The importance of accurate navigation cannot be overemphasized. The majority of the various types of navigation systems are categorized into inertial navigation system (INS) and Global Positioning System (GPS). Because of their complementary features, INS/GPS integrated navigation has been developed as the principal navigation solution. In spite of the distinct advantages of a GPS, it is still difficult to entirely rely on an INS/GPS integrated system due to the dependency on external satellite signals and vulnerability to intentional interference.
Terrain referenced navigation (TRN) has been regarded as an alternative choice to GPS for the purpose of dependable stand-alone navigation. TRN had been developed for a long time ago in batch or sequential manners, but the development has been slow or stagnated because the technology at the time was limited to fully implement the algorithm at its best. The constraints of TRN development was real-time computing power, data-storage capability, accuracy of terrain sensors, precision of database, etc. Modern advanced technology not only frees TRN from these limitations, but it also enables new TRN methods. The requirement for stand-alone navigation that is not affected by the external radio environment, and the development of modern advanced technology that can overcome the limitations of the past TRN have made it possible to launch new terrain referenced navigation.
The novel concept that is noted in this study is measurement area. When a terrain height is given by altimeter measurements, it is important to find the same altitude contour line through the terrain database and to find the measurement area, which is a bundle of contour lines, taking into account the altimeter error. Measurement area is an area likely to contain the true position, and it is possible to develop the algorithm to acquisition mode or track mode according to the assumption of the probability distribution of this area.
Assuming that the probability of measurement area is uniformly distributed, and introducing the positioning technique by proximity, the true position can be obtained by intersection of successive measurement areas. The contour intersection-based acquisition method has the advantages of very fast computation. However, it shows the problem that the intersection area becomes an empty set due to erroneous measurement, an inaccurate database, or an imperfect measurement area.
The contour collection-based acquisition method has been proposed to solve the problem of empty set in intersection method. Collection method shows that stable and smooth position results can be obtained without resetting until the time when the initial INS relative error is well maintained. However, this method requires a finer division of the grid, so the amount of computation is relatively large. Also, due to the influence of the INS error, the acquisition error is grow with time.
In order to prevent the divergence of the acquisition error, a filter must be considered to compensate the error of the INS. The tracking method using a point mass filter can be implemented by weighting the contours constituting the measurement area. The contour weight-based tracking method can operate reliably without divergence if the initial area assuming the probability density function is smaller than a certain size.
In order to create a new terrain referenced navigation, this thesis proposes a contour based terrain referenced navigation combining the acquisition methods and tracking method described above. Without knowledge of the initial position error, the intersection method quickly removes the meaningless area, and the collection method complements the intersection method to keep the acquisition robustly for meaningful areas. After that, the INS error is compensated by the tracking when converging enough to avoid divergence risk. This process consists of a coarse acquisition mode, a fine acquisition mode, and a track mode and are integrated into one algorithm in the contour based terrain referenced navigation.
Through Monte Carlo simulations, we confirmed that the proposed terrain referenced navigation works well regardless of terrain shape. As a result of computer simulations for various initial position errors and terrain, the acquisition results show a sufficient positioning accuracy for tracking, and the tracking results based on the acquired outputs show excellent performance over the entire tracking period. In this thesis, we can see that the proposed method is a new terrain referenced navigation that overcomes the disadvantages of batch processing and sequential processing.
정확한 항법은 매우 중요하다. 다양한 형태의 항법시스템은 대부분 관성항법시스템과 전지구 위치파악시스템(지피에스)으로 분류할 수 있다. 관성항법시스템과 지피에스는 상호보완적인 특성이 있으므로 두 시스템의 통합시스템이 중요 항법시스템으로 발전하였다. 그러나, 지피에스의 뚜렷한 장점에도 불구하고 외부 전파 환경에 대한 의존성과 의도적인 간섭에 대한 취약성으로 인해 관성항법장치와 지피에스의 통합시스템이 완전하다고 할 수는 없다.
