KR20180077861A - Wireless positioning system and method based on probabilistic approach in indoor environment - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 위치 오차의 정밀도를 향상시킬 수 있도록 된 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a probability based near field wireless position measurement system and method in an indoor environment, and more particularly, to a probability based near field wireless position measurement system and method in an indoor environment capable of improving accuracy of a position error.
최근, 무선통신 기술의 급격한 발달과 함께 유비쿼터스의 핵심 기술 중의 하나인 위치 기반 서비스(LBS, Location Based System)에 대한 관심이 높아지고 있다. 위치 기반 서비스의 핵심 기술인 측위 기술은 실외 환경에서 GPS가 위치추적을 위해 널리 사용되고 있다.Recently, with the rapid development of wireless communication technology, there is a growing interest in LBS (Location Based System), which is one of the core technologies of ubiquitous computing. Positioning technology, a core technology of location-based services, is widely used for GPS positioning in outdoor environments.
그런데, 실내와 같은 환경에서는 GPS의 적용이 어렵기 때문에 새로운 방식의 측위 기술이 요구된다. 따라서, 현재 위치 측정과 관련된 많은 연구가 이루어지고 있으며, 이에 대한 몇 가지 이슈가 대두되고 있다.However, since it is difficult to apply GPS in an indoor environment, a new positioning technique is required. Therefore, many studies related to the current position measurement have been made, and some issues are emerging.
위치 측정 분야에서 가장 중요한 정확도 문제에 관한 연구가 많이 이루어지고 있다. 여기서, 위치 측정시 정확도에 가장 큰 영향을 미치는 것이 NLOS(Non Line of Sight) 문제이다. 무선 환경에서의 위치 측정은 전파의 특성상 많은 환경적 요인들의 영향을 받는다. LOS(Line of Sight) 전파 환경은 높은 정확성을 위한 필수적인 요소이지만, 실제 환경에서는 많은 요인들로 인해 direct path가 방해를 받게 된다.There are many studies on the most important accuracy problem in the field of position measurement. Here, NLOS (Non Line of Sight) problem has the biggest influence on accuracy in position measurement. Location measurement in a wireless environment is influenced by many environmental factors due to the nature of radio waves. The LOS (Line of Sight) propagation environment is an essential element for high accuracy, but in real-world environments, direct path is disturbed by many factors.
중요한 방해 요인으로는, 전송 손실(path loss), multipath propagation, NLOS 등이 있다. 이러한 방해 요인으로 인해 전파의 반사, 회절 등의 문제가 발생하고, 그 결과 경로의 길이가 길어지게 되어 정확한 위치 측정에 어려움을 가지게 된다.Important disturbances include path loss, multipath propagation, and NLOS. Such interference causes problems such as reflection and diffraction of radio waves, and as a result, the length of the path becomes long, making it difficult to accurately measure the position.
이러한 NLOS 문제는 위치 정확도 향상을 위한 중요한 요소로 인식되어 NLOS 발견과 완화를 위한 많은 연구가 계속되고 있다.This NLOS problem is recognized as an important factor for improving the positional accuracy, and many studies for NLOS discovery and mitigation are continuing.
따라서, 전파방해요인을 고려하여 실내에서의 위치측정 정밀도를 높일 수 있는 방안이 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for a method for increasing the accuracy of position measurement in a room in consideration of a radio interference factor.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전파방해요인에 의한 위치 측정 오차를 줄일 수 있는 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a probability based near field wireless position measurement system and method in an indoor environment capable of reducing a position measurement error caused by a radio wave interference factor.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템은 실내의 상호 이격된 위치에서 각각 고유 식별정보가 기록된 무선신호를 송출하는 적어도 3개 이상의 앵커 송신기와, 상기 앵커 송신기 각각으로부터 송출되는 무선신호를 수신하고, 수신된 무선신호의 고유식별정보와 신호세기를 이용하여 자신의 위치를 산출하는 이동체를 구비하는 근거리 무선 위치 측정 시스템에 있어서, 상기 이동체는 상기 앵커 송신기들을 연결하여 형성되는 폐구획 영역 내의 알고 있는 위치에 대해 추정 포인트들을 설정하고, 추정포인트와 상기 앵커 송신기 사이의 제1이격거리와 상기 이동체에서 상기 앵커 송신기로부터 수신된 신호세기로부터 산출된 제2이격거리에 대해 설정된 확률계산식에 의해 상기 앵커송신기에 각각 대응되게 단위 확률을 계산하고, 계산된 각 단위 확률을 상호 승산한 누적확률을 상기 추정포인트별로 산출하며, 산출된 추정포인트별 누적확률을 룰렛판에 추종포인트의 개수 및 각 추종포인트의 누적확률값에 비례하게 추종포인트 점유영역이 설정된 룰렛을 회전시키면서 상기 추정포인트 개수만큼 횟수를 적용하여 선택되는 추정포인트들 중 선택 횟수를 가장 많이 받은 추정포인트의 위치를 현재 위치로 판단하도록 처리한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a probability-based short-range wireless position measurement system in an indoor environment, including at least