KR101402767B1 - A rapid alignment mechanism applying an adaptive filter and disturbance detection technique - Google Patents

A rapid alignment mechanism applying an adaptive filter and disturbance detection technique Download PDF

Info

Publication number
KR101402767B1
KR101402767B1 KR1020110127577A KR20110127577A KR101402767B1 KR 101402767 B1 KR101402767 B1 KR 101402767B1 KR 1020110127577 A KR1020110127577 A KR 1020110127577A KR 20110127577 A KR20110127577 A KR 20110127577A KR 101402767 B1 KR101402767 B1 KR 101402767B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
value
module
alignment
disturbance
covariance
Prior art date
Application number
KR1020110127577A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20130061331A (en
Inventor
홍운선
정명숙
최상욱
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020110127577A priority Critical patent/KR101402767B1/en
Publication of KR20130061331A publication Critical patent/KR20130061331A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101402767B1 publication Critical patent/KR101402767B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/08Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

본 발명은, 지속성 외란과 단발성 외란이 인가되는 동적인 지상정렬 조건 하에서도, 관성항법장치의 정렬성능과 항법성능을 유지할 수 있고 정렬 실제시간도 4분 내외로 대폭 단축할 수 있는, 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘에 관한 것이다.
본 발명에 따른 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘은, 가속도계와 자이로로 이루어진 관성센서부, 관성센서부로부터 입력되는 가속도값과 각속도값을 이용하여 개략적인 초기 자세 값을 계산하는 개략 폐루프 정렬모듈 및 개략 폐루프 정렬모듈에서의 개략 폐루프 정렬이 완료된 때 자세 오차값에 의해 유발된 속도 오차값을 계산하는 측정치 형상 적응필터를 포함하여 구성된다. 개략 폐루프 정렬모듈은, 관성센서부로부터 입력된 가속도값을 이용하여 롤각과 피치각을 계산하는 개략 수평 정렬모듈과, 관성센서부로부터 입력된 가속도값과 각속도값으로부터 외란으로 인한 신호를 검출하여 외란 임계값을 산정하는 외란 검출모듈과, 관성센서부로부터 입력되는 각속도값을 이용하여 방위각을 계산하는 개략 방위각 정렬모듈로 이루어져 있다.
The present invention provides an adaptive filter capable of maintaining the alignment performance and navigation performance of the inertial navigation system and significantly shortening the alignment real time to about 4 minutes even under dynamic ground alignment conditions in which persistent disturbance and single- Speed sorting mechanism for an inertial navigation system employing a disturbance detection technique.
The adaptive filter and the rapid rapid alignment mechanism for an inertial navigation system employing the disturbance detection technique according to the present invention are characterized in that an inertial sensor unit composed of an accelerometer and a gyro and a rough initial posture value using an acceleration value and an angular velocity value input from the inertial sensor unit And a measured shape adaptive filter for calculating a velocity error value caused by the attitude error value when the rough closed loop alignment in the roughly closed loop alignment module is completed. The roughly closed loop sorting module includes a rough horizontal sorting module for calculating a roll angle and a pitch angle by using an acceleration value inputted from the inertia sensor part and a roughly horizontal sorting module for detecting a signal due to the disturbance from the acceleration value and the angular velocity value inputted from the inertia sensor part A disturbance detection module for calculating a disturbance threshold value, and a rough azimuth alignment module for calculating an azimuth angle using an angular velocity value input from the inertia sensor portion.

Description

적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘{A rapid alignment mechanism applying an adaptive filter and disturbance detection technique}Technical Field [0001] The present invention relates to an adaptive filter and disturbance detection technique for an inertial navigation system employing an adaptive filter and a disturbance detection technique,

본 발명은 관성항법장치의 정렬 메커니즘에 관한 것으로서, 지속성 외란, 윈드 버펫(wind buffet), 단발성 외란 등이 인가되는 동적(動的) 지상정렬 조건 하에서도 관성항법장치의 정렬성능과 항법성능을 유지할 수 있고, 정렬 실제시간도 4분 내외로 단축할 수 있는, 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘에 관한 것이다.The present invention relates to an alignment mechanism of an inertial navigation device and is capable of maintaining the alignment and navigation performance of an inertial navigation device even under dynamic ground alignment conditions where persistent disturbance, wind buffet, And to a robust alignment mechanism for an inertial navigation system employing an adaptive filter and a disturbance detection technique, which can shorten the alignment actual time to about 4 minutes or less.

위치파악과 자세제어를 필요로 하는 유도무기, 항공기, 수상함, 잠수함(정), 기동무기 등에 사용되는 관성항법장치(INS : Inertial Navigation System)는, 기본적으로, 각속도와 가속도가 「0」인 상태, 즉, 정적 상태(stationary status)를 전제로 하여 지상정렬(ground alignment)을 수행한다.Inertial Navigation System (INS), which is used for guided weapons, aircraft, asteroids, submarines and maneuvers that require position and attitude control, basically has an angular velocity and acceleration of "0" , That is, ground alignment is performed on the premise of stationary status.

이 전제 조건에 위반되면, 관성항법장치의 방위각의 추정성능이 저하되어 결과적으로 항법오차가 크게 발생한다. 예컨대, 단발성 외란, 윈드 버펫, 지속성 외란 등이 관성항법장치에 인가되는 환경 하에서 지상정렬을 수행하면, 각속도와 가속도는 「0」이 아니기 때문에, 정렬 전제 조건에 위배되어 정렬의 정확도와 관성항법장치의 항법성능이 크게 저하된다.If this precondition is violated, the estimation performance of the azimuth angle of the inertial navigation system is degraded, resulting in a large navigation error. For example, when the ground alignment is performed under an environment in which the single inertial disturbance, the wind buffet, the persistent disturbance, etc. are applied to the inertial navigation apparatus, the angular velocity and the acceleration are not " 0 & The navigation performance of the navigation system is significantly degraded.

외국의 경우에, 관성항법장치의 특성에 따라 4∼15분간 지상정렬을 수행하는데, 지상정렬 중 진동이 유입되면, 지상정렬을 중지함과 아울러, 운동 중 정렬(In-Motion Alignment)이나 비행 중 정렬(In-Flight Alignment) 등의 대체 모드로 전환하여 이동 중 정렬을 수행한다. 그러나 이러한 이동 중 정렬에는 10분가량의 실제정렬시간이 요구되며, 기동(특정궤적 포함)을 필요로 한다는 단점이 있다. 특히, 4분 정렬(급속 정렬)시에 외란이 유입되면, 방위각의 추정성능(정렬성능)과 항법성능은 현저히 저하된다.In the case of foreign countries, the ground alignment is performed for 4 to 15 minutes according to the characteristics of the inertial navigation system. When vibration is introduced during the ground alignment, the ground alignment is stopped, and in- (In-Flight Alignment) or the like, and performs alignment during movement. However, such alignment during movement requires an actual alignment time of about 10 minutes and requires a start (including a specific trajectory). Especially, when the disturbance is introduced at the time of 4-minute alignment (rapid alignment), the estimation performance of the azimuth (alignment performance) and the navigation performance are significantly deteriorated.

국내의 경우는, 중급/정밀급 관성항법장치의 지상정렬에 8∼15분이 소요되고 있다. 정적 상태를 전제로 하여 수행되는 지상정렬시, 윈드 버펫 등과 같이 단발적이면서 변량이 적은 외란이 가해지는 경우는 노치 필터를 사용하여 외란(또는 외란에 의한 영향)을 필터링하거나, 외란으로 인한 영향을 무시한 채 지상정렬을 계속해서 수행하여 외란의 영향(변량)이 전체 정렬시간에 걸쳐 분산되도록 하여 방위각의 추정성능에 대한 영향을 최소화시키고 있다.In Korea, it takes 8 to 15 minutes to arrange the intermediate / precision inertial navigation system on the ground. In case of ground alignment performed on the assumption of a static condition, a disturbance such as a wind buffet is applied to a small amount of disturbance, a notch filter may be used to filter the disturbance (or the influence of the disturbance) The influence of the disturbance (variance) is distributed over the entire alignment time, thereby minimizing the influence on the estimation performance of the azimuth angle.

그러나 이러한 정렬방식은 최근 들어 수요가 급증하고 있는 4분 급속 정렬에 적합하지 않다.However, such an alignment method is not suitable for the rapid four-minute alignment in which demand is rapidly increasing.

관성항법장치의 정렬성능과 항법성능은, 관성항법장치가 탑재되는 운반체나 플랫폼(이하, 「플랫폼」으로 통칭한다.)의 운용환경에 따라 크게 좌우된다.Alignment performance and navigation performance of the inertial navigation system depend greatly on the operating environment of the carrier or platform (hereinafter referred to as "platform") on which the inertial navigation system is mounted.

예컨대, 회전익(날개)의 지상정렬시, 로터의 회전으로 인해 지속적으로 발생하는 진동과 엔진시동으로 발생하는 단발적이고 방위각 변량이 큰 충격 때문에, 정렬성능이 급격히 저하된다.For example, when the rotor blade (landing gear) is aligned in the ground, the alignment performance is rapidly deteriorated due to the vibration generated continuously due to the rotation of the rotor and the one-shot impact caused by the engine starting.

이에 대해, 수상함이나 수중함에서의 지상정렬시, 파도와 조류(潮流)로 인한 롤링(rolling) 및 피칭(pitching)이 발생하여, 정렬성능 저하 및 정렬시간 지연이 발생된다.On the other hand, in the case of ground alignment in a ship or underwater, rolling and pitching due to waves and tidal currents occur, resulting in poor alignment performance and alignment time delay.

따라서 본 발명의 첫 번째 목적은, 중급/정밀급 관성항법장치의 급속 정렬(4분 정렬)에 효과적으로 적용할 수 있는 급속 정렬 메커니즘을 제공하는 데에 있다.Accordingly, a first object of the present invention is to provide a rapid alignment mechanism that can be effectively applied to rapid alignment (four-minute alignment) of an intermediate / precision inertial navigation device.

또한, 본 발명의 두 번째 목적은, 지상정렬 중에 외란, 진동, 충격이 유입되어도 우수한 정렬성능을 나타낼 수 있는 고 신뢰성의 견실 급속 정렬 메커니즘을 제공하는 데에 있다.It is also a second object of the present invention to provide a highly reliable robust alignment mechanism that can exhibit excellent alignment performance even when disturbance, vibration, or shock is introduced during ground alignment.

