[논문]PC, 타이머 카드와 USRP 보드를 이용한 GNSS/INS 시뮬레이터의 시각동기 시스템 설계

손재훈; 서흥석; 이상윤; 황동환

doi:10.11003/jpnt.2024.13.4.401

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The purpose of the Global Navigation Satellite System/Inertial Navigation System (GNSS/INS) simulator is to provide GNSS signals and iInertial mMeasurement uUnit (IMU) data in a real environment. If the GNSS/INS simulator provides unsynchronized GNSS signals and IMU data, the performance of the GNSS...

The purpose of the Global Navigation Satellite System/Inertial Navigation System (GNSS/INS) simulator is to provide GNSS signals and iInertial mMeasurement uUnit (IMU) data in a real environment. If the GNSS/INS simulator provides unsynchronized GNSS signals and IMU data, the performance of the GNSS/INS integrated navigation system cannot be accurately evaluated. In this paper, a design method of a time synchronization system for the GNSS/INS simulator is proposed using a PC, timer card, and Universal Software Radio Peripheral (USRP) board. The USRP board up-converts the GNSS IF data into an RF signal and provides the Pulse Per Second (PPS) signal. The timer card generates an interrupt request signal to the PC at the same rate as the IMU data from the PPS signal of the USRP board. The PC provides the GNSS IF signal and IMU data and synchronizes the time of the IMU data to the GNSS IF data based on the interrupt request signal. In order to show demonstrate the usefulness of the proposed method, the time synchronization results of IMU data are checked along the GNSS signal in the GNSS/INS simulator, and the effect of the time synchronization of the GNSS/INS simulator on the navigation system is checkedevaluated. The experimental results show that the proposed time synchronization method generates the GNSS IF signals and IMU data very similar to that closely correspond with the real environment.

Keyword

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Configuration of GNSS/INS simulator.
그림 Fig. 2. Hardware of GNSS/INS simulator using PC, timer card and USRP board.
그림 Fig. 3. Number of interrupt request signals according to the PPS signal output rate of the USRP board. (a) 1 PPS, (b) 10 PPS.
그림 Fig. 4. Time synchronization result of GPS IF data and IMU data.
그림 Fig. 5. Performance evaluation system for proposed time synchronization method for simulator.
그림 Fig. 6. Performance evaluation system photograph.
그림 Fig. 7. GPS/INS integrated navigation results (a) first trajectory, (b) second trajectory.
그림 Fig. 8. GPS/INS integrated navigation results for the Fig. 7a, (a) unsynchronized data, (b) synchronized data.
그림 Fig. 9. GPS/INS integrated navigation results for the Fig. 7b, (a) unsynchronized data, (b) synchronized data.
표 Table 1. RMSE of the GPS/INS integrated navigation results.

AI 본문요약
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문제 정의

GNSS/INS 시뮬레이터의 목적은 항법 시스템이 동작하는 실제 환경에 가능한 가까운 GNSS 신호와 IMU 데이터를 제공하는 것이다. 이때, GNSS신호와 동기되지 않은 IMU 데이터를 GNSS/INS 통합항법 시스템에 제공하면 개발한 항법 시스템의 성능을 정확하게 평가할 수 없다.
본 논문에서는 PC, 타이머 카드와 USRP 보드를 이용한 GNSS/INS 시뮬레이터의 시각동기 시스템 설계법을 제안하고, 이에 대한 유효성을 보인 실험 결과를 제시하고자 한다. 먼저, GNSS/INS 시뮬레이터에서 동기되지 않은 GNSS IF 데이터와 IMU 데이터에 대하여 제안한 방법으로 시각동기를 수행한 결과를 제시한다.

