초록 ▼

본 연구에서는 MEMS 관성센서의 오차를 효과적으로 모델링하는 방안과 상관기 적분시간을 늘일 수 있는 방안을 마련하여, MEMS 관성센서의 저성능 문제와 GPS 수신기의 신호 추적성능을 향상시키고, 동시에 상관기 출력율과 통합칼만 필터의 갱신율의 차이에 의하여 발생하는 문제를 해결하는 저가격, 고성능을 가지는 초강결합 GPS/INS 통합항법 알고리즘에 관한 기초 연구를 수행하였다.
1차년도에는 개발하고자 하는 통합항법알고리즘의 성능을 검증할 소프트웨어 플랫폼을 구성하고 통합항법시스템에 사용할 MEMS 기반 IMU의 오차모델을

본 연구에서는 MEMS 관성센서의 오차를 효과적으로 모델링하는 방안과 상관기 적분시간을 늘일 수 있는 방안을 마련하여, MEMS 관성센서의 저성능 문제와 GPS 수신기의 신호 추적성능을 향상시키고, 동시에 상관기 출력율과 통합칼만 필터의 갱신율의 차이에 의하여 발생하는 문제를 해결하는 저가격, 고성능을 가지는 초강결합 GPS/INS 통합항법 알고리즘에 관한 기초 연구를 수행하였다.
1차년도에는 개발하고자 하는 통합항법알고리즘의 성능을 검증할 소프트웨어 플랫폼을 구성하고 통합항법시스템에 사용할 MEMS 기반 IMU의 오차모델을 도출하고 이의 효용성을 확인하였다. 본 연구에서 구성한 소프트웨어 플랫폼은 크게 센서데이터 생성부와 통합항법 시스템부로 나누어진다. 센서데이터 생성부는 항체 운동 생성기, GPS 신호 생성기, IMU 데이터 생성기로 구성되며 통합항법시스템부는 SDR 수신기, SDINS, 통합칼만 필터로 구성된다. SDR 수신기의 클럭명령생성부, 상관기부, 통합칼만필터부등은 제안한 알고리즘이 추후 실시간 환경에서 동작 가능하도록 설계하였다. 항체의 운동 시나리오를 설정하고 이에 대하여 GPS IF 데이터 및 IMU 데이터를 생성한 후 약결합방식의 통합항법시스템에 대하여 설계한 소프트웨어 플랫폼의 유효성을 입증하였다. MEMS 기반 IMU의 오차는 1차 GM 프로세스로 표현한 바이어스 안정도를 바이어스 반복도에 추가하여 도출하였다. 도출한 오차모델의 성능평가를 통하여 GPS 통합항법 시 바이어스 반복도만 고려한 오차 모델에 비하여 우수한 항법 성능을 나타냄을 확인하였다.
2차년도에는 상관기 적분시간 확장 알고리즘을 반영한 통합항법알고리즘을 제안하고, 1차년도에서 도출한 MEMS 센서의 오차 모델을 반영한 저가형 통합알고리즘의 효용성을 소프트웨어 플랫폼을 통하여 검증하였다. 제안한 알고리즘은 전처리 필터에서 추정한 신호 추적 오차를 적분하여 잡음에 대한 수신기의 신호 추적 오차의 영향을 감소시킨다. 저가형 통합알고리즘은 1차년도에서 도출한 MEMS IMU 바이어스 안정도를 칼만 필터에 추가한 모델로 구현하였다. 모의시험 수행결과에서 제안한 상관기 적분시간 확장 아고리즘이 적분 시간을 고정한 알고리즘에 비하여 신호 추적 오차의 분산이 더 작은 것을 확인하였으며 MEMS 센서의 오차 모델을 반영한 저가형 통합알고리즘이 바이어스 반복도만 고려한 통합알고리즘에 비하여 GPS 신호 단절 시 더 정확한 항법결과를 제공함을 확인하였다.
3차년도에는 2차년도에 연구한 두 가지 알고리즘을 모두 포함하는 초강결합 GPS/INS 통합항법 알고리즘을 구성하고 소프트웨어 플랫폼을 통하여 검증하였다. 또한 속도 Aiding 기법과 초강결합 GPS/INS 통합항법시스템과의 유사점 및 차이점을 밝혔다. 실시간 차량 실험을 통하여 수집한 GPS IF 신호와 IMU 데이터에 대하여 개발한 알고리즘의 성능 평가를 수행하였다. 속도 Aiding 기법과 초강결합 GPS/INS 통합항법시스템 모두 신호 추적 루프의 대역폭은 INS의 대역폭에 좌우된다. 속도 Aiding 기법은 과도응답 및 정상상태 오차특성이 신호추적루프필터의 전달함수에 의하여 결정되고, 초강결합 GPS/INS 통합항법시스템은 칼만 필터의 이득에 의하여 결정됨을 확인하였다. 영국 AIS 사의 SiIMU02 MEMS IMU와 독일 ifEN 사의 NAVX-NSR RF front-end를 사용하여 실시간 차량 실험의 IMU와 GPS RF 데이터를 획득하였다. 실시간을 획득한 데이터에 대하여 소프트웨어 플랫폼으로 제안한 항법 알고리즘을 수행한 결과, 제안한 알고리즘을 이용하여 초강결합 통합항법을 수행하는 구간에서는 2차년도의 결과와 유사한 성능을 나타내지만, GPS 신호 단절 후 INS가 단독을 항법을 수행하는 구간에서는 더 우수한 성능을 나타냄을 확인하였다.
본 연구에서 수행한 연구 결과는 추후 소프트웨어 및 하드웨어 기반의 시뮬레이터를 개발하기 위한 기초 기술로 활용될 수 있으며, 저가격, 소형의 군용 및 민간용 항법시스템을 개발하는데 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 예상한다.