KR102058686B1 - Design Method of the Terrain Referenced Navigation using Terrain Elevation Regression Model based Extreme Learning Machine and Computer readable storage medium having the same - Google Patents

Design Method of the Terrain Referenced Navigation using Terrain Elevation Regression Model based Extreme Learning Machine and Computer readable storage medium having the same Download PDF

Info

Publication number
KR102058686B1
KR102058686B1 KR1020190028905A KR20190028905A KR102058686B1 KR 102058686 B1 KR102058686 B1 KR 102058686B1 KR 1020190028905 A KR1020190028905 A KR 1020190028905A KR 20190028905 A KR20190028905 A KR 20190028905A KR 102058686 B1 KR102058686 B1 KR 102058686B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
regression model
machine learning
terrain
rapid machine
navigation
Prior art date
Application number
KR1020190028905A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
이정신
성창기
오주현
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020190028905A priority Critical patent/KR102058686B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102058686B1 publication Critical patent/KR102058686B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/26Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 specially adapted for navigation in a road network
    • G01C21/28Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 specially adapted for navigation in a road network with correlation of data from several navigational instruments
    • G01C21/30Map- or contour-matching
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C5/00Measuring height; Measuring distances transverse to line of sight; Levelling between separated points; Surveyors' levels
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/18Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Probability & Statistics with Applications (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

Provided is a topographical contour matching navigation design method capable of ensuring navigation in real-time while increasing learning accuracy of a rapid machine learning method. The topographical contour matching navigation design method comprises: (a) a step of deriving, by an earth elevation regression model module, a rapid machine learning-based earth elevation regression model in advance by using normalized learning data; and (b) a step of performing, by a topographical contour matching navigation performing system, topographical contour matching navigation with the rapid machine learning-based earth elevation regression model.

Description

급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체{Design Method of the Terrain Referenced Navigation using Terrain Elevation Regression Model based Extreme Learning Machine and Computer readable storage medium having the same}Design method of the Terrain Referenced Navigation using Terrain Elevation Regression Model based Extreme Learning Machine and Computer readable storage medium having the same}

본 발명은 항법 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 일반적인 급속 기계 학습 기반 오터 인코더(Generalized Extreme Learning Machine based Auto-encoder) 및/또는 다층 방사 기저 함수 기반 인공신경망(Multi-layer Radial Basis Function based Artificial Neural Network)을 이용하여 급속 기계 학습법의 학습 정확도를 높이면서 항법의 실시간성을 보장할 수 있는 지형대조항법 설계 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 대한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to navigation technology, and more particularly to a generalized extreme learning machine based auto-encoder and / or a multi-layer radial basis function based artificial neural network. The present invention relates to a topographic navigation design method that can guarantee the real-time navigation of a navigation system while improving the learning accuracy of a rapid machine learning method using a network, and a computer-readable storage medium storing the method.

현재 정밀 항법성능을 위해 일반적으로 범지구위성항법 시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)이 사용되고 있다. 그러나, 적대적 전파교란 등으로 인해 위성항법이 불가한 환경에서도 안정적인 항법해를 얻기 위한 대안이 필요하다. Currently, the Global Navigation Satellite System (GNSS) is used for precise navigation performance. However, there is a need for an alternative to obtain a stable navigation solution even in an environment where satellite navigation is impossible due to hostile radio disturbance.

선진국에서는 GNSS 비가용 환경에서 정밀 항법성능을 보장할 수 있는 대안으로 지형대조항법(TRN: Terrain Referenced Navigation)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 수치표고 모델(DEM: Digital Elevation Model)은 지형의 고도 값을 수치로 저장하여 지형의 형상을 나타내는 지도로써, 지형대조항법의 성능을 높이기 위해서는 고해상도의 수치표고모델이 반드시 필요하다. In developed countries, research on Terrain Referenced Navigation (TRN) has been actively conducted as an alternative to guarantee the precision navigation performance in the GNSS unavailable environment. The Digital Elevation Model (DEM) is a map that shows the shape of the terrain by storing the altitude value of the terrain as a numerical value. A high resolution digital elevation model is necessary to improve the performance of the terrain control.

그러나 고해상도의 수치표고모델을 저장하기 위해서는 대용량의 메모리 공간이 필요하다. 또한 별도의 메모리 공간에 있는 수치표고모델을 지형대조항법이 수행되는 항법 컴퓨터로 로딩 하는데 시간 지연이 발생하며, 이는 항법의 실시간 연산을 방해하는 요소가 된다. However, a large amount of memory space is required to store high-resolution digital elevation models. In addition, there is a delay in loading the numerical elevation model in a separate memory space into the navigation computer on which the terrain control navigation is performed, which hinders the real-time operation of the navigation.

또한, 비연속적인 수치표고모델을 이용하여 원하는 위치에서의 지형 고도를 획득하기 위해 다양한 보간법(Interpolation method)이 사용되고 있는데 이 또한 추가적인 오차를 발생시킨다. 이를 위한 대안으로 수치표고모델을 기계 학습 기법으로 학습하여 연속적인 지표고 회귀 모델(Terrain Elevation Regression Model)을 도출하는 기술은 획기적인 메모리 공간의 절약과 로딩에 따른 시간지연 문제를 해결하기 위한 필수적인 기술이다. In addition, various interpolation methods are used to obtain terrain altitude at a desired location using a non-continuous numerical elevation model, which also generates additional errors. As an alternative, the technology to derive the continuous Elevation Regression Model by learning the numerical elevation model by machine learning technique is an essential technique to solve the time delay problem caused by the dramatic saving of memory space and loading. .

단, 비연속적인 고해상도의 수치표고모델을 보간법에 의해 연속적 지표 고도 데이터로 산출하는 기존의 방식과 정확도 면에서 동일 수준 이상이어야 하며 항법의 실시간성이 보장되어야 한다는 제한 조건이 있다.However, there is a limitation that the real-time navigability of navigation should be at the same level or higher in terms of accuracy and accuracy of the existing method of calculating non-continuous high-resolution digital elevation model by interpolation as continuous surface elevation data.

상기와 같은 조건들을 고려하여 급속 기계 학습(ELM: Extreme Learning Machine)으로 학습된 딥러닝(Deep Learning) 기법을 통해 연속적인 지표고 회귀 모델을 설계하는 기술은 메모리 공간의 절약, 지형대조항법 성능 개선 및 항법의 실시간성 보장을 위해 반드시 필요한 기술이다.  Considering the above conditions, the technique of designing a continuous surface elevation regression model through deep learning technique trained by Extreme Learning Machine (ELM) saves memory space and improves the performance of terrain control. And technology necessary for real-time guarantee of navigation.

현재까지 수행된 기계 학습 기법 기반 지표고 회귀 모델 설계에 관한 일반적인 기술들에는 B-스플라인 기반 인공신경망(B-spline based Artificial Neural Network), 서포터 벡터 머신 회귀법(SVMR: Support Vector Machine Regression) 및 단일 은닉층(Hidden layer) 기반 인공 신경망을 보유한 고전적인 급속 기계 학습 등이 있다. Common techniques for designing machine-learning-based surface elevation regression models include B-spline based Artificial Neural Networks, Support Vector Machine Regression (SVMR), and single hidden layers. Classic rapid machine learning with a hidden layer-based artificial neural network.

