KR101560580B1 - 포탄용 항법장치 및 그것의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포탄에 설치되어 상기 포탄의 비행과 관련된 항법정보를 생성하는 포탄용 항법장치 및 그것의 제어방법에 관한 것으로, 포탄에 설치되는 포탄용 항법장치의 제어방법에 있어서, 상기 포탄이 발사되는 것에 응답하여 GPS 수신부로부터 상기 포탄의 GPS 정보를 수신하고, 각속도 센서부로부터 상기 포탄의 각속도 정보를 수신하며, 가속도 센서부로부터 상기 포탄의 가속도 정보를 수신하는 단계, 상기 GPS 정보, 상기 각속도 정보 및 상기 가속도 정보를 이용하여 관성 항법 데이터를 생성하는 단계 및 상기 생성된 관성 항법 데이터에 상기 GPS 정보에 대응하는 위성 항법 데이터를 융합하여 비행 중인 상기 포탄의 위치, 자세 및 속도 중 적어도 하나를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 관성 항법 데이터를 생성하는 단계는, 상기 GPS 정보 및 상기 각속도 정보를 이용하여 상기 포탄의 초기자세를 결정하는 단계 및 상기 초기자세에 근거하여 상기 관성 항법 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

포탄용 항법장치 및 그것의 제어방법{NAVIGATION APPARATUS FOR PROJECTILES AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 포탄용 항법장치 및 그것의 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 포탄에 설치되어 상기 포탄의 비행과 관련된 항법정보를 생성하는 포탄용 항법장치 및 그것의 제어방법에 관한 것이다.

기존 재래식 포탄의 경우 포탄용 신관에 시한 기능, 충격 기능 및 근접 기능 등을 부가하여 탄약의 기폭 기능만을 수행하였으며, 포탄은 최초 발사 시 장약 및 발사 조건에 의해 최종 탄착지가 결정된다. 그러나 최근에 재래식 포탄의 정확도 향상이 절실히 요구되고 있으며, 이에 따라 포탄에 유도조종 기능이 부과된 신관 개발이 필요하게 되었다. 즉, 재래식 포탄의 신관에 유도조종 기능을 추가하여 획기적으로 포탄의 정확도를 향상시킬 수 있는 이른바 탄도조종기술이 활발히 개발되고 있다.

군용으로 개발된 위성항법장치(GPS:Global Positioning System 또는 GNS:Global Navigation Satelite System)는 전세계 어디서나 날씨에 관계없이 정확한 위치, 속도, 시각 정보를 얻을 수 있어 여러 가지 장비에 사용되고 있다. 유도무기도 정확한 위치 정보를 얻기 위하여 위성항법장치(GPS)를 사용하고 있으며, 적대적 전파 위협에 대응하기 위하여 관성항법장치(INS:Inertial Navigation System)를 결합한 GPS/INS 통합항법시스템을 사용한다.

최근에는 자유낙하 포탄, 포탄 등의 비유도무기에 항법시스템을 추가하여 향상시키려는 연구가 진행되고 있다. 유도기능이 없는 재래식 무기는 긴 유효거리를 가지며, 폭발력이 강하고 비용이 저렴하다는 장점이 있지만 유도 무기에 비해 정확도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이를 보완하기 위하여 재래식 무기에 유도기능을 추가하여 높은 정확도를 가지는 유도무기를 얻고자 하고 있다. 대표적인 것으로 폭격기에서 투하되는 자유 낙하 폭탄에 GPS/INS 통합항법시스템을 탑재하여 원하는 목표물을 타격할 수 있도록 개발된 무기인 JDAM(Joint Direct Attack Munitions)이 있다.

정확한 유도조종을 위해서는 비행 중 위치, 속도, 자세 중 적어도 하나를 제공할 수 있는 항법장치가 필수적이다. 그러나 포탄용 항법장치는 기존의 항공기, 선박, 차량 등에 사용되는 항법장치와는 달리 항법장치가 설치된 포탄이 고속으로 회전하는 문제를 해결하여야 한다. 또한, 포탄에 적용 가능하도록 저가화, 소형화 되어야 하며, 발사시 생성되는 충격을 완화하도록 설계되거나 설치되어야 한다.

다시 말해, 포탄에 사용되는 항법시스템은 일반 항체에 사용되는 항법시스템보다 높은 성능과 여러 기능을 요구한다. 뿐만 아니라, 적대적 전파 위협에 강인 성능을 가져야 하며, 큰 온도 변화, 큰 충격 등 극한 환경에서도 동작을 보장하여야 한다.

