KR20020091389A - 위성항법장치/추측항법장치 통합시스템과 다중가설기법을이용한 지도매칭방법 - Google Patents

위성항법장치/추측항법장치 통합시스템과 다중가설기법을이용한 지도매칭방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GPS/DR 시스템과, 다중가설기법(Multiple Hypothesis Technique)을 이용한 지도매칭방법에 관한 것으로, 오프로드에 대한 가설을 포함하는 가설집합을 형성하고, 각 링크의 시설물코드, 방향성 코드, 연결성 코드에 따라 가중치(평가함수값)를 부여하여, 최종적으로 가장 높은 확률을 가지는 가설을 기초로 지도매칭을 수행한다. 또한, 최종 매칭이 이루어진 후에 그 정보를 기초로 GPS/DR 센서의 위치 및 자세각 바이어스를 추정하여 다음 시점의 출력에 적용함으로써 더욱 정확한 지도매칭을 가능하게 한다.
이러한 방법을 이용하면, 교차로, 입체도로지역, 도심의 빌딩 지역, 지하도 등의 지형특성을 고려한 정확한 지도 매칭이 가능하였으며, 오프로드 가설에 의해 GPS/DR센서출력이 도로의 궤적과 일치하지 않는 경우에도 사전에 결정된 도로에서 분리되어 오프로드를 진행하는 결과를 정확하게 매칭할 수 있었다.

Description

위성항법장치/추측항법장치 통합시스템과 다중가설기법을 이용한 지도매칭방법 {Map Matching Method using Global Positioning System/Dead Reckoning System Integrated System and Multiple Hypothesis Technique}
본 발명은 위성항법장치/추측항법장치 통합시스템을 이용한 지도매칭방법, 더 상세하게는 다중 가설기법을 이용하여 대상체의 오프로드 문제를 해결함과 동시에 도로의 연결성, 시설물속성, 방향성 정보를 이용하여 정확한 지도 매칭을 달성할 수 있는 지도매칭시스템 및 방법에 관한 것이다.
항법 시스템(navigation system)에서 가장 중요한 기술중 하나는 대상체의 정확한 위치를 얻는 일이다. 대상체의 위치를 구하기 위해서 일반적으로 위성체를 이용한 GPS(Global Positioning System) 및 자이로스코프와 가속도계와 같은 센서를 가지는 추측항법시스템(Dead Reckoning System; 이하 DR이라 한다)을 이용한다.
GPS는 항법위성을 이용하여 전세계 어디에서나 대상체(수신기)의 위치, 속도, 시간 정보를 알아낼 수 있는 전파항법 시스템이다. GPS의 항법해는 수신기 잡음, 다중경로 오차 등으로 인하여 단시간 안정성은 좋지 않지만 항상 일정 범위내의 오차를 가지기 때문에 장시간 안정성은 매우 뛰어나다. 그러나, GPS수신기는 위성신호가 차단될 경우 항법해를 제공할 수 없다는 단점이 있다.
데드 리코닝(Dead Reckoning; 이하 DR이라 한다)을 포함하는 추측항법장치는차속센서 또는 가속도계와 자이로스코프 또는 지자기센서를 이용한 자립형 항법 시스템이다. DR은 연속적인 항법해를 제공하며, 단시간 안정성은 우수하지만 시간이 지날수록 오차가 누적하여 증가하기 때문에 장시간 안정성은 좋지 않다.
이러한 두 시스템의 장점을 결합하기 위하여 제공되는 GPS/DR 통합 시스템이 제안되었는 바, 이러한 GPS/DR 통합 시스템은 절대적인 위치해를 보장하는 GPS와 연속적인 위치해를 제공하는 DR을 통합한 것이다.
이러한 GPS/DR 통합시스템을 이용하더라도, 충분한 가시위성의 확보가 어려운 지역에서는 DR에 의한 연속적인 정보를 이용하지만, DR은 단시간 동안에는 비교적 정확한 위치 및 자세정보를 제공하지만 오차가 누적된다는 단점이 있다.
이를 극복하기 위하여 GPS/DR 통합 시스템은 GPS수신기의 속도 또는 위치 측정치를 이용하여 DR의 차속센서 오차를 보정하고, GPS의 속도나 위치변위 측정치로부터 얻은 항체의 방향각 정보를 이용하여 DR의 자이로스코프 오차를 보정한다. 정확한 오차보정을 위하여 칼만필터(Kalman Filter)가 이용되며, 이에 대한 구체적인 내용은 본 출원인의 제2001-020643호 한국출원에 상세하게 개시되어 있다.
대상체, 특히 차량의 정확한 위치를 추적하기 위한 차량 항법 시스템에서 가장 중요한 요소는 차량의 정확한 위치를 얻는 것이다. 또한, 구해진 위치와 지도상의 대응위치를 대응시켜 사용자에게 출력하는 지도매칭이 필요하다. 이러한 위치산출 및 지도매칭을 위한 여러 가지 방법들이 소개되어 왔으며, 특히 전술한 바와 같이 GPS와 DR을 이용한 여러 방법이 제안되고 있다.
그중 하나는 1996년에 완성된 ADVANCE(Advanced Driver and VehicleAdvisory Navigation ConcEpt)프로젝트에서 제안된 지도 매칭법으로서, 정확한 위치 정보를 얻기 위해 GPS/DGPS(Differential GPS), DR(Dead Reckoning), CD-ROM 전자 지도 등을 함께 이용하였다.
