[논문]차등 위성항법 보정을 이용한 정밀 드론 위치추적 시스템 구현

정재영

doi:10.5762/kais.2020.21.1.14

차등 위성항법 보정을 이용한 정밀 드론 위치추적 시스템 구현
Implementation of Precise Drone Positioning System using Differential Global Positioning System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.1, 2020년, pp.14 - 19

정재영 (서울과학기술대학교 전기정보공학과, 서울과학기술대학교 전기정보기술연구소)

초록
AI-Helper

본 논문은 차등 위성항법 보정 시스템을 이용한 측위 오차 보정을 통해 소형 드론의 위치를 정밀하게 계측할 수 있는 시스템 구현에 대해 서술하고 있다. 본 시스템은 고정된 위치에 자리하는 기준국과 실시간으로 움직이는 이동국(드론)으로 이루어져 있다. 자체 기준국 위치 정보와 국가에서 제공하는 관측 정보를 함께 후처리하여 기준국의 정밀 좌표를 획득하는 과정에 대해 서술하고, 이동국을 정밀 추적하기 위한 차등 위성 항법 시스템의 하드웨어 및 소프트웨어 구성에 대해 설명한다. 기준국 및 이동국 구현에 있어 저가의 경량 위성 항법 수신기 및 오픈소스 소프트웨어 코드와 라이브러리를 활용하여 범용성과 경제성을 극대화 하였으며, 오차 보정 정보 송수신에는 비 면허 주파수 대역 무선통신인 지그비(Zigbee)를 사용하였다. 본 시스템을 이용하여 소형 드론 위치 추적 시험 결과, 평균 측위 오차가 0.8m 및 최대 측위 오차가 1.2m로, 단일 위성 항법 수신기를 사용했을 경우 대비 오차가 86% 개선됨을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a precise drone-positioning technique using a differential global positioning system (DGPS). The proposed system consists of a reference station for error correction data production, and a mobile station (a drone), which is the target for real-time positioning. The precise coordinates of the reference station were acquired by post-processing of received satellite data together with the reference station location data provided by government infrastructure. For the system's implementation, low-cost commercial GPS receivers were used. Furthermore, a Zigbee transmitter/receiver pair was used to wirelessly send control signals and error correction data, making the whole system affordable for personal use. To validate the system, a drone-tracking experiment was conducted. The results show that the average real-time position error is less than 0.8 m.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Operation principle of DGPS
그림 Fig. 2. Flow chart of the reference station's coordinate data generation process
그림 Fig. 3. Position data of the reference station varied by time (observed over 6 hours)
그림 Fig. 4. Variation of the position data along the measurement time in ENU coordinate (observed over 6 hours)
그림 Fig. 5. Pictures of DGPS testing prototypes: (a) Reference station (b) Drone as DGPS mobile receiver
그림 Fig. 6. Comparison of drone tracking data in the ENU coordinates (observed over a 400m running track)
그림 Fig. 7. Comparison of drone tracking results obtained with single GPS (red line) and with DGPS (yellow line)

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 독자 기준국 설립을 통해 차등 위성항법 측위보정 시스템 구현에 대해 논의하였으며 이를 활용 하여 드론의 위치 정밀도 향상을 관찰하였다. 자체 기준국을 저가의 GPS수신기 및 Zigbee통신 모듈, RTKLIB를 포함한 오픈 소프트웨어를 이용해 구축하였으며, 이동국인 소형 드론에 장착 가능한 경량송수신기 및 연산기를 이용하여 실시간 측위 데이터 보정이 가능하도록 하였다.
본 논문에서는 저가이면서도 정확한 DGPS 시스템 구축의 예에 대해 서술한다. 일반 GPS 수신기, 개방형 소프트웨어를 이용하여 자체 기준국을 설치하였다.