상기 과제와 목적이 달성될 수 있는 본 발명은, 중급/정밀급 관성항법장치의 지상정렬시, 외란 검출모듈과 개략 폐루프 정렬모듈과 측정치 형상 적응필터(measurement shaping adaptive kalman filter)를 이용하여, 관성항법장치의 정렬 중에 인가된 외란을 검출해 허용 가능한 외란 임계값을 산정하고, 관성센서부의 출력값이 외란 임계값보다 작을 때에만 개략 폐루프 정렬모듈이 개략 방위각(azimuth)을 계산함과 아울러, 측정치 형상 적응필터가 유입된 외란에 대한 방위각 추정성능 저하를 개선시킬 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an inertial navigation system including a disturbance detection module, a roughly closed loop alignment module, and a measurement shaping adaptive Kalman filter, The approximate closed loop sorting module calculates the approximate azimuth only when the output value of the inertia sensor portion is smaller than the disturbance threshold by calculating an allowable disturbance threshold value by detecting an applied disturbance during the alignment of the inertial navigation device, And the measurement shape adaptive filter is configured to improve the azimuth estimation performance deterioration with respect to the disturbance introduced.

특히, 본 발명에서는, 지속성 외란과 윈드 버펫, 단발성 외란이 인가되는 동적(動的) 지상정렬 조건 하에서, 관성센서부의 출력값으로부터 외란을 검출하여 허용 가능한 외란 임계값을 산정하는 외란검출 및 외란 임계값 산정기법과, 적응필터의 측정치(측정소음) 형상(shapping) 기법과, 적응필터의 상태 변수를 갱신하고 전파하기 위한 임계값 산정기법을 제시한다. 외란 임계값 산정 및 적응필터의 측정치 형상 기법 등은, 첨부도면에 의거한 실시예의 설명으로부터 명확해질 것이다.Particularly, in the present invention, the disturbance detection and the disturbance threshold value for detecting the disturbance from the output value of the inertia sensor section and calculating the allowable disturbance threshold value under the dynamic ground alignment condition to which persistent disturbance, wind buffet, We present estimation method, estimation (shaping) method of adaptive filter, and threshold value calculation method for updating and propagating state variable of adaptive filter. The disturbance threshold value calculation and the measurement shape technique of the adaptive filter, etc. will become clear from the description of the embodiment based on the attached drawings.

외란이 유입되는 조건 하에서도 관성항법장치의 정렬성능과 항법성능을 유지하고 정렬 실제시간도 4분 내외로 단축할 수 있는 본 발명의 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘은, 가속도계(accelerometer)와 자이로(gyroscope)로 이루어진 관성센서부와; 관성센서부로부터 입력되는 가속도값과 각속도값을 이용하여 개략적인 초기 자세 값을 계산하는 개략 폐루프 정렬모듈과; 개략 폐루프 정렬모듈에서의 개략 폐루프 정렬이 완료된 때 자세 오차값에 의해 유발된 속도 오차값과 외란을 측정치로 사용하여, 외란의 크기에 따라 측정치 공분산을 실시간 연산하여 이득을 제어하는 측정치 형상(shaping) 적응필터; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.The adaptive filter of the present invention which can maintain the alignment performance and the navigation performance of the inertial navigation system and reduce the actual alignment time to about 4 minutes even under the condition that the disturbance is introduced and the solid quick alignment mechanism for the inertial navigation system employing the disturbance detection technique An inertial sensor unit including an accelerometer and a gyroscope; A rough closed loop sorting module for calculating a rough initial posture value using an acceleration value and an angular velocity value input from the inertia sensor; A measured shape ( a) that controls the gain by real-time calculation of the measurement covariance according to the magnitude of the disturbance, using the velocity error value and disturbance caused by the attitude error value when the rough closed loop alignment in the rough closed loop alignment module is completed adaptive filter ; And a control unit.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 개략 폐루프 정렬모듈은, 관성센서부로부터 입력되는 가속도값을 이용하여 롤각(roll angle)과 피치각(pitch angle)을 계산하는 개략 수평 정렬모듈과, 관성센서부로부터 입력되는 가속도값과 각속도값으로부터 외란에 의한 신호를 검출하여 허용 가능한 외란 임계값을 산정하는 외란 검출모듈과, 관성센서부로부터 입력되는 수평축 가속도값의 출력이 “0”이 되도록 자세를 회전시키고 이 회전량을 이용하여 방위각(azimuth)을 계산하는 개략 방위각 정렬모듈로 구성되어 있다.In one embodiment of the present invention, the roughly closed loop sorting module includes a rough horizontal sorting module for calculating a roll angle and a pitch angle using an acceleration value input from the inertial sensor part, A disturbance detection module for detecting a signal due to a disturbance from an acceleration value and an angular velocity value input from the inertial sensor unit and calculating an allowable disturbance threshold value; And a rough azimuth alignment module that calculates the azimuth using this rotation amount.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 외란 검출모듈은, 개략 폐루프의 전체 구간 평균을 이용한 표준편차 계산모듈과, 이동 윈도우 평균을 이용한 표준편차 계산모 과, 관성센서부의 순간값 이용한 최대치 계산모듈과, 관성항법장치가 장착된 플랫폼에 유입되는 외란의 특성에 따라 3종류의 이들 계산모듈 중에서 어느 하나를 선택하는 외란 임계값 선택 스위치로 구성되어 있다. 위 세 가지 경우 외에 특정 플랫폼의 고유 진동 및 충격량을 미리 측정하여 외란 임계값으로 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the disturbance detecting module is schematically calculated lung maximum value with a standard deviation calculation module and calculating a standard deviation using the moving window average of the module and the inertial sensor of the instantaneous value with the entire length of the average loop depending on the nature of the disturbance to be introduced into the module and an inertial navigation system is mounted platform consists of a disturbance threshold selecting switch for selecting any one of three kinds of these calculation module. In addition to the above three cases, the natural vibration and impact of a specific platform can be measured in advance and used as a disturbance threshold value.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 개략 방위각 정렬모듈은, 관성센서부로부터 입력되는 각속도값이 외란 검출모듈에서 산출된 외란 임계값보다 작으면 개략 방위각을 연산함과 아울러 개략 방위각 정렬모듈의 정렬 실제시간을 증가시키고, 관성센서부로부터 입력되는 각속도값이 외란 검출모듈에서 산출된 외란 임계값 이상이면 개략 방위각 정렬모듈의 정렬 실제시간을 초기화시켜 개략 방위각 정렬모듈을 초기화한 후 개략 방위각 정렬을 다시 수행하며, 개략 방위각 정렬모듈의 방위각 정렬 실제시간이 증가하여 방위각 정렬 기준시간을 초과하면 개략 방위각의 정렬을 완료하도록 구성되어 있다.In one embodiment of the present invention, the rough azimuth alignment module calculates an approximate azimuth angle when the angular velocity value input from the inertial sensor unit is smaller than the disturbance threshold value calculated by the disturbance detection module, If the angular velocity input from the inertial sensor unit is equal to or greater than the disturbance threshold value calculated by the disturbance detection module, the alignment real time of the rough azimuth alignment module is initialized to initialize the rough azimuth alignment module, and then the rough azimuth alignment is performed again And when the actual azimuth alignment real time of the rough azimuth alignment module increases to exceed the azimuth alignment reference time, the alignment of the rough azimuth is completed.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 측정치 형상 적응필터는, 칼만 필터 수행 후 측정치 형상 적응필터의 오차 모델을 최초로 갱신하는 오차 상태 추정 외삽모듈과, 외란 유입시 측정치에 근거하여 측정치 공분산값을 실시간으로 최적화하는 적응 측정치 공분산 갱신모듈과, 적응 측정치 공분산 갱신모듈에 의한 측정치 공분산값의 갱신 후에 실행되어 전치 오차 공분산값을 갱신하는 오차 공분산 외삽모듈과, 오차 상태 공분산값과 시스템 프로세싱 오차 공분산값과 측정치 공분산값을 이용하여 칼만 이득을 계산하는 칼만 이득 평가모듈과, 칼만 이득을 이용하여 오차 상태 공분산값을 갱신함과 아울러 미리 계산한 기준값(trim value)에 기초하여 오차 상태 값의 갱신 여부를 결정하는 오차 상태 공분산 갱신모듈을 포함하여 구성되어 있다.In one embodiment of the present invention, the measured shape adaptive filter includes an error state estimation extrapolation module that first updates an error model of a measured shape adaptive filter after performing a Kalman filter, and an error state estimation extrapolation module that realizes a measurement covariance value in real time optimized adaptive measurement covariance update module, an adaptive measurement covariance update is carried out after renewal of the measurement covariance value by the module pre-error and the error covariance extrapolation module to update the covariance value, the error state covariance value and the system processing an error covariance value and the measurement covariance that errors by using a value based on the Kalman gain assessment module, as well as a reference value previously calculated and also by using the Kalman gain updates the error state covariance value (trim value) for calculating a Kalman gain determines the update if the error status value State covariance update module .

본 발명의 일 실시예에서, 상기 적응 측정치 공분산 갱신모듈은, 적응필터가 동작하는 전체 구간에 걸쳐 관성센서부로부터 출력된 가속도의 적분값을 평균하여 공분산을 구하는 전체 구간 누적 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈과, 속도 측정치에 일정한 이동 윈도우를 씌워 이동 윈도우의 평균을 연속적으로 구하는 이동 윈도우 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈과, 관성센서부의 순간값 이용한 측정치 공분산 갱신모듈과, 관성항법장치가 장착된 플랫폼의 지상정렬 조건에 따라 3가지 유형의 이들 측정치 공분산 갱신모듈 중에서 어느 하나 또는 다중 공분산 갱신모듈을 선택하는 측정치 공분산 선택 스위치로 구성되어 있다.In one embodiment of the present invention, the adaptive measurement covariance update module is configured to update the measured covariance update using the total interval cumulative averaging to obtain the covariance by averaging the integrated value of the acceleration output from the inertial sensor unit over the entire section in which the adaptive filter is operated. Module , a measurement covariance update module that uses a moving window average to continuously obtain an average of a moving window by imposing a constant moving window on the velocity measurement value , a measurement value covariance update module using an instantaneous value of the inertial sensor portion , a platform equipped with an inertial navigation device, And a measurement covariance selection switch for selecting any one of the three types of measurement covariance update modules or the multi-covariance update module according to the ground alignment condition of the measurement covariance update module.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 오차 상태 공분산 갱신모듈은, 개략 폐루프의 전체 구간 평균을 이용한 표준편차 계산모듈과, 이동 윈도우 평균을 이용한 표준편차 계산모듈과, 관성센서부의 순간값 이용한 최대치 계산모듈과, 가중치가 적용된 지구회전 각속도를 계산하는 지구 회전 각속도 계산모듈과, 가중치가 적용된 중력 가속도를 계산하는 중력 가속도 계산모듈과, 관성항법장치가 장착된 플랫폼에 유입되는 외란 특성에 따라 5종류의 이들 계산모듈 중에서 어느 하나 또는 하나 이상을 선택하는 기준값 선택 스위치로 구성되어 있다.In one embodiment of the present invention, the error-state covariance update module includes a standard deviation calculation module using a total interval average of a closed loop, a standard deviation calculation module using a moving window average, and a maximum value calculation module using an instantaneous value of the inertial sensor part. calculation module and the earth angular velocity calculation module and, depending on the disturbance characteristic which weights the gravitational acceleration to calculate the gravitational acceleration applied to calculation module and an inertial navigation unit is introduced in the mounting platform 5 kinds of calculating the earth angular velocity weighted And a reference value selection switch for selecting one or more of these calculation modules.

