KR20080055479A

KR20080055479A - 차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법

Info

Publication number: KR20080055479A
Application number: KR1020060128865A
Authority: KR
Inventors: 박상현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-06-19

Abstract

차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법이 제공된다. 다중경로 검출을 위한 임계값을 계산하고, 다중경로 오차 벡터를 계산한다. 다중경로 오차 벡터를 이용하여 결정변수를 계산한 후, 상기 결정변수의 크기와 임계값을 비교한다. 결정변수의 크기가 임계값보다 작으면 새 측정 벡터 모델을 생성하여 상기 과정을 다시 수행한다. 결정변수의 크기가 임계값보다 크면, 다중경로로 판단하고, 마지막으로 다중경로 오차를 제거한다. 본 발명에 의하면 다중경로 오차를 제거함으로써, 보다 정확하고 우수한 측위 결과를 제공한다는 효과가 있다.

다중경로, multipath, GPS, DR, 네비게이션, 차량, 오차, 안테나.

Description

차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법 {Method for eliminating multipath error in car navigation system}

도 1은 종래 차량 항법 장치의 측위 로직의 블록도이다.

도 2는 다중경로 오차가 발생하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 항법 장치의 측위 로직의 블록도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 5 내지 도 7은 종래 차량 항법 장치를 테스트한 화면예이다.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 항법 장치를 테스트한 화면예이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

110 GPS 헤딩 120 자이로

130 GPS 속도 140 오도미터

150 GPS 위치 160 헤딩 KF

170 속도 KF 180 DR

190 다중경로 제거 알고리즘 200 위치 KF

본 발명은 차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 위성 항법 장치(GPS)와 추측 항법 장치(DR)를 통합한 차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량 항법 시스템(navigation system)에서 가장 중요한 기술 중의 하나는 대상체의 정확한 위치를 얻는 것이다. 종래 차량 항법 장치는 대상체의 정확한 측위를 위하여 위성전파 항법 시스템인 GPS(Global Positioning System)와 자이로스코프와 가속도계 등의 센서를 이용한 추측 항법인 DR(Dead Reckoning)을 병합하여 사용하고 있다.

GPS는 항법위성을 이용하여 전세계 어디에서나 대상체의 위치, 속도, 시간 정보를 알아낼 수 있는 전파 항법 시스템이다. GPS의 항법해는 수신기 잡음, 다중경로 오차 등으로 인하여 단시간 안정성은 좋지 않지만, 항상 일정 범위 내의 오차를 갖기 때문에 장시간 안정성은 매우 뛰어나다. 그러나, GPS 수신기는 위성신호가 차단될 경우 항법해를 제공할 수 없다는 단점이 있다.

DR을 포함하는 추측항법장치는 차속센서 또는 가속도계와 자이로스코프 또는 지자기센서를 이용한 자립형 항법 시스템이다. DR은 연속적인 항법해를 제공하며, 단시간 안정성은 우수하지만 시간이 지날수록 오차가 누적하기 때문에 장시간 안정성은 좋지 않다.

일반적으로 차량 항법 장치에서는 GPS와 DR을 병합한 측위 방법인 하이브리드 측위 방법을 사용하고 있으며, 도 1은 전형적인 하이브리드 측위 로직의 블록도이다.

도 1에서, GPS 헤딩 신호(110)와 자이로 신호(120)는 헤딩 KF(Kalman Filter)(160)에서 오차보정이 이루어진다. GPS 속도 신호(130)와 오도미터 신호(140)는 속도 KF(170)에서 오차보정이 이루어진다. 헤딩 KF(160)와 속도 KF(170)를 통과한 신호는 DR(180)이 수행되고, DR(180)이 수행된 신호와 GPS 위치 신호(150)가 최종적으로 위치 KF(200)에서 오차보정이 된 후에 출력된다.

이러한 하이브리드 측위 방식은 GPS 신호에 공통 오차가 인가된 경우와는 달리, 다중경로(Multipath)와 같은 비공통 오차로 인하여 GPS 항법 결과의 정확도가 떨어지는 경우가 있다.

다중경로(Multipath)라 함은 도 2에 도시된 바와 같이, 주변건물이나 지표면에 반사되어 입력되는 GPS 신호를 말한다. GPS 다중경로 현상은 특히 도심 빌딩숲(Urban Canyon)환경에서 많이 발생한다. 이러한 도심에서는 다중경로 신호가 발생함으로 인하여 GPS 항법 결과의 질이 떨어짐에도 불구하고 DOP(Dilution of Precision)가 향상되기 때문에 마치 다중경로 신호를 수신함으로써 GPS 항법 결과의 질이 향상된 것과 같은 모니터링 오류를 발생시키는 문제점이 있다.

