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1. GPS 개요
GPS란 Global Positioning System의 약자로써 각 위성으로부터 사용자 수신기까지 전파가 도달하는 시간을 이용하여 삼각측량법으로 사용자의 위치를 구하는 시스템이다. 현재에는 총 32개의 Block II/IIA/IIR/IIR-M GPS위성이 사용 가능하다.
GPS는 미국방성에서 1973년에 개발한 시스템으로 1990년대 중반부터 본격적인 가동이 시작되었다. GPS는 시간, 기상상태에 관계없이 지구 전역에서 사용 가능한 강력한 항법시스템으로써 처음에는 군사적인 용도로만 사용되었지만 경제성 및 유용성으로 인해 급속도로 민간용으로 확장되어 현재에 이르러서는 가장 일반적인 항법 시스템으로 자리잡고 있다. 특히 2000년 5월 1일을 기해 그전까지 존재하던 고의 잡음(SA-Selective Availability)을 제거함으로써 100미터 가량이었던 위치오차가 10미터 가량으로 크게 줄어 위치정확도가 향상됨으로써 현재 많은 응용분야에 쓰이고 있다.
Figure 1. Constellation of GPS satellite
GPS는 여러 기술이 고도로 집약된 시스템이므로 많은 구성요소로 이루어져 있지만 크게 세 가지 구성요소인 우주(Space Segment), 관제(Control Segment), 사용자(User Segment)로 구분할 수 있다. GPS는 사용자와 위성과의 양방향 통신이 아닌 위성으로부터 신호를 받아 이용하는 단방향 통신이다.
일반적으로 GPS는 최소 4개 이상의 위성에서 송출된 신호를 수신기에서 수신해서, 위치를 계산하는 시스템이다. GPS 위성에서 신호를 수신하기 때문에, 수신되는 신호에는 다양한 오차 요소가 존재한다. 이런 오차 요소는 위성 시계 오차, 전리층 오차, 대류층 오차, 다중 경로 오차 그리고 수신기 오차 등으로 구분된다.
GPS의 종류에는 약 10미터의 위치정확도를 가지는 단일 위성항법 시스템(Stand-alone GPS), 1~2미터 수준의 위치정확도를 가지는 보정 위성항법 시스템(Differential GPS: DGPS) 그리고 센티미터 수준의 위치정확도를 가지는 반송파 보정 위성항법 시스템(Carrier phase Differential GPS: CDGPS)로 분류된다.
2. INS 개요
INS(Inertial Navigation System)은 1950년대 초반에 미국 MIT에서 개발되었으며, 1960년대부터 실용화되기 시작한 항법 시스템이다. 초기 위치 정보로부터 가속도를 측정하여 적분을 함으로써 항체의 속도와 위치를 추정한다. INS를 이루는 센서는 가속도계(Accelerometer)와 자이로스코프(Gyroscope)로 구성된다. 가속도계는 선방향 가속도를 측정하여 내보내주고 자이로스코프는 각속도를 측정하여 내보내주는 역할을 한다.
Figure 2. INS Block Diagram
INS로 부터 얻는 항법해는 적분에 의한 해이기 때문에, 고주파 성분인 잡음이 제거된 해를 얻을 수 있고 짧은 시간 동안에 정확한 항법해를 보장한다. 또한 독자 항법 시스템이기 때문에 외부 환경 요소에 영향을 받지 않고 지속적인 항법해 제공이 가능하다. 항법해를 제공하는 속도는 약 50Hz에서 10kHz까지 매우 높아서 고기동 항체의 항법과 제어에 이용될 수 있다. 하지만 적분 방식으로 해를 구하기 때문에 가속도 오차에 의한 위치해 오차가 시간의 제곱에 비례하여 빠르게 발산한다는 단점이 있다.
INS는 크게 Strapdown 시스템과 Gimbaled 시스템으로 분류된다. Gimbaled 시스템은 가속도 센서와 각속도 센서가 짐벌 위에 장착되어 있고 짐벌은 항법 좌표계를 유지하도록 제어된다. Gimbaled 시스템은 좌표변환을 할 필요가 없고 정확하다는 장점이 있지만 무겁고 매우 고가여서 군사적인 목적으로 사용되고 있다.
