Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 18, No. 10 : 2579~2585 Oct. 2014 위치기반서비스의측위시스템정확도향상에관한연구 최창묵 * A Study on Accuracy Improvements of Positioning System for Location- Based Service Chang-mook Choi * Department of Navigation & Shiphandling, Korea Naval Academy, Gyeongnam 645-797, Korea 요약 위치기반서비스는사용자에게부가가치를제공하기위해이동통신망으로위치를정확하게파악하고각종정보를이용하여이를활용하는통합서비스를가리키며이러한서비스의핵심기술은위치를찾아내는기술이다. 따라서본논문에서는위치기반서비스에이용되는전파신호를이용한측위기법에대하여소개하고최신스마트폰의위치측정원리와위치측정정확도를분석하였다. 분석결과를토대로사용자의안전을향상시키기위한개선방향을제시하였다. ABSTRACT Location-Based Services can be defined as services that integrated a mobile network device's position with other information so as to provide added value to users. One of the most important elements in the LBS is the ability to locate objects. In this paper, the positioning techniques using radio signal were introduced, and the positioning principles and accuracies for LBS of smart phone were analyzed. As a result, the some techniques for improving user security were suggested. 키워드 : 위치기반서비스, 측위기법, 스마트폰, 위치정확도, 안전. Key word : Location-Based Service, Positioning technique, Smart phone, Positioning Accuracy, Security 접수일자 : 2014. 08. 19 심사완료일자 : 2014. 09. 17 게재확정일자 : 2014. 09. 29 * Corresponding Author Chang-Mook Choi(E-mail:navsun@naver.com, Tel:+82-55-549-1483) Department of Navigation & Shiphandling, Korea Naval Academy, Gyeongnam 645-797, Korea Open Access http://dx.doi.org/10.6109/jkiice.2014.18.10.2579 print ISSN: 2234-4772 online ISSN: 2288-4165 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/ by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright C The Korea Institute of Information and Communication Engineering.
한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 18, No. 10 : 2579~2585 Oct. 2014 Ⅰ. 서론 위치기반서비스 (LBS; location-based Service) 는휴대폰속에기지국이나위성항법장치 (GPS; Global Positioning System) 와연결되는칩을부착해위치추적서비스, 공공안전서비스, 위치기반정보서비스등위치와관련된각종정보를제공하는서비스를말한다 [1]. 위치기반서비스는과거군사적목적으로군사혁신과정에서전장양상의변화에맞추어 C4I (Command, Control, Communication, Computer, and Intelligence) 지휘통제체계에서부터시작하여정밀타격및네트워크중심전 (NCW; Network Centric Warfare) 까지핵심기술로발전하여왔으며, 이러한위치기반기술들이민간분야에서이용되면서사람ㆍ차량등의위치를파악하고추적할수있음은물론, 산속이나사막과같은오지에서위험에처했을때휴대폰의응급버튼을누르면구조기관에연결되어구조를받을수있도록발전하였다. 최근울산지방경찰청은근거리무선통신 (NFC; Near Field Communication) 을이용하여긴급출동서비스로안심신고망을구축해본격운영을시작하였다. 이는스마트폰을 NFC 칩이내장된스티커에갖다대면자동으로위치가경찰에신고되는서비스이다. 그림 1. 위치기반서비스구성요소 Fig. 1 The Components of a LBS 각종분야에서활발하게이용되고있는위치기반서비스의구성요소는그림 1처럼측위기술, 플랫폼기술, 서비스기술로나누어볼수있다. 3가지구성요소중에서가장서비스의종류와품질에영향을미치는핵심기술은위치측정기술이다. 이는위성항법시스템이나이동통신시스템의기지국으로부터전파신호, 신호세기, 전달시간등을이용하고있다. 