IR-UWB 기반 정밀 위치 인식을 위한 임펄스 레이더 디지털 신호처리 설계

Abstract

실외에서의 위치 추적 분야는 Global Positioning System (GPS)로 대변되는 GNSS (Global Navigation Satellite System), 즉 위성항법 시스템으로 매우 정밀한 단위의 성능을 보이고 있는 반면, 실내에서의 위치 추적에 있어서는 확실한 솔루션의 부재로 인해 다양한 방법으로 연구되고 있는 중이다. 민간 분야에 있어 대표적인 실내 위치 인식 방법은 Vision 기반의 카메라의 영상을 이용해 위치를 파악하는 것으로, 무 광원 또는 연기, 화재 등의 장애물에 의한 비가시적 환경에서 한계점을 보인다. 또 다른 방법으로 인공지표 (Artificial Landmark) 기반의 위치 인식 방법으로, 사전에 위치를 알고 있는 지점에 인공 지표를 설치하고, 이를 감지함으로써 위치를 파악하는 방법이다. 하지만, 인공지표에 대한 설치 비용 및 정밀한 연속 위치를 얻는 것이 불가능하다는 한계점이 있다. 위 상황들을 고려할 때, Impulse-Radio Ultra Wideband (IR-UWB)가 실내 위치 측정 시스템 분야에서 차세대 신기술로 주목 받고 있다. IR-UWB는 수십 나노/피코 단위 너비의 짧은 Impulse 신호를 빛의 속도로 송신하여 물체에 반사되어 수신되는 신호와 송신 신호의 시간적 차이를 활용하여 물체의 존재와 거리를 판단하는 단순한 방식으로 동작한다. 송신 파워가 매우 작기 때문에 저전력, 저가격, 소형으로 구현이 가능하며, 광대역을 사용하여 협대역 간섭에 강하며, 신호의 스펙트럼이 유사 잡음 형태를 보이므로 보안성 또한 향상된다. 또한 광대역을 사용하여 투과성이 좋아 지반 투과 레이더 등으로도 사용될 수 있다. 본 논문에서는 IR-UWB 방식을 사용한 정밀 위치 인식을 위한 Impulse Radar System내 디지털 신호처리 단을 설계하였다. 반사된 목표물, Clutter장애물, 노이즈 신호로 구성된 수신 Impulse 파형에 대해 신호처리 과정을 통하여 목표물 신호만을 검출한 후, 이를 원 송신 파형과의 비교를 통해 목표물의 정밀한 위치 정보를 얻어내었다. 또한 본 논문에서 설계한 신호처리 과정의 성능 검증을 위해 임펄스 레이더 시스템 플랫폼을 활용하여 실제 위치 대비 측정된 위치 값의 비교 실험을 통해 오차를 확인한 결과, 최대 11m에서 거리 오차 30cm 이내의 성능을 얻을 수 있었다.