ZED-F9K: Lane Accurate Positioning Module

자율주행 위한 저비용 고정밀 GNSS
유블럭스, 포지셔닝 성능 종전보다 10배 향상

5월 말, 자동차 GNSS의 강자 유블럭스의  알렉스 기(Alex Ngi) 수석이 방한했다. 전 세대 제품보다 무려 10배의 성능이 개선된, 고가의 하이엔드 제품이 아닌, 자율주행과 ADAS, V2X 요건 및 양산시장에 대응할 수 있는 새로운 GNSS 제품 ZED-F9K를 프로모션하기 위해서였다. 기 수석에 따르면, 5월 초 발표된 ZED-F9K는 이미 유럽과 북미 카 메이커, 티어들을 통해 적용이 활발히 진행되고 있다.

글｜한상민 기자_han@autoelectrocnics.co.kr  

 

 

인공지능과 카메라 중심의 몇 가지 센서를 이용한 자율주행(레벨 3 이상)이 추진되고 있지만, 기본적으로 라이더, 레이더, 카메라 등 차량의 센서 세트만으로 자율주행을 하는 데에는 무리가 있다. 센서의 인식 범위는 300미터에 불과하고 기상이나 도로환경 조건에 따라 센서가 제 기능을 발휘하지 못할 수도 있다. 이같은 센서의 한계를 극복하는데 도움을 주는 것이 V2X와 같은 통신기술, 고정밀(HD) 지도 등이다. 그리고 이런 기술들은 정밀하고 신속한 포지셔닝 정보를 요구한다.
 
V2X가 차 대 차, 차 대 인프라, 차 대 보행자 통신을 통해 서로의 동적, 위치 정보를 주고 받는 상황을 가정해보자. 예를 들어, 교차로나 합류지점에서의 잠재적 충돌위험, 신호등 변동, 장애물 뒤쪽에 위치해 차량 센서로 확인이 불가능한 다른 도로사용자와 우회전 준비 차량과 같은 시나리오에서 ‘내 차가 몇 차선 내에 위치했는지’까지 파악해 제공하는 정확한 위치 정보가 가능하다면 안전성 향상, 원활한 교통은 물론 불필요 경고까지 방지하는 더욱 신뢰할 수 있는 자율주행, 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), V2X 애플리케이션이 가능해질 것이다.

“노바텔(NovAtel) 등이 하이엔드 GNSS 기술을 업계에 1만 달러 이상에 제공해왔고 이것은 자동차 산업에 맞춤화된 기술도 아니었습니다. 이제 유블럭스는 이같은 고정밀 GNSS 기술을 매우 저렴하게 제공할 수 있습니다.”

5월 말, 자동차 GPS 분야의 강자 유블럭스의 알렉스 기(Alex Ngi) 수석이 전 세대 제품보다 무려 10배의 성능이 개선된, 고가의 하이엔드 제품이 아닌, 자율주행과 ADAS, V2X의 요건 및 양산시장에 대응할 수 있는 GNSS 제품 ‘ZED-F9K’를 프로모션하기 위해 방한했다. 기 수석에 따르면, 얼마 전인 5월 초 발표된 ZED-F9K이 이미 유럽과 북미의 카 메이커, 티어들을 통해 적용이 활발히 진행되고 있다.

자동차의 요구사항 

기 수석은 얼마 후(6월 초) 아인트호벤에게 개최될 ‘ITS 유러피언 콩그레스 2019’를 언급하며 자동차 산업의 미래와 GNSS의 역할, 요구사항을 말했다.

“유블럭스는 지멘스를 비롯 KPN, TNO, MONOTCH, PTV 그룹과 함께 최신 GNSS 제품을 자율주행차에 통합해 데모할 예정입니다. V2X 통신기술과 노변 스마트 인프라를 통해 교차로에 접근하는 차량을 지원함으로써, 어떻게 도로교통의 안전성, 효율성이 향상되는지 보여줄 것입니다. 예를 들어 테스트 카가 교차로에 진입하고 다른 방향에서 진입하는 차량 혹은 보행자 등 도로사용자가 있을 때, 빌딩, 벽과 같은 장애물에 의해 가려진 상황에서도 어떻게 자율주행차가 주변과 반응하고 소통해 안전하고 효율적으로 제어해 나아갈 수 있는 지를 보여줄 것입니다. 이 데모는 GNSS와 인공지능(AI)이 결합됐을 때 얼마나 강력한 성능을 발휘하고 자율주행에 기여할 수 있는지를 보여주는 것입니다.”

ZED-F9K의 핵심을 살펴보자. ▶차선 레벨까지 정확한 포지셔닝 정보를 제공할 수 있는 최초의 GNSS ▶데시미터(수십 cm) 수준의 자동차 양산시장용 제품 ▶지속적인 정밀 포지셔닝 정보 제공으로 자율주행, ADAS, 헤드유닛 애플리케이션 요구사항에 대응 ▶턴키 멀티밴드, 관성센서 등을 통합한 실시간 정밀 측위 시스템(RTK) ▶지연시간(latency) 10 ms 이내, 업데이트 속도 최대 30 Hz 등이다. 



