KR101095995B1 - 레이져 관성항법장치의 고장검출 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주파수 영역에서의 레이져 관성항법장치 고장검출 방법에 관한 것이다. 레이져 관성항법장치는 링 레이져 자이로/가속도계로 구성되어 있다. 링 레이져 자이로는 링 레이져 자이로 내부의 레이져 공진기에 장착된 반사경의 후방산란으로 인하여 0.1deg/sec 이하의 각속도가 측정되지 않는 lock-in 영역이 존재하기 때문에 이를 제거하기 위해서 Dither 운동이라는 정현파 각속도 운동을 몸체에 가한다. 이러한 Dither 운동은 레이져 관성항법장치가 정상동작하는 경우 항상 링 레이져 자이로/가속도계 측정치에 포함되어 나타난다. 본 발명은 이러한 레이져 관성항법장치의 특징을 이용하여 본 발명에서는 링 레이져 자이로/가속도계 측정치를 실시간으로 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 Dither 운동이 측정치에 포함되어 있는 가를 실시간으로 감시하여 주파수 영역에서의 레이져 관성항법장치의 고장을 검출하는 방법을 제공하는 것이다.

레이져 관성항법장치, 항법, 자이로

Description

레이져 관성항법장치의 고장검출 방법 및 그 장치{METHOD FOR DETECTING ERROR IN GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM}

본 발명은 주파수 영역에서의 레이져 관성항법장치 고장검출 방법에 관한 것이다.

본 발명은 주파수 영역에서의 레이져 관성항법장치 고장검출 방법에 관한 것이다. 레이져 관성항법장치는 링 레이져 자이로/가속도계로 구성되어 있다. 링 레이져 자이로는 링 레이져 자이로 내부의 레이져 공진기에 장착된 반사경의 후방산란으로 인하여 0.1deg/sec 이하의 각속도가 측정되지 않는 lock-in 영역이 존재하기 때문에 이를 제거하기 위해서 Dither 운동이라는 정현파 각속도 운동을 몸체에 가한다. 이러한 Dither 운동은 레이져 관성항법장치가 정상동작하는 경우 항상 링 레이져 자이로/가속도계 측정치에 포함되어 나타난다. 이러한 레이져 관성항법장치의 특징을 이용하여 본 발명에서는 링 레이져 자이로/가속도계 측정치를 실시간으로 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 Dither 운동이 측정치에 포함되어 있는 가를 실시간으로 감시하여 주파수 영역에서의 레이져 관성항법장치의 고장을 검출하는 방법을 개시하였다. 본 발명은 FFT를 위한 링 레이져 자이로/가속도계 측정치의 실시간 고속 데이터 획득 및 처리방법, 고장검출에 필요한 조건 및 규격설정 방법을 포함한다.

관성항법장치는 자이로 및 가속도계 등 관성 센서를 이용하여 정밀한 위치, 속도, 자세, 각속도 및 가속도 정보를 실시간 제공하는 장비로서 유도무기, 민수용 항공기 및 무기체계 자동화 목적으로 지상, 해상, 항공, 우주 분야 등 다양한 분야의 운반체에 공통으로 소요되는 핵심부품이다. 특히 관성항법장치는 GNSS(Global Navigation Satellite System)와 같은 전파항법에 비하여 별도의 외부장비가 필요치 않고, 전파방해를 받지 않는 등의 장점이 있으므로 정밀 항법정보가 요구되는 주요 무기체계 및 민수용 항공기 등에서는 관성항법장치를 주 항법장치로 많이 사용하고 있다. 여러 무기체계 및 민수용 항공기 등에 적용되는 관성항법장치의 오동작은 관성항법장치를 사용하고 있는 전체 체계 시스템의 심각한 오동작을 유발하게 되므로 관성항법장치의 정상동작 여부를 연속적으로 판단하는 기능은 전체 체계 시스템 운용관점에서 매우 중요하다. 현재 선진국에서 생산 및 운용되는 관성항법장치에는 자체 고장검출 기능을 모두 내장하고 있으며 고장검출 확률 또한 95%이상을 목표로 관성항법장치를 설계/개발하고 있다.

광학식 자이로의 일종인 링 레이져 자이로 (Ring Laser Gyroscope)를 탑재한 관성항법장치를 일반적으로 레이져 관성항법장치라 한다. 링 레이져 자이로는 일반적으로 링 레이져 자이로 내부의 레이져 공진기에 장착된 반사경의 후방산란으로 인하여 0.1deg/sec 이하의 각속도가 측정되지 않는 lock-in 영역이 존재하기 때문에 이를 제거하기 위해서 강제로 약 400 Hz 주기를 가지며 lock-in 크기의 1000배 정도의 정현파 각속도 진동을 링 레이져 자이로의 레이져 공진기에 가하는데 이를 Dither 운동이라 한다. 링 레이져 자이로 측정치를 항법에 이용하기 위해서는 항체의 운동과 무관한 Dither 운동을 제거하여야 하며 Dither 운동을 링 레이져 자이로 출력에서 제거하는 방법으로 Trapping 방법과 Stripping 방법 등이 있다. 관성항법장치 기능/성능 측면에서 보면 Dither 운동은 제거해야 할 신호이지만 신호특성상 일정한 주파수를 항상 유지하고 진폭 또한 일정한 범위에 있기 때문에 이를 이용하여 관성항법장치의 정상동작 여부를 판단하는데 이용 가능하다.

