글: 마르코 페라레시(Marco Ferraresi), 지안비토 지우프리다(Gianvito Giuffrida), 니콜라 파렐라(Nicola Palella),
ST마이크로일렉트로닉스 / www.st.com
ST의 위치추적 솔루션
GPS 무선 내비게이션 시스템은 육지, 해상, 상공, 하루 24시간 전세계 어디에서나 정확한 위치, 속도, 시간을 확인하는데 도움을 주고 있다. GPS 기술의 발전에 견인차 역할을 한 민간 부문은 자동차용 내비게이션이었다. 그러나 현재에는 PND, PDA, 디지털 카메라, 트레킹 및 항해용 휴대 기기 등과 같은 많은 다른 애플리케이션에서도 활용이 확대되고 있다. ST는 지난 20년간 GPS 애플리케이션용 실리콘 솔루션을 개발 및 생산하면서, 이러한 애플리케이션들의 발전과 전파에 지대한 공헌을 해왔다. ST는 현장에서 인정받은 방대한 경험치를 토대로 턴키 솔루션을 개발해 냈으며, 이를 통해 고객들의 경쟁력 있는 제품 제작을 지원할 수 있었다. ST의 최신 위성 위치추적 리시버는 테세오II(그림 1의 블록 다이어그램 참조)이다. 테세오 제품군은 미국의 GPS, 유럽의 갈릴레오, 러시아의 글로나스, 일본의 QZSS 등, 다양한 위성항법 시스템의 신호를 수신할 수 있다. 테세오 제품 중 하나인 STA8088EXG는 중국의 위성 (베이더우(BeiDou)-2)의 신호까지도 수신할 수 있다.
그림 1. 테세오II 칩셋의 블록 다이어그램
멀티 위성 신호 리시버인 테세오II는 GPS만 수신할 수 있는 시중의 다른 리시버보다도 더욱 정확한 위치추적이 가능하다. 위치 추적을 정확하게 해 내는 것은 새롭게 성장하는 위성 기반 애플리케이션들에게는 핵심적인 요소이다. 텔레매틱스 및 도로 통행료 애플리케이션 관련 서비스들은 사용자 위치와 밀접히 연관되어 있다(참고자료 [5] [6]). 위성신호 리시버의 정확성은 주로 몇 개의 위성이 보이느냐, 즉, 위성들이 어디에 위치해 있느냐에 달려있다. 위성의 개수와 기하학을 그 정확도와 연계시키는 메트릭스를 '정밀도 저하율(DOP: Dilution of Precision)'이라고 한다. 리시버에 보이는 위성들이 하늘에서 서로 가까이 모이게 되면 기하학적 구조가 약해지는데 이 경우 DOP 값이 높다. 눈에 보이는 위성들이 흩어지게 되면, 기하학적 구조가 강해지고, 이 경우 DOP 값은 낮다. 눈에 보이는 위성들의 수가 많아지면 대개는 더 낮은 DOP 값을 보여 결국 정확성이 높아진다.
그림 2. 정확한 GPS 수정에 중요한 도심 협곡의 예
GPS만을 수신하는 리시버들은 하늘이 완전히 오픈된 상태이거나 방해를 받는 정도가 매우 적을 때에만 괜찮은 정확성을 제공한다. 도심협곡과 같이 방해를 많이 받는 환경에서, GPS만을 수신하는 리시버는 정확한 위치를 찾아내지 못하는 경우가 많고, 어떤 경우에는 위치 확인(fix)이 안되는 경우도 있다. 이러한 경우, 함께있는 다른 위성 시스템의 신호를 수신하는 능력은 위치추적의 정확성 개선에 상당히 도움이 될 것이다. GPS만을 수신할 수 있는 수신기는 개방된 하늘에서 10~12개의 위성을 볼 수 있고, 도심 협곡에서는 3,4,5개 정도로 직접 신호의 개수가 줄어들 것이다. 이 정도가 위치추적을 위한 최소한의 숫자라고 말할 수 있다. 그러나, 여러 시스템의 위성신호를 수신할 수 있다면, 개방된 하늘에서는 17~20개까지 위성을 볼 수 있고, 도심 협곡에서도 5~8개의 직접 신호를 수신할 수 있어 정확성은 향상되고 위치추적도 지속적으로 제공할 수 있다. 각기 다른 조건에서 수행한 현장 테스트를 통해 테세오II가 다른 GPS 리시버보다 정확성이 더 뛰어난 것으로 판명됐다.
