GPS 위치검출(positioning)

Dead-Reckoning의 계산원리는 어느 지점(X0, Y0)에서 출발하여 임의의 지점(Xn, Yn)에 도달했을 때의 좌표를, 방위 센서와 거리센서를 통해 단위시간당 얻어진 데이터에서 각 지점의 좌표(주행거리와 방위)를 구하고, 벡터가산으로 구하는 것이다. 1 단위 시간에 거리와 방위센서에서 16개 데이터를 얻고, 그 중에서 각각 최대, 최소 데이터를 버린 나머지 14 데이터를 채용하여 계산처리하여, 각 지점의 X, Y 추정 좌표를 구한다. (=16task/Hz)

2. 맵 매칭(Map-Matching)

Dead-Reckoning으로 구해진 추정좌표는 거리나 운전시간이 길어짐에 따라 센서 오차가 많이 발생하고, 또한 주행 조건에 의한 오차가 누적되어 지도상에 실제 위치를 정확하게 표시할 수 없는 경우가 많다.

이 오차를 보정하고, 지도상의 위치에 현위치 좌표를 수정하는 것이 맵 매칭이다.

<맵 매칭의 원리>

일반적으로 자동차는 도로상을 주행한다. 바꿔말하면 넓은 주차장같은 곳을 제외하면 보통 자동차는 도로 이외는 주행하지 않는다는 말이다. Dead-Reckoning으로 구해진 추정좌표에 의한 주행궤적과 CD-ROM에서 읽어낸 디지털 지도의 도로 모양을 항상 대조하면서 누적되는 오차를 그때 그때 보정하고, 정확한 현재위치를 디지털 지도상에 표시하는 기술이 맵 매칭의 기본적인 원리이다.

<맵 매칭의 계산방법>

맵 매칭의 계산방법은 몇 종류 발표되어 있지만 여기서는 가장 일반적으로 채용되고 있는 방법으로, GPS에 의한 보완을 포함한 수법에 대해 설명하겠다.

맵 매칭의 기술적 요점은 현재 주행중의 도로를, 디지털 지도상의 도로에서 어떻게 정확하게 찾아내는가? 하는 것이다.

우선, Dead-Reckoning (이하 DR이라고 한다)에서 구해진 추측위치에서 실제로 주행하고 있는 범위 (폴리곤 설정 : 매칭 대상범위)를 지도상에 설정하는 것이 중요하다. 지도 영역내의 모든 도로를 대상으로 하는 것은 비효율적이다. 또 DR의 위치와 도로의 관계는 시시각각으로 변화하기 때문에, 폴리곤 설정도 시간에 따라 변화시킬 필요가 있다. 이렇게 하여, 자차 위치를 폴리곤 내의 어느 도로, 어느 위치로 보정할 것인가 하는 효율적 보정방법이 강구되고 있다.

그리고 아래와 같은 대표적인 요소에 의한 판정기준치에 의해 보정해야할 도로를 선택 결정해간다.

1. 주행방향과 도로 방위의 상관에 대한 확률판정

2. 추정위치와 도로와의 거리의 상관에 대한 확률판정

3. 주행궤적과 도로의 기하학적 형상과의 상관에 대한 확률판정

상황에 따라 이들 요소의 상호작용에 의해 판정 기준치가 그때 그때 결정되어, 보정대상이 되는 적정한 도로가 결정된다.

또한 판정기준과 같은 대상 도로가 2개 이상 선택될 경우, 잠정적으로 위치 보정을 하지만, 복수의 후보지를 유보한 상태로 DR을 계속한 결과, 판정치에 차이가 생긴 시점에서 점수가 더 높은 후보지점으로 보정을 한다. 결국, 평행하여 달리는 복수의 도로나 고가도로와 같이 상하로 평행하게 달 리는 도로 등은 어느 쪽이 맞는지 판단 할 수 없다. 이런 경우는 교차로나 특징이 있는 커브길 등을 검출하여 어느쪽인지 분명해 질 때까지 보정 위치를 결정하지 않는다.

