KR100278156B1 - Output of bow angle to angular velocity integrator - Google Patents

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Abstract

본 발명은 통상 차량, 선박, 항공기 등에 이용될 수 있도록 항행체의 순시 선수방위각을 검출하는 각속도 적분 자이로의 선수각 출력방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, GPS 수신기로부터 항로방위각 데이터와 속력 데이터를 입력받는 단계; 상기 항로방위각 데이터를 변수 Hd[i]에 저장하고, 속력 데이터를 변수 Sp[i]에 저장하는 단계; FOG 센서로부터 각속도 데이터를 입력받는 단계; 상기 각속도 데이터를 적분하여 상대 회전각을 변수 Rh[i]에 저장하는 단계; 상기 변수 Sp[i]값이 최저 임계속도를 초과하면 변수 Hd[i]값을 선수방위각(Heading[i])으로 출력하고, 변수 Sp[i]값이 최저 임계속도 이하이면 변수 Heading[i-1]값과 Rh[i]값을 합하여 선수방위각(Heading[i])으로 출력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다. 상기한 본 발명은, 항행체가 느리게 운행할 때 분해능이 낮아서 가격이 저렴한 FOG 센서에서 출력되는 각속도를 적분하여 상대회전각을 계산해내고, 이를 이용하여 항행체의 정확한 선수방위각을 얻을 수 있기 때문에 신뢰성높은 광섬유 자이로를 얻을 수 있으며, 차량용 지리정보시스템(GPS)이나 쾌속정의 항법시스템에 적용하면 저렴한 가격의 항법용 광섬유 자이로콤파스를 얻을 수 있는 효과가 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bow angle output method of an angular velocity integrated gyro for detecting an instantaneous head azimuth angle of a vehicle for use in a vehicle, ship, aircraft, or the like. The present invention comprises the steps of receiving the azimuth azimuth data and the speed data from the GPS receiver; Storing the course azimuth data in a variable Hd [i] and storing speed data in a variable Sp [i]; Receiving angular velocity data from the FOG sensor; Integrating the angular velocity data and storing the relative rotation angle in a variable Rh [i]; If the value of the variable Sp [i] exceeds the minimum threshold speed, the variable Hd [i] value is output as heading [i]. If the value of the variable Sp [i] is less than the minimum threshold speed, the variable Heading [i- 1] and the value of Rh [i], and outputting a heading angle (Heading [i]). According to the present invention, the relative rotation angle is calculated by integrating the angular velocity output from the low-cost FOG sensor due to low resolution when the vehicle travels slowly, and by using this, the accurate heading angle of the vehicle can be obtained. It is possible to obtain an optical fiber gyro, and when applied to a vehicle geographic information system (GPS) or a speedboat navigation system, it is possible to obtain an affordable optical fiber gyro compass.

Description

각속도 적분 자이로의 선수각 출력방법 ( Method of measuring instant heading angles of a rate integrating gyro )Method of measuring instant heading angles of a rate integrating gyro

본 발명은 통상 차량, 선박, 항공기 등에 이용될 수 있도록 항행체의 순시 선수방위각을 검출하는 각속도 적분 자이로의 선수각 출력방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bow angle output method of an angular velocity integrated gyro for detecting an instantaneous head azimuth angle of a vehicle for use in a vehicle, ship, aircraft, or the like.

일반적으로, 항행체를 출발점으로부터 예정된 목적지로 향해 이동시키는 기술을 항법이라 한다. 이러한 항법으로 종래에는 천체를 관측함으로 항해하는 방법이 이용되었으나, 현대에는 완전히 자율적인 항해가 가능한 관성항법이 널리 이용되고 있는데, 이는 뉴톤역학을 이용하여 항행체의 이동방향과 움직인 거리를 구하여 항행하는 것이다.In general, the technique of moving a vehicle from its starting point toward its intended destination is called navigation. Conventionally, the navigation method by observing the celestial body has been used. However, inertial navigation, which is capable of fully autonomous navigation, is widely used in modern times, which uses Newtonian dynamics to calculate the direction and distance of travel of the vehicle. It is.

즉, 항행체의 움직인 거리는 뉴톤역학의 이론에 의해 속도를 적분하여 구하고, 속도는 가속도를 적분하여 구할 수 있다. 따라서, 관성항법을 위해서는 항행체의 방향을 검출하는 "콤파스"와 가속도를 검출하는 "가속도계"가 필수적으로 필요하다.In other words, the moving distance of the vehicle can be obtained by integrating the velocity according to Newtonian theory, and the velocity can be obtained by integrating the acceleration. Therefore, for inertial navigation, a "compass" for detecting the direction of the vehicle and an "accelerometer" for detecting the acceleration are essential.