본 발명에서는 링 레이져 자이로를 탑재한 레이져 관성항법장치의 고장검출을 위하여 링 레이져 자이로에 인가되는 Dither 운동을 이용하는 방법을 개시한다. 3개의 링 레이져 자이로와 가속도계로 구성된 관성센서 조립체로부터 출력되는 측정치에는 레이져 관성항법장치가 정상적으로 동작하는 경우 항상 3축의 링 레이져 자이로에서 인가되는 Dither 운동이 포함되어 있다. 만약 관성센서 조립체, 센서 전자회로, 항법컴퓨터/통신 보드 등으로 구성되는 레이져 관성항법장치 신호흐름상에 고장이 발생하는 경우 Dither 운동이 관성센서 조립체로부터 출력되는 측정치에서 감지되지 않게 된다. 이러한 원리를 이용하여 시스템 레벨에서 레이져 관성항법장치의 고장검출 방법을 새로이 발명하였다. 고장검출 방법 설계를 위하여 본 발명에서는 관성센서 출력치에 포함된 Dither 운동을 모델링하였으며 이를 근거로 FFT를 이용하여 관성센서 측정치로부터 Dither 운동을 식별하고 이를 이용하여 레이져 관성항법장치의 정상동작 여부를 판단하는 새로운 레이져 관성항법장치 고장검출 방법을 발명하였다.

본 발명은 레이져 관성항법장치를 구성하는 링 레이져 자이로/가속도계에서 출력되는 각속도/가속도 정보를 FFT(Fast Fourier Transform)하고 레이져 관성항법장치 고유의 특성인 Dither 운동의 존재 여부를 확인하여 주파수 영역에서 레이져 관성항법장치의 고장을 검출하는 새로운 방법이다. 기존의 고장검출 방법의 경우에서는 표 1의 레이져 관성항법장치 각각의 구성품 단위로 하드웨어적으로 고장검출에 필요한 신호를 획득하여 고장을 검출하는 방법을 많이 사용하여 부분적인 고장검출에는 용이하나 관성항법장치 시스템 레벨에서의 고장검출에는 어려움이 있다. 본 발명에서 제안한 고장검출 방법은 기존 방법과 비교하여 추가적인 하드웨어가 필요 없이 항법계산에 사용되는 정보를 통하여 고장검출이 가능하며 관성센서, 센서 전자회로, 항법컴퓨터/통신보드로 전달되는 레이져 관성항법장치 신호흐름상의 고장을 시스템 레벨에서 검출할 수 있는 기능이 있으며 특히 링 레이져 자이로/가속도계 각각에 대하여 독립적으로 고장검출이 가능한 특징을 가지고 있다.

상기와 같은 기술과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 주파수 영역에서 레이져 관성항법장치의 고장 검출 방법은,

레이져 관성항법장치를 구성하는 링 레이져 자이로/가속도계에서 고속으로 출력되는 각속도/가속도 정보를 획득하는 단계와;

상기 획득한 각속도/가속도 정보를 후처리 FFT하여 각각 측정치에 포함된 최 대 진폭의 주파수를 획득하는 단계와;

상기 획득한 주파수와 미리 입력되어 레이져 관성항법장치 내에 저장된 링 레이져 자이로 각각의 Dither 주파수와 비교하는 단계와;

상기 비교결과 상기 두 주파수 간의 차가 허용규격 범위 내에 있으면 레이져 관성항법장치가 정상동작하는 것으로 판단하고 허용규격 범위를 벗어나면 고장으로 진단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 레이져 관성항법장치의 고장검출 방법은

항법 컴퓨터에 구현하는 방법으로, 고속으로 링 레이져 자이로/가속도계 측정치를 획득 및 처리하고 이를 FFT하기 위하여 저장하는 Task와 저장된 데이터를 후처리하여 FFT를 수행하고 이 결과를 이용하여 고장검출을 수행하는 Task를 분리하여 구현하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 고속으로 측정된 링 레이져 자이로/가속도계 측정치를 이용하여,

FFT하여 구한 최대진폭 주파수와 레이져 관성항법장치 저장공간에 저장되어 있어 부팅시 획득된 3축의 Dither 주파수와의 차와 비교하여,

한 가지 조건만 만족하면 정상동작 신호를 생성하고, 모두 만족하지 않으면 고장검출 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, FFT 알고리즘에서 계산된 주파수 계산오차와 레이져 관성항법장치 운용온도 범위에서의 Dither 주파수 변화량을 RSS(Root Sum Square)하고 이 값을 3배하여 고장검출을 위한 허용규격 범위를 선정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제안한 고장검출 방법은 Lock-in 현상을 제거하기 위해서 링 레이져 자이로에 인가되는 Dither 운동을 이용하여 레이져 관성항법장치 정상동작 여부를 판단할 수 있는 새로운 고장검출 방법이다. 본 발명에서 제시한 고장검출 방법은 관성센서, 센서 전자회로, 항법컴퓨터/통신 보드로 전달되는 레이져 관성항법장치 신호흐름상의 고장을 검출할 수 있는 기능이 있으며 특히 링 레이져 자이로/가속도계 각각에 대하여 독립적으로 고장검출을 할 수 있고 고장검출을 위한 추가적인 하드웨어 없이 소프트웨어적으로 고장검출이 가능하기 때문에 본 발명에서 제시한 방법을 적용할 경우 레이져 관성항법장치의 고장검출 확률이 크게 높아져 레이져 관성항법장치의 신뢰성/정비성/운용성 향상에 크게 기여할 수 있다.