제안 방법

기준국과 이동국 사이의 무선통신 역시 개방형 통신 프로토콜인 지그비(Zigbee)를 사용하였다. DGPS 성능 검증 및 드론의 정밀 위치 추적 시험을 교내 운동장 트랙에서 실시하여 측위 오차를 수집하였다. 단일 GPS 수신기 사용시 평균 10m를 넘는 측위 평균 오차가 제안하는 DGPS 시스템 사용 시 0.
고정된 기준국의 정확한 위치정보를 기반으로 한 DGPS 시스템을 이용하여 이동하는 드론(mobile station, 이동국)의 위치정보를 보정하였다. Fig.
또, 고정국 설치 장소, GPS 안테나 종류 및 설치 위치에 따른 측위 데이터 수집을 통해 최적 시스템 구성 방법을 학습할 수 있을 것이다. 본 시스템에서는 비 면허 주파수 대역 Zigbee통신을 이용해 무선 데이터를 송수신하였다. 보다 장거리 통신을 위해서 TCP/IP방식의 LoRa통신 등을 활용할 수 있을 것으로 보인다.
기준국의 정밀좌표는 6시간의 관측 정보와 서울시에서 제공하는 Real-Time Kinematic(RTK) 정보[7]를 함께 후처리하여 획득하였다. 이동국은 저가형 GPS 수신 모듈로 구성되어 있으며 데이터의 송수신 및 제어는 개방형 소프트웨어와 하드웨어, Raspberry pi를 이용하여 구현 하였다. 기준국과 이동국 사이의 무선통신 역시 개방형 통신 프로토콜인 지그비(Zigbee)를 사용하였다.
이렇게 확보한 자체 기준국과 외부 기지국의 측위 데이터를 포함하고 있는 RINEX파일을 DGPS 후처리 프로세서에 입력하여 기준국에 대한 정밀 좌표 정보를 생성한다. 본 연구에서 사용한 DGPS 모듈은 EMLID사의 REACH RTK kit는 DGPS 신호처리 라이버리인 RTKLIB[11]와 연동하어 위성신호 해독 및 보정정보 생성에 유용하다.
본 논문의 2장에서는 DGPS 시스템의 전체적 개요와 본 연구에서 구현한 시스템의 상세 사양에 대하 설명한다. 이와 더불어 정밀한 고정국 위치 데이터를 획득하는 과정과 결과값에 대한 분석을 서술하였다. 3장은 DGPS, 지그비, 마이크로 컨트롤러를 설치한 소형 드론을 추적한 위치 데이터를 제시하고 측위 오차 개선에 대한 시연 결과에 대해 논의한다.
본 논문에서는 저가이면서도 정확한 DGPS 시스템 구축의 예에 대해 서술한다. 일반 GPS 수신기, 개방형 소프트웨어를 이용하여 자체 기준국을 설치하였다. 기준국의 정밀좌표는 6시간의 관측 정보와 서울시에서 제공하는 Real-Time Kinematic(RTK) 정보[7]를 함께 후처리하여 획득하였다.
본 논문에서는 독자 기준국 설립을 통해 차등 위성항법 측위보정 시스템 구현에 대해 논의하였으며 이를 활용 하여 드론의 위치 정밀도 향상을 관찰하였다. 자체 기준국을 저가의 GPS수신기 및 Zigbee통신 모듈, RTKLIB를 포함한 오픈 소프트웨어를 이용해 구축하였으며, 이동국인 소형 드론에 장착 가능한 경량송수신기 및 연산기를 이용하여 실시간 측위 데이터 보정이 가능하도록 하였다.

대상 데이터

일반 GPS 수신기, 개방형 소프트웨어를 이용하여 자체 기준국을 설치하였다. 기준국의 정밀좌표는 6시간의 관측 정보와 서울시에서 제공하는 Real-Time Kinematic(RTK) 정보[7]를 함께 후처리하여 획득하였다. 이동국은 저가형 GPS 수신 모듈로 구성되어 있으며 데이터의 송수신 및 제어는 개방형 소프트웨어와 하드웨어, Raspberry pi를 이용하여 구현 하였다.
이를 통해 생성된 정밀 위치 정보는 Zigbee통신을 통해 노트북에 보내져 저장된다. 본 실 험에서의 이동국 주행경로는 400m 거리의 대학 운동장 달리기 트랙이다.
여기서 외부 기지국 데이 터는 자체 기준국의 위치로부터 10km 이내에 설치된 기지국의 데이터를 활용하는 것이 정확한 보정정보 생성에 유리하다[6]. 본 연구에서는 서울 RTK 관측 기지국 중 하나인 도봉 기지국의 데이터를 30초 간격으로 다운로드 받아서 활용하였다. 제공받은 데이터에는 의사거리, 안테나 정보, 기선 거리, 위성시계 축 및 시간 이동 정보 등이 포함되어 있다.
본 연구에서 사용한 DGPS 모듈은 EMLID사의 REACH RTK kit는 DGPS 신호처리 라이버리인 RTKLIB[11]와 연동하어 위성신호 해독 및 보정정보 생성에 유용하다. 자체 기준국의 위성 측위 신호 수집에는 U-blox사의 LEA-6T GNSS 모듈을 사용하였다.
본 연구에서는 서울 RTK 관측 기지국 중 하나인 도봉 기지국의 데이터를 30초 간격으로 다운로드 받아서 활용하였다. 제공받은 데이터에는 의사거리, 안테나 정보, 기선 거리, 위성시계 축 및 시간 이동 정보 등이 포함되어 있다.

이론/모형

이동국은 저가형 GPS 수신 모듈로 구성되어 있으며 데이터의 송수신 및 제어는 개방형 소프트웨어와 하드웨어, Raspberry pi를 이용하여 구현 하였다. 기준국과 이동국 사이의 무선통신 역시 개방형 통신 프로토콜인 지그비(Zigbee)를 사용하였다. DGPS 성능 검증 및 드론의 정밀 위치 추적 시험을 교내 운동장 트랙에서 실시하여 측위 오차를 수집하였다.

