KR101990405B1 - 시간지연 적응 보상기능을 갖는 관성항법장치 및 그의 급속 초기정렬 방법 - Google Patents

시간지연 적응 보상기능을 갖는 관성항법장치 및 그의 급속 초기정렬 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기동 플랫폼에서 발사고각 제한 없이 신속하고 정밀하게 초기정렬을 달성할 수 있는 관성항법장치 및 그의 급속 초기정렬방법에 관한 것으로, 발사대에 항체를 장착하고 발사대의 주 관성 항법장치(MINS)와 항체내의 종 관성 항법장치(SINS)의 속도 및 자세정보를 비교하여 MINS와 SINS사이의 비정렬각과 시간지연을 추정하는 사전전달정렬을 수행하는 단계; 상기 추정된 비정렬각과 시간지연을 저장하는 단계; 및 상기 저장된 비정렬각과 시간지연을 이용하여 재전달정렬을 수행하여 발사대 내부 유격에 의해 변화되는 SINS의 비정렬각 및 시간 지연을 재추정하는 혼합정렬을 수행함에 의해 항체의 초기정렬을 수행하는 단계;를 포함하며, 기동 플랫폼에서 연속발사 운용개념을 갖은 항체의 초기정렬을 보다 빠르고 정밀하게 수행할 수 있다.

Description

시간지연 적응 보상기능을 갖는 관성항법장치 및 그의 급속 초기정렬 방법 {INERTIAL NAVIGATION SYSTEM WITH ADAPTIVE TIME DELAY COMPENSATION AND RAPID INITIAL ALIGNMENT METHOD THEREOF}
본 발명은 기동 플랫폼에서 발사고각 제한 없이 신속하고 정밀하게 초기정렬을 달성할 수 있는 관성항법장치 및 그의 급속 초기정렬방법에 관한 것이다.
관성 항법 장치는 비행기, 배, 자동차, 탄 등 항체(vehicle)의 항법정보인 위치, 속도 및 자세 정보를 얻기 위해 사용하는 장치로서, 가속도계와 자이로스코프로부터 각각 측정된 가속도 및 각속도 정보를 토대로 실시간으로 항법 방정식을 적분하여 위치, 속도 및 자세를 계산한다. 관성 항법 장치는 적분형 시스템으로 시간이 경과 할수록 오차가 누적되기 때문에 정확한 위치, 속도 및 자세를 계산하기 위해서는 정확한 초기 위치, 속도 및 자세가 요구되며, 이때 초기 자세를 결정하는 과정을 초기정렬이라 한다.
일반적으로 초기정렬은 항법장치의 가속도계 및 자이로스코프의 출력을 이용하여 직접 자세를 계산하는 자체정렬과, 정밀도가 높은 주 관성 항법장치(MINS, Master Inertial Navigation System)의 자세를 제공받아 상대적으로 정밀도가 낮은 종 관성 항법장치(SINS, Slave Inertial Navigation System)의 정렬을 수행하는 전달정렬이 있다.
기동 플랫폼에서 연속발사 운용개념을 갖은 항체의 초기정렬을 위해서는 신속성 및 정확성이 동시에 요구된다. 자체정렬의 경우는 정밀한 초기정렬이 가능하지만 정밀 정확도 달성을 위해 많은 시간이 소요되기 때문에 파이로충격(Pyro-shock)에 의해 비정렬각이 변하는 경우 신속한 재정렬이 어렵다.
반면에, 전달정렬의 일종으로 MINS의 자세를 한순간만 이용하는 원샷(One-shot) 정렬의 경우는 필터를 이용하지 않고, 주 관성 항법장치(MINS)의 자세를 직접 종 관성 항법장치(SINS)의 자세로 사용하므로 신속한 정렬이 가능하다. 하지만, MINS와 SINS 사이의 비정렬각이 오차로 작용하기 때문에 정밀 정확도를 달성하기는 어렵다.
상기와 같은 문제를 보완한 방법으로 급속 원샷 정렬기법이 있다. 이 방법은 가속도계 출력을 이용하여 수평 및 수직 비정렬각을 찾는 방법이다. 그런데 이 방법은 수직 비정렬각을 찾기 위해 90도의 피치각이 요구되어 수직 발사대에만 적용가능하고 가속도계 출력을 이용하기 때문에 정지 플랫폼에는 적용 가능하지만 기동 플렛폼에 적용하기에는 무리가 있다.
