KR100742612B1 - Apparatus and Method for Complex Navigation Using Dead Reckoning and GPS - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단절없는 정밀 측위 정보를 필요로 하는 차량 등에 장착되어 여러 오차 환경에 강인한 특성을 갖는 필터를 이용하여 환경에 강건한 측위 정보를 제공할 수 있는 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 이동체 가속도 측정수단과, 상기 이동체의 회전을 측정하기 위한 이동체 회전 측정 수단과, GPS 수신 수단과, 디스플레이 수단을 포함하는 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치에 있어서, 추측 항법(DR)에 사용되는 필터의 상태변수 평균과 오차 공분산의 정보를 사용하여 시그마 포인트를 생성하기 위한 시그마 포인트 생성 수단; 상기 시그마 포인트 생성 수단에 의해 생성된 시그마 포인트를 사용하여 추측 항법(DR)을 수행하기 위한 시간전파 수단; 상기 시간전파 수단으로부터 출력된 추측 항법(DR)의 항법해와 상기 GPS 수신 수단으로부터 출력된 위성의 위치 정보를 사용하여 추측 항법의 오차가 포함된 의사거리를 생성하기 위한 의사거리 생성 수단; 및 상기 GPS 수신 수단의 출력 정보와 의사거리 생성 수단에 의해 생성된 의사거리를 비교하여 상기 시그마 포인트 생성 수단의 시그마 포인트를 갱신하기 위한 측정치 갱신 수단을 포함한다.The present invention provides a complex navigation device using a dead reckoning and GPS, and a method thereof, which can be used to provide robust positioning information to an environment by using a filter that is robust to various error environments and is mounted on a vehicle that requires precise positioning information without interruption. A dead reckoning navigation system comprising a moving acceleration measurement means, a moving object rotation measuring means for measuring the rotation of the moving object, a GPS receiving means, and a display means, and a dead reckoning apparatus using GPS. Sigma point generation means for generating sigma points using information of the state variable mean and error covariance of the filter used in Time propagation means for performing dead reckoning (DR) using the sigma points generated by the sigma point generating means; Pseudorange generating means for generating a pseudorange including an error of the dead reckoning using the navigation solution of the dead reckoning DR output from the time propagation means and the positional information of the satellite outputted from the GPS receiving means; And measured value updating means for updating the sigma point of the sigma point generating means by comparing the output information of the GPS receiving means and the pseudo distance generated by the pseudo distance generating means.
FIR 필터, 추측 항법(DR)/GPS, 오차, 측위 정보, 복합 항법 시스템 FIR filter, dead reckoning (DR) / GPS, error, positioning information, complex navigation system
Description
도 1 은 본 발명에 따른 복합 항법 장치에 대한 일실시예 구성도.1 is a configuration diagram of an embodiment of a complex navigation device according to the present invention.
도 2 는 본 발명에 따른 복합 항법 방법에 대한 일실시예 흐름도.2 is a flow diagram of an embodiment of a combined navigation method according to the present invention.
도 3 은 본 발명에 따른 복합 항법 장치의 필터링부에 대한 일실시예 설명도.3 is a diagram illustrating an embodiment of a filtering unit of a complex navigation device according to the present invention;
도 4 는 본 발명에 따른 복합 항법 방법 중 필터링 과정에 대한 일실시예 흐름도.4 is a flow chart of an embodiment of a filtering process of a complex navigation method according to the present invention.
도 5 내지 도 9 는 본 발명에 따른 복합 항법 장치의 모의 시험 결과를 나타낸 일실시예 설명도.5 to 9 are diagrams illustrating an example of simulation results of the combined navigation apparatus according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
101 : 가속도계 102 : 자이로101: accelerometer 102: gyro
103 : 시그마 포인트 생성부 104 : 시간전파부103: sigma point generation unit 104: time transmission unit
105 : 의사거리 생성부 106 : 측정치 갱신부105: pseudo range generating unit 106: measured value updating unit
107 : GPS 수신기 110 : 필터링부107: GPS receiver 110: filtering unit
120 : 디스플레이부120: display unit
본 발명은 강건한 추측 항법(DR) 시스템과 위성 위치 확인 시스템(GPS)을 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단절없는 정밀 측위 정보를 필요로 하는 차량 등에 장착되어 여러 오차 환경에 강인한 특성을 갖는 필터를 이용하여 환경에 강건한 측위 정보를 제공할 수 있는 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a complex navigation apparatus and method using a robust dead reckoning (DR) system and a satellite positioning system (GPS), and more particularly, is mounted in a vehicle that requires precise positioning information without disconnection, The present invention relates to a dead reckoning, a complex navigation device using GPS, and a method for providing robust positioning information to an environment using a filter having robust characteristics.