최근세계적으로위치측정의정확도에대한규정화움직임도있으며 [2], 많은연구자들이정확한위치측정및서비스영역증대를위해중점적으로연구를수행함은물론, 이용하는플랫폼의전력최소화분야까지도확대하여연구하고있다 [3]. 따라서본논문에서는위치기반서비스에이용가능한측위기법에대하여전파의원리측면에서구분하여분석하고현재사용되고있는스마트폰의측위원리와측위결과를토대로향후안전분야에서위치기반서비스의정확한위치정보제공을위한측위개선방향을제시하고자한다. Ⅱ. 시스템측위기법 2.1. 개요사용자가위치를측정하기위해서는본인이구할수있는위치선 (LOP; Line of Position) 을알아냄으로서측정할수있다. 과거에는위치선을구하기위해지상물표를이용하거나해, 달, 별자리등천문을이용하였으나근래에는전파를매개체로이용하여손쉽고정확하게위치를측정하는기술이발달되었다. 19세기전파가발견된이래로과학기술의발달과더불어위치를측정하는기술들은위성을이용하는기술까지급속도로발달되었다. 전파를이용한위치측정기술은전파의기본성질인직진성과등속성을이용하여전파의도착시간 (TOA; Time of Arrival) 을이용하는기법과전파의도착시간차 (DTOA; Different Time of Arrival) 를이용하는기법, 전파의도달방위각 (AOA; Angle Of Arrival) 을이용하는기법, 그리고전파의세기 (RSSI; Received Signal Strength Indication) 를이용하는기법으로나누어볼수있으며 [4, 5], 일부에서는구축된시스템기준으로구분하기도한다. 2580
위치기반서비스의측위시스템정확도향상에관한연구 2.2 전파의도착시간 (TOA) 을이용하는기법전파의도착시간을이용하는기법은기준국에서수신기까지전파의도착시간을이용하여거리를계산하고 3개이상의기준국으로부터거리를계산함으로써 3 개의위치선을이용하여위치를계산하는것으로삼각측량법에의한것이다. 그림 2는전파의도착시간을이용하는기법의측정원리를설명하고있다. GNSS를이용하는방법의위치정밀도는 2drms 10m 내외이다. 2.3. 전파의도착시간차 (DTOA) 를이용하는기법전파의도착시간차를이용하는기법은 2개소의송신국으로부터전파신호의도착시간차를임의의지점에서관측하면관측점에서각송신국까지의거리차를측정한것이된다는원리를이용한방식이다. 위치측정원리는그림 3과같다. 그림 2. 전파의도착시간을이용하는기법의측정원리 Fig. 2 The measuring principle of TOA 전파의도착시간을이용하는대표적인방법은위성을이용하는것으로미국의 GPS, 러시아의 GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System), 개발중에있는 EU의 GALILEO와중국의 COMPASS 등의 GNSS (Global Navigation Satellite System) 가있다 [6]. GNSS 기본원리는위성으로부터수신기까지의의사거리 (Pseudorange) 와위성과수신기간실제거리, 그리고시계바이어스오차 에의해서계산되어진다 [7]. (1) 여기서, 는빛의속도 이다. 위치의 3차원성분과시계바이어스오차를포함한네가지의미지수를구하기위해서동시에측정된 4개의의사거리가필요하며, 이는기하학적으로각의사거리를반지름으로하는 4개의구면의접점을뜻하게된다 [7]. 그림 3. 전파의도착시간차를이용하는기법의측정원리 Fig. 3 The measuring principle of DTOA 한쌍의두국에대하여전파의도착시간차, 관측거리차를갖는점의궤적은쌍곡선형태의위치선이된다. 그리고 2개이상의위치선의교점은관측자의위치가된다. 이방법의정밀도는대략적으로수백 m의오차를포함하고있다. 전파의도착시간차를이용하는대표적인방법이쌍곡선항법체계인로란, 오메가, 데카항법이다. 이러한항법시스템들은 GNSS의등장으로사향길로접어들었으나최근 GNSS 취약점이부각되면서다시백업시스템으로대두되며 TOA 개념을도입한 eloran으로재등장하고있다. 2.4. 전파의도달방위각 (AOA) 를이용하는기법전파의도달방위각을이용하는기법은이용자가무선방위측정기를이용하여전파의도래방위각을측정 2581
한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 18, No. 10 : 2579~2585 Oct. 2014 한다. 무선방위측정기는루프안테나를이용하여수신된방위를아는방식으로원리는그림 4와같다. 전파의도달방위각을이용하는대표적인시스템은항공의 ILS(Instrument Landing System), 해상의 RDF (Radio Direction Finder)[5, 8] 등이있다. 2.6. 기타이외에도실내또는전파수신이잘안되는곳에서위치측정을위해휴대폰기지국 Cell-ID를이용하거나 Wi-Fi 등을이용한무선랜 (WLAN; Wireless Local Area Network), 근거리통신망인 NCF나 UWB(Ultra Wide Band) 를이용한방법들이있다 [5]. 그림 4. 전파의도달방위각을이용하는기법의측정원리 Fig. 4 The measuring principle of AOA 그림 5. 전파의세기를이용하는기법의측정원리 Fig. 5 The measuring principle of RSSI 2.5. 전파세기 (RSSI) 를이용하는기법전파의세기를이용하는방법은자유공간상에서감쇄되는정도에따라거리를측정하는방법으로전파되는송신신호의감쇄 (a) 는식 2와같으며송신신호와수신신호의비율로구할수있다. 