상기와 같은 문제를 보완하기 위한 또 다른 방법으로 신속 초기정렬이 있다. 이 방법은 전달정렬을 이용하여 수직 비정렬각을 찾기 때문에 고각구동 제한 없이 정렬을 수행할 수 있는 이점이 있다. 하지만 이 방법 역시 가속도계 측정값을 이용하여 수평 비정렬각을 찾기 때문에 기동 플랫폼에서 정밀 정확도를 달성하기 어려운 실정이다.
본 발명의 일 목적은 기동 플랫폼에서 발사고각 제한 없이 신속하고 정밀하게 초기정렬을 수행할 수 있는 관성 항법장치 및 그의 급속 초기정렬 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 사전전달정렬을 통해 추정된 시간 지연값 변화와 시간지연에 존재하는 지터링(jittering)을 보상할 수 있는 관성 항법장치 및 그의 급속 초기정렬 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치는, 기동 플랫폼에서 연속발사 운용개념을 갖은 항체의 초기정렬을 수행하는 관성항법장치에 있어서, 발사대에 장착된 주 관성 항법장치(MINS); 및 (a)발사대의 항체내에 장착되며, 주 관성 항법장치(MINS)의 속도 및 자세정보를 비교하여 MINS와 SINS사이의 비정렬각과 시간지연을 추정하는 사전전달정렬을 수행하고, (b) 상기 추정된 비정렬각과 시간지연을 재전달정렬을 수행하여 발사대 내부 유격에 의해 변화되는 SINS의 비정렬각 및 시간 지연을 재추정하는 혼합정렬을 수행함에 의해 항체의 초기정렬을 수행하는 종 관성 항법장치(SINS);를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 종 관성 항법장치(SINS)는 혼합정렬 수행시 상기 저장된 X축, Y축, Z축 비정렬각 중에서 X축과 Y축 비정렬각은 재추정하고 Z축 비정렬각은 유지하며, 상기 저장된 시간지연은 10ms 단위로 변화를 재추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 종 관성 항법장치(SINS)는 혼합정렬 수행 시 사전전달정렬을 통해 추정한 시간 지연값이 변하거나 시간지연에 지터링이 존재하는 경우 시간지연 변화와 지터링에 의한 시각동기 오차를 감소시키기 위하여 시간지연 보상을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 종 관성 항법장치(SINS)는 SINS의 속도증분과 각도증분을 이용하여 항법을 수행하여 SINS의 항법 데이터를 이동 버퍼에 순차 저장하고, 사전전달정렬을 통해 구한 MINS와 SINS간의 비정렬각 및 시간지연을 근거로 상기 이동 버퍼에 저장된 항법 데이터중에서 MINS의 항법 데이터와 시각동기가 일치하는 제1항법 데이터 및 그와 이웃하는 복수의 항법 데이터를 샘플링하며, 상기 샘플링된 제1항법 데이터를 이용하여 칼만필터에 대한 시간 전파를 수행하고 MINS로부터 각속도를 포함하는 항법 데이터를 수신하여, 상기 수신된 각속도에 따라 시간지연 보상여부를 결정하여 시간지연 변화와 지터링에 의한 시각동기 오차를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 종 관성 항법장치(SINS)는 수신된 각속도의 RSS가 소정값 미만이면 시간지연 보상없이 제1항법 데이터와 MINS의 항법 데이터를 이용하여 칼만필터의 측정값을 생성하고, 수신된 각속도의 RSS가 소정값 이상이면 시간지연 보상을 위하여 상기 샘플링된 복수의 항법 데이터와 MINS의 항법 데이터를 이용하여 칼만필터에 대한 복수의 측정값 후보를 생성하여, 상기 생성된 복수의 칼만필터 측정값 후보중에서 RSS가 최소인 칼만필터 측정값을 선택하여 칼만필터 측정값을 갱신할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치의 초기정렬방법은, 발사대(관)에 항체를 장착하고 발사관의 주 관성 항법장치 (MINS)와 항체내의 종 관성 항법장치(SINS)의 속도 및 자세정보를 비교하여 MINS와 SINS사이의 비정렬각과 시간지연을 추정하는 사전전달정렬을 수행하는 단계; 상기 추정된 비정렬각과 시간지연을 저장하는 단계; 및 상기 저장된 비정렬각과 시간지연을 이용하여 재전달정렬을 수행하여 발사관 내부 유격에 의해 변화되는 SINS의 비정렬각 및 시간 지연을 재추정하는 혼합정렬을 수행하여 항체의 초기정렬을 