저급, 소형, 저전력, 저가의 위성 위치 확인 시스템(Global Positioning System : 이하, "GPS"라 함) 수신기가 개발됨에 따라 상업용 차량 항법시스템에서 측위 센서로 GPS 수신기가 주로 사용되어오고 있으며 GPS 수신기를 통해 획득된 차량의 위치 정보를 디지털 지도에 맵 매칭(map matching)하여 사용자에게 자신의 위치 및 속도 등의 항법정보와 길안내, 위험지역 알림 등의 위치기반서비스(LBS: Location Based Service)를 제공하고 있다. 그러나, GPS 수신기는 터널, 지하주차장, 도심지역 등에서와 같이 GPS 신호의 완전/부분적인 차단이 생기는 경우에는 정확한 위치 정보를 제공하지 못하는 문제점이 있었다.With the development of low, small, low power, low cost Global Positioning System (GPS) receivers, GPS receivers have been used as positioning sensors in commercial vehicle navigation systems. Map matching of acquired vehicle location information to digital maps provides users with navigation information such as their location and speed, and location-based services (LBS) such as road guidance and danger zone notifications. have. However, the GPS receiver does not provide accurate location information when the GPS signal is completely or partially blocked, such as in tunnels, underground parking lots, and urban areas.
따라서, 이러한 단절이 발생하는 측위 정보를 단절 없이 제공하기 위해 속도계, 지자계 센서, 관성센서 등으로 구성된 추측 항법(DR : Dead Reckoning) 시스템 을 GPS 수신기와 결합하여 DR/GPS 복합 항법 시스템으로 구성하기도 한다.Therefore, in order to provide the positioning information in which such disconnection occurs without interruption, a DR / GPS complex navigation system is constructed by combining a dead reckoning (DR) system composed of a speedometer, a geomagnetic sensor, and an inertial sensor with a GPS receiver. do.
이러한 DR/GPS 복합 항법 시스템은 추측 항법(DR)의 형태, 결합 기법, 결합 필터에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 결합 필터는 칼만 필터가 대부분 사용되어오고 있다. 선형 시스템에 사용되는 칼만 필터를 비선형 시스템인 DR/GPS 복합 항법 시스템에 적용하기 위해 확장칼만필터(EKF: Extended Kalman Filter)가 사용된다.The DR / GPS complex navigation system may be configured in various forms according to the form of dead reckoning (DR), a coupling technique, and a coupling filter. Here, most of Kalman filters have been used as coupling filters. The Extended Kalman Filter (EKF) is used to apply the Kalman filter used in the linear system to the DR / GPS combined navigation system, which is a nonlinear system.
확장칼만필터(EKF)는 초기 추정 오차가 작고, 시스템/측정치 잡음이 작고, 모델 불확실성이 없는 등의 좋은 환경에서는 정확하게 오차를 추정하여 DR/GPS 복합 항법시스템에서 성능이 좋은 측위 정보를 제공할 수 있다. 그러나, 초기 방위각 정보를 계산할 수 없는 경우, 시스템/측정치 잡음이 큰 경우, 모델 불확실성이 있는 경우 등과 같은 환경에서는 준최적(Suboptimal) 특성 또는 발산하는 특성을 보이기도 한다.The Extended Kalman Filter (EKF) can provide accurate positioning in DR / GPS complex navigation systems by accurately estimating errors in good environments, such as small initial estimation errors, small system / measured noise, and no model uncertainty. have. However, suboptimal or divergent characteristics may be exhibited in environments where initial azimuth information cannot be calculated, system / measured noise is high, model uncertainties are present, and the like.
최근 이러한 단점을 보완하기 위한 여러 필터들(예를 들면, SPKF(Sigma Point Kalman Filter), RHKF(Receding Horizon Kalman FIR) 필터, 등)이 연구되고 있다. 그러나, SPKF(Sigma Point Kalman Filter)는 초기 추정오차의 크기에만 강인성을 갖고있고, RHKF(Receding Horizon Kalman FIR) 필터는 비선형 시스템에 대한 완전한 필터가 현재 구현되어 있지 않다. 따라서, 여러 오차 환경에서 강인한 특성을 갖는 필터가 없으며 확장칼만필터(EKF)를 이용한 차량 항법시스템에서는 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있었다.Recently, various filters (for example, Sigma Point Kalman Filter (SPKF), Received Horizon Kalman FIR (RHKF) filter, etc.) have been studied. However, the Sigma Point Kalman Filter (SPKF) is robust only to the magnitude of the initial estimation error, and the Receding Horizon Kalman FIR (RHKF) filter does not currently have a complete filter for nonlinear systems. Therefore, there is no filter having robust characteristics in various error environments, and there is a problem that an error may occur in a vehicle navigation system using an extended Kalman filter (EKF).