여기에서 λ는사용주파수, R은거리, c는전파의속도를나타낸다. log (2) (3) 전파의세기를이용하여측정된거리가하나의위치선이되며위치선이 3개이상측정되면삼각측량법에의해위치를계산할수있다. 대표적인방법이핸드폰기지국을이용하는것이나 Bluetooth를이용하는것이다. 전파의세기를이용하는기법의측정원리는그림 5 와같다. Ⅲ. 위치기반서비스측위결과 3.1. 스마트폰의측위서비스최근스마트폰에서는 GPS, WLAN, 3G Cell-ID를기반으로한위치측정기술, 디지털컴파스를이용한방향인식기술, Google Map 등의지도및위치 DB 등이종합적으로제공되고있다 [9]. 보통실외에서는 GPS 신호를이용하여위치를파악하였으나위성의가시영역밖또는실내에서는위치를파악하기어려워 A-GPS(Assisted-Global Positioning System) 라는개념으로단말기위치측정시위성을이용한위치신호와기지국네트워크기반을이용한위치신호를혼합적으로사용하여실내에서의위치서비스를보완하고있다 [10]. 전세계적으로이동통신사, 스마트폰제작사등많은기업들이위치기반서비스를확대하고있으며, 대표적인것들이 AT&T 회사의 Navigator 앱, Google 회사의 Google MAP을이용한 Latitude, 국내 SKT 회사의 T-Map 등이있다. 2582
위치기반서비스의측위시스템정확도향상에관한연구 3.2. 스마트폰의측위결과스마트폰의정확한위치측정을위해본논문에서는정확한지도와실시간교통정보, 위치정보를기반으로한길안내서비스를제공하는 SKT의 T-MAP[11] 을이용하였으며, 단말기는삼성전자의갤럭시노트 2를이용하였다. 위치의정확도를확인하고자경남진해의중원로터리와제황산공원에서위치를측정하였으며측정결과는그림 6, 7과같은데이터를수신하였다. GPS를이용하여위치를측정하였을때에는그림 6 (a), 그림 7 (a) 와같은위치측정결과가수신되었다. GPS의오차 10m를고려하면신뢰할만한정확도임을확인할수있었다. GPS가수신이안되는 A-GPS의경우는그림 6 (b), 그림 7 (b) 와같이 50~65m의오차가포함된위치측정결과를수신하였다. (a) (b) (c) (a) 그림 7. T-MAP 을이용한위치측정결과 ( 창원시진해제황산공원 ) (a) GPS (b) A-GPS (c) Cell-ID Fig. 7 Positioning results using T-MAP at Jinhae Jehwangsan Park in Changwon city (a) GPS (b) A-GPS (c) Cell-ID 또한건물격벽안쪽에서수신할때에는 Cell-ID 기법에의해 250~410m 정도의오차가포함된위치측정결과가수신되었다. 실외에서는 GPS에의해 10 m 내외로언제, 어디서든, 어떤용도로든신뢰가가능하지만실내에서는수십미터에서수백미터수준으로신뢰도가떨어져측정위치를보완하기위한방법이필요하다. (b) (c) Ⅳ. 측위개선방안 그림 6. T-MAP 을이용한위치측정결과 ( 창원시진해중원로터리 ) (a) GPS (b) A-GPS (c) Cell-ID Fig. 6 Positioning results using T-MAP at Jinhae Jungwon Rotary in Changwon city (a) GPS (b) A-GPS (c) Cell-ID Ⅲ 장에서측정한결과를종합하여분석하면표 1과같이나타낼수있다. 표 1과같은결과를보면현재의위치기반서비스가 2583
한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 18, No. 10 : 2579~2585 Oct. 2014 일반적인서비스에서는문제점이없다고보이지만재해ㆍ재난등긴급구조서비스나위험신호송신하는각종안전서비스에서는다소부족하여현재의서비스보다더욱정확한위치서비스가요구된다. 표 1. 위치측정결과분석 Table. 1 An analysis of positioning results 구분오차범위가용성문제점 GPS 10m 내외 실내이용불가 GNSS, Wifi AP, Cell-ID 등다양한방법으로이용할경우, 현재이용되고있는기법에따라사용자가바로확인가능하도록신뢰도를위치측정기법과정보의정확도에따라위험 < 경고 < 주위 < 신뢰, 4개단계로그림 8과같이구분하여알려주는것이다. 또한긴급구조시는반드시 GPS on/off 상태와 WiFi on/off 상태를알려줌으로써신뢰도를사용자가실시간알수있도록유지하는것이다. A-GPS 50~65m Cell-ID 250~410m 실내일부가능안전서비스제한 실내이용제한안전서비스불가 따라서다음과같은개선방안이필요하다. 첫째, GPS 시스템을이용하고있는위치기반서비스를 GNSS 시스템으로확대하여 GLONASS, GALILEO, COMPASS, QZSS 등많은위성을이용함으로써 DOP (Dilution of Position) 향상및도심건물등에의한음영구역을최소화해야한다. 둘째, 실내측위기법을현재에 Cell-ID 기법에서무선통신인프라를이용한기법으로개선해야한다. 실내측위에적용가능한기술로는무선 LAN(WiFi), IMES, 적외선통신, RFID, UWB, Bluetooth 등다양한방식이제안되고있다. 특히가장효과적인방법으로는주변기지국, WiFi AP 등무선통신인프라들을활용한측위기술 [12] 로판단되며, 이기술은무선통신인프라위치 DB 구축기술이필요하다. 무선통신인프라데이터베이스화가구축되면 20m 수준으로서비스가가능할것으로판단된다. 