관성항법시스템은 항체의 자세, 속도 및 위치정보를 획득하기 위하여 폭넓게 사용되어 왔다. 그러나 관성센서는 매우 고가이며, 무겁고, 시간이 경과함에 따라 센서의 오차가 누적되어 발산하게 되는 단점이 있다. 한편 GPS를 이용한 항법시스템은 오차의 누적이 없고, 위성의 가시성만 확보된다면 빠르게 항체의 속도, 위치정보를 획득할 수 있으며, GPS 안테나 배열을 이용하면, 항체의 자세요소도 계산이 가능하다. 본 연구에서는 중저가 GPS 수신기의 안테나 배열을 사용하여 항체의 위치측위 정확도 및 자세 정확도 모두를 개선시키기 위한 방법을 연구하였다. 중저가형의 GPS 수신기 안테나 배열을 사용한 자세 결정 방법은 기준과 보조 안테나 사이의 상대적인 벡터에 초점을 맞추었다. 기준 안테나의 위치는 의사거리 측위로 한 단독 측위가 사용되었기 때문에 미터 수준으로 결정된다. 또한 항체의 측위 정확도 향상을 위해, 무선 인터넷을 이용하여 실시간 차분 보정을 실시하였으며, 중저가의 2주파 GPS 수신기를 사용하였다. 본 연구의 결과는 측위에서 센티미터 수준의 정확도를, 자세결정에서 도 수준의 정확도를 가지는 것으로 나타났다.
관성항법시스템은 항체의 자세, 속도 및 위치정보를 획득하기 위하여 폭넓게 사용되어 왔다. 그러나 관성센서는 매우 고가이며, 무겁고, 시간이 경과함에 따라 센서의 오차가 누적되어 발산하게 되는 단점이 있다. 한편 GPS를 이용한 항법시스템은 오차의 누적이 없고, 위성의 가시성만 확보된다면 빠르게 항체의 속도, 위치정보를 획득할 수 있으며, GPS 안테나 배열을 이용하면, 항체의 자세요소도 계산이 가능하다. 본 연구에서는 중저가 GPS 수신기의 안테나 배열을 사용하여 항체의 위치측위 정확도 및 자세 정확도 모두를 개선시키기 위한 방법을 연구하였다. 중저가형의 GPS 수신기 안테나 배열을 사용한 자세 결정 방법은 기준과 보조 안테나 사이의 상대적인 벡터에 초점을 맞추었다. 기준 안테나의 위치는 의사거리 측위로 한 단독 측위가 사용되었기 때문에 미터 수준으로 결정된다. 또한 항체의 측위 정확도 향상을 위해, 무선 인터넷을 이용하여 실시간 차분 보정을 실시하였으며, 중저가의 2주파 GPS 수신기를 사용하였다. 본 연구의 결과는 측위에서 센티미터 수준의 정확도를, 자세결정에서 도 수준의 정확도를 가지는 것으로 나타났다.
Inertial Navigation System has been used extensively to determine the position, velocity and attitude of the body. An INS is very expensive, however, heavy, power intensive, requires long setting times and the accuracy of the system is degraded as time passed due to the accumulated error. Global Pos...
Inertial Navigation System has been used extensively to determine the position, velocity and attitude of the body. An INS is very expensive, however, heavy, power intensive, requires long setting times and the accuracy of the system is degraded as time passed due to the accumulated error. Global Positioning System(GPS) receivers can compensate for the Inertial Navigation System with the ability to provide both absolute position and attitude. This study describes a method to improve both the accuracy of a body positioning and the precision of an attitude determination using GPS antenna array. Existing attitude determination methods using low-cost GPS receivers focused on the relative vectors between the master and the slave antennas. Then the positioning of the master antenna is determined in meter-level because the single point positioning with pseudorange measurements is used. To obtain a better positioning accuracy of the body in this research, a wireless internet is used as an alternative data link for the real-time differential corrections and dual-frequency GPS receivers which is expected to be inexpensive was used. The numerical results show that this system has the centimeter level accuracy in positioning and the degree level accuracy in attitude.
Inertial Navigation System has been used extensively to determine the position, velocity and attitude of the body. An INS is very expensive, however, heavy, power intensive, requires long setting times and the accuracy of the system is degraded as time passed due to the accumulated error. Global Positioning System(GPS) receivers can compensate for the Inertial Navigation System with the ability to provide both absolute position and attitude. This study describes a method to improve both the accuracy of a body positioning and the precision of an attitude determination using GPS antenna array. Existing attitude determination methods using low-cost GPS receivers focused on the relative vectors between the master and the slave antennas. Then the positioning of the master antenna is determined in meter-level because the single point positioning with pseudorange measurements is used. To obtain a better positioning accuracy of the body in this research, a wireless internet is used as an alternative data link for the real-time differential corrections and dual-frequency GPS receivers which is expected to be inexpensive was used. The numerical results show that this system has the centimeter level accuracy in positioning and the degree level accuracy in attitude.