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 단절없는 정밀 측위 정보를 필요로 하는 차량 등에 장착되어 여러 오차 환경에 강인한 특성을 갖는 필터를 이용하여 환경에 강건한 측위 정보를 제공할 수 있는 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and is provided in a vehicle that requires precise positioning information without disconnection, and is a dead reckoning that can provide robust positioning information to an environment by using a filter having robust characteristics against various error environments. An object of the present invention is to provide a complex navigation device and a method using the GPS.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.Other objects and advantages of the present invention can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. Also, it will be readily appreciated that the objects and advantages of the present invention may be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 이동체 가속도 측정수단과, 상기 이동체의 회전을 측정하기 위한 이동체 회전 측정 수단과, GPS 수신 수단과, 디스플레이 수단을 포함하는 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치에 있어서, 추측 항법(DR)에 사용되는 필터의 상태변수 평균과 오차 공분산의 정보를 사용하여 시그마 포인트를 생성하기 위한 시그마 포인트 생성 수단; 상기 시그마 포인트 생성 수단에 의해 생성된 시그마 포인트를 사용하여 추측 항법(DR)을 수행하기 위한 시간전파 수단; 상기 시간전파 수단으로부터 출력된 추측 항법(DR)의 항법해와 상기 GPS 수신 수단으로부터 출력된 위성의 위치 정보를 사용하여 추측 항법의 오차가 포함된 의사거리를 생성하기 위한 의사거리 생성 수단; 및 상기 GPS 수신 수단의 출력 정보와 의사거리 생성 수단에 의해 생성된 의사거리를 비교하여 상기 시그마 포인트 생성 수단의 시그마 포인트를 갱신하기 위한 측정치 갱신 수단을 포함한다.The apparatus of the present invention for achieving the above object comprises a dead reckoning comprising moving body acceleration measuring means, a moving body rotating measuring means for measuring the rotation of the moving body, a GPS receiving means and a display means, and a complex navigation using GPS. An apparatus comprising: sigma point generating means for generating sigma points using information of a state variable mean and error covariance of a filter used for dead reckoning (DR); Time propagation means for performing dead reckoning (DR) using the sigma points generated by the sigma point generating means; Pseudorange generating means for generating a pseudorange including an error of the dead reckoning using the navigation solution of the dead reckoning DR output from the time propagation means and the positional information of the satellite outputted from the GPS receiving means; And measured value updating means for updating the sigma point of the sigma point generating means by comparing the output information of the GPS receiving means and the pseudo distance generated by the pseudo distance generating means.
한편, 본 발명의 방법은, 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 방법에 있어서, 복합 항법 장치에 탑재된 내부 타이머를 이용하여 계산 주기 및 데이터 출력 주기를 설정하는 제1 단계; 추측 항법(DR) 센서로부터 전달된 센서 데이터를 내부 레지스터에 저장하고, 가속도계와 자이로를 사용하여 이동체의 방위각과 속도 및 위치를 계산하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 계산된 항법 정보와 GPS 수신기 출력 정보를 이용하여 의사거리를 생성하고, 상기 생성된 의사거리 정보와 상기 GPS 수신기에서 제공되는 의사거리 정보를 사용하여 오차를 추정하는 제3 단계; 및 상기 제3 단계에서 추정된 오차가 보상된 항법 정보를 계산하고, 상기 계산된 항법 정보를 표시하는 제4 단계를 포함한다.On the other hand, the method of the present invention, a combined navigation method using the dead reckoning and GPS, comprising: a first step of setting the calculation period and the data output period using the internal timer mounted on the complex navigation device; A second step of storing sensor data transmitted from a dead reckoning (DR) sensor in an internal register and calculating an azimuth, speed, and position of the moving object using an accelerometer and a gyro; Generating a pseudorange using the navigation information and GPS receiver output information calculated in the second step, and estimating an error using the generated pseudorange information and the pseudorange information provided by the GPS receiver; And a fourth step of calculating navigation information compensated for by the error estimated in the third step, and displaying the calculated navigation information.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.The above objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, whereby those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. There will be. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 본 발명에 따른 복합 항법 장치에 대한 일실시예 구성도이다.1 is a configuration diagram of an embodiment of a complex navigation device according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 항법 장치는, 이동체의 이동거리를 계산하기 위한 가속도계(101), 상기 이동체의 회전을 측정하기 위한 자이로(102), GPS 데이터를 수신하기 위한 GPS 수신기(107), 그리고 상기 가속도계(101)와 자이로(102)를 이용하여 추측 항법(DR) 항법 정보를 계산하고, 계산된 상기 추측 항법(DR) 항법 정보와 상기 GPS 수신기(107) 출력 정보를 이용하여 측위 정보를 생성하는 필터링부(110), 그리고 상기 필터링부(110)에서 출력되는 정보를 디스플레이하는 디스플레이부(120)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the complex navigation apparatus according to the present invention includes an
상기 필터링부(110)는 상기 추측 항법(DR)에 사용되는 필터의 상태변수 평균과 오차 공분산의 정보를 사용하여 시그마 포인트를 생성하는 시그마 포인트 생성부(103), 상기 시그마 포인트 생성부(103)에서 생성된 시그마 포인트를 사용하여 추측 항법(DR)을 수행하는 시간전파부(104), 추측 항법(DR)의 항법해와 상기 GPS 수신기(107)에서 출력된 위성의 위치 정보를 사용하여 추측 항법의 오차가 포함된 의사거리를 생성하는 의사거리 생성부(105), 그리고 상기 GPS 수신기(107)의 출력 정보와 의사거리 생성부(105)에서 생성된 의사거리를 비교하여 상기 시그마 포인트 생성부(103)의 시그마 포인트를 갱신하는 측정치 갱신부(106)를 포함한다.The
상기한 바와 같은, 본 발명에 따른 복합 항법 장치의 각각의 구성에 대하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.As described above, each configuration of the composite navigation apparatus according to the present invention will be described in more detail as follows.