현재, 선박에 사용되는 콤파스에는 자기콤파스와 자이로콤파스가 있다. 자기콤파스는 지구의 자장을 이용한 것으로 구조가 간단하고 전원이 필요없으며 고장의 염려가 없는 장점이 있으나, 지구의 자전축과 지구자장을 형성하고 있는 자축이 다르기 때문에 생기는 편차, 지역적으로 자기의 분포가 다르기 때문에 생기는 지방자기, 선박의 철류에 의한 자차 등의 오차가 발생되는 단점이 있다.Currently, compasses used in ships include magnetic compasses and gyro compasses. Magnetic compass uses the magnetic field of the earth and has the advantages of simple structure, no power supply, and no risk of failure.However, due to the difference between the magnetic axis of the earth and the magnetic axis forming the earth's magnetic field, it is caused by the different magnetic distribution in the region. There are drawbacks such as errors such as local magnetic, self-driving due to the iron of the ship.

자이로콤파스는 팽이의 세차운동을 이용한 것으로 지북력이 강하고 방위를 간단히 전기적인 신호로 변환할 수 있기 때문에 널리 사용된다. 그러나, 종래의 자이로콤파스는 고속의 회전부가 필요하므로 구조가 복잡하고 고장이 발생될 가능성이 크고 기동시간이 길며 가격이 비싸다는 단점을 가진다.Gyro compasses are widely used because they use the precession of the spinning top and are strong because of their strong north force and the ability to simply convert their bearings into electrical signals. However, the conventional gyro compass requires a high-speed rotating part, which has a disadvantage in that the structure is complicated, a failure is likely to occur, the starting time is long, and the price is expensive.

이러한 광섬유 자이로콤파스의 센서로 사용되는 광섬유 자이로스코프는 Sagnac효과를 이용하는 광학적 회전센서의 일종으로서, Sagnac효과란 회전각속도(Ω)에 비례하여 광로차(ΔL)가 발생되는 효과를 말하며, 이 광로차를 광학적 간섭현상을 이용하여 위상차를 검출하면 회전한 각속도량을 알 수 있다. 이러한 광섬유 자이로스코프는 성능에 따라 세등급으로 나눌 수 있으며, 이는 표 1에 정리되어 있다.The optical fiber gyroscope used as a sensor of the optical fiber gyro compass is a kind of optical rotation sensor using the Sagnac effect. The sagnac effect refers to the effect of generating an optical path difference (ΔL) in proportion to the rotational angular velocity (Ω). When the phase difference is detected by using the optical interference phenomenon, the amount of rotated angular velocity can be known. These fiber optic gyroscopes can be divided into three classes according to their performance, which are listed in Table 1.

항목Item 1등급Grade 1 2등급Grade 2 3등급Grade 3 다이나믹 레인지Dynamic range 0∼±30。/s0 to ± 30 ° / s 0∼±100。/s0 to ± 100 ° / s 0∼±100。/s0 to ± 100 ° / s 분해능Resolution ≤0.001。/s≤0.001。 / s ≤0.01。/s≤0.01。 / s ≤0.1。/s≤0.1。 / s 드리프트Drift ≤0.1。/h≤0.1。 / h ≤10。/h≤10。 / h ≤20。/h≤20。 / h 스케일펙터 선형성Scale Factor Linearity ≤0.5 %≤0.5% ≤1 %≤1% ≤1 %≤1% 용도Usage 항공,우주,측지 콤파스 등Aviation, Space, Geodetic Compass, etc. 자동유도차량, 안테나 제어 등Auto guided vehicle, antenna control 차량 항법용 등For vehicle navigation

상기한 광섬유 자이로스코프에서 출력되는 각속도정보에 포함된 잡음은 신호 처리과정을 거친 후에도 제거되지 않고 남아있기 때문에, 이 잡음들이 신호의 왜곡을 가져와서 광섬유 자이로콤파스의 정도를 저하시킨다. 따라서, 상기한 자이로콤파스의 정도를 높이기 위하여 시간평균을 하여야 하며, 이 때문에 광섬유 자이로콤파를 가지고는 순시적인 선수방위각을 얻을 수가 없다는 문제점이 있었다.Since the noise included in the angular velocity information output from the optical fiber gyroscope remains unremoved even after the signal processing, the noises cause distortion of the signal, thereby degrading the degree of the optical fiber gyroscope. Therefore, in order to increase the degree of the gyro compass described above, a time average should be made, and therefore, there is a problem in that instantaneous heading angles cannot be obtained with an optical fiber gyro compass.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광섬유 자이로스코프와 지리정보시스템(GPS)를 이용하여 항행체의 순시 선수방위각을 얻을 수 있는 각속도 적분 자이로의 선수각 출력방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and provides a bow angle output method of the angular velocity integral gyro to obtain the instantaneous heading azimuth of the vehicle using an optical fiber gyroscope and a geographic information system (GPS). Its purpose is to.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, GPS 수신기로부터 항로방위각 데이터와 속력 데이터를 입력받는 단계;The present invention for achieving the above object, the step of receiving the azimuth azimuth data and the speed data from the GPS receiver;

