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다중센서 오차특성을 고려한 융합 알고리즘
A Fusion Algorithm considering Error Characteristics of the Multi-Sensor 원문보기

정보과학회논문지. Journal of KIISE. 시스템 및 이론, v.36 no.4, 2009년, pp.274 - 282  

현대환 (방위사업청 지상지휘통제체계사업팀) ,  윤희병 (국방대학교 전산정보학화)

초록
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기동물체 추적을 위해서 GPS, INS, 레이더 및 광학장비 등의 다양한 위치추적 센서가 이용되고 있으며, 기동물체의 강인한 추적성능을 유지하기 위해 이기종 센서의 효과적인 융합방법이 필요하다. 이기종 다중센서를 이용한 추적성능 향상을 위해 센서의 서로 다른 오차특성을 고려하여 각 센서의 측정치를 상이한 모델로 간주하여 융합하는 연구가 수행되었지만, 한 센서의 오차가 급격히 증가하는 구간에서 다른 센서의 추정치에 대한 오차가 증가하고 각 센서의 측정값이 참 값일 확률인 Sensor Probability 값에 대해 센서 측정치 변화를 실시간으로 반영하지 못하였다. 본 논문에서는 각 센서 칼만필터의 갱신추정치와 측정치 간의 차이에 대한 RMSE(Root Mean Square Error)를 비교하여 Sensor Probability를 구하고, 결합추정치를 다시 각 센서 칼만필터 입력값으로 대입하는 과정을 제외하여 센서 측정치에 대한 실시간적인 반영과 센서 성능이 급격히 저하되는 구간에서의 추적성능을 개선한다. 제안하는 알고리즘은 각 센서의 오차특성을 조건부 확률값으로 추가하여 각 센서의 Sensor Probability에 따라 가장 양호한 성능을 보이는 센서 위주로 트랙융합을 함으로써 강인성을 보장 한다. 실험을 통해 UAV의 기동 경로를 생성하고 제안 알고리즘을 적용하여 다른 융합 알고리즘과 성능분석을 실시한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Various location tracking sensors; such as GPS, INS, radar, and optical equipment; are used for tracking moving targets. In order to effectively track moving targets, it is necessary to develop an effective fusion method for these heterogeneous devices. There have been studies in which the estimated...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 각 센서가 가지는 특성을 이용하여 다중센서 융합을 통해 정밀도와 안정성을 향상시킬 수 있는 연구를 수행하였다. 실험 결과 고도추정치에 대한 오차의 표준편차 값이 Measurement Fusion(중앙집중형 칼만 필터) 방법에 비해 22.
  • 서로 다른 측정치를 보일 수가 있다. 논문에서는 이를 고려하여 서로 다른 측정치를 보이는 이기종 다중센서의 측정모델을 각각의 예측모델로 하여 어떤 센서의 측정치가 현재의 실기동을 가장 잘 표현하고 있는가에 대한 확률을 산출하여 결합추정치를 구하는 융합알고리즘을 제안한다. 알고리즘의 핵심은 센서의 오차 특성을 분석하여 각 센서의 칼만필터링 이후 상태변수의 Track Fusion를 위해 Sensor Probability를 계산하고 갱신하는 과정으로 알고리즘 구조는 그림 4와 같다.
  • 제안한 알고리즘은 오차특성의 반영으로 인해 추적성능이 심하게 저하되거나 추적이 불가능하게 되는 구간에서도 일정한 수준을 유지하였으며, 강인하고 정밀도가 향상된 추적이 가능함을 증명하였다. 본 연구를 통해 각 센서가 가지는 오차 정보까지도 측정성능 향상을 위해 사용할 수 있음을 보였으며, 또한 각 센서의 항법정보 융합 간에 오차 특성과 정도에 따라 각 센서 추정치의 반영강도를 변화시킴으로써 항법정보의 정확도 향상과 외부의 고의적인 환경변화 및 교란에도 강인한 기동물체추적 알고리즘을 제안하였다. 이를 통해 미래전장 환경에서 필수적으로 요구되는 군의 UAV 및 유도미사일 등의 정확한 위치추적에 기여할 것으로 기대된다.

