[논문]실내에서 스마트폰의 글로벌 좌표 인식 시스템에 관한 연구

오종택

doi:10.7236/jiibc.2015.15.2.151

실내에서 스마트폰의 글로벌 좌표 인식 시스템에 관한 연구
A Study on Global Positioning System of Smart Phone in indoor 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.15 no.2, 2015년, pp.151 - 156

초록
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스마트폰의 사용이 크게 활성화됨에 따라 거의 모든 사람들이 항상 휴대하고 있으며, 실외에서는 GPS 위성시스템을 이용하여 자신의 위치를 인식하고 관련된 응용 서비스를 제공받을 수 있다. 그러나 실내에서는 스마트폰의 위치를 인식하기도 어렵고 TDOA 방식의 상대 위치를 측정하는 방식에서는 글로벌 좌표를 인식할 수 없다. 본 논문에서는 음향 신호를 이용한 TDOA 방식의 상대 위치 추정 시스템에서, GPS 수신기와 지자기 센서를 이용하여 실내에서 스마트폰의 글로벌 좌표를 인식하는 시스템이 제안되었고, 그 성능과 실험 결과가 기술되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the proliferation of smart phone, almost every user has one's own smart phone, and the user could get the global position and location based services using GPS system outdoors. But indoor positioning system using GPS does not work, and it could not detect global position using TDOA local positioning system. In this paper, a new indoor global positioning system for smart phone employing GPS receiver and electronic compass device is proposed with the TDOA local positioning system using acoustic signal, and the performance and the experimental result are described.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 음향 신호 기반의 실내 위치 측정 장치에서 실내 위치 장치의 글로벌 좌표 및 지자기 센서, 스마트폰의 상대 위치 좌표를 조합하여, 스마트폰의 글로벌 절대 좌표를 구하는 기술에 대해서 설명하고, 제작된 시험 장치와 측정된 값에 대해서 설명한다.

가설 설정

실제로는 스마트폰과 마이크 사이의 거리 차이 값을 측정할 때에 여러 가지 원인으로 오차가 발생하므로, 이 오차에 대한 추정된 위치 좌표의 오차의 비율을 의미하는 Dilution of Position (DOP)를 이용하여 위치 추정의 정확도를 시뮬레이션 할 수 있다. 그림 2에서는 거리 측정 오차를 가우시안 잡음으로 모델링하고 측정된 거리 차이 값의 오차에 대한 표준 편차는 0.1로 가정하였다^[7] .

제안 방법

다음 표 1은 제작된 시험 시스템을 이용하여 측정된 결과 값이다. 4개의 장소에서 스마트폰의 글로벌 좌표를 추정하였으며, 2가지의 IPSGP 설치 방향각에 대해서 시험하였다. IPSGP와 스마트폰의 수직 거리가 2 m인 경우 에, TDOA 방식의 상대 좌표의 위치 추정 오차가 20 cm 정도 발생한다.
그림 3은 본 논문에서 제안된 스마트폰 글로벌 좌표 인식 시스템의 구조이다. IPSGP (Indoor Positioning System for Global Positioning)가 스마트폰에서 발생된 음향 신호를 수신하여 스마트폰의 상대 위치를 추정하고, 자신의 글로벌 좌표 값과 설치 방향각을 이용하여 스마트폰의 절대 좌표를 추정한다.
IPSGP가 GPS 모듈을 이용하여 글로벌 좌표를 스스로 인식하던지 또는 설치 담당자가 Google 맵을 이용하여 실내에서의 IPSGP 위치를 추정하여 글로벌 좌표 값을 IPSGP에 저장한다. 결과적으로 IPSGP는 자신의 글로벌 좌표를 인식하고 있으며, TDOA 모듈을 이용하여 스마트폰과의 상대 위치 좌표 값을 추정할 수 있다.

대상 데이터

그림 1에서와 같이 십자가 모양으로 배치된 5개의 마이크가 있으며 마이크의 간격은 50 cm 이다. 스마트폰 음향 신호는 시간길이가 5 msec인 5～10 kHz의 선형 chirp 신호가 사용되었고, 샘플링 속도는 100 kHz이다. 스마트폰의 위치를 추정하는 알고리즘은 2장 에서 설명한 방법과 같다.
또한 IPSGP의 전면이 북쪽을 향하도록 설치되어 있다. 이 예에서는 스마트폰이 IPSGP의 가운데 마이크를 기준으로 북쪽으로 2 m의 거리에 있으며, 서쪽으로 1m 벗어나 있다.(z: 2 m, x: 1 m) 또한 IPSGP의 가운데 마이크와 같은 높이에 스마트폰이 고정되어 있다(즉, y 값은 동일함).

