KR102093888B1 - 보조 항법 장치 및 보조 항법 장치의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전파신호를 방출하는 신호원을 탐지하여 비행체의 위치를 추정하기 위한 보조 항법 장치 및 보조 항법 장치의 제어 방법에 관한 것으로,
신호원으로부터 출력된 전파신호가 탐지되어 상기 신호원의 위치가 파악된 경우, 상기 신호원의 위치를 이용하여 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계, 상기 산출된 현재 위치를 주 항법 장치로 출력하는 단계를 포함하고, 상기 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계는, 상기 신호원과의 비행체 상대 위치를 산출하는 단계, 상기 신호원의 절대 위치와 상기 비행체의 상대 위치를 이용하여 상기 비행체의 절대 위치를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

보조 항법 장치 및 보조 항법 장치의 제어 방법{ASSISTANCE NAVIGATION EQUIPMENT AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 전파신호를 방출하는 신호원을 탐지하여 비행체의 위치를 추정하기 위한 보조 항법 장치 및 보조 항법 장치의 제어 방법에 관한 것이다.

비행체가 자동 비행을 수행함에 있어서 자신의 위치정보는 필수적인 정보로, 위치정보가 부정확해지는 경우 자동 비행을 수행할 수 없게 되는 문제가 있다. 위치정보를 얻기 위해 일반적으로 사용되는 관성항법시스템의 경우는 운용시간이 증가할수록 위치오차는 누적되어, 항법시스템으로서의 역할을 지속할 수 없게 된다. 이를 방지하기 위한 가장 대표적인 방법은 위성항법시스템(GNSS)을 보조센서로 사용하는 복합항법장치로, 위성항법시스템의 출력을 이용하여 관성항법시스템의 오차를 줄이게 된다. 최근에는 미국의 GPS 외에도 러시아 GLONASS, 유럽연합의 Galileo, 중국의 Beidou 등과 같은 위성항법시스템이 구축되어, 이들을 복합적으로 사용하는 저렴한 비용의 GNSS복합항법시스템이 널리 사용되고 있다. 그러나 GNSS항법시스템은 무선항법장치의 일종으로, 비행체로 무선전송되는 정보에 의존하므로 적대적인 상황에서 재밍으로 인하여 사용이 제한될 수 있다. 이러한 상황을 대비하여 비행 경로상의 참조점 영상 DB와 비행체가 촬영한 영상을 비교하는 영상대조항법시스템, 디지털지형고도DB와 측정고도를 비교하는 지형대조항법시스템 등이 있다. 이들 방법은 GNSS 복합항법시스템 수준 이상의 정밀도를 확보할 수 있으며 근본적으로 재밍과 같은 외부의 영향을 받지 않는다는 점에 있어서 매우 유용하나, 추가적인 센서 탑재와 DB 구축이 필요하고 상대적으로 고가인 단점이 있다.

본 발명은 GNSS 재밍 신호에 의하여 복합항법장치의 위치 정보가 부정확해지는 상황에서도 자신의 위치 정보를 추정할 수 있는 보조 항법장치 및 보조 항법장치의 제어방법을 제공하는 것이다.

실시예는, 전파신호를 방출하는 신호원을 탐지하여 비행체의 위치를 정확히 추정하기 위한 보조 항법 장치 및 보조 항법 장치의 제어 방법을 제공한다.

실시예는, 신호원으로부터 출력된 전파신호가 탐지되어 신호원의 위치가 파악된 경우, 상기 신호원의 위치를 이용하여 비행체의 현재 위치를 산출하고, 상기 산출된 현재 위치를 주 항법 장치로 출력하며, 상기 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계는, 상기 신호원의 위치에 근거하여 상기 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계를 포함한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계는, 신호원 방향탐지기가 신호원의 방위각과 고각을 측정하고, 상기 측정된 신호원의 방위각 및 고각을 이용하여 상기 비행체와 상기 신호원 사이의 거리를 결정하는 단계를 포함한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계는, 상기 방위각, 고각 및 상기 비행체와 상기 신호원 사이의 거리를 이용하여 상기 비행체를 기준으로 한 상기 신호원의 상대적인 위치 벡터를 구하는 단계를 포함한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계는, 상기 비행체를 기준으로 한 상기 신호원의 상대적인 위치 벡터의 역방향 벡터와 상기 신호원 위치 벡터의 합으로 비행체 위치를 구하는 단계를 포함한다.

일반적으로 대부분의 무인기에 사용되는 스트랩 다운 관성 항법시스템은 관성센서의 바이어스와 랜덤오차 등으로 인해 시간이 지남에 따라 항법오차가 발산하게 된다. 따라서 항법 성능을 유지하기 위해서는 오차보정이 필수적이며, 대표적인 오차보정 센서로는 GNSS 가 가장 많이 이용되고 있다. 이러한 항법장치를 GNSS 복합 항법장치라고 한다.

그러나 GNSS가 전파교란(jamming)이나 신호 수신 불량 등으로 사용이 어려울 경우에는 순수 항법으로 비행할 수밖에 없다. 특히 저가형 관성센서를 사용하는 소형 무인기의 경우는 순수 항법의 오차가 매우 급격히 증가하여 비행이 불가능하다. 따라서 GNSS를 대체할 수 있는 보정 항법 기법이 필요하며, 추가적인 센서를 탑재하는 방법이 아니라 무인기 용도에 맞게 탑재된 임무장비를 이용하는 방법이 소형 무인기의 중량 증가나 크기 제약을 극복할 수 있는 적절한 방안이라고 할 수 있다.