제안 방법

본 논문에서는 PC, 타이머 카드와 USRP 보드를 이용한 GNSS/INS 시뮬레이터의 시각동기 시스템 설계법을 제안하고, 이에 대한 유효성을 보인 실험 결과를 제시하고자 한다. 먼저, GNSS/INS 시뮬레이터에서 동기되지 않은 GNSS IF 데이터와 IMU 데이터에 대하여 제안한 방법으로 시각동기를 수행한 결과를 제시한다. 그리고, GNSS/INS 시뮬레이터의 시각 동기가 GNSS/INS 통합항법 시스템의 항법 결과에 미치는 영향을 확인한다.
먼저, GNSS/INS 시뮬레이터에서 동기되지 않은 GNSS IF 데이터와 IMU 데이터에 대하여 제안한 방법으로 시각동기를 수행한 결과를 제시한다. 그리고, GNSS/INS 시뮬레이터의 시각 동기가 GNSS/INS 통합항법 시스템의 항법 결과에 미치는 영향을 확인한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
본 논문에서는 PC, 타이머 카드와 USRP 보드를 이용한 GNSS/INS 시뮬레이터의 시각동기 시스템 설계법을 제안하고, 제안한 설계법의 유용함을 보이기 위하여 실험을 수행한 결과를 제시하였다. GNSS 수신기의 입력, INS의 입력과 GNSS/INS 시뮬레이터의 소프트웨어의 관계를 정리하고, 실제 환경에서 GNSS 신호와 IMU 데이터를 모사하려면 시각 동기가 필요함을 보였다.
그리고, GNSS/INS 시뮬레이터에서 GPS IF 데이터와 IMU 데이터를 생성하고, 제안한 방법으로 동기 시킨 IMU 데이터를 동기 시키지 않은 IMU 데이터와 비교하였다. 그리고, GNSS/INS 시뮬레이터의 시각 동기가 항법 시스템에 미치는 영향을 확인하기 위하여 GPS/INS 통합항법 결과를 확인하였다. 결과로부터 제안한 방법을 이용할 경우 GNSS/INS 시뮬레이터의 출력을 실제 상황에 실제 상황에 가깝게 제공할 수 있음을 알 수 있다.

대상 데이터

제안한 GNSS/INS시뮬레이터의 시각동기 시스템의 성능을 평가하기 위하여 IMU 출력 I/F는 Fastcomm사의 FSCC/4-PCIe, USRP 보드는 NI사의 USRP-2952R, 타이머 카드는 Advantech사의 PCI-1780U를 이용하여 Fig. 2에 나타낸 시각동기 시스템을 구성하였다.
성능평가 시스템은 PC 2대와 USRP 2대로 구성하였다. GPS IF 신호와 IMU 데이터를 수신하는 PC와 USRP 보드에서 INS 입력 I/F 카드, 타이머 카드, USRP 보드는 시뮬레이터와 같은 제품을 사용하였다.
먼저, 궤적 생성기로 원 운동을 하는 항체의 궤적을 생성하고, 25 MHz로 샘플링한 GPS IF 데이터와 100 Hz 출력율의 IMU 데이터를 생성하였다. IMU 데이터의 출력 시각에 0부터 0.

데이터처리

GNSS 수신기의 입력, INS의 입력과 GNSS/INS 시뮬레이터의 소프트웨어의 관계를 정리하고, 실제 환경에서 GNSS 신호와 IMU 데이터를 모사하려면 시각 동기가 필요함을 보였다. 그리고, GNSS/INS 시뮬레이터에서 GPS IF 데이터와 IMU 데이터를 생성하고, 제안한 방법으로 동기 시킨 IMU 데이터를 동기 시키지 않은 IMU 데이터와 비교하였다. 그리고, GNSS/INS 시뮬레이터의 시각 동기가 항법 시스템에 미치는 영향을 확인하기 위하여 GPS/INS 통합항법 결과를 확인하였다.
그리고, 시뮬레이터의 IMU 데이터 생성기에서 IMU사양을 변경하고, PPS 신호의 출력율을 조절하여 1 PPS 신호인 경우의 시각 오차, 10 PPS 신호인 경우의 시각 오차를 확인할 것이다. 마지막으로 상용 시뮬레이터를 이용한 결과를 제안한 시뮬레이터의 시각 동기 결과와 비교할 것이다.
먼저, 궤적 생성기로 원 운동을 하는 항체의 궤적을 생성하고, 25 MHz로 샘플링한 GPS IF 데이터와 100 Hz 출력율의 IMU 데이터를 생성하였다. IMU 데이터의 출력 시각에 0부터 0.0099까지 균등 분포를 갖는 오차를 추가하고, USRP 보드에서 100 PPS 신호가 출력될 때의 항법 성능을 확인하였다.
Table 1에는 Figs. 8과 9에 나타낸 항법 결과의 Root Mean Square Error (RMSE)의 평균, 그리고, 동기되지 않은 데이터에 대한 항법 오차 감소율을 백분율로 나타내었다. Fig.