회전하는 지능 포탄의 경우, 다른 무기와 달리 포 발사시 10,000G이상의 충격을 받으며 목표물까지 안정적인 비행을 위하여 롤 축을 중심으로 회전한다. 충격은 수 밀리초의 짧은 시간동안에만 포탄에 가해지므로 이에 견딜 수 있는 부품과 H/W를 구성하여야 한다. 또한, 항체가 회전하는 경우 GPS 신호의 크기와 위상이 크게 변하여 GPS 수신기가 신호 추적에 실패하고, 그 결과 데이터 복조, 의사거리 계산, 항법해 계산을 수행할 수 없게 된다. 회전 속도가 가속도 센서와 자이로스코프의 측정 범위를 초과하면 종래의 관성항법장치(INS)의 순수항법으로는 항법이 불가능하다.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 비행 중인 포탄의 위치, 속도 및 자세 중 적어도 하나를 포함하는 항법정보를 생성하는 포탄용 항법장치 및 그것의 제어방법을 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 고속의 회전운동을 수반하는 포탄의 항법정보를 생성하는 포탄용 항법장치 및 그것의 제어방법을 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 세차운동을 수반하는 포탄의 항법정보를 생성하는 포탄용 항법장치 및 그것의 제어방법을 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 관성 항법 정보와 위성 항법 정보를 종합적으로 고려하여 정확한 항법정보를 생성하는 포탄용 항법장치 및 그것의 제어방법을 제공하는 것이다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명에 따른 포탄용 항법장치의 제어방법은, 포탄이 발사되는 것에 응답하여 GPS 수신부로부터 상기 포탄의 GPS 정보를 수신하고, 각속도 센서부로부터 상기 포탄의 각속도 정보를 수신하며, 가속도 센서부로부터 상기 포탄의 가속도 정보를 수신하는 단계, 상기 GPS 정보, 상기 각속도 정보 및 상기 가속도 정보를 이용하여 관성 항법 데이터를 생성하는 단계 및 상기 생성된 관성 항법 데이터에 상기 GPS 정보에 대응하는 위성 항법 데이터를 융합하여 비행 중인 상기 포탄의 위치, 자세 및 속도 중 적어도 하나를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 관성 항법 데이터를 생성하는 단계는, 상기 GPS 정보 및 상기 각속도 정보를 이용하여 상기 포탄의 초기자세를 결정하는 단계 및 상기 초기자세에 근거하여 상기 관성 항법 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 가속도 센서부는 상기 포탄의 서로 다른 위치에 배치되는 제1 및 제2 가속도 센서들을 포함하고, 상기 관성 항법 데이터를 생성하는 단계는, 상기 제1 및 제2 가속도 센서들을 이용하여 상기 포탄의 세차운동에 대응하는 움직임을 측정하는 단계 및 상기 측정된 움직임을 이용하여 상기 관성 항법 데이터를 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 포탄의 초기자세를 결정하는 단계는, 3차원 좌표계를 형성하는 서로 다른 3개의 축들에 각각 대응하는 상기 포탄의 속도 벡터들을 이용하여 상기 포탄의 초기 피치각과 초기 요각을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 포탄의 속도 벡터는 상기 GPS 정보에 포함된 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 포탄의 초기자세를 결정하는 단계는, 상기 GPS 정보 및 상기 각속도 정보 중 적어도 하나를 이용하여 회전 중인 상기 포탄의 초기 롤각을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 각속도 센서부는 회전하는 상기 포탄의 각속도를 측정하도록 3개의 각속도 센서들을 포함하고, 상기 3개의 각속도 센서들은 비직교 배치되는 것을 특징으로 한다.

또 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 포탄용 항법장치는, 상기 포탄의 회전운동에 대한 각속도 정보를 생성하는 각속도 센서부, 상기 포탄의 가속도 정보를 생성하는 가속도 센서부, 상기 포탄의 GPS 정보를 생성하는 GPS 수신부, 상기 포탄이 발사되면, 상기 GPS 정보 및 상기 각속도 정보를 이용하여 상기 포탄의 초기자세를 결정하고, 상기 초기자세를 기준으로 상기 GPS 정보, 상기 각속도 정보 및 상기 가속도 정보를 이용하여 상기 포탄의 관성 항법 데이터를 생성하는 관성 항법 신호처리부 및 상기 생성된 관성 항법 데이터에 상기 GPS 정보에 대응하는 위성 항법 데이터를 융합하여 비행 중인 상기 포탄의 위치, 자세 및 속도 중 적어도 하나를 산출하는 복합 항법 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 가속도 센서부는 상기 포탄의 서로 다른 위치에 배치되는 제1 및 제2 가속도 센서들을 포함하고, 상기 관성 항법 신호처리부는, 상기 서로 다른 위치에 배치되는 제1 및 제2 가속도 센서들에서 생성된 가속도 정보를 이용하여 상기 포탄의 세차운동에 대응하는 움직임을 측정하고, 상기 측정된 움직임을 이용하여 상기 관성 항법 데이터를 보상하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 관성 항법 신호처리부는, 3차원 좌표계를 형성하는 서로 다른 3개의 축들에 각각 대응하는 상기 포탄의 속도 벡터들을 이용하여 상기 포탄의 초기 피치각과 초기 요각을 결정하며, 상기 포탄의 속도 벡터는 상기 GPS 정보에 포함된 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 관성 항법 신호처리부는, 상기 GPS 정보 및 상기 각속도 정보 중 적어도 하나를 이용하여 회전 중인 상기 포탄의 초기 롤각을 결정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 각속도 센서부는 회전하는 상기 포탄의 각속도를 측정하도록 3개의 각속도 센서들을 포함하고, 상기 3개의 각속도 센서들은 비직교 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 포탄용 항법장치(10) 및 그것의 제어방법은 포탄(1)이 발사됨과 동시에 초기화되고, 포탄(1)이 정점고도에 도달하기 전에 초기자세가 결정되며, 정점고도의 도달 후에는 관성 항법 데이터와 위성 항법 데이터가 융합된 복합 항법 데이터를 출력하게 된다. 초기자세를 결정할 때에, 고속으로 회전하는 포탄(1)의 롤각을 다양한 방식으로 산출하기 때문에, 초기자세 결정시에 발생하는 오차를 최소화할 수 있다. 이를 통하여, 포탄(1)의 위치, 자세 및 고도를 더욱 정확하게 측정할 수 있으며, 발생 가능한 오차들을 정확하게 보정할 수 있다. 또한, 세차운동에 따른 포탄(1)의 움직임을 보정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포탄용 항법장치를 설명하기 위한 개념도
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 포탄용 항법장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도들
도 5는 본 발명과 관련된 포탄용 항법장치를 설명하기 위한 블록도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 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 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