본 발명에 따르면, 관성항법장치의 지상정렬 중 외란이 인가되는 경우, 외란 검출모듈에 의해 외란 임계값이 산정되고, 외란 임계값보다 관성센서부의 출력값이 작을 때에만 개략 폐루프 정렬모듈에 의해 개략 방위각이 계산됨과 아울러, 측정치 형상 적응필터에 의해 진동이 유입되면 측정치 공분산을 키워서 측정치에 대한 신뢰도를 떨어뜨려 동적 지상정렬 조건 하에서 관성항법장치의 방위각 추정성능을 현저히 개선시킬 수 있다.According to the present invention, when disturbance is applied during ground alignment of the inertial navigation apparatus, the disturbance threshold value is calculated by the disturbance detection module, and only when the output value of the inertia sensor portion is smaller than the disturbance threshold value, The azimuth angle is calculated, and when the vibration is introduced by the measurement shape adaptive filter, the measurement covariance is increased to reduce the reliability of the measurement value, thereby remarkably improving the azimuth estimation performance of the inertial navigation device under the dynamic ground alignment condition.

또한, 외란에 의한 영향이 최소화되거나 완전히 배제될 수 있는 경우에 개략 폐루프 정렬모듈이 실행되어 개략 방위각에 대한 추정이 이루어지므로, 관성항법장치의 정렬성능과 항법성능이 높은 수준으로 유지될 수 있다.In addition, when the influence due to the disturbance can be minimized or completely eliminated, the approximate closed loop sorting module is executed to estimate the general azimuth angle, so that the alignment performance and navigation performance of the inertial navigation device can be maintained at a high level .

또한, 본 발명에서는, 일반 필터를 사용했을 때보다 방위각의 추정시간을 현저히 단축할 수 있고 방위각의 추정 정밀도도 70% 이상 향상시킬 수 있도록 구성된 측정치 형상 적응필터를 사용하기 때문에, 중급/정밀급 관성항법장치의 급속 정렬에 대한 해법을 제시하며, 일반적인 저급의 항법장치에도 매우 효과적으로 이용할 수 있다.Further, in the present invention, since the measurement shape adaptive filter configured to be able to remarkably shorten the estimation time of the azimuth angle and improve the estimation accuracy of the azimuth angle by more than 70% is used compared with the case of using the general filter, It provides a solution for rapid alignment of navigation devices and is very effective for general low-level navigation devices.

도 1은 본 발명에 따른 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘의 개략 폐루프 정렬모듈의 구성과 처리알고리즘을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘의 외란 검출모듈의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘의 개략 방위각 정렬모듈의 구성과 처리알고리즘을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘의 측정치 형상 적응필터의 구성과 처리알고리즘을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘의 적응 측정치 공분산 갱신모듈의 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘의 오차 상태 갱신모듈의 구성도.
1 is a block diagram of a robust alignment mechanism for an inertial navigation system employing an adaptive filter and a disturbance detection technique according to the present invention;
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration and a processing algorithm of an approximate closed loop sorting module of a robust sorting mechanism for an inertial navigation device using an adaptive filter and a disturbance detection technique according to the present invention. FIG.
3 is a block diagram of a disturbance detection module of a robust alignment mechanism for an inertial navigation system using an adaptive filter and a disturbance detection technique according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration and a processing algorithm of a rough azimuth alignment module for a robust alignment mechanism for an inertial navigation system employing an adaptive filter and a disturbance detection technique according to the present invention; FIG.
5 is a diagram showing a configuration and a processing algorithm of a measured shape adaptive filter of a robust alignment mechanism for an inertial navigation system using an adaptive filter and a disturbance detection technique according to the present invention.
6 is a block diagram of an adaptive measurement covariance update module of a robust alignment mechanism for an inertial navigation system employing an adaptive filter and a disturbance detection technique according to the present invention.
FIG. 7 is a block diagram of an error state update module of a robust alignment mechanism for an inertial navigation system employing an adaptive filter and a disturbance detection technique according to the present invention. FIG.

이하, 본 발명에 따른 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘의 적절한 실시예가 첨부도면에 의거하여 상세히 설명된다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of a robust alignment mechanism for an inertial navigation system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

또한, 본 명세서에서, "모듈"이란, 특정 처리를 위한 프로그램 그 자체를 일컫는 경우도 있지만, 그와 같은 프로그램의 일부가 탑재된 회로나 전자부품을 일컫는 경우도 있다.In this specification, the term "module" refers to a program itself for a specific process, but may also refer to a circuit or an electronic component on which a part of such a program is mounted.

우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 예에 따른 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘은, 외란(신호)의 유입으로 인한 중급/정밀급 관성항법장치의 성능 저하(예컨대, 정렬성능 및 항법성능의 저하)를 최소화할 수 있도록, 관성센서부(101)개략 폐루프 정렬모듈(102)측정치 형상(shaping) 적응필터(103)의 3단 구조로 이루어져 있다.First, as shown in FIG. 1, a solid quick aligning mechanism for an inertial navigation system according to an exemplary embodiment of the present invention is designed to improve performance of an intermediate / precision inertial navigation system due to disturbance (signal) Stage configuration including an inertial sensor unit 101, a roughly closed loop alignment module 102 and a measurement shaping adaptive filter 103 so as to minimize the deterioration of the navigation performance and the navigation performance.

관성센서부(101)는, 가속도 검출용 가속도계(accelerometer)와, 각속도 검출용 자이로(gyroscope)와, 가속도계와 자이로가 탑재되는 블록(block)으로 구성되어 있다. 또한, 이 관성센서부(101)에는, 가속도계와 자이로에 의해 검출된 가속도 및 각속도의 출력값(신호)을 후술하는 개략 폐루프 정렬모듈(102)에 출력하기 위한 케이블이 연결되어 있다. 관성센서부(101)는, x축, y축, z축의 가속도와 각속도를 각각 출력한다.The inertial sensor unit 101 is composed of an accelerometer for acceleration detection, a gyroscope for angular velocity detection, and a block on which an accelerometer and a gyro are mounted. The inertia sensor unit 101 is connected to a cable for outputting an output value (signal) of acceleration and angular velocity detected by the accelerometer and the gyro to the roughly closed loop alignment module 102 described later. The inertial sensor unit 101 outputs acceleration and angular velocity of the x-axis, the y-axis, and the z-axis, respectively.

관성센서부(101)에서 개략 폐루프 정렬모듈(102)로 출력되는 가속도 및 각속도의 출력값은, 아래의 [수학식 1]과 같다.The output values of the acceleration and the angular velocity output from the inertia sensor unit 101 to the roughly closed loop sorting module 102 are shown in the following Equation (1).

Figure 112011095588102-pat00001
Figure 112011095588102-pat00001

상기 [수학식 1]에서, 각각의 기호는 아래와 같이 정의한다.In Equation (1), each symbol is defined as follows.

Figure 112011095588102-pat00002
: x축, y축, z축의 자이로의 각속도 출력값
Figure 112011095588102-pat00002
: Output value of angular velocity of gyros in x, y, z axis

Figure 112011095588102-pat00003
: x축, y축, z축의 각속도 참값
Figure 112011095588102-pat00003
: angular velocity true values in x, y, and z axes

Figure 112011095588102-pat00004
: 외란에 의한 각속도의 변량
Figure 112011095588102-pat00004
: Variation of angular velocity due to disturbance

Figure 112011095588102-pat00005
: x축, y축, z축의 가속도계의 가속도 출력값
Figure 112011095588102-pat00005
: Acceleration output value of accelerometer on x, y, z axis

Figure 112011095588102-pat00006
: x축, y축, z축의 가속도 참값
Figure 112011095588102-pat00006
: Acceleration truth values on x, y, and z axes

Figure 112011095588102-pat00007
: 외란에 의한 가속도의 변량
Figure 112011095588102-pat00007
: Variation of Acceleration by Disturbance

[수학식 1]에서, 관성센서부(101)의 출력값에는, 외란으로 인한 변량(變量)이 포함되어 있다. 다시 말해, 관성센서부(101)에서 개략 폐루프 정렬모듈(102)로 출력되는 출력값은, 외란이 없는 정적 상태(stationary status)에서 측정할 경우에 얻어지는 참값(true value)에, 외란으로 인한 변량이 포함된 값이다.In Equation (1), the output value of the inertia sensor unit 101 includes a variation due to disturbance. In other words, the output value output from the inertia sensor unit 101 to the roughly closed loop sorting module 102 is a true value obtained when measuring in stationary status without disturbance, .

따라서 방위각의 추정 시, 관성센서부(101)의 출력값을 그대로 이용하면, 외란으로 인한 변량이 방위각의 추정치에 반영되어 오차가 발생하기 때문에, 관성항법장치의 성능이 악화된다.Therefore, when the output value of the inertial sensor unit 101 is used as it is when estimating the azimuth angle, the variation due to the disturbance is reflected in the estimation value of the azimuth angle, resulting in an error, which degrades the performance of the inertial navigation system.

이에 본 발명에서는 외란으로 인한 변량이 방위각의 추정치에 반영되지 않도록, 개략 폐루프 정렬모듈(102)과 측정치 형상 적응필터(103)를 이용하는데, 이들 중, 개략 폐루프 정렬모듈(102)의 구성과 작용효과를 먼저 설명하면 다음과 같다.Therefore, in the present invention, the rough closed loop sorting module 102 and the measured shape adaptive filter 103 are used so that the variance due to the disturbance is not reflected in the azimuth estimate. Among them, the configuration of the rough closed loop sorting module 102 And the effect of the action will be described first.