지형참조항법은 외부 전파환경에 영향을 받지 않는 독자적인 항법을 위한 지피에스의 대안이 될 수 있다. 지형참조항법은 오랜 시간 동안 일괄 또는 순차 방식으로 개발되었지만, 그 당시의 기술로는 알고리즘을 최대한 구현하는데 한계가 있었기 때문에 발전이 더뎠다. 지형참조항법의 발전은 실시간 컴퓨팅 성능, 대용량 데이터 저장 기능, 지형 센서의 정확성, 데이터 베이스의 정밀도 등에 의해 제한되었다. 외부 전파환경의 영향을 받지 않는 독자 항법기술의 요구와 최신 첨단 기술의 발전으로 말미암아 새로운 지형참조항법의 개발이 가능하게 되었다.
지형참조항법을 위해서 새로이 정의되는 개념은 측정영역이다. 고도계 측정에 의해 지형고도가 결정될 때 지형 데이터베이스를 통해 동일한 등고선을 찾을 수 있고, 고도계 오차를 고려해서 등고선 묶음으로 이루어진 측정영역이 결정된다. 측정영역은 실제 위치를 포함할 가능성이 큰 영역이며, 이 영역의 확률분포 가정에 따라 획득모드 또는 추적모드로 알고리즘을 전개할 수 있다.
측정영역의 확률이 균일하게 분포되고, 근접에 의한 위치 결정 기법을 적용할 수 있다면, 연속적인 측정영역의 교차에 의해 실제 위치를 구할 수 있다. 등고선 교차 기반 획득 방법은 계산이 매우 빠르다는 장점이 있다. 그러나 잘못된 측정, 부정확한 데이터베이스, 또는 불완전한 측정영역으로 인해 교차영역이 공집합이 되는 문제가 발생한다.
등고선 수집 기반 획득 방법을 통해 교차방법에서 발생하는 공집합 문제를 해결한다. 수집방법은 초기 관성항법장치의 상대오차가 유지될 때까지 재설정없이 안정된 위치 결과를 산출한다. 그러나, 이 방법은 그리드를 세분화해서 접근해야 하기 때문에 계산량이 상대적으로 많다. 또한 시간에 따라 오차가 증가하는 관성항법장치의 영향으로 획득오차가 시간에 따라 증가하게 된다.
획득오차의 발산을 방지하기 위해서는 필터를 구현하여 관성항법장치의 오차를 보상해야 한다. 점 질량 필터를 이용한 추적방법은 측정영역을 구성하는 등고선들에 가중치를 부여함으로써 구현할 수 있다. 다만, 등고선 가중치 기반 추적 방법은 확률밀도함수를 가정하는 초기 영역이 일정 크기 이하여야만 발산하지 않고 잘 동작할 수 있다.
새로운 지형참조항법을 만들기 위해 이 논문에서는 앞서 설명한 획득 방법들과 추적 방법을 결합한 등고선 기반 지형참조 항법을 제안한다. 초기 위치 오차에 대한 지식이 없는 상황에서 교차방법은 의미없는 영역을 빠르게 제거하고 수집방법은 교차방법을 보완하여 의미있는 영역에 대한 수집을 통해 견고하게 항법 해를 유지한다. 그 후에, 발산의 위험이 제거된 충분한 수렴이 이뤄졌을 때 관성항법장치의 오차를 추적방법에 의해 보상해 준다. 이 과정들은 앞 서 기술된 순서대로 개략획득모드, 미세획득모드 및 추적모드가 되며, 등고선 기반 지형참조항법에서 하나의 알고리즘으로 통합된다.
여러 단계의 전산모의를 통해 제안된 지형참조항법이 지형의 형태와 상관없이 잘 작동함을 확인하였다. 다양한 초기 조건 및 지형에 대한 전산모의 결과, 획득 결과는 추적을 위한 충분한 범위로의 위치 결정 성능을 보였고, 이 획득 결과를 기반으로 평균 추적 오차는 거의 모든 추적 기간에서 좋은 성능을 보였다. 본 논문의 내용을 통해서 제안된 방법이 속도가 느리고, 연속적으로 위치 결과를 산출할 수 없는 일괄처리방식의 단점과 초기 위치 오차에 따른 발산의 위험을 갖는 순차처리방식의 단점을 극복하는 새로운 지형참조항법임을 알 수 있다.