이러한 다중경로가 발생하는 경우에는 하이브리드 측위 오차 증가를 GPS 항 법의 오차범위 내로 유지시킬 수 없으며, GPS 측위 결과인 위치, 속도 오차의 증가로 인하여 짧은 시구간에서도 DR 항법의 정확도를 유지할 수 없다는 문제점이 있다.

종래 GPS 오차 보정에 이용되는 DGPS(Differential GPS) 기법 또는 SBAS(Satellite Based Augmented System) 기법으로는 다중경로 오차를 식별할 수 없다. 이외에 GPS 다중경로 오차를 제거하기 위한 방법으로는 적응형 안테나 어레이(Adaptive Antenna Array) 방법이 있으나, 다수의 안테나를 사용해야 한다는 점 등에서 차량 항법 장치에 적용이 불가능하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, GPS와 DR을 통합한 차량 항법 장치에서 DR 항법 결과를 잉여 측위 해로 사용하여 다중경로 오차를 검출하고, 이를 제거하는 다중 경로 오차 제거 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 위성 항법 장치(GPS)와 추측 항법 장치(DR)를 통합한 차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법에 있어서, 다중경로 검출을 위한 임계값을 계산하는 제1단계와, 다중경로 오차 벡터를 계산하는 제2단계와, 상기 다중경로 오차 벡터를 이용하여 결정변수를 계산하는 제3단계 와, 상기 결정변수의 크기와 임계값을 비교하는 제4단계와, 상기 결정변수의 크기가 임계값보다 작으면 새 측정 벡터 모델을 생성하여 상기 제2단계 내지 제4단계를 수행하는 제5단계와, 상기 결정변수의 크기가 임계값보다 크면, 다중경로임을 판단하는 제6단계와, 다중경로 오차를 제거하는 제7단계를 구비한다.

z는 가상거리 측정 변수, n은 가우시안 측정 잡음, b는 무보상 측정 바이어스일 때, 상기 측정 벡터 모델은 z=Hx+n+b로 나타낼 수 있다.

제1단계에서 임계값 T는, σ² _n은 잡음 분산, P_FA는 허위 경보 확률, Q^-1(Φ│r)은 Q(x²│r)의 역함수, Q(x²│r)은 1-P(x²│r), P(x²│r)은 카이-스퀘어 확률 함수일 때, T=σ² _nQ^-1(P_FA│M-N)에 의해 계산될 수 있다.

제2단계에서 다중경로 오차 벡터 f는, S는 Φ^TΦ 일 때, f=Sz에 의해 계산될 수 있다.

제3단계에서 결정변수 D는 D=f^Tf에 의해 계산될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

GPS 헤딩 신호(110)와 자이로 신호(120)는 헤딩 KF(Kalman Filter)(160)에서 오차보정이 이루어진다. GPS 속도 신호(130)와 오도미터 신호(140)는 속도 KF(170)에서 오차보정이 이루어진다. 헤딩 KF(160)와 속도 KF(170)를 통과한 신호는 DR(180)이 수행된다. DR신호는 다중경로 제거 알고리즘(190)에서 다중경로가 제거된다. 다중경로 제거 알고리즘(190)에서 나온 신호는 최종적으로 위치 KF(200)에서 오차보정이 수행된 후에 출력된다.

본 발명에서는 이 다중경로 제거 알고리즘(190) 블록에서 다중경로를 검출하고 제거하는 방법이 제공된다. 다중 경로 오차를 제거하는 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

다중경로 검출을 위한 임계값(T)을 계산한다(S401). 그리고, 다중경로 오차 벡터(f)를 계산한다(S403).

다중경로 오차 벡터(f)를 이용하여 결정변수(D)를 계산한다(S405).

결정변수(D)의 크기와 임계값(T)을 비교한다(S407).

결정변수(D)의 크기가 임계값(T)보다 작으면 새 측정 벡터 모델을 생성한다(S409). 그리고, S403 단계 내지 S407 단계를 다시 수행한다.

결정변수(D)의 크기가 임계값(T)보다 크면, 다중경로를 검출한다(S411).

검출된 다중경로 오차를 제거한다(S413). 다중경로 오차를 제거하는 방법은 다중경로를 발생시키는 GPS 위성을 식별하고, 이 GPS 위성에서 송출된 신호를 제거하는 과정으로 이루어진다.

