KR102119254B1 - 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 - Google Patents
연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 Download PDFInfo
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Abstract
연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법이 제공된다. 상기 통합 항법 설계 방법은, (a) 입력 모듈(120)이 항법 정보 획득 장치(110)로부터 다수의 항법 정보를 입력받는 단계, (b) 융합 모듈(130)이 상기 다수의 항법 정보를 연합형 필터 기반으로 융합하여 융합 항법 정보를 생성하는 단계, 및 (c) 모드 선택 모듈(140)이 상기 융합 항법 정보로부터 가용 가능한 항법 모드들 중 하나를 선택하여 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 다수의 항법 정보는 관성항법, 위성항법, 및 지형대조항법의 항법 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 항법 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 INS(Inertial Navigation System)/GNSS(Global Navigation Satellite System) 복합항법 및 INS/TRN(Terrain Referenced Navigation) 복합항법 필터를 지역필터로 하는 연합형 필터 기반의 통합항법 설계 기술을 구현하기 위해 그들의 정보를 융합한 통합 항법 설계 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 대한 것이다.
비행체의 안정성을 높이기 위해서는 높은 신뢰도의 항법 정보가 필요하다. 전통적으로 사용하는 관성항법시스템(INS: Inertial Navigation System)은 외부 도움 없이 연속적인 항법 정보를 제공해주는 장점이 있으나, 시간이 지남에 따라 자이로스코프 및/또는 가속도계 센서 오차 누적에 의해 항법 오차가 증가하는 단점이 있다.
이를 해결하기 위해, 지금까지 관성항법 시스템과 범지구위성항법 시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)을 통합한 설계가 널리 이용되고 있다. 그러나 위성항법은 외부 도움 없이 독립적으로 항법 해를 제공할 수 없으며, 재밍(Jamming) 등의 적대적 전파 방해에 취약한 단점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위해 지형대조항법(TRN: Terrain Referenced Navigation)에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 지형대조항법은 사전에 입력된 수치표고모델(DEM: Digital Elevation Model)과 고도계를 통해 측정된 고도를 비교하여 항체의 위치 정보를 추정하는 항법 기술로 전파 교란에 취약한 위성항법을 대신할 수 있는 핵심 기술 중 하나이다.
그러나 이러한 지형대조항법은 어느 정도 험준도와 유일성이 보장이 되는 지형에서는 우수한 성능을 보이나 평준하거나 반복적인 지형에서는 항법 오차가 커질 가능성이 높다. 따라서, 관성항법시스템, 위성항법 및 지형대조항법의 항법 정보들을 적절히 융합하는 기술은 항법 시스템의 정확도 및 신뢰도를 크게 개선시키기 위해 반드시 필요한 기술이다.
상기와 같은 관성항법시스템, 위성항법 및 지형대조항법의 항법 정보들을 적절히 융합하는 기술로 INS/GNSS 복합항법과 INS/TRN 복합항법 필터를 지역필터(Local Filter)로 하는 연합형 필터(Federated Filter) 기반 통합항법 설계 기법은 높은 신뢰도와 정확성이 요구되는 항법 시스템에 반드시 필요한 기술이다.
또한, 현재까지 관성항법시스템, 위성항법 및 지형대조항법을 적절히 융합하는 기술에 대한 공식적으로 발표된 연구 사례는 없다. 다만, 위성항법과 지형대조항법을 둘 다 사용할 수 있는 시스템은 존재하며, 그 시스템들에서는 우선순위를 위성항법에 두고 있다는 점에서 유추해보면 중앙집중형 필터(Centralized Filter) 기반 항법정보 융합 기술이 사용되고 있다고 판단된다.
통합항법을 수행하기 위해서는 항법정보 융합 필터 설계가 필요하며 측정치 정보를 처리하는 방식에 따라 중앙 집중형 및 연합형 필터로 나눌 수 있다. 중앙 집중형 필터는 하나의 필터에서 센서들의 측정치를 우선순위에 따라 사용하는 방법이다.
반면, 연합형 필터는 각 센서들의 측정치를 이용하는 지역필터들을 독립적으로 구성하고, 이들의 공분산에 비례하는 가중치를 부여하여 지역필터 추정치들을 융합하는 방식이다. 중앙 집중형 필터의 경우, 최적의 해를 구할 수 있는 장점이 있으나 차수가 커짐에 따라 계산량이 증가하고 센서 고장 시 성능이 저하될 수 있다.
또한, 하나의 필터에서 측정치들의 융합 방식을 설계하는 데는 많은 경험적 노하우가 필요하다. 반면, 연합형 필터의 경우, 필터링된 추정치 및 공분산만을 이용하므로 주 필터(Master Filter)로 전달되는 변수의 수가 줄어드는 장점이 있고, 고장 검출 및 분리가 용이하며 선택적 판단 로직 설계에 대한 부담을 덜 수 있다.
