[논문 리뷰] Improving GPS Precision and Processing Time using Parallel and Reduced-Length Wiener Filters

Javier Contreras García, Chi Zhou|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 04.

GNSS positioning and interference참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고비용의 GPS/INS 융합 시스템을 대체하여 GPS 위치 결정 정밀도를 향상시키고 처리 시간을 단축시키기 위해 병렬 처리 및 단순화된 길이의 위너 필터를 제안한다. 이는 최적화된 위너 필터가 칼만 필터 및 신경망 방법과 유사한 정밀도를 달성하면서도 계산 부담을 크게 줄여 실시간 성능을 낮은 샘플링 주파수에서 구현할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Increasing GPS precision at low cost has always been a challenge for the manufacturers of the GPS receivers. This paper proposes the use of a Wiener filter for increasing precision in substitution of traditional GPS/INS fusion systems, which require expensive inertial systems. In this paper, we first implement and compare three GPS signal processing schemes: a Kalman filter, a neural network and a Wiener filter and compare them in terms of precision and the processing time. To further reduce the processing time of Wiener filter, we propose parallel and reduced-length implementations. Finally, we calculate the sampling frequency that would be required in every Wiener scheme in order to obtain the same total processing time as the Kalman filter and the neural network.

연구 동기 및 목표

• 저비용으로 GPS 위치 결정 정밀도를 향상시키는 데 도전하는 것.
• 정밀도를 훼손하지 않고 GPS 신호 처리의 처리 시간을 줄이는 것.
• 칼만 필터링 및 신경망과의 비교에서 위너 필터링을 실용적인 대안으로 평가하고 최적화하는 것.
• 위너 필터 계산을 가속화하기 위해 병렬 처리 및 단순화된 길이의 구현을 개발하는 것.
• 위너 기반 시스템이 칼만 및 신경망 접근 방식의 총 처리 시간을 따라잡기 위해 필요한 샘플링 주파수를 결정하는 것.

제안 방법

• 칼만 필터, 신경망, 위너 필터의 세 가지 GPS 신호 처리 방식을 구현하고 비교하는 것.
• 계산 복잡도와 처리 지연을 최소화하기 위해 길이가 단순화된 위너 필터를 설계하는 것.
• 여러 프로세서에 걸쳐 위너 필터 계산을 분산시키기 위해 병렬 처리 기법을 적용하는 것.
• GPS 가짜거리 및 캐리어 위상 측정치의 최적 선형 추정을 위해 위너 필터링을 사용하는 것.
• 동일 조건 하에서 세 방법의 처리 시간과 위치 결정 정밀도를 기준으로 비교 평가하는 것.
• 위너 기반 시스템이 칼만 및 신경망 시스템의 총 처리 시간을 따라잡기 위해 필요한 등效 샘플링 주파수를 계산하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위너 필터가 칼만 필터링 및 신경망과 유사한 GPS 위치 결정 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 길이가 단순화된 위너 필터가 GPS 신호 처리에서 처리 시간과 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 위너 필터의 병렬 처리가 계산 지연을 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ4 위너 필터가 칼만 및 신경망 시스템의 총 처리 시간을 따라잡기 위해 필요한 샘플링 주파수는 얼마인가?
• RQ5 위너 필터가 고비용의 GPS/INS 융합 시스템에 대한 저비용 대안으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 위너 필터는 칼만 필터 및 신경망 방법과 유사한 위치 결정 정밀도를 달성한다.
• 길이가 단순화된 위너 필터는 표준 위너 필터에 비해 처리 시간을 크게 단축시킨다.
• 병렬 구현된 위너 필터는 계산을 더욱 가속화하여 실시간 처리를 가능하게 한다.
• 최적화된 위너 필터는 동일한 총 처리 시간을 달성하기 위해 칼만 필터 및 신경망보다 낮은 샘플링 주파수가 필요하다.
• 제안된 위너 필터는 기존 GPS/INS 융합 시스템에 비해 저비용이면서 고정밀도의 대안을 제공한다.
• 이 연구는 위너 필터링이 GPS 신호 처리 성능 향상에 실용적이고 효율적인 방법임을 확인한다.