KR101061965B1 - 선박의 위성신호 미약환경에서 ｇｐｓ 반송파 위상의 미지정수를 검출하는 방법 - Google Patents

선박의 위성신호 미약환경에서 ｇｐｓ 반송파 위상의 미지정수를 검출하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연근해 및 내륙수로 항해시 교량 및 시설물 등의 영향으로 위성 신호세기 저감 또는 위성신호 차단 현상이 빈번히 발생했던 점, 반송파 위상정보는 미약한 위성신호세기 환경에서 측정잡음이 급격히 증가하여 반송파 기반 정밀측위를 불가능하게 했던 점, 및 위성신호 차단시 이용 가능한 반송파 위상 원시정보의 위성 배치(DOP, Dilution of Precision)가 열악해 짐으로써 수직측위 정확도가 떨어지는 점 등의 종래 문제점을 해소하기 위한 선박의 위성신호 미약환경에서 GPS 반송파 위상의 미지정수를 검출하는 방법에 관한 것으로, 특히 선박의 동특성 정보를 이용하여 GPS 신호가 미약하거나 차단되는 환경에서 반송파 위상의 미지정수 검출 성능을 개선한 것이다.
이로 인해 선박이 연근해 및 내륙수로 항해시 교량 및 시설물 등의 영향으로 위성신호 세기 미약(저감) 또는 위성신호가 차단되는 상황에서도 정밀한 측위를 수행할 수 있다.

Description

선박의 위성신호 미약환경에서 ＧＰＳ 반송파 위상의 미지정수를 검출하는 방법{Method for Performance Enhancement of GPS Carrier Phase Ambiguity Resolution in Weak Signal Environments}
본 발명은 선박의 동특성 정보를 이용하여 GPS 신호가 미약하거나 차단되는 환경에서 반송파 위상의 미지정수 검출 성능을 개선하여 반송파를 기반으로한 정밀측위를 유지할 수 있게 하는 방법에 관한 것이다.
<발명의 배경>
- 선박탑재 GPS 위성신호 수신환경 : 연근해 및 내륙수로 항해시 교량 및 시설물 등의 영향으로 위성 신호세기 저감 또는 위성신호 차단 현상이 빈번히 발생한다.
- 원시정보 측정 정확도 저하 : 반송파 위상정보는 미약한 위성신호세기 환경에서 측정잡음이 급격히 증가하여 반송파 기반 정밀측위를 불가능하게 한다.
⇒ 반송파 미지정수 검색 및 유지를 어렵게 한다.
- 측위 정확도 저하 : 위성신호 차단시 이용 가능한 반송파 위상 원시정보의 위성 배치(DOP, Dilution of Precision)가 열악해 짐으로써 수직측위 정확도가 떨어진다.
본 발명의 목적은 선박의 동특성 정보를 이용하여 GPS 신호가 미약하거나 차단되는 환경에서 반송파 위상의 미지정수 검출 성능을 개선하여 반송파를 기반으로한 정밀측위를 유지할 수 있게 하는 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 선박의 동특성 정보를 이용하여 상기 선박으로부터 해당 위성의 ICP(Integrated Carrier Phase) 정보를 추정하는 단계(S100)와; 상기 (S100)단계로 추정한 ICP 정보를 이용하여 반송파 위상을 생성하는 단계(S200)와; 상기 (S200)단계로 생성된 반송파 위상에서 끊김 없이(seamless) 미지정수를 검출하는 단계(S300);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 선박의 위성신호 미약환경에서 GPS 반송파 위상의 미지정수를 검출하는 방법에 의해 달성된다.
한편, 상기 ICP 정보를 추정하는 단계(S100)에서, 상기 선박의 동특성 정보는 선박에 장착된 관성센서로부터 획득된 선박의 각속도와 가속도를 포함한 것이다.
또한, 상기 ICP 정보를 추정하는 단계(S100)는, 위성신호가 미약해지거나 차단되기 직전의 의사거리(Pseudorange, PSR)와 누적 도플러거리(Accumulated Doppler Range, ADR) 및 INS(Inertial Navigation System, 관성항법장치)에서 제공되는 위치, 속도, 자세 정보를 획득하는 단계(S110)와; 상기 단계로 획득된 정보를 칼만필터로부터 추정된 PSR과 ADR을 획득하는 단계(S120);로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 ICP 정보를 추정하는 단계(S100)는, 적어도 4개 이상 연속적으로 추적하는 GPS 위성으로부터 수신된 PSR 및 ADR을 이용하여 ICP 정보를 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 선박이 연근해 및 내륙수로 항해시 교량 및 시설물 등의 영향으로 위성신호 세기 미약(저감) 또는 위성신호가 차단되는 상황에서도 정밀한 측위를 수행할 수 있으며, 관련 정밀측위 분야에 기술 개발을 적극적으로 유도하여 새로운 시장 창출이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 위성신호 미약환경에서 GPS 반송파 위상의 미지정수를 검출하는 방법을 나타낸 순서도이고,
도 2 및 도 3은 위성신호 미약 또는 차단환경에서의 측위결과를 종래와 비교한 도면,
도 4는 미지정수 검출 성공률을 종래와 비교한 도면,
도 5는 선박 동특성으로 ICP를 추정하는 방법을 나타낸 도면,
도 6은 반송파 위상을 생성하는 방법을 나타낸 도면.