성능/효과

본 논문에서는 PC, 타이머 카드와 USRP 보드를 이용한 GNSS/INS 시뮬레이터의 시각동기 시스템 설계법을 제안하고, 제안한 설계법의 유용함을 보이기 위하여 실험을 수행한 결과를 제시하였다. GNSS 수신기의 입력, INS의 입력과 GNSS/INS 시뮬레이터의 소프트웨어의 관계를 정리하고, 실제 환경에서 GNSS 신호와 IMU 데이터를 모사하려면 시각 동기가 필요함을 보였다. 그리고, GNSS/INS 시뮬레이터에서 GPS IF 데이터와 IMU 데이터를 생성하고, 제안한 방법으로 동기 시킨 IMU 데이터를 동기 시키지 않은 IMU 데이터와 비교하였다.
그리고, GNSS/INS 시뮬레이터의 시각 동기가 항법 시스템에 미치는 영향을 확인하기 위하여 GPS/INS 통합항법 결과를 확인하였다. 결과로부터 제안한 방법을 이용할 경우 GNSS/INS 시뮬레이터의 출력을 실제 상황에 실제 상황에 가깝게 제공할 수 있음을 알 수 있다.
추후에는 GNSS/INS 시뮬레이터에 상용 GNSSS/INS 통합항법 시스템을 연결하고, 시각 동기가 통합항법 결과에 미치는 영향을 확인할 것이다. 그리고, 시뮬레이터의 IMU 데이터 생성기에서 IMU사양을 변경하고, PPS 신호의 출력율을 조절하여 1 PPS 신호인 경우의 시각 오차, 10 PPS 신호인 경우의 시각 오차를 확인할 것이다. 마지막으로 상용 시뮬레이터를 이용한 결과를 제안한 시뮬레이터의 시각 동기 결과와 비교할 것이다.
Fig. 4를 보면 제안한 시각동기 시스템을 사용할 경우 GPS IF 신호에 IMU 데이터가 동기되었음을 알 수 있으며, 동기된 IMU 데이터의 출력 시각이 100 PPS 신호의 출력 시각과 일치함을 알 수 있다.

후속연구

한편, PC의 소프트웨어는 새로운 기능을 추가하거나 수정이 쉽고, 관련 Application Programming Interface (API)가 많이 소개되고 있으므로, GNSS Intermediate Frequency (IF) 데이터와 IMU 데이터를 생성하는 기능을 소프트웨어로 설계하고, PC에 기능 확장을 위한 인터페이스 카드, PPS 신호 출력 및 IF-RF 상향 변환 기능을 제공하는 Universal Software Radio Peripheral (USRP) 보드를 추가하면 GNSS/INS 시뮬레이터를 비교적 손쉽게 구현할 수 있을 것이다. 특히, 타이머 카드를 추가하면 USRP보드에서 출력한 PPS 신호를 기준으로 IMU 데이터를 GNSS 신호에 동기 시킬 수 있을 것이므로, 기존 제품의 시각 동기 알고리즘에 비하여 간단하며, 저렴한 가격으로 구성할 수 있을 것이다.
한편, PC의 소프트웨어는 새로운 기능을 추가하거나 수정이 쉽고, 관련 Application Programming Interface (API)가 많이 소개되고 있으므로, GNSS Intermediate Frequency (IF) 데이터와 IMU 데이터를 생성하는 기능을 소프트웨어로 설계하고, PC에 기능 확장을 위한 인터페이스 카드, PPS 신호 출력 및 IF-RF 상향 변환 기능을 제공하는 Universal Software Radio Peripheral (USRP) 보드를 추가하면 GNSS/INS 시뮬레이터를 비교적 손쉽게 구현할 수 있을 것이다. 특히, 타이머 카드를 추가하면 USRP보드에서 출력한 PPS 신호를 기준으로 IMU 데이터를 GNSS 신호에 동기 시킬 수 있을 것이므로, 기존 제품의 시각 동기 알고리즘에 비하여 간단하며, 저렴한 가격으로 구성할 수 있을 것이다.
추후에는 GNSS/INS 시뮬레이터에 상용 GNSSS/INS 통합항법 시스템을 연결하고, 시각 동기가 통합항법 결과에 미치는 영향을 확인할 것이다. 그리고, 시뮬레이터의 IMU 데이터 생성기에서 IMU사양을 변경하고, PPS 신호의 출력율을 조절하여 1 PPS 신호인 경우의 시각 오차, 10 PPS 신호인 경우의 시각 오차를 확인할 것이다.

