KR100341801B1 - Urban vehicle navigation system using multiple antennas - Google Patents

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Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야:차량 항법 시스템에 관한 것이다.end. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a vehicle navigation system.

나. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제:다중경로오차를 검출하여 보정할 수 있는 도시형 차량 항법 시스템을 제공함에 있다.I. The present invention has been made in an effort to provide an urban vehicle navigation system capable of detecting and correcting a multipath error.

다. 그 발명의 해결방법의 요지:다중 안테나를 이용한 도시형 차량 항법 시스템에 있어서, 다수개의 안테나를 통해 GPS(Global Positioning System)위성으로부터의 위성신호를 수신하여 각각의 안테나에 대한 의사거리 측정치(P_{SV_i, A_j})와 반송파 위상 측정치(Φ_{SV_i, A_j})를 계산출력하는 다중 안테나 위성신호 수신부와, 주행중인 차량의 회전각 및 속도를 감지하여 항법센서정보로 출력하는 항법센서부와, 상기 항법센서정보와 의사거리 측정치 및 반송파 위상 측정치를 입력하여 다중경로오차가 포함된 측정치들을 제외한 나머지의 의사거리 측정치와 반송파 위상 측정치만을 출력하는 측정치 오차 검출부와, 상기 측정치 오차 검출부의 출력과 항법센서정보를 수신하여 차량의 주행정보를 계산하여 출력하는 항법 계산부와, 상기 주행정보를 기준으로 주변 지역의 지도정보를 지도 데이터 기억부에서 독출하여 표시하여 주는 제어부로 구성함을 특징으로 한다.All. SUMMARY OF THE INVENTION: An urban vehicle navigation system using multiple antennas, comprising: receiving a satellite signal from a GPS (Global Positioning System) satellite via a plurality of antennas, and measuring a pseudo-range measurement value (P_ {SV_i) for each antenna , A_j}) and a multi-antenna satellite signal receiver for calculating and outputting a carrier phase measurement value (Φ_ {SV_i, A_j}), a navigation sensor unit for detecting a rotation angle and a speed of a driving vehicle and outputting the navigation sensor information; A measurement error detection unit for inputting the navigation sensor information, the pseudo distance measurement value and the carrier phase measurement value to output only the pseudo distance measurement value and the carrier phase measurement value except for the measurement values including the multipath error, and the output and navigation sensor information of the measurement value error detection part And a navigation calculator for calculating and outputting driving information of the vehicle by receiving the received signal, and surrounding ground based on the driving information. And the map information, characterized in that it consists of a control unit that reads and displays the map data storage unit.

라. 발명의 중요한 용도:차량항법 시스템에 사용할 수 있다.la. Significant Uses of the Invention: Can be used in vehicle navigation systems.

Description

다중 안테나를 이용한 도시형 차량 항법 시스템Urban Vehicle Navigation System Using Multiple Antennas

본 발명은 차량 항법 시스템에 관한 것으로, 특히 다중 안테나를 이용하여 건물이 밀집된 도시에서 간섭과 반사에 의한 위성신호의 오차를 줄이고 보다 정확한 위치, 속도, 방향각을 제공하는 도시형 차량 항법 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vehicle navigation system, and more particularly, to an urban vehicle navigation system using multiple antennas to reduce errors of satellite signals due to interference and reflection and to provide a more accurate position, speed, and direction angle in a crowded city. .

1981년 日本田技術硏에 의해 발표되었던 차량 항법 시스템은 1987년 도요타자동차에 의해 전자지도가 실용화되면서 그 보급이 급속도로 진전되어 가고 있다.The vehicle navigation system announced by 日本 田 技術 硏 in 1981 has been rapidly spreading as the electronic map became commercialized by Toyota Motor Company in 1987.

일반적인 차량용 항법 시스템은 GPS(Global Positioning System), GLONASS와 같은 위성항법장치(Satellite Navigation System)가 제공하는 정보와 차량에 장착된 기타 속도 및 방위센서들을 이용한 추측항법장치(Dead Reckoning System)가 제공하는 정보들을 이용하여 차량의 속도, 방위 및 위치를 계산한다. 그리고 계산된 위치를 지도 데이터 기억장치로부터 판독된 지도와 함께 CRT, LCD등의 표시부에 표시한다. 항법장치는 위성신호 및 항법센서 신호처리, 지도 데이터 처리 및 필터링 기법 등의 기술들이 집약되어 있으며 그 방법들 자체도 다양하다.Typical vehicle navigation systems are provided by the Dead Reckoning System using information provided by the Satellite Navigation System (GPS), GLONASS, and other speed and orientation sensors mounted on the vehicle. The information is used to calculate the speed, orientation and location of the vehicle. The calculated position is displayed on a display unit such as a CRT or LCD along with a map read from the map data storage device. Navigation devices are integrated with technologies such as satellite signal and navigation sensor signal processing, map data processing and filtering techniques, and the methods themselves are diverse.

일반적으로 차량의 위치는 추측항법장치에서 제공하는 위치와 위성항법장치에서 제공하는 위치를 적절히 융합하여 얻게 되는데, 이는 두 시스템이 서로 상반되는 특성을 지니고 있기 때문이다. 추측항법장치는 짧은 시간 동안 비교적 정확한 위치변화정보를 제공해 주나 시간이 증가함에 따라 발산하는 특성을 가지고 있다. 반면에 위성항법장치는 절대적인 위치정보를 제공해 주지만 최대 100m의 상대적으로 큰 위치오차를 가지고 있다. 따라서 최근에는 위성항법장치의 오차 보정을 위한 보정시스템(Differential Correction System)과 함께 지도매칭방법 등이 많이 사용되는 추세이다.In general, the position of the vehicle is obtained by appropriately combining the position provided by the dead reckoning device and the position provided by the satellite navigation device, because the two systems have opposite characteristics. The dead reckoning device provides relatively accurate position change information for a short time but diverges with time. Satellite navigation systems, on the other hand, provide absolute location information but have a relatively large position error of up to 100m. Therefore, in recent years, a map matching method and the like have been widely used along with a differential correction system for error correction of a satellite navigation system.

