KR101958151B1 - Roll estimation navigation System and Method for guided projectiles based on magnetometer and Global Navigation Satellite Systems - Google Patents

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KR101958151B1 KR1020180125011A KR20180125011A KR101958151B1 KR 101958151 B1 KR101958151 B1 KR 101958151B1 KR 1020180125011 A KR1020180125011 A KR 1020180125011A KR 20180125011 A KR20180125011 A KR 20180125011A KR 101958151 B1 KR101958151 B1 KR 101958151B1
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김경훈
최재현
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국방과학연구소
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Abstract

Disclosed is a roll angle alignment and navigation system for a guided projectile based on a terrestrial magnetism sensor and satellite navigation signals. The system comprises: an inertial measuring sensor (110) for measuring motion information of a projectile; a terrestrial magnetism sensor (120) for measuring terrestrial magnetism information around the projectile; a satellite navigation receiver (130) for receiving a satellite navigation signal; a roll angle estimation unit (140) for estimating a roll angle of the projectile and generating roll angle estimation information, based on the motion information, the terrestrial magnetism information and the satellite navigation signal; an inertial navigation device (150) for calculating projectile inertial navigation information based on the roll angle estimation information and the motion information; and an integrated navigation device (170) for compensating an error of the projectile inertial navigation information and the satellite navigation signal.

Description

지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템 및 방법{Roll estimation navigation System and Method for guided projectiles based on magnetometer and Global Navigation Satellite Systems}[0001] The present invention relates to a rolling angle navigation system and method for guided cannons based on geomagnetic sensors and satellite navigation signals,

본 발명은 항법 장치 기술에 대한 것으로, 더 상세하게는 포탄에 사용되는 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to navigation device technology, and more particularly, to a roll angle alignment navigation system and method for guided cannons used in shells.

특히, 본 발명은 재래식 포탄의 정확도를 극적으로 높일 수 있도록 유도 조종 기능을 추가한 정밀 유도 포탄에서 요구되는 정확한 유도 조종을 위해서 비행 중 위치 속도 및 자세를 제공하는 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템 및 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a roll angle alignment navigation system and method for guided cannons, which provides positional velocity and posture during flight for precise inductive control required in precision guided cannons with an induction control function to dramatically increase the accuracy of conventional cannonballs .

세계적으로 포탄의 화력을 높이고 부수 피해 최소화를 위한 방안 중 하나로 재래식 포탄의 정확도 향상이 절실히 요구되고 있다. 따라서, 기존의 사표에 의해서 탄착지를 결정하는 방법을 벗어나 유도조종 기능이 부과된 포탄이 개발되었으며, 그 예로 정밀 유도 포탄 기술이 활발히 개발되고 있다.One of the ways to increase the firepower of the world and to minimize the incidental damage worldwide is to increase the accuracy of conventional shells. Therefore, a shell having an induction control function has been developed beyond the method of determining the collision site according to the existing resignation, for example, precision guided cannon technology is actively being developed.

이에 따라 유도 조종이 필요하게 되면서 항법장치로부터 위치, 속도 및 자세를 획득하는 기술이 필수적이다. 그러나 일반적으로 알려진 유무인기, 항공기, 유도탄 등에 사용되는 항법장치와는 다르게 포발사 탄약의 경우 비행 거동이 복잡하여 관성항법장치를 통한 항법장치 기술을 적용할 수 없다.Therefore, it is essential to acquire the position, speed and attitude from the navigation system as the guidance control becomes necessary. However, unlike navigation devices commonly used in the presence, popularity, aircraft, and guided missiles, it is impossible to apply the navigation device technology through the inertial navigation system because of the complex flight behavior of the bombardment ammunition.

포발사 중에 회전 및/또는 충격은 정밀한 측정이 불가능하여 비행 전초기 정렬 기법이 불가하다. 또한, 비행 중에서도 자유낙하 비행을 가지는 포탄 특성 때문에 일반적인 중력을 이용한 정렬 기법이 불가하다. 또한, 포탄 비행 거동 내에서 초기 정렬을 위한 롤각 추정 방법 등이 요구되며 포탄에 탑재되는 구성품은 소형화 및/또는 내고충격성을 만족해야 한다.Rotational and / or impact can not be precisely measured during coiling, so pre-flight alignment is not possible. Also, because of the nature of shells with free-fall flights in flight, it is not possible to use an ordinary gravity-based alignment technique. In addition, the roll angle estimation method for the initial alignment is required within the shell flight behavior, and the components mounted on the shell should satisfy miniaturization and / or high impact resistance.

이에 대한 대응으로 위성항법 수신기의 수신 신호 전력 세기를 이용하여 롤각을 추정하는 방법이 연구되고 있으며 일련의 이유로 수신되는 전력이 감소하는 경우에 추정 성능이 저하되고 있다. 또한, 회전 속도가 일정하게 유지되는 구간에서만 추정이 유리하다는 단점이 있다. In response to this, a method of estimating the roll angle using the received signal power intensity of a satellite navigation receiver has been studied, and the estimation performance is degraded when power received decreases for a series of reasons. Also, there is a disadvantage in that estimation is advantageous only in a section where the rotation speed is kept constant.

이에 대해 포탄은 롤 회전수가 시간에 따라 선형적으로 감쇠되는 특성이 있기 때문에 회전 속도를 일정하게 유지시켜 주는 별도의 롤 속도 제어 유도조종 방식을 필요하며 유도포탄의 운용 개념상 이 구간이 길어질수록 제어 관련 에너지 소모가 생기기 때문에 정확도 향상의 목적 달성에 불리하다는 제한조건이 있다.On the other hand, the shell has a characteristic in which the number of revolutions of the roll is linearly damped with time. Therefore, a separate roll speed control induction control system for keeping the rotation speed constant is required. There is a restriction condition that it is disadvantageous to achieve the purpose of improving the accuracy because the related energy consumption occurs.

이러한 부분을 개선하기 위해서 롤 회전 속도의 변화에도 대응할 수 있도록 회전 속도를 반영하는 위성항법 수신기 롤각 추정 방법이 연구되고 있으며 최대한 실제적인 비행 거동을 반영하는 회전 속도를 측정하여 위성항법 수신기 롤각 추정 방법에 적용하여 대응이 가능하다.In order to improve such a part, a method of estimating the roll angle of the satellite navigation receiver reflecting the rotation speed is being studied so as to cope with the change of the roll rotation speed, and the rotation speed reflecting the actual flight behavior is measured, It is possible to respond by applying.

또한, 지자기 센서가 포탄 주위의 지구 자기장이 포탄의 회전에 따라서 변조되어 측정되는 값을 토대로 회전수 및 롤각을 추정하는 방법 연구되고 있으며 빠른 측정 주기와 회전 특성 측정이 우수하다는 장점을 가지고 있다. In addition, the geomagnetic sensor has been studied to estimate the number of revolutions and roll angles based on the values measured by modulating the geomagnetic field around the cannon with the rotation of the cannon.

그러나, 탄체에 부착되는 전자 장비 및/또는 금속 구조물에 의해서 지자기 측정값이 왜곡될 수 있다는 단점이 있다. 이에 따라 회전수 추정 성능은 무관하나 지자기 센서 롤각 추정 방법에 오차 요인으로 작용이 될 수도 있다는 문제점이 발생한다.However, there is a disadvantage that the geomagnetic measurement value can be distorted by the electronic equipment and / or the metal structure attached to the body. Therefore, the estimation of the number of revolutions is irrelevant, but it may cause an error factor in the method of estimating the roll angle of the geomagnetism sensor.

