KR20190068935A - 정밀 복합항법 측위 검증 장치 - Google Patents

정밀 복합항법 측위 검증 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합 위성항법 측위 검증 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, GPS 또는 GNSS를 이용한 측위 정보를 이용하여 복합 위성 항법 시스템(IMU, DGPS, eLoran 등) 별 측위를 위한 알고리즘의 정확도를 평가할 수 있도록 하는 복합항법 측위 검증 장치에 관한 것이다.
상기 복합항법 측위 검증 장치(100)는, GPS 또는 GNSS 신호(이하, 기준 위성 신호)를 수신하여 출력하며, 복합항법 측위를 위한 검증 대상 복합항법 측위를 위한 복합항법 측위 신호를 수신하여 출력하도록 상대 위치벡터가 기 설정된 다수의 안테나를 포함하는 기준안테나 및 부안테나들과 복합안테나를 포함하는 복합안테나부(101); 상기 기준 위성 신호를 이용한 연산을 수행하여 상기 기준안테나 및 부안테나들의 기준 위성 위치정보를 생성하는 기준위성신호 측위부(110); 상기 복합안테나부(101)의 복합항법 측위 신호를 이용하여 검증 대상 복합항법 위치정보를 생성하는 복합항법측위부(120); 상기 기준위성신호 측위부(110)에 의해 측정된 기준안테나의 기준 위성 위치정보와 상기 복합항법측위부(120)에 의해 측정된 복합항법 위치정보를 비교하여 상기 복합항법측위부(120)의 측위 정확도를 검증하는 복합항법측위검증부(130);를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

정밀 복합항법 측위 검증 장치{PRECISE INTEGRATED NAVIGATION POSITIONING VERIFICATION APPARATUS}
본 발명은 복합항법 측위 검증 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, GNSS를 이용한 측위 정보를 이용하여 복합항법시스템(IMU, DGPS, eLoran 등) 별 측위를 위한 알고리즘의 정확도를 평가할 수 있도록 하는 복합항법 측위 검증 장치에 관한 것이다.
항법시스템은 30~40m 수준의 위치 정확도를 지니는 단일 위성 항법 시스템(Stand-alone GPS, SA 제거 이후), m 수준의 위치 정확도를 지니는 보정 위성항법시스템(Differential GPS: DGPS) 그리고 cm 수준의 위치 정확도를 지니는 반송파 보정 위성항법시스템(Carrier phase Differential GPS: CDGPS), 관성측정장치(IMU): inertial measurement unit), eLoran 등으로 분류된다.
항법시스템에 발생 가능한 오차는 원인은 전리층 오차, 대류층 오차, 위성 궤도 오차, 시계 오차, 다중 경로 오차, 사이클 슬립 등이 있다.
일반적으로 인공위성으로부터 지상의 GPS 수신기로 송신되는 정보는 이러한 오차를 가지게 마련인데, 서로 가까운 거리에 위치한 두 수신기가 있을 경우에는 두 수신기는 비슷한 오차를 갖게 된다. DGPS는 두 수신기가 가지는 공통의 오차를 서로 상쇄시킴으로써 보다 정밀한 데이터를 얻기 위한 기술이라고 할 수 있다. 일반적으로 정밀측량에 의해 정확한 위치를 파악하고 있는 고정국에서 오차의 범위를 이동국에 전송한 후 보정하여 사용하는 방식을 취한다.
즉, DGPS는 위치를 알고 있는 기준점(고정국)에서 GPS위성에서 발사한 전파를 수신 받아 보정값(위성에서 발사한 전파가 기준점까지 도달하는 시간에 대한 보정량)을 구한 후 이것을 다시 DGPS 수신기로 보내 주어, GPS 신호의 여러 오차들을 수정해 주므로 오차가 수 미터 이내로 매우 정확하다.
DGPS는 어느 정도 육지와 가까워 져야 고정국에서 보정정보를 받을 수 있으나, 먼 바다로 나간다면 GPS 정보만 수신 받게 되어 오차가 커지는 문제가 발생된다.
또한, 음영지역 및 재난 환경에서도 정확한 위치 측정이 어려운 문제가 있다.
