KR101249773B1 - 수상 이동 기준점을 이용한 수중관성항법 오차보정 시스템 및 오차보정 방법 - Google Patents

수상 이동 기준점을 이용한 수중관성항법 오차보정 시스템 및 오차보정 방법 Download PDF

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Abstract

수면에 위치하며, GPS 수신기와 초음파 신호를 발생하는 음향통신모뎀(ATM: Acoustic Telephone Modem)을 장착한 2개의 수상이동기준점; 수중항체에 장착되고, 상기 음향통신모뎀으로부터 초음파 신호를 수신하는 마이크로 모뎀; 상기 수중항체에 장착되고, 상기 수상이동기준점과 상기 수중항체와의 측정거리를 수상이동기준점의 위치정보를 복조(demodulation)하여 산출하는 거리계측장치; 상기 수중항체에 장착되고, 가속도와 각속도를 측정하는 관성측정장치; 및 상기 가속도, 상기 각속도 및 상기 수상이동기준점의 위치정보를 이용하여 상기 수상이동기준점과의 추정거리를 산출하고, 상기 측정거리와 상기 추정거리의 거리오차를 기초로 항법데이터를 보정하는 연산부를 포함하는 수중관성항법 오차보정 시스템은 해저면에 트랜스폰더를 설치하고 교정하는 작업이 필요하지 않아, 기준점을 용이하게 설치가능하고, 해저 작업이 어려운 위험지역이나 적대적인 해역에서도 사용이 가능하며, 시간경과에 따른 위치추정오차의 누적을 방지할 수 있다.

Description

수상 이동 기준점을 이용한 수중관성항법 오차보정 시스템 및 오차보정 방법{Error correction system and method of underwater inertial navigation using movable surface stations}
본 발명은 수중항체의 관성측정장치 기반의 관성항법 시스템으로부터 산출한 항법 데이터의 오차를, 두 개의 수상이동기준점에서 송신하는 초음파신호를 이용하여 계산한 거리값을 이용하여 보정하는 수중관성항법 오차보정 시스템 및 오차보정 방법에 관한 것이다.
자율무인잠수정과 같은 수중 항체가 정해진 궤적을 따라 잠행하며 해저지형정보 측정, 기뢰 탐사 등의 기능을 수행하기 위해서는 현재 위치, 자세 및 속도와 같은 항법 데이터를 정확하게 측정하는 것이 필수적이다.
항법 데이터 산출을 위해 사용되는 수중관성항법 오차보정 시스템은 잠수정 내부에 단독으로 탑재 가능한 관성측정장치를 이용하여 시스템을 구현한다. 관성측정장치는 가속도 신호와 자이로 신호를 적분하여 위치와 속도를 측정하는 방법으로 외부의 기준에 의존하지 않고 측정하기 때문에 오차가 시간의 제곱에 비례하여 증가하는 단점이 있다.
지상에서는 일반적으로 GPS 위치정보 사용이 가능하기 때문에, 주기적으로 관성항법 시스템의 항법오차를 보상할 수 있다. 하지만, 수중에서는 전파가 전달되지 않아서 GPS 신호를 사용할 수 없어 관성항법장치의 오차를 보정하기 위해 속도를 측정하는 DVL(Doppler Velocity Log), 심도계, 방위계, 위치정보 보정을 위한 LBL(Long Base Line) 등의 다양한 보조센서 신호를 사용한다.
위치오차를 보정하기 위해 이용되는 LBL(Long Base Line)은 수중항체 외부의 위치측정 방법이다. 측정 정밀도와 신뢰도를 높이기 위하여 3개 이상의 음향 트랜스폰더(transponder)를 해저에 설치하고, 수중항체와 같은 수중항체에서 발신된 음향신호가 되돌아오는 시간을 측정하여 트랜스폰더와의 거리를 계측함으로써, 3각 측량법으로 수중 항체의 위치를 계산하는 방법이다.
다만, LBL은 센서를 해저에 설치하는 번거로운 작업이 필요하며, 센서 설치 범위를 벗어난 영역에서의 항법이 곤란한 단점이 있다. 특히 기뢰 등의 의심지역에 트랜스폰더를 설치하고 캘리브레이션 하는 것은 무모하다.