차량용 항법 시스템의 오차요인으로는 크게 위성항법오차와 추측항법오차로 나눌 수 있다. 위성항법오차는 SA오차, 전리층 지연오차, 다중경로오차 등이 존재하는데, 그 성분이 가장 큰 SA오차와 전리층 지연오차는 지역국(Local Station)에서 전송하는 보정 정보를 이용하여 보정이 가능하다. 그리고 다중경로오차는 위성신호가 근처 건물이나 사물에 의해 반사되어 수신기에 전달되면서 발생하는 오차로서 보정 정보로 보정이 불가능하며, 특히 높은 건물이 많은 도심지에서는 매우 심하게 발생하는 오차이다. 따라서 다중경로오차 발생시 도로가 밀집된 지역(도심지)에서는 차량이 어느 도로 상에 있는지 판단하기에 어려움이 많다.The error factors of vehicle navigation system can be largely divided into satellite navigation error and dead reckoning error. Satellite navigation errors include SA errors, ionospheric delay errors, and multipath errors. The SA components and the ionospheric delay errors, which have the largest component, can be corrected using correction information transmitted from a local station. The multipath error is an error generated when the satellite signal is reflected by a nearby building or object and transmitted to the receiver. The multipath error cannot be corrected by correction information, and is particularly severe in an urban area with many tall buildings. Therefore, when a multipath error occurs, it is difficult to determine which road the vehicle is on in an area where the roads are concentrated.

추측항법 시스템은 외부 신호를 필요로 하지 않으므로 도심지에서 효과적으로 사용될 수 있다. 추측항법 시스템의 오차는 주로 항법센서에서 발생하는 오차에 기인하는데, 주요 원인은 항법센서로 많이 사용되는 자이로(gyro)와 주행거리계(odometer)에서 발생된다. 특히 자이로의 경우에는 차량의 방위각 정보를 제공하는데, 차량 항법 시스템에 사용되는 자이로의 경우 그 정확도가 낮아서 보정없이 사용하는 경우 큰 오차가 발생된다.The dead reckoning system does not require external signals and can therefore be effectively used in urban areas. The error of the dead reckoning system is mainly due to the error that occurs in the navigation sensor. The main cause is the gyro and odometer which are frequently used as the navigation sensor. In particular, in the case of a gyro, azimuth information of the vehicle is provided. In the case of a gyro used in a vehicle navigation system, its accuracy is low, and thus a large error occurs when used without correction.

다중 안테나를 사용하는 위성 항법 시스템의 경우에는 반송파 위상 측정치의 차분을 이용하여 차량의 방위각을 계산하는 것이 가능하며, 이를 이용하여 추측항법 시스템의 자이로를 보정할 수 있게 된다. 그러나 반송파 위상 측정치에 다중경로오차가 포함되어 있으면 부정확한 방위각을 얻게 되므로, 이 또한 추측항법 시스템의 신뢰성을 저하시키는 요인으로 작용한다.In the case of the satellite navigation system using multiple antennas, it is possible to calculate the azimuth angle of the vehicle using the difference of the carrier phase measurement value, and it is possible to correct the gyro of the dead reckoning system. However, if the carrier phase measurement includes a multipath error, an incorrect azimuth angle is obtained, which also reduces the reliability of the dead reckoning system.

상술한 바와 같이 다중경로오차는 위치 오차와 방위각 오차에 영향을 미침으로써, 도심 주행시에 위성 항법 시스템과 추측 항법 시스템이 제공하는 위치 및 방위 정보 모두의 신뢰성을 저하시킨다.As described above, the multipath error affects the position error and the azimuth error, thereby lowering the reliability of both the position and the orientation information provided by the satellite navigation system and the dead reckoning system during urban driving.

일반적인 다중경로오차는 위치결정에 이용되는 의사거리(Pseudo range) 측정치와 속도 결정 및 방위각 계산을 위한 반송파 위상 측정치(Carrier Phase Measurement) 모두에 영향을 미치므로 다중 안테나를 이용하여 위치와 방위각을 결정하는 항법 시스템에서 치명적인 오차를 유발할 수 있다. 이러한 다중경로오차는위성신호가 건물이나 사물에 반사되어 오면서 위성으로 부터의 직선 경로가 아닌 다른 경로로 신호가 수신되는 데에서 비롯된다. 위성신호의 방향이 다르면 각 안테나에서 수신되는 위성까지의 거리가 예상치와 다른 값들을 보이게 된다. 특히 이러한 현상은 한 안테나에서는 직선으로의 위성신호가 수신되고, 다른 안테나에서는 다중경로오차가 포함된 신호가 수신될때 크게 나타난다. 안테나의 이동을 감지하는데 사용되는 반송파 위상 측정치도 위성이 수신되는 방향에 의해 크게 영향을 받기 때문이다.The general multipath error affects both the pseudo range measurement used for positioning and the carrier phase measurement for velocity determination and azimuth calculation. Fatal errors can occur in navigation systems. This multipath error is caused by the satellite signal being reflected on the building or object and receiving the signal through a path other than the straight path from the satellite. If the direction of the satellite signal is different, the distance to the satellite received from each antenna will show different values than expected. In particular, this phenomenon is large when a satellite signal in a straight line is received at one antenna and a signal including a multipath error is received at another antenna. This is because the carrier phase measurement used to detect the movement of the antenna is also greatly influenced by the direction in which the satellite is received.

따라서 본 발명의 목적은 다중경로오차를 검출하여 보정할 수 있는 도시형 차량 항법 시스템을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an urban vehicle navigation system capable of detecting and correcting multipath errors.

