| 연구개발개요 |
4차 산업혁명 시대에 들어서면서 전 세계적으로 자율주행자동차 및 자율비행드론 등 무인이동체 관련 산업에 대한 많은 관심과 함께 연구가 지속적으로 진행되고있다. 상용화 개발 이후에 불러일으킬 경제적인 효과는 천문학적인 수준으로 예상되며 자율주행자동차의 경우 2030년까지 2859억 달러 규모로 급성장을 예상하고, 자율비행드론의 경우 2020년 기준 1270억 달러의 경제적 가치를 창출한 것으로 예상되고있다. 국내에서도 국토교통부의 주관으로 2025년 도심 항공교통 UAM (Urban Air Mobility)의 최초 서비스 상용화를 위해 실증사업인 K-UAM 로드맵을 추진하고있다. 또한 전국 15개 지자체 33개 구역에 드론특별자유화구역을 선정하여 드론 산업 발전을 도모하고 있으며 정부도 이를 위해 규제를 완화하는등 적극적으로 노력하고있다. 무인이동체의 자율주행 및 비행을 위해서는 개활지 뿐 만 아니라 도심 환경에서도 정확하고 신뢰성 높은 위치 결정 기술이 반드시 필요하다. 따라서 사용자의 항행 안전을 보장하기 위해 기존 항공분야에서 사용되었던 무결성 개념이 중요하게 강조되고있다. 이를 위해 기존의 1m 급 고정밀 위치 결정과 함께 사용자의 항행 안전을 보장할 수 있는 보강항법 시스템인 SBAS (Satellite Based Augmentation System)를 항공분야 이외의 도심 환경에서도 활용하고자 하는 연구들이 존재한다. 그러나 도심환경은 의사거리 측정치에 포함된 다중경로오차에 의한 극심한 항법 성능 저하 및 항행 안전 위협이 발생한다. 따라서 본 연구개발과제에서는 도심지에서도 극심한 항법 성능 저하 없이 드론의 안전 운용이 가능한 새로운 정밀 항법 알고리즘을 연구하고자한다. 본 연구개발과제에서는 정밀 항법을 수행하기위해 다중경로오차에 강인한 반송파 위상 측정치를 활용한다. 반송파 위상 측정치를 활용하기 위해선 미지정수 문제를 해결해야하고 이로 인해 외부의 보정 정보 및 고가의 다중 주파수 GNSS 수신기를 필요로 하게 된다. 본 과제에서는 미지정수가 해결된 정밀 시간차분 반송파 위상 TDCP (Time-Difference Carrier-Phase) 측정치를 기반으로 고가의 장비나 보정정보 없이도 사용할 수 있는 새로운 항법 알고리즘을 연구한다. 또한 개발하는 항법 알고리즘의 무결성 성능을 보장할 수 있는 TDCP 측정치 기반의 차세대 Relative RAIM (RRAIM) 알고리즘을 연구하여 TDCP/RRAIM 기반의 새로운 항법 알고리즘을 개발한다. 도심 환경에서 TDCP/RRAIM 기반의 새로운 항법 알고리즘 성능을 극대화하기 위하여 SBAS 보정 정보를 추가로 활용한 SBAS/TDCP/RRAIM 통합 알고리즘을 최종적으로 개발 한다. 이를 MATLAB GUI 기반 도심 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 개발된 항법 알고리즘의 성능을 예측한다.