성능/효과

, 즉 서쪽을 바라보는 경우에 는, 세 번째 시험 결과에서 스마트폰이 서쪽으로 2 m 떨어져 있으므로 위도는 변동이 없고 경도만 감소하였다. 네 번째 시험에서는 스마트폰이 서쪽으로 2 m, 왼쪽(남 쪽)으로 1 m 떨어져 있으므로, 위도와 경도가 모두 감소하였다. 따라서 본 본문에서 제안된 수식 (3)이 정확한 것을 확인할 수 있다.
즉, IPSGP의 설치 각이 \(0^{\circ}\)인 경우에는(즉 북쪽을 향하는 경우) 첫 번째 시험 결과를 보면, 스마트폰의 거리가 IPSGP으로부터 수직으로 2 m이므로 북쪽 방향으로만 2 m 앞에 있는 것이고, 따라서 경도는 변화가 없고 위도만 증가한 것을 확인할 수 있다. 두 번째 시험 결과에서는 스마트폰의 위치가 북쪽으로 2 m, 왼쪽(서쪽)으로 1 m 떨어져 있으므로, 위도가 증가하고 경도가 감소한 것을 알 수 있다.
네 번째 시험에서는 스마트폰이 서쪽으로 2 m, 왼쪽(남 쪽)으로 1 m 떨어져 있으므로, 위도와 경도가 모두 감소하였다. 따라서 본 본문에서 제안된 수식 (3)이 정확한 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 실내에서 스마트폰의 글로벌 좌표를 인식하기 위해, TDOA 방식의 상대 위치 추정 장치의 글로벌 좌표, 해당 장치 기준으로 스마트폰의 상대 위치 좌표, 해당 장치의 설치 방향각 정보를 합산하는 기술이 제안되었으며, 시험을 통해 정확하게 동작하는 것이 확인 되었다. 제안된 기술을 적용하여 실내에서 스마트폰의 글로벌 절대 좌표를 추정할 수 있으므로, Google이나 네이버의 지도에 현재의 위치를 바로 표시할 수 있고, 이를 이용하여 다양한 실내에서의 위치 기반 서비스가 가능하다.
스마트폰의 IPSGP에 대한 상대 좌표 값과 IPSGP의 설치 방위각, IPSGP의 글로벌 좌표 값을 합산하여 스마트폰의 글로벌 좌표 값을 추정한 결과를 분석해 보면 적절한 결과를 확인할 수 있다. 즉, IPSGP의 설치 각이 \(0^{\circ}\)인 경우에는(즉 북쪽을 향하는 경우) 첫 번째 시험 결과를 보면, 스마트폰의 거리가 IPSGP으로부터 수직으로 2 m이므로 북쪽 방향으로만 2 m 앞에 있는 것이고, 따라서 경도는 변화가 없고 위도만 증가한 것을 확인할 수 있다.
그림 2는 상대 위치 측정 장치의 기준면으로 부터 거리 3 m의 평면에서 원점에서 상하-좌우 각각 2 m 거리에 대해서 스마트폰의 상대 위치 측정 오차를 표시한 것이다. 원점에서 벗어날수록 상대 위치 추정 오차가 증가 하는 것을 확인할 수 있고, 기준면으로 부터 거리가 멀수록 즉 스마트폰과 상대 위치 측정 장치의 거리가 멀수록 상대 위치 추정 오차는 증가한다.
이상에서 본 논문에서 제안된 실내 위치 추정 장치의 글로벌 좌표와 설치 방위각, 스마트폰의 상대 좌표를 합산한 스마트폰의 글로벌 좌표 추정 기술의 계산 방법과 그 결과에 대해서 기술하였으며, 제안된 방법의 정확성이 확인되었다. 스마트폰의 실내에서의 글로벌 좌표 추정 값의 정확도를 높이기 위해서는 IPSGP가 TDOA 방식으로 스마트폰의 상대 위치를 추정하는 정확도가 높아야 하며, IPSGP의 글로벌 좌표 값도 정확해야 한다.
본 논문에서는 실내에서 스마트폰의 글로벌 좌표를 인식하기 위해, TDOA 방식의 상대 위치 추정 장치의 글로벌 좌표, 해당 장치 기준으로 스마트폰의 상대 위치 좌표, 해당 장치의 설치 방향각 정보를 합산하는 기술이 제안되었으며, 시험을 통해 정확하게 동작하는 것이 확인 되었다. 제안된 기술을 적용하여 실내에서 스마트폰의 글로벌 절대 좌표를 추정할 수 있으므로, Google이나 네이버의 지도에 현재의 위치를 바로 표시할 수 있고, 이를 이용하여 다양한 실내에서의 위치 기반 서비스가 가능하다.
스마트폰의 IPSGP에 대한 상대 좌표 값과 IPSGP의 설치 방위각, IPSGP의 글로벌 좌표 값을 합산하여 스마트폰의 글로벌 좌표 값을 추정한 결과를 분석해 보면 적절한 결과를 확인할 수 있다. 즉, IPSGP의 설치 각이 \(0^{\circ}\)인 경우에는(즉 북쪽을 향하는 경우) 첫 번째 시험 결과를 보면, 스마트폰의 거리가 IPSGP으로부터 수직으로 2 m이므로 북쪽 방향으로만 2 m 앞에 있는 것이고, 따라서 경도는 변화가 없고 위도만 증가한 것을 확인할 수 있다. 두 번째 시험 결과에서는 스마트폰의 위치가 북쪽으로 2 m, 왼쪽(서쪽)으로 1 m 떨어져 있으므로, 위도가 증가하고 경도가 감소한 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실내에서 GPS 위성시스템의 문제점은 무엇인가?	스마트폰의 사용이 크게 활성화됨에 따라 거의 모든 사람들이 항상 휴대하고 있으며, 실외에서는 GPS 위성시스템을 이용하여 자신의 위치를 인식하고 관련된 응용 서비스를 제공받을 수 있다. 그러나 실내에서는 스마트폰의 위치를 인식하기도 어렵고 TDOA 방식의 상대 위치를 측정하는 방식에서는 글로벌 좌표를 인식할 수 없다. 본 논문에서는 음향 신호를 이용한 TDOA 방식의 상대 위치 추정 시스템에서, GPS 수신기와 지자기 센서를 이용하여 실내에서 스마트폰의 글로벌 좌표를 인식하는 시스템이 제안되었고, 그 성능과 실험 결과가 기술되었다.
	TDOA 방식의 장점은 무엇인가?	한편, 스마트폰에서 음향 신호를 발생하고 실내 상대 위치 측정 장치에서 이를 TDOA (Time Difference of Arrival) 방식으로 처리하여 위치를 추정하는 기술도 활발하게 연구되어 왔다 [3~5]. 이 방식의 장점은 수 cm 정도의 정밀도로 스마트폰의 상대위치를 측정할 수 있다는 것이다. 또한 음향 신호 기반의 실내 측위 장치는 사전에 측정할 필요가 없으며 주변 상황에 영향을 별로 받지 않는 장점도 있다. 그러나 별도의 측정 장치가 실내에 설치되어야 하며 음향 신호를 사용하므로 측정 거리가 수 m 정도로 제한된다는 것이다.
	기존의 음향 신호 기반의 실내 위치 추정 기술은 무엇인가?	기존의 음향 신호 기반의 실내 위치 추정 기술은 별도의 서비스 서버가 필요 없으며 상대 위치를 추정하는 방식이다. 즉, 실내 위치 측정 장치를 기준으로 스마트폰의 상대 좌표를 추정한다.