또한 트랜스폰더와 같은 수중 음향 센서는 해양환경에 따라 순간적인 이상 신호(Outlier)가 발생하거나 오랜기간 신호자체가 나오지 않는 현상(Black-out)이 심하고 수중 초음파 전달특성으로 인하여 긴 시간 간격의 샘플링 주기를 갖는다.
본 발명은 수중항체의 항법 데이터를 산출하는 스트랩다운 관성항법 시스템을 기반으로 하면서, 두 개의 수상이동기준점에서 송신하는 초음파신호를 수신하여 수중항체와 수상이동기준점 사이의 거리를 계산하고, 이를 이용하여 관성항법 시스템의 항법 데이터 오차를 보정함으로써 정확한 항법 데이터를 산출하는 수중관성항법 오차보정 시스템 및 수중관성항법 데이터 보정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 수중관성항법 시스템은, 수면에 위치 하며, GPS 수신기와 초음파 신호를 발생하는 음향통신모뎀(ATM: Acoustic Telephone Modem)을 장착한 2개의 수상이동기준점; 수중항체(Autonomous Underwater Vehicle)에 장착되고, 상기 음향통신모뎀으로부터 초음파 신호를 수신하는 마이크로 모뎀; 상기 수중항체에 장착되고, 상기 수상이동기준점과 상기 수중항체와의 측정거리를 수상이동기준점의 위치정보를 복조(demodulation)하여 산출하는 거리계측장치; 상기 수중항체에 장착되고, 가속도와 각속도를 측정하는 관성측정장치; 및 상기 가속도, 상기 각속도 및 상기 수상이동기준점의 위치정보를 이용하여 상기 수상이동기준점과의 추정거리를 산출하고, 상기 측정거리와 상기 추정거리의 거리오차를 기초로 항법데이터를 보정하는 연산부를 포함한다.
상기 수상이동기준점은, 수면위에 떠있는 부표 또는 선박 중 하나를 이용할 수 있다.
이때, 상기 부표는 자체 추진기를 더 포함하거나, 일정 범위 이상을 벗어나 이동하지 못하도록 해저에 계류될 수 있다.
한편, 상기 GPS수신기와 음향통신모뎀 및 마이크로모뎀은 GPS 1 PPS(pulse per second)신호로 시각이 동기화 되어 있으며, 주기적으로 상기 수중항체에 수상이동기준점의 위치가 변조되어 있는 초음파신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 2개의 수상이동기준점에서 발신하는 초음파신호를 수신하여 수중항체의 항법데이터를 계산하는 수중관성항법 오차보정 방법은 상기 2개의 수상이동기준점에서 송신시각과 GPS 수신기에서 획득된 수상이동기준점의 위치정보를 변조하여 발신한 초음파신호를 수중항체에서 수신하는 단계; 상기 초음파신호의 수신지연시간을 기초로 상기 수상이동기준점과 수중항체 사이의 측정거리를 산출하는 단계; 상기 수상이동기준점의 위치정보 및 스트랩다운 관성항법 알고리즘을 통해 산출된 상기 수중항체의 위치를 기초로 추정거리를 산출하는 단계; 상기 추정거리와 상기 측정거리를 이용해 거리오차를 출력하는 단계; 및 상기 거리오차를 기초로 상기 수중항체의 위치, 속도 및 자세 등의 항법데이터를 보정하는 단계를 포함한다.
상기 초음파신호를 수중항체에서 수신하는 단계 이전에, 상기 수상이동기준점과 상기 수중항체의 시각을 동기화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 수상이동기준점 기반 수중관성항법 오차보정 시스템 및 수중관성항법 데이터 산출방법은 해저면에 트랜스폰더를 설치하고 교정하는 작업이 필요하지 않아, 기준점을 용이하게 설치가능하고, 해저 작업이 어려운 위험지역이나 적대적인 해역에서도 사용이 가능하다.
또한, 해저면에 대한 상대 속도를 계측할 수 없는 경우에도 관성항법시스템이 표류하는 것을 방지할 수 있으며, 시간경과에 따른 위치추정오차의 누적을 방지할 수 있다.