본 발명의 또 다른 목적은 다중경로오차가 포함된 위성신호와 같이 위성신호의 방향이 다른 경우에, 각 안테나에서 의사거리 측정치와 반송파 위상 측정치들을이용하여 다중경로오차 포함여부를 판단하고 이를 차량의 위치결정 및 속도, 방위각 계산에서 제외시킬 수 있는 도시형 차량 항법 시스템을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to determine whether a multipath error is included using pseudorange measurements and carrier phase measurements at each antenna when the direction of the satellite signal is different, such as a satellite signal including a multipath error. The present invention provides an urban vehicle navigation system that can be excluded from positioning, velocity, and azimuth calculations.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다중 안테나를 이용한 도시형 차량 항법 시스템에 있어서,In the present invention for achieving the above object is a city-type vehicle navigation system using multiple antennas,

다수개의 안테나를 통해 GPS(Global Positioning System)위성으로부터의 위성신호를 수신하여 각각의 안테나에 대한 의사거리 측정치(P_{SV_i A_j})와 반송파 위상 측정치(Φ_{SV_i A_j})를 계산출력하는 다중 안테나 위성신호 수신부와,Receives a satellite signal from a GPS (Global Positioning System) satellite through a plurality of antennas, and calculates and outputs a pseudo range measurement value (P_ {SV_i A_j}) and a carrier phase measurement value (Φ_ {SV_i A_j}) for each antenna. An antenna satellite signal receiver,

주행중인 차량의 회전각 및 속도를 감지하여 항법센서정보로 출력하는 항법센서부와,Navigation sensor unit for detecting the rotation angle and the speed of the vehicle driving and outputting the navigation sensor information,

상기 항법센서정보와 의사거리 측정치 및 반송파 위상 측정치를 입력하여 다중경로오차가 포함된 측정치들을 제외한 나머지의 의사거리 측정치와 반송파 위상 측정치만을 출력하는 측정치 오류 검출부와,A measurement error detection unit for inputting the navigation sensor information, the pseudo distance measurement value and the carrier phase measurement value to output only the pseudo distance measurement value and the carrier phase measurement value except for the measurement values including the multipath error;

상기 측정치 오류 검출부의 출력과 항법센서정보를 수신하여 차량의 주행정보를 계산하여 출력하는 항법 계산부와,A navigation calculator configured to receive the output of the measurement error detector and navigation sensor information to calculate and output driving information of the vehicle;

상기 주행정보를 기준으로 주변 지역의 지도정보를 지도 데이터 기억부에서 독출하여 표시하여 주는 제어부로 구성함을 특징으로 한다.The controller may be configured to read out and display map information of a surrounding area based on the driving information from a map data storage unit.

도 1은 일반적인 차량 항법 시스템 구성도.1 is a block diagram of a general vehicle navigation system.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도시형 차량 항법 시스템 구성도.2 is a block diagram of an urban vehicle navigation system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 도 2중 다중 안테나 위성신호 수신부(22)의 구성도.3 is a block diagram of a multi-antenna satellite signal receiver 22 of FIG.

도 4는 도 2중 측정치 오차 보정부(24)의 구성도.4 is a configuration diagram of the measurement error correction unit 24 in FIG. 2.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 좌표계 및 안테나 위치를 정의하기 위한 좌표예시도.5 is an exemplary coordinate diagram for defining a coordinate system and an antenna position according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나를 이용한 도시형 차량 항법 시스템의 구성 및 동작을 순차적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operation of an urban vehicle navigation system using multiple antennas according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

우선 도 1은 일반적인 차량 항법 시스템 구성도를 도시한 것이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도시형 차량 항법 시스템 구성도를, 도 3은 도 2중 다중 안테나 위성신호 수신부(22)의 구성도룰 도시한 것이며, 도 4는 도 2중 측정치 오차검출부(24)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 좌표계 및 안테나 위치를 정의하기 위한 좌표예시도를 도시한 것이다.First, FIG. 1 is a block diagram of a general vehicle navigation system, FIG. 2 is a block diagram of an urban vehicle navigation system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a block diagram of a multi-antenna satellite signal receiver 22 of FIG. As shown in FIG. 4, FIG. 4 illustrates a configuration diagram of the measurement error detection unit 24 of FIG. 2. And FIG. 5 illustrates a coordinate example for defining a coordinate system and an antenna position according to an embodiment of the present invention.

도 1과 도 2를 비교해 볼때 본 발명의 실시예에 따른 도시형 차량 항법 시스템은 일반적인 차량 항법 시스템과는 다른 다중 안테나 위성신호 수신부(22)와 측정치 오차 검출부(24) 및 항법 계산부(14)를 구비한다. 그리고 상기 다중 안테나 위성신호 수신부(22)와 측정치 오차 검출부(24) 및 항법 계산부(14)는 하나의 보드로 구성할 수 있으며 필요에 따라 따로 구성할 수도 있다.1 and 2, the urban vehicle navigation system according to an exemplary embodiment of the present invention uses a multi-antenna satellite signal receiver 22, a measurement error detector 24, and a navigation calculator 14 that are different from a general vehicle navigation system. Equipped. The multi-antenna satellite signal receiver 22, the measurement error detector 24, and the navigation calculator 14 may be configured as one board or may be separately configured as necessary.

