KR102302865B1 - 다중 imu 및 gnss의 융합항법시스템을 위한 imu 센서 고장 검출 방법 및 장치 - Google Patents

다중 imu 및 gnss의 융합항법시스템을 위한 imu 센서 고장 검출 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 IMU(Inertial Measurement Unit) 및 GNSS(Global Navigation Satellite System)의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분권화된(decentralized) 칼만필터를 기반으로 하고 다중 IMU 센서 및 GNSS 센서가 융합된 항법시스템에서, 각각의 IMU 센서로 이루어진 각 서브필터의 고장검출 검정통계량들 간 상관성 분석을 통해 IMU 센서의 고장을 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, IMU 센서 고장을 검출함과 동시에, 고안전성 자율이동체의 운용 지원을 위해 시스템에서 요구하는 항법 연속성 확률 요구조건을 맞출 수 있는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법 및 장치를 제공한다. 하위필터 간 상관관계를 고려함으로써 각 하위필터에 할당되는 연속성 요구조건이 완화되도록 하며, 이와 같이 완화된 연속성 요구조건은 항법 시스템 가용성 향상에 직접적인 영향을 주어 시스템 가용성을 높이는 데에 기여하게 된다.

Description

다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법 및 장치{IMU fault monitoring method and apparatus for multiple IMUs/GNSS integrated navigation system}
본 발명은 다중 IMU(Inertial Measurement Unit) 및 GNSS(Global Navigation Satellite System)의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분권화된(decentralized) 칼만필터(Kalman filter)를 기반으로 하고 다중 IMU 센서 및 GNSS 센서가 융합된 항법시스템에서, 각각의 IMU 센서로 이루어진 각 서브필터의 고장검출 검정통계량들 간 상관성 분석을 통해 IMU 센서의 고장을 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 IMU 센서 고장 검출 장치 및 방법이 적용되는 다중 IMU/GNSS 융합항법시스템(100, 도 1 참조)은 칼만필터를 기반으로 한다. 다중 IMU/GNSS 융합항법시스템(100)에서 칼만필터는 IMU 센서 측정치로써 항법해를 예측하고, GNSS 센서 측정치를 통해 항법해를 업데이트 한다. 여기서 항법해란, 항공기 등에 대하여 산출되는 현재 위치정보를 의미한다. 다중 IMU/GNSS 융합항법시스템(100)에서 이러한 항법해의 예측 및 업데이트 과정은 아래 수학식을 통해 각 하위필터들에 의해 수행되고, 종합필터(110)는 각 하위필터에서 산출된 항법해들을 종합하여 최종 항법해를 산출한다.
KR 10-2113593 B1
본 발명은, IMU 센서 고장을 검출함과 동시에, 고안전성 자율이동체의 운용 지원을 위해 시스템에서 요구하는 항법 연속성 확률 요구조건을 맞추고, 하위필터 간 상관관계를 고려함으로써 각 하위필터에 할당되는 연속성 요구조건이 완화되도록 하는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다중 IMU(Inertial Measurement Unit) 및 GNSS(Global Navigation Satellite System)의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법은, (a) 센서로부터 칼만필터(Kalman filter)에 입력값으로 사용할 값을 수신하는 단계; (b) 수신한 상기 입력값을 분권화된 칼만필터의 각 하위필터에 입력하는 단계; (c) 상기 각 하위필터에서 고장검출을 위한 검정통계량을 산출하는 단계; (d) 상기 검정통계량들 간의 상관성을 산출하는 단계; (e) 상기 상관성을 기반으로 항법 연속성 요구조건을 충족시킬 수 있는 임계값을 결정하는 단계; 및, (f) 상기 임계값과 검정통계량과의 비교를 통해 IMU 센서 고장을 검출하는 단계를 포함한다.
상기 단계(a)의 센서는, GNSS 센서 및 다수의 IMU 센서를 구비할 수 있다.
