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KR20010095092A - 가중화 능형 회귀를 이용하는 위치 결정 방법 및 장치 - Google Patents

가중화 능형 회귀를 이용하는 위치 결정 방법 및 장치 Download PDF

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KR20010095092A
KR20010095092A KR1020010016478A KR20010016478A KR20010095092A KR 20010095092 A KR20010095092 A KR 20010095092A KR 1020010016478 A KR1020010016478 A KR 1020010016478A KR 20010016478 A KR20010016478 A KR 20010016478A KR 20010095092 A KR20010095092 A KR 20010095092A
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첸바이런화
다렌
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루센트 테크놀러지스 인크
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Abstract

가중 능형 회귀(weighted ridge regression : WRR) 처리가 세 개 이상의 거리 측정에 적용되어 터미널의 위치를 결정한다. 예컨대, 통합 위성 기반형 항해 시스템/무선 네트워크에서, 이동 유닛의 위치는 최소 세 개의 거리 측정에 대하여 WRR 처리를 적용함으로써 결정될 수 있으며, 여기서 하나 이상의 거리 측정은 위성 기반형 거리 측정(예컨대, GPS 의사 범위(pseudorange) 측정)이고 또한 하나 이상은 무선 네트워크 기반형 거리 측정(예컨대, 라운드 트립 지연(round-trip delay) 또는 파일럿 페이즈 오프셋(pilot phase offset) 측정)이다. WRR 처리는 통상적 최소 평균 제곱 기법을 통하여 이동 유닛의 위치를 결정하는데 있어서 정확성을 개선한다.

Description

가중화 능형 회귀를 이용하는 위치 결정 방법 및 장치{LOCATION DETERMINATION USING WEIGHTED RIDGE REGRESSION}
본 발명은 위성 기반형 및/또는 네트워크 기반형 거리 측정법과 같은 거리 측정법을 이용하는 무선 이동 유닛등 터미널의 위치에 관한 것이다.
지피에스(GPS)와 같은 위성 기반형 항해(navigational) 시스템은 전 세계 사용자에게 정확한 위치 정보를 제공한다. 위성 기반형 항해 시스템은 위치를 결정하기 위하여 최소한 세 개의 위성으로부터의 신호를 탐지할 수 있는 터미널을 요구한다. 세 개의 위성으로부터 GPS 신호가 수신되면, 터미널의 "2차원" 위치(즉, 경도 및 위도)가 결정될 수 있다. 네 개 이상의 위성으로부터 GPS 신호가 수신되면, "3차원" 위치(경도, 위도 및 고도)가 결정될 수 있다. 그러나, 이러한 사전 조건이 항상 만족되는 것은 아니며, 특히 터미널이 빌딩내부에 위치하는 등의 이유로 하나 이상의 직접(direct) 위성 신호가 방해를 받는 경우 그러하다.
터미널이 이동 유닛이거나 기타 무선 원거리 통신 네트워크의 일부분인 무선 통신 장치인 경우, 그 위치는 또한 라운드 트립 지연(round-trip delay : RTD) 및 파일럿 페이즈 오프셋(pilot phase offset : PPO)등과 같은 무선 네트워크 내부에서 이용 가능한 거리 측정법에 기초하여 결정될 수 있다. RTD는 셀룰러 기지국으로부터의 신호를 이동 유닛으로 송신하고 그런 다음 다시 기지국으로 돌려보내는데 걸리는 시간이다. PPO는 이동 유닛에 의하여 수신되는 파일럿 신호의 코드 페이즈 측정치이다. 세 개 이상의 기지국에 대응하는 RTD 및/또는 PPO 측정이 이용 가능한 때, 이동 유닛의 위치는 도착 시간차 또는 도착 각등과 같은 통상적 삼각(triangulation) 방법을 포함하는 무선 네트워크 기반형 위치 기법을 이용하여 결정될 수 있다.
그러한 무선 네트워크 기반형 위치 지정 기법의 단점 한 가지는 대표적으로 위치 결정의 정확성이 위성 기반형 위치 지정 기법에 의하여 제공되는 것보다 훨씬 낮다는 점이다. 또 다른 문제점은 항상 셋 이상의 무선 네트워크 기반형 거리 측정치가 위치 계산 목적에 이용 가능하지는 않다는 것이다.
본 발명은 무선 원거리 통신 네트워크에서 이동 유닛의 위치를 결정할 수 있는 기법을 얻고자 하는 것이며, 이동 유닛은 지피에스(GPS) 수신기 또는 기타 위성 기반형 항해 시스템 수신기를 가지도록 구성된다. 본 발명의 구현에 따르면, 위성 기반형 측정 및 무선 네트워크 기반형 측정을 통합하여 이동 유닛의 위치가 결정된다. 그러므로, 본 발명은 통상적 무선 네트워크 기반형 위치 지정 기법에 있어서 요구되는 위성 신호의 최소수보다 더 적은 수의 신호가 이용 가능한 경우에 이동 유닛의 위치를 결정하는데 이용될 수 있다. 또한, 본 발명은 통상적 무선 네트워크 기반형 위치 지정 기법에 의하여 제공되는 것보다 더 정확한 위치 지정을 제공하는데 이용될 수 있다.