도 2를 참조하면, 상기 다중 안테나 위성신호 수신부(22)는 도 3에 도시한 바와 같이 여러 개의 안테나와 그와 동수의 RF수신부(30,32,34)로 구성된다. RF수신부1,2,3(30,32,34)은 안테나에서 수신된 위성신호를 적절한 믹서(mixer)와 필터를 사용하여 IF(Intermediate Frequency)로 변환시키고 샘플링(sampling)을 수행한다. 그리고 각각의 RF수신부1,2,3(30,32,34)에서 변환된 신호는 이후 다채널 디지털 신호 처리부(36)로 출력되고, 상기 다채널 디지털 신호 처리부(36)는 신호의 포착(acquisition)과 추적(tracking)을 통해 각 위성으로부터 각 안테나에 대한 의사거리 측정치(P_{SV_i A_j})와 반송파 위상 측정치(Φ_{SV_i A_j})를 제공한다. 그리고 상기 다중 안테나 위성신호 수신부(22)에서는 여러 개의 디지털 신호 처리부대신 하나의 다채널 디지털 신호 처리부(36)를 사용하므로 각각의 의사거리측정치(P_{SV_i A_j}) 및 반송파 위상 측정치(Φ_{SV_i A_j})에 포함된 수신기 시계 바이어스를 동일하게 하는 효과를 얻을 수 있다.Referring to FIG. 2, the multi-antenna satellite signal receiver 22 includes a plurality of antennas and the same number of RF receivers 30, 32, and 34 as shown in FIG. 3. The RF receiver 1, 2, 3 (30, 32, 34) converts the satellite signal received from the antenna into IF (Intermediate Frequency) using an appropriate mixer and filter and performs sampling. The signal converted by each of the RF receivers 1, 2, 3 (30, 32, 34) is then output to the multi-channel digital signal processor 36, and the multi-channel digital signal processor 36 acquires a signal. And tracking to provide a pseudo distance measurement P_ {SV_i A_j} and a carrier phase measurement Φ_ {SV_i A_j} for each antenna from each satellite. In addition, the multi-antenna satellite signal receiver 22 uses one multi-channel digital signal processor 36 instead of several digital signal processors, so that each pseudorange measurement value P_ {SV_i A_j} and a carrier phase measurement value Φ_ {SV_i The effect of equalizing the receiver clock bias included in A_j}) can be obtained.

한편 도 2에 도시한 측정치 오차 검출부(24)는 도 4에 도시한 바와 같이 차량 중심까지의 의사거리 계산부(40)와, 의사거리 오차 검출부(42), 반송파 위상 측정치 차분 계산부(44) 및 반송파 위상 측정치 오차 검출부(46)로 구성되어 의사거리 측정치(P_{SV_i A_j})와 반송파 위상 측정치(Φ_{S_i A_j})에 대하여 다중경로 오차 포함여부를 판단하게 되며 오차가 포함된 것으로 추측되는 측정치는 제외시킨다.On the other hand, the measured value error detector 24 shown in FIG. 2 includes a pseudo distance calculator 40 to the center of the vehicle, a pseudo distance error detector 42, and a carrier phase measurement difference calculator 44 as shown in FIG. And a carrier phase measurement error detection unit 46 to determine whether a multipath error is included in the pseudo distance measurement value P_ {SV_i A_j} and the carrier phase measurement value Φ_ {S_i A_j} and infer that the error is included. Omit measurements taken.

도 4를 참조하면, 차량 중심까지의 의사거리 계산부(40)에서는 다중 안테나위성신호 수신부(22)로부터 입력되는 의사거리 측정치(P_{SV_i A_j})와 항법계산부(14)로부터 입력되는 차량의 방위각과 위성정보(위성의 앙각(elevation angle)과 방위각(direction angle))를 이용하여, 각각의 안테나에 수신된 의사거리에 대하여 위성으로부터 차량 중심까지의 의사거리를 계산하여 출력한다. 이때 차량의 중심은 임의로 설정할 수 있다.Referring to FIG. 4, in the pseudo distance calculation unit 40 to the vehicle center, a pseudo distance measurement value P_ {SV_i A_j} input from the multi-antenna satellite signal receiver 22 and a vehicle input from the navigation calculator 14. Using the azimuth and satellite information (elevation angle and direction angle) of the satellite, the pseudo distance from the satellite to the center of the vehicle is calculated and output for the pseudo distance received at each antenna. At this time, the center of the vehicle can be set arbitrarily.

의사거리 오차 검출부(42)에서는 상기 의사거리 계산부(40)로부터 출력되는 의사거리를 비교하여 오차포함여부를 판단하고 오차가 없는 위성과 안테나의 집합{(SV_i, A_j)}을 출력한다. 반송파 위상 측정치 차분 계산부(44)에서는 오차가 없는 위성과 안테나의 집합{(SV_i , A_j)}정보에 근거하여 반송파 위상 측정치의 차분을 계산하여 출력한다. 그리고 반송파 위상 측정치 오차 검출부(46)에서는 항법센서정보와 위성정보를 이용하여 반송파 위상 측정치의 오차를 검출하고 그를 제거한다. 이에 따라 반송파 위상 측정치 오차 검출부(46)에서는 오차보정된 의사거리측정치와 오차보정된 반송파 위상 측정치 및 오차보정된 차량의 속도/각속도가 항법 계산부(14)로 출력되어 차량의 위치, 속도, 방위각 계산에 사용된다.The pseudorange error detector 42 compares the pseudoranges output from the pseudorange calculator 40 to determine whether an error is included and outputs a set of satellites and antennas {SV_i, A_j} having no errors. The carrier phase measurement difference calculation unit 44 calculates and outputs a difference between the carrier phase measurement values based on information on a set of satellites and antennas {(SV_i, A_j)} having no error. The carrier phase measurement error detection unit 46 detects and removes the error of the carrier phase measurement using the navigation sensor information and the satellite information. Accordingly, the carrier phase measurement error detection unit 46 outputs the pseudo-corrected pseudorange measurement value, the error-corrected carrier phase measurement value, and the error-corrected vehicle speed / angular velocity to the navigation calculation unit 14 to detect the position, speed, and azimuth angle of the vehicle. Used for calculation.