상기 항로방위각 데이터를 변수 Hd[i]에 저장하고, 속력 데이터를 변수 Sp[i]에 저장하는 단계;Storing the course azimuth data in a variable Hd [i] and storing speed data in a variable Sp [i];

FOG 센서로부터 각속도 데이터를 입력받는 단계;Receiving angular velocity data from the FOG sensor;

상기 변수 Sp[i]값이 최저 임계속도를 초과하면 변수 Hd[i]값을 선수방위각(Heading[i])으로 출력하고, 변수 Sp[i]값이 최저 임계속도 이하이면 변수 Hd[i-1]값과 Rh[i]값을 합하여 선수방위각(Heading[i])으로 출력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.If the value of the variable Sp [i] exceeds the minimum threshold speed, the value of the variable Hd [i] is output as heading [i]. If the value of the variable Sp [i] is less than or equal to the minimum threshold speed, the variable Hd [i− 1] and the value of Rh [i], and outputting a heading angle (Heading [i]).

도 1은 새그낵 효과를 설명하기 위한 도면,1 is a view for explaining the sag effect,

도 2는 FOG 센서의 동작 특성을 설명하기 위한 도면,2 is a view for explaining an operating characteristic of the FOG sensor;

도 3은 FOG 센서를 이용한 진북 측정 원리를 설명하기 위한 도면,3 is a view for explaining a true north measuring principle using a FOG sensor,

도 4는 도 3과 같이 구성된 FOG 센서의 출력 파형도,4 is an output waveform diagram of a FOG sensor configured as shown in FIG.

도 5는 FOG 센서가 임의의 위도에 위치할 때 FOG 센서를 이용하여 방위를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면,5 is a view for explaining the principle of measuring the orientation using the FOG sensor when the FOG sensor is located at any latitude,

도 6은 도 5와 같이 구성된 FOG 센서의 출력 파형도,6 is an output waveform diagram of a FOG sensor configured as shown in FIG.

도 7은 본 발명에 따른 각속도 적분 자이로의 구성도,7 is a configuration diagram of the angular velocity integration gyro according to the present invention,

도 8은 본 발명에 따른 각속도 적분 자이로의 선수각 출력방법을 도시한 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a bow angle output method of the angular velocity integration gyro according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

71: GPS 안테나 72: GPS 수신기71: GPS antenna 72: GPS receiver

73: FOG 센서 74: 저역통과필터73: FOG sensor 74: low pass filter

75: 프로세서75: processor

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 일반적인 FOG 센서는 회전량(Ω)에 비례하여 광로차(ΔL)를 발생하는 새그낵(sagnac) 효과에 기초하는데, 회전판에 수직하는 축 주위로 각속도(Ω)로 회전하는 반경(R)인 회전판이 있을 때 원주를 따라 서로 반대 방향으로 진행하는 광선이 겪게 되는 광로차(ΔL)은 수학식 1과 같다.First, a typical FOG sensor is based on a sagnac effect that generates an optical path difference ΔL in proportion to the amount of rotation Ω, the radius R rotating at an angular velocity Ω about an axis perpendicular to the rotating plate. The optical path difference ΔL experienced by light rays traveling in opposite directions along the circumference when the rotating plate is present is represented by Equation 1 below.

( 여기서, A는 광로에 의해 둘러싸인 면적, 즉 A = πR2이고, CO는 진공에서의 광속이다. ) (Where A is the area surrounded by the optical path, ie A = πR 2 , and C O is the luminous flux in vacuum).

도 1을 참조하여 이러한 새그낵 효과를 설명한다. 원주상의 출발점 1에서 동일한 빛이 원주를 따라 시계방향(CW)과 반시계방향(CCW)으로 진행한다. 이때, 회전판이 정지하고 있으면(Ω = 0), 광속 Co로 진행하는 빛은 시간 t = 2πR/Co 동안에 동일한 거리 2πR을 진행한 후 출발점 1에 도달하게 될 것이다. 반면, 회전판이 각속도 Ω로 회전하면 반시계방향(CCW)으로 진행한 빛은 수학식 2에서와 같이 원주 2πR보다 짧은 거리(Lccw)를 진행하고 나서 점 2에 도달하고, 시계방향(CW)으로 진행한 빛은 수학식 3과 같이 원주보다 긴 거리(Lcw)를 진행한다.With reference to Figure 1 will be described such a sag effect. At the starting point 1 on the circumference the same light travels along the circumference clockwise (CW) and counterclockwise (CCW). At this time, if the rotating plate is stopped (Ω = 0), the light traveling to the luminous flux Co will reach the starting point 1 after the same distance 2πR for the time t = 2πR / Co. On the other hand, when the rotating plate rotates at an angular velocity Ω, the light traveling in the counterclockwise direction (CCW) reaches point 2 after a shorter distance (Lccw) than the circumference 2πR as shown in Equation 2, and then clockwise (CW). The advanced light travels a longer distance (Lcw) than the circumference as shown in Equation 3.

