KR20070021872A - 추측 항법과 지피에스를 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법 - Google Patents

추측 항법과 지피에스를 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 추측 항법과 지피에스를 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 단절없는 정밀 측위 정보를 필요로 하는 차량 등에 장착되어 여러 오차 환경에 강인한 특성을 갖는 필터를 이용하여 환경에 강건한 측위 정보를 제공할 수 있는 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치에 있어서, 이동체의 이동거리를 계산하기 위한 이동체 가속도 측정 수단; 상기 이동체의 회전을 측정하기 위한 이동체 회전 측정 수단; GPS 데이터를 수신하여 가시위성의 위치와 의사거리 정보를 제공하기 위한 GPS 수신 수단; 및 상기 이동체 가속도 측정 수단과 이동체 회전 측정 수단을 이용하여 추측 항법(DR) 항법 정보를 계산하고, 계산된 상기 추측 항법(DR) 항법 정보와 상기 GPS 수신 수단의 출력 정보를 이용하여 측위 정보를 생성하기 위한 필터링 수단; 및 상기 필터링 수단에서 출력되는 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이 수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 복합 항법 시스템 등에 이용됨.
FIR 필터, 추측 항법(DR)/GPS, 오차, 측위 정보, 복합 항법 시스템

Description

추측 항법과 지피에스를 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법{Apparatus and Method for Complex Navigation Using Dead Reckoning and GPS}
도 1 은 본 발명에 따른 복합 항법 장치에 대한 일실시예 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 복합 항법 방법에 대한 일실시예 흐름도.
도 3 은 본 발명에 따른 복합 항법 장치의 필터링부에 대한 일실시예 설명도.
도 4 는 본 발명에 따른 복합 항법 방법 중 필터링 과정에 대한 일실시예 흐름도.
도 5 내지 도 9 는 본 발명에 따른 복합 항법 장치의 모의 시험 결과를 나타낸 일실시예 설명도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101 : 가속도계 102 : 자이로
103 : 시그마 포인트 생성부 104 : 시간전파부
105 : 의사거리 생성부 106 : 측정치 갱신부
107 : GPS 수신기 110 : 필터링부
120 : 디스플레이부
본 발명은 강건한 추측 항법(DR) 시스템과 위성 위치 확인 시스템(GPS)을 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단절없는 정밀 측위 정보를 필요로 하는 차량 등에 장착되어 여러 오차 환경에 강인한 특성을 갖는 필터를 이용하여 환경에 강건한 측위 정보를 제공할 수 있는 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
저급, 소형, 저전력, 저가의 위성 위치 확인 시스템(Global Positioning System : 이하, "GPS"라 함) 수신기가 개발됨에 따라 상업용 차량 항법시스템에서 측위 센서로 GPS 수신기가 주로 사용되어오고 있으며 GPS 수신기를 통해 획득된 차량의 위치 정보를 디지털 지도에 맵 매칭(map matching)하여 사용자에게 자신의 위치 및 속도 등의 항법정보와 길안내, 위험지역 알림 등의 위치기반서비스(LBS: Location Based Service)를 제공하고 있다. 그러나, GPS 수신기는 터널, 지하주차장, 도심지역 등에서와 같이 GPS 신호의 완전/부분적인 차단이 생기는 경우에는 정확한 위치 정보를 제공하지 못하는 문제점이 있었다.
따라서, 이러한 단절이 발생하는 측위 정보를 단절 없이 제공하기 위해 속도계, 지자계 센서, 관성센서 등으로 구성된 추측 항법(DR : Dead Reckoning) 시스템 을 GPS 수신기와 결합하여 DR/GPS 복합 항법 시스템으로 구성하기도 한다.
이러한 DR/GPS 복합 항법 시스템은 추측 항법(DR)의 형태, 결합 기법, 결합 필터에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 결합 필터는 칼만 필터가 대부분 사용되어오고 있다. 선형 시스템에 사용되는 칼만 필터를 비선형 시스템인 DR/GPS 복합 항법 시스템에 적용하기 위해 확장칼만필터(EKF: Extended Kalman Filter)가 사용된다.
확장칼만필터(EKF)는 초기 추정 오차가 작고, 시스템/측정치 잡음이 작고, 모델 불확실성이 없는 등의 좋은 환경에서는 정확하게 오차를 추정하여 DR/GPS 복합 항법시스템에서 성능이 좋은 측위 정보를 제공할 수 있다. 그러나, 초기 방위각 정보를 계산할 수 없는 경우, 시스템/측정치 잡음이 큰 경우, 모델 불확실성이 있는 경우 등과 같은 환경에서는 준최적(Suboptimal) 특성 또는 발산하는 특성을 보이기도 한다.