항법센서부(12)는 차량의 자동항법을 위해 필요한 자이로 센서와 속도센서등을 포함하며 주행중인 차량의 회전각 및 속도를 감지하여 출력한다. 항법계산부(14)는 상기 항법 센서부(12)와 측정치 오차 검출부(24)로부터 입력되는 차량의 위치정보, 속도정보 및 방위각정보 등을 근거로 하여 차량의 현재위치를 계산함과 아울러 측정치 오차 검출부(24)로 입력되는 값으로 누적오차를 보정한다. 제어부(16)는 차량 항법 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 프로그램을 저장하고 있는 롬(ROM)과 동작중에 처리되는 데이터를 일시적으로 저장하기 위한 램(RAM)을포함하고 있다. 이러한 제어부(16)는 항법 계산부(14)에서 얻어진 주행정보를 기준으로 주변지역의 지도정보를 지도 데이터 기억부(20)에서 읽어내어 표시부(도시하지 않았음)에 표시한다. 또한 제어부(l6)는 상기와 같은 지도데이터 뿐만 아니라 차량의 진행방향, 목적지까지의 거리, 차량의 현재 이동속도, 운전자가 주행전에 설정한 경로, 목적지까지의 최적경로롤 표시하는 등 주행에 필요한 각종 부가정보를 운전자에게 제공한다. 지도 데이터 기억부(20)는 지도정보와 기타 부가정보를 저장한다.The navigation sensor unit 12 includes a gyro sensor and a speed sensor required for auto navigation of the vehicle, and detects and outputs a rotation angle and a speed of the vehicle being driven. The navigation calculator 14 calculates the current position of the vehicle based on the position information, the speed information, and the azimuth information of the vehicle, which are input from the navigation sensor unit 12 and the measured value error detector 24, and measures the measured error. The cumulative error is corrected to the value input to the detector 24. The controller 16 includes a ROM for storing a program for controlling the overall operation of the vehicle navigation system and a RAM for temporarily storing data processed during the operation. The control unit 16 reads the map information of the surrounding area from the map data storage unit 20 on the basis of the driving information obtained by the navigation calculation unit 14 and displays it on the display unit (not shown). In addition to the above map data, the control unit l6 displays various directions necessary for driving such as displaying the direction of travel of the vehicle, the distance to the destination, the current moving speed of the vehicle, the path set by the driver before driving, and the optimal route to the destination. Provide additional information to the driver. The map data storage unit 20 stores map information and other additional information.

이하 도 4에 도시한 측정치 오차 검출부(24)의 상세 동작을 설명하기에 앞서 좌표계와 안테나 위치를 정의한 도 5를 참조하기로 한다.Hereinafter, the detailed operation of the measurement error detector 24 shown in FIG. 4 will be described with reference to FIG. 5 in which a coordinate system and an antenna position are defined.

차량의 중심은 차량에 임의로 선택할 수 있고, 차량의 중심으로부터 각 안테나는 동일한 거리(d)에 위치해 있고 하나의 수평면에 존재한다고 가정한다. N축은 차량의 중심으로부터 북쪽을 향하고 수평인 축이고, E축은 차량의 중심으로부터 동쪽을 향해 수평인 축이라고 가정한다, N축과 E축은 일반적으로 추측항법에서 정의하는 지역 수평좌표계와 동일하다. 한편, X축은 차량의 중심으로부터 선수 방향으로 향하는 수평축으로써 차량의 방위각(heading angle)을 결정하는 기준이 되고 차량이 회전함에 따라 같이 변화하는 축이다. Ψ는 N축과 X축 사이의 각으로서 차량의 방위각이 되고, phi _i는 X축과 안테나 A_i가 놓여진 축 사이의 각으로써 일정한 값을 유지한다. 그리고 Φ_i와 θ_i는 N축으로부터 i번째 위성으로의 방위각과 앙각을 나타낸 것이다.The center of the vehicle can be arbitrarily selected in the vehicle, and it is assumed that each antenna from the center of the vehicle is located at the same distance d and is in one horizontal plane. It is assumed that the N axis is a horizontal axis facing north from the center of the vehicle and the E axis is a horizontal axis facing east from the center of the vehicle. The N and E axes are generally the same as the local horizontal coordinate system defined in dead reckoning. On the other hand, the X-axis is a horizontal axis from the center of the vehicle toward the bow direction as a reference for determining the heading angle of the vehicle and changes as the vehicle rotates. Ψ is the angle between the N and X axes, which is the azimuth angle of the vehicle, and phi _ i is the angle between the X axis and the axis on which the antenna A_i is placed. Φ i and θ i represent the azimuth and elevation angles from the N-axis to the i-th satellite.

이하 상술한 도 5를 참조하여 측정치 오차 검출부(24) 각 부의 동작을 설명하면, 우선 차량 중심까지의 의사거리 계산부(40)에서는;Hereinafter, referring to FIG. 5 described above, the operation of each unit of the measurement error detection unit 24 will be described. First, the pseudo distance calculation unit 40 up to the center of the vehicle;

i번째 위성과 안테나 A_j사이의 의사거리 측정치(P_{SV_i A_j})는 하기 수학식 1과 같이 표시된다.The pseudo-distance measurement value P_ {SV_i A_j} between the i-th satellite and the antenna A_j is expressed by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

상기 수학식 1에서 r_(SV_j A_j)는 i번째 위성과 안테나 A_j 사이의 거리이고, c, b_i , T, δ_p , w_p는 각각 광속, i번째 위성의 시계 바이어스, 수신기의 시계 바이어스, 지연오차 및 수신기 잡음을 나타낸 것이다. f_p는 측정치에 포함된 오차로서 각 측정치에 독립적으로 존재하게 된다.In Equation 1, r_ (SV_j A_j) is the distance between the i-th satellite and the antenna A_j, and c, b_i, T, δ_p, w_p are luminous flux, clock bias of the i-th satellite, clock bias of the receiver, delay error and Receiver noise is shown. f_p is an error included in the measurement value and exists independently of each measurement value.

만약 r_(SV_j A_j))》d 이면, 하기 수학식 2가 성립하게 된다.If r_ (SV_j A_j)) >> d, Equation 2 is established.

[수학식 2][Equation 2]

상기 수학식 2에서 r_(SVi 0)는 위성으로부터 차량 중심까지의 거리이다. 따라서 각각의 P_(SV_i A_j)에 대하여 차량 중심에 대한 의사거리 보정치를 더함으로써 각각의 안테나에서 수신된 차량 중심에 대한 의사거리를 계산해 낼 수있게 된다.In Equation 2, r_ (SVi 0) is a distance from the satellite to the vehicle center. Therefore, pseudo range correction value for vehicle center for each P_ (SV_i A_j) By adding, it is possible to calculate the pseudo distance with respect to the vehicle center received from each antenna.