위성항법시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS)과 관성항법장치에 의한 복합항법시스템(Integrated Navigation System)은 상호보완(complementary) 성능을 가지며, 양쪽 시스템의 결합은 향상된 성능을 제공한다.
따라서, 해양용 DGPS(Differential Global Positioning System) 서비스와 INS를 이용하여 결합알고리즘을 구성하여 성능을 검증하면 다양한 해양 응용분야에 활용할 수 있을 것으로 기대할 수 있으며, 위성오류를 탐지 및 진단하기 위한 알고리즘을 도입함으로 고장위성 배제 및 항법오차의 감소를 기대할 수 있을 것이다.
이를 위해, 다양한 위성 항법 시스템 및 관성항법 시스템이 복합된 복합항법장치를 사용하고자 하는 연구가 진행되고 있으며, 개별적인 개별 위성항법 시스템 및 관성항법 시스템을 이용한 정확한 측위 정보를 제공하기 위한 알고리즘에 대한 개발이 이루어지고 있다.
그러나 이러한 복합항법시스템에 사용될 복합항법알고리즘을 정밀하게 검증하는데 많은 실험이 필요하여 많은 시간이 소모되는 문제가 있으며, 일관성 있는 실험조건을 용이하게 부여할 수 있는 시험장치가 부족한 문제가 있다.
한국등록특허 [10-1270582]에서는 GPS/INS 통합 항법 시스템의 성능 검증 장치가 개시되어 있다.
또한, 상술한 복합 항법 시스템 중 GNSS는 연월일 및 시간 정보를 포함하는 시각 정보를 제공하고 있으나, 관성항법 장치(IMU)를 이용하는 관성 항법 시스템(INS)은 절대 시각이 아닌 내부 카운터를 이용한 상대 시각 정보를 이용하며, 복합 항법 시스템의 성능 검증을 위해서는 시각 동기화의 필요성이 있다.
또한, 복합 항법 시스템을 이용한 측위를 수행하기 위하여 개발되는 알고리즘의 경우 위치 정보와 자세 정보에 대한 측위 정확도에 대한 검증 제공하지 못하는 문제점이 있다.
한국 등록특허 제500969호
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, GPS 또는 GNSS를 이용한 측위 정보를 이용하여 복합 위성 항법 시스템(IMU, DGPS, eLoran 등) 별 위치(위도, 경도, 고도) 및 자세 측위를 위한 알고리즘의 정확도를 평가하고, 서로 다른 항법 시스템들 사이의 시각 동기화를 제공할 수 있도록 하는 복합항법 측위 검증 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합항법 측위 검증 장치(100)는,
GPS 또는 GNSS 신호(이하, 기준 위성 신호)를 수신하여 출력하며, 복합항법 측위를 위한 검증 대상 복합항법 측위를 위한 복합항법 측위 신호를 수신하여 출력하도록 상대 위치벡터가 기 설정된 다수의 안테나를 포함하는 기준안테나 및 부안테나들과 복합안테나를 포함하는 복합안테나부(101);
상기 기준 위성 신호를 이용한 연산을 수행하여 상기 기준안테나 및 부안테나들의 기준 위성 위치정보를 생성하는 기준위성신호 측위부(110);
상기 복합안테나부(101)의 복합항법 측위 신호를 이용하여 검증 대상 복합항법 위치정보를 생성하는 복합항법측위부(120);
상기 기준위성신호 측위부(110)에 의해 측정된 기준안테나의 기준 위성 위치정보와 상기 복합항법측위부(120)에 의해 측정된 복합항법 위치정보를 비교하여 상기 복합항법측위부(120)의 측위 정확도를 검증하는 복합항법측위검증부(130);를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 복합안테나부(101)는,
GPS 또는 GNSS 신호(이하, 기준 위성 신호)를 수신하는 기준안테나(102);
상기 기준안테나(102)와의 상대 위치벡터를 알고 있는 적어도 두 개 이상의 부안테나(103)들; 및
상기 기준안테나(102)와의 상대 위치벡터를 알고 있는 복합항법 측위를 위한 검증 대상 복합항법 측위를 위한 신호를 수신하는 복합항법측위 안테나(105);를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 복합항법 측위 검증장치(100)는,
상기 기준 위성 신호에 포함된 시각 정보로 상기 복합항법 측위 신호의 시각을 동기화시키는 시각동기화부(140);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 복합항법 측위 검증장치(100)는,
상기 기준안테나(102)의 측위정보와 상기 부안테나(103)들의 측위정보 및 상기 기준안테나(102)와 상기 부안테나(103)들의 상대적인 위치 벡터 정보를 이용하여 자세정보(요(yaw), 피치(pitch), 롤링(roll))를 생성하는 자세검출부(150);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 구성을 가지는 본 발명은, GPS 또는 GNSS를 이용한 측위 정보를 이용하여 복합항법시스템(IMU, DGPS, eLoran 등) 별 위치 및 자세 측위를 위한 알고리즘의 정확도를 평가하고, 서로 다른 항법 시스템들 사이의 시각 동기화를 제공할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은, 본 발명이 탑재된 이동체의 위치 및 자세 정보를 확인할 수 있도록 하는 것에 의해, 항공기, 자동차, 선박, 수중 선박 등의 운항 안전성을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 복합항법 측위 검증 장치(100)의 기능 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 도 1의 복합안테나부(101)의 사시도.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 복합항법 측위 검증 장치(100)의 기능 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 도 1의 복합안테나부(101)의 사시도이다.