본 발명은 레이져 관성항법장치에 적용된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 본 발명의 기술적 사상은 다른 기술분야의 시스템 및 분야에 적용될 수도 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 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.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항복들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

링 레이져 자이로는 서로 반대 방향으로 회전하는 두 빛의 상대적 주파수차를 이용하여 회전을 감지하는 센서이다. 링 레이져 자이로의 개략 구성도를 나타내면 도 1과 같다. 링 레이져 자이로의 주요 구성품을 살펴보면 광경로를 이루는 모노블럭(102)과, 모노블럭을 진동시키는 Dither(104), 광 유지에 필요한 전원을 연결하는 음극(106)과 양극(110), 2 개의 평면경(112), 2 개의 구면경(114), 서로 반대방향으로 진행하는 두 빛을 간섭시키는 프리즘(108), 자이로 케이스에 대한 모노블럭의 상대적인 움직임을 검출하는 RAVS(Relative Angular Velocity Sensor)(116) 등으로 이루어져 있다.

링 레이져 자이로는 특정 임계값 이하의 각속도를 감지하지 못하는 lock-in이라는 현상이 있다. 이를 극복하기 위해 Dither가 특정 주파수(약 400Hz) 및 랜덤 진폭을 가지는 정현파 운동이 발생되도록 설계하여 링 레이져 자이로가 lock-in 영역에 머무는 시간을 최소화하는 방법을 적용한다. 그러나 Dither 운동이 링 레이져 자이로에 가해지는 중에도 특정 임계값 이하의 각속도를 계속 경험하게 됨에 따라 짧은 순간동안 계속 lock-in에 빠지게 된다. 이때 랜덤오차가 발생하고, 만약 Dither 진폭을 일정하게 하는 경우에는 온도 등 환경변화에 따라 바이어스 변화로 나타난다. 이를 극복하기 위해 Dither 진폭을 랜덤하게 바꾸어 주며, 통상 Dither 최대 각속도를 100deg/s를 중심으로 70deg/s∼130deg/s로 변화하도록 제어한다. 자이로의 근본 목적인 관성공간에서의 각속도를 얻어내기 위해 반대 방향으로 진행하는 두 빛을 프리즘에서 간섭시킨 후 파장의 1/4 길이 지점에서 두 개의 포토 다이오드를 이용하여 신호를 검출한다. 이 신호들은 SIN 및 COS 신호로 명명되고, 두 신호의 위상차를 검출하여 각속도가 계산되며 측정된 각속도의 부호도 함께 결정한다. Dither를 고유주파수로 진동시키기 위해서는 위상에 일치시켜 Dither를 구동해야 한다. 이를 위해 RAVS 신호 출력을 이용하여 Dither 각 신호와 Dither 레이트 아날로그 신호를 구성하고, 이로부터 각각 이산 신호인 Dither 각도원점(dither zero angle)신호와 Dither 각속도 원점(Dither zero-rate)신호를 만들며, 이 신호를 이용하여 Dither의 진동 위상에 맞추어 구동한다.

표 1의 레이져 관성항법장치 구성품들이 모아져 레이져 관성항법장치는 관성항법장치로서의 기능을 수행하게 된다. 전원공급회로(저전압, 고전압 전원공급회로)(202)를 통하여 레이져 관성항법장치에 전원이 인가되면 레이져 관성항법장치에 장착된 관성센서인 링 레이져 자이로(208)와 가속도계(206)는 외부에서 입력되는 각속도 및 가속도를 측정하게 된다. 측정치는 센서 전자회로(자이로 및 가속도계 인터페이스 보드)(210)를 통하여 펄스 혹은 전압 형태로 항법컴퓨터 & 통신보드 (212)로 고속 전송되며 항법컴퓨터는 이 값에 척도계수를 곱하여 물리적인 값으로 변환한 후 이를 이용하여 항법을 수행한다. 이 과정에서 항법컴퓨터에서는 관성센서 혹은 관련 센서 전자회로를 제어하기 위한 신호가 출력되기도 한다. 앞에서 설명한 레이져 관성항법장치 신호 흐름도를 그림으로 나타내면 도 2와 같다. 도 2에서 나타난바와 같이 레이져 관성항법장치는 모든 구성품이 정상동작하는 경우 항법컴퓨터에 입력된 링 레이져 자이로 및 가속도계 측정치는 외부에서 입력된 각속도 및 가속도를 정확하게 측정하여야 한다. 만약 링 레이져 자이로 및 가속도계가 외부에서 계측된 정보를 정상적으로 측정하지 못하는 경우에는 모든 측정오차가 항법오차로 나타나기 때문에 레이져 관성항법장치는 관성항법장치로서의 기능을 상실하게 된다. 그러므로 레이져 관성항법장치의 고장 여부를 판단하기 위하여 하드웨어적으로 레이져 관성항법장치 구성품별 주요 신호를 획득하고 이를 이용하여 고장여부를 판단하는 방법을 많이 사용한다. 그러나 이를 위해서는 별도의 추가적인 하드웨어의 개발이 필요하며 이는 추가된 하드웨어에 대한 또 다른 고장검출 방법이 요구되므로 일반적으로 고장검출을 위한 하드웨어는 전체 구성 하드웨어의 5~20% 범위가 되도록 일반적으로 시스템을 설계하나 레이져 관성항법장치와 같이 높은 고장검출 확률을 요구하는 시스템일수록 고장검출을 위한 하드웨어의 비중이 높아질 가능성이 있다. 그러므로 하드웨어적인 고장검출의 비중을 줄이면서 레이져 관성항법장치의 운용성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있는 소프트웨어적인 고장검출 방법의 개발이 새로이 요구된다.

