Copyright ⓒ 2021 The Korea Navigation Institute 68 www.koni.or.kr pISSN: 1226-9026 eISSN: 2288-842X https://doi.org/10.12673/jant.2021.25.1.68 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-CommercialLicense(http://creativecommons. org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Received 12 January 2021; Revised 29 January 2021 Accepted (Publication) 18 February (28 February 2021) *Corresponding Author: Jong-hyuk Lee Tel: +82-31-538-6106 E-mail: [email protected]항행 및 항법 J. Adv. Navig. Technol. 25(1): 68-77, Feb. 2021 고기동 환경에 적용 가능한 소형 GPS/MEMS IMU 통합항법 수신모듈 설계 Design of a Compact GPS/MEMS IMU Integrated Navigation Receiver Module for High Dynamic Environment 정 구 용 · 박 대 영 · 김 성 민 · 이 종 혁 * 단암시스템즈 기술연구소 Koo-yong Jeong · Dae-young Park · Seong-min Kim · Jong-hyuk Lee * R&D Center of Danam Systems INC, Anyang 13930, Korea [요 약] 본 논문에서는 높은 동특성 환경에서 동작이 가능한 GPS/MEMS IMU 통합항법 수신모듈을 설계 및 제작하고, 그 결과를 확인 하였다. 설계한 모듈은 RF 수신부, 관성측정부, 신호처리부, 상관기, 항법 S/W로 구성된다. RF 수신부는 저잡음증폭, 주파수 변환, 필터링, 자동이득조절 기능을 수행하고, 관성측정부는 3축 자이로스코프, 가속도계, 지자기센서가 적용된 MEMS급 IMU로부터 측정 데이터를 수집하여 항법S/W로 전달하는 인터페이스를 제공한다. 신호처리부 및 상관기는 FPGA 로직으로 구현하여 필터링 및 상관 값 계산을 수행하고, FPGA 내부 CPU를 사용하여 위성항법, 통합항법 S/W를 구현하였다. 제작된 모듈의 크기는 95.0 85.0 12.5 mm 이고, 무게는 110g을 확인하였으며, 동적성능 1200m/s, 가속도 10g의 환경에서 규격 이내의 항법정확도 성능을 확 인하였다. [Abstract] In this paper, a GPS/MEMS IMU integrated navigation receiver module capable of operating in a high dynamic environment is designed and fabricated, and the results is confirmed. The designed module is composed of RF receiver unit, inertial measurement unit, signal processing unit, correlator, and navigation S/W. The RF receiver performs the functions of low noise amplification, frequency conversion, filtering, and automatic gain control. The inertial measurement unit collects measurement data from a MEMS class IMU applied with a 3-axis gyroscope, accelerometer, and geomagnetic sensor. In addition, it provides an interface to transmit to the navigation S/W. The signal processing unit and the correlator is implemented with FPGA logic to perform filtering and corrrelation value calculation. Navigation S/W is implemented using the internal CPU of the FPGA. The size of the manufactured module is 95.0x85.0x.12.5mm, the weight is 110g, and the navigation accuracy performance within the specification is confirmed in an environment of 1200m/s and acceleration of 10g. Key word : Global positioning system, Inertial measurement unit, Inertial navigation system, Micro electro mechanical system, Loosely coupled GPS/INS integrated navigation.
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Design of a Compact GPS/MEMS IMU Integrated Navigation ...
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Copyright ⓒ 2021 The Korea Navigation Institute 68 www.koni.or.kr pISSN: 1226-9026 eISSN: 2288-842X
https://doi.org/10.12673/jant.2021.25.1.68
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-CommercialLicense(http://creativecommons.
org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Received 12 January 2021; Revised 29 January 2021Accepted (Publication) 18 February (28 February 2021)
Design of a Compact GPS/MEMS IMU Integrated Navigation Receiver Module for High Dynamic Environment
정 구 용 · 박 대 영 · 김 성 민 · 이 종 혁*
단암시스템즈 기술연구소
Koo-yong Jeong · Dae-young Park · Seong-min Kim · Jong-hyuk Lee*
R&D Center of Danam Systems INC, Anyang 13930, Korea
[요 약]
본 논문에서는 높은 동특성 환경에서 동작이 가능한 GPS/MEMS IMU 통합항법 수신모듈을 설계 및 제작하고, 그 결과를 확인
하였다. 설계한 모듈은 RF 수신부, 관성측정부, 신호처리부, 상관기, 항법 S/W로 구성된다. RF 수신부는 저잡음증폭, 주파수 변환, 필터링, 자동이득조절 기능을 수행하고, 관성측정부는 3축 자이로스코프, 가속도계, 지자기센서가 적용된 MEMS급 IMU로부터
측정 데이터를 수집하여 항법S/W로 전달하는 인터페이스를 제공한다. 신호처리부 및 상관기는 FPGA 로직으로 구현하여 필터링
및 상관 값 계산을 수행하고, FPGA 내부 CPU를 사용하여 위성항법, 통합항법 S/W를 구현하였다. 제작된 모듈의 크기는 95.085.0 12.5 mm 이고, 무게는 110g을 확인하였으며, 동적성능 1200m/s, 가속도 10g의 환경에서 규격 이내의 항법정확도 성능을 확
인하였다.
