본 논문에서는 간섭계 레이더 고도계를 활용한 지형참조항법의 성능을 분석하고자 한다. 간섭계 레이더 고도계는 항체의 주변 지형의 고도 중 가장 높은 값을 측정값으로 취함으로써 항법의 정확성을 향상시키고 있다. 이에 본 연구에서는 간섭계 레이더 고도계의 적용에 따른 새로운 측정 모델을 제시하고 이에 따른 지형참조항법 시스템을 구축하려 한다. 또한 필터에 따른 지형참조항법의 성능 분석을 위하여 확장형 칼만 필터, 무향 칼만 필터, 파티클 필터를 적용하며 여러 환경의 변화에 따른 지형참조항법의 성능을 도출고자 한다.
본 논문에서는 간섭계 레이더 고도계를 활용한 지형참조항법의 성능을 분석하고자 한다. 간섭계 레이더 고도계는 항체의 주변 지형의 고도 중 가장 높은 값을 측정값으로 취함으로써 항법의 정확성을 향상시키고 있다. 이에 본 연구에서는 간섭계 레이더 고도계의 적용에 따른 새로운 측정 모델을 제시하고 이에 따른 지형참조항법 시스템을 구축하려 한다. 또한 필터에 따른 지형참조항법의 성능 분석을 위하여 확장형 칼만 필터, 무향 칼만 필터, 파티클 필터를 적용하며 여러 환경의 변화에 따른 지형참조항법의 성능을 도출고자 한다.
The paper experimentally verifies the performance of Terrain-Aided Navigation (TAN) using an interferometric radio altimeter, which is recently used due to its accuracy. First, we propose a TAN system that utilizes an interferometric radio altimeter as a measurement system. Second, we implement exte...
The paper experimentally verifies the performance of Terrain-Aided Navigation (TAN) using an interferometric radio altimeter, which is recently used due to its accuracy. First, we propose a TAN system that utilizes an interferometric radio altimeter as a measurement system. Second, we implement extended Kalman filter, unscented Kalman filter, and particle filter to evaluate the performance of TAN according to the selection of filters and the difference of environments.
The paper experimentally verifies the performance of Terrain-Aided Navigation (TAN) using an interferometric radio altimeter, which is recently used due to its accuracy. First, we propose a TAN system that utilizes an interferometric radio altimeter as a measurement system. Second, we implement extended Kalman filter, unscented Kalman filter, and particle filter to evaluate the performance of TAN according to the selection of filters and the difference of environments.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 현재 지형참조항법에 널리 사용되는 확장형 칼만 필터, 무향 칼만 필터, 파티클 필터를 이용하여 위치 추정 알고리즘을 구현하고 시뮬레이션을 통하여 각 필터의 성능을 분석하고자 한다. 또한 본 연구에서는 정확도가 높은 간섭계 레이더 고도계를 측정모델로 사용한다.
또한 본 연구에서는 정확도가 높은 간섭계 레이더 고도계를 측정모델로 사용한다. 따라서 측정치 오차의 변화에 따른 항체의 위치 추정 오차의 양상을 분석하고자 한다.
한편, 본 연구를 통해 항체의 초기 오차가 위치 추정에 큰 영향을 미침을 알았다. 따라서 앞으로의 연구에서는 더 강인한 지형정합 항법 시스템의 개발을 위하여 다양한 초기오 차에 따른 결과를 분석하고, 필터뿐만 아니라 상관도를 이용하는 기법과의 통합 시스템을 구축해 볼 필요가 있을 것으로 예상된다.
가설 설정
)로 정의되며, h(·)은 DTED 함수를 나타낸다. DTED는 경도, 위도의 위치를 입력으로 받아 지형의 고도를 출력으로 하는 함수이기 때문에 h 함수는 비선형임을 가정한다. 또한 Φ은 항체 이동방향의 직교 방향의 각도를 나타낸다.
wk - 1는 항체의 동적 모델 오차이며 가우시안 분포를 따르는 것으로 가정한다.
한편, 실제 측정값인 rk와 θk가 가우시안 분포를 따른다 하더라도 이의 비선형 관계에 의해 생성된 zk는 가우시안 특성이 깨져 추정치 바이어스 등이 발생할 수 있게 된다. 하지만 본 연구의 목적은 동일한 조건 속에서의 각 필터의 성능 비교이기 때문에 단순히 zk를 가우시안 분포를 따른다고 가정하고 평균값과 표준편차에 대한 최적의 값을 구한 후 모든 시뮬레이션에 적용하였다. 각 필터에서는 위에서 정의된 시스템 모델과 측정치 모델을 이용하여 예측단계와 보정단계를 반복적으로 수행하면서 항체의 위치를 추정한다.
본 연구에서 사용된 시뮬레이션 환경은 다음의 Table 1과 같다. 항체는 시작점부터 종료지점까지 등속 직선운동을 한다고 가정하였으며, 100번의 몬테카를로(Monte carlo) 횟수를 사용하였다.