1. 한국공개특허번호 제10-2016-0087388호1. Korean Patent Publication No. 10-2016-0087388 2. 일본공개특허번호 제2016-080615호2. Japanese Laid-Open Patent No. 2016-080615 3. 미국등록특허번호 제6398155호(등록일자: 2002.06.04)3. US Patent No. 6398155 (registered on June 4, 2002)

1. 민홍주외, "전술 유도탄용 통합 항법 장치 개발", 한국항공우주학회 2014년도 추계학술대회, 2014.11, 1426-14291. Min, Hong-Ju, et al., "Development of integrated navigation system for tactical guided missiles", The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences 2014 Fall Conference, 2014.11, 1426-1429

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 지자기 센서와 위성항법 신호를 적용하여 포탄의 초기 롤각 추정이 가능한 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed in order to solve the problems according to the above background art, and it is an object of the present invention to provide a geomagnetic sensor capable of estimating an initial roll angle of a shell by applying a geomagnetic sensor and a satellite navigation signal, The purpose is to provide.

또한, 본 발명은 회전수가 변화는 구간에서도 롤각 추정이 가능하며 이를 토대로 포탄의 비행 중 정밀 위치 속도 및 자세 계산이 가능한 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.Also, the present invention provides a roll angle alignment navigation system and method for a guided cannon based on a geomagnetic sensor and a satellite navigation signal capable of estimating the roll angle even in a section where the number of revolutions changes, There is another purpose.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 지자기 센서와 위성항법 신호를 적용하여 포탄의 초기 롤각 추정이 가능한 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템을 제공한다.In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a geomagnetic sensor capable of estimating the initial roll angle of a shell by applying a geomagnetic sensor and a satellite navigation signal, and a roll angle alignment navigation system for guided cannons based on a satellite navigation signal.

상기 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템은,In the roll angle alignment navigation system for guided cannons,

포탄의 운동 정보를 측정하는 관성 측정 센서;An inertial measurement sensor for measuring movement information of the shell;

상기 포탄 주위의 지구 자기장 정보를 측정하는 지자기 센서;A geomagnetic sensor for measuring geomagnetic field information around the shell;

위성 항법 신호를 획득하는 위성항법 수신기; A satellite navigation receiver for acquiring a satellite navigation signal;

포탄의 속도 벡터를 이용하여 피치각 요각을 추정하는 비행중 초기 정렬을 수행하고, 상기 운동 정보, 지구 자기장 정보 및 위성 항법 신호를 이용하여 상기 포탄의 롤각을 추정하여 롤각 추정 정보를 생성하는 롤각 추정기;A roll angle estimator for estimating a pitch angle of yaw angle using a velocity vector of the cannon and performing in-flight initial alignment, and estimating a roll angle of the cannon using the motion information, the geomagnetic field information, ;

상기 롤각 추정 정보 및 운동 정보를 이용하여 포탄 관성 항법 정보를 산출하는 관성항법장치; 및An inertial navigation apparatus for calculating the shell inertial navigation information using the roll angle estimation information and the motion information; And

상기 포탄 관성 항법 정보와 위성 항법 신호의 오차를 보정하여 비행중 포탄의 정밀 비행 정보를 산출하는 복합항법장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.And a complex navigation system for correcting the error of the satellite navigation signal and the information about the inertial navigation information to calculate accurate flight information of the shell during the flight.

이때, 상기 운동 정보는 상기 포탄의 회전 운동 및 선형 가속도를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the motion information may include rotational motion and linear acceleration of the cannon.

또한, 상기 포탄 관성 항법 정보는 상기 포탄의 초기 위치 정보, 비행중 위치 정보, 초기 속도 정보, 비행중 속도 정보, 초기 자세 정보, 및 비행중 자세 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the shell inertial navigation information may include initial position information of the shell, position information during flight, initial velocity information, velocity information during flight, initial position information, and attitude information during flight.

또한, 상기 정밀 비행 정보는 상기 비행중 위치 정보를 보정한 보정 위치, 비행중 속도 정보를 보정한 보정 속도 정보, 및 비행중 자세 정보를 보정한 보정 자세 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.The precision flight information may include a correction position that corrects the in-flight position information, a correction speed information that corrects the in-flight speed information, and correction posture information that corrects the in-flight attitude information.

또한, 상기 초기 위치 정보 및 초기 속도 정보는 상기 위성 항법 수신기의 초기화 방식을 통해서 획득되는 것을 특징으로 한다.In addition, the initial position information and the initial velocity information are obtained through an initialization method of the GPS receiver.

또한, 상기 초기 자세 정보 중 피치각 및 요 각은 위성항법 수신기에서 출력되는 각 축의 속도 벡터 또는 위성항법이 불능 시에 미리 지상에서 계산되어 포탄에 장입된 포탄의 사전 장입 궤적 정보를 삼각법을 이용하여 추정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the pitch angle and the yaw angle of the initial attitude information are calculated on the basis of the velocity vector of each axis output from the satellite navigation receiver or in the case where the satellite navigation can not be performed, and the preloading trajectory information of the shell loaded in the cannon is calculated using trigonometry .

또한, 상기 롤각 추정기는, 상기 위성 항법 수신기의 특정 방향의 속도 벡터를 이용하거나 상기 위성항법 수신기가 불능 시에 상기 포탄의 사전 장입 궤적 정보를 이용하여 포탄의 초기 피치각 및 초기 요각을 계산하는 비행중 초기 정렬을 수행하는 것을 특징으로 한다.Also, the roll angle estimator may be configured to calculate an initial pitch angle and an initial yaw angle of the shell using a velocity vector in a specific direction of the satellite navigation receiver or using the pre-loading trajectory information of the shell when the satellite navigation receiver is disabled, The initial alignment is performed.

또한, 상기 특정 방향은 노스(North), 이스트(East), 및 다운(Down)인 것을 특징으로 한다.Further, the specific direction is characterized by being North, East, and Down.

또한, 상기 롤각 추정기는, 상기 지자기 센서가 상기 포탄 주위의 지구 자기장이 상기 포탄의 회전에 따라서 변조되어 측정되는 값을 토대로 회전수 및 롤각을 추정하거나, 상기 지자기 센서의 회전수 추정값을 상기 위성 항법 수신기에 적용하여 롤각 추정하거나, 상기 관성 측정 센서의 회전수 측정값을 상기 위성항법 수신기에 적용하여 롤각 추정하거나, 위성항법 수신기 정보만을 가지고 롤각 추정하는 비행중 롤각 정렬을 수행하는 것을 특징으로 한다.The roll angle estimator estimates a rotation number and a roll angle based on a value measured by the geomagnetic sensor when the earth magnetic field around the can is modulated in accordance with the rotation of the cannon, The present invention is also applied to a receiver to perform a roll angle estimation, or a roll angle estimation by applying a rotation speed measurement value of the inertia measurement sensor to the satellite navigation receiver, or a roll angle alignment in which a roll angle estimation is performed using only satellite navigation receiver information.

또한, 상기 지자기 센서는 포탄 주위의 지구 자기장을 측정하여 회전에 따라서 변조되어 측정되는 지자기 센서값을 토대로 회전수를 계산하는 것을 특징으로 한다.The geomagnetic sensor measures the geomagnetic field around the shell, calculates the number of revolutions based on the geomagnetic sensor value modulated by the rotation and measured.

또한, 상기 롤각 추정 정보는 상기 지자기 센서로부터의 지구 자기장 정보 중 지자기 회전수를 이용하여 생성되는 지자기 롤각 추정 정보, 및 상기 관성 측정 센서로부터의 운동 정보 중 자이로스코프 회전수 및 상기 지자기 회전수를 이용하여 생성되는 위성 항법 수신기 롤각 추정 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.The roll angle estimation information may include geomagnetism roll angle estimation information generated using the geomagnetism rotation number among the geomagnetic field information from the geomagnetism sensor, and geomagnetic roll angle estimation information using the gyroscope rotation number and the geomagnetism number And the satellite navigation receiver roll angle estimation information generated by the satellite navigation receiver roll angle estimation information.

또한, 상기 지자기 롤각 추정 정보 및 위성 항법 수신기 롤각 추정 정보는 위성 수신 세기의 저하에 상쇄하기 위해 선택적으로 적용되는 것을 특징으로 한다.In addition, the geomagnetism roll angle estimation information and the satellite navigation receiver roll angle estimation information are selectively applied to compensate for a decrease in satellite reception intensity.