동시에 여러 위성 신호를 추적할 수 있는 테세오II는 높은 수준의 정확성을 요구하는 애플리케이션에 적합한 솔루션이다. RF와 디지털 블록을 통합한 이 복합 칩셋 제조를 위해, ST는 65nm 리소그래피의 첨단 CMOS 기술을 사용한다.
센서
ST는 세계적인 수준의 MEMS 기반 센서 핵심 공급업체로 인정받고 있다. 가속도 센서, 자이로스코프, 지자기 센서, 압력 센서 및 마이크로폰은 이제 오토모티브, 산업용, 의료 및 컨수머 영역의 다양한 애플리케이션에서 핵심적인 역할을 담당하고 있다. 위치추적 및 내비게이션 시스템에서, 위성 신호가 약해지면, 정확성이 점진적으로 떨어지는 결과를 낳으며, 이는 시스템 구동 자체를 방해하게 된다.
두 가지 상황이 발생할 수 있다
그림 3. 환경에 따른 다양한 내비게이션 모드
그림 4. DR 알고리즘의 최선 실행
▶ 신호 수신 환경이 정확한 위치 확인에 적합하지 않다. (예: 반사환경, 부분적으로 신호가 방해를 받는 지역, 도심협곡 등, 그림 2 참조).
▶ GNSS 신호를 활용할 수 없다(터널, 실내, 신호방해지역, 그림 3의 윗부분 참조).
이런 문제를 해결하기 위해, 오늘날 위치추적 시스템들은 추측 항법(DR: Dead Reckoning) 알고리즘을 시행한다. 이는 이전 위치를 기반으로 현재 위치를 계산하거나, 확인되거나 예상된 속력을 경과시간 및 코스에 대비하여 추정값을 계산하는 프로세스다.
최신 수학 모델에 기반한 DR 알고리즘은 거리 센서들(distance sensors: 주행거리계, 휠 스피드, ABS 휠 틱)과 각속도 센서들(yaw rate sensors: 자이로스코프, 차동 휠 펄스, 차동 휠 스피드)에서 수집한 정보를 기반으로 시행된다.
모든 솔루션 중, 기존의 주행 기록계(odormeter)에 자이로스코프를 더한 솔루션(그림 3과 그림 4)이 가장 정확성이 우수하며, 에러(차량의 자이로 센서의 온도 변화, 잡음 그리고 부적절한 방향 전환) 예상이 쉽고 보정이 가능하다. 단점이라고 하면 비용이 든다는 점이다. ESC(차량자세제어장치) 자이로 신호가 CAN 버스에서 사용되지 않아서(대다수의 경우), 전용 각속도(yaw-rate) 자이로스코프가 사용되어야 한다.
그림 5. 차량 축의 정의
그림 6. ST의 3축 자이로스코프의 기계 구조
ST는 2008년 MEMS 기반 자이로스코프를 양산하기 시작했다. 그 이후로 수 억 개를 생산하면서, 지금은 수많은 소비자 및 산업용 애플리케이션에서 핵심으로 자리잡았다. 이런 대규모 제조 경험을 활용하여, 2011년 매립형 내비게이션과 텔레매틱스 애플리케이션용 자이로스코프를 오토모티브 산업에 선보였다. 원칙적으로는 단일축 요(yaw) 자이로스코프가 차량 위치추적 및 내비게이션에서 추측항법 알고리즘 시행에 필요하지만, 기술 및 마케팅 분석을 해보니 3축 자이로스코프가 대시보드의 내비게이션 장착 방향과 관련된 제약을 해결 할 수 있기 때문에 더 낫다는 결론을 냈다.