도 1과 같이, 상기 복합항법 측위 검증 장치(100)는, 복합안테나부(101), 기준위성신호 측위부(110), 복합항법측위부(120), 복합항법측위검증부(130), 시각동기화부(140), 자세검출부(150), 통신부(160)를 포함하여 구성된다.
상기 복합안테나부(101)는 GPS 또는 GNSS 신호(이하, 기준 위성 신호)를 수신하여 출력하며, 복합항법 측위를 위한 검증 대상 복합항법 측위를 위한 복합항법 측위 신호를 수신하여 출력하도록 상대 위치벡터가 기 설정된 다수의 안테나를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 복합안테나부(101)는 도 2와 같이, 이동체(1)에 탑재되는 기준안테나(102), 두 개의 부안테나(103) 및 복합항법측위 안테나(105)를 포함하여 구성된다.
상기 기준안테나(102)와 부안테나(103)들은 GPS 또는 GNSS 신호(이하, 기준 위성 신호)를 수신하여 기준위성신호 측위부(110)로 출력하도록 구성된다. 상기 기준안테나(102)와 부안테나(103)들은 기준안테나(102)와 부안테나(103)들이 이루는 상대위치벡터가 서로 다른 각도를 가지도록 설치될 수 있다. 또한, 측위 검증의 정확도 향상을 위해 상기 부안테나(103)는 추가로 부가 구성될 수 있다.
상기 기준 위성 신호는 가상 기준국(VRS1 ~ 3: Virtual Reference Station)에서 제공되는 위성 신호일 수 있으며, 3개 이상의 가상 기준국 신호들을 포함한다. 상기 가상 기준국은 한국의 경우 전국에 산재해 있는 국토지리정보원의 가상 기준국 신호를 제공하는 기준국들일 수 있다.
상기 복합항법측위 안테나(105)는 복합항법 측위를 위한 검증 대상 복합항법 측위 신호를 수신하여 상기 복합항법측위부(120)로 출력하도록 구성된다. 여기서 복합항법 측위 신호는 IMU, GPS/DGPS/PPP-AR, Reference positioning GNSS receiver, eLoran 등의 신호이다.
또한, 상기 기준안테나(102)와 상기 부안테나(103)들 및 상기 복합항법측위 안테나(1054)들 사이의 상대 위치벡터가 기 설정되어 있는 것에 의해, 안테나들 사이의 상대적인 위치, 방향 및 기울기 정보를 연산할 수 있게 되어 이동체(1)의 자세(요(yaw), 피치(pitch), 롤링(roll)) 정보를 생성할 수 있게 된다.
다시, 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 기준위성신호 측위부(110)는, 기준 위성 신호를 이용한 연산을 수행하여 기준안테나(102)와 부안테나(103)들의 기준 위성 위치정보를 생성하도록 구성된다. 이대, 측위는 RTK 측위(실시간 이동 측위: Real-Time Kinematic Positioning)에 의해 수행될 수 있다.