차량 항법 시스템 개발 초기인 1970년대에는 DR센서에 의한 차량의 이동 궤적과 이미 알고있는 초기 위치를 기준으로 지도와 비교하여 매칭하는 준결정(Semi-Deterministic) 알고리즘과 DR센서 오차를 모델링하여 위치 오차를 최소로 하는 위치를 지도상에 매칭하는 확률적인 방법이 사용되었다. (Yilin Zhao, “Vehicle Location and Navigation Systems,” Artech House, Inc., Boston, 1997 참고)
또한, 일본의 마쓰시다(Matsushita)사에서 사용한 준결정 지도 매칭법에 의하면, 1988년에 시행된 RACS(Road/Automobile Communication System) 프로젝트에서 가스식 자이로와 차속계를 이용한 DR을 5km에서 10km마다 설치된 비콘(Beacon)을 통하여 보정하는 방법을 이용하였다. 실험결과 50km 테스트 코스에서 약 44m 정도의 위치오차가 발생되었다. (FUMINORI MORISUE, Evaluation of Map-matching Techniques,VNIS, September, 1989 참고)
또한, Craig Scott 이 1994년에 사용한 확률적인 지도 매칭법은 GPS에서 얻은 위치를 기준으로 도로를 짧은 도로, 긴 도로, 그리고 곡선도로 등으로 나누어 최대사후확률(Maximum A Posteriori, MAP)이 최대가 되는 도로상의 위치를 추정하는 방법이다. 그러나, 준 결정 지도 매칭법과 확률적인 지도 매칭법은 오프로드(Off-road)를 진행하는 경우 잘못 매칭된 사전 위치에 의해 DR센서의 보정 불능 및 오차 누적의 문제점이 있다. (C. A. Scott, Improved GPS positioningfor motor vehicle through map matching,Proceedings of ION, September, 1994 참고)
그 후, 자데(Zadeh)의 인공지능이론이 지도 매칭 알고리즘에 적용되었다. 인공지능 기반의 지도 매칭 알고리즘은 센서출력과 도로정보를 비교하여 진리값을 만들게 되며, 미리 작성된 진리표와의 비교를 통해 매칭하게 된다. 이러한 진리표는 멤버함수(Member Function)로 정의되며, 속도의 변화, 헤딩의 변화, 거리오차로 구성된다. 그러나, 이러한 지도 매칭법은 매칭을 결정하기 모호한 부분에서 합리적인 해결방법이 되지만, 멤버함수에 의한 상태값을 이용하므로 오프로드를 결정하거나 도로의 연결성을 고려한 모든 경우의 수를 고려할 수 없는 문제점을 갖게 된다.(Zadeh, L.A, Fuzzy Sets,Information and Control, Vol. 8, No. 3, 1965, pp. 338-353 참고)
1998년 요시카즈(Yoshikazu) 등은 두차례 지도 매칭하는 기법을 이용한 차량 항법 시스템을 개발하였다. 이 방법에서 지도 매칭 프로세싱부는 서로 평행하게 소정의 거리를 이동한 때마다 실제 차량 위치를 기초로 첫 번째 지도 매칭과정을 수행하고, 임시 차량 위치를 기초로 두 번째 지도 매칭을 수행하였다. 첫 번째 지도 매칭과정에서 지도상에 매칭할 도로를 찾을 수 없는 경우에는 임시 차량 위치를 실제 차량위치로 설정하고 첫 번째 매칭과정을 계속 수행한다.
역시 1998년에 도날드(Donald A. Streit)가 지도 경로상의 차량 위치를 포함하는 차량상태특성을 모니터링하는 지도매칭 항법 시스템을 개발하였다. 이 방법에서는 사용자에 의하여 지도경로가 입력되도록 하는 고정노드(fixed node)모드와,차량의 위치에 대응하는 복수의 측정지점으로부터 지도매칭 항법시스템이 직접 지도경로를 결정하는 유연노드(flexible node)모드로 구분하여 적용하였다. 또한, 이 방법에서는 지도경로상의 복수의 지역에서 차량의 위치를 갱신함으로써 위치 정확도를 향상시키는 기법을 이용하였다.
이러한 종래의 매칭방법들은 단지 대상체의 위치와 헤딩(heading)의 차이만을 이용하였을 뿐, 도로의 연결성, 시설물, 및 오프로드 가능성 등을 전혀 고려하지 않았다. 따라서, 이러한 문제의 해결은 차량이 통과하게 되는 도로를 모두 연결하여 가능한 모든 경우를 고려할 수 있어야 하며, 절대적인 오프로드에 대한 평가기준을 마련해야 정확한 매칭 결과를 얻을 수 있다. 본 발명은 이러한 점에 착안하여 이루어진 것으로, 레이더에서 표적을 여러 가정으로 분류하여 처리하는 다중 가설 기법(Multiple Hypothesis Techniques)을 사용하여 차량이 진행하는 모든 도로를 가설로 형성하는 지도 매칭법을 제안하였다.
본 발명에 의한 다중 가설 기법을 이용한 지도 매칭법은 오프로드를 포함한 모든 가설이 고려되며, 입체도로 및 교차로에서의 정확한 매칭을 위해 인공지능 지도 매칭과 유사한 멤버함수도 구성되었다. 또한 지도 매칭이 결정될 경우 GPS/DR센서의 위치 및 자세각 바이어스 오차를 추정하기 위한 칼만 필터가 적용되었다.
본 발명에 사용된 다중 가설 기법은 클러터(Clutter)가 존재하는 기동하는 표적을 추적하기 위해 Reid에 의해 제안된 것으로, 도 1과 같이 레이더에서 구한 측정치들을 이전의 필터 예측치를 사용하여 데이터 유효화 영역(Validation Region)을 결정하여 그룹단위로 묶는 클러스터 처리과정을 거친다. 이렇게 만들어진 클러스터는 각각 가설들을 형성하게 되며, 표적확인을 통해 가설의 축소 또는 통합 과정을 거치게 된다. 확인 과정에서 다중 표적은 확인된 표적(Confirmed Target)과 임시표적(Tentative Target)으로 분리하여 새로운 클러터를 형성하며 계속적으로 필터링이 수행된다.
다중 가설 기법을 지도 매칭법에 사용하기 위하여 차량은 인접한 여러 도로중에 항상 동시에 하나의 도로만을 진행한다는 가정하에 단일 표적으로 간주하게 되며, GPS/DR 센서 출력과 함께 지도 데이터베이스를 이용한다.