셋째, 웹지도정보의정확도를높이는것이다. 웹지도서비스는인터넷웹서비스와 GIS(Geographic Information System) 를연동하여지리공간정보를포함한교통, 문화, 관광정보등다양한부가정보를제공하는인터넷서비스 [13] 로써정보의정확도및지속적인업데이트가필수적이다. 또한특정지역에서는실내지도를추가적으로제작하여현재의지도와함께운용함으로써실내에서도이용신뢰도를향상시키는것이다. 넷째, 위치기반서비스의신뢰도를알려주는서비스를병행하는것이다. 그림 8. 위치측정기법과정보정확도에따른신뢰도 Fig. 8 Reliability of a measure with positioning method and information accuracy Ⅴ. 결론 최근무선인터넷과스마트폰의확산으로위치기반서비스가차세대유망서비스로각광받고있다. 이러한위치기반서비스의가장핵심기술인위치측정기술에대하여여러방법을분석해보고최신스마트폰을이용하여위치를측정한결과수십에서수백미터정도의오차를불러왔다. 긴급구조, 응급구조등각종주요서비스를확대하고자할경우에는정확한위치서비스가필수적이라할수있어오차를최소화하기위한방법이필요하다. 2584
위치기반서비스의측위시스템정확도향상에관한연구 따라서스마트폰의위치측정결과를토대로다음과같은개선방안을도출하였다. 첫째, GPS 시스템을이용하고있는위치기반서비스를 GNSS 시스템으로확대하는것이다. 둘째, 실내측위기법을현재의 Cell-ID 기법에서무선통신인프라를이용한기법으로개선하는것이다. 셋째, 웹지도정보의정확도를높이는것이다. 넷째, 위치기반서비스의신뢰도를알려주는서비스를병행하는것이다. REFERENCES [ 1 ] Doopedia, Location Based Service. Available: http://www. doopedia.co.kr. [ 2 ] Korea Internet & Security Agency, LBS Trend Issue, Technical Report, 2011. [ 3 ] Mikkel Baun Kiaergaard, "Location-Based Services on Mobile Phones: Minimizing Power Consumption", IEEE Prevasive Computing, vol.11, no.1, pp. 67-73, 2012. [ 4 ] Jochen Schiller, Agnes Voisard, Location-Based Service, Elsevier, 2004. [ 5 ] Paul D. Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems, Artech House, Boston London, 2008. [ 6 ] C. C. Choi and K. S. Ko, "A Study on the DOP Improvement using Hybrid Satellite Navigation System", J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng., vol. 15, no. 9, pp. 2045-2049, Sep. 2011. [ 7 ] Ahmed El-Rabbany, Introduction to GPS, 2nd ed., Artech House, Boston London, 2006. [ 8 ] Thomas J. Cutler, Dutton's Nautical Navigation, 15th ed., U.S. Naval Institute, 2011. [ 9 ] C. M. Choi, "Positioning Methods of Location-Based Service", in Proceedings of Korea Inst. Inf. Commun. Eng., pp. 297-298, May 2014. [10] Dharma Prakash Agrawal, Qing-An Zeng, Introduction to Wireless & Mobile Systema, 3rd ed., Cengage Learning, 2011. [11] SK Planet, Location-Based Service T-MAP, Available: http://www. skplanet.com. [12] Y. S. Cho, M. Ji, Y. Lee, S. Park, "WiFi AP position estimation using contribution from heterogeneous mobile devices", in Proceedings of IEEE Position Location and Navigation Symposium, pp. 562-567, Apr. 2012. [13] J. Y. Choi and Y. J. Chung, "Design and Implementation of Mobile Web Map Service", J. Korean Soc. for Int. Inf., vol. 6, no. 5, pp. 97-110, Otc. 2005. 최창묵 (Chang-Mook Choi) 1996 년해군사관학교기계공학과공학사 2001 년군사과학대학원해양공학과공학석사 2008 년한국해양대학교전파공학과공학박사 2008 년 ~ 현재해군사관학교교수 관심분야 : 전파 / 위성항법, 전파흡수체개발 2585