상기 단계(b)에서, 각 하위필터의 입력은, 상기 GNSS 센서의 의사거리 측정치(이하, 'GNSS 의사거리 측정치'라 한다) 및, 해당 하위필터에 매칭된 IMU 센서의 측정치일 수 있다.
상기 검정통계량은, 상기 GNSS 의사거리 측정치와, IMU 센서 측정치로부터 계산된 IMU 의사거리 측정치 간의 차일 수 있다.
상기 단계(c)에서, 상기 하위필터의 갯수가 n개이고, 상기 각 하위필터에 입력된 상기 GNSS 의사거리 측정치의 개수가 m개인 경우, 상기 검정통계량은 m x n 개를 산출할 수 있다.
상기 단계(d)에서, 상기 상관성은, 서로 동일한 GNSS 의사거리 측정치를 활용하는 서로 다른 하위필터의 검정통계량들 간의 상관성일 수 있다.
상기 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템에 설정된 연속성 위협확률을 시스템 연속성 위협확률이라 할 경우, 상기 단계(e)에서, 상기 임계값은, 상기 단계(d)에서 구한 상관성 정보로부터, 모든 하위필터의 검정통계량의 결합확률분포를 산출하고, 상기 결합확률분포에 따라, 상기 모든 하위필터의 검정통계량이 모두 각각에 해당하는 특정의 임계값을 넘는 확률이 상기 시스템 연속성 위협확률이 될 경우, 상기 각 임계값을 각각의 검정통계량에 대한 임계값으로 결정할 수 있다.
상기 단계(f)에서, 상기 각 하위필터에 대한 m개의 검정통계량 중 1개 이상의 검정통계량이 해당 검정통계량에 대한 임계값을 초과할 경우, 상기 하위필터에 해당하는 IMU 센서의 고장인 것으로 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장을 검출하기 위한 컴퓨터 프로그램은, 비일시적 저장 매체에 저장되며, 프로세서에 의하여, (a) 센서로부터 칼만필터에 입력값으로 사용할 값을 수신하는 단계; (b) 수신한 상기 입력값을 분권화된 칼만필터의 각 하위필터에 입력하는 단계; (c) 상기 각 하위필터에서 고장검출을 위한 검정통계량을 산출하는 단계; (d) 상기 검정통계량들 간의 상관성을 산출하는 단계; (e) 상기 상관성을 기반으로 항법 연속성 요구조건을 충족시킬 수 있는 임계값을 결정하는 단계; 및, (f) 상기 임계값과 검정통계량과의 비교를 통해 IMU 센서 고장을 검출하는 단계가 실행되도록 하는 명령을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장을 검출하기 위한 장치는, 적어도 하나의 프로세서; 및 컴퓨터로 실행가능한 명령을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하되, 상기 적어도 하나의 메모리에 저장된 상기 컴퓨터로 실행가능한 명령은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의하여, (a) 센서로부터 칼만필터에 입력값으로 사용할 값을 수신하는 단계; (b) 수신한 상기 입력값을 분권화된 칼만필터의 각 하위필터에 입력하는 단계; (c) 상기 각 하위필터에서 고장검출을 위한 검정통계량을 산출하는 단계; (d) 상기 검정통계량들 간의 상관성을 산출하는 단계; (e) 상기 상관성을 기반으로 항법 연속성 요구조건을 충족시킬 수 있는 임계값을 결정하는 단계; 및, (f) 상기 임계값과 검정통계량과의 비교를 통해 IMU 센서 고장을 검출하는 단계가 실행되도록 한다.
본 발명에 의하면, IMU 센서 고장을 검출함과 동시에, 고안전성 자율이동체의 운용 지원을 위해 시스템에서 요구하는 항법 연속성 확률 요구조건을 맞출 수 있는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법 및 장치를 제공한다. 하위필터 간 상관관계를 고려함으로써 각 하위필터에 할당되는 연속성 요구조건이 완화되도록 하며, 이와 같이 완화된 연속성 요구조건은 항법 시스템 가용성 향상에 직접적인 영향을 주어 시스템 가용성을 높이는 데에 기여하게 되는 효과가 있다.