수행하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 혼합정렬 수행시 상기 저장된 X축, Y축, Z축 비정렬각 중에서 X축과 Y축 비정렬각은 재추정하고 Z축 비정렬각은 유지하며, 상기 저장된 시간지연은 10ms 단위로 변화를 재추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 초기정렬을 수행하는 단계는 혼합정렬 수행 시 사전전달정렬을 통해 추정한 시간 지연값이 변하거나 시간지연에 지터링이 존재하는 경우 시간지연 변화와 지터링에 의한 시각동기 오차를 감소시키기 위하여 시간지연 보상을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 시간지연 보상을 수행하는 단계는 SINS의 속도증분과 각도증분을 이용하여 항법을 수행하여 SINS의 항법 데이터를 이동 버퍼에 순차 저장하는 단계; 사전전달정렬을 통해 구한 MINS와 SINS간의 비정렬각 및 시간지연을 근거로 상기 이동 버퍼에 저장된 항법 데이터중에서 MINS의 항법 데이터와 시각동기가 일치하는 제1항법 데이터 및 그와 이웃하는 복수의 항법 데이터를 샘플링하는 단계; 상기 샘플링된 제1항법 데이터를 이용하여 칼만필터에 대한 시간 전파를 수행하고 MINS로부터 각속도를 포함하는 항법 데이터를 수신하는 단계; 및 상기 수신된 각속도에 따라 시간지연 보상여부를 결정하여 시간지연 변화와 지터링에 의한 시각동기 오차를 감소시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 시각동기 오차를 감소시키는 단계는 상기 수신된 각속도의 RSS가 소정값 미만이면 시간지연 보상없이 제1항법 데이터와 MINS의 항법 데이터를 이용하여 칼만필터의 측정값을 생성하는 단계; 및 상기 수신된 각속도의 RSS가 소정값 이상이면 시간지연 보상을 위하여 상기 샘플링된 복수의 항법 데이터와 MINS의 항법 데이터를 이용하여 칼만필터에 대한 복수의 측정값 후보를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 복수의 칼만필터 측정값 후보중에서 RSS가 최소인 칼만필터 측정값을 선택하여 칼만필터 측정값을 갱신하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기와 같은 실시예에 따라 본 발명은 기동 플랫폼에서 연속발사 운용개념을 갖은 항체의 급속 초기정렬을 위하여 사전전달정렬과 혼합정렬을 결합한 관성 항법 장치(시스템)의 급속 초기정렬기법을 제공함으로써 기동 플랫폼에서 발사 고각제한 없이 신속하고 정밀하게 초기정렬을 수행할 수 있는 효과가 있으며, 사전전달정렬을 통해 추정한 시간 지연값이 변하거나 시간지연에 지터링(jittering)이 존재하는 경우 시간지연 보상부를 통해 시간 지연 및 지터링을 보상함으로써 정렬오차를 감소시킬 수 있고 수렴시간을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 관성 항법 장치의 일부 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관성 항법 장치의 급속 초기정렬방법의 수행순서를 나타낸 흐름도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 혼합정렬 수행시 시간지연을 적응적으로 보상하는 방법의 흐름도.
도 4는 순수 항법으로 계산된 후 이동 버퍼에 저장되는 SINS의 항법 데이터를 나타낸 실시예.
도 5는 이동 버퍼에 저장된 항법 데이터 중에서 MINS의 항법 데이터와 시각동기가 근접하는 복수의 항법 데이터를 샘플링하는 방법을 나타낸 실시예.
도 6은 입력 각속도에 따라 시간지연 보상여부를 결정하여 샘플링된 복수의 항법데이터를 선택적으로 적용하는 동작을 나타낸 흐름도.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
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.
본 명세서에서 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. 이에 더하여 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
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.