three anchor transmitters for transmitting radio signals in which unique identification information is recorded at mutually spaced locations in a room, And a mobile body for receiving a radio signal transmitted from each of the anchor transmitters and calculating a position of the mobile station based on the unique identification information and the signal strength of the received radio signal, Calculating a first distance between the estimated point and the anchor transmitter and a second distance calculated from the signal strength received from the anchor transmitter in the mobile body by setting the estimated points for a known position in the dead zone defined by connecting the transmitters, According to the probability calculation formula set for the separation distance, The cumulative probability of each of the calculated points is calculated for each of the estimated points, and the calculated cumulative probability for each of the estimated points is stored in the roulette plate as the number of follow-up points and the cumulative probability value of each follow- The position of the estimated point having the largest number of selection points among the estimated points selected by applying the number of times by the number of estimated points while rotating the roulette set in the track point occupied area proportionally is determined as the current position.
상기 확률계산식은The probability calculation equation
여기서 Wi는 앵커송신기i에 대한 단위확률이며, di는 이동체와 앵커송신기i와의 신호세기로부터 산출한 제2이격거리이고, di* 는 추정포인트와 앵커송신기i와의 제1이격거리이다.Here, Wi is a unit probability for an anchor transmitter i, di is a second spacing distance calculated from the signal strength between the moving body and the anchor transmitter i, and di * is a first spacing distance between the estimated point and the anchor transmitter i.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 방법은 실내의 상호 이격된 위치에서 각각 고유 식별정보가 기록된 무선신호를 송출하는 적어도 3개 이상의 앵커 송신기 각각으로부터 송출되는 무선신호를 이동체에서 수신하여 무선신호 고유식별정보와 신호세기를 이용하여 자신의 위치를 산출하는 근거리 무선 위치 측정 방법에 있어서, 가. 상기 이동체에서 상기 앵커 송신기들을 연결하여 형성되는 폐구획 영역 내의 알고 있는 위치에 대해 추정 포인트들을 설정하고, 추정포인트와 상기 앵커 송신기 사이의 제1이격거리와 상기 이동체에서 상기 앵커 송신기로부터 수신된 신호세기로부터 산출된 제2이격거리에 대해 설정된 확률계산식에 의해 상기 앵커송신기에 각각 대응되게 단위 확률을 계산하고, 계산된 각 단위 확률을 상호 승산한 누적확률을 상기 추정포인트별로 산출하는 단계와; 나. 상기 가 단계에서 산출된 추정포인트별 누적확률을 룰렛판에 추종포인트의 개수 및 각 추종포인트의 누적확률값에 비례하게 추종포인트 점유영역이 설정된 룰렛을 회전시키면서 상기 추정포인트 개수만큼 횟수를 적용하여 선택되는 추정포인트들 중 선택 횟수를 가장 많이 받은 추정포인트의 위치를 현재 위치로 판단하도록 처리한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a probability-based short-range wireless position measurement method in an indoor environment, the method comprising: receiving at least three anchor transmitters A short range radio position measuring method for receiving a radio signal transmitted from each of a plurality of mobile stations and calculating its own position using radio signal unique identification information and signal strength, comprising: The mobile station sets estimation points for a known position in a dead zone formed by connecting the anchor transmitters in the mobile body, and calculates a first distance between the estimation point and the anchor transmitter and a first distance between the anchor transmitter and the anchor transmitter, Calculating a unit probability corresponding to each of the anchor transmitters by a probability calculation formula set for a second spacing distance calculated from the first and second spacings, and calculating a cumulative probability of multiplying each of the calculated unit probabilities by the estimated points; I. The cumulative probability for each estimated point calculated in the above step is selected by applying the number of times corresponding to the number of estimated points while rotating the roulette in which the track point occupied area is set in proportion to the number of tracking points and the cumulative probability value of each tracking point in the roulette board It is determined that the position of the estimated point having the largest number of selection points among the estimated points is determined as the current position.