최근 이러한 단점을 보완하기 위한 여러 필터들(예를 들면, SPKF(Sigma Point Kalman Filter), RHKF(Receding Horizon Kalman FIR) 필터, 등)이 연구되고 있다. 그러나, SPKF(Sigma Point Kalman Filter)는 초기 추정오차의 크기에만 강인성을 갖고있고, RHKF(Receding Horizon Kalman FIR) 필터는 비선형 시스템에 대한 완전한 필터가 현재 구현되어 있지 않다. 따라서, 여러 오차 환경에서 강인한 특성을 갖는 필터가 없으며 확장칼만필터(EKF)를 이용한 차량 항법시스템에서는 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 단절없는 정밀 측위 정보를 필요로 하는 차량 등에 장착되어 여러 오차 환경에 강인한 특성을 갖는 필터를 이용하여 환경에 강건한 측위 정보를 제공할 수 있는 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치에 있어서, 이동체의 이동거리를 계산하기 위한 이동체 가속도 측정 수단; 상기 이동체의 회전을 측정하기 위한 이동체 회전 측정 수단; GPS 데이터를 수신하여 가시위성의 위치와 의사거리 정보를 제공하기 위한 GPS 수신 수단; 및 상기 이동체 가속도 측정 수단과 이동체 회전 측정 수단을 이용하여 추측 항법(DR) 항법 정보를 계산하고, 계산된 상기 추측 항법(DR) 항법 정보와 상기 GPS 수신 수단의 출력 정보를 이용하여 측위 정보를 생성하기 위한 필터링 수단; 및 상기 필터링 수단에서 출력되는 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 방법은, 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 방법에 있어서, 복합 항법 장치에 탑재된 내부 타이머를 이용하여 계산 주기 및 데이터 출력 주기를 설정하는 시간 설정 단계; A/D(Analog to Digital) 변환기를 이용하여 추측 항법(DR) 센서의 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 디지털화 단계; 상기 디지털화 단계에서 변환된 센서 데이터를 상기 복합 항법 장치의 내부 레지스터에 저장하고, 복합 항법 장치의 가속도계와 자이로를 사용하여 차량의 방위각과 속도 및 위치를 계산하는 추측 항법 정보 계산 단계; 상기 추측 항법 정보 계산 단계에서 계산된 항법 정보와 GPS 수신기 출력 정보를 이용하여 의사거리를 생성하고, 상기 생성된 의사거리 정보와 상기 GPS 수신기에서 제공되는 의사거리 정보를 사용하여 오차를 추정하는 오차 추정 단계; 및 상기 오차 추정 단계에서 추정된 오차가 보상된 항법 정보를 계산하고, 상기 계산된 항법 정보를 표시하는 항법 정보 표시단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 복합 항법 장치에 대한 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 항법 장치는, 이동체의 이동거리를 계산하기 위한 가속도계(101), 상기 이동체의 회전을 측정하기 위한 자이로(102), GPS 데이터를 수신하기 위한 GPS 수신기(107), 그리고 상기 가속도계(101)와 자이로(102)를 이용하여 추측 항법(DR) 항법 정보를 계산하고, 계산된 상기 추측 항법(DR) 항법 정보와 상기 GPS 수신기(107) 출력 정보를 이용하여 측위 정보를 생성하는 필터링부(110), 그리고 상기 필터링부(110)에서 출력되는 정보를 디스플레이하는 디스플레이부(120)를 포함한다.
상기 필터링부(110)는 상기 추측 항법(DR)에 사용되는 필터의 상태변수 평균과 오차 공분산의 정보를 사용하여 시그마 포인트를 생성하는 시그마 포인트 생성부(103), 상기 시그마 포인트 생성부(103)에서 생성된 시그마 포인트를 사용하여 추측 항법(DR)을 수행하는 시간전파부(104), 추측 항법(DR)의 항법해와 상기 GPS 수신기(107)에서 출력된 위성의 위치 정보를 사용하여 추측 항법의 오차가 포함된 의사거리를 생성하는 의사거리 생성부(105), 그리고 상기 GPS 수신기(107)의 출력 정보와 의사거리 생성부(105)에서 생성된 의사거리를 비교하여 상기 시그마 포인트 생성부(103)의 시그마 포인트를 갱신하는 측정치 갱신부(106)를 포함한다.
상기한 바와 같은, 본 발명에 따른 복합 항법 장치의 각각의 구성에 대하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 가속도계(101)는 차량의 전진방향의 가속도를 측정하여 이동 거리를 계산하기 위한 것으로 어떤 종류의 가속도계라도 무방하며 차량의 전진방향으로 정렬하여 장착한다.