본 발명은 기동 플랫폼에서 발사 고각제한 없이 신속하고 정밀하게 초기정렬을 달성하기 위하여, 특히 기동 플랫폼에서 연속발사 운용개념을 갖은 항체의 급속 초기정렬을 위하여 사전전달정렬과 혼합정렬을 결합한 관성 항법 장치(시스템)의 급속 초기정렬기법을 제안한다. 이에 더하여 본 발명은 사전정렬을 통해 추정한 시간 지연값이 변하거나 시간지연에 지터링(jittering)이 존재하는 경우 정렬오차를 줄일 수 있는 시간지연 보상기법을 제안한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 관성 항법 장치의 일부 구성도이다.
도 1을 참조하면, 발사대(관)에 장착된 항체(e.g.,탄) 안에는 종 관성 항법장치(SINS)(100)가 있으며, 상기 항체 외부의 발사대에는 정밀 항법장치인 주 관성 항법장치(MINS)(200)가 있다. 이와 같은 장치(시스템)에서는 MINS(200)에서 제공하는 속도 및 자세를 전달행렬의 측정치로 사용하여 항체 내에 있는 SINS(100)의 초기자세를 구하게 된다. 본 발명에서 제시된 초기정렬 방법은 사전전달정렬과 혼합정렬을 결합하였으며 내용은 아래와 같다.
1. 사전전달정렬기법
사전전달정렬 기법은 정렬시간단축을 위해 MINS와 SINS의 비정렬각 및 시간지연을 미리 찾는 것이다. 여기서 시간지연은 MINS의 정보가 통신에 의해 전달정렬 필터가 동작하는 SINS까지 전송되는데 소요되는 시간이다. 이를 위하여 본 발명은 기준이 되는 MINS(200)의 관성측정 정보를 SINS(100)의 관성측정 정보(항법정보)와 연속적으로 비교하고, 칼만필터를 통해 SINS(100)의 자세를 추정하는 전달정렬 방법을 사용한다. 이 방법은 시간이 수 십초 이상 소요되기 때문에 발사대에 항체(e.g., 탄)를 장착 후 1회 수행한다.
전달정렬에 사용되는 항법정보는 가속도, 각속도, 속도 및 자세 정보 등이 있으며 일반적으로 가관측성이 우수한 속도 및 자세정합 전달정렬 방법이 많이 사용된다. 속도 및 자세정합 전달정렬 방법은 MINS와 SINS의 속도 및 자세정보를 이용하여 MINS와 SINS사이의 장착 비정렬각을 추정함으로써 SINS의 초기 자세를 추정하는 방법이다. 상기 속도 및 자세정합 전달정렬의 시스템 모델은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있으며, 상태변수는 10차로 속도(3), 자세(3), 비정렬각(3) 및 시간지연(1)로 구성된다.
[수학식 1]
Figure 112017062171751-pat00001
여기서
Figure 112017062171751-pat00002
,
Figure 112017062171751-pat00003
은 항법좌표계의 속도 오차와 자세 오차,
Figure 112017062171751-pat00004
는 장착 비정렬각 오차,
Figure 112017062171751-pat00005
는 MINS에서 SINS로의 시간지연 오차이다.
속도 및 자세정합 전달정렬의 성능은 MINS와 SINS가 장착되어 있는 항체의 속도 및 자세운동에 의해 결정된다. 따라서, 속도 및 자세정합 전달정렬 방법에서 측정치로 사용되는 정보는 속도 및 자세이고, 추정기로 칼만필터를 사용하며, 속도정합에 사용되는 속도는 항법좌표계에서의 속도를 사용한다. 상기 속도 및 자세정합 전달정렬 방법에서 자세정합으로는 오일러(Euler)각 자세정합, 쿼터니언(Quaternion) 자세정합 및 DCM((Direction Cosine Matrix) 자세정합 방법 등이 있으며, 상기 방법 중에서 수렴성능이 상대적으로 좋은 DCM 자세정합 방식이 주로 사용된다. 속도 및 자세정합 전달정렬에서 칼만필터의 측정치는 SINS 와 MINS의 속도 차 및 SINS와 MINS의 자세 차로 구성되며, 측정 방정식은 각각 아래의 수학식 2 및 수학식 4에 도시되어 있다.
[수학식 2]
Figure 112017062171751-pat00006
[수학식 3]
Figure 112017062171751-pat00007
여기서
Figure 112017062171751-pat00008
는 SINS의 속도,
Figure 112017062171751-pat00009
는 MINS 속도,
Figure 112017062171751-pat00010
는 지렛대 효과에 의한 속도,
Figure 112017062171751-pat00011
는 MINS와 SINS간의 속도 차이며
Figure 112017062171751-pat00012
은 MINS 속도의 미분값 그리고
Figure 112017062171751-pat00013
는 속도측정잡음이다.