또한, 관성항법시스템의 항법정보를 지형대조항법 혹은 위성항법을 이용하여 보정하기 전 단계에서, 일반적인 관성항법시스템 고도축 항법 정보는 기압고도계를 이용한 3차 댐핑 루프(Damping Loop)를 거친다. 이는 순수항법(Pure Navigation)의 고도 오차가 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 증가하기 때문에 위성항법이나 지형대조항법이 불가한 환경에서도 안정적인 고도 출력을 얻기 위해서이다.
그러나, 기압고도계의 바이어스 및 고도에 따른 환산계수 오차는 기압, 온도 그리고 항체의 속도 변화 등에 영향을 받기 때문에 실시간 오차 추정 및 보상 기법이 필요하다. 위성항법을 이용한 되먹임(Feedback) 방식의 기압고도계 오차 보상 기법 관련하여 기술들이 널리 공지되어 있다.
1. 양준석, "Cortex-M3를 이용한 GPS/INS 융합 항법시스템 구현", 2016년, 충북대학교
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, INS/GNSS(Inertial Navigation System/Global Navigation Satellite System) 복합항법 필터 및/또는 INS/TRN(Terrain Referenced Navigation) 복합항법 필터를 지역필터로 하는 연합형 필터 기반의 통합 항법 설계 방법 및 이 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 위성항법이나 지형대조항법이 불가한 환경에서도 안정적으로 높은 항법 성능을 보이기 위한 관성항법시스템, 위성항법 및 지형대조항법의 정보융합 통합 항법 설계 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, INS/GNSS(Inertial Navigation System/Global Navigation Satellite System) 복합항법 필터 및/또는 INS/TRN(Terrain Referenced Navigation) 복합항법 필터를 지역필터로 하는 연합형 필터 기반의 통합 항법 설계 방법을 제공한다.
상기 통합 항법 설계 방법은,
(a) 입력 모듈이 항법 정보 획득 장치로부터 다수의 항법 정보를 입력받는 단계;
(b) 융합 모듈이 상기 다수의 항법 정보를 연합형 필터 기반으로 융합하여 융합 항법 정보를 생성하는 단계; 및
(c) 모드 선택 모듈이 상기 융합 항법 정보로부터 가용한 항법 모드들 중 하나를 선택하여 실행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 다수의 항법 정보는 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법의 항법 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연합형 필터는 지역 필터들과 주 필터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지역 필터들은 관성항법과 위성항법을 융합한 제 1 복합 항법 산출 모듈 및 관성항법과 지형대조항법을 융합한 제 2 복합 항법 산출 모듈이고, 상기 융합 항법 정보를 생성하는 통합 항법 산출 모듈인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 복합 항법 산출 모듈은 상기 항법 정보 획득 장치의 위성항법 시스템의 제 1 측정치가 갱신되지 않으면, 순수항법의 순수항법 산출 모듈 및 고도축 댐핑 루프의 제 1 출력값을 이용하여 시간 전파만 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위성항법 시스템의 수직축 정보를 이용하여 기압고도계의 오차 보상이 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 복합 항법 산출 모듈은 기압 고도계를 입력으로 하는 고도축 댐핑 루프의 제 2 출력값과 상기 항법 정보 획득 장치의 수치표고 모델 산출기의 수치표고 모델간 차이를 고도계의 제 2 측정치와 비교한 값을 제 3 측정치로 하는 지형대조항법 산출 모듈의 출력값이 유효하지 않으면, 순수항법 산출 모듈 및 고도축 댐핑 루프의 제 1 출력값을 이용하여 시간 전파만 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 복합 항법 산출 모듈 및 제 2 복합 항법 산출 모듈은 간접 앞먹임(Indirected Feedforward) 방식의 확장형 칼만필터(EKF: Extended Kalman Filter)로 설계되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 복합 항법 산출 모듈 및 제 2 복합 항법 산출 모듈은 18차 상태변수로 구성되며, 상기 18차 상태변수는 수학식 
(여기서, 
은 위도, 경도 및 고도 오차이며, 
은 ENU 좌표계 상의 속도 오차를 의미하고, 
은 가속도계 바이어스 오차이며, 
은 자이로스코프 바이어스 오차이고, 
은 롤, 피치 및 요각 오차이며, 
, 
와 
는 각각 기압고도계 고도 보상 제어 가속도 변화량, 바이어스 오차 및 환산계수 오차이고, 
, 
, 
는 동쪽, 북쪽 및 이에 직교하는 위쪽 방향 축을 나타내며, 이러한 18차 변수들을 행으로 가진 벡터를 
로 나타내고, 