이와 같이 맵 매칭에서는 판정기준의 요소, 판정기준치의 결정, 결정된 판정기준치에 의한 대상 도로의 선택에 중요한 노하우가 있다.

<맵 매칭 수법>

1) 출발점으로부터의 거리 및 진행방향의 상대 각도로 보정하는 방법.

- 이 방법은 디지털 지도상의 도로까지의 거리 r 및 도로와 주 행궤적과의 각도 θ와 r이 일정치 이하이면 자차 위치를 디지털 지도의 도로상에 보정하는 방법이다.

2) 교차로에서의 방향 전환시에 보정하는 방법

- 교차로 또는 큰 각도로 굽어있는 도로의 노드 부근에서 자동차의 진행방향이 바뀔경우에 위치를보정하는 방법이다.

3) DR 주행궤적과 방향 변경 각도에 의한 보정방법

- 도로가 Y자 모양으로 되어 있을 경우, DR 주행궤적의 경로 변경각 θd에 가장 가까운각도를 θ1∼θ3에서 찾아내어 자차 위치를 보정하는 방법이다.

4) 패턴 매칭 (앞의 매칭 개념도 참조)

- 과거의 DR에서 얻어진 주행궤적*의 위치, 거리, 방향을 폴리곤내에 존재하는 지도 상의 도로 모양과 비교하여 유사한 도로로 보정하는 방법이다.

* 주행궤적 : 단위시간당 좌표와 방위를 10∼15 포인트 기록한, 연속된 포인트 데이터를 말한다.

<맵 매칭시 문제점>

이와 같이 맵 매칭에는 여러 가지 계산방법이 있지만, 아래와 같은 본질적인 과제가 남아있다.

1) 신설 도로가 입력되어 있지 않다. 입력되어 있는 도로와 실제 도로가 다른 등 지도 데이터를 완전히 믿을 수 없다.

2) 어디까지나 상대 위치이기 때문에, 절대 위치가 한정되지 않아서 절대 위치로 수렴해 간다는 보증이 없다.

3) 평행도로나 바둑판 모양의 도로처럼, 형상 비교만으로는 위치를 특정하기 어렵다.

이러한 과제들을 해결하기 위해서는 지도의 신뢰성 향상이나 GPS 항법에 의한 절대 위치 검출기술을 추가하는 등 각종 위치검출의 계산방법을 구사하여 해결해간다.

<GPS에 의한 보완 보정>

GPS는 위성에서 오는 전파를 포착함으로써, 24시간 세계 속에서 절대 좌표를 얻을 수 있는 가장 효과적인 위치검출 항법이지만, 터널이나 고층빌딩 아래, 고가도로 아래와 같이 전파 수신조건이 나쁜 환경에서는 오차가 크게 벌어져 믿을 수 없는 문제가 있다. 또한 민간에서 이용할 수 있는 데이터에는 고의로 오차가 포함되어 측위 정도(精度)가 30∼100m이다.

GPS에서는 수신 상태가 나쁜 경우 등 측위 결과의 안정성을 나타내는 지표로서, DOP(Dilution of Precision : 精度열화)가 이용된다.

GPS를 DR과 병용하여 매칭 처리하는 경우는, 이 DOP 값을 이용하여 측위 정도가 양호한 경우에만 절대위치 검출을 채용한다. 그리고 맵 매칭 수법을 결합하여, 상호 보완하는 하이브리드방식의 위치검출을 하여, 고정도의 자차 위치검출이 이루어진 다.

GPS 방식과 하이브리드 방식

1. 머리말

Car Navigation 시스템의 가장 기본적인 요소 기술인 자차 위치검출 방식은 크게 두 가지로 분류된다. 즉, 위성전파항법인 GPS 단독에 의한 GPS 방식과, 자립항법인 추측항법과 GPS를 결합한 하이브리드 방식이다.