도 2에서 알 수 있듯이, 본 실시예에 따른 개략 폐루프 정렬모듈(102)은, 관성센서부(101)로부터 입력되는 가속도와 각속도의 출력값을 이용하여 개략적인 초기 자세 값을 계산하는 모듈로서, 가속도의 출력값을 이용하여 롤각(roll angle)과 피치각(pitch angle)을 각각 계산하는 개략 수평 정렬모듈(104)과, 변량이 포함된 가속도와 각속도의 출력값으로부터 외란으로 인한 신호를 검출하여 허용 가능한 외란의 임계값(이하에서 외란 임계값이라 한다.)을 산정하는 외란 검출모듈(105)과, 수평축 롤각과 피치각을 구하기 위한 제어 값(DCM)을 이용해 방위각(azimuth)을 계산하는 개략 방위각 정렬모듈(109)로 구성되어 있다.2, the approximate closed loop sorting module 102 according to the present embodiment is a module for calculating a rough initial posture value using the acceleration value input from the inertia sensor unit 101 and the output value of the angular velocity, A rough horizontal alignment module 104 for calculating a roll angle and a pitch angle using an output value of the acceleration, and a rough horizontal alignment module 104 for detecting a signal due to the disturbance from the output values of the acceleration and the angular velocity, A disturbance detection module 105 for calculating a threshold value of a disturbance (hereinafter referred to as a disturbance threshold value), a rough azimuth angle calculation for calculating an azimuth using a horizontal axis roll angle and a control value DCM for obtaining a pitch angle Module 109, as shown in FIG.

롤각과 피치각은, 항법좌표계(로컬 ENU(local east, north, up) 좌표계 또는 로컬 NED(local north, east, down) 좌표계)를 유지하기 위해, 예를 들면, 플랫폼의 수평축의 가속도값이 「0」이 되도록 플랫폼의 자세를 자세변환 행렬로 회전시켰을 때, 플랫폼의 회전량을 각도로 변환한 값이다.The roll angle and the pitch angle can be adjusted to maintain the navigation coordinate system (local east, north, up coordinate system or local local north, east, down coordinate system) 0 " when the posture of the platform is rotated by the attitude conversion matrix.

외란 임계값은, 측정치 형상 적응필터(103)와 개략 방위각 정렬모듈(109)에 각각 제공된다.The disturbance threshold value is provided to the measurement shape adaptive filter 103 and the rough azimuth alignment module 109, respectively.

또한, 외란 검출모듈(105)은 도 3에 도시된 바와 같이, 개략 폐루프의 전체 구간 평균을 이용한 표준편차 계산모듈(111), 이동 윈도우 평균을 이용한 표준편차 계산모듈(112), 관성센서부의 순간값 이용한 최대치 계산모듈(113)외란 임계값 선택 스위치(114)로 구성되어 있다.In addition, the disturbance detecting module 105 is as shown in Fig. 3, calculate the standard deviation using the entire length of the average of a schematic closed loop module 111, the calculated standard deviation with a moving window average module 112, the inertial sensor unit A maximum value calculation module 113 using an instantaneous value , and a disturbance threshold value selection switch 114 .

전체 구간 평균을 이용한 표준편차 계산모듈(111)은, 아래의 [수학식 2]와 [수학식 3]에 의해, 평균과 표준편차를 각각 계산한다.The standard deviation calculation module 111 using the entire section average calculates an average and a standard deviation by using the following equations (2) and (3), respectively.

Figure 112011095588102-pat00008
Figure 112011095588102-pat00008

Figure 112011095588102-pat00009
Figure 112011095588102-pat00009

상기 [수학식 2]와 [수학식 3]에서, 각각의 기호는 아래와 같이 정의한다.In the above equations (2) and (3), the respective symbols are defined as follows.

Figure 112011095588102-pat00010
: 관성센서부에서 출력되는 x축, y축, z축의 각속도의 전체 구간 평균
Figure 112011095588102-pat00010
: Averages of the angular velocity of the x-axis, y-axis, and z-axis output from the inertial sensor unit

Figure 112011095588102-pat00011
: 관성센서부에서 출력되는 i번째의 x축, y축, z축의 각속도
Figure 112011095588102-pat00011
: The angular velocity of the i-th x-axis, y-axis, and z-axis output from the inertia sensor unit

Figure 112011095588102-pat00012
: 관성센서부에서 출력되는 x축, y축, z축의 가속도의 전체 구간 평균
Figure 112011095588102-pat00012
: The average of the acceleration of the x-axis, y-axis, and z-axis output from the inertial sensor unit

Figure 112011095588102-pat00013
: 관성센서부에서 출력되는 i번째의 x축, y축, z축의 가속도
Figure 112011095588102-pat00013
: Acceleration of the i-th x-axis, y-axis, and z-axis output from the inertial sensor unit

Figure 112011095588102-pat00014
: 관성센서부에서 출력되는 x축, y축, z축의 각속도의 k번째 표준편차
Figure 112011095588102-pat00014
: The kth standard deviation of the angular speeds of the x-axis, y-axis, and z-axis output from the inertial sensor unit

Figure 112011095588102-pat00015
: 관성센서부에서 출력되는 x축, y축, z축의 가속도의 k번째 표준편차
Figure 112011095588102-pat00015
: The kth standard deviation of the acceleration in the x, y, and z axes output from the inertia sensor unit

이에 대해, 이동 윈도우 평균을 이용한 표준편차 계산모듈(112)은, 평균과 표준편차를, 아래의 [수학식 4] 및 [수학식 5]에 의해 계산한다. 윈도우의 크기는, 관성항법장치가 적용된 플랫폼의 지상정렬 운용환경에 맞추어 가변한다.On the other hand, the standard deviation calculation module 112 using the moving window average calculates the average and the standard deviation using the following equations (4) and (5). The size of the window varies depending on the ground alignment operating environment of the platform to which the inertial navigation system is applied.

Figure 112011095588102-pat00016
Figure 112011095588102-pat00016

Figure 112011095588102-pat00017
Figure 112011095588102-pat00017

상기 [수학식 4]와 [수학식 5]에서, 각각의 기호는 아래와 같이 정의한다.In the equations (4) and (5), the respective symbols are defined as follows.

Figure 112011095588102-pat00018
: 관성센서부에서 출력되는 x축, y축, z축의 각속도의 이동 윈도우 평균
Figure 112011095588102-pat00018
: Average moving window of angular velocity in x, y, z axis output from inertia sensor

Figure 112011095588102-pat00019
: 관성센서부에서 출력되는 i번째의 x축, y축, z축의 각속도
Figure 112011095588102-pat00019
: The angular velocity of the i-th x-axis, y-axis, and z-axis output from the inertia sensor unit

N: 이동 윈도우의 크기N: Size of the moving window

Figure 112011095588102-pat00020
: 관성센서부에서 출력되는 x축, y축, z축의 가속도의 이동 윈도우 평균
Figure 112011095588102-pat00020
: The moving window average of the acceleration of the x-axis, y-axis, and z-axis output from the inertial sensor unit

Figure 112011095588102-pat00021
: 관성센서부에서 출력되는 i번째의 x축, y축, z축의 가속도
Figure 112011095588102-pat00021
: Acceleration of the i-th x-axis, y-axis, and z-axis output from the inertial sensor unit

Figure 112011095588102-pat00022
: 관성센서부에서 출력되는 x축, y축, z축의 각속도의 k번째 표준편차
Figure 112011095588102-pat00022
: The kth standard deviation of the angular speeds of the x-axis, y-axis, and z-axis output from the inertial sensor unit

Figure 112011095588102-pat00023
: 관성센서부에서 출력되는 x축, y축, z축의 가속도의 k번째 표준편차
Figure 112011095588102-pat00023
: The kth standard deviation of the acceleration in the x, y, and z axes output from the inertia sensor unit

이에 대해, 관성센서부(101)의 순간값(순시치라고 하기도 함)을 이용한 최대치 계산모듈(113)은, 관성센서부(101)에서 출력되는 최대 가속도값과 최대 각속도값을 외란 임계값으로 사용하며, 순시치 최대값을 직접사용하거나 관성항법장치가 적용된 플랫폼의 진동특성을 미리 측정하여 순시치 최대값을 제한하기도 한다.On the other hand, the maximum value calculation module 113 using the instantaneous value (also referred to as instantaneous value) of the inertial sensor unit 101 calculates the maximum acceleration value and the maximum angular velocity value output from the inertial sensor unit 101 as a disturbance threshold value , And the instantaneous value maximum value may be limited by directly using the instantaneous value maximum value or measuring the vibration characteristic of the platform to which the inertial navigation device is applied in advance.

외란 임계값 선택 스위치(114)는, 이들 계산모듈(111)(112)(113) 중에서, 관성항법장치가 장착된 플랫폼에 유입되는 외란(진동, 충격 등)의 특성을 가장 잘 나타내는 계산모듈을 선택한다.The disturbance threshold selection switch 114 selects a calculation module that best represents the characteristics of disturbance (vibration, shock, etc.) flowing into the platform on which the inertial navigation device is mounted, among these calculation modules 111 Select.

외란 검출모듈(105)에서 계산된 외란 임계값은, 관성항법장치가 장착된 플랫폼의 진동 특성에 따라 자이로스코프 기준값과 가속도계 기준값으로 각각 사용되거나, 이들 기준값이 조합되어 사용될 수 있다.The disturbance threshold value calculated by the disturbance detection module 105 may be used as a gyroscope reference value and an accelerometer reference value, respectively, according to the vibration characteristics of the platform on which the inertial navigation device is mounted, or these reference values may be used in combination.

관성센서부(101)의 출력값이 외란 검출모듈(105)의 외란 임계값보다 작은 경우, 개략 방위각 정렬모듈(109)을 실행시켜 개략 방위각을 연산하는데, 그 과정은 도 2에 나타낸 바와 같다.When the output value of the inertia sensor unit 101 is smaller than the disturbance threshold value of the disturbance detection module 105, the rough azimuth alignment module 109 is executed to calculate the rough azimuth angle as shown in FIG.

우선, 개략 수평 정렬모듈(104)을 실행시킨 후, 외란 검출모듈(105)에 의해 실시간으로 외란 임계값을 연산하고, 수평 정렬 실제시간 증가모듈(106)에 의해 개략 수평 정렬모듈(104)의 수평 정렬 실제시간을 증가시킨다.First, after executing the rough horizontal alignment module 104, the disturbance threshold value is calculated in real time by the disturbance detection module 105, and the horizontal alignment real time increase module 106 calculates the disturbance threshold value Horizontal alignment Increases the actual time.