본 발명에 따른 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템 및 방법에 의하면, 전파장애에 대한 위치 오차 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.According to the present invention, the probability based near field wireless position measurement system and method in an indoor environment provides an advantage of improving the accuracy of position error with respect to radio wave interference.
도 1은 본 발명에 따른 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템을 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 이동체의 블록도이고,
도 3은 본 발명에 따른 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 과정을 설명하기 위한 플로우도이고,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 위치 측정과정을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating a probability based near field wireless positioning system in an indoor environment according to the present invention,
Fig. 2 is a block diagram of the moving body of Fig. 1,
FIG. 3 is a flowchart for explaining a probability based near field wireless positioning process in an indoor environment according to the present invention,
4 and 5 are views for explaining a position measuring process according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템 및 방법을 더욱 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a probability based near field wireless positioning system and method in an indoor environment according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템을 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 이동체의 블록도이다.FIG. 1 is a diagram illustrating a probability based short range wireless positioning system in an indoor environment according to the present invention, and FIG. 2 is a block diagram of the mobile station of FIG. 1.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템(100)은 제1 내지 제4 앵커 송신기(A1 내지 A4)(11 내지 14)와, 이동체(T)(20)를 구비한다.1 and 2, a probability based near field
제1 내지 제4 앵커 송신기(A1 내지 A4)(11 내지 14)는 실내의 상호 이격된 위치에서 각각 고유 식별정보가 기록된 무선신호를 송출한다.The first to fourth anchor transmitters A1 to A4 (11 to 14) transmit radio signals in which unique identification information is recorded at mutually spaced locations in the room.
도시된 예와 다르게 앵커 송신기는 3개 또는 5개 이상이 적용될 수 있음은 물론이다.It is needless to say that, unlike the illustrated example, three or five or more anchor transmitters may be applied.
이동체(T)(20)는 제1 내지 제4앵커 송신기(11 내지 14) 각각으로부터 송출되는 무선신호를 수신하고, 수신된 무선신호의 고유식별정보와 신호세기를 이용하여 자신의 위치를 산출한다.The mobile unit (T) 20 receives the radio signals transmitted from the first to
이동체(20)는 제1 내지 제4앵커 송신기(11 내지 14) 각각으로부터 송출되는 무선신호를 수신하는 신호수신부(21)와, 신호수신부에서 수신된 고유식별정보와 신호세기를 이용하여 자신의 위치를 산출하는 위치산출부(22) 및 위치산출부(22)에 제어되며 산출된 위치 정보를 출력하는 위치 출력부(23)를 구비한다.The moving
위치 출력부(23)는 산출된 위치정보를 표시하는 표시부가 적용될 수 있다.The
위치 산출부(22)의 위치산출과정을 도 3 내지 도 5를 함께 참조하면서 설명한다.The position calculating process of the
먼저, 위치 산출부(22)는 제1 내지 제4 앵커 송신기(11 내지 14)들을 연결하여 형성되는 폐구획 영역(15) 내의 알고 있는 임의의 위치에 대해 추정 포인트(c1 내지 c5)들을 설정한다(단계 110).First, the
추정포인트(c1 내지 c5)들의 위치정보 및 제1 내지 제4 앵커 송신기(11 내지 14)의 위치정보는 위치 산출부(22)에 기록되어 있다.The position information of the estimated points c1 to c5 and the position information of the first to
도시된 예에서는 도면의 복잡성을 피하기 위해 5개의 추정포인트만 예시하였고, 적용되는 환경 및 시스템에 따라 적절하게 적용하면 되고 바람직하게는 100 내지 500개를 적용한다.In the illustrated example, only five estimation points are illustrated in order to avoid the complexity of the drawing, and it is appropriately applied according to the applied environment and system, and preferably 100 to 500 is applied.
또한, 추정포인트의 선정은 난수발생기를 이용하여 발생된 난수에 대응되는 추정포인트를 설정된 개수만큼 선정하는 방식 등 다양하게 적용할 수 있다.In addition, the estimation point can be selected in various ways such as a method of selecting a predetermined number of estimation points corresponding to a random number generated using a random number generator.
다음은 선정된 추정포인트(c1 내지 c5)와 제1 내지 제4 앵커 송신기(11 내지 14) 사이의 제1이격거리와 이동체(20)에서 제1 내지 제4 앵커 송신기(11 내지 14)로부터 수신된 신호세기로부터 산출된 제2이격거리에 대해 설정된 확률계산식에 의해 제1 내지 제4 앵커송신기(11 내지 14)에 각각 대응되게 단위 확률을 계산하고, 계산된 각 단위 확률을 상호 승산한 누적확률을 추정포인트별로 산출한다(단계 120).Next, the first to
여기서, 단위 확률계산식은 아래의 수학식1로 표현할 수 있다.Here, the unit probability calculation equation can be expressed by the following equation (1).