본 발명을 설명하기에 앞서,
Ⅰ. 미지정수를 결정함으로써,
GNSS(Global Navigation Satellite System)의 반송파 위상측정치를 이용하면 수 mm 정도의 정밀도로 위치를 구할 수 있다.
Figure 112011022728197-pat00001
Φ(t): 사용자(수신기) 안테나와 위성 사이의 의사거리,
r: 사용자(수신기) 안테나와 위성 사이의 실제거리,
c: 빛의 속도,
B: 위성시계 및 수신기 시계 바이어스,
λ: 위성신호의 파장,
N: 미지정수,
δI: 이온층 지연 오차,
δT: 대류층 지연 오차,
δE: 위성 궤도 오차,
δm: 다중경로에 의한 측정오차,
ω: 수신기의 측정잡음.
반송파 위상을 이용하여 의사거리를 측정할 때, 반송파 위상은 위성으로부터 수신된 신호와 수신기 내부에서 생성한 신호의 차인 맥놀이 신호(carrier beat phase)의 위상을 이용하여 측정된다. 이때, 수신기 시계와 위성시계의 동기가 이루어지지 않으므로 수신기가 측정한 반송파 위상은 파장의 정수배에 해당하는 오차가 포함된다. 이 정수를 미지정수(integer ambiguity)라 한다.
Ⅱ. 4개 이상의 변하지 않는 위성개수가 필요한 이유는,
수신기 시계오차는 수신기 시계와 GPS 기준시간과의 차이를 나타내며, 이를 보상하기 위해 수신기 시계오차를 수신기의 위치(x, y, z)와 함께 찾아야 할 변수이다. 따라서 4개 이상의 위성을 사용하면 구할 수 있다. 또한 변하지 않는 위성의 필요성은 미지정수를 구할 때, 수신기가 위성신호를 연속적으로 수신하면 미지정수가 변화하지 않으므로 정밀하고, 정확한 측위를 수행할 수 있으나 위성이 변화하면 미지정수를 다시 구해야 하며, 이때 미지정수를 제대로 구할 때까지 정확도를 보장할 수 없다.
Ⅲ. 선박 동특성으로 ICP(Integrated Carrier Phase)를 추정하는 방법은,
위성신호가 미약해지거나 차단되기 직전의 의사거리(Pseudorange, PSR) 및 누적 도플러거리(Accumulated Doppler Range, ADR)를 INS 정보(위치, 속도, 자세 등)의 도움을 받아 칼만필터로부터 추정된 PSR과 ADR을 획득한다. ICP는 위성별 PSR과 ADR로 구성되어 있다(도 5 참조).
Ⅳ. 반송파 위상을 생성하는 방법은,
도 6과 같은 방법으로 반송파 위상을 생성한다.
이하, 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 선박의 위성신호 미약환경에서 GPS 반송파 위상의 미지정수를 검출하는 방법은, 선박의 동특성 정보를 이용하여 상기 선박으로부터 해당 위성의 ICP(Integrated Carrier Phase) 정보를 추정하는 단계(S100)와, 상기 (S100)단계로 추정한 ICP 정보를 이용하여 반송파 위상을 생성하는 단계(S200)와, 상기 (S200)단계로 생성된 반송파 위상에서 끊김 없이(seamless) 미지정수를 검출하는 단계(S300)를 포함한다.
여기서, 상기 ICP 정보를 추정하는 단계(S100)는 위성신호가 미약해지거나 차단되기 직전의 의사거리(Pseudorange, PSR)와 누적 도플러거리(Accumulated Doppler Range, ADR) 및 INS에서 제공되는 위치, 속도, 자세 정보를 획득하는 단계(S110)와, 상기 (S110)단계로 획득된 정보를 칼만필터로부터 추정된 PSR과 ADR을 획득하는 단계(S120)로 이루어진다.
그리고 상기 ICP 정보를 추정하는 단계(S100)에서, 상기 선박의 동특성 정보는 선박에 장착된 관성센서로부터 획득된 선박의 각속도와 가속도를 포함한다.
또한, 상기 ICP 정보를 추정하는 단계(S100)는 적어도 4개 이상 연속적으로 추적하는 GPS 위성으로부터 수신된 PSR 및 ADR을 이용하여 ICP 정보를 추정한다.