도 1은 분권화된 칼만필터 기반 다중 IMU/GNSS 융합항법시스템의 구성을 나타내는 블럭도.
도 2는 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법을 수행하는 순서도.
도 3은 본 발명의 IMU 센서 고장 검출에 사용되는 검정통계량의 변수를 설명하기 위한 도면.
도 4는 분권화된 칼만필터 내에서 다중 IMU 센서로 이루어진 다수의 하위필터 및 다수의 GNSS 의사거리 측정치에 대한 검정통계량을 나타내는 모식도.
도 5는 연속성 위협확률 및 임계값의 정의를 설명하기 위한 도면.
도 6은 연속성 위협확률을 보장하기 위한 각 하위필터에서의 임계값 결정 방법을 설명하기 위한 도면.
도 7은 상관성이 고려되지 않은 경우, 각 하위필터에 할당된 연속성 요구조건을 나타내는 도면.
도 8은 상관성이 고려된 경우, 각 하위필터에 할당된 연속성 요구조건을 나타내는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 분권화된 칼만필터 기반 다중 IMU/GNSS 융합항법시스템(100)의 구성을 나타내는 블럭도이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 IMU 센서 고장 검출 장치 및 방법이 적용되는 다중 IMU/GNSS 융합항법시스템(100)은 칼만필터를 기반으로 한다. 다중 IMU/GNSS 융합항법시스템(100)에서 칼만필터는 IMU 센서 측정치로써 항법해를 예측하고, GNSS 센서 측정치를 통해 항법해를 업데이트 한다. 여기서 항법해란, 항공기 등에 대하여 산출되는 현재 위치정보를 의미한다. 다중 IMU/GNSS 융합항법시스템(100)에서 이러한 항법해의 예측 및 업데이트 과정은 아래 수학식을 통해 각 하위필터들에 의해 수행되고, 종합필터(110)는 각 하위필터에서 산출된 항법해들을 종합하여 최종 항법해를 산출한다.
[수학식 1]
Figure 112020063536357-pat00001
[수학식 2]
Figure 112020063536357-pat00002
수학식 1은 항법해 예측 수학식이며, 수학식 2는 항법해를 업데이트하는 수학식이다. 각 수학식에서,
Figure 112020063536357-pat00003
는 예측 상태벡터 또는 항법해(state),
Figure 112020063536357-pat00004
는 업데이트된 상태벡터,
Figure 112020063536357-pat00005
는 상태전이행렬,
Figure 112020063536357-pat00006
는 프로세스 노이즈 벡터,
Figure 112020063536357-pat00007
는 칼만게인,
Figure 112020063536357-pat00008
는 GNSS 의사거리 측정치,
Figure 112020063536357-pat00009
는 관측행렬을 의미한다. 이와 같은 칼만필터 파라미터는 후술하는 IMU 센서의 고장 검출을 위한 검정통계량 수식을 표현하는데에 활용된다.
본 발명은 이와 같은 다중 IMU/GNSS 융합항법시스템(100)에서 IMU 센서의 고장을 검출하는 방법 및, 그러한 방법을 수행하는, 칼만필터 기반의 고장 검출 장치(200)를 제안한다. 본 발명의 IMU 센서 고장 검출 장치(200)는 융합항법시스템(100)의 하위필터들을 그대로 사용하며, 각 하위필터에서는 GNSS 센서의 의사거리 측정치와 각 IMU 센서의 의사거리 측정치를 이용하여 검정통계량을 산출한다. 고장검출부(210)는 산출된 검정통계량들 간의 상관성을 계산하고, 계산된 상관성을 기반으로 항법 연속성 요구조건을 맞출 수 있는 각 IMU 고장 모니터의 임계값을 결정하며, 이러한 임계값과 검정통계량과의 비교를 통해 IMU 센서의 고장을 최종 검출하게 된다.