이동 유닛의 위치를 결정하기 위한 위성 기반형 거리 측정 및 무선 네트워크 기반형 거리 측정을 통합하는 통상적 방법은 여러 가지 이유에서 바람직한 결과를 생성하지 못한다. 한 가지 문제점은 다양한 소스에서 유래하는 측정의 품질이 상당히 다르다는 것이다. 예컨대, 무선 네트워크 기반형 위치 지정 기법에서 이용되는 라운드 트립 지연(RTD) 및/또는 파일럿 오프셋(PPO) 측정에서의 에러는 위성 기반형 위치 지정 기법에서 이용되는 GPS 의사 범위 측정(pseudorange measurements)에서의 에러보다 10배가량 많다. GPS 의사 범위 측정 에러는 전형적으로 대략 10-25미터인 반면, 전형적 RTD 측정 에러는 대략 40-100미터이다. 각각의 측정 품질을 고려하지 않고 위성 기반형 거리 측정 및 무선 네트워크 기반형 거리 측정을 단순히 결합하는 것(예컨대, 통상적 최소 평균 제곱(LMS) 삼각 알고리즘)은 결정된 위치의 정확성을 해치도록 영향을 미칠 수 있다.
통상적 통합 방법에서의 또 다른 문제점은 바람직하지 않은 기하학적 분포(geometric distribution)의 영향을 줄이기 위한 어떠한 방안도 채택되지 않는다는 점이다. 바람직하지 않은 기하학적 분포란 거리 측정의 여러 소스(즉, 위성 및/또는 기지국)에 대한 소정의 이동 유닛 오리엔테이션(orientation)에 관한 것이며, 이는 이동 유닛의 3차원 위치 또는 심지어 2차원 위치의 정확한 결정을 어렵게 만든다. 예컨대, 이동 유닛 및 셋 이상의 거리 측정 소스 모두가 거의 동일한 평면상에 놓여 있는 경우 정확한 3차원 위치 결정이 어려워 질 수 있다. 이와 유사하게, 이동 유닛 및 둘 이상의 거리 측정 소스 모두가 거의 동일한 라인상에 있는 경우 정확한 2 또는 3차원 위치 결정이 어려워질 수 있다. 이러한 상황에서, 정확성의 기하학적 희석(geometric dilution of precision : GDOP)이라고 알려진 위치 에러가 생긴다. 그건 상황이 존재한다면, 거리 측정치에서의 에러가 통상적 LMS 삼각 알고리즘에서 보다 크게 확대될 수 있다.
그러한 문제점의 결과, 이동 유닛의 위치를 결정하기 위하여 위성 기반형 거리 측정과 무선 네트워크 기반형 거리 측정의 결합에 통상적 LMS 삼각 알고리즘을단순히 적용하는 통합 방법은 전형적으로 만족스러운 결과를 제공하지 않을 것이다.
본 발명은 무선 원거리 통신 네트워크에서 위성 기반형 및 무선 네트워크 기반형 거리 측정을 효율적으로 결합하여 이동 유닛의 정확한 위치 결정을 제공하도록 하는 기법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는 다음의 기술중 하나 또는 양자 모두를 이용하는바 (1)거리 측정의 정확성에 대한 신뢰 수준에 기초하여 각각의 서로 다른 거리 측정에 대하여 적절한 가중치(예컨대, 위성 기반형 및 무선 네트워크 기반형 거리 측정치에 대한 각각 서로 다른 가중치)를 할당하는 가중화 전략(weighting strategy) 및 (2)계산된 위치의 평균 제곱 에러에 관한 정확도의 기하학적 희석의 영향을 줄이는 능형 회귀 전략(ridge regression strategy)이 그것이다. 본 발명은 이동 유닛에 대한 위치 결정의 정확성을 증가시키는데 이용될 수 있고, 이동 유닛의 위치를 결정하기 위하여 모든 거리 측정이 단일 유형의 소스(예컨대, 모두 위성 기반형 거리 측정이거나 또는 모두 무선 네트워크 기반형 거리 측정)로부터 유래할 것을 요구하지 않게 하는데 이용될 수 있다.