또한, 상기 지자기 회전수는 상기 위성 항법 수신기 추정 정보를 위한 측정 주기보다 빠른 측정 주기를 가지는 것을 특징으로 한다.Also, the geomagnetism rotation speed has a measurement period earlier than the measurement period for the GPS receiver estimation information.

또한, 상기 관성측정 센서는 포탄 발사시 내고충격성을 확보하고 소형 적용을 위해 MEMS IMU(Micro Electro Mechanical Systems Inertial Measurement Unit)인 것을 특징으로 한다.In addition, the inertial measurement sensor is a MEMS IMU (Micro Electro Mechanical Systems Inertial Measurement Unit) for assuring high impact resistance at the time of shell firing and for small application.

또한, 상기 롤각의 추정은 회전수 변화에도 상기 지자기 센서(120)의 회전수 추정값 또는 상기 관성 측정 센서의 자이로스코프의 회전수 측정값을 반영하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.Also, the roll angle estimation is performed by reflecting the rotation speed estimation value of the geomagnetism sensor 120 or the rotation speed measurement value of the gyroscope of the inertia measurement sensor even in the change of the rotation speed.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 관성 측정 센서(110)가 포탄의 운동 정보를 측정하는 단계; (b) 지자기 센서(120)가 상기 포탄 주위의 지구 자기장 정보를 측정하는 단계; (c) 위성항법 수신기(130)가 위성 항법 신호를 획득하는 단계; (d) 포탄의 속도 벡터를 이용하여 피치각 요각을 추정하는 비행중 초기 정렬을 수행하는 단계; (e) 롤각 추정기(140)가 상기 운동 정보, 지구 자기장 정보 및 위성 항법 신호를 이용하여 상기 포탄의 롤각을 추정하여 롤각 추정 정보를 생성하는 단계; (f) 관성항법장치(150)가 상기 롤각 추정 정보 및 운동 정보를 이용하여 포탄 관성 항법 정보를 산출하는 단계; 및 (g) 복합항법장치(170)가 상기 포탄 관성 항법 정보와 위성 항법 신호의 오차를 보정하여 비행중 포탄의 정밀 비행 정보를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 방법을 제공한다.On the other hand, another embodiment of the present invention includes: (a) measuring the motion information of the shell by the inertial measurement sensor 110; (b) measuring the geomagnetic field information around the shell by the geomagnetic sensor 120; (c) the satellite navigation receiver 130 acquires a satellite navigation signal; (d) performing in-flight initial alignment to estimate the pitch angle of yaw using the velocity vector of the shell; (e) the roll angle estimator 140 estimates the roll angle of the shell using the exercise information, the geomagnetic field information, and the satellite navigation signal to generate roll angle estimation information; (f) calculating inertia navigation information using the roll angle estimation information and the motion information by the inertial navigation device 150; And (g) calculating the precise flight information of the shell during the flight by correcting the error of the navigation signal and the navigation signal of the composite navigation device 170. The geomagnetic sensor and the satellite navigation signal To provide a roll angle alignment navigation method for guided cannons.

본 발명에 따르면, 지자기 센서와 위성항법 신호를 적용하여 포탄의 초기 롤각 추정이 가능하다.According to the present invention, it is possible to estimate an initial roll angle of a shell by applying a geomagnetic sensor and a satellite navigation signal.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 회전수가 변화는 구간에서도 롤각 추정이 가능하며 이를 토대로 포탄의 비행 중 정밀 위치 속도 및 자세 계산이 가능하다는 점을 들 수 있다.Another advantage of the present invention is that the roll angle estimation can be performed even in the section where the number of revolutions changes, and the precise position velocity and posture of the cannon during flight can be calculated.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템의 구성 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 롤각 추정기의 세부 구성 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유도 포탄용 롤각 정렬 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 도 3에 도시된 비행중 롤각 정렬 단계를 상세하게 보여주는 흐름도이다.
1 is a block diagram of a roll angle alignment navigation system for guided cannons according to an embodiment of the present invention.
2 is a detailed block diagram of the roll angle estimator shown in FIG.
3 is a flow chart illustrating a roll angle alignment process for guided cannons according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flow chart showing in detail the step of in-flight roll angle alignment shown in FIG.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The term " and / or " includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Should not.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description will be given of a roll angle alignment navigation system for guided cannons based on a geomagnetic sensor and a satellite navigation signal according to an embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings.

포탄의 정밀 유도 조종을 위해서는 항법 장치로부터 비행 중 포탄의 현재 위치, 속도 및 자세를 획득하는 기술이 필수적이다. 유무인기, 항공기, 유도탄용 항법장치와는 다르게 정밀 유도 포탄용 항법 장치에는 비행 중 초기 정렬에 롤각 추정의 별도 기능이 필수적이다. For precise inductive maneuvering of the shell, it is essential to acquire the current position, velocity and attitude of the shell in flight from the navigation system. Unlike the navigation devices for popular, airplanes, and missiles, it is essential for the navigation device for precision guided cannon to have an additional function of roll angle estimation in the initial alignment during flight.

일반적인 초기 정렬 기술은 주로 정지 상태 또는 등속 수평 비행거동을 이용하나, 포발사 중 회전 및/또는 충격을 정밀한 측정이 가능한 센서가 없고, 포탄의 비행 거동의 특성 반영이 불가능하다.In general, the initial alignment technique mainly uses static or steady horizontal flight behavior, but there is no sensor capable of precise measurement of rotation and / or impact during the wrapping and it is impossible to reflect the characteristics of the flight behavior of the shell.

특히, 자세 정보 중에서 롤각 추정 기법의 난이도가 높기 때문에 관련 연구가 다수 진행되고 있다. 관성항법을 수행하기 위해서 사용되는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서는 포탄에 적용하기 위해서 내고충격성을 확보하고 탑재 공간의 제약이 크기 때문에 소형의 MEMS(Micro Electro Mechanical + Systems) 종류를 적용한다. 관성항법의 단점과 위성항법의 단점을 극복하기 위해 둘을 융합한 GPS/INS(Global Positioning Systems/Inertial Navigation System)의 정밀 비행을 적용하여 정밀도를 향상시킨다.Especially, since the degree of difficulty of the roll angle estimation technique is high in the attitude information, many studies have been conducted. The IMU (Inertial Measurement Unit) sensor used to perform inertial navigation uses a small type of MEMS (Micro Electro Mechanical + Systems) because it has high impact resistance for application to shells and has a large space for mounting. In order to overcome the disadvantages of inertial navigation and the disadvantages of satellite navigation, we apply precision flight of GPS / INS (Global Positioning Systems / Inertial Navigation System)

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템(100)은, 포탄의 운동 정보를 측정하는 관성 측정 센서(110), 포탄 주위의 지구 자기장 정보를 측정하는 지자기 센서(120), 위성 항법 신호를 획득하는 위성항법 수신기(130), 상기 운동 정보, 지구 자기장 정보 및 위성 항법 신호를 이용하여 상기 포탄의 롤각을 추정하여 롤각 추정 정보를 생성하는 롤각 추정기(140), 롤각 추정 정보를 이용하여 포탄 관성 항법 정보를 산출하는 관성항법장치(150), 상기 포탄 관성 항법 정보와 위성 항법 신호를 합하여 합산 정보를 생성하는 합산기(160), 합산 정보를 이용하여 비행중 포탄의 정밀 비행 정보를 산출하는 정밀 비행장치(170) 등을 포함하여 구성될 수 있다.1 is a block diagram of a configuration of a roll angle alignment navigation system 100 for guided cannons according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a roll angle alignment navigation system 100 for guided cannels includes an inertial measurement sensor 110 for measuring movement information of a cannon, a geomagnetic sensor 120 for measuring geomagnetic field information around the cannon, A roll angle estimator 140 for estimating a roll angle of the cannon using the motion information, the geomagnetic field information, and the satellite navigation signal to generate roll angle estimation information, An inertial navigation device 150 for calculating inertial navigation information, an adder 160 for generating summation information by summing the shell inertial navigation information and the satellite navigation signal, A precision flight device 170, and the like.