이하에서는 이러한 IMU 센서의 고장 검출 방법에 대하여 도 2의 순서도를 참조하여 상세히 설명하되, 순서도의 각 단계는 도 3 내지 도 8 중 관련된 도면과 연계하여 설명하기로 한다.
도 2는 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템(100)을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법을 수행하는 순서도이다.
순서도를 간략히 요약하면, 본 발명의 IMU 센서 고장 검출 장치(200)는, GNSS 센서(10) 및 다중 IMU 센서(20)로부터, 칼만필터에 입력으로 사용할 값(이하 '칼만필터 입력값'이라 한다)을 수신하고(S210), 수신된 칼만필터 입력값을 분권화된 칼만필터의 각 하위필터 1 내지 n에 입력한다(S220). 각 하위필터에서 고장검출을 위한 검정통계량을 계산하면(S230), 고장검출부(210)는, 계산된 검정통계량들 간의 상관성을 계산하고(S240), 계산된 상관성을 기반으로 항법 연속성 요구조건을 맞출 수 있는 각 고장모니터 임계값을 결정하여(S250), 결정된 임계값과 하위필터 검정통계량과의 비교를 통해 IMU 센서 고장을 검출하는 것이다(S260).
단계 S210에서 수신된 칼만필터 입력값에는 GNSS 센서(10)로부터, GNSS 센서(10)가 측정한 의사거리 측정치(이하 'GNSS 의사거리 측정치'라 한다), 그리고 IMU 센서(20)로부터, IMU 센서(20) 측정치가 포함된다. IMU 센서(20) 측정치에는 가속도와 각속도가 포함된다. 각 하위필터는 GNSS 의사거리 측정치는 공통적으로 모두 수신하며, IMU 센서(20) 측정치는 해당 IMU 센서에 의해 측정된 측정치를 수신하는데, 도 1을 참조하면, 예를 들어 IMU 2 센서의 측정치는 하위필터 2로 입력된다는 의미이다.
단계 S230의 검정통계량 계산에 대하여는 이하에서 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 IMU 센서 고장 검출에 사용되는 검정통계량의 변수를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 분권화된 칼만필터 내에서 다중 IMU 센서로 이루어진 다수의 하위필터 및 다수의 GNSS 의사거리 측정치에 대한 검정통계량을 나타내는 모식도이다.
전술한 GNSS 의사거리 측정치란 GNSS 센서(10)가 특정 인공위성에 대하여 현재위치와의 거리를 측정한 것을 의미하며, k번 인공위성(Sat k)에 대하여 현재위치와의 거리를 측정한 것을
Figure 112020063536357-pat00010
로 나타낸다.
또한 IMU 의사거리 측정치란, 특정 IMU 센서(20)의 측정치로부터 하위필터가 계산한 항법정보
Figure 112020063536357-pat00011
를 활용하여, 예를 들어 k번 인공위성(Sat k)에 대하여 현재위치와의 거리를 측정한 것이다.
각 하위필터의 검정통계량은 칼만필터 이노베이션 벡터로써, 칼만필터 이노베이션 벡터는 GNSS 의사거리 측정치와 IMU 센서로 예측된 의사거리 측정치 간의 차로 계산되며, 아래 수학식 3과 같이 표현된다.
[수학식 3]
Figure 112020063536357-pat00012
Figure 112020063536357-pat00013
는 위치이나, 여기에 관측행렬
Figure 112020063536357-pat00014
를 곱하면 IMU 의사거리 측정치가 된다.