그러나, 이러한 기술들은 수 백 제곱미터의 협소한 지역의 수치표고모델 데이터를 학습하였고, 실 수치표고모델을 보간법으로 매칭한 기존의 방법보다 높은 정확도를 도출하지 못했다. 또한, B-스플라인 기반 인공 신경망 기법을 제외하고는 학습된 모델을 지형대조항법에 적용한 사례가 존재하지 않는다. B-스플라인 기반 인공신경망 기법의 경우에도 협소한 영역에서 저해상도의 수치표고모델을 학습한 결과만을 제시하고 있어, 고성능의 지형대조항법에 적용하기에는 적합하지 않다. However, these techniques have trained numerical elevation model data in a narrow area of hundreds of square meters and have not been able to derive higher accuracy than existing methods that match real numerical elevation models with interpolation. In addition, except for the B-spline-based artificial neural network, there is no case where the trained model is applied to the terrain control. In case of B-spline based neural network, the results of training low resolution digital elevation models in narrow areas are presented, which is not suitable for high performance terrain control.

또한, 지형대조항법에 적용하기 위해서는 매우 높은 정확도로 학습이 이루어져야한다는 조건 외에 항법의 실시간성이 보장되어야 한다는 제한 조건이 있다. B-스플라인 기반 인공 신경망과 서포터 벡터 머신 회귀법이 구현한 회귀 모델은 높은 수준의 정확도에 도달하기 위해서는 많은 계산량이 요구되어 실시간성 보장이 어려운 단점이 있다. 타 기술들에 비해 고전적인 급속 기계 학습 기법은 구조가 간단하고 학습 속도가 빠른데 비해 꽤 높은 수준의 정확도를 얻을 수 있어 현재 다양한 분야에서 사용되고 있지만 복잡한 비선형 문제에서는 성능의 한계가 존재한다. In addition, in addition to the condition that learning must be performed with a very high accuracy in order to apply to the terrain control navigation, there is a restriction condition that the real time of navigation must be guaranteed. The regression model implemented by the B-spline-based artificial neural network and the supporter vector machine regression method requires a large amount of computation to reach a high level of accuracy, which makes it difficult to guarantee real-time. Compared to other technologies, the classical rapid machine learning technique is simple in structure and fast in learning, and can be obtained at a relatively high level of accuracy, and is currently used in various fields, but there are limitations in performance in complex nonlinear problems.

위에 기술한 바와 같이 별도의 대용량 메모리 공간이 불필요한 장점에도 불구하고, 수치표고모델을 대체할 수 있을 정도의 높은 학습 정확도를 보이지 않는 기계 학습 회귀 모델은 지형대조항법에 적용될 수 없다. 또한, 정확도를 높이기 위해 복잡한 모델로 수치표고모델을 모사할 경우 항법의 실시간성을 저하시킬 수 있다. Despite the advantages of not needing a large amount of memory space as described above, machine learning regression models that do not have high learning accuracy that can replace numerical elevation models cannot be applied to terrain control. In addition, simulating a numerical elevation model with a complex model to increase accuracy can degrade the real-time navigation.

1. 한국특허공개번호 제10-2010-0060194호1. Korean Patent Publication No. 10-2010-0060194 2. 한국특허공개번호 제10-2018-0052074호2. Korean Patent Publication No. 10-2018-0052074

1. 이태윤외, "고해상도 위성영상과 기존 수치표고모델을 이용하여 신뢰성이 향상된 수치표고모델의 자동 생성", 한국공간정보학회, 2008년1. Tae Yoon Lee et al., "Automatic Generation of Digital Elevation Models with Improved Reliability Using High Resolution Satellite Images and Existing Digital Elevation Models", Korea Spatial Information Society, 2008

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 일반적인 급속 기계 학습 기반 오터 인코더(Generalized Extreme Learning Machine based Auto-encoder) 및/또는 다층 방사 기저 함수 기반 인공신경망(Multi-layer Radial Basis Function based Artificial Neural Network)을 이용하여 급속 기계 학습법의 학습 정확도를 높이면서 항법의 실시간성을 보장할 수 있는 지형대조항법 설계 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention provides a generalized extreme learning machine based auto-encoder and / or a multi-layer radial basis function based artificial neural network in order to achieve the task presented above. It is an object of the present invention to provide a method for designing a terrain control navigation system capable of guaranteeing the real-time navigation of a navigation system while increasing the learning accuracy of a rapid machine learning method and a computer-readable storage medium storing the method.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 일반적인 급속 기계 학습 기반 오터 인코더(Generalized Extreme Learning Machine based Auto-encoder) 및/또는 다층 방사 기저 함수 기반 인공신경망(Multi-layer Radial Basis Function based Artificial Neural Network)을 이용하여 급속 기계 학습법의 학습 정확도를 높이면서 항법의 실시간성을 보장할 수 있는 지형대조항법 설계 방법을 제공한다.The present invention provides a generalized extreme learning machine based auto-encoder and / or a multi-layer radial basis function based artificial neural network in order to achieve the task presented above. This paper provides a terrain control design method that can guarantee the real-time navigation of navigation while increasing the learning accuracy of rapid machine learning.

상기 지형대조항법 설계 방법은,The terrain control design method,

(a) 지표고 회귀 모델 모듈이 정규화 학습 데이터를 이용해 사전에 급속 기계 학습 기반 지표고 회귀 모델을 도출하는 단계; 및(a) the surface elevation regression model module deriving a rapid machine learning based ground elevation regression model in advance using normalized training data; And

(b) 지형대조항법 수행 시스템이 상기 급속 기계 학습 기반 지표고 회귀 모델로 지형대조항법을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.and (b) performing the terrain steering navigation system using the rapid machine learning-based ground elevation regression model.

이때, 상기 지표고 회귀 모델 모듈은, 상기 정규화 학습 데이터 중 위도값 및 경도값을 정규화한 값으로 이루어진 제 1 노드들로 구성되는 입력층; 상기 제 1 노드들을 기반으로 활성화 함수를 이용하는 제 2 노드들로 구성되는 제 1 내지 제 3 은닉층; 및 상기 제 2 노드들을 이용하여 산출되는 지표고 회귀 모델을 출력하는 출력층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In this case, the surface elevation regression model module includes: an input layer including first nodes formed of normalized latitude and longitude values of the normalized training data; First to third hidden layers, each consisting of second nodes using an activation function based on the first nodes; And an output layer for outputting the ground elevation regression model calculated using the second nodes.

이때, 상기 활성화 함수는 방사 기저 함수인 것을 특징으로 한다.In this case, the activation function is characterized in that the radiation basis function.

또한, 상기 제 1 은닉층은 급속 기계학습 기반 오터인코더이며, 상기 급속 기계학습 기반 오터인코더는 비지도(Unsupervised) 학습법으로 출력 참값이 입력 값과 동일한 것을 특징으로 한다.The first hidden layer is a rapid machine learning based oter encoder, and the rapid machine learning based otter encoder is an unsupervised learning method, and the output true value is the same as the input value.

또한, 상기 제 1 노드들은 수학식

Figure 112019025927076-pat00001
Figure 112019025927076-pat00002
(여기서,
Figure 112019025927076-pat00003
은 m번째 학습 데이터의 위도값이며, λ(m)는 m번째 학습 데이터의 경도 값이다. M은 전체 샘플 개수이며, φ와 Λ는 각각 M개의 위도, 경도 학습 데이터 입력이다)로 정의되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first nodes are
Figure 112019025927076-pat00001
And
Figure 112019025927076-pat00002
(here,
Figure 112019025927076-pat00003
Is the latitude value of the m th training data, and λ (m) is the longitude value of the m th training data. M is the total number of samples, and φ and Λ are M latitude and longitude learning data inputs, respectively).