초기 위치추정 오차가 존재하는 경우에도 강인한 위치추정 성능을 확보함으로써, 관성측정장치 기반의 항법시스템에서 필요한 초기정렬을 위한 과정을 생략할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 수중관성항법 오차보정 시스템을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 수중관성항법 오차보정 시스템에 이용되는 부표의 다양한 실시예를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 수중관성항법 데이터 산출방법의 각 단계를 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 수중관성항법 데이터 산출방법에서 수상이동기준점과 수중항체 사이의 거리계측 방법을 나타낸 개념도.
도 5는 본 발명의 다른 측면에 따른 수중관성항법 데이터 산출방법에 이용되는 칼만필터를 나타낸 순서도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 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 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
수중관성항법 오차보정 시스템
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 수중관성항법 오차보정 시스템을 도시한 개념도로서, 2개의 수상이동기준점(110, 120)과 수중항체(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)(210)이 도시되어 있다.
본 발명의 일측면에 따른 수중관성항법 오차보정 시스템은 GPS 안테나(111,121), 음향통신모뎀(113, 123)(ATM: Acoustic Telephone Modem)을 장착한 2개의 수상이동기준점(110,120)과 수중항체(210)에 탑재된 마이크로모뎀(213), 거리계측장치(211), 관성측정장치(IMU: Inertial Measurement Unit)(217) 및 연산부(219)로 구성된다.
본 발명의 수중관성항법 오차보정 시스템은 수상이동기준점(110, 120)으로부터 수중항체(210)까지의 측정거리와 추정거리를 산출하고, 측정거리와 추정거리의 오차를 산출하여 항법데이터를 보정한다.
측정거리는 수상에 위치하는 수상이동기준점(110,120)의 음향통신모뎀(123)로부터의 초음파 신호를 마이크로모뎀(213)이 수신하여 거리계측장치(211)에서 지연시간과 초음파속도를 이용해 계측한다. 또한 거리계측장치(211)는 마이크로모뎀(213)의 신호를 복조(demodulation)하여 수상이동기준점의 위치정보를 계산한다.
2개의 기준점을 이용하는 이유는 기준점으로 부터의 거리정보를 이용하여, 수중항체(210)의 위치를 정확하게 파악하려면, 복수개의 기준점이 필요하며 기존에는 3개, 4개의 기준점을 이용하였으나, 본 발명에서는 단순히 기준점으로 부터 거리 뿐만아니라 다양한 정보를 종합하여 항법데이터를 얻을 수 있어, 2개의 기준점으로 부터의 거리정보를 이용하여 항법데이터를 산출할 수 있다.
추정거리는 관성측정장치(217)에서 측정한 가속도와 각속도 및 거리계측장치(211)에서 제공하는 수상이동기준점(110,120)의 위치정보를 이용하여 산출한다.
측정거리와 추정거리는 실제 값과 오차가 있으므로, 연산부에서는 오차를 산출하고 칼만필터를 이용하여 기존의 항법데이터를 주기적으로 보정(update)한다.
이하, 상술한 항법데이터 보정을 위해 이용되는 본 발명의 수상관성항법 오차보정 시스템의 각 구성에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
수상이동기준점(110,120)은 수면에 떠있어 수면 위쪽에 구비된 GPS안테나(111, 121)를 이용하여 GPS신호를 수신하고, 수면 아래쪽으로 수중항체(210)에 음향통신모뎀(113, 123)을 통해 신호를 송신한다. 수상이동기준점의 형상의 예로 선박(110) 또는 부표(120)를 들 수 있으며, 선박의 경우 선박 자체에 추진기능 및 통신기능이 탑재되어 있어 부가적으로 추가하면 되나, 부표(120)의 경우 파도 등에 의해 위치가 이동될 가능성이 높다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일측면에 따른 수중관성항법 오차보정 시스템에 이용되는 부표의 다양한 실시예가 도시되어 있다. (a)는 가장 기본적인 부표로서, 부력을 위한 부표 본체(125)에 GPS 안테나(121)와 음향통신모뎀(123)을 탑재하고 있는 형상이다.