사실, ST는 3차원 자극을 동시에 대응할 수 있는 단일 기계 구조 기반의 3축 자이로를 최초로 출시했고, 오토모티브 산업에도 이런 종류의 부품(제품 번호 A3G4250D)을 최초로 제안했던 회사다. 이러한 혁신적인 소형 기계 변환기는 '뛰는 심장(The Beating Heart)'라는 이름이 붙여졌다. 단일 진동계에 3중 튜닝포크 구조를 갖추고 있기 때문이기도 하고, 다음에 설명하고자 하는 작동 모드 때문이기도 하다.
그림 7. 단일축 감지 vs 방향 오리엔테이션
그림 8. ST의 DR 솔루션의 에코시스템
'뛰는 심장'은 소형 다이를 이용하여 온도 안정성, 교차축 에러 및 소음 방지 면에서 뛰어나 성능을 보여준다. 또한, 다중 방식으로 픽오프(pickoff) 모드 감지를 할 수 있다는 점과 3개의 튜닝포크들이 자극을 받을 때 한 개의 진동 모드로 작동한다는 점은 소형 면적, 저전력 컴패니언(companion) 칩의 설계를 가능하게 한다. ST의 자이로스코프가 상업적으로 성공할 수 있었던 것도 단일 주행계(driving mass)를 갖추었기 때문이다. 사실, 다중 진동계 대신에 단일 진동 계를 갖추면 기계 주파수 혼합 및 방해의 문제들을 피할 수 있다. 이는 다른 제조사의 자이로스코프에서는 문제가 되는 부분이다.
예를 들어, 공간 제약의 이유로 일부 자동차 제조사들은 내비게이션 보드를 조립할 때 수직면 대비 약 20도 정도를 미리 정하여 설치한다. 그 위치에 장착된 단일축 요(yaw) 자이로스코프의 감도 손실은 센서 제조사들이 패키지 자체 내에서 이 각도를 보충해야 한다. 패키지 수준에서의 기술적인 문제들을 제외하더라도, 이러한 솔루션으로는 대시보드 상의 보드 위치를 변경하는 것이 어렵다. 3축 저중력(low-g) 가속도 센서(선택사항)와 3축 자이로스코프를 함께 사용하면 이러한 부분에서의 유연성이 가장 우수하다. 가속도 센서는 내비게이션 보드가 대시보드에 장 착되어 있는 경사각을 산출할 수 있고, 3D 자이로스코프는 정확한 추측 항법 알고리즘을 구현하는데 필요한 비율들을 제공할 수 있기 때문이다. 피치(pitch) 각도가 있으면 차량 높이에 대한 보충 정보를 추정하는데 도움이 된다.
이 후의 문제는 Ycar 가 Ysensor와 일치하지 않을 수 있다는 점이다. 단일 축 자이로스코프가 사용되면, 물리적 자극과 자이로스코프의 회전축 사이의 오차로 인해 비선형 감도가 약해지는데, 이는 오차 각도의 코사인 값에 비례한다.
최악의 경우, 자이로스코프의 회전 축은 적용 속도의 직각에 위치한다(ψ = ±90deg). 이 구성에서 단일축 센서는 코사인 인수가 0과 동일하므로 원하는 신호를 감지할 수 없다. 보드 장착 각도를 미리 알 수 없다면, AIS328DQ와 같은 3축 선형 가속도 센서를 추가로 활용하여 롤(roll)과 피치(pitch) 각도를 결정한다. 이 주제에 대한 논문은 참고자료[1]에서 찾아볼 수 있다. ST는 위치추적 시스템(그림 8 참조)의 정확성과 정밀성을 해결하기 위해, 테세오 제품군 소프트웨어의 일부로, 완벽한 추측 항법(DR) 솔루션을 제공한다.