차선 식별이 가능한 고정밀 GNSS ZED-F9K의 타깃 애플리케이션


기 수석은 “예를 들어 자동차의 특정 애플리케이션이 1.5 m 수준의 정확성을 요구한다면 이것은 건물 등에 차단되지 않는 오픈 스카이 조건을 의미하는데, 유블럭스의 기술은 다양한 차단 요소가 있을 때에도 이같은 정확도를 기록할 수 있습니다. 가장 까다로운 것은 자율주행, ADAS와 관련된 것으로 포지셔닝 정보는 단 1초의 지연도 없이 실시간으로 나와야 하며 ZED-F9K가 이에 대응할 수 있습니다. SAE J2945/1 요구사항 이상의 성능을 발휘합니다”라고 설명했다. 

차에 통합되는 다양한 애플리케이션들, 예를 들어 내비게이션, 자율주행, eCall, ADAS, V2X, 모빌리티 서비스, US E911 등은 예전보다 훨씬 더 정확한 포지셔닝 정보를 요구하고 있다. GNSS의 정확도가 높을수록 실시간 포지셔닝, 차선 식별, 도심이나 터널 주행 등을 포함한 광범위한 주행상황, 더욱 까다로운 교통 시나리오에 대응이 가능해진다.

현재 내비게이션 시스템들은 차가 몇 차선에 위치하는지 알려주지 못하지만 차선 식별이 가능하도록 정밀해진다면, 예를 들어 다차선 도로에서 사고가 난 경우 몇 차선에서 사고 났는지를 후속차량에 전달할 수 있어 후속 충돌사고 방지는 물론 더 빠르고 안전하게 사고 수습 및 교통효율화가 가능해진다. 또 인카 내비게이션에서 F9K를 사용하면 차선 식별이 가능하고 업데이트율이 매우 높기 때문에 다가오는 경로에 대해 현재 차선이 좌회전 또는 우회전이 가능한지 등 다양한 정보를 제공하고 안내할 수 있기 때문에 운전자는 다음의 경로에 편안하게 대비할 수 있다.

여기서, 지연시간은 일종의 “내 차가 여기 있다 Vs. 내 차가 여기 있었다”란 말과 같이 안전에 매우 민감한 부문이다. 예를 들어, 지연시간이 10 ms이라고 하면 120 km/h로 달리는 차는 측정 후 30 cm 정도 더 나아가는 셈이지만, 지연시간이 100 ms라면 3 m나 이동하는 셈이다. 이는 교차로, 합류지점과 같은 시나리오 등 거의 모든 도로교통 상황에서 안전에 매우 중요한 요소다.

“ZED-F9K는 차선 구분이 가능한 정밀한 위치 정보와 탁월한 지연시간 성능을 제공하기 때문에 헤드유닛 등 첨단 내비게이션 시스템 뿐만 아니라, ADAS 및 자율주행 분야의 요구를 충족시킬 수 있습니다. ZED-F9K의 높은 정확도와 낮은 지연시간은 차량 OEM 및 티어1의 V2X 통신 시스템에 이상적이고 HD맵의 실시간 업데이트를 가능하게 합니다.”

고정밀 데드 레코닝


멀티밴드의 위력  

ZED-F9K는 GNSS 수신기 분야의 최신 기술과 신호 처리 알고리즘 및 보정 서비스를 통합해수십 cm 수준의 정밀도를 즉시 제공할 수 있어 ADAS 및 자율주행 요구를 충족한다.

그렇다면 이같은 성능은 어떻게 발휘될 수 있는 것일까? 유블럭스의 고정밀 GNSS 시스템은 멀티밴드 GNSS 리시버, 고정밀 알고리즘과 보정 시스템, 인터넷 연결/LTE 리시버 등으로 구성된다. F9 기술 플랫폼을 기반으로 최신 GNSS 보정 서비스와의 호환을 통해 전리층 및 기타 오차를 보정함으로써 위치추적 정확도를 크게 높인다.
특히, 멀티밴드 및 다중 위성(multi-constellation)을 지원하는 실시간 정밀 측위 시스템(RTK)은 모든 궤도의 GNSS 위성으로부터 GNSS 신호를 수신할 수 있다. 즉, 수많은 가시 위성을 사용함으로써 위성 신호가 부분적으로 차단된 상황에서도 위치추적 성능을 높일 수 있다.

기 수석은 “이전 세대 제품은 하나의 밴드(L1) 시그널만 사용했지만 F9K는 L1, L2와 일부 L5 밴드까지 사용할 수 있습니다. 멀티밴드 GNSS가 가능하면 나뭇가지 등이 신호를 가려 정확도가 떨어지는 문제를 커버할 수 있고, 이렇게 되면 빠른 시간 내에 cm 수준의 정보를 제공할 수 있게 됩니다. 우리가 추구하는 목표는 GNSS 리시버와 보정 서비스를 최대한 저렴한 비용으로 다양한 시장에 적용하는 것입니다”라고 말했다.

