최근 Global Navigation Satellite Signal (GNSS) 신호를 이용한 실외 측위 기술은 정확도와 정밀도 측면에서 상당한 발전을 이루었다. 그러나 GNSS 신호가 제한되는 실내 환경에서는 아직 대표적인 측위 방법 이 정립되지 않은 실정이다. 본 논문에서는 단일 송신기 기반 실내 측위 시스템을 이용하여 3차원 측위를 수행하는 알고리즘을 제안하고, 시뮬레이션을 통해 그 성능을 평가하였다. 단일 송신기 기반 측 위 시스템은 다중 안테나 배열을 활용하여 반송파 위상 측정값으로 정밀한 위치 결정이 가능하지만, 단일모듈 측위시스템의 특성 상 오차 타원이 무한히 길어지는 형태를 보인다. 따라서 정확한 3차원 측위 를 위해서는 사용자의 높이나 송신기 모듈과 사용자 간의 거리 정보가 필수적이다. 본 연구에서는 제안한 알고리즘의 성능을 정밀하게 분석하기 위해, 다양한 시나리오를 구성하였다. 시나리오는 RTT 기반 거 리정보와 기압계 측정값 및 사람의 평균키를 활용한 높이정보를 주요 측정치로 설정하고, 측정치의 조합과 각 측정치에 대한 편향 오차 유무를 변수로 하여 구성하였다. 이후 각 시나리오에 제안한 측위 알 고리즘을 적용하고, 시뮬레이션을 통해 성능을 분석하였다. 알고리즘 평가를 위한 시뮬레이션 환경에서는 각 시나리오에 따라 반송파 위상, Round-Trip Time (RTT), 그리고 필요에 따라 기압 측정값을 고 려 하였으며, 측정값에는 편향 및 잡음과 같은 다양한 오차 요소를 반영하였다. 다양한 오차요소 중 특히 다중경로 오차는 수많은 사물과 벽으로 인해 빈번하게 발생하며, 실내 환경 모델링을 더 어렵게 만 드는 주요 요인이다. 본 연구에서는 Ray-tracing 기법을 사용하여 주변 사물과 수신 안테나를 모델링하고 환경적 오차 요인을 반영하였다. 또한, 다양한 측정치를 융합하는 칼만 필터를 알고리즘에 활용하여 잡음 을 완화하고 측위 정확도를 향상시켰다.

Positioning Algorithm and Performance Analysis using Single-Transmitter-based Precise Indoor Positioning System

Hyewon Jo, Min-ji Kim, O-Jong Kim*, Ju Hyun Maeng

In recent years, outdoor positioning using Global Navigation Satellite Signal (GNSS) signals has significantly improved in accuracy and precision. However, in indoor environments where GNSS signals are limited, representative positioning methods have not yet been established. In this paper, positioning algorithms for three-dimensional positioning in indoor environments using a single transmitter-based indoor positioning system is suggested, and performance has been evaluated through simulations. A single transmitter-based positioning system utilizes a multi-antenna array for precise position determination through carrier phase measurements. However, a characteristic of such single-module systems is an infinitely elongated error ellipse. To achieve accurate three-dimensional positioning, it is essential to have the user's height or the distance information between the transmitter module and the user. To evaluate the proposed algorithm, we designed scenarios using Round-Trip Time (RTT)-based range, barometric data, and average human height as observations, varying their combinations and bias conditions. In the simulation environment for evaluating the algorithms, carrier phase measurements, RTT measurements, and, if necessary, atmospheric pressure measurements are considered for each scenario. In particular, the multipath error occurs frequently due to numerous objects and walls. It is a significant error factor in indoor environments, making modeling these environments more challenging. In this study, the ray-tracing method is employed to consider the modeling of surroundings objects and receiving antennas, as well as modeling the environment to introduce error factors. The Kalman filter that considers various combinations of measurements is utilized in the algorithm to mitigate noise and enhance the positioning accuracy. Keywords: indoor positioning, carrier-phase, multipath modeling, Kalman filter

Speaker 조혜원 세종대학교