▶ GNSS 리시버는 가시적인 SV(즉, 의사거리(pseudorange) 및 주파수)의 측정을 시의적절하게 제공한다.
▶ DR EKF(DR Extended Kalman Filter)는 GNSS 관측자료와 모션 센서를 통합하며, 상황에 맞게 가중치를 주어 최적의 데이터/센서 퓨전을 제공한다.
▶ 다양 종류의 지원 센서들을 갖추고 있어서 ST의 DR은 다른 모드에서도 구성될 수 있다.
그림 9. 디지털 대기압 센서 LPS331AP
그림 10. 현장 테스트에서 사용된 ST 로거 박스
압력 센서, 지자기 센서(디지털 나침반)와 같은 다른 센서들이 전반적인 시스템 정확성을 개선하는데 사용될 수 있다. 지구의 자기장을 측정할 수 있는 지자기 센서는 선수각 □에 대한 독립적인 정보를 제공하고, GNSS 신호가 오랫동안 잡히지 않아 EKF의 데이터 정확성에 손실을 초래할 수 있는 상황들에 도움이 될 수 있다. 대신, 압력센서(그림 9참조)는 복잡한 주행 환경에서의 내비게이션 문제를 해결 할 수 있는 최선책의 하나이다. 이러한 환경에서는 다층 도로를 선택하는 것이 가장 좋은 방법일 때가 많기 때문이다.
ST는 압력 센서와 지자기 센서를 독립형과 다축 모듈, 모두 양산하고 있다. (시스템-온-보드나 시스템-인-패키지)
현장 테스트
ST는 그림 10과 같이 DR 로거 박스를 이용하여 광범위한 현장 테스트를 수행했다.
여러 추측 항법 구성들을 비교/분석해 보았지만, 결국 MEMS 센서에 기반한 구성들이 가장 좋은 결과를 보였다.
현장 테스트는 환경이 매우 환경이 험한 도시 지역에서 이루어졌는데, 위성 신호 방해, 다경로 반사 및 신호 부재와 같은 상황이 일어나 관성 센서를 사용한 추측항법을 시행하지 않으면 원하는 수준의 정확성을 얻을 수 없었다.
시카고에서 시행된 이 테스트에서는 표준 내비게이션 시스템(GPS)이 정확한 관성 센서(GWP, 표 1에서의 혼합 구성과 동일)에 기초한 추측 항법 알고리즘과 결합하면 위치추적 성능이 개선됨을 분명히 보여주고 있다. 터널을 운전하면서 다른 테스트도 시행되었는데, 이 때에는 수 분동안 위성 신호가 잡히지 않는다.
CAN 차동 휠 펄스(DWP: CAN differential wheel pulses)를 요(yaw) 센서로 사용하여 시행한 유사한 테스트와 비교한 결과, 자이로스코프 기울기를 보정하기 위해, 가속도 센서를 자이로스코프 기반 솔루션과 함께 사용하면, 먼 거리에서도 에러율이 더 적은 결과를 보여 정확도가 더 좋아진 것을 알 수 있다.
그림 12. 대만의 타이페이 시와 일란(Yilan)을 연결하는 긴 터널에서의 전형적인 추측항법
그림 13. DWP를 이용한 추측 항법(시카고 지역에서 시행된 테스트)
그림 14. 같은 실리콘 다이 상의 3축 가속도 센서와 3축 자이로(왼쪽)
미래
미래의 차량 위치추적 및 내비게이션 시스템은 수많은 PND 제품과의 경쟁에서 살아남기 위해서 비용 경쟁력과 함께 높은 수준의 정확도를 필요로 할 것이다. 테세오 제품군은 차세대 제품으로의 개발을 이미 시작한 상태로서, 앞으로 더욱 향상된 감도와 최적화된 전력 소모 등의 혜택을 제공할 수 있을 것이다. 그 외 혜택들은 다음과 같다.
