로봇 혁명을 예고하는 초정밀 GPS

책표지

오늘날 GSP는 위치 정보가 필수적으로 요구되는 모든 장치와 분야에서 없어서는 안 될 존재이다. 하지만 기술과 장비가 고도화되면서 기존 GPS 시스템이 제공하고 있는 정밀도보다 더욱 정확..



오늘날 GSP는 위치 정보가 필수적으로 요구되는 모든 장치와 분야에서 없어서는 안 될 존재이다. 하지만 기술과 장비가 고도화되면서 기존 GPS 시스템이 제공하고 있는 정밀도보다 더욱 정확한 위치 기술이 요구되고 있다. 현재 기술은 어디까지 도달했으며, 마래의 GPS는 어떤 모습일지 알아보자.

인류는 역사상 그 어느 때보다 ‘위치’를 ​​정확히 파악할 수 있는 기술에 의존하고 있다. 정밀 농업, 드론 배송, 물류, 승차 호출 및 항공 여행은 모두 우주에서 보내주는 매우 정확한 위치 감지에 의존하고 있기 때문이다. 이제 연속적인 배치와 업그레이드를 통해 세계에서 가장 강력한 위성 위치 확인, 즉 GPS(Global Positioning System) 시스템의 정확도는 몇 미터에서 몇 센티미터로 진화하고 있다.

이는 휴대 전화가 사용자가 걷거나 운전하는 거리뿐만 아니라 현재 거리의 어느 곳에 있는지를 몇 센티미터 기준으로 정확하게 인식할 수 있다는 의미이다. 머지않아 이러한 솔루션은 자율 주행 자동차, 배달 로봇 및 기타 ‘개인 서비스 로봇’이 거리와 보도를 안전하게 탐색할 수 있도록 할 것이다.

GPS의 정확도는 GPS 컨스틸레이션(the GPS constellation)의 단일 주파수에서 측정된 공간 내 신호 오류의 통계 평균으로 표현된다.

세계 최초의 위성 시스템 중 하나인 GPS(Global Positioning System)는 수십억 명의 사람들이 이동하는 방식을 극적으로 변화시켰다. 1993년 이래 최소 24개의 GPS 위성이 지구 궤도를 돌며 위치를 지속적으로 송출하고 있다. 모든 GPS 수신기는 컨스틸레이션에 있는 3개 이상의 위성으로부터 신호를 삼각 측량하여 몇 초 내에 현재 위치를 찾을 수 있다.

신호가 이러한 수신기에 의해 처리되면, 일반적으로 GPS는 5~10미터 이내로 정확성을 보인다. 그러나 이제 이 시스템은 GPS III로 수년간 업그레이드 중이며, 이는 기존에 보장된 정확도를 1미터∼3미터 사이로 향상시킬 것이다. 2020년 11월까지 10개의 GPS III 위성 중 4개가 이미 발사되었으며 나머지는 2023년까지 궤도에 진입할 것으로 예상된다. 소비자가 바로 눈치 채지 못할지라도 내비게이션 시스템과 스마트 폰 추적 앱의 정확도는 더 높아질 것이다.

2020년 6월 중국은 GPS의 대안으로 바이두(BeiDou) 위성 컨스틸레이션 배치를 완료했다. 지역 네트워크에서 글로벌 네트워크로 20년 이상 확장된 바이두는 현재 3개의 다른 궤도에서 작동하는 44개의 위성을 보유하고 있다. 이 시스템은 1.5~2미터의 평균 정확도로 전 세계 누구에게나 위치 서비스를 제공한다. 그리고 이 시스템에 대한 중국과 아시아의 기술적 관심도로 인해, 이 지역의 바이두 사용자들은 종종 1미터의 정확도에 다다를 때도 있다.

이러한 발전에도 불구하고 포지셔닝 신호는 간섭 및 기타 조건에 직면하여 오류를 일으킬 수 있다. 이러한 오류를 수정하려면 다른 기술들이 필요하다.

따라서 바이두와 미국의 GPS는 위치 정확도를 센티미터 수준으로 높이기 위해 지상 기반 증강에 크게 의존한다. 널리 사용되는 접근 방식 중 하나는 RTK(실시간 이동측량, Real Time Kinematic) 포지셔닝이다. 이 포지셔닝은 기본 수신기와 로버 수신기를 사용하여 수 킬로미터 떨어진 곳에 위치하여 위성 신호를 수신하고 지구의 이온 구(sphere)로 인해 발생하는 오류를 계산한다. 이 기술은 3센티미터 이상의 정확도를 얻을 수 있다.