은 위 18차 변수로 이루어진 행렬의 전치행렬(transposed matrix)을 의미한다)로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지역 필터들과 주 필터는 같은 주기로 갱신되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가용한 항법 모드들은 상기 위성항법 및 지형대조항법을 통합하여 실행하는 위성항법-지형대조항법 통합 모드, 상기 위성항법을 단독으로 실행하는 위성 항법 단독 모드, 상기 지형대조항법을 단독으로 실행하는 지형대조항법 단독 모드, 및 상기 관성항법을 단독으로 실행하는 관성항법 단독 모드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위성항법-지형대조항법 통합 모드는 상기 위성항법 및 지형대조항법이 모두 가용이면 선택되고, 상기 위성 항법 단독 모드는 상기 위성항법이 가용이고 상기 지형대조항법이 비가용이면 선택되고, 상기 지형대조항법 단독 모드는 상기 위성항법이 비가용이고 상기 지형대조항법이 가용이면 선택되고, 상기 관성항법 단독 모드는 기 위성항법 및 지형대조항법이 모두 비가용이면 선택되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위성항법 비가용 및 지형대조항법 비가용의 판단은 상기 항법 정보 획득 장치의 위성항법 시스템의 제 1 측정치에 대한 비갱신이 미리 설정되는 횟수로 연속적 반복으로 발생되는 것을 미리 설정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 위에서 기술된 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법을 실행하는 프로그램 코드를 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 제공한다.
본 발명에 따르면, INS/GNSS(Inertial Navigation System/Global Navigation Satellite System) 복합항법 필터 및/또는 INS/TRN(Terrain Referenced Navigation) 복합항법 필터를 지역필터로 하는 연합형 필터 기반의 통합 항법 설계가 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 위성항법이나 지형대조항법이 불가한 환경에서도 안정적으로 높은 항법 성능이 구현된다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 시스템의 구성 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 통합 항법 시스템의 일부 세부 구성 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합하여 통합 항법을 구현하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 오차 보상을 고려하지 않을 경우의 INS/GNSS(Inertial Navigation System/Global Navigation Satellite System) 복합항법의 고도 오차를 보여주는 실험 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 오차 보상을 적용한 INS/GNSS 복합항법의 고도 오차를 보여주는 실험 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수평위치 오차 및 고도 오차를 보여주는 표이다.
도 7은 도 6에 따른 수평 방향 RMS(Root Means Square) 오차를 도식화한 실험 결과 그래프이다.
도 8은 도 6에 따른 고도 방향의 RMS 오차를 도식화한 실험 결과 그래프이다.
도 2는 도 1에 도시된 통합 항법 시스템의 일부 세부 구성 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합하여 통합 항법을 구현하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 오차 보상을 고려하지 않을 경우의 INS/GNSS(Inertial Navigation System/Global Navigation Satellite System) 복합항법의 고도 오차를 보여주는 실험 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 오차 보상을 적용한 INS/GNSS 복합항법의 고도 오차를 보여주는 실험 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수평위치 오차 및 고도 오차를 보여주는 표이다.
도 7은 도 6에 따른 수평 방향 RMS(Root Means Square) 오차를 도식화한 실험 결과 그래프이다.
도 8은 도 6에 따른 고도 방향의 RMS 오차를 도식화한 실험 결과 그래프이다.
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.
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.
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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
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.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 시스템(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 통합 항법 시스템(100)은, 항법 정보를 획득하는 항법 정보 획득 장치(110), 여러 항법 정보를 입력받는 입력 모듈(120), 여러 항법 정보들을 융합하여 융합 항법 정보를 생성하는 융합 모듈(130), 융합 항법 정보로부터 가용한 항법 모드들 중 하나를 선택하여 실행하는 모드 선택 모듈(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
항법 정보 획득 장치(110)는 기압 고도계(111), 수치표고모델 산출기(112), 고도계(113), 위성항법시스템(114) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
기압 고도계(111)는 기압 고도 측정 정보를 생성하는 기능을 수행한다.
수치표고 모델 산출기(112)는 수치표고 모델(DEM: Digital Elevation Model)을 생성하는 기능을 수행한다. 수치표고 모델이란, 지형의 고도값을 수치로 저장함으로써 지형의 형상을 나타내는 자료이다. 수치표고 모델은 자료 자체로서 경사도, 경사방향, 지형분석 등이 가능하다. 이러한, 수치표고 모델이 만들어지고 저장되는 방식은 크게 네 가지로 구분할 수 있다. 일정크기의 격자로서 저장되는 격자방식의 DEM, 높이가 같은 지점을 연속적으로 연결하여 만든 등고선에 의한 방식, 단층에 의한 프로파일 방식, 그리고 불규칙한 삼각형에 의한 TIN(Triangular Irregular Network)방식 등이 있다.