일실시예에서, 본 발명은 터미널의 위치를 결정하는 방법으로서 (a)터미널에 관련된 셋 이상의 서로 다른 소스에 대응하는 셋 이상의 거리 측정 세트중 최소한 하나에 대하여 가중치 값을 할당하여 거리 측정치의 가중화 세트를 생성하는 단계, (b)삽입 파라미터에 대하여 값을 할당하는 단계, 및 (c)거리 측정의 가중화 세트 및 삽입 파라미터에 기초하여 가중화 능형 회귀(WRR) 처리를 수행하여 그 터미널의 위치를 나타내는 WRR 평가를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 기타 측면, 특징, 및 이점은 다음의 상세한 설명, 청구 범위 및 첨부 도면에 의하여 보다 충분히 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따르는 위치 결정 시스템을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 일구현에 따라서, 도 1의 통합된 위성/무선 네트워크 지피에스 내에서 구현되는 이동 유닛의 위치를 결정하는 처리 과정을 도시하는 도면,
도 3a-3e는 단일 무선 네트워크 기반형 거리 측정 및 다양한 수의 위성 기반형 거리 측정에 기초하여 이동 유닛의 위치를 결정하는 여러 가지 기법으로부터 야기되는 계산 에러에 대응하는 데이터를 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101 : GPS 위성 103 : 이동 유닛
109 : 기지국 111 : 마스터 교환 센터(MSC)
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따르는 통합 위성/무선 네트워크 지리적 위치 시스템(100)을 도시한다. 도 1에서 도시되는 바와 같이, 시스템(100)은 지피에스(GPS) 위성 일단을 포함하며, 각각의 위성은 이동 유닛(103)(도 1에서 자동차내에 위치하고 있는 것으로 도시되고 있음)에 의하여 수신된 서로 다른 GPS 신호를 송신한다. 이동 유닛(103)은 또한 마스터 교환 센터(master switching center : MSC)(111)와 통신하고 그 제어 하에서 동작하는 기지국 BS1,BS2, 및 BS3(109)을 포함하는 무선 원거리 통신 네트워크의 일부분이다.
본 발명에 따르면, 이동 유닛(103)의 위치는 셋 이상의 거리 측정에 기초하여 결정되는데, 그 중 (A)하나 이상의 거리 측정은 예컨대, 하나 이상의 GPS 위성(101)에 대한 GPS 의사 범위 측정에 대응하는 위성 기반형 거리 측정이고, (B)하나 이상의 다른 거리 측정은 예컨대, 하나 이상의 기지국(109)에 대한 라운드 트립 지연 혹은 파일럿 페이즈 오프셋에 대응하는 무선 네트워크 기반형 거리 측정이다. 구체적으로, 가중화 능형 회귀(WRR) 알고리즘이 거리 측정 세트에 적용되어 이동 유닛(103)의 위치를 결정한다. 구체적 구현에 따라서, 거리 측정 그 자체는 이동 유닛(103)에서, 하나 이상의 기지국(109)에서, 및/또는 MSC(111)에서 이루어 질 수 있다. 이와 유사하게, 구현에 따라서, 이동 유닛(103)의 위치를 결정하기 위하여, WRR 처리가 이동 유닛(103)에서, 기지국(109)에서, 또는 MSC(111)에서 수행될 수 있다.
어느 경우에나, 능형 회귀는 미지의 변수를 다수 개 포함하는 한 세트의 선형 방정식을 해결하는 기법이다. 3차원 이동 유닛 위치 결정을 위해서는, 4 개의 미지 변수, 즉 이동 유닛의 경도, 위도, 고도 및 이동 유닛의 로컬 클록과 위성의 GPS 시간 사이의 시간 바이어스(time bias)가 있다. 2차원 이동 유닛 위치 결정을 위해서, 3 개의 미지 변수, 즉 이동 유닛의 경도 및 위도와 시간 바이어스가 있다. 다음의 섹션은 3차원 이동 유닛 위치 결정에 적용되는 능형 회귀 처리의 기본적 개요를 제공한다. 2차원 이동 유닛을 위한 능형 회귀 알고리즘도 이와 유사하게 수행된다.
기본적 능형 회귀 처리
이 섹션은 3차원 이동 유닛 위치 결정을 위한 능형 회귀 처리에 관하여 몇 가지 기본적 정보를 제공한다. 방정식 (1)은 이동 유닛의 위치 및 다양한 거리 측정 사이의 관계를 보여주는 한 세트의 선형 방정식을 표현하며, 다음과 같다.
여기서, y는 (n × 1) 측정 벡터이며, n은 서로 다른 거리 측정의 수이다. 열 벡터 y의 각 요소는 서로 다른 소스(예컨대, 위성 또는 기지국)에 대응하는 거리 측정이다.