한편 의사거리 오차 검출부(42)에서는;On the other hand, in the pseudo-range error detection unit 42;

하나의 위성에 대하여 여러 안테나로부터 계산된 P_{SV_i 0}^j 값들을 비교함으로써 어떠한 의사거리 측정치에 오차가 포함되어 있는지 검출할 수 있다. 비교방법으로는 각 측정치들의 차의 분산을 비교하는 통계적 방법을 사용할 수 있다. 그러나 일반적으로 P_{SV_i 0}^j >0이고, 도심지에서 자주 발생할 수 있는 다중경로오차와 같은 오류들은 대부분 신호를 지연시키는 성질을 가지고 있으므로 각각의 P_{SV_i 0}^j 값들 중에서 제일 작은 값을 기준으로 삼고, 다른 P_{SV_i 0}^j값들과의 차를 계산하여 비교하는 방법도 오차가 포함된 의사거리를 찾아내는 방법일 수 있다. 이때 오차포함여부를 가리는 임계치는 수신기의 측정 잠음의 크기에 따라 결정할 수 있다. 따라서 각 측정치들의 오차포함여부를 판단하여 오차가 없는 측정치에 대한 위성과 안테나의 집합 S_p={(SV_i , A_j)}을 구할 수 있게 된다.By comparing P_ {SV_i 0} ^ j values calculated from several antennas for one satellite, it is possible to detect which pseudorange measurements contain errors. As a comparison method, a statistical method of comparing the variance of the difference of each measurement may be used. However, in general, P_ {SV_i 0} ^ j> 0, and errors such as multipath errors, which frequently occur in urban areas, have the property of delaying signals, so the smallest value among each P_ {SV_i 0} ^ j values A method of calculating a difference from other P_ {SV_i 0} ^ j values and comparing them may also be a method of finding a pseudo distance including an error. In this case, the threshold indicating whether the error is included may be determined according to the magnitude of the measurement lock of the receiver. Therefore, by determining whether each measurement includes an error, a set of satellites and antennas S_p = {(SV_i, A_j)} for a measurement without error can be obtained.

이하 반송파 위상 측정치 차분 계산부(44)의 동작을 설명하면, 우선 오차가 발생하지 않을 경우에 i번째 위성과 안테나 A_j 사이의 반송파 위상 측정치(φ_{SV_i A_j})는 하기 수학식 3과 같이 표현된다.Hereinafter, the operation of the carrier phase measurement difference calculation unit 44 will be described. First, when no error occurs, the carrier phase measurement value φ_ {SV_i A_j} between the i th satellite and the antenna A_j is expressed as in Equation 3 below. do.

[수학식 3][Equation 3]

상기 수학식 3에서 r_{SV_i A_j}는 i번째 위성과 안테나 A_j 사이의 거리이고각각은 광속, i 번째 위성의 시계 바이어스, 수신기의 시계 바이어스, 지연오차, i번째 위성과 안테나 A_j사이의 미지 정수 및 수신기 반송파 측정 잡음을 나타낸다. 상기 수학식 3에서 (φ_{SV_i A_j})의 시간에 대한 차분δφ SVAj 를 구하면 하기 수학식 4와 같이 된다.In Equation 3, r_ {SV_i A_j} is the distance between the i-th satellite and the antenna A_j Each represents the speed of light, the clock bias of the i-th satellite, the clock bias of the receiver, the delay error, the unknown integer between the i-th satellite and antenna A_j and the receiver carrier measurement noise. The difference δφ SVAj with respect to the time of (φ_ {SV_i A_j}) in Equation 3 is obtained as shown in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

만약 차분을 구하는 시간간격이 충분히 작다면 상기 수학식 4에서는 하기 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.If the time interval for finding the difference is small enough, Can be expressed as Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

상기 수학식 5에서 U_i는 안테나에서 위성까지의 방향 코사인 벡터이고,는 안테나 A_j와 i번째 위성의 각각의 위치변화를 나타내는 벡터이다. 그러나 다중경로오차와 같은 오차가 존재하는 경우에는 U_i는 안테나에서 위성까지의 방향 코사인 벡터가 아닌 안테나에서 다중경로신호가 수신되는 방향으로의 방향 코사인 벡터 U_MP_i가 된다. 따라서 다중경로오차를 고려한는 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.In Equation 5, U_i is a direction cosine vector from the antenna to the satellite, Is a vector representing the change in position of each of the antennas A_j and the i-th satellite. However, if an error such as a multipath error exists, U_i is not the direction cosine vector from the antenna to the satellite, but the direction cosine vector U_MP_i in the direction in which the multipath signal is received from the antenna. Therefore, considering multipath error Can be expressed as in Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

그리고의 각 안테나에 대한 차분을 구하면 하기 수학식 7과 같다.And Difference for each antenna Is obtained as shown in Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

상기 수학식 7에서는 하기 수학식 8과 같이 차량 중심의 위치변화와 차량 중심에 대한 안테나 A_j의 변화, 즉의 합으로 나타낼 수 있다.In Equation 7 Is the position change of the vehicle center as shown in Equation 8 And the change of antenna A_j relative to the vehicle center, i.e. It can be expressed as the sum of.

[수학식 8][Equation 8]

상기 수학식 8에서는 차량의 중심을 기준으로 정의된 NED좌표계에서 하기 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.In Equation 8 May be represented by Equation 9 in the NED coordinate system defined based on the center of the vehicle.

[수학식 9][Equation 9]

또한 U_i는 위성의 방향각과 앙각을 이용하여 하기 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.In addition, U_i may be represented by Equation 10 using the direction angle and elevation angle of the satellite.

[수학식 10][Equation 10]

따라서는 하기 수학식 11과 같이 된다.therefore Is as shown in Equation 11 below.