최근의 Car Navigation 시스템은 Navigation의 본질적 기능으로서 경로유도 기능이 탑재되어 위치검출의 고정도화에 대한 요구가 높아지고 있다. 따라서 대부분의 시스템에 하이브리드 방식을 채용하는 방향으로 나가고 있다. 여기서는 두가지 방식의 개요를 설명함과 동시에, 측위 비교의 참고예를 통해 양 방식의 차이에 대해 설명한다.

또 GPS 개요와 측위원리 및 GPS 방식의 시스템 개요에 대해 설명한다. 아울러 하이브리드 방식에 대해서는 DR(Dead-Reckoning)으로 사용되는 거리센서와 방위센서의 종류와 하이브리드 시스템의 기능을 설명하기로 한다.

2. GPS(Global Positioning System) 방식

GPS가 나오기 전까지, 일본의 Navigation 시스템의 자차 위치검출 방법은 추측항법(Dead-Reckoning)에 의한 자립항법 뿐이었다. (비콘 방식을 채용하고 있는 시스템도 일부 있었지만) Car Navigation 시스템 개발에 있어서, 복잡한 계산처리를 하지 않고도 언제 어디서든 절대 좌표를 얻을수 있는 GPS의 출현은 획기적인 일이었다. GPS는 위치(좌표), 속도, 방위가 모두 하나의 데이터로 공급되는 것이다. GPS 메이커는 서둘러 소형화, 고성능화를 향한 기술을 개발하여 Car Navigation 시스템용에 대응하였다.

당연히 Navigation 메이커는 모두 GPS 대응 제품화를 서둘렀다. 그 중에서도 미국의 GPS 메이커인 트림블사와 일찍부터 개발에 착수한 파이오니아는 제일 먼저 GPS 단독방식의 Car Navigation 시스템을 제품화하여, 시장에 센세이셔널하게 데뷰하였다. GPS 수신기 메이커이기도한 소니사도 이를 이었다.

위치계산 프로그램이 필요없는 만큼 개발 코스트가 적게들고, 단기간에 제품화할 수 있기 때문에 시판가격을 한층 낮출 수 있었고, 장치 설치나 사용자의 초기설정에 시간이 걸리지 않는 GPS 단독 방식의 장점이, 메이커나 소비자 모두에게 어필했던 것은 당연하다.

Navigation 개발에는 선발 자동차 메이커 뿐만아니라, 뒤를 이은 오디오 메이커도 시판 시장에서 GPS 단독방식을 채용한 것은 필연적인 결과였다.

서두가 길어진 감이 있지만, GPS 방식 채용 시스템의 이점으로는,

1. Navigation 본체에 기본적인 위치 계산 프로그램이 필요하지 않다.

2. 개발기간이 짧고 제품화하기 쉽다. (지도 D/B를 제외)

3. 차속이나 방위센서가 불필요하기 때문에 차내 설치가 간단하다는 점 등을 들 수 있다.

2.1 GPS의 개요

GPS (Global Positioning System : 전 지구규모 측위 시스템)은 미 국방성이 개발하여, 미 운수성과 공동으로 운용 관리하고 있는 인공위성에 의한 전세계적인 전파측위 시스템이다. GPS는 1993년 12월부터 전세계에 무상으로 개방되어, 1996년 3월 미국 대통령 성명의 형태로, 고어 부통령이 앞으로도 민간에 대한 무상개방을 계속한다 는 정책을 발표하였다.

이 정책은 100% 신뢰할 수 있는 것은 아니다라는 견해도 있지만, GPS의 이용을 전제로 한 Car Navigation 시스템 메이커나 사용자에게 안도감을 주었음에는 틀림없다.

<GPS의 시스템 구성>

GPS는 위성부분(Space Segment), 제어부분(Control Segment), 이용자부분(User Segment)의 3부분으로 구성된다.

1) 위성부분는 24기의 GPS 위성군으로 이루어진다. 이들 위성이 궤도 고도 약 20, 200Km, 승교점적경(昇交点赤經 : 위성이 남에서 북으로 지구 적도면을 가로지르는 점. 적도상의 經点)이 60도씩 차이가 나는 6개의 기동면에 각각 4기가 배치되어 있고, 궤도 경사각 (위성의 궤도면과 지구 적도면이 이루는 각도) 55도 적도상을 11시간 58 분의 주기로 지구 상공을 돌고 있다. 이들 위성으로부터는 측위를 위해 필요한 정보가 코드라고 불리는 신호로 전파를 타고 계속 발신되고 있다.

