도심환경이나 좁은 골목길의 경우 건물 등의 장애물에 의해 GNSS 신호가 차폐되어 충분한 개수의 가시위성 확보가 어려운 난수신환경이기 때문에 측위가 불가능하거나 측위정확도가 저하되는 문제가 발생한다. 이 연구에서는 골목길 환경에서의 위치정확도 향상 기술을 개발하고 그 성능을 검증하였다. 먼저 관측자료를 선별하고 이상점을 제거하는 알고리즘을 적용하였으며, GPS/GLONASS 복합측위를 구현하였다. 또한 위성신호의 신호강도를 나타내는 SNR을 기반으로 다중경로 신호의 영향을 최소화하는 다중경로오차 저감 기술을 적용하였다. 개발 기술의 성능검증을 위하여 인하대학교 후문에 위치한 도로폭 10m 이내의 좁은 골목길을 테스트베드로 선정하였으며, 테스트베드 내의 4개 측점들을 대상으로 정지측위 및 이동측위를 실시하고 측위 정확도를 분석하였다. 그 결과 정지측위의 경우 개활지에서는 저가 장비인 u-blox를 사용하는 경우보다 3차원 RMSE가 평균 45% 향상되는 것을 확인하였으며, 골목길에서는 3차원 정확도가 평균 37% 향상되었다. 특히 이동측위의 경우 개발 기술을 통해 편의 없이 안정적으로 위치결정이 가능함을 확인하였다.
도심환경이나 좁은 골목길의 경우 건물 등의 장애물에 의해 GNSS 신호가 차폐되어 충분한 개수의 가시위성 확보가 어려운 난수신환경이기 때문에 측위가 불가능하거나 측위정확도가 저하되는 문제가 발생한다. 이 연구에서는 골목길 환경에서의 위치정확도 향상 기술을 개발하고 그 성능을 검증하였다. 먼저 관측자료를 선별하고 이상점을 제거하는 알고리즘을 적용하였으며, GPS/GLONASS 복합측위를 구현하였다. 또한 위성신호의 신호강도를 나타내는 SNR을 기반으로 다중경로 신호의 영향을 최소화하는 다중경로오차 저감 기술을 적용하였다. 개발 기술의 성능검증을 위하여 인하대학교 후문에 위치한 도로폭 10m 이내의 좁은 골목길을 테스트베드로 선정하였으며, 테스트베드 내의 4개 측점들을 대상으로 정지측위 및 이동측위를 실시하고 측위 정확도를 분석하였다. 그 결과 정지측위의 경우 개활지에서는 저가 장비인 u-blox를 사용하는 경우보다 3차원 RMSE가 평균 45% 향상되는 것을 확인하였으며, 골목길에서는 3차원 정확도가 평균 37% 향상되었다. 특히 이동측위의 경우 개발 기술을 통해 편의 없이 안정적으로 위치결정이 가능함을 확인하였다.
Since GNSS signals get blocked by buildings in urban canyons or narrow alleys, it is very difficult to secure a enough number of visible satellites for satellite navigation in those poor signal-reception environments. In those situations, one cannot get their coordinates or obtain accurate positions...
Since GNSS signals get blocked by buildings in urban canyons or narrow alleys, it is very difficult to secure a enough number of visible satellites for satellite navigation in those poor signal-reception environments. In those situations, one cannot get their coordinates or obtain accurate positions. In this study, a couple of strategies for improving positioning accuracy in urban canyons were developed and their performance was verified. First of all, we combined GPS and GLONASS measurements together and devised algorithms to quality-control observed signals and eliminate outliers. Also, a new multipath reduction scheme was applied to minimize its effect by utilizing SNR values of the observed signals. For performance verification of the developed technique, a narrow alley of 10m width located near the back gate of the Inha University was selected as the test-bed, and then we conducted static and kinematic positioning at four pre-surveyed points. We found that our new algorithms produced an 45% improvement in an open-sky environment compared with the positioning result of a low-cost u-blox receiver. In the alleys, 3-D accuracy improved by an average of 37%. In the case of kinematic positioning, especially, biases showing up in regular receivers got eliminated significantly through our new filtering algorithms.