앞에서 설명한 바와 같이 링 레이져 자이로 고유의 특성인 Dither 운동은 항 법 계산과정에서 원하지 않는 것이므로 이것을 제거하는 두 가지 방법이 있다. 하나는 링 레이져 자이로 측정치를 Dither 주기에 맞추어 측정하는 Trapping 방법(120)이며, 다른 하나는 링 레이져 자이로 측정치에 RAVS에서 측정된 Dither 운동을 빼주어 Dither 운동을 제거하는 Stripping 방법(122)이 있다. 현재 레이져 관성항법장치에서 적용된 방법은 구현이 용이한 Trapping 방법이며 Trapping 방법을 사용하더라도 Dither 운동은 링 레이져 자이로 측정치에 Dither 운동과 다른 주파수를 가지는 정현파 형태로 포함되어 측정된다.

레이져 관성항법장치 고장검출 방법 발명을 위하여 관성센서 측정치에 포함된 Dither 운동에 대한 모델링이 요구된다. 이를 위해서는 먼저 레이져 관성항법장치 제작시 관성센서 조립체를 구성하는 방법에 대한 언급이 요구된다. 표 1의 레이져 관성항법장치 구성품을 이용하여 레이져 관성항법장치 구성시 3개의 링 레이져 자이로의 Dither 주파수는 400Hz를 기준으로 하여 축간 상호간섭을 피하기 위하여 약 30 Hz 정도 차이를 두고 축 선정을 하며 대략 370±10, 400±10, 430±10Hz 부근에 Dither 주파수가 설정되도록 3개의 링 레이져 자이로를 선정하여 관성센서 조립체를 구성한다. 먼저 자이로 출력을 살펴보면 자이로는 Trapping 방법을 사용하므로 자이로 자신의 측정치에는 Dither 운동에 의해 가해진 정현파 운동이 측정되지 않으나 자이로 자신의 Dither 주파수와 다른 두 축에 설치된 자이로의 Dither 주파수와의 차에 해당하는 주파수를 가진 정현파 진동이 측정된다. 그리고 가속도계의 경우 자이로와 한 몸체에 장착되므로 자이로의 Dither 운동에 의한 정현파 진동이 측정된다. 자이로와 같은 축에 장착된 가속도계 역시 자이로가 장착 축을 기 준으로 정현파 진동을 하므로 같은 축의 자이로 Dither 운동은 가속도계가 측정하지 않으며 이와 수직인 두 축의 자이로에서 인가되는 Dither 운동에 의해 정현파 가속도가 측정된다. 그러나 위의 분석은 링 레이져 자이로와 가속도계가 정확하게 축 정렬이 되어 있고 축간 간섭이 없는 이상적인 경우에 링 레이져 자이로/가속도계 장착축에 대한 Dither 운동이 상호 측정되지 않으나 실제로 측정치를 분석해보면 장착축에 대한 Dither 운동이 다른 두축에 비하여 진폭이 작게나마 측정되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 사실을 근거로 하여 Dither 운동에 대한 링 레이져 자이로/가속도계 측정치를 모델링하면 수학식 1, 2와 같다.

표 1은 레이져 관성항법장치 구성품 및 개략 기능을 나타낸 것이다.

[표 1]

여기서 f_x, f_y, f_z는 x, y, z축 링 레이져 자이로의 Dither 주파수, G_u는 i축 Dither 진폭, G_ij(i ≠j)는 i축과 j축의 상호 간섭에 의한 Dither 진폭을 의미한다.

수학식 1, 2와 같이 이론적/실험적으로 분석된 Dither 운동에 의한 링 레이져 자이로/가속도계 측정치 모델은 레이져 관성항법장치의 고유 특성이며 레이져 관성항법장치가 정상동작하는 경우에는 항상 링 레이져 자이로/가속도계 측정치에 수학식 1, 2 신호가 항상 포함되어 있어야 함을 의미하며 관성센서, 센서 전자회로, 항법 컴퓨터 & 통신보드로 이어지는 레이져 관성항법장치 신호흐름 상에 고장이 발생하는 경우 수학식 1, 2 신호는 링 레이져 자이로/가속도계 측정치에서 감지되지 않게 된다. 이러한 원리를 이용하면 수학식 1, 2 신호가 링 레이져 자이로/가속도계 측정치에 포함되어 있는 가에 대한 판단이 가능하며 레이져 관성항법장치 정상동작 여부의 판단이 가능함을 의미한다.