유블럭스의 GNSS는 L1, L2, L5 시그널을 모두 활용할 수 있지만 GNSS에 쓰이는 위성들이 100% 운용되고 있지는 않다. 예를 들어 미국의 GPS는 L2 밴드를 운용 중이지만 L5는 테스트 중이다. 각국 정부의 위성 투자, 스케줄 등 상황에 따라 가용성이 달라지는 것이다.

“이 제품의 특징은 다룰 수 있는 대역폭 자체가 굉장히 넓다는 것입니다. 괘도에 올라가는 위성이 많아질수록 더 정확한 위치 정보를 얻을 수 있고, 이에 따라 현재보다 더욱 까다로운 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있게 될 것입니다.”  

도시에서 밴드 옵션에 따른 위성 가시성  
맨 위쪽 녹색은 F9K가 제공할 수 있는 정확도의 가시성이다. 검정 실선은 RTK를 위한 최소한의 요구사항이다. 유블럭스 고객이 2018년부터 적용을 시작했다고 한다면 현 시점에서 최소 요구사항 이상의 위치정보를 사용할 수 있는 것이다. 반면 경쟁사는 유블럭스 대비 밴드위시가 좁아 L2 밴드 정도(붉은 점선)만 사용할 수 있기 때문에 수신 정보가 제한적이다. 이럴 경우 밀도가 높은 도심에서 사용할 경우 위치 정확도가 크게 떨어진다. 옵션 B의 경우(붉은 실선)엔 위성 스케줄에 따라 가능해질 것이지만 시간 차이를 감수해야만 한다. 


탁월한 보정기술   

멀티밴드 GNSS와 함께 유블럭스는 보정 서비스(correction service), 관성센서, 가속도센서, 차량 휠 센서, 다이내믹 모델 등을 통해 정확성을 개선한다.  

모듈 내에 관성센서를 통합해 이동 중인 차량의 궤적 변화를 지속적으로 관찰할 수 있고, 주차장, 터널, 빌딩 숲 또는 삼림지역 등과 같이 위성신호의 일부 또는 전체가 단절되는 환경에서도 차선 구분이 가능한 수준의 위치추적 정확도를 유지할 수 있다. 위성신호가 다시 수신될 경우, ZED-F9K는 관성센서 데이터와 GNSS 신호를 함께 처리해 더 빠른 정밀 위치 도달시간을 구현하고, 수십 cm 수준의 위치추적 정확도를 유지한다.
결과적으로 GNSS 기술과 보정 서비스 및 관성센서 분야의 최신 기술을 접목해 탄생한 이 솔루션은 기존 표준 정밀 솔루션과 비교할 때 10배 정도 향상된 포지셔닝 성능을 제공한다.

기 수석은 “도시에서는 LTE나 5G, 그 외 지역에서는 위성을 통해 보정 서비스가 가능합니다. 또한 타이어 휠의 회전수를 측정해 활용하는 휠 틱(wheel ticks) 컴포넌트, 전, 후진을 위주로 하는 차량 거동 특성을 활용한 다이내믹 모델, 가속도센서 등 다양한 기술 요소들을 묶어 고정밀 추측항법(automotive dead reckoning, ADR)을 완성합니다”라고 설명했다.

기 수석은 ZED-F9K 실차 테스트 결과도 소개했다. 파리에서 제네바 사이 고속도로 구간 테스트의 결과, 전체 50% 구간에서 포지셔닝 정보가 간격 5.8 cm 내에 들었다. 또 스웨덴 예테보리의 도심환경에서는 전체 50% 구간에서 38 cm 내에 들었다. 2 km 구간 터널에서는 주행거리의 1% 내의 오차가 발생했다.

“이것은 이전 세대 NEO-M8L과 정밀도를 비교했을 때 고속도로에서 10배 이상, 도시 2배, 고밀도 도심에서 5배의 향상이 이뤄진 것입니다. ZED-F9K는 말로만 정확한 것이 아니라 실제로 이같은 결과를 냅니다.”

턴키 솔루션 

ZED-F9K는 턴키 솔루션이다. 센서 퓨전, 내비게이션 엔진, 플래시, IMU, 패시브, RF필더, GNSS 베이스밴드, GNSS Acq. & track, ambiguity resolver 등 하드웨어 및 소프트웨어를 묶어 제공한다. 때문에 고객은 유블럭스의 제품을 평가하는 시점부터 바로 어느 정도의 퍼포먼스를 예상하고 기대대로 사용할 수 있게 된다. 만일 이런 요소기술만 따로 제공하는 벤더들과 협업한다면 고객사는 그만큼 개발이 늦어지는 셈이다.

“ZED-F9K는 현재와 미래의 커넥티드 카의 요구를 충족시키는 턴키 방식의 고정밀 GNSS 솔루션이면서 GNSS 수신기에 관성장치, 추측항법 알고리즘에 이르는 다양한 기술을 통합한 집약체입니다. 고객의 제품 개발 사이클 전반에 걸쳐 탁월한 성능을 보장할 것입니다.”

 

종전 제품과의 성능 비교