LCCW= 2πR - RΩtCCW= cCCWtCCW ( 여기서, RΩ는 링의 접선 속도이고, tCCW는 거리 Lccw를 진행하는데 걸리는 시간이며, 진공 중에서 cCCW는 광속인 Co이다. ) L CCW = 2πR-RΩt CCW = c CCW t CCW Where R Ω is the tangential velocity of the ring, t CCW is the time taken to advance the distance Lccw, and c CCW in the vacuum is Co, the luminous flux.

LCW= 2πR + RΩtCW= cCWtCW ( 여기서, RΩ는 링의 접선 속도이고, tCW는 거리 Lcw를 진행하는데 걸리는 시간이며, 진공 중에서 cCW는 광속인 Co이다. ) L CW = 2πR + RΩt CW = c CW t CW (Where RΩ is the tangential velocity of the ring, t CW is the time taken to advance the distance Lcw, and c CW in the vacuum is Co, the luminous flux).

상기와 같은 수학식 2와 수학식 3을 이용하면 시계방향과 반시계방향의 진행시간차를 수학식 4와 같이 얻을 수 있다.Using Equation 2 and Equation 3 as described above, the time difference between the clockwise direction and the counterclockwise direction can be obtained as shown in Equation 4.

따라서, 시간 Δt 동안 빛이 진행한 경로길이 ΔL 은 수학식 5와 같고, 이때의 위상 이동은 수학식 6과 같이 표현된다.Thus, time Δt The length of the light path ΔL Is equal to Equation 5, and the phase shift at this time is expressed as Equation 6.

(여기서, L은 광섬유 길이, D는 광섬유 코일의 직경, λ는 진공 속에서 진행하는 광원의 파장이다.) (Where L is the length of the fiber, D is the diameter of the fiber coil, and λ is the wavelength of the light source running in vacuum).

여기서, 도 2를 참조하여 일반적인 FOG 센서의 동작 특성을 살펴보기로 한다. 대부분의 FOG 센서의 내부에는 원통 구조의 외형과 대칭으로 광섬유 센싱코일이 들어있으며, 이 센싱코일의 중심축을 z축으로 놓았을 때, z축을 회전축으로 회전을 시켰을 때는 회전 각속도가 감지되어 이 회전 각속도에 대응되는 전압을 출력한다. 만일, 정지시의 출력전압이 '0'이라고 가정하면 각각 시계방향과 반시계방향으로 회전시켰을 때 회전 각속도가 서로 반대방향이므로 각각 극성이 반대인 출력전압을 얻는다. 그러나, 센싱코일면에 평행한 축, 즉 x축이나 y축을 회전축으로 하여 회전을 시켰을 때는 회전 각속도를 전혀 감지할 수 없다. 이것은 광섬유 센싱코일면에 평행한 축을 회전축으로 회전이 일어나면 이 회전 각속도의 입력은 새그낵 효과에 의한 광섬유 센싱코일 내에서의 광경로차에 전혀 영향을 미치지 않기 때문에 발생하는 현상이다.Here, the operation characteristics of the general FOG sensor will be described with reference to FIG. 2. The inside of most FOG sensors contains optical fiber sensing coils symmetrically with the outer shape of the cylindrical structure.When the central axis of this sensing coil is placed on the z axis, the rotational angular velocity is detected when the z axis is rotated on the rotation axis. Output the voltage corresponding to If it is assumed that the output voltage at the stop is '0', the rotation angular velocities are opposite to each other when rotated clockwise and counterclockwise, respectively, so that output voltages having opposite polarities are obtained. However, the rotational angular velocity cannot be detected at all when the axis parallel to the sensing coil surface, that is, the x-axis or the y-axis is rotated. This is because the rotational angular velocity input does not affect the optical path difference in the optical fiber sensing coil due to the sag effect when rotation occurs along the axis parallel to the optical fiber sensing coil surface.