[수학식 11][Equation 11]

마지막으로 반송파 위상 측정치 오류 검출부(46)의 동작을 설명하면, 우선상기 수학식 11에서는 항법 계산부(14)로부터 제공되는 항법센서정보, 즉 차량의 방위각 정보와 각 위성의 방위각 및 앙각 정보로부터 계산이 가능하다. 그리고 의사거리 오차 검출부(42)로부터 출력되는 위성과 안테나의 집합 S_p={(SV_i , A_j)}에 대하여값들을 벡터형태인 ZETA _PHI 로 표시하면 하기 수학식 12와 같이 표현된다.Finally, the operation of the carrier phase measurement error detection unit 46 will be described first. Can be calculated from navigation sensor information provided from the navigation calculator 14, that is, azimuth information of the vehicle and azimuth and elevation angle information of each satellite. For the set of satellites and antennas S_p = {(SV_i, A_j)} output from the pseudorange error detector 42 If the values are expressed as ZETA _PHI, which is a vector, it is expressed as Equation 12 below.

[수학식 12][Equation 12]

그리고 자이와 같은 항법센서로의 측정이 가능한 경우에는 ZETA _ PHI와 합쳐서 하기 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.And with a navigation sensor like a gy If can be measured in conjunction with ZETA _ PHI can be represented by the following equation (13).

[수학식 13][Equation 13]

상기 수학식 13에서 f_g ,omega _g 각각은 항법센서에서 발생할 수 있는 측정치 오차와 잡음이다. 그리고 상기 수학식 13에서의 측정치 ZETA 로부터 패리티 벡터를 구성하여 확률 검증을 하거나, 이와 유사한 방법을 이용하면와 자이로 측정치에 오차포함여부를 판단할 수 있게 된다. 이에 따라 오차가 포함되었을 것으로 판단되는 측정치들을 제외하면 다중경로오차가 없는 측정치에 대한 위성과 안테나의 집합 S_p={(SV_i , A_j)}을 구할 수 있게 된다. 그리고 다중경로오차가 없는 측정치에 대한 위성과 안테나의 집합 S_p={(SV_i , A_j)}에 해당하는 의사거리 측정치와 반송파 위상 측정치는 항법 계산부(14)로 출력되어 차량의 현재위치 계산에 이용된다. 특히 의사거리 측정치의 경우에는 차량 중심에 대한 의사거리가 이미 보정되어 있으므로 차량의 현재위치 계산시간을 크게 줄일 수 있고, 반송파 위상 측정치를 이용하면 차량의 속도와 미지 정수를 계산함으로써 보다 정확한 차량의 방위각을 계산할 수 있게 된다.In Equation 13, f_g and omega_g are measurement error and noise that may occur in the navigation sensor. Probability verification by constructing a parity vector from the measured value ZETA in Equation 13, or using a similar method It is possible to determine whether the gyro measurement includes an error. Accordingly, except for the measurement values that may be included in the error, a set of satellites and antennas S_p = {(SV_i, A_j)} for the measurement without the multipath error may be obtained. The pseudo-range measurement and the carrier phase measurement corresponding to the set of satellite and antenna S_p = {(SV_i, A_j)} for the measurement without the multipath error are output to the navigation calculator 14 and used for calculating the current position of the vehicle. do. In particular, the pseudo distance measurement is already calibrated to the center of the vehicle, so the calculation time of the current position of the vehicle can be greatly reduced, and the carrier phase measurement can be used to calculate the speed and unknown constant of the vehicle for more accurate azimuth angle of the vehicle. Can be calculated.

상술한 바와 같이 본 발명은 차량의 위치, 속도 및 방위각 계산에 영향을 미치는 다중경로오차를 의사거리 측정치와 반송파 위상 측정치에서 검출하여 제외시킴으로써, 다중경로오차가 발생하기 쉬운 도심에서 보다 정확한 차량 항법 시스템을 구축할 수 있는 장점이 있다. 또한 다중경로오차가 포함된 의사거리 측정치와 반송파 위상 측정치는 차량의 위치, 속도 및 방위각 계산에서 제외되므로 추측항법장치에 사용되는 항법센서들의 보정 효과를 크게 높일 수 있다. 그리고 각 위성으로부터 안테나로의 의사거리를 보정하여 위성으로부터 차량 중심까지의 의사거리를 계산하게 되므로, 각각의 안테나 위치를 구할 필요없이 차량 중심의 위치를 한 번의 계산으로 구할 수 있어 불필요한 계산량을 줄일 수 있는 효과도 있다. 특히 반송파 위상 측정치의 오차검출에서는 각 위성에서 측정된 반송파 의상의 차를 구하므로 레버암(Lever Arm)효과를 줄일 수 있고, 이에 따라 차량이 가정한 차량 중심이 아닌 다른 축을 중심으로 회전하여도 오류검출이 가능하다.As described above, the present invention detects and excludes multipath errors that affect the position, velocity, and azimuth angle calculation of the vehicle from pseudo range measurements and carrier phase measurements, thereby providing more accurate vehicle navigation system in the city where multipath errors are likely to occur. There is an advantage to build. In addition, since the pseudo-range measurement and the carrier phase measurement including the multipath error are excluded from the calculation of the position, velocity, and azimuth of the vehicle, the correction effect of the navigation sensors used in the dead reckoning apparatus can be greatly improved. In addition, since the pseudo distance from the satellite to the center of the vehicle is calculated by calibrating the pseudo distance from each satellite to the antenna, the position of the center of the vehicle can be obtained by one calculation without having to obtain the position of each antenna, thereby reducing unnecessary calculation amount. There is also an effect. In particular, in the error detection of carrier phase measurements, the difference of carrier clothes measured from each satellite can be obtained, thereby reducing the effect of lever arm. Therefore, even if the vehicle rotates about an axis other than the vehicle center assumed Detection is possible.

