가상 기준점(201) 사이의 거리에 따라 수학식 5와 같이한다. 수학식 5는 다음과 같다.
Figure 112011010505939-pat00028
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위 내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 특히, 상시 관측소(202)의 수 또는 위치는 상황에 따라 변경될 수 있으며, 상시 관측소(202)에 대응될 수 있는 다른 관측소로도 대체 가능하다.
100: GPS 위성
102: 단말기
103: GPS 신호
201: 가상 기준점
202: 상시 관측소
203: 서버

Claims (7)

  1. GPS 신호를 수신하는 단말기를 통해 수행되며,
    상기 GPS 신호에 포함되는 C/A(Coarse Acquisition) 코드를 위치판단 서버로 제공하는 단계;
    상기 C/A 코드를 통해 파악되는 상기 단말기의 위치정보를 무게 중심으로 하고, 상기 무게중심 주변에 배열되는 가상 기준점을 설정하는 위치판단 서버로부터 상기 가상 기준점에 대한 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 GPS 신호를 통해 획득한 상기 단말기의 위치정보와 상기 가상 기준점의 위치정보에 대해 이중 차분하여 상기 단말기에 대한 최종 위치정보를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 위치결정 정확도 향상을 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위치판단 서버로 제공하는 단계는,
    상기 C/A 코드 자료를 이용한 단일 차분을 통해 상기 단말기의 위치 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 위치결정 정확도 향상을 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위치판단 서버는,
    상기 단말기의 위치가 무게 중심이 되는 다각형을 이루도록 상기 가상 기준점을 선정하는 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 위치결정 정확도 향상을 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단말기는,
    상기 GPS 신호에 의한 상기 단말기의 위치정보와 상기 가상 기준점에 대한 이중 차분으로 위성의 시계오차, 전리층 지연 오차, 대류층 지연 오차, 관측 오차, 수신기의 채널간 간섭을 제거하는 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 위치결정 정확도 향상을 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가상 기준점에 대한 정보를 획득하는 단계는,
    상기 단말기의 이동 통신망을 이용하여 상기 가상 기준점의 위치 정보를 RTCM 포맷으로 전송하는 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 위치결정 정확도 향상을 위한 방법.
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