본 발명의 목적은 위성을 이용한 항법장치와, 추측항법장치, 및 다중가설기법을 이용한 지도매칭방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 오프로드 가설을 포함하는 여러 가지 가설을 설정하고, 도로의 연결성, 시설물정보, 방향성 정보를 변수로 하여 가중치를 부여하며, 각 가설에 대한 확률을 산출하여 최종 지도 매칭을 수행함으로써 이동체의 위치를 정확하게 지도상에 매칭할 수 있는 지도 매칭방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 다중 가설중 최종적으로 지도 매칭이 일어난 이후에 시스템(GPS/DR 센서)의 바이어스를 추정하기 위하여 칼만필터를 적용함으로써 입력오차를 최소화할 수 있는 지도 매칭방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 이용되는 다중가설기법의 기본적인 원리를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 지도매칭방법을 수행하기 위한 장치의 하드웨어구성도이다.
도 3은 기능별로 나타낸 시스템의 블록도 및 블록사이에 송수신되는 정보를 도시한다.
도 4는 지도데이터베이스에 저장되어 있는 지도데이터의 예를 도시하는 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 지도매칭방법의 과정을 전체적으로 도시하는 흐름도이다.
도 6은 종래의 GPS/DR센서에 의한 지도매칭법과 본 발명에 의한 다중 가설 기법을 이용한 지도 매칭법의 결과를 비교 도시한 것이다.
도 7은 시설물 코드 멤버함수에 의한 실험 결과를 도시한다.
도 8은 방향성 멤버함수에 의한 실험 결과를 도시한다.
도 9는 오프로드 가설이 채택된 결과를 도시한다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 지도매칭방법을 수행하는 시스템은, 위성체 항법장치/추측항법장치 통합 시스템, 지도데이터베이스, 지도매칭 필터를 포함하는 중앙제어부로서의 항법부(navigation unit), 출력장치를 포함한다.
위성체를 이용한 항법장치는 GPS 시스템을 포함하고, 추측항법장치는 DR시스템을 포함하는 것으로, 본 명세서에서는 GPS와 DR을 위성 항법장치와 추측항법장치를 대표하는 것으로 설정하여 설명한다.
항법부는 다시 GPS/DR 제어부와, 지도매칭부로 이루어지며, GPS 및 DR의 오차추정과 보정을 위하여 칼만필터부를 추가로 구비할 수 있다. 본 발명에 이용되는 시스템에 대해서는 첨부되는 도면을 참고로 아래에서 상세하게 설명한다.
본 발명에 의한 지도매칭방법을 다음과 같은 단계로 이루어진다.
위성 항법장치/추측항법장치의 출력 공분산에 의한 타원체와 지도매칭필터의 오차공분산에 의한 타원체의 공통영역을 유효화영역으로 설정하는 유효화영역 설정단계;
시간 t에서의 위성항법장치/추측항법장치에 의하여 측정된 결과를 이용하여 상기 유효화영역내에 있는 1 이상의 링크에 대응하는 의사측정치를 결정하고, 각 의사측정치에 대한 가설과, 하나의 오프로드 가설로 이루어지는 가설집합을 형성하는 가설형성단계;
각 가설에 대한 최종 확률을 산출하는 확률산출단계;
가장 높은 확률을 가지는 가설에 해당되는 의사측정치를 최종 위치로 결정하고 지도상에 매칭하는 매칭단계;
출력장치에 표시된 지도상에 상기 최종 매칭위치를 출력하는 출력단계;로 이루어진다.
또한, 상기 매칭 단계 이후에 칼만필터를 이용하여 위성항법장치/추측항법장치(GPS/DR) 센서의 위치 및 자세각 바이어스 추정하는 바이어스 추정단계를 추가로 포함할 수 있다.
가설은 GPS/DR에 의하여 측정된 위치로부터 각 링크로의 정사영 위치로 정의되는 의사측정치에 대하여 설정되며, 대상체의 오프로드 상태에 대응하는 가설을 추가로 포함한다. 각 의사측정치(또는 가설 또는 링크)에 대한 확률산출시, 해당 링크서의 시설물코드와 가시위성의 수를 변수로 하여 가시위성의 수가 0이 아닌 경우에는 터널, 지하도, 기타 도로상 구조물에 의하여 엄폐된 링크에 대한 가설보다 지상에 노출되어 있는 링크에 대한 가설에 더 높은 가중치를 부여하며, 가시위성의 수가 0인 경우에는 가중치를 상기와 반대로 부여한다.
또한, 확률 산출시 측정자세각과 링크 방향 사이의 각도로 정의되는 자세각차이 및 방향성 코드를 변수로 하여, 자세각차이가 작고 대상체의 방향이 링크의 허가된 방향과 일치하는 경우에 더 높은 가중치를 부여한다.
또한, 링크의 연결성 코드를 이용하여 이전의 가설과 현재에 형성된 가설까지의 연결성에 의하여 경유된 링크의 개수가 적은 링크에 대하여 보다 높은 가중치를 부여한다.
t시점에서 i 번째 온로드 가설에 대한 최종적인 확률식은 다음과 같이 주어진다.
위에서, c는 상수,는 시설물코드(ξ)와 가시위성 개수(nsv)에 따라 부여되는 가중치(시설물코드 평가함수)이며,는 자세각차이(δθ)와 링크의 방향성 코드(η)에 따라 부여되는 가중치(방향성 코드 평가함수),는 위치차이(δP)와 자세각차이(δθ)에 따라 정규화식으로 표현되는 평가함수, PD는 탐지확률을 의미한다.
이하에서는 첨부되는 도면을 참고로 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 지도매칭방법을 수행하기 위한 장치의 하드웨어구성도이다.
