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KR102478451B1 - Computing apparatus and state estimation method for system using the same - Google Patents

Computing apparatus and state estimation method for system using the same Download PDF

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KR102478451B1
KR102478451B1 KR1020210057936A KR20210057936A KR102478451B1 KR 102478451 B1 KR102478451 B1 KR 102478451B1 KR 1020210057936 A KR1020210057936 A KR 1020210057936A KR 20210057936 A KR20210057936 A KR 20210057936A KR 102478451 B1 KR102478451 B1 KR 102478451B1
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유명주
장동의
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국방과학연구소
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Abstract

시스템의 상태 추정 방법이 개시된다. 상태 추정 방법은, 시스템의 상태가 정의된 다양체(manifold)를 확인하는 단계; 상기 다양체에 적합한 안정 임베딩 함수를 결정하는 단계; 상기 시스템에 잡음(noise) 모델을 부가하는 단계; 상기 잡음 모델이 부가된 시스템을 이산화하여 확률적 이산 시스템(stochastic discrete-time system)을 생성하는 단계; 및 상기 확률적 이산 시스템에 유클리드 공간에서 정의된 무향 칼만 필터(unscented kalman filter)를 적용하여 상기 시스템의 상태를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.A method for estimating the state of a system is disclosed. The state estimation method includes identifying a manifold in which a state of a system is defined; determining a stable embedding function suitable for the manifold; adding a noise model to the system; generating a stochastic discrete-time system by discretizing the system to which the noise model is added; and estimating a state of the system by applying an unscented Kalman filter defined in Euclidean space to the stochastic discrete system.

Figure 112021052022345-pat00138
Figure 112021052022345-pat00138

Description

연산 장치 및 이를 이용한 시스템의 상태 추정 방법{COMPUTING APPARATUS AND STATE ESTIMATION METHOD FOR SYSTEM USING THE SAME}Computing device and state estimation method of a system using the same {COMPUTING APPARATUS AND STATE ESTIMATION METHOD FOR SYSTEM USING THE SAME}

본 명세서의 실시 예는 안정 임베딩을 이용하는 무향 칼만 필터에 기초하여 유클리드 공간 내의 다양체 위에 정의된 시스템의 상태를 추정하는 기술에 관한 것이다.An embodiment of the present specification relates to a technique for estimating the state of a system defined on a manifold in Euclidean space based on an unscented Kalman filter using stable embedding.

필터링을 이용한 상태 추정은 로봇 제어, 드론 제어와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 여기서, 상태란 시스템의 위치, 속도, 회전 및 온도와 같은 시스템의 상태를 나타내는 변수일 수 있다. 칼만 필터 중에서 무향 칼만 필터(Unscented Kalman filter)는 비선형 시스템의 상태 추정 값을 비교적 정확하게 추정할 수 있어 관련 기술 분야에서 사용되고 있다. State estimation using filtering can be applied to various fields such as robot control and drone control. Here, the state may be a variable representing the state of the system, such as position, speed, rotation, and temperature of the system. Among the Kalman filters, an unscented Kalman filter can relatively accurately estimate a state estimation value of a nonlinear system, and is thus used in the related art field.

최근에는 대상 시스템이 유클리드 공간 내의 다양체 위에서 정의된 경우, 1) 무향 칼만 필터로 상태 추정을 한 최종값을 다양체로 사영(projection)하는 방법 2) 다양체가 리 군(Lee group)d일 경우 리 대수(Lie algebra)에 시그마 포인트를 정의하고 리 군과 리 대수 사이의 좌표 변화을 이용하는 방법 3) 리만 다양체(Riemannian manifold)일 경우 접평면(tangent plane)에 시그마 포인트를 정의하고 리만 다양체와 접평면 사이의 좌표 변환을 이용하는 방법 등이 상태 추정에 이용될 수 있었다. 다만, 이와 같은 기술은 상태 추정의 오차가 상대적으로 크거나 또는 상대적으로 오랜 계산 시간을 필요로 하는 문제가 있었다. Recently, when the target system is defined on a manifold in Euclidean space, 1) a method of projecting the final value obtained by state estimation using an unscented Kalman filter onto a manifold 2) Lee algebra when the manifold is a Lee group 3) In the case of a Riemannian manifold, define a sigma point on the tangent plane and transform the coordinates between the Riemannian manifold and the tangent plane A method using , etc. could be used for state estimation. However, such a technique has a problem in that the error of state estimation is relatively large or a relatively long calculation time is required.

이에, 다양체에서 정의된 시스템의 상태 추정의 계산 시간 및 추정 값의 오차를 개선할 수 있는 기술이 필요하다.Accordingly, there is a need for a technique capable of improving the calculation time of the state estimation of the system defined in the manifold and the error of the estimated value.

본 명세서의 실시 예는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 안정 임베딩을 이용하는 무향 칼만 필터에 기초하여 유클리드 공간 내의 다양체 위에 정의된 시스템의 상태를 추정하는 기술에 관한 것이다. 본 실시 예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시 예 들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.Embodiments of the present specification are proposed to solve the above problems, and relate to a technique for estimating a state of a system defined on a manifold in Euclidean space based on an unscented Kalman filter using stable embedding. The technical problem to be achieved by the present embodiment is not limited to the technical problems described above, and other technical problems may be inferred from the following embodiments.

상술한 과제를 달성하기 위하여, 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 시스템의 상태 추정 방법은, 시스템의 상태가 정의된 다양체(manifold)를 확인하는 단계; 상기 다양체에 적합한 안정 임베딩 함수를 결정하는 단계; 상기 시스템에 잡음(noise) 모델을 부가하는 단계; 상기 잡음 모델이 부가된 시스템을 이산화하여 확률적 이산 시스템(stochastic discrete-time system)을 생성하는 단계; 및 상기 확률적 이산 시스템에 유클리드 공간에서 정의된 무향 칼만 필터(unscented kalman filter)를 적용하여 상기 시스템의 상태를 추정하는 단계를 포함할 수 있다. In order to achieve the above object, a method for estimating a state of a system according to an embodiment of the present specification includes identifying a manifold in which a state of a system is defined; determining a stable embedding function suitable for the manifold; adding a noise model to the system; generating a stochastic discrete-time system by discretizing the system to which the noise model is added; and estimating a state of the system by applying an unscented Kalman filter defined in Euclidean space to the stochastic discrete system.

실시 예에 따르면, 상기 다양체(manifold)를 확인하는 단계는, 상기 시스템을 유클리드 공간으로 확장하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the step of identifying the manifold may include extending the system into Euclidean space.

실시 예에 따르면, 상기 안정 임베딩 함수는, 상기 유클리드 공간으로 확장된 상기 시스템과 유클리드 내적을 통해 상기 다양체에서 최소값을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다. According to an embodiment, the stable embedding function may have a minimum value in the manifold through a Euclidean dot product with the system extended to the Euclidean space.

실시 예에 따르면, 상기 안정 임베딩 함수를 결정하는 단계는, 상기 확장된 시스템에 상기 결정된 안정 임베딩 함수를 부가하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the determining of the stable embedding function may include adding the determined stable embedding function to the expanded system.

실시 예에 따르면, 상기 잡음 모델을 부가하는 단계는, 상기 안정 임베딩 함수가 부가된 상기 확장된 시스템에 상기 잡음 모델을 부가하여 확률적 연속 시스템(stochastic continuous-time system)을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the adding of the noise model may include generating a stochastic continuous-time system by adding the noise model to the expanded system to which the stable embedding function is added. can

실시 예에 따르면, 상기 확률적 이산 시스템을 생성하는 단계는, 오일러 이산화(Euler discretization)에 기초하여 상기 확률적 연속 시스템을 이산화하여 상기 확률적 이산 시스템을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment, generating the stochastic discrete system may include generating the stochastic discrete system by discretizing the stochastic continuous system based on Euler discretization.