상기 가속도계(101)는 차량의 전진방향의 가속도를 측정하여 이동 거리를 계산하기 위한 것으로 어떤 종류의 가속도계라도 무방하며 차량의 전진방향으로 정렬하여 장착한다.The
상기 자이로(102)는 차량의 회전을 측정하기 위해 사용하는 것으로서, 차량의 방위각 계산과 지면 경사 변화에 의한 롤, 피치각 계산을 수행한다.The
상기 시그마 포인트 생성부(103)는 사용되는 필터의 상태변수(차수 N)의 평균과 오차 공분산의 정보를 사용하여 계산되는 정보로써 시그마 포인트 칼만필터의 종류에 따라 "2*N+1"개 또는 "N+2"개 등으로 생성될 수 있다.The sigma
상기 시간전파부(104)는 생성된 시그마 포인트를 사용하여 추측 항법(DR)을 수행하는 것으로서, 위치, 속도, 방위각, 가속도계 바이어스, 자이로 바이어스, GPS 수신기 시계 바이어스의 계산주기 동안의 전파 과정을 하기의 [수학식1]과 같이 수행하는 것이다.The
여기서, 는 상태변수 시그마 포인트 중 j번째를 의미하며 i는 상태변수를 의미한다. 즉, "1"은 북쪽 이동 위치, "2"는 동쪽 이동 위치, "3"은 차량의 전진방향 수평 속도, "4"는 방위각, "5"는 가속도계 바이어스, "6"은 자이로 바이어스, 그리고 "7"은 GPS 수신기 시계 오차를 나타낸다.here, Is the j th state variable sigma point, and i is the state variable. "1" is north moving position, "2" is east moving position, "3" is horizontal forward speed of vehicle, "4" is azimuth, "5" is accelerometer bias, "6" is gyro bias, and "7" represents GPS receiver clock error.
그리고, 는 차량의 x축 방향 장착 가속도계 출력을 나타낸 것이며, 는 차량의 z축 방향 장착 자이로의 출력을 나타낸 것이며, 는 시간전파 주기를 의미한다. 아래첨자 k는 측정치 갱신된 시간 k를 나타낸 것이며, 은 시점까지의 측정치를 사용하여 시간 k로 시간전파하는 것을 의미한다.And, Represents the vehicle's x- axis mounted accelerometer output, Is the output of the vehicle's z- axis mounting gyro, Means time propagation period. Subscript k will showing a measured value of the update time k, silver It means time propagation by time k using the measurement to the point of time.
이렇게 시간전파된 시그마 포인트는 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)에서 제시하는 방법에 의하여 상태변수와 오차 공분산과 측정치의 시간갱신을 수행한다.The time propagated sigma point performs the time update of state variables, error covariance, and measurement by the method proposed by Sigma Point Kalman Filter (SPKF).
상기 의사거리 생성부(105)는 강결합 기법에서 필요한 추측 항법(DR)의 항법해와 가시위성의 위치 정보를 사용하여 추측 항법(DR)의 오차가 포함된 의사거리를 하기의 [수학식 2]와 같이 생성하는 역할을 한다.The
여기서, i는 i번째 가시위성을 의미하며, j는 j번째 시그마 포인트를 의미한다. 그리고, 는 i번째 가시위성의 ECEF(Earth-Centered Earth-Fixed) 좌표 계 상의 위치를 나타낸 것이며, 는 추측 항법(DR)로 계산된 위치를 나타낸 것이다. 또한, 는 추정된 수신기 시계 오차에 해당하는 시그마 포인트를 의미한다.Here, i denotes the i th visibility satellite, and j denotes the j th sigma point. And, Is the position on the Earth-Centered Earth-Fixed (ECEF) coordinate system of the i th visible satellite, Denotes a position calculated by dead reckoning (DR). Also, Denotes a sigma point corresponding to the estimated receiver clock error.