H는 (n × p) 예상 행렬(predictor matrix)이며, p는 3차원 위치 결정을 위해서는 4(또한 2차원 위치 결정을 위해서는 3)이다. 예상 행렬 H에서 각 행은 서로 다른 거리 측정 소스에 대응한다. 각 행의 처음 세 개의 원소는 이동 유닛으로부터 대응하는 소스로 포인팅하는 선험적으로 평가된(a priori estimated) 유닛 벡터를 나타낸다. 4개의 요소로 이루어진 각 행에서의 마지막 요소는 이동 유닛에 대한 로컬 시간과 대응하는 소스에 대한 시간 표시사이의 시간 오프셋을 나타낸다. 위성이 상대적으로 멀리 있을 경우의 위성 기반형 거리 측정에 있어서는, 이동 유닛의 위치에 대한 매우 개략적인 평가만으로도 유닛 벡터가 정확하게 평가될 수 있다. 무선 네트워크 기반형 거리 측정에 있어서는, 이동 유닛으로부터 기지국으로의 유닛 벡터는 이동 유닛이 대응하는 기지국 섹터의 중심에 위치하고 있다는 가정에 의하여 평가될 수 있다. 이렇게 평가된 유닛 벡터가 위성 기반형 거리 측정의 경우만큼 정확하지는 않을 수 있으나, 능형 회귀 처리에 충분할 만큼은 정확해야 한다. 시간 오프셋은 전형적으로 1로 초기화된다. 이동 유닛의 위치 결정이 소정의 적절한 주파수로 갱신되는 때, 현재 위치 결정을 위한 유닛 벡터 및 시간 오프셋은 실제 이동 유닛 위치 및 하나 이상의 이전 결정으로부터의 시간 오프셋을 이용하여 결정될 수 있다.
x는 (p × 1) 열 벡터이며, 처음 3 개의 원소는 이동 유닛의 (알려지지 않은) 현재 위치를 나타내고, 마지막 4 번째 원소는 (알려지지 않은) 실제 시간 오프셋을 나타낸다.
그리고 e는 (n × 1) 측정 에러 벡터이며, 열 벡터 e에서의 각 원소는 대응하는 소스에 대한 거리 측정의 에러를 나타낸다. 에러 벡터 e는 (n × n) 공분산 행렬 R= σ2I와 관련되며, I는 (n □ n) 항등(identity) 행렬이고, σ2는 에러 벡터 e의 원소의 분산이다. 랜덤, 비상관 측정 에러라고 가정하면, 측정 에러의 기대값, E[e]는 0이다.
방정식(1)에 대한 통상적 최소 평균 제곱(LMS) 솔루션이 다음의 방정식(2)에 의하여 주어진다.
여기서는 이동 유닛의 계산된 위치이며, HT는 예상 행렬 H의 전치 행렬(transpose)이다.
LMS 솔루션의 평균 제곱 에러(MSE)(LMS 위치 평가의 예상 정확도의 측정)가 다음의 방정식(3)에 의하여 주어진다.
여기서 λi는 HTH의 고유값이며, Tr은 트레이스 오퍼레이터(trace operator)로서 이는 행렬의 대각 원소(diagonal elements)의 합, 이 경우에는 HT와 H의 곱의 역행렬이다.
정확도의 기하학적 희석(GDOP)은 다음의 방정식(4)에 의하여 정의된다.
여기서 GDOP는 기하학적 효과에 기인하여 이동 유닛 위치 에러에 대한 측정 에러를 증폭시키는 인자가 된다. "바람직하지 않은" 기하학적 배열(예컨대, 이동 유닛 및 모든 거리 측정 소스가 대략 동일한 평면상에 놓여 있는 경우)에 있어서는, 최소 고유값 λi가 0에 접근할 것이고, 큰 GDOP값(방정식(4)에 의하여 표시됨) 및 이동 유닛 위치에 대한 LMS 솔루션에서의 큰 에러(방정식(3)에 의하여 표시됨)를 야기한다.
능형 회귀는 알려지지 않은 위치 벡터 x를 위하여 방정식(1)을 해결하는 경우에 이러한 바람직하지 않은 기하학적 효과(즉, 높은 GDOP)를 줄이는 기법이다. 능형 회귀는 HTH 행렬의 각 대각 항에 대하여 작은 양수 k를 더함으로써 대각 항이 취할 수 있는 최소값을 효율적으로 제한한다. 방정식(1)에 대한 능형 회귀 솔루션는 다음의 방정식(5)에 의하여 정의된다.
HTH 행렬의 대각 항에 대하여 k를 더하기 때문에, 능형 회귀 솔루션은 바이어스될 것이며, 여기서에서의 바이어스는 다음의 방정식(6)에 의하여 표현될 수 있다.
능형 회귀 솔루션의 평균 제곱 에러가 다음의 방정식(7)에 의하여 주어진다.
방정식(7)에서, k>0에 대하여, 제 1 항은 k의 단조 증가 함수이며, 제 2 항은 k의 단조 감소 함수이다. 큰 GDOP를 가지는 경우에, 작은 k는 제 1 항(방정식(7)에 의하여 표시됨)을 크게 증가시키지 않고 또한 바이어스(방정식(6)에 의하여 표시됨)를 크게 증가시키지 않고서 제 2 항을 크게 줄이는데 이용될 수 있다.
그러므로, 능형 회귀 알고리즘은 GDOP가 큰 경우라도 많은 양의 바이어스를 만들지 않고 예상 에러의 크기를 줄이도록 적절한 k값을 선택함으로써 이동 유닛의 현재 위치에 대한 방정식(1)을 해결하는데 효율적으로 이용될 수 있다. 능형 회귀 처리에서 이용되는 k값은 다양한 방법으로 선택될 수 있다. 상대적으로 큰 GDOP값이 상대적으로 큰 k값에 대한 요구를 의미하는 경우는, 방정식(4)를 이용하는 GDOP값의 결정에 기초하여 선택될 수 있다. 또한, 많은 다양한 k값이 방정식(7)에 의하여 표현되는 에러가 최소화될 때까지 시도될 수 있다. 각 경우에, 전형적 k값은 0과 1사이에 있을 것이며, 방정식(2)의 통상적 LMS 솔루션에 대응하여 k=0을 가질것이다.