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 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포탄용 항법장치를 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명은 포탄에 사용되는 항법장치에 대한 기술로써, 더욱 상세하게는 포탄용 신관에 유도기능을 추가하여 획기적으로 포탄의 정확도를 향상시킬 수 있는 탄도조종장치의 정확한 유도조종을 위해서 비행 중 위치, 속도, 자세를 제공하는 포탄용 항법장치 및 그것의 제어방법에 대한 것이다.

도 1을 참조하면, 포탄(1)에 포탄용 항법장치(10)가 설치되고, 포탄용 항법장치(10)는 포탄(1)의 발사에 응답하여 비행 중인 상기 포탄(1)의 항법정보를 생성한다. 여기서, 항법정보는 상기 포탄(1)의 위치, 속도 및 자세 중 적어도 하나를 포함한다.

포탄용 항법장치(10)는 초기화된 후 포에 장전되어 발사되거나, 포탄(1)이 장전되어 발사될 때에 초기화될 수 있다. 포탄(1)이 포신을 벗어나는 시간은 발사 후 15 msec 정도이고, 포신을 벗어나고 1초 이후에 핀(fin)을 전개하여 롤 안정화를 수행한다. 롤 안정화 후에는 1~2Hz로 회전하며 발사 후 30초에 정점고도에 도달하게 된다. 이때 캐나드(canard)가 전개되고 유도 조종을 시작하여 목표물까지 비행한다.

이후, 포탄용 항법장치(10)는 항법정보를 생성한다. 포탄용 항법장치(10)에 의하여 생성된 항법정보는 포탄(1)의 정확한 유도조종에 이용된다. 정확한 유도조종을 위해서는 비행 중 위치, 속도, 자세를 제공할 수 있는 항법장치가 필수적이다. 포탄용 항법장치는 항공기, 선박, 차량 등에 사용되는 항법장치와는 다른 특별한 기능이 요구되며, 요구되는 기능 중 가장 중요한 것은 비행 중 관성항법장치(INS)의 초기정렬이다. 일반적으로 초기정렬은 정지 상태 또는 제한된 움직임 중에 수행되나, 포탄용 항법장치는 비행 중 회전하는 상태에서 초기정렬을 수행해야 하므로 초기정렬이 매우 어렵다. 이 중 롤각 추정은 포탄용 항법장치의 성능에 미치는 영향이 크므로 정확하게 추정되어야 한다.

다음으로, 초기정렬이 완료된 후에는 관성센서인 자이로 센서와 가속도 센서의 출력을 이용하여 위치, 속도, 자세를 계산해야 하는데, 저가, 소형 등에 적합한 MEMS(Micro Electro-Mechanical System)형 관성센서는 성능이 낮으므로 단독으로 사용시 시간에 따른 오차가 빠르게 증가한다. 이를 방지하기 위해서는 위성항법장치(GPS)와 결합된 형태인 GPS/INS 통합항법을 수행해야 한다.

관성항법장치(INS)는 관성센서인 자이로 센서 및 가속도 센서에서 출력되는 각속도 및 가속도 정보를 이용하여 정밀한 위치, 속도, 자세, 각속도 및 가속도 정보를 실시간 제공하는 장비로서 유도무기 및 무기체계 자동화 목적으로 지상, 해상, 항공, 우주 분야 등 다양한 분야의 항법장치로 사용된다.

