[논문]가시선 데이터링크를 이용한 무인기 위치 추정에 관한 연구

박재수; 송영환; 이병화; 윤창배

doi:10.13067/jkiecs.2016.11.11.1031

가시선 데이터링크를 이용한 무인기 위치 추정에 관한 연구
A Study on Position Estimation for UAV using Line-of-sight Data-link System 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.11 no.11, 2016년, pp.1031 - 1038

박재수 (한화시스템연구원) , 송영환 (한화시스템연구원) , 이병화 (국방과학연구소연구원) , 윤창배 (한화시스템연구원)

초록
AI-Helper

무인기 시스템에서 전파방해로 인해 위성항법장치가 오동작하면 관성항법장치의 위치측정 오차는 지속적으로 증가한다. 이는 무인기의 안전한 비행과 임무를 불가능하게 한다. 만약 데이터링크시스템이 무인기의 위치정보를 주기적으로 알려줄 수 있다면 위성항법장치의 오동작 상황에서도 무인기를 정상적으로 운용할 수 있다. 본 논문에서는 가시선 데이터링크의 모노펄스 추적기능과 거리측정 기능을 활용하여 무인기의 위치를 추정하는 알고리즘을 소개한다. 또한 위치추정 정확도를 개선하는 방안을 제안하고, 그 방안이 무인기 시스템에 활용 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the UAVs, the position error of the inertial navigation system is constantly increased when global positioning system goes wrong due to interference. It makes impossible to ensure mission and flight safety. If the data-link system provide the position of the UAV for inertial navigation system periodically, then the UAV may operate normally under malfunction of the global positioning system. In this paper, we introduce an algorithm for estimating the position of the UAV using the monopulse tracking and distance measurement of the line-of-sight data-link system. Also, we propose a method to improve the performance of position estimation. And we assured ourselves that this method can be applied in the UAVs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 가시선 데이터링크의 모노펄스 추적기능과 무선모뎀의 거리측정 기능을 이용하여 비행체의 위치를 추정하는 방식을 소개하고, 그 정확도를 향상시키기 위한 보정 방안을 제시한다. 본론에서는 가시선데이터링크를 이용한 위치 추정 방식을 소개하고 그 정확도를 개선하기 위한 방안을 제시한다.
본 논문에서는 지상통신장비의 모노펄스 추적 기능을 통해 획득한 방위각·고각 정보와 무선모뎀의 RTT기능을 통해 획득한 거리 정보를 이용하여 무인기의 위치를 추정하는 방안을 제시하였다.
본 논문에서는 가시선 데이터링크의 모노펄스 추적기능과 무선모뎀의 거리측정 기능을 이용하여 비행체의 위치를 추정하는 방식을 소개하고, 그 정확도를 향상시키기 위한 보정 방안을 제시한다. 본론에서는 가시선데이터링크를 이용한 위치 추정 방식을 소개하고 그 정확도를 개선하기 위한 방안을 제시한다. 2.