실시 예에 따르면, 상기 유클리드 공간에서 정의된 상기 무향 칼만 필터는, 기 설정된 방법을 이용하여 시그마 포인트(sigma point)를 생성하고, 시간 업데이트(time update) 및 측정 업데이트(measurement update)를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to an embodiment, the unscented Kalman filter defined in the Euclidean space generates a sigma point using a preset method and repeatedly performs time update and measurement update. It can be characterized as doing.

실시 예에 따르면, 상기 시스템의 상태를 추정하는 단계는, 상기 무향 칼만 필터를 반복 적용함으로써 상기 시스템의 상태를 반복 추정하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the step of estimating the state of the system may include iteratively estimating the state of the system by repeatedly applying the unscented Kalman filter.

상술한 과제를 달성하기 위하여, 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는, 컴퓨터 판독 가능 명령어들을 저장하도록 구성되는 매체를 포함하고, 상기 컴퓨터 판독 가능 명령어들은 프로세서에 의해 실행되는 경우 상기 프로세서가: 시스템의 상태가 정의된 다양체(manifold)를 확인하는 단계; 상기 다양체에 적합한 안정 임베딩 함수를 결정하는 단계; 상기 시스템에 잡음(noise) 모델을 부가하는 단계; 상기 잡음 모델이 부가된 시스템을 이산화하여 확률적 이산 시스템(stochastic discrete-time system)을 생성하는 단계; 및 상기 확률적 이산 시스템에 유클리드 공간에서 정의된 무향 칼만 필터(unscented kalman filter)를 적용하여 상기 시스템의 상태를 추정하는 단계를 포함하는 시스템의 상태 추정 방법을 수행할 수 있다. In order to achieve the above object, a non-transitory computer-readable storage medium according to an embodiment of the present specification includes a medium configured to store computer-readable instructions, and the computer-readable instructions are executed by a processor. In this case, the processor: identifying a manifold in which the state of the system is defined; determining a stable embedding function suitable for the manifold; adding a noise model to the system; generating a stochastic discrete-time system by discretizing the system to which the noise model is added; and estimating the state of the system by applying an unscented Kalman filter defined in Euclidean space to the stochastic discrete system.

상술한 과제를 달성하기 위하여, 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 시스템의 상태를 추정하는 연산 장치는, 적어도 하나의 명령어(instruction)를 저장하는 메모리; 및 시스템의 상태가 정의된 다양체(manifold)를 확인하고, 상기 다양체에 적합한 안정 임베딩 함수를 결정하고, 상기 시스템에 잡음(noise) 모델을 부가하고, 상기 잡음 모델이 부가된 시스템을 이산화하여 확률적 이산 시스템(stochastic discrete-time system)을 생성하고, 상기 확률적 이산 시스템에 유클리드 공간에서 정의된 무향 칼만 필터(unscented kalman filter)를 적용하여 상기 시스템의 상태를 추정하는 프로세서(processor)를 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, an arithmetic device for estimating a state of a system according to an embodiment of the present specification includes a memory for storing at least one instruction; and identifying a manifold in which the state of the system is defined, determining a stable embedding function suitable for the manifold, adding a noise model to the system, and discretizing the system to which the noise model is added to obtain a stochastic It may include a processor that generates a stochastic discrete-time system and estimates a state of the system by applying an unscented Kalman filter defined in Euclidean space to the stochastic discrete-time system. there is.

기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.

본 명세서의 실시 예에 따르면 아래와 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다. According to an embodiment of the present specification, one or more of the following effects are provided.

첫째, 유클리드 공간으로 확장된 시스템의 상태가 정의된 다양체를 확인하고 이에 적합한 안정 임베딩 함수를 결정하고 잡음 보델을 부가함으로써 생성된 확률적 연속 시스템을 이산화한 후 유클리드 공간에서 정의된 무향 칼만 필터를 적용할 경우, 일반적인 무향 칼만 필터와 비교하여 시스템의 상태를 상대적으로 정확하게 추정할 수 있다. First, a manifold defined by the state of the extended system in Euclidean space is identified, an appropriate stable embedding function is determined, and a stochastic continuous system generated by adding a noise model is discretized, and an unscented Kalman filter defined in Euclidean space is applied. In this case, the state of the system can be estimated relatively accurately compared to a general unscented Kalman filter.

둘째, 본 명세서에 따르는 안정 임베딩을 이용하는 무향 칼만 필터를 적용하여 다양체에서 정의된 시스템의 상태를 추정할 경우에도 계산 시간이 개선되는 효과가 있다. Second, even when the state of the system defined in the manifold is estimated by applying the unscented Kalman filter using the stable embedding according to the present specification, the calculation time is improved.

실시 예의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the embodiments are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 일 실시 예에 따른 시스템의 상태를 추정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 시스템에서 다양체 M의 점근적 안정성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 연산 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 안정 임베딩 함수를 이용한 무향 칼만 필터(UKF-SE)를 다른 다양체 전용으로 개발된 무향 칼만 필터와 비교하여 시간에 따른 추정값 오차의 평균에 대한 그래프를 나타내는 도면이다.
1 is a diagram illustrating a method of estimating a state of a system according to an exemplary embodiment.
2 is a diagram for explaining the asymptotic stability of a manifold M in a system according to an exemplary embodiment.
3 is a diagram illustrating an arithmetic device according to an exemplary embodiment.
4 is a diagram showing a graph of the average of estimation error over time by comparing an unscented Kalman filter (UKF-SE) using a stable embedding function according to an embodiment with an unscented Kalman filter developed exclusively for other manifolds.

실시 예들에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the embodiments have been selected as general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions in the present disclosure, but they may vary depending on the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technologies, and the like. In addition, in a specific case, there are also terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the corresponding description. Therefore, terms used in the present disclosure should be defined based on the meaning of the term and the general content of the present disclosure, not simply the name of the term.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “~부”, “~모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In the entire specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components, not excluding other components unless otherwise stated. In addition, terms such as “~unit” and “~module” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software.

명세서 전체에서 기재된 “a, b, 및 c 중 적어도 하나”의 표현은, ‘a 단독’, ‘b 단독’, ‘c 단독’, ‘a 및 b’, ‘a 및 c’, ‘b 및 c’, 또는 ‘a,b,c 모두’를 포괄할 수 있다.The expression of “at least one of a, b, and c” described throughout the specification means 'a alone', 'b alone', 'c alone', 'a and b', 'a and c', 'b and c' ', or 'all of a, b, and c'.

이하에서 언급되는 "단말"은 네트워크를 통해 학습 장치나 타 단말에 접속할 수 있는 컴퓨터나 휴대용 단말로 구현될 수 있다. 여기서, 컴퓨터는 예를 들어, 웹 브라우저(WEB Browser)가 탑재된 노트북, 데스크톱(desktop), 랩톱(laptop) 등을 포함하고, 휴대용 단말은 예를 들어, 휴대성과 이동성이 보장되는 무선 통신 장치로서, IMT(International Mobile Telecommunication), CDMA(Code Division Multiple Access), W-CDMA(W-Code Division Multiple Access), LTE(Long Term Evolution) 등의 통신 기반 단말, 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치를 포함할 수 있다.A “terminal” referred to below may be implemented as a computer or portable terminal capable of accessing a learning device or other terminals through a network. Here, the computer includes, for example, a laptop, desktop, laptop, etc. equipped with a web browser, and the portable terminal is, for example, a wireless communication device that ensures portability and mobility. , IMT (International Mobile Telecommunication), CDMA (Code Division Multiple Access), W-CDMA (W-Code Division Multiple Access), LTE (Long Term Evolution), etc. It may include a handheld-based wireless communication device.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present disclosure will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present disclosure. However, the present disclosure may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

이하에서는 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일 실시 예에 따른 시스템의 상태를 추정하는 방법을 나타내는 도면이다. 1 is a diagram illustrating a method of estimating a state of a system according to an exemplary embodiment.