가중화 능형 회귀 처리
앞서 설명된 바와 같이, 위성/무선 네트워크 지리 위치 시스템에 있어서, 다양한 유형의 거리 측정(예컨대, GPS 의사 범위 측정 대 무선 네트워크 RTD/PPO 측정)의 정확도는 전형적으로 꽤 다르다. 서로 다른 소스(예컨대, 서로 다른 위성 또는 서로 다른 기지국)로부터의 동일한 유형의 거리 측정의 정확도는 또한 소스마다 변화할 수 있다. 본 발명의 소정 실시예에 따르면, 능형 회귀 처리 동안 유도된 이동 유닛 위치의 정확도를 강화시키기 위하여, 가중화 방법이 능형 회귀 알고리즘에 결합된다. 결과적인 가중화 능형 회귀(WRR) 알고리즘은, 능형 회귀 처리동안 이용되는 거리 측정 각각에 대하여 적절한 가중치를 할당함으로써 다음의 방정식(8)에서에 의하여 표시된 이동 유닛의 위치를 평가하도록 구현된다.
여기서 W는 각 원소가 양수인 (n × n) 가중 행렬이다. 가중 행렬 W를 포함하는 목적은 각 측정 소자에 대하여 그에 대응하는 불명확함을 기초로 해서(즉, 그 정확도에 대한 신뢰 수준에 관련됨) 서로 다른 가중치를 주는 것이다. 더 큰 가중치는 보다 정확한 거리 측정치에 할당되며, 특정 소스에 대응하는 거리 측정의 상대적 정확도가 이동 유닛, 앙각(elevation angle), 및/또는 과거 경험에서의 신호 파워와 같은 그러한 파라미터로부터 결정될 수 있다.
능형 회귀 평가에 따라, 가중화 능형 회귀 평가는 k에 대하여 0이 아닌 값을 이용함에 기초하여 바이어스 된다. WRR 바이어스는 다음의 방정식(9)에 의하여 표현된다.
가중화 능형 회귀 평가의 평균 제곱 에러는 다음의 방정식(10)에 의하여 주어진다.
방정식(10)은 두 개의 파라미터를 포함하는데, 가중 행렬 W 및 능형 회귀 파라미터 k이다. k>0에 있어서, 방정식(10)의 제 1 항은 k의 단조 감소 함수이고, 제 2 항은 k에 대한 단조 증가 함수이다. 능형 회귀 알고리즘에 있어서, 가중화 능형 회귀 알고리즘에서 적절하게 선택된 k값(전형적으로 0과 1사이)은 바이어스(방정식(9)에 의하여 표시됨)를 크게 증가시키지 않고 WRR 위치 평가에서의 평균 제곱 에러(방정식(10)에서 표시됨)를 줄이는데 이용될 수 있으며, 그에 의하여 WRR 위치 평가의 정확성을 (LMS 및 비가중화 능형 회귀 평가와 비교하여) 크게 개선하고, 특히 바람직하지 않은 기하학적 상황(방정식(4)에 따라 GDOP의값에 의하여 표시됨)에서 그러하다. 서로 다른 거리 측정에 대하여 서로 다른 가중치가 주어지도록 하는 가중 행렬 W는 또한 WRR 평가의 MSE에 영향을 줄 것이다. W에서 서로 다른 가중치의 값을 적절하게 선택함으로써, 통합 위성/무선 네트워크 지리 위치 시스템의 성능이 크게 개선될 수 있다.
통합 처리 알고리즘
도 2 는 도 1 의 통합 위성/무선 네트워크 지리 위치 시스템(100)내부에서 이동 유닛(103)의 위치를 결정하기 위해 구현된 처리 과정을 도시한다. 이러한 구현에 따르면, 관련된 특정 기하학적 배열(방정식(4)로부터의 GDOP 값에 의하여 표시됨)에 따라서, 최소 평균 제곱(LMS) 알고리즘 또는 가중화 능형 회귀(WRR) 알고리즘이 위성 기반형 및/또는 무선 네트워크 기반형 거리 측정의 각 세트에 대하여 적용되어 무선 유닛(103)의 위치를 평가한다.
