[논문 리뷰] Enhancing Inertial Navigation Performance via Fusion of Classical and Quantum Accelerometers

Xuezhi Wang, Allison Kealy외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 17.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 19인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 고전적 가속도계의 출력을 사용하여 양자 가속도계의 위상(phaе)을 풀어내는 최대우도 확률적 융합 방법을 제안한다. 이는 동적 범위를 연장하고 드리프트를 감소시키는 데 기여한다. 고전적 센서를 양자 센서의 저샘플링 주기로 재교정함으로써 융합은 관성 항법 정확도를 크게 향상시키며, 정사각형 위상 양자 가속도계를 사용할 경우 시뮬레이션 결과 융합된 가속도 오차에서 거의 영의 드리프트를 달성한다.

ABSTRACT

While quantum accelerometers sense with extremely low drift and low bias, their practical sensing capabilities face two limitations compared with classical accelerometers: a lower sample rate due to cold atom interrogation time, and a reduced dynamic range due to signal phase wrapping. In this paper, we propose a maximum likelihood probabilistic data fusion method, under which the actual phase of the quantum accelerometer can be unwrapped by fusing it with the output of a classical accelerometer on the platform. Consequently, the proposed method enables quantum accelerometers to be applied in practical inertial navigation scenarios with enhanced performance. The recovered measurement from the quantum accelerometer is also used to re-calibrate the classical accelerometer. We demonstrate the enhanced error performance achieved by the proposed fusion method using a simulated 1D inertial navigation scenario. We conclude with a discussion on fusion error and potential solutions.

연구 동기 및 목표

• 관성 항법 시스템에서 양자 가속도계의 제한된 동적 범위와 낮은 샘플링 주기를 해결하기 위해.
• 양자 가속도계 신호의 위상 래핑(phaе-wrapping) 문제를 해결하여 사용 가능한 가속도 범위를 제한하는 문제를 해결하기 위해.
• 고정밀한 양자 측정을 통해 고전적 가속도계를 주기적으로 재교정함으로써 고전적 가속도계 성능을 향상시키기 위해.
• 고전적 센서와 융합함으로써 실세계 관성 항법에서 양자 가속도계의 실용적 구현을 가능하게 하기 위해.
• 저속도, 고정밀도의 양자 데이터와의 확률적 융합을 통해 고전적 센서의 누적 편향을 최소화하기 위해.

제안 방법

• 최대우도추정법(MLE)을 사용하여 양자 가속도계의 진짜 위상과 고전적 가속도계의 편향을 동시에 추정한다.
• 양자 센서의 샘플링 주기에서 고속도 고전적 가속도계 데이터와 저속도 양자 가속도계 출력을 융합한다.
• 양자 신호의 모호한 위상 상태를 해결하기 위해 고전적 가속도계의 연속 측정을 활용하여 위상 풀이를 수행한다.
• 양자 센서의 삼각함수 출력을 비선형 사인 함수를 통해 가속도로 매핑하는 확률 모델을 사용하며, MLE가 모호함을 해결한다.
• 양자 센서의 사인 응답의 선형 감도 영역에 접근하기 위해 정사각형 위상 양자 가속도계(0 및 π/2)를 사용하여 비선형 오차를 최소화한다.
• 1D 관성 항법에서 오차 성능을 평가하기 위해 1000회의 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 융합 과정을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 가속도계 데이터를 사용하여 양자 가속도계의 위상 래핑 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?
• RQ2 최대우도추정법이 저속도 양자 데이터와 고속도 고전적 데이터를 융합하여 항법 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 양자 측정을 통해 주기적으로 재교정함으로써 고전적 가속도계의 편향과 드리프트를 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 정사각형 위상 양자 센서의 사용이 융합 출력의 선형성과 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 양자 센서의 사인 응답에서 비선형 감도가 융합 오차에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 융합 방법은 고전적 센서 데이터를 활용하여 양자 가속도계의 위상을 성공적으로 풀어내어 센서의 기본 동적 범위를 초월한 운영을 가능하게 한다.
• 정사각형 위상 양자 가속도계를 사용할 경우 4시간 동안 융합된 가속도 오차는 거의 영에 가까워지며, 드리프트는 오직 쇼트 노이즈에 의해 지배된다.
• 고전적 가속도계의 편향은 시간이 지남에 따라 누적되지만, 양자 센서의 샘플링 주기로 주기적으로 재교정함으로써 융합 과정이 이 드리프트를 효과적으로 제거한다.
• 4시간 몬테카를로 시뮬레이션 결과, 고전적 가속도계를 단독으로 사용할 경우에 비해 융합 방법은 위치 오차 성능을 크게 향상시킨다.
• 정사각형 위상 양자 가속도계(0 및 π/2)의 사용은 사인 응답의 선형 영역에 접근할 수 있게 하여 비선형 감도 오차를 감소시킨다.
• 융합 오차는 기저의 신체 가속도 크도가 클수록 증가하며, 주로 양자 센서의 신호 위상과 가속도 사이의 비선형 매핑에 기인한다.