KR20030004643A - 위성항법시스템 및 그를 이용한 항체의 자세측정방법 - Google Patents

위성항법시스템 및 그를 이용한 항체의 자세측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기능별로 3개의 프로세스로 구분하여 구현함으로써 신속·정확하게 항체의 2차원 또는 3차원 자세를 측정할 수 있는 위성항법시스템 및 그를 이용한 항체 자세 측정 방법에 관한 것이다.
전술한 3가지 프로세스는, 상관기부에서 발생하는 1ms 이내의 인터럽트 신호에 의하여 수행되며, 상관기부에서 생성된 상관값 읽기 및 저장, 위성신호의 데이터비트와 프레임의 동기(synchronization), 코드 및 반송파 추적을 수행하는 제 1 프로세스와, 약 100ms 주기로 수행되며 위성을 각 상관기부의 채널에 할당하고, 상관기에서 생성되는 코드와 반송파 위상 및 반송파 사이클 개수를 획득하는 제 2 프로세스와, 약 1s 주기로 수행되며 위성정보를 획득하고, 외부 기기와의 통신을 수행하며, 항법해를 계산하고 미지정수 결정을 통한 항체의 자세측정을 수행하는 제 3 프로세스로 이루어진다.

Description

위성항법시스템 및 그를 이용한 항체의 자세측정방법 {Satellite Navigation System and Attitude Determination Method of Object using the same}
본 발명은 위성체를 이용한 위성항법시스템 및 그를 이용한 항체의 자세측정방법, 더 상세하게는 기능별로 3개의 프로세스로 구분하여 구현함으로써 신속·정확하게 항체의 2차원 또는 3차원 자세를 측정할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
항체의 자세를 결정하기 위해서 종래에는 주로 자이로스코프(Gyroscope)와 관성측정장치(Inertial Measurement Unit; IMU)와 같은 관성측정 시스템을 이용하였다. 그러나, 관성측정창치를 이용할 경우에는 장비가 복잡하고 각 부품에 고장이 발생할 확률도 높을 뿐 아니라 시간이 지남에 따라 오차(Drift-rate error)가 축적되므로, 정확한 위치 및 속도측정을 위하여 까다로운 데이터 해석과 처리가 필요하고 가격이 고가라는 단점이 있었다.
이와 같은 관성측정장치의 단점을 보완하기 위하여 항체의 자체측정에 GPS(Global Positioning System)를 이용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
위성을 이용하여 항체의 위치를 구하는 GPS(Global Positioning System)는 그 편리성과 정확도로 인하여 널리 사용되고 있다. 일반적으로 GPS가 사용되는 분야는 한대의 수신기에 한개의 안테나를 연결하여 C/A(Coarse/Acquistion) 혹은 P(Precision)코드를 이용하여 지구상의 절대위치를 구하는 응용에 주로 사용되며, C/A코드의 경우 여러 가지 오차 요인으로 인해 약 70m(2dRMS(Root Mean Square))의 오차를 가진다. 이를 극복하기 위해 알고있는 위치(기준국)에서 각 위성의 측정치에 포함된 오차를 추정하고 이를 주위의 다른 수신기에 전파함으로써 SA, 전리층지연, 대류권지연 및 위성궤도의 오차를 상쇄시켜 수m이하의 정확도를 얻을 수 있는 DGPS(Differential GPS)도 널리 사용되고 있다.
GPS를 이용하여 보다 정밀한 위치를 구하고자 하는 대표적인 응용분야인 측지분야에서는 코드신호가 아닌 반송파 위상신호를 이용하여 정밀한 위치를 구하고자 하고 있다. 즉, C/A코드의 경우, 하나의 칩(Chip; 바이너리 펄스코드로 O 또는 1을 전송하는 간격:1㎲)의 길이가 300m이며, 이를 1%의 해상도로 측정한다면 약 3m의 해상도를 갖는다고 볼 수 있다. 그러나, 반송파 위상의 한 파장은 19cm이며, 1%의 해상도로 측정한다면 1.9㎜의 해상도를 가지므로 반송파 위상을 사용함으로써 월등히 정확한 위치를 구할 수 있게 된다.
또한, GPS위성 신호의 반송파 위상 측정치를 이용하면 항체의 자세정보(attitude information)를 제공할 수 있다. 만일, 두 개의 안테나가 항체의 진행방향으로 설치되어 있는 경우에는 피치(pitch)와 요(yaw)에 의하여 자세를 측정할 수 있으며, 3개 이상의 안테나가 설치된 경우에는 항체의 3차원 자세를 측정할 수 있다.
그러나, 항체의 정밀한 위치를 측정하기 위한 DGPS(Differential GPS)또는 2 이상의 안테나를 가지는 자세측정용 GPS 시스템을 이용한 항체 자세측정을 위해서는 의사거리(pseudorange)와 위성위치 뿐만 아니라 여러개의 안테나로부터 획득된 정밀한 반송파 위상 측정치가 필요하며, 이렇게 획득된 반송파 위상으로부터 자세를 측정하기 위해서는 이중 차분(Double Differencing)된 반송파(Carrier wave)에 포함되어 있는 미지정수(Integer Ambiguity)를 먼저 구해야 한다. 미지정수가 결정된 반송파 위상 측정치를 이용하여 안테나 사이의 상대 위치벡터인 기저선벡터를 구하고, 구해진 상대 위치벡터를 항법좌표계로 변환한 후 동체좌표계와 비교하여 자세측정을 수행하게 된다.
GPS를 이용하여 항체의 3차원 자세를 얻기 위해서는 3개 이상의 안테나로부터의 반송파 위상 측정치가 필요하다. 안테나는 한 개의 기준안테나(antenna REF)와 여러개의 보조안테나(antenna USER)로 구분되며, 기준 안테나 측정치는 사용자의 위치와 자세를 구하는 데 사용되며, 보조안테나 측정치는 항체의 자세를 구하기 위한 기저선 벡터를 구하는데 사용된다. 자세 측정을 위해서는 각각의 안테나에서 동일한 위성을 추적하여야 하므로 위성 할당과정은 독립적으로 이루어져야 한다. 또한, 정밀한 3차원 자세를 얻기 위해서는 정밀한 반송파 위상 측정치를 필요로 하므로 반송파 추적 루프의 개선이 선행되어야 한다.
또한, 정밀하게 측정된 반송파 위상에 포함된 미지정수를 실시간으로 정확하게 결정하는 과정이 구현되어야 하며, 미지정수가 결정된 반송파 위상 측정치를 이용하여 기준안테나와 보조안테나들 사이의 상대 위치벡터를 구하고, 구해진 상대 위치 벡터를 항법좌표계로 변환하는 과정이 구현되어야 한다.
본 발명은 자세측정용 GPS 수신시스템의 처리 소프트웨어를 3개의 처리 프로세스 또는 루틴으로 구분·구현함으로써, 자세측정을 위하여 네 개의 안테나로부터 정밀한 반송파 측정치를 획득하고, 미지정수 결정 알고리즘으로는 적은 계산량과 메모리를 사용하여 실시간 구현에 용이한 ARCE(Ambiguity Resolution with Constraint Equation)를 사용하였다.
본 발명의 목적은 자세측정용 GPS 수신 시스템의 소프트웨어를 처리시간 및 기능별로 3종류의 프로세서로 구분하여 구현한 위성체를 이용한 항체의 자세측정방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 FLL 및 PLL의 이중구조를 가지는 반송파 추적루프를 제공함으로써 반송파 추적을 더 정밀하고 신속하게 할 수 있는 위성체를 이용한 항체의 자세측정방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 각 안테나에서 수신되는 신호 중 동일한 위성신호를 채널에 할당할 수 있는 방법을 구비한, 위성체를 이용한 항체의 자세측정방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 사이클슬립 검출을 이용하여 미지정수의 유효성을 확인하는 방법과, 기저선벡터의 사이각을 이용하여 미지정수 유효성을 확인하는 방법과, 속도정보 및/또는 관성측정장치(IMU)를 이용하여 미지정수 검색범위를 축소하고 미지정수의 유효성을 확인하는 방법을 제공함으로써 신속·정확하게 미지정수를 결정할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명의 또다른 목적은 항체의 속도정보, 항체 앙각 및/또는 방위각의 시간변화량을 이용하여 항체자세의 유효성을 확인할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 위성항법시스템(GPS)의 하드웨어 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 의한 위성항법시스템(GPS)의 소프트웨어 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명에 의한 위성항법시스템(GPS)의 소프트웨어 구성을 기능 모듈별로 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 발명에 의한 위성항법시스템에서 이용하는 위성 할당 과정을 도시한다.