관성항법장치(INS)는 외부의 도움이 없이 관성센서인 자이로 센서와 가속도 센서에서 측정되는 항체의 가속도와 각속도를 이용하여 항체의 위치, 속도 및 자세에 대한 정보를 계산하기 때문에, 위성항법장치(GPS)와 같은 전파항법에서 필요로 하는 별도의 외부장비(예를 들어, 위성)가 필요치 않고, 전파방해를 받지 않는 등의 장점이 있으므로 정밀 항법정보가 요구되는 주요 무기체계에서는 관성항법장치(INS)를 주 항법장치로 많이 사용하고 있다. 하지만, 관성항법장치(INS)는 가속도 센서와 자이로 센서의 측정값들을 적분해 자세와 속도를 계산하기 때문에 시간이 지날수록 오차가 누적되는 단점이 있다.

반면, 위성항법장치(GPS)는 위성을 이용해 지구상의 절대적인 위치를 계산하는 전파항법 시스템으로 관성항법장치(INS)와는 달리 단시간의 항법 오차는 크지만 시간이 지나도 오차가 누적되지 않는 장점이 있다. 위성항법장치(GPS)는 위도?경도?고도의 위치뿐만 아니라 3차원의 속도정보와 함께 정확한 시간까지 얻을 수 있다.

관성항법장치(INS)는 외부의 도움없이 자신의 위치를 결정할 수 있는 특성으로 지형, 기상 등에 영향을 받지 않으며 위성항법장치(GPS)로는 구현이 곤란한 자세정보까지 얻을 수 있어 위치 및 자세정보를 필요로 하는 무기치계에 필수적 장비이다. 또, 전파방해 없이 위치, 자세를 감지할 수 있어 위성항법장치(GPS)보다 유용하다는 장점이 있으나, 최초 위치를 입력해야 하고 이동거리 증가에 따른 위치오차가 증가됨으로써 이를 주기적으로 보정해 주어야 하는 단점도 있다. 이러한 단점을 최소화하기 위해 최근에는 관성항법장치(INS)를 위성항법장치(GPS)와 연동시켜 위치를 보정하는 형태로 발전되고 있다.

통합항법장치(GPS/INS)는 관성항법장치(INS)와 위성항법장치(GPS)를 통합한 시스템을 말한다. 위성항법장치(GPS)는 절대항법(absolute navigation) 방식을 이용하여 항법정보를 구하고, 관성항법장치(INS)는 상대항법(relative navigation) 방식을 이용하여 항법정보를 구하기 때문에 통합항법장치(GPS/INS)의 운용 전에 초기 항법정보가 요구된다. 보다 구체적으로, 통합항법장치(GPS/INS)는 통합항법장치(GPS/INS)가 설치되는 동체의 동체 좌표계와 항법 좌표계를 동기화시켜야 하며, 정지된 상태에서 초기자세를 구하여야 한다.

여기서, 관성항법장치(INS)를 구성하는 가속도 센서 및 자이로 센서의 측정값들을 이용하여 초기자세를 구하는 것을 초기정렬 혹은 자가정렬이라 한다.

관성항법장치(INS)에 전원이 인가되면 자이로 센서에서 측정된 측정값들로 좌표변환에 필요한 자세를 계산하고 이 자세를 이용하여 가속도 측정치를 항법좌표계로 좌표변환하여 적분하면 항법 좌표계에서의 속도가 계산된다. 정지상태에서 이론적으로 항법좌표계에서의 수평축 가속도 측정치는 영이 출력되어야 하며 자이로는 지구회전 각속도 성분이 출력되어야 한다. 이 상태에서 항법좌표계에서 계산된 수평축 속도 성분을 모두 오차로 판단하여 이를 영으로 보내도록 자세 계산을 위한 제어신호를 생성하고 제어신호와 자이로 측정치를 이용하여 정확한 자세를 계산하는 것이 초기정렬의 기본 원리이다.

포에 포탄(1)을 장전하여 발사하면, 포탄(1)이 포신을 벗어난 후 얼마 시간 이후에 롤 안정화가 수행된다. 발사 초기에 포탄(1)은 수천 rps(revolution per second)이상의 고속으로 회전하지만, 롤 안정화 후에는 0에서 수백 rps 정도로 회전하며 정점고도에 도달하게 된다. 포탄용 항법장치(10)는 정점고도에 도달하기 전에 위성항법장치(GPS)의 GPS 정보(또는, GPS 신호)를 획득하고, 관성항법장치(INS)를 통해 초기자세 결정이 이루어져야 한다. 포탄(1)이 정점고도를 지난 후에, 포탄용 항법장치(10)는 GPS/INS 통합항법을 수행한다. 따라서, 일반적인 항공기, 선박, 차량에 적용되는 항법장치와 달리, 포탄용 항법장치(10)는 포탄이 고속으로 회전하며 정점고도에 도달하기 전에 초기자세를 결정해야 하는 특별한 기능을 요구한다. 또한, 빠른 시간 내에 위성항법장치(GPS)의 초기화를 완료해야 하며, 전자파 공격에도 끊김없이 항법정보를 제공해야 한다.

