지원 센터 방문 지원 센터 방문 대리점 찾기 대리점 찾기 문의 문의

타원체, 데이텀, 지오이드: 관성 항법에서 지구의 모양이 중요한 이유

블로그 2023년 7월 11일

제작 중인 자율주행 트럭이 목적지에 도착하는지 어떻게 확인할 수 있을까요? 아니면 자율주행 로봇 택시가 지나가도록 가로등 기둥 대신 그들을 통해 지나가게 할 수 있을까요?

물론 정답은 차량이 지구상에서 차량과 다른 사물의 정확한 위치를 알려주는 지리 공간 데이터를 처리할 수 있는 내비게이션 엔진을 구축하는 것입니다. 지구상 어디에서나(또는 최소한 자율주행 플랫폼을 판매하고자 하는 지역에서) 성공적으로 작동할 수 있는 내비게이션 엔진을 만들려면 고려해야 할 많은 변수와 과제가 있습니다.

이 글에서는 지구의 모양으로 인해 발생하는 문제에 초점을 맞추려고 합니다.

고려해야 할 사항은 무엇인가요?

요약하면 다음과 같은 핵심 사항을 숙지해야 합니다:

  • 지구의 모양을 설명하는 데는 여러 가지 체계가 있습니다.
  • 이러한 시스템을 사용하여 지구의 일부 또는 전체를 매핑하는 다양한 모델이 있습니다.
  • 자율 플랫폼의 모든 하드웨어가 동일한 시스템 또는 모델을 사용하는 것은 아닙니다.

내비게이션 엔진이 이러한 요소를 고려하지 않으면 플랫폼이 의도한 목적지로 이동하지 못할 위험이 있습니다. 이는 승객을 목적지까지 성공적으로 운송하는 것과 테스트 트랙에서 운행하지 않는 로봇택시가 도로 가구에 흠집을 내는 것의 차이가 될 수 있습니다.

이 모든 것이 왜 중요한지 이해를 돕기 위해 지구의 모양부터 살펴보겠습니다.

지구는 구가 아닙니다.

지구가 아무리 울퉁불퉁해도 지구의 크기가 당구공보다 더 매끈하다는 재미있는 사실이 인터넷 어딘가에 떠돌고 있습니다. 더 이상 당구를 치는 사람이 없다는 사실에도 불구하고 지구가 상대적으로 매끄럽다는 의미라고 생각해도 용서받을 수 있습니다. 하지만 자율 주행 플랫폼이 탐색에 사용할 수 있는 지도를 만들기 위해 지구를 측량하는 데 있어서는 당구대 옆으로 기울어진 당구 큐처럼 비유가 무너집니다.

첫째, 지구는 완벽한 구가 아니라 매우 울퉁불퉁한 타원체입니다. 측지학 용어로, 지구를 매핑하는 데 가장 근접한 것은 실제 지오이드(평균 해수면(바다가 육지 아래로 흐르는 경우)을 기반으로 한 이론적 모양)로 알려진 지구 표면을 매핑할 수 있습니다. 하지만 심지어 매핑 목적으로 사용하기에는 너무 복잡합니다. 과학자들이 처음 지구 좌표계를 만들려고 시도했을 때, 그들은 이론적인 타원체를 만들어야 한다는 것을 금방 깨달았습니다. 평평한 평평한 타원체를 만들어야 한다는 것을 깨달았습니다. 시간이 지나면서 여러 타원체가 등장했습니다.

타원체가 두 개 이상인 이유는 무엇인가요?

측지 타원체의 목표는 가능한 한 지오이드에 가깝게 만드는 것이지만, 그렇게 간단하지는 않습니다. 여러 타원체를 동시에 사용하는 데에는 몇 가지 이유가 있습니다:

  • 일부 타원체는 전체 지오이드에 가장 적합하도록 설계되었습니다. 현재 가장 널리 사용되는 두 가지 글로벌 타원체는 WGS84(세계 측지계 84)와 GRS80(측지 참조 시스템 1980)입니다. 지구의 넓은 부분 또는 전체를 매핑하려는 경우 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.
  • 일부 타원체는 지오이드의 특정 부분(예: 국가)에 가장 적합하므로 해당 지역에서는 전역 타원체보다 정확도가 높지만 다른 곳에서는 정확도가 떨어집니다. 예를 들어, 영국에서는 Airy 1830 타원체(이 OS 문서 에서 Airy 1830이 GRS80보다 지오이드에 더 가깝게 표현하는 방법을 확인할 수 있습니다.)
  • 타원체는 기술 발전으로 인해 지오이드에 더 가깝게 타원체를 다시 계산할 수 있을 때(또는 지각 활동 등으로 인해 지오이드가 변경되는 경우) 업데이트됩니다.

그렇다면 데이텀이란 무엇인가요?

데이텀은 지리적 좌표계의 핵심 부분입니다. 이렇게 생각하면 됩니다:

  • 지리적 좌표계는 지구상에서 어떤 사물의 위치를 설명하는 방법을 알려줍니다.
  • 데이텀은 좌표계를 구축할 수 있는 지구상의 고정된 지점을 제공합니다.

수평과 수직의 두 가지 종류의 데이텀이 있습니다.

수평 데이텀

수평 데이텀은 위도와 경도를 실제 세계와 연결합니다. 특정 타원체를 기반으로 하며, 타원체와 마찬가지로 전 세계에서 가장 정확도를 높이도록 설계된 글로벌 수평 데이텀과 특정 지역에서 가장 정확도를 높이도록 설계된 로컬 데이텀이 있습니다.

그러나 로컬 데이텀이 항상 로컬 타원체에서 생성되는 것은 아닙니다. 영국에서는 에어리 1830 지역 타원체를 기반으로 하는 OSGB36 데이텀을 사용하지만, 북미에서는 GRS80 세계 타원체를 기반으로 하는 NAD 83을 사용합니다. 또한 지각 변동이나 기술 발전을 고려하여(또는 더 잘 맞는 새로운 타원체를 기반으로 하는 경우도 있음) 주기적으로 데이텀이 업데이트됩니다. 지각 활동으로 인해 지역 데이텀이 업데이트될 수도 있습니다. 예를 들어 일본에서 사용되는 JGD2011 데이텀은 JGD2000을 정밀 측정에 신뢰할 수 없을 정도로 지역 지질에 영향을 준 도호쿠 지진 이후 JGD2000을 대체하기 위해 만들어졌습니다.

수직 데이텀

수직 데이텀은 좌표계의 높이를 현실 세계에 고정합니다. 일부 시스템은 타원체의 표면을 수직 데이텀으로 사용하지만(특히 WGS84), 대부분의 다른 시스템은 해수면이 평균 해수면과 같고 지오이드에 가장 가까운 특정 지점을 사용합니다. 수직 기준점은 육상 기반의 자율 주행 차량에는 그다지 중요하지 않지만, 수상 또는 항공 선박에는 당연히 매우 중요한 요소입니다.

이 모든 것이 왜 중요할까요?

서로 다른 타원체를 기반으로 하는 다양한 데이텀이 존재하기 때문에 세 가지가 사실이라는 것을 깨달았을 것입니다:

  • 좌표 집합은 사용 중인 데이텀에 따라 여러 위치를 참조할 수 있습니다.
  • 단일 위치는 서로 다른 데이텀에서 서로 다른 좌표를 가질 수 있습니다.
  • 해수면/지오이드에서 높이를 측정하는지, 타원체 표면에서 측정하는지에 따라 해당 위치의 높이도 달라질 수 있습니다.

거리의 차이는 그다지 크지 않은 경우가 많습니다(예를 들어, WGS84와 ITRF의 차이는 일반적으로 10mm 미만입니다). 하지만 그 차이는 엄청날 수 있습니다. 예를 들어, 호주에서는 가장 최신 데이텀인 GDA94와 그 이전 데이텀인 AGD84가 일부 지역에서는 200m 이상 차이가 납니다. 설상가상으로 이전 버전이 있으며, 이 세 가지 버전의 데이터가 호주의 여러 곳에서 여전히 사용되고 있습니다. 호주나 미국과 같은 큰 국가에서는 주마다 다른 데이텀을 사용하므로 주 경계를 넘나들면 매핑에 또 다른 복잡성이 추가됩니다.

데이텀 문제는 자율 주행 차량에 크게 두 가지(드론이나 잠수함을 제작하는 경우 세 가지) 결과를 초래할 수 있습니다:

  • 물체가 차량이 생각하는 위치에 있지 않아 필요한 곳으로 가지 못하거나 있어야 한다고 생각하지 않는 물체와 충돌할 수 있습니다.
  • 높이가 중요한 차량의 경우, 차량의 높이를 잘못 예측하여 지상으로 충돌하거나, 공중에 착륙하려고 시도하거나(스포일러 경고: 이 경우에도 결국 지상으로 충돌하게 됩니다), 물속에 있는데 수면 위에 있다고 착각하거나(또는 그 반대의 경우도 마찬가지입니다), 차량이 물속에 있는 것으로 착각할 수 있습니다.
  • 차량이 이동한 거리를 위도/경도 좌표로 변환하는 것은 거의 불가능합니다.

세 번째 포인트가 중요한 이유는 IMU가 미터 단위로 데이터를 출력하는 반면 GNSS 수신기는 위도/경도 좌표를 제공하고 칼만 필터는 데이터의 정확도를 평가하기 때문입니다. 내비게이션 엔진이 미터 단위의 움직임을 위도/경도 좌표의 움직임으로 올바르게 확장할 수 있는지 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 칼만 필터가 적어도 한 세트의 측정값을 부정확한 것으로 거부하기 시작하여 플랫폼에 장애를 일으킵니다. 또한 극에 가까워질수록 좌표 그리드가 작아지므로 위도/경도 좌표를 변경하기 위해 많은 미터를 이동하지 않아도 된다는 점을 기억해야 합니다. 자율주행차가 테스트 트랙이 아닌 다른 곳에서 제대로 작동하려면 이 점이 매우 중요합니다. 그리고 각 데이텀의 그리드가 약간 다르게 정렬되어 있기 때문에 사용하는 데이텀에 따라 이동이 변경되는 양이 달라집니다.

OxTS 접근 방식

저희는 가능한 한 번거로움을 최소화하면서 데이텀 문제를 처리할 수 있도록 INS 장치를 제작했습니다. 모든 OxTS 관성 내비게이션 시스템은 다음 데이텀을 사용하여 실시간으로 위치 데이터를 출력할 수 있습니다:

  • WGS84
  • ITRF2008
  • ETRS89
  • NAD83

작업 시 다른 데이텀을 사용해야 하는 경우, 후처리 소프트웨어인 OxTS Georeferencer를 사용하면 이러한 데이텀의 데이터에서 전 세계적으로 사용되는 주요 데이텀으로 변환할 수 있습니다.

질문이 있으신가요?

이 글을 통해 지구의 모양이 자율 플랫폼을 구축하는 방식에 어떤 영향을 미치는지에 대한 아이디어를 얻으셨기를 바랍니다. 물론 이 글은 시작에 불과하며, 더 자세한 내용을 알고 싶으시다면 하단에 링크된 참고 문서와 다른 주제를 확인하실 수 있습니다. 물론 자동화 프로젝트에 대한 구체적인 질문이 있으시면 여기를 클릭하여 문의해 주세요.

참조된 작품:

세계 측지계 - 위키백과

더 자세히 설명하는 데이텀 | 정부 간 측량 및 매핑 위원회(icsm.gov.au)

WGS84란? | 가상 측량기 : 지원 포털(virtual-surveyor.com)

측지 측량 | GSI 홈 페이지

좌표계: 차이점은 무엇일까요? (esri.com)

영국용 OSGM15 지오이드 | 블로그 | 병기 측량

데이텀 | 측량 및 매핑에 관한 정부 간 위원회(icsm.gov.au)

fws.gov/r7/nwr/Realty/data/LandMappers/Public/Help/HTML/R7-Public-Land-Mapper-Help.html?Datumsprojectionsandcoordinatesy.html

지구 중심, 지구 고정 좌표계 - Wikipedia

정상으로 돌아가기

위로 가기

,