도 5는 본 발명에 이용되는 위성 신호 추적과정을 도시하는 흐름도이다
도 6은 본 발명에 의한 상관기의 구성을 도시하였다.
도 7 및 도 8은 각각 반송파 위상 측정 원리 및 측정 과정을 도식적으로 나타낸다.
도 9 및 도 10은 미지정수 결정 과정 및 알고리즘에 관한 전체적인 흐름 및 세부적인 흐름을 도시한다.
도 11은 본 발명에 이용되는 미지정수 유효성 확인 및 처리과정을 도시하는흐름도이다.
도 12는 기저선 사이각 정보를 이용하여 미지정수의 유효성을 확인하는 과정을 도시한다.
도 13은 본 발명에 이용되는 자세측정 및 유효성 확인과정을 도시한다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 자세측정용 GPS 수신시스템의 자세측정방법은
하나의 기준안테나와 2 이상의 보조안테나로 이루어진 위성신호 수신 안테나부; 수신 안테나부의 안테나 각각에서 수신된 고주파(Radio Frequency; RF) 위성 신호를 중간주파수(Intermediate Frequency; IF)로 변환하고, 변환된 중간주파수 신호를 이산화(digitalization)하는 3개 이상의 RF/IF부; 각각 5채널 이상의 추적모듈을 포함함으로써, 상기 각각의 RF/IF부로부터의 이산신호를 이용하여 추적모듈에서 상관값을 생성하고 위성신호를 추적하는 3 이상의 상관기부; 상기 3 이상의 상관기부에서 획득한 코드 및 반송파 위상 측정치를 이용하여 항법해를 구하고 대상 항체의 자세를 측정하는 중앙처리부; 외부 기기와 상기 중앙처리부 사이의 데이터 통신을 위한 입·출력부;로 이루어진 위성항법시스템을 이용한다.
전술한 시스템을 이용한 자세측정방법은 다음과 같은 3가지 프로세스 또는 루틴(routine)으로 이루어진다.
상관기부에서 발생하는 1ms 이내의 인터럽트 신호에 의하여 수행되며, 상관기부에서 생성된 상관값 읽기 및 저장, 위성신호의 데이터비트와 프레임의 동기(synchronization), 코드 및 반송파 추적을 수행하는 제 1 프로세스;
제 1 프로세스보다 낮은 우선순위(priority)를 가지고 제 1 프로세스의 수행주기보다 긴 주기로 중앙처리부에서 수행되며, 위성을 각 상관기부의 채널에 할당하고, 상관기에서 생성되는 코드와 반송파 위상 및 반송파 사이클 개수를 획득하는 제 2 프로세스;
제 2 프로세스보다 낮은 우선순위(priority)를 가지고 제 2 프로세스의 수행주기보다 긴 주기로 중앙처리부에서 수행되며, 위성정보를 획득하고, 외부 기기와의 통신을 수행하며, 항법해를 계산하고 미지정수 결정을 통한 항체의 자세측정을 수행하는 제 3 프로세스;로 이루어진다.
제 2 및 제 3 프로세스의 수행주기는 각각 100ms, 1s가 될 수 있다.
상기 제 1 프로세스에서의 코드 및 반송파 추적은 상기 상관기부에서 획득한 상관값을 이용하여 중앙처리부에서 산출된 오차값을 보정함으로써 수행되며, 반송파 추적 루프는 주파수 고정 루프(Frequency Lock Loop; FLL) 및 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL)로 이루어져 있어서, FLL을 이용하여 주파수 오차가 소정 임계치 이하가 된 경우에 한하여 PLL을 작동시키고, 주파수 오차가 상기 임계치 이상이 되는 경우에는 다시 FLL로 돌아가는 이중적인 구조인 것이 바람직하다.
반송파 추적 루프는 루프필터의 차수, 신호적분시간 및 필터 대역폭에 의하여 특성이 결정되는 바, 본 발명에 의한 FLL은 2차 루프필터를, PLL은 3차 루프 필터를 적용하였으며, 신호 적분 시간과 루프필터 대역폭은 실험을 통하여 조정된다.
제 2 프로세스에서의 위성할당은 다음과 같은 단계로 이루어진다.
상기 상관기부 각각에서 매 TIC마다, 가시위성이 상관기부의 채널에 모두 할당되어 있는가를 판단하는 단계;
가시위성이 모두 할당되어 있는 경우에는 나머지 위성을 상관기부의 빈채널에 할당하며,
할당되지 않은 가시위성이 있는 경우에는 빈채널에 할당하고, 빈채널이 없는 경우에는 위치미결정 위성(unpredicted SV)이 할당되어 있는 채널을 비워 해당 가시위성을 할당한 후 다음 TIC로 넘어가는 단계;로 이루어진다.
이렇게 함으로써 각 상관기에서의 위성 할당과정이 독립적으로 이루어져, 각각의 안테나에서 동일한 위성을 추적할 수 있게 된다. 이러한 위성할당방법에 대해서는 도 4를 참고로 아래에서 상세하게 설명한다.
상기 제 3 프로세스에서의 자세측정은 다음과 같은 단계로 이루어진다.
기준안테나와 제 1 보조안테나 사이의 제 1 기저선에 대한 독립 미지정수 검색범위를 결정하고, 검색범위 내의 후보를 검색하여 참 미지정수를 결정하며, 구해진 참 미지정수를 이용하여 제 1 기저선 벡터를 구하는 제 3-1 단계;
기준안테나와 제 2 보조안테나 사이의 제 2 기저선과 제 1 기저선의 사이각정보를 이용하여 제 2 기저선에 대한 미지정수 검색범위를 결정하고, 검색범위 내의 후보를 검색하여 참 미지정수를 결정하며, 구해진 참 미지정수를 이용하여 제 2 기저선 벡터를 구하는 제 3-2 단계;
제 3 이상의 보조안테나가 있는 경우에, 상기 제 3-2 단계를 제 3 이상의 보조 안테나에 대하여 적용하여 제 3 이상의 기저선에 대한 미지정수를 결정하고, 제 3 이상의 기저선 벡터를 구하는 제 3-3 단계;
상기 제 1 내지 제 2 이상의 기저선 벡터를 이용하여 항체의 3차원 자세를 측정하는 제 3-4 단계;로 이루어진다.
본 발명에서의 미지정수 결정은 제한조건식을 이용한 미지정수 결정방법(Ambiguity Resolution with Constraint Equation; 이하 "ARCE"라 함)을 이용함으로써, 독립미지정수에 대한 검색만 수행하면 되도록 하였다.
ARCE는 우선 독립미지정수 검색범위를 결정하고, 그 검색범위 내의 대상 중에서 목적함수의 값을 최소로 만드는 값을 참 미지정수로 결정하고, 결정된 참 독립미지정수를 이용하여 종속미지정수를 구하는 과정을 의미한다. 물론, 목적함수값이 임계치 이하인 대상중에서 비율검사를 통하여 참미지정수를 구할 수도 있다.
이러한 ARCE에 대해서는 본 출원인의 제1997-057696호 한국특허 명세서에 상세하게 기재되어 있으므로 그 상세한 설명은 생략한다.
각 기저선에 대한 독립미지정수의 검색범위를 결정하는 방법에는 첫 째, 위성신호의 코드 측정치의 공분산을 이용하는 제 1 방법, 둘 째 코드공분산과 반송파 위상 측정치의 공분산과 기저선길이를 이용하여 구하는 제 2 방법, 아래에서 상세히 설명할 바와 같이 항체에 관성측정유닛(IMU)이 있는 경우에 IMU 센서의 출력정보를 이용하여 구하는 제 3 방법, 및 GPS에서 구한 항체의 속도정보를 이용하여 구하는 제 4 방법 등이 있다.