여기서 개략 수평 정렬모듈(104)은, 폐루프 이득값에 따라 수평축 자세의 수렴시간이 조금씩 다르지만, 20초 내외의 시간에 수렴이 가능하다.Here, the approximate horizontal alignment module 104 can converge at a time of about 20 seconds although the convergence time of the horizontal axis posture is slightly different depending on the closed loop gain value.

다음으로, 플랫폼의 특성에 맞추어 설정한 수평 정렬 기준시간과 수평 정렬 실제시간을 수평 정렬시간 비교모듈(107)이 비교하여, 수평 정렬 실제시간이 수평 정렬 기준시간 이상이 될 때까지 개략 수평 정렬을 수행한다.Next, the horizontal alignment time and the horizontal alignment actual time set in accordance with the characteristics of the platform are compared by the horizontal alignment time comparison module 107, and the horizontal alignment real time is roughly horizontally aligned until the horizontal alignment real time becomes longer than the horizontal alignment reference time .

이어서, 수평 정렬 기준시간 동안, 관성센서부(101)의 출력값이 외란 검출모듈(105)의 외란 임계값보다 작으면, 개략 방위각 정렬모듈(109)에 의해 개략 방위각 정렬을 수행한다. 관성센서부(101)의 출력값과 외란 임계값의 비교는, 임계값 비교모듈(108)에 의해 수행된다.Subsequently, when the output value of the inertia sensor unit 101 is smaller than the disturbance threshold value of the disturbance detection module 105 during the horizontal alignment reference time, the rough azimuth alignment module 109 performs rough azimuth alignment. The comparison of the output value of the inertia sensor section 101 and the disturbance threshold value is performed by the threshold value comparison module 108. [

다음으로, 개략 방위각 정렬 완료모듈(110)에 의해 개략 방위각의 정렬이 완료되면, 측정치 형상 적응필터(103)를 실행시키고, 그 외의 경우에는 개략 방위각의 정렬이 완료될 때까지, 개략 폐루프 정렬모듈(102)에서의 상기 과정을 계속 실행시킨다.Next, when the rough azimuth alignment completion module 110 completes the alignment of the azimuth angles, the measurement shape adaptive filter 103 is executed. Otherwise, the approximate azimuth alignment is completed, And continues the above process in the module 102.

일반적으로, 외란이 지속적으로 유입되거나 충격이 단발적으로 가해지는 경우에 방위각 정렬 기준시간을 적절히 조절함으로써, 개략 방위각의 추정 정밀도를 높일 수 있다. 그 외의 경우는 방위각 정렬 기준시간을 되도록 이면 짧게 설정함으로써, 개략 방위각의 정렬시간을 단축시킬 수 있다.In general, when the disturbance continuously flows or the impact is applied on a single occasion, the estimation accuracy of the rough azimuth can be improved by appropriately adjusting the azimuth alignment reference time. In other cases, it is possible to shorten the alignment time of the rough azimuth angle by setting the azimuth alignment reference time as short as possible.

짧은 시간 내에 개략 방위각을 정밀하게 추정함에 있어서는, 개략 방위각 정렬모듈(109)의 성능이 매우 중요하다. 특히, 개략 방위각의 정렬 중에 유입되는 외란은 개략 방위각의 추정 정밀도에 큰 영향을 미치므로, 외란으로 인한 영향을 배제시키는 것이 매우 중요해진다.In accurately estimating the rough azimuth angle within a short time, the performance of the rough azimuth alignment module 109 is very important. In particular, since the disturbance introduced during the alignment of the rough azimuth angle greatly affects the estimation accuracy of the rough azimuth angle, it is very important to exclude the influence due to the disturbance.

이 때문에, 본 발명에 따른 개략 방위각 정렬모듈(109)에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 외란에 의한 변량을 포함하고 있는 관성센서부(101)의 출력값이 외란 검출모듈(105)에서 산출된 외란 임계값보다 작으면, 개략 방위각 연산모듈(117)에 의해 개략 방위각을 연산함과 아울러, 방위각 정렬 실제시간 증가모듈(118)에 의해 개략 방위각 정렬모듈(109)의 방위각 정렬 실제시간을 증가시킨다.Therefore, in the rough azimuth alignment module 109 according to the present invention, as shown in FIG. 4, the output value of the inertial sensor unit 101 including the variation due to the disturbance is calculated by the disturbance detection module 105 When the disturbance threshold value is smaller than the threshold value, the rough azimuth calculation module 117 calculates the approximate azimuth angle and increases the azimuth alignment real time of the rough azimuth alignment module 109 by the azimuth alignment real time increasing module 118 .

반면, 관성센서부(101)의 출력값이 외란 임계값 이상이면, 방위각 정렬 실제시간 리셋모듈(116)에 의해 개략 방위각 정렬모듈(109)의 방위각 정렬 실제시간을 초기화시켜 개략 방위각 정렬모듈(109)을 초기화한 후, 개략 방위각의 정렬을 다시 수행한다.When the output value of the inertial sensor unit 101 is equal to or greater than the disturbance threshold value, the azimuthal alignment actual time reset module 116 initializes the azimuthal alignment real time of the rough azimuth alignment module 109, And the alignment of the rough azimuth is again performed.

개략 방위각 정렬모듈(109)의 방위각 정렬 실제시간이 증가하여 방위각 정렬 기준시간을 초과하면, 개략 방위각의 정렬을 완료한다. 그러나 방위각 정렬 실제시간이 방위각 정렬 기준시간 이하이면, 방위각 정렬 실제시간이 방위각 정렬 기준시간에 이를 때까지, 관성센서부(101)의 출력값, 예컨대, 각속도/가속도값이 외란 검출모듈(105)에서 산출된 외란 임계값보다 큰지 작은지 비교하는 과정에서부터 상기 방위각 정렬 실제시간을 증가시키는 과정까지를 다시 실행한다. 개략 방위각 정렬모듈(109)의 방위각 정렬 실제시간이 방위각 정렬 기준시간을 초과했는지 여부는, 방위각 정렬시간 비교모듈(119)에 의해 수행된다.When the actual azimuth alignment real time of the rough azimuth alignment module 109 increases and exceeds the azimuth alignment reference time, the alignment of the rough azimuth is completed. However, if the azimuthal alignment actual time is less than the azimuthal alignment reference time, the output value of the inertial sensor unit 101, for example, the angular velocity / acceleration value, is detected by the disturbance detection module 105 until the azimuthal alignment actual time reaches the azimuthal alignment reference time From the process of comparing whether the calculated disturbance threshold value is smaller or smaller to the process of increasing the azimuth alignment actual time is executed again. Whether or not the azimuth alignment real time of the rough azimuth alignment module 109 exceeds the azimuth alignment reference time is performed by the azimuth alignment time comparison module 119.

방위각 정렬 기준시간은, 관성항법장치가 탑재되는 플랫폼의 특성(예를 들면, 진동특성), 관성항법장치의 성능, 외란의 발생빈도 등을 고려하여 적절히 설정하면 되지만, 방위각 정렬 기준시간이 길어질수록 외란이 유입될 수 있는 시간도 길어져서 개략 방위각의 추정 정밀도가 저하될 수 있으므로, 가급적이면, 1분은 초과하지 않도록 하는 것이 좋다.The azimuth alignment reference time may be appropriately set in consideration of the characteristics (for example, vibration characteristics) of the platform on which the inertial navigation system is mounted, the performance of the inertial navigation system, the frequency of occurrence of disturbance, etc. However, The time during which the disturbance can be introduced is lengthened so that the estimation accuracy of the rough azimuth angle may be reduced.

개략 방위각 정렬모듈(109)에서는, 아래의 [수학식 6]에 의해, 개략 방위각을 추정한다.The rough azimuth alignment module 109 estimates the rough azimuth angle by the following equation (6).

Figure 112011095588102-pat00024
Figure 112011095588102-pat00024

상기 [수학식 6]에서, 각각의 기호는 아래와 같이 정의한다.In Equation (6), each symbol is defined as follows.

Figure 112011095588102-pat00025
: 방위각
Figure 112011095588102-pat00025
: Azimuth angle

Figure 112011095588102-pat00026
: y축 가속도값이 「0」이 나오도록 x축 자이로를 회전시킨 회전량
Figure 112011095588102-pat00026
: The amount of rotation in which the x-axis gyro is rotated so that the y-axis acceleration value becomes "0"

Figure 112011095588102-pat00027
: x축 가속도값이 「0」이 나오도록 y축 자이로를 회전시킨 회전량
Figure 112011095588102-pat00027
: The rotation amount of the y-axis gyro rotated so that the x-axis acceleration value becomes "0"

Figure 112011095588102-pat00028
: 지구 자전 각속도
Figure 112011095588102-pat00028
: Earth rotation angular velocity

Figure 112011095588102-pat00029
: 위도
Figure 112011095588102-pat00029
: Latitude

이상과 같이 하여, 개략 폐루프 정렬모듈(102)에서의 정렬(개략 폐루프 정렬이라 함)이 완료되면, 도 5에 도시되어 있는 측정치 형상 적응필터(103)를 실행시켜, 자세 오차값에 의해 유발된 속도 오차값을 측정치로 사용하는 적응형 측정치 공분산 형상 필터를 사용하여 오차모델을 갱신한다. 적응형 측정치 공분산 형상필터는 오차의 영향을 최소화하기 위해 쓰인다.When the alignment in the rough closed loop alignment module 102 is completed in this manner (referred to as rough closed loop alignment ), the measured shape adaptive filter 103 shown in Fig. 5 is executed, The adaptive measurement covariance shape filter using the induced velocity error value as a measurement is used to update the error model. Adaptive Measurements Covariance shape filters are used to minimize the effects of errors.

일반적으로, 개략 폐루프 정렬 후에 보상되지 않는 자세 오차는 매우 작다.In general, the posture error that is not compensated after the rough closed loop alignment is very small.

또한, 중급/정밀급 관성항법장치의 자세 오차로 인해 발생하는 속도 오차는 10∼1000μg의 가속도값의 시간에 따른 적분값이다.In addition, the velocity error caused by the position error of the intermediate / precision inertial navigation system is an integral value over time of the acceleration value of 10 to 1000 μg.

외란이 있는 경우에, 순수 속도 오차는 외란에 비해 작을 수도 있기 때문에, 외란의 크기에 따라 필터의 측정치 공분산값을 가변하여, 오차 모델이 각속도 참값과 가속도 참값에 따라 갱신되도록 해 주어야 한다.In the case of disturbance, the pure velocity error may be smaller than the disturbance. Therefore, the covariance value of the filter should be varied according to the magnitude of the disturbance, and the error model should be updated according to the angular velocity true value and acceleration true value.