이제 도 4에서 설명한 다중 오차 제거 방법의 각 단계에서 수행되는 구체적인 수식에 관해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 측정 벡터 모델이 사용된다. z는 가상거리 측정 변수, n은 가우시안 측정 잡음, b는 무보상 측정 바이어스일 때, 상기 측정 벡터 모델은 다음 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

z=Hx+n+b (1)

S401 단계에서 임계값 T는, σ² _n은 잡음 분산, P_FA는 허위 경보 확률, Q^-1(Φ│r)은 Q(x²│r)의 역함수, Q(x²│r)은 1-P(x²│r), P(x²│r)은 카이-스퀘어 확률 함수일 때, 다음 식 (2)에 의해 계산된다.

T=σ² _nQ^-1(P_FA│M-N) (2)

S403 단계에서 다중경로 오차 벡터 f는, S는 Φ^TΦ 일 때, 다음 식 (3)에 의 해 계산된다.

f=Sz (3)

S405 단계에서 결정변수 D는 다음 식 (4)에 의해 계산된다.

D=f^Tf (4)

본 발명에 의하면 다중경로 오차를 제거함으로써 종래 차량 항법 장치에 비해 더 우수한 측위 결과를 제공한다. 본 발명이 적용된 차량 항법 장치와 종래 차량 항법 장치를 실제 필드에서 테스트한 결과가 도 5 내지 도 10에 도시되어 있다. 테스트한 장소는 서울 강남의 테헤란로이다.

도 5 내지 도 7은 종래 차량 항법 장치를 테스트한 화면예이고, 도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 항법 장치를 동일한 구간에서 테스트한 화면예이다.

도 5 내지 도 7에 도시된 A, B, C 구간은 다중경로 오차가 발생한 구간이다. 도 5 내지 도 7에서 보는 바와 같이, 다중경로 오차가 발생한 구간에서는 측위결과에 오차가 많이 발생함을 확인할 수 있다.

그러나, 도 8 내지 도 10에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 차량 항법 장치에서는 다중경로 오차가 제거되어 종래기술에 비해 우수한 측위결과를 제공한다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 다중경로 오차를 제거함으로써, 보다 정확하고 우수한 측위 결과를 제공한다는 효과가 있다. 특히, 다중경로 오차가 많이 발생하는 도시 빌딩숲 환경에서 유용할 것으로 기대된다.

또한, 본 발명은 다중경로에 발생된 측위 결과가 출력되기 전에 수행되며, 다중경로 오차가 발생한 위성의 수가 하나 이상의 경우에도 적용된다는 장점이 있다. 또한, 하드웨어적인 별도의 추가 구성이 없어도 본 발명을 구현할 수 있기 때문에 원가 상승의 부담이 없다는 장점도 있다.

Claims

위성 항법 장치(GPS)와 추측 항법 장치(DR)를 통합한 차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법에 있어서,

다중경로 검출을 위한 임계값을 계산하는 제1단계와,

다중경로 오차 벡터를 계산하는 제2단계와,

상기 다중경로 오차 벡터를 이용하여 결정변수를 계산하는 제3단계와,

상기 결정변수의 크기와 임계값을 비교하는 제4단계와,

상기 결정변수의 크기가 임계값보다 작으면 새 측정 벡터 모델을 생성하여 상기 제2단계 내지 제4단계를 수행하는 제5단계와,

상기 결정변수의 크기가 임계값보다 크면, 다중경로임을 판단하는 제6단계와,

다중경로 오차를 제거하는 제7단계

를 구비하는 차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법.
제1항에 있어서,

z는 가상거리 측정 변수, n은 가우시안 측정 잡음, b는 무보상 측정 바이어스일 때, 상기 측정 벡터 모델은

z=Hx+n+b

인 것을 특징으로 하는 차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법.
제2항에 있어서,

제1단계에서 임계값 T는, σ² _n은 잡음 분산, P_FA는 허위 경보 확률, Q^-1(Φ│r)은 Q(x²│r)의 역함수, Q(x²│r)은 1-P(x²│r), P(x²│r)은 카이-스퀘어 확률 함수일 때,

T=σ² _nQ^-1(P_FA│M-N)

에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법.
제3항에 있어서,

제2단계에서 다중경로 오차 벡터 f는, S는 Φ^TΦ 일 때,

f=Sz

에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법.
제4항에 있어서,

제3단계에서 결정변수 D는

D=f^Tf

에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 차량 항법 장치에서의 다중 경로 오차 제거 방법.