본 발명에서 GNSS 센서(10)의 고장은 GNSS 센서 고장 모니터에서 독립적으로 고장 검출이 이루어지며, 본 발명에서는 GNSS 센서(10)의 고장이 검출되지 않았다고 가정한다. 이에 따라, IMU 센서(20)에 고장이 발생 시 검정통계량에는 IMU 센서 고장의 영향이 포함되게 된다.
도 4를 참조하면, 검정통계량은 GNSS의 각 의사거리 측정치의 개수 (m개) 별로 계산되므로, 한 개의 하위필터에서 계산되는 검정통계량 개수는 m개이다. 본 발명은 n개의 다중 IMU 센서로 이루어진 n개의 하위필터를 다루므로, 최종 계산되는 검정통계량의 개수는 m·n개이다. 이하에서는 이러한 경우, 각 검정통계량을 이용하여 고장을 검출하는 모듈을 하위필터의 'IMU 고장 모니터'라 칭하기로 하며, m·n 개의 IMU 고장 모니터가 존재하게 된다.
도 2의 순서도에서, 각 하위필터에서 검정통계량을 계산한 후(S230), 고장검출부(210)는 검정통계량들 간의 상관성을 계산한다(S240).
각 하위필터가 동일한 GNSS 측정치를 공유함으로 인해, 단계 S230에서 계산된 검정통계량들 사이에는 상관성이 존재한다. 본 단계에서는 검정통계량 간의 상관성을 분석한다.
본 발명에서 고려하고 있는 상관성은, 전술한 바와 같이 각 하위필터에서 같은 GNSS 측정치를 공유함으로 인해 발생하는 상관성이다. 따라서, 해당 상관성은 서로 동일한 GNSS 측정치를 활용하는 서로 다른 하위필터 내 검정통계량 간의 상관성을 고려하며, 서로 다른 GNSS 의사거리 측정치로 이루어진 하위필터 내 검정통계량 간의 상관성은 매우 작다고 가정하여 고려하지 않는다.
아래는 일 실시예로서 총 2개의 하위필터가 존재할 경우, 동일한 GNSS 의사거리 측정치를 활용하고 있는 2개의 하위필터 내의 검정통계량 간의 상관관계 분석 과정을 나타낸다.
1) 단계 S230을 통해 같은 GNSS 의사거리 측정치를 활용하고 있는 하위필터 1과 하위필터 2의 검정통계량을 수학식 4 및 5로 계산한다.
[수학식 4]
Figure 112020063536357-pat00015
[수학식 5]
Figure 112020063536357-pat00016
2) 2개의 검정통계량의 상관관계의 수식적 유도
1)에서 계산된 2개의 검정통계량 간 상관성 (correlation)은 수학식 6과 같이 유도된다.
[수학식 6]
Figure 112020063536357-pat00017
이 경우,
Figure 112020063536357-pat00018
Figure 112020063536357-pat00019
Figure 112020063536357-pat00020
이다.
이하에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 도 2의 순서도에서 단계 S250의, 상관성을 기반으로 항법 연속성 요구조건을 맞출 수 있는 각 IMU 고장 모니터의 임계값을 결정하는 방법을 설명한다.
도 5는 연속성 위협확률 및 임계값의 정의를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 연속성 위협확률을 보장하기 위한 각 하위필터에서의 임계값 결정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
각 m·n개의 IMU 고장 모니터에서 고장검출을 위해서는 임계값 결정이 필요하다. 항법 시스템의 IMU 고장 모니터는 항법 연속성 위협확률의 함수로 임계 값을 결정한다.
항법시스템에는 항법 충족시켜야 할 연속성 위협확률이 미리 설정되어 있다. 이와 같이 설정되어 있는 항법 연속성 위협확률을 m·n개의 IMU 고장 모니터에 분배함으로써 시스템 최종 항법 연속성 확률을 만족시키도록 하는 과정을 수행한다. 이때, 단계 S240에서 계산된 각 IMU 고장 모니터간 상관성을 기반으로 각 모니터에 연속성 확률을 분배하게 된다. 다음은 연속성 위협확률 분배 과정에 대해 기술한다.