일반적으로 유도 포탄에 적용되는 항법장치의 운용개념은 다음과 같다. 포탄 발사전 예상 궤적정보와 위성항법 관련 정보를 포탄에 장입한다. 포탄 발사가 이루어지면 비행 초기에 00Hz 이상의 고속회전을 하며, 회전 속도는 점차 0~00 Hz 수준으로 감소하게 된다. In general, the operational concept of the navigation device applied to the guided artillery is as follows. The shell is charged with information about the expected trajectory and satellite navigation related information. When the shell is fired, it rotates faster than 00Hz at the beginning of flight, and the rotation speed gradually decreases to 0 ~ 00 Hz.

일반 비행체들과 달리 정점을 향해 비행하는 구간의 고속 및 고회전 상태에서 위성항법 초기화 및 초기 정렬을 해야 하는 어려운 점이 있다. 이때 위성항법 수신기(130)는 신속 초기화 방식으로 신호를 획득하며, 초기 정렬 및 롤각 정렬은 관성 측정 센서(110)(각속도 센서, 가속도 센서 등으로 이루어짐)와 지자기 센서(120)의 데이터를 활용하여 수행한다.Unlike general air vehicles, it is difficult to initialize and initialize the navigation system in the high speed and high rotation state of the section that travels toward the vertex. At this time, the satellite navigation receiver 130 acquires the signal in the quick initialization mode, and the initial alignment and roll angle alignment are performed using the data of the inertia measurement sensor 110 (including the angular velocity sensor and the acceleration sensor) and the geomagnetic sensor 120 .

부연하면, 초기 정렬에 필요한 롤 각, 피치 각, 요 각 중에서 피치각과 요 각은 위성항법장치에서 출력되는 노스(North), 이스트(East), 및 다운(Down) 방향의 속도벡터의 관계를 삼각법을 통해서 계산하며, 피치각은 노스 방향과 이스트 방향의 속도 합 벡터와 다운 방향과의 사이각을 계산하며, 요 각은 노스 방향과 이스트 방향의 속도 벡터 사이각을 계산하여 사용한다. 롤각은 지자기 센서 데이터를 활용하여 계산되는 롤각 정렬 기법을 사용하며, 이에 대해서는 후술한다.In addition, the pitch angle and the yaw angle of the roll angle, pitch angle and yaw angle required for initial alignment are calculated by using the trigonometric method of the relationship between the velocity vectors in the North, East, And the pitch angle is calculated by calculating the angle between the velocity sum vector of the north direction and the east direction and the down direction and calculating the angle between the velocity vector in the north direction and the east direction. The roll angle uses a roll angle sorting technique which is calculated using geomagnetic sensor data, which will be described later.

이때, 조종날개를 이용하여 유도 조종 기법을 통해 회전 속도를 감쇠시킬 수 있다. 이후, 관성항법과 GPS/INS 복합 항법을 수행하여 정밀한 위치, 속도 및 자세의 항법 정보를 얻게 된다.At this time, the rotation speed can be attenuated through the induction steering technique using the control wing. After that, inertial navigation and GPS / INS navigation are performed to obtain navigation information of precise position, speed, and attitude.

한편, 포발사후 전원이 인가되어 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템(100)내의 모든 구성요소들이 활성화되면, 관성 측정 센서(110), 지자기 센서(120), 및 위성 항법 수신기(130)가 초기화 된다.On the other hand, when all the elements in the roll angle alignment navigation system 100 for induction cannons are activated after the envelope is powered up, the inertial measurement sensor 110, the geomagnetic sensor 120, and the satellite navigation receiver 130 are initialized .

관성 측정 센서(110)는 관성을 바탕으로 하는 센서로서, 가속도 감지를 위한 하나 이상의 가속도계, 회전 속도를 감지하는 하나 이상의 자이로스코프로 구성되며, 포탄의 운동 정보를 산출한다. 운동 정보로는 포탄의 회전 운동, 선형 가속도 등을 들 수 있다.The inertial measurement sensor 110 is an inertial sensor. The inertial measurement sensor 110 is composed of at least one accelerometer for sensing acceleration, and at least one gyroscope for sensing the rotational speed, and calculates motion information of the shell. Examples of exercise information include rotation of the cannon, linear acceleration, and the like.

관성 측정 센서(110)는 포탄 발사 시 내고충격성을 확보하고 소형 적용을 위해 MEMS IMU(Micro Electro Mechanical Systems Inertial Measurement Unit)가 될 수 있다. MEMS IMU(각속도 센서, 가속도 센서)는 3축으로 구성되어 포탄의 회전운동 및/또는 선형 가속도를 측정한다.The inertial measurement sensor 110 may be a MEMS IMU (Micro Electro Mechanical Systems Inertial Measurement Unit) for ensuring high impact resistance at the time of shell firing and for compact application. The MEMS IMU (angular velocity sensor, acceleration sensor) consists of three axes measuring the rotational motion and / or linear acceleration of the shell.

지자기 센서(120)는 포탄 주위의 지구 자기장을 측정하는 기능을 수행한다. 지자기 센서(120)는 홀 이펙트(hall effect)나 자기 저항 효과(Magnetoresistive Effect)를 이용하여 만들어진다. 특히, 지자기 센서(120)는 포탄 주위의 지구 자기장을 측정하여 회전에 따라서 변조되어 측정된 지자기 센서값을 토대로 회전수를 계산한다.The geomagnetic sensor 120 performs a function of measuring a geomagnetic field around the shell. The geomagnetic sensor 120 is formed using a hall effect or a magnetoresistive effect. In particular, the geomagnetic sensor 120 measures the geomagnetic field around the shell, calculates the number of rotations based on the geomagnetism sensor value modulated by the rotation and measured.

위성 항법 수신기(130)는 GNSS(Global Navigation Satellite Systems) 수신기가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, GPS(Global Positioning Systems) 등이 될 수 있다. 특히, 위성 항법 수신기(130)에서는 신속 초기화를 완료하면, 포탄의 현재 위치, 속도 및 시간의 항법 정보를 얻는다.The satellite navigation receiver 130 may be a Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receiver, but is not limited thereto, and may be a GPS (Global Positioning System) or the like. In particular, when the satellite navigation receiver 130 completes the quick initialization, it obtains navigation information of the current position, speed, and time of the shell.

롤각 추정기(140)는 관성 측정 센서(110), 지자기 센서(120) 및 위성 항법 수신기(130)로부터 데이터를 수신하여 포탄의 롤각을 추정하는 기능을 수행한다. 즉, 롤각 추정 정보를 생성한다. 롤각 추정기(140)가 수행하는 기능을 세부적으로 보여주는 도면이 도 2에 도시되며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.The roll angle estimator 140 receives data from the inertial measurement sensor 110, the geomagnetic sensor 120, and the satellite navigation receiver 130 to estimate the roll angle of the shell. That is, the roll angle estimation information is generated. A detailed view of the functions performed by the roll angle estimator 140 is shown in FIG. 2, which will be described later.

