[논문 리뷰] Real-time tightly coupled GNSS and IMU integration via Factor Graph Optimization

Radu-Andrei Cioaca, Paul Irofti외 4명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 03.

GNSS positioning and interference인용 수 0

한 줄 요약

논문은 incremental iSAM2와 고정 지연 스무딩을 사용하는 요인 그래프 최적화로 실시간으로 밀접 결합된 GNSS–IMU 내비게이션 방법을 제시하고 도시 GNSS 저하 데이터에서 평가합니다.

ABSTRACT

Reliable positioning in dense urban environments remains challenging due to frequent GNSS signal blockage, multipath, and rapidly varying satellite geometry. While factor graph optimization (FGO)-based GNSS-IMU fusion has demonstrated strong robustness and accuracy, most formulations remain offline. In this work, we present a real-time tightly coupled GNSS-IMU FGO method that enables causal state estimation via incremental optimization with fixed-lag marginalization, and we evaluate its performance in a highly urbanized GNSS-degraded environment using the UrbanNav dataset.

연구 동기 및 목표

• 도시 환경에서 신호 차단 및 다중경로로 인한 강건한 실시간 GNSS–IMU 융합의 필요성 제시.
• 요인 그래프 최적화에 기반한 실시간, 인과적 밀접 결합 방법 개발.
• 복잡도와 지연을 제어하기 위한 고정-지연 마진화를 통한 증가 최적화 활용.
• 도전적인 시나리오에서 GNSS 단독 및 느슨한 결합 방식에 비해 성능 향상 시연.

제안 방법

• GNSS pseudorange와 Doppler, IMU 사전통합, 그리고 시계 상태가 잔차 블록을 형성하는 요인 그래프 최적화 프레임워크를 채택.
• 고정-지연 증가 솔버(iSAM2)를 사용하여 기존 상태의 마진화를 통해 인과적이고 실시간 업데이트를 달성.
• GNSS Doppler( pseudorange-rate ) 요소를 도입하여 속도와 시계 드리프트를 제약.
• 외부 자세 제약 없이 속도와 위치와의 동적 결합을 통해 자세를 암묵적으로 추정.
• 그래프 내 다수의 컨스텔레이션을 포함하여 포즈, 속도, IMU 바이어스, 수신기 시계 상태로 상태를 표현.

Figure 1: Tightly coupled GNSS/IMU integration scheme.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정-지연 스무딩을 사용하는 요인 그래프 최적화를 통해 실시간으로 밀접 결합된 GNSS–IMU 융합이 달성될 수 있는가?
• RQ2 도시 GNSS 환경에서 GNSS Doppler 요소를 포함하는 것이 속도, 자세 및 위치 정확도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 RTFGO-TC가 가용성 및 수평/수직 정확도 측면에서 LC 및 GNSS-단독 해법과 비교하여 어떤 성능 차이가 나타나는가?
• RQ4 RTFGO-TC에서 마진화 지연 길이, 추정 정확도, 계산 시간 간의 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• RTFGO-TC는 루프 간 2D 위치 추정 정확도에서 느슨한 결합 및 GNSS-단독 해법보다 향상된 성능을 보임.
• 2D RMSE 임계값 10 m에서 2D 서비스 가능성은 SFGO-TC 및 RTFGO-TC가 약 80%인 반면 LC 및 GNSS-단독 방법은 약 40%임.
• RTFGO-TC는 2D RMSE가 Loop 1 2D에서 6.44 m, Loop 2 2D에서 7.16 m로 GNSS-단독 및 RTFGO-LC보다 수평 정확도가 우수함.
• 수직(3D) RMSE는 TC 융합 시 높은 높이 관측성 부족 또는 지도 제약 부재로 인해 일부 루프에서 저하될 수 있음.
• 고정-지연 창을 증가시키면 2D/3D 정확도에 큰 이득이 제한되지만 평균 최적화 시간은 증가함(예: 60-샘플 창에서 약 59 ms).
• SFGO-TC에 비해 RTFGO-TC는 도심 시나리오에서 실시간 운영을 제공하며 수평 정확도 측면에서 경쟁력 있거나 개선됨.

Figure 2: Tightly coupled GNSS and IMU factor graph architecture.