GPS 사이클 슬립 보상을 통한 스마트폰 기반 바퀴형 이동 로봇의 정밀 항법에 관한 연구

Abstract

최근 스마트폰 사용자 수가 증가함에 따라 자연스럽게 스마트폰에 내장된 GPS 사용량이 증가하고 있다. 산업계에서도 이러한 상황을 반영해 스마트폰 GPS를 활용한 위치기반서비스를 구축하고 시장에 판매하고 있다. 그러나 위치기반서비스를 소비자에게 제공하기 위해서는 정밀한 수준의 항법 성능이 요구되는데 선행연구들을 살펴보면 여전히 항법 성능이 정밀하지 않은 것을 알 수 있다. 항법 성능이 저하되는 이유를 알아내기 위해서 우선 고가 GPS 안테나와 스마트폰 GPS 안테나를 비교 분석하였다. 분석 결과 스마트폰 GPS 안테나의 경우 고가 GPS 안테나와는 다르게 L1주파수 안테나와 L5주파수 안테나의 배치 위치가 다르다. 따라서 이중주파수 신호를 수신하기에 매우 환경이 열악하다. 또한 스마트폰 GPS 안테나는 Linearly Polarization 방식으로 신호를 수신 받기 때문에 Right Handed Circular Polarization (RHCP) 방식으로 방송되는 GPS 신호를 수신하기에 적합하지 않다. 또한 스마트폰 GPS 항법의 선행 연구를 살펴본 결과 동적 환경일 때 사이클 슬립이 빈번하게 발생한다고 한다. 사이클 슬립이란 신호 방해 수신 요소에 의해 반송파 위상 측정치에 미지정수 배수 만큼의 점프가 발생하는 현상으로 위치 정확도를 지속적으로 악화시킨다. 따라서 cm급 정밀 항법을 수행하기 위해서는 사이클 슬립 보상이 필수적이다. 이러한 스마트폰 GPS 안테나 특성과 선행 연구 결과를 종합하여 본 연구에서는 단일주파수 GPS 신호만을 활용한 사이클 슬립 보상 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘의 성능을 검증하고자 시뮬레이션을 진행하였고 사이클 슬립이 잘 보상 됨을 확인하였다. GPS 신호는 1Hz 주기로 수신가능하기 때문에 GPS만 사용하게 되면 연속적인 항법 수행에 어려움이 있다. 본 연구에서는 따라서 주기가 빠르고 스마트폰에 내장되어 있는 INS를 Extended Kalman Filter (EKF)를 사용해 결합하여 항법을 수행한다. 구축한 EKF 결합항법 성능을 검증하고자 시뮬레이션을 진행하였다. 비선형 궤적을 따라 움직이는 시나리오에서 cm급 항법 성능이 나오는 것을 확인하였다. 마지막으로 제안한 알고리즘과 EKF 결합항법 시스템을 활용해 스마트폰의 주행 실험을 진행하였다. 그 결과 스마트폰이 회전할 때 사이클 슬립이 발생하여 위치 정확도가 안 좋지만 제안한 사이클 슬립 보상 알고리즘을 적용하게 되면 항법 성능이 약 60% 개선된 것을 확인하였다.

With the recent increase in the number of smartphone users, the use of GPS embedded in smartphone is naturally increasing. Industries are also establishing location-based services that utilize smartphone GPS and selling them to markets. However, precise navigation performance is required to provide location-based services to consumers, and prior studies show that navigation performance is still not accurate. To find out why navigation performance was reduced, we first compared and analyzed high-end GPS antennas with smartphone GPS antennas. According to the analysis, the position of the L1 and L5 frequency antennas is different from that of the high-end GPS antennas. Therefore, the environment is very poor to receive dual-frequency signals. Also, smartphone GPS antennas are not suitable for receiving GPS signals broadcast in the Right Handed Circular Polarization (RHCP) manner because they receive signals in the Linearly Polarization manner. Furthermore, a prior study of smartphone GPS navigation shows that cycle slip occurs frequently in dynamic environments. Cycle slip is a phenomenon in which a carrier phase measurement is subjected to an unspecified multiple number of jumps by a signal disturbance receiving element, which continuously deteriorates the position accuracy. Therefore, cycle slip compensation is essential to perform cm-class precision navigation. Combining these smartphone GPS antenna characteristics and prior research results, this work proposes a cycle slip compensation algorithm using only single-frequency GPS signals. Simulations have been conducted to verify the performance of the proposed algorithm and we confirm that the cycle slip is well compensated. GPS signals are received at 1 Hz intervals, making it difficult to perform continuous navigation with only GPS. In this work, we therefore perform navigation by combining INSs, which are quick to cycle and embedded in smartphone, using Extended Kalman Filter (EKF). Simulations are conducted to verify the performance of the EKF coupled navigation that we have built. We confirm that the cm-class navigation performance is achieved in scenarios that move along nonlinear trajectories. Finally, the proposed algorithm and the EKF combined navigation system were used to conduct driving experiments on smartphone. As a result, we found that the navigation performance improved by about 60% when applied with the proposed cycle slip compensation algorithm, although the position accuracy is poor due to the cycle slip occur when the smartphone is rotated.