상기 측정치 갱신부(106)는 GPS 수신기(107)가 데이터를 출력하는 경우 그 정보를 사용하여 시그마 포인트를 갱신하는 역할을 한다.When the
강결합 추측 항법(DR)과 GPS를 이용한 복합 항법 장치에서는 측정치가 하기의 [수학식 3]과 같이 의사거리의 오차가 된다.In the combined navigation system using the strongly coupled dead reckoning (DR) and GPS, the measured value becomes an error of pseudo range as shown in
여기서, 는 k 시점에서 GPS 수신기(107)가 제공하는 i번째 의사거리를 의미하며 n은 가시위성의 수이다.here, Denotes the i th pseudorange provided by the
이 측정치를 사용하여 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)에서 제시하는 방법에 의하여 상태변수와 오차 공분산의 측정치 갱신을 수행한다.Using this measure, the measured value of the state variable and the error covariance is updated by the method proposed by the Sigma Point Kalman Filter (SPKF).
그리고, 상기 GPS 수신기(107)는 GPS 위성을 사용하여 수신기의 위치정보를 제공하는 것으로 강결합 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치에서는 가시위성의 위치와 의사거리 정보를 제공하는 역할을 한다.In addition, the
도 2 는 본 발명에 따른 복합 항법 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating an embodiment of a complex navigation method according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 항법 방법은, 먼저 복합 항법 장치에 탑재된 내부 타이머를 이용하여 계산 주기 및 데이터 출력 주기를 설정하고(201), A/D(Analog to Digital) 변환기를 이용하여 추측 항법(DR) 센서의 아날로그 값을 디지털 값으로 변환한다(202).As shown in FIG. 2, the complex navigation method according to the present invention first sets a calculation cycle and a data output cycle using an internal timer mounted in the complex navigation apparatus (201), and A / D (Analog to Digital). The converter converts the analog value of the dead reckoning (DR) sensor into a digital value (202).
다음으로, 변환된 센서 데이터를 복합 항법 장치의 내부 레지스터에 저장하고(203), 복합 항법 장치의 가속도계와 자이로를 사용하여 차량의 방위각과 속도 및 위치를 계산한다(204).Next, the converted sensor data is stored in an internal register of the complex navigation device (203), and the azimuth, speed, and position of the vehicle are calculated (204) using the accelerometer and gyro of the complex navigation device.
다음으로, 상기에서 계산된 항법 정보와 GPS 수신기 출력 정보를 이용하여 의사거리를 생성하고(205), 상기 생성된 의사거리 정보와 GPS 수신기에서 제공되는 의사거리 정보를 사용하여 오차를 추정한다(206).Next, a pseudorange is generated using the calculated navigation information and GPS receiver output information (205), and an error is estimated using the generated pseudorange information and pseudorange information provided by the GPS receiver (206). ).
이어서, 오차가 보상된 항법 정보를 계산하고, 내부 타이머에 설정되어 있는 출력주기에 의한 타이머 인터럽트가 발생하면 계산된 항법 정보를 직렬 통신으로 외부 시스템에 전송하고 액정디스플레이 모듈에 표시한다(207).Subsequently, the navigation information with the error compensated is calculated, and when a timer interrupt due to the output period set in the internal timer is generated, the calculated navigation information is transmitted to the external system through serial communication and displayed on the liquid crystal display module (207).
도 3 은 본 발명에 따른 복합 항법 장치의 필터링부에 대한 일실시예 설명도로서, 측위를 위한 필터링부의 이동구간 개념을 나타낸다.3 is a diagram illustrating an embodiment of a filtering unit of a complex navigation apparatus according to the present invention, and illustrates a concept of a moving section of the filtering unit for positioning.
도 3에 도시된 바와 같이, 복합 항법 장치에서의 측위를 위한 필터링부의 이동구간은, 현 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(301), 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302), 다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(303), 그리고 다음 구간의 액티브 섹션(Active Section)(304)으로 구성된다.As shown in FIG. 3, the moving section of the filtering unit for positioning in the complex navigation device includes a
현 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(301)은 필터 초기에만 존재하는 것으로 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302) 전에 존재하는 구간이며 이 구간에서 계산된 항법정보는 사용하지 않는다.The
현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)은 현 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(301)의 마지막으로 계산된 정보를 그대로 사용하여 연속적으로 항법정보를 계산하며 이 구간에서 계산된 항법정보는 유용한 정보이며 사용된다.The
다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(303)은 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)과 동시에 구동되는 것으로 구간 처음에 초기화되며 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)과 동일한 계산 과정을 갖는다. 이 구간에서 계산된 항법정보는 사용하지 않는다.The
다음 구간의 액티브 섹션(Active Section)(304)은 다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(303)의 마지막으로 계산된 정보를 그대로 사용하여 연속적으로 항법정보를 계산하며 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)이 끝나는 시점에 시작되며 이 구간의 이름은 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)으로 바뀌게 된다. 즉, 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)은 다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(303)과 같이 독립적으로 구동되며 다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(303)이 끝나고 액티브 섹션(Active Section)이 되면 이 구간이 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)으로 대체되는 것이다.The
도 4 는 본 발명에 따른 복합 항법 방법 중 필터링 과정에 대한 일실시예 흐름도로서, 추측 항법 정보 계산과 오차 추정을 나타낸다.4 is a flowchart illustrating a filtering process of a complex navigation method according to an exemplary embodiment of the present invention, and shows estimation navigation information calculation and error estimation.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 항법 방법 중 필터링 과정은, 먼저 사용되는 필터의 상태변수를 설정하고(401), 이동구간(Receding Horizon)의 형태와 크기를 설정한다(402).As shown in FIG. 4, the filtering process in the combined navigation method according to the present invention sets a state variable of a filter to be used first (401), and sets a shape and a size of a moving horizon (402). .