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문제 정의
본 연구는 2주파 안테나 배열을 이용하여 동체의 위치와 속도 및 자세를 결정하는 연구를 진행하였다. 제안된 자세결정 연구는 기존의 연구와 달리 무선인터넷을 이용하여 실시간 DGPS처리 후 센티미터 수준의 정확한 절대 위치에 기반하여 동체의 자세를 결정하였다.
가설 설정
자세정밀도를 분석하기 위해서 실제 측정 경로인 도로의 정밀좌표를 측량해야 하나, 현실적인 측량의 제약으로 인해 실제 측량 데이터의 RMSE를 정밀도 분석의 기준으로 선정하였다. 롤각은 측정된 전체 롤각 관측수의 평균을 참이라 가정하였고, 피치각의 변화는 차량 진행방향의 타원체고에 따라 달라지므로 기준 안테나의 타원체고의 관측값을 이용하여 아래 식처럼 4차 선형 회귀식을 조성 하였다.
동체에 안테나 1, 2, 3이 부착되어 있다고 가정하자. 안 테나 1을 기준(master) 안테나로 가정하고, .안테나 2와 안 테나 3을 보조(slave) 안테나라고 하고.
안테나 2와 안 테나 3을 보조(slave) 안테나라고 하고. 안테나 2가 동체 좌표계의 Y축에 존재한다고 가정하자. 안테나 1과 안테 나 2번 기선거리를 L2, 안테나 1과 안테나 3의 기선거리를 #, 안테나 2와 안테나 3의 사이각을 a 라고 하면 안테나 2의 동체좌표는(0, Lv 0), 안테나 3의 동체좌표는 (£3 sin a, L3 cos a, 0)으로 결정된다.
제안 방법
단일주파수 중심의 GPS 수신기를 이용한 동체의 자세를 결정하는 연구가 지난 수년간 진행되어 왔다. GPS를 이용한 자세 결정에서는 동체에 부착된 안테나간의 상대기선벡터를 반송파 관측치의 이 중 차분으로 결정하였으며, 이중차분 시 기준안테나의 위치를 코드의사거리 관측을 이용하여 대략적으로 결정한다. 코드 의사거리를 이용할 경우 기준안테나의 절대 위치정확도는 미터(m)급으로 결정되며, 그로 인한 동체의 절대 위치정확도 역시 미터(m)급으로 결정된다(Gang Lu, 1995).
기존의 GPS를 이용한 자세결정연구에 있어서 안테나 간의 반송파 관측치의 이중차분을 통해서 안테나의 정밀 위치를 산출하였다. 안테나간 기선벡터를 결정하기 위해 기준(master) 안테나의 위치를 코드 의사거리 관측치를 이용하여 계산 후, 보조(slave) 안테나들과 이중차분을 실시한다.
본 연구에서는 무선 인터넷을 통해 GPS 보정정보 표준 포맷인 RTCM 정보를 수신하여 실시간으로 동체의 절대 위치와 자세를 동시에 결정하였다.
이 방식을 취할 경우 안테나간 상대 기선벡터의 정 밀도는 양호하지만, 동체의 절대 절대위치의 정확도가 미터(m)급으로 결정된다. 본 연구에서는 이러한 미터(m)급 의 위치정확도의 향상을 위해 기존의 기준국 독립적 자세 결정 방식과는 달리 기준국에 종속되어 GPS 보정정보를 전송 받아 안테나의 절대 위치를 센티미터(cm)수준으로 결정한 후, 동체의 자세를 결정하는 방식을 시도하였다.
기존의 멀티안테나 방식의 자세결정과 달리 개별적인 안테나와 수신기 구성으로 인하여 수신기 하드웨어잡음과 안테나의 페이지 센터의 변화로 인한 오차가 수반되었다. 분리된 수신기 구성으로 인해, 개별 수신기에서 결정할 수 있는 모호정수 추정과 결정이 독립적이기 때문에, 안테나간 기선벡터의 위치오차로 반영되어, 자세의 직접 결정에 있어 동체의 자세오차를 수반하였다.