장치는 위성항법장치로서의 GPS 수신부(200)와, 추측항법장치로서의 DR센서부(300), 지도 정보가 저장되어 있는 지도 데이터베이스부(400), 메인 콘트롤러(500), 디스플레이부(또는 출력부; 600)를 포함한다. 또한 보조기억장치(800), 입력부(700) 등을 추가로 포함할 수 있으며, 메인콘트롤러, 디스플레이부 및 입력부 등은 PC(Personal Computer)와 같은 일반컴퓨터로 구현될 수 있다.
도시하지는 않았지만, GPS수신기부는 1 이상의 위성신호 수신 안테나와, 고주파신호를 중간주파수 대역으로 변환하는 RF/IF변환부, 위성신호에 포함된 정보를 얻기 위하여 하나 이상의 DSP(Digital Signal Processor)로 이루어지는 상관기부로 구성될 수 있다. 또한, 오차보정을 위하여 칼만필터 또는 최소자승필터(Least Square Filter)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 GPS 수신기의 구조는 일반적으로 알려져 있는 것으로, 상세한 것은 본 출원인의 제 2001-014103 호 한국출원에 개시되어 있다.
추측항법장치로 이용되는 DR센서부는 항체의 위치, 속도 및 자세를 결정하기 위한 장비로서, 본 실시예에서는 하나 이상의 자이로스코프와, (가)속도계로 이루어져 있다.
이러한 자이로스코프 및 가속도센서는 정해진 구간에서 변화되는 입력에 대한 출력을 측정하여 최소 자승법을 이용하여 구한 직선의 기울기로 정의되는 환산계수와, 무입력에서의 오프셋(offset)으로 정의되는 바이어스(bias)를 특성 파라미터로 가진다. 이러한 파라미터는 오차를 가지고 있기 때문에 DR을 이용하여 구한 해(위치해, 속도해)에 오차가 발생하게 된다. 따라서, 아래에서 설명할 바와 같이 칼만필터를 이용하여 GPS/DR 센서에 의한 위치 및 자세각에 존재하는 바이어스 오차를 추정하는 과정을 추가로 구비한다.
도 3은 기능별로 나타낸 시스템의 블록도 및 블록사이에 송수신되는 정보를 도시한다.
GPS/DR 프로세서(510)는 GPS수신부(200) 및 DR센서부(300)로부터의 신호를 입력받아 대상체의 위치, 자세각, 가시위성 수, 오차정보를 산출하기 위한 수단으로서, 소정의 소프트웨어가 설치된 마이크로 프로세서로 구현될 수 있으며, 추가적으로 N상(N-state) 칼만필터를 포함할 수 있다.
지도매칭부(520)는 본 발명에 의한 다중가설 기법을 이용하여, GPS/DR 프로세서로부터 제공되는 정보(대상체의 위치, 자세각, 가시위성수, 오차정보)와, 지도 데이터베이스부(400)로부터 제공되는 정보(각 링크의 자세각, 연결성 코드, 시설물코드, 방향성 코드 등)로부터 대상체의 위치를 지도상에 매칭하기 위한 것이다. 아래에서 설명될 원리에 의하여, GPS/DR 프로세서에 의하여 구해진 측정치를 각 링크에 투영하여 복수의 가설을 형성하고, 각 가설의 매칭확률을 산출하여 가장 높은 확률을 가지는 가설을 최종 매칭정보로 채택하는 방법을 수행하는 것이다. 이러한 지도매칭부는 전술한 알고리즘 소프트웨어를 구비하는 마이크로 프로세서로 구현될 수 있다.
도 4는 지도데이터베이스에 저장되어 있는 지도데이터의 예를 도시하는 것이다. 지도 데이터는 차량, 항공, 선박등 이동 대상체의 항법 시스템을 위한 기본이 되는 정보이며, 특히 육상 교통 수단에서 사용자의 위치표시, 경로안내 및 정보제공 등의 기능을 제공하는 중요한 데이터이다.
본 발명에 의한 지도매칭 방법에 이용되는 지도 데이터는 벡터 형식을 사용하며, 도로의 경우 도로의 교차점에 해당되는 노드(node), 노드 사이의 경로인 링크(link), 곡선 도로부분을 정의하기 위한 형상점(shaping node)으로 표현될 수 있고, 시설물 코드, 교통규제코드, 도로연결상태 등의 위상학적 정보를 포함하고 있다. 시설물 코드는 해당 지역 또는 링크에 어떠한 시설물이 설치되어 있는 지 나타내는 정보로서, 도로를 예를 들면, 지하도, 터널 등의 엄폐물이 있는 도로, 엄폐물에 인접한 도로, 엄폐물이 없는 일반도로 등으로 구분될 수 있다.
교통규제코드는 좌회전 금지, 일방통행, 통행금지구역 등과 같이 도로의 진행방향등과 관련된 교통규제정보를 포함하고 있다.
도 5는 본 발명에 의한 지도매칭방법의 과정을 전체적으로 도시하는 흐름도이다.
우선 GPS/DR 센서의 출력에 의한 타원체와 지도매칭필터에 의한 타원체의 공통영역을 유효화 영역으로 설정하고(S51), GPS/DR 시스템 센서의 출력에 따른 추정 위치를 유효화 영역내의 모든 링크에 정투영하여 의사측정치를 구한 후, 각 의사측정치를 하나의 온로드 가설로 형성한다(S52).
모든 온로드 가설에 하나의 오프로드 가설을 추가하여 최종적인 가설집합을 형성하고(S53), 각 가설에 대한 매칭 확률을 산출한다(S54). 가장 높은 확률을 가지는 가설에 의한 의사측정치를 기초로 지도상에 매칭하고, 출력장치를 통하여 사용자에게 결과를 출력한다(S55, S56). 또한, 최종 매칭이 이루어진 경우에 그 정보를 기초로 GPS/DR 센서의 위치 및 자세각 바이어스를 추정하여 갱신함으로써 다음 시점에서 정확한 매칭이 이루어지도록 할 수 있다(S57). 매칭확률 산출 및 바이어스 추정에 대해서는 아래에서 상세하게 설명한다.