이하에서는, 참조된 도면들을 바탕으로 본 발명에 따른 포탄용 항법장치(10)와 그것의 제어방법에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 포탄용 항법장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도들이고, 도 5는 본 발명과 관련된 포탄용 항법장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 5를 참조하면, 포탄용 항법장치(10)는 각속도 센서부(20), 가속도 센서부(30), GPS 수신부(40), 관성센서 신호처리부(50) 및 복합항법 신호처리부(60)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 가속도 센서부(30)는 제1 가속도 센서(31)와 제2 가속도 센서(32)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 도 2를 참조하면, 각속도 센서부(20), 가속도 센서부(30) 및 GPS 수신부(40)를 초기화하는 단계(S210)가 진행된다. 포탄(1)이 발사되면, 포탄에 구비된 전원이 활성화되고, 각속도 센서부(20), 가속도 센서부(30) 및 GPS 수신부(40)는 초기화된다. 여기서, "전원이 활성화된다"는 것은 포탄에 구비된 전자장비에 전원이 인가되어 활성화 상태가 되는 것을 의미하고, "초기화"는 센서에 미리 설정된 계수, 기억 장치의 내용 등을 '0' 또는 초기값으로 설정하는 것을 의미한다.

초기화가 완료되면, 각속도 센서부(20)는 상호 직교하는 서로 다른 3개의 축들에 대응하는 센서들로부터 각 축에 해당하는 포탄의 회전운동을 측정하고, 측정한 값을 각속도 정보로 출력한다. 여기서 서로 다른 3개의 축들은, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, X, Y, Z축일 수 있다. 가속도 센서부(30)는 포탄(1)의 선형 가속도에 대한 가속도 정보를 출력하고, GPS 수신부(40)는 위성 등으로부터 GPS 신호를 수신하고, 수신된 GPS 신호를 이용하여 포탄(1)의 위치, 속도와 관련된 GPS 정보를 출력한다.

다음으로, 포탄(1)이 정점에 도달하기 전에 포탄(1)의 초기자세를 결정하는 단계(S230)가 진행된다. 포탄(1)이 발사됨과 동시에 초기화가 진행되므로, 포탄용 항법장치(10)는 비행 중에 상기 포탄(1)의 초기자세를 결정해야 한다. 보다 구체적으로, 상기 포탄(1)의 초기 피치각, 초기 요각 및 초기 롤각이 결정되어야 한다.

이를 위하여, 관성항법 신호처리부(50)는 GPS 수신부(40)로부터 수신된 GPS 정보를 이용하여 초기 피치각, 초기 요각을 결정하고, 상기 GPS 정보와 각속도 센서부(20)로부터 수신된 각속도 정보를 이용하여 초기 롤각을 결정한다. 초기자세를 결정하는 구체적인 방법에 대하여는 도 3을 참조하여 구체적으로 살펴본다.

즉, 포탄용 항법장치(10)는 각속도 센서부(20), 가속도 센서부(30) 및 GPS 수신부(40)로부터 각종 정보를 수신하여 포탄(1) 또는 포탄용 항법장치(10)의 초기자세를 결정하고, 초기정렬을 수행한다. 초기정렬이 완료되면, 항법 좌표계와 포탄(1)의 동체 좌표계간의 상대적인 자세각 또는 좌표변환 행렬이 결정되며, 포탄용 항법장치(10)는 정상적인 항법모드로 진입하게 된다. 정상적인 항법모드는 관성 항법 데이터와 위성 항법 데이터가 융합된 복합 항법 데이터가 생성되는 상태를 의한다. 초기자세에 대한 오차는 항법의 오차로 바로 나타나기 때문에, 초기 포탄(1)의 자세를 정확하게 획득하는 것이 중요하다.

초기자세가 결정되면, 상기 초기자세에 근거하여 관성 항법 데이터를 생성하는 단계(S250)가 진행된다. 보다 구체적으로, 각속도 센서부(20)와 가속도 센서부(30)의 출력을 적분하여 포탄(1)의 위도, 경도, 고도, 속도 및 롤각, 피치각, 요각을 계산하게 된다.

다음으로, 관성 항법 데이터와 위성 항법 데이터를 이용하여 복합 항법 데이터를 생성하는 단계(S270)가 진행된다. 포탄용 항법장치(10)는 계산된 관성 항법 데이터에 GPS 수신부(40)에서 출력되는 GPS 정보에 대응하는 위성 항법 데이터를 융합하여 비행 중인 포탄(1)의 위치, 자세 및 속도 중 적어도 하나를 나타내는 복항 항법 데이터를 생성한다. 관성 항법 데이터의 오차가 위성 항법 데이터에 의하여 보정되기 때문에, 비행 중인 포탄(1)의 정밀한 위치, 자세 및 속도를 추정할 수 있다.