제안 방법

또한 운용 중인 비행체를 이용하여 방위각·고각 측정 정확도를 개선하는 방안과 전송률별로 데이터링크내부 처리 지연을 보정함으로써 거리 측정 정확도를 개선하는 방안을 제시하였다. 개선된 모노펄스 추적및 거리측정 기능을 통해 획득한 위치 추정 결과를 활용한다면 GPS 전파방해 환경에서도 무인기의 비행 및 임무 수행을 유지할 수 있을 것이다.
상기의 문제를 해결하기 위해 비행하는 무인기를 이용하여 추적 오차 성분의 감소를 위한 보정을 수행함으로써 충분한 이격거리에서의 보정을 수행함과 동시에 비행경로의 누적에 따라 여러 방향에 대한 고각오차를 획득하고 그 성능을 계속적으로 향상시킬 수있는 적응형 방안을 제시한다.
앞서 기술한 좌표 추정 개선 방안을 적용하여 실제 무인기의 좌표 추정 결과를 시뮬레이션하기 위해 그림7과 같은 환경을 구성하여 추적 시험을 진행하였다.제안된 지상통신장비에 대한 안테나 보정은 탑재통신 장비의 이동 경로 상의 중간 저점에서 수행하였다.
44km 떨어진 위치 B지점을 향해 시속 80km로 직선 이동하는 경우를 모의하였으며,대역폭 30MHz를 사용하는 웨이브폼으로 설정하여 시험을 진행하였다. 여기서 이동하는 탑재통신장비는 Hemisphere사의 V103을 이용하여 비행체의 복합항법장치를 모의하였으며 그 성능 규격은 다음과 같다.
앞서 기술한 좌표 추정 개선 방안을 적용하여 실제 무인기의 좌표 추정 결과를 시뮬레이션하기 위해 그림7과 같은 환경을 구성하여 추적 시험을 진행하였다.제안된 지상통신장비에 대한 안테나 보정은 탑재통신 장비의 이동 경로 상의 중간 저점에서 수행하였다.

대상 데이터

그림 7과 같이 고정된 지상통신장비를 기준으로 약9.55km 떨어진 위치 A지점에서 출발한 탑재통신장비가 출발지로부터 약 3.44km 떨어진 위치 B지점을 향해 시속 80km로 직선 이동하는 경우를 모의하였으며,대역폭 30MHz를 사용하는 웨이브폼으로 설정하여 시험을 진행하였다. 여기서 이동하는 탑재통신장비는 Hemisphere사의 V103을 이용하여 비행체의 복합항법장치를 모의하였으며 그 성능 규격은 다음과 같다.
무인기 시스템은 임무지역의 감시 및 정찰을 위한 무인기와 이를 통제하고 임무에 대한 지휘·감독을 수행하는 통제장비, 그리고 무인기와 통제장비간의 통제 명령 및 상태 그리고 임무데이터를 송수신하는 데이터링크로 구성된다. 데이터링크는 무인기에 장착되는 탑재통신장비(Airborne Data Terminal, ADT)와 지상 통제장비에 설치되는 지상통신장비(Ground DataTerminal, GDT)로 구성된다.

데이터처리

GPS로 측정된 위치정보와 모노펄스 추적모드에 의해 지향된 방위각·고각 결과를 서로 비교하여 추정된 값의 오차를 확인하였다.

이론/모형

무인기의 거리 추정은 무선모뎀의 RTT을 이용한다. 탑재통신장비는 지상통신장비로부터 수신한 모뎀 프레임을 이용하여 송신 신호의 타이밍을 결정한다.

