저가 INS를 활용한 단일주파수 GNSS 수신기의 사이클 슬립 검출에 관한 연구

Abstract

반송파 사이클 슬립 검출은 GNSS 반송파 측정치 기반 위치 결정 알고리즘에 있어서 매우 중요한 이슈 중 하나이다. 사이클 슬립이 발생할 경우 반송파 기반 위치 결정 방식의 cm 급 위치 정확도를 더 이상 보장할 수 없기 때문이다. 따라서 사이클 슬립 검출은 반송파 기반 위치 결정 방식의 선처리 과정으로 반드시 수행된다. 기존의 사이클 슬립 검출에 대한 연구는 다중주파수 측정치 기반의 방식과 단일주파수 기반의 방식으로 분류할 수 있다. 다중주파수 측정치 기반의 방식의 경우 높은 사이클 슬립 검출 성능을 가지지만 다중주파수 수신기에만 활용 가능하다는 한계가 있다. 다중주파수 수신기는 그 금액이 수 천 만원에 달하여 대부분 측지, 측량 등의 특정한 목적에 활용된다. 일반적으로 휴대폰, 차량 내비게이션 등에 사용되는 수신기는 단일주파수 측정치만을 제공한다. 단일주파수 측정치를 활용하는 사이클 슬립 검출 방식의 경우에는 비용적으로 저가이지만 활용 가능한 측정치가 제한되기 때문에 사이클 슬립 검출 성능이 다중주파수 측정치 기반 방식에 미치지 못한다. 본 연구에서는 상용적으로 널리 활용되는 단일주파수 수신기를 위한 사이클 슬립 검출 알고리즘에 대한 연구를 수행하였다. 단일주파수 측정치 기반 사이클 슬립 검출 방식의 성능적인 한계를 극복하기 위해 시간 차분된 반송파 측정치 및 저가 INS, 위성배치 정보를 활용하여 저가이면서도 높은 정확도를 가지는 사이클 슬립 검출 알고리즘을 제안하였다. INS 기반 사이클 슬립 검출 알고리즘의 오차 요소를 수식적으로 분석한 결과 사이클 슬립 검출 성능을 결정하는 요소가 절대위치 정확도가 아닌 GNSS 측정치 에폭 간 상대위치 정확도가 됨을 발견하였고 이를 기반으로 시간 차분된 반송파 측정치를 GNSS/INS 필터 측정치로 활용하여 GNSS 측정치 에폭 간 상대위치를 정밀하게 추정함으로써 기존의 단일주파수 측정치 기반 알고리즘 대비 사이클 슬립 검출 성능을 크게 향상시켰다. 또한 사이클 슬립 검출의 비용적인 면을 고려하기 위하여 사이클 슬립 검출 목표 성능 달성을 위한 관성센서 성능을 수식적으로 유도하였고 그 결과를 시뮬레이션 및 실험을 통해 확인하였다. 이에 더불어 기존 방법들에서는 고려되지 않은 위성 배치 정보를 사이클 슬립 검출에 적용하여 동일한 성능의 관성센서를 가지고도 사이클 슬립 성능을 향상시킬 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 이를 검증하기 위해 시뮬레이션 및 차량 실험을 수행하였으며 그 결과 사이클 슬립 검출 성능이 최대 60%까지 향상되는 것을 확인하였다. 결과적으로 제안된 알고리즘을 통해 단일주파수 반송파 측정치 및 MEMS 급 관성센서 만을 이용하여 1 사이클 슬립까지 검출이 가능하였다.