KR20210080978A - 전지구위성항법 수신기와 관성항법 센서를 융합한 지표 변위 관측 기법 - Google Patents

Abstract

전지구위성항법 수신기와 관성항법 센서를 융합한 지표 변위 관측 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 전지구위성항법 수신기와 관성항법 센서를 융합한 지표 변위 관측 방법은 보급형 IMU에서 출력되는 가속도계 데이터의 편차를 GNSS 수신기 데이터를 통해 교정하여 편차를 제거한 후, 이중적분하여 지표 변위를 산출하는 단계를 포함한다.

Description

전지구위성항법 수신기와 관성항법 센서를 융합한 지표 변위 관측 기법{Observation Technique for Ground Displacement based on the GNSS-IMU fusion}

본 발명은 전지구위성항법 (GNSS) 수신기와 관성항법 센서 (IMU)를 융합하여 상대적으로 고가의 장비인 지진계를 대체할 수 있는 지표 변위 관측 기법에 관한 것이다.

지진 및 화산, 단층과 같이 지표 변위를 유발하는 지구물리적 현상을 연구하기 위해 다양한 변위 감지 센서들을 사용하는데 일례로 지진으로 인한 지표 변형을 관측하기 위한 지진계가 대표적이다. 지진계는 기본적으로 가속도계와 같은 원리로 동작하며 최근 MEMS 기술이 발전함에 따라 상대적으로 저가인 보급형 가속도계들이 시중에 판매되고 있다. 한편 보급형 가속도계는 고가의 지진계와 달리 센서 출력 편차 (bias)를 제거하는 교정 과정이 필요하며 또한 시간이 지남에 따라 편차가 함께 변하는 현상을 보이므로 보정없이 사용할 경우 적분 과정에서 발산 현상을 보이면서 물리적으로 의미 없는 값을 산출하므로 지속적인 교정 과정이 필요한 실정이다. 지진계와 같은 방식으로 가속도계를 지표 변위 산출에 적용할 경우 이러한 교정은 GNSS 수신기에서 관측되는 변위 값을 이용하여 수행할 수 있으며 본 연구는 보급형 IMU와 GNSS 수신기를 통합하여 센서 융합 과정 내에서 교정을 통해 보다 정확한 지표 변위에 관한 것이다.

본 발명은 지표 변위를 측정하기위해 고가의 지진계를 대신하여 보급형 IMU에서 출력되는 가속도계 데이터의 편차를 GNSS 수신기 데이터를 통해 교정하여 편차를 제거하고 이를 이중적분하여 지표 변위를 산출함으로써 지진계와 같이 활용 가능한 기법을 개발하는 것이다.

본 발명은 고가의 지진계 대신 보급형 IMU로 지표변형을 산출하기 위해 보급형 IMU의 편차를 보정해야 하며, 이를 데이터 수집이 시작되면서 자동적으로 수행하기 위해 GNSS RTK 수신기와 IMU 융합이 필요하고 이는 칼만 필터를 구현하여 달성할 수 있다.

본 발명을 통해 지표변위 감시를 위해 고가의 지진계를 이용하는 대신 저가의 보급형 IMU와 GNSS 수신기를 이용하여 지진계와 비견할 수 있는 성능의 지표변형 관측을 수행하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명에 있어서, 실제 지진계 데이터와 편차 및 잡음을 추가한 수치모사 데이터이다.
도 2는 실제 지진계 데이터에서 계산한 속도와 편차보정 없이 계산한 속도이다.
도 3은 실제 지진계 데이터에서 계산한 지표 변위와 편차보정 없이 계산한 지표 변위이다.
도 4는 GNSS RTK 기법을 통해 계산한 1 Hz 주기 지표 변위 데이터이다.
도 5는 실제 지진계에서 산출한 지표 변위와 본발명으로 계산한 지표 변위간의 비교이다.
도 6은 실제 지진계에서 산출한 속도와 본발명으로 계산한 속도 간의 비교이다.
도 7은 실제 지진계에서 산출한 가속도와 본발명으로 보정한 가속도의 비교이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 전지구위성항법 수신기와 관성항법 센서를 융합한 지표 변위 관측 방법은, 보급형 IMU에서 출력되는 가속도계 데이터의 편차를 GNSS 수신기 데이터를 통해 교정하여 편차를 제거한 후, 이중적분하여 지표 변위를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전지구위성항법 수신기와 관성항법 센서를 융합한 지표 변위 관측 방법은, 칼만 필터를 이용하여, GNSS 수신기 데이터와 IMU 센서 데이터를 융합하고, 상기 융합에 의해, 편차가 보정된 지표 변위를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 x, y, z의 3축으로 구성된 가속도계의 편차를 보정하기 위해 칼만 필터를 이용한 GNSS-IMU 통합 기법을 활용한다. 이를 위해 칼만 필터의 상태 변수를 아래와 같이 구성할 수 있다.

여기서

은 가속도계의 자세를 표현하기 위한 오일러 각도이며 roll, pitch 및 yaw로 구성된 1차원 벡터이고

은 가속도계의 x, y, z 변위를 나타내는 1차원 벡터,

는 가속도계의 x, y, z 방향 속도를 나타내는 1차원 벡터이며 마지막으로

는 가속도 센서의 x, y, z 방향 편차를 나타내는 1차원 벡터이다. 통상 지표 변위 측정 시 초기에 설치할 때 설정한 자세에서 변하지 않으므로

은 상수로 생각할 수 있으며 가속도계는 지표면에 고정시키므로 가속도 데이터를 적분한 속도 및 변위 벡터는 지표면의 속도 및 변위 벡터와 동일한 것으로 간주한다.