링 레이져 자이로/가속도계 측정치에서 수학식 1, 2 신호의 존재여부를 확인하는 방법으로 본 발명에서는 링 레이져 자이로/가속도계 측정치를 실시간으로 FFT 하여 구한 주파수와 수학식 1, 2에서 모델링된 주파수를 상호 비교하여 수학식 1, 2 신호의 존재여부를 판단하는 방법을 개시한다. 수학식 1, 2에서 나타난바와 같이 Dither 운동 특성상 진폭은 lock-in을 제거하기 위하여 랜덤하게 70deg/s∼130deg/s의 진폭으로 변하기 때문에 실시간으로 진폭에 대한 검출이 불가능하나 Dither 주파수는 링 레이져 자이로 제작시 정해진 고유의 특성이며 거의 변화가 없이 일정하기 때문에 FFT를 이용하여 주파수 영역에서 링 레이져 자이로/가속도계 측정치에 수학식 1, 2 신호의 주파수 존재여부를 판단하고 이를 이용하여 레이져 관성항법장치의 정상동작 여부를 판단하는 것이 가능하다.

본 발명에서 개시한 주파수 영역에서의 레이져 관성항법장치 고장검출 방법에 가능성을 확인하기 위한 실시 예를 보이기 위하여 도 3 및 도 4와 같이 본 발명을 항법컴퓨터에 구현하였다. 본 발명에서 제시된 레이져 관성항법장치 고장검출 방법은 항법 프로그램내에 포함되어 항법 컴퓨터에 구현되며 FFT가 포함되어 있으므로 많은 계산량이 요구되기 때문에 항법을 위해 필수적으로 요구되는 항법계산에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 항법계산에 필요한 타스크(Task)보다 우선순위가 낮은 별도의 타스크를 형성하여 구현하였다.

레이져 관성항법장치에서 링 레이져 자이로/가속도계 측정치는 FFT를 위하여 Dither 주파수의 2배 이상에 해당하는 주기로 획득되며 이와 같이 고속으로 처리되는 링 레이져 자이로/가속도계 측정치를 FFT하여 Dither 주파수를 찾기 위해서는 링 레이져 자이로/가속도계 각 축별로 측정치를 획득하여 실시간으로 FFT를 수행하여야 하며 많은 저장공간과 신호처리시간이 요구된다. 이를 위하여 별도의 FFT 수 행 및 고속 데이터 처리를 위한 타스크를 생성하여 축별로 순차적으로 FFT를 수행하여 링 레이져 자이로/가속도계 고장검출을 수행한다. 이를 그림으로 나타내면 도 3와 같다. 도 3에서 Task1은 Task2에서 생성(316) 및 전송된 데이터 저장 시작명령(318)을 수신(302)한 후 고속으로 관성센서 데이터를 획득하고 사용가능하도록 척도계수 등을 곱하여 처리한다(304). 획득/처리된 데이터는 확보된 저장공간에 순차적으로 저장한다. 저장되는 데이터의 양은 FFT를 수행하여 고장검출이 가능할 정도의 데이터를 저장한다(306). 본 발명에서는 1초간의 데이터 즉 2400개의 데이터를 저장하였다(306). Task1에서 데이터 저장이 완료되면 저장완료 명령(308)을 생성하여 Task2로 전송(310)한다. Task2에서는 Task1에서 전송된 저장완료 명령을 수신한(312) 후 수신된 데이터에 대하여 FFT를 수행하여 그 결과를 저장한다(314). FFT 결과에 대한 저장데이터는 주파수별 진폭에 대한 정보를 포함한다. FFT 수행이 완료되면 Task2는 다시 데이터의 획득/저장을 위한 메시지를 Task1에 전송한다(316,318). Task2는 저장된 FFT 결과를 이용하여 주파수 전 구간에 대하여 최대 진폭을 가지는 주파수를 검색하고(320) 이를 획득하여 저장한다(322). 저장된 최대 진폭 주파수는 레이져 관성항법장치 저장공간에 입력되어 있는 링 레이져 자이로 Dither 주파수와 비교하여(324) 두 주파수의 차가 허용규격 범위내에 있는 가를 확인하여 레이져 관성항법장치 정상동작 여부를 판단한다(326). 생성된 고장검출 신호(326)는 사용자가 확인할 수 있도록 외부로 전송된다(328).