참고문헌 (14)

CAST NAVIGATION, IMU Modeling and Simulation - Dynamic？GNSS/INS Simulation Systems [Internet], cited 2021？Jul 9, available from: https://castnav.com/wp-content/uploads/2021/07/CAST-INERTIAL.pdf？
CAST NAVIGATION 2022, A True Reference: Theory Meets？Reality in Synchronized Simulation Environments,？Inside GNSS, 27 Feb 2022.？
Farrell, J. A. 2008, Aided Navigation: GPS with High Rate？Sensors (New York: McGraw Hill).？
Groves, P. D. 2013, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor？Integrated Navigation Systems, 2nd Ed. (Boston, London:？Artech House).？
Karaim, M. O., Youssef, M., & Noureldin, A . 2018,？Performance Verification of Ultra-tight GPS/INS System？Using a Comprehensive GPS/INS Data Simulation Tool,？In 31st International Technical Meeting of the Satellite？Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+？2018), Miami, Florida, 24-28 September 2018, pp.3199-3208. https://doi.org/10.33012/2018.15988？
Kim, W. & Seo, J. 2023, Low-Cost GNSS Simulators With？Wireless Clock Synchronization for Indoor Positioning,？IEEE Access, 11, 55861-55874. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3282786？

상세보기
Looney, M. 2024, Synchronizing MEMS IMUs with GPS in Autonomous Vehicles, Inside GNSS, May 29 2024.
May, M. B. 2022, Navigation Heaven, ION Newsletter, 32, 16-17.？https://www.ion.org/newsletter/upload/ION-Fall22.pdf？
National Instruments, CDA-2990 [Internet], cited 2024 Apr.？2, available from: https://www.ni.com/docs/ko-KR/bundle/cda-2990-specs/page/specs.html？
Novus Power, NR3612-O/G [Internet], cited 2022 Nov. 18,？available from: https://novuspower.com/wp-content/uploads/2023/03/NR3612-OG-11-15-8-22.pdf？
Peteovello, M. G. & Curran, J. T. 2017, Simulators and Test？Equipment, Springer Handbook of Global Navigation？Satellite Systems, P. J. G. Teunissen & O. Montenbruck,？eds. (Gewerbestrasse, Switzerland: Springer). https://doi.org/10.1007/978-3-319-42928-1_18？
Skog, I. & Handel, P. 2008, Effects of time synchronization？errors in GNSS-aided INS, in 2008 IEEE/ION Position,？Location and Navigation Symposium, 05-08 May 2008,？Monterey, CA, USA, pp.82-88. https://doi.org/10.1109/PLANS.2008.4570010？
Spirent, Spirent SimINERTIAL - Integrated GPS/Inertial Test？[Internet], cited 2018 May 19, available from: https://www.spirent.kr/assets/u/brochure-siminertial？
Titterton, D. H. & Weston, J. L. 2004, Strapdown Inertial？Navigation Technology, 2nd Ed. (Stevenage: The？Institute of Electrical Engineers)？

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