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| 최종목표 |
본 연구개발과제는 도심 환경에서 안전한 운용을 위한 드론의 고정밀 위성항법을 개발하는 것을 목표로 한다. 저가 GNSS 수신기에서도 획득할 수 있는 시간차분 반송파 위상 측정치를 활용한 SBAS/TDCP/RRAIM 통합 고정밀 항행 안전 항법 시스템 기술 개발을 위해 세부 알고리즘을 설계하고 이를 바탕으로 MATLAB GUI 기반 시뮬레이션 소프트웨어 제작하는 것을 목표로 한다. 저가 GNSS 수신기를 통해 일반적으로 사용되는 의사거리 측정치를 활용한 항법은 도심환경에서 멀티패스 오차에 의해 수십m 이상의 오차가 발생하므로 안전을 위한 고정밀 항법에는 활용될 수 없다. 따라서 본 연구에서는 저가 GNSS 수신기에서 획득 가능하고 멀티패스오차에 강건하며 미지정수 결정이 필요 없는 반송파 위상 시간차분(TDCP) 측정치를 활용한 정밀 항법 알고리즘을 설계한다. 이를 위해 먼저 개활지 환경에서 알고리즘을 설계하고 정확도를 확인한다. 이후 도심지 환경에서 발생할 수 있는 성능저하 상황을 확인하고 이를 방지하기 위해 다중위성군을 활용한 알고리즘을 설계한다. 최종적으로 알고리즘의 성능 향상을 위해 SBAS 보정정보 활용 방안에 대한 연구를 수행하고 SBAS/TDCP 알고리즘을 설계하여 도심환경에서의 정확도를 확인한다. 이때 도심환경에서의 최종 연구 목표는 개활지에서 의사거리 측정치를 활용하여 획득 가능한 SBAS급 정확도 수준인 초기위치 대비 5분 CEP 수평 위치 오차 2m, 수직 위치 오차 5m를 목표로 한다. 도심 환경에서 저가 GNSS 수신기의 항법 무결성 성능 보장을 위한 SBAS/RRAIM 무결성 알고리즘 설계는 앞서 목표한 정확도 향상과 함께 안전과 직결된 무결성에 대한 성능 향상을 목표로 한다. 기존에 RRAIM은 항공기 사용자의 고가 이중주파수 GNSS 수신기를 고려한 알고리즘으로 문헌조사를 통해 기본 알고리즘에 대해 파악하고 개활지 환경에서 선진국 수준의 LPV-200 성능 RRAIM 설계를 목표로 기초연구를 수행한다. 이후 본 연구에서 목표하는 저가 단일주파수 GNSS 수신기를 통해 RRAIM을 수행하기 위해서 이중주파수에서 단일주파수로 제한되면서 발생하는 부족한 정보를 KASS 보정정보를 통해 획득할 수 있음을 가정하고 SBAS/RRAIM 알고리즘을 설계한다. 최종적으로 도심환경에서 저가 GNSS 수신기 기반의 SBAS/RRAIM알고리즘 성능 향상을 위하여 다중위성군을 활용하여 알고리즘을 설계하고 미국 정부에서 발간한 Federal Radionavigation Plan (FPP)의 표준문서 내 Highway User Requirement (Automated Vehicle Monitoring) 요구조건을 만족하는지 성능 분석을 진행한다. 기존 항공용 이중주파수 RRAIM 알고리즘을 단일주파수 환경 하에서 도심 환경에 적용하고자 하는 연구는 선진국 기술력을 넘어 전 세계 최초로 진행되는 연구이다. 도심 환경에서 고정밀 항행 안전 성능 예측을 위한 SBAS/TDCP/RRAIM 통합 시뮬레이션 소프트웨어 제작은 앞서 개발한 정확성, 무결성 성능향상 알고리즘 개발 산출물을 모두 포함하여 제작되는 것을 목표로 한다. 또한 성능 예측 시뮬레이션을 위한 여러 가지 기반 데이터 생성이 필요하며 이를 위해 3D 도시모델을 활용한 가시성 판단 방법 및 다중위성군의 위성궤도력 생성에 대한 연구를 진행하여 시뮬레이션 소프트웨어 제작의 완성도를 높이도록 한다.