또한, 상기 제 2 노드들은, In addition, the second nodes,

수학식

Figure 112019025927076-pat00004
(여기서,
Figure 112019025927076-pat00005
는 번째 노드의 활성화 함수이며, αki와 β k는 k번째 노드에 할당된 방사 기저 함수의 평균값과 분산 값이고,
Figure 112019025927076-pat00006
은 유클리드 거리(Euclidean distance)를 의미하며, K는 은닉층의 총 노드 수를 나타낸다)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다,Equation
Figure 112019025927076-pat00004
(here,
Figure 112019025927076-pat00005
Is the activation function of the th node, α ki and β k are the mean and variance of the radiated basis function assigned to the k th node,
Figure 112019025927076-pat00006
Is the Euclidean distance, and K represents the total number of nodes of the hidden layer.

또한, 상기 방사 기저 함수의 평균값과 분산값은 k 평균 군집(K-mean clustering)을 통해 결정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the mean value and the variance of the basis of the radiation basis is characterized in that it is determined through k-mean clustering (K-mean clustering).

또한, 상기 제 2 은닉층 및 제 3 은닉층은 급속 기계학습 기반 인공 신경망이며, 상기 급속 기계학습 기반 인용 신경망은 지도(Supervised) 학습법으로 출력 참값이 정규화 학습 데이터에 포함된 미리 설정되는 목표 값(target value)인 것을 특징으로 한다.The second hidden layer and the third hidden layer are rapid machine learning based artificial neural networks, and the rapid machine learning based cited neural network is a supervised learning method. It is characterized by the).

또한, 상기 지형대조항법 수행 시스템은 상기 급속 기계 학습 기반 지표고 회귀 모델과 고도계와 기압고도간 측정치 차이에 대한 차이값을 이용하여 지형 정보의 측정치를 갱신하는 것을 특징으로 한다.In addition, the terrain control navigation system is characterized by updating the measurement of the terrain information using the rapid machine learning-based ground elevation regression model and the difference value for the difference between the measured value between the altimeter and barometric altitude.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 위에서 기술한 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법을 실행하는 프로그램 코드를 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 저장한다.On the other hand, another embodiment of the present invention stores a computer readable storage medium storing program code for executing the method of terrain control navigation using the rapid machine learning based ground elevation regression model described above.

본 발명에 따르면, 일반적인 급속 기계 학습 기반 오터 인코더(Generalized Extreme Learning Machine based Auto-encoder) 및/또는 다층 방사 기저 함수 기반 인공신경망(Multi-layer Radial Basis Function based Artificial Neural Network)을 이용하여 급속 기계 학습법의 학습 정확도를 높이면서 항법의 실시간성을 보장할 수 있다.According to the present invention, a rapid machine learning method using a generalized extreme learning machine based auto-encoder and / or a multi-layer radial basis function based artificial neural network It can guarantee the real-time navigability of the navigation while increasing the learning accuracy of.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 험준한 지역에서 더욱 정밀하게 모사하기 때문에 지형대조항법에 유효한 측정치에 대해 더욱 유리하게 작용하게 된다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that since it simulates more precisely in a rugged area, it works more advantageously on the measurement effective for the terrain control navigation.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 급속 기계학습 기반 지표고 회귀 모델을 생성하는 지표고 회귀 모듈의 구조를 보여주는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 급속 기계학습 기반 회귀 모델에 따른 학습 절차를 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 수행 시스템의 구성 블럭도이다.
도 4는 일반적인 지형대조항법에 많이 사용되고 있는 선형 보간법에 따른 실험 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 급속 기계학습 기반 지표고 회귀 모델에 따른 실험 결과 그래프이다.
도 6은 일반적인 선형 보간법과 본 발명의 일실시예에 따른 급속 기계학습 기반 회귀 모델을 비교한 실험 결과이다.
도 7 내지 도 10은 도 6에 따른 BKF 기반 지형대조항법 및 이와 관성항법장치 항법 정보를 융합한 통합항법 성능을 비교한 실험 결과이다.
1 is a conceptual diagram showing the structure of the surface elevation regression module for generating a rapid machine learning-based ground elevation regression model according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a learning procedure according to the rapid machine learning based regression model shown in FIG. 1.
3 is a block diagram of a system for performing terrain control navigation using a rapid machine learning based ground elevation regression model according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph of experimental results according to the linear interpolation method which is widely used in general terrain control.
5 is a graph of experimental results according to the rapid machine learning-based ground elevation regression model according to an embodiment of the present invention.
6 is an experimental result comparing a general linear interpolation method and a regression model based on rapid machine learning according to an embodiment of the present invention.
7 to 10 are experimental results comparing the integrated navigation performance of the BKF-based terrain control navigation and inertial navigation system navigation information according to FIG.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. In describing each drawing, like reference numerals are used for like elements. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The term “and / or” includes any combination of a plurality of related items or any item of a plurality of related items.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and are not construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Should not.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for designing a terrain control navigation using a surface elevation regression model based on rapid machine learning and a computer readable storage medium storing the method will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

일반적으로 수치표고모델은 지형의 고도 값을 주어진 해상도 간격으로 저장함으로써 지형의 3차원 데이터를 나타내는 지도이다. 비연속적인 수치표고모델을 이용하여 원하는 위치에서의 지형 고도를 획득하기 위해서는 일반적으로 선형 보간법(bilinear interpolation)이 사용되어진다. 이는 다음 수학식과 같이 표현된다.In general, a digital elevation model is a map representing three-dimensional data of a terrain by storing the altitude value of the terrain at a given resolution interval. Bilinear interpolation is generally used to obtain terrain altitude at a desired location using a discontinuous numerical elevation model. This is expressed as the following equation.

Figure 112019025927076-pat00007
Figure 112019025927076-pat00007

여기서, f(x,y)는 원하는 위치(x,y)에서의 지형 고도이고, h(Q11), h(Q12),h(Q21) 및 h(Q22)는 각각 원하는 위치에서 가장 가까운 수치표고자료 데이터이며, Q는 수치표고자료 데이터의 입력 자료로 원하는 위치의 경도 및 위도 값이다.Where f (x, y) is the terrain altitude at the desired location (x, y), and h (Q 11 ), h (Q 12 ), h (Q 21 ) and h (Q 22 ) are each at the desired location Q is the closest numerical elevation data. Q is the longitude and latitude value of the desired position as input data of the numerical elevation data.

선형 보간법은 격자 간격으로 저장된 수치표고자료 데이터와 원하는 위치 사이의 선형적 거리에 반비례하는 가중치를 반영하여 원하는 지형 고도를 산출하는 방식이다. The linear interpolation method calculates the desired terrain altitude by reflecting the weight inversely proportional to the linear distance between the numerical elevation data stored at the grid interval and the desired position.

이러한 선형 보간법 기반으로 지형대조항법을 수행하기 위해서는 수치표고모델을 저장할 대용량 메모리가 필요하다. To perform terrain control based on this linear interpolation method, a large memory is needed to store the digital elevation model.

본 발명의 일실시예에서는 수치표고모델 데이터를 이용해 사전에 급속 기계 학습 기반 지표고 회귀 모델을 도출하고 이러한 급속 기계 학습 기반 지표고 회귀 모델로 지형대조항법을 수행하는 기법을 제안한다. An embodiment of the present invention proposes a technique for deriving a rapid machine learning-based surface elevation regression model using numerical elevation model data in advance and performing a terrain control method using such a rapid machine learning-based surface elevation regression model.