(b)는 위치가 크게 벗어나게 되는 것을 방지하기 위해 자체 추진프로펠러(129)를 구비하고 있는 부표이고, (c)는 아예 해저 바닥에 체인 등을 이용하여 고정하여 일정범위를 벗어나지 않도록 계류장치(127)를 구비한 계류형 부표를 나타낸 것이다. (a)의 경우 위치가 변하게 되어 강 또는 호수와 같이 유체의 흐름이 미약한 곳에서나 사용가능하고, (b)의 경우 동력이 필요한 문제가 있으므로, 경제성 측면에서는 (c)가 바람직하다.
본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 선박(110)과 선박(110)으로부터 일정거리에 계류된 도 2의 (c)의 계류형 부표(120)를 이용한다.
GPS 안테나(121)는 위성으로부터 신호를 수신하여 현재 수상이동기준점(120)의 위치에 대한 정보를 갱신한다. 음향통신모뎀(123)은 초음파와 같은 음향신호를 송출하는 장치로서, 종래기술에서 외부 기준점에서 이용되었던 신호를 수신하고 재전송하는 트랜스폰더와 달리 직접 신호를 발생하여 수중항체(210)에 전달하는 장치이다.
신호를 왕복시켜 거리 정보를 계측하는 기존의 방식에 비해 시간이 단축되고 전파의 이동 거리 및 시간이 단축되므로 오차도 줄일 수 있다.
다음으로, 수중항체(210)에 탑재된 마이크로모뎀(213), 거리계측장치(211) 및 관성측정장치(217)에 대해 살펴보도록 한다.
마이크로모뎀(213)은 수중항체(210)에 탑재된 음향신호 수신센서로서, 전술한 음향통신모뎀(123)으로 부터 송출된 초음파신호를 마이크로모뎀(213)에서 수신하여 지연시간을 기초로 수상이동기준점(120)과의 거리를 산출할 수 있다.
신호가 음향통신모뎀(123)으로부터 송출될 때부터 마이크로모뎀(213)에 도달할 때까지의 지연시간을 정확히 측정하기 위해 마이크로모뎀(213)과 음향통신모뎀(123)의 시각을 동기화하는 작업이 필요하다.
또, 기존에 수중항체(210)에서 이용하던 마이크로 모뎀을 이용하는 경우, 2개의 데이터 음향파를 동시에 처리할 수 없으므로 2개의 수상이동기준점(120)에서 번갈아 신호를 송신하는 방식으로 운용한다.
거리계측장치(211)는 마이크로모뎀(213)에서 수신한 신호의 지연시간과 수중에서 초음파속도를 기준으로 두 개의 수상이동기준점(120)으로부터의 거리를 계측한다. 또한 거리계측장치(211)는 마이크로모뎀(213)의 신호를 복조(demodulation:수신된 신호를 원래신호로 복구)하여 수상이동기준점의 위치정보를 계산한다.
관성측정장치(IMU: Inertial measurement unit)(217)는 운동의 관성력을 검출하여 측정 대상인 수중항체의 가속도 및 각속도를 제공하는 장치이다.
연산부(219)에서는 거리계측장치(211) 및 관성측정장치(217)에서 측정거리, 수상이동기준점의 위치정보, 수중항체의 가속도 및 각속도를 기초로 항법데이터의 오차를 보정한다.
먼저, 관성측정장치(217)에서 제공되는 가속도 및 각속도 데이터를 이용하여 수중항체의 위치, 속도, 자세 등의 데이터를 계산하는 스트랩다운 관성항법 알고리즘을 구동하고, 스트랩다운 관성항법을 통해 도출된 데이터와 수상이동기준점의 위치정보를 이용해 추정거리를 산출한다.
기본동작원리는 운반체의 회전 각속도를 측정하는 자이로 출력을 이용하여 기준항법 좌표계를 형성하고, 기준항법좌표계상의 가속도계 출력으로부터 중력가속도 성분을 보상한 후 적분을 취하여 운반체의 속도를 얻어내고 이를 다시 적분하여 이동한 거리를 구함으로써 현재의 위치를 산출하는 것이다.
