GPS 위치를 정말 신뢰할 수 있나요?

셉텐트리오의 마리아 심스키가 GPS/GNSS 무결성, 그리고 사용자, 특히 로봇, 자율이동 애플리케이션과 기타 자동화 시스템에서 고정밀 GPS 사용자에게 이 무결성이 왜 중요한지에 대한 새로운 인사이트를 준비했다. 

글 | 마리아 심스키(Maria Simsky)_ maria.simsky@septentrio.com, Septentrio


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루아르밸리(Loire Valley)의 프랑스 포도원은 정말 아름다운 경치를 자랑한다. 
그런데 그 속을 들여다보면, 농장들은 포도를 유기농으로 재배하고 수확할 일꾼을 모으는 데 어려움을 겪고 있다. 젊은 세대가 대도시로 이주하면서 이곳 공동체의 노동력이 부족해졌기 때문이다. 어떤 해결책이 있을까? 

프랑스에 기반을 둔 시티아(Citia)가 개발한 완전 자율 트랙터는 이 포도 덩굴 사이의 좁은 라인을 오가며 잡초를 뽑기 위해 쉬지 않고 일하고 있다. 한 달 동안 그렇게 수백 킬로미터를 커버한 후 농장주에게 가 완료된 작업을 검토받고 작업 한 달 동안 손상된 2개의 덩굴을 배상했다. 
정작 시티아도 농부가 외친 말을 듣고 놀랐다. “같은 작업을 위해 수동 트랙터를 사용하면 하루에 적어도 두 그루의 덩굴이 손상됩니다. 당신들의 로봇은 어떻게 이렇게도 조심스러울 수가 있습니까!” 

비결은 높은 수준의 정확성과 무결성으로 높은 품질, 자율 운영을 보장하는 것이다. 그런데 여기서 측위의 ‘무결성’은 정확히 무엇이고, 로봇과, 다른 자율이동 기계의 성능과 신뢰성에는 이것이 어떤 영향을 미칠까? 

무결성은 심지어 도전적인 환경에서 현재 위치 정보가 원하는 만큼 정확하지 않더라도 측위 및 측위 정확도 정보를 진실하게 전달하는 것이다. 높은 무결성 측위 제공의 일부는 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 또는 RAIM+라고 불리는 통계 분석으로, 후자의 경우는 더 큰 측위 보호 패키지의 일부로서 이 분석을 다음의 수준으로 끌어 올린다. 
 


자동화에서 무결성이 중요한 이유 

가능한 측위 부정확성에 대한 ‘진실한 보고’의 의미에서, GNSS 수신기 무결성과 지나치게 낙관적인 보고가 얼마나 위험한 자율 작동을 초래할 수 있는지를 살펴보겠다.

수신기 정확도 보고는 계산된 위치에서 가능한 최대 오류 가능성이란 측위 불확실성을 통해 수행된다. 이는 수신기가 제한된 수의 GNSS 위성만을 ‘보는’ 까다로운 GNSS 환경 또는 GNSS 신호가 저하되는 도전적인 GNSS 환경에서 특히 필요한 측위 오류의 위험성을 제공한다. 이런 오류 보고는 모든 자율 시스템에 중요하지만, 특히 PNT 애플리케이션 및 미션 크리티컬 동작이 보장되는 경우에 중요하다. 일관된 위치는 정확해 보일 수 있을 뿐만 아니라 여전히 정확하지 않을 수도 있다. 측위 불확실성은 주어진 순간에 어느 정도 측위 정확도에 의존할 수 있는지를 나타낸다.

아래 그림의 파란색 선은 하늘의 시야가 방해받지 않고 수신기가 많은 위성을 직접 볼 수 있는 좋은 조건에서 GNSS 수신기가 추정한 위치 불확실성을 보여준다. 수신기 오퍼레이터는 알람 한계치(빨간색으로 표시)를 설정해 수신기가 측위 불확실성이 너무 커질 때 상황들을 표시할 수 있다.