다음으로, 상기 상태변수 초기정보를 사용하여 시그마 포인트 및 가중치를 계산하여 설정하고(403), 추측 항법(DR) 시스템의 항법해를 시간전파(Time Propagation) 한다(404).Next, sigma points and weights are calculated and set using the state variable initial information (403), and time propagation of the navigation solution of the dead reckoning (DR) system (404).
다음으로, GPS 출력 정보를 이용하여 필터 측정치를 계산하고(405), 상기 추측 항법(DR) 시스템의 오차 및 GPS 수신기의 시계 오차를 추정하여 측정치를 갱신한다(406).Next, the filter measurement value is calculated using the GPS output information (405), the error of the dead reckoning (DR) system and the clock error of the GPS receiver are estimated to update the measurement value (406).
이어서, 히든 섹션(Hidden Section)과 액티브 섹션(Active Section)을 판별하여(407), 현 구간의 히든 섹션이면 시그마 포인트 및 가중치 설정 과정(403)으로 진행하고, 액티브 섹션(Active Section)의 시작이면(408) 다음 구간(Posterior Horizon)의 히든 섹션(Hidden Section)을 초기화하고(409), 시그마 포인트 및 가중치 설정 과정으로 진행하며(403), 액티브 섹션(Active Section)이면서 섹션(Section)의 시작 시점이 아니면 현 구간(Current Horizon)과 다음 구간을 병행 계산한 후, 항법정보를 출력하고(410), 시그마 포인트 및 가중치 설정 과정(403)으로 진행한다.Then, the Hidden Section and the Active Section are determined (407). If the Hidden Section is the current section, the process proceeds to the Sigma Point and Weight Setting Process (403). (408) Initialize the Hidden Section of the Interior Horizon (409), proceed with the Sigma Point and Weight Setup process (403), and start the Section while the Active Section is active. Otherwise, after calculating the current horizon and the next section in parallel, the navigation information is output (410), and the sigma point and
한편, 상기 과정 중 이동구간 형태와 크기를 설정하는 과정(402)은, 필터의 수렴 속도를 고려하여 필터의 크기를 설정하고, 상기 설정된 필터의 크기에 의하여 이동구간의 이동 간격을 설정하며, 이동구간의 히든 섹션(Hidden Section)과 액티 브 섹션(Active Section)으로 구분하는 단계를 포함한다. 여기서, 이동구간의 크기 설정은 상기 도 2의 액티브 섹션(Active Section) 크기의 두 배가 되는 이동구간의 크기를 결정하는 것이다. 이 크기는 일반적으로 필터 차수의 크기의 두 배 이상이어야 한다. 즉, 이동구간의 크기를 크게 설정하면 FIR(Finite Impulse Response) 필터의 장점이 줄어들며, 작게 설정하면 필터의 수렴 정도가 떨어지게 되므로 적절하게 설정하여야 한다.Meanwhile, in the
한편, 시그마 포인트 및 가중치 계산 과정(403)은 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)가 제시하는 방법으로 수행할 수 있다.Meanwhile, the sigma point and
또한, 상기 과정 중 추측 항법(DR) 시스템의 항법해를 시간전파 하는 과정(404)은, 상기 상태변수들 사이의 관계식을 정립한 후, 시그마 포인트들 사이의 관계를 상기 상태변수들 사이의 관계식을 사용하여 정립한다. 그리고, 시그마 포인트를 상기 관계식에 따라 시간전파하며, 상기 시간전파를 시그마 포인트의 수만큼 반복하는 과정을 포함한다.In addition, in the process of time propagating the navigation solution of the dead reckoning (DR) system, the relationship between the state variables is established, and then the relationship between the sigma points is established between the state variables. Formulate using And time propagating the sigma points according to the relational expression, and repeating the time propagation by the number of sigma points.
한편, 측정치 갱신 과정(406)에 의하여 추정된 항법정보는 구간이 액티브 섹션(Active Section)이 시작된 시점이면 출력하여 항법정보로 사용된다.Meanwhile, the navigation information estimated by the measured
또한, 상기 과정 중 다음 구간의 초기화하는 과정(409)은, 상태변수를 초기화하고, 오차 공분산 행렬을 초기화하며, 변수의 초기화 단계를 포함한다. 즉, 다음 구간 초기화 과정(409)은 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)이 시작되는 시점에서 다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)의 초기화를 하는 것으로 상태변수는 현 구간의 최종 추정치로 오차 공분산행렬은 필터 구동 초기에 설정된 오차 공분산행렬로 초기화한다.In addition, the
또한, 상기 과정 중 현 구간과 다음 구간을 병행 계산하는 과정은, 현 구간에서 사용되는 변수를 사용하여 시간전파와 측정치 갱신을 하고, 다음 구간에서 사용되는 변수를 사용하여 시간전파와 측정치 갱신을 수행한다.In the process of calculating the current section and the next section in parallel, the time propagation and measurement values are updated using the variables used in the current section, and the time propagation and measurement values are updated using the variables used in the next section. do.