먼저, 각 IMU 고장 모니터의 연속성 위협확률은 도 5와 같이 정의된다. 도 5는 IMU 센서 고장이 없는 상태의 검정통계량의 확률 분포를 나타내며, 해당 확률 분포에서 연속성 위협확률을 기반으로 임계값이 결정된다. 즉, '연속성 위협확률'의 의미는 고장이 없는 상황 하에서 고장 모니터의 검정통계량이 임계 값을 넘어 고장을 잘못 선언하는 확률을 의미하며, 각 항법시스템은 전술한 바와 같이 이러한 연속성 위협확률의 상한 값을 시스템 항법 요구조건으로 설정하고 있다.
한 개의 하위필터 검정통계량은 GNSS 각 의사거리측정치와 IMU 센서로 생성된 의사거리추정치와의 차이를 의미하므로, IMU 센서 고장이 발생하면 각 하위필터가 가지는 모든 m개의 검정통계량에 영향을 미치게 된다. 따라서, 각 하위필터의 경우 m개 중 1개 이상의 검정통계량에서 고장이 검출되면 해당 IMU 센서의 고장으로 선언한다. 이에 따라, 각 하위필터에서의 연속성 위협확률은 다음 수학식 7과 같이 m개 각각의 검정통계량에서 이상이 검출되는 이벤트 발생 여부를 나타내는 집합의 합집합으로 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112020063536357-pat00021
여기서 FA1,1 ~ FA1,m 은 하위필터 1에서 m개 각각의 검정통계량에서 이상이 검출되는 이벤트 발생 여부를 나타내는 집합을 나타내며, 이에 따라 Pr1은 m개 중 어느하나에서라도 고장이 발생했을 확률을 의미한다.
본 시스템은 총 n개의 하위필터를 가진다. 서로 다른 IMU 센서를 가지는 n개의 하위필터의 경우, 1개의 하위필터가 해당 IMU 센서의 고장을 선언하더라도, 또다른 IMU를 가진 하위필터를 항법에 계속해서 활용이 가능하다. 이에 따라, 서로 다른 n개의 하위필터를 활용할 경우의 시스템의 최종 연속성 위협확률은 수학식 8과 같이 각 하위필터에 해당하는 IMU의 고장 발생 여부를 나타내는 집합의 교집합으로 정의된다.
[수학식 8]
Figure 112020063536357-pat00022
여기서 Cr1 ~ Crn 은 각 하위필터에 해당하는 IMU의 고장 발생 여부를 나타내는 집합을 나타내며, 이에 따라 Pr은 모든 하위필터가 고장날 확률을 의미한다.
수학식 8을 기반으로, 계산된 각 IMU 고장 모니터들의 검정통계량들 간의 상관성을 기반으로 각 IMU 고장 모니터에 연속성 위협확률을 분배함으로써, 각 IMU 고장 모니터에 대한 임계값 결정과정이 수행된다.
도 6은 연속성 확률 분배 과정의 예시이다. 시스템에 총 2개의 하위필터가 있다고 가정할 경우, 단계 S240에서 계산된 상관성 정보를 바탕으로 두 하위필터에서 계산된 두 검정통계량의 결합확률분포를 구한다 (파란색 실선 분포). 수학식 8에서 시스템 연속성 위협확률은 하위필터 1과 하위필터 2의 연속성 위협확률의 교집합으로 정의되므로, 두 검정통계량이 모두 해당 임계값을 넘는 파란색 색칠된 영역의 면적이 시스템에서 요구하는 연속성 위협확률이 되도록 임계값을 결정한다.
