키트를 사용하여 신속하게 GNSS 기반 정밀 위치 확인 애플리케이션 개발하기

기본적인 내비게이션에 GNSS(세계 위성 항법 시스템)를 사용하는 것은 일상화되었습니다. 하지만 새로 개발되는 애플리케이션은 기존 위성 기반 내비게이션 시스템의 성능을 훨씬 뛰어넘는 위치 정확도에 의존합니다. 점점 더 정밀한 위치 정보를 제공할 수 있는 GNSS 보정 방법이 등장하고 있지만, 이러한 방법을 적용하려면 필요한 정확도, 신뢰성, 통합 용이성이 필요하고, 강력한 보안을 보장함에 있어 여러 가지 어려움이 따릅니다.

하지만 이러한 문제를 해결하기 위한 노력과 그에 따른 진전이 빠르게 이루어지고 있습니다. 센티미터 수준의 정확도가 요구되는 위치 확인 시스템을 신속하게 배포할 수 있도록 설계된 u-blox의 완전 통합형 전대역 고정밀 GNSS 모듈, 평가 키트, 소프트웨어 및 서비스를 살펴보겠습니다.

다양한 애플리케이션에 기본 GNSS 이상의 위치 정확도가 필요한 이유

GNSS 기반 내비게이션은 이제 수 미터(m) 이내의 정확도를 요구하는 개인 및 상업용 길찾기 애플리케이션에서 기본 요소입니다. 광역 증강 시스템(WAAS)과 같은 보정 방법의 등장으로 위치 정확도가 항공 정밀 접근에 필요한 1m ~ 2m 수준까지 낮아졌지만, 여전히 광범위한 애플리케이션에 사용하기에는 정확도가 충분하지 않습니다.

예를 들어, 기존의 단일 대역 GNSS 모듈은 필요한 정밀도, 속도, 견고성이 부족한 경우가 많아 차선 수준의 정확도가 필요한 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS) 및 자율 주행 기능에는 적합하지 않습니다. 마찬가지로 드론이나 자율 주행 차량에 효과적인 솔루션은 신속한 신호 수렴, 탁월한 정확도, 간섭으로부터의 보호에 달려 있습니다.

정밀 농업 및 중장비 애플리케이션은 센티미터(cm) 수준의 정확도가 요구되며, 특히 기존 인터넷 프로토콜(IP) 기반 보정 서비스가 커버리지 격차, 일관되지 않은 성능, 높은 운영 비용으로 인해 어려움을 겪는 외딴 지역에서 더욱 그렇습니다.

비슷한 예로, 통신 인프라는 정밀한 나노초(ns) 수준의 타이밍 동기화에 의존하는데, 이는 스푸핑과 간섭에 취약하고 정확도가 떨어지는 기존 GNSS 모듈에는 어려운 과제입니다.

기존의 전대역 GNSS 솔루션은 정확도를 개선할 수 있지만 복잡성, 필요 전력 증가, 비용 증가를 초래하는 경우가 많습니다. u-blox ZED-X20P 전대역 고정밀 GNSS 모듈은 애플리케이션과 관련된 이러한 과제를 직접 해결합니다.

포괄적인 솔루션으로 위치 정확도를 향상하는 방법

최대한 넓은 커버리지에서 애플리케이션에 정밀한 위치 데이터를 제공하도록 설계된 u-blox ZED-X20P 모듈은 L1: 1559MHz ~ 1610MHz, L2: 1215MHz ~ 1252MHz, L5: 1164MHz ~ 1210MHz, L6/E6: 1260MHz ~ 1300MHz, L 대역: 1520MHz ~ 1559MHz 등 여러 GNSS 대역을 동시에 포착합니다.