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| 연구내용 및 범위 |
본 연구에서는 반송파 위상 측정치가 갖는 미지정수 문제를 시간 차분을 통해 해결하고 정밀 항법에 활용한다. 미지정수는 GNSS 수신기가 반송파 신호를 추적하면서 정해지는 정수형태의 고정된 값이므로 시간에 따라 변하지 않는 성질이 있다. 이러한 특성을 이용한다면 저가 GNSS 수신기에서도 미지정수가 완전히 제거된 시간 차분 반송파 위상 (TDCP) 측정치를 획득할 수 있다. 반송파 위상 측정치의 변화율을 의미하는 TDCP 측정치는 수신기 내부 Phase Loop의 일시적인 Loss-of-Lock 에 의해 아래의 그림과 같이 발생하는 미지정수 점프인 사이클 슬립(Cycle Slip)을 검출하여 제거 및 보상한다면 초기 정밀한 위치를 알고 있는 상황에서 위치를 누적해가며 정밀 항법을 수행할 수 있다. 이러한 사이클 슬립은 저가 GPS 수신기와 저가 INS를 결합한 시스템을 기반으로 단일주파수 만으로도 최소 단위인 1 cycle 까지 검출하여 해결이 가능하다. 본 연구의 1차년도에서는 선행 연구를 기반으로 사이클 슬립이 완전히 검출되어 해결된 TDCP 측정치 기반으로 정밀 상대 항법을 수행하는 알고리즘 연구를 개활지 환경과 도심지환경에서 우선적으로 진행한다. 이후 2차년도에서는 1차년도 연구 개발 성과물인 개활지 및 도심 환경에서의 TDCP 기반 정밀 항법 알고리즘을 기반으로 도심 환경에서 성능 향상을 목적으로 SBAS 보정정보를 효과적으로 활용하는 방안을 수립한다. 무결성 감시에 관한 연구는 TDCP기반 정밀 항법 연구와 함께 2-Track으로 진행한다. 1차년도에서는 본 연구과제 최종목표에 해당하는 도심 환경에서의 알고리즘 개발에 앞서 개활지 환경에서 기존의 고가 이중주파수 GNSS 수신기 기반의 RRAIM 알고리즘에 대한 선진국 문헌을 조사하고 이를 바탕으로 알고리즘 설계하여 선진국 수준의 목표성능을 만족할 수 있는 알고리즘 개발 기초연구를 수행한다. 2차년도에서는 개활지 환경에서 SBAS 보정정보를 활용한 단일 주파수 저가 GNSS 수신기용 RRAIM 무결성 알고리즘을 개발 후 이를 도심 환경에 적용하는 연구를 수행한다. 개활지 환경과 달리 도심 환경에서는 건물들에 의한 신호차폐가 발생하며 가시위성이 4개 이상이 확보되지 못함에 따라 연속적인 항법을 수행할 수 없는 경우나 가시성이 떨어짐에 따라 위성의 배치에 따른 항법 성능이 저하가 된다. 본 연구에서는 최종적으로 GPS/BeiDou 기반의 다중위성군을 활용하여 도심 환경에서 Automated Vehicle Monitoring 성능 요구조건 만족할 수 있는 무결성 감시 알고리즘 설계하고자 한다. 최종적으로 SBAS 보정정보를 활용한 TDCP 정밀 항법 알고리즘의 무결성을 감시할 수 있는 RRAIM을 개발하여 SBAS/TDCP/RRAIM을 통합 알고리즘을 설계한다. 설계한 알고리즘은 도심지에서 드론의 안전 운용을 목적으로 설계되었으나 실제 도심 환경에서 실험을 하기는 쉽지 않다. 따라서 설계된 알고리즘의 성능을 예측하기위한 시뮬레이션 소프트웨어를 개발한다. 소프트웨어는 프로그램의 실행 및 종료를 간편하게 할 수 있도록 MATLAB GUI기반으로 구현된다. 이를 위해 1차년도에는 도심 시뮬레이션 환경을 구성하고 2차년도에는 개발된 정밀 항법 알고리즘의 성능을 예측할 수 있는 소프트웨어를 제작한다.
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