이러한 방법 중에서, 제 1 방법에 의한 검색범위가 가장 넓기 때문에 검색에소요되는 시간이 가장 길고, IMU 센서를 이용하는 제 4 방법에 의하여 구해지는 검색범위가 좁은 편이며, 항체가 고속 정속주행하는 경우에는 속도정보를 이용하는 제 3 방법에 의한 검색범위도 좁은 편이다. 이 중에서 제 1 방법 및 제 2 방법에 대해서는 본 출원인의 제1997-057696호, 제2001-021788호 한국특허명세서에 상세하게 기재되어 있으며, 제 3 및 제 4 방법에 대해서는, 아래의 "미지정수 유효성 판단과정"에서 상세하게 설명한다.
또한, 안테나가 3개 이상이어서 2 이상의 기저선 벡터가 형성되는 경우에는 두 기저선 벡터의 사이각을 이용하여 검색범위를 축소시키는 제 5 방법을 이용할 수도 있으며, 이러한 제 5 방법에 대해서는 제2001-019813호 한국특허출원 명세서에 기재되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명에서는 독립미지정수를 이용하여 구한 기저선길이, 종속미지정수를 이용하여 구한 목적함수, 항체의 속도정보(속도오차), 기저선 길이정보와 사이각 정보, 관성측정유닛(IMU)의 출력결과 중 하나 이상을 이용하는 미지정수의 유효성 판단방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 항체가 빠른 속도로 이동하면 속도 벡터만을 이용하여 방위각 및 앙각을 구할 수 있는 점과, 항체의 앙각 및 방위각이 시간에 따라 급격하게 변화할 수 없음을 이용하여, 구하여진 항체 자세의 유효성을 확인하는 방법을 제공한다.
이하에서는 첨부되는 도면을 참고로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 자세측정용 GPS 수신 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다.
본 발명에 의한 자세측정용 GPS 수신 시스템은 크게 하드웨어 부분과 소프트웨어 부분으로 나뉜다.
도 1과 같이 하드웨어 부분은 다시 RF부, 상관기부, 중앙 처리부 등으로 나뉘고, 도 2에서와 같이 소프트웨어 부분은 위성할당부, 신호처리부, 측정치 획득 및 처리부, 자세측정부, 위치와 속도 측정부 등으로 나뉠 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, GPS수신 시스템의 하드웨어 부문은 자세 측정을 위하여 4 개의 안테나와, 4 개의 RF/IF부, 4 개의 DSP로 이루어진 상관기부, 중앙 처리부(CPU부), 메모리부, 입/출력부(I/O)로 나뉜다.
각 RF/IF부는 안테나 각각에서 수신된 고주파(RF) 위성 신호를 중간주파수(IF)로 변환하고, 변환된 중간주파수 신호를 이산화(digitalization)한다. 본 실시예에서는 Mitel사의 GP2010이 사용되었다. 기준 클럭으로는 10MHz의 TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)를 사용하였다. RF/IF부는 상관기부(DSP1, DSP2, DSP3, DSP4)에 동작 주파수(40MHz)를 차분 형태로 제공하고, 네 개의 안테나로부터 GPS 위성신호를 받아 주파수를 3회에 걸쳐 체배하여 IF신호를 만든다. 또한 상관기부의 각 DSP에서 제공되는 샘플클락(5.714MHz)을 이용하여 이산화된 출력신호(MAG, SIGN)를 상관기부로 보낸다.
상관기부 각각은 12채널의 추적모듈을 포함함으로써, 각각의 RF/IF부로부터의 이산신호를 이용하여 추적모듈에서 상관값을 생성하고 위성신호를 추적하기 위하여 사용된다.
본 실시예에서는 상관기부가 Mitel사의 GP2021 칩 네 개로 구성된다. GP2021은 12채널의 추적모듈을 포함하고 있으며, 각각 RF/IF부에서 전달되는 이산 신호를 이용하여 추적모듈에서 상관값을 생성하고 위성신호를 추적한다. DSP를 4개 사용하므로 48채널에서 동시에 신호 추적이 가능하고 코드 및 반송파 측정치를 획득할 수 있다.
중앙처리부는 상관기부에서 획득한 코드 및 반송파 위상 측정치를 이용하여 항체의 위치, 속도 시간으로 이루어진 항법해를 구하고, 대상 항체의 자세를 측정하는 것으로, 본 실시예에서는 ARM계열의 CPU인 StrongARM(모델명 : SA-1100)을 사용하였다. StrongARM은 수신기 외부와의 통신을 위한 DUART부, MMU(Memory Management Unit)와 Cache를 내장하고 있으며 220MHz의 수정발진기 사용시 약 268 MIPS의 처리속도를 갖는다.
메모리부는 ROM/RAM으로 구성되며, ROM은 1Mbit 4개를 사용하여 512KByte의 용량이며 RAM은 4Mbit 4개를 사용하여 2Mbyte의 용량을 갖는다.
외부 기기와 중앙처리부 사이의 데이터 통신을 위한 입·출력부는 두 개의 비동기 통신 포트와 한 개의 동기 통신포트로 이루어졌다. 비동기 통신포트는 수신기 모니터 및 명령을 전달하기 위한 것과 DGPS 신호를 받기 위한 것이며, 동기 통신포트는 IMU와 같은 다른 센서와의 통신을 위한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 자세측정용 GPS 수신시스템의 소프트웨어 구조를 도시하는 것으로, 제 1 프로세스에 해당되는 것으로 1ms 이내의 인터럽트 신호에 의하여 수행되는 신호처리부(Signal Processing Section)로서의 인터럽트 처리 루틴(1ms Task)과, 제 2 프로세스에 해당되는 것으로 100ms마다 수행되는 위성할당 및 측정치 획득 루틴(100ms Task), 제 3 프로세스에 해당되는 것으로 1s 마다 수행되는 항법해(위치 및 속도) 계산 및 자세측정 루틴(1sec Task)으로 이루어진다.
신호처리부로서의 인터럽트 처리루틴(제 1 프로세스)은 나머지 루틴(100ms 및 1sec Task)보다 우선순위를 가지며, 본 실시예에서는 상관기부에서 505μs마다 발생하는 인터럽트 신호에 의하여 수행된다. 인터럽트 처리루틴은 상관기에서 생성된 상관값(correlation value) 읽기 및 저장, 데이터비트(data bit) 및 프레임(frame)의 동기, 코드 및 반송파 추적을 수행한다. 이 중에서, 상관값 읽기 및 저장, 비트 및 프레임 동기 과정은 종래의 GPS 수신 시스템에서 이용하는 방법과 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다. 코드 및 반송파 추적은 FLL(Frequency Locked Loop) 및 PLL(Phase Locked Loop)의 이중구조를 가지는 반송파 추적 루프를 이용하는 것으로 구체적인 내용은 도 5를 참고로 아래에서 설명한다.
제 2 프로세스로서의 위성할당 및 측정치 획득 루틴(100ms Task)은 측정치 획득과 위성을 채널에 할당하는 태스크로 구성되어 있으며, 이 때 획득되는 측정치로는 상관기에서 생성되는 코드, 반송파 위상과 반송파 사이클 개수 등이 있다. 이 루틴은 위성 할당부와 측정치 획득 및 처리부로 나누어질 수 있으며, 각각의 부분에 대해서는 아래에서 더 상세하게 설명한다.
제 3 프로세스로서의 항법해 계산 및 자세측정 루틴(1sec Task)은 위성정보의 획득, 외부와의 통신, 대상체의 위치, 속도 및 시간으로 이루어지는 항법해 계산, 및 항체의 2차원 또는 3차원 자세를 측정하는 부분으로 나누어진다. 이 중에서 위성정보 획득, 외부와의 통신 및 항법해 계산은 종래의 GPS 수신 시스템 또는 DGPS 수신 시스템이 이용하는 방법을 그대로 이용하면 되므로 상세한 설명은 생략하며, 자세를 측정하는 부분을 위주로 아래에서 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 자세측정용 GPS 수신 시스템의 소프트웨어 구성을 기능 모듈별로 도시하는 블록도로서, 위성 할당부(Satellite Allocation Section), 신호처리부(Signal Processing Section), 측정치 획득 및 처리부(Measurement Generator and System Data Exchanger), 항법해 산출부(Position Velocity Generator) 및 자세측정부(Attitude Generator)등으로 이루어져 있다. 또한, 항체의 위치와 속도, 시간으로 이루어지는 항법해를 산출하기 위하여 의사거리 필터(Pseudorange Filter)가 구비되어 있으며, 미지정수 결정을 위하여 미지정수 결정부(Ambiguity Resolution Section)가 추가로 구비되어 있을 수 있다.