Strapdown 시스템은 짐벌을 없애고 센서를 Vehicle에 장착한 형태를 말하는데 짐벌제어가 필요 없기 때문에 전력소모가 적고 가벼우며 구조적으로 간단하다는 장점이 있다. 그러나 가속도와 각속도가 기체 좌표계에 대한 값이기 때문에 항법 좌표계로의 좌표변환이 필요하게 되어 계산량이 크게 늘어난다는 단점이 있다. Strapdown 시스템이 제안되고 실용화된 것은 컴퓨터의 발전에 따라 계산처리속도가 Strapdown 시스템의 계산량을 처리할 수 있는 수준이 된 이후이다. 현재에는 Strapdown 시스템에 대한 연구가 주류를 이루고 있으며 본 연구실에서는 Strapdown 시스템을 연구 중에 있다.
INS 시스템은 관성센서의 측정치를 바탕으로 위치, 자세를 구하기 때문에 관성센서의 성능이 곧 INS 시스템의 성능이라 할 수 있다. 관성센서는 Scale factor stability, Bias stability, 잡음 수준 등의 성능 지표에 따라 Navigation Grade, Tactical Grade, Automotive Grade로 분류된다. 다음 그림은 각 급에 따른 관성센서의 성능에 따른 활용분야를 나타낸다.
Figure 3. Current Gyro Technology Applications
Figure 4. Current Accelerometer Technology Applications
3. GPS/INS Integration
GPS는 저가의 수신기로 전 세계를 걸쳐 위치를 구할 수 있고 오차가 시간에 무관하게 일정하기 때문에 실외 항법에서 가장 일반적인 시스템이다. 그러나 전파 항법의 특성 상 jamming과 외부 환경에 민감하다는 단점이 있고 도심과 같이 전파를 막는 구조물이 있을 경우 GPS blockage가 발생하여 가시위성 수가 4개 미만이 되면 위치를 구할 수 없다는 단점이 있다.
INS는 독자항법이기 때문에 외부의 영향을 거의 받지 않고 연속적이며 높은 데이터 주기의 위치해를 제공할 수 있다. 그러나 적분으로 위치와 자세를 구하기 때문에 오차가 시간에 따라 누적되어 결국에는 항법해가 발산하는 단점이 있다.
GPS와 INS를 통합하면 서로 상반된 장점과 단점을 가지는 GPS와 INS가 상호보완 효과를 가져와 Bound된 오차를 가지면서도 연속적인 해를 제공할 수 있는 시스템이 구현 가능하다.
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GPS |
INS |
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위치해 계산 방식 |
전파 항법
(삼각측량법) |
추측 항법
(가속도, 각속도 적분) |
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장점 |
-전 세계를 커버
-bound된 오차
-높은 정확도
-저가 장비 |
-독립적인 항법
-높은 데이터 주기
-항법해의 연속성 |
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단점 |
-위치해 계산을 위해 가시위성이 4개 이상 필요
-외부 환경에 민감
-전파 방해에 취약 |
-고가의 장비 필요
-시간에 따른 오차 발산 |
Table 1. GPS vs. INS
다음은 GPS와 INS 그리고 GPS/INS 통합시스템의 오차 성향 비교 결과이다.
Figure 5. GPS vs. INS vs. GPS/INS 결합의 오차 비교
그림에서 보면 INS는 초기에는 오차가 GPS보다 작지만 발산하는 성질이 있고 GPS는 Bound된 오차를 가지지만 GPS Satellite Outage(blockage)가 발생했을 경우에는 위치해를 계산할 수 없다.
GPS와 INS를 통합한 경우를 살펴보면, GPS와 INS가 상호보완 되어 GPS가 사용 가능할 때에는 Bound되어 있으며 GPS 오차보다 작은 오차를 가지는 해를 구할 수 있고 GPS blockage 상황에서도 연속적으로 위치해를 제공할 수 있다. GPS와 INS를 통합하는 방식에는 크게 약결합, 강결합, 초강결합이 있다.
Figure 6. GPS/INS 약결합
본 연구실에서는 UAV, Land Vehicle, Pedestrian의 응용분야에 대한 GPS/INS 결합 및 기타 센서 등의 융합으로 항법 성능 향상에 대한 연구가 진행 중이다.
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Professor
