오늘날 스마트폰 Location Based Service (LBS), 자율주행 등 다양한 분야에서 측위 기술을 활용한 서비스를 제공하고 있다. 일반적으로 활용되는 실외 측위 기술은 Global Navigation Satellite System (GNSS)에 의존적이며, 서비스 고도화에 따라 측위 정확도, 가용성, 그리고 연속성이 보장되는 측위 기술의 필요성이 대두되고 있다. 하지만, 교외 지역과 달리 도심 환경 에서의 GNSS 단독 항법 시에는 적은 가용 위성 수로 연속적인 위치결정이 불가하거나 다중경로오차와 빈번한 사이클슬립의 발생으로 측위 정확도 및 안정성 저하 문제가 발생한다. GNSS 단독 항법의 한계를 극복하기 위하여 Inertial Measurement Unit (IMU) 등 센서와의 융합을 통한 측위 성능 향상을 위한 연구들이 진행되었으나, 주로 칼만 필터 기반으로 구성함에 따라 현재의 관측치에 대하여 최적화가 이루어지며, 센서 증가 및 다양화 시 필터 설계가 복잡하다는 한계가 있다. 본 연구에서는 칼만 필터 기반 알고리즘과 달리 다중 센서 융합에 용이 하고, Sliding Window 범위에 해당하는 이전과 현재 관측치에 대하여 최적화하는 Factor Graph Optimization (FGO) 기반의 GNSS/IMU 강결합 항법 알고리즘을 제안한다. GNSS/IMU 강결 합을 통하여 GNSS의 낮은 항법해 업데이트 주기를 개선함에 따라 고속 환경에서의 가용성을 확보하였고, 다중경로 채널 완화를 통하여 측위 정확도를 개선하였다. 설계 알고리즘의 성 능 평가는 실제 고속 환경 (레이싱 서킷)에서 수집 데이터를 이용하여 진행하였으며, FGO 기반 단독 GNSS, GNSS/IMU 약결합 측위 결과와 비교하였다. 제안하는 FGO 기반 강결합 항법 알고리즘이 단일주파수 Real-Time Kinematic (RTK) 다음으로 우수한 성능을 보였으며, 정밀 위치 추정이 요구되는 분야에서의 활용 가능성을 확인하였다.

Design of GNSS/IMU Tightly Coupled Navigation System Based on Factor Graph Optimization

Hong-Woo Seok, Sangjae Cho, Seung-Hyun Kong*

Nowadays, various domains including Smartphone Location-Based Services (LBS) and autonomous driving heavily rely on positioning technology. Typically, outdoor positioning technology depends on the Global Navigation Satellite System (GNSS). As these services advance, the demand for positioning technology that ensures accuracy, availability, and continuity becomes increasingly crucial. However, unlike sub-urban, GNSS-only faces significant challenges in urban canyons. It is difficult to maintain continuity due to a limited number of available satellites, resulting in reduced accuracy and stability due to multipath errors and frequent cycle slips. Previous research has explored sensor fusion with other sensors, such as the Inertial Measurement Unit (IMU), to overcome the limitations of GNSS. However, these studies primarily relied on a Kalman filter-based system, which can become complex when dealing with multiple sensors in diverse environments. In this study, we propose a GNSS/IMU tightly coupled navigation system based on Factor Graph Optimization (FGO), which is more amenable to multi-sensor fusion and optimizes past and current observations within a sliding window. By improving the GNSS navigation update rate through tight GNSS/IMU integration, we ensure its reliability in high-speed environments while enhancing positioning accuracy by mitigating multipath channels. We evaluated the proposed system's performance using data collected in a high-speed environment, specifically on a racing circuit, and compared it with GNSS-only and GNSS/IMU loosely coupled based on FGO. The FGO-based tightly coupled system demonstrated the best performance, second only to single-frequency RTK, confirming its potential for applications requiring high precision position accuracy.
Keywords: GNSS, IMU, FGO, tightly-coupled

Speaker 석홍우 한국과학기술원