이때의 위치정보는 기준안테나(102)와 가상 기준국(VRS1~3)들 사이의 위치벡터로 연산되며, 연산된 위치 벡터들이 기준선을 이루는 기저선 벡터들을 이룬다.
이후, 생성된 기저선 벡터들의 행렬과 안테나들의 위치벡터(3행 1열)를 기저선 벡터들로 변환하는 행렬(각각 3행 3열) 및 기저선 벡터가 가지는 오차(가 3행 1열)를 이용하여 기준안테나(102)(xANT1)의 위치를 최소자승법을 이용하여 계산할 수 있게 되며, 이를 수식으로 표현하면 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, xBLI: 기준안테나(102)(ANT1)와 VRS1 사이의 기저선 벡터(3행 1열)
xBL2: 기준안테나(102)와 VRS2 사이의 기저선 벡터(3행 1열)
xBL3: 기준안테나(102)와 VRS3 사이의 기저선 벡터(3행 1열)
xANT1: 기준안테나(102)의 위치벡터(3행 1열)
HBL1, HBL2, HBL3: 위치 벡터를 기저선 벡터를 변환하는 행렬(각각 3행 3열)
eBL1, eBL2, eBL3: 기저선 벡터가 가지는 오차(각각 3행 1열)
상술한 [수학식 1]에 의해 3개의 기저선 벡터와 3개의 변환 행렬과 기저선 벡터 호차의 분산을 알 수 있으므로, 기준안테나(102)의 위치를 최소자승법을 이용하여 계산할 수 있게 된다.
상기 복합항법측위부(120)는 복합안테나부(101)의 복합항법 측위 신호를 이용하여 검증 대상 복합항법 위치정보를 생성하도록 구성된다. 이때 ,복합항법 측위 신호는 IMU, GPS/DGPS/PPP-AR, Reference positioning GNSS receiver, eLoran 중 하나 이상의 신호를 포함할 수 있다.
상기 복합항법측위검증부(130)는 기준위성신호 측위부(110)에 의해 측정된 기준안테나의 기준 위성 위치정보와 상기 복합항법측위부(120)에 의해 측정된 복합항법 위치정보를 비교하여 상기 복합항법측위부(120)의 측위 정확도를 검증하도로 구성된다. 즉, 기준위성신호 측위부(110)에 의해 측정된 기준안테나의 기준 위성 위치정보는 정확하게 측정할 수 있으므로, 이를 복합항법측위부(120)에서 측정된 측위 정보와 비교하는 것에 의해 복합항법측위부(120) 또는 복합항법측위부(120)에 적용된 측위 알고리즘의 정확도를 검증할 수 있게 된다.
상기 시각동기화부(140)는 기준 위성 신호에 포함된 시각 정보로 상기 복합항법 측위 신호의 시각을 동기화시키도록 구성된다. 이 경우 시각 동기화는 IMU, GPS/DGPS/PPP-AR, Reference positioning GNSS receiver, eLoran 등의 항법시스템의 시각정보와 GPS 또는 GNSS 신호에 포함된 시각 정보 사이의 오차 정보를 이용하여 동기화 시키거나, IMU, GPS/DGPS/PPP-AR, Reference positioning GNSS receiver, eLoran 등의 항법 신호들에 포함된 신호들을 이더넷 스위치에 연결하여 관리컴퓨터(200)를 통해 일괄적으로 시각 표시를 수행하는 것에 의해 시각을 동기화할 수 있도록 하는 방법이 적용될 수 있다.