칼만 필터 구현을 위해 시스템 동역학식과 관측 동역학식이 필요한데 이중 시스템 동역학식은 다음과 같이 선형화시켜 표현할 수 있다.

여기서

,

,

,

는 아래와 같이 표현되는데 식에서

과

은 영벡터로 간주할 수 있으며

는 해당 시점에서 입력되는 3축 가속도계 데이터를 의미하고

는 3×3 항등 행렬을 의미한다.

추가로 관측 동역학식은 다음과 같이 표현할 수 있는데

여기서

,

,

는 각각 관측 데이터 벡터, 상태변수에서 관측 데이터로 사상하는 행렬, 관측 잡음을 의미하는데 이중

는 GNSS에서 측정한 지표 변위 데이터를 사용할 경우 다음과 같이 표현되며

는 평균이 0이고 공분산이

인 랜덤 프로세스이다. 상기의 시스템 동역학과 관측 동역학식을 이용하여 칼만 필터를 구현할 수 있다.

보급형 가속도계 데이터를 편차 보정하지 않고 적분할 경우 발산 현상이 발생할 수 있는데 도 1, 2, 3은 이러한 발산 현상을 수치 모사를 통해 나타낸 결과를 보여준다.

도 1은 본 발명에 있어서, 실제 지진계 데이터와 편차 및 잡음을 추가한 수치모사 데이터이고, 도 2는 실제 지진계 데이터에서 계산한 속도와 편차보정 없이 계산한 속도이고, 도 3은 실제 지진계 데이터에서 계산한 지표 변위와 편차보정 없이 계산한 지표 변위이다.

도 1에서 검은색은 50 Hz로 샘플링된 실제 지진계 데이터를 나타내며 붉은색은 지진계 데이터에 임의 편차를 더한 뒤 보급형 가속도계와 유사한 수준의 임의 잡음을 더하여 수치모사한 데이터를 나타낸다.

도 2와 도 3에서 볼 수 있듯이, 사각형(붉은색)로 표현된 수치모사 데이터를 이용하여 계산한 속도와 변위는 참값인 속도와 변위에 대해 발산하는 것을 볼 수 있는데 이것은 전적으로 보정되지 않은 편차가 포함된 상태로 데이터를 적분함으로서 나타나는 결과이다.

본 발명에서 기술한 방법으로 보정하여 계산한 결과는 도 5, 6, 7에 나타나 있다.

도 4는 GNSS RTK 기법을 통해 계산한 1 Hz 주기 지표 변위 데이터이다.

도 4는 GNSS RTK 기법으로 1 Hz로 샘플링한 지표 변위 데이터를 나타내는데 해당 데이터를 이용하여 1초에 한번씩 칼만 필터의 관측 업데이트를 수행하게 된다.

도 5는 실제 지진계에서 산출한 지표 변위와 본발명으로 계산한 지표 변위간의 비교이고, 도 6은 실제 지진계에서 산출한 속도와 본발명으로 계산한 속도 간의 비교이고, 도 7은 실제 지진계에서 산출한 가속도와 본발명으로 보정한 가속도의 비교이다.

도 5는 참값의 지표 변위와 본발명으로 계산한 지표변위를 비교한 결과를 보여주는데 도 5에서 볼 수 있듯이 데이터 시작 지점에서 붉은색으로 표현한 계산 결과는 편차 보정없이 계산한 결과와 마찬가지로 급속하게 발산하는 것을 볼수 있는데 1초 경과 시점마다 GNSS 데이터로 칼만 필터가 업데이터되면 점진적으로 발산 경향이 완화되어 4초 경과 시 붉은색 계산 결과와 검은색의 참값은 거의 일치하는 것을 볼 수 있으며 파란색으로 표현된 붉은색과 검은색의 차이도 0에 근접하여 유지되는 것을 볼수 있다. 도 6은 참값의 지표 변위와 본발명으로 계산한 지표변위를 비교한 결과이며 도 5와 유사하게 발산 경향이 급속하게 감소하면서 참값과 계산값의 차이가 영으로 수렴하는 것을 볼 수 있다. 마지막으로 도 7은 참값 가속도와 편차 보정한 가속도 간의 비교를 나타내는데 데이터 초기 2 - 3초간 참값 가속도와 보정된 가속도 간의 차이를 보이다가 그 이후로 편차가 제거되면서 참값 가속도와 보정된 가속도가 서로 잘 일치하는 것을 보여준다.

실시예에 따른 방법은 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, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 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 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (3)

1. 보급형 IMU와 GNSS 데이터를 융합하여 자체적으로 편차 보정을 수행하는 지표 변형 감시 방법.
2. 보급형 IMU에서 출력되는 가속도계 데이터의 편차를 GNSS 수신기 데이터를 통해 교정하여 편차를 제거한 후, 이중적분하여 지표 변위를 산출하는 단계
   를 포함하는 전지구위성항법 수신기와 관성항법 센서를 융합한 지표 변위 관측 방법.
3. 칼만 필터를 이용하여, GNSS 수신기 데이터와 IMU 센서 데이터를 융합하고, 상기 융합에 의해, 편차가 보정된 지표 변위를 산출하는 단계
   를 포함하는 전지구위성항법 수신기와 관성항법 센서를 융합한 지표 변위 관측 방법.

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