[논문]Tightly-Coupled GPS/INS/Ultrasonic-Speedometer/Barometer Integrated Positioning for GPS-Denied Environments

Choi, Bu-Sung; Yoo, Won-Jae; Kim, Lawoo; Lee, Yu-Dam; Lee, Hyung-Keun

doi:10.11003/jpnt.2020.9.4.387

Tightly-Coupled GPS/INS/Ultrasonic-Speedometer/Barometer Integrated Positioning for GPS-Denied Environments 원문보기

Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.9 no.4, 2020년, pp.387 - 395

Choi, Bu-Sung (Department of Electronics and Information Engineering, Korea Aerospace University) , Yoo, Won-Jae (Department of Electronics and Information Engineering, Korea Aerospace University) , Kim, Lawoo (Department of Electronics and Information Engineering, Korea Aerospace University) , Lee, Yu-Dam (Department of Electronics and Information Engineering, Korea Aerospace University) , Lee, Hyung-Keun (Department of Electronics and Information Engineering, Korea Aerospace University)

Abstract ▼ AI-Helper

Accuracy of an integrated Global Positioning System (GPS) / Inertial Navigation System (INS) relies heavily on the visibility of GPS satellites. Especially, its accuracy is dramatically degraded in urban canyon due to signal obstructions due to large structures. In this paper, we propose a new integrated positioning system that effectively combines INS, GPS, ultrasonic sensor, and barometer in GPS-denied environments. In the proposed system, the ultrasonic sensor provides velocity information along the forward direction of moving vehicle. The barometer output provides height information compensated for the pressure variation due to fast vehicle movements. To evaluate the performance of the proposed system, an experiment was carried out by mounting the proposed system on a test car. By the experiment result, it was confirmed that the proposed system bears good potential to maintain positioning accuracy in harsh urban environments.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. System process of the proposed ultrasonic-speedometer.
그림 Fig. 2. Relationship between the propagation speed of ultrasonic waves and ground of speed from GPS.
그림 Fig. 3. Velocity comparison of the proposed ultrasonic-speedometer and RTK GPS.
그림 Fig. 4. Variation of height caused by environmental variable.
그림 Fig. 5. Height before and after correcting environmental variables.
그림 Fig. 6. Flowchart of GPS/INS/ultrasonic-speedometer/Barometer.
그림 Fig. 7. Experiment area and artificially generated GPS-denied environment.
그림 Fig. 8. Adjusted visibility of GPS satellites.
그림 Fig. 9. Comparison of position at maximum error point in GPS-denied environment.
표 Table 1. Accuracy comparison of the conventional and proposed system in 10 seconds GPS- denied environment.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는GPS 위성의 가시위성 수가 일시적으로 충분하지 못한 환경에서 다중센서의 장점을 효과적으로 활용하는 강결합 확장 칼만필터 기반의 복합 측위시스템을 제안한다. 다중센서 중 초음파 센서를 속도계로 활용하기 위하여 초음파의 전파특성을 활용한 초음파 속도계를 자체적으로 설계하였다.

가설 설정

측위 정확도를 확보하기 위하여 기존의 강결합 기반의 GPS/INS 복합 측위시스템에 초음파 속도계와 기압 고도계를 결합하였다. GPS 성능 저해 상황을 모사하기 위하여 GPS 가시위성의 수가 2개인 것으로 가정하여 2 개의 GPS 위성에 대한 측정치를 활용하였다. Fig.
4는 일정한 고도로 측정된 환경에서 이동체의 속도에 따른 고도 의 경향을 나타낸 것이다. 기압 고도 센서는 차량 내부에 탑재되었으며 차량 내부와 외부 간의 기체가 이동할 수 있는 통로의 면적은 일정한 것으로 가정한다. 실험 결과, 이동체의 속도가 8 m/ s 이상으로 증가하면 이동체 내부와 외부의 기체 속도 차이로 인해 압력의 차이가 발생하기 시작하였으며 이동체의 속도에 비례하여 고도가 높게 산출되었다.
실험 결과, 이동체의 속도가 8 m/ s 이상으로 증가하면 이동체 내부와 외부의 기체 속도 차이로 인해 압력의 차이가 발생하기 시작하였으며 이동체의 속도에 비례하여 고도가 높게 산출되었다. 따라서 고도 오차를 보정하기 위해 이동체의 속도가 8 m/s 이상으로 증가하는 구간에서는 속도가 증가함에 따라 고도가 선형적으로 증가하여 산출되는 것으로 가 정하였으며 측정 고도에 이동체의 속도 증가에 따른 고도 증분을 감산하여 오차를 보정하였다. Fig.