상기 자이로(102)는 차량의 회전을 측정하기 위해 사용하는 것으로서, 차량의 방위각 계산과 지면 경사 변화에 의한 롤, 피치각 계산을 수행한다.
상기 시그마 포인트 생성부(103)는 사용되는 필터의 상태변수(차수 N)의 평균과 오차 공분산의 정보를 사용하여 계산되는 정보로써 시그마 포인트 칼만필터의 종류에 따라 "2*N+1"개 또는 "N+2"개 등으로 생성될 수 있다.
상기 시간전파부(104)는 생성된 시그마 포인트를 사용하여 추측 항법(DR)을 수행하는 것으로서, 위치, 속도, 방위각, 가속도계 바이어스, 자이로 바이어스, GPS 수신기 시계 바이어스의 계산주기 동안의 전파 과정을 하기의 [수학식1]과 같이 수행하는 것이다.
Figure 112005058557313-PAT00001
여기서,
Figure 112005058557313-PAT00002
는 상태변수 시그마 포인트 중 j번째를 의미하며 i는 상태변수를 의미한다. 즉, "1"은 북쪽 이동 위치, "2"는 동쪽 이동 위치, "3"은 차량의 전진방향 수평 속도, "4"는 방위각, "5"는 가속도계 바이어스, "6"은 자이로 바이어스, 그리고 "7"은 GPS 수신기 시계 오차를 나타낸다.
그리고,
Figure 112005058557313-PAT00003
는 차량의 x축 방향 장착 가속도계 출력을 나타낸 것이며,
Figure 112005058557313-PAT00004
는 차량의 z축 방향 장착 자이로의 출력을 나타낸 것이며,
Figure 112005058557313-PAT00005
는 시간전파 주기를 의미한다. 아래첨자 k는 측정치 갱신된 시간 k를 나타낸 것이며,
Figure 112005058557313-PAT00006
은
Figure 112005058557313-PAT00007
시점까지의 측정치를 사용하여 시간 k로 시간전파하는 것을 의미한다.
이렇게 시간전파된 시그마 포인트는 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)에서 제시하는 방법에 의하여 상태변수와 오차 공분산과 측정치의 시간갱신을 수행한다.
상기 의사거리 생성부(105)는 강결합 기법에서 필요한 추측 항법(DR)의 항법해와 가시위성의 위치 정보를 사용하여 추측 항법(DR)의 오차가 포함된 의사거리를 하기의 [수학식 2]와 같이 생성하는 역할을 한다.
Figure 112005058557313-PAT00008
여기서, i는 i번째 가시위성을 의미하며, j는 j번째 시그마 포인트를 의미한다. 그리고,
Figure 112005058557313-PAT00009
는 i번째 가시위성의 ECEF(Earth-Centered Earth-Fixed) 좌표 계 상의 위치를 나타낸 것이며,
Figure 112005058557313-PAT00010
는 추측 항법(DR)로 계산된 위치를 나타낸 것이다. 또한,
Figure 112005058557313-PAT00011
는 추정된 수신기 시계 오차에 해당하는 시그마 포인트를 의미한다.
상기 측정치 갱신부(106)는 GPS 수신기(107)가 데이터를 출력하는 경우 그 정보를 사용하여 시그마 포인트를 갱신하는 역할을 한다.
강결합 추측 항법(DR)과 GPS를 이용한 복합 항법 장치에서는 측정치가 하기의 [수학식 3]과 같이 의사거리의 오차가 된다.
Figure 112005058557313-PAT00012
여기서,
Figure 112005058557313-PAT00013
는 k 시점에서 GPS 수신기(107)가 제공하는 i번째 의사거리를 의미하며 n은 가시위성의 수이다.
이 측정치를 사용하여 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)에서 제시하는 방법에 의하여 상태변수와 오차 공분산의 측정치 갱신을 수행한다.
그리고, 상기 GPS 수신기(107)는 GPS 위성을 사용하여 수신기의 위치정보를 제공하는 것으로 강결합 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치에서는 가시위성의 위치와 의사거리 정보를 제공하는 역할을 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 복합 항법 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 항법 방법은, 먼저 복합 항법 장치에 탑재된 내부 타이머를 이용하여 계산 주기 및 데이터 출력 주기를 설정하고(201), A/D(Analog to Digital) 변환기를 이용하여 추측 항법(DR) 센서의 아날로그 값을 디지털 값으로 변환한다(202).
다음으로, 변환된 센서 데이터를 복합 항법 장치의 내부 레지스터에 저장하고(203), 복합 항법 장치의 가속도계와 자이로를 사용하여 차량의 방위각과 속도 및 위치를 계산한다(204).