여기서 Wi는 앵커송신기i에 대한 단위확률이며, di는 이동체와 앵커송신기i와의 신호세기로부터 산출한 제2이격거리이고, di* 는 추정포인트와 앵커송신기i와의 제1이격거리이다.Here, Wi is a unit probability for an anchor transmitter i, di is a second spacing distance calculated from the signal strength between the moving body and the anchor transmitter i, and di * is a first spacing distance between the estimated point and the anchor transmitter i.
이를 참조부호 c1으로 표기된 추정포인트에 대해 산출하는 과정을 설명한다.A process for calculating the estimated point indicated by reference numeral c1 will be described.
위치를 알고 있는 추정포인트(C1)에 대해 위치를 알고 있는 제1 내지 제4 앵커 송신기(11 내지 14) 사이의 제1이격거리(d1 내지 d4)와, 제1 내지 제4 앵커 송신기(11 내지 14)로부터 송신되어 이동체(20)에서 수신된 신호세기로부터 산출된 제2이격거리(d1* 내지 d4*)에 대해 제1앵커송신기(11)에 대한 단위확률을 W(c1)1이라고 하면 아래의 수학식2와 같이 계산된다.The first distance d1 to the distance d4 between the first to
마찬가지로, 추정포인트(C1)에 대해 제2앵커송신기(12)에 대한 d2, d2*를 적용하여 산출된 단위 확률은 W(c1)2라하고, 제3앵커송신기(13)에 대한 d3, d3*를 적용하여 산출된 단위 확률은 W(c1)3라하고, 제4앵커송신기(14)에 대한 d4, d4*를 적용하여 산출된 단위 확률은 W(c1)4라하면, 추정포인트(C1)에 대한 누적 확율(P(c1))은 아래의 수학식3에 의해 산출된다.Similarly, the unit probability calculated by applying d2, d2 * to the
마찬가지 방식으로 나머지 추정포인트들에 대해서도 누적확율을 산출한다.Likewise, the cumulative probability is calculated for the remaining estimated points.
다음은 산출된 추정포인트별 누적확률을 룰렛판(50)에 추종포인트의 개수 및 각 추종포인트의 누적확률값에 비례하게 추종포인트 점유영역이 설정된 룰렛(50)을 회전시키면서 추정포인트 개수만큼 횟수를 적용하여 선택되는 추정포인트들 추출한다(단계 130).Next, the cumulative probability for each estimated point is calculated in proportion to the number of tracking points and the cumulative probability value of each tracking point, while rotating the
즉, 도 5에 도시된 바와 같이 추정포인트 C1의 누적확율이 0.4인 경우 룰렛판(50)에 0.4만큼의 점유영역(52) 갖게 추정포인트를 지정한다. 같은 방식으로 나머지 추정 포인트들에 대해서도 누적확율값에 대응되는 점유영역을 갖게 형성한 다음 룰렛판(50)을 회전시키고 다트를 투척하여 착지된 점유영역에 대응되는 추정포인트를 선택된 추정포인트로 추출한다. That is, as shown in FIG. 5, when the cumulative probability of the estimated point C1 is 0.4, an estimated point is assigned to the
이러한 추정포인트 추출과정은 적용된 추정포인트 개수만큼 진행된다. This estimation point extraction process proceeds by the number of estimated estimation points applied.
앞서 설명된 룰렛방식 추출과정은 소프트웨어적으로 연산에 의해 처리된다.The roulette method extraction process described above is processed by software operation.
마지막으로 선택 횟수를 가장 많이 받은 추정포인트의 위치를 현재 위치로 판단하도록 처리한다(단계 140).Finally, the position of the estimated point having the largest number of times of selection is determined to be the current position (step 140).
이러한 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템 및 방법에 의하면, 전파장애에 대한 위치 오차 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.According to the probability based near field wireless positioning system and method in such an indoor environment, it is possible to improve the accuracy of position error with respect to radio wave interference.