따라서 수치표고 모델 산출기(112)는 이러한 수치표고 모델을 산출하는 소프트웨어, 프로그램 등이 설치되는 컴퓨터 등이 될 수 있다. 물론, 수치표고 모델을 이동식 저장 매체에 저장하여 제공하거나 네트워크상에 연결되어 온라인상으로 제공하는 것도 가능하다.
고도계(111)는 항체(미도시)와 가장 가까운 지표까지의 상대거리 측정 정보를 생성하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 고도계(111)는 전파 고도계 혹은 간섭계 레이더 고도계 등이 사용될 수 있다.
위성항법 시스템(114)은 인공위성(미도시)을 이용해 위치를 결정할 수 있게 하는 체계이며, 인공위성을 통해 수신자의 위치, 주변 지도 등의 정보를 전송받아 위성항법 정보를 제공하는 기능을 수행한다.
입력 모듈(120)은 항법 정보 획득 장치(110)로부터 항법 정보 등을 수신하는 기능을 수행한다. 수신은 유선 통신 및/또는 무선 통신을 통해 이루어지며, 이를 위해 통신 회로와 연결될 수 있다.
융합 모듈(130)은 항법 정보를 융합하여 융합 항법 정보를 생성하는 기능을 수행한다.
모드 선택 모듈(140)은 융합 항법 정보로부터 가용 가능한 항법 모드들 중 하나를 선택하여 실행하는 기능을 수행한다.
도 2는 도 1에 도시된 통합 항법 시스템(100)의 일부 세부 구성 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 통합 항법 산출 모듈(280)은 관성항법, 위성항법, 및 지형대조항법(INS(Inertial Navigation System)/GNSS(Global Navigation Satellite System)/TRN(Terrain Referenced Navigation))을 통합하여 융합 정보를 생성한다. 특히, 통합 항법 산출 모듈(280)은 관성항법과 위성항법(INS/GNSS)을 융합한 제 1 복합 항법 산출 모듈(260-1) 및 관성항법과 지형대조항법(INS/TRN)을 융합한 제 2 복합 항법 산출 모듈(260-2)을 지역 필터들로 한 연합형 필터 기반 구조를 갖는다.
연합형 필터는 지역 필터(Local filter)들과 주 필터(Master filter)로 구성되며, 각각의 지역 필터들의 추정치를 융합하여 최적의 주 필터 추정치를 획득하는 구조로 되어 있다. 이러한 구조는 지역 필터들이 독립적으로 구성되어 상호 간 오차 오염을 방지할 수 있고 서로의 상호 공분산을 계산할 필요가 없어 계산량이 감소된다.
지역 필터들과 주 필터인 INS/GNSS/TRN 통합항법(1100) 필터는 같은 주기로 갱신된다.
순수항법 산출 모듈(230)의 경우 고도축 오차는 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 증가한다. 순수항법은 관성항법장치(INS: Inertial Navigation System)를 구성하는 자이로스코프에서 자세 정보를, 가속도계를 이용하여 속도 및 위치 정보를 산출하는 방식의 항법 알고리즘이다. 따라서, 장시간 위성항법이 불가하거나 지형대조항법이 불가할 경우 INS/GNSS의 제 1 복합항법과 INS/TRN의 제 2 복합항법의 성능을 저하시킨다.
이를 해결하기 위해, 셀렉터(240)는 기압고도계(111)의 측정치를 입력으로 하는 고도축 댐핑 루프(210)의 측정치로 순수항법 산출 모듈(230)의 고도축 출력을 대체한다.
관성항법-위성항법으로 이루어진 제 1 복합항법의 경우, 1Hz마다 범지구 위성항법 시스템(114)의 측정치가 갱신되므로 측정치가 갱신되지 않는 시간에는 제 1 복합항법 산출 모듈(260-1)이 지역필터로서 순수항법 산출 모듈(230) 및 고도축 댐핑 루프(210)의 출력값을 이용하여 시간 전파(time propagation)만 수행되도록 설계한다.
지형대조항법 산출 모듈(250)은 기압 고도계(111)를 입력으로 하는 고도축 댐핑 루프(210)의 출력값과 수치표고 모델 산출기(112)의 수치표고 모델간 차이를 고도계(113)의 측정치와 비교한 값을 측정치로 한다. 이를 위해 제 1 감산기(221) 및 제 감산기(222)가 구성된다.