다음으로, 상기에서 계산된 항법 정보와 GPS 수신기 출력 정보를 이용하여 의사거리를 생성하고(205), 상기 생성된 의사거리 정보와 GPS 수신기에서 제공되는 의사거리 정보를 사용하여 오차를 추정한다(206).
이어서, 오차가 보상된 항법 정보를 계산하고, 내부 타이머에 설정되어 있는 출력주기에 의한 타이머 인터럽트가 발생하면 계산된 항법 정보를 직렬 통신으로 외부 시스템에 전송하고 액정디스플레이 모듈에 표시한다(207).
도 3 은 본 발명에 따른 복합 항법 장치의 필터링부에 대한 일실시예 설명도로서, 측위를 위한 필터링부의 이동구간 개념을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 복합 항법 장치에서의 측위를 위한 필터링부의 이동구간은, 현 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(301), 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302), 다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(303), 그리고 다음 구간의 액티브 섹션(Active Section)(304)으로 구성된다.
현 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(301)은 필터 초기에만 존재하는 것으로 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302) 전에 존재하는 구간이며 이 구간에서 계산된 항법정보는 사용하지 않는다.
현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)은 현 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(301)의 마지막으로 계산된 정보를 그대로 사용하여 연속적으로 항법정보를 계산하며 이 구간에서 계산된 항법정보는 유용한 정보이며 사용된다.
다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(303)은 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)과 동시에 구동되는 것으로 구간 처음에 초기화되며 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)과 동일한 계산 과정을 갖는다. 이 구간에서 계산된 항법정보는 사용하지 않는다.
다음 구간의 액티브 섹션(Active Section)(304)은 다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(303)의 마지막으로 계산된 정보를 그대로 사용하여 연속적으로 항법정보를 계산하며 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)이 끝나는 시점에 시작되며 이 구간의 이름은 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)으로 바뀌게 된다. 즉, 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)은 다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(303)과 같이 독립적으로 구동되며 다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)(303)이 끝나고 액티브 섹션(Active Section)이 되면 이 구간이 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)(302)으로 대체되는 것이다.
도 4 는 본 발명에 따른 복합 항법 방법 중 필터링 과정에 대한 일실시예 흐름도로서, 추측 항법 정보 계산과 오차 추정을 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 항법 방법 중 필터링 과정은, 먼저 사용되는 필터의 상태변수를 설정하고(401), 이동구간(Receding Horizon)의 형태와 크기를 설정한다(402).
다음으로, 상기 상태변수 초기정보를 사용하여 시그마 포인트 및 가중치를 계산하여 설정하고(403), 추측 항법(DR) 시스템의 항법해를 시간전파(Time Propagation) 한다(404).
다음으로, GPS 출력 정보를 이용하여 필터 측정치를 계산하고(405), 상기 추측 항법(DR) 시스템의 오차 및 GPS 수신기의 시계 오차를 추정하여 측정치를 갱신한다(406).
이어서, 히든 섹션(Hidden Section)과 액티브 섹션(Active Section)을 판별하여(407), 현 구간의 히든 섹션이면 시그마 포인트 및 가중치 설정 과정(403)으로 진행하고, 액티브 섹션(Active Section)의 시작이면(408) 다음 구간(Posterior Horizon)의 히든 섹션(Hidden Section)을 초기화하고(409), 시그마 포인트 및 가중치 설정 과정으로 진행하며(403), 액티브 섹션(Active Section)이면서 섹션(Section)의 시작 시점이 아니면 현 구간(Current Horizon)과 다음 구간을 병행 계산한 후, 항법정보를 출력하고(410), 시그마 포인트 및 가중치 설정 과정(403)으로 진행한다.
한편, 상기 과정 중 이동구간 형태와 크기를 설정하는 과정(402)은, 필터의 수렴 속도를 고려하여 필터의 크기를 설정하고, 상기 설정된 필터의 크기에 의하여 이동구간의 이동 간격을 설정하며, 이동구간의 히든 섹션(Hidden Section)과 액티 브 섹션(Active Section)으로 구분하는 단계를 포함한다. 여기서, 이동구간의 크기 설정은 상기 도 2의 액티브 섹션(Active Section) 크기의 두 배가 되는 이동구간의 크기를 결정하는 것이다. 이 크기는 일반적으로 필터 차수의 크기의 두 배 이상이어야 한다. 즉, 이동구간의 크기를 크게 설정하면 FIR(Finite Impulse Response) 필터의 장점이 줄어들며, 작게 설정하면 필터의 수렴 정도가 떨어지게 되므로 적절하게 설정하여야 한다.