기존의 GPS를 이용한 자세결정연구에 있어서 안테나 간의 반송파 관측치의 이중차분을 통해서 안테나의 정밀 위치를 산출하였다. 안테나간 기선벡터를 결정하기 위해 기준(master) 안테나의 위치를 코드 의사거리 관측치를 이용하여 계산 후, 보조(slave) 안테나들과 이중차분을 실시한다. 이 방식을 취할 경우 안테나간 상대 기선벡터의 정 밀도는 양호하지만, 동체의 절대 절대위치의 정확도가 미터(m)급으로 결정된다.
실험은 그림 6과 같이 인하대학교로부터 기선거리 약10km 지점까지 기존의 라디오 모뎀의 유효 전송거리에 준하는 기선이 되도록 실험하였다. 인하대학교부터 송도를 거쳐 고잔 지역까지 약 9km의 해안 순환도로를 따라 이동하며, 1초 간격으로 데이터를 취득하면서 동체의 위치와 자세를 결정하였다.
실시간으로 이동체는 기준국으로부터 GPS 보정 정보를 수신받아 DGPS 처리를 실시하지만, 기준국과 이동국의 기선거리와 전송시간, 멀티패스 등의 오차 성분은 자세결 정을 위한 위치오차 한계를 만족시키지 못하는 주요 요인들로 작용한다. 자세 결정에서 안테나간 상대기선 벡터의 오차를 최소화 하기 위해서 매 Epoch마다 기선거리에 대한 제약을 주어, 안테나 항법좌표에 반영하였다. 총 관측 수는 9개로 DGPS로 결정된 1개의 주(master) 안테나와 보조(slave) 안테나 2개의 (X, Y, Z) 좌표이며, 미지수는 총 6개로 보조안테나 2개의 (X, Y, Z) 좌표이다.
자세정밀도를 분석하기 위해서 실제 측정 경로인 도로의 정밀좌표를 측량해야 하나, 현실적인 측량의 제약으로 인해 실제 측량 데이터의 RMSE를 정밀도 분석의 기준으로 선정하였다. 롤각은 측정된 전체 롤각 관측수의 평균을 참이라 가정하였고, 피치각의 변화는 차량 진행방향의 타원체고에 따라 달라지므로 기준 안테나의 타원체고의 관측값을 이용하여 아래 식처럼 4차 선형 회귀식을 조성 하였다.
본 연구는 2주파 안테나 배열을 이용하여 동체의 위치와 속도 및 자세를 결정하는 연구를 진행하였다. 제안된 자세결정 연구는 기존의 연구와 달리 무선인터넷을 이용하여 실시간 DGPS처리 후 센티미터 수준의 정확한 절대 위치에 기반하여 동체의 자세를 결정하였다. 실제 실 험을 통해서 무선인터넷이 기존의 리디오 모뎀을 충분히 보완할 수 있음을 확인할 수 있었고, 신호간섭과 전송거 리측면에서는 무선인터넷이 전송수단으로 더욱 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
통신모듈은 (주)KTF 기지국망을 이용하여 무선인터넷 서비스를 이용할 수 있는 CDMA 2000 무선 모뎀 n-Key lx를 이용하였다. DGPS 서버로 전송된 보정 정보는 노트북에서 3개의 RS232 통신포트를 지원하는 (쥐세나 테크놀로지사의 HelioDevice 400을 이용하여 전송하였다. 그림 3은 실험의 간략한 환경 구성을 나타내고 그림 4는 하드웨어 구성을 나타낸다.
그림 14는 측정된 동체 자세의 잔차를 나타낸다. 실험에서 측정된 자세각의 RMSE는 롤각 2.3087°, 피치각2.7718°, 요각은 0.5686#이었다.
실험은 그림 6과 같이 인하대학교로부터 기선거리 약10km 지점까지 기존의 라디오 모뎀의 유효 전송거리에 준하는 기선이 되도록 실험하였다. 인하대학교부터 송도를 거쳐 고잔 지역까지 약 9km의 해안 순환도로를 따라 이동하며, 1초 간격으로 데이터를 취득하면서 동체의 위치와 자세를 결정하였다.
실험은 인하대학교 내에 기준국(1 b error- 0.5mm)을 설치하고, 기준국 수신기로부터 RTCM 보정메시지 3번과 18번 19번을 RS232 통신을 이용하여 수신 받았다. DGPS 서버는 보정정보의 요청을 대기하고 있다가 이동 국으로부터 보정정보의 요청이 있으면 보정정보를 전송하게 된다.