관성 항법 장치(150)는 관성 측정 센서(110) 및 롤각 추정기(140)로부터 각각 운동 정보 및 롤각 추정 정보를 받아 포탄 관성 항법 정보를 산출한다. 포탄 관성 항법 정보로는 포탄의 초기 위치, 비행중 위치, 비행중 속도 및 비행중 자세 정보 등을 들 수 있다. 부연하면, 롤각 추정기(140)에서는 관성 측정 센서(110), 지자기 센서(120), 및 위성 항법 수신기(130)의 출력 신호들을 입력받아 롤각 정렬을 수행한다. 이를 관성 항법 장치(150)에 전달하여, 초기 위치 속도 및 자세를 관성 항법을 위한 초깃값으로 설정하여 관성 항법을 수행한다. 관성항법은 적분 방식을 기반하며 초깃값의 설정 오차는 관성항법의 오차로 즉결되기 때문에 초기 자세 결정에 대한 오차를 줄이는 것은 중요하다.The inertial navigation apparatus 150 receives the motion information and the roll angle estimation information from the inertial measurement sensor 110 and the roll angle estimator 140, respectively, and calculates the inertia navigation information. The information about the shell inertial navigation includes the initial position of the shell, the position during flight, the speed during flight, and attitude information during flight. The roll angle estimator 140 receives the output signals of the inertial measurement sensor 110, the geomagnetic sensor 120, and the satellite navigation receiver 130 to perform roll angle alignment. The inertial navigation system 150 transmits the initial position and velocity to the inertial navigation system 150 by setting the initial position velocity and attitude as the initial values for the inertial navigation. It is important to reduce the error of the initial attitude determination because the inertial navigation is based on the integration method and the setting error of the initial value is fixed by the inertial navigation error.

초기 위치, 속도, 및 자세에 대한 항법 정보 중에서 초기 위치와 속도는 위성 항법 수신기(130)의 신속 초기화 방식을 통해서 획득하게 된다. 신속 초기화 방식은 일반적인 위성항법 수신기 보다 빠른 시간 안에 위치와 속도를 획득하기 위한 방식으로, 항법해 도출을 위한 일부 값을 사전에 장입하여 시간을 단축시키는 기술로 일반적인 신속 초기화 방식과 동일하다.The initial position and speed among the navigation information on the initial position, speed, and attitude are acquired through the quick initialization method of the GPS receiver 130. The rapid initialization method is a method for acquiring position and speed in a shorter time than a general satellite navigation receiver. It is a technique to shorten the time by preliminarily charging some values for navigation, and is the same as a general quick initialization method.

자세에 대한 항법 정보는 롤각, 피치각 및 요각에 대한 세 가지로 표현되며, 이 중에 피치각과 요각은 위성항법 수신기(130)에서 출력되는 각 축의 속도 벡터(East, North, Down) 또는 위성항법이 불능 시에 미리 지상에서 계산되어 포탄에 장입된 포탄의 사전 장입 궤적 정보를 삼각법을 이용하여 추정된다. The pitch angle and the yaw angle are represented by the velocity vectors (East, North, Down) of each axis output from the satellite navigation receiver 130 or satellite navigation In the case of failure, the pre-loading trajectory information of the shell previously calculated on the ground and charged to the shell is estimated using trigonometry.

부연하면, 행중 피치각과 요 각은 위성항법장치에서 출력되는 노스(North), 이스트(East), 및 다운(Down) 방향의 속도벡터의 관계를 삼각법을 통해서 계산하며, 피치각은 노스 방향과 이스트 방향의 속도 합 벡터와 다운 방향과의 사이각을 계산하며, 요 각은 노스 방향과 이스트 방향의 속도 벡터 사이각을 계산하여 사용한다.In addition, the row pitch angle and the yaw angle calculate the relationship of the velocity vectors in the North, East, and Down directions output from the navigation system through trigonometry, The angle between the velocity sum vector in the direction and the down direction is calculated, and the angle between the velocity vector in the north direction and the east direction is calculated and used.

복합 항법 장치(170)는 비행중 포탄의 정밀 비행 정보를 산출하는 기능을 수행한다. 부연하면, 관성 항법 장치(150)로부터 수신된 포탄 관성 항법 정보와 위성 항법 수신기(130)로부터 획득된 위성 항법 신호를 이용하여 비행중 포탄의 정밀 비행 정보를 산출한다. 정밀 비행 정보로는 상기 비행중 위치 정보를 보정한 보정 위치, 비행중 속도 정보를 보정한 보정 속도 정보, 및 비행중 자세 정보를 보정한 보정 자세 정보 등을 들 수 있다.The complex navigation apparatus 170 performs a function of calculating accurate flight information of the shell during the flight. In detail, the accurate flight information of the shell during flight is calculated using the shell inertial navigation information received from the inertial navigation device 150 and the satellite navigation signal obtained from the satellite navigation receiver 130. The precision flight information includes a correction position corrected for the position information during the flight, correction speed information corrected for speed information during flight, and correction attitude information corrected for attitude information during flight.

도 1에서는 합산기(160)를 별도로 도시하였으나, 설계에 따라서는 합산기(160)를 복합 항법 장치(170)에 병합하여 구성하는 것도 가능하다. 합산기(160)는 소프트웨어 블럭을 의미하나, 이에 한정하지 않고 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구성될 수 있다.Although the summer 160 is shown separately in FIG. 1, it is also possible to combine the summer 160 with the combined navigation device 170 according to design. The summer 160 is a software block, but it is not limited thereto and may be a combination of hardware and software.

도 2는 도 1에 도시된 롤각 추정기(140)의 세부 구성 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 롤각 추정기(140)는, 정보를 획득하는 센싱 정보 획득 모듈(210), 획득한 정보를 이용하여 롤각을 추정하는 롤각 연산 모듈(220) 및 추정된 롤각들을 선택적으로 적용하는 롤각 정렬 모듈(230) 등을 포함하여 구성될 수 있다.2 is a detailed block diagram of the roll angle estimator 140 shown in FIG. 2, the roll angle estimator 140 includes a sensing information acquisition module 210 for obtaining information, a roll angle calculation module 220 for estimating a roll angle using the acquired information, A roll angle alignment module 230, and the like.

센싱 정보 획득 모듈(210)은 관성 측정 센서(110), 지자기 센서(120) 및 위성 항법 수신기(130)로부터 데이터를 획득하는 기능을 수행한다. 부연하면, 센싱 정보 획득 모듈(210)은 관성 측정 센서(110)로부터 포탄의 운동 정보, 지자기 센서(120)로부터 지구 자기장 정보, 위성 항법 수신기(130)로부터 위성 항법 신호 등을 획득한다.The sensing information acquisition module 210 performs a function of acquiring data from the inertial measurement sensor 110, the geomagnetic sensor 120, and the satellite navigation receiver 130. The sensing information acquisition module 210 acquires motion information of the cannon from the inertial measurement sensor 110, geomagnetic field information from the geomagnetism sensor 120, satellite navigation signal from the satellite navigation receiver 130, and the like.

롤각 연산 모듈(220)은 운동 정보, 지구 자기장 정보 및 위성 항법 신호를 이용하여 상기 포탄의 롤각을 추정하여 롤각 추정 정보를 생성하는 기능을 수행한다. 즉, 지자기 센서(120)로부터의 지구 자기장 정보 중 지자기 회전수를 이용하여 지자기 롤각 추정 정보를 생성하거나, 관성 측정 센서(110)로부터의 운동 정보 중 자이로스코프 회전수 또는 지자기 센서(120)로부터의 지구 자기장 정보 중 지자기 회전수를 위성 항법 수신기(130)에 적용하여 위성 항법 수신기 롤각 추정 정보를 생성한다. The roll angle calculation module 220 performs a function of generating roll angle estimation information by estimating the roll angle of the shell using exercise information, geomagnetic field information, and satellite navigation signal. That is, geomagnetism roll angle estimation information may be generated using the geomagnetism rotation number among the geomagnetic field information from the geomagnetic sensor 120, or the geomagnetism rotation information may be generated from the geomagnetism sensor 120 The geomagnetism rotation number of the geomagnetic field information is applied to the satellite navigation receiver 130 to generate the GPS navigation roll angle estimation information.

또한, 위성 항법 수신기(130)의 위성 항법 수신기 롤각 추정 정보만으로 추정이 가능하다.Also, it is possible to estimate only the satellite navigation receiver roll angle estimation information of the satellite navigation receiver 130.