한편, 시그마 포인트 및 가중치 계산 과정(403)은 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)가 제시하는 방법으로 수행할 수 있다.
또한, 상기 과정 중 추측 항법(DR) 시스템의 항법해를 시간전파 하는 과정(404)은, 상기 상태변수들 사이의 관계식을 정립한 후, 시그마 포인트들 사이의 관계를 상기 상태변수들 사이의 관계식을 사용하여 정립한다. 그리고, 시그마 포인트를 상기 관계식에 따라 시간전파하며, 상기 시간전파를 시그마 포인트의 수만큼 반복하는 과정을 포함한다.
한편, 측정치 갱신 과정(406)에 의하여 추정된 항법정보는 구간이 액티브 섹션(Active Section)이 시작된 시점이면 출력하여 항법정보로 사용된다.
또한, 상기 과정 중 다음 구간의 초기화하는 과정(409)은, 상태변수를 초기화하고, 오차 공분산 행렬을 초기화하며, 변수의 초기화 단계를 포함한다. 즉, 다음 구간 초기화 과정(409)은 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)이 시작되는 시점에서 다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)의 초기화를 하는 것으로 상태변수는 현 구간의 최종 추정치로 오차 공분산행렬은 필터 구동 초기에 설정된 오차 공분산행렬로 초기화한다.
또한, 상기 과정 중 현 구간과 다음 구간을 병행 계산하는 과정은, 현 구간에서 사용되는 변수를 사용하여 시간전파와 측정치 갱신을 하고, 다음 구간에서 사용되는 변수를 사용하여 시간전파와 측정치 갱신을 수행한다.
또한, 상기 과정 중 항법정보 출력 과정은, 현 구간의 측정치 갱신으로부터 상태변수를 추출하여, 추출된 상태변수를 출력 또는 비출력을 구분한 후, 출력 상태변수를 SI단위로 변환시켜 항법정보가 사용될 장치로 전송한다.
도 5 내지 도 9 는 본 발명에 따른 복합 항법 장치의 모의 시험 결과를 나타낸 일실시예 설명도로서, 여러 시험 환경에서 수행된 확장칼만필터(EKF), SPKF(Sigma Point Kalman Filter), 본 발명에 따른 필터의 결과의 추정오차를 나타낸 것이다.
각 그림의 x축에 나타낸 1, 2, 3은 각각 확장칼만필터(EKF), SPKF(Sigma Point Kalman Filter), 본 발명에 따른 필터를 의미한다.
도 5의 시험 환경은 다음과 같다.
가속도계(101)와 자이로(102)는 랜덤 워크(random walk) 성분의 오차를 가지며 필터는 센서 오차를 랜덤 워크로 모델링 한다.
도 5의 시험 환경에서 상기 도 1의 복합 항법 장치를 수행한 경우에 대하여 세 가지 필터의 추정 오차의 크기는 거의 비슷한 것을 볼 수 있다. 이 결과 좋은 환경에서는 세 가지 필터의 성능이 유사한 것을 알 수 있다.
도 6의 시험 환경은 다음과 같다.
가속도계(101)와 자이로(102)는 랜덤 워크 성분의 오차를 가지며 필터는 센서 오차를 랜덤 상수(random constant)로 모델링한다.
도 6의 시험 환경에서 상기 도 1의 복합 항법 장치를 수행한 경우 확장칼만필터(EKF)와 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)보다 제안된 형태의 필터의 추정 오차의 크기가 작은 것을 볼 수 있다. 이 결과 모델링 오차가 있는 경우 제안된 형태의 필터가 다른 필터보다 좋은 성능을 갖는 것을 볼 수 있다.
도 7의 시험 환경은 다음과 같다.
가속도계(101)와 자이로(102)는 랜덤 상수의 오차를 가지며 필터는 센서 오차를 랜덤 상수로 모델링 한다. 그리고 총 120초 운행 구간 중 30초와 60초 사이에 크기의 일시적인 가속도계 불확실성 바이어스 오차를 갖는다.
도 7의 시험 환경에서 상기 도 1의 복합 항법 장치를 수행한 경우 확장칼만필터(EKF)와 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)보다 제안된 형태의 필터의 추정 오차의 크기가 작은 것을 볼 수 있다. 이 결과 일시적인 센서 불확실성 오차가 있는 경우 제안된 형태의 필터가 다른 필터보다 좋은 성능을 갖는 것을 볼 수 있다.
도 8의 시험 환경은 다음과 같다.