성능/효과

DGPS 성능 검증 및 드론의 정밀 위치 추적 시험을 교내 운동장 트랙에서 실시하여 측위 오차를 수집하였다. 단일 GPS 수신기 사용시 평균 10m를 넘는 측위 평균 오차가 제안하는 DGPS 시스템 사용 시 0.8m 이내로 감소됨을 확인 하였다.
보이는 바와 같이 단일 GPS 수신기 측위 데이터는 평균 오차가 6m 내외로 최대 오차가 10m 이상 발생하는 구간도 존재한다. 반면에 DGPS 시스템 측위 결과는 드론이 이착륙하는 시작 시점과 종료 시점을 제외한 구간에서의 오차가 현저히 감소했음을 알 수 있다. 평균오차는 0.
본 시스템을 통해 개선된 측위 오차는 평균 0.8m로, 여전히 다중경로 또는 모호 정수 계산으로 인한 오차가 존재하는 것으로 판단된다. 더 정밀한 측위 데이터 획득 을 위해 모호 정수 계산이 가능하도록 소프트웨어 알고리즘을 업그레이드 하고, 다중경로 오차에 강인한 GPS 수신기를 활용해야 될 것이다.
이렇게 확보한 자체 기준국과 외부 기지국의 측위 데이터를 포함하고 있는 RINEX파일을 DGPS 후처리 프로세서에 입력하여 기준국에 대한 정밀 좌표 정보를 생성한다. 본 연구에서 사용한 DGPS 모듈은 EMLID사의 REACH RTK kit는 DGPS 신호처리 라이버리인 RTKLIB[11]와 연동하어 위성신호 해독 및 보정정보 생성에 유용하다. 자체 기준국의 위성 측위 신호 수집에는 U-blox사의 LEA-6T GNSS 모듈을 사용하였다.

후속연구

8m로, 여전히 다중경로 또는 모호 정수 계산으로 인한 오차가 존재하는 것으로 판단된다. 더 정밀한 측위 데이터 획득 을 위해 모호 정수 계산이 가능하도록 소프트웨어 알고리즘을 업그레이드 하고, 다중경로 오차에 강인한 GPS 수신기를 활용해야 될 것이다. 또, 고정국 설치 장소, GPS 안테나 종류 및 설치 위치에 따른 측위 데이터 수집을 통해 최적 시스템 구성 방법을 학습할 수 있을 것이다.
더 정밀한 측위 데이터 획득 을 위해 모호 정수 계산이 가능하도록 소프트웨어 알고리즘을 업그레이드 하고, 다중경로 오차에 강인한 GPS 수신기를 활용해야 될 것이다. 또, 고정국 설치 장소, GPS 안테나 종류 및 설치 위치에 따른 측위 데이터 수집을 통해 최적 시스템 구성 방법을 학습할 수 있을 것이다. 본 시스템에서는 비 면허 주파수 대역 Zigbee통신을 이용해 무선 데이터를 송수신하였다.
본 시스템에서는 비 면허 주파수 대역 Zigbee통신을 이용해 무선 데이터를 송수신하였다. 보다 장거리 통신을 위해서 TCP/IP방식의 LoRa통신 등을 활용할 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인비행장치의 3가 지 요소기술은?	최근 무인 비행장치는 감시 및 정찰 수행을 위한 군사 용도뿐 아니라 농축 산업, 재해 대응, 택배 운송 등의 민간 분야에 활발히 적용되고 있다[1]. 무인비행장치의 3가 지 요소기술은 주변 환경을 인식하고, 주행 전략을 생성하고, 장치를 제어하는 것이다[2]. 예를 들어, 카메라와 라이다(Lidar) 및 레이다(Radar)를 이용하여 주변 환경을 인식하고 측위 시스템을 이용해 획득한 위치 정보를 정밀 지도에 매칭하는 기술을 통해 주행전략을 생성한다 [3].
	무인 비행장치의 활용 분야는?	최근 무인 비행장치는 감시 및 정찰 수행을 위한 군사 용도뿐 아니라 농축 산업, 재해 대응, 택배 운송 등의 민간 분야에 활발히 적용되고 있다[1]. 무인비행장치의 3가 지 요소기술은 주변 환경을 인식하고, 주행 전략을 생성하고, 장치를 제어하는 것이다[2].
	차등 위성항법 보정시템(DGPS)란?	1m 이하 오차 수준의 정밀 위성 항법 측위 기술로는 복수의 GPS 수신기를 활용하는 차등 위성항법 보정시템(Differential GPS, DGPS)가 있다. 이는 기준국 (reference or base station)과 이동국(rover or mobile station) 각각에 설치된 복수의 GPS 수신기의 측위 데이터 오차를 보정하는 기술이다. 기준국이 지상의 고정된 위치에 존재하는 응용 예가 많으나, 이동국과 동일한 차체에 설치되어 함께 움직이는 이동기준국(moving base) 기술 역시 측위오차 개선 효과가 상당한 것으로 알려져 있다[3-4].

참고문헌 (11)

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상세보기
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National Maritime PNT Office, 2013, Available From: https://www.nmpnt.go.kr
T. Takasu, A. Yasuda, "Development of the low-cost RTK-GPS, receiver with open source program package RTKLIB", Proceedings of International Symposium on GPS/GNSS, pp. 4-6, 2009.

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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