이하에서는 도 3의 각 부분에 대하여 상세하게 설명한다.
1) 위성 할당부(Satellite Allocation Section; 100ms Task)
위성 할당부는 가시위성과 위성 할당 상태를 확인하여 상관기부에 위성을 할당하는 과정을 관장하는 부분이다. 본 실시예에서 4개의 안테나는 한 개의 기준안테나(Antenna REF)와 3개의 보조안테나(Antenna USER)로 구분되고, 기준 안테나에서의 측정치는 안테나가 부착된 항체의 위치와 자세를 구하는 기준으로 사용되며,보조 안테나에서의 측정치는 항체의 자세를 결정하기 위한 기저선 벡터를 구하는 데 사용된다.
각각의 안테나에서 수신된 신호는 RF/IF부를 거쳐 상관기부에서 처리하게 되는데, 자세측정을 위해서는 동일한 위성체로부터의 신호를 이용하여야 한다. 따라서, 각각의 안테나에서 동일한 위성을 추적하여야 하므로 위성 할당 과정은 각 안테나에서 독립적으로 이루어져야 한다. 도 4는 본 발명에 의한 위성 할당 과정을 도시한다.
우선 모든 채널을 아이들(Idle) 상태로 리셋한 후, 상관기부를 이루는 DSP1의 12채널에 대하여 가시위성이 모두 할당되어 있는 지를 판단한다. 할당되지 않은 가시위성이 있는 경우에는 DSP1에 빈 채널이 있는지 확인한 후, 빈 채널이 있는 경우에는 해당 가시위성을 빈 채널에 할당한다. 비어 있는 채널이 없는 경우에는 이미 할당되어 있는 위치미결정위성(Unpredicted SV)을 없애고 그 채널에 해당 가시위성을 할당한 후 다음 가시위성 할당을 위한 준비상태에 둔다. 모든 가시위성이 DSP1의 채널에 할당되어 있거나, 해당 가시위성을 할당한 후에는 위치미결정위성이 존재하는 지 판단하고, 위치미결정위성이 있는 경우에는 그를 DSP1의 빈채널에 할당한다. 이러한 잘차로 가시위성 1개를 DSP1에 할당하는 과정이 종료되며, 전술한 과정을 동일한 가시위성 및 DSP2 내지 DSP4에 대하여 적용함으로써 모든 DSP에 해당 가시위성을 할당한다. 이러한 위성 할당과정은 TIC마다 반복되며 본 실시예에서는 TIC를 100ms로 설정하였다.
이와 같은 과정을 통하면, 동일한 가시위성이 모든 DPS의 동일한 채널에 할당될 수 있으며, 초기에 위성 및 사용자 위치에 관한 정보가 없는 경우에는 각 DSP의 각 채널에 위성을 번호순으로 할당하게 되지만, 위성 신호처리과정에서 위성의 위치와 사용자의 위치를 알게되면 가시위성을 우선적으로 할당하며, 아직 위치를 모르는 위치미결정 위성(Unpredicted SV)을 그 다음 순으로 할당하는 과정을 거친다.
2) 신호처리부(Signal Processing Section; 인터럽터 처리루틴; 1ms Task)
신호처리부에서는 상관기부에서 처리된 상관값을 이용하여 위성신호를 추적하는 부분으로 크게 코드 추적부와 반송파 추적부로 나뉘어진다. 신호처리부는 위성 신호의 획득 및 추적뿐 아니라, 코드 및 반송파 위상 측정치의 잡음특성과 수신기의 동특성을 결정한다. 특히, 자세측정에는 정밀한 반송파 위상 측정치가 사용되므로 정밀한 반송파 추적 루프의 구성 가장 중요하다.
정밀한 반송파 위상 측정치 획득을 위하여 본 발명에서는 FLL 및 PLL의 이중적인 위성 신호 추적루프를 사용하였다. 위성 신호 추적루프는 루프필터의 차수와, 신호적분 시간 및 필터의 대역폭에 의하여 특성이 결정된다. 본 실시예에 사용된 위성 신호 추적루프는 FLL의 경우 2차 루프필터를, PLL의 경우에는 3차 루프필터를 이용하였으며, 신호적분시간과 루프필터 대역폭은 실험에 의하여 조정하였다.
도 5는 본 발명의 신호처리부에서 수행되는 위성 신호 추적과정을 도시하는 흐름도이다.
우선 상관기로부터 상관값을 획득한 후, 고정계수(Lock indicator)를 계산한다. 이 때 코드 추적을 위해서는 DLL(Delay Lock Loop)을 이용하며, 반송파 추적을 위해서는 FLL 및 PLL의 이중적인 루프필터를 이용한다. DLL은 위성과 수신기의 PRN 코드를 공조시키는 수신기내의 모듈로 수신기에서 발생된 PRN 코드를 쉬프트시켜 위성의 PRN 코드와 맞추는 기능을 한다.
고정상태를 확인하여 코드 잠김(Code Lock) 상태가 되면 코드 추적 루프를 수행하고, 비트동기가 안된 상태에서 반송파 주파수 고정이 되면 FLL을 이용하여 반송파 추적루프를 수행한다. 비트동기가 끝나고 주파수의 오차가 어느 정도(임계치) 이하의 값이 되면 반송파 위상 고정이 되었다고 판단하고 PLL을 이용하여 반송파 추적 루프를 수행한다.
PLL이 원활하게 동작하게 위해서는 PLL 루프 수행 이전에 주파수 오차가 작아야 하므로, 초기 신호추적은 FLL을 이용하고, 주파수 오차가 충분히 작아졌다고 판단되면 PLL 루프를 동작시킨다. 또한, 위성 신호 차단이나 동특성에 의하여 주파수 오차가 다시 소정 임계치 이상으로 커지면 다시 FLL로 돌아가는 이중적인 구조로 구현하였다.
3) 측정치 획득부 및 처리부(Measurement Generator and System Data Exchanger; 100ms Task)
GPS 반송파의 경우 L1 또는 L2를 측정하는 것으로 GPS 단독으로는 위상만을측정할 수 있으며, 위상 뿐 아니라 위성과 수신기간 반송파 개수까지 특정하여야만 정밀한 거리계산이 가능해진다. 이렇게 알 수 없는 반송파 개수를 미지정수(Ambiguity integer)라 하며, 미지정수 결정이 반송파 위상 측정치를 이용하여 항체의 위치 및 자세를 구하는 데 관건이 된다.
반송파 위상 측정치에 포함된 미지정수를 쉽게 알 수는 없지만 일단 미지정수가 결정되면 그 때부터는 위성 신호를 잃어버릴 때까지 반송파의 변화량을 연속적으로 계산하여 정밀한 의사거리를 구할 수 있다. 즉, 일정시점(to)에서 미지정수(N)를 구했다고 가정하면, 그때부터는 시간에 따른 반송파 측정치의 변화량(ΔΦ)을 계산하면 반송파를 이용하여 연속적으로 정밀한 의사거리를 구할 수 있다.
실제로 반송파 위상 측정치를 획득하기 위해서는 신호추적과정에서 생성되는 반송파 위상과 단위시간당 주파수 개수를 측정하여야 하며, 이를 아래의 표 1에 정리하였다.
필요한 데이터 내용 최소단위
반송파 사이클 개수 일정시간동안의 주파수 개수 사이클(19.02cm)
반송파 DCO(Digital Control Oscillator)위상 사이클의 비율(Fraction)값 1/1024사이클(약0.2mm)
표 1의 값들은 상관기부에서 얻을 수 있으며, 상관기의 구조는 도 6에 도시하였다.
상관기에서는 수신된 신호에 반송파와 코드를 곱하여 1kHz 주기로 중앙처리부(프로세서)에 상관값을 넘겨준다. 또한, 반송파의 추적과정에서 생성된 주파수 개수와 반송파 위상을 레지스트에 각각 저장한다. 주파수 개수는 CARRIER_CYCLE_COUNTER(도 6의 E)에서 계산하며 이 값을 두 곳의 레지스터(CHx_CARRIER_CYCLE_HIGH, CHx_CARRIER_CYCLE_LOW)에 저장하고, CARRIER_CYCLE_COUNTER값은 리셋된다. 반송파 위상은 CARRIER_DCO(도 6의 D)의 상위 10비트로 이루어지며, 이 값은 CHx_CARRIER_DCO_PHASE에 저장한다. 측정치의 저장은 TIC를 기준으로 수행되며, 이러한 TIC주기는 조절가능한 값으로 본 실시예에서는 100ms로 설정하였다.