가속도계(101)와 자이로(102)는 랜덤 워크 성분의 오차를 가지며 필터는 센서 오차를 랜덤 워크로 모델링 한다. 그리고 초기 방위각 추정 오차를 160도로 설정한다.
도 8의 시험 환경에서 상기 도 1의 복합 항법 장치를 수행한 경우 확장칼만필터(EKF)는 필터가 발산하는 것을 볼 수 있으며 SPKF(Sigma Point Kalman Filter) 와 제안된 형태의 필터의 추정 오차의 크기가 작은 것을 볼 수 있다. 이 결과 초기 추정오차의 크기가 큰 경우 자코비안 행렬의 계산이 필요한 확장칼만필터(EKF)는 발산하지만 자코비안 행렬의 계산이 필요하지 않은 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)와 제안된 형태의 필터는 좋은 성능을 갖는 것을 볼 수 있다.
도 9의 시험 환경은 다음과 같다.
가속도계(101)와 자이로(102)는 랜덤 워크 성분의 오차를 가지며 필터는 센서 오차를 랜덤 워크로 모델링 한다. 그리고, 45초와 53초 구간에서는 가시위성의 수가 2개, 54초와 60초 구간에서는 가시위성의 수가 0으로 설정한다.
도 9의 시험 환경에서 상기 도 1의 복합 항법 장치를 수행한 경우 세 필터의 성능은 크게 차이가 나지는 않으나 확장칼만필터(EKF)보다 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)와 제안된 형태의 필터의 추정 오차의 크기가 작은 것을 볼 수 있다. 이 결과 도심 지역과 같이 가시위성의 수가 변하는 경우 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)와 제안된 형태의 필터가 좋은 성능을 갖는 것을 볼 수 있다.
그리고, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 차량용, 보행용, 항공용, 항해용 등의 항법시스템에서 당 분야의 통상적 지식을 가진 자에 의하여 사용 가능함을 밝혀둔다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기 로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 모델링 오차, 일시적인 센서 불확실성 오차, 큰 초기 추정 오차, 가시위성의 수가 4개 이하로 변하는 등의 환경에서 오차가 증가/발산하는 확장칼만필터(EKF)의 기술적, 구조적 한계를 극복하고 강건한 측위 정보를 사용자에게 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 차량용 뿐 아니라 보행용, 항공용, 항해용 항법장치에서 위치, 속도, 자세 등의 항법정보를 제공하는 필터로 사용될 수 있으며 추측 항법(DR)/GPS뿐 아니라 다양한 센서 융합(fusion) 시스템에서 필터 상태변수의 변형에 의하여 사용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (17)

  1. 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치에 있어서,
    이동체의 이동거리를 계산하기 위한 이동체 가속도 측정 수단;
    상기 이동체의 회전을 측정하기 위한 이동체 회전 측정 수단;
    GPS 데이터를 수신하여 가시위성의 위치와 의사거리 정보를 제공하기 위한 GPS 수신 수단; 및
    상기 이동체 가속도 측정 수단과 이동체 회전 측정 수단을 이용하여 추측 항법(DR) 항법 정보를 계산하고, 계산된 상기 추측 항법(DR) 항법 정보와 상기 GPS 수신 수단의 출력 정보를 이용하여 측위 정보를 생성하기 위한 필터링 수단; 및
    상기 필터링 수단에서 출력되는 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이 수단
    을 포함하는 복합 항법 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터링 수단은,
    상기 추측 항법(DR)에 사용되는 필터의 상태변수 평균과 오차 공분산의 정보를 사용하여 시그마 포인트를 생성하기 위한 시그마 포인트 생성 수단;
    상기 시그마 포인트 생성 수단에서 생성된 시그마 포인트를 사용하여 추측 항법(DR)을 수행하기 위한 시간전파 수단;
    상기 시간전파 수단에서 출력된 추측 항법(DR)의 항법해와 상기 GPS 수신 수단에서 출력된 위성의 위치 정보를 사용하여 추측 항법의 오차가 포함된 의사거리를 생성하기 위한 의사거리 생성 수단; 및
    상기 GPS 수신 수단의 출력 정보와 의사거리 생성 수단에서 생성된 의사거리를 비교하여 상기 시그마 포인트 생성 수단의 시그마 포인트를 갱신하기 위한 측정치 갱신 수단
    을 포함하는 복합 항법 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이동체 가속도 측정 수단은,
    상기 이동체의 전진방향의 가속도를 측정하여 이동 거리를 계산하기 위한 것으로 상기 이동체의 전진방향으로 정렬하여 장착하는 것을 특징으로 하는 복합 항법 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 이동체 회전 측정 수단은,
    상기 이동체의 회전을 측정하기 위해 사용하는 것으로서, 이동체의 방위각 계산과 지면 경사 변화에 의한 롤, 피치각 계산을 수행하는 것을 특징으로 하는 복합 항법 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 시그마 포인트 생성 수단은,
    사용되는 필터의 상태변수(차수 N)의 평균과 오차 공분산의 정보를 사용하여 계산되는 정보로서 시그마 포인트 칼만필터의 종류에 따라 소정 개수로 생성 될 수 있는 것을 특징으로 하는 복합 항법 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 시간전파 수단은,
    상기 시그마 포인트 생성 수단에서 생성된 시그마 포인트를 사용하여 추측 항법(DR)을 수행하는 것으로서, 위치, 속도, 방위각, 가속도계 바이어스, 자이로 바이어스, GPS 수신기 시계 바이어스의 계산주기 동안의 전파 과정을 하기의 [수학식]과 같이 수행하며, 시간전파된 시그마 포인트는 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)에서 제시하는 방법에 의하여 상태변수와 오차 공분산과 측정치의 시간갱신을 수행하는 것을 특징으로 하는 복합 항법 장치.