Since GNSS signals get blocked by buildings in urban canyons or narrow alleys, it is very difficult to secure a enough number of visible satellites for satellite navigation in those poor signal-reception environments. In those situations, one cannot get their coordinates or obtain accurate positions. In this study, a couple of strategies for improving positioning accuracy in urban canyons were developed and their performance was verified. First of all, we combined GPS and GLONASS measurements together and devised algorithms to quality-control observed signals and eliminate outliers. Also, a new multipath reduction scheme was applied to minimize its effect by utilizing SNR values of the observed signals. For performance verification of the developed technique, a narrow alley of 10m width located near the back gate of the Inha University was selected as the test-bed, and then we conducted static and kinematic positioning at four pre-surveyed points. We found that our new algorithms produced an 45% improvement in an open-sky environment compared with the positioning result of a low-cost u-blox receiver. In the alleys, 3-D accuracy improved by an average of 37%. In the case of kinematic positioning, especially, biases showing up in regular receivers got eliminated significantly through our new filtering algorithms.
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문제 정의
이 연구에서는 골목길이나 빌딩숲과 같이 난수신환경에서 측위정확도를 향상시킬 수 있는 저가 모듈 기반의 지능형 GNSS 측위 기술을 개발하였다. 개발 기술은 기존의 저가 GNSS 장비, 스마트폰과 결과를 비교함으로써 성능을 검증하였다.
이 연구에서는 일반 사용자들이 활용 가능한 저가의 GNSS(global navigation satellite system) 모듈을 대상으로 기존에 보급되어 있는 GNSS 장비들에 비해 난수신환경에 강건한 GNSS 측위 기술을 개발하였다. 먼저 이 연구에서 개발한 지능형 GNSS 측위 기술의 특징에 대해 설명하고 성능 검증을 위해 구축한 테스트베드, 그리고 개발기술의 성능검증 결과에 대해 기술하였다.
제안 방법
이 연구에서는 GPS 정밀자료처리 및 토탈스테이션 측량을 통해 각 측점의 정밀좌표를 산출하고 측정값과 정밀좌표의 비교를 통해 RMS 오차를 산출하여 개발기술의 측위 정확도를 평가하였다. R1과 R2는 측지용 장비인 JAVAD Sigma 수신기와 JAVAD GrAnt-G3T 안테나를 이용하여 2시간씩 GPS 관측자료를 수집하고 이를 고정밀 자료처리 소프트웨어 GIPSY-OASIS로 자료처리하여 수 cm 정확도의 정밀좌표를 도출하였으며, R1과 R2를 기지점으로 골목길 내 측점 P1~P9로 이어지는 추가 보조점들을 활용하여 토탈스테이션 측량 기반의 각 측점 정밀 좌표값을 산출하였다.
개발기술의 성능을 검증하기 위하여 개활지 환경과 골목길 환경을 대표하는 소규모의 테스트베드를 구축하였다. 개활지 환경으로는 인천 정석항공과학고등학교 운동장에 R1과 R2를 선정하였으며, 골목길 환경으로는 인하대학교 후문에 위치한 도로폭 10m 이내 좁은 골목길을 대상으로 P1에서 P9까지 총 9개의 측점으로 구성하였다.
그러나 난수신환경에서는 다중경로 신호를 모두 제외하면 충분한 관측자료가 확보되지 않아 측위가 불가능한 경우가 발생하게 된다. 따라서 이 연구에서는 SNR을 기반으로 각 관측신호에 가중치를 부여하여 자료처리에 활용함으로써 다중경로 신호에 의한 영향을 최소화 할 수 있도록 하였다.
이 연구에서는 일반 사용자들이 활용 가능한 저가의 GNSS(global navigation satellite system) 모듈을 대상으로 기존에 보급되어 있는 GNSS 장비들에 비해 난수신환경에 강건한 GNSS 측위 기술을 개발하였다. 먼저 이 연구에서 개발한 지능형 GNSS 측위 기술의 특징에 대해 설명하고 성능 검증을 위해 구축한 테스트베드, 그리고 개발기술의 성능검증 결과에 대해 기술하였다.
관측자료의 품질을 판단할 수 있는 지표로는 관측 위성의 기하하적 배치(DOP, dilution of precision), SNR(signal to noise ratio), 고도각 등이 사용될 수 있다. 이 연구에서 개발한 지능형 GNSS 측위 기술에는 전처리 과정으로서 DOP, SNR, 고도각 등의 지표를 기반으로 관측자료를 선별하는 알고리즘이 적용되었다.
이 연구에서는 GPS 정밀자료처리 및 토탈스테이션 측량을 통해 각 측점의 정밀좌표를 산출하고 측정값과 정밀좌표의 비교를 통해 RMS 오차를 산출하여 개발기술의 측위 정확도를 평가하였다. R1과 R2는 측지용 장비인 JAVAD Sigma 수신기와 JAVAD GrAnt-G3T 안테나를 이용하여 2시간씩 GPS 관측자료를 수집하고 이를 고정밀 자료처리 소프트웨어 GIPSY-OASIS로 자료처리하여 수 cm 정확도의 정밀좌표를 도출하였으며, R1과 R2를 기지점으로 골목길 내 측점 P1~P9로 이어지는 추가 보조점들을 활용하여 토탈스테이션 측량 기반의 각 측점 정밀 좌표값을 산출하였다.