유사하지만 새로운 기술로 PPP(정밀 단독 측위, Precise Point Positioning)가 있다. 하나의 수신기만 필요하며 지구 표면 어디에서나 작동하므로 사용자에게 데시미터(decimeter)에서 센티미터 수준의 정확도를 제공한다. RTK 증강은 상대적으로 성숙했고, PPP-RTK라는 새로운 기술이 개발 중이다. PPP와 RTK의 강점을 결합한 이 솔루션은 앞으로 수 년 후에 사용될 전망이다.

그리고 위성 위치 확인의 정확도가 향상됨에 따라, 이를 사용하는 더 많은 방법을 찾을 수 있을 것이다. 우리 조상들은 별과 나침반을 보고 그들이 어디에 있는지 알아냈다. 오늘날 우리는 궤도에있는 위성의 원자시계를 사용하여 동일한 작업을 수행한다. 이러한 포지셔닝 기술은 이미 우리가 농사를 짓고, 상품을 운송하고, 세상을 탐색하는 방식을 바꾸었다.

개선된 최신 기술은 이러한 세계를 더욱 선명하게 만들 것이다. 포지셔닝 기술이 밀리미터 수준 이상으로 발전함에 따라 사용 한계는 기술 자체의 성능보다는 우리의 창의성과 우리가 설정한 법적 또는 윤리적 경계에 의해 더 많이 정의될 것이다.

이러한 추세를 고려하여 우리는 다음과 같이 고려한다.

첫째, 2030년까지 기존의 위성 기반 포지셔닝 시스템은 아마도 밀리미터 수준에 이르러 이보다 더 정확할 수 없는 수준의 ‘한계’까지 도달할 것이다.

다행히도 이러한 종류의 정밀성은 자율 주행 자동차, 배달 로봇 및 기타 ‘개인 서비스 로봇’이 거리와 보도를 안전하게 탐색할 수 있도록 할 것이고, 이는 다른 종류의 광학 및 음파 센서와 결합되어 인류의 요구에 부응하는 수많은 솔루션들을 펼칠 것이다.

둘째, 10년이 지나면 새로운 포지셔닝 기술이 우리를 밀리미터 이상으로 이끌고 인공위성에 대한 의존도를 줄여줄 것이다.

분명히 몇 가지 애플리케이션에만 밀리미터 수준의 위치 정확도가 필요하지만 위성에 의존하는 모든 솔루션은 EMP 공격, 위성 자체에 대한 키넷 공격 및 예측할 수없는 태양 폭풍에 취약하다. 한 가지 접근 방식은 물질의 양자 속성을 사용하여 외부 레퍼런스 없이 위치를 찾고 탐색하는 것이다. 원자가 절대 영도 바로 위까지 냉각되면 외부 힘에 특히 민감한 양자 상태에 도달한다. 따라서 물체의 초기 위치를 알고 원자의 변화를 측정할 수 있다면, 레이저 빔을 사용하여 물체의 움직임을 계산하고 실시간 위치를 찾을 수 있다. 이러한 양자 포지셔닝 시스템은 자율 주행 자동차의 백업 내비게이션 기술로 특히 유용할 것이다. 콜드콴타(ColdQuanta)라는 회사에서 개발한 초기 버전의 양자 포지셔닝 시스템은 이미 국제 우주 정거장에서 운영되고 있다.

셋째, 앞으로 5년 내에, 실내 서비스 로봇은 GPS에 정기적으로 액세스하지 않고도 주변 신호를 사용하여 위치를 정확하게 파악할 것이다.

스마트폰과 같은 장치는 소위 관성 측정 장치(inertial measurement units, IMU)를 사용하여 장치가 얼마나 멀리 이동했는지 계산한다. 그러나 관성 측정 장치는 큰 ‘이동오류(drift errors)’에 따른 어려움이 있다. 이동오류는 사소한 부정확성조차 신속하게 과장하는 것이다. 실외 환경에서 장치는 일반적으로 GPS를 사용하여 관성 측정 장치를 수정할 수 있다. 하지만 GPS 신호가 신뢰할 수 없거나 존재하지 않는 실내 공간에서는 문제가 발생한다. 다행히 노스캐롤라이나주립대학 연구자들이 최근 와이파이 신호가 기기의 관성 측정 장치와 함께 작동하여 오류를 수정하고 속도 및 거리 계산의 정확도를 향상시킬 수 있음을 입증했다. 이는 로봇이 와이파이 신호를 사용할 수 있을 때마다 실내에서 자신의 위치를 ​​안정적으로 추적할 수 있음을 의미한다.

넷째, 10년이 지나기 훨씬 전에 작고 저렴하고 매우 정확한 자이로스코프를 통해 드론, 자율 주행 자동차 및 서비스 로봇이 GPS 신호없이 트랙을 유지할 수 있을 것이다.