Claims (3)

다중 안테나를 이용한 도시형 차량 항법 시스템에 있어서,In an urban vehicle navigation system using multiple antennas, 다수개의 안테나들을 통해 GPS(Global Positioning System)위성들로부터의 위성신호를 수신하여 각각의 안테나에 대한 의사거리 측정치(P_{SV_i A_j})와 반송파 위상 측정치(Φ_{SV_i A_j})를 계산 출력하는 다중 안테나 위성신호 수신부와,Receiving satellite signals from GPS (Global Positioning System) satellites through a plurality of antennas to calculate and output a pseudo range measurement value P_ {SV_i A_j} and a carrier phase measurement value Φ_ {SV_i A_j} for each antenna. A multi-antenna satellite signal receiver, 주행중인 차량의 회전각 및 속도를 감지하여 항법센서정보로 출력하는 항법 센서부와,Navigation sensor unit for detecting the rotation angle and the speed of the vehicle driving and outputting the navigation sensor information, 상기 항법센서정보와 의사거리 측정치(P_{SV_i A_j}) 및 반송파 위상측정치(Φ_{SV_i A_j})를 입력하여 하나의 위성에 대해서 다수의 안테나들로부터 계산된 의사거리측정치들을 비교하여 다중경로 오차가 포함된 측정치를 검출하고, 상기 다중경로오차가 포함된 측정치들을 제외한 나머지의 의사거리 측정치와 반송파 위상 측정치 집합을 출력하는 측정치 오차 검출부와,Input the navigation sensor information, the pseudo distance measurement value P_ {SV_i A_j} and the carrier phase measurement value Φ_ {SV_i A_j} to compare the pseudo distance measurement values calculated from a plurality of antennas for one satellite, and thereby multipath error. A measurement error detection unit for detecting a measurement value including and outputting a pseudorange measurement value and a carrier phase measurement value set other than the measurement value including the multipath error; 상기 측정치 오차 검출부의 출력된 의사거리 측정치와 반송파 위상 측정치 집합과 항법센서정보를 수신하여 차량의 주행정보를 계산하여 출력하는 항법 계산부와,A navigation calculator configured to receive the output pseudorange measurement value, the carrier phase measurement value set, and the navigation sensor information to calculate and output driving information of the vehicle; 상기 주행정보를 기준으로 주변 지역의 지도정보를 지도 데이터 기억부에서 독출하여 표시하여 주는 제어부로 구성함을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 도시형 차량 항법 시스템.Urban vehicle navigation system using a multi-antenna, characterized in that configured as a control unit for reading and displaying the map information of the surrounding area on the basis of the driving information. 제1항에 있어서, 상기 다중 안테나 위성신호 수신부는;According to claim 1, The multi-antenna satellite signal receiving unit; 다수개의 안테나 각각에 접속되어 위성들 각각으로부터 위성신호를 수신하고, 수신된 위성신호를 중간주파수로 변환하여 샘플링 수행하는 RF수신부들과,RF receivers connected to each of a plurality of antennas to receive satellite signals from each of the satellites, convert the received satellite signals into intermediate frequencies, and perform sampling; 다수의 채널을 통해 입력되는 위성신호의 포착과 추적을 통해 각 위성으로부터 각 안테나에 대한 의사거리 측정치(P_{SV_i A_j})와 반송파 위상 측정치(Φ_{SV_i A_j})를 계산하여 출력하는 다채널 디지털 신호 처리부로 구성됨을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 도시형 차량 항법 시스템.Multi-channel that calculates and outputs pseudo distance measurement (P_ {SV_i A_j}) and carrier phase measurement value (Φ_ {SV_i A_j}) for each antenna from each satellite by capturing and tracking satellite signals input through multiple channels. Urban vehicle navigation system using multiple antennas, characterized in that the digital signal processing unit. 제2항에 있어서, 상기 측정치 오차 검출부는;The apparatus of claim 2, wherein the measurement error detection unit; 각각의 안테나에 대한 의사거리 측정치(P_{SV_i A_j})와 차량의 방위각 및 위성정보를 이용하여 위성들 각각으로부터 차량 중심까지의 의사거리를 계산하여 출력하는 거리 계산부와,A distance calculator for calculating and outputting a pseudo distance from each of the satellites to the center of the vehicle using the pseudo distance measurement value P_ {SV_i A_j} of each antenna and the azimuth and satellite information of the vehicle; 상기 거리 계산부에서 출력되는 하나의 위성에 대해서 다수의 안테나들로부터 계산된 의사거리들을 비교하여 다중경로 오차의 포함여부를 판단하고 다중경로 오차가 없는 위성과 안테나의 집합(SV_i , A_j)을 출력하는 의사거리 오차 검출부와,Comparing the pseudoranges calculated from a plurality of antennas with respect to one satellite output from the distance calculator, it is determined whether to include a multipath error and outputs a set of satellites and antennas (SV_i and A_j) without a multipath error. Pseudo-range error detection unit, 입력되는 반송파 위상 측정치(Φ_{SV_i A_j})의 시간에 대한 차분()을 계산하여 출력하는 반송파 위상 측정치 차분 계산부와,The difference with respect to time of the input carrier phase measurement value (Φ_ {SV_i A_j}) Carrier phase measurement difference calculation unit for calculating and outputting 입력되는 차량의 방위각, 위성정보 및 항법센서정보와 상기 반송파 위상 측정치(Φ_{SV_i A_j})의 시간에 대한 차분()을 이용하여 상기 반송파 위상 측정치(Φ_{SV_i A_j})에 다중경로오차의 포함여부를 판단하고 다중경로오차가 없는 측정치만을 출력하는 반송파 위상 측정치 오차 검출부로 구성됨을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 도시형 차량 항법 시스템.The difference with respect to the time of the input azimuth, satellite information, navigation sensor information and the carrier phase measurement value Φ_ {SV_i A_j} ( Urban carrier using multi-antenna characterized in that it comprises a carrier phase measurement error detection unit for determining whether the multi-phase error included in the carrier phase measurement value (Φ_ {SV_i A_j}) and outputs only the measurement value without the multipath error Vehicle navigation system.
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