롤각 정렬 모듈(230)은 지자기 롤각 추정 정보 및 위성 항법 수신기 롤각 추정 정보를 선택적으로 사용하거나 서로 보완적으로 사용하여 포탄의 피치각 및 요각을 추정하거나, 위성 항법 수신기 롤각 추정 정보로 포탄의 피치각 및 요각을 추정하는 기능을 수행한다.The roll angle alignment module 230 estimates the pitch angle and the yaw angle of the shell by selectively using the geomagnetism roll angle estimation information and the satellite navigation receiver roll angle estimation information or by using them separately or by using the satellite navigation receiver roll angle estimation information as the pitch angle And estimates the yaw angle.

도 1 및 도 2에 기재된 "롤각 추정기", "센싱 정보 획득 모듈", "롤각 연산 모듈", "롤각 정렬 모듈"등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.The term " roll angle estimator ", " sensing information acquisition module ", " roll angle calculation module ", " roll angle alignment module ", etc. described in FIGS. 1 and 2 means a unit for processing at least one function or operation, And / or a combination of software.

하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.(DSP), a programmable logic device (PLD), a field programmable gate array (FPGA), a processor, a controller, a microprocessor, and the like, which are designed to perform the above- , Other electronic units, or a combination thereof. In software implementation, it may be implemented as a module that performs the above-described functions. The software may be stored in a memory unit and executed by a processor. The memory unit or processor may employ various means well known to those skilled in the art.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유도 포탄용 롤각 정렬 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 비행 중 초기 정렬 단계로 포탄의 피치각 및 요각을 추정한다(단계 S310). 부연하면, 상기 위성 항법 수신기(130)의 속도 벡터 또는 위성항법 불능 시에 출력되는 포탄의 사전 장입 궤적 정보를 이용하여 삼각법으로부터 포탄의 초기 피치각 및 초기 요각을 추정한다.3 is a flow chart illustrating a roll angle alignment process for guided cannons according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the pitch angle and the yaw angle of the shell are estimated in an initial alignment step during flight (step S310). The initial pitch angle and the initial yaw angle of the shell are estimated from the trigonometric method using the speed vector of the satellite navigation receiver 130 or the preloading trajectory information of the shell outputted when the satellite navigation is impossible.

이후, 비행 중 롤각 정렬 단계로, 위성 항법 수신기(130)의 위성항법 수신기 롤각 추정(240) 정보만을 가지고 추정할 수 있으며, 또는 위성항법 수신기(40)에 MEMS IMU GYROSCOPE 회전수(220) 또는 지자기 회전수(210)를 적용하여 회전수 변화에도 추정할 수도 있다. 지자기 센서가 지구 자기장을 측정하고, 포탄의 회전에 의해 변화되는 특성을 활용하여 단독으로 롤각 및 회전수를 추정할 수 있다. 상기 방법들은 운영 방식에 따라서 상호 보완적으로 선택하여 사용할 수 있다는 것을 특징으로 한다.In this case, it is possible to estimate only the information of the satellite navigation receiver roll angle estimation 240 of the satellite navigation receiver 130 or the MEMS IMU GYROSCOPE rotation number 220 or the geomagnetism information of the satellite navigation receiver 40, It is also possible to estimate the change in the number of revolutions by applying the number of revolutions 210 as well. The geomagnetic sensor measures the earth's magnetic field and can estimate the roll angle and the number of revolutions independently by using the characteristics that are changed by the rotation of the cannon. The above methods are characterized in that they can be selected and used complementarily according to the operating method.

위 추정 방식들은 운영 방식에 따라서 상호 보완적으로 선택하여 사용될 수 있다.The above estimation methods can be used complementarily depending on the operating method.

이후, 관성 측정 센서(110)(각속도 센서, 가속도 센서등으로 이루어짐) 및 위성 항법 수신기(130)를 통해 획득한 데이터를 이용하여 관성 항법 장치(150)에서 포탄의 초기 위치 속도 및 자세를 계산한다(단계 S330). 이 관성항법 단계는 비행 중 초기정렬 단계(S310) 및 비행 중 롤각 정렬 단계(S320)에서 추정된 포탄의 초기 자세 값을 이용하여 포탄의 비행중 위치, 속도, 및 자세를 계산한다.Thereafter, the inertial navigation apparatus 150 calculates the initial positional velocity and posture of the shell using the data acquired through the inertial measurement sensor 110 (including the angular velocity sensor and the acceleration sensor) and the satellite navigation receiver 130 (Step S330). This inertial navigation step calculates the position, velocity, and posture of the shell during flight using the estimated initial attitude of the shell in the initial alignment step S310 during flight and the roll angle alignment step S320 during flight.

이후, 복합항법 단계로써, 상기 위성 항법 수신기(130)의 데이터와 상기 관성 항법 장치(150)에서 계산된 항법 정보를 복합 항법 장치(170)에서 결합함으로써 위성 항법 수신기(130)와 관성 항법 장치(150)의 오차를 보정하여 비행 중 포탄의 정밀한 위치, 속도, 및 자세를 갖는 정밀 비행 정보를 계산한다(단계 S340). 부연하면, 오차가 보정되는 것은 결합하는 것 그 자체로써 가능하다. 결합하는 방식 자체가 가지는 장점이다. GPS는 느린 주기의 측정 정보이며, 누적 오차가 없고, IMU는 빠른 주기의 측정 정보이며, 누적 오차가 있기 때문에 결합함으로써 상호 보완적으로 오차가 보정되는 것을 일반적인 특징으로 한다.Thereafter, in the composite navigation step, the data of the satellite navigation receiver 130 and the navigation information calculated by the inertial navigation device 150 are combined in the navigation device 170, 150) to correct flight information having precise position, velocity, and attitude of the shell during flight (step S340). In other words, the correction of the error is possible by itself. It is an advantage that the combining method itself has. GPS is the measurement information of a slow cycle, there is no cumulative error, IMU is measurement information of a fast cycle, and there is an accumulated error, so that the error is compensated by complementary correction.

도 4는 도 3에 도시된 비행중 롤각 정렬 단계를 상세하게 보여주는 흐름도이다. 일반적으로, 고속 비행과 자유비행 등의 비행 거동 특성을 가지는 포탄에서는 일반적으로 알려진 유/무인기, 항공기, 유도탄 등에 사용되는 항법 장치의 롤각 정렬 기법이 불가능하다.FIG. 4 is a flow chart showing in detail the step of in-flight roll angle alignment shown in FIG. In general, it is not possible to use the roll angle alignment technique of navigation devices commonly used in U / UAV, aircraft, and missile, in the case of shells having flight characteristics such as high speed flight and free flight.

앞서 제시한 피치각과 요각보다는 고속 회전 영향 때문에 변화 특성이 크다는 특징을 가지는 롤각에 대한 추정 방식 연구가 더욱 어렵다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 기법 간의 특성을 반영하여 다수의 기법을 선택적으로 사용한다.It is more difficult to study the estimation method for the roll angle, which is characterized in that the change characteristic is large due to the influence of the high speed rotation rather than the pitch angle and the yaw angle. Thus, in one embodiment of the present invention, multiple techniques are selectively used to reflect the characteristics of the techniques.

도 4를 참조하면, 위성 항법 수신기(130)가 롤 회전함에 따라서 수신 세기가 변조되는 특성을 적용하여 위성 항법 수신기 롤각 추정 정보를 출력할 수 있다(단계 S440). 변조되는 특성이란 롤 회전을 하게 되면 위성 항법 수신기(130)의 수신 세기가 정현파 형식으로 변조되면서, 수신 세기가 가장 클 때가 위성을 바라보고 있는 방향임을 토대로 위성과 위성 항법 수신기(130)의 관계에서부터 롤각을 계산한다. 최대값의 주기를 측정하여 회전수를 계산할 수 있다.Referring to FIG. 4, the satellite navigation receiver roll angle estimation information may be output by applying the characteristic that the reception strength is modulated as the satellite navigation receiver 130 rolls (step S440). The characteristic of being modulated is that when the roll rotation is performed, the reception intensity of the satellite navigation receiver 130 is modulated in a sinusoidal wave form, and when the reception intensity is the largest, Calculate roll angle. The number of revolutions can be calculated by measuring the cycle of the maximum value.