이러한 지형대조항법 산출 모듈(250)의 수행 결과는 제 2 복합항법 산출 모듈(260-2)의 측정치로 사용된다. 따라서, 제 2 복합항법 산출 모듈(260-2)은 지형대조항법 산출 모듈(250)의 출력값이 유효하지 않을 경우에는 순수항법 산출 모듈(230) 및 고도축 댐핑 루프(210)의 출력값을 이용하여 시간 전파만 수행되도록 설계한다.
범지구 위성항법 시스템(114)의 항법 정보는 제 1 복합항법 산출 모듈(260-1)의 측정치로 사용되고, 기압고도계 오차 보상 모듈(270)이 범지구 위성항법 시스템(114)의 수직축 정보를 이용하여 오차 보상을 수행하다.
부연하면, 지형대조항법에서 사용되는 필터는 별도로 고도 바이어스를 보상하도록 설계되어 있어, INS/TRN 복합항법 설계에서 기압고도계의 오차 보상을 수행하면 안 된다. 또한, 기존의 기압고도계 오차 보상 종래기술들은 되먹임 방식(Feedback)으로 구현되어 있지만, 복합항법 필터를 되먹임 방식으로 설계할 경우 지형 험준도 등에 의해 INS/TRN 복합항법이 부분적으로 성능이 저하될 수 있는 한계가 존재한다.
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법의 정보 융합 기술의 고 성능을 위해 지역필터인 제 1 복합 항법 산출 모듈(260-1) 및/또는 제 2 복합 항법 산출 모듈(260-2)은 간접 앞먹임(Indirected Feedforward) 방식의 확장형 칼만필터(EKF: Extended Kalman Filter)로 설계된다. 한편, 기압고도계의 오차 보상은 INS/GNSS 복합항법을 산출하는 제 1 복합 항법 산출 모듈(260-1)에서만 수행되도록 분리 설계된다.
도면에 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.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합하여 통합 항법을 구현하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
특히, 도 3은 제 1 복합 항법 산출 모듈(260-1) 및 제 2 복합 항법 산출 모듈(260-2)을 각각 지역 필터들로 하는 통합 항법 산출 모듈(280)에서 실행되는 알고리즘 흐름도이다.
위성항법 및 지형대조항법이 모두 가용하다고 판단될 경우, 주필터인 통합 항법 산출 모듈(280)은 위성항법 및 지형대조항법 통합 모드로 진입하며 다음 수식 과 같이 갱신된다(단계 S310,S320).
여기서, 
와 
은 각각 주 필터 상태변수 및 추정치 공분산이고, 지역 필터들의 상태변수 및 추정치 공분산은 각각 
, 
와 
, 
이고, k는 자연수이다.
단계 S310에서, 위성항법만 가용하다고 판단될 경우 주필터인 통합 항법 산출 모듈(280)은 위성항법 단독 모드로 진입하여 다음 수식과 같이 갱신된다(단계 S330,S331).
단계 S330에서, 지형대조항법만 가용하다고 판단될 경우 주 필터인 통합 항법 산출 모듈(280)은 지형대조항법 단독 모드로 진입하여 다음 수식과 같이 갱신된다(단계 S340,S341).
단계 S340에서, 위성항법 및 지형대조항법이 모두 비 가용하다고 판단될 경우 주 필터인 통합 항법 산출 모듈(280)은 관성항법 모드로 진입하여 다음 수식과 같이 갱신된다(단계 S340,S342).
여기서, 주 필터의 프로세스 잡음 공분산은 
이라 하며, 시스템 행렬과 필터 갱신 주기를 각각 
및 
라 한다.
연합형 필터를 구성하는 주 필터 및 지역필터들의 상태변수는 18차로 위, 경, 고도 오차, 속도 오차, 자세 오차, 가속도계 바이어스 오차, 자이로스코프 바이어스 오차, 기압고도계 보상 루프 제어 가속도, 기압고도계 바이어스 오차 및 환산계수 오차로 구성된다.
일반적인 연합형 필터의 경우 수식1 및 2와 같이 지역필터들의 추정치 공분산에 따라 가중치를 부여한 지역필터 추정치들의 융합으로 주 필터의 추정치를 결정하도록 되어 있다.