아래에서는 본 발명에 의한 다중가설기법을 이용한 지도매칭 방법의 원리에 대하여 상세하게 설명한다.
지도 매칭을 위한 측정치는 GPS/DR 센서 출력을 기준으로 각 링크(link)상에정사영(projection)된 점을 의사측정치(Pseudo-measurement)로 가정한다.
GPS/DR 센서로부터 출력되는 정보중 지도 매칭에 이용되는 정보는 대상체의 위치(), 자세각(), 위치오차편차(σp), 자세각오차편차(σθ), 가시위성 개수(nsv)이다. 특히, GPS 수신기부에 의하여 제공되는 위치오차편차는 수학식 2와 같이 수신기에서 시선벡터 행렬(H)에 의한 오차공분산행렬(P)로 표현되며 2차원 해를 구할 경우에 타원체를 형성하게 된다.
GPS/DR 센서 출력과 그를 링크 l에 정투영한 의사측정치를 수학식 3과 4로 각각 나타내었다.
수학식 3에서 Zgps/dr,, σp, σθ, nsv는 각각 GPS/DR 센서출력, 추정된 위치, 추정된 자세각, 위치오차편차, 자세각 오차편차, 가시위성 개수를 나타낸다.
수학식 4에서 l과 i는 각각 링크(link)와 가설을 나타내며,는각각 링크에 정사영된 의사측정치의 위치, 링크의 자세각, 연결성코드, 시설물코드, 방향성 코드를 나타낸다.
의사 측정치는 수학식 2에 의한 GPS/DR 타원체와 지도매칭필터의 오차 공분산에 의한 타원체가 공통으로 겹치는 부분만을 유효화 영역으로 설정하게 된다. 지도 매칭필터의 오차공분산이란 칼만필터에 의해 계산되는 측정치에 대한 오차분포를 나타내는 수치값이며, 이 수치값은 행렬변환에 의하여 타원형태를 가지게 된다.
또한, 대상체가 정지하고 있거나 저속으로 운전하고 있을 경우 불필요한 가설형성을 억제하기 위하여 일전시간 간격마다의 출력(Zgps/dr)을 이용한다.
시간 t에서 유효화 영역내의 모든 링크들에 대한 의사측정치는 수학식 5와 같이 집합 Zl(t)로 정의되고, 집합을 구성하는 각 구성요소는 각각 가설을 형성한다. 또한, 하나의 오프로드 가설이 추가되어 다음의 수학식 5와 같은 총 가설집합이 형성된다.
한편, 본 발명에 이용되는 다중가설기법에서 대상체(차량)가 진행할 수 있는 도로는 하나이므로 단일의 표적문제로 가정하게 된다. 즉, 지도상에 매칭되는 위치는 하나인 것으로 가정한다.
여기에서 m은 시간 t에서의 모든 가설의 수이다. 즉, m-1개의 링크 가설과 하나의 오프로드 가설로 이루어진다. 베이시안 규칙(Bayesian Rule)을 사용하면GPS/DR의 센서출력과 의사측정치의 매칭확률, 즉 각 가설 또는 의사측정치의 매칭확률은 다음과 같이 된다.
여기에서 c는 표준화상수, Ωt-1는 이전 가설들이고, 가설들은 현재와 이전의 의사측정치 사이의 관계를 이용하여 형성된다. φ는 현재가설들의 집합을 위한 연관가설이다.
수학식 6의 우변 첫 번째 항은 시간 t에서의 해당 가설의 매칭확률이며, Zgps/dr과 Zl(t,i)의 차는 ΔZ로 표현된다. 수학식 3과 4를 이용하면 수학식 6의 우변 첫 번째 항은 다음과 같이 표현된다.
베이시안 규칙에 따라 수학식 7은 다시 다음과 같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식 8은 각 링크 l 에 대한 가설 i의 매칭 확률식으로 입체도로, 지하도록, 교차로 부근 등에서 구분의 모호성을 해결하기 위하여 인공지능 지도 매칭 개념을 도입한 시설물 코드 멤버함수 (우변 첫째 항; 아래에서 설명될)와 방향성 코드 멤버함수(우변 둘째항; 아래에서 설명될)를 도입하였다.
시설물 코드 멤버함수는 수학식 8의 우변 첫째 항의 조건에 의하여 표 1과 같이 주어진다. 주어진 조건은 해당 링크의 방향성(η), 위치차(δp), 자세각차(δθ), 연결성 코드(χ), 이전가설(Ωt-1), 가시위성수(nsv), 연관가설(φ)이다. 조건중에서 중요한 것은 가시위성의 개수와 시설물 코드가 있는 지역의 관계로서 수학식 9와 같은 멤버함수가 구성된다. 즉, 시설물 코드 멤버함수는 가시위성 개수와 시설물 코드에 따라 해당 가설에 주어지는 가중치의 의미로서, 표 1에서 보는 바와 같이, 가시위성이 없는 지역(nsv=0)에 대한 가설은 해당 지역(또는 링크)에 지하도, 터널, 지하도로 등과 같은 엄폐 시설물의 코드(ξl)가 설정되어 있을 때 상대적으로 높은 가중치(α)를 가지게 되며, 인접도로와 일반도로와 같은 시설물 코드가 부여되어 있는 가설에는 상대적으로 낮은 가중치(β, γ)가 부여된다.
이는 가시위성 개수가 없는 경우에는 대상체가 엄폐 시설물에 의하여 차폐되어 있을 확률이 많기 때문에, 그러한 시설물이 있는 지역(링크)에 대한 확률 가중치를 높게 설정하는 것이다.