제안 방법
하지만 본 연구의 목적은 동일한 조건 속에서의 각 필터의 성능 비교이기 때문에 단순히 zk를 가우시안 분포를 따른다고 가정하고 평균값과 표준편차에 대한 최적의 값을 구한 후 모든 시뮬레이션에 적용하였다. 각 필터에서는 위에서 정의된 시스템 모델과 측정치 모델을 이용하여 예측단계와 보정단계를 반복적으로 수행하면서 항체의 위치를 추정한다.
따라서 본 연구에서는 현재 지형참조항법에 널리 사용되는 확장형 칼만 필터, 무향 칼만 필터, 파티클 필터를 이용하여 위치 추정 알고리즘을 구현하고 시뮬레이션을 통하여 각 필터의 성능을 분석하고자 한다. 또한 본 연구에서는 정확도가 높은 간섭계 레이더 고도계를 측정모델로 사용한다. 따라서 측정치 오차의 변화에 따른 항체의 위치 추정 오차의 양상을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 간섭계 레이더 고도계를 활용한 지형참조항법 시스템을 구축하고 각 필터의 적용에 따른 위치 추정의 성능을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 필터 공통으로 지형의 변화가 큰 지형에서 정확한 위치 추정이 가능함을 확인할 수 있었다.
Table 3은 측정치 오차의 변화에 따른 위치 추정 오차의 양상을 분석하기 위한 시뮬레이션 환경을 보여준다. 앞에서의 시뮬레이션을 통해 확장형 칼만 필터가 위치 추정 오차의 상계 (upper bound)임을 확인하였으므로, 이후의 시뮬레이션은 확장형 칼만 필터만을 이용하였다.
이론/모형
본 연구에서 측정모델은 간섭계 레이더 고도계 모델을 사용한다. 간섭계 레이더 고도계는 항체 이동방향의 직교 방향으로 스캔라인을 생성하여 항체의 위치와 가장 근접한 표고를 갖는 지점을 최근점으로 획득한다.
성능/효과
하지만 이러한 문제는 INS 보정 필터를 통하여 해결될 수 있을 것이다. 각 필터에 따른 성능의 분석을 통해서는 대부분의 환경에서 파티클 필터가 가장 우수한 성능을 도출하는 것을 확인할 수 있었다. 비록 파티클 필터가 수행시간이 오래 걸리지만, 파티클의 가중치 계산이 독립적으로 이뤄질 수 있기 때문에 병렬처리를 이용하여 시간을 단축시킬 수 있을 것이다.
8은 완만한 지형과 험난한 지형에 따른 각 필터의 성능 비교를 보여준다. 그래프를 통해 두 지형에서 모두 파티클 필터가 가장 우수함을 확인하였다. 이는 파티클 필터가 비선형 시스템에 가장 적합하기 때문이라고 볼 수 있다.
그래프를 통해 파티클 필터의 성능이 가장 우수하며 확장형 칼만 필터의 성능이 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 한편 그래프에서 항체의 위치 추정 오차가 증가하는 부분은 지형 고도의 변화가 거의 없는 지역에 해당한다.
또한 측정 오차 변화에 따른 항체의 위치 추정 오차의 양상에 대한 분석을 통하여서 항체의 고도가 낮은 경우에는 slant range의 오차, 높은 경우에는 look angle의 오차가 위치 추정에 더 큰 영향을 미치는 것을 증명하였다.
시뮬레이션 결과 필터 공통으로 지형의 변화가 큰 지형에서 정확한 위치 추정이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한, 시간에 따라 모든 환경에서 항체의 위치 추정 오차가 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 INS의 누적 오차에 의한 결과로 볼 수 있다. 본 연구에서 항체의 위치 예측은 오직 INS에 의존하기 때문에 INS의 누적오차가 항체의 위치 추정에 부정적인 결과를 초래하게 된다.
본 연구에서는 간섭계 레이더 고도계를 활용한 지형참조항법 시스템을 구축하고 각 필터의 적용에 따른 위치 추정의 성능을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 필터 공통으로 지형의 변화가 큰 지형에서 정확한 위치 추정이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한, 시간에 따라 모든 환경에서 항체의 위치 추정 오차가 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 INS의 누적 오차에 의한 결과로 볼 수 있다.
후속연구
한편, 본 연구를 통해 항체의 초기 오차가 위치 추정에 큰 영향을 미침을 알았다. 따라서 앞으로의 연구에서는 더 강인한 지형정합 항법 시스템의 개발을 위하여 다양한 초기오 차에 따른 결과를 분석하고, 필터뿐만 아니라 상관도를 이용하는 기법과의 통합 시스템을 구축해 볼 필요가 있을 것으로 예상된다. 또한 간섭계 레이더 고도계를 정확히 모델링 할 수 있는 연구 또한 진행하여 강인한 시스템을 구축해야 할 것이다.
따라서 앞으로의 연구에서는 더 강인한 지형정합 항법 시스템의 개발을 위하여 다양한 초기오 차에 따른 결과를 분석하고, 필터뿐만 아니라 상관도를 이용하는 기법과의 통합 시스템을 구축해 볼 필요가 있을 것으로 예상된다. 또한 간섭계 레이더 고도계를 정확히 모델링 할 수 있는 연구 또한 진행하여 강인한 시스템을 구축해야 할 것이다.