이 모듈은 전대역 기능을 통해 GPS(전역 위치 결정 시스템), Galileo 위성 항법 시스템, BDS(BeiDou 항법 위성 시스템), SBAS(위성 기반 증강 시스템), QZSS(준천정 위성 시스템), NavIC(인도 위성 항법 시스템) 등 다중 GNSS 위성군을 지원합니다. 전력 소비를 제한해야 하는 경우 일부 GNSS 위성군만 수신하도록 모듈을 구성할 수 있습니다.

개발자를 위해 이 모듈은 시스템 통합 속도를 높이고 복잡성을 줄이도록 설계되어, 고도로 통합된 아키텍처 덕분에 고정밀 위치 확인을 위한 드롭인 솔루션을 제공합니다(그림 1).

그림 1: ZED-X20P GNSS 모듈은 포괄적인 다중 대역 및 다중 위성군 지원, 통합 보안, 빠른 수렴 알고리즘을 제공하여 개발자가 고정밀 GNSS 설계를 간소화할 수 있도록 도와줍니다(이미지 출처: u-blox).

이 모듈은 다중 대역 무선 주파수(RF) 프론트 엔드와 프로세서, GNSS 엔진, 통합 플래시 메모리, 구성 가능 시간 펄스 동기화 출력을 갖춘 전용 타이밍 엔진으로 구성된 디지털 블록을 결합합니다. 17.0mm × 22.0mm × 2.4mm에 불과한 소형 표면 실장 패키지로 제공되며, 일반적으로 3.0V에서 약 55mA를 소모합니다.

모듈의 통합 스펙트럼 분석기가 RF 환경의 전파 방해를 모니터링하는 동시에, ZED-X20P는 여러 가지 직접적인 위협으로부터도 보호합니다. 다층 방어 체계에는 보안 부팅 및 보안 저장 기능을 갖춘 신뢰점, 전파 방해 및 스푸핑 감지, 그리고 Galileo OSNMA(Open Service Navigation Message Authentication) 지원이 포함됩니다(그림 2). Galileo OSNMA는 Galileo 위성으로부터 안전한 종단 간 전송을 보장하여 민간 사용자에게 보안이 중요한 GNSS 애플리케이션에 대한 인증을 제공합니다.

그림 2: ZED-X20P GNSS 모듈은 Galileo OSNMA를 지원하여 Galileo 위성으로부터 안전한 종단 간 전송을 보장하여 민간 사용자에게 보안이 중요한 GNSS 애플리케이션에 대한 인증을 제공합니다(이미지 출처: u-blox).

정밀 위치 확인 애플리케이션의 경우, 이 모듈은 OSR(관측 공간 보정)을 통한 실시간 동적 측위(RTK) 보정과 SSR(상태 공간 보정)을 통한 정밀 점 위치 결정 실시간 동적 측위(PPP-RTK) 보정을 모두 지원합니다.

OSR 보정 수치가 적용된 RTK는 보정 데이터 제공업체가 NTRIP(Network Transport of RTCM via IP) 프로토콜을 사용하여 인터넷을 통해 전송하는 RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Services) 메시지로 도착합니다. 이 모듈의 RTK 작동 모드는 네트워크 RTK(nRTK) 또는 단일 기준국 RTK로 구축된 기준선이 비교적 짧은 애플리케이션에 간단한 솔루션을 제공합니다. nRTK에서 모듈은 VRS(가상 기준국) 네트워크를 운영하는 VRS 서비스 제공업체의 RTCM 보정값을 사용합니다. 단일 기준국 RTK에서는 기준국이 로컬에 위치하여 로버 수신기로 보정 데이터를 전송합니다.

예를 들어, 잔디 깎는 로봇 애플리케이션은 간편하게 단일 기준국 RTK를 사용할 수 있습니다. 여기에서 하나의 ZED-X20P 모듈은 로버 수신기로 작동하는 두 번째 ZED-X20P에 보정을 제공하는 기준국 역할을 합니다(그림 3).