도 3을 참조하여 FOG 센서를 이용하여 진북을 측정하기 위한 지구자전 각속도를 검출하는 원리를 살펴보기로 한다. FOG 센서를 적도상에서 지면에 대하여 수직으로 세워 도 3의 ①의 위치에 놓으면, 이때 FOG 센서의 출력전압은 지구의 자전 각속도를 최대로 검출하므로 (+)최대전압 또는 (-)최대전압을 얻을 수 있다. 여기서는 (+)최대전압을 얻는다고 가정하고, 광섬유 센싱 코일면에 수직인 방향을 방위축이라고 정의한다. 즉, ①의 위치에서 방위축이 북방향을 가리키며 출력전압은 최대값을 얻게된다.Referring to Figure 3 will be described the principle of detecting the earth rotation angular velocity for measuring true north by using the FOG sensor. If the FOG sensor is placed vertically with respect to the ground on the equator and placed in the position of ① in Fig. 3, the output voltage of the FOG sensor detects the maximum rotational angular velocity of the earth, so that the positive or negative voltage can be obtained. . It is assumed here that a positive maximum voltage is obtained, and the direction perpendicular to the optical fiber sensing coil plane is defined as the azimuth axis. That is, at the position ①, the azimuth axis points in the north direction and the output voltage gets the maximum value.

다음은 FOG 센서를 시계방향으로 90°를 회전시켜 ②의 위치에 놓으면, 방위축은 서쪽을 가리키며 출력전압은 '0'이 검출된다. 또다시 시계방향으로 90°를 회전시켜 ③과 같이 놓으면, 방위축은 남쪽을 가리키며 출력전압은 최소값이 검출된다. 한번 더 시계방향으로 90°를 회전시켜 ④와 같이 놓으면, 방위축은 동쪽을 가리키며 출력전압은 '0'이 검출된다. 따라서, FOG 센서를 시계방향으로 순차적으로 회전시키면 도 4와 같은 출력파형을 얻을 수 있고, 만일 FOG 센서를 연속적으로 정속회전을 시키면 사인 파형의 출력전압을 얻을 수 있게 된다.Next, turn the FOG sensor 90 ° clockwise and place it at the position ②. The azimuth axis points to the west and the output voltage is detected as '0'. Again, rotate it 90 ° clockwise and set it as ③. The azimuth axis points to the south side and the minimum value of the output voltage is detected. Rotate 90 ° clockwise once more and set as ④. The azimuth axis points to the east side and the output voltage is detected as '0'. Therefore, if the FOG sensor is rotated clockwise sequentially, the output waveform as shown in Fig. 4 can be obtained. If the FOG sensor is continuously rotated at constant speed, the output voltage of the sine wave can be obtained.

도 5는 FOG 센서가 지구의 적도에 위치하지 않고 임의의 위도에 위치할 때 FOG 센서를 이용하여 방위를 측정하는 원리를 도시하고 있다. 이때에는 FOG 센서가 적도상에 놓여있을 때 지구 자전 각속도 입력값의 정사영에 해당하는 값이 FOG 센서에 입력이 되므로 위도각 크기의 코사인 성분만큼의 출력전압값이 나타난다. 즉, 적도상에 FOG 센서가 놓여있을 때의 출력전압을 V(t)라 하면, 이 경우에는 위도각을 Qe라고 할 때 출력전압은 적도에서의 출력값보다 조금 줄어든 ' V(t)cosQe '값이 출력된다. 따라서, 지구의 임의의 위도에서 지표상에 FOG 센서를 수직으로 세우고 연속적으로 정속회전을 시키면 도 6과 같이 사인 파형의 출력신호를 얻게 되며 이것을 수식으로 표현하면 수학식 7과 같이 된다.5 illustrates the principle of measuring orientation using a FOG sensor when the FOG sensor is located at any latitude rather than at the equator of the earth. At this time, when the FOG sensor is placed on the equator, the value corresponding to the orthogonal projection of the rotational angular velocity input value is input to the FOG sensor. In other words, if the output voltage when the FOG sensor is placed on the equator is V (t), in this case, when the latitude angle is Qe, the output voltage decreases slightly from the output value at the equator. V (t) cosQ e 'Value is output. Therefore, if the FOG sensor is placed vertically on the earth at any latitude of the earth and continuously rotated at constant speed, an output signal of a sine wave is obtained as shown in FIG.

Ue= Kesin(ω0t+&e)U e = K e sin (ω 0 t + & e )

여기서, Ke= kcosΘe : FOG 센서의 출력신호 진폭,here, K e = kcosΘ e : Output signal amplitude of FOG sensor,

ω0= 2πf0 : FOG 센서의 정속 회전 각속도, ω 0 = 2πf 0 : Constant rotational angular velocity of FOG sensor

f0 : FOG 센서의 정속 회전 주파수, f 0 : Constant speed of FOG sensor,

&e: 진북방향과 선수방향과의 위상차,& e : phase difference between true north direction and bow direction,

k : FOG 센서의 스케일 펙터,k: scale factor of the FOG sensor,

Θe : 위도를 나타낸다. Θ e : Indicates latitude.