성능/효과

Azimuth 방향방사 패턴의 첨두치는 시제별로 약 0.0913° RMS 오차를 가지며, Elevation 방향 방사 패턴의 첨두치는 시제별로 약 0.1190° RMS 오차를 가짐을 확인하였다.
79m RMS로 확인되었다. 거리 측정 오차는 표1의 심볼 시간을 이용한 동일 조건에서의 이론적인 계산 결과인 13.05m와 유사함을 확인하였다. 이 측정 결과를 이용하면 3차원 공간에서의 위치 추정 결과를 SEP(Spherical Error Probable)로 표현 할 수 있다.
그런데 전송률 변경은 탑재통신장비와 지상통신장비의 내부 처리 지연의 변화를 유발한다. 따라서 각 전송률별 오프셋 시간을 추출하여 RTT 측정 결과에 보정함으로써 무선 공간에서의 전파 지연을 더 정확하게 추정할 수 있다.
시험 결과로부터 무인기가 약 10km 거리에서 비행하는 도중에 보정을 수행하는 조건하에서 새로운 보정 값의 갱신 없이 최대 300km까지 비행할 경우, 방위각 ±10° 범위 내에서 그림 9와 같은 수준의 SEP성능을 보장할 수 있음을 알 수 있다. 무인기가 지상통신장비로부터 약 150km 거리에 있을 경우에는 약68m, 300km 거리에 있는 경우에는 약 126m의 SEP성능을 가짐을 확인하였다.
반면에 주파수별 편차는 Azimuth 방향으로 0.024°RMS, Elevation 방향으로 0.033° RMS 수준으로 매우 작음을 확인하였다.
상기에서 측정 결과로부터 모노펄스 추적을 이용하여 지상통신장비에서 측정하는 비행체의 상대적인 방향은 제작 및 조립 상의 공차로 인한 시제별 오차는 매우 큼을 확인하였다. 반면에 주파수별로는 이득의 차이는 다소 발생함에도 불구하고 지향 방향의 오차는 크지 않음을 확인하였다.
시험 결과로부터 무인기가 약 10km 거리에서 비행하는 도중에 보정을 수행하는 조건하에서 새로운 보정 값의 갱신 없이 최대 300km까지 비행할 경우, 방위각 ±10° 범위 내에서 그림 9와 같은 수준의 SEP성능을 보장할 수 있음을 알 수 있다.
약 3.4km 떨어진 두 지점을 지나는 동안 전체 구간에서의 방위각 추정 오차는 약 0.0163° RMS, 고각 추정 오차는 0.0272° RMS, 거리 추정 오차는 약 17.79m RMS로 확인되었다.
05m와 유사함을 확인하였다. 이 측정 결과를 이용하면 3차원 공간에서의 위치 추정 결과를 SEP(Spherical Error Probable)로 표현 할 수 있다.아래의 수식은 직교좌표상의 3차원 공간에서 무인기가 50% 확률로 존재하는 구의 반경을 표현한 식이다.

후속연구

또한 운용 중인 비행체를 이용하여 방위각·고각 측정 정확도를 개선하는 방안과 전송률별로 데이터링크내부 처리 지연을 보정함으로써 거리 측정 정확도를 개선하는 방안을 제시하였다. 개선된 모노펄스 추적및 거리측정 기능을 통해 획득한 위치 추정 결과를 활용한다면 GPS 전파방해 환경에서도 무인기의 비행 및 임무 수행을 유지할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인기가 정확한 위치 및 자세정보를 요구하는 이유는 무엇인가?	무인기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)는 안전한 비행과 신뢰성 있는 임무정보 획득을 위해 정확한 위치 및 자세정보를 요구한다. 관성항법장치(InertialNavigation System, INS)는 초기 위치 및 자세를 기반으로 가속도계와 자이로스코프를 이용하여 무인기의 위치, 속도 그리고 자세정보를 제공한다.
	관성항법장치 외에도 위성항법장치와 거리측정장치를 이용하여 위치 및 자세보정을 하는 배경은 무엇인가?	무인기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)는 안전한 비행과 신뢰성 있는 임무정보 획득을 위해 정확한 위치 및 자세정보를 요구한다. 관성항법장치(InertialNavigation System, INS)는 초기 위치 및 자세를 기반으로 가속도계와 자이로스코프를 이용하여 무인기의 위치, 속도 그리고 자세정보를 제공한다. 그러나 가속도계와 자이로스코프는 시간이 지남에 따라 그 오차가 계속 증가하여 무인기의 비행 및 임무를 위한 충분한 수준의 정확도를 보장할 수 없게 된다[1-2].
	단말기 간의 원활한 통신을 위하여 지향성 안테나는 어떤 추적방식을 이용하는가?	가시선데이터링크는 통달거리의 확장을 위해 높은 이득의 지향성 안테나를 사용한다. 단말기간의 정확한 안테나 지향을 요구하는 지향성 안테나는 GPS를 기반으로 하는 GPS 추적방식과 RF 신호를 이용하는 모노펄스 추적방식을 이용하여 단말기 간의 원활한 통신이 가능하게 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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