모든 GNSS 수신기는 정교함과 상관없이 공통된 취약점이 있습니다: 위성에 대한 명확한 시야선이 필요합니다. 터널, 주차장, 밀집된 도시 협곡, 의도적인 재밍 등으로 시야가 차단되면 위치 정확도가 급격히 떨어지거나 완전히 실패합니다. 자율주행차, 배달 드론, 그리고 안전이 중요한 내비게이션 시스템에서는 이러한 격차가 용납될 수 없습니다.
해답은 다음과 같습니다센서 융합GNSS 수신기와 관성 측정 장치(IMU)를 긴밀히 결합하여 장기간 위성 신호 차단 시에도 정확도를 유지하는 항법 시스템을 만듭니다. 이 글에서는 GNSS/IMU 융합의 기술적 원리, 느슨한 결합과 타이트 커플링 아키텍처의 차이, 그리고 실제 응용에서 중요한 성능 특성을 살펴봅니다.
IMU 드리프트 이해와 핵융합이 왜 필요한가
IMU는 가속도계와 자이로스코프를 사용하여 비힘과 각률을 측정합니다. 이러한 측정값을 시간에 따라 통합함으로써, 내비게이션 시스템은 외부 참조 없이도 위치, 속도, 자세를 계산할 수 있습니다. 하지만 이 통합 과정에는 오류가 누적됩니다; 센서의 작은 편향이 누적되어 빠르게 증가하는 위치 오류로 이어지며, 이 현상은드리프트.
- 가속도계 편향:100마이크로그램(중력의 만분의 1)이라는 미세한 편향이 순수 관성 항법 60초 후 약 18미터의 위치 오차를 적분합니다.
- 자이로스코프 편향:시간당 1도의 자이로 편향은 자세 해법을 기울여 중력을 수평면에 잘못 투영하고 가상의 가속도를 만들어 위치 추정치를 빠르게 망가뜨립니다.
- GNSS의 역할:GNSS는 유한한 오차가 있는 절대 위치 고정을 제공하여 IMU 기반의 추측 알고리즘을 완벽하게 보완합니다. 도전 과제는 두 센서의 강점을 극대화할 수 있도록 핵융합 아키텍처를 설계하는 것입니다.
IMU만 있으면 몇 분 만에 시력을 잃습니다. GNSS만 있으면 엄폐 아래에서는 눈이 멀 수 있습니다. 이 둘이 제대로 융합되면, 지구가 제공할 수 있는 거의 모든 환경에서 견고한 항법 시스템을 만듭니다.
느슨한 결합 vs. 타이트 결합
GNSS/IMU 핵융합 시스템은 센서가 얼마나 깊이 상호작용하는지에 따라 분류됩니다. 아키텍처 선택은 부분적 및 완전한 GNSS 장애 시 성능에 깊은 영향을 미칩니다.
느슨한 결합GNSS와 IMU는 독립된 센서로 취급하며, 위치와 속도 출력을 칼만 필터에 입력합니다. 구현은 간단하지만, GNSS가 4개의 가시광선 위성 이하로 떨어지면 완전히 실패합니다. 이는 독립적인 위치 고정에 필요한 최소 기준이며, 비록 더 적은 위성에서 원시 의사거리 및 반송파 위상 측정이 IMU 솔루션을 제약할 수 있더라도 말입니다.
타이트 커플링측정 수준에서 동작하며, 원시 GNSS 의사 측정, 도플러 측정, 반송파 위상을 IMU 데이터와 함께 내비게이션 필터에 직접 입력합니다. 가시성 위성이 한두 개뿐이라도 위치 드리프트를 부분적으로 제한하여 장애 허용 범위를 크게 늘릴 수 있습니다.
실제 성능 벤치마크
Jumpstar의 밀접하게 결합된 GNSS/IMU 모듈은 순수 GNSS 시스템에 도전하는 실제 시나리오에서 테스트되었습니다. 45초 신호 끊김이 있는 고속도로 터널 시퀀스에서는 밀착 결합이 수평 위치 정확도를 유지했습니다0.5미터이는 10미터를 초과하는 느슨한 결합 오차와 50미터를 넘는 순수 IMU 오차와 비교된다.
자율주행차 개발자들에게 이러한 성능 차이는 곧바로 안전 마진으로 이어집니다. 터널 내에서 1미터 미만의 정확도를 유지하는 시스템은 운전자의 개입 없이도 차선 유지와 적응형 크루즈 컨트롤을 계속할 수 있습니다. 10미터 정도 드리프트하는 시스템은 즉각적인 안전 위험을 초래합니다.
신호 장애가 불가피한 응용에서 GNSS 모듈을 평가할 때, 밀접한 결합은 선택 사항이 아닙니다; 안전하고 신뢰할 수 있는 운영을 위한 기본적인 요구사항입니다.
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