또한, 지자기 센서(120)는 포탄 주위의 지구 자기장을 측정하고 있으며, 회전축을 기점으로 회전 변조되는 특성을 가지고 있어서 최대값을 가지는 방향이 현재 포탄의 위치에서의 지구 자기장 방향임을 토대로 지자기 롤각 추정 정보를 출력하며(단계 S430), 최대값의 주기를 측정하여 지자기 회전수를 계산할 수 있다(단계 S410). The geomagnetic sensor 120 measures the geomagnetic field around the shell and has a characteristic of being rotationally modulated based on the rotation axis. The geomagnetic sensor 120 measures the geomagnetic field of the geomagnetic sensor (Step S430), and calculates the geomagnetism number by measuring the period of the maximum value (step S410).

위성항법 수신기 롤각 추정 정보는 단독으로 추정하는 현재 시점의 포탄 회전수가 일정하다는 가정하에 롤각 추정이 가능하며, 포탄의 운영 개념상 회전수 유지 조건 만족이 어렵거나, 회전수 변화 구간에서는 오차가 커지는 단점이 있다.The roll angle estimation information of the satellite navigation receiver can estimate the roll angle on the assumption that the number of revolutions of the shell at the present time is constant and can not be satisfied due to the operation concept of the shell, .

이를 보완하기 위해서 지자기 회전수 또는 관성 측정 센서(110)의 자이로스코프 회전수를 선택적으로 이용하여 사용할 수 있다(단계 S410,S420). 상기 롤각 추정 방식들은 각각의 특성이 있으며, 위성항법 수신기 롤각 추정 정보는 위성 수신 세기의 저하 시에는 추정이 불가능하기 때문에 지자기 롤각 추정 방식을 적용할 수 있다. In order to compensate for this, the geomagnetism rotation speed or the gyroscope rotation speed of the inertia measurement sensor 110 may be selectively used (steps S410 and S420). Since the roll angle estimating methods have respective characteristics, and the satellite navigation receiver roll angle estimating information can not be estimated when the satellite receiving strength is lowered, the geomagnetism roll angle estimating method can be applied.

또한, 지자기 롤각 추정 방식이 위성항법 수신기 롤각 추정 방식보다 빠른 측정 주기를 가지고 있기 때문에 포탄의 운용 개념에서 빠른 주기의 롤각 추정값이 필요할 경우에 적용 가능하다(단계 S450).In addition, since the geomagnetism roll angle estimation method has a measurement period faster than that of the satellite navigation receiver roll angle estimation method, it is applicable to a case where a roll angle estimation value of a fast cycle is needed in the operation concept of the shell (step S450).

또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. Furthermore, the steps of a method or algorithm described in connection with the embodiments disclosed herein may be embodied in the form of a program form which may be performed via a variety of computing means, and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include a program (command) code, a data file, a data structure, and the like, alone or in combination.

상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다. The program (command) codes recorded on the medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be those known to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, Blu-ray and the like, and ROMs, RAM), flash memory, and the like, which are specifically configured to store and execute program (instruction) codes.

여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Here, examples of program (command) codes include machine language codes such as those produced by a compiler, as well as high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

100: 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템
110: 관성 측정 센서
120: 지자기 센서
130: 위성 항법 수신기
140: 롤각 추정기
150: 관성항법장치
160: 합산기
170: 복합항법장치
100: Roll angle alignment navigation system for guided cannons
110: inertia measurement sensor
120: Geomagnetic sensor
130: Satellite navigation receiver
140: roll angle estimator
150: Inertial navigation system
160:
170: Combined navigation system

Claims (15)

