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[오토저널] GPS/GNSS 기반 자동차 측위 및 항법 기술

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2015-12-29 14:17:56

본문

자동차 네비게이션(Car Navigation)은 이제 현대인들의 삶에 없어서는 안될 차량 필수품이 되고 있다. 자동차 네비게이션은 전자지도 위에 자동차의 위치와 목적지까지의 길 안내 장치로 개발되었으나, 최근에 와서는 <그림1>과 같이 기존의 기본 기능뿐만 아니라 실시간 도로 상황 및 교통정보 서비스를 제공하고 분석하여 복잡한 도심에서도 목적지까지 가장 빠르고 편안하게 도착할 수 있는 최적경로를 안내할 수 있다.

 

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GPS의 소개
GPS(Global Positioning System)는 자동차 네비게이션을 가능하게 하는 핵심 기술이다. GPS는 원래 군사 목적으로 개발되었지만 민간인 신호(GPS L1주파수 C/A 신호)를 개방하면서 현재와 같이 전 세계 어디에서나 24시간 위치와 시각 측정이 가능하게 되었다. 초기 민간 신호에는 정확도를 제한하기 위하여 고의오차(Selective Availability: SA) 성분이 있었기 때문에 민간용 GPS 수신기의 오차는 100m를 웃돌았으나, 지난 2000년 미국 정부가 민간용 신호에 대한 고의오차 성분을 제거함으로써 위치 오차가 20미터 이내로 좁혀지게 되었다. 2000년에는 이동통신을 이용하여 GPS 성능을 고도화하는 A-GPS(Assisted-GPS) 기술의 출현으로 핸
드폰을 비롯하여 자동차 네비게이션 등 GPS를 기반으로 하는 많은 상용 제품과 서비스가 개발되는 전환점이 되었다.


GPS는 지구 상공 20,200km의 중궤도에서 선회하는 시각 동기화된 약 30개의 항법 위성(Navigation Satellite)으로 이루어진 우주부문과 지상 관측부문, 그리고 사용자 (수신기)로 구성된다. 항법 위성은 하루 약 2회 주기로 지구를 공전하며 위치 측정을 위하여 위성 자체의 항법정보(Navigation Data)가 담긴 신호를 계속해서 지구 전체로 방송(Broadcasting)하는데, 지상에 있는 수신기가 위성 신호를 3개(초기에는 시각 오차까지 계산하기 위하여 4개) 이상 수신하여 위성 신호의 전파도달시간(TOA)과 수신 신호에 담긴 항법정보로부터 전파 출발시각에서의 GPS위성 위치를 얻어내어 <그림 2>와 같이 삼변측량방식(Trilateration)을 통해 지상 수신기의 3차원 위치를 결정한다.

 

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일반적으로 GPS의 위치 정확도를 떨어뜨리는 요인을 특성에 따라서 크게 결정적(Deterministic) 오차와 불규칙적(Random) 오차, 그리고 기하학적(Geometric) 요인 등으로 분류하여 생각할 수 있다.


먼저 결정적 오차는 오차의 크기와 변화를 이론적으로 일정 부분 모델링(Modeling)할 수 있는 오차 성분으로 위성시계의 오차, 위성궤도의 오차, 대기권의 전파지연 등이 있다. 다음으로 불규칙적 오차는 시간 및 공간적으로 불규칙적이기 때문에 이론적·경험적 예측이 불가능한 오차 성분으로 수신기 내부 잡음과 난반사(Scattering), 다중경로(Multipath), 외부 신호에 의한 간섭(Interference)와 같은 오차 성분이 이에 해당한다. 마지막으로 기하학적 요인은 수신기를 중심으로 관측된 GPS 위성들의 기하학적 배치에 의하여 발생하는 오차 증폭 요인이다.


GPS의 활용범위가 점차 넓어지고 측위 정보를 이용한 서비스가 시장을 확대해 나갈수록 보다 정확하고 신뢰성 있는 측위 기술의 확보가 필수적이게 되었다. 이에 따라 위와 같은 다양한 오차를 보상하여 좀 더 높은 정확도와 정밀도를 얻기 위한 다양한 기술들이 연구되고 개발되었는데 그 중에서 결정적 오차를 보정하여 성능 강화를 한 대표적인 기술로 DGPS(Differential GPS)를 들 수 있다. DGPS는 원래 SA를 제거하기 위한 기술로 1980년대 말부터 연구 및 개발되었지만, 2000년 SA가 사라지면서 기존 GPS의 정확도를 보다 높이기 위한 민간 기술로 발전하였다.