특히, 본 발명의 일실시예에서는 획기적인 메모리 공간의 절약, 지형대조항법 성능 개선 및 항법의 실시간성 보장을 고려하여 급속 기계 학습 기반 오터 인코더(Generalized ELM based Auto-encoder) 및 다층 방사 기저 함수 기반 인공신경망(Multi-layer Radial Basis Function based Artificial Neural Network)을 이용한 회귀 모델을 설계하고 이를 기반으로 지형대조항법을 수행하는 방법을 제안한다.Particularly, in one embodiment of the present invention, a generalized ELM based auto-encoder and a multi-layered radiated basis function are man-made in consideration of significant memory space savings, improved terrain control performance, and guarantee of real-time navigation. We design a regression model using a neural network (Multi-layer Radial Basis Function based Artificial Neural Network) and propose a method to perform terrain control.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 급속 기계학습 기반 지표고 회귀 모델을 생성하는 지표고 회귀 모듈(100)의 구조를 보여주는 개념도이다. 도 1을 설명하기에 앞서, 급속 기계 학습을 설명하면, 급속 기계 학습은 G.-B. Huang에 의해 처음 소개된 딥러닝 학습 기법으로, 꽤 우수한 성능과 역전파(Backpropagation) 학습 기법에 비해 빠른 학습 속도로 인해 다양한 분야에서 활용되고 있다.1 is a conceptual diagram showing the structure of the surface elevation regression module 100 for generating a rapid machine learning-based ground elevation regression model according to an embodiment of the present invention. Prior to explaining FIG. 1, when describing rapid machine learning, rapid machine learning is described in G.-B. First introduced by Huang, deep learning is widely used in various fields because of its superior performance and fast learning speed compared to backpropagation learning.

고전적인 급속 기계 학습은 단일 은닉층을 가진 앞먹임 방식의 인공 신경망이다. 은닉층의 입력 가중치(Weight) 및 단위 바이어스는 초기에 한 번 랜덤하게 설정한 후 더 이상 조정되지 않는다. 반면, 은닉층의 출력 가중치는 최소 자승법(least square method)에 의해 분석적으로 계산된다. Classic rapid machine learning is a front artificial artificial neural network with a single hidden layer. The input weight and unit bias of the hidden layer are initially set randomly once and are no longer adjusted. On the other hand, the output weight of the hidden layer is analytically calculated by the least square method.

이러한 고전적인 급속 기계 학습에 의해 설계된 인공 신경망은 구현하기 쉽고 학습 속도가 빠른 장점에 비해, 비선형성이 큰 시스템이나 빅 데이터를 처리해야하는 분야와 높은 정확도를 요구하는 분야에서는 적용할 수 없다. Artificial neural networks designed by the classical rapid machine learning are not applicable to the fields that need to process large data or big data and that require high accuracy, compared to the advantages of easy to implement and fast learning speed.

이러한 문제를 해결하기 위해, 도 1에서는 3개의 은닉층으로 구성된 변형된 급속 기계학습 개념을 보여준다. 도 1을 참조하면, 지표고 회귀 모델 모듈(100)은, 입력층(110), 제 1 은닉층(120-1), 제 2 은닉층(120-2), 제 3 은닉층(120-3), 출력층(150) 등을 포함하여 구성된다.To solve this problem, FIG. 1 shows a modified rapid machine learning concept consisting of three hidden layers. Referring to FIG. 1, the ground elevation regression model module 100 includes an input layer 110, a first hidden layer 120-1, a second hidden layer 120-2, a third hidden layer 120-3, and an output layer. 150 and the like.

입력층(110)은 학습 데이터 중위도/경도를 정규화한 값으로 이루어진 노드들(x1,x2)로 구성되며 다음 수식과 같다.The input layer 110 is composed of nodes (x 1 , x 2 ) composed of normalized learning data latitude / longitude, and is represented by the following equation.

Figure 112019025927076-pat00008
Figure 112019025927076-pat00008

Figure 112019025927076-pat00009
Figure 112019025927076-pat00009

여기서,

Figure 112019025927076-pat00010
은 m번째 학습 데이터의 위도값이며, λ(m)는 m번째 학습 데이터의 경도 값이다. M은 전체 샘플 개수이며, φ와 Λ는 각각 M개의 위도, 경도 학습 데이터 입력이다. 학습 데이터는 보유하고 있는 수치표고자료 데이터로부터 획득할 수 있다. 즉, 학습 데이터의 입력은 정규화된 위, 경도 값이며, 학습 참값은 정규화된 수치표고도 값이다.here,
Figure 112019025927076-pat00010
Is the latitude value of the m th training data, and λ (m) is the longitude value of the m th training data. M is the total number of samples, and φ and Λ are M latitude and longitude learning data inputs, respectively. The training data can be obtained from the numerical elevation data held. That is, the input of the training data is the normalized latitude and longitude values, and the learning true value is the normalized numerical elevation value.

은닉층들(120-1 내지 120-3)은 활성화 함수로 방사 기저 함수를 사용하는 노드(node)들로 구성되고 이는 다음 수식과 같다.The hidden layers 120-1 to 120-3 are composed of nodes that use a radiated basis function as an activation function.

Figure 112019025927076-pat00011
Figure 112019025927076-pat00011

여기서,

Figure 112019025927076-pat00012
는 번째 은닉 노드의 활성화 함수이며, αki와 βk는 k번째 은닉 노드에 할당된 방사 기저 함수의 평균과 분산 값이다. 또한,
Figure 112019025927076-pat00013
은 유클리드 거리(Euclidean distance)를 의미하며, K는 은닉층의 총 노드 수를 나타낸다. 각 은닉층 방사 기저 함수의 평균값 및 분산값은 k 평균 군집(K-mean clustering) 등의 비지도 학습을 통해 결정된다.here,
Figure 112019025927076-pat00012
Is the activation function of the th hidden node, and α ki and β k are the mean and variance of the radiated basis function assigned to the k th hidden node. Also,
Figure 112019025927076-pat00013
Is the Euclidean distance, and K is the total number of nodes in the hidden layer. The mean and variance of each hidden-layer radiative basis function are determined through unsupervised learning, such as k-mean clustering.

제 1 은닉층(120-1)은 급속 기계학습 기반 오터인코더이고, 제 2 및 제 3 은닉층(120-2,120-3)은 일반적인 급속 기계학습 기반 인공 신경망으로 구성된다. 급속 기계학습 기반 오터인코더는 비지도(Unsupervised) 학습법으로 출력 참값이 입력 값과 동일한 반면, 일반적인 급속 기계학습 기반 인공 신경망은 지도(Supervised) 학습법으로 출력 참값은 학습 데이터에 포함된 미리 설정되는 목표 값(target value)이 된다. 급속 기계 학습 기반 인공 신경망은 다층 방사 기저 함수 기반 인공신경망(Multi-layer Radial Basis Function based Artificial Neural Network)이 될 수 있다.The first hidden layer 120-1 is a rapid machine learning based otter encoder, and the second and third hidden layers 120-2 and 120-3 are formed of a general rapid machine learning based artificial neural network. Rapid machine learning based OTC encoder is unsupervised learning method, and output true value is same as input value, while general rapid machine learning based artificial neural network is supervised learning method, and output true value is a preset target value included in training data. (target value). Rapid machine learning based artificial neural network may be a multi-layer Radial Basis Function based Artificial Neural Network.

은닉층 노드들의 출력(H1)을 행렬로 나타내면 다음 수식과 같다.The output H 1 of the hidden layer nodes is expressed as a matrix as follows.

Figure 112019025927076-pat00014
Figure 112019025927076-pat00014

제 1 은닉층(121)의 출력 가중치 행렬을 C1이라고 가정할 때, 오터인코더의 출력이 입력과 동일하다는 특성을 고려하여 최소 자승법에 의해 출력 가중치 행렬(C1)은 다음 수식과 같이 계산될 수 있다.Assuming that the output weight matrix of the first hidden layer 121 is C 1 , the output weight matrix C 1 can be calculated by the least square method in consideration of the characteristic that the output of the Otter encoder is the same as the input. have.

