[논문 리뷰] Time-correlated Window Carrier-phase Aided GNSS Positioning Using Factor Graph Optimization for Urban Positioning

Xiwei Bai, Weisong Wen외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 02.

Indoor and Outdoor Localization Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 도심 환경에서 정밀도와 견고성을 향상시키기 위해 인과적 시간 창 위상(carrier-phase) 측정값을 이용한 인과적 시간 창 위상(WCP) 보정 GNSS 위치 측정 방법을 제안한다. 인과적 시간 창 위상 측정값을 슬라이딩 윈도우 내에서 모델링하고, 왼쪽 영공간 행렬을 통해 공유되는 오해정 변수를 제거함으로써 상태 추정 성능을 향상시킨다. 이로 인해 자동차 수준 수신기에서는 평균 위치 오차 1.76 m, 스마트폰 수준 수신기에서는 유사한 성능 향상을 달성하였다.

ABSTRACT

This paper proposes an improved global navigation satellite system (GNSS) positioning method that explores the time correlation between consecutive epochs of the code and carrier phase measurements which significantly increases the robustness against outlier measurements. Instead of relying on the time difference carrier phase (TDCP) which only considers two neighboring epochs using an extended Kalman filter (EKF) estimator, this paper proposed to employ the carrier-phase measurements inside a window, the so-called window carrier-phase (WCP), to constrain the states inside a factor graph. A left null space matrix is employed to eliminate the shared unknown ambiguity variables and therefore, correlated the associated states inside the WCP. Then the pseudorange, Doppler, and the constructed WCP measurements are integrated simultaneously using factor graph optimization (FGO) to estimate the state of the GNSS receiver. We evaluated the performance of the proposed method in two typical urban canyons in Hong Kong, achieving the mean positioning error of 1.76 meters and 2.96 meters, respectively, using the automobile-level GNSS receiver. Meanwhile, the effectiveness of the proposed method is further evaluated using a low-cost smartphone level GNSS receiver and similar improvement is also obtained, compared with several existing GNSS positioning methods.

연구 동기 및 목표

• 다중경로와 신호 차단으로 성능이 저하되는 도심 갈림길 환경에서 GNSS 위치 측정의 견고성을 향상시키기 위해.
• 다양한 에포크 간 위상 및 코드 측정값의 시간 상관성을 활용하여 해법 정확도를 향상시키기 위해.
• 두 에포크 기반 확장 칼만 필터링에 의존하는 전통적인 시간차 위상(carrier-phase) 방법의 한계를 극복하기 위해.
• 팩터 그래프 최적화 프레임워크 내에서 가짜거리, 도플러 및 창 위상 측정값을 통합하기 위해.
• 실제 도심 환경에서 고성능 및 저비용 GNSS 수신기를 사용하여 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 연속된 에포크에서 얻은 위상 측정값을 사용하는 창 위상 측정값(WCP) 개념을 도입한다.
• 공유 오해정 변수를 제거하기 위해 왼쪽 영공간 행렬을 적용하여 창 전체에 걸쳐 상태 간 상관관계를 유지하면서 기하학적 제약 조건을 유지한다.
• 가짜거리, 도플러 및 WCP 측정값을 함께 최적화하기 위해 인수 그래프 최적화(FGO)를 사용한다. 이는 상태 추정 문제를 그래픽 모델로 모델링한다.
• FGO 프레임워크를 통해 수신기 위치, 속도 및 정수 오해정 변수를 동시에 추정함으로써 이상치에 대한 저항력이 향상된다.
• 시간 창 내에서 배치 최적화를 활용함으로써 확장 칼만 필터링에 의존하지 않도록 한다.
• 이 방법은 고정밀도 및 저비용 GNSS 수신기 양쪽 모두와 호환되도록 설계되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 창 내에서 위상 측정값을 모델링하면 도심 환경에서 GNSS 위치 측정 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 기존의 TDCP 기반 접근법과 비교해 볼 때 제안된 WCP 방법은 견고성과 오차 감소 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 가짜거리, 도플러 및 위상 측정값을 통합할 때 인수 그래프 최적화가 상태 추정 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 저비용 스마트폰 수준 GNSS 수신기에도 이 방법이 성능 향상을 유지하는가?
• RQ5 왼쪽 영공간 행렬이 시간 상관관계를 유지하면서 오해정 변수를 효과적으로 제거하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 자동차 수준 GNSS 수신기를 사용하여 한 도심 갈림길에서는 평균 위치 오차 1.76 m, 다른 도심 갈림길에서는 2.96 m를 기록하였다.
• 특히 다중경로가 빈번한 도심 환경에서 기존 GNSS 위치 측정 방법에 비해 뚜렷한 성능 향상이 관찰되었다.
• 저비용 스마트폰 수준 GNSS 수신기에 적용했을 때도 유사한 향상 효과를 보여, 실용적 적용 가능성을 확인하였다.
• FGO를 통한 WCP 측정값 통합으로 이상치 측정값에 대한 저항력이 향상되었고 해법 수렴성이 향상되었다.
• 왼쪽 영공간 행렬을 사용함으로써 오해정 변수는 효과적으로 제거되었고, 창에 걸친 시간 상관관계는 유지되었다.
• 결과적으로 다수의 에포크 간 시간 상관관계를 활용할 경우 두 에포크 기반 TDCP 방법보다 더 안정적이고 정확한 위치 측정이 가능하다는 것이 확인되었다.