포탄의 운동 정보를 측정하는 관성 측정 센서(110);
상기 포탄 주위의 지구 자기장 정보를 측정하는 지자기 센서(120);
위성 항법 신호를 획득하는 위성항법 수신기(130);
포탄의 속도 벡터를 이용하여 피치각 요각을 추정하는 비행중 초기 정렬을 수행하고, 상기 운동 정보, 지구 자기장 정보 및 위성 항법 신호를 이용하여 상기 포탄의 롤각을 추정하여 롤각 추정 정보를 생성하는 롤각 추정기(140);
상기 롤각 추정 정보 및 운동 정보를 이용하여 포탄 관성 항법 정보를 산출하는 관성항법장치(150); 및
상기 포탄 관성 항법 정보와 위성 항법 신호의 오차를 보정하여 비행중 포탄의 정밀 비행 정보를 산출하는 복합항법장치(170);를 포함하며,
상기 지자기 센서(120)는 포탄 주위의 지구 자기장을 측정하여 회전에 따라서 변조되어 측정되는 지자기 센서값을 토대로 회전수 및 회전각을 계산하고,
상기 롤각 추정 정보는 상기 지자기 센서(120)로부터의 지구 자기장 정보 중 지자기 회전수를 이용하여 생성되는 지자기 롤각 추정 정보, 및 상기 관성 측정 센서(110)로부터의 운동 정보 중 자이로스코프 회전수 및 상기 지자기 회전수를 이용하여 생성되는 위성 항법 수신기 롤각 추정 정보 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 지자기 롤각 추정 정보 및 위성 항법 수신기 롤각 추정 정보는 위성 수신 세기의 저하에 상쇄하기 위해 선택적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템.
An inertial measurement sensor 110 for measuring movement information of the cannon;
A geomagnetic sensor 120 for measuring geomagnetic field information around the shell;
A satellite navigation receiver (130) for acquiring a satellite navigation signal;
A roll angle estimator for estimating a pitch angle of yaw angle using a velocity vector of the cannon and performing in-flight initial alignment, and estimating a roll angle of the cannon using the motion information, the geomagnetic field information, (140);
An inertial navigation device 150 for calculating the shell inertial navigation information using the roll angle estimation information and the motion information; And
And a complex navigation device (170) for correcting errors of the navigation information and the satellite navigation signal to calculate precise flight information of the shell during the flight,
The geomagnetic sensor 120 measures the geomagnetic field around the shell, calculates the number of revolutions and the rotation angle based on the geomagnetism sensor value modulated according to the rotation and measured,
The roll angle estimation information includes geomagnetism roll angle estimation information generated using the geomagnetism rotation number among the geomagnetic field information from the geomagnetic sensor 120 and the geomagnetism roll angle estimation information using the gyroscope rotation number and the geomagnetism rotation information from the inertia measurement sensor 110. [ And satellite navigation receiver roll angle estimation information generated using the rotation number,
Wherein the geomagnetism roll angle estimation information and the satellite navigation receiver roll angle estimation information are selectively applied to compensate for the decrease in the satellite reception intensity, based on the geomagnetic sensor and the satellite navigation signal.
제 1 항에 있어서,
상기 운동 정보는 상기 포탄의 회전 운동 및 선형 가속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the motion information includes a rotational motion and a linear acceleration of the cannonball, and a roll angle alignment navigation system for guided cannons based on a satellite navigation signal.
제 2 항에 있어서,
상기 포탄 관성 항법 정보는 상기 포탄의 초기 위치 정보, 비행중 위치 정보, 초기 속도 정보, 비행중 속도 정보, 초기 자세 정보, 및 비행중 자세 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the shell inertial navigation information includes initial position information, in-flight position information, initial velocity information, in-flight velocity information, initial position information, and attitude information during flight of the shell, Roll Angle Alignment Navigation System for Guided Shells Based.
제 3 항에 있어서,
상기 정밀 비행 정보는 상기 비행중 위치 정보를 보정한 보정 위치, 비행중 속도 정보를 보정한 보정 속도 정보, 및 비행중 자세 정보를 보정한 보정 자세 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템.
The method of claim 3,
Wherein the precision flight information includes a correction position that corrects the in-flight position information, correction speed information that corrects the in-flight speed information, and correction posture information that corrects the in-flight attitude information. Signal - Based Roll Angle Alignment Navigation System for Guided Shells.
제 3 항에 있어서,
상기 초기 위치 정보 및 초기 속도 정보는 상기 위성 항법 수신기(130)의 초기화 방식을 통해서 획득되는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템.
The method of claim 3,
Wherein the initial position information and the initial velocity information are obtained through an initialization method of the satellite navigation receiver (130).
제 3 항에 있어서,
상기 초기 자세 정보 중 피치각 및 요각은 위성항법 수신기(130)에서 출력되는 각 축의 속도 벡터 또는 위성항법이 불능 시에 미리 지상에서 계산되어 포탄에 장입된 포탄의 사전 장입 궤적 정보를 삼각법을 이용하여 추정되는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템.
The method of claim 3,
The pitch angle and the yaw angle of the initial attitude information are calculated on the basis of the velocity vector of each axis output from the satellite navigation receiver 130 or the satellite navigation method, and the preloading trajectory information of the shell loaded in the shell is calculated using the trigonometric method And a roll angle alignment navigation system for guided cannons based on satellite navigation signals.
제 1 항에 있어서,
상기 롤각 추정기(140)는,
상기 위성 항법 수신기(130)의 특정 방향의 속도 벡터를 이용하거나 상기 위성항법 수신기(130)가 불능 시에 상기 포탄의 사전 장입 궤적 정보를 이용하여 포탄의 초기 피치각 및 초기 요각을 계산하는 비행중 초기 정렬을 수행하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템.
The method according to claim 1,
The roll angle estimator 140 estimates,
In which the velocity vector in the specific direction of the satellite navigation receiver 130 is used or the initial pitch angle and the initial yaw angle of the shell are calculated using the pre-loading trajectory information of the shell when the satellite navigation receiver 130 is disabled, Wherein the initial alignment is performed by using the geomagnetic sensor and the satellite navigation signal based on the roll angle alignment navigation system for guided cannons.
제 1 항에 있어서,
상기 롤각 추정기(140)는,
상기 지자기 센서(120)가 상기 포탄 주위의 지구 자기장이 상기 포탄의 회전에 따라서 변조되어 측정되는 값을 토대로 회전수 및 롤각을 추정하거나, 상기 지자기 센서(120)의 회전수 추정값을 상기 위성 항법 수신기(130)에 적용하여 롤각 추정하거나, 상기 관성 측정 센서(110)의 회전수 측정값을 상기 위성항법 수신기(130)에 적용하여 롤각 추정하거나, 위성항법 수신기 정보만을 가지고 롤각 추정하는 비행중 롤각 정렬을 수행하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템.
The method according to claim 1,
The roll angle estimator 140 estimates,
The geomagnetism sensor 120 estimates the number of rotations and roll angle based on a value measured by modulating the geomagnetic field around the cannon according to the rotation of the cannon, Or a roll angle estimation by applying the rotation angle measurement value of the inertia measurement sensor 110 to the satellite navigation receiver 130 to estimate the roll angle or the roll angle estimation using only the GPS receiver information, And a roll angle alignment navigation system for guided cannons based on a satellite navigation signal.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 지자기 회전수는 상기 위성 항법 수신기 추정 정보를 위한 측정 주기보다 빠른 측정 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the geomagnetism rotation speed has a measurement period that is earlier than the measurement period for the GPS receiver estimation information, based on the geomagnetic sensor and the satellite navigation signal.
제 1 항에 있어서,
상기 관성측정 센서(110)는 포탄 발사시 내고충격성을 확보하고 소형 적용을 위해 MEMS IMU(Micro Electro Mechanical Systems Inertial Measurement Unit)인 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the inertia measurement sensor (110) is a MEMS IMU (Micro Electro Mechanical Systems Inertial Measurement Unit) for ensuring high impact resistance at the time of shell firing and for small applications. system.
제 1 항에 있어서,
상기 롤각의 추정은 회전수 변화에도 상기 지자기 센서(120)의 회전수 추정값 또는 상기 관성 측정 센서(110)의 자이로스코프의 회전수 측정값을 반영하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the roll angle estimation is performed by reflecting the rotation number estimation value of the geomagnetism sensor 120 or the rotation number measurement value of the gyroscope of the inertia measurement sensor 110 with respect to the rotation number variation. Roll Angle Alignment Navigation System for Guided Shells Based.
(a) 관성 측정 센서(110)가 포탄의 운동 정보를 측정하는 단계;
(b) 지자기 센서(120)가 상기 포탄 주위의 지구 자기장 정보를 측정하는 단계;
(c) 위성항법 수신기(130)가 위성 항법 신호를 획득하는 단계;
(d) 포탄의 속도 벡터를 이용하여 피치각 요각을 추정하는 비행중 초기 정렬을 수행하는 단계;
(e) 롤각 추정기(140)가 상기 운동 정보, 지구 자기장 정보 및 위성 항법 신호를 이용하여 상기 포탄의 롤각을 추정하여 롤각 추정 정보를 생성하는 단계;
(f) 관성항법장치(150)가 상기 롤각 추정 정보 및 운동 정보를 이용하여 포탄 관성 항법 정보를 산출하는 단계; 및
(g) 복합항법장치(170)가 상기 포탄 관성 항법 정보와 위성 항법 신호의 오차를 보정하여 비행중 포탄의 정밀 비행 정보를 산출하는 단계;를 포함하며,
상기 지자기 센서(120)는 포탄 주위의 지구 자기장을 측정하여 회전에 따라서 변조되어 측정되는 지자기 센서값을 토대로 회전수 및 회전각을 계산하고,
상기 롤각 추정 정보는 상기 지자기 센서(120)로부터의 지구 자기장 정보 중 지자기 회전수를 이용하여 생성되는 지자기 롤각 추정 정보, 및 상기 관성 측정 센서(110)로부터의 운동 정보 중 자이로스코프 회전수 및 상기 지자기 회전수를 이용하여 생성되는 위성 항법 수신기 롤각 추정 정보 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 지자기 롤각 추정 정보 및 위성 항법 수신기 롤각 추정 정보는 위성 수신 세기의 저하에 상쇄하기 위해 선택적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 지자기 센서와 위성항법 신호에 기반한 유도 포탄용 롤각 정렬 항법 방법.
(a) measuring the motion information of the shell by the inertial measurement sensor 110;
(b) measuring the geomagnetic field information around the shell by the geomagnetic sensor 120;
(c) the satellite navigation receiver 130 acquires a satellite navigation signal;
(d) performing in-flight initial alignment to estimate the pitch angle of yaw using the velocity vector of the shell;
(e) the roll angle estimator 140 estimates the roll angle of the shell using the exercise information, the geomagnetic field information, and the satellite navigation signal to generate roll angle estimation information;
(f) calculating inertia navigation information using the roll angle estimation information and the motion information by the inertial navigation device 150; And
(g) calculating the precise flight information of the shell during the flight by correcting the errors of the satellite navigation signal and the in-shell inertial navigation information,
The geomagnetic sensor 120 measures the geomagnetic field around the shell, calculates the number of revolutions and the rotation angle based on the geomagnetism sensor value modulated according to the rotation and measured,
The roll angle estimation information includes geomagnetism roll angle estimation information generated using the geomagnetism rotation number among the geomagnetic field information from the geomagnetic sensor 120 and the geomagnetism roll angle estimation information using the gyroscope rotation number and the geomagnetism rotation information from the inertia measurement sensor 110. [ And satellite navigation receiver roll angle estimation information generated using the rotation number,
Wherein the geomagnetism roll angle estimation information and the satellite navigation receiver roll angle estimation information are selectively applied to compensate for a decrease in the satellite reception intensity, based on the geomagnetism sensor and the satellite navigation signal.
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