Figure 112019025927076-pat00015
Figure 112019025927076-pat00015

여기서,

Figure 112019025927076-pat00016
는 무어-펜로즈 일반화된 역행렬(Moore-Penrose generalized inverse)이며, 이는 일반적으로 특이값 분해(Singular value composition)로 계산된다. λ는 과적합(Overfitting) 방지를 위한 리지 규정 파라미터(Ridge regulation parameter)이며, I는 항등 행렬(Identity matrix)이고, T는 전치행렬을 나타낸다. 또한,
Figure 112019025927076-pat00017
이며,
Figure 112019025927076-pat00018
이다. here,
Figure 112019025927076-pat00016
Is a Moore-Penrose generalized inverse, which is generally calculated by singular value composition. λ is a ridge regulation parameter for preventing overfitting, I is an identity matrix, and T is a transpose matrix. Also,
Figure 112019025927076-pat00017
Is,
Figure 112019025927076-pat00018
to be.

위 수식에 의해 학습된 제 1 은닉층(120-1)의 출력 가중치 행렬, C1을 통해 오터인코더 중개 벡터(130)는 다음 수식과 같이 계산된다.Through the output weight matrix C 1 of the first hidden layer 120-1 learned by the above equation, the OTC encoder mediation vector 130 is calculated as in the following equation.

Figure 112019025927076-pat00019
Figure 112019025927076-pat00019

이때,

Figure 112019025927076-pat00020
이며, 이는 제 2 은닉층(120-2)의 입력이 된다. 제 2 은닉층(120-2)의 방사 기저 함수는 위에서 기술한 바와 같이 활성화 함수로 방사 기저 함수를 사용하는 노드(node)들로 구성되고 이는 수식 4와 같이 동일한 방식으로 결정된다. At this time,
Figure 112019025927076-pat00020
This is an input of the second hidden layer 120-2. The radiation basis function of the second hidden layer 120-2 is composed of nodes that use the radiation basis function as an activation function as described above, and is determined in the same manner as in Equation 4.

제 2 은닉층(120-2)의 출력 가중치 행렬을 C2라 가정할 때, 일반화된 급속 기계학법은 다음 수식 에 의해 계산된다.Assuming that the output weight matrix of the second hidden layer 120-2 is C 2 , the generalized rapid mechanics method is calculated by the following equation.

Figure 112019025927076-pat00021
Figure 112019025927076-pat00021

이때, 학습 데이터중 목표값 행렬은

Figure 112019025927076-pat00022
와 같고, 행렬요소인 d(m)는 수치표고모델의 지형 고도를 정규화한 데이터이다. At this time, the target value matrix of the training data is
Figure 112019025927076-pat00022
The matrix element d (m) is the normalized terrain elevation of the digital elevation model.

위 수식을 통해 학습된 중개 벡터(140)는 다음 수식과 같이 계산된다.The mediation vector 140 learned through the above equation is calculated as follows.

Figure 112019025927076-pat00023
Figure 112019025927076-pat00023

이때,

Figure 112019025927076-pat00024
이며, 이는 제 3 은닉층(120-3)의 입력이 된다. 제 3 은닉층(120-3)의 방사 기저 함수는 위에서 기술한 바와 같이 활성화 함수로 방사 기저 함수를 사용하는 노드(node)들로 구성되고 이는 수식 4와 같이 동일한 방식으로 결정된다.At this time,
Figure 112019025927076-pat00024
This is the input of the third hidden layer 120-3. The radiation basis function of the third hidden layer 120-3 is composed of nodes that use the radiation basis function as an activation function as described above, and is determined in the same manner as in Equation 4.

출력층(150)은 위에 따른 지표고 회귀 모델(y)을 출력한다.

Figure 112019025927076-pat00025
는 제안한 방사기저 함수 기반 제 3은닉층 모델을 통해 산출되는 행렬이다. 획득된 학습 데이터로부터
Figure 112019025927076-pat00026
는 수학식 8의 행렬 연산에서
Figure 112019025927076-pat00027
대신
Figure 112019025927076-pat00028
로 변경하여 계산할 수 있다. 따라서 수학식 9에서
Figure 112019025927076-pat00029
Figure 112019025927076-pat00030
대신 산출된
Figure 112019025927076-pat00031
Figure 112019025927076-pat00032
의 행렬곱으로 출력층(y)이 계산된다(y).The output layer 150 outputs the surface elevation regression model y according to the above.
Figure 112019025927076-pat00025
Is a matrix calculated from the proposed radiative basis function based third hidden layer model. From the acquired training data
Figure 112019025927076-pat00026
In the matrix operation
Figure 112019025927076-pat00027
instead
Figure 112019025927076-pat00028
Can be changed to So in equation (9)
Figure 112019025927076-pat00029
Wow
Figure 112019025927076-pat00030
Calculated instead
Figure 112019025927076-pat00031
Wow
Figure 112019025927076-pat00032
The output layer y is calculated by the matrix product of (y).

도 1에 도시된 오터인코더 중개 벡터(130)와 중개 벡터(140)는 학습 방법을 설명하기 위한 벡터로, 실제 존재하는 은닉층이 아니다. 은닉층은 총 3개로 구성되어 있으며, 제 1 은닉층(120-1)은 수치표고모델 샘플 중 좀 더 험준한 지형에 있는 샘플에서 방사 기저 함수를 좀 더 많이 분포하도록 하는 역할을 수행한다. 제 2 은닉층(120-2)과 제 3 은닉층(120-3)은 지표고 회귀 모델의 학습 정확도를 높이는 역할을 수행한다.The auto-encoder mediation vector 130 and mediation vector 140 shown in FIG. 1 are vectors for explaining a learning method, and are not actual hidden layers. A total of three hidden layers are provided, and the first hidden layer 120-1 serves to distribute more radiation basis functions in samples of more severe terrain of the numerical elevation model samples. The second hidden layer 120-2 and the third hidden layer 120-3 play a role of improving the learning accuracy of the ground elevation regression model.

도 2는 도 1에 도시된 급속 기계학습 기반 회귀 모델에 따른 학습 절차를 보여주는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 학습 데이터 정규화를 수행한다(단계 S210). 즉, 입력층(110)이 학습 데이터 중 위도 및 경도값을 정규화한 값으로 이루어진 노드들로 구성된다. 이후, 은닉층들(120-1 내지 120-3)이 활성화 함수로 방사 기저 함수를 사용하는 노드(node)들로 구성되며, 제 1 은닉층(120-1)에서 k 평균 군집(K-mean clustering) 등의 비지도 학습을 통해 방사 기저 함수의 평균값 및 분산값을 결정한다(단계 S220). FIG. 2 is a flowchart illustrating a learning procedure according to the rapid machine learning based regression model shown in FIG. 1. Referring to FIG. 2, training data normalization is performed (step S210). In other words, the input layer 110 is composed of nodes composed of normalized latitude and longitude values of the training data. Afterwards, the hidden layers 120-1 to 120-3 are composed of nodes that use a radiation basis function as an activation function, and k-mean clustering in the first hidden layer 120-1. The average value and the variance value of the radiated basis function are determined through unsupervised learning such as (step S220).

이후, 오터인코더의 출력이 입력과 동일하다는 특성을 고려하여 최소 자승법에 의해 출력 가중치 행렬을 산출한다(단계 S230). 제 1 은닉층(120-1)의 출력은 제 2 은닉층(120-2)의 입력이 된다.Thereafter, the output weight matrix is calculated by the least square method in consideration of the characteristic that the output of the Otter encoder is the same as the input (step S230). An output of the first hidden layer 120-1 becomes an input of the second hidden layer 120-2.