계산된 상관성 정보에 따라 결합확률분포의 모양이 달라진다. 예를 들어 도 6에서 상관성이 높을수록 도 6과 같이 분포의 기울기가 커지고, 상관성이 낮을수록 낮은 기울기를 가지게 된다. 즉, 이와 같이 상관성에 따라 결합확률분포가 달라지고, 이에 따라 두 검정통계량이 모두 해당 임계값을 넘는 면적이 시스템에서 요구하는 연속성 위협확률이 되는 각 하위필터의 임계값 역시 상관성에 따라 달라지게 되는 것이다. 도 6은 그래프로 표시가 용이하도록 2개의 하위필터에 대하여 도시한 것이나, 3개 이상의 하위필터로 구성된 시스템에서도 이와 같은 원리는 동일하여, 시스템이 요구하는 연속성 위협확률이 되는 각 하위필터의 임계값은, 상관성에 따라 달라지게 되는 것이다.
이와 같이 임계값이 결정되면(S250), 단계 S230에서 계산된 검정통계량과, 단계 S250에서 계산된 임계값의 비교를 통해 IMU 센서 고장을 검출하는데, 검정통계량이 임계값보다 큰 값을 가질 상황에 해당 하위필터의 IMU 센서 고장을 선언한다(S260).
이하에서는 도 7 및 도 8을 참조하여, 전술한 각 하위필터에 대한 상관성을 고려한 경우와, 상관성이 고려되지 않은 경우의 차이를 예시하여 설명하기로 한다.
도 7은 상관성이 고려되지 않은 경우, 각 하위필터에 할당된 연속성 요구조건을 나타내는 도면이고, 도 8은 상관성이 고려된 경우, 각 하위필터에 할당된 연속성 요구조건을 나타내는 도면이다.
여기서 연속성 요구조건이라 함은, 고장이 없는데 고장이 발생했다고 판단할 확률, 즉, 연속성 위협확률을 의미한다.
도 7의 경우는 상관성을 고려하지 않은 경우로서, 각 하위필터에 분배된 연속성 위협확률이 매우 낮음을 알 수 있다. 이것은 해당 하위필터들에 대하여 매우 민감하게 고장이라고 판단하게 되는 것으로서, 이에 따라 각 하위필터들에 대하 가용성이 떨어지게 되는 문제점이 있게 된다.
도 8의 경우는 상관성을 고려한 경우로서, 붉은색 선, 즉, 각 하위필터에 분배된 연속성 위협확률이 높음을 알 수 있다. 이것은 해당 하위필터들에 대하여 고장이라고 판단할 가능성이 매우 낮게 된 것으로서, 상관성 고려로 인해 각 하위필터가 만족시켜야 하는 연속성 요구조건이 완화되었음을 알 수 있으며, 이와 같이 완화된 연속성 요구조건은 항법 시스템 가용성 향상에 직접적인 영향을 주어 시스템 가용성을 높이는 데에 기여한다.
10: GNSS 센서
20: IMU 센서
100: IMU/GNSS 융합항법 시스템
110: 종합필터
200: IMU 센서 고장검출 장치
210: 고장검출부

Claims (10)

  1. 다중 IMU(Inertial Measurement Unit) 및 GNSS(Global Navigation Satellite System)의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법으로서,
    (a) 센서로부터 칼만필터(Kalman filter)에 입력값으로 사용할 값을 수신하는 단계;
    (b) 수신한 상기 입력값을 분권화된 칼만필터의 각 하위필터에 입력하는 단계;
    (c) 상기 각 하위필터에서 고장검출을 위한 검정통계량을 산출하는 단계;
    (d) 상기 검정통계량들 간의 상관성을 산출하는 단계;
    (e) 상기 상관성을 기반으로 항법 연속성 요구조건을 충족시킬 수 있는 임계값을 결정하는 단계; 및,
    (f) 상기 임계값과 검정통계량과의 비교를 통해 IMU 센서 고장을 검출하는 단계
    를 포함하는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(a)의 센서는,
    GNSS 센서 및 다수의 IMU 센서를 구비하는 것
    을 특징으로 하는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계(b)에서,
    각 하위필터의 입력은,
    상기 GNSS 센서의 의사거리 측정치(이하, 'GNSS 의사거리 측정치'라 한다) 및, 해당 하위필터에 매칭된 IMU 센서의 측정치인 것
    을 특징으로 하는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 검정통계량은,
    상기 GNSS 의사거리 측정치와, IMU 센서 측정치로부터 계산된 IMU 의사거리 측정치 간의 차인 것