DGPS는 가까운 거리에 있는 두 개의 수신기에서도 비슷한 크기로 관측되는 결정적 오차의 특성을 이용하여, 이미 알고 있는 정확한 위치에 기준국을 설치하고, 기준국에서 관측되는 GPS의 결정적 오차를 측정한 후 그 정보를 일반 GPS 수신기로 전달하여 GPS 수신기가 최종 위치를 계산할 때 전파도달시간의 오차 성분을 보정함으로써 최종 위치의 정확도를 높일 수 있도록 하는 기술이다. 국내에서도 약 20년 전부터 활발히 연구가 진행되어왔으며, 현재 전국 17개소에 DGPS 기준국을 구축하여 인터넷과 지상파 DMB를 통해 이용할 수 있는 인프라가 구축 되어있다. 이를 이용하면 3m이내로 정확도를 줄일 수 있다.


이외에도 이동통신 시스템과 연동하는 미국 퀄컴의 A-GPS 기술과 미국 서프(Sirf, 현 브로드컴)의 고감도(High Sensitivity) GPS 기술에서도 GPS의 정확도와 가용성을 확대시켜 GPS 수신기의 시장성을 크게 높였다. DGPS나 A-GPS 뿐만 아니라 GPS 수신기의 기술적 한계를 극복하기 위해 최근에는 GPS와 다양한 측위 및 항법기술을 융합하여 좀 더 높은 정확도와 정밀도를 얻는 기술이 계속해서 개발되고 있기 때문에 항공 및 해상, 차량의 항법 수단뿐만 아니라 그 응용 분야가 도심지역으로 확대될 것으로 기대된다.


GNSS로의 발전과 성능향상
일반적으로 차량용 항법 장치와 스마트폰의 보급으로 인해 ‘GPS’라는 말 자체는 이제 익숙한 것이 되었지만, GPS는 앞에서도 언급한 것처럼 미국에서 만든 군사 목적의 위성 측위/항법 시스템이다. 최근 미국뿐만 아니라 유럽, 중국, 러시아 등에서도 차세대 측위/항법 위성들을 우주 궤도로 올려 자체 위성항법시스템을 구축하고 있는데 이러한 각국의 위성 측위/항법 시스템을 통칭하여 GNSS(Global Navigation Satellite System)로 부르고 있다. 미국의 GPS를 비롯하여 러시아의 GLONASS, 유럽의 Galileo, 중국의 Beidou, 일본의 QZSS가 대표적인 GNSS 시스템이다.

 

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GNSS 위성들은 <표 1>과 같이 2020년에는 최대 120 여개까지 늘어날 것으로 예상되며, 현재의 GPS에 비해 높은 측위 정확도 향상을 기대할 수 있다. 또한, GNSS는 기존의 GPS보다 난반사와 다중경로에 강인하고 고정밀 측위가 가능한 새로운 신호 체계를 가지고 있으며 이동통신과 같이 실내에서도 신호가 탐지될 수 있도록 다수의 통신기술을 차용하고 있다. 현재 스마트폰 칩 제조 회사인 퀄컴(Qualcom, Snapdragon), 삼성(Samsung, Exynos)에서는 정확한 측위를 위해 GPS 뿐만 아니라 GLONASS까지 함께 사용할 수 있는 칩을 제조하여 이미 상용화하였다. 이처럼 차세대 GNSS를 통해 도심지역 측위나 일부 실내 측위에서 커다란 기술적 진전이 있을 것으로 기대된다.


자동차에서의 GPS/GNSS 기반 센서융합
자동차에서 GPS/GNSS 기반 시스템의 더 많은 활용을 위해서는 자동차 환경에서 GPS/GNSS 측위 시스템이 갖는 위치 오차에 대한 이해가 필요하다. 현재 GPS를 이용한 네비게이션의 측위 정확도는 약 20m이기 때문에, 차선 구분이 필수적이지 않는 길 안내(Route Guidance) 서비스가 가능하다. 그러나 자율주행을 위해서는 일반적으로 수십 cm 이내의 오차 허용한계를 요구하기 때문에 상당한 정확도 격차가 존재한다. 현재의 기술로는 DGPS나 GNSS를 사용하는 경우라도 오차 1m 이하의 정확도를 보장하기가 쉽지 않다.