즉, 이러한 스트랩다운 관성항법 알고리즘은 외부 조정 없이 수중항체(210)의 속도, 위치 및 자세 등의 추정항법데이터를 스스로 계산할 수 있어 외부의 전파 방해나 교란행위를 피할 수 있고, 날씨나 시간 등에 구애받지 않고 항법데이터를 산출할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 산출되는 값은 추정치로서 시간에 따라 오차가 누적되는 문제가 있어 오차의 보정이 필요하다. 연산부(219)는 거리계측장치(211)에서 측정한 측정거리와 추정거리의 거리오차를 산출하여 이를 기초로 항법데이터를 보정한다.
특히 연산부(219)는 도 5에 도시된 확장 칼만필터를 이용할 수 있으며, 확장 칼만필터는 간접되먹임 방식으로 추정거리를 보정할 수 있다. 칼만필터는 과거의 측정데이터와 새로운 측정데이터를 이용하여 데이터에 포함된 노이즈를 제거시켜 새로운 결과를 추정하는데 사용하는 알고리즘으로 이동하는 대상을 지속적인 데이터 갱신을 통해 재귀적으로 동작시킨다. 본 발명에 이용된 확장 칼만필터는 선형적인 운동에서 한 단계 더 나아가 비선형적인 모델에도 적용 가능한 알고리즘이다.
수중관성항법 데이터 산출방법
이하에서는 도 3에 도시된 순서도를 따라 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 측면에 따른 수중관성항법 오차보정방법의 각 단계를 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면 수중관성항법 데이터 산출 및 보정과정은 크게 측정거리를 산출하는 과정(S100~S300), 연산부에서 추정거리 및 거리오차를 산출하는 과정(S400~S450) 및 항법 데이터를 보정하는 과정(S500)으로 구분할 수 있다.
먼저, 2개의 수상이동기준점(120)과 수중항체(210)의 시각을 동기화한다(S100). 수상이동기준점(120)에서 송출하는 초음파신호가 수중항체(210)에 도달하는 데 걸리는 시간을 정확히 측정하기 위해서, 신호의 형태를 일치할 필요가 있다.
GPS안테나에서 위성으로 부터 수신한 데이터를 기초로 하여 음향통신모뎀(123)과 GPS 안테나(121)는 1PPS(Pulse Per Second)로 동기화 할 수 있고, 수중항체(210)의 마이크로 모뎀(213)의 시각도 동기화 시킨다.
다음으로, 2개의 수상이동기준점(120)에서 송신시각과 GPS 수신기에서 획득된 수상이동기준점의 위치정보를 변조하여 발신한 초음파신호를 수중항체(210)에서 수신한다(S200). 본 실시예에서는 신호를 수상이동기준점(120)에서 일방향으로 전송하는 방식을 택하여 일정시간 간격으로 수상이동기준점(120)에서 동기화된 초음파신호를 수중항체(210)에 송출한다.
이러한 일 방향 신호전달 방식은 신호가 왕복하는 것보다 거리를 줄일 수 있어, 계측시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 여러 대의 수중항체(210)을 운용하는 경우에도 통신 트래픽의 증가를 낮출 수 있다.
2개의 수상 기준점에서 발신하는 음향파를 이용하여 수중항체(210)가 거리를 측정하는 방법을 실제 구현함에 있어서, 현존하는 마이크로 모뎀은 2개 데이터 음향파를 동시에 처리할 수 없으므로 2개 수상 기준점이 번갈아 신호를 송신하는 방식으로 운용한다.
다음으로, 초음파신호의 수신지연시간을 기초로 수상기준점과 수중항체(210)의 측정거리를 산출한다(S300). 음향신호모뎀(123)에서 초음파가 송출된 시간으로부터 마이크로모뎀(213)에서 수신할 때까지의 수신지연시간과 초음파의 수중에서의 속도를 이용하여 거리계측장치에서 측정거리(R 1 means , R 2 means)를 산출한다.
다음으로, 수중항체(210)에 설치된 수상이동기준점(110, 120)의 위치정보 및 스트랩다운 관성항법 알고리즘을 통해 산출된 수중항체의 위치를 기초로 추정거리를 산출한다(S400).
이렇게 구한 측정거리와 추정거리는 실제 거리 R 1 , R 2 와 오차가 있으므로, 정확한 거리를 구하기 위해서는 이러한 오차를 산출하여 기존 데이터를 지속적으로 보정해야 한다.