이후, 제 2 은닉층(120-2)에서 급속 기계학습 기반 인용 신경망을 통해 방사 기저 함수의 평균값 및 분산값을 결정하고, 최소 자승법에 의해 출력 가중치 행렬을 산출한다(단계 S240,S250). 제 2 은닉층(120-2)의 출력은 제 3 은닉층(120-3)의 입력이 된다.Thereafter, in the second hidden layer 120-2, the average value and the variance of the radiated basis function are determined through the rapid machine learning based quoting neural network, and the output weighting matrix is calculated by the least square method (steps S240 and S250). An output of the second hidden layer 120-2 becomes an input of the third hidden layer 120-3.

이후, 제 3 은닉층(120-3)에서 급속 기계학습 기반 인공 신경망을 통해 방사 기저 함수의 평균값 및 분산값을 결정하고, 최소 자승법에 의해 출력 가중치 행렬을 산출한다(단계 S260,S270). Thereafter, in the third hidden layer 120-3, the average value and the variance of the radiated basis function are determined through the rapid machine learning based artificial neural network, and the output weighting matrix is calculated by the least square method (steps S260 and S270).

이렇게 학습 데이터를 이용하여 오프라인으로 학습을 하여 지표고 회귀 모델을 소프트웨어를 통해 구현하면, 별도의 수치표고 모델을 대용량 메모리에 탑재하지 않고도 지형대조항법을 수행할 수 있다.In this way, by training off-line using the training data and implementing the surface elevation regression model through software, it is possible to perform terrain control navigation without installing a separate numerical elevation model in a large memory.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 수행 시스템(300)의 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 도 1 및 도 2에 따라 학습이 수행되면 지표고 회귀 모델 모듈(100)에 의해 지표고 회귀 모델(y)이 생성된다.3 is a block diagram illustrating a system for performing a terrain control navigation system using a rapid machine learning-based ground elevation regression model according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, when learning is performed according to FIGS. 1 and 2, the ground elevation regression model y is generated by the ground elevation regression model module 100.

지형대조항법 수행 시스템(300)은 항법 정보를 생성하는 관성항법장치(301), 항체와 가장 가까운 지표까지의 상대거리 측정 정보를 생성하는 고도계(302), 및 기압 고도 측정 정보를 생성하는 기압 고도계(303), 항법 정보를 수신하는 지형대조항법 실행 모듈(310), 항법 정보, 고도 측정 정보, 및 기압 고도 측정 정보를 수신하는 통합항법 실행 모듈(320) 등을 포함하여 구성될 수 있다.The terrain control navigation system 300 includes an inertial navigation device 301 for generating navigation information, an altimeter 302 for generating relative distance measurement information to an indicator closest to an antibody, and a barometric altimeter for generating barometric pressure measurement information. 303, the terrain control navigation module 310 for receiving navigation information, the navigation information, altitude measurement information, and the integrated navigation execution module 320 for receiving the barometric altitude measurement information may be configured.

고도계(302)는 전파 고도계 혹은 간섭계 레이더 고도계 등이 사용될 수 있다. 통합항법 실행 모듈(320)은 지형대조항법과 관성항법장치 정보를 융합한 통합항법을 실행한다. 지형대조항법 수행을 위한 지형대조항법 필터(322)는 관성항법장치 항법 정보를 이용하여 제 2 시간 전파 수행 모듈(321)에 의해 시간전파를 수행한다. 고도계(302)의 측정 정보는 측정치 유효성 판단 모듈(325)에 의해 지형대조항법에 유효한지를 판단하고 유효하다고 판단될 경우에는 지형대조항법 필터(322)는 측정치 갱신 모듈(326)에 의해 측정치 갱신을 수행하고, 유효하지 않다고 판단될 경우에는 시간전파만이 수행된다. The altimeter 302 may use a radio altimeter or an interferometer radar altimeter. The integrated navigation execution module 320 executes integrated navigation combining the terrain control navigation and inertial navigation information. The terrain control navigation filter 322 for performing the terrain control navigation performs time propagation by the second time propagation performing module 321 using the inertial navigation device navigation information. The measurement information of the altimeter 302 is determined by the measurement validity determination module 325 as valid for the terrain control navigation, and when determined to be valid, the terrain control filter 322 updates the measurement value by the measurement update module 326. If it is determined that it is not valid, only time propagation is performed.

제 1 감산기(324-1)에 의해 산출되는 고도계(302)와 기압고도계(303)간 측정치 차이는 항체의 현 위치에서 측정된 지형 고도이며, 제 2 감산기(324-2)에 의해 산출되는 이와 급속 기계 학습 기반 지표고 회귀 모델(y)과의 차이는 지형대조항법 필터(322)의 측정치로 사용된다. 또한 측정치 갱신 모듈(326) 단에서 지형대조항법 필터(322)의 잔차 검증 등을 통해 지형 험준도 또는 유일성 등이 유효한지를 지형 유효성 판단 모듈(323)에서 판단하여 지형대조항법 실행 모듈(310)에 구성되는 측정치 갱신 모듈(313)의 측정치 갱신에 사용된다. 지형대조항법 실행 모듈(310) 또한 지형 유효성 판단 조건을 만족하지 못할 경우에는 통항항법 필터(312)에 의해 제 1 시간 전파 수행 모듈(311)이 시간 전파만 수행한다. 지형 유효성 판단 조건을 만족할 경우에는 측정치 갱신 모듈(326)의 출력인 위도, 경도 및 고도 추정치를 측정치로 이용하여 통합항법 필터 측정치 갱신 모듈(313)이 갱신을 수행한다.The difference in measurement between the altimeter 302 and the barometric altimeter 303 calculated by the first subtractor 324-1 is the terrain altitude measured at the current position of the antibody, and is calculated by the second subtractor 324-2. The difference from the rapid machine learning based ground elevation regression model y is used as a measure of the terrain control filter 322. In addition, the terrain validity determination module 323 determines whether the terrain roughness or uniqueness is valid through the residual verification of the terrain steering filter 322 in the measurement update module 326, and then passes the result to the terrain steering navigation execution module 310. It is used for the measurement update of the measurement update module 313 configured. When the terrain control execution module 310 does not satisfy the terrain validity determination condition, the first time propagation performing module 311 performs only time propagation by the navigation navigation filter 312. When the terrain validity determination condition is satisfied, the integrated navigation filter measurement update module 313 performs the update by using the latitude, longitude, and altitude estimates, which are outputs of the measurement update module 326, as measurement values.

도면 기재된 "…모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.The term “… module” described in the drawings refers to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented in software and / or hardware. In hardware implementations, application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processing (DSP), programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), processors, microprocessors, and the like are designed to perform the functions described above. It may be implemented in an electronic unit or a combination thereof. In the software implementation, the module may be implemented as a module that performs the above-described function. The software may be stored in a memory unit and executed by a processor. The memory unit or processor may employ various means well known to those skilled in the art.

도 4는 일반적인 지형대조항법에 많이 사용되고 있는 선형 보간법에 따른 실험 결과 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 급속 기계학습 기반 지표고 회귀 모델에 따른 실험 결과 그래프이다. Figure 4 is a graph of the experimental results according to the linear interpolation method that is widely used in the general terrain control method, Figure 5 is a graph of the experimental results according to the surface elevation regression model based on rapid machine learning according to an embodiment of the present invention.