구체적으로, 이동 유닛(103)에 대하여 다양한 위성 기반형 및/또는 무선 네트워크 기반형 거리 측정이 생성된다(도 2 의 단계(202)). 예상 행렬 H는 거리 측정의 소스였던 위성 및 기지국의 알려진 위치 및 이동 유닛(103)의 선험적 근사 위치(a priori approximate location)에 기초하여 구성된다(단계(204)). 그 기하학적 배열에 대하여, 정확도의 기하학적 희석(GDOP)이 예컨대, 방정식(4)를 이용하여 계산된다(단계(206)). GDOP가 지정된 임계값보다 작다면(바람직한 기하학적 배열이 존재함을 표시)(단계(208)), 이동 유닛(103)의 위치가 통상적 최소 평균 제곱 알고리즘을 이용하여 정확하게 결정될 수 있는데(단계(210)에서 단계(212)까지), 이는전형적으로 본 발명의 가중화 능형 회귀 알고리즘보다 계산상 덜 집중적이다. 그렇지 않다면, 바람직하지 않은 기하학적 배열이 존재하고 이동 유닛(103)의 위치가 본 발명의 가중화 능형 회귀 알고리즘을 이용하여 결정되어(단계(214)에서 단계(218)까지), 통상적 LMS 기법으로부터 야기될 수 있는 에러를 줄인다.
LMS 알고리즘에 있어서는, GDOP가 충분히 크기 때문에, 어떠한 삽입 파라미터 k도 필요로 되지 않고(단계(210)), 통상적 처리가 적용되어, 예컨대 이동 유닛(103)의 현재 위치를 계산하는 방정식(2)를 이용하여 LMS 이동 유닛 위치 평가를 결정할 수 있다(단계(212)).
WRR 알고리즘에서는, GDOP가 상대적으로 작으므로, 대응하는 계산 에러를 피하기 위하여, 삽입 파라미터 k가 적절한 양수로 세팅된다(단계(214)). k값은 예컨대 방정식(10)에 의하여 주어진 최소 평균 제곱 에러(MSE)로 끝나야 한다는 가정에 기초한 시뮬레이션에 의하여 결정된다.
가중 행렬 W에 대한 다양한 거리 측정에 적절한 가중치가 할당되어, 예컨대 이동 유닛(103)의 위치를 계산하는 방정식(8)을 이용하여, 가중화 능형 회귀 평가를 결정한다(단계(218)). 가중 행렬 W내의 요소는 사전 지식, 즉 측정 에러에 관하여 알려진 통계적 특성 및 기타 사전 결정된 파라미터를 기초로 하여 선택될 수 있다. 높은 가중치가 상대적으로 작은 에러 값을 갖는 거리 측정(예컨대, GPS 의사 범위 측정)에 할당되는 반면, 낮은 가중치가 상대적으로 큰 에러 값을 갖는 거리 측정(예컨대, RTD/PPO 기반형 거리 측정)에 할당된다. WRR 평가는 전형적으로 통상적 평가(예컨대, 방정식(2)를 이용하여 생성된)에 비교할 때 더 나은 평가이며, 이는 가중화 능형 회귀가 이러한 평가를 계산하는데 이용되고 W에 대한 적절한 가중치를 선택하고 양수 삽입 값 k를 이용함으로써 에러가 최소값으로 축소되기 때문이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 단계(214-218)의 삽입 파라미터 k에 대한 양수 값을 갖는 가중화 능형 회귀 처리는 GDOP 크기와 독립적인 모든 이동 유닛 위치 계산에 이용된다. 그 경우에, 단계(208-212)가 도 2에서 도시된 처리 과정으로부터 생략될 수 있다.
도 3a 내지 3e는 단일 무선 네트워크 기반형 거리 측정 및 다양한 수의 위성 기반형 거리 측정에 근거하여 이동 유닛의 위치를 결정하는 다양한 기법으로부터 야기되는 계산 에러에 대응하는 데이터를 도시한다. 다양한 기법은 가중화를 갖지 않는 최소 평균 제곱 기법, 가중화 LMS 기법, 가중화를 갖지 않는 능형 회귀 기법, 및 가중화 능형 회귀 기법을 포함한다. 위성 기반형 거리 측정의 수는 도 3a의 두 개로부터 도 3e의 여섯 개의 범위에 있다. 위성 기반형 거리 측정이 GPS 의사 범위 측정에 기초하는 반면, 단일 무선 네트워크 기반형 거리 측정은 RTD 측정에 기초한다.
도 3a-e에 도시된 바와 같이, 2차원 계산 에러는 본 발명의 WRR기법에 있어서의 100미터 이하로 남아 있고, 이는 위성 기반형 거리 측정의 두 개만 이용 가능한 경우에도 그러하다. 이러한 결과를 통상적 LMS 기법에 연루된 계산 에러와 비교하면, 이는 종종 100미터를 초과하며, 이는 위성 기반형 거리 측정의 여섯 개가 이용되는 경우에도 그러하다.
도 3a-e에서 도시된 결과가 단일 무선 네트워크 기반형 거리 측정만을 기초로 하고 있을지라도, 임의의 소스 조합으로부터 임의의 셋 이상 거리 측정 조합을 위하여 구현될 수 있다. 예컨대, 하나의 위성 기반형 거리 측정이 이동 유닛의 위치 결정을 위한 둘 이상의 무선 네트워크 기반형 거리 측정과 결합될 수 있다.