관성 측정 장치는 3개의 가속도계와 3개의 자이로스코프로 구성되며 공간의 각 축에 하나씩 위치한다. 대부분의 스마트폰에서 볼 수 있는 자이로스코프는 화면의 방향을 감지하여 우리가 어떤 방향을 향하고 있는지 파악하는 데 도움이 되지만 정확도는 떨어진다. 기존 관성 측정 장치 기술로 우리가 어떤 방향으로 가고 있는지 신뢰할 수 있는 자료를 얻으려면 너무 높은 비용이 든다. 자율 주행 자동차와 같은 고급 소비자 애플리케이션의 경우에도 마찬가지다. 다행히 미시간 대학에서 10,000배 더 정확한 새로운 자이로스코프를 개발했다. 이 자이로스코프는 오늘날 일반 휴대폰에 사용되는 자이로스코프보다는 10배 정도 비싸고, 성능이 비슷한 대형 자이로스코프보다는 1,000배 저렴하다. 장치들이 이 기술을 사용하기 시작하면, 자율 로봇이 어디에나 있어야 하는 필수 요소가 되더라도 GPS의 신뢰성과 정밀도에 덜 의존해도 문제가 발생하지 않게 될 것이다.

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References List :
1. MIT Technology Review. February 24, 2021. Ling Xin. Hyper-accurate positioning is rolling out worldwide.
https://www.technologyreview.com/2021/02/24/1017805/hyper-accurate-global-positioning-available-worldwide/

2. GPS.gov. 2021. Augmentation Systems.
https://www.gps.gov/systems/augmentations/

3. NIST.gov 20 Dec 2018 Hugo Bergeron, Laura C. Sinclair, William C. Swann, Isaac Khader, Kevin C. Cossel, Michael Cermak, Jean-Daniel Deschênes, and Nathan R. Newbury. Femtosecond Synchronization of Optical Clocks Off of a Flying Quadcopter.
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1808/1808.07870.pdf

4. 7th IEEE international Symposium on Inertial Sensors & Systems. March 25, 2020. Jae Yoong Cho, Sajal Singh, Jong-Kwan Woo, Guohong He, & Khalil Najafi. 0.00016 deg/?hr angle random walk (ARW) and 0.0014 deg/hr bias instability (BI) from a 5.2M-Q and 1-cm precision shell integrating (PSI) gyroscope .
https://ieeexplore.ieee.org/document/9090086


More than ever, we rely on technologies that can pinpoint an object’s position. Precision agriculture, drone delivery, logistics, ride-hailing, and air travel all depend on highly accurate position detection from space. Now a series of deployments and upgrades are boosting the accuracy of the world’s most powerful global satellite positioning systems from several meters to a few centimeters.

That could mean your phone knows not only which street you’re walking or driving down, but which side of the street you’re on. Soon, that kind of resolution could make it possible for self-driving cars, delivery robots, and other “personal services robots” to safely navigate streets and sidewalks.

And as technology improves, so does the accuracy of GPS, as represented by a statistical average of the signal-in-space error measured on a single frequency across the GPS constellation.
 
The Global Positioning System (GPS), one of the world’s first such satellite systems, has dramatically changed the way billions of people move around. Since 1993, at least 24 GPS satellites have been orbiting the Earth and constantly broadcasting their positions. Any GPS receiver can find its current whereabouts within seconds by triangulating signals from at least three satellites in the constellation.

Once the signals are processed by a receiver, GPS is generally accurate to within five to 10 meters. Now the system is in the middle of a years-long upgrade to GPS III, which should improve its guaranteed accuracy to between one and three meters. By November 2020, four of the 10 GPS III satellites had launched, with the rest expected to be put into orbit by 2023. Though consumers won’t notice it right away, the accuracy of their navigation systems and smartphone tracking apps should improve as a result.

In June 2020, China finished deploying its BeiDou satellite constellation as a GPS alternative. Expanded over two decades’ time from a regional to a global network, BeiDou now has 44 satellites operating in three distinct orbits. It provides positioning services to anyone in the world with an average accuracy of 1.5 to two meters. And because of the system’s historical focus on China and Asia, BeiDou’s regional users can often get close to one meter in precision.

Even with these advances, positioning signals encounter interference and other conditions that can make them go awry. Correcting these errors requires another layer of technology.

Therefore, both BeiDou and the U.S. GPS rely heavily on ground-based augmentation to boost positioning accuracy to the centimeter level. One popular approach is real-time kinematic (or RTK) positioning, which uses a base receiver and a rover receiver, placed kilometers apart, to receive satellite signals and calculate the errors caused by Earth’s iono sphere. This technique can achieve accuracies of better than three centimeters.