[수학식 4]
Figure 112017062171751-pat00014
여기서
Figure 112017062171751-pat00015
는 시간지연 오차에 의한 자세변환 벡터,
Figure 112017062171751-pat00016
은 SINS의 자세변환행렬(DCM),
Figure 112017062171751-pat00017
은 MINS의 자세 변환행렬(DCM)의 전치행렬,
Figure 112017062171751-pat00018
는 칼만필터에서 추정한 장착 비정렬각을 자세변환행렬(DCM)로 변환한 값, 그리고
Figure 112017062171751-pat00019
은 자세측정잡음이다. 상기 수학식 3과 수학식 4의 측정 방정식을 정리하면 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112017062171751-pat00020
여기서,
Figure 112017062171751-pat00021
이다.
2. 혼합정렬기법
사전전달정렬을 통해 찾은 비정렬각이 발사 플랫폼의 고기동 또는 발사충격에 의해 변하게 되면 정렬오차가 증가하게 되기 때문에 발사 전 재정렬이 필요하다. 기존의 가속도계 출력을 이용하여 재정렬하는 방법은 기동 플랫폼과 같이 진동이 발생하고 가속도가 변하는 경우에는 적용할 수 없다. 전달정렬기법의 경우 기동 중에 수행 가능하지만 방위각 오차를 추정하기 위해 수 십초의 시간이 소요되기 때문에 수초 내에 정렬을 완료할 수 없다. 따라서, 본 발명은 전달정렬을 이용한 재 정렬방법인 혼합정렬기법을 개발하였다.
혼합정렬은 사전전달정렬을 수행하여 추정 및 저장한 비정렬각과 시간지연을 이용하여 재전달정렬을 수행하는 방법이다. 제안한 방법은 전달정렬을 사용하여 기동 플랫폼에서 적용 가능하고, 비정렬각과 시간지연을 미리 추정하여 사용하고 추가로 발생하는 부분만 재추정하기 때문에 수초 내 정렬이 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관성 항법 장치의 급속 초기정렬방법의 수행순서를 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 발사관에 항체(e.g., 탄)를 장착하고 사전전달정렬을 수행하여(S100, S110), 발사관에 장착된 MINS(200)와 항체 내 SINS(100) 사이의 X축, Y축, Z축의 비정렬각과 시간지연을 추정하고 저장한다(S120).
이어서 발사 플랫폼의 고기동에 의해 증가되는 정렬오차를 줄이기 위하여 발사 전에 항체를 선택하고 재정렬방법인 혼합정렬을 수행한다(S130, S140). 이때, 혼합정렬은 사전전달정렬을 통해 구해져 저장부에 저장된 X축, Y축, Z축 비정렬각과 시간지연을 이용한다. 즉, 발사관 내부 유격에 의해 SINS의 비정렬이 변화 가능한 축은 X축과 Y축이기 때문에 Z축의 비정렬각은 혼합정렬 수행 시 재추정하지 않고 저장된 Z축 비정렬각을 동일하게 사용한다. 시간지연은 사전전달정렬을 통해 추정한 값을 10ms 단위로 적용하고 ms단위의 변화를 재추정한다.
혼합정렬이 완료되면 항법(탄 발사)을 수행하고 항법 진입 확인이 적합한지 즉, 화탄 발사가 정상인지 확인한다(S150, S160). 확인결과 탄 발사가 정상이면(탄착지점 및 발사거리 등 체크를 통해), 상기 단계(S130)에서 다시 항체(e.g.,탄)를 선택한 후 단계(S140~S160)를 반복 수행한다. 이와 같이 본 발명은 사전전달정렬과 혼합정렬을 결합한 초기정렬을 수행하여 정렬 정확도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 수초 내에 급속정렬을 수행할 수 있다. 따라서 기동 플랫폼에서 연속발사에 적합한 방법임을 알 수 있다.