    [수학식]
    Figure 112005058557313-PAT00014
    여기서,
    Figure 112005058557313-PAT00015
    는 상태변수 시그마 포인트 중 j번째를 의미하며 i는 상태변수를 의미("1"은 북쪽 이동 위치, "2"는 동쪽 이동 위치, "3"은 차량의 전진방향 수평 속도, "4"는 방위각, "5"는 가속도계 바이어스, "6"은 자이로 바이어스, 그리고 "7"은 GPS 수신기 시계 오차)하고,
    Figure 112005058557313-PAT00016
    는 차량의 x축 방향 장착 가속도계 출력을 나타낸 것이며,
    Figure 112005058557313-PAT00017
    는 차량의 z축 방향 장착 자이로의 출력을 나타낸 것이며,
    Figure 112005058557313-PAT00018
    는 시간전파 주기를 의미하고, 아래첨자 k는 측정치 갱신된 시간 k를 나타낸 것이며,
    Figure 112005058557313-PAT00019
    은
    Figure 112005058557313-PAT00020
    시점까지의 측정치를 사용하여 시간 k로 시간전파하는 것을 의미함.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 의사거리 생성 수단은,
    상기 추측 항법(DR)의 항법해와 가시위성의 위치 정보를 사용하여 추측 항법(DR)의 오차가 포함된 의사거리를 하기의 [수학식]과 같이 생성하는 것을 특징으로 하는 복합 항법 장치.
    [수학식]
    Figure 112005058557313-PAT00021
    여기서, i는 i번째 가시위성을 의미하며, j는 j번째 시그마 포인트를 의미하고,
    Figure 112005058557313-PAT00022
    는 i번째 가시위성의 ECEF(Earth-Centered Earth-Fixed) 좌표계 상의 위치를 나타내며,
    Figure 112005058557313-PAT00023
    는 추측 항법(DR)로 계산된 위치를 나타내고,
    Figure 112005058557313-PAT00024
    는 추정된 수신기 시계 오차에 해당하는 시그마 포인트를 의미함.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 측정치 갱신 수단은,
    상기 GPS 수신 수단이 데이터를 출력하는 경우 그 정보를 사용하여 시그마 포인트를 갱신하는 역할을 수행하되, 상기 추측 항법(DR)과 GPS를 이용한 복합 항법에서는 측정치가 하기의 [수학식]과 같이 의사거리의 오차가 되고, 상기 측정치 를 사용하여 SPKF(Sigma Point Kalman Filter)에서 제시하는 방법에 의하여 상태변수와 오차 공분산의 측정치 갱신을 수행하는 것을 특징으로 하는 복합 항법 장치.
    [수학식]
    Figure 112005058557313-PAT00025
    여기서,
    Figure 112005058557313-PAT00026
    는 k 시점에서 GPS 수신 수단이 제공하는 i번째 의사거리를 의미하며 n은 가시위성의 수임.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 GPS 수신 수단은,
    GPS 위성을 사용하여 상기 GPS 수신 수단의 위치정보를 제공하는 것으로 상기 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 장치에서는 가시위성의 위치와 의사거리 정보를 제공하는 역할을 한다.