또한, 상기 과정 중 항법정보 출력 과정은, 현 구간의 측정치 갱신으로부터 상태변수를 추출하여, 추출된 상태변수를 출력 또는 비출력을 구분한 후, 출력 상태변수를 SI단위로 변환시켜 항법정보가 사용될 장치로 전송한다.The navigation information output process may include extracting a state variable from a measurement value update of the current section, classifying the extracted state variable into output or non-output, and converting the output state variable into SI units to use the navigation information. To the device.
도 5 내지 도 9 는 본 발명에 따른 복합 항법 장치의 모의 시험 결과를 나타낸 일실시예 설명도로서, 여러 시험 환경에서 수행된 확장칼만필터(EKF), SPKF(Sigma Point Kalman Filter), 본 발명에 따른 필터의 결과의 추정오차를 나타낸 것이다.5 to 9 is an exemplary explanatory diagram showing a simulation test result of a complex navigation device according to the present invention, an Extended Kalman Filter (EKF), Sigma Point Kalman Filter (SPKF), performed in various test environments, The estimation error of the result of the filter is shown.
각 그림의 x축에 나타낸 1, 2, 3은 각각 확장칼만필터(EKF), SPKF(Sigma Point Kalman Filter), 본 발명에 따른 필터를 의미한다.1, 2, and 3 shown on the x-axis of each figure mean an Extended Kalman Filter (EKF), a Sigma Point Kalman Filter (SPKF), and a filter according to the present invention.
도 5의 시험 환경은 다음과 같다.The test environment of FIG. 5 is as follows.
가속도계(101)와 자이로(102)는 랜덤 워크(random walk) 성분의 오차를 가지며 필터는 센서 오차를 랜덤 워크로 모델링 한다.
도 5의 시험 환경에서 상기 도 1의 복합 항법 장치를 수행한 경우에 대하여 세 가지 필터의 추정 오차의 크기는 거의 비슷한 것을 볼 수 있다. 이 결과 좋은 환경에서는 세 가지 필터의 성능이 유사한 것을 알 수 있다.In the test environment of FIG. 5, the magnitudes of the estimation errors of the three filters are almost similar to those of the complex navigation apparatus of FIG. 1. This shows that the performance of the three filters is similar in good circumstances.
도 6의 시험 환경은 다음과 같다.The test environment of FIG. 6 is as follows.
가속도계(101)와 자이로(102)는 랜덤 워크 성분의 오차를 가지며 필터는 센서 오차를 랜덤 상수(random constant)로 모델링한다.The
도 6의 시험 환경에서 상기 도 1의 복합 항법 장치를 수행한 경우 확장칼만필터(EKF)와 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)보다 제안된 형태의 필터의 추정 오차의 크기가 작은 것을 볼 수 있다. 이 결과 모델링 오차가 있는 경우 제안된 형태의 필터가 다른 필터보다 좋은 성능을 갖는 것을 볼 수 있다.When the combined navigation apparatus of FIG. 1 is performed in the test environment of FIG. 6, it can be seen that the magnitude of the estimation error of the proposed type of filter is smaller than that of the Extended Kalman Filter (EKF) and the Sigma Point Kalman Filter (SPKF). As a result, when there is a modeling error, it can be seen that the proposed filter has better performance than other filters.
도 7의 시험 환경은 다음과 같다.The test environment of FIG. 7 is as follows.
가속도계(101)와 자이로(102)는 랜덤 상수의 오차를 가지며 필터는 센서 오차를 랜덤 상수로 모델링 한다. 그리고 총 120초 운행 구간 중 30초와 60초 사이에 크기의 일시적인 가속도계 불확실성 바이어스 오차를 갖는다.
도 7의 시험 환경에서 상기 도 1의 복합 항법 장치를 수행한 경우 확장칼만필터(EKF)와 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)보다 제안된 형태의 필터의 추정 오차의 크기가 작은 것을 볼 수 있다. 이 결과 일시적인 센서 불확실성 오차가 있는 경우 제안된 형태의 필터가 다른 필터보다 좋은 성능을 갖는 것을 볼 수 있다.When the complex navigation apparatus of FIG. 1 is performed in the test environment of FIG. 7, it may be seen that the estimated error of the proposed type of filter is smaller than that of the extended Kalman filter (EKF) and the Sigma Point Kalman Filter (SPKF). As a result, we can see that the proposed type of filter has better performance than other filters in case of temporary sensor uncertainty error.