본 발명은 위성 항해 시스템으로부터의 거리 측정을 무선 네트워크에 결합하여 이동 유닛의 위치를 결정하는 문맥에서 설명되고 있다. 일반적으로, 본 발명은 둘 이상 서로 다른 유형의 소스로부터의 거리 측정을 통합하는데 적용될 수 있는데, 이러한 소스는 위성, 기지국, 또는 임의의 적합한 거리 측정 소스 등이다. 나아가, 본 발명은 모든 거리 측정이 단일 유형의 소스로부터 유래하는 경우, 위치 결정 정확성을 증가시키는데 적용될 수 있으며, 그러한 소스에는 위성 항해 시스템에서의 모든 위성 또는 무선 네트워크나 기타 적합한 거리 측정 소스에서의 모든 기지국 등이다.
본 발명은 단일 집적 회로상의 가능한 구현을 포함하는 회로 기반형 처리로서 구현될 수 있다. 당업자에게 명백한 것처럼, 회로 요소의 다양한 기능은 또한 소프트웨어 프로그램에서의 처리 단계로서 구현될 수 있다. 그러한 소프트웨어는 예컨대, 디지털 신호 프로세서, 마이크로 제어기, 또는 범용 컴퓨터에서 이용될 수 있다.
본 발명은 그러한 방법을 실시하는 방법 및 장치의 형태로 구현된다. 본 발명은 또한 플로피 디스켓, CD 롬, 하드 드라이브, 또는 기타 기계 가독 저장 매체등의 유형 매체에서 구현된 프로그램 코드의 형태로 구현될 수도 있으며, 여기서프로그램이 컴퓨터와 같은 기계에 의하여 로딩되고 실행되는 경우, 기계는 본 발명을 실시하는 장치가 된다. 본 발명은 또한 예컨대, 저장 매체에 저장되고, 기계로 로딩되어 기계에 의하여 실행되고, 소정의 송신 매체 또는 캐리어(예컨대, 전기선 또는 케이블, 광섬유, 전자기 방사선)를 통하여 송신되는 프로그램 코드의 형태로 구현될 수 있는데, 여기서 프로그램이 컴퓨터와 같은 기계에 의하여 로딩되고 실행되는 경우, 기계는 본 발명을 실시하는 장치일 수 있다. 범용 프로세서상에 구현되는 경우, 프로그램 코드 세그먼트는 프로세서와 결합하여 지정 논리 회로와 유사하게 동작하는 고유 장치를 제공한다.
명백하게, 본 발명을 설명하기 위하여 제시되고 설명된 부분에 대한 세부, 물질 및 장치에 있어서의 다양한 변화가 본 발명의 사상과 청구 범위를 벗어나지 않는 범위에서 당업자에 의하여 이루어 질 수 있다.
본 발명은 무선 원거리 통신 네트워크에서 이동 유닛의 위치를 결정할 수 있는 기법을 얻고자 하는 것이며, 이동 유닛은 지피에스(GPS) 수신기 또는 기타 위성 기반형 항해 시스템 수신기를 가지도록 구성된다. 본 발명의 구현에 따르면, 위성 기반형 측정 및 무선 네트워크 기반형 측정을 통합하여 이동 유닛의 위치가 결정된다. 그러므로, 본 발명은 통상적 무선 네트워크 기반형 위치 지정 기법에 있어서 요구되는 위성 신호의 최소수보다 더 적은 수의 신호가 이용 가능한 경우에 이동 유닛의 위치를 결정하는데 이용될 수 있다. 또한, 본 발명은 통상적 무선 네트워크기반형 위치 지정 기법에 의하여 제공되는 것보다 더 정확한 위치 지정을 제공하는데 이용될 수 있다.

