KAIST 공승현 연구진, 실내 극미약 GNSS신호 초고속 감지기술 개발
SDHT 기술을 이용한 GPS 실내 측위 시스템의 측위 결과- 좌측 그림 (a)는 실제 실험한 위치이고, 우측 그림(b)는 지도에 표시한 계산된 위치 결과이다. GPS위성 4~5개 만을 사용하고, 실내 난반사 (다중경로)에 대응하는 오차완화 기법을 적용하지 않은 초기 결과이다.
[대전=일요신문]육심무 기자 = 사물인터넷(IoT) 및 위치기반 서비스 관련 산업이 지속적으로 성장하면서 실외뿐만 아니라 실내에서도 정확하고 전세계적으로 가용한 실내측위 기술이 여러 산업 분야에서 요구되고 있다.
와이파이(WiFi) 등의 실내 무선 신호를 이용하는 기존 실내측위 기술은 실내에 다수의 WiFi 장치가 설치된 곳에서만 가능하며, 실내 곳곳에서 WiFi 신호의 수신세기를 미리 측정하여 데이터베이스(DB)로 저장해야 하고, 새로운 WiFi장치를 설치하거나 WiFi장치를 옮겨 설치할 때마다 DB를 갱신해야하는 단점이 있다.
GPS를 비롯한 GNSS 위성 신호를 이용한 실내측위는 실내에서 수신되는 신호는 시멘트나 철근 벽을 통과하면서 그 신호 세기가 극미약해지므로 탐지가 매우 어려워진다.
특히, 이러한 실내 GNSS 신호를 기존의 GNSS 신호 탐지 기술로 탐지하는 경우, 미약신호 탐지에 소요되는 계산량이 폭발적으로 (실외 대비 백만배 이상) 증가하기 때문에 실내 GNSS 신호 탐지는 거의 불가능한 것으로 알려져있다.
김태선 연구원과 공승현 교수(우)
KAIST 조천식녹색교통대학원 공승현 교수 연구팀이 범지구 위성항법 시스템인 GNSS(Global navigation Satellite System)를 실내에서도 사용할 수 있는 극미약 GNSS 신호 초고속 탐지기술을 개발했다.
연구팀의 기술을 활용하면 전 세계 어디서든 실내외 상관없이 GNSS 신호만으로 위치를 파악할 수 있기 때문에 대체기술 혹은 별도 장치가 필요하지 않아 활용도가 높을 것으로 기대된다.
대중에 가장 많이 알려진 GPS는 1970년대 미 국방부가 개발한 미국 기반의 위성항법장치이며, 이러한 시스템은 미국 뿐 아니라 러시아의 GLONASS, 유럽의 GALILEO, 중국의 COMPASS 등 여러 가지가 존재하는데 GNSS는 이 모든 기술들을 포함하는 시스템이다.
기존의 GNSS는 2만km 상공에서 지구 전역으로 신호를 방사하기 때문에 지상의 작은 안테나가 수신하는 신호는 매우 미약하고, 특히 건물 벽을 투과해 실내로 침투하는 GNSS는 외부에서 수신하는 신호의 세기보다 1000 배 이상 감소된 극미약 신호가 된다.
이러한 극미약 GNSS 신호를 탐지하기 위해 기존의 주파수 영역 상관기법을 사용하면 계산량이 100만 배 이상 증가하게 되고 신호탐지를 위한 계산 시간도 폭발적으로 증가한다.
이 같은 문제로 인해 지난 20여 년 간 GNSS 신호를 이용한 실내 측정 기술은 거의 불가능한 것으로 알려졌다.
연구팀은 문제 해결을 위해 실내 극미약 GNSS 신호의 탐지 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 ‘합성기반 주파수 가설 탐지 기술 SDHT(Synthesized Doppler frequency hypothesis Testing)’를 개발했다.
일반적으로 GNSS 신호를 탐지하는 작업은 GNSS 신호의 코드 위상과 도플러 주파수를 정확히 알아내는 과정이다.
그런데 기존 방식의 알고리즘은 도플러 주파수의 가설 수를 2만 개 이상 검증을 해야해 소요 시간이 기하급수적으로 늘어난다.
반면 연구팀이 개발한 알고리즘은 가까운 도플러 주파수 가설에 따라 수행된 위상동기식 상관 결과를 이용해 우회적으로 검증하는 기술이다.
따라서 20여 개의 가설만 기존 방식으로 검증하고, 나머지 19980개의 가설은 단순한 산술연산만으로 검증을 수행하면 모든 작업을 완료할 수 있다.
결과적으로 SDHT는 기존 기술보다 1000 여배 적은 계산량, 800배 빠른 속도로 신호를 탐지할 수 있다.
약 15초의 소요시간으로 많은 건물 내의 극미약 GNSS 신호를 탐지할 수 있는 것이다.
연구팀은 추가 연구를 통해 미약한 GNSS 신호를 탐지하는 기술을 더욱 강화하고 실내 전파 난반사에 강한 위치 측정 기술을 개발하면 거의 모든 건물 내에서 수초 이내에 GNSS만을 이용한 실내 GNSS 단독 측정이 가능할 것으로 예상했다.
공승현 교수는 “기술 개발을 통해 전 세계적으로 실내 GNSS 측위 기술을 선도하게 됐다”며 “향후 실내 GNSS 시스템을 상용화하고 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
연구팀은 국내 특허 등록 및 해외 출원 중이며 KAIST 창업원의 지원을 통해 기술사업화를 추진하고 있다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘IEEE 시그널 프로세싱 매거진(IEEE SPM)’ 9월호에 게재됐다.
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