이 연구에서는 골목길 및 도심지 환경에 강건한 지능형 GNSS 측위 기술 개발을 위하여 관측자료 선별 및 이상점 제거, 복합측위, 다중경로 오차 저감 기술 등을 적용하였다. 각각의 기술들에 대한 세부 내용은 다음과 같다.
자료처리에는 GPS/GLONASS 복합측위로 두 개 시스템을 통합하여 사용할 수 있도록 구현하였다. GPS/LONASS/BDS 세 개 시스템을 통합하는 복합측위 역시 가능하나, 현재 시중에 보급되어 있는 저가 GNSS 모듈 중에서는 GPS/GLONASS/BDS 원시자료를 동시에 출력해주는 모델이 없기 때문에 우선 두 개 시스템만을 통합하여 성능을 검증하였으며, 추후 GPS/ GLONASS/BDS 원시자료의 동시 출력이 가능한 모듈이 출시되면 성능검증을 추가로 진행할 예정이다.
대상 데이터
테스트 지역은 서울 금천구 대성디폴리스 지식산업 센터 앞 광장이며, 테스트 시 동일한 궤적으로 이동할 수 있는 직선경로와 곡선경로를 선정하고 보다 정확한 성능 검증을 위하여 VRS(virtual reference system) 측량으로 해당 경로의 기준좌표를 산출하였다. VRS 측량에는 Septentrio PolaRx3e 수신기와 JAVAD Delta-3T 안테나를 사용하였다. Fig.
정확도 비교는 개활지 환경(open sky), 일반 도심환경(typical city street), 난수신환경(urban canyon)을 구분하여 수행하였다. 개활지 환경으로는 울산의 임시기준국, 일반 도심환경으로는 인천광역시 송도 신도시를 대상으로 하였으며 난수신환경으로는 서울시 강남구 테헤란로를 대상으로 하였다. 개활지환경과 난수신환경의 관측 자료는 1초 간격의 1시간 자료, 총 24개 데이터세트를 자료처리 하였으며, 일반 도심환경의 경우는 1초 간격의 1시간 자료 총 3개의 데이터세트를 자료처리하여 데이터세트별로 산출된 RMS(root mean square) 오차의 평균값을 나타낸 것이다.
개발기술의 성능을 검증하기 위하여 개활지 환경과 골목길 환경을 대표하는 소규모의 테스트베드를 구축하였다. 개활지 환경으로는 인천 정석항공과학고등학교 운동장에 R1과 R2를 선정하였으며, 골목길 환경으로는 인하대학교 후문에 위치한 도로폭 10m 이내 좁은 골목길을 대상으로 P1에서 P9까지 총 9개의 측점으로 구성하였다.
정확도 평가를 위한 측량은 2015년 10월 22일에 각 측점당 약 10분씩 진행하였으며 골목길 환경의 경우 주차되어 있는 차량 때문에 측정이 불가능한 측점들은 제외한 P2, P3, P7, P8에서 수행하였다. 관측장비의 구성은 Fig.
테스트 지역은 서울 금천구 대성디폴리스 지식산업 센터 앞 광장이며, 테스트 시 동일한 궤적으로 이동할 수 있는 직선경로와 곡선경로를 선정하고 보다 정확한 성능 검증을 위하여 VRS(virtual reference system) 측량으로 해당 경로의 기준좌표를 산출하였다. VRS 측량에는 Septentrio PolaRx3e 수신기와 JAVAD Delta-3T 안테나를 사용하였다.
데이터처리
이 연구에서는 골목길이나 빌딩숲과 같이 난수신환경에서 측위정확도를 향상시킬 수 있는 저가 모듈 기반의 지능형 GNSS 측위 기술을 개발하였다. 개발 기술은 기존의 저가 GNSS 장비, 스마트폰과 결과를 비교함으로써 성능을 검증하였다. 소규모로 구축한 테스트베드에서의 정지측위와 이동측위 정확도를 비교하였는데 정지측위의 경우, 개활지 환경에서는 32~63%까지 정확도가 향상되었으며 골목길 환경에서는 크게는 79%까지 향상되는 것을 확인하였다.