그림 1 | 양호한 GNSS 조건에서 파란색 선으로 표시된 위치 불확실성은 알람 한계 내에 있어 안전한 작동을 나타낸다. 수신기의 실제 위치는 항상 파란색 불확실성 경계 내에 있어야 한다. 



좋은 조건에서는 계산된 측위가 로봇의 실제 위치와 거의 동일하기 때문에 위치 결정 불확실성이 알람 한계보다 훨씬 낮게 유지된다. 하지만 도전적인 환경에서는 측위 불확실성의 진실성이 가장 중요하다(그림 2).

예를 들어, 건물이나 단풍으로 인해 하늘의 시야가 부분적으로 가려졌을 때 수신기는 제한된 수의 GNSS 위성에만 접근할 수 있어 정확한 위치를 계산하기가 더 어렵다. 이런 경우 수신기는 더 높은 측위 불확실성을 보고해야만 시스템이 더 낮은 속도로 전환하거나 미리 정의된 경계에서 더 멀리 떨어지거나 정지하는 것과 같은 적절한 조치를 취할 수 있다.




그림 2 | 도전적인 환경에서 무결성 높은 수신기는 큰 측위 불확실성을 보고해 시스템에 가능한 부정확성을 나타낸다. 수신기가 정확도에 대해 너무 낙관적이면 작동이 위험해진다.



낮은 무결성 수신기는 계산된 측위가 실제 위치에서 멀리 떨어져 있는 경우에도 미리 설정된 알람 한계 미만으로 유지되는 낙관적인 측위 불확실성을 계속 보고할 수도 있다. 그 숫자는 괜찮아 보일지 모르지만, 사실상 그것은 더 이상 자신과 주변 환경을 손상시킬 위험이 있는 계획된 경로에 있지 않은 ‘느슨한 로봇’이 된다.

가옥, 빌딩으로 하늘의 시야가 부분적으로 가려진 도시 협곡에서 GNSS 차량 테스트 동안 작동하는 불확실성 한계를 살펴보자. 주황선은 차량 내 셉텐트리오 ‘모자이크(mosaic) GNSS 모듈’에 의해 보고된 측위 및 불확실성 경계이고, 빨간선은 다른 잘 알려진 GNSS 수신기에 의해 보고된 측위 및 불확실성 경계다. 흰색은 도로를 따라 주행하는 차량의 실제 위치를 나타낸다.





그림 3 | 도시 협곡 차량 테스트에서 셉텐트리오 수신기는 정확한 위치 불확실성을 보고한다. 실제 위치가 보고된 불확실성 범위 내에 있지 않은 반면, 경쟁사 수신기는 더 정확해 보여 위험한 작동을 초래한다.



이런 도전적인 환경에서 모자이크 수신기의 주황색 불확실성 경계는 진실하고 다소 넓으며, 실제 위치는 항상 이러한 경계 내에 머물러 있음을 알 수 있다. 반면, 빨간색 궤도는 도로의 특정 도전적인 지점에서 코스를 벗어나며, 실제 위치는 더 이상 불확실성 경계 내에 있지 않으며, 이는 너무 낙관적으로 남아 있다. 이 경우, 경쟁 수신기는 잘못된 보안성을 제공하고 시스템은 위험한 작동을 인식하지 못한다.

예를 들어, 빨간선으로 표시된 수신기가 자동차의 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)에 대한 내비게이션 정보를 제공하는 경우, 이는 시스템이 차량이 차선을 바꾼 것으로 오해하게 할 수 있다. 시스템이 ‘올바른 차선’으로 다시 전환해 궤도를 수정하려고 시도할 경우 차량이 코스를 벗어나 인도나 심지어 다른 차에 부딪힐 수 있다.