수상이동기준점(120)과 자율무인잠수정(210) 사이의 거리계측 방법을 나타낸 개념도인 도 4를 참조하면 2개의 수상이동기준점(120)의 음향신호모뎀(123)의 위치는 지구고정좌표계에 대하여 각각 (xr1, yr1 , zr1), (xr2, yr2 , zr2) 이고, 자율무인잠수정(210)과의 거리는 R 1 ,R 2 이며, 자율무인잠수정(210)의 중심위치는( x, y, z)이다.
의사 LBL의 거리정보를 이용하여 수상관성항법 시스템을 통한 항법데이터를 얻기 위해서는 거리측정 오차모델이 필요하다. 두 수상이동기준점(120)과의 거리 R 1 , R 2 는 다음으로 표기될 수 있다.
Figure 112011017514914-pat00001
식(1)
Figure 112011017514914-pat00002
식(2)
여기서,
Figure 112011017514914-pat00003
이다.
관성측정장치(217) 및 스트랩다운 관성항법 알고리즘를 이용한 수중항체(210)의 위치추정에 오차가 존재하므로, 이를 이용한 추정거리(
Figure 112011017514914-pat00004
)에도 오차가 존재한다. 거리추정 오차모델은 거리 추정오차 dR 1 , dR 2 을 이용하여 다음과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112011017514914-pat00005
식(3)
Figure 112011017514914-pat00006
식(4)
ㄴ
다음으로, 관성측정장치(217) 및 스트랩다운 관성항법 알고리즘을 기반으로 산출한 추정거리와 측정거리를 이용해 거리오차를 출력하여(S500). 수중항체의 위치, 속도 및 자세 등의 항법데이터를 보정한다(S600).
측정거리에는 전범위 주파수에서 전체적으로 영향을 미치는 잡음인 백색잡음과 바이어스 오차가 존재한다고 가정할 수 있다. 바이어스 오차는 초음파 신호가 전파수신되는 시간지연에 수중항체(210)이 이동하는 것, 음속 오차, 다중 경로에 기인하는 위치오차 등이 있다. 또한 수중항체(210)의 거리는 수중항체(210)의 드리프트 운동으로 유발되는 바이어스 오차 성분도 추가될 수 있다.
백색잡음을 vR, 바이어스 오차를 Rb라 표기하면, 두 거리측정 모델 R 1 means , R 2means 는 다음과 같이 각각 나타낼 수 있다.
Figure 112011017514914-pat00007
식(5)
Figure 112011017514914-pat00008
식(6)
따라서, 거리 R 1 ,R 2 에 대하여 추정거리(
Figure 112011017514914-pat00009
)와 측정거리(R 1 means , R 2 means ) 의 오차모델은 다음으로 얻어진다.
Figure 112011017514914-pat00010
식(7)
Figure 112011017514914-pat00011
식(8)
항법데이터의 추정치와 측정치의 오차를 구하는 항법시스템 상태방정식은 상술한 측정거리와 추정거리 및 거리오차 뿐만 아니라 보조항법센서(215)에서 측정하는 방위, 속도, 심도 등의 측정치와 추정치등의 변수를 이용하여 항법데이터를 보정한다.
항법오차의 추정은 확장 칼만필터(Gelb, 1974)를 통하여 이루어지며, 간접되먹임방식으로 최종 항법 데이터가 얻어진다. 이 항법시스템은 보조센서의 신호가 없는 경우에는 확장 칼만필터를 이용하여 관성측정장치(217) 단독으로 위치를 추정하며, 외부의 측정신호가 유효한 경우에 오차행렬과 항법데이터를 보정한다.
도 5는 본 발명에 이용된 확장 칼만필터를 나타낸 것으로, 관성측정장치(217)를 기반으로 하고 두 개의 수상 이동 기준점에 대한 거리정보를 비롯하여 심도계, 도플러 속도계 및 방위계를 보조센서로 이용하는 수중 복합항법시스템의 신호 흐름이 도시되어 있다. 이 항법시스템은 보조센서의 신호가 없는 경우에는 확장 칼만필터를 이용하여 관성측정장치(217) 단독으로 위치를 추정하며, 외부의 측정신호가 유효한 경우에 오차행렬과 항법데이터를 보정한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 수상이동기준점 기반 수중관성항법 오차보정 시스템의 오차보정 방법은 해저면에 트랜스폰더를 설치하고 교정하는 작업이 필요하지 않아, 기준점을 용이하게 설치가능하고, 해저 작업이 어려운 위험지역이나 적대적인 해역에서도 사용이 가능하다.