GPS 위성이 발신하고 있는 전파에는 L1대와 L2대의 2종류가 있으며, 코드 데이터에는 C/A 코드와 P 코드라는 것이 있다. 이 중 P 코드는 군사용으로서 일반에는 공개되어 있지 않다. 민간에 개방되어 있는 것은 L1대의 전파를 타고 보내오는 C/A 코드와 이와는 별도로 보내오는 항법 메시지이다.

항법 메시지란 에피메리스(Ephemeris)와 알마낙(Almanac)이라고 하는 두가지 데이터로 구성되며, 이들 데이터는 지상관제국(제어부)에서 갱신된다. 에피메리스(Ephemeris)란 위성의 궤도 정보나 전자층 지연, 탑재시계의 보정에 관한 데이터를 말하며, 알마낙(Almanac)이란 모든 위성의 개략적인 궤도 정보 데이터를 말한다.

또한 위성은 측위 원리상 또한 코드를 발신하는 관계로 극히 고정도의 안정된 시계가 필요하다. 통상 사용하는 세슘 원자시계 2대와 백엎용으로 루비슘 시계 2대가 탑재되어 있다.

GPS 위성의 수명은 약 7.5년이며, 현재 실용형 (과거 실험용 위성에서 운용되었다) 위성 25기가 가동중이다.

2) GPS 제어부분은 지구상에 설치된 주제어국과 4개소의 추적제어국으로 구성된다. 이들 지상국에서 위성의 궤도를 추적하고, 위성 제어를 비롯하여 필요한 운용관리를 담당한다.

3) 이용자 부분 = GPS 수신기

수신기의 처리는 우선 복수의 위성으로부터 오는 신호를 동시에 수신하여, 아날로그적인 수신신호를 디지털화한다. 다음은 이미 알고 있는 코드 패턴에 따라 소정의 위성별 데이터를 구분한다. 그리고 궤도계산이나 메시지 해독, 수신제어라고 하는 필요한 신호처리 조작을 실시하여, 위치 정보를 출력한다.

2.2 GPS에 의한 측위원리

<GPS에 의한 단독 측위의 원리>

GPS에서는 위성의 위치를 이미 알고 있으므로, 위성과 이용자(GPS 수신기) 사이의 거리를 측정하여 측위를 한다. 3개의 위성이 있어서 각각의 위치를 이미 알고 있다면, 위성에서 이용자까지의 거리를 알면 위치가 확정된다.

이용자가 측위를 하려고 하는 임의의 순간의 GPS 위성의 위치는 위성에서 방송되고 있는 궤도 정보에 의해 정확히 계산할 수 있다.

위성에서 이용자까지의 거리는, 위성에서 시각이 송출되고 있어서 전파가 위성을 나온 시각과 이용자가 수신하는 시각(수신기 내장시계)의 차이에서 전파 전달시간을 알 수 있고, 거기에 광속을 곱하면 거리를 계산할 수 있다.

이용자 수신기 내부시계는 정확한 것은 아니다. 따라서 이렇게 측정된 전파 전달시간은 상당히 부정확하므로, 거리도 정확하지는 않다. 이렇게 하여 구한 거리를 의사 거리(疑似距離)라고 한다.

정확한 거리를 구하기 위한 4번째 위성이 필요하게 된다.

이용자의 수신기 내부시계가 위성 시계와 완벽하게 같다면, 각각의 위성까지의 의사거리를 반경으로 하는 4개의 구면과 1점에서 교차한다. 이용자의 내부시계가 맞지 않을 때에는, 수신기의 계산기가 4개의 구면이 1점에서 교차하도록 시계를 수정한다. 이렇게하여 자신(이용자)의 위치(지구상의 절대 위치)를 알 수 있는 것이다.