상기 자세검출부(150)는, 기준안테나(102)의 측위정보와 상기 부안테나(103)들의 측위정보 및 상기 기준안테나(102)와 상기 부안테나(103)들의 상대적인 위치 벡터 정보를 이용하여 이동체(1)의 자세정보(요(yaw), 피치(pitch), 롤링(roll))를 생성하도록 구성된다. 구체적으로, 상기 자세검출부(150)는 다음의 [수학식 2]를 적용하여 자세각 기준값을 생성한 후, 이를 이용하여 이동체(1)의 자세각을 결정한다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
: 기준안테나(102)(ANT1)에서 부안테나(103, ANT2)로 향하는 벡터, 이동체좌표계(b)에서 정의함
Figure pat00004
: 기준안테나(102)(ANT1)에서 부안테나(103, ANT3)로 향하는 벡터, 이동체좌표계(b)에서 정의함
Figure pat00005
: 기준안테나(102)(ANT1)에서 부안테나(103, ANT2)로 향하는 벡터, 항법좌표계(n)에서 정의함
Figure pat00006
: 기준안테나(102)(ANT1)에서 부안테나(103, ANT3)로 향하는 벡터, 항법좌표계(n)에서 정의함
Figure pat00007
: 이동체좌표계를 항법좌표계로 변환하는 행렬(3행 3열)
여기서, 이동체좌표계는 이동체(1)에 부여된 좌표계로 기준안테나(102)를 원점으로 하는 등으로 설정될 수 있다. 그리고 항법좌표계는 북쪽: x축, 동쪽: y축, 지표 하 방향: z축(
Figure pat00008
x
Figure pat00009
,
Figure pat00010
x
Figure pat00011
)으로 설정하는 좌표계를 의미한다.
[수학식 2]의 경우,
Figure pat00012
과
Figure pat00013
를 알 수 있으므로
Figure pat00014
를 계산할 수 있으며, 이를 통해 [수학식 3]을 적용하여 자세각을 결정할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00015
상기 통신부(160)는 상기 복합항법 측위 검증장치(100)가 외부의 관리컴퓨터(20))와 유선 또는 무선 통신을 수행할 수 있도록 통신 기능을 제공하도록 구성된다.
상기 통신망(10)은 유선 또는 무선의 로컬네트워크나 인터넷을 포함하는 공중통신망 등일 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 복합 위성항법 측위 검증 장치, 101:복합안테나부
102: 기준 안테나(ANT1), 103: 부안테나(ANT2, ANT3)
105: 복합항법측위 안테나, 200: 관리컴퓨터, 1: 이동체

Claims (5)

  1. GPS 또는 GNSS 신호(이하, 기준 위성 신호)를 수신하여 출력하며, 복합항법 측위를 위한 검증 대상 복합항법 측위를 위한 복합항법 측위 신호를 수신하여 출력하도록 상대 위치벡터가 기 설정된 다수의 안테나를 포함하는 기준안테나 및 부안테나들과 복합안테나를 포함하는 복합안테나부(101);
    상기 기준 위성 신호를 이용한 연산을 수행하여 상기 기준안테나 및 부안테나들의 기준 위성 위치정보를 생성하는 기준위성신호 측위부(110);
    상기 복합안테나부(101)의 복합항법 측위 신호를 이용하여 검증 대상 복합항법 위치정보를 생성하는 복합항법측위부(120);
    상기 기준위성신호 측위부(110)에 의해 측정된 기준안테나의 기준 위성 위치정보와 상기 복합항법측위부(120)에 의해 측정된 복합항법 위치정보를 비교하여 상기 복합항법측위부(120)의 측위 정확도를 검증하는 복합항법측위검증부(130);를 포함하여 구성되는 복합항법 측위 검증 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 복합안테나부(101)는,
    기준 위성 신호를 수신하는 기준안테나(102);
    상기 기준안테나(102)와의 상대 위치벡터를 알고 있는 적어도 두 개 이상의 부안테나(103)들; 및
    상기 기준안테나(102)와의 상대 위치벡터를 알고 있는 복합항법 측위를 위한 검증 대상 복합항법 측위를 위한 신호를 수신하는 복합항법측위 안테나(105);를 포함하여 구성되는 복합항법 측위 검증 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준 위성 신호에 포함된 시각 정보로 상기 복합항법 측위 신호의 시각을 동기화시키는 시각동기화부(140);를 더 포함하여 구성되는 복합항법 측위 검증 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준안테나(102)의 측위정보와 상기 부안테나(103)들의 측위정보 및 상기 기준안테나(102)와 상기 부안테나(103)들의 상대적인 위치 벡터 정보를 이용하여 자세정보(요(yaw), 피치(pitch), 롤링(roll))를 생성하는 자세검출부(150);를 더 포함하여 구성되는 복합항법 측위 검증 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 기준 위성 신호는,
    복수의 가상 기준국(VRS)으로부터 제공되는 복합항법 측위 검증 장치.
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