Terrain-referenced navigation (TRN) is an effective strategy for vehicle navigation in GPS-denied environments or in situations where GPS signals are severely degraded. TRN uses topographic data to correct drift errors due to dead-reckoning or inertial navigation. While it has long been applied to aerial vehicle applications, TRN can be more useful for navigation in underwater environments where global positioning system signals are not available. TRN requires a geometric description of undulating terrain surface as a mathematical function or a look-up table, which leads to a nonlinear estimation problem. Due to the nature of this navigation strategy, the performance of TRN may vary significantly depending on how informative a given terrain is. However, it is not straightforward to quantify the amount of information that can be extracted from the given terrain and predict the expected navigation performance without extensive numerical simulations. This study presents a systematic procedure to evaluate the expected TRN performance by introducing a new terrain information measure that enables quantifying the amount of information for TRN in a computationally efficient manner. The proposed measure can be used in a path planning algorithm which maximizes the amount of terrain information to improve navigation performance. To demonstrate the performance and utility of the proposed ideas, an extensive set of TRN simulations and a field test using an unmanned surface vessel (USV) are performed, and the results are shown and discussed.
지형참조항법(Terrain-Referenced Navigation)은 GPS 사용에 제약이 있는 환경이나 GPS 신호가 심하게 저하된 상황에서 효과적인 항법 기술이다. 지형참조항법은 지형 데이터를 사용하여 추측 항법 또는 관성 항법으로 인한 적분 오차를 최소화한다. 지형참조항법은 항공 분야에서 오랫동안 적용되어 왔지만, GPS 신호를 사용할 수 없는 수중 환경에서의 항법에서 더 유용 할 수 있다. 지형참조항법은 지형 표면의 기하학적 형태를 수학 함수 또는 테이블로써 표현해야 할 필요성이 있으므로 이로 인해 비선형 추정 문제가 발생한다. 지형참조항법의 특성상 항법의 성능은 주어진 지형이 얼마나 항법에 유익한 형태인지에 따라 크게 다를 수 있다. 그러나 광범위한 수치 시뮬레이션 없이 주어진 지형에서 추출 할 수 있는 항법정보의 양을 정량화하고 예상되는 탐색 성능을 예측하는 것은 쉽지 않다. 이 연구는 지형참조항법 대한 정보량을 효율적인 방법으로 정량화 할 수 있는 새로운 지형정보 측정방법을 도입함으로써 예상 항법 성능을 평가하는 체계적인 절차를 제시한다. 제안된 지형정보량지표는 항법 성능을 향상시키기 위해 지형 정보의 양을 최대화하는 경로 계획 알고리즘에 사용될 수 있다. 제안된 지형정보량지표의 성능과 유용성을 입증하기 위해 광범위한 지형참조항법 시뮬레이션과 무인수상선(USV)을 사용한 필드 테스트를 수행하였다.