특히 시스템 잡음과 측정 잡음에 대한 최적화가 필수적인데 잡음의 특성 외에 여러 가지 오차가 복합적으로 작용하기 때문에 시스템에 대한 경험을 바탕으로 적절한 값으로 결정해야만 한다. 개발기술은 시스템 잡음의 경우 경험적으로 다수의 자료처리 결과를 근거로 최적화하였으며, 측정 잡음의 경우 다중 경로 오차를 고려한 SNR 특성 분석을 통해 최적화하였다. 측정 잡음 결정에 대한 상세한 내용은 다음 절에 상세히 기술하였다.
개발기술을 이용하여 u-blox EVK-M8T에서 출력되는 GPS/GLONASS 원시자료 중 코드데이터를 처리하였으며, 기존 기술과의 성능 비교를 위해 u-blox EVKM8T와 삼성 Galaxy Note 2 스마트폰 내 자체 알고리즘을 통해 산출되는 NMEA(national marine electronics association) 결과를 함께 비교하였다. u-blox와 스마트폰에서 출력되는 NMEA 결과 역시 개발기술 자료처리와 마찬가지로 GPS/GLOANSS 코드데이터 처리 결과이다.
개활지 환경으로는 울산의 임시기준국, 일반 도심환경으로는 인천광역시 송도 신도시를 대상으로 하였으며 난수신환경으로는 서울시 강남구 테헤란로를 대상으로 하였다. 개활지환경과 난수신환경의 관측 자료는 1초 간격의 1시간 자료, 총 24개 데이터세트를 자료처리 하였으며, 일반 도심환경의 경우는 1초 간격의 1시간 자료 총 3개의 데이터세트를 자료처리하여 데이터세트별로 산출된 RMS(root mean square) 오차의 평균값을 나타낸 것이다.
이론/모형
GNSS 위치결정에는 일반적으로 최소제곱법(least squares estimation), 칼만필터(Kalman filter) 등이 활용되는데 이 연구에서는 확장형 칼만필터(EKF, extended Kalman filter)를 적용하였다. 칼만필터를 이용하여 자료처리를 할 때 필터의 성능을 좌우하는 가장 중요한 사항은 실제 시스템과 최대한 유사하도록 시스템 모델을 설계하는 것이다.
그러나 기존의 가중치 모델들은 개활지 환경에서 나타나는 일반적인 SNR 특성에 따라 가중치를 부여하는 경우가 대부분이며 난수신환경에서는 효용성이 낮게 나타난다. 따라서 이 연구에서는 보다 효과적으로 가중치를 부여하기 위하여 Kim(2015)이 제안한 새로운 가중치 모델인 HK 모델을 적용하였다.
또한 3차원 건물모델을 이용하여 위치 정확도를 향상 시키는 방안이 있으며, Suh and Shibasaki(2007), Kim(2009)이 3차원 건물모델을 이용한 가시성 분석 연구를 진행하였다. 특히 UCL(University College London) 연구팀의 Groves(2011)가 제안한 그림자맞춤(shadow matching) 기법은 3차원 건물 정보를 이용하여 위치결정 정확도를 향상시키는 방법으로 이에 관한 연구는 최근까지 지속적으로 진행되고 있다.
또한 이상점을 제거하기 위해서는 RAIM(receiver autonomous integrity monitoring) 기법을 활용할 수 있는데, 대표적으로 Observation Subset Testing, Forward- Backward FDE, Danish 기법 등이 있다. 이 연구에서는 Danish 기법을 적용하였다. Danish 기법은 다른 방법들에 비해 구현이 간단하고 계산이 효율적이며 항법응용 분야에서도 좋은 성능을 나타낸다(Kuusmiemi, 2005).
성능/효과
Fig. 1에서 확인할 수 있듯이 기존의 모델들에 비해서 HK 모델을 적용했을 때 정확도가 눈에 띄게 향상되는 것을 확인할 수 있다. 개활지 환경의 경우 가중치가 없을 경우 수평 4.
Fig. 5에 나타낸 바와 같이 골목길 환경에서도 개발 기술을 이용할 경우 대부분 정확도가 향상되는 것을 확인하였으며 u-blox 대비 평균 37%, 스마트폰 대비 평균 53% 3차원 정확도가 향상되는 것을 확인하였다.
그리고 스마트폰에서 출력된 결과는 ‘smartphone’으로 표기하였다. Table 1에 나타낸 바와 같이 지능형 GNSS 측위 기술을 이용할 경우 기존의 장비를 사용할 경우보다 대부분의 경우 정확도가 향상되었으며 3차원 RMSE의 경우 u-blox의 결과 대비 평균 45%, 스마트폰의 결과 대비 평균 52% 향상되는 것을 확인하였다.