무선 인터넷 DGPS를 이용하여 동체의 위치와 자세를 결정하기 위해서 크게 기준국, DGPS 서버, 무선 네트워크, 이동국으로 구성될 수 있다. 실험을 위해 기준국을 인하대학교 내 인하기준점에 Trimble 4700을 설치하였고 동체인 자동차에 NovAtel사의 2주파수 GPS 수신기인 DL4, PwrPak-4G, ProPak-LB고} GPS600 안테나 3대를 설치하였다. 통신모듈은 (주)KTF 기지국망을 이용하여 무선인터넷 서비스를 이용할 수 있는 CDMA 2000 무선 모뎀 n-Key lx를 이용하였다.
자세 결정에서 안테나간 상대기선 벡터의 오차를 최소화 하기 위해서 매 Epoch마다 기선거리에 대한 제약을 주어, 안테나 항법좌표에 반영하였다. 총 관측 수는 9개로 DGPS로 결정된 1개의 주(master) 안테나와 보조(slave) 안테나 2개의 (X, Y, Z) 좌표이며, 미지수는 총 6개로 보조안테나 2개의 (X, Y, Z) 좌표이다.
이론/모형
Narrow-Lane 모호 정수 탐색은 2단계로 수행된다. 첫 번째 단계는 3개의 주요(primary) Narrow-Lane 이중차분 반송파 위상 관측데이터들로부터 수신기의 좌표가 잠재적 모호 정수 후보세트를 위한 최소제곱법(Least-squares adjustment)을 이용하여 계산된다. 그리고 잔여 모호 정수들은 이미 계산된 좌표를 사용하여 계산된다.
성능/효과
GPS를 이용한 동체의 위치와 자세결정이 관성항법센서를 대체할 수는 없지만, 시간에 따른 오차의 비 누적성, 사용자 비용 절감, 절대좌표의 신속한 결정 측면에서 보면 관성항법장치를 충분히 보완할 수 있음을 확인할 수 있었다.
그림 12는 사이클슬립이 없는 위치 측정의 정확도가 양호한 구간에서의 안테나간 기선거리와 사이 각의 잔차를 나타내며, 그림 13은 실험으로부터 결정된 동체의 자세각을 나타낸다. 각 안테나의 절대위치 측정 시, 주변환 경에 의해 사이클슬립이 발생되거나, 서버와의 접속이 끊겨 보정정보를 수신할 수 없는 상황이 발생되면, 자세각의 오차가 순간적으로 증가함을 확인할 수 있었다.
기존의 멀티안테나 방식의 자세결정과 달리 개별적인 안테나와 수신기 구성으로 인하여 수신기 하드웨어잡음과 안테나의 페이지 센터의 변화로 인한 오차가 수반되었다. 분리된 수신기 구성으로 인해, 개별 수신기에서 결정할 수 있는 모호정수 추정과 결정이 독립적이기 때문에, 안테나간 기선벡터의 위치오차로 반영되어, 자세의 직접 결정에 있어 동체의 자세오차를 수반하였다.
제안된 자세결정 연구는 기존의 연구와 달리 무선인터넷을 이용하여 실시간 DGPS처리 후 센티미터 수준의 정확한 절대 위치에 기반하여 동체의 자세를 결정하였다. 실제 실 험을 통해서 무선인터넷이 기존의 리디오 모뎀을 충분히 보완할 수 있음을 확인할 수 있었고, 신호간섭과 전송거 리측면에서는 무선인터넷이 전송수단으로 더욱 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
GPS단독으로는 사이클 슬립, 멀티패스 가시위성수의 부족으로 인해 동체의 .위치와 속도 및 자세의 결정에 실패할 가능성이 있지만, GPS와 관성센서를 통합하는 연구가 진행된다면 항법분야에서 동체를 더욱 효과적으로 추적할 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌 (9)
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최선정, 기창돈 (2000), 무선 인터넷에 기반한 실시간 DGPS성능 평가, The 7th GNSS Workshop, GNSS Council, Seoul, pp. 123-126
Gang, Lu. (1995), Development of a GPS Multi-Antenna System for Attitude Determination, PhD Thesis, University of Calgary, Calgary
Gao, Y., McLellan, J. F. (1996), An Analysis of GPS Positioning Accuracy and Reliability with Dual-Frequency Data, Proceedings of ION GPS-96, ION, Kansas City, Missouri, pp. 945-951
Janet Brown, Neumann., Allan, Manz., Ford, Thomas J., Orest, Mulyk. (1996), Test Results from a New 2cm Real Time Kinematic GPS Positioning System, Proceedings of the Institute of Navigation GPS-96, ION, Kansas City, Missouri, pp. 873-882
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