도 4 및 도 5를 참조하면, 수치표고모델 중 DTED(Digital Terrain Elevation Data) 수준 3(해상도 10m)에서 영역의 5,391,738개(161MB)의 샘플 데이터를 이용한 본 발명이 제안한 급속 기계학습 기반 지표고 회귀 모델(510)과 현재 지형대조항법에 많이 사용되고 있는 선형 보간법(410)과의 모사 정확도를 비교한 결과이다. 4 and 5, the rapid machine learning-based ground elevation regression proposed by the present invention using 5,391,738 (161 MB) of sample data of an area at DTED (Digital Terrain Elevation Data) level 3 (resolution 10m) of the numerical elevation model. This is a result of comparing the simulation accuracy between the model 510 and the linear interpolation method 410 which is currently used in the terrain control.

이를 보면, 거의 동등 수준임을 확인할 수 있고 이는 급속 기계학습 기반 지표고 회귀 모델을 지형대조항법에 적용할 수 있음을 의미한다. 또한 급속 기계학습 기반 지표고 회귀 모델을 사용할 경우, 161MB를 저장할 메모리 대신 학습 모델 파라미터를 저장하기 위해 105KB 정도로 1/1533배의 메모리 공간 절약 효과를 기대할 수 있다. From this, we can see that they are almost equivalent, which means that the rapid machine learning based ground elevation regression model can be applied to the terrain control. In addition, when using the rapid machine learning-based surface elevation regression model, memory space savings of 1/1533 times can be expected to be 105 KB to store learning model parameters instead of 161 MB.

이 차이는 샘플 데이터가 클수록 더 크게 발생하며 지형대조항법 수행을 위한 항법컴퓨터 내 보유 메모리 공간 내에 학습된 회귀 모델 파라미터는 저장 가능하다. 반면, 선형 보간법 사용 시에는 별도의 대용량 공간이 필요하여 로딩을 위한 시간 지연이 발생할 수 있으므로 제안한 발명은 시간 지연 오차 및/또는 개발비 절약 효과 또한 기대할 수 있다.This difference is larger when the sample data is larger, and the regression model parameters learned in the reserved memory space of the navigation computer for terrain control can be stored. On the other hand, when linear interpolation is used, a large amount of space may be required, and thus a time delay for loading may occur. Therefore, the proposed invention may also expect a time delay error and / or a development cost saving effect.

도 6은 일반적인 선형 보간법과 본 발명의 일실시예에 따른 급속 기계학습 기반 회귀 모델을 비교한 실험 결과이다. 도 6을 참조하면, 제안한 발명을 BKF(Bank-of-Kalman Filter) 기반 지형대조항법 및 이와 관성항법장치 항법 정보를 융합한 통합항법 성능을 기존의 선형 보간법 기반 성능과 비교한 결과(610)이다.6 is an experimental result comparing a general linear interpolation method and a regression model based on rapid machine learning according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, the proposed invention compares the integrated navigation performance of the BKF (Bank-of-Kalman Filter) based terrain control and inertial navigation system navigation information with the existing linear interpolation based performance (610). .

도 7 내지 도 10은 도 6에 따른 BKF 기반 지형대조항법 및 이와 관성항법장치 항법 정보를 융합한 통합항법 성능을 비교한 실험 결과(710,810,910,1010)이다. 도 7 내지 도 10을 참조하면, 지형대조항법은 기존 방식 대비 제안한 방식이 2.514mCEP 정도 개선되며, 통합항법은 1.217mCEP 정도 개선되는 것을 확인할 수 있다. 선형 보간법과 본 발명의 학습 정확도는 동등 수준이나 이를 이용한 지형대조항법 및 통합항법이 성능 개선 효과를 보이는 이유는 선형 보간법의 경우 비선형성이 큰 험준 지역에서 수치표고모델 처리 오차가 크기 때문으로 사료된다. 이에 반해 본 발명에서 제안한 회귀 모들엔 오터인코더가 포함된 제 1 은닉층(도 1의 120-1)에 의해 험준한 지역은 더욱 정밀하게 모사하기 때문에 지형대조항법에 유효한 측정치에 대해 더욱 유리하게 작용하게 된다. 따라서 제안한 발명은 지형대조항법의 성능 개선 효과 또한 기대할 수 있다.7 to 10 are experimental results (710, 810, 910, 1010) comparing the integrated navigation performance of the BKF-based terrain control navigation and inertial navigation system navigation information according to FIG. Referring to FIGS. 7 to 10, it can be seen that the terrain control method improves the proposed method by about 2.514 mCEP and the integrated navigation method improves about 1.217 mCEP. The linear interpolation and the learning accuracy of the present invention are equal, but the reason why the terrain control and integrated navigation using the same improves the performance is due to the large numerical elevation model processing error in the rough area with large nonlinearity. . On the contrary, the rough area is more precisely simulated by the first hidden layer (120-1 in FIG. 1) that includes the otter encoder proposed in the present invention, so that it is more advantageous for the effective measurement for the terrain control navigation. . Therefore, the proposed invention can be expected to improve the performance of terrain control.

또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. In addition, the steps of a method or algorithm described in connection with the embodiments disclosed herein may be embodied in the form of program instructions that may be executed by various computer means such as a microprocessor, a processor, a central processing unit (CPU), or the like, for reading a computer It can be recorded on a possible medium. The computer readable medium may include program (instruction) code, data file, data structure, etc. alone or in combination.

상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다. The program (command) code recorded on the medium may be those specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, Blu-rays, etc., and ROMs and RAMs. Semiconductor memory devices specifically configured to store and execute program (command) code, such as RAM), flash memory, and the like.

여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Here, examples of program (instruction) code include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

100: 지표고 회귀 모델 모듈
110: 입력층
120-1 내지 120-3: 제 1 내지 제 3 은닉층
150: 출력층
300: 지형대조항법 수행 시스템
100: surface elevation regression model module
110: input layer
120-1 to 120-3: first to third hidden layers
150: output layer
300: terrain control navigation system

Claims (10)