도 3의 고장검출 방법에서 고장검출 신호생성부분(322,324,326)을 세부적으 로 그림으로 나타내면 도 4와 같다. 도 4의 330에서 최대 진폭 주파수 f_i는 각속도/가속도 측정치를 FFT하여 구한 최대 진폭 주파수로 축 별로 일정한 Dither 주파수로 계산되지 않는다. 수학식 1, 2에서 나타난 바와 같이 관성센서 측정치에는 3축의 링 레이져 자이로 신호가 모두 포함되어 나타나기 때문에 어느 자이로의 Dither 주파수가 최대 진폭을 가지는 가는 획득된 데이터의 시점에 따라 달라질 수 있다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 Dither 운동의 진폭이 70deg/s~130deg/s의 영역에서 랜덤하게 결정되기 때문으로 측정치의 최대 주파수는 관성센서 데이터의 획득시점에서 최대 진폭을 가지는 링 레이져 자이로 신호가 최대 진폭을 가질 확률이 클 것으로 판단된다. 다만 장착축의 Dither 운동은 다른 축과 비교하여 상대적으로 작은 진폭을 가질 확률이 높다. 이러한 이유는 링 레이져 자이로의 경우 Trapping 방식을 적용하기 때문이며 가속도계의 경우 관성센서 조립체의 구조상 장착축의 Dither 운동이 작게 측정될 수밖에 없는 측정원리로 인하여 발생된다. 이와 같은 특성에 의하여 최대 진폭 주파수를 입력으로 하여 고장검출 신호를 생성하기 위해서는 레이져 관성항법장치의 저장장치에 저장되어 있는 정확한 3축의 링 레이져 자이로 Dither 주파수(Fx, F_Y, F_Z)와 비교하여 3가지 비교결과(332, 334, 336) 중에 하나의 결과만 허용규격 범위(L_f)를 만족하더라고 정상동작 한 것으로 판단하여 정상동작 신호를 생성한다(340). 반면에 3가지 조건을 모두 만족하지 않은 경우에는 고장검출 신호를 생성하여 레이져 관성항법장치 고장검출 신호를 생성한다(338). 고장검출을 위한 기준 주파수인 링 레이져 자이로 Dither 주파수(Fx, F_Y, F_Z)는 레이져 관 성항법장치 부팅시 저장장치에서 읽어와 관련변수에 저장된다.

도 4에서 허용규격 범위 는 고장검출 신호 생성 확률을 좌우하는 중요한 변수로 너무 작은 경우에는 잘못된 고장검출 신호를 생성하게 되고 너무 크면 고장검출 확률이 감소하여 본 발명의 유용성이 사라지는 결과를 가져온다. 본 발명에서 허용규격 범위 결정은 크게 2 가지 사항을 고려하여 결정한다. 첫 번째는 FFT 수행 알고리즘의 주파수 오차, 두 번째는 레이져 관성항법장치 전 운용 온도범위에서의 Dither 주파수 변화량이다. FFT 수행에 필요한 관성센서 데이터는 레이져 관성항법장치의 저장공간 제한으로 인하여 FFT에 필요한 최소의 데이터를 가지고 FFT를 수행하며 FFT 알고리즘 또한 수행시간의 제약으로 인하여 간략화된 FFT알고리즘을 사용할 수밖에 없다. 이로 인하여 주파수 영역에서의 최대 진폭 주파수를 구할 경우 후처리된 데이터를 이용하여 정확하게 구한 Dither 주파수와 약 2~3 Hz의 오차가 발생할 수 있기 때문에 이를 고려하여 허용규격 범위를 결정하여야 한다. 위에서 설명한 FFT 알고리즘에서 계산된 주파수 계산오차를 δf_F라 하자. 두 번째 고려해야 할 사항은 온도에 따른 Dither 주파수의 변화이다. 레이져 관성항법장치는 약 -35 ~ 71℃온도 범위에서 운용되며 이 온도범위에서 레이져 관성항법장치 및 링 레이져 자이로를 지지하는 기구부가 온도에 의하여 특성이 변화함으로 인하여 Dither 주파수가 변화한다. 레이져 관성항법장치의 저장공간에 저장된 Dither 주파수는 상온에서 측정된 것으로 이 값을 그대로 적용할 경우 잘못된 고장검출의 가능성이 있기 때문에 온도변화에 의한 Dither 주파수 변화를 고려한 허용범위 규격을 결정하여야 한다. 시험은 링 레이져 자이로 단품 수준에서의 온도시험 및 레이져 관성항법장치 교정시험을 통하여 전 온도구간에서의 Dither 주파수 변화를 확인할 수 있다. 시험 결과 전 온도구간에서 약 2~3Hz 정도 변하는 것으로 나타났으며 상온 기준으로 하면 약 1~1.5Hz이며 이를 δf_T라 하자. δf_T는 전 온도구간에서의 Dither 주파수 변화를 모델링하여 사용할 수도 있으나 본 발명에서는 허용규격 범위에 이를 포함시켜 사용하였다. 허용범위 규격은 위의 두 가지 조건의 오차 허용 범위에 대하여 RSS(Root Sum Square) 값을 구한 후 3 σ값을 구하기 위하여 3배하여 사용하였으며 수학식으로 나타내면 수학식 3과 같다.

도 5~11은 본 발명의 일 실시 예들이다. 본 발명의 실시 예는 2400Hz로 링 레이져 자이로/가속도계 측정치를 후처리 FFT하여 구한 정확한 Dither 주파수와 항법 컴퓨터에서 구현되어 실시간으로 관성센서 측정치를 FFT하여 구한 Dither 주파수를 상호 비교하여 링 레이져 자이로와 가속도계의 정상 동작 유무를 판단할 수 있는지 정지 상태와 운항중 상태로 나누어 시험을 수행한 결과를 포함한다.

