[4차혁명] 시간 지연을 TOA로 추정하는 방법과 거리 기반 위치추정의 원리

위치추정 알고리즘에 대하여 살펴봅시다.

첫 번째 위치추정 알고리즘인 TOA 기반 위치추정에 대해 알아보겠습니다.

위치추정을 위한 Metric을 먼저 살펴보면, 송신 시각과 수신 시각의 차이를 TOA라고 하며,

2차원 상에서 TOA가 일정한 점의 궤적은 원입니다.

두 곳의 다른 수신 위치에서 구한 두 TOA의 차이를 TDOA라고 하며,

2차원 상에서 TOA가 일정한 점의 궤적은 쌍곡선입니다.

수신 신호세기를 RSSI라고 하며, RSSI는 주로 송신과 수신 사이의 거리에 의존하므로

2차원 상에서 RSSI가 일정한 점의 궤적은 원입니다.

도착 방향을 DOA라고 하며, 2차원 상에서 DOA가 일정한 점의 궤적은 직선입니다.

다음으로 무선 지오로케이션 시스템 기능 구성도를 살펴보면,

RF 수신신호를 이용하여 Metric을 추정합니다.

추정된 Metric에 위치추정 알고리즘을 적용하여 신호의 위치를 추정한 후

표시장치에 위치좌표를 표시합니다.

첫 번째 위치추정 알고리즘으로 TOA 추정을 살펴보면,

TOA 추정은 신호원에서의 전파 송신 시각과 센서에서의 전파 수신 시각의 차이로부터

전파 도착시간을 추정하므로 신호원과 센서 사이의 시각 동기가 필요합니다.

전파 도착시간에 전파의 이동속도를 곱하여 전파 이동거리를 구하며,

이를 One-way ranging이라고 합니다.

전파 도착 시각 추정은 상관기법을 이용합니다.

도착각도가 아닌 도착시간을 이용하므로 센서가 배열일 필요가 없다는 특징을 가지고 있습니다.

도착 시간 차이를 이용한 거리 추정 방식에는

단방향 거리 추정 방식과 양방향 거리 추정 방식이 있습니다.

단방향 거리 추정에서는 수신만 하는 수동 상황에서 송신 신호원으로부터

수신기까지의 지연 시간에 의하여 거리를 추정합니다

지연 시간에 속력을 곱하여 거리를 추정합니다.

양방향 거리 추정에서는 신호를 송신하는 능동 상황에서 표적물에

반사되는 신호가 송신 방향으로 돌아오는 양방향 신호를 이용하여 거리 추정을 수행합니다.

양방향이므로 지연 시간의 반에 속력을 곱하여 거리를 추정합니다.

결국 TOA 추정 알고리즘은 송신신호의 시간 지연된 파형과 수신 파형의 상관을

시간 지연의 함수로 구한 후 가장 큰 상관 값을 갖는 시간 지연을 TOA로 추정합니다.

두 번째로 거리 기반 위치추정의 원리에 대하여 살펴보면,

TOA 방식은 위치가 알려진 다수의 센서와 신호원 사이의 신호 전송시간을 측정함으로써

신호원의 위치를 계산합니다.

이때 센서와 신호원 사이의 정확한 시각 동기가 이루어져야 합니다.

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