도 1을 참조하면, 단계 S110에서 연산 장치는 시스템의 상태가 정의된 다양체(manifold)를 확인할 수 있다. 다음의 수학식 1은 다양체에서 정의된 비선형 연속시간 시스템의 일반적인 상태 방정식을 나타낸다.Referring to FIG. 1 , in step S110, the computing device may check a manifold in which a system state is defined. Equation 1 below represents a general equation of state of a nonlinear continuous-time system defined in a manifold.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021052022345-pat00001
Figure 112021052022345-pat00001

여기서, M은 유클리드 공간

Figure 112021052022345-pat00002
에서 정의된
Figure 112021052022345-pat00003
차원의 다양체로서, 다양체에 시스템의 상태가 정의되어 있으므로 다양체의 종류가 확인될 필요가 있다. 또한,
Figure 112021052022345-pat00004
은 상태 미분 방정식,
Figure 112021052022345-pat00005
은 다양체 M의 접선 번들(tangent bundle), x는 시스템의 상태,
Figure 112021052022345-pat00006
는 시스템의 입력,
Figure 112021052022345-pat00007
는 센서 측정 방정식,
Figure 112021052022345-pat00008
는 센서 측정값을 나타낼 수 있다. 여기서, 다양체 관련하여 관련 기술 분야에서 통상의 기술자에게 자명한 내용이 적용될 수 있다. Here, M is a Euclidean space
Figure 112021052022345-pat00002
defined in
Figure 112021052022345-pat00003
As a dimensional manifold, since the state of the system is defined in the manifold, the type of the manifold needs to be identified. Also,
Figure 112021052022345-pat00004
silver state differential equation,
Figure 112021052022345-pat00005
is the tangent bundle of manifold M, x is the state of the system,
Figure 112021052022345-pat00006
is the input of the system,
Figure 112021052022345-pat00007
is the sensor measurement equation,
Figure 112021052022345-pat00008
may represent a sensor measurement value. Here, the contents obvious to those skilled in the art in relation to the manifold can be applied.

단계 S120에서, 연산 장치는 시스템을 유클리드 공간으로 확장할 수 있다. 구체적으로 수학식 1의 시스템을 다양체 M에서 유클리드 공간

Figure 112021052022345-pat00009
로 확장하면 다음의 수학식 2와 같을 수 있다. 이때, 다음의 수학식 3과 같은 조건이 성립할 수 있다. In step S120, the computing device may extend the system into Euclidean space. Specifically, the system of Equation 1 in the Euclidean space in the manifold M
Figure 112021052022345-pat00009
Expanding to Equation 2 may be as follows. At this time, a condition such as Equation 3 below may be satisfied.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021052022345-pat00010
Figure 112021052022345-pat00010

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112021052022345-pat00011
Figure 112021052022345-pat00011

이때, 수학식 2 및 수학식 3에서

Figure 112021052022345-pat00012
이고,
Figure 112021052022345-pat00013
일 수 있다. 수학식 3의 조건은 수학식 2의 확장 시스템이 수학식 1의 원래 시스템과
Figure 112021052022345-pat00014
일 때 같다는 것을 나타낼 수 있다. 따라서, 다양체 M은 수학식 2의 확장 시스템의 불변 집합(invariant set)일 수 있다. At this time, in Equation 2 and Equation 3
Figure 112021052022345-pat00012
ego,
Figure 112021052022345-pat00013
can be The condition of Equation 3 is that the extended system of Equation 2 is equal to the original system of Equation 1.
Figure 112021052022345-pat00014
can be shown to be the same when Thus, the manifold M may be an invariant set of the extension system of equation (2).

단계 S130에서, 연산 장치는 다양체에 적합한 안정 임베딩(stable embedding) 함수를 결정할 수 있다. 여기서, 안정 임베딩 함수 V를 찾는 조건은 다음의 수학식 4와 같다. In step S130, the computing device may determine a stable embedding function suitable for the manifold. Here, the condition for finding the stable embedding function V is as shown in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112021052022345-pat00015
Figure 112021052022345-pat00015

여기서,

Figure 112021052022345-pat00016
는 유클리드 내적을 나타내는 기호이고, 수학식 4를 만족하는 함수가 안정 임베딩 함수로 결정될 수 있다. here,
Figure 112021052022345-pat00016
is a symbol representing the Euclidean dot product, and a function satisfying Equation 4 can be determined as a stable embedding function.

단계 S140에서, 연산 장치는 확장 시스템에 안정 임베딩 함수를 추가할 수 있다. 구체적으로, 수학식 3의 확장 시스템에 안정 임베딩 함수 V의 그래디언트(gradient)에 상수를 곱한

Figure 112021052022345-pat00017
를 부가하여 다음의 수학식 5와 같은 변형된 시스템을 생성할 수 있다. In step S140, the computing device may add a stable embedding function to the expansion system. Specifically, in the expansion system of Equation 3, the gradient of the stable embedding function V multiplied by a constant
Figure 112021052022345-pat00017
It is possible to create a modified system such as Equation 5 below by adding.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112021052022345-pat00018
Figure 112021052022345-pat00018

여기서,

Figure 112021052022345-pat00019
은 상수로서 안정 임베딩 상수를 나타낼 수 있다. 안정 임베딩 함수 V가 수학식 5에서 정의된 바와 같이, 다양체 M에서 최소값 0을 가지므로
Figure 112021052022345-pat00020
이 성립할 수 있다. 따라서, 수힉식 5의 변형된 시스템은 수학식 1의 원래 시스템과
Figure 112021052022345-pat00021
일 때 같으며 다양체 M은 수학식 5의 불변 집합일 수 있다.
Figure 112021052022345-pat00022
는 V가 감소하는 방향을 가리키며, 다양체 M은 수학식 5의 시스템에서 점근적 안정성(asymptotic stability)을 가질 수 있다. 점근적 안정성은 다양체 M의 근방(neighborhood)의 점에서 출발한 시스템의 모든 흐름이 다양체 M으로 수렴한다는 것을 나타낼 수 있다. 시스템에서 다양체 M의 점근적 안정성에 대한 이해를 위해 도 2를 참조한다. here,
Figure 112021052022345-pat00019
As a constant, may represent a stable embedding constant. Since the stable embedding function V has a minimum value of 0 in the manifold M, as defined in Equation 5,
Figure 112021052022345-pat00020
this can be achieved Therefore, the modified system of Equation 5 is different from the original system of Equation 1.
Figure 112021052022345-pat00021
, and the manifold M may be an invariant set of Equation 5.
Figure 112021052022345-pat00022
indicates the direction in which V decreases, and the manifold M can have asymptotic stability in the system of Equation 5. Asymptotic stability can indicate that all flows in a system starting from a point in the neighborhood of a manifold M converge to a manifold M. See Figure 2 for an understanding of the asymptotic stability of manifold M in the system.