여기서, 스케일 펙터란 입력되는 회전 각속도에 비례하여 출력되는 전압값을 나타낸다. 예를 들어, FOG 센서의 스케일 펙터가 210mV/deg/sec일 때, 지구 자전 각속도인 0.0042deg/sec가 입력되면 FOG 센서의 출력신호는 약 0.87mV가 된다. 또한, 실험장소의 위도가 약 35도이면 FOG 센서에 입력되는 지구 자전 각속도의 위도에 대한 정사영성분이 약 0.0034deg/sec가 되고, 이때 FOG 센서의 출력신호는 약 0.715mV가 된다. FOG 센서의 고유잡음 특성은 고주파 잡음인 랜덤 노이즈와 저주파 잡음인 드리프트 잡음이 있다. 여기서, 랜덤 노이즈는 FOG 센서의 분해능을 결정하며, 드리프트 잡음은 장시간 항해하는 선박의 관성 항법용 콤파스에 있어서 가장 중요한 특성이라 할 수 있다.Here, the scale factor denotes a voltage value output in proportion to an input rotational angular velocity. For example, when the scale factor of the FOG sensor is 210 mV / deg / sec, if the earth rotational angular velocity of 0.0042 deg / sec is input, the output signal of the FOG sensor becomes about 0.87 mV. In addition, when the latitude of the experiment site is about 35 degrees, the orthogonal projection component of the latitude of the earth's rotational angular velocity input to the FOG sensor is about 0.0034 deg / sec. The inherent noise characteristics of a FOG sensor include high frequency noise, random noise, and low frequency noise, drift noise. Here, random noise determines the resolution of the FOG sensor, and drift noise is the most important characteristic in the inertial navigation compass of a ship sailing for a long time.

고분해능의 FOG 센서를 이용하여 자이로콤파스를 제작하면 지구의 자전 각속도를 감지하여 지구의 진북을 측정할 수 있지만, 이는 매우 고가이기 때문에 범용화되기 어렵고, 상기한 자이로콤파스로부터는 순시적인 선수방위각을 얻을 수 없다. 따라서, 순시적인 선수방위각을 얻기 위해서는 각속도 적분 자이로를 병행하여야 한다. 상기한 각속도 적분 자이로란, 방향자이로로서 지구자전을 검출할 수 없는 감도가 낮은 FOG를 사용하여 회전 각속도를 검출하여 적분함으로써 상대적인 선수각의 변화량을 각도로 표시해주는 자이로를 말한다.If a gyro compass is manufactured using a high-resolution FOG sensor, it is possible to measure the earth's true north by detecting the rotational angular velocity of the earth. Therefore, the angular velocity integration gyro must be used in parallel to obtain the instant heading angle. The angular velocity integration gyro is a gyro that uses a low-sensitivity FOG that cannot detect earth rotation and detects and integrates rotational angular velocities to display the change in relative bow angle in degrees.

도 7에는 본 발명에 따른 각속도 적분 자이로의 구성도가 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명에 따른 각속도 적분 자이로의 선수각 출력방법을 위한 흐름도가 도시되어 있다.7 is a block diagram of the angular velocity integral gyro according to the present invention, Figure 8 is a flow chart for the bow angle output method of the angular velocity integral gyro according to the present invention.

도 7을 참조하면, GPS안테나(71)를 통해 입력되는 GPS신호를 신호처리하여 항행체의 항로방위각 데이터와 속력 데이터를 출력하는 GPS수신기(72)와, 지표면에 수평으로 설치하여 상대회전각을 출력하는 FOG 센서(73)와, 상기 FOG 센서(73)에서 출력되는 상대회전각에 포함된 외부잡음을 차단하기 위한 저역통과필터(74)와, 상기 GPS 수신기(72)로부터 입력되는 항로방위각 데이터 및 속력 데이터와 상기 저역통과필터(74)로부터 입력되는 상대각속도 정보를 신호 처리하여 항행체의 선수방위각을 출력하는 프로세서(75)로 구성된다.Referring to FIG. 7, a GPS receiver 72 is configured to process a GPS signal input through the GPS antenna 71 to output path azimuth data and speed data of a vehicle, and a horizontal rotation angle is installed horizontally on the ground surface. FOG sensor 73 to output, a low pass filter 74 to block external noise included in the relative rotation angle output from the FOG sensor 73, and azimuth data input from the GPS receiver 72 And a processor 75 for processing the speed data and the relative angular velocity information input from the low pass filter 74 to output the heading azimuth of the vehicle.