    을 특징으로 하는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 단계(c)에서,
    상기 하위필터의 갯수가 n개이고, 상기 각 하위필터에 입력된 상기 GNSS 의사거리 측정치의 개수가 m개인 경우,
    상기 검정통계량은 m x n 개를 산출하는 것
    을 특징으로 하는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 단계(d)에서, 상기 상관성은,
    서로 동일한 GNSS 의사거리 측정치를 활용하는 서로 다른 하위필터의 검정통계량들 간의 상관성인 것
    을 특징으로 하는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템에 설정된 연속성 위협확률을 시스템 연속성 위협확률이라 할 경우,
    상기 단계(e)에서, 상기 임계값은,
    상기 단계(d)에서 구한 상관성 정보로부터, 모든 하위필터의 검정통계량의 결합확률분포를 산출하고, 상기 결합확률분포에 따라, 상기 모든 하위필터의 검정통계량이 모두 각각에 해당하는 특정의 임계값을 넘는 확률이 상기 시스템 연속성 위협확률이 될 경우, 상기 각 임계값을 각각의 검정통계량에 대한 임계값으로 결정하는 것
    을 특징으로 하는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 단계(f)에서,
    상기 각 하위필터에 대한 m개의 검정통계량 중 1개 이상의 검정통계량이 해당 검정통계량에 대한 임계값을 초과할 경우, 상기 하위필터에 해당하는 IMU 센서의 고장인 것으로 결정하는 것
    을 특징으로 하는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장 검출 방법.
  9. 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장을 검출하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서,
    비일시적 저장 매체에 저장되며, 프로세서에 의하여,
    (a) 센서로부터 칼만필터에 입력값으로 사용할 값을 수신하는 단계;
    (b) 수신한 상기 입력값을 분권화된 칼만필터의 각 하위필터에 입력하는 단계;
    (c) 상기 각 하위필터에서 고장검출을 위한 검정통계량을 산출하는 단계;
    (d) 상기 검정통계량들 간의 상관성을 산출하는 단계;
    (e) 상기 상관성을 기반으로 항법 연속성 요구조건을 충족시킬 수 있는 임계값을 결정하는 단계; 및,
    (f) 상기 임계값과 검정통계량과의 비교를 통해 IMU 센서 고장을 검출하는 단계
    가 실행되도록 하는 명령을 포함하는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장을 검출하기 위한, 비일시적 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  10. 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장을 검출하기 위한 장치로서,
    적어도 하나의 프로세서; 및
    컴퓨터로 실행가능한 명령을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 메모리에 저장된 상기 컴퓨터로 실행가능한 명령은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의하여,
    (a) 센서로부터 칼만필터에 입력값으로 사용할 값을 수신하는 단계;
    (b) 수신한 상기 입력값을 분권화된 칼만필터의 각 하위필터에 입력하는 단계;
    (c) 상기 각 하위필터에서 고장검출을 위한 검정통계량을 산출하는 단계;
    (d) 상기 검정통계량들 간의 상관성을 산출하는 단계;
    (e) 상기 상관성을 기반으로 항법 연속성 요구조건을 충족시킬 수 있는 임계값을 결정하는 단계; 및,
    (f) 상기 임계값과 검정통계량과의 비교를 통해 IMU 센서 고장을 검출하는 단계
    가 실행되도록 하는, 다중 IMU 및 GNSS의 융합항법시스템을 위한 IMU 센서 고장을 검출하기 위한 장치.
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