단계 S150에서, 연산 장치는 시스템에 잡음 모델을 추가할 수 있다. 칼만 필터를 적용하려면 잡음 모델(noise)이 필요하므로 수학식 5의 변형된 시스템에 잡음을 부가하여 다음의 수학식 6과 같은 확률적 연속시간 시스템(stochastic continuous time system)을 생성할 수 있다. In step S150, the computing device may add a noise model to the system. Since a noise model is required to apply the Kalman filter, a stochastic continuous time system as shown in Equation 6 below can be generated by adding noise to the modified system of Equation 5.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112021052022345-pat00023
Figure 112021052022345-pat00023

여기서,

Figure 112021052022345-pat00024
는 상태 x의 초기 조건을 나타내고,
Figure 112021052022345-pat00025
는 프로세스 잡음(process noise)을 나타내고,
Figure 112021052022345-pat00026
는 측정 잡음을 나타낼 수 있다.
Figure 112021052022345-pat00027
는 평균이
Figure 112021052022345-pat00028
이고 공분산 행렬이
Figure 112021052022345-pat00029
인 가우시안 확률 분포를 나타낼 수 있다. 프로세스 잡음 공분산 행렬
Figure 112021052022345-pat00030
는 적절한 값으로 결정될 수 있고, 측정 잡음 공분산 행렬
Figure 112021052022345-pat00031
는 센서 명세서로부터 적절한 값으로 결정될 수 있다. here,
Figure 112021052022345-pat00024
denotes the initial condition of state x,
Figure 112021052022345-pat00025
represents the process noise,
Figure 112021052022345-pat00026
may represent measurement noise.
Figure 112021052022345-pat00027
is the average
Figure 112021052022345-pat00028
and the covariance matrix is
Figure 112021052022345-pat00029
can represent a Gaussian probability distribution. Process noise covariance matrix
Figure 112021052022345-pat00030
can be determined as an appropriate value, and the measurement noise covariance matrix
Figure 112021052022345-pat00031
may be determined as an appropriate value from the sensor specification.

단계 S160에서, 연산 장치는 확률적 이산 시스템(stochastic discrete-time system)을 생성할 수 있다. 구체적으로, 무향 칼만 필터를 적용하기 위해서 수학식 6의 시스템을 시간 단계

Figure 112021052022345-pat00032
을 가지는 오일러 이산화(Euler discretization)로 이산화하여 다음의 수학식 7의 확률적 이산 시스템을 생성할 수 있다. In step S160, the computing device may generate a stochastic discrete-time system. Specifically, in order to apply the unscented Kalman filter, the system of Equation 6 is time-stepped.
Figure 112021052022345-pat00032
A stochastic discrete system of Equation 7 can be generated by discretizing with Euler discretization having .

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112021052022345-pat00033
Figure 112021052022345-pat00033

여기서,

Figure 112021052022345-pat00034
이고,
Figure 112021052022345-pat00035
일 수 있다. here,
Figure 112021052022345-pat00034
ego,
Figure 112021052022345-pat00035
can be

또한, 확률적 성질은 다음과 같다:

Figure 112021052022345-pat00036
이며,
Figure 112021052022345-pat00037
이고,
Figure 112021052022345-pat00038
이며,
Figure 112021052022345-pat00039
이다. 오일러 이산회 이외에도 1차, 2차, 3차를 포함하여 다양한 이산화 방법을 적용하여 이산화할 수 있다. Also, the stochastic properties are:
Figure 112021052022345-pat00036
is,
Figure 112021052022345-pat00037
ego,
Figure 112021052022345-pat00038
is,
Figure 112021052022345-pat00039
to be. In addition to Euler discretization, it can be discretized by applying various discretization methods including first order, second order, and third order.

단계 S170에서, 연산 장치는 무향 칼만 필터를 적용하여 시스템의 상태를 추정할 수 있다. 또한, 단계 S180에서 연산 장치는 무향 칼만 필터를 이용하여 시스템의 상태를 반복 추정할 수 있다. In step S170, the computing device may estimate the state of the system by applying an unscented Kalman filter. Also, in step S180, the arithmetic device may iteratively estimate the state of the system using an unscented Kalman filter.

구체적으로, 수학식 7의 확률적 이산 시스템에 유클리드 공간에서 정의된 무향 칼만 필터를 적용하여 상태 추정 값을 되풀이하여 획득할 수 있다. 이때 안정 임베딩의 효과로 인해 보다 더 정확한 상태 추정 값을 획득할 수 있다. 수학식 7에는 유클리드 공간에서 정의된 어떠한 무향 칼만 필터도 적용 가능하며, 유클리드 공간에서 정의된 일반적인 무향 칼만 필터의 핵심 과정은 하기와 같다. 일반적인 확률적 이산 시스템은 다음의 수학식 8과 같다.Specifically, the state estimation value may be repeatedly obtained by applying an unscented Kalman filter defined in Euclidean space to the stochastic discrete system of Equation 7. At this time, a more accurate state estimation value can be obtained due to the effect of stable embedding. Any unscented Kalman filter defined in Euclidean space can be applied to Equation 7, and the core process of a general unscented Kalman filter defined in Euclidean space is as follows. A general stochastic discrete system is shown in Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112021052022345-pat00040
Figure 112021052022345-pat00040

여기서,

Figure 112021052022345-pat00041
이고,
Figure 112021052022345-pat00042
는 상태,
Figure 112021052022345-pat00043
는 입력,
Figure 112021052022345-pat00044
는 센서 측정 값,
Figure 112021052022345-pat00045
는 프로세스 잡음,
Figure 112021052022345-pat00046
는 측정 잡음,
Figure 112021052022345-pat00047
이다. 상태 추정 값을
Figure 112021052022345-pat00048
으로 초기화하고 추정값 오차 공분산 행렬을
Figure 112021052022345-pat00049
으로 초기화할 수 있다. 그리고 증강 상태(augmented state)는 다음의 수학식 9와 같을 수 있다. here,
Figure 112021052022345-pat00041
ego,
Figure 112021052022345-pat00042
state,
Figure 112021052022345-pat00043
is the input,
Figure 112021052022345-pat00044
is the sensor measurement value,
Figure 112021052022345-pat00045
is the process noise,
Figure 112021052022345-pat00046
is the measurement noise,
Figure 112021052022345-pat00047
to be. state estimate
Figure 112021052022345-pat00048
and initialize the estimate error covariance matrix to
Figure 112021052022345-pat00049
can be initialized with And the augmented state may be as shown in Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112021052022345-pat00050
Figure 112021052022345-pat00050

여기서,

Figure 112021052022345-pat00051
이다. 증강 상태 추정 값은
Figure 112021052022345-pat00052
로 주어질 수 있고, 증강 추정 값 오차 공분산은
Figure 112021052022345-pat00053
일 수 있다. 무향 칼만 필터는 시그마 포인트(sigma point)를 생성하고, 시간 업데이트(time update)를 하고, 측정 업데이트(measurement update)를 하는 것을 각
Figure 112021052022345-pat00054
마다 반복 수행할 수 있다. 시그마 포인트
Figure 112021052022345-pat00055
와 가중치
Figure 112021052022345-pat00056
를 생성하는 과정은 다음의 수학식 10과 같다. here,
Figure 112021052022345-pat00051
to be. The augmented state estimate is
Figure 112021052022345-pat00052
, and the augmented estimate error covariance is
Figure 112021052022345-pat00053
can be Unscented Kalman filters generate sigma points, do time updates, and do measurement updates.
Figure 112021052022345-pat00054
It can be repeated every time. sigma point
Figure 112021052022345-pat00055
and weights
Figure 112021052022345-pat00056
The process of generating is as shown in Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112021052022345-pat00057
Figure 112021052022345-pat00057

여기서,

Figure 112021052022345-pat00058
는 행렬의 i번째 열이고,
Figure 112021052022345-pat00059
이다. 자주 사용되는 상수는
Figure 112021052022345-pat00060
이다. 수학식 10에서 시그마 포인트와 가중치 생성법은 여러 방법 중 하나이며, 다양한 생성법이 적용될 수 있다. here,
Figure 112021052022345-pat00058
is the ith column of the matrix,
Figure 112021052022345-pat00059
to be. Frequently used constants are
Figure 112021052022345-pat00060
to be. In Equation 10, the sigma point and weight generation method is one of several methods, and various generation methods may be applied.