A similar but newer technology is precise point positioning (or PPP). It requires only one receiver and works from anywhere on the Earth’s surface, giving users decimeter-to centimeter-level accuracy. RTK augmentation is relatively mature and new technology called PPP-RTK is under development. This solution which combines the strengths of PPP and RTK will hopefully be put to use a few years from now.

And as the accuracy of satellite positioning improves, we’ll no doubt find even more ways to use it. Our ancestors looked to stars and compasses to figure out where they were; today, we use atomic clocks on satellites in orbit to do the same. These positioning technologies have already changed the way we farm, transport goods, and navigate our world; the latest improvements will bring that world into even sharper focus. As positioning technology advances to the millimeter level and beyond, the limits of its use will be defined more by our creativity and the legal or ethical bounds we set than by the performance of the technology itself.

Given this trend, we offer the following forecasts for your consideration.

First, by 2030, traditional satellite-based positioning systems will reach a nearly insurmountable accuracy limit, probably at around the millimeter level.

Fortunately, that kind of precision would make it possible for self-driving cars, delivery robots, and other “personal services robots” to safely navigate streets and sidewalks. And when combined with other sorts of optical and sonic sensors, will unleash a torrent of solutions serving human needs.

Second, by the end of the decade, new positioning technologies will be ready to take us beyond the millimeter, while reducing our reliance on satellites.

Obviously, only a few applications require millimeter-level positioning precision, but every solution that relies upon satellites is vulnerable to EMP attacks, kinet attacks on the satellites themselves, and unpredictable solar storms. One approach uses the quantum properties of matter to locate and navigate without outside references. When atoms are cooled down to just above absolute zero, they reach a quantum state that is particularly sensitive to outside forces. Thus, if we know an object’s initial position and can measure the changes in the atoms (with the help of a laser beam), we can calculate the object’s movements and find its real-time location. Such a Quantum Positioning System would be particularly useful as a backup navigation technology for self-driving cars. A very early version of a quantum positioning system, developed by a firm called ColdQuanta, is already operating on the International Space Station.

Third, by mid-decade, indoor service robots will be using ambient signals to pinpoint their locations, without regular access to GPS.

Devices such as smartphones, use so-called inertial measurement units (or IMUs) to calculate how far the device has moved. However, IMUs suffer from large “drift errors,” meaning that even minor inaccuracies quickly become exaggerated. In outdoor environments, devices typically use GPS to correct their IMUs. But this doesn’t work in indoor areas, where GPS signals are unreliable or nonexistent. Fortunately, NC State researchers recently demonstrated that it is possible for WIFI signals to work in conjunction with a device’s IMU to correct any errors and improve the accuracy of speed and distance calculations. That means a robot could reliably track its location indoors whenever a WIFI signal is available. And,

Fourth, well before end of the decade, small, inexpensive, and highly accurate gyroscopes, will enable drones, autonomous cars and service robots to stay on track without a GPS signal.

An inertial measurement unit is made up of three accelerometers and three gyroscopes, one for each axis in space. The gyroscopes found in most smartphones detect the orientation of the screen and help figure out which way we’re facing, but their accuracy is poor. Getting a reliable reading on which way we’re going with existing IMU technology is so expensive that it has been too costly, even for high-end consumer applications like autonomous automobiles. Fortunately, a new gyroscope developed at the University of Michigan is 10,000 times more accurate, but only 10 times more expensive than gyroscopes used today in a typical cell phone. And it’s 1,000 times less expensive than larger gyroscopes with similar performance. As devices begin using this technology, GPS reliability and precision will become far less important even though autonomous robotics will become ubiquitous and indispensable.

Resource List
1. MIT Technology Review. February 24, 2021. Ling Xin. Hyper-accurate positioning is rolling out worldwide.
https://www.technologyreview.com/2021/02/24/1017805/hyper-accurate-global-positioning-available-worldwide/

2. GPS.gov. 2021. Augmentation Systems.
https://www.gps.gov/systems/augmentations/

3. NIST.gov 20 Dec 2018 Hugo Bergeron, Laura C. Sinclair, William C. Swann, Isaac Khader, Kevin C. Cossel, Michael Cermak, Jean-Daniel Deschênes, and Nathan R. Newbury. Femtosecond Synchronization of Optical Clocks Off of a Flying Quadcopter.
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1808/1808.07870.pdf

4. 7th IEEE international Symposium on Inertial Sensors & Systems. March 25, 2020. Jae Yoong Cho, Sajal Singh, Jong-Kwan Woo, Guohong He, & Khalil Najafi. 0.00016 deg/?hr angle random walk (ARW) and 0.0014 deg/hr bias instability (BI) from a 5.2M-Q and 1-cm precision shell integrating (PSI) gyroscope .
https://ieeexplore.ieee.org/document/9090086

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