주파수 개수와 반송파 위상이 계산되면 이를 기초로 반송파 위상 측정치를 산출한다. 반송파 위상 측정치는 연속적인 반송파 도플러를 적분하여 구하는 것으로, 도플러를 처음 계산하기 시작한 시점부터 현재까지의 의사거리 변화량을 구하는 것이다. 도플러 및 위상 측정치 산출에 사용되는 식을 수학식 1 및 수학식 2에 나타내었다.
여기서, fD는 도플러 주파수, ν는 의사거리 변화율, L1은 반송파 주파수, c는 광속, fDCO는 신호추적 과정에서 측정된 주파수, fNOM은 도플러가 없을 때의 주파수를 나타낸다. 즉, ICP(Integrated Carrier Phase)는 도플러를 적분하여 얻을 수 있으며, 도 7에서는 반송파 위상 측정 과정을 도식적으로 나타내었다.
아래의 수학식 3을 이용하면 반송파 위상 측정치(ICP)를 용이하게 산출할 수 있다.
이렇게 계산된 반송파 위상 측정치는 측정치 획득부에서 1초동안 10번 적분되어 항법해 및 자세측정부로 넘겨진다. 이상의 반송파위상 측정 과정은 도 8에 정리되어 있다.
4) 자세측정부 및 미지정수 결정부(Attitude Generator 및 Ambiguity Resolution Section; 1sec Task)
항체의 3차원 자세를 측정하기 위하여 본 실시예에서는 항체에 배치된 4개의 안테나로 3개의 기저선을 형성하였으며, 3개의 기저선 중에서 적어도 2개의 기저선에 대한 미지정수가 구해져야 3차원 자세측정이 가능하다. 미지정수 결정에는 이중 차분된 반송파 위상 측정치를 사용하였으며, 알고리즘으로는 ARCE를 사용하였다.ARCE에 의한 미지정수 결정방법은 본 출원인의 다른 특허출원(제1997-057696호)에 상세하게 기술되어 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
미지정수 결정을 위한 ARCE는 초기 미지정수 결정에 코드 측정치를 이용하며, 검색범위 결정에는 코드 측정치뿐 아니라 알고 있는 기저선 길이정보를 함께 이용한다. 미지정수 결정 과정 및 알고리즘에 관한 전체적인 흐름을 도 9 및 도 10에 도시하였다.
도 9를 살펴보면 안테나가 3개 이상이어서 두 개 이상의 기저선이 형성되는 경우, 첫 번째 기저선에 대해서는 검색범위 결정에 코드 측정치의 공분산과 기저선 길이정보를 이용함을 알 수 있으며, 두 번째 및 그 이상(세 번째)의 기저선에 대한 미지정수 결정에는 첫 번째 기저선과의 사이각 정보를 함께 이용함을 알 수 있다. 기저선 길이정보 및 사이각 정보를 이용함으로써 검색하여야 하는 미지정수의 수를 감소시켜 미지정수 결정을 신속하게 수행할 수 있다.
코드측정치 공분산, 반송파 위상 측정치의 공분산, 위성의 위치(시선각벡터)를 이용하여 미지정수 검색범위를 결정하고, 검색범위내의 후보중에서 목적함수를 최소로 하거나, 임계치 이하의 목적함수를 생성하는 후보 중 비율검사를 통과한 후보를 참미지정수로 결정하는 방법은 한국특허출원 제1997-057696호에 개시되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
또한, 기저선 길이정보와 두 기저선 사이의 사이각 정보를 이용하여 신속하게 미지정수를 결정하는 방법에 대해서는 본 출원인의 제2001-019813호 한국특허출원에 상세하게 개시되어 있다.
또한, 전술한 미지정수 결정방법 이외에도, 아래에서 설명될 바와 같이, 항체에 관성측정장치(IMU)가 있는 경우에 그 정보를 이용하여 축소된 미지정수 검색범위를 결정하고 목적함수를 이용한 검색을 통하여 참 미지정수를 구하는 방법과, 항법해 계산결과 항체의 속력이 소정 임계치(6m/s) 이상이고, 가속도에 의한 속도오차가 소정 임계치(10%) 이하인 경우에는 총 27개의 후보로 이루어지는 검색범위 내에서 참독립미지정수를 결정하는 방법을 이용할 수도 있다.
* 미지정수 유효성 확인 과정
결정된 미지정수는 항상 올바른 값일 수는 없으며, 올바른 미지정수를 결정하였다 하더라도 사이클 슬립이 발생하거나 위성으로부터의 신호수신이 중단되면 미지정수가 변하게 된다. 미지정수 유효성 확인은 이미 구해진 독립 미지정수를 이용하여 종속 미지정수를 다시 구하여 임계치와 비교하는 과정이다. 이 과정에서 사이클 슬립이 발생하였거나 측정치 잡음이 갑자기 커졌을 경우 유효하지 않은 측정치로 판단하여 미지정수를 다시 구하게 된다. 이 때 미지정수를 다시 구하는 데는 많은 시간이 소요되므로 문제 있는 측정치를 제거할 필요가 있다.
이를 위하여, 일반적으로 앙각이 낮은 위성으로부터 구해지는 종속미지정수에서 문제가 많이 발생하는 점을 이용하여 독립 미지정수만으로 유효성을 판단하는 과정(독립미지정수를 이용한 미지정수 유효성 확인단계)이 첨가되었다. 또한, 차량의 속도가 빠르고 정속도를 유지하는 경우에는 구하여진 속도정보, 더 구체적으로는 속도오차정보도 이용이 가능하다(속도오차를 이용한 미지정수 유효성 확인단계).
또한, 대상체에 자이로스코프, 가속도계와 같은 관성측정유닛(Inertial Measurement Unit; IMU)이 장착되어 있는 경우에는 이러한 IMU센서의 출력결과를 이용하여 미지정수의 유효성을 확인할 수 있다(IMU를 이용한 미지정수 유효성 확인단계).
또한, 본 자세측정 시스템에서는 3개의 기저선 벡터를 구해야 하며, 모든 기저선 벡터에 관한 미지정수의 유효성을 확인하여야 한다. 두 번째와 세 번째 기저선의 경우 항체의 자세가 변하더라도 구해진 벡터의 사이각은 변하지 않음을 이용하여 유효성을 확인할 수 있다(사이각을 이용한 미지정수 유효성 확인단계).
도 11은 독립정수, IMU, 속도오차를 이용한 미지정수에 대한 유효성 확인 및 문제가 있을 경우의 처리과정을 나타내었으며, 도 12에는 기저선 사이각 정보를 이용하여 미지정수의 유효성을 확인하는 과정을 도시하였다.
우선 도 11을 살펴보면, 독립미지정수를 이용하여 기저선 벡터의 길이를 구하고 그 값을 이미 알고 있는 기저선길이와 비교하여 그 차이가 소정의 임계값을 넘는지 확인하는 독립미지정수를 이용한 미지정수 유효성확인단계를 거친다. 임계치를 넘는 경우에는 다른 관성측정유닛(IMU)을 이용한 유효성 확인단계 및/또는 속도오차를 이용한 미지정수 유효성 확인단계로 진행한다. 기저선길이의 차이가 임계치 이하인 경우에는 그 독립미지정수를 이용하여 종속미지정수를 구하고(ARCE 이용), 그 종속미지정수를 이용하여 구해진 목적함수의 값이 임계치를 초과하는 지판단한다. 목적함수값이 임계치 이하인 경우에는 미지정수가 유효한 것으로 판단하고 자세측정을 수행하며, 임계치를 초과하는 경우에는 다음 유효성 검사를 위하여 현재의 위성위치를 이용하여 종속미지정수를 다시 계산한 후, 모든 미지정수를 이용하여 구한 기저선길이와 미리 알고 있는 기저선길이의 차이가 임계치를 초과하는지 다시 판단한다. 기저선 길이 차이가 임계치 미만이면 미지정수가 유효한 것으로 판단하고 자세측정단계를 수행하며, 임계치 이상인 경우에는 미지정수가 유효하지 않은 것으로 판단한다.