  10. 추측 항법과 GPS를 이용한 복합 항법 방법에 있어서,
    복합 항법 장치에 탑재된 내부 타이머를 이용하여 계산 주기 및 데이터 출력 주기를 설정하는 시간 설정 단계;
    A/D(Analog to Digital) 변환기를 이용하여 추측 항법(DR) 센서의 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 디지털화 단계;
    상기 디지털화 단계에서 변환된 센서 데이터를 상기 복합 항법 장치의 내부 레지스터에 저장하고, 복합 항법 장치의 가속도계와 자이로를 사용하여 차량의 방위각과 속도 및 위치를 계산하는 추측 항법 정보 계산 단계;
    상기 추측 항법 정보 계산 단계에서 계산된 항법 정보와 GPS 수신기 출력 정보를 이용하여 의사거리를 생성하고, 상기 생성된 의사거리 정보와 상기 GPS 수신기에서 제공되는 의사거리 정보를 사용하여 오차를 추정하는 오차 추정 단계; 및
    상기 오차 추정 단계에서 추정된 오차가 보상된 항법 정보를 계산하고, 상기 계산된 항법 정보를 표시하는 항법 정보 표시단계
    를 포함하는 복합 항법 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 추측 항법 정보 계산 단계 및 오차 추정 단계는,
    사용되는 필터의 상태변수를 설정하는 상태변수 설정 단계;
    이동체의 이동구간(Receding Horizon)의 형태와 크기를 설정하는 이동구간 설정 단계;
    상기 상태변수 설정 단계에서의 상태변수 초기정보를 사용하여 시그마 포인 트 및 가중치를 계산하여 설정하는 시그마 포인트 및 가중치 계산 단계;
    추측 항법(DR) 시스템의 항법해를 시간전파(Time Propagation)하는 시간전파 단계;
    GPS 출력 정보를 이용하여 필터 측정치를 계산하는 필터 측정 단계;
    상기 추측 항법(DR) 시스템의 오차 및 GPS 수신기의 시계 오차를 추정하여 측정치를 갱신하는 측정치 갱신 단계;
    히든 섹션(Hidden Section)과 액티브 섹션(Active Section)을 판별하여, 현 구간의 히든 섹션이면 상기 시그마 포인트 및 가중치 계산 단계로 진행하고, 액티브 섹션(Active Section)의 시작이면 다음 구간(Posterior Horizon)의 히든 섹션(Hidden Section)을 초기화하고, 상기 시그마 포인트 및 가중치 계산 단계로 진행하며, 액티브 섹션(Active Section)이면서 섹션(Section)의 시작 시점이 아니면 현 구간(Current Horizon)과 다음 구간을 병행 계산한 후, 항법정보를 출력하고, 상기 시그마 포인트 및 가중치 계산 단계로 진행하는 항법정보 이용 단계
    를 포함하는 복합 항법 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 이동구간 설정 단계는,
    필터의 수렴 속도를 고려하여 필터의 크기를 설정하고, 상기 설정된 필터의 크기에 의하여 이동구간의 이동 간격을 설정하며, 이동구간의 히든 섹션(Hidden Section)과 액티브 섹션(Active Section)으로 구분하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 항법 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 시그마 포인트 및 가중치 계산 단계는,
    실질적으로, SPKF(Sigma Point Kalman Filter)가 제시하는 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 복합 항법 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 시간전파 단계는,
    상기 상태변수들 사이의 관계식을 정립한 후, 시그마 포인트들 사이의 관계를 상기 상태변수들 사이의 관계식을 사용하여 정립하고, 상기 시그마 포인트를 상기 관계식에 따라 시간전파하며, 상기 시간전파를 시그마 포인트의 수만큼 반복하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 항법 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 항법정보 이용 단계는,
    상기 다음 구간의 초기화하는 과정에서 상태변수를 초기화하고, 오차 공분산 행렬을 초기화하며, 변수의 초기화 단계를 포함한하되, 다음 구간 초기화 과정이 현 구간의 액티브 섹션(Active Section)이 시작되는 시점에서 다음 구간의 히든 섹션(Hidden Section)의 초기화를 하는 것으로 상태변수가 현 구간의 최종 추정치로 오차 공분산행렬은 필터 구동 초기에 설정된 오차 공분산행렬로 초기화하는 것을 특징으로 하는 복합 항법 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 항법정보 이용 단계는,
    상기 현 구간과 다음 구간을 병행 계산하는 과정에서 현 구간에서 사용되는 변수를 사용하여 시간전파와 측정치 갱신을 하고, 다음 구간에서 사용되는 변수를 사용하여 시간전파와 측정치 갱신을 수행하는 것을 특징으로 하는 복합 항법 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 항법정보 이용 단계는,
    상기 항법정보 출력 과정에서 현 구간의 측정치 갱신으로부터 상태변수를 추출하여, 추출된 상태변수를 출력 또는 비출력을 구분한 후, 출력 상태변수를 SI단위로 변환시켜 항법정보가 사용될 장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 복합 항법 방법.
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