[Abstract]
In this paper, a GPS/MEMS IMU integrated navigation receiver module capable of operating in a high dynamic environment is designed and fabricated, and the results is confirmed. The designed module is composed of RF receiver unit, inertial measurement unit, signal processing unit, correlator, and navigation S/W. The RF receiver performs the functions of low noise amplification, frequency conversion, filtering, and automatic gain control. The inertial measurement unit collects measurement data from a MEMS class IMU applied with a 3-axis gyroscope, accelerometer, and geomagnetic sensor. In addition, it provides an interface to transmit to the navigation S/W. The signal processing unit and the correlator is implemented with FPGA logic to perform filtering and corrrelation value calculation. Navigation S/W is implemented using the internal CPU of the FPGA. The size of the manufactured module is 95.0x85.0x.12.5mm, the weight is 110g, and the navigation accuracy performance within the specification is confirmed in an environment of 1200m/s and acceleration of 10g.
Key word : Global positioning system, Inertial measurement unit, Inertial navigation system, Micro electro mechanical system, Loosely coupled GPS/INS integrated navigation.
고기동 환경에 적용 가능한 소형 GPS/MEMS IMU 통합항법 수신모듈 설계
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Ⅰ. 서 론
INS(inertial navigation system)는 서로 직교하는 3축의 자이
로와 가속도센서로 이루어진 IMU(inertial measurement unit)의
출력을 가지고 항법 컴퓨터에서 위치, 속도 자세 등을 계산하여
유도 조종에 필요한 항법 정보를 전달하는 대표적인 추측항법
이다. 짧은 시간에 위치, 속도, 자세 등 다양한 항법 해를 제공하
는 장점이 있다. 하지만 적분에 의한 항법 해를 계산함으로서
센서 오차로 인해 장시간 운용 시 오차가 누적된다는 단점이 있
다 [3], [4]. 최근에는 반도체 기술의 발전으로 크기가 작고 전력소모가
적으며 가격이 싼 MEMS(micro electro mechanical system) IMU를 점점 많이 사용하고 있는 추세다. 그런데 MEMS IMU는 기
존의 기계식이나 광학식에 비해 성능이 낮아 항법해가 빠르게
발산하는 특징을 갖는다 [1], [2]. 이러한 단점을 보완할 수 있는
방법으로 GPS/INS 통합항법이 있다. GPS(global positioning system)는 인공위성에서 전송한 신호를 추적하여 항법정보를
계산하는 항법장치로 일정한 수준의 오차 범위 내에서 실시간
으로 위치, 속도, 시간을 계산한다. 시간 증가에 따른 오차누적
이 없어 장시간 안정성이 좋기 때문에 MEMS IMU와 상호보완
적인 특징을 갖는다 [1], [5]. 또한 고기동 환경에서도 GPS 수신
기의 신호추적루프 특성을 고려하여 설계할 경우 안정적으로
항법성능을 유지할 수 있다. 본 논문에서는 고기동 환경에 적용가능한 소형 GPS/MEMS
IMU 수신모듈의 설계 및 제작 방법을 제안한다. 고가속도, 고저크 환경에 만족하는 GPS 수신기를 설계하고, MEMS IMU와
결합하여 통합항법 구현을 설명한다. 제작한 모듈의 항법성능
을 검증하기 위해 차량시험 및 고기동 환경의 시뮬레이션을 수
행하여 성능 규격을 만족함을 확인하였다.
Ⅱ. H/W 설계 및 제작
제작된 소형 GPS/MEMS IMU 통합항법 수신모듈은 그림 1과 같이 PCB(printed circuit board) 형태의 모듈타입으로, 타 장
비에 장착 및 호환이 가능하도록 설계하였다. 또한 고기동 환경
에 문제없이 동작함으로써, 다양한 우주항공/방산 전자장비에
적용이 가능하도록 그 목표를 설정하였다. 소형 GPS/MEMS IMU 통합항법 수신모듈의 설계사양 및 목표는 표 1과 같다.
H/W는 RF 수신부, 관성측정부, 신호처리부, 상관기로 구성
되어 있고, 구성도는 그림 2와 같다. 신호처리부와 상관기 로직
을 구현하기 위한 FPGA(field programmable gate array)로 Intel社의 Cyclone V FPGA SoC 5CSEBA6U23I7N 제품을 선정하였
다. 이 제품은 CPU가 포함된 SoC제품군으로 위성항법 및 통합
항법 S/W의 구동을 위해 별도의 CPU를 사용 할 필요가 없어
소형화에 이점을 가진다. 또한 110K의 로직 용량 및 ARM Coretex-A9을 최대 925MHz clock 주파수로 사용할 수 있다.