제안 방법

본 논문에서는GPS 위성의 가시위성 수가 일시적으로 충분하지 못한 환경에서 다중센서의 장점을 효과적으로 활용하는 강결합 확장 칼만필터 기반의 복합 측위시스템을 제안한다. 다중센서 중 초음파 센서를 속도계로 활용하기 위하여 초음파의 전파특성을 활용한 초음파 속도계를 자체적으로 설계하였다. 초음파 속도계는 서로 마주보는 초음파 송신 센서와 수신 센서 사이에서 전파되는 초음파의 전파 속도 차이를 활용하여 시스템이 탑재된 이동체의 속도를 추정하는 원리를 기반으로 한다.
또한, 기압 고도계에 대한 기준 파라미터 보정, 고도 변환, 그리고 환경변수를 고려한 체계적인 오차보상 과정을 설계하였다. 다중센서와 GPS의 효율적인 결합을 위하여 차분된 의사 거리 및 도플러 편이에 대한 측정식 그리고 센서들로부터 획득한 측정식을 활용하여 확장칼만필터를 설계하였다.
효율적인 복합 측위를 위하여 초음파 센서를 속도계로 활용하기 위하여 초음파의 전파특성과 풍속을 고려한 초음파 속도 알고리즘을 설계하였다. 또한, 기압 고도계에 대한 기준 파라미터 보정, 고도 변환, 그리고 환경변수를 고려한 체계적인 오차보상 과정을 설계하였다. 다중센서와 GPS의 효율적인 결합을 위하여 차분된 의사 거리 및 도플러 편이에 대한 측정식 그리고 센서들로부터 획득한 측정식을 활용하여 확장칼만필터를 설계하였다.
본 논문에서는 GPS 가시성이 저해되는 환경에서 위치 정확도를 확보하기 위하여 GPS/INS 시스템과 설계된 초음파 속도계, 그리고 기압 고도계를 결합한 복합 측위시스템을 제안하였다. 효율적인 복합 측위를 위하여 초음파 센서를 속도계로 활용하기 위하여 초음파의 전파특성과 풍속을 고려한 초음파 속도 알고리즘을 설계하였다.
이동체의 빠른 운동으로 인해 발생되는 환경변수를 제거하기 위하여 이동체의 속도에 따른 고도 측정치의 변화를 실험적으로 확인하고 보상 데이터를 구축하여 고도 보정을 수행하였다. Fig.
강결합 기반의 복합 측위시스템은 GPS 가시성이 불충분한 상황에서도 측위 정보를 추정할 수 있다. 측위 정확도를 확보하기 위하여 기존의 강결합 기반의 GPS/INS 복합 측위시스템에 초음파 속도계와 기압 고도계를 결합하였다. GPS 성능 저해 상황을 모사하기 위하여 GPS 가시위성의 수가 2개인 것으로 가정하여 2 개의 GPS 위성에 대한 측정치를 활용하였다.
본 논문에서는 GPS 가시성이 저해되는 환경에서 위치 정확도를 확보하기 위하여 GPS/INS 시스템과 설계된 초음파 속도계, 그리고 기압 고도계를 결합한 복합 측위시스템을 제안하였다. 효율적인 복합 측위를 위하여 초음파 센서를 속도계로 활용하기 위하여 초음파의 전파특성과 풍속을 고려한 초음파 속도 알고리즘을 설계하였다. 또한, 기압 고도계에 대한 기준 파라미터 보정, 고도 변환, 그리고 환경변수를 고려한 체계적인 오차보상 과정을 설계하였다.

이론/모형

정확도 높은 기압 고도를 획득하기 위해 측정 시점 및 장소에 대한 정확한 해면 파라미터가 요 구된다. 따라서 자동기상관측장비 (Automatic Weather System, AWS)에서 산출되는 기상관측 데이터를 활용하여 기압 고도의 정확도를 확보하였다 (Kim 2017). 식 (3)은 일반적인 기압 고도 모델을 나타낸다.

성능/효과

9는 GPS 저해 상황이 인위적으로 지속되어 위치 오차가 가장 크게 나타나는 10초 동안의 구간에서 수평 위치 추정치를 비교한 것이다. GPS 성능 저해 상황이 10초간 지속되어 위치 정확도가 가장 낮은 시점에서의 수평위치 최대오차는 RTK GPS 기준으로 기존의 강결합 기반GPS/INS 시스템의 경우 5.65 m이 며 제안된 다중센서 기반의 시스템의 경우 1.25 m로 확인되었다. Table 1은 10초 동안 GPS 성능 저해가 지속되는 상황에서 계산한 속도 및 위치 Root Mean Square Error (RMSE)를 나타낸 것이다.
12 m로 계산 되었다. 따라서, 제안된 복합 측위시스템이 기존의 강결합 기반 GPS/INS에 비하여 최대오차와 RMSE 관점에서 수평오차가 모두 크게 향상됨을 알 수 있다.
수직오차의 경우에는 고도계의 추가적인 활용으로 인하여 가시위성 조건이 열악한 10초 구간에 걸쳐서 기존의 강결합 기반 GPS/INS 시스템의 RMSE가 1.17 m이며 제안된 복합 측위시스템 의 RMSE가 0.51 m로 확인되었다. 즉, RMSE 관점에서 60% 이상 의 정확도 향상을 가져오는 것으로 확인되었다.
차량 동적 실험을 통해 GPS 가시위성의 수가 인위적으로 2개로 제한된 상황에서 다중센서를 활용함으로써 측위 정확도 열화를 제한할 수 있음을 확인하였다. 제안된 강결합 기반의 복합 측위시스템의 경우 10초 동안 GPS 성능 저해 상황에서 기존의 강결 합 기반 GPS/INS 시스템 대비 수평위치 정확도가 약 70% 향상되었고, 고도 정확도가 약 60% 향상됨을 확인하였다.
차량 동적 실험을 통해 GPS 가시위성의 수가 인위적으로 2개로 제한된 상황에서 다중센서를 활용함으로써 측위 정확도 열화를 제한할 수 있음을 확인하였다. 제안된 강결합 기반의 복합 측위시스템의 경우 10초 동안 GPS 성능 저해 상황에서 기존의 강결 합 기반 GPS/INS 시스템 대비 수평위치 정확도가 약 70% 향상되었고, 고도 정확도가 약 60% 향상됨을 확인하였다.

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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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