즉, 외란이 큰 경우는 측정치 공분산을 증가시켜 속도 오차 참값이 오차 모델에 작게 반영되도록 보상값을 작게 유지하고, 외란이 작은 경우는 측정치 공분산을 감소시켜 속도 오차 참값이 되도록 이면 크게 오차 모델에 반영되도록 해야 한다.That is, when the disturbance is large, the compensation value is kept small so that the velocity error true value is reflected to the error model small by increasing the measurement value covariance. If the disturbance is small, the measurement covariance is decreased, Should be.

이러한 이유로, 본 발명에서는, 오차 모델의 차수에 관계없이 4분 정도의 짧은 시간에 정렬 과정을 완료할 수 있는 측정치 형상 적응필터를 사용하였다. 이러한 측정치 형상 적응필터를 사용하면, 일반 필터를 사용했을 때보다 방위각 추정 시간을 단축할 수 있고, 추정의 정밀도는 70% 이상 향상시킬 수 있다.For this reason, in the present invention, a measurement shape adaptive filter capable of completing the alignment process in a short time of about 4 minutes regardless of the order of the error model is used. By using such a shape shape adaptive filter, the azimuth estimation time can be shortened and the accuracy of estimation can be improved by 70% or more as compared with the case of using a general filter.

지상정렬 오차 모델은, 속도 오차, 자세 오차, 가속도계의 바이어스 오차 및 자이로의 바이어스 오차를 포함하여 12차(차수) 오차 모델로 구성하는 것이 좋지만, 스케일 변수와 비정렬각을 오차 모델에 포함시켜 오차 모델의 차수를 증가시켜도 좋다.The ground alignment error model is preferably composed of a 12th (order) error model including the velocity error, the attitude error, the bias error of the accelerometer, and the bias error of the gyroscope. However, The degree of the model may be increased.

일반적으로, 적응필터의 오차 모델은 아래의 [수학식 7]과 같다.Generally, the error model of the adaptive filter is expressed by Equation (7) below.

Figure 112011095588102-pat00030
Figure 112011095588102-pat00030

상기 [수학식 7]에서, 측정치(측정잡음) 공분산값 R을 고정하여 사용하는 경우, 측정치 공분산값 R이 작을수록 관성센서부(101)의 출력값을 신뢰하여, 오차 상태를 정확히 추정할 수 있다. 그러나 외란이 유입되는 경우에는 필터의 추정 정밀도가 저하한다. 또한, 측정치 공분산값 R이 크면, 오차 상태 공분산값에 비해, 관성센서부의 출력값이 작아, 추정 정밀도가 저하한다.When the measurement value (measurement noise) covariance value R is fixed and used in Equation (7), the output value of the inertia sensor unit 101 is relied on to estimate the error state more accurately as the measurement value covariance value R becomes smaller . However, when the disturbance is introduced, the estimation accuracy of the filter decreases. In addition, when the measurement value covariance value R is large, the output value of the inertia sensor unit is smaller than that of the error state covariance value, and the estimation accuracy is lowered.

따라서 진동과 외란이 있는 상황에서는, 측정치에 근거하여, 측정치 공분산값을 실시간으로 최적화해야만 정렬성능을 보장할 수 있다.Therefore, in a situation where there is vibration and disturbance, alignment performance can be guaranteed only by optimizing the measured value covariance value in real time based on the measured value.

도 5에 나타나 있는 바와 같이, 오차 모델은, 오차 상태 추정 외삽모듈(121)이 실행됨으로써, 칼만 필터 수행 후 처음으로 갱신된다.As shown in FIG. 5, the error model is first updated after the Kalman filter is executed by executing the error state estimation extrapolation module 121. [0064] FIG.

이어서, 적응 측정치 공분산 갱신모듈(122)이 실행되어, 적응 측정치 공분산(adaptive measurement covariance update)이 갱신된다.The adaptive measurement covariance update module 122 is then executed to update the adaptive measurement covariance update.

지상정렬은 정적 상태(stationary status)를 전제로 하기 때문에, 속도의 참값(참속도값)은 「0」이다. 따라서 아래의 [수학식 9]에 나타낸 것처럼, 관성센서부(101)로부터 출력된 가속도의 적분값인 속도성분만 오차 항으로 작용하여, 이를 필터의 측정치로 사용한다.Since the ground alignment assumes a stationary status, the true value of speed (true speed value) is "0". Therefore, only the velocity component, which is the integral value of the acceleration output from the inertial sensor unit 101, acts as an error term and uses it as a measurement value of the filter, as shown in the following equation (9).

적응 측정치 공분산 갱신모듈(122)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 적응필터가 동작하는 전체 구간에 걸쳐서 관성센서부(101)로부터 출력된 가속도의 적분값을 평균하여 공분산을 구하는 전체 구간 누적 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈(128)과, 속도 측정치에 일정한 이동 윈도우를 씌워 이동 윈도우의 평균을 연속적으로 구하는 이동 윈도우 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈(129)과, 관성센서부(101)의 순간값을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈(130)과, 측정치 공분산 선택 스위치(131)로 구성되어 있다.As shown in FIG. 6, the adaptive measurement covariance update module 122 calculates a cumulative average of the cumulative averages of averages of the acceleration output from the inertial sensor unit 101 over the entire section in which the adaptive filter is operated, A measurement covariance update module 129 using a moving window average that continuously obtains an average of a moving window by covering a constant moving window on a velocity measurement value and a measurement covariance updating module 129 using an instantaneous value of the inertial sensor portion 101 And a measurement covariance selection switch 131. The measurement covariance update module 130 includes a measurement covariance update module 130 and a measurement value covariance selection switch 131. [

적응 측정치 공분산 갱신모듈(122)은, 아래의 [수학식 8]∼[수학식 10]에 의해, 공분산을 계산한다.The adaptive measurement covariance update module 122 calculates the covariance by using the following equations (8) to (10).

Figure 112011095588102-pat00031
Figure 112011095588102-pat00031

Figure 112011095588102-pat00032
Figure 112011095588102-pat00032

Figure 112011095588102-pat00033
Figure 112011095588102-pat00033

측정치 공분산 선택 스위치(131)는, 상기 3가지 유형의 측정치 공분산 갱신모듈(128)(129)(130) 중에서, 관성항법장치를 장착한 플랫폼의 지상정렬 조건을 가장 잘 반영하는 모듈을 선택한다. 예컨대, 플랫폼으로부터 유입되는 외란이 단발성 진동이거나 충격일 경우는 이동 윈도우 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈(129) 또는 관성센서부(101)의 순간값을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈(130)을 선택하고, 외란이 지속적으로 유입되는 경우는 전체 구간 누적 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈(128)을 선택한다.The measurement covariance selection switch 131 selects a module that best reflects the ground alignment condition of the platform equipped with the inertial navigation device among the above three types of measurement value covariance update modules 128, 129 and 130. For example, when the disturbance introduced from the platform is a one-shot vibration or an impact, the measurement covariance update module 129 using the moving window average or the measurement covariance update module 130 using the instantaneous values of the inertial sensor portion 101 is selected, If the disturbance continuously flows, the measurement covariance update module 128 using the total interval cumulative average is selected.

이러한 적응 측정치 공분산 갱신모듈(122)을 사용함으로써, 외부로부터 유입되는 외란에 대한 칼만 이득을 탄력적으로 조절할 수 있다. 또한, 전체 구간 누적 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈(128)과 이동 윈도우 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈(129)은, 필터의 추정치가 비교적 안정된 값을 유지하는 장점이 있으며, 관성센서부(101)의 순간값을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈(130)은, 외란에 대한 반응속도가 빠른 장점이 있다.By using the adaptive measurement covariance update module 122, the Kalman gain for disturbance introduced from the outside can be flexibly adjusted. In addition, the measurement covariance update module 128 using the total interval cumulative average and the measurement value covariance update module 129 using the moving window average have an advantage that the estimated value of the filter is kept relatively stable. The inertial sensor unit 101, The measurement covariance update module 130 using the instantaneous value of the instantaneous value is advantageous in that the response speed to disturbance is high.

도 5로 돌아가서, 적응 측정치 공분산 갱신모듈(122)에 의한 적응 측정치 공분산값의 갱신 후, 오차 공분산 외삽모듈(123)을 실행시켜, 전치(transponse) 오차 공분산값을 갱신한다.Returning to FIG. 5, after updating the adaptive measurement covariance value by the adaptive measurement covariance update module 122, the error covariance extrapolation module 123 is executed to update the transparency error covariance value.

이어서, 칼만 이득 평가모듈(124)을 실행시켜, 칼만 이득을 계산한다.The Kalman gain evaluation module 124 is then executed to calculate the Kalman gain.

칼만 이득의 계산에는, 오차 상태 공분산값, 프로세싱 오차 공분산값, 측정치(측정잡음) 공분산값이 이용된다.For calculation of the Kalman gain, an error state covariance value, a processing error covariance value, and a measured value (measurement noise) covariance value are used.

칼만 이득은, 측정치 공분산의 영향을 받아 외란으로 인한 영향이 최소화되도록 결정된다.The Kalman gain is determined to minimize the effect of the disturbance due to the influence of the measurement covariance.

이어서, 오차 상태 공분산 갱신모듈(125)을 실행시켜, 오차 상태 공분산값을 갱신함과 아울러, 미리 계산한 기준값(trim value)에 기초하여 오차 상태 값의 갱신 여부를 결정한다. 이때, 앞에서 계산한 칼만 이득이 사용된다.Then, the error-state covariance update module 125 is executed to update the error-state covariance value and to determine whether to update the error-state value based on a previously calculated reference value. At this time, the previously calculated Kalman gain is used.

기준값에 기초하여 오차 상태 값을 갱신하기로 결정한 경우, 오차 상태 갱신모듈(126)을 실행시켜, 오차 상태 방정식을 갱신할 것인지, 또는 오차 상태 공분산값만 전파할 것인지를 결정한다.When it is determined to update the error state value based on the reference value, the error state update module 126 is executed to determine whether to update the error state equation or only the error state covariance value.