Roll (RMS) - 0.0644Pitch (RMS) - 0.5710Yaw (RMS) - 0.3153
그림 20을 통해 고기동 환경 시뮬레이션에서 GPS 위성항법
의 신호추적부가 PLL lock이 풀리지 않고 신호추적이 정상적
으로 동작하는 것을 확인할 수 있다. 그 결과 그림 21에서 가시
위성 수를 보면 8개 이상을 안정적으로 유지하였고, GPS 위성
항법의 위치오차는 모든 방향에서 5m 이하의 성능을 유지하는
것을 그림 22 위치오차 그래프에서 확인할 수 있다. 앞서 언급
한 바와 같이 GPS/MEMS IMU 통합항법은 GPS 위성항법의 항
법 성능이 안정적인 경우 그 결과를 추종하도록 설계되어있다. 따라서 통합항법의 위치 오차는 위성항법의 성능과 같거나 다
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소 큰 결과가 나왔다. 그림 23 속도 오차 그래프를 보면, 속도 정확도의 경우 두 가
지 상황에서 오차가 크게 발생하였다. 첫 번째는 초기정렬 직후
약 60초 동안이다. 이 시점의 오차 원인은 초기정렬시 발생한
자세 오차에 의한 것으로, 정지 상태에서 이동을 시작하는 것과
더불어 자세 오차의 크기만큼 속도 벡터 오차 성분이 생성되면
서 항법성능이 악화되었다. 하지만 약 60초가 지나면 자세가 보
정되면서 속도 오차 역시 안정 상태로 접어드는데 이러한 구간
은 동적모드 변경 시 발생하는 과도현상으로 볼 수 있다. 두 번째는 동적 모드 안정화 이후 저크가 크게 발생한 시점
으로, 이 경우 GPS의 속도오차가 발생함에 따라 이를 추종하는
통합항법의 속도 오차도 발생하였다. 하지만 통합항법은 오차
의 크기가 완만하게 발생했다가 완화되는 현상을 보인다.자세 오차는 초기정렬 시 roll, pitch 모두 가속도계 바이어스
(10mg)에 의해 약 0.57°(10m rad)에 수렴했고, yaw는 방위각 측
정치에 의해 5°에 수렴한 것을 그림 24를 통해 확인할 수 있다. 동적모드 초기에 속도와 마찬가지로 기동 초반에 오차가 roll 각에서 발생했고, 약 60초 이후 안정화 되었다. 이후 모든 구간
에서 1° 이하의 자세오차 성능을 유지하였다. 표 5 고기동 환경 동적 구간에서의 항법 성능을 보면, 위성항
법과 통합항법의 위치, 속도, 자세 모든 항법 성능이 표 1에서
제시한 설계 사양을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 추가적으로
통합항법을 통해 IMU의 측정오차를 추정한 결과가 설정한 오
차 값(자이로 바이어스 1000 deg/h, 가속도계 바이어스 10mg)으로 수렴한 것을 그림 25를 통해 확인할 수 있었다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 고기동 환경에서 동작이 가능한 소형
GPS/MEMS IMU 통합항법 수신모듈의 H/W를 설계 및 제작하
고, FPGA를 이용하여 GPS 위성항법과 GPS/MEMS IMU 통합
항법 S/W를 구현하였다. 제작된 모듈을 사용하여 차량 주행시
험 및 고기동 환경의 시뮬레이션 등 다양한 조건에서의 시험 및
검증을 통하여 설계요소를 최적화함으로써 목표사양을 만족
하는 것을 확인하였다. 그에 따라 위성항법이 필요한 우주항공/방산 전자장비에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
References
[1] D. H. Titterton and J. L. Weston, Strapdown inertial navigation technology, 2nd ed. United Kingdom, UK: The Institution of Electrical Engineers, 2004.
[2] P. Aggarwal, Z. Syed, A. Noureldin, N. El-Sheimy, MEMS-based Integrated Navigation, Boston, MA, USA: Artech House, 2010.
[3] H. S. Kim, S. J. Baek, and Y. C. Cho, “Improving INS/GPS integrated system position error using dilution of precision,” Journal of Advanced Navigation Technology, Vol 21, No. 1, pp. 138-144, Feb. 2017.
[4] S. J. Baek, “A design of the IMM filter for improving position error of the INS/GPS integrated system,” Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 23, No. 3, pp. 221-227, Jun. 2019.
[5] J. D. Park, M. W. Kim, H. S. Kim, J. Y. Lee and H. K. Lee, “Lever arm error compensation of GPS/INS integrated navigation by velocity measurements,” Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 41, No. 6, pp.481-487, May. 2013.
정 구 용 (Koo-yong Jeong)2012년 2월 : 한양대학교 전기제어공학과 (공학사)