2400Hz 가속도계 센서 데이터에 대한 후처리 FFT 결과를 그림으로 나타내면 도 5 내지 도 7과 같다. 시험에 사용된 레이져 관성항법장치의 Dither 주파수는 X축 링 레이져 자이로 373Hz, Y축 링 레이져 자이로 441 Hz, Z축 링 레이져 자이로는 409 Hz이다. 도 5 내지 도 7은 수학식 2에서 모델링한 바와 같이 가속도계 측정 치에 3축의 링 레이져 자이로 Dither 운동이 모두 포함되어 나타남을 보여주는 결과이며 또한 레이져 관성항법장치 정상동작시 가속도계 측정치를 FFT한 결과가 실제 링 레이져 자이로 Dither 주파수와 정확하게 일치함 보여주는 결과로 본 발명에서 제시한 고장검출 방법의 유용성을 보여주는 결과이다. 또한 도 5 내지 도 7은 가속도계 장착축과 동일한 축(402,412,416)의 Dither 운동이 다른 두축의 Dither 운동(404,406,408,410,414,418)에 비하여 진폭이 작게 가속도계 측정치에 나타남을 보여주는 결과로 수학식 2의 모델이 정확함을 보여주는 결과이다.

도 8는 본 발명에서 제시한 고장검출 방법을 도 3 및 도 4와 같이 구현하여 항법컴퓨터에서 3축 가속도계 측정치를 실시간 FFT 한 결과를 나타낸 것이다. 실제 구현에서는 도 5 내지 도 7에서와 같이 3축의 Dither 주파수를 찾아내기 위하여 1~1200 Hz에 해당하는 주파수에서 가장 큰 진폭을 가지는 주파수 하나를 구하고 이 주파수가 3축의 링 레이져 자이로 Dither 주파수와 비교하여 일치하는 가를 확인하여 레이져 관성항법장치의 고장유무를 판단한다. 도 8에서 나타난바와 같이 X, Y축 가속도계 측정치에는 도 5, 도 6에서 나타난바와 같이 진폭이 가장 큰 409Hz(404, 410,504)의 Dither 주파수가 FFT 결과에서 계산되었으며 Z축 가속도계 측정치에는 도 7에서 나타난바와 같이 진폭이 가장 큰 441Hz(418,502)의 Dither 주파수가 FFT 결과에서 계산된 것으로 나타난 도 5 내지 도 7의 후처리한 결과와 유사한 결과가 나타났다. 그러나 앞에서 언급한 바와 같이 Dither 운동의 진폭은 랜덤하게 변하기 때문에 실시간으로 계산된 최대 진폭의 주파수는 항상 변경될 여지가 충분히 있기 때문에 도 8에서 나타난바와 같이 Y, Z축 가속도계 측정치에 373Hz(506)의 Dither 주파수가 FFT 결과에서 계산된 것은 정상동작 된 것으로 판단이 가능하다.

본 발명에서 제시한 고장검출 방법의 성능을 검증하기 위하여 레이져 관성항법장치 전원인가 후 40초 후에 X축 가속도계 고장, 60초 후에 Y축 가속도계 고장, 80초 후에 Z축 가속도계 고장으로 인하여 일정 값의 가속도 정보가 항법 컴퓨터에 입력되는 것을 가정하여 본 발명에서 제시한 고장검출 방법의 성능을 검증한다. 각 축의 가속도계의 고장은 레이져 관성항법장치의 내장 항법 프로그램에서 정상동작하고 있는 각축의 가속도계 신호처리 루틴을 40, 60, 80초 시점에서 끓고 일정 상수의 가속도계 측정치가 신호처리 루틴에서 처리되도록 내장 항법 프로그램을 수정하여 레이져 관성항법장치 고장을 모사하였다. 본 발명에서 제시한 고장검출 성능을 확인하기 위하여 고장검출 변수를 출력하였으며 X축 가속도계 고장시 고장검출 변수의 1번째 비트, Y축 가속도계 고장시 2 번째 비트, Z축 가속도계 고장시 3 번째 비트가 설정(set)되도록 하여 고장검출 발생여부를 확인하였다. 시험결과를 그림으로 나타내면 도 9 및 도 10과 같다. 도 9는 실시간 가속도계 측정치에 대한 실시간 FFT 결과로 레이져 관성항법장치 전원인가 후 초기 정상동작시에는 도 8에서 나타난 바와 같이 가속도계 측정치의 실시간 FFT 결과가 Dither 주파수를 정상적으로 검출하다가 X, Y, Z축 가속도계 각각의 고장 발생시점인 40, 60, 80초(602,604,606) 시점에서 Dither 주파수가 검출되지 않고 모두 영으로 계산되는 것을 확인인 할 수 있었다. 또한 고장 검출 변수도 고장 발생시점에서 모두 고장발생을 알려주는 것을 도 10에서 확인할 수 있었다(608,610,612).