오차 상태 방정식을 갱신할지 또는 오차 상태 공분산값만 전파할지를 결정하기 위한 기준값으로는, 개략 폐루프 정렬시에 계산해 놓았던 전체 구간 평균을 이용한 표준편차, 이동 윈도우 평균을 이용한 표준편차, 관성센서부의 순간값을 이용한 최대치, 지구 회전 각속도에 가중치를 둔 기준값, 중력 가속도에 가중치를 둔 기준값 중에서, 관성항법장치가 장착된 플랫폼에 유입되는 외란 특성을 고려하여, 가장 적합한 것을 선택하거나 이의 조합을 사용한다.The reference value for determining whether to update the error state equation or to propagate only the error state covariance value includes standard deviation using the total interval average calculated at the rough closed loop alignment, standard deviation using the moving window average, instantaneous value of the inertia sensor portion , The reference value having the weighted value of the earth's rotational angular velocity, and the reference value having the weighted value of the gravitational acceleration, the disturbance characteristic flowing into the platform equipped with the inertial navigation system is taken into consideration, or a combination thereof is used.

이러한 기준값의 선택은 도 7에 나타낸 바와 같이, 기준값 선택 스위치(134)에 의해 행해진다.The selection of the reference value is made by the reference value selection switch 134 as shown in Fig.

관성센서부(101)의 출력값이 기준값 선택 스위치(134)에 의해 선택된 기준값보다 작은 경우에는 오차 상태 방정식을 갱신한다.When the output value of the inertia sensor unit 101 is smaller than the reference value selected by the reference value selection switch 134, the error state equation is updated.

그 외의 경우에는 오차 상태 공분산값만 전파(propagation)한다.In other cases, only the error state covariance value is propagated.

가중치가 적용된 지구 회전 각속도는, 지구 회전 각속도 계산모듈(132)에 의해, 아래의 [수학식 11]과 같이 계산되며, 가중치가 적용된 중력 가속도는, 중력 가속도 계산모듈(133)에 의해, 아래의 [수학식 12]와 같이 계산된다.The earth rotation angular velocity to which the weight is applied is calculated by the earth rotation angular velocity calculation module 132 as shown in Equation (11) below, and the gravity acceleration applied with the weight is calculated by the gravity acceleration calculation module 133 (12). &Quot; (12) "

지구 회전 각속도와 중력 가속도에 적용하는 각각의 가중치는, 관성항법장치의 정확성 등을 고려하여 설정한다.The weights applied to the earth's rotational angular velocity and gravitational acceleration are set in consideration of the accuracy of the inertial navigation system.

Figure 112011095588102-pat00034
Figure 112011095588102-pat00034

Figure 112011095588102-pat00035
Figure 112011095588102-pat00035

상기 [수학식 11]과 [수학식 12]에서, 각각의 기호는 아래와 같이 정의한다.In the above equations (11) and (12), the respective symbols are defined as follows.

Figure 112011095588102-pat00036
: 지구 회전 각속도
Figure 112011095588102-pat00036
: Earth rotation angular velocity

Figure 112011095588102-pat00037
: 중력 가속도
Figure 112011095588102-pat00037
: Gravitational acceleration

당연한 것이지만, 관성센서부(101)에 외란이 유입되면, 관성센서부(101)에서 출력되는 지구 회전 각속도값과, 중력 가속도값이 모두 변한다.As a matter of course, when the disturbance flows into the inertial sensor unit 101, both the earth rotational angular velocity value output from the inertial sensor unit 101 and the gravitational acceleration value are changed.

관성센서부(101)로부터 출력되는 지구 회전 각속도값을 현재 정렬위치에서의 이상적인 각속도값에 가중치를 적용한 기준값과 비교하여, 관성센서부(101)에서 출력된 지구 회전 각속도값이 작으면, 오차 상태 방정식을 갱신한다.When the earth rotational angular velocity value output from the inertial sensor unit 101 is compared with a reference value obtained by applying a weight to the ideal angular velocity value at the current alignment position and the earth rotational angular velocity value output from the inertial sensor unit 101 is small, Update the equation.

한편, 관성센서부(101)로부터 출력되는 중력 가속도값을 현재 정렬위치에서의 이상적인 가속도값에 가중치를 적용한 기준값과 비교하여, 관성센서부(101)에서 출력된 중력 가속도값이 기준값보다 작은 경우에는 오차 상태를 갱신하고, 기준값 이상이면 오차 상태 공분산값만 전파한다.On the other hand, when the gravity acceleration value output from the inertia sensor unit 101 is compared with the reference value obtained by applying the weight to the ideal acceleration value at the current alignment position and the gravity acceleration value output from the inertia sensor unit 101 is smaller than the reference value The error state is updated, and if it exceeds the reference value, only the error state covariance value is propagated.

101...관성센서부
102...개략 폐루프 정렬모듈
103...측정치 형상 적응필터
104...개략 수평 정렬모듈
105...외란 검출모듈
106...수평 정렬 실제시간 증가모듈
107...수평 정렬시간 비교모듈
108...임계값 비교모듈
109...개략 방위각 정렬모듈
110...개략 방위각 정렬 완료모듈
111...전체 구간 평균을 이용한 표준편차 계산모듈
112...이동 윈도우 평균을 이용한 표준편차 계산모듈
113...관성센서부의 순간값을 이용한 최대치 계산모듈
114...외란 임계값 선택 스위치
116...방위각 정렬 실제시간 리셋모듈
117...개략 방위각 연산모듈
118...방위각 정렬 실제시간 증가모듈
119...방위각 정렬시간 비교모듈
121...오차 상태 추정 외삽모듈
122...적응 측정치 공분산 갱신모듈
123...오차 공분산 외삽모듈
124...칼만 이득 평가모듈
125...오차 상태 공분산 갱신모듈
126...오차 상태 갱신모듈
128...전체 구간 누적 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈
129...이동 윈도우 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈
130...관성센서부의 순간값을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈
131...측정치 공분산 선택 스위치
132...지구 회전 각속도 계산모듈
133...중력 가속도 계산모듈
134...기준값 선택 스위치
101 ... inertial sensor unit
102 ... roughly closed loop alignment module
103 ... Measured shape adaptive filter
104 ... rough horizontal alignment module
105 ... Disturbance detection module
106 ... Horizontal alignment real time increment module
107 ... horizontal alignment time comparison module
108 ... threshold comparison module
109 ... rough azimuth alignment module
110 ... rough azimuth alignment completion module
111 ... Standard Deviation Calculation Module Using Whole Section Average
112 ... Standard deviation calculation module using moving window average
113 ... Maximum value calculation module using instantaneous value of inertia sensor part
114 ... disturbance threshold selection switch
116 ... azimuth alignment real time reset module
117 ... rough azimuth calculation module
118 ... azimuth alignment real time increment module
119 ... azimuth alignment time comparison module
121 ... error state estimation extrapolation module
122 ... adaptive measure covariance update module
123 ... error covariance extrapolation module
124 ... Kalman gain evaluation module
125 ... error state covariance update module
126 ... error state update module
128 ... Measurement covariance update module using cumulative average of all sections
129 ... Measurement covariance update module using moving window average
130 ... measurement value covariance update module using the instantaneous value of the inertia sensor part
131 ... Measurement covariance selection switch
132 ... Earth rotation angular velocity calculation module
133 ... gravity acceleration calculation module
134 ... reference value selection switch

Claims (6)