Claims (17)

  1. 터미널의 위치를 결정하는 방법으로서,
    (a) 상기 터미널에 대하여 세 개 이상의 서로 다른 소스에 대응하는 세 개 이상의 거리 측정의 세트중 최소한 하나에 대하여 가중치(a weight value)를 할당하는 단계와,
    (b) 삽입 파라미터(an insertion parameter)에 대하여 값을 할당하는 단계와,
    (c) 상기 터미널의 위치를 나타내는 가중화 능형 회귀(weighted ridge regression : WRR) 평가(estimate)를 결정하기 위하여 상기 거리 측정의 가중화 세트 및 상기 삽입 파라미터를 기초로 WRR 처리를 수행하는 단계
    를 포함하는 위치 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터미널은 무선 네트워크에서의 이동 유닛이며,
    상기 거리 측정중 최소한 하나가 무선 네트워크 기반형 거리 측정인
    위치 결정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 거리 측정중 최소한 하나가 위성 기반형 거리 측정인
    위치 결정 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 거리 측정 전부가 무선 네트워크 기반형 거리 측정인
    위치 결정 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 무선 네트워크 기반형 거리 측정이 라운드 트립 지연(a round-trip delay : RTD) 거리 측정인
    위치 결정 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 무선 네트워크 거리 측정이 파일럿 페이즈 오프셋(a pilot phase offset : PPO) 거리 측정인
    위치 결정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리 측정중 최소한 하나가 위성 기반형 거리 측정인
    위치 결정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 거리 측정 전부가 위성 기반형 거리 측정인
    위치 결정 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 위성 기반형 거리 측정이 GPS 의사 범위(pseudorange) 측정인
    위치 결정 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(c)는 다음의 방정식을 계산하는 단계를 포함하되,
    는 WRR 평가이고,
    H는 상기 거리 측정의 상기 소스의 위치에 기초한 예상 행렬(a predictor matrix)이고,
    HT는 상기 예상 행렬 H의 전치 행렬(a transpose)이고,
    W는 상기 하나 이상의 할당된 가중치에 기초하는 가중 행렬(a weighting matrix)이고,
    k는 삽입 파라미터이고,
    I는 항등 행렬(an identity matrix)이고,
    y는 상기 거리 측정에 기초하는 측정 벡터인
    위치 결정 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(b)는
    (1) 상기 거리 측정의 상기 소스의 위치에 기초하여 정확도의 기하학적 희석(a geometric dilution of precision : GDOP) 값을 계산하는 단계와,
    (2) 상기 GDOP 값에 기초하여 상기 삽입 파라미터로 상기 값을 할당하는 단계를 포함하는
    위치 결정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 GDOP 값이 다음의 방정식을 이용하여 계산되되,
    Tr은 트레이스 오퍼레이터(a trace operator)이고,
    H는 상기 거리 측정의 상기 소스의 상기 위치를 기초로 하는 예상 행렬이고,
    HT는 상기 예상 행렬 H의 전치 행렬인
    위치 결정 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계(c)는
    (a) 상기 GDOP 값이 지정된 임계값보다 더 적다면, 상기 터미널의 상기 위치를 계산하여 최소 평균 제곱 알고리즘을 수행하는 단계와,
    (b) 상기 GDOP가 상기 지정된 임계값보다 더 적지 않다면, WRR 처리를 수행하는 단계를 포함하는
    위치 결정 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    가중치가 각 거리 측정에 할당되고, 상기 거리 측정중 최소한 두 개가 서로 다른 가중치를 할당받는
    위치 결정 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 터미널은 무선 네트워크의 이동 유닛이고,
    상기 거리 측정중 최소한 하나가 무선 네트워크 기반형 거리 측정이고,
    상기 거리 측정중 최소한 하나가 위성 기반형 거리 측정이고,
    가중치가 각 거리 측정에 할당되되, 상기 거리 측정중 최소한 두 개가 서로 다른 가중치를 할당받으며,
    상기 단계(b)는
    (1) 다음의 방정식을 이용하여 상기 거리 측정의 상기 소스의 위치를 기초로 하여 정확도의 기하학적 희석(GDOP) 값을 계산하는 단계를 포함하되
    Tr은 트레이스 오퍼레이터이고,
    H는 상기 거리 측정의 상기 소스의 상기 위치를 기초로 하는 예상 행렬이고,
    HT는 상기 예상 행렬 H의 전치 행렬인 단계와,
    (2) 상기 GDOP 값을 기초로 하여 상기 삽입 파라미터에 대하여 상기 값을 세팅하는 단계를 포함하고,
    상기 단계(c)는 다음의 방정식을 계산하는 단계를 포함하되
    는 상기 WRR 평가이고,
    W는 상기 하나 이상의 할당된 가중치를 기초로 하는 가중 행렬이고,
    k는 상기 삽입 파라미터이고,
    I는 항등 행렬이고,
    y는 상기 거리 측정을 기초로 하는 측정 벡터인 단계를 포함하는
    위치 결정 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 단계(c)는
    (a) 상기 GDOP 값이 지정된 임계값보다 더 적은 경우라면, 상기 터미널의 상기 위치를 계산하는 최소 평균 제곱 알고리즘을 수행하는 단계와,
    (b) 상기 GDOP 값이 상기 지정된 임계값보다 더 적지 않은 경우라면, 상기 WRR 처리를 수행하는 단계를 포함하는
    위치 결정 방법.
  17. 기계 가독 매체로서, 그 위에 프로그램 코드가 코드화되어 있으며, 상기 프로그램 코드가 기계에 의하여 실행되는 경우, 상기 기계는 터미널의 위치를 결정하는 방법을 구현하되 상기 방법은
    (a) 상기 터미널에 대하여 세 개 이상의 서로 다른 소스에 대응하는 세 개 이상의 거리 측정의 세트중 최소한 하나에 대하여 가중치를 할당하는 단계와,
    (b) 삽입 파라미터에 대하여 값을 할당하는 단계와,
    (c) 상기 터미널의 위치를 나타내는 가중화 능형 회귀 평가를 결정하기 위하여 상기 거리 측정의 가중화 세트 및 상기 삽입 파라미터를 기초로 WRR 처리를 수행하는 단계를 포함하는
    기계 가독 매체.
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