1에서 확인할 수 있듯이 기존의 모델들에 비해서 HK 모델을 적용했을 때 정확도가 눈에 띄게 향상되는 것을 확인할 수 있다. 개활지 환경의 경우 가중치가 없을 경우 수평 4.6m 정확도인데 반해 HK 모델을 적용했을 때 수평오차가 3.0m까지 향상되었으며, 난수신환경의 경우에는 가중치가 없는 경우보다 HK 모델을 이용할 때 정확도가 2배 이상 향상되어 관측환경이 불량할수록 개발기술이 더욱더 효과적임을 확인할 수 있다.
개발 기술은 기존의 저가 GNSS 장비, 스마트폰과 결과를 비교함으로써 성능을 검증하였다. 소규모로 구축한 테스트베드에서의 정지측위와 이동측위 정확도를 비교하였는데 정지측위의 경우, 개활지 환경에서는 32~63%까지 정확도가 향상되었으며 골목길 환경에서는 크게는 79%까지 향상되는 것을 확인하였다. 이동측위의 경우 이동궤적을 통해 정확도를 평가하였는데 기존의 저가 GNSS 장비와 스마트폰에 비해 편의가 적게 발생하고 비교적 안정적으로 측위가 가능함을 알 수 있었다.
소규모로 구축한 테스트베드에서의 정지측위와 이동측위 정확도를 비교하였는데 정지측위의 경우, 개활지 환경에서는 32~63%까지 정확도가 향상되었으며 골목길 환경에서는 크게는 79%까지 향상되는 것을 확인하였다. 이동측위의 경우 이동궤적을 통해 정확도를 평가하였는데 기존의 저가 GNSS 장비와 스마트폰에 비해 편의가 적게 발생하고 비교적 안정적으로 측위가 가능함을 알 수 있었다. 개발기술은 내비게이션, 스마트폰 등을 통해 위치기반 서비스를 이용하는 일반 사용자를 비롯하여 컨테이너 관리, 도시 시설물 관리, 교통정보 수집 체계 등 위치정보가 활용되는 모든 분야에서 목적에 맞게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
자료처리에는 GPS/GLONASS 복합측위로 두 개 시스템을 통합하여 사용할 수 있도록 구현하였다. GPS/LONASS/BDS 세 개 시스템을 통합하는 복합측위 역시 가능하나, 현재 시중에 보급되어 있는 저가 GNSS 모듈 중에서는 GPS/GLONASS/BDS 원시자료를 동시에 출력해주는 모델이 없기 때문에 우선 두 개 시스템만을 통합하여 성능을 검증하였으며, 추후 GPS/ GLONASS/BDS 원시자료의 동시 출력이 가능한 모듈이 출시되면 성능검증을 추가로 진행할 예정이다.
이동측위의 경우 이동궤적을 통해 정확도를 평가하였는데 기존의 저가 GNSS 장비와 스마트폰에 비해 편의가 적게 발생하고 비교적 안정적으로 측위가 가능함을 알 수 있었다. 개발기술은 내비게이션, 스마트폰 등을 통해 위치기반 서비스를 이용하는 일반 사용자를 비롯하여 컨테이너 관리, 도시 시설물 관리, 교통정보 수집 체계 등 위치정보가 활용되는 모든 분야에서 목적에 맞게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Danish 기법이란 무엇인가?
Danish 기법은 IRLS(iteratively reweighted least square)으로 각 반복계산시 잔차의 크기를 임계값과 비교하여 가중치를 지수함수의 형태로 감소시키는 방법이다. k+1번째 반복계산에서의 관측데이터 i와 해당 관측데이터에 대한 공분산 은 Eq.
HK 모델은 해당 신호가 위치추정 결과에 미치는 영향을 최소화 할 수 있는데, 그 이유는 무엇인가?
HK 모델은 연속적으로 수신되는 관측신호의 SNR 값과 표준편차 값을 기반으로 다중경로 신호와 직선경로 신호를 구분하여 서로 다른 가중치 모델을 적용하는 방법이다. 다중경로 신호로 예상되는 위성신호를 대상으로 측정잡음을 크게 부여하기 때문에 해당 신호가 위치추정 결과에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다. Eq.
다중경로 신호의 영향을 최소화하기 위한 방법은 무엇인가?
다중경로 신호의 영향을 최소화하기 위해서는 앞서 2.1절에 기술한 바와 같이 다중경로 신호로 판단되는 위성의 관측자료를 제외시키는 방법이 있다. 그러나 난수신환경에서는 다중경로 신호를 모두 제외하면 충분한 관측자료가 확보되지 않아 측위가 불가능한 경우가 발생하게 된다.
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