이와 같이 Car Navigation 시스템에 사용되는 GPS 수신기에 의한 측위(단독측위)는 동시에 4개의 GPS 위성이 가시범위에 있어야 한다. 그리고 궤도 정보나 보정 정보 등의 Almanac이나 Ephimeris를 해독, 신호 도달 시각 측정치를 근거로 자신의 위치 를 계산한다.

2.3 GPS의 특징

GPS에는 아래와 같은 특징이 있다.

<장점>

1) 전파 전달속도의 변화에 의한 측위 정도(精度)의 열화가 없다.

2) 지상 시설의 정비가 불필요하다. (미국의 관리운용)

3) 이용자수에 제한이 없다.

4) 누구든 무료로 자유롭게 이용할 수 있다. (민간 코드 이용만)

5) 전세계에서 전전후로 상시 이용할 수 있다.

6) 측위 정도(精度)의 누적이 없다.

7) 실시간으로 연속 측위가 가능하다.

<단점>

1) 터널이나 빌딩 아래와같이 위성이 보이지 않는 곳(전파가 도달하지 않는 곳)에서는 측위가 불가능하다.

2) 민간 이용의 측위 정도(精度)에는 공칭 30m∼100m 오차가 있다는 사실.

3) 기하학적 계산원리이므로, 수신기에서 본 위성의 배치에 따라 측위 상태에 큰 오차가 발생한다. *

* 이러한 오차의 크기는 DOP (Dilution of Precision) 값으로 나타낸다.

GPS의 측위 정도는 계산에 이용하는 위성의 배치 상태에 따라 영향을 받는다. 이 위성 배치에 의한 오차 크기를 GDOP (Geometrical DOP) 값으로 나타낸다.

이 값의 크기는 관측점(GPS 수신기)를 중심으로 한 구(球)를 상정하고, 관측점과 계산에 사용하는 4개의 위성을 각각 연결하는 직선이 그 구면과 교차하는 점을 정점으로 하는 4면체의 체적을 기초로 한 값이다. 이 값이 클수록 오차는 커진다.

이 밖에, 몇 종류의 DOP가 있다.

1) PDOP (Position-) : 3차원 측위 정도 열화치

2) TDOP (Time-) : 시간 측위 정도 열화치

3) HDOP (Horizontal-) : 수평(2차원) 측위 정도 열화치

4) VDOP (Virtical-) : 고도 측위 정도 열화치

2.4 GPS 방식 시스템 개요

GPS 방식에서의 Navigation 시스템 구성은, 자립형 센서를 사용하기 때문에, 센서 데이터 처리 블록이 불필요하다. GPS 수신기로부터는 절대 좌표에 의한 위치와 차속, 방위 데이터가 신호로 직접 출력된다.

GPS 방식에서는 번거로운 위치계산은 GPS 수신기에서 처리되므로, Navigation 본체에서는 위치계산 프로그램이 불필요하다. 따라서 GPS에서 직접 얻어진 위치에서 디지털 지도 D/B의 해당 범위 검색에 의해, 현재 위치를 중심으로 한 지도와 위치 마크를 모니터로 표시하는 식으로 되어 있다.

3. 하이브리드(Hybrid) 방식

하이브리드 방식의 위치 취득에는 차속센서와 방위센서 및 GPS가 필요하다. GPS 방식의 단점은 전파가 도달하지 않는 곳에서 측위가 곤란한 점이며, 추측항법에 의한 자립 방식의 결점은 누적오차이다. 이들 결점을 보완하고 각각의 장점을 살리는 방 법으로서 양자를 결합한 것이 하이브리드 방식이다.

하이브리드 방식의 장점은 다음과 같다.

1) GPS를 사용할 수 없는 곳에서는 추측항법을 이용하여 정도(精度) 높은 측위를 할 수 있다.

2) GPS 측위가 가능한 경우는, 그 오차를 보완하기 위해 추측항법과 결합, 필터기술등에 의해 단독으로는 불가능했던 고정도(高精度)의 측위를 할 수 있다.