그림 3: OSR이 적용된 RTK의 기본 지원을 사용하여 두 개의 ZED-X20P 모듈을 로봇 잔디 깎는 기계와 같은 기준선이 짧은 애플리케이션을 지원하도록 빠르게 구성할 수 있습니다(이미지 출처: u-blox).

SSR이 적용된 PPT-RTK도 NTRIP 프로토콜을 사용하지만, 이 프로토콜은 특정 보정 데이터를 전달하는 대신 궤도, 시계, 신호 편향을 포함한 위성 중심 모델을 SPARTN(Secure Position Augmentation for Real-Time Navigation) 형식을 사용하여 수신기로 스트리밍합니다. 스트리밍된 데이터를 사용할 때, SSR이 적용된 PPT-RTK 수신기는 모바일 인터넷 또는 L 대역 위성 방송을 통해 전송된 SPARTN 메시지에 포함된 데이터를 사용하여 로컬 보정을 직접 계산합니다.

이 보정 프로토콜은 매우 낮은 데이터 전송률과 수신기에서 계산된 보정을 결합하기 때문에 통신 대역폭이 제한된 기준선이 긴 애플리케이션에 특히 효과적입니다. L 대역 수신기 기능과 SPARTN/SSR을 기본적으로 지원하는 ZED-X20P 모듈은 모바일 인터넷 연결이 불안정한 무인 항공기(UAV), 농업 장비, 물류/운송 시스템 등의 응용 분야에 적합합니다. 보정 정보를 얻으려면 모바일 인터넷 연결 또는 L 대역 위성 연결을 통해 전송되는 SPARTN 형식 메시지를 지원하고 비용 효율적인 사용량 기반 요금제를 제공하는 u-blox PointPerfect Flex PPP-RTK 보정 서비스를 활용할 수 있습니다.

u-blox ANN-MB2-00과 같은 고품질 안테나를 통해 수신된 신뢰할 수 있는 보정 데이터를 활용하여 ZED-X20P 모듈은 RTK 위치 정확도 0.6cm + 1ppm, PPP-RTK 위치 정확도 < 6cm를 달성하며, 일반적인 수렴 시간은 RTK의 경우 < 7초, PPP-RTK의 경우 < 40초입니다.

개발 리소스 속도 평가 및 통합

ZED-X20P 모듈의 기능적 성능은 시스템 통합을 간소화하는 데 도움이 되지만, u-blox EVK-X20P-00 평가 키트(그림 4)를 사용하면 모듈 평가 속도를 높일 수 있습니다. 이 키트에는 케이블 및 ANN-MB2-00 안테나와 함께 ZED-X20P 모듈을 중심으로 설계된 완전한 GNSS 수신기를 구현하는 보드가 포함되어 있습니다.

그림 4: EVK-X20P-00 평가 키트는 GNSS 시제품 제작과 통합을 간소화하여 신속한 개발을 위한 사용하기 쉬운 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼을 제공합니다(이미지 출처: u-blox).

애플리케이션 평가의 속도를 높이기 위해 u-blox u-center 2 GNSS 평가 소프트웨어 패키지에는 NTRIP 서버/캐스터 및 클라이언트 도구가 포함되어 있으므로 RTCM을 통해 OSR로 로컬 베이스 및 로버 구성을 실행하거나 SSR이 적용된 PPP-RTK를 위해 PointPerfect Flex에 클라이언트를 연결할 수 있습니다.

결론

새로 개발되는 로봇 공학, 자동차, 농업, 물류 및 타이밍 애플리케이션 중 다수는 기본적인 GNSS와 고르지 않은 IP 연결로는 안정적으로 제공할 수 없는 센티미터 단위의 위치 데이터가 필요합니다. ZED-X20P GNSS 모듈, EVK-X20P 평가 키트, u-center 2 소프트웨어, PointPerfect Flex GNSS 보정 서비스를 포함한 u-blox 솔루션 조합은 위치와 시간이 중요한 애플리케이션을 신속하게 배포할 방법을 제공합니다.