마찬가지 원리로 가시위성의 개수가 1개 이상인 경우에는 일반도로 시설물 코드를 가지는 가설에 높은 가중치(α)를 부여하고, 지하도 등의 엄폐 시설물 코드를 가지는 가설에 대해서는 낮은 가중치(γ)를 부여한다.
시설물코드 평가함수
시설물 코드에 따른 확률할당
시설물코드 가시위성 개수(nsv)
0개 1개 이상
ξi l= 엄폐 시설물 α γ
ξi l= 인접지역 β β
ξi l= 일반도로 γ α
(단 α≥β≥γ)
방향성 코드에 대한 멤버함수, 즉 방향성 코드에 따른 확률할당은 수학식 8의 우변 둘째 항의 조건에 의해 표 2와 같이 주어진다. 주어지는 조건은 위치차(δp), 자세각차(δθ), 연결성 코드(χ), 이전가설(Ωt-1), 가시위성수(nsv), 연관가설(φ)이며, 이 중에서 자세각차(δθ)와 방향성 코드()를 변수로하여 가중치를 부여한다. 즉, 방향성 코드 멤버함수는 가설에 해당되는 링크의 방향성과 자세각 차이에 의하여 부여되는 가중치를 의미한다. 가중치는 자세각차이가 클수록, 또한 방향성 허용이 불가능할수록 더욱 낮은 값을 가지도록 한다. 즉, 해당 링크의 방향과 대상체의 측정 방향 사이의 각도차이가 클수록 해당 가설의 매칭 확률은 낮으며, 또한 방향성 코드에 의해 허용되는 방향과 대상체의 방향이 일치할수록 가중치를 높게 설정하는 것이다. 이러한 방향성 코드 멤버함수의 정의 및 가중치 값을 수학식 10 및 표 2에 정리하여 나타내었다.
방향성 코드 평가함수
방향성 코드에 따른 확률할당
차량의 방향 링크의 방향성 코드 자세각 차이(|δθi l(t)|)
≤15° ≤75° ≤90°
정방향 양방향 허용 α *Γ(α,γ) γ
정방향만 허용 α Γ(α,γ) γ
역방향만 허용 β Γ(β,γ) γ
통행금지 γ Γ(γ,ε) ε
역방향 양방향 허용 α Γ(α,γ) γ
정방향만 허용 β Γ(β,γ) γ
역방향만 허용 α Γ(α,γ) γ
통행금지 γ Γ(γ,ε) ε
(단, α≥β≥γ≥ε이고, Γ(a,b)는 a,b를 x,y 절편으로 하는 직선함수)
수학식 8의 우변 셋째항은 위치차와 자세각차에 의하여 주어지는 평가함수(멤버함수값)를 나타내며, 조건은 연결성 코드(χ), 이전가설(Ωt-1), 가시위성수(nsv), 연관가설(φ)이다. 현재가설은 이전가설과 연관되어진다고 가정하면, 즉 사전에 결정된 링크의 경우 N(x,B)의 정규화분포를 따라 아래의 수학식 11과 같이 정의된다.
위치차이 및 자세각차에 따른 표준화식 평가함수
여기에서 δZl(t,i)는 링크 l에 대한 의사측정치와 GPS/DR 센서에 의한 결과 사이의 위치차이 및 자세각 차이이며, H는 측정치 행렬이고,는 0으로 가정하며, B는 분산이다.
수학식 8의 우변 넷째항은 사전 가설(Ωt-1)과 현재가설 사이에 연결된 링크의 개수에 반비례하는 링크개수 평가함수로 정의된다. 가설과 링크는 일대일 매핑관계에 있는바, 이전 가설에 해당되는 링크와 현재 가설에 해당되는 링크 사이의 거리 또는 그 사이의 경유 링크의 수에 반비례하도록 가중치를 부여하는 것이다. 이전 가설의 링크로부터 현재가설의 링크까지 경유한 링크의 수가 작을수록 높은 확률을 배당하는 것이 당연하며, 확률 배당은 아래의 지수함수에 따르도록 한다.
경유링크 개수 평가함수
여기에서 τ0는 평균 링크 수를 나타내며, τ는 이전가설과 현재가설 사이의 경유링크의 수를 나타낸다.
한편, 수학식 6의 우변 둘째항은 이전 가설(Ωt-1)에 의하여 데이터 연관가설에 할당되는 확률, 즉 이전가설로부터 연관된 가설의 경우의 수를 의미한다. 이 확률은 수학식 13에서와 같이, 단일표적이라는 가정에 의하여 최종값은 1로 설정된다.
여기에서 NDL은 확인된 표적 링크를 나타내며, NTL은 이전에 확인된 표적링크가 전혀없을 경우에 임시표적을 나타낸다.
따라서, 위의 수학식 6에서 수학식 13까지를 정리하면 의사측정치에 의한 각 가설에 대한 최종 매칭 확률이 수학식 14와 같이 주어진다.
여기에서 c는 상수, PD는 탐지확률로서 디지털 지도상에서 표시가 되지않은 도로(링크)가 지도매칭상에서 탐지되는 경우를 나타내는 확률을 나타낸다. 즉, 지도 데이터에서 링크정보가 누락되는 경우가 발생하는 데 PD는 이러한 경우를 위하여 사용되는 것으로 링크정보가 있는 경우에는 1로, 그렇지 않은 경우에는 1 이하의 탐지확률값으로 주어진다.
또한, 시간 t에서 오프로드 가설에 대한 확률값은 실험에 의하여 결정되는 0 내지 1 사이의 상수값으로 주어진다. 오프로드 가설에 대한 확률값은 대상항체의 특성, 지역의 특성 등에 따라 실험적으로 선택된다.
