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문제 정의
- 본 연구에서는 GPS/INS 결합과 관련하여 특히 저급 센서를 활용할 경우 효과적으로 항법정보를 얻을 수 있는 방안에 대하여 연구하였다. 제안된 방법은 GPS와 INS의 연계성을 고려한 지구좌표계 기준 관성항법 속도방정식과 자세방정식 그리고 이종 필터를 활용한 새로운 형태의 GPS/INS 결합필터로 구성된다.
- 본 논문에서는 저가의 GPS 수신기와 MEMS 관성센서의 활용을 고려하여 효율적인 GPS/INS 결합 방식을 제안하였다. 제안된 결합 방식은 GPS와의 연계성을 고려하여 관성 항법 속도 및 자세 방정식을 지구좌표계 기준으로 활용하고 연산량의 분산과 정확성 확보를 위하여 특성이 다른 위치영역 해치필터와 속도보정 칼만필터를 동시에 활용하는 특성을 가진다.
제안 방법
- 본 연구에서는 GPS/INS 결합과 관련하여 특히 저급 센서를 활용할 경우 효과적으로 항법정보를 얻을 수 있는 방안에 대하여 연구하였다. 제안된 방법은 GPS와 INS의 연계성을 고려한 지구좌표계 기준 관성항법 속도방정식과 자세방정식 그리고 이종 필터를 활용한 새로운 형태의 GPS/INS 결합필터로 구성된다.
- 지구좌표계 기반 속도방정식과 자세방정식에 관련해서는 기존의 지역수평 항법좌표계를 기반으로 발표되었던 문헌들을 참고하되 GPS 측정치와의 연계 편의성을 고려하여 항법 연산의 간략화와 정확도 유지를 동시에 만족할 수 있는 방향으로 알고리즘을 설계하였다.
- 효율적인 GPS/MEMS IMU의 결합을 위하여 본 연구에서는 기존에 널리 활용되고 있는 약결합 방식과 강결합 방식의 장단점을 비교 분석하였으며 이를 기반으로 두 종류의 필터를 동시에 활용하는 새로운 결합방식을 설계하고 구현 하였다. 제안된 이중필터 결합방식은 GPS 측정치에 대해서는 위치영역 위상평활화를 적용하고 MEMS IMU 출력에 대해서는 속도보정형 칼만필터를 적용하는 개형으로 구성된다.
- 효율적인 GPS/MEMS IMU의 결합을 위하여 본 연구에서는 기존에 널리 활용되고 있는 약결합 방식과 강결합 방식의 장단점을 비교 분석하였으며 이를 기반으로 두 종류의 필터를 동시에 활용하는 새로운 결합방식을 설계하고 구현 하였다. 제안된 이중필터 결합방식은 GPS 측정치에 대해서는 위치영역 위상평활화를 적용하고 MEMS IMU 출력에 대해서는 속도보정형 칼만필터를 적용하는 개형으로 구성된다.
- 강결합 방식은 INS와 GPS 시스템 레벨에서 이루어졌던 약결합 기법의 문제점을 해결하기 위하여 개발되었다. 약결합 방식과 다르게 INS와 GPS 수신기의 센서 레벨에서 결합하므로 INS의 현재 위치 정보나 속도 정보를 GPS 수신기에서 제공하는 위성 정보와 함께 이용하여 시스템을 구성한다. 따라서 약결합 방식에 비해 구조가 복잡하고 구현이 어려우며 가시위성의 개수가 증가할수록 계산량이 증가하고 측정 모델이 복잡해지게 된다.
- 본 논문에서는 앞서 설명된 약결합 방식과 강결합 방식의 장단점을 비교 분석하여 두 개의 필터를 활용하여 기존의 대표적 결합 방식의 장점만을 취하는 새로운 형태의GPS/INS 결합방식을 제안하였다.
- 제안된 이중필터 결합방식은 그림 1에 도시된 바와 같이 GPS 측정치에 대해서는 위치영역 위상평활화[12]를 적용하고 관성센서 출력에 대해서는 속도보정형 칼만필터[13]를 적용하는 개형을 가진다. 제안된 결합방식을 활용할 경우 두 필터로 상태변수를 분배함으로 인하여 전체적인 연산량의 감소를 꾀할 수 있다.