그러나 본 발명의 일실시예에서는 이를 기본으로 하되, 위성항법 비가용 및 지형대조항법 비가용 환경에 대한 예외처리를 추가한다. 비가용 판단 로직으로 본 발명의 일실시예에서는 GNSS 측정치 비갱신이 수 십 차례 연속적으로 반복되거나 위치 정도 저하율(Position Dilution of Precision) 조건이 나쁜 상태가 수 백 차례 연속적으로 발생할 경우로 설정한다. 또한 사용자의 수기 동작 명령에 의해서도 모드 변환이 가능하다. 지형대조항법 비가용 판단 로직도 측정치가 갱신되지 않거나 측정치 유효성이 나쁜 상태가 장시간 지속될 경우, 수기 동작 명령에 의해 모드 변환이 가능하다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 지형대조항법의 성능 개선을 위해, 지역 필터인 지형대조항법 산출 모듈(250)의 시간 전파에 순수항법 산출 모듈(230)에서 출력되는 항법해를 이용하여 위치 증분값을 만들어 입력하는 방법 대신 순수항법 산출 모듈(230)에서 출력되는 위치 증분값(
)과 통합항법 산출 모듈(280) 필터에서 출력되는 속도 증분값(
)을 이용하여 다음 수식과 같이 새로운 위치 증분값(△pnew)을 사용할 수 있다.
본 별명의 일실시예는 순수항법 산출 모듈(230)로부터 출력되는 위치 증분값을 바로 사용하는 경우에 비해 지형대조항법 산출 모듈(250)의 성능이 크게 개선되며, 통합항법 산출 모듈(280) 필터의 위치 증분값을 사용하는 경우에 비해 지형대조항법의 초기 수렴 특성이 우수한 장점이 있다.
한편, 본 발명의 다른 일실시예의 경우, 기압고도계 오차 보상을 고려한 확장형 칼만필터 기반 지역필터 설계 기법을 적용할 수 있다.
본 발명의 지역 필터들은 다음 수식과 같이 18차 상태변수로 구성한다.
여기서, 
은 위도, 경도 및 고도 오차이며, 
은 ENU(East North Up) 좌표계 상의 속도 오차를 의미한다. 또한 
은 가속도계 바이어스 오차이며, 
은 자이로스코프 바이어스 오차이다. 
은 롤, 피치 및 요각 오차이며, 
, 
와 
는 각각 기압고도계 고도 보상 제어 가속도 변화량, 바이어스 오차 및 환산계수 오차이다. 또한, x,y,z는 가로축, 세로축, 높이축을 나타내며, 
, 
, 
는 동쪽, 북쪽 및 이에 직교하는 위쪽 방향 축을 나타내며, 이러한 18차 변수들을 행으로 가진 벡터를 
로 나타낸다. 
은 위 18차 변수로 이루어진 행렬의 전치행렬(transposed matrix)을 의미한다.
상태변수 구성은 두 지역 필터들과 주 필터가 동일하나, 기압고도계 고도 바이어스 및 환산계수 오차의 보상은 제 1 복합항법 산출 모듈(260-1)에 해당되는 지역필터에만 수행되도록 구성한다. 이는 지형대조항법 산출 모듈(250)에서 고도 바이어스 오차를 추정 및 보상하고 있기 때문에, 이 결과를 측정치로 사용하는 복합항법 산출 모듈(280)에서 기압고도계 오차 보상을 수행할 필요가 없다.
한편, 기압고도계 오차는 1차 마코프 과정(Markov process) 혹은 랜덤 상수로 모델링되는 바이어스 오차, 랜덤 상수 형태의 환산계수 오차 그리고 백색 가우시안 잡음 등을 포함한다. 고도축 댐핑 루프(210)를 적용한 시스템에 선형 섭동(perturbation) 기법을 적용하면 다음 수식과 같은 수직축 오차 모델이 유도된다.
여기서, '은 미분이고, 
은 기압고도계 백색잡음이고, b는 바이어스를, 
는 환산계수를 의미한다. 또한, 댐핑 루프 특성 방정식 수학식 11, 12 및 13에서 1차 게인 및 바이어스를 각각, 
, 
그리고 
이라고 하면 다음과 같이 계산된다.
여기서, 
은 시스템 시정수이고, 
은 슐러 주기(Sculler frequency)이다. 위 수식에서 가속도계 오차로 바이어스 오차만 고려한다는 가정 아래, 수직축 가속도계 오차인 
은 수학식 9의 
로 간주한다. 
은 필터 갱신 주기이며, 
은 기압고도계 백색잡음이다.
위의 기압고도계 바이어스 및 환산계수 오차 추정 및/또는 보정은 제 1 복합항법 산출 모듈(260-1)에서만 적용된다. 지역필터는 확장형 칼만필터 기반으로 설계하고 프로세스 잡음 공분산 중 고도 잡음 공분산 항(
), 수직축 속도 잡음 공분산 항(
)및 오차 보상 제어 가속도 잡음 공분산 항(
)는 다음 수식과 같다.