가설 설정

  • 상수 a 값은 INS의 센서의 성능과 기동물체의 시간에 대한 이동 거리, 유효한 INS 센서의 누적오차 허용치에 따라 결정되는 값으로 본 논문의 실험에서는 ldeg/hr의 성능을 가진 INS 센서로 평균 180knmhr로 이동하는 기동물체를 추적하면서 유효한 최대 허용오차를 250m로 가정하여 계산하였다’ 이는 INS 센서에 다른 센서로부터의 측정치가 주기적으로 갱신되지 않는 상황을 가정한 것으로 일정기간마다 INS의 누적오차가 갱신되어 초기화 된다면 그 시점에서 R시以*)값은 1이 되며, 다시 측정 거리와 시간에 따라 1에서부터 감소하게 된다. 레이더는 비, 온도, 안개 등의 수많은 요인에 의해 오차가 존재하지만 이를 수치화하기가 어렵기 때문에 레이더의 특성에 따라 다중경로가 발생하는 고도에서 F(시S曾如)값이 0으로 수렴하도록 하였으며, 본 논문에서 실험 간에는 400m부터 다중경로가 발생하여 300m부터는 다중경로에 의해 측정잡음이 급격히 심화되는 것으로 가정한다. 갱신된 爲'값은 각 센서의 칼만필터를 통해서 출력된 상태변수 값과 결합하여 최종 상태변수를 추정하는 결합과정을 거치게 된다.
  • 즉 누적오차가 생길수록 R이理鸟 누적오차에 대한 값은 1에서 0으로 수렴하게 된다. 상수 a 값은 INS의 센서의 성능과 기동물체의 시간에 대한 이동 거리, 유효한 INS 센서의 누적오차 허용치에 따라 결정되는 값으로 본 논문의 실험에서는 ldeg/hr의 성능을 가진 INS 센서로 평균 180knmhr로 이동하는 기동물체를 추적하면서 유효한 최대 허용오차를 250m로 가정하여 계산하였다’ 이는 INS 센서에 다른 센서로부터의 측정치가 주기적으로 갱신되지 않는 상황을 가정한 것으로 일정기간마다 INS의 누적오차가 갱신되어 초기화 된다면 그 시점에서 R시以*)값은 1이 되며, 다시 측정 거리와 시간에 따라 1에서부터 감소하게 된다. 레이더는 비, 온도, 안개 등의 수많은 요인에 의해 오차가 존재하지만 이를 수치화하기가 어렵기 때문에 레이더의 특성에 따라 다중경로가 발생하는 고도에서 F(시S曾如)값이 0으로 수렴하도록 하였으며, 본 논문에서 실험 간에는 400m부터 다중경로가 발생하여 300m부터는 다중경로에 의해 측정잡음이 급격히 심화되는 것으로 가정한다.
  • 초기값 및 각 센서가 모두 정상 작동할 경우에 센서 오차 특성이 각 센서의 Sensor Probability의 변화에 미치는 영향이 동등한 것으로 가정하여 Default 값을 각각 1/3로 한다. 그리고 GPS 센서의 측위특성 상 적의 교란 및 재밍에 취약하므로 고장 등의 상황에 의해 측정 신호가 미입력 되는 경우 R시段护값을。으로 하고, 수신초기에 GPS 위성신호를 받아서 초기화하는 시간(0 ~10초)을 고려하여 R시黛鬥값이。에서 1로 증가되도록 한다.
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참고문헌 (15)

  1. INS/GPS Technology Trends, NATO RTO Report, RTO-EN-SET-064, 2004. 

  2. J.H. Kim, "A baro-altimeter augmented INS/GPS navigation system for an uninhabited aerial vehicle," The 6th International Symposium on Satellite Navigation Technology Including Mobile Positioning & Location Services, 2003. 

  3. Daehwan Hyun, Heebyung Yoon, "Robust Maneuvering Target Tracking Applying the Concept of Multiple Model Filter and the Fusion of Multi-Sensor," Journal of Intelligence and Information Systems, vol.15, no.1, pp.51-64, 2009.3. 

  4. B.W.Parkinso, J.J Spliker Jr., "Global Position System : Theory and Applications, Volume I, II," American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc., 1996. 

  5. B. W. Parkinso, J. J Spliker Jr., "Global Position System : Theory and Applications, Volume I, II," American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc., 1996. 

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  8. Myung-Soo Chung, Dong-Hee Hong, Dong-Chul Park, "Target Altitude Extraction for Multibeam Surveillance radar in Multipath Environmental Condition," Journal of the Korea Electromagnetic Engineering Society, vol.18, no.10, 2007. 

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  10. Y. Bar-Shalom and X. R. Li, "Estimation and Tracking: Principles and Techniques, and Software," Artech House, Inc,, 1993. 

  11. Y. Bar-Shalom and X. R. Li, "Multitarget-Multisensor Tracking: Principles and Techniques," YBS Publishing, 1995. 

  12. 이용재, 비행시험통제용 탄도추적 자료융합 알고리듬 개발에 관한 연구, 아주대학교 박사논문, 2007. 

  13. T.L.Song, "Filtering Theory," Journal of control, automation and systems engineering, vol.9 no.6, 2003. 

  14. J.A. Hartigan, "Bayes theory," Springer Series in Statistics, 1983. 

  15. de Boor, C., "A Practical Guide to Splines," Springer-Verlag, pp.43-49, 1978. 

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