3. 시간지연 적응 보상기법
혼합정렬 수행 시 사전정렬을 통해 추정한 시간 지연값이 변하거나 시간지연에 지터링(jittering)이 존재하는 경우 정렬오차가 증가할 수 있다. 종래의 방법은 시간지연을 일정한 상수로 가정하여 모델링하기 때문에 외부 인가되는 운동이 큰 경우 또는 시간지연이 큰 경우에는 근사화된 모델이 부정확하여 전달정렬 성능이 저하된다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 모델링 오차를 줄이기 위한 시간지연 보상방법을 제안한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 혼합정렬 수행시 시간지연을 적응적으로 보상하는 방법의 흐름도이고, 도 4는 순수 항법으로 계산된 후 이동 버퍼에 저장되는 SINS의 항법 데이터를 나타내고, 도 5는 이동 버퍼에 저장된 항법 데이터 중에서 MINS의 항법 데이터와 시각동기가 근접하는 복수의 항법 데이터를 샘플링하는 방법을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 항법부는 SINS(200)에서 출력되는 속도증분과 각도증분을 이용하여 항법을 수행하고(S200), 상기 항법으로 계산한 SINS의 항법 데이터인 위치, 속도, 자세 및 가속도값을 도 4에 도시된 바와같이 N 크기의 갖는 이동 버퍼에 순차적으로 저장한다(S210). 시간지연 보상부는 도 2에 개시된 사전전달정렬을 통해 구한 MINS와 SINS간의 비정렬각(θ) 및 시간지연(δT)를 저장부로부터 전달받아, 도 5에 도시된 바와같이 이동 버퍼에 저장된 복수의 SINS의 항법 데이터중에서 MINS의 시간 지연된 항법 데이터와 시각동기가 일치하는 제1항법 데이터(Nav(k-d))를 선택(샘플링)하고(S220), 상기 제1항법 데이터를 중심으로 앞뒤로 두 샘플링시간의 항법 데이터(Nav(k-d-2)∼Nav(k-d+2))를 추가로 선택한다 (S230). 이러한 방법으로 항법 데이터를 선택하는 이유는 지터링(jittering)을 보상하기 위함이다.
다음 단계로 상기 시간지연 보상부에서 시간지연이 보상된 다섯 샘플링의 항법데이터(Nav{5}) 중의 제1항법 데이터(Nav[k-d])와 상기 MINS로부터 수신한 위치, 속도, 자세, 각속도를 이용하여 칼만필터에 대한 시간 전파를 수행한다. 시간 전파식은 아래와 같다.
[수학식 6]
Figure 112017062171751-pat00022
[수학식 7]
Figure 112017062171751-pat00023
[수학식 8]
Figure 112017062171751-pat00024
여기서
Figure 112017062171751-pat00025
이다.
Figure 112017062171751-pat00026
: 항법좌표계에서의 지구회전 각속도
Figure 112017062171751-pat00027
: 항법좌표계에서의 지구에 대한 항법 회전 각속도
Figure 112017062171751-pat00028
: 항법좌표계에서의 가속도계 출력
이후 시간지연 보상부는 MINS의 입력 각속도를 근거로 상기 시간지연이 보상된 다섯 샘플링의 항법데이터(Nav{5})를 선택적으로 적용하여 칼만필터 측정값을 생성 및 갱신하고(S260, S270), 상기 갱신된 칼만필터로 비정렬각을 추정함으로써 SINS의 자세를 보정한다(S280, S290).
도 6은 입력 각속도에 따라 시간지연 보상여부를 결정하여 샘플링된 복수의 항법데이터를 선택적으로 적용하는 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와같이, 시간지연 보상부는 입력 각속도의 값(RSS)이 기 설정된 값보다 큰지 체크하여 지터링 보상을 조건부 적용한다(S300). 이는 SINS의 성능에 따라서 지터링 보상을 조건부 적용할 경우 초기정렬성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 만약, 입력 각속도의 값이 기 설정값보다 작아 조건을 불만족 시킬 경우 시간지연 보상부는 지터링 보상을 수행하지 않고 Nav[k-d]와 MINS 항법정보를 이용하여 칼만필터 속도 측정값과 자세 측정값을 생성 및 갱신한다(S310).