여기서, 상기한 FOG 센서(73)는 스케일 펙터 선형성이 좋은 HGA-V기종을 사용한다. 일반적으로 항행체가 최저 임계속도(18Km/h)보다 초과된 속도로 운행할 때에는 GPS 수신기(72)로부터 입력되는 항로방위각 데이터가 선수방위각으로 출력되지만, 항행체가 최저 임계속도보다 낮은 속도로 운행할 때에는 FOG 센서(73)의 상대각속도를 적분하여 회전각을 검출하여 선수방위각을 출력한다.Here, the above-described FOG sensor 73 uses an HGA-V model having good scale factor linearity. In general, when the vehicle travels at a speed exceeding the minimum critical speed (18 km / h), the azimuth data input from the GPS receiver 72 is output as a heading azimuth, but when the vehicle travels at a speed lower than the minimum critical speed, The rotation angle is detected by integrating the relative angular velocity of the FOG sensor 73 to output the heading azimuth.

도 8을 참조하여, 상기한 각속도 적분 자이로의 선수각 출력방법을 살펴보면, 단계 81은 Hd[i], Sp[i], Rh[i] 등과 같은 여러 가지 변수들을 초기화하는 단계이고, 단계 82는 GPS 수신기(72)로부터 항로방위각 데이터와 속력 데이터를 입력받는 단계이다.Referring to FIG. 8, looking at the bow angle output method of the angular velocity integration gyro, step 81 is a step of initializing various variables such as Hd [i], Sp [i], Rh [i], and step 82. In this step, the azimuth azimuth data and the speed data are received from the GPS receiver 72.

일반적으로 GPS 인공위성에서는 항행체의 이동상태를 주기적으로 감지하여 이를 연결함으로써 항행체의 항로, 위도, 경도, 속력 및 고도와 같은 데이터를 포함하는 GPS 신호를 출력한다. 상기 GPS 신호가 GPS 안테나(71)를 통해 GPS 수신기(72)로 입력되면 상기 GPS 수신기(72)는 이 GPS 신호를 신호처리하여 항로방위각 데이터와 속력 데이터를 출력한다. 이때, 자동차에 있어서는 항로방위각과 선수방위각이 일치하지만, 선박이나 비행기에 있어서는 바람과 해류의 영향으로 항로방위각과 선수방위각이 일치하지 않는 경우도 있다.In general, GPS satellites periodically detect a moving state of a vehicle and connect it to output a GPS signal including data such as the route, latitude, longitude, speed, and altitude of the vehicle. When the GPS signal is input to the GPS receiver 72 through the GPS antenna 71, the GPS receiver 72 processes the GPS signal and outputs the course azimuth data and the speed data. At this time, the path azimuth angle and the heading azimuth angle are the same in a car, but in a ship or a plane, the azimuth angle and the heading azimuth angle do not coincide with wind and sea current.

단계 83에서 프로세서(75)는 항로방위각 데이터를 변수 Hd[i]에 저장하고, 속력 데이터를 변수 Sp[i]에 저장한다. 단계 84는 FOG 센서(73)로부터 각속도 데이터를 입력받는 단계이고, 단계 85에서 프로세서(75)는 상기 각속도 데이터를 적분하여 상대회전각을 변수 Rh[i]에 저장한다.In step 83 the processor 75 stores the course azimuth data in the variable Hd [i] and stores the speed data in the variable Sp [i]. In step 84, the angular velocity data is input from the FOG sensor 73. In step 85, the processor 75 integrates the angular velocity data and stores the relative rotation angle in the variable Rh [i].

단계 86은 변수 Sp[i]의 값이 18Km/h보다 큰 지를 감지하는 단계인 바, 변수 Sp[i]값이 최저 임계속도(18Km/h)를 초과하면 단계 87로 진행하여 선수방위각을 출력하고, 변수 Sp[i]값이 최저 임계속도(18Km/h)보다 낮아지면 단계 88로 진행하여 선수방위각을 출력한다.Step 86 detects whether the value of the variable Sp [i] is greater than 18 km / h. If the value of the variable Sp [i] exceeds the minimum critical speed (18 km / h), the flow proceeds to step 87 to output the heading angle. When the value of the variable Sp [i] is lower than the minimum threshold speed (18 Km / h), the flow proceeds to step 88 to output the heading azimuth angle.