본 발명에서 개시한 주파수 영역에서의 레이져 관성항법장치 고장검출 기법 을 운항중에도 적용 가능한가를 확인하기 위하여 차량탑재시험을 수행한 결과를 제시한다. 차량에 탑재된 레이져 관성항법장치는 운항중인 경우 정지상태와는 달리 링 레이져 자이로/가속도계 측정치에 Dither 운동외에 외부에서 인가된 운동이 포함되게 된다. 이러한 경우 외부에서 인가된 운동에 Dither 주파수와 유사한 대역의 동적 운동이 레이져 관성항법장치에 인가되는 경우 잘못된 고장검출을 수행할 수 있다. 그러나 외부에서 레이져 관성항법장치에 인가되는 운동과 관성센서 조립체 사이에는 관성센서를 보호할 목적으로 방진기가 내장되어 있다. 이 방진기는 관성센서 측면에서 보면 저역 통과 필터의 기능을 수행하며 레이져 관성항법장치 적용체계에 따라 20~60Hz의 차단 주파수를 가지도록 설계된다. 이러한 상황을 고려할 때 350~450Hz의 주파수 대역을 가지는 Dither 주파수 대역의 외부인가 운동은 진폭이 약 30~50dB 감쇄되어 관성센서 조립체에 전달되기 때문에 레이져 관성항법장치 운항중에 Dither 운동과 외부인가 운동은 상호 영향이 거의 없다. 따라서 본 발명에서 제시한 고장검출 기법은 레이져 관성항법장치 운용중 레이져 관성항법장치의 정상동작 여부를 판단하는데 적용가능하며 이를 검증하기 위하여 차량탑재시험을 수행하였다.

도 11은 운항중 실시간 FFT결과이다. 예상과 같이 도 11의 실시간 FFT 결과는 도 8의 정지 상태에서의 FFT 결과와 유사한 결과를 보여준다. 이러한 결과는 외부에서 인가된 운동이 Dither 운동에 아무런 영향을 주지 않기 때문에 본 발명에서 제시한 레이져 관성항법장치 고장검출 기법이 레이져 관성항법장치 운항중에도 적용 가능함을 보여주는 결과이다.

운항중에서의 고장검출은 정지상태에서와 같은 방법으로 링 레이져 자이로의 Dither 주파수를 링 레이져 자이로/가속도계 측정치를 이용하여 실시간 계산하고, 계산된 주파수가 설정된 주파수 허용규격 범위내에 있는지를 판단하여 레이져 관성항법장치의 주요 구성 부품인 관성센서의 고장 판단 정보로 이용한다.

위의 실시예는 본 발명에서 제시한 고장검출 방법이 매우 유용함을 증명하는 결과이며 본 발명을 레이져 관성항법장치 고장검출에 적용시 고장검출 확률을 높여 레이져 관성항법장치의 신뢰성/정비성/운용성을 크게 향상시킬 것이다.

이상, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 링 레이져 자이로의 구성도

도 2는 레이져 관성항법장치 신호흐름도

도 3은 주파수 영역에서의 레이져 관성항법장치 고장검출 방법

도 4는 고장검출 신호 생성방법

도 5는 X축 가속도계 측정치 FFT 결과

도 6은 Y축 가속도계 측정치 FFT 결과

도 7은 Z축 가속도계 측정치 FFT 결과

도 8은 레이져 관성항법장치 정지상태 실시간 FFT 결과

도 9는 레이져 관성항법장치 고장검출을 위한 실시간 FFT 결과

도 10은 레이져 관성항법장치 고장검출 결과

도 11은 레이져 관성항법장치 운항중 실시간 FFT 결과

Claims (4)

1. 레이져 관성항법장치를 구성하는 링 레이져 자이로/가속도계에서 고속으로 출력되는 각속도/가속도 정보를 획득하는 단계와;

   상기 획득한 각속도/가속도 정보를 후처리 FFT(Fast Fourier Transform)하여 각각 측정치에 포함된 최대 진폭의 주파수를 획득하는 단계와;

   상기 획득한 주파수와 미리 입력되어 레이져 관성항법장치 내에 저장된 링 레이져 자이로 각각의 Dither 주파수와 비교하는 단계와;

   상기 비교결과 상기 두 주파수 간의 차가 허용규격 범위 내에 있으면 레이져 관성항법장치가 정상동작하는 것으로 판단하고 허용규격 범위를 벗어나면 고장으로 진단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역에서 레이져 관성항법장치의 고장 검출 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 레이져 관성항법장치의 고장검출 방법은

   항법 컴퓨터에 구현하는 방법으로

   고속으로 링 레이져 자이로/가속도계 측정치를 획득 및 처리하고 이를 FFT하기 위하여 저장하는 Task와 저장된 데이터를 후처리하여 FFT를 수행하고 이 결과를 이용하여 고장검출을 수행하는 Task를 분리하여 구현하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역에서 레이져 관성항법장치의 고장 검출 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   고속으로 측정된 링 레이져 자이로/가속도계 측정치를 이용하여,

   FFT하여 구한 최대진폭 주파수와 레이져 관성항법장치 저장공간에 저장되어 있어 부팅시 획득된 3축의 Dither 주파수와의 차와 비교하여,

   레이져 관성항법장치의 고장 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역에서 레이져 관성항법장치의 고장 검출 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   FFT 알고리즘에서 계산된 주파수 계산오차와 레이져 관성항법장치 운용온도 범위에서의 Dither 주파수 변화량을 RSS(Root Sum Square)하고 이 값을 3배하여 고장검출을 위한 허용규격 범위를 선정하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역에서 레이져 관성항법장치의 고장 검출 방법.

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