물론, 전술한 순서에 한정되는 것은 아니며 필요한 판단 정밀도 또는 시간에 따라 상기의 미지정수의 유효성 판단방법들을 임의로 조합한 방법을 이용할 수도 있다. 다만, 전술한 바와 같이, 본 발명에서는 신속하고 정밀한 미지정수 유효성 확인을 위하여 독립미지정수만을 이용한 유효성 확인방법과, 안테나가 3개 이상인 경우에 두 기저선벡터의 사이각을 이용한 유효성 확인방법을 추가로 제시하였으며, 유효성 확인 후 처리를 위하여 IMU의 센서정보를 이용하여 축소된 미지정수 검색범위내에서 참 미지정수를 구하는 방법과, 속력과 속도오차가 소정의 조건(6m/s 이상, 10% 미만)을 만족하는 경우 27개의 미지정수 후보에 대한 검색을 통하여 참 미지정수를 구하는 방법을 사용하였다.
독립미지정수를 이용한 미지정수 유효성 확인단계는 다음의 수학식을 이용한다.
여기서 lAB,I는 이중차분된 반송파 위상 측정치, H는 시선각벡터, λ는 반송파 파장, NAB,I은 이중차분된 독립미지정수, w는 측정잡음이다. 여기서, l, H, λ, w는 측정값이고, 구해진 독립미지정수를 대입하면 기저선벡터를 구할수 있고, 따라서 기저선의 길이를 구할수 있다. 기저선의 실제 길이는 이미 알고 있으므로 구해진 기저선길이를 실제 길이와 비교하여 그 차이가 소정 임계치를 초과하는 지 검사한다. 임계치는 필요한 판단의 정확도에 따라 임의로 정해질 수 있다. 예를 들면, 기저선의 길이가 약 1m인 경우에 임계치를 약 2 내지 3cm로 정할 수 있다.
독립미지정수로부터 종속미지정수를 구하고, 목적함수의 값과 임계치를 비교, 판단하는 방법에 대해서는 제1997-057696호 및 2001-019813호 한국출원에 상세하게 기재되어 있으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
관성측정유닛(IMU)을 이용한 유효성 판단단계 및 처리단계는 대상체(항체)에 설치된 IMU 센서가 있는지 판단하고, IMU 센서의 출력정보를 이용하여 항체의 3차원 자세를 구하고 이를 상대위치벡터로 변환하여 미지정수 결정, 더 구체적으로는 미지정수 검색범위 결정에 이용할 수 있다.
IMU를 이용한 미지정수 검색범위 결정에 대하여 간략하게 설명하면 다음과같다.
직각좌표계에서의 기저선 벡터를 극좌표계로 변환하면 다음의 수학식 5를 얻게 되며, 여기서 b, ψ, θ는 각각 기저선벡터의 길이, 방위각, 앙각을 나타낸다.
위의 수학식 5를 선형화 기준점 b0, ψ0, θ0에 대하여 선형화하면 아래 수학식 6과 수학식 7을 얻을 수 있다.
위의 수학식 6과 수학식 7에서 b0, ψ0, θ0는 IMU센서 데이터로부터 알 수 있는 값이며, δb, δψ, δθ는 실험 또는 사용하는 IMU센서의 사양으로부터 추정할 수 있다. 이상의 결과로부터 미지정수 결정 기준값()과 오차값(δN)은 아래의수학식 8과 수학식 9로 표현된다.
수학식 9로부터 미지정수 오차공분산은 아래의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있으며, 추정된 미지정수 검색범위로 사용된다.
결론적으로, IMU를 이용한 미지정수 검색범위는 다음가 같은 수학식 11에 의하여 결정되며, 아래식에서 β는 미지정수 존재범위에 대한 신뢰도를 의미한다.
이렇게 IMU센서의 출력을 이용하면 미지정수 검색범위를 축소할 수 있고 축소된 범위내에서 목적함수를 이용하여 미지정수 검색을 수행하면 되므로 미지정수 결정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 목적함수를 이용하여 검색범위내의 정수중에 참미지정수를 구하는 방법은 제 1997-057696호 한국출원 명세서에 상세하게기재되어 있다.
다음으로 속도오차를 이용한 미지정수 유효성 확인단계 및 처리방법에 대하여 설명한다.
속도정보를 이용하기 위하여 우선 GPS에서 구한 속도정보가 어느 정도의 정밀도를 가지는지에 대한 분석이 필요하다. 다음의 수학식 12는 이중차분된 반송파 위상 측정치에 대한 식이다.
여기서 l은 이중차분된 반송파 위상 측정치, λ는 GPS 반송파 파장, N은 미지정수, H는 시선각 방향 벡터들로 이루어진 행렬, re는 기저선의 상대위치벡터, w는 이중차분된 반송파 위상 측정치 잡음을 나타낸다. 식에서 미지수는 미지정수N과 상대위치벡터 re이다. 따라서, 만약 속도정보를 이용하여 상대위치벡터를 알 수 있으면 미지정수는 쉽게 구할 수 있다. 즉임을 이용하여 추정된 미지정수와 속도벡터 사이의 관계를 다음과 같은 수학식 13으로 나타낼 수 있다.
여기서 BL은 기저선이 길이,는 GPS에서 구한 속도벡터를 나타낸다. 수학식 13을 다시 참값과 오차성분으로 나누어 보면 다음과 같은 수학식 14가 된다.
따라서, GPS에서 구한 속도정보를 이용하면 윗 식에서와 같이 미지정수의 검색범위를 결정할 수 있으며, 이 검색범위 내의 정수 중 목적함수값을 최소로 하는 대상을 참 미지정수로 결정할 수 있다. 항체가 정속도일 때 속도정보를 이용한 미지정수 검색범위는 상당히 좁게 설정되므로 미지정수 결정에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.
여기서 오차성분만을 다시 수학식 15로 나타낼 수 있다.
여기서 hi는 안테나와 위성 i 사이의 시선각 방향 벡터, δυ는 속도벡터 오차의 각 방향 성분을 나타낸다.
수학식 15를 살펴보면 추정된 미지정수 오차는 속도오차에 비례하고 속력에 반비례함을 알 수 있으며, 속도오차는 측정치에 의한 오차와 가속도에 의한 오차 두가지로 나눌 수 있다.
GPS 측정치로 인한 속도오차의 크기는 정속도 주행시 약 0.5m/s 정도이다. 또한, 차량의 움직임에 의하여 실제 진행속도와 구해진 속도에는 오차가 발생한다. 특히 가속도가 큰 경우에 속도 벡터 오차의 크기도 커지기 되므로, 실제 차량 진행속도 벡터와 구해진 속도 벡터 사이의 차이가 더 커진다.
실험적으로 살펴볼 때 항체의 속력이 6m/s 이상이면 미지정수 오차가 1 이하가 되며, 가속도에 의한 속도오차의 크기가 속력의 10%미만이면 미지정수 오차가 1 미만이 된다. 따라서, 만약 속력이 6m/s 이상이고, 가속도에 의한 속도오차 크기(속력변화량/판단시간)가 속력의 10% 미만이면 검색후보의 개수는 27개로 줄어들게 되어 신속한 미지정수 검색이 가능해진다. 27개라는 숫자는 3개의 독립정수의 각 방향 성분값에 대하여 충분히 넓은 범위로 정한 3개(n±1)의 범위가 설정되므로 3×3×3에 의하여 정해진다.
따라서, 속도오차를 이용한 미지정수 유효성 확인 및 처리단계에서는 GPS에서 구한 속력 및 속도오차의 크기를 임계치와 비교하고, 즉 속력이 6m/s이상이고, 가속도에 의한 속도오차가 속력의 10%미만인지를 확인하고, 속도오차가 이를 초과하는 경우에는 미지정수가 유효하지 않다고 판단하며, 미만인 경우에는 27개에 대한 미지정수 검색을 수행하여 참미지정수를 구한다.
또한, 기저선 벡터가 2개 이상인 경우에는 두 기저선 벡터 사이의 사이각을 이용하여 미지정수의 유효성을 확인할 수 있는데 이를 "사이각을 이용한 미지정수 유효성 확인단계"라 한다.
