[논문 리뷰] Deep urban unaided precise GNSS vehicle positioning.

Todd E. Humphreys, Matthew J. Murrian외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 23.

GNSS positioning and interference참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 밀도 높은 기준국 네트워크와 소프트웨어 정의 수신기를 사용하여 보조 장치 없이도 깊은 도심 환경에서 17cm 이내의 3차원 정밀도(95% 확률)를 달성하고, 가용성이 87% 이상 유지되는 비보조 항법 기반의 캐리어 주기 차등 GNSS(CDGNSS) 시스템을 제안한다. 이는 자율주행 차량의 고정밀, 전천후 주행 기술에 있어 중요한 도약을 보여준다.

ABSTRACT

This paper presents the most thorough study to date of vehicular carrier-phase differential GNSS (CDGNSS) positioning performance in a deep urban setting unaided by complementary sensors. Using data captured during approximately 2 hours of driving in and around the dense urban center of Austin, TX, a CDGNSS system is demonstrated to achieve 17-cm-accurate 3D urban positioning (95% probability) with solution availability greater than 87%. The results are achieved without any aiding by inertial, electro-optical, or odometry sensors. Development and evaluation of the unaided GNSS-based precise positioning system is a key milestone toward the overall goal of combining precise GNSS, vision, radar, and inertial sensing for all-weather high-integrity high-absolute-accuracy positioning for automated and connected vehicles. The system described and evaluated herein is composed of a densely-spaced reference network, a software-defined GNSS receiver, and a real-time kinematic (RTK) positioning engine. A performance sensitivity analysis reveals that navigation data wipeoff for fully-modulated GNSS signals and a dense reference network are key to high-performance urban RTK positioning. A comparison with existing unaided systems for urban GNSS processing indicates that the proposed system has significantly greater availability or accuracy.

연구 동기 및 목표

• 위성 기하학적 조건이 열 劣열하고 다중 경로 간섭이 심한 깊은 도심 갈림길 환경에서 고정밀, 신뢰성 있는 GNSS 위치 결정을 달성하는 데 도전한다.
• 기존의 비보조 GNSS 시스템이 도심 환경에서 낮은 가용성 또는 정밀도 저하 문제를 겪는 한계를 극복한다.
• 정밀한 캐리어 주기 차등 GNSS가 관성, 시각, 오도메트리 센서의 보조 없이도 고정밀 3차원 위치 결정을 달성할 수 있음을 입증한다.
• 항법 데이터 워프오프와 밀도 높은 기준국 네트워크가 도심 RTK 성능을 강력하게 유지하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것을 규명한다.
• 정밀한 GNSS를 시각, 레이더, 관성 센서 등 다른 센서와 통합하여 전천후, 고신뢰성, 고정밀 위치 결정을 가능하게 하는 기반을 마련한다.

제안 방법

• 실시간 보정 데이터를 사용자 수신기에게 제공하기 위해 GNSS 지상국을 고밀도로 배치한 기준국 네트워크를 구축한다.
• 다중 GNSS 신호를 추적하고 실시간으로 캐리어 주기의 애매함을 해결할 수 있는 소프트웨어 정의 GNSS 수신기를 사용한다.
• 캐리어 주기 측정치와 정수 애매함 해소 기법을 활용하여 센티미터 수준 정밀도를 달성하는 실시간 운동학(RTK) 위치 결정 엔진을 구현한다.
• 다중 경로 영향을 줄이고 추적의 강성과 신뢰성을 향상시키기 위해 완전 조절된 GNSS 신호에 항법 데이터 워프오프를 적용한다.
• 텍사스 오스틴에서 수집한 약 두 시간 분량의 실제 도심 주행 데이터를 처리하여 깊은 도심 조건에서의 성능을 평가한다.
• 핵심 시스템 구성 요소의 영향을 분리하여 분석하기 위해 민감도 분석을 수행한다. 특히 항법 데이터 워프오프와 기준국 네트워크의 밀도에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비보조 CDGNSS가 깊은 도심 환경에서 센티미터 수준의 3차원 정밀도 위치 결정을 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ2 깊은 도심 갈림길에서 RTK 솔루션의 가용성은 기존의 비보조 GNSS 시스템과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 항법 데이터 워프오프가 도심 환경에서 RTK 솔루션 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기준국 네트워크의 밀도가 도심 지역의 위치 결정 가용성과 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 완전히 GNSS 기반의 시스템이 관성, 시각, 오도메트리 센서의 보조 없이도 깊은 도심 환경에서 고정밀 위치 결정을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 오직 GNSS 신호만을 사용하여 깊은 도심 환경에서 95% 확률로 17cm 이내의 3차원 정밀도를 달성했다.
• 지속적인 도심 주행 동안 솔루션 가용성이 87% 이상을 초과하여 보조 장치 없이도 높은 신뢰성을 입증했다.
• 완전 조절된 GNSS 신호에 대한 항법 데이터 워프오프가 도심 다중 경로 환경에서 추적의 강성과 위치 결정 성능을 크게 향상시켰다.
• 깊은 도심 갈림길에서 높은 솔루션 가용성과 정밀도를 유지하기 위해 밀도 높은 기준국 네트워크가 필수적이었다.
• 제안된 비보조 CDGNSS 시스템은 도심 환경에서 정밀도와 가용성 측면에서 기존의 비보조 시스템을 모두 뛰어넘었다.
• 결과는 고정밀, 비보조 GNSS 위치 결정이 향후 전천후, 고신뢰성 자율주행 차량의 핵심 기술로 실현 가능하다는 것을 입증한다.