예를 들어, 오프로드 진행할 확률이 높은 항체인 경우에는 오프로드 가설에 대한 확률값을 높게 선택함으로써 오프로드 가설이 잘 채택되도록 하며, 항체의 특성상 오프로드로 진행할 가능성이 낮은 경우에는 낮은 확률값으로 선택한다. 또한, 대상항체가 있는 주변지역의 특성상 항체가 전혀 진행할 수 없는 곳(예를 들면,바다나 하천과 같이)인 경우에는 오프로드 가설에 대한 확률값을 낮게 설정하여 오프로드 가설의 매칭가능성을 낮게 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 다중가설기법을 이용한 지도매칭법에서는 각 시간 t에서 가설경로중에서 최대임계확률(Maximun threshold probability) 이상을 가지는 가설을 최종 경로로 지도상에 매칭한다. 따라서, 가설들은 나무(tree) 형식으로 계속해서 전개되며 그 존재확률이 최소문턱확률(minimum threshold probability)보다 작은 경우와 매칭이 결정되었을 경우에 폐기한다.
매칭이 이루어진 이후에는 GPS/DR 센서의 위치 및 자세각 바이어스를 추정하여 다음 시점에서의출력에 이용하기 위하여 칼만 필터를 이용하게 된다. 이러한 칼만필터를 이용한 바이어스 추정에 대해서는 전술한 바와 같이 본 출원인의 제2001-020643호 한국출원에 상세하게 기재되어있으므로 본 명세서에서는 간략한 내용만 살펴본다.
본 발명에 사용되는 바이어스 추정을 위한 칼만필터는 GPS 신호가 장시간 수신되지 않거나 DR의 오차 누적으로 인한 GPS/DR 출력의 부정확성을 해결하기 위하여 적용되며, 상태방정식은 아래의 수학식 15로 표현된다.
여기에서 δpx와 δpy는 링크와 GPS/DR 출력의 위치차이, δθ는 대상체의 자세각(heading)차이, u(t)는 칼만필터에 의하여 추정된 바이어스, Φ는 상태천이행렬, w(t)는 평균 0와 공분산 Q를 가지는 정규 랜덤 변수들의 백색잡음(white noise)으로 가정한다. 측정방정식은 아래의 수학식 16으로 표현될 수 있다.
여기에서 H는 측정행렬이며, Zl(t,i)는 지도매칭이 이루어진 경우에 결정된 가설 i를 의미한다. 또한 v(t)는 평균 0과 공분산 R을 가지는 정규랜덤변수들의 백색잡음으로 가정한다.
본 발명에 의한 다중 가설 기법을 이용한 지도 매칭법의 성능을 평가하기 위하여 GPS/DR센서와 본 발명에 의한 지도 매칭법의 소프트웨어가 탑재된 차량을 구성하여 표 3과 같은 조건의 구간을 주행하도록 하였다. 표에서와 같이 주행 대상 지역은 교차로 및 고층 빌딩지역과 같이 가시위성개수가 빈번히 바뀌는 지역이며, 지하도로 및 하상도로 등의 시설물 코드 적용이 용이한 지역을 선택하였다.
주행 대상지역
지역구분 길이
교차로수 19개
고층 빌딩지역 8구역
4차선이상도로 24 km
2차선도로 17 km
지하 도로 5 km
시설물 지역 6 km
총 주행거리 52 km
도 6은 종래의 GPS/DR센서에 의한 지도매칭법과 본 발명에 의한 다중 가설 기법을 이용한 지도 매칭법의 결과를 비교 도시한 것이다. 흐린 실선은 GPS/DR센서출력을 의미하며, 진한 실선은 본 발명에 의한 지도 매칭법에 의하여 매칭된 주행궤적을 의미한다.
실험결과 시설물 코드, 방향성 정보(코드), 연결성 정보(코드)를 이용하여 전술한 멤버함수를 이용할 수 있는 지역의 매칭 성능이 향상된 것을 알 수 있다.
본 실험에서 형성된 가설의 개수는 1내지 7개이고, 최종적으로 매칭된 가설의 수는 0내지 1개로서, 가설의 개수가 기하급수적으로 증가하지 않아서 본 발명이 합리적으로 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
도 7은 시설물 코드 멤버함수에 의한 실험 결과를 도시한다.
이 지역은 입체도로와 일반도로가 수평으로 공존하는 지역이며, GPS/DR센서에 의한 가시위성개수가 0이 아니다. 따라서, 시설물 코드가 일반도로인 가설은 멤버함수에 의해 높은 가중치가 적용되고, 나머지 가설은 가중치가 낮게 적용되어 조기에 매칭을 결정할 수 있었다.
도 8은 방향성 멤버함수에 의한 실험 결과를 도시한다. 방향성 멤버함수에 의해 유턴(U-turn)이 이루어지는 지역에서 GPS/DR과 도로의 자세각차가 크고, 도로의 속성값이 일방통행인 도로가 상대적으로 낮은 가중치가 적용되어 유턴의 경우에도 정확한 매칭이 진행되었다.
도 9는 오프로드 가설이 채택된 결과를 도시한다. 도시된 바와 같이 차량이 도로 밖으로 벗어난 상태에서도 지도상에 잘 매칭되었으며, 오프로드 상태에서 다시 온로드 상태로 들어섰을 때 GPS/DR 센서의 출력에는 큰 오차가 있었으나, 본 발명에 의한 방법을 사용한 경우 도로에 정확하게 매칭되는 것을 알 수 있다.
본 발명에서는 다중 가설 기법을 이용한 지도 매칭법을 제안 하였다. 다중 가설 기법을 지도 매칭에 적용하기 위하여 단일 표적의 문제로 변환하여 사용하였다. 의사 측정치는 GPS/DR의 위치를 기준으로 오차 공분산 타원체와 지도 매칭 필터의 공분산에 의한 타원체 교집합, 즉 유효화 영역내의 링크를 이용하였다. 또한, 복잡한 도로에서의 성능 향상을 위해 도로의 연결성 코드, 방향성 코드, 시설물 코드 등을 확률산출에 고려함으로써 교차로, 입체도로지역, 지하도 등에서 지도 매칭의 성능을 향상시킬 수 있도록 설계하였다.