시간 업데이트의 핵심 방정식은 다음의 수학식 11과 같고, 측정 업데이트의 핵심 방정식은 다음의 수학식 12와 같다. The key equation of time update is shown in Equation 11 below, and the key equation of measurement update is shown in Equation 12 below.

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112021052022345-pat00061
Figure 112021052022345-pat00061

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112021052022345-pat00062
Figure 112021052022345-pat00062

여기서,

Figure 112021052022345-pat00063
는 센서 측정값을 나타내고,
Figure 112021052022345-pat00064
는 시간 계단 k에서의 상태 추정값을 나타낸다. 안정 임베딩을 이용한 무향 칼만 필터는 일반적인 무향 칼만 필터에 비해
Figure 112021052022345-pat00065
이 정확하며 계산 시간도 비슷할 수 있다. here,
Figure 112021052022345-pat00063
represents the sensor measurement value,
Figure 112021052022345-pat00064
denotes the state estimate at time step k. An unscented Kalman filter using stable embedding is compared to a general unscented Kalman filter.
Figure 112021052022345-pat00065
is accurate and the computation time may be similar.

도 2는 일 실시 예에 따른 시스템에서 다양체 M의 점근적 안정성을 설명하기 위한 도면이다.

Figure 112021052022345-pat00066
는 V가 감소하는 방향을 가리키므로 다양체 M의 특정 근방에서 시작한 수학식 5의 모든 흐름은 다양체 M에 수렴할 수 있으며, 이를 점근적 안정성이라 할 수 있다. 도 2는 일 실시 예에 따다 다양체를 2D 상의 원으로 표현하였으며, 유클리드 공간
Figure 112021052022345-pat00067
에서 정의된
Figure 112021052022345-pat00068
차원의 다양체 일 수 있다. 2 is a diagram for explaining the asymptotic stability of a manifold M in a system according to an exemplary embodiment.
Figure 112021052022345-pat00066
indicates a direction in which V decreases, so all flows in Equation 5 that started in a specific vicinity of the manifold M can converge to the manifold M, which can be referred to as asymptotic stability. Figure 2 is a manifold expressed as a circle on 2D according to an embodiment, Euclidean space
Figure 112021052022345-pat00067
defined in
Figure 112021052022345-pat00068
It can be a manifold of dimensions.

도 3은 일 실시 예에 따른 연산 장치를 나타내는 도면이다. 도 3의 연산 장치는 전술한 시스템의 상태 추정 방법을 실행할 수 있는 기기로서, 도 3은 본 실시 예와 관련된 구성요소들이 도시되어 있으나 이에 제한되는 것은 아니며 도 3에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있다. 3 is a diagram illustrating an arithmetic device according to an exemplary embodiment. The computing device of FIG. 3 is a device capable of executing the method for estimating the state of the system described above, and FIG. 3 shows components related to the present embodiment, but is not limited thereto, and other general-purpose components other than those shown in FIG. 3 are shown. Additional components may be included.

도 3을 참조하면, 연산 장치(300)는 메모리(310) 및 프로세서(320)을 포함할 수 있다. 메모리(310) 및 프로세서(320)는 버스(bus)(미도시)를 통하여 서로 통신할 수 있으며, 메모리(310) 및 프로세서(320)은 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있으며, 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Referring to FIG. 3 , an arithmetic device 300 may include a memory 310 and a processor 320 . The memory 310 and the processor 320 may communicate with each other through a bus (not shown), and the memory 310 and the processor 320 may refer to units that process at least one function or operation. and may be implemented in hardware, software, or a combination of hardware and software.

실시 예에서, 연산 장치(300)는 다양한 데이터를 저장하는 메모리(310)를 포함할 수 있다. 예를 들어 메모리(310)에는 연산 장치(300)의 동작을 위한 적어도 하나의 명령어(instruction)가 저장될 수 있다. 이러한 경우 메모리(310) 및 프로세서(320)는 이러한 명령어를 기반으로 다양한 동작을 수행할 수 있다. 프로세서(320)는 메모리(310)에 저장된 명령어가 프로세서(320)에서 실행됨에 따라 전술한 시스템의 상태를 추정하는 과정들을 수행할 수 있다. 메모리(310)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리일 수 있다. 예를 들어, 메모리(320)는 프로세서(320)에서 처리된 데이터들 및 처리될 데이터들을 저장할 수 있다. 메모리(320)는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory)등과 같은 RAM(Random Access Memory), ROM(Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), CD-ROM, 블루레이 또는 다른 광학 디스크 스토리지, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive) 또는 플래시 메모리를 포함할 수 있다.In an embodiment, the computing device 300 may include a memory 310 that stores various data. For example, at least one instruction for operating the computing device 300 may be stored in the memory 310 . In this case, the memory 310 and the processor 320 may perform various operations based on these instructions. As the instructions stored in the memory 310 are executed by the processor 320, the processor 320 may perform the aforementioned process of estimating the state of the system. Memory 310 may be volatile memory or non-volatile memory. For example, the memory 320 may store data processed by the processor 320 and data to be processed. The memory 320 may include a random access memory (RAM) such as dynamic random access memory (DRAM) and static random access memory (SRAM), a read-only memory (ROM), an electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), and a CD-ROM. It may include ROM, Blu-ray or other optical disk storage, Hard Disk Drive (HDD), Solid State Drive (SSD) or flash memory.

도 4는 일 실시 예에 따른 안정 임베딩 함수를 이용한 무향 칼만 필터(UKF-SE)를 다른 다양체 전용으로 개발된 무향 칼만 필터와 비교하여 시간에 따른 추정값 오차의 평균인

Figure 112021052022345-pat00069
에 대한 그래프를 나타내는 도면이다. 4 is an average of estimation error over time by comparing an unscented Kalman filter (UKF-SE) using a stable embedding function according to an embodiment with an unscented Kalman filter developed exclusively for other manifolds.
Figure 112021052022345-pat00069
It is a diagram showing a graph for .

안정 임베딩 함수를 이용한 무향 칼만 필터는 상태 추정 값을 보다 정확하게 추정하면서도 일반적인 무향 칼만 필터와 비교하여 계산 시간이 비슷하게 소요될 수 있다. 따라서, 비슷한 계산 시간이 소요되면서 보다 정확한 상태 추정 값을 획득할 수 있는 효과가 있다. 또한, 다양체의 구조를 유지하는 이산화 방법이나 좌표 변환이 필요하지 않고 안정 임베딩 함수와 유클리드 공간에서 정의된 일반적인 무향 칼만 필터만 쓰면 되므로 누구나 쉽게 사용할 수 있다. An unscented Kalman filter using a stable embedding function can estimate a state estimation value more accurately, but may take a similar calculation time compared to a general unscented Kalman filter. Therefore, there is an effect of obtaining a more accurate state estimation value while taking a similar calculation time. In addition, since it does not require a discretization method or coordinate transformation to maintain the structure of the manifold, only a stable embedding function and a general unscented Kalman filter defined in Euclidean space can be used, so anyone can use it easily.