11 내지 14: 제1 내지 제4 앵커 송신기(A1 내지 A4)
20: 이동체(T)11 to 14: First to fourth anchor transmitters (A1 to A4)
20: Moving object (T)
Claims (3)
상기 이동체는
상기 앵커 송신기들을 연결하여 형성되는 폐구획 영역 내의 알고 있는 위치에 대해 추정 포인트들을 설정하고, 추정포인트와 상기 앵커 송신기 사이의 제1이격거리와 상기 이동체에서 상기 앵커 송신기로부터 수신된 신호세기로부터 산출된 제2이격거리에 대해 설정된 확률계산식에 의해 상기 앵커송신기에 각각 대응되게 단위 확률을 계산하고, 계산된 각 단위 확률을 상호 승산한 누적확률을 상기 추정포인트별로 산출하며, 산출된 추정포인트별 누적확률을 룰렛판에 추종포인트의 개수 및 각 추종포인트의 누적확률값에 비례하게 추종포인트 점유영역이 설정된 룰렛을 회전시키면서 상기 추정포인트 개수만큼 횟수를 적용하여 선택되는 추정포인트들 중 선택 횟수를 가장 많이 받은 추정포인트의 위치를 현재 위치로 판단하도록 처리하는 것을 특징으로 하는 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템.At least three or more anchor transmitters for transmitting radio signals in which unique identification information is recorded at mutually spaced locations in the room; and a radio receiver for receiving the radio signals transmitted from each of the anchor transmitters, A short range wireless positioning system having a mobile body for calculating its own position using an intensity,
The moving body
Calculating a first distance between the estimated point and the anchor transmitter and a second distance between the estimated point and the anchor transmitter calculated from the signal strength received from the anchor transmitter in the moving object, Calculates a unit probability corresponding to each of the anchor transmitters by a probability calculation formula set for the second spacing distance, calculates a cumulative probability that is obtained by multiplying each of the calculated unit probabilities by the estimated points, and calculates a cumulative probability The roulette plate is rotated by a roulette with the tracking point occupied area set in proportion to the number of tracking points and the cumulative probability value of each tracking point, while applying the number of times by the number of the estimated points, The process of determining that the position of the point is the current position Probability-based short-range wireless position measuring system in an indoor environment that is.
여기서 Wi는 앵커송신기i에 대한 단위확률이며, di는 이동체와 앵커송신기i와의 신호세기로부터 산출한 제2이격거리이고, di* 는 추정포인트와 앵커송신기i와의 제1이격거리인 것을 특징으로 하는 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 시스템.2. The method of claim 1,
Where Wi is a unit probability for an anchor transmitter i, di is a second spacing distance calculated from the signal strength between the moving body and the anchor transmitter i, and di * is a first spacing distance between the estimated point and the anchor transmitter i Probability based near field wireless positioning system in indoor environment.
가. 상기 이동체에서 상기 앵커 송신기들을 연결하여 형성되는 폐구획 영역 내의 알고 있는 위치에 대해 추정 포인트들을 설정하고, 추정포인트와 상기 앵커 송신기 사이의 제1이격거리와 상기 이동체에서 상기 앵커 송신기로부터 수신된 신호세기로부터 산출된 제2이격거리에 대해 설정된 확률계산식에 의해 상기 앵커송신기에 각각 대응되게 단위 확률을 계산하고, 계산된 각 단위 확률을 상호 승산한 누적확률을 상기 추정포인트별로 산출하는 단계와;
나. 상기 가 단계에서 산출된 추정포인트별 누적확률을 룰렛판에 추종포인트의 개수 및 각 추종포인트의 누적확률값에 비례하게 추종포인트 점유영역이 설정된 룰렛을 회전시키면서 상기 추정포인트 개수만큼 횟수를 적용하여 선택되는 추정포인트들 중 선택 횟수를 가장 많이 받은 추정포인트의 위치를 현재 위치로 판단하도록 처리하는 것을 특징으로 하는 실내환경에서의 확률기반 근거리 무선 위치 측정 방법.
A mobile station receives a radio signal transmitted from each of at least three anchor transmitters each transmitting a radio signal in which unique identification information is recorded at mutually spaced locations in the room, The method comprising the steps of:
end. The mobile station sets estimation points for a known position in a dead zone formed by connecting the anchor transmitters in the mobile body, and calculates a first distance between the estimation point and the anchor transmitter and a first distance between the anchor transmitter and the anchor transmitter, Calculating a unit probability corresponding to each of the anchor transmitters by a probability calculation formula set for a second spacing distance calculated from the first and second spacings, and calculating a cumulative probability of multiplying each of the calculated unit probabilities by the estimated points;
I. The cumulative probability for each estimated point calculated in the above step is selected by applying the number of times corresponding to the number of estimated points while rotating the roulette in which the track point occupied area is set in proportion to the number of tracking points and the cumulative probability value of each tracking point in the roulette board And estimating the position of the estimated point having the largest number of selection points among the estimated points as the current position.
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