실험결과 도심의 빌딩 지역 및 입체도로 지역, 교차로 등에서 정확한 매칭이 가능하였으며, 오프로드 가설에 의해 GPS/DR센서출력이 도로의 궤적과 일치하지 않는 경우에도 사전에 결정된 도로에서 분리되어 오프로드를 진행하는 결과를 정확하게 매칭할 수 있었다.

Claims (10)

  1. 칼만필터를 포함하는 위성 항법장치/추측항법장치(GPS/DR) 통합 시스템, 지도데이터베이스, 지도매칭 필터를 포함하는 중앙제어부로서의 항법부(navigation unit), 출력장치를 포함하는 시스템을 이용한 방법으로서,
    상기 위성 항법장치/추측항법장치(GPS/DR) 통합 시스템의 출력 공분산에 의한 타원체와 상기 지도매칭필터의 오차공분산에 의한 타원체의 공통영역을 유효화영역으로 설정하는 유효화영역 설정단계;
    시간 t에서의 위성항법장치/추측항법장치(GPS/DR) 통합시스템에 의하여 측정된 결과를 이용하여 상기 유효화영역내에 있는 1 이상의 링크에 대응하는 의사측정치를 결정하고, 각 의사측정치에 대한 온로드 가설과, 하나의 오프로드 가설로 이루어지는 가설집합을 형성하는 가설형성단계;
    각 가설에 대한 최종 확률을 산출하는 확률산출단계;
    가장 높은 확률을 가지는 가설에 해당되는 의사측정치를 최종 위치로 결정하고 지도상에 매칭하는 매칭단계;
    출력장치에 표시된 지도상에 상기 최종 매칭위치를 출력하는 출력단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중가설기법을 이용한 지도매칭방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 매칭단계에서 결정된 최종 위치를 기초로 상기 위성항법장치/추측항법장치 통합시스템에 포함된 센서의 위치 및 자세각 바이어스를 추정하여 갱신함으로써, 다음 시점(t+1)에서 위성항법장치/추측항법장치 통합시스템의 출력에 이용하는 바이어스 추정단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다중가설기법을 이용한 지도매칭방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 지도 데이터베이스에 저장된 지도정보는 각 링크 및 지역 중 하나 이상에 대하여 연결성 코드, 시설물 코드, 방향성 코드 중 하나 이상의 코드가 설정되어 있으며,
    상기 확률산출단계에서는 위성항법장치/추측항법장치 통합 시스템에서 측정되는 시간 t에서의 가시위성개수, 상기 시설물코드, 연결성코드, 방향성 코드 중 하나 이상을 변수로 하여 확률을 산출하는 것을 특징으로 하는 다중가설기법을 이용한 지도매칭방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 하나의 항에 있어서,
    상기 확률산출단계에서 각 온로드 가설에 대한 확률은
    상기 시설물코드와 가시위성 개수를 변수로 하는 시설물코드 평가함수();
    자세각차이와 방향성코드를 변수로 하는 방향성코드평가함수();
    상기 의사측정치와 GPS/DR 통합시스템의 출력사이의 위치차이 및 자세각차이를 변수로 하는 위치차와 자세각차이 평가함수();
    (t-1)시점에서의 사전 가설(Ωt-1)과 t 시점에서의 현재가설 사이에 연결된 링크 개수를 변수로 하는 링크개수 평가함수();
    상기 지도데이터에서 해당 링크 정보가 누락되었는지 여부에 따라 주어지는 탐지확률(PD); 중 하나 이상을 곱함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 다중가설기법을 이용한 지도매칭 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 시설물코드 평가함수는
    상기 가시위성의 수가 0이 아닌 경우에는 터널, 지하도, 기타 도로상 구조물에 의하여 엄폐된 링크에 대한 가설보다 지상에 노출되어 있는 링크에 대한 가설에 더 높은 가중치를 부여하며, 가시위성의 수가 0인 경우에는 가중치를 상기와 반대로 부여하는 것을 특징으로 하는 다중가설기법을 이용한 지도매칭방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 방향성 코드 평가함수는,
    GPS/DR 통합시스템에 의한 측정 자세각과 링크 방향 사이의 각도로 정의되는 자세각차이 및 방향성 코드를 변수로 하여, 자세각차이가 작고 상기 측정 자세각이 링크의 방향성 코드에서 허가된 방향과 일치할수록 더 높은 가중치를 부여하는 것을 특징으로 하는 다중가설기법을 이용한 지도매칭방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 링크개수 평가함수()는 링크의 연결성 코드를 이용하여 이전의 가설과 현재에 형성된 가설까지의 연결성에 의하여 경유된 링크의 개수가 적은 링크에 대하여 보다 높은 가중치를 부여하며,
    상기 위치차와 자세각차이 평가함수()는 다음의 표준화식에 의한 값으로 주어지는 것을 특징으로 하는 다중가설기법을 이용한 지도매칭방법.
    δZl(t,i)는 링크 l에 대한 의사측정치와 GPS/DR 센서에 의한 결과 사이의 위치차이 및 자세각 차이이며, H는 측정치 행렬이고,는 0으로 가정, B는 분산, N은 표준화된 정규분포.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상기 링크개수 평가함수()는 다음 식에 의한 값으로 주어지는 것을 특징으로 하는 다중가설기법을 이용한 지도매칭방법.
    (τ0는 평균링크수)
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 확률산출단계에서 각 링크상에서의 온로드 가설에 대한 확률은 다음과 같은 식에 의하여 주어지는 것을 특징으로 하는 다중가설기법을 이용한 지도매칭방법.
    는 시설물코드 평가함수,는 방향성 코드 평가함수,는 위치차이와 자세각차이에 따른 표준화식 평가함수, PD는 탐지확률.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 하나의 항에 있어서,
    상기 확률산출단계에서 오프로드 가설에 대한 확률값은 0과 1 사이의 값 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다중가설기법을 이용한 지도매칭방법.
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