한편, 도 3을 참조하면, 포탄(1)의 초기자세를 결정하는 단계(S230)는 포탄(1)의 초기 피치각과 초기 요각을 결정하는 단계(S232)와 포탄(1)의 초기 롤각을 결정하는 단계(234)를 포함한다.

초기 피치각과 초기 요각은 초기 롤각과 다른 방법에 의하여 결정된다.

보다 구체적으로, 초기 피치각과 초기 요각은 GPS 정보에 포함된 속도 벡터들에 의하여 추정된다. 상기 속도 벡터들은 상호 직교하는 서로 다른 3개의 축들의 속도 벡터들(East, North, Down)을 의미한다.

한편, GPS 수신부(40)로부터 제한시간 이내에 GPS 정보가 수신되지 않으면, 포탄용 항법장치(10)는 포탄(1)의 발사시에 입력된 포탄(1)의 사표정보를 이용하여 초기 피치각과 초기 요각을 결정한다.

초기 롤각은 GPS 정보 및 각속도 정보 중 적어도 하나에 의하여 결정된다. 포탄용 항법장치는 비행 중 고속으로 회전을 하므로 항공기와 같은 항체에서 사용되는 정렬 기법과 다르게 롤각 추정이 어렵다. 포탄(1)의 회전으로 인하여 초기 롤각을 결정하기 어려울뿐만 아니라, 가속도 센서부(20)의 측정 범위를 초과하는 회전때문에 자세, 특히 롤각을 계산할 수 없다. 자세를 계산하지 못하면, 동체 좌표계에서의 가속도계 출력을 항법 좌표계의 값으로 변환할 수 없으므로 항법이 불가능할 수 있다. 따라서 회전하는 지능포탄에서는 기존의 방법과 다른 방법으로 롤각을 구해야 한다.

따라서 롤각 추정을 위한 별도의 알고리즘이 필요하며, 본 발명에 따른 포탄용 항법장치(10)의 롤각 추정 알고리즘은 여러 가지 방법으로 구성될 수 있다.

포탄용 항법장치(10)는 pitch rate와 yaw rate이 일정하다고 가정하고, 각속도 센서부(20)의 X, Y, Z 축에 대한 출력을 이용하여 확장 칼만필터를 통해 초기 롤각을 추정할 수 있다.

또는, 롤축의 각속도 센서부가 고속 회전에 의해 센서의 측정 범위를 벗어나게 된다면, X, Y, Z 축 각속도 센서(20)를 각각 비직교 배치함으로써 해결할 수 있다. 여기에서 각 축의 각속도 센서는 포탄의 거동에 따라 각각 임의의 각도로 배치할 수도 있다.

또는, GPS 정보에 포함된 속도 정보로부터의 pitch rate와 yaw rate와, 각속도 정보를 동시에 이용하여 롤각을 추정할 수 있다.

또는, 별도의 회전에 의하여 변조된 GPS 정보를 처리하는 하드웨어와 소프트웨어를 추가적으로 배치함으로써, GPS 정보만을 이용하여 롤각을 추정할 수도 있다.

롤각 추정의 정확성이 상승하도록 상술한 방법들은 다양한 방식으로 조합될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 포탄용 항법장치(10)는 포탄(1)의 세차운동을 고려하여 세차운동에 따른 항법정보의 오차를 보상할 수 있다. 포탄(1)의 경우, 비행 중에 세차운동이 발생할 수 있다. 세차운동은 회전하고 있는 강체에 돌림힘이 작용할 때 회전하는 물체가 이리저리 흔들리며 회전축 자체가 흔들리는 운동을 말한다. 이러한 세차운동에 따른 오차 발생을 고려하여, 가속도 센서부(30)는 포탄(1)의 서로 다른 위치에 배치되는 제1 가속도 센서(31) 및 제2 가속도 센서(32)를 포함하고, 상기 제1 및 제2 가속도 센서(31,32)에서 출력되는 가속도 값들을 이용하여 세차운동에 대응하는 포탄(1)의 움직임을 측정한다.

다시 말해, 포탄용 항법장치(10)의 제어방법은 포탄의 세차운동에 대응하는 움직임을 측정하는 단계(S252)를 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 가속도 센서(31,32)는 상호 직교하는 서로 다른 3개의 축들 중 어느 하나와 다른 하나에 각각 배치됨으로써, 가속도 값의 차이를 이용하여 세차운동에 대응하는 포탄(1)의 움직임을 측정할 수 있다. 그리고, 포탄용 항법장치(10)는 측정된 움직임에 근거하여 관성 항법 데이터에서 세차운동에 따른 영향을 배제하거나, 관성 항법 데이터의 오차를 보정할 수 있다(S254).