도 12는 사이각을 이용한 미지정수 유효성 확인단계의 흐름도로서, 미지정수, 반송파위상 측정치 및 위성위치(시선각방향벡터)를 이용하여 첫 번째 기저선벡터와 두 번째 기저선 벡터를 순차적으로 계산한다. 두 벡터의 길이를 알고 있기 때문에 구하여진 두 벡터를 내적하면 사이각을 산출할 수 있으며, 구해진 사이각을 이미 알고 있는 실제 사이각과 비교하여 그 차이가 소정의 임계치를 초과하는 지 판단하여 초과하면 미지정수가 유효하지 않다고 판단하고, 차이가 임계치 미만인 경우에는 미지정수가 유효하다고 판단한다. 임계치는 원하는 판단 정밀도에 따라 적절히 선택될 수 있다.
* 자세측정과정 및 자세의 유효성 판단
본 발명에 의한 시스템에서는 항체의 3차원 자세를 측정하기 위하여 4개의 안테나로 3개의 기저선 벡터를 형성하였으며, 3개의 기저선 중에서 2개 이상의 기저선 벡터를 구하면 3차원 자세를 측정할 수 있으며, 1개의 기저선 벡터만을 구했을 경우에는 2차원 자세측정이 가능하다.
자세측정을 위하여 반송파 위상 측정치를 이용하였기 때문에 올바른 미지정수가 결정된 후에야 자세측정이 가능하다.
미지정수가 결정되면, 반송파 위상 측정치와, 위성위치 및 결정된 미지정수를 이용하여 안테나 사이의 기저선 벡터를 구할 수 있고, 이 기저선 벡터를 이용하면 항체의 2차원 또는 3차원 자세를 구할 수 있다.
따라서, 빠른 시간에 미지정수를 구해야 하며 구하여진 미지정수가 올바른것인지도 판단하여야 한다.
전술한 바와 같이, 미지정수의 유효성은 미지정수 검색과정에서 독립미지정수를 이용하여 구한 기저선 길이를 이용하는 방법과, 종속 미지정수를 이용하여 확인하는 방법, 속도오차 등을 이용하여 확인하고 미지정수 검색범위를 축소하는 방법, IMU센서 정보를 이용하여 확인하고 검색범위를 축소하는 방법 등이 이용되고 있으나, 경우에 따라서는 잘못된 미지정수를 계속 유효한 것으로 판단하는 경우가 있다. 따라서, 정밀한 자세측정을 위하여 다른 정보를 이용하여 자세의 유효성을 판단하는 방법을 제시한다.
항체가 빠른 속도로 이동하면 속도 벡터만을 이용하여 항체의 방위각 및 앙각을 구할 수 있는 점과, 정지상태라면 항체의 앙각 및 롤각은 큰 값을 가질 수 없다는 점을 이용하여 자세의 유효성을 판단할 수 있다.
구체적으로, 항체 자세의 유효성을 확인하기 위하여 다음과 같은 3가지 방법중 하나 이상의 방법이 이용될 수 있다. 3가지 방법은 현재 이포크(epoch) 및 이전 이포크 사이의 항체 앙각(피치)의 시간변화량이 소정 임계치 미만인 경우에 한하여 구하여진 자세가 유효하다고 판단하는 제 1 자세 유효성 판단방법과, 현재 이포크(epoch) 및 이전 이포크 사이의 항체 방위각(요;yaw)의 시간변화량이 소정 임계치 미만인 경우에 한하여 측정자세가 유효하다고 판단하는 제 2 자세 유효성 판단방법과, 항체 속력이 소정 임계치가 넘는 경우에 한하여, 항체의 속도벡터로부터 구한 항체의 방위각과 기저선벡터로부터 구한 항체의 방위각 차이가 소정 임계치 이하인 경우에 한하여 측정 자세가 유효하다고 판단하는 제 3 자세 유효성 판단방법이다.
도 13은 이러한 자세측정 및 유효성 확인과정의 일례를 도시한다.
3개 이상의 모든 기저선에 대한 미지정수가 결정되었는지 판단하고, 결정되지 않은 미지정수가 있는 경우에는 도 10에 도시된 바와 같은 미지정수 검색루틴을 거친다. 2개 이상의 기저선에 대한 미지정수가 결정되면 그를 기초로 기저선을 구하고, 항체의 요(yaw; 또는 방위각), 피치(pitch; 또는 앙각), 롤(roll)값으로 표현되는 항체의 3차원 자세를 결정하게 된다.
1개 기저선에 대한 미지정수만이 결정된 경우에는 구해진 미지정수를 이용하여 기저선벡터를 구하고, 방위각 및 앙각으로 표현되는 항체의 2차원 자세를 구한다.
항체의 2차원 또는 3차원 자세가 결정되면, 항체의 앙각, 방위각 및 속도(속력) 정보를 이용하여 항체 자세의 유효성을 판단한다.
자세의 유효성 판단은 현재 이포크(epoch)와 이전 이포크 사이의 피치 또는 앙각의 시간변화량이 소정의 임계치를 초과하는지 판단하고, 임계치 이상인 경우에는 구하여진 자세가 유효하지 않다고 판단한다. 앙각(또는 피치)의 시간변화량이 임계치 미만인 경우에는 속력이 소정의 임계치 이상인지 판단하고, 속력이 임계치 미만인 경우에는 자세가 유효하다고 판단하고 종료한다. 속력이 소정 임계치 이상인 경우에는 속도벡터로 구한 항체의 방위각과 기저선벡터로 구한 방위각 사이의 오차(차이)가 소정 임계치 이상인지 판단하고, 임계치 이상인 경우에는 자세가 유효하지 않다고 판단하며, 임계치 미만인 경우에는 구한 자세가 유효하다고 판단한다.
자세의 유효성 판단에 사용되는 앙각 시간변화량의 임계치, 속력의 임계치 및 방위각 시간변화량의 임계치는 요구되는 유효성 판단의 신뢰도 또는 정밀도에 따라 선택될 수 있다. 유효성 판단결과 자세가 유효하지 않다고 판단된 경우에는 전술한 미지정수 결정 및 자세측정 과정을 다시 수행함으로써 새로이 자세를 결정한다.
이상과 같은 본 발명에 의한 자세측정방법을 이용하면, 기본적으로 3 이상의 안테나를 구비한 GPS 시스템으로 항체의 2차원 또는 3차원 자세를 신속·정확하게 측정할 수 있다.
또한, FLL과 PLL의 이중적인 반송파 추적 루프를 채용함으로써 위성신호 추적 성능을 개선시킬 뿐 아니라, 미지정수의 검색범위를 여러 가지 방법으로 축소함으로써 미지정수 결정에 필요한 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 구해진 미지정수의 유효성을 판단함으로써 사이클슬립 등에 의하여 발생한 유효하지 않은 미지정수를 용이하게 찾아서 처리할 수 있게 되며, 최종적으로 구한 항체 자세의 유효성을 다시 한 번 확인함으로써 자세측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 하나의 기준안테나와 2 이상의 보조안테나로 이루어진 위성신호 수신 안테나부;
    상기 수신 안테나부의 안테나 각각에서 수신된 고주파(Radio Frequency; RF) 위성 신호를 중간주파수(Intermediate Frequency; IF)로 변환하고, 변환된 중간주파수 신호를 이산화(digitalization)하는 3개 이상의 RF/IF부;
    각각 5채널 이상의 추적모듈을 포함함으로써, 상기 각각의 RF/IF부로부터의 이산신호를 이용하여 추적모듈에서 상관값을 생성하고 위성신호를 추적하는 3 이상의 상관기부;
    상기 3 이상의 상관기부에서 획득한 코드 및 반송파 위상 측정치를 이용하여 항법해를 구하고 대상 항체의 자세를 측정하는 중앙처리부;
    외부 기기와 상기 중앙처리부 사이의 데이터 통신을 위한 입·출력부;로 이루어진 위성항법시스템.