위의 결과를 통해 지형참조항법에서의 각각의 필터에 따른 성능을 확인할 수 있었는데 이러한 필터의 특성은 앞으로의 지형참조항법의 개발에 있어 알맞은 필터 선택에 큰도움이 될 것이라 기대해 본다. 또한 측정오차와 고도의 변화에 따른 결과를 통해 정확한 위치 추정을 위하여 요구되는 간섭계 레이더 고도계의 성능을 도출할 수 있을 것으로 기대된다.
위의 결과를 통해 지형참조항법에서의 각각의 필터에 따른 성능을 확인할 수 있었는데 이러한 필터의 특성은 앞으로의 지형참조항법의 개발에 있어 알맞은 필터 선택에 큰도움이 될 것이라 기대해 본다. 또한 측정오차와 고도의 변화에 따른 결과를 통해 정확한 위치 추정을 위하여 요구되는 간섭계 레이더 고도계의 성능을 도출할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지형참조항법의 장점은 무엇입니까?
지형참조항법(TAN)은 관성 항법 장치, 지표면으로부터의 고도를 제공하는 레이더 고도계, 디지털 지형 고도 데이터(DTED)가 통합된 시스템으로 지형의 정보를 이용하여 비행체나 잠수정의 위치를 추정하기 위하여 사용되는 기술이다(1). 항법에서 널리 쓰이고 있는 관성항법장치(INS, Inertial Navigation System)의 경우에는 오차 누적 문제가 존재하고 위성항법장치(GPS, Global Positioning System)는 전파 교란에 의한 불능의 문제가 존재하는 반면, 지형참조항법은 외부의 도움 없이 자율적인 위치 추정이 가능하다는 장점이 있어 현재 국내는 물론이고 해외에서도 활발히 연구가 진행되고 있는 분야이다. 초기의 지형참조항법은 항체로부터 획득한 고도 정보와 DTED값의 상관도(Correlation)를 이용하는 방식이었으며 대표적인 방법이 TERCOM(Terrain Contour Matching)이다.
지형참조항법의 성능은 어떠한 과정을 거치며 향상되었습니까?
항법에서 널리 쓰이고 있는 관성항법장치(INS, Inertial Navigation System)의 경우에는 오차 누적 문제가 존재하고 위성항법장치(GPS, Global Positioning System)는 전파 교란에 의한 불능의 문제가 존재하는 반면, 지형참조항법은 외부의 도움 없이 자율적인 위치 추정이 가능하다는 장점이 있어 현재 국내는 물론이고 해외에서도 활발히 연구가 진행되고 있는 분야이다. 초기의 지형참조항법은 항체로부터 획득한 고도 정보와 DTED값의 상관도(Correlation)를 이용하는 방식이었으며 대표적인 방법이 TERCOM(Terrain Contour Matching)이다. (2) 이후에 SITAN(Sandia Inertial Terrain-Aided Navigation) 등과 같이 칼만 필터(Kalman filter)를 이용하는 기법이 사ㄹ(용되었으며(3~6), 칼만 필터와 상관도를 모두 이용하는 TERPROM(Terrain Profile Matching) 기법도 연구가 되었다. (7) 한편 여러 개의 칼만필터를 통합하여 만든 칼만필터무리(Bank of KFs)를 이용한 시스템도 개발이 되어 정확도의 향상을 가져왔으며(8), Viterbi 알고리즘이 지형정합항법에 적용되어 사용되기도 하였다(9). 최근에는 프로세스 성능이 향상됨에 따라 파티클 필터(Particle filter)또는 포인트 매스 필터(Point mass filter)가지형참조항법에 적용되어 정확도를 향상시켰다. (10~12) 또한 알고리즘의 측면이 아닌 측정센서의 변화에 따른 성능 향상의 연구도 진행되었는데, 지상 고도를 제공하기 위하여 레이더 고도계 대신 간섭계 레이더 고도계(interferometric radar altimeter)를 사용하여 항법의 정확도를 향상시키고 있다.
지형참조항법이란 무엇입니까?
지형참조항법(TAN)은 관성 항법 장치, 지표면으로부터의 고도를 제공하는 레이더 고도계, 디지털 지형 고도 데이터(DTED)가 통합된 시스템으로 지형의 정보를 이용하여 비행체나 잠수정의 위치를 추정하기 위하여 사용되는 기술이다(1). 항법에서 널리 쓰이고 있는 관성항법장치(INS, Inertial Navigation System)의 경우에는 오차 누적 문제가 존재하고 위성항법장치(GPS, Global Positioning System)는 전파 교란에 의한 불능의 문제가 존재하는 반면, 지형참조항법은 외부의 도움 없이 자율적인 위치 추정이 가능하다는 장점이 있어 현재 국내는 물론이고 해외에서도 활발히 연구가 진행되고 있는 분야이다.
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