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 포탄용 항법장치(10)는 포탄의 회전운동을 측정하는 각속도 센서부(20), 포탄의 선형 가속도를 측정하는 가속도 센서부(30), GPS 신호를 수신하여 GPS 정보를 출력하는 GPS 수신부(40), 관성 항법 데이터를 출력하는 관성 항법 신호처리부(50) 및 복합 항법 데이터를 출력하는 복합 항법 신호처리부(60)를 포함한다.

관성 항법 신호처리부(50)는 GPS 정보를 이용하여 포탄용 항법장치(10)의 초기자세를 결정하고, 상기 초기자세에 근거하여 관성 항법 데이터를 생성한다. 이를 위하여, 각속도 센서부(20)로부터 각속도 정보를 수신하고, 가속도 센서부(30)로부터 가속도 정보를 수신하며, GPS 수신부(40)로부터 GPS 정보를 수신한다.

복합 항법 신호처리부(60)는 관성 항법 신호처리부(50)로부터 수신된 관성 항법 데이터와 GPS 수신부(40)로부터 수신된 위성 항법 데이터를 융합하여 복합 항법 데이터를 출력한다. 상기 복합 항법 데이터는 포탄(1) 또는 포탄용 항법장치(10)의 위치, 속도 및 자세 중 적어도 하나를 포함한다.

한편, 각속도 센서부(20)는 X축, Y축, Z축 각속도 센서들을 포함한다. 상기 X축, Y축, Z축 각속도 센서들은, 포탄(1)이 각속도 센서부(30)의 측정범위를 초과하는 회전 시에도 각속도 측정이 가능하도록, 각각 임의의 각도로 비직교 배치될 수 있다.

가속도 센서부(30)는 포탄의 세차운동 등의 거동분석을 위하여 서로 다른 위치에 배치되는 제1 가속도 센서(31)와 제2 가속도 센서(32)를 포함한다.

각속도 센서부(20)와 가속도 센서부(30)는 저가화 및 소형화되도록 MEMS(micro electro mechanical systems)형 센서로 형성될 수 있다. MEMS(micro electro mechanical systems)는 미세전자기계시스템. 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로, 머리카락 절반 두께의 초소형 기어, 손톱 크기의 하드디스크 등 초미세 기계구조물을 만드는 기술을 의미한다.

한편, 포탄(1)의 발사 시에 발생하는 충격 및 열에 의하여 장애가 발생하는 것이 방지되도록, 포탄용 항법장치(10)는 충격완화용 부재에 의하여 포탄(1) 내부에서 몰딩(molding)되거나, 포팅(potting)될 수 있다. 포팅(potting)은 포탄용 항법장치(10)를 넣은 케이스 내에 액상 수지 또는 점성 수지를 주입하여 굳힘으로써, 상기 포탄용 항법장치(10)를 포탄(1)에 고정하는 기술을 의미한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 포탄용 항법장치(10) 및 그것의 제어방법은 포탄(1)이 발사됨과 동시에 초기화되고, 포탄(1)이 정점고도에 도달하기 전에 초기자세가 결정되며, 정점고도의 도달 후에는 관성 항법 데이터와 위성 항법 데이터가 융합된 복합 항법 데이터를 출력하게 된다. 초기자세를 결정할 때에, 고속으로 회전하는 포탄(1)의 롤각을 다양한 방식으로 산출하기 때문에, 초기자세 결정시에 발생하는 오차를 최소화할 수 있다. 이를 통하여, 포탄(1)의 위치, 자세 및 고도를 더욱 정확하게 측정할 수 있으며, 발생 가능한 오차들을 정확하게 보정할 수 있다. 또한, 세차운동에 따른 포탄(1)의 움직임을 보정할 수 있다.

즉, 상기와 같은 포탄용 항법장치 및 방법에 따르면, 포탄의 거동을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 초기 롤각 추정이 가능하고 또한 유도조종을 위한 포탄의 비행 중 위치, 속도, 자세 계산이 가능하다.

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

또한, 상기 컴퓨터는 관성 항법 신호처리부 및 복합 항법 신호처리부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

10: 포탑용 항법장치, 20: 각속도 센서부,
30: 각속도 센서부, 40: GPS 수신부,
50: 관성 항법 신호처리부, 60: 복합 항법 신호처리부

Claims (10)

