CSS WPAN에서 주파수 편이를 보상하는 확장 Kalman 필터를 사용한 이동노드의 위치추정 방식

Abstract

WPAN에서 위치추정은 UWB를 사용한 선택적 기능으로 규격화되어 있다. 그러나 실제로는 위치추정 기능이 제공되고, 가격이 저렴하고 개발환경이 제공되고 있는 CSS(Chirp Spread Spectrum) 소자를 주로 사용하고 있다. CSS 소자는 2.4GHz 주파수 대역을 사용하고, 표본화 클럭 주파수가 UWB에 비하여 낮고, 시각정보추출 정확도가 떨어지므로 거리추정 오차가 크게 나타난다. 거리추정 오차는 SDS-TWR 방식을 사용하여 10m 거리에서 30cm～1m 정도로 알려지고 있으며, (<TEX>$10m{\times}10m$</TEX>) 환경에서 위치추정 오차는 1～2m 정도로 알려지고 있다. 따라서 보다 개선된 성능이 요구되는 응용을 위해서는 거리추정 이후의 후처리 알고리즘 개발이 중요하게 되었다. 본 논문에서는 고정노드의 주파수편이를 확장 Kalman 필터에 적용하는 방식을 연구하였으며, 각 고정노드의 주파수 편이를 공통의 상태변수와 각 고정노드별 주파수편이 상수로 구분하고 이를 통합하는 주파수편이 보상 확장 Kalman 필터 방식을 제안하였다. 제안된 방식은 CSS WPAN 노드를 사용하여 10cm 이하로 매우 정확한 위치오차 범위 내에서도 이동노드의 위치를 추정할 수 있음을 확인하였다. The function of location estimation in WPAN has been studied and specified on the ultra wide band optionally. But the devices based on CSS(Chirp Spread Spectrum) specification has been used widely in the market because of its functionality, cheapness and support of development. As the CSS device uses 2.4GHz for a carrier frequency and the sampling frequency is lower than that of the UWB, the resolution of a timestamp is very coarse. Then actually the error of a measured distance is very large about 30cm~1m at 10 m depart. And the location error in (<TEX>$10m{\times}10m$</TEX>) environment is known as about 1m~2m. So for some applications which require more accurate location information, it is very natural and important to develop a sophisticated post processing algorithm after distance measurements. In this paper, we have studied extended Kalman filter with the frequency offsets of anchor nodes, and proposed a novel algorithm frequency offset compensated extended Kalman filter. The frequency offsets are composed with a variable as a common frequency offset and constants as individual frequency offsets. The proposed algorithm shows that the accurate location estimation, less than 10cm distance error, with CSS WPAN nodes is possible practically.