도 8의 시험 환경은 다음과 같다.The test environment of FIG. 8 is as follows.
가속도계(101)와 자이로(102)는 랜덤 워크 성분의 오차를 가지며 필터는 센서 오차를 랜덤 워크로 모델링 한다. 그리고 초기 방위각 추정 오차를 160도로 설정한다.The
도 8의 시험 환경에서 상기 도 1의 복합 항법 장치를 수행한 경우 확장칼만필터(EKF)는 필터가 발산하는 것을 볼 수 있으며 SPKF(Sigma Point Kalman Filter) 와 제안된 형태의 필터의 추정 오차의 크기가 작은 것을 볼 수 있다. 이 결과 초기 추정오차의 크기가 큰 경우 자코비안 행렬의 계산이 필요한 확장칼만필터(EKF)는 발산하지만 자코비안 행렬의 계산이 필요하지 않은 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)와 제안된 형태의 필터는 좋은 성능을 갖는 것을 볼 수 있다.In the test environment of FIG. 8, the extended Kalman filter (EKF) can be seen that the filter diverges when the complex navigation apparatus of FIG. 1 is performed, and the magnitude of the estimation error of the Sigma Point Kalman Filter (SPKF) and the filter of the proposed type. You can see the little thing. As a result, when the magnitude of the initial estimation error is large, the Extended Kalman Filter (EKF), which requires the calculation of the Jacobian matrix, is emitted, but the Sigma Point Kalman Filter (SPKF), which does not require the Jacobian matrix, and the proposed type of filter It can be seen that it has performance.
도 9의 시험 환경은 다음과 같다.The test environment of FIG. 9 is as follows.
가속도계(101)와 자이로(102)는 랜덤 워크 성분의 오차를 가지며 필터는 센서 오차를 랜덤 워크로 모델링 한다. 그리고, 45초와 53초 구간에서는 가시위성의 수가 2개, 54초와 60초 구간에서는 가시위성의 수가 0으로 설정한다.The
도 9의 시험 환경에서 상기 도 1의 복합 항법 장치를 수행한 경우 세 필터의 성능은 크게 차이가 나지는 않으나 확장칼만필터(EKF)보다 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)와 제안된 형태의 필터의 추정 오차의 크기가 작은 것을 볼 수 있다. 이 결과 도심 지역과 같이 가시위성의 수가 변하는 경우 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)와 제안된 형태의 필터가 좋은 성능을 갖는 것을 볼 수 있다.In the test environment of FIG. 9, the performance of the three filters is not significantly different when the combined navigation apparatus of FIG. 1 is performed. However, the estimation error of the Sigma Point Kalman Filter (SPKF) and the proposed type of filter is greater than that of the Extended Kalman Filter (EKF). You can see that the size of is small. As a result, SPKF (Sigma Point Kalman Filter) and the proposed type of filter have good performance when the number of visible satellites changes like urban area.
그리고, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 차량용, 보행용, 항공용, 항해용 등의 항법시스템에서 당 분야의 통상적 지식을 가진 자에 의하여 사용 가능함을 밝혀둔다.In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is apparent that the present invention can be used by those skilled in the art in navigation systems such as vehicles, walking, aviation, and navigation.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기 로 한다.As described above, the method of the present invention may be implemented as a program and stored in a recording medium (CD-ROM, RAM, ROM, floppy disk, hard disk, magneto-optical disk, etc.) in a computer-readable form. Since this process can be easily carried out by those skilled in the art will not be described in more detail.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited by the drawings.
상기와 같은 본 발명은, 모델링 오차, 일시적인 센서 불확실성 오차, 큰 초기 추정 오차, 가시위성의 수가 4개 이하로 변하는 등의 환경에서 오차가 증가/발산하는 확장칼만필터(EKF)의 기술적, 구조적 한계를 극복하고 강건한 측위 정보를 사용자에게 제공할 수 있는 효과가 있다.The present invention as described above, the technical and structural limitations of the Extended Kalman Filter (EKF) error is increased / divergent in the environment, such as modeling error, temporary sensor uncertainty error, large initial estimation error, the number of visible satellites changes to four or less It is effective in overcoming and providing robust positioning information to the user.
또한, 본 발명은 차량용 뿐 아니라 보행용, 항공용, 항해용 항법장치에서 위치, 속도, 자세 등의 항법정보를 제공하는 필터로 사용될 수 있으며 추측 항법(DR)/GPS뿐 아니라 다양한 센서 융합(fusion) 시스템에서 필터 상태변수의 변형에 의하여 사용될 수 있는 효과가 있다. In addition, the present invention can be used as a filter that provides navigation information such as position, speed, attitude, etc. in pedestrian, aviation, and navigational navigation systems as well as vehicles, and various sensors fusion as well as dead reckoning (DR) / GPS. There is an effect that can be used by modification of the filter state variable in the system.
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