일반적으로, 상기와 같이 GPS 신호를 통해 항로방위각인 선수방위각을 얻을 수 있는데, 항행체가 정지상태이거나 최저 임계속도보다 느린 속도로 운행할 때에는 GPS 인공위성으로부터 제공되는 항로방위각과 실제의 선수방위각 사이의 오차가 크기 때문에 신뢰성 높은 자이로를 얻을 수 없다.In general, a heading azimuth, which is a course azimuth, can be obtained through a GPS signal as described above. When a vehicle is stationary or traveling at a speed lower than the minimum threshold speed, an error between a course azimuth provided by a GPS satellite and an actual heading azimuth Because of its large size, it is impossible to obtain a reliable gyro.

따라서, 본 발명에서는 항행체가 최저 임계속도보다 빠른 속도로 운행할 때에는 단계 87에서, 변수 Hd[i]에 저장된 항로방위각을 선수방위각을 나타내는 변수 Heading[i]에 저장한 후 단계 89에서 선수방위각을 출력한다. 한편, 항행체가 최저 임계속도보다 느린 속도로 운행할 때에는 단계 88에서 바로 전의 선수방위각 Heading[i-1]과 상대회전각 Rh[i]을 합하여 선수방위각 Heading[i]에 저장한 후 단계 89에서 선수방위각을 출력한다.Therefore, in the present invention, when the vehicle travels at a speed faster than the minimum threshold speed, in step 87, the azimuth angle stored in the variable Hd [i] is stored in the variable Heading [i] indicating the heading angle, and then the heading azimuth angle is stored in step 89. Output On the other hand, when the vehicle travels at a slower speed than the minimum critical speed, the heading angle heading [i-1] and the relative rotation angle Rh [i] immediately before the step 88 are stored in the heading angle heading [i], and then in step 89 Output heading azimuth.

상기와 같이 GPS 수신기로부터 출력되는 항로방위각을 선수방위각으로 출력하다가 FOG 센서에서 출력되는 상대회전각을 이용하여 이를 보정함으로써, 항행체의 운행속도가 가변되어도 항상 신뢰성높은 선수방위각을 얻을 수 있게 된다.As described above, by outputting the course azimuth angle output from the GPS receiver as the heading azimuth angle and correcting it by using the relative rotation angle output from the FOG sensor, it is possible to always obtain a high heading azimuth angle even if the traveling speed of the vehicle is variable.

이상과 같이 본 발명은, 항행체가 느리게 운행할 때 분해능이 낮아서 가격이 저렴한 FOG 센서에서 출력되는 각속도를 적분하여 상대회전각을 계산해내고, 이를 이용하여 항행체의 정확한 선수방위각을 얻을 수 있기 때문에 신뢰성높은 광섬유 자이로를 얻을 수 있으며, 차량용 지리정보시스템(GPS)이나 쾌속정의 항법시스템에 적용하면 저렴한 가격의 항법용 광섬유 자이로콤파스를 얻을 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention calculates the relative rotation angle by integrating the angular velocity output from the low-cost FOG sensor due to low resolution when the vehicle travels slowly, and uses the same to obtain an accurate heading angle of the vehicle. A high optical fiber gyro can be obtained, and when applied to a vehicle geographic information system (GPS) or a speedboat navigation system, a low cost navigation optical fiber gyro compass can be obtained.

Claims (1)

GPS 수신기로부터 항로방위각 데이터와 속력데이터를 입력받는 단계;Receiving path azimuth data and speed data from a GPS receiver; 상기 항로 방위각 데이터를 변수 Hd[i]에 저장하고, 속력 데이터를 변수 Sp[i]에 저장하는 단계;Storing the course azimuth data in a variable Hd [i] and storing speed data in a variable Sp [i]; 광섬유 자이로스코프(FOG)센서로부터 각속도 데이터를 입력받는 단계;Receiving angular velocity data from an optical fiber gyroscope (FOG) sensor; 상기 각속도 데이터를 적분하여 상대 회전각을 변수 Rh[i]에 저장하는 단계; 및Integrating the angular velocity data and storing the relative rotation angle in a variable Rh [i]; And 상기 변수 Sp[i]값이 최저임계속도를 초과하면 변수 Hd[i]값을 선수방위각(Heading[i])으로 출력하고, 변수 Sp[i]값이 최저임계속도 이하이면 이전 선수방위각 Heading[i-1]값과 변수 Rh[i] 값을 합하여 선수방위각(Heading[i])으로 출력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 각속도 적분 자이로의 선수각 출력방법.If the value of the variable Sp [i] exceeds the minimum continuation, the variable Hd [i] is output as heading [i]. If the value of the variable Sp [i] is less than the minimum continuation, the previous heading angle Heading [ i-1] and the variable Rh [i] value by adding the heading angle (Heading [i]) outputting the bow angle output method of the angular velocity integrated gyro, characterized in that consisting of.
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