여기서, 
은 기압고도계 측정치 백색잡음이며, 
는 수직축 가속도계 백색잡음이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 오차 보상을 고려하지 않을 경우의 INS/GNSS(Inertial Navigation System/Global Navigation Satellite System) 복합항법의 고도 오차를 보여주는 실험 결과 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 오차 보상을 적용한 INS/GNSS 복합항법의 고도 오차를 보여주는 실험 결과 그래프이다. 도 4 및 5를 참조하면, 제안한 18차 간접 앞먹임 방식의 확장형 칼만필터 기반 INS/GNSS 복합항법 설계 검증을 위해 덕유산 인근에서 차량탑재시험 수행한 실험 결과이다.
도 4를 참조하면, 고도축 댐핑 루프(210)를 거친 기압고도계(111)의 고도 오차, 기압고도계 오차 보상을 고려하지 않을 경우의 INS/GNSS의 복합항법의 고도오차 그래프(430) 및 오차 보상을 적용한 INS/GNSS 복합항법의 고도 오차 그래프(420), 및 고도축 댐핑 루프 출력 그래프(410)가 함께 도식된 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 고도축 댐핑 루프(210)를 거친 기압고도계 오차는 14.43m PE(Probable error)이며, 오차 보상을 고려하지 않은 INS/GNSS복합항법 고도 오차는 10.79m PE이다. 이에 반해, 제안한 오차보상을 적용한 INS/GNSS 복합항법 고도 오차는 1.86m PE로 성능이 크게 개선됨을 확인할 수 있다. PE은 평균을 중심으로 일차원 데이터 분포의 50%가 경계 내에 포함될 확률 오차를 의미한다.
또한, 도 5를 참조하면, 오차 보상을 적용할 경우의 INS/GNSS 복합항법 수평축 위치 오차를 도식화한 것이다. 즉, 동-서 방향 INS/GNSS 복합항법 수평축 위치 오차 그래프(510) 및 남-북 방향 INS/GNSS 복합항법 수평축 위치 오차 그래프(520)가 함께 도식된 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, INS/GNSS 복합항법의 수평축 위치 오차 또한 안정적인 성능을 보임을 확인할 수 있다. 이러한 INS/GNSS 복합항법의 차량탑재시험 결과를 통해 제안한 지역필터 설계를 검증하였다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수평위치 오차 및 고도 오차를 보여주는 표이다. 도 6을 참조하면, INS/TRN 복합 항법, INS/GNSS 복합 항법, 및 INS/GNSS/TRN 통합 항법 별로 수평위치 오차 및 고도 위치를 도시한 것이다.
도 7은 도 6에 따른 수평 방향 RMS(Root Means Square) 오차를 도식화한 실험 결과 그래프이고, 도 8은 도 6에 따른 고도 방향의 RMS 오차를 도식화한 실험 결과 그래프이다. 도 7 및 도 8을 참조하면, INS/GNSS/TRN 통합항법 설계 검증을 위해, 고도계, 순수항법을 위한 관성항법시스템, 범지구 위성항법 시스템을 위한 GNSS 안테나, 기압 고도계, 수치표고모델 산출기를 탑재하여 항공기 탑재시험을 수행한 결과이다.
도식한 그림은 전 비행 궤적 중 지형대조항법과 위성항법이 모두 가용한 경우의 INS/GNSS/TRN 통합 모드 구간의 결과이다. 특히, 도 7은 수평 방향 RMS 오차를 도식화한 것이다. 도 8은 고도 방향의 RMS 오차를 도식화한 것이다. 또한 표는 INS/GNSS 복합항법, INS/TRN 복합항법 및 INS/GNSS/TRN 통합항법 결과를 정리한 것이다.
특히, 수평 방향과 고도 방향의 RMS 오차와 그 항법 결과를 정리한 것으로, 이를 통해 연합형 필터 기반 INS/GNSS/TRN 통합항법이 정상적으로 동작함을 확인할 수 있다.
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.
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.
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.
