중력구배기반 항법 구현 및 수평위치 정확도 분석

Development of Gravity Gradient Referenced Navigation and its Horizontal Accuracy Analysis

최근 의도적인 간섭 또는 전파교란으로 인한 위성기반항법시스템(GNSS)의 정확도 저하 문제가 대두되면서 GNSS를 사용할 수 없는 환경에 대응할 수 있는 항법 기술 중 하나로 데이터베이스(DB)를 기반으로 한 항법 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 지구물리 DB 중 중력구배를 선정하여 우리나라 중력구배 DB를 구축하고, 확장형칼만필터(EKF)를 적용하여 중력구배기반 항법을 구현하였다. 항법 성능은 시뮬레이션을 통해 분석하였으며, 우리나라 전역에 14개의 비행궤적을 생성한 후 다양한 DB와 센서 오차, 그리고 고도에 따른 영향을 고려하였다. 비행성능을 분석한 결과 DB와 센서 오차가 작을수록, 고도가 낮을수록 정밀한 항법이 가능함을 확인하였다. 또한, DB기반의 항법시스템 중 가장 널리 알려진 지형참조 항법과 상대적인 성능 분석을 수행한 결과, 고도가 낮은 경우는 DB 및 센서 오차와 무관하게 대체로 중력구배기반 항법이 우수한 성능을 나타내었다. 그러나 고도가 높아지면 높은 정밀도의 중력구배계와 중력구배 DB를 탑재한 경우에만 지형참조 항법의 결과와 유사한 수준의 항법이 가능하였다. 본 연구에서 고려한 DB와 센서 오차, 고도 외에도 DB 해상도, 비행속도 및 갱신 주기 등 중력구배기반 항법에 영향을 미치는 다양한 요인이 있으므로 이를 고려한 분석이 추가로 수행되어야 할 것이다.

Recently, researches on DBRN(DataBase Referenced Navigation) system are being carried out to replace GNSS(Global Navigation Satellite System), as weaknesses of GNSS were found that are caused by the intentional interference and the jamming of the satellite signal. This paper describes the gravity gradient modeling and the construction of EKF(Extended Kalman Filter) based GGRN(Gravity Gradient Referenced Navigation). To analyze the performance of GGRN, fourteen flight trajectories were made for simulations over whole South Korea. During the simulations, we considered the errors in both DB(DataBase) and sensor as well as the flight altitudes. Accurate performances were found, when errors in the DB and the sensor are small and they located at lower altitude. For comparative evaluation, the traditional TRN(Terrain Referenced Navigation) was also developed and performances were analyzed relative to those from the GGRN. In fact, most of GGRN performed better in low altitude, but both of precise gravity gradient DB and gradiometer were required to obtain similar level of precisions at the high altitude. In the future, additional tests and evaluations on the GGRN need to be performed to investigate on more factors such as DB resolution, flight speed, and the update rate.