- GPS 측정치만을 활용하여 수신기의 위치를 추정할 경우보완이 필요한 점은 위치 추정치의 출력 속도가 통상적으로 1 Hz 내외인 GPS 측정치의 출력 속도에 종속되어 세밀한 위치 변화를 추적하기 어렵다는 점이다. 이와 같은 난점은 해결하기 위하여 제안된 이중필터 결합방식은 위치영역 위상평활화 필터[36]를 통해 위치 추정치를 전달받으며 전달받은 위치 추정치를 기준으로 다음 위치 추정치를 전달 받기까지 MEMS INS의 속도추정치로 빠른 출력 주기의 위치 추정치를 생성하게 된다. 따라서, 제안된 결합방식은 효율적인 이중필터의 활용으로 인하여 직렬필터 문제를 배제하고 총 연산량을 감소시키며 정확한 GPS/INS 위치해를 빠른 출력 주기로 제공할 수 있다는 장점을 가진다.
- 효율적인 GPS/MEMS IMU의 활용을 위하여 제안된 방법의 성능 특성 분석을 위하여 실험을 수행하였다. 제안된 방법은 Ublox사의 AEK-4T 수신기와 Xsens사의 관성항법장치(IMU)를 사용하여 구현하였으며 성능분석을 위한 기준 궤적은 Septentrio사의 PolaRX2e 이중주파수 수신기를 활용하여 1Hz 출력 주기의 측정치를 수집한 다음 한국항공대에서 개발된 RTK (Real-Time Kinematic) 소프트웨어로 후처리하여 확보하였다.
- 효율적인 GPS/MEMS IMU의 활용을 위하여 제안된 방법의 성능 특성 분석을 위하여 실험을 수행하였다. 제안된 방법은 Ublox사의 AEK-4T 수신기와 Xsens사의 관성항법장치(IMU)를 사용하여 구현하였으며 성능분석을 위한 기준 궤적은 Septentrio사의 PolaRX2e 이중주파수 수신기를 활용하여 1Hz 출력 주기의 측정치를 수집한 다음 한국항공대에서 개발된 RTK (Real-Time Kinematic) 소프트웨어로 후처리하여 확보하였다. 누적위상 측정치에 포함된 미지정수를 결정하여 추출된 기준궤적은 cm급의 정확도를 가진다.
- 실험 지역의 사진은 네이버(NAVER)에서 제공하는 위성 사진을 이용하였다. 실험은 가시 위성을 충분히 확보 할 수 있는 환경에서 약 40분 동안 수행하였다. 이동국과 기준국과의 기저선은 약 300 m 이다.
- 초기화 후 실험차량은 동일한 회전 구간을 4회 반복 주행하였는데 제안된 방법에 의하여 산출된 위치 추정치의 오차를 보다 명확하게 살펴보기 위하여 각 궤적이 몇 번쨰회전구간을 통과하는 궤적인지를 표시하였다. 그림 3에 나타난 바와 같이 각 회전 구간에서 측정갱신 시점을 전후하여 RTK 기준 위치해를 기준으로 제안된 GPS/INS 위치 추정치가 점프 현상을 발생시킴을 확인할 수 있다.
대상 데이터
- 그림 2는 차량 주행에 의한 실험 궤적과 실험 환경을 도시한 그림이다. 실험 지역의 사진은 네이버(NAVER)에서 제공하는 위성 사진을 이용하였다. 실험은 가시 위성을 충분히 확보 할 수 있는 환경에서 약 40분 동안 수행하였다.
성능/효과
- 제안된 이중필터 결합방식은 그림 1에 도시된 바와 같이 GPS 측정치에 대해서는 위치영역 위상평활화[12]를 적용하고 관성센서 출력에 대해서는 속도보정형 칼만필터[13]를 적용하는 개형을 가진다. 제안된 결합방식을 활용할 경우 두 필터로 상태변수를 분배함으로 인하여 전체적인 연산량의 감소를 꾀할 수 있다.
- 이와 같은 난점은 해결하기 위하여 제안된 이중필터 결합방식은 위치영역 위상평활화 필터[36]를 통해 위치 추정치를 전달받으며 전달받은 위치 추정치를 기준으로 다음 위치 추정치를 전달 받기까지 MEMS INS의 속도추정치로 빠른 출력 주기의 위치 추정치를 생성하게 된다. 따라서, 제안된 결합방식은 효율적인 이중필터의 활용으로 인하여 직렬필터 문제를 배제하고 총 연산량을 감소시키며 정확한 GPS/INS 위치해를 빠른 출력 주기로 제공할 수 있다는 장점을 가진다.