참고문헌 (8)

S.Son, Y.Park, B.Kim, and Y.Baek, "Wi-Fi Fingerprint Location Estimation System Based on Reliability, J. KICS, vol.38C, no.6, pp.31-539, June 2013.
S.Zekavat and R.Buehrer, Handbook of position location: Theory, practice, and Advances, IEEE Press, 2012.
Y.Lu and A.Finger, "Ultrasonic beacon-based local positioning system using broadband PN -chirp codes," in proc. Int. Conf. Wireless Optical Comm., Banff, Canada, July 2009.
H.Kim and N.Kim, "Multiple Access Control Method for Distance Measurement Using Radio and Ultrasonic Wave," J. Korean Inst. Info. Tech., vol. 11, no. 1, pp.1-7, Jan. 2013.
B.Li, A.G.Dempster, and J.Wang, "3D DOP for positioning applications using range measurements," Wireless Sensor Network, vol. 3, pp.334-340, Oct. 2011.

상세보기
J.Oh, "A Study on Multipath Effect Mitigation using Trigger Signal in the 3D TDOA Positioning System," J. IIBC, vol. 14, no. 4, pp.149-155, Aug. 2014.
J.Oh, "A Study on PDOP due to the Position Error of Acoustic Sensors in the 3D TDOA Positioning System," J. IIBC, vol. 15, no. 1, pp.199-205, Feb. 2015.
Calculate distance, bearing and more between Latitude/Longitude points, http://www.movabletype.co.uk/scripts/latlong.html

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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