(a) 지표고 회귀 모델 모듈(100)이 정규화 학습 데이터를 이용해 사전에 급속 기계 학습 기반 지표고 회귀 모델(y)을 도출하는 단계; 및
(b) 지형대조항법 수행 시스템(300)이 상기 급속 기계 학습 기반 지표고 회귀 모델(y)로 지형대조항법을 수행하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법.
(a) the surface elevation regression model module 100 deriving a rapid machine learning based ground elevation regression model y in advance using normalized training data; And
(b) performing a terrain steering navigation system using the rapid machine learning based ground elevation regression model (y);
Terrain control navigation design method using a rapid machine learning-based surface elevation regression model comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 지표고 회귀 모델 모듈(100)은,
상기 정규화 학습 데이터 중 위도값 및 경도값을 정규화한 값으로 이루어진 제 1 노드들(x1,x2)로 구성되는 입력층(110);
상기 제 1 노드들(x1,x2)을 기반으로 활성화 함수를 이용하는 제 2 노드들(121)로 구성되는 제 1 내지 제 3 은닉층(120-1,120-2,120-3); 및
상기 제 2 노드들(121)을 이용하여 산출되는 지표고 회귀 모델을 출력하는 출력층(150);을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법.
The method of claim 1,
The surface elevation regression model module 100,
An input layer (110) consisting of first nodes (x 1 , x 2 ) composed of normalized latitude and longitude values among the normalized learning data;
First to third hidden layers 120-1, 120-2, and 120-3 consisting of second nodes 121 using an activation function based on the first nodes (x 1 , x 2 ); And
Terrain control navigation design method using a rapid machine learning-based ground elevation regression model comprising a; output layer (150) for outputting the ground elevation regression model calculated using the second nodes (121).
제 2 항에 있어서,
상기 활성화 함수는 방사 기저 함수인 것을 특징으로 하는 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법.
The method of claim 2,
And wherein the activation function is a radial basis function.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 은닉층(120-1)은 급속 기계학습 기반 오터인코더이며, 상기 급속 기계학습 기반 오터인코더는 비지도(Unsupervised) 학습법으로 출력 참값이 입력 값과 동일한 것을 특징으로 하는 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법.
The method of claim 3, wherein
The first hidden layer 120-1 is a rapid machine learning based otter encoder, and the rapid machine learning based otter encoder is an unsupervised learning method, and the output true value is the same as the input value. Terrain control design method using regression model.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 노드들(x1,x2)은 수학식
Figure 112019025927076-pat00033
Figure 112019025927076-pat00034
(여기서,
Figure 112019025927076-pat00035
은 m번째 학습 데이터의 위도값이며, λ(m)는 m번째 학습 데이터의 경도 값이다. M은 전체 샘플 개수이며, φ와 Λ는 각각 M개의 위도, 경도 학습 데이터 입력이다)로 정의되는 것을 특징으로 하는 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법.
The method of claim 3, wherein
The first nodes (x1, x2) is the equation
Figure 112019025927076-pat00033
And
Figure 112019025927076-pat00034
(here,
Figure 112019025927076-pat00035
Is the latitude value of the m th training data, and λ (m) is the longitude value of the m th training data. M is the total number of samples, φ and Λ are the input of M latitude and longitude learning data, respectively).
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 노드들은,
수학식
Figure 112019025927076-pat00036
(여기서,
Figure 112019025927076-pat00037
는 번째 노드의 활성화 함수이며, αki와 β k는 k번째 노드에 할당된 방사 기저 함수의 평균값과 분산값이고,
Figure 112019025927076-pat00038
은 유클리드 거리(Euclidean distance)를 의미하며, K는 은닉층의 총 노드 수를 나타낸다)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법.
The method of claim 5,
The second nodes,
Equation
Figure 112019025927076-pat00036
(here,
Figure 112019025927076-pat00037
Is the activation function of the th node, α ki and β k are the mean and variance of the radiative basis function assigned to the k th node,
Figure 112019025927076-pat00038
Is a Euclidean distance, and K represents the total number of nodes in the hidden layer.
제 6 항에 있어서,
상기 방사 기저 함수의 평균값과 분산값은 k 평균 군집(K-mean clustering)을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법.
The method of claim 6,
The mean and variance values of the basis of the radiation basis are determined using k-mean clustering.
제 2항에 있어서,
상기 제 2 은닉층(120-2) 및 제 3 은닉층(120-3)은 급속 기계학습 기반 인공 신경망이며, 상기 급속 기계학습 기반 인공 신경망은 지도(Supervised) 학습법으로 출력 참값이 정규화 학습 데이터에 포함된 미리 설정되는 목표 값(target value)인 것을 특징으로 하는 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법.
The method of claim 2,
The second hidden layer 120-2 and the third hidden layer 120-3 are rapid machine learning based artificial neural networks, and the rapid machine learning based artificial neural networks are supervised learning methods, and output true values are included in normalized learning data. A method for terrain control navigation using a rapid machine learning-based surface elevation regression model, which is a predetermined target value.
제 1 항에 있어서,
상기 지형대조항법 수행 시스템(300)은 상기 급속 기계 학습 기반 지표고 회귀 모델(y)과 고도계(302)와 기압고도계(303)간 측정치 차이에 대한 차이값을 이용하여 지형 정보의 측정치를 갱신하는 것을 특징으로 하는 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법.
The method of claim 1,
The terrain control navigation system 300 updates the measurement information of the terrain information by using the rapid machine learning-based ground elevation regression model y and the difference value of the difference between the measured values between the altimeter 302 and the barometric altimeter 303. Terrain control method design using rapid machine learning based ground elevation regression model.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 급속 기계학습 기반 지표고 회귀모델을 활용한 지형대조항법 설계 방법을 실행하는 프로그램 코드를 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.A computer-readable storage medium storing program code for executing the method of terrain control navigation using the rapid machine learning based ground elevation regression model according to any one of claims 1 to 9.
KR1020190028905A 2019-03-13 2019-03-13 Design Method of the Terrain Referenced Navigation using Terrain Elevation Regression Model based Extreme Learning Machine and Computer readable storage medium having the same KR102058686B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190028905A KR102058686B1 (en) 2019-03-13 2019-03-13 Design Method of the Terrain Referenced Navigation using Terrain Elevation Regression Model based Extreme Learning Machine and Computer readable storage medium having the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190028905A KR102058686B1 (en) 2019-03-13 2019-03-13 Design Method of the Terrain Referenced Navigation using Terrain Elevation Regression Model based Extreme Learning Machine and Computer readable storage medium having the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102058686B1 true KR102058686B1 (en) 2019-12-23

Family

ID=69051902

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190028905A KR102058686B1 (en) 2019-03-13 2019-03-13 Design Method of the Terrain Referenced Navigation using Terrain Elevation Regression Model based Extreme Learning Machine and Computer readable storage medium having the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102058686B1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050060069A1 (en) 1997-10-22 2005-03-17 Breed David S. Method and system for controlling a vehicle

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050060069A1 (en) 1997-10-22 2005-03-17 Breed David S. Method and system for controlling a vehicle

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
이동진 外, 한국항공우주학회 학술발표회 초록집, 2008.11,1048_1051(4PAGES)
한경준 外, 한국항공우주학회 학술발표회 초록집, 2016.11, 279_280(2PAGES)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liang et al. A high-resolution Earth’s gravity field model SGG-UGM-2 from GOCE, GRACE, satellite altimetry, and EGM2008
CN107110650B (en) The method of estimation of controlled navigational state in terms of observability
Cummings et al. Variational data assimilation for the global ocean
Ryu et al. Navigation system heading and position accuracy improvement through GPS and INS data fusion
Masson et al. Component mode synthesis (CMS) based on an enriched Ritz approach for efficient structural optimization
BR112016011555B1 (en) METHOD AND SYSTEM TO DEFINE AND PREDICT AIRCRAFT TRAJECTORY
D'Amato et al. Retrospective‐cost‐based adaptive model refinement for the ionosphere and thermosphere
Tam et al. An adaptive Gaussian sum algorithm for radar tracking
CN101438184A (en) Method for tracking mobile electronic equipment state
JP6929488B2 (en) Model predictive control device, model predictive control program, model predictive control system and model predictive control method
El-Ashmawy Using direct linear transformation (DLT) method for aerial photogrammetry applications
CN116609776B (en) Star convex expansion target tracking method based on artificial potential field method in complex environment
CN113254873A (en) Satellite clock error forecasting method and system thereof
Jasim Using of machines learning in extraction of urban roads from DEM of LIDAR data: Case study at Baghdad expressways, Iraq
GB2399187A (en) Generating a multifidelity model of a system
Chen et al. A high speed method of SMTS
Salehipour et al. A higher order discontinuous Galerkin, global shallow water model: Global ocean tides and aquaplanet benchmarks
Liu et al. Conventional and neural network-based water vapor density model for GNSS troposphere tomography
Orguner et al. Risk-sensitive filtering for jump Markov linear systems
KR102058686B1 (en) Design Method of the Terrain Referenced Navigation using Terrain Elevation Regression Model based Extreme Learning Machine and Computer readable storage medium having the same
Hajiyev GNSS signals processing via linear and extended Kalman filters
Risaliti et al. A state-input estimation approach for force identification on an automotive suspension component
Chen et al. Underwater terrain positioning method using maximum a posteriori estimation and PCNN model
Holm et al. Data assimilation for ocean drift trajectories using massive ensembles and GPUs
Wu et al. Attitude estimation based on robust information cubature quaternion filter

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant