표적 추적 시스템에서 지연된 측정치에 의한 동적 필터 성능 개선에 관한 연구

Abstract

일반적으로 표적 추적 시스템을 구성하는 다양한 센서들은 표적을 관찰하거나 탐지하기 용이한 위치에 설치되어 운용되는데 여러 형태의 표적 신호들이 잡음과 함께 센서들의 측정치로서 획득된다. 추적 시스템에서 표적을 추적할 때 이러한 측정치들을 이용하게 되는데, 특히 다중 센서 환경일 경우에는 각 센서들로부터 얻어진 측정치들이 융합처리장치(fusion center) 또는 중앙처리장치(central processor)로 전송되어 융합 또는 혼합 처리된다. 이러한 측정치들이 융합처리장치로 전송될 때 각 센서들의 특성과 운용환경에 따라서 모든 센서들의 측정치들이 동일한 시간에 규칙적으로 샘플링 되어 전송되거나 각 센서들의 샘플링 시간이 서로 달라서 측정치들이 불규칙적으로 샘플링 되어 전송될 수 있는데, 일반적으로 전자를 동기화된 센서 환경(synchronous case)으로 후자를 비동기 센서 환경(asynchronous case)으로 구분한다. 주로 학문적 이론을 세우기 위하여 제시되는 동기화된 센서환경에서는 각 센서들로부터 하나의 측정치만 융합처리장치로 전송되므로 동일한 시간에 측정된 다양한 정보들이 융합처리장치에서 상태변수 쇄신(updating)에 활용된다. 따라서 융합처리장치에서 주어진 시간에 하나의 측정치만 사용하여 추적 시스템의 상태를 쇄신하는 순차적 방법(sequential updating)과 각 센서로부터 획득된 다양한 정보를 모두 모아서 일괄적으로 쇄신하는 병렬적 방법(parallel updating)이 모두 가능하다. 반면 실제 환경에서 운용되는 비 동기화된 센서환경에서는 각 센서들의 샘플링 시간이 일치하지 않기 때문에 융합처리장치에서의 시스템 상태 쇄신은 측정치가 융합처리장치로 전송된 순서대로 이루어져야 한다. 이때 센서들과 융합처리장치사이의 전송지연, 각 센서들의 특성으로 기인한 서로 다른 전처리 과정, 각 센서들의 자료 전송 속도 차이 등으로 인하여 센서들의 측정치들은 시간적인 측면에서 융합처리장치에 차례대로 입력되는 것이 아니라 순서가 서로 뒤바뀐 채로 입력될 수 있다. 이러한 상황을 비순차(out of sequence) 환경으로 정의하며 비순차로 입력되는 측정치를 지연된 측정치(delayed measurement) 또는 비순차 측정치(out of sequence measurement, OOSM)라고 한다. 융합처리장치는 각 센서들로부터 전송되는 측정치를 이용하여 표적의 트랙에 대한 상태 추정치와 추정치에 대한 오차 공분산을 쇄신하는데 이러한 쇄신 과정을 마친 후 다른 센서로부터 현재보다 앞선 시각에 측정된 정보가 도착할 경우 즉 지연된 측정치가 융합처리장치에 입력될 경우, 현재 시점에서 이러한 비순차 측정치를 동적 필터링 과정에 적용하여 필터의 표적 추적 성능을 향상시킬 수 있는 알고리듬을 연구한 것이 본 논문의 요지이다. 만일 표적이 클러터 환경에서 움직인다면 표적정보와 함께 클러터 정보까지 융합처리장치로 전송될 것이므로 클러터 환경에서 표적을 찾아내는 자료결합과정이 선행되어야 한다. 비순차 측정치가 융합처리장치로 전송되었다면 현재의 상태추정치와 추정오차 공분산은 이미 앞선 측정치를 사용하지 않고 생성된 것이기 때문에 정상적인 경우보다 추적오차가 증가된 상태인 것으로 판단된다. 따라서 필터의 추적오차를 줄여주기 위해서는 이 측정치를 사용하여 현재의 상태추정치와 추정오차 공분산을 보정하는 과정이 필요할 것이다. 본 논문은 클러터가 존재하는 환경에서 표적이 기동하는 경우와 기동하지 않는 경우로 구분하여 융합처리장치에서 발생된 다양한 형태의 비순차 측정치를 NN(Nearest Neighbor), PDA(Probabilistic Data Association), PDA-AI (Probabilistic Data Association-Amplitude Information), 그리고 MPDA(Most Probable Data Association) 에 의한 필터에 적용하여 표적추적성능을 분석하였고, 클러터 환경에서 표적이 고기동할 때 필터의 추적성능을 향상시키는 IMM(Interacting Multiple Model)에 대해서도 멀티 래그 OOSM 환경을 적용하여 고기동 표적에 대한 필터추적성능을 비교하고 분석함으로써 비순차 측정치를 활용하여 필터의 표적추적성능을 충분히 향상시킬 수 있음을 보였다. 본 논문에서 필터의 표적추적성능을 비교하고 분석하기 위한 척도로서 추정된 위치에 대한 제곱평균근오차(Root Mean Square Error, RMSE)를 사용하였다. 사용된 모든 자료결합 필터는 비순차 측정치를 사용하지 않은 경우보다 사용한 경우에 표적 위치에 대한 RMSE가 작게 나타나므로 표적추적성능이 향상됨을 보였다. 그리고 비순차 측정치 상황에서도 유효측정치에 대한 위치정보와 세기정보를 모두 이용하는 MPDA 알고리듬이 PDA-AI 알고리듬의 성능과 유사함을 알 수 있었으며, 위치정보만 이용하는 NN과 PDA계열의 필터 성능보다 우수함을 보였다. 한편 배치 알고리듬인 PMHT(Probabilistic Multiple Hypothesis Tracker)를 수행함에 있어서 칼만 스무더의 종류에 따른 PMHT 필터의 성능을 확인하고, 비순차 측정치를 활용하여 PMHT 필터의 표적추적성능을 향상시킬 수 있는 측정치 재배열에 의한 방법을 연구하여 그 결과를 기술하였다. 클러터가 존재하는 환경에서 직선 등속 운동을 하는 단일 표적을 PMHT 필터를 이용하여 추적한 결과 fixed interval 칼만 스무더에 의한 추적 결과가 fixed point나 fixed lag 칼만 스무더에 의한 결과보다 위치 오차가 더 작게 나타남을 알 수 있었고, 개발된 알고리듬을 적용하여 클러터와 지연된 측정치가 발생한 환경에서 PMHT 필터를 수행할 때 지연된 측정치를 무시하는 것 보다 지연된 측정치를 사용하는 것이 PMHT 필터의 추적 성능을 더 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 연구결과로부터 추적 시스템에서 발생된 비순차 측정치 즉 지연된 측정치의 유용성을 확인할 수 있었으므로 다양한 센서가 운용되는 실제 환경에서 는 자료결합 필터가 표적을 추적할 때 비순차 측정치를 고려하여 필터를 쇄신하는 알고리듬 적용이 필요함을 알 수 있었고, 향후 네트워크 기반의 다중 추적 시스템을 구현할 경우 중앙처리장치 또는 융합처리장치에서 실시간으로 지연된 측정치를 고려하는 자료결합필터를 설계하여 운용함으로써 한 단계 진보된 추적 시스템 환경을 구현할 수 있을 것으로 판단된다.