반면에, 입력 각속도의 값이 기 설정값보다 커서 조건을 만족시킬 경우 시간지연 보상부는 지터링 보상을 수행하기 위해 항법 데이터 (Nav[5])와 MINS의 항법 데이터를 이용하여 총 5개의 칼만필터 측정값(속도, 자세) 후보군을 생성하고(S320), 상기 생성된 5개의 측정값 후보군 중에서 측정값의 신호세기(RSS)값이 최소가 되는 샘플인 Nav[k-d+s]를 선택함으로써(S330) 상기 단계(S270)를 통해 상기 선택된 항법 데이터를 이용하여 칼만필터 측정값을 갱신한다(S330). 이때 칼만필터의 측정값 생성식은 수학식 5와 동일하며 측정치 갱신식은 아래의 수학식 8 내지 10과 같다.
[수학식 8]
Figure 112017062171751-pat00029
[수학식 9]
Figure 112017062171751-pat00030
[수학식 10]
Figure 112017062171751-pat00031
여기서 P는 상태변수 x의 오차 공분산이고, Q는 공정잡음이다. 그리고 R은 측정잡음으로 MINS의 속도오차와 자세오차이다. 초기오차 공분산, 공정잡음, 측정잡음을 행렬로 나타내면 아래 수학식 11과 같다.
[수학식 11]
Figure 112017062171751-pat00032
따라서, 갱신된 상태변수를 이용하여 비정렬각을 추정 하고 SINS자세를 보정한다. 이와 같이 적응 이동 버퍼를 이용한 시간지연 보상 방법은 시간지연의 영향을 최소화시키고 지터링(jittering)의 영향도 감소시킴으로써 정렬오차를 감소시키고 수렴시간 개선 효과를 나타냈다.
상술한 바와같이 본 발명은 기동 플랫폼에서 연속발사 운용개념을 갖은 항체의 급속 초기정렬을 위하여 사전전달정렬과 혼합정렬을 결합한 관성 항법 장치(시스템)의 급속 초기정렬기법을 제공함으로써 기동 플랫폼에서 발사 고각제한 없이 신속하고 정밀하게 초기정렬을 수행할 수 있는 장점이 있다.
이에 더하여 본 발명은 사전전달정렬을 통해 추정한 시간 지연값이 변하거나 시간지연에 지터링(jittering)이 존재하는 경우 시간지연 보상부를 통해 시간 지연 및 지터링을 보상함으로써 정렬오차를 감소시킬 수 있고 수렴시간을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
상기와 같이 설명된 본 발명에 따른 시간지연 적응 보상기능을 갖는 관성항법장치 및 그의 급속 초기정렬 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
100 : SINS 200 : MINS

Claims (10)

  1. 기동 플랫폼에서 연속발사 운용개념을 갖은 항체의 초기정렬을 수행하는 관성 항법장치에 있어서,
    발사대에 장착된 주 관성 항법장치(MINS); 및
    상기 발사대의 항체내에 장착되어, 상기 주 관성 항법장치(MINS)로부터 속도 및 자세정보를 전달받아 주 관성 항법장치(MINS)와의 비정렬각과 시간지연을 추정하는 사전전달정렬을 수행하는 종 관성 항법장치(SINS);로 구성되며,
    상기 종 관성 항법장치(SINS)는
    상기 추정된 비정렬각과 시간지연을 이용하여 재전달정렬을 수행하여, 발사대 내부 유격에 의해 변화되는 SINS의 비정렬각 및 시간 지연을 재추정하는 혼합정렬을 수행하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 종 관성 항법장치(SINS)는
    혼합정렬 수행시 기저장된 X축, Y축, Z축 비정렬각 중에서 X축과 Y축 비정렬각은 재추정하고 Z축 비정렬각은 유지하며, 상기 저장된 시간지연은 10ms 단위로 변화를 재추정하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 종 관성 항법장치(SINS)는
    혼합정렬 수행 시 사전전달정렬을 통해 추정한 시간 지연값이 변하거나 시간지연에 지터링이 존재하는 경우 시간지연 변화와 지터링에 의한 시각동기 오차를 감소시키기 위하여 시간지연 보상을 수행하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 종 관성 항법장치(SINS)는
    SINS의 속도증분과 각도증분을 이용하여 항법을 수행하여 SINS의 항법 데이터를 이동 버퍼에 순차 저장하고,
    사전전달정렬을 통해 구한 MINS와 SINS간의 비정렬각 및 시간지연을 근거로 상기 이동 버퍼에 저장된 항법 데이터중에서 MINS의 항법 데이터와 시각동기가 일치하는 제1항법 데이터 및 그와 이웃하는 복수의 항법 데이터를 샘플링하며,
    상기 샘플링된 제1항법 데이터를 이용하여 칼만필터에 대한 시간 전파를 수행하고 MINS로부터 각속도를 포함하는 항법 데이터를 수신하여,