가속도계(accelerometer)와 자이로(gyroscope)로 이루어진 관성센서부로부터 입력되는 가속도값과 각속도값을 이용하여 개략적인 초기 자세 값을 계산하는 개략 폐루프 정렬모듈; 및
개략 폐루프 정렬모듈에서의 개략 폐루프 정렬이 완료된 이후, 자세 오차값에 의해 유발된 속도 오차값 및 이에 포함된 외란 값을 측정치로 사용하는 측정치 형상(shaping) 적응필터;
를 포함하여 구성되며,
상기 개략 폐루프 정렬모듈은,
상기 관성센서부로부터 입력되는 가속도값을 이용하여 롤각(roll angle)과 피치각(pitch angle)을 계산하는 개략 수평 정렬모듈과,
상기 관성센서부로부터 입력되는 가속도값과 각속도값으로부터 외란에 의한 신호를 검출하여, 허용 가능한 외란 임계값을 산정하는 외란 검출모듈과,
상기 관성센서부로부터 입력되는 가속도값과 각속도값을 사용하여 방위각(Heading)을 계산하는 개략 방위각 정렬모듈과,
상기 폐루프 정렬모듈에서 계산된 자세 값의 오차에 의해 유발되는 속도오차 및 이에 포함된 외란 값에 따라 측정치 공분산을 실시간으로 가변하고, 오차상태 방정식의 갱신 여부를 결정하기 위한 기준값 산정방식을 특징으로 하는 측정치 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘.
An approximate closed loop sorting module for calculating a rough initial posture value by using an acceleration value and an angular velocity value input from an inertia sensor part composed of an accelerometer and a gyroscope; And
A shaping adaptive filter that uses the velocity error value caused by the attitude error value and the disturbance value included therein as a measurement value after the approximate closed loop alignment in the approximate closed loop alignment module is completed;
And,
The roughly closed loop sorting module comprises:
A rough horizontal alignment module for calculating a roll angle and a pitch angle using an acceleration value input from the inertial sensor;
A disturbance detection module for detecting a disturbance signal from an acceleration value and an angular velocity value input from the inertia sensor and calculating an allowable disturbance threshold;
A rough azimuth alignment module for calculating an azimuth angle using an acceleration value and an angular velocity value input from the inertial sensor;
A reference value calculation method for varying the measurement covariance in real time according to the velocity error caused by the error of the attitude value calculated in the closed loop sorting module and the disturbance value included therein and determining whether to update the error state equation A fast adaptive mechanism for inertial navigation systems using a measurement adaptive filter and a disturbance detection technique.
제1항에서 있어서,
상기 외란 검출모듈은,
개략 폐루프의 전체 구간 평균을 이용한 표준편차 계산모듈과,
이동 윈도우 평균을 이용한 표준편차 계산모듈과,
관성센서부의 순간값을 이용한 최대치 계산모듈과,
관성항법장치가 장착된 플랫폼에 유입되는 외란의 특성에 따라, 3종류의 상기 계산모듈 중에서 어느 하나 및 조합을 선택하는 외란 임계값 선택 스위치로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘.
The method of claim 1,
Wherein the disturbance detecting module comprises:
A standard deviation calculation module using the entire interval average of the closed loop,
A standard deviation calculation module using a moving window average,
A maximum value calculation module using an instantaneous value of the inertia sensor part,
And a disturbance threshold selection switch for selecting any one of the three types of calculation modules and a combination of the disturbance threshold selection switches according to the characteristics of disturbance introduced into the platform equipped with the inertial navigation device. Robust alignment mechanism for inertial navigation systems.
제1항에 있어서,
상기 개략 방위각 정렬모듈은,
상기 관성센서부로부터 입력되는 각속도/가속도값이 상기 외란 검출모듈에서 산출된 외란 임계값보다 작으면, 개략 방위각을 연산함과 아울러, 개략 방위각 정렬모듈의 정렬 실제시간을 증가시키고,
상기 관성센서부로부터 입력되는 각속도/가속도값이 상기 외란 검출모듈에서 산출된 외란 임계값 이상이면, 개략 방위각 정렬모듈의 정렬 실제시간을 초기화시켜 개략 방위각 정렬모듈을 초기화한 후, 개략 방위각 정렬을 다시 수행하며,
개략 방위각 정렬모듈의 방위각 정렬 실제시간이 방위각 정렬 기준시간을 초과하면 개략 방위각 정렬을 완료하고, 방위각 정렬 실제시간이 방위각 정렬 기준시간 이하이면, 방위각 정렬 실제시간이 방위각 정렬 기준시간에 이를 때까지, 상기 관성센서부로부터 입력되는 각속도/가속도값과 상기 외란 검출모듈에서 산출된 외란 임계값을 비교하는 과정에서부터 상기 방위각 정렬 실제시간을 증가시키는 과정까지를 실행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘.
The method according to claim 1,
Wherein the rough azimuth alignment module comprises:
When the angular velocity / acceleration value inputted from the inertial sensor unit is smaller than the disturbance threshold value calculated by the disturbance detection module, the approximate azimuth angle is calculated, the alignment real time of the rough azimuth alignment module is increased,
If the angular velocity / acceleration value input from the inertial sensor unit is equal to or greater than the disturbance threshold value calculated by the disturbance detection module, the alignment real time of the general azimuth alignment module is initialized to initialize the general azimuth alignment module, Lt; / RTI &
When the actual azimuth alignment time of the rough azimuth alignment module exceeds the azimuth alignment reference time, the rough azimuth alignment is completed. If the azimuth alignment actual time is less than the azimuth alignment reference time, the azimuth alignment is performed until the actual time reaches the azimuth alignment reference time. And a step of comparing the angular velocity / acceleration value input from the inertial sensor unit and the disturbance threshold value calculated by the disturbance detection module to a process of increasing the azimuth alignment real time. A rapid rapid alignment mechanism for inertial navigation systems with adaptive technique.
제1항에 있어서,
상기 측정치 형상 적응필터는,
외란 유입 시, 측정치에 근거하여, 측정치 공분산값을 실시간으로 최적화하는 적응 측정치 공분산 갱신모듈과,
오차 상태 공분산값, 프로세싱 오차 공분산값, 적응형 측정치 공분산값을 이용하여 칼만 이득을 계산하는 칼만 이득 평가모듈과,
칼만 이득을 이용하여 오차 상태 공분산값을 갱신함과 아울러, 미리 계산한 기준값(trim value)에 기초하여 오차 상태 값의 갱신 여부를 결정하는 오차 상태 갱신모듈을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘.
The method according to claim 1,
Wherein the measurement shape adaptive filter comprises:
An adaptive measurement covariance update module for optimizing a measured value covariance value in real time based on the measured value when disturbance is introduced,
A Kalman gain evaluation module for calculating a Kalman gain using an error state covariance value, a processing error covariance value, and an adaptive measurement value covariance value;
And an error state update module for updating the error state covariance value using the Kalman gain and determining whether to update the error state value based on a previously calculated reference value. Robust Alignment Mechanism for Inertial Navigation System Using Disturbance Detection Technique.
제4항에 있어서,
상기 적응 측정치 공분산 갱신모듈은,
적응필터가 동작하는 전체 구간에 걸쳐 관성센서부로부터 출력된 가속도의 적분값을 평균하여 공분산을 구하는 전체 구간 누적 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈과,
속도 측정치에 일정한 이동 윈도우를 씌워 이동 윈도우의 평균을 연속적으로 구하는 이동 윈도우 평균을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈과,
관성센서부의 순간값을 이용한 측정치 공분산 갱신모듈(순간값은 미리 측정된 시스템 외란 특성 값으로 제한가능), 및 관성항법장치가 장착된 플랫폼의 지상정렬 조건에 따라, 3가지 유형의 상기 측정치 공분산 갱신모듈 중에서 어느 하나 또는 조합을 선택하는 측정치 공분산 선택 스위치로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘.
5. The method of claim 4,
Wherein the adaptive measurement covariance update module comprises:
A measurement covariance update module that uses a total interval cumulative average to obtain an covariance by averaging integral values of acceleration output from the inertial sensor unit over the entire section in which the adaptive filter is operated;
A measurement covariance update module using a moving window average that continuously obtains an average of a moving window by covering a constant moving window with a velocity measurement value;
The measurement covariance update module using the instantaneous value of the inertial sensor part (instantaneous value can be limited to the previously measured system disturbance characteristic value) and the ground alignment condition of the platform equipped with inertial navigation device, the three types of measurement covariance update And a measurement value covariance selection switch for selecting any one or a combination of the modules. The adaptive filter and the robust alignment mechanism for the inertial navigation system using the disturbance detection technique.
제4항에 있어서,
상기 오차 상태 공분산 갱신모듈은,
개략 폐루프의 전체 구간 평균을 이용한 표준편차 계산모듈과,
이동 윈도우 평균을 이용한 표준편차 계산모듈과,
관성센서부의 순간값을 이용한 최대치 계산모듈과,
가중치가 적용된 지구회전 각속도를 계산하는 지구 회전 각속도 계산모듈과,
가중치가 적용된 중력 가속도를 계산하는 중력 가속도 계산모듈과,
관성항법장치가 장착된 플랫폼에 유입되는 외란 특성에 따라, 5종류의 상기 계산모듈 중에서 어느 하나를 선택하거나 조합하는 기준값 선택 스위치로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 적응필터와 외란검출기법을 적용한 관성항법장치용 견실 급속 정렬 메커니즘.
5. The method of claim 4,
Wherein the error state covariance update module comprises:
A standard deviation calculation module using the entire interval average of the closed loop,
A standard deviation calculation module using a moving window average,
A maximum value calculation module using an instantaneous value of the inertia sensor part,
A earth rotation angular velocity calculation module for calculating the earth rotation angular velocity to which the weight is applied,
A gravity acceleration calculation module for calculating a gravity acceleration to which a weight is applied,
And a reference value selection switch for selecting or combining any one of the five types of calculation modules according to the disturbance characteristic introduced into the platform equipped with the inertial navigation device. The inertial navigation device using the adaptive filter and the disturbance detection technique Fast solid alignment mechanism.
KR1020110127577A 2011-12-01 2011-12-01 A rapid alignment mechanism applying an adaptive filter and disturbance detection technique KR101402767B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110127577A KR101402767B1 (en) 2011-12-01 2011-12-01 A rapid alignment mechanism applying an adaptive filter and disturbance detection technique

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110127577A KR101402767B1 (en) 2011-12-01 2011-12-01 A rapid alignment mechanism applying an adaptive filter and disturbance detection technique

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130061331A KR20130061331A (en) 2013-06-11
KR101402767B1 true KR101402767B1 (en) 2014-06-09

Family

ID=48859465

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110127577A KR101402767B1 (en) 2011-12-01 2011-12-01 A rapid alignment mechanism applying an adaptive filter and disturbance detection technique

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101402767B1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101462007B1 (en) * 2013-08-22 2014-11-18 한국과학기술연구원 Apparatus for estimating attitude and method for estimating attitude
KR101520360B1 (en) * 2014-11-05 2015-05-15 국방과학연구소 Digital sight for handcarried mortar and a control method thereof
KR101988266B1 (en) * 2018-03-09 2019-06-12 국방과학연구소 Rapid initial alignment method of slave inertial navigation system mounted on rotorcraft
KR102280750B1 (en) * 2020-02-28 2021-07-21 세종대학교산학협력단 Initial alignment technique for inertial navigation system of vehicle subject to structural vibration

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
정명숙 외2명, "적응형 필터를 이용한 진동 중 급속 지상정렬 기법", 한국군사과학기술학회 2011년 종합학술대회, pp. 897-900 (2011년 06월) *
홍운선 외3명, "INS/GPS 통합시스템의 보정필터 구현 및 스텝오차 보상에 관한 연구", 제어로봇시스템학회 국제학술대회 논문집, pp. 2075-2078 (2001년 10월) *

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130061331A (en) 2013-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1200802B1 (en) Vibration compensation for sensors
US20220404152A1 (en) Motion constraint-aided underwater integrated navigation method employing improved sage-husa adaptive filtering
JP5606656B2 (en) Positioning device
CN106500693B (en) A kind of AHRS algorithm based on adaptive extended kalman filtering
US8560234B2 (en) System and method of navigation based on state estimation using a stepped filter
JP4199553B2 (en) Hybrid navigation device
CN109029454A (en) A kind of abscissa system Strapdown Inertial Navigation System damping algorithm based on Kalman filtering
KR101402767B1 (en) A rapid alignment mechanism applying an adaptive filter and disturbance detection technique
EP2837911B1 (en) Method to improve leveling performance in navigation systems
CN110146076A (en) A kind of SINS/DVL combined positioning method of no inverse matrix adaptive-filtering
JP6413946B2 (en) Positioning device
CN106153069B (en) Attitude rectification device and method in autonomous navigation system
CN111141313B (en) Method for improving matching transfer alignment precision of airborne local relative attitude
KR101106048B1 (en) Method for calibrating sensor errors automatically during operation, and inertial navigation using the same
JP2008116370A (en) Mobile location positioning device
RU2564380C1 (en) Correction method of strap-down inertial navigation system
CN110044321A (en) The method for resolving attitude of flight vehicle using Geomagnetism Information and angular rate gyroscope
Wang et al. Attitude determination method by fusing single antenna GPS and low cost MEMS sensors using intelligent Kalman filter algorithm
JP5022747B2 (en) Mobile body posture and orientation detection device
US20240045001A1 (en) System and method for fast magnetometer calibration using gyroscope
CN109827596A (en) The zero bias estimation method of MEMS gyroscope under the conditions of a kind of descontinuous motion
KR20180039684A (en) Inertia sensor
CN109916398A (en) A kind of adaptive quaternary number particle filter attitude data fusion method
CN110736459B (en) Angular deformation measurement error evaluation method for inertial quantity matching alignment
CN110375773B (en) Attitude initialization method for MEMS inertial navigation system

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170504

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180503

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190503

Year of fee payment: 6