RAIM vs RAIM+  

진실한 측위 불확실성 보고의 기본 메커니즘은 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)으로, 통계 분석과 정상에서 벗어난 위성 또는 신호의 배제를 기반으로 진실한 측위 계산을 보장한다. 센텐트리오 수신기는 높은 무결성을 위해 설계됐으며 RAIM+로 RAIM을 한 단계 높임으로써 높은 신뢰도로 측위의 진실성을 보장한다. 셉텐트리 수신기 RAIM+는 실제로 AIM+ 안티-재밍과 안티-스푸핑 방지, 이온권 섬광에 대한 IONO+ 복원력 및 APME+ 다멀티 경로 완화를 포함한 다양한 수준의 측위 보호 기능을 포함하는 GNSS+라고 하는 포괄적인 수신기 보호 제품군의 구성요소다.



 

센텐트리오 RAIM+ 통계 모델은 20년 동안 수집된 50테라바이트 이상의 현장 데이터로 미세 조정됐다. 위에서 언급한 GNSS+ 구성요소와 함께 동작하면서 다중경로 반사, 태양 전리층 활동, 방해 및 스푸핑으로 인해 오류가 발생할 수 있는 위성과 신호를 제거한다. 이런 멀티 구성요소 보호 아키텍처로 표준 RAIM을 훨씬 뛰어넘는 매우 높은 수준의 측위 결정 정확도와 신뢰성을 달성한다. RAIM+ 통계 모델은 적응력이 뛰어나고, 매우 상세하며, 사용 가능한 모든 GNSS 위성 및 신호를 활용한다. 완전한 RAIM+ 기능은 셉텐트리오의 GNSS/INS 수신기 라인에서도 사용할 수 있다. 사용자 제어 매개변수를 사용해 특정 요구사항에 맞게 조정할 수 있다.




그림 5 | 이 시나리오에서 재밍은 위성거리 오류를 발생시키지만 AIM+ 기술로 대응된다. 스푸핑하는 동안 AIM+는 스푸핑된 위성들 중 일부를 제거하며, 다른 위성들은 RAIM+ 알고리즘에 의해 제거된다. 



다이어그램은 셉텐트리오 GNSS 수신기에 대한 방해 및 스푸핑 공격 동안 작동하는 RAIM+를 보여준다. AIM+는 GNSS 방해의 영향을 제거하지만, AIM+와 RAIM+는 함께 동작해 스푸핑 공격을 차단한다. 중간 그래프에 표시된 높은 거리 오류가 있는 위성은 예상 위성거리와 일치하지 않기 때문에 RAIM+에 의해 제거된다.

이 예는 재밍 및 스푸핑의 경우에도 셉텐트리오의 높은 무결성 수신기 기술이 모든 자율 시스템이 신뢰할 수 있는 진실하고 신뢰할 수 있는 측위를 제공한다는 것을 보여준다.
 


신뢰성에 대한 GNSS 디자인        

신뢰할 수 있도록 설계된 GNSS 수신기는 측위 불확실성의 보고뿐만 아니라 RAIM+ 첨단 통계 모델링에서도 높은 무결성을 위해 노력한다. 이를 통해 이런 수신기가 진실하고 시의적절한 경고 메시지를 제공하고 여러 도전적인 환경에서 탄력적으로 동작할 수 있다. 관성 항법 시스템(INS)과 같은 다른 기술도 GNSS 수신기에 결합해 짧은 GNSS 중단 시에도 위치 결정 가용성을 확장할 수 있다. 위성 신호, CPU 상태, 기지국 품질 및 전체 품질에 대한 품질 표시기를 통해 언제든지 측위 결정 신뢰성을 모니터링할 수 있다. 높은 무결성 GNSS 수신기는 시티아 제초 트랙터와 같은 자율 기계에서 진실한 측위를 제공한다. 또 세이프티 크리티컬 애플리케이션, 보장된 PNT 및 정확성과 신뢰성이 중요한 기타 애플리케이션의 중요한 구성요소가 된다.




상황에 따라, 용도에 따라 유연하게 대응할 수 있는 시티아 트랙터 

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AEM_Automotive Electronics Magazine