안정 임베딩 함수를 이용한 무향 칼만 필터(UKF-SE)를 다른 다양체 전용으로 개발된 무향 칼만 필터와 시뮬레이션으로 비교한 결과 도 4와 같이 개선됨을 확인할 수 있다. 일 실시 예로서, 시뮬레이션에 사용할 다양체에서 정의된 시스템으로 특정한 위성 시스템을 사용할 수 있다. 지구-중심 관성 좌표계는

Figure 112021052022345-pat00070
, 위성 궤도 좌표계는
Figure 112021052022345-pat00071
, 위성의 바디(body) 좌표계는
Figure 112021052022345-pat00072
로 나타낼 수 있다. 위성의 확률 연속시간 시스템은 다음의 수학식 13과 같다.As a result of comparing the unscented Kalman filter (UKF-SE) using the stable embedding function with the unscented Kalman filter developed exclusively for other manifolds through simulation, it can be confirmed that the improvement is shown in FIG. 4 . As an embodiment, a specific satellite system may be used as a system defined in the manifold to be used for simulation. The Earth-centered inertial coordinate system is
Figure 112021052022345-pat00070
, the satellite orbit coordinate system is
Figure 112021052022345-pat00071
, the body coordinate system of the satellite is
Figure 112021052022345-pat00072
can be expressed as The probability continuous-time system of the satellite is as shown in Equation 13 below.

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112021052022345-pat00073
Figure 112021052022345-pat00073

여기서,

Figure 112021052022345-pat00074
Figure 112021052022345-pat00075
다양체에 정의된 자세(attitude) 쿼터니언(quaternion),
Figure 112021052022345-pat00076
는 관성 좌표계에 따른 위성 각속도,
Figure 112021052022345-pat00077
Figure 112021052022345-pat00078
와 함께 다음의 수학식 14과 같을 수 있다. here,
Figure 112021052022345-pat00074
Is
Figure 112021052022345-pat00075
the attitude quaternion defined on the manifold;
Figure 112021052022345-pat00076
is the satellite angular velocity according to the inertial coordinate system,
Figure 112021052022345-pat00077
Is
Figure 112021052022345-pat00078
It may be the same as Equation 14 below.

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112021052022345-pat00079
Figure 112021052022345-pat00079

이때,

Figure 112021052022345-pat00080
는 궤도 좌표계에 따른 위성 각속도이고 수학식 15와 같을 수 있다. At this time,
Figure 112021052022345-pat00080
Is the satellite angular velocity according to the orbital coordinate system and may be expressed as Equation 15.

[수학식 15][Equation 15]

Figure 112021052022345-pat00081
Figure 112021052022345-pat00081

이때,

Figure 112021052022345-pat00082
는 중력 기울기 토크(gravity gradient torque)로 수학식 16과 같을 수 있다. At this time,
Figure 112021052022345-pat00082
Is the gravity gradient torque and may be equal to Equation 16.

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112021052022345-pat00083
Figure 112021052022345-pat00083

Figure 112021052022345-pat00084
는 위성의 관성 모멘트 행렬이고,
Figure 112021052022345-pat00085
Figure 112021052022345-pat00086
의 확률 분포를 따르는 프로세스 잡음이고,
Figure 112021052022345-pat00087
Figure 112021052022345-pat00088
단위 행렬이고,
Figure 112021052022345-pat00089
이고,
Figure 112021052022345-pat00090
Figure 112021052022345-pat00091
의 회전 행렬로 다음의 수학식 17과 같을 수 있다.
Figure 112021052022345-pat00084
is the moment of inertia matrix of the satellite,
Figure 112021052022345-pat00085
Is
Figure 112021052022345-pat00086
is the process noise following the probability distribution of
Figure 112021052022345-pat00087
silver
Figure 112021052022345-pat00088
is the identity matrix,
Figure 112021052022345-pat00089
ego,
Figure 112021052022345-pat00090
silver
Figure 112021052022345-pat00091
As a rotation matrix of , it may be as shown in Equation 17 below.

[수학식 17][Equation 17]

Figure 112021052022345-pat00092
Figure 112021052022345-pat00092

Figure 112021052022345-pat00093
은 상수로 관성 좌표계에 따른 궤도의 각속도이고,
Figure 112021052022345-pat00094
는 지구의 중력 상수이고,
Figure 112021052022345-pat00095
는 위성의 질량 중심과 지구 중심과의 거리이고,
Figure 112021052022345-pat00096
Figure 112021052022345-pat00097
의 3번째 열일 수 있다. 위성 시스템의 초기 조건은
Figure 112021052022345-pat00098
이고,
Figure 112021052022345-pat00099
,
Figure 112021052022345-pat00100
,
Figure 112021052022345-pat00101
일 수 있다.
Figure 112021052022345-pat00093
is the angular velocity of the trajectory according to the inertial coordinate system as a constant,
Figure 112021052022345-pat00094
is the Earth's gravitational constant,
Figure 112021052022345-pat00095
is the distance between the center of mass of the satellite and the center of the Earth,
Figure 112021052022345-pat00096
Is
Figure 112021052022345-pat00097
It may be the third column of The initial condition of the satellite system is
Figure 112021052022345-pat00098
ego,
Figure 112021052022345-pat00099
,
Figure 112021052022345-pat00100
,
Figure 112021052022345-pat00101
can be

위성의 측정 센서는 자력계(magnetometer)와 가속도 자이로(rate gyro)로 이루어져 있고, 자력계의 측정 모델은 다음의 수학식 18과 같다.The measurement sensor of the satellite consists of a magnetometer and an acceleration gyro, and the measurement model of the magnetometer is as shown in Equation 18 below.

[수학식 18][Equation 18]

Figure 112021052022345-pat00102
Figure 112021052022345-pat00102

여기서,

Figure 112021052022345-pat00103
는 바디 좌표계에서 측정된 지구의 자기 벡터량이고,
Figure 112021052022345-pat00104
은 궤도 좌표계에서 측정된 지구의 자기 벡터량이며 다음의 수학식 19과 같다. here,
Figure 112021052022345-pat00103
is the Earth's magnetic vector quantity measured in the body coordinate system,
Figure 112021052022345-pat00104
is the amount of the Earth's magnetic vector measured in the orbital coordinate system and is expressed in Equation 19 below.

[수학식 19][Equation 19]

Figure 112021052022345-pat00105
Figure 112021052022345-pat00105

여기서,

Figure 112021052022345-pat00106
는 지구의 자기 쌍극자 모멘트이고,
Figure 112021052022345-pat00107
는 자기 쌍극자가 기울어진 각도,
Figure 112021052022345-pat00108
는 궤도가 기울어진 각도,
Figure 112021052022345-pat00109
는 지구의 회전 속도이다. 수학식 18에서
Figure 112021052022345-pat00110
는 자력계 측정 잡음으로
Figure 112021052022345-pat00111
의 확률 분포를 따르고
Figure 112021052022345-pat00112
이다.here,
Figure 112021052022345-pat00106
is the magnetic dipole moment of the earth,
Figure 112021052022345-pat00107
is the angle at which the magnetic dipole is tilted,
Figure 112021052022345-pat00108
is the angle of inclination of the orbit,
Figure 112021052022345-pat00109
is the rotational speed of the earth. in Equation 18
Figure 112021052022345-pat00110
is the magnetometer measurement noise
Figure 112021052022345-pat00111
follows the probability distribution of
Figure 112021052022345-pat00112
to be.