100: 통합 항법 시스템
110: 항법 정보 획득 장치
111: 기압 고도계 112: 수치표고모델 산출기
113: 고도계 114: 위상 항법 시스템
120: 입력 모듈
130: 융합 모듈
140: 모드 선택 모듈
110: 항법 정보 획득 장치
111: 기압 고도계 112: 수치표고모델 산출기
113: 고도계 114: 위상 항법 시스템
120: 입력 모듈
130: 융합 모듈
140: 모드 선택 모듈
Claims (13)
- (a) 입력 모듈(120)이 항법 정보 획득 장치(110)로부터 다수의 항법 정보를 입력받는 단계;
(b) 융합 모듈(130)이 상기 다수의 항법 정보를 연합형 필터 기반으로 융합하여 융합 항법 정보를 생성하는 단계; 및
(c) 모드 선택 모듈(140)이 상기 융합 항법 정보로부터 가용 가능한 항법 모드들 중 하나를 선택하여 실행하는 단계;를 포함하며,
상기 다수의 항법 정보는 관성항법, 위성항법, 및 지형대조항법의 항법 정보를 포함하고,
상기 연합형 필터는 지역 필터들과 주 필터로 이루어지고,
상기 지역 필터들은 관성항법과 위성항법을 융합한 제 1 복합 항법 산출 모듈(260-1) 및 관성항법과 지형대조항법을 융합한 제 2 복합 항법 산출 모듈(260-2)이고, 상기 융합 항법 정보를 생성하는 통합 항법 산출 모듈(280)이고,
상기 제 1 복합 항법 산출 모듈(260-1)은 상기 항법 정보 획득 장치(110)의 위성항법 시스템(114)의 제 1 측정치가 갱신되지 않으면, 순수항법의 순수항법 산출 모듈(230) 및 고도축 댐핑 루프(210)의 제 1 출력값을 이용하여 시간 전파만 수행하는 것을 특징으로 하는 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 위성항법 시스템(114)의 수직축 정보를 이용하여 기압고도계(111)의 오차 보상이 수행되는 것을 특징으로 하는 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 복합 항법 산출 모듈(260-2)은 기압 고도계(111)를 입력으로 하는 고도축 댐핑 루프(210)의 제 2 출력값과 상기 항법 정보 획득 장치(110)의 수치표고 모델 산출기(112)의 수치표고 모델간 차이를 고도계(113)의 제 2 측정치와 비교한 값을 제 3 측정치로 하는 지형대조항법 산출 모듈(250)의 출력값이 유효하지 않으면, 순수항법 산출 모듈(230) 및 고도축 댐핑 루프(210)의 제 1 출력값을 이용하여 시간 전파만 수행하는 것을 특징으로 하는 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 복합 항법 산출 모듈(260-1) 및 제 2 복합 항법 산출 모듈(260-2)은 간접 앞먹임(Indirected Feedforward) 방식의 확장형 칼만필터(EKF: Extended Kalman Filter)로 설계되는 것을 특징으로 하는 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 복합 항법 산출 모듈(260-1) 및 제 2 복합 항법 산출 모듈(260-2)은 18차 상태변수로 구성되며, 상기 18차 상태변수는 수학식(여기서,
은 위도, 경도 및 고도 오차이며,
은 ENU 좌표계 상의 속도 오차를 의미하고,
은 가속도계 바이어스 오차이며,
은 자이로스코프 바이어스 오차이고,
은 롤, 피치 및 요각 오차이며,
,
와
는 각각 기압고도계 고도 보상 제어 가속도 변화량, 바이어스 오차 및 환산계수 오차이고, x,y,z는 가로축, 세로축, 높이축을 나타내며,
,
,
는 동쪽, 북쪽 및 이에 직교하는 위쪽 방향 축을 나타내며, 이러한 18차 변수들을 행으로 가진 벡터를
로 나타내고,
은 위 18차 변수로 이루어진 행렬의 전치행렬(transposed matrix)을 의미한다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 지역 필터들과 주 필터는 같은 주기로 갱신되는 것을 특징으로 하는 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 가용 가능한 항법 모드들은 상기 위성항법 및 지형대조항법을 통합하여 실행하는 위성항법-지형대조항법 통합 모드, 상기 위성항법을 단독으로 실행하는 위성 항법 단독 모드, 상기 지형대조항법을 단독으로 실행하는 지형대조항법 단독 모드, 및 상기 관성항법을 단독으로 실행하는 관성항법 단독 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 위성항법-지형대조항법 통합 모드는 상기 위성항법 및 지형대조항법이 모두 가용이면 선택되고, 상기 위성 항법 단독 모드는 상기 위성항법이 가용이고 상기 지형대조항법이 비가용이면 선택되고, 상기 지형대조항법 단독 모드는 상기 위성항법이 비가용이고 상기 지형대조항법이 가용이면 선택되고, 상기 관성항법 단독 모드는 기 위성항법 및 지형대조항법이 모두 비가용이면 선택되는 것을 특징으로 하는 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 위성항법 비가용 및 지형대조항법 비가용의 판단은 상기 항법 정보 획득 장치(110)의 위성항법 시스템(114)의 제 1 측정치에 대한 비갱신이 미리 설정되는 횟수로 연속적 반복으로 발생되는 것을 미리 설정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법.
- 제 1 항 및 제 5 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법을 실행하는 프로그램 코드를 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
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