- 또한, 위상평활화 원리에 의하여 정확한 위치 추정치를 얻을 수 있으며 칼만필터가 제공하는 속도 추정치와 결합되어 고속으로 위치, 속도, 자세 정보를 출력할 수 있게 된다. 따라서, 제안된 결합방식은 기존의 강결합 방식의 장점을 취하며 동시에 연산량의 감소와 직렬필터(cascaded filter) 문제를 회피할 수 있는 바람직한 특성을 내포하게 된다.
- 이와 같은 점프 현상은 위치영역 해치필터와 속도보정 칼만필터의 추정오차에 기인하는 것으로 분석되었다. 또한, 점프현상의 크기가 최초에 회전 구간을 진입한 경우 50 cm 내외에서 최종적으로 회전 구간에 진입한 경우에는 20 cm 내외로 점차 감소하고 있음을 확인할 수 있다.
- 그림 5에 나타난 바와 같이 제안된 방식의 속도보정 칼만 필터가 측정 갱신하는 시점 전후에도 앞선 회전구간에서 나타난 위치 추정치들의 급격한 점프현상이 나타나지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 제안된 결합방식에 의하여 산출된 10 Hz 위치 추정치들의 근사적인 곡선 궤적 위에 위치 영역 해치필터에 의한 1 Hz 위치 추정치가 거의 정확하게 놓여 있음을 확인할 수 있다.
- 그림 5의 x축과 y축의 단위를 고려할 떄 제안된 방법에 의한 10 Hz GPS/INS 위치 추정치는 정상상태에서 미지정수 결정에 의한 1 Hz RTK 기준 위치해에 대하여 10 cm 이내의 오차 정확도를 무난하게 만족함을 알 수 있다. 따라서, 제안된 결합방식은 위치영역 해치필터에 의하여 높은 정확도를 확보하며 속도보정 칼만필터에 의하여 오차의 증가를 안정적으로 제한한 위치 추정치를 10 Hz의 출력속도로 제공하여 줄 수 있음을 확인할 수 있다.
- 본 논문에서는 저가의 GPS 수신기와 MEMS 관성센서의 활용을 고려하여 효율적인 GPS/INS 결합 방식을 제안하였다. 제안된 결합 방식은 GPS와의 연계성을 고려하여 관성 항법 속도 및 자세 방정식을 지구좌표계 기준으로 활용하고 연산량의 분산과 정확성 확보를 위하여 특성이 다른 위치영역 해치필터와 속도보정 칼만필터를 동시에 활용하는 특성을 가진다. 제안된 방식의 성능을 분석하기 위하여 실험을 수행하였으며 실험 결과 두 필터가 정상상태에 진입한 이후 10 cm 내외의 정확도를 유지할 수 있음을 확인하였다.
- 제안된 결합 방식은 GPS와의 연계성을 고려하여 관성 항법 속도 및 자세 방정식을 지구좌표계 기준으로 활용하고 연산량의 분산과 정확성 확보를 위하여 특성이 다른 위치영역 해치필터와 속도보정 칼만필터를 동시에 활용하는 특성을 가진다. 제안된 방식의 성능을 분석하기 위하여 실험을 수행하였으며 실험 결과 두 필터가 정상상태에 진입한 이후 10 cm 내외의 정확도를 유지할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 만약 INS의 속도 추정치가 정확하다면 GPS/INS 결합 시스템의 궤적은 끊김 없이 나타나겠지만 INS의 속도 추정치가 정확하지 않다면 위치영역 해치필터가 제공하는 GPS 위치해가 1 Hz 간격으로 갱신되는 시점을 전후하여 점프현상이 발생하게 될 것이다. 따라서 위치영역 해치필터의 갱신주기와 기준궤적의 미지정수 기반 정밀 위치해 산출 시점은 동일하므로 기준궤적 위치해를 전후해서 GPS/INS 위치추정치가 불연속한 정도를 살펴보면 GPS/INS의 정확도를 가늠할 수 있게 된다.
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