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자동차 네비게이션을 사용하는 일반인들은 GPS의 오차가 DGPS를 사용하지 않고도 약 3m 정도로 알고 있는 경우가 많은데, 이는 <그림 3>과 같이 자동차의 위치를 가장 가까운 도로상의 중심 위치로 표시하는 맵 매칭(Map Matching) 기술을 통해 자동차가 도로상에 있는 것처럼 표시하기 때문이다. 그러나 도심지역에서는 GPS의 다중경로/난반사 오차가 매우 커서 자동차의 실제 위치가 현재 자동차가 위치한 도로상이 아니라 인접한 도로상으로 나타나는 경우가 빈번하게 발생할 수 있으며 3개 이상의 GPS 위성에 대한 가시성 확보가 어려운 건물협곡, 터널, 실내 공간 등에서는 자동차 항법장치에 들어있는 GPS 수신기가 위성 신호를 탐지하지 못해서 자동차의 위치 파악에 실패하는 경우가 발생한다. 이러한 이유로 1990년대부터 GPS나 DGPS를 기반으로 한 자동차 항법장치에 관성항법장치(Inertial Navigation System : INS), 주행기록계(Odometer) 등과 같은 차량 센서를 융합한 칼만 필터 기반의 융합항법 기술이 개발이 활발하게 진행 되어왔다. INS와 주행기록계를 비롯한 차량 센서는 GPS의 정확도 저하나 측위가 불가능한 음영지역에서 보조 또는 대체 측위 정보를 제공한다.


이와 같은 기술의 성능은 테헤란로 강남역 부근에서의 주행시험 결과인 <그림 3>에서 보이는 바와 같이 GPS와 함께 결합되어 비교적 안정적인 위치 정보를 제공한다. 하지만 관성항법장치는 상대측정방식이기 때문에 시간에 따라서 오차가 계속적으로 누적되어 증가하게 되는데 이러한 이유로 GPS 측위가 불가능한 음영지역에서 오랜 시간 사용하기에는 한계가 있다. 이러한 기술적 한계 때문에 최근에는 GPS와 더욱 다양한 측위 및 항법기술을 융합하여 좀 더 높은 정확도와 정밀도를 얻는 기술이 개발 및 연구되고 있다.

 

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<그림 4>에 소개된 구글카(Google Car)는 센서융합 방식의 GPS 기반 항법 시스템뿐만 아니라 고가의 라이다(Lidar : Light Detection and Ranging)를 이용하여 자동차 주변 물체의 상대적 위치와 움직임을 신속하고 빠르게 인식하는 기술을 사용하고 있다.

 

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V2X에서의 GPS/GNSS 기반 자동차 항법 시스템 가까운 미래에는 차량이 주행하면서 도로 환경 등의 정보를 도로 인프라 및 다른 차량과의 통신을 통해 교환하거나 공유하는 기술인 차량 통신 시스템(V2X)이 상용화 될 것이다. 이러한 차량 통신 시스템을 이용하면 자동차 주변 환경에 대한 탐지와 인식의 정확도를 더 높일 수 있을 뿐만 아니라 위치의 정확도도 높일 수 있다. 2009년부터 자동차 무선네트워크 상에서 무선 신호를 이용하여 얻어진 자동차간 상대 거리 측정을 GPS 측정 정보와 융합하여 주변 자동차들의 위치 정확도를 비교적 간단한 계산으로 극대화하는 기술(H-SPAWN: Hybrid-Sum Product Algorithm over Wireless Network)이 소개되었다. H-SPAWN은 주변 자동차의 협력을 통하여 GPS음영지역에 위치한 자동차나 충분한 수의 GPS 신호를 측정하지 못한 자동차의 정확한 위치를 얻는 것이 가능함을 보이고 있고 최근에는 <그림 5>와 같이 H-SPAWN이 도심 GPS 난반사 및 다중경로로 정확도가 저하되는 것을 효과적으로 방지하는 기술에 대한 연구도 활발하다.


이와 같이 다양한 시스템이 융합되고, 더욱 높은 정확도와 정밀도를 얻는 기술이 개발되고 있기 때문에 조만간 자율주행을 위한 저가의 정밀 자동차 항법 시스템을 볼 수 있을 것으로 기대한다. 

글 / 공승현 (한국과학기술원)
출처 / 오토저널 15년 6월호 (
http://www.ksae.org)

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