실내 측위

왜 배우는가: 실내에서는 GPS 신호가 약해 위치를 얻기 어렵기 때문에 건물 내 물류, 안내, 안전, 자산 추적을 위해 실내 측위 기술이 필요하다. 무선 통신 장치의 전파 특성을 이용하는 방식이 여러 기술에서 반복적으로 다뤄져 시험에서도 자주 출제된다.

출제 이력: 제119회 4교시 1번, 제104회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

실내 측위 시스템(실내 위치 확인 시스템(IPS)은 GPS가 닿지 않는 건물 내부에서 사람이나 물체의 위치를 무선 신호로 측정하는 네트워크 체계다.)

• IPS
• 실내 측위
• RSSI
• ToA·TDoA·AoA
• 핑거프린팅
• UWB
• BLE 비콘
• VIO

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 건물 안에서 내 위치를 아는 기술이다. 밖에서는 위성 신호(GPS)로 위치를 알지만, 건물 안에서는 위성 신호가 벽과 천장에 막혀 약해지고 오차가 커진다. 그래서 건물 안에 설치된 무선 장치나 사용자 기기가 내보내는 신호의 세기, 도착 시간, 도착 방향을 이용해 위치를 계산한다.

정식 정의는 다음과 같다. 실내 측위 시스템은 실내에 존재하는 이동 객체의 위치를 측정하는 시스템이다. 주로 건물 내에서 사용자의 위치를 파악하는 데 쓰인다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• RSSI(수신 신호 강도): 기준 장치에서 받은 신호의 세기로 거리를 추정하는 방식이다. 설치가 간단하지만 벽과 간섭에 민감하다.
• ToA(도착 시간): 신호가 송신점에서 수신점까지 가는 데 걸린 시간을 재서 거리를 구한다. 송신과 수신의 시간 동기화가 정확해야 한다.
• TDoA(도착 시간차): 두 기준 장치에서 온 신호의 도착 시간 차이로 쌍곡선을 그려 위치를 구한다. 기준 장치끼리만 동기화하면 된다.
• AoA(도착 각도): 안테나 배열로 신호가 들어오는 각도를 재서 위치를 구한다.

다중 측량(Multilateration)은 여러 기준 장치에서 얻은 거리 추정치를 기하학으로 결합해 위치를 정하는 방법이다. 기준 장치가 2개면 좌표가 여러 개 나올 수 있고, 3개면 하나의 좌표가 정해진다. 이 방식은 RSSI, ToA, TDoA, AoA 등 여러 측정치를 입력으로 쓴다.

핑거프린팅(Fingerprinting)은 실제 공간의 여러 지점에서 미리 신호 세기 패턴을 측정해 데이터베이스로 만들고, 측위 시 현재 측정값과 비교해 위치를 찾는 방법이다. 측위 정확도는 데이터베이스에 등록된 위치 수에 따라 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

GPS는 위성 신호가 건물 벽과 지붕에 가로막혀 실내에서 거의 작동하지 않는다. 또 GPS 신호는 실내 세밀 측위에 쓰기에는 오차 범위가 커서 정밀 목적에 맞지 않는다. 이 문제가 실내 측위 기술의 출발점이다.

수요는 물류창고 자산 추적, 대형 쇼핑몰이나 공항의 길 찾기, 병원 내 환자와 의료기기 위치 확인, 공장 내 작업자 안전 관리에서 늘어났다. 기존 와이파이와 블루투스 장치는 이미 건물에 설치되어 있어 별도 장비 없이 활용할 수 있다는 장점이 있다.

실내 측위 기술은 장치 설치 방식에 따라 나뉜다. 기존 장치를 재활용하는 방식은 설치 비용이 낮다. 반면 전용 중계기나 비콘을 설치하는 방식은 정확도가 높지만 설치 비용과 관리 부담이 크다. 이 차이가 기술 선택의 기준이 된다.

한국어 위키백과는 실내 측위에서 와이파이, 블루투스, 자이로 센서 등을 주로 쓴다고 설명한다. 영문 위키백과는 실내 측위 시스템이 건물 내부, 공항, 지하 공간 등 GPS 정밀도가 떨어지거나 실패하는 곳에서 쓰인다고 설명한다.