가속도 자이로 모델은 다음의 수학식 20과 같다.The acceleration gyro model is as shown in Equation 20 below.

[수학식 20][Equation 20]

Figure 112021052022345-pat00113
Figure 112021052022345-pat00113

여기서,

Figure 112021052022345-pat00114
는 위성의 측정된 각속도,
Figure 112021052022345-pat00115
는 가속도 자이로 측정 잡음으로
Figure 112021052022345-pat00116
의 확률 분포를 따르고,
Figure 112021052022345-pat00117
이다. 이때 측정은 10Hz의 샘플링 주파수를 이용하여 측정되었다. here,
Figure 112021052022345-pat00114
is the measured angular velocity of the satellite,
Figure 112021052022345-pat00115
is the acceleration gyro measurement noise
Figure 112021052022345-pat00116
follows the probability distribution of
Figure 112021052022345-pat00117
to be. At this time, the measurement was performed using a sampling frequency of 10 Hz.

일 실시 예에 따른, 위성 시스템에 안정 임베딩 함수를 이용한 무향 칼만 필터를 적용하는 방법은 다음과 같다. 수학식 13의 위성 시스템은 상태

Figure 112021052022345-pat00118
가 6차 다양체인
Figure 112021052022345-pat00119
에 정의되어 있으며,
Figure 112021052022345-pat00120
Figure 112021052022345-pat00121
와 동형인 쿼터니언 공간일 수 있다.
Figure 112021052022345-pat00122
에 적합한 안정 임베딩 함수는 다음의 수학식 21과 같다.According to an embodiment, a method of applying an unscented Kalman filter using a stable embedding function to a satellite system is as follows. The satellite system of Equation 13 is
Figure 112021052022345-pat00118
is a 6th degree manifold
Figure 112021052022345-pat00119
is defined in
Figure 112021052022345-pat00120
Is
Figure 112021052022345-pat00121
It can be a quaternion space that is isomorphic to .
Figure 112021052022345-pat00122
A stable embedding function suitable for is shown in Equation 21 below.

[수학식 21][Equation 21]

Figure 112021052022345-pat00123
Figure 112021052022345-pat00123

수학식 21의 함수는 수학식 4의 모든 조건을 만족하는 안정 임베딩 함수일 수 있다. 수학식 13의 시스템을 유클리드 공간으로 확장하고

Figure 112021052022345-pat00124
를 부가하면 다음의 수학식 22와 같다. The function of Equation 21 may be a stable embedding function that satisfies all conditions of Equation 4. Extend the system of Equation 13 to Euclidean space and
Figure 112021052022345-pat00124
When is added, the following Equation 22 is obtained.

[수학식 22][Equation 22]

Figure 112021052022345-pat00125
Figure 112021052022345-pat00125

여기서,

Figure 112021052022345-pat00126
이다. 수학식 22를 이산화하고 전술한 유클리드 공간에서 정의된 무향 칼만 필터를 적용할 수 있다. here,
Figure 112021052022345-pat00126
to be. Equation 22 can be discretized and an unscented Kalman filter defined in the aforementioned Euclidean space can be applied.

칼만 필터의 성능을 확인하기 위한 평균 제곱 오차(mean squared error)인

Figure 112021052022345-pat00127
를 다음 수학식 23과 같이 구할 수 있다. The mean squared error to check the performance of the Kalman filter,
Figure 112021052022345-pat00127
can be obtained as in Equation 23 below.

[수학식 23][Equation 23]

Figure 112021052022345-pat00128
Figure 112021052022345-pat00128

여기서,

Figure 112021052022345-pat00129
는 시간 t=kh에서의 위성의 연속시간 경로에서의 위성의 실제 자세이고,
Figure 112021052022345-pat00130
는 무향 칼만 필터로 계산한 시간 t=kh에서의 자세 추정값이고,
Figure 112021052022345-pat00131
는 N=1000개의 시뮬레이션에 대한 평균이고, 위첨자 (i)는 N개의 시뮬레이션에서 i번째 시뮬레이션을 나타낸다.
Figure 112021052022345-pat00132
는 얼마나 위성의 자세 추정 값의 실제 추정 값과의 평균 오차를 나타내며, 값이 작을수록 정확한 추정을 나타낼 수 있다. here,
Figure 112021052022345-pat00129
is the actual attitude of the satellite on its continuous-time path at time t = kh,
Figure 112021052022345-pat00130
is the attitude estimate at time t = kh calculated by an unscented Kalman filter,
Figure 112021052022345-pat00131
is the average over N=1000 simulations, and the superscript (i) denotes the ith simulation in N simulations.
Figure 112021052022345-pat00132
represents the average error of the satellite attitude estimation value and the actual estimation value, and the smaller the value, the more accurate the estimation.

Figure 112021052022345-pat00133
를 사용한 경우에 대응하는 안정 임베딩 함수를 이용한 무향 칼만 필터(UKF-SE)에 대한 시뮬레이션 비교 대상으로, 다음과 같은 무향 칼만 필터들을 사용하였다. 1) Standard UKF는 유클리드 공간에서 정의된 일반적인 무향 칼만 필터이고, 2) Projection은 유클리드 공간에서 정의된 일반적인 무향 칼만 필터의 최종 추정 값을 최적화 알고리즘으로 다양체에 사영시키는 방법을 나타내고, 3) Normalization은 유클리드 공간에서 정의된 일반적인 무향 칼만 필터의 최종 추정값을
Figure 112021052022345-pat00134
를 이용하여 다양체
Figure 112021052022345-pat00135
에 사영시키는 방법을 나타내고, 4) Lie algebra는 다양체가 리 군일 때 사용하는 무향 칼만 필터로 리 군 제한적인 이산화 방법, 리 군과 리 대수 사이의 좌표변환을 사용하는 방법을 나타내고, 5) Tangent space는 다양체가 리만 다양체일 때 사용하는 무향 칼만 필터로 리만 다양체 제한적인 이산화 방법, 다양체와 접평면 사이의 좌표변환을 사용하는 방법을 나타낸다.
Figure 112021052022345-pat00133
As a simulation comparison target for the unscented Kalman filter (UKF-SE) using a stable embedding function corresponding to the case of using , the following unscented Kalman filters were used. 1) Standard UKF is a general unscented Kalman filter defined in Euclidean space, 2) Projection represents a method of projecting the final estimated value of a general unscented Kalman filter defined in Euclidean space onto a manifold with an optimization algorithm, 3) Normalization is Euclidean The final estimate of a typical unscented Kalman filter defined in space
Figure 112021052022345-pat00134
manifold using
Figure 112021052022345-pat00135
4) Lie algebra is an unscented Kalman filter used when the manifold is a Li group, and represents a method using a discretization method limited to the Li group and a coordinate transformation between the Li group and Li algebra, 5) Tangent space is an unscented Kalman filter used when the manifold is a Riemann manifold, a Riemann manifold restricted discretization method, and a method using coordinate transformation between the manifold and the tangent plane.