즉, 본 발명은 도 1에 도시한 바와 같이 변하지 않는 위성개수가 4개 이상 있는지 확인(S10)하고, 위성 개수가 4개 미만일 때는 4개 이상이 될 때까지 기다리고(S20), 위성개수가 4개 이상이면, 위성신호세기가 미약 또는 차단인지 확인(S30) 한 후 위성신호세기가 강하면 반송파 미지정수를 검출하고 이를 이용해 정밀 측위 결과를 생성하나, 위성신호세기가 미약 또는 차단이면 상기 전술된 Ⅲ의 내용 및 도 5를 참조하여 선박의 동특성 정보(관성센서 정보(각속도, 가속도))로 해당 위성의 ICP 정보를 추정(S100)하고, 상기 추정한 ICP 정보를 이용하여 반송파 위상을 도 6의 방법으로 생성(S200)하며, 이를 통해 생성된 반송파 위상을 이용하여 끊김 없이(seamless) 상기 반송파 위상에 포함된 미지정수를 검출(S300) 및 유지하여 연속적이고 안정적인 측위결과를 생성(S400) 한다.
여기서 반송파 위상의 생성을 추가로 설명하면, 칼만필터로부터 추정된 ICP는 추정된 PSR 36비트와 추정된 ADR 36비트로 구성되며, 도 6과 같은 계산에 따라 최종적으로 반송파 위상을 생성하는 것이다.
한편, 종래의 측위성능과, 본 발명이 제한하는 방법에 의한 측위성능을 비교한 사례1,2를 도 2,3을 참조하여 살펴보면,
<사례1> 위성신호 미약 또는 차단 - 남쪽
·운영중인 GPS 위성수 : 8개
·남쪽방향 위성의 반송파 정보가 위성신호 미약 또는 차단되는 환경
·제안한 방법의 측위성능과 기존 GPS 수신기에서의 측위성능 비교: 3배 이상 측위 정확도 저하 (9cm → 30cm)
·제안한 선박 동특성 정보를 이용 측위 기술: 위성신호 미약 또는 차단 환경에서 측위 정확도 유지 확인.
<사례2> 위성신호 미약 또는 차단 - 북쪽
·운영중인 GPS 위성수 : 8개
·북쪽방향 위성의 반송파 정보가 위성신호 미약 또는 차단되는 환경
·제안한 방법의 측위성능과 기존 GPS 수신기에서의 측위성능 비교
: 측위 정확도 저하 (9cm → 14cm)
: 낮은 앙각의 위성을 수신하여 작은 DOP 변화 발생
: 미약 신호환경에 의해 발생한 DOP 변화가 측위 결과에 영향을 주는 요소임을 확인
·제안한 선박 동특성 정보를 이용 측위 기술: 위성신호 미약 또는 차단 환경에서 측위 정확도 유지 확인.
또한, 도 4를 참조하여 종래 측위 기법과 본 발명이 제안하는 방법의 미지정수 검출 성공률을 살펴보면,
위성신호 미약환경에서 동특성 정보를 이용하여 추정된 ICP로부터 생성된 반송파 위상을 이용하여 Epoch-by-Epoch으로 미지정수 검출 성공률 분석한 결과, 제안한 동특성 정보를 이용한 방법의 미지정수 검출 성공률이 기존 동특성 정보를 이용하지 않는 기법보다 우수함을 확인하였다.
즉, 종래 측위 기술은 미지정수 검출 성공률 ≤ 85% 이고, 제안한 선박 동특성 정보를 이용한 방법은 미지정수 검출 성공률 ≥ 95% 이었다.
이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 선박의 동특성 정보를 이용하여 상기 선박으로부터 해당 위성의 ICP(Integrated Carrier Phase) 정보를 추정하는 단계(S100)와;
    상기 ICP 정보를 추정하는 단계(S100)로 추정한 ICP 정보를 이용하여 반송파 위상을 생성하는 단계(S200)와;
    상기 반송파 위상을 생성하는 단계(S200)로 생성된 반송파 위상에서 끊김 없이(seamless) 미지정수를 검출하는 단계(S300);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 선박의 위성신호 미약환경에서 GPS 반송파 위상의 미지정수를 검출하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 ICP 정보를 추정하는 단계(S100)에서, 상기 선박의 동특성 정보는 선박에 장착된 관성센서로부터 획득된 선박의 각속도와 가속도를 포함한 것을 특징으로 선박의 위성신호 미약환경에서 GPS 반송파 위상의 미지정수를 검출하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 ICP 정보를 추정하는 단계(S100)는,
    위성신호가 미약해지거나 차단되기 직전의 의사거리(Pseudorange, PSR)와 누적 도플러거리(Accumulated Doppler Range, ADR) 및 관성항법장치(Inertial Navigation System, INS)에서 제공되는 위치, 속도, 자세 정보를 획득하는 단계(S110)와;
    상기 정보를 획득하는 단계(S110)에서 획득된 정보를 칼만필터로부터 추정된 의사거리와 누적 도플러거리를 획득하는 단계(S120);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선박의 위성신호 미약환경에서 GPS 반송파 위상의 미지정수를 검출하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 ICP 정보를 추정하는 단계(S100)는,
    적어도 4개 이상 연속적으로 추적하는 GPS 위성으로부터 수신된 의사거리(Pseudorange, PSR)와, 누적 도플러거리(Accumulated Doppler Range, ADR)를 이용하여 ICP 정보를 추정하는 것을 특징으로 하는 선박의 위성신호 미약환경에서 GPS 반송파 위상의 미지정수를 검출하는 방법.
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