1. 포탄에 설치되는 포탄용 항법장치의 제어방법에 있어서,
   상기 포탄이 발사되는 것에 응답하여 GPS 수신부로부터 상기 포탄의 GPS 정보를 수신하고, 각속도 센서부로부터 상기 포탄의 각속도 정보를 수신하며, 가속도 센서부로부터 상기 포탄의 가속도 정보를 수신하는 단계;
   상기 GPS 정보, 상기 각속도 정보 및 상기 가속도 정보를 이용하여 관성 항법 데이터를 생성하는 단계; 및
   상기 생성된 관성 항법 데이터에 상기 GPS 정보에 대응하는 위성 항법 데이터를 융합하여 비행 중인 상기 포탄의 위치, 자세 및 속도 중 적어도 하나를 산출하는 단계를 포함하고,
   상기 관성 항법 데이터를 생성하는 단계는,
   상기 GPS 정보 및 상기 각속도 정보를 이용하여 상기 포탄의 초기자세를 결정하는 단계; 및
   상기 초기자세에 근거하여 상기 관성 항법 데이터를 생성하는 단계를 포함하며,
   상기 가속도 센서부는 상기 포탄의 제1위치에 배치되는 제1 가속도 센서, 그리고 상기 제1위치와 다른 제2위치에 배치되는 제2 가속도 센서를 포함하고,
   상기 관성 항법 데이터를 생성하는 단계는,
   상기 제1 가속도 센서로부터 상기 제1위치에 대응하는 제1 가속도 값을 수신하고, 상기 제2 가속도 센서로부터 상기 제2위치에 대응하는 제2 가속도 값을 수신하는 단계;
   상기 제1 가속도 값 및 상기 제2 가속도 값의 차이를 이용하여 상기 포탄의 세차운동에 대응하는 움직임을 측정하는 단계; 및
   상기 측정된 움직임을 이용하여 상기 관성 항법 데이터를 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포탄용 항법장치의 제어방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 포탄의 초기자세를 결정하는 단계는,
   3차원 좌표계를 형성하는 서로 다른 3개의 축들에 각각 대응하는 상기 포탄의 속도 벡터들을 이용하여 상기 포탄의 초기 피치각과 초기 요각을 결정하는 단계를 포함하고,
   상기 포탄의 속도 벡터는 상기 GPS 정보에 포함된 것을 특징으로 하는 포탄용 항법장치의 제어방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 포탄의 초기자세를 결정하는 단계는,
   상기 GPS 정보 및 상기 각속도 정보 중 적어도 하나를 이용하여 회전 중인 상기 포탄의 초기 롤각을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포탄용 항법장치의 제어방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 각속도 센서부는 회전하는 상기 포탄의 각속도를 측정하도록 3개의 각속도 센서들을 포함하고, 상기 3개의 각속도 센서들은 비직교 배치되는 것을 특징으로 하는 포탄용 항법장치의 제어방법.
6. 포탄에 설치되어 상기 포탄의 비행과 관련된 항법정보를 생성하는 포탄용 항법장치에 있어서,
   상기 포탄의 회전운동에 대한 각속도 정보를 생성하는 각속도 센서부;
   상기 포탄의 가속도 정보를 생성하는 가속도 센서부;
   상기 포탄의 GPS 정보를 생성하는 GPS 수신부;
   상기 포탄이 발사되면, 상기 GPS 정보 및 상기 각속도 정보를 이용하여 상기 포탄의 초기자세를 결정하고, 상기 초기자세를 기준으로 상기 GPS 정보, 상기 각속도 정보 및 상기 가속도 정보를 이용하여 상기 포탄의 관성 항법 데이터를 생성하는 관성 항법 신호처리부; 및
   상기 생성된 관성 항법 데이터에 상기 GPS 정보에 대응하는 위성 항법 데이터를 융합하여 비행 중인 상기 포탄의 위치, 자세 및 속도 중 적어도 하나를 산출하는 복합 항법 신호처리부를 포함하며,
   상기 가속도 센서부는 상기 포탄의 제1위치에 배치되어 상기 제1위치에 대응하는 제1 가속도 값을 생성하는 제1 가속도 센서, 그리고 상기 제1위치와 다른 제2위치에 배치되어 상기 제2위치에 대응하는 제2 가속도 값을 생성하는 제2 가속도 센서를 포함하고,
   상기 관성 항법 신호처리부는 상기 제1 가속도 값 및 상기 제2 가속도 값의 차이를 이용하여 상기 포탄의 세차운동에 대응하는 움직임을 측정하고, 상기 측정된 움직임을 이용하여 상기 관성 항법 데이터를 보상하는 것을 특징으로 하는 포탄용 항법장치.
7. 삭제
8. 제6항에 있어서,
   상기 관성 항법 신호처리부는, 3차원 좌표계를 형성하는 서로 다른 3개의 축들에 각각 대응하는 상기 포탄의 속도 벡터들을 이용하여 상기 포탄의 초기 피치각과 초기 요각을 결정하며,
   상기 포탄의 속도 벡터는 상기 GPS 정보에 포함된 것을 특징으로 하는 포탄용 항법장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 관성 항법 신호처리부는, 상기 GPS 정보 및 상기 각속도 정보 중 적어도 하나를 이용하여 회전 중인 상기 포탄의 초기 롤각을 결정하는 것을 특징으로 하는 포탄용 항법장치.
10. 제6항에 있어서,
    상기 각속도 센서부는 회전하는 상기 포탄의 각속도를 측정하도록 3개의 각속도 센서들을 포함하고, 상기 3개의 각속도 센서들은 비직교 배치되는 것을 특징으로 하는 포탄용 항법장치.

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