[표 1][Table 1]

Figure 112021052022345-pat00136
Figure 112021052022345-pat00136

전술한 표 1은 무향 칼만 필터 추정 값의 오차

Figure 112021052022345-pat00137
와 1000번 시뮬레이션했을 때의 계산 시간을 나타내며, 표 1에서도 확인되는 바와 같이 안정 임베딩을 이용한 무향 칼만 필터인 UKF-SE의 경우 다른 방법 대비 상대적으로 빠른 계산 시간을 나타내며, 가장 낮은 오차를 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 4와 표 1을 통해 안정 임베딩을 이용한 무향 칼만 필터인 UKF-SE의 경우 다른 방법 대비 상대적으로 적은 계산 시간이 필요하며, 추정 값의 정확도가 상대적으로 개선된 방법임을 확인할 수 있다. Table 1 above shows the error of the unscented Kalman filter estimation value.
Figure 112021052022345-pat00137
and the calculation time when simulated 1000 times. As can be seen in Table 1, UKF-SE, an unscented Kalman filter using stable embedding, shows a relatively fast calculation time compared to other methods and has the lowest error. can That is, in the case of UKF-SE, which is an unscented Kalman filter using stable embedding, through FIG. 4 and Table 1, it can be confirmed that a relatively less calculation time is required compared to other methods, and the accuracy of the estimated value is relatively improved.

전술한 실시예들은 일 예시일 뿐 후술하는 청구항들의 범위 내에서 다른 실시예들이 구현될 수 있다.The foregoing embodiments are merely examples and other embodiments may be implemented within the scope of the claims described below.

Claims (10)

시스템의 상태와 관련되며, 유클리드 공간의 일부 차원에 포함되는 다양체(manifold)를 확인하는 단계;
상기 시스템이 상기 다양체에서 상기 유클리드 공간으로 확장된 시스템을 생성하는 단계;
상기 다양체와 관련하여 일정한 조건을 만족하는 안정 임베딩 함수를 결정하는 단계;
상기 유클리드 공간으로 확장된 상기 시스템에 상기 안정 임베딩 함수를 적용하는 단계;
상기 안정 임베딩 함수가 적용된 상기 시스템에 무향 칼만 필터를 적용하기 위해 프로세스 잡음(process noise)을 적용하여 확률적 연속시간 시스템(stochastic continuous time system)을 생성하는 단계;
기 설정된 이산화 방법을 적용하여 상기 확률적 연속시간 시스템을 이산화한 확률적 이산시간 시스템(stochastic discrete-time system)을 생성하는 단계; 및
상기 확률적 이산시간 시스템에 상기 무향 칼만 필터(unscented kalman filter)를 적용하여 상기 상태를 추정하는 단계를 포함하는,
시스템의 상태 추정 방법.
identifying a manifold that is related to the state of the system and is included in some dimension of the Euclidean space;
creating a system in which the system extends from the manifold into the Euclidean space;
determining a stable embedding function that satisfies a predetermined condition in relation to the manifold;
applying the stable embedding function to the system expanded into the Euclidean space;
generating a stochastic continuous time system by applying process noise to apply an unscented Kalman filter to the system to which the stable embedding function is applied;
generating a stochastic discrete-time system by discretizing the stochastic continuous-time system by applying a preset discretization method; and
Estimating the state by applying the unscented Kalman filter to the stochastic discrete-time system,
A method for estimating the state of a system.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 일정한 조건을 만족하는 안정 임베딩 함수는,
상기 상태에 적용되는 적어도 하나의 임베딩 함수 중에서, 상기 유클리드 공간으로 확장된 상기 시스템과 연산 결과가 0인 조건을 만족하는 임베딩 함수인 것을 특징으로 하는,
시스템의 상태 추정 방법.
According to claim 1,
A stable embedding function that satisfies the certain conditions is
Characterized in that, among the at least one embedding function applied to the state, an embedding function that satisfies the condition that the system extended to the Euclidean space and the operation result is 0,
A method for estimating the state of a system.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로서,
컴퓨터 판독 가능 명령어들을 저장하도록 구성되는 매체를 포함하고,
상기 컴퓨터 판독 가능 명령어들은 프로세서에 의해 실행되는 경우 상기 프로세서가:
시스템의 상태와 관련되며, 유클리드 공간의 일부 차원에 포함되는 다양체(manifold)를 확인하는 단계;
상기 시스템이 상기 다양체에서 상기 유클리드 공간으로 확장된 시스템을 생성하는 단계;
상기 다양체와 관련하여 일정한 조건을 만족하는 안정 임베딩 함수를 결정하는 단계;
상기 유클리드 공간으로 확장된 상기 시스템에 상기 안정 임베딩 함수를 적용하는 단계;
상기 안정 임베딩 함수가 적용된 상기 시스템에 무향 칼만 필터를 적용하기 위해 프로세스 잡음(process noise)을 적용하여 확률적 연속시간 시스템(stochastic continuous time system)을 생성하는 단계;
기 설정된 이산화 방법을 적용하여 상기 확률적 연속시간 시스템을 이산화한 확률적 이산시간 시스템(stochastic discrete-time system)을 생성하는 단계; 및
상기 확률적 이산시간 시스템에 상기 무향 칼만 필터(unscented kalman filter)를 적용하여 상기 상태를 추정하는 단계를 포함하는 시스템의 상태 추정 방법을 수행하도록 하는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
As a non-transitory computer-readable storage medium,
a medium configured to store computer readable instructions;
The computer readable instructions, when executed by a processor, cause the processor to:
identifying a manifold that is related to the state of the system and is included in some dimension of the Euclidean space;
creating a system in which the system extends from the manifold into the Euclidean space;
determining a stable embedding function that satisfies a predetermined condition in relation to the manifold;
applying the stable embedding function to the system expanded into the Euclidean space;
generating a stochastic continuous time system by applying process noise to apply an unscented Kalman filter to the system to which the stable embedding function is applied;
generating a stochastic discrete-time system by discretizing the stochastic continuous-time system by applying a preset discretization method; and
and estimating the state by applying the unscented Kalman filter to the stochastic discrete-time system.
시스템의 상태를 추정하는 연산 장치로서,
컴퓨터에서 읽을 수 있는 명령어를 저장하는 메모리; 및
프로세서를 포함하고,
상기 메모리와 연결된 상기 프로세서는,
시스템의 상태와 관련되며, 유클리드 공간의 일부 차원에 포함되는 다양체(manifold)를 확인하고, 상기 시스템이 상기 다양체에서 상기 유클리드 공간으로 확장된 시스템을 생성하고, 상기 다양체와 관련하여 일정한 조건을 만족하는 안정 임베딩 함수를 결정하고, 상기 유클리드 공간으로 확장된 상기 시스템에 상기 안정 임베딩 함수를 적용하고, 상기 안정 임베딩 함수가 적용된 상기 시스템에 무향 칼만 필터를 적용하기 위해 프로세스 잡음(process noise)을 적용하여 확률적 연속시간 시스템(stochastic continuous time system)을 생성하고, 기 설정된 이산화 방법을 적용하여 상기 확률적 연속시간 시스템을 이산화한 확률적 이산시간 시스템(stochastic discrete-time system)을 생성하고, 상기 확률적 이산시간 시스템에 상기 무향 칼만 필터(unscented kalman filter)를 적용하여 상기 상태를 추정하는,
연산 장치.
As an arithmetic device for estimating the state of the system,
A memory that stores instructions readable by a computer; and
contains a processor;
The processor connected to the memory,
It is related to the state of the system and identifies a manifold included in some dimension of the Euclidean space, creates a system in which the system extends from the manifold to the Euclidean space, and satisfies a certain condition in relation to the manifold. Determining a stable embedding function, applying the stable embedding function to the system expanded into the Euclidean space, and applying process noise to apply an unscented Kalman filter to the system to which the stable embedding function is applied A stochastic continuous-time system is generated, a stochastic discrete-time system is generated by discretizing the stochastic continuous-time system by applying a predetermined discretization method, and the stochastic discrete-time system is generated. Estimating the state by applying the unscented Kalman filter to the temporal system,
computing device.
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Title
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