3.1 하이브리드 방식에 사용되는 자립형 센서

<방위센서>

Car Navigation 시스템에 사용되는 방위센서를 크게 나누면, 일정시간에 얼마만큼 돌았는지, 상대각도를 검출하는 각속도형(角速度型)의 레이트 자이로와, 지구의 지자기 (地磁氣)를 계측하여 절대방위를 출력하는 절대방위 타입이 있다.

현재 일반적으로 사용되는 것은 진동형 레이트 쟈이로이다.

그 특징은 차체와 같은 자성체의 영향을 받지 않으며,소형이며, 수명이 길며, 저가격인 점을 들 수 있다.

<차속 센서>

주행거리를 측정하는데 사용되는 차속센서는 차종에 따라 다르다.

1) 차륜 내측에 몇 센티 간격으로 + - 극성이 다른 고무성의 마그네트 벨트를 붙여, 바퀴의 회전에 의한 자속(磁速) 변화를 기전력(起電力)으로 검출하는 타입의 차륜속(車輪速) 휠 센서

2) ABS 등에 사용되고 있는 구동축과 연결된 링크 다극 마그네트가 회전함으로써 발생하는 자속 변화에 의해, 1C 내에 있는 MRE (자기저항소자)의 저항치가 변화한다. 이를 전자적으로 출력하는 MRE형은 ECC (Engine Control Computer) 유니트의 커넥터에서 차속을 검출하는 타입이다.

3) 스피드 메이커 구동 와이어에 회전 마그네트 어댑터를 부착하여, 와이어가 한 바퀴 돌면 몇 펄스의 신호를 검출하는 마그네트 어댑터 타입.

주로 이상의 3종류로 대별된다.

특히, 3)은 엔진 컨트롤 회로의 커넥터에 배선하므로, 부품을 따로 부착할 필요가 없다.

3.2 하이브리드 방식 시스템 구성

하이브리드 방식의 시스템이, GPS 방식과 다른 점은 방위센서와 차속센서에서 검출할 수 있는 것은 펄스나 파형(波形)과 같은 전압치 신호이므로, 이를 컴퓨터로 계산할 수 있는 데이터로 변환처리해야 하는 점이다.

위치검출 방법은, Dead-Reckoning(추측항법)과 맵 매칭(Map-Matching) 기술에 의해, 기본이 되는 (상대)위치를 계산하고, 여기에다 GPS 항법에 의한 절대위치 정보를 결합시켜 최종적인 위치를 계산하는 하이브리드 방식이 일반적이다. 그러나 앞에서도 설명한 바와 같이, GPS에서는 수신상태가 나쁜 경우가 있으므로, 측위결과의 안정성을 나타내는 지표로서 DOP (Dilution of Precision)이 사용되고 있다.

GPS 를 차속센서와 방위센서를 병용하여 매칭 처리할 경우는, 측위 정도를 DOP 값으로 판정하여, 정도가 양호한 경우만 절대위치 검출을 병용하여, 자립항법의 맵 매칭 수법과 결합시킨 하이브리드방식으로 위치를 검출함으로써, 고도의 위치 정도를 얻을 수 있다.

GPS 방식과 비교할 때 프로그램 구성은 복잡하지만 고기능화 흐름 속에서 네비게이션의 본질 기능인 경로유도 기능 등으로 사용자를 만족시킬 수 있는 시스템을 구축하려면, 필요불가결한 기술이다.

4. 측위 방식별로 본 측위율 비교

아래 표는 동일 장소에서 GPS 단독방식, 추측항법방식, 하이브리드 방식의 측위율과 거리 오차를 비교한 표이다.

이 표는 GPS 메이커의 실험 결과에서 발췌하였다.

표 : 측위율과 거리 오차

	측위율	평균거리오차	최대거리오차
(단위)	%	m	m
G P S	67	13.3	38.6
추측항법	100	90.2	249.5
하이브리드	100	10	36.6

평균 거리 오차와 측위율이라는 2가지 요인에서 종합하면, 하이브리드 방식의 안정성을 알 수 있다.