    상기 수신된 각속도에 따라 시간지연 보상여부를 결정하여 시간지연 변화와 지터링에 의한 시각동기 오차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 종 관성 항법장치(SINS)는
    수신된 각속도의 값이 소정값 미만이면 시간지연 보상없이 제1항법 데이터와 MINS의 항법 데이터를 이용하여 칼만필터의 측정값을 생성하고,
    수신된 각속도의 값이 소정값 이상이면 시간지연 보상을 위하여 상기 샘플링된 복수의 항법 데이터와 MINS의 항법 데이터를 이용하여 칼만필터에 대한 복수의 측정값 후보를 생성하여,
    상기 생성된 복수의 칼만필터 측정값 후보중에서 RSS가 최소인 칼만필터 측정값을 선택하여 칼만필터 측정값을 갱신하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  6. 기동 플랫폼에서 연속발사 운용개념을 갖은 항체의 초기정렬방법에 있어서,
    발사대에 항체를 장착하고 발사대의 주 관성 항법장치(MINS)와 항체내의 종 관성 항법장치(SINS)의 속도 및 자세정보를 비교하여 MINS와 SINS사이의 비정렬각과 시간지연을 추정하는 사전전달정렬을 수행하는 단계;
    상기 추정된 비정렬각과 시간지연을 저장하는 단계;
    상기 저장된 비정렬각과 시간지연을 이용하여 재전달정렬을 수행하여 발사대 내부 유격에 의해 변화되는 SINS의 비정렬각 및 시간 지연을 재추정하는 혼합정렬을 수행하는 단계; 및
    상기 혼합정렬에 의해 재추정된 SINS의 비정렬각 및 시간 지연을 근거로 항체의 초기정렬을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치의 급속 초기정렬방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 혼합정렬 수행시 상기 저장된 X축, Y축, Z축 비정렬각 중에서 X축과 Y축 비정렬각은 재추정하고 Z축 비정렬각은 유지하며, 상기 저장된 시간지연은 10ms 단위로 변화를 재추정하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치의 급속 초기정렬방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 초기정렬을 수행하는 단계는
    혼합정렬 수행 시 사전전달정렬을 통해 추정한 시간 지연값이 변하거나 시간지연에 지터링이 존재하는 경우 시간지연 변화와 지터링에 의한 시각동기 오차를 감소시키기 위하여 시간지연 보상을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치의 급속 초기정렬방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 시간지연 보상을 수행하는 단계는
    SINS의 속도증분과 각도증분을 이용하여 항법을 수행하여 SINS의 항법 데이터를 이동 버퍼에 순차 저장하는 단계;
    사전전달정렬을 통해 구한 MINS와 SINS간의 비정렬각 및 시간지연을 근거로 상기 이동 버퍼에 저장된 항법 데이터중에서 MINS의 항법 데이터와 시각동기가 일치하는 제1항법 데이터 및 그와 이웃하는 복수의 항법 데이터를 샘플링하는 단계;
    상기 샘플링된 제1항법 데이터를 이용하여 칼만필터에 대한 시간 전파를 수행하고 MINS로부터 각속도를 포함하는 항법 데이터를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 각속도에 따라 시간지연 보상여부를 결정하여 시간지연 변화와 지터링에 의한 시각동기 오차를 감소시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치의 급속 초기정렬방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 시각동기 오차를 감소시키는 단계는
    상기 수신된 각속도의 값이 소정값 미만이면 시간지연 보상없이 제1항법 데이터와 MINS의 항법 데이터를 이용하여 칼만필터의 측정값을 생성하는 단계; 및
    상기 수신된 각속도의 값이 소정값 이상이면 시간지연 보상을 위하여 상기 샘플링된 복수의 항법 데이터와 MINS의 항법 데이터를 이용하여 칼만필터에 대한 복수의 측정값 후보를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 복수의 칼만필터 측정값 후보중에서 RSS가 최소인 칼만필터 측정값을 선택하여 칼만필터 측정값을 갱신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치의 급속 초기정렬방법.
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