  2. 상기 제 1 항에 의한 시스템을 이용하여 수행되는 항체의 자세측정방법으로서,
    상기 상관기부에서 발생하는 1ms 이내의 인터럽트 신호에 의하여 수행되며, 상관기부에서 생성된 상관값 읽기 및 저장, 위성신호의 데이터비트와 프레임의 동기(synchronization), 코드 및 반송파 추적을 수행하는 제 1 프로세스;
    상기 제 1 프로세스보다 낮은 우선순위(priority)를 가지고 제 1 프로세스의 수행주기보다 긴 주기로 중앙처리부에서 수행되며, 위성을 각 상관기부의 채널에 할당하고, 상관기에서 생성되는 코드와 반송파 위상 및 반송파 사이클 개수를 획득하는 제 2 프로세스;
    상기 제 1 프로세스보다 낮은 우선순위(priority)를 가지고 제 1 프로세스의 수행주기보다 긴 주기로 중앙처리부에서 수행되며, 위성정보를 획득하고, 외부 기기와의 통신을 수행하며, 항법해를 계산하고 미지정수 결정을 통한 항체의 자세측정을 수행하는 제 3 프로세스;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 위성체를 이용한 항체의 자세측정방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 프로세스에서의 코드 및 반송파 추적은,
    상기 상관기부에서 획득한 상관값을 이용하여 중앙처리부에서 산출된 오차값을 보정함으로써 수행되며, 반송파 추적 루프는 주파수 고정 루프(Frequency Lock Loop; FLL) 및 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL)로 이루어져 있어서, FLL을 이용하여 주파수 오차가 소정 임계치 이하가 된 경우에 한하여 PLL을 작동시키고, 주파수 오차가 상기 임계치 이상이 되는 경우에는 다시 FLL로 돌아가는 이중적인 구조인 것을 특징으로 하는 위성체를 이용한 항체의 자세측정방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 프로세스에서의 위성할당은,
    상기 상관기부 각각에서 매 TIC마다, 가시위성이 상관기부의 채널에 모두 할당되어 있는가를 판단하는 제 2-1 단계;
    가시위성이 모두 할당되어 있는 경우에는 나머지 위성을 상관기부의 빈채널에 할당하는 제 2-2 단계;
    할당되지 않은 가시위성이 있는 경우에는 빈채널에 할당하고, 빈채널이 없는 경우에는 위치미결정 위성(unpredicted SV)이 할당되어 있는 채널을 비워 해당 가시위성을 할당한 후 다음 TIC로 넘어가는 제 2-3 단계;
    가시 위성이 모두 할당될 때까지 제 2-1 단계 내지 제 2-3 단계를 반복함으로써, 모든 가시위성을 상기 각 상관기부의 동일한 채널에 할당하는 제 2-4 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 위성체를 이용한 항체의 자세측정방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 프로세스에서 수행되는 항체의 자세측정은,
    상기 기준안테나와 제 1 보조안테나 사이의 제 1 기저선에 대한 독립 미지정수 검색범위를 결정하고, 검색범위 내의 후보를 검색하여 참 미지정수를 결정하며, 구해진 참 미지정수를 이용하여 제 1 기저선 벡터를 구하는 제 3-1 단계;
    상기 기준안테나와 제 2 보조안테나 사이의 제 2 기저선과 제 1 기저선의 사이각정보를 이용하여 제 2 기저선에 대한 미지정수 검색범위를 결정하고, 검색범위 내의 후보를 검색하여 참 미지정수를 결정하며, 구해진 참 미지정수를 이용하여 제2 기저선 벡터를 구하는 제 3-2 단계;
    제 3 이상의 보조안테나가 있는 경우에, 상기 제 3-2 단계를 제 3 이상의 보조 안테나에 대하여 적용하여 제 3 이상의 기저선에 대한 미지정수를 결정하고, 제 3 이상의 기저선 벡터를 구하는 제 3-3 단계;
    상기 제 1 내지 제 2 이상의 기저선 벡터를 이용하여 항체의 3차원 자세를 측정하는 제 3-4 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 위성체를 이용한 항체의 자세측정방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 3-1단계에서의 미지정수 검색범위 결정은,
    상기 제 2 프로세스에서 구해진 위성신호의 코드 측정치 공분산, 위성의 위치정보를 이용하는 제 3-1-1 방법;
    상기 제 2 프로세스에서 구해진 위성신호의 코드 측정치 공분산과 반송파 위상 측정치 공분산, 위성의 위치정보 및 제 1 기저선 길이를 이용하는 제 3-1-2 방법;
    상기 제 1 기저선 길이정보, 위성의 위치정보, 및 제 3 프로세스의 항법해 계산에 의하여 구해진 속도정보를 이용하는 제 3-1-3 방법;
    상기 항체에 설치되어 있는 관성측정유닛(IMU)에서 출력되는 자세정보, 및 위성의 위치정보를 이용하는 제 3-1-4 방법; 중 하나 이상의 방법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 위성체를 이용한 항체의 자세측정방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3-1-3 방법에서 미지정수의 검색범위는 아래의 식에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 위성체를 이용한 항체의 자세측정방법.
    여기서, l은 이중차분된 반송파 위상 측정치, H는 이중차분된 시선각벡터, BL은 제 1 기저선의 길이,와는 항법해 계산에 의하여 구해진 항체의 속도벡터와 그 오차성분.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 3-1-4 방법에서의 미지정수 검색범위는 아래의 식에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 위성체를 이용한 항체의 자세측정방법.
    여기서, Ce n은 좌표변환행렬,및는 IMU에서 구한 항체자세정보의 극좌표계값을 선형화 기준점에 대하여 선형화한 값 및 그 오차성분, β는 미지정수 전재범위에 대한 신뢰도, b, ψ, θ는 각각 기저선벡터의 길이, 방위각, 앙각.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 하나의 항에 있어서,
    상기 제 3 프로세스에서 구해진 참 미지정수의 유효성을 확인하기 위하여,
    결정된 독립미지정수를 이용하여 기저선의 길이를 구하고, 구한 기저선 길이와 실제 기저선 길이의 차이값을 소정의 임계치와 비교하여, 차이값이 임계치 미만인 경우에 한하여 미지정수가 유효하다고 판단하는 제 1 유효성 판단방법;
    결정된 종속미지정수와 위성의 위치정보를 이용하여 목적함수를 구하고, 구해진 목적함수 값을 소정의 임계치와 비교하여 임계치 미만인 경우에 한하여 미지정수가 유효하다고 판단하는 제 2 유효성 판단방법;
    항법해 계산에 의하여 구하여진 항체의 속력 및 속도오차(가속도에 의한 속도오차)의 크기를 소정 임계치와 비교하여, 속력이 임계치 미만이거나 속도오차가 임계치 이상인 경우에 미지정수가 유효하지 않다고 판단하고, 속력이 임계치 이상이고 속도오차가 임계치 미만인 경우에는 27개 미지정수 후보에 대한 미지정수 검색을 통하여 참 독립미지정수를 결정하는 제 3 유효성 판단방법;
    결정된 미지정수를 이용하여 구한 제 1 기저선벡터와 제 2 기저선 벡터 사이각을 실제 기저선 사이각과 비교하여 그 차이가 소정 임계치 미만인 경우에 한하여 미지정수가 유효하다고 판단하는 제 4 유효성 판단방법; 중 하나 이상의 미지정수 유효성 판단방법을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 위성체를 이용한 항체의 자세측정방법.
  10. 제 5 항 내지 제 8 항 중 하나의 항에 있어서,
    상기 제 3 프로세스에 의하여 구하여진 항체 자세의 유효성을 확인하기 위하여,
    현재 이포크(epoch) 및 이전 이포크 사이의 항체 앙각(피치)의 시간변화량이 소정 임계치 미만인 경우에 한하여 구하여진 자세가 유효하다고 판단하는 제 1 자세 유효성 판단방법;
    현재 이포크(epoch) 및 이전 이포크 사이의 항체 방위각(요;yaw)의 시간변화량이 소정 임계치 미만인 경우에 한하여 측정자세가 유효하다고 판단하는 제 2 자세 유효성 판단방법;
    상기 제 3 프로세서에서 구한 항체의 속도정보 중 항체 속력이 소정 임계치가 넘는 경우에 한하여, 항체의 속도벡터로부터 구한 항체의 방위각과 기저선벡터로부터 구한 항체의 방위각 차이가 소정 임계치 이하인 경우에 한하여 측정 자세가 유효하다고 판단하는 제 3 자세 유효성 판단방법; 중 하나 이상의 자세 유효성 판단방법을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 위성체를 이용한 항체의 자세 측정방법.
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