또한, 해저면에 대한 상대 속도를 계측할 수 없는 경우에도 관성항법시스템이 표류하는 것을 방지할 수 있으며, 시간경과에 따른 위치추정오차의 누적을 방지할 수 있다.
초기 위치추정 오차가 존재하는 경우에도 강인한 위치추정 성능을 확보함으로써, 관성측정장치 기반의 항법시스템에서 필요한 초기정렬을 위한 과정을 생략할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110, 120: 수상이동기준점 111, 121: GPS 안테나
113, 123: 음향통신모뎀 115: 선박
125: 부표 바디 127: 계류장치
129: 추진장치 210: 자율무인잠수정
211: 마이크로 모뎀 213: 거리 계측장치
215: 보조항법센서 217: 관성측정장치
219: 연산부

Claims (7)

  1. 수면에 위치하며, GPS 수신기와 초음파 신호를 발생하는 음향통신모뎀(ATM: Acoustic Telephone Modem)을 장착한 2개의 수상이동기준점;
    수중항체에 장착되고, 상기 음향통신모뎀으로부터 초음파 신호를 수신하는 마이크로 모뎀;
    상기 수중항체에 장착되고, 상기 수상이동기준점과 상기 수중항체와의 측정거리를 수상이동기준점의 위치정보를 복조(demodulation)하여 산출하는 거리계측장치;
    상기 수중항체에 장착되고, 가속도와 각속도를 측정하는 관성측정장치;
    상기 가속도, 상기 각속도 및 상기 수상이동기준점의 위치정보를 이용하여 상기 수상이동기준점과의 추정거리를 산출하고, 상기 측정거리와 상기 추정거리의 거리오차를 기초로 항법데이터를 보정하는 연산부를 포함하는 수중관성항법 오차보정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수상이동기준점은,
    수면 위에 떠있는 부표 또는 선박 중 하나인 것을 특징으로 하는 수중 관성항법 오차보정 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 부표는,
    자체 추진기를 더 포함한 것을 특징으로 하는 수중 관성항법 오차보정 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 부표는,
    일정 범위 이상을 벗어나 이동하지 못하도록 해저에 계류된 것을 특징으로 하는 수중 관성항법 오차보정 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 GPS수신기와 음향통신모뎀 및 마이크로모뎀은 GPS 1 PPS(pulse per second)신호로 시각이 동기화 되어 있으며,
    주기적으로 상기 수중항체에 수상이동기준점의 위치가 변조되어 있는 초음파신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 수중관성항법 오차보정 시스템.
  6. 2개의 수상이동기준점에서 발신하는 초음파신호를 수신하여 수중항체의 항법데이터를 계산하는 수중관성항법 오차보정 방법에 있어서,
    상기 2개의 수상이동기준점에서 송신시각과 GPS 수신기에서 획득된 수상이동기준점의 위치정보를 변조하여 발신한 초음파신호를 수중항체에서 수신하는 단계;
    상기 초음파신호의 수신지연시간을 기초로 상기 수상이동기준점과 수중항체 사이의 측정거리를 산출하는 단계;
    상기 수상이동기준점의 위치정보 및 스트랩다운 관성항법 알고리즘을 통해 산출된 상기 수중항체의 위치를 기초로 추정거리를 산출하는 단계;
    상기 추정거리와 상기 측정거리를 이용해 거리오차를 출력하는 단계; 및
    상기 거리오차를 기초로 상기 수중항체의 위치, 속도 및 자세 등의 항법데이터를 보정하는 단계를 포함하는 수중관성항법의 오차보정 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 초음파신호를 수중항체에서 수신하는 단계 이전에,
    상기 수상이동기준점과 상기 수중항체의 시각을 동기화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중관성항법의 오차보정 방법.
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