▶ 다중 위성 신호 수신(GPS+GLONASS+GALILEO+COMPASS+QZSS)
▶ 고감도 엔진 및 혁신적인 전력 관리 아키텍쳐
▶ 다양한 패키지 옵션과 최소화된 외부 부품수
▶ 확장된 인터페이스 (UART, USB, SPI, SD Card, CAN, I2C, I2S)
▶ TCXO와 Xtal 구성 지원
센서 분야에서는 통합, 임베디드 프로세싱 기능 및 성능 최적화의 트렌드가 분명해지고 있다. ST의 가속도 센서와 자이로스코프의 차별성은 두 센서들이 같은 기술 플랫폼(THELMA)을 기반으로 설계/제작됐다는 점이다. ST는 수 개월 동안 지자기 및 관성 모듈을 양산해왔다. LSM330DLC(6x 관성)와 LSM303DLHC(6x 지자기)는 컨수머 및 기업용 제품의 고객들에게는 이미 널리 알려져 있다. 기계적 요소와 전자적 요소를 같은 실리콘 조각에 통합할 수 있게 되면 다축 모듈 개발에서 각개 다이의 숫자가 줄어들게 될 것이다.
기계적/전자적 요소의 통합과 함께 나타나는 또 하나의 트렌드는 센서의 지능화가 심화되고 있다는 점이다. 3축 가속도 센서 LIS3DSH가 제한된 지시사항을 시행 할 수 있는 단순한 상태의 기계를 탑재하고 있다면, 최근에 발표된 LIS331EB는 내부에 진짜 두뇌를 가졌다고 말 할 수 있다. 이 두뇌는 여러 개의 타이머와 입출력 포트(GPIOs/SPI/I2C/UART)뿐 아니라, 64KB 플래시 메모리와 128KB RAM 메모리를 지닌 초저전력 ARM Cortex-M0 코어로 작동한다. ST는 센서 퓨전 알고리즘 구동을 위해 센서 허브로 작동하는 마이크로컨트롤러와 높은 정확도를 자랑하는 3축 디지털 가속도 센서를 단일 패키지에 통합했다. 이 디바이스는 호스트 컨트롤러 및 AP에 대한 수요와 함께, 전력 소모를 줄여주며, 이는 포터블 디바이스에게는 매우 중요한 기능이다.
컴퓨팅 전력이 더 많이 필요할 경우, ST는 강력한 STM32 마이크로컨트롤러(ARM Cortex-M3 코어)를 정확도가 우수한 관성 센서(iNEMO-M/Lx 제품군)와 함께 제공하는 시스템-온-보드 솔루션을 추천한다. 결국, 에너지 하베스팅 기능과 더불어 센서, 액츄에이터, 인텔리전스, 무선 ㅇ녀결 및 스마트 파워 관리 등을 결합하여 스마트 무선 센서 노드를 구현할 수 있을 것이다. 이는, 차량 및 사람의 위치 추적에서의 애플리케이션들을 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.
ST는 다시 한번의 성공 시대를 맞이할 것이다.
참고문헌
[1] Ferraresi M., Marinoni A., Tri-axial MEMS Gyroscope for Automotive Applications, SSI Conference 2012, ISBN 9783-8007-3423-8, March 2012
[2] Vigna B., STMicroelectronics Masters the Art and the Science of MEMS, Semicon Taiwan, September 2011.
[3] Vigna B., Tri-axial MEMS Gyroscopes and Six Degree-Of-Freedom Mo-tion Sensors, IEEE, IEDM11-662, 2011.
[4] Antonello R., Oboe R., Prandi L., Biganzoli F., Caminada C., Open loop Compensation of the Quadrature Error in MEMS Vibrating Gyroscopes, IECON 2009, November 2009.
[5] Mattos, P.G., Accuracy and availability trials of the consumer GPS / GLONASS receiver in highly obstructed environments, IoN GNSS-2011 confer-ence, Portland Oregon, September 2011.
[6] Mattos, P.G. and Pisoni,F,, Multi-constellation ? to receive everything, , IoN GNSS-2012 conference, Portland Oregon, September 2012.
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