특히 임무장비로 전파를 방출하는 신호원을 탐지, 추적할 수 있는 방향탐지기를 탑재한 무인기가 GNSS jamming 또는 GNSS 사용불가 상태에서 항법오차의 발산을 막고 안전한 비행을 할 수 있도록 한다. 방향탐지기의 성능에 따라 오차보정의 수준이 좌우되지만, 저가의 관성센서를 탑재하여 GNSS 불가 시에는 항법정보를 전혀 기대할 수 없는 무인기에는 추가적인 센서 탑재없이 항법을 가능하게 하는 유일한 기법이다.

도1 은 본 발명인 보조 항법장치가 방향탐지기 및 복합 항법장치와 상호작용하는 과정을 설명하는 도면이다.
도2는 입출력부 및 계산부로 구성된 본 발명인 보조 항법장치에 대한 설명이다.
도3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 비행체의 현재 위치를 구하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
도4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 보조 항법장치에서 비행체의 현재 위치를 계산하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

도1은 본 발명인 보조 항법장치가 방향탐지기 및 복합 항법장치와 상호 작용하는 과정을 설명하는 도면이다.

보조 항법장치(1)는 본 발명에 해당하며 입출력부(13)와 계산부(15)로 구성되어 있다.

방향 탐지기(3)는 전파를 송신하는 신호원의 방향을 결정하는 데 쓰이는 장치를 말한다.

GNSS(Global　Navigation　Satellite　System)(5)는 다수의 인공위성에서 송출하는 전파를 이용해 지구 전역에서의 위치와 속도 등을 측정할 수 있는 전파 항법장치의 일종이다.

복합 항법장치(7)는 자신의 위치와 자세 그리고 방향을 측정하는 장치이다. 자이로스코프와 가속도계와 같은 관성센서 만을 이용한 순수항법장치(11)는 긴 거리를 이동하면 오차가 생기는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 보완하기 위해 위성항법장치(GNSS)와 같은 장치를 보조센서로 이용하고, 보정필터(9)를 통하여 오차를 보정하게 된다.

도2는 입출력부 및 계산부로 구성된 본 발명인 보조 항법장치에 대한 설명이다.

본 발명인 보조 항법장치(1)는 입출력부(13)과 계산부(15)로 구성되어 있다. 입출력부(13)은 방향탐지기, 압력고도계 및 복합 항법장치와의 자료 입출력을 담당한다. 입력부는 신호원을 추적하는 방향탐지기의 방위각, 고각 정보를 입력으로 받는다. 출력부는 오차보정을 위해 계산된 비행체 위치를 복합항법장치로 출력한다.

계산부(15)는 신호원의 위치와 방향 탐지 정보를 이용하여 비행체 위치를 계산한다.

도3 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 보조 항법 장치의 기능을 설명하는 흐름도이다.

방향탐지기는 신호원으로부터 출력된 전파 신호를 탐지하여 신호원의 방향 정보(고각 및 방위각)를 출력한다(s1). 복합항법장치의 GNSS가 정상일 경우는 GNSS 복합항법을 수행하며(s3), GNSS가 전파교란(jamming)이나 신호 수신 불량 등으로 인하여 정상적인 상태가 아니면, 비행체 자세와 비행고도를 이용하여 신호원까지의 거리를 계산하고(s5), 신호원과의 상대적인 위치를 산출한다(s7). 상기의 상대적인 위치와 신호원의 절개위치를 이용하여 비행체의 절대위치를 계산하며(s9), 상기 결과를 복합 항법장치로 출력한다(s11).

도4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 보조 항법장치에서 비행체의 현재 위치를 계산하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.

방향 탐지기로 측정한 신호원의 방위각과 고각을 수신하여(S13), 직교좌표계의 벡터로 변환한다(s15). 상기 변환된 벡터와 비행체 자세각을 이용하여 비행체 항법좌표계 기준의 벡터로 변환하고(s17), 비행체의 기압고도를 이용하여 신호원과 비행체 사이의 거리를 계산한다(s19). 상기 계산된 거리와 항법좌표계 기준의 벡터를 이용하여 신호원 기준의 비행체 상대 위치를 계산한다(s21). 상기 계산된 비행체 상대 위치와 신호원의 절대 위치를 이용하여 비행체 절대 위치를 계산한다(s23).

상기 비행체에 탑재된 신호원 방향탐지기 출력의 비행체 동체축 기준 구면 좌표계 단위벡터를

라 할 때, 1는 단위벡터의 거리,

는 방위각,

는 고각이다.

또한, 비행체 자세각 (비행체 항법좌표계 (NED) 기준 비행체 동체 좌표계 회전각)을

= (

)라 할 때,

를 비행체 동체 기준 직교 좌표계로 변환한 벡터를

라 하면,

= (

)

를 비행체 항법 좌표계 기준으로 변환한 벡터를

라 하면,

=

의 각 성분을 다음과 같이 정의하면,

= (

로 나타낼 수 있다(s17).

비행체와 상기 신호원 사이의 고도 차이를

=

: 현재 비행체의 압력 고도,

신호원의 고도

비행체와 상기 신호원 사이의 거리 r =

로 나타낼 수 있다(s19).

상기 신호원 위치를 기준으로 한 상기 비행체의 NED 좌표,

= -r

이를 신호원 위치를 정의한 좌표계로 변환한

을 상기 신호원을 기준으로 한 상기 비행체의 상대적인 위치 벡터라 한다.

상기와 같은 방법으로 상기 신호원을 기준으로 한 상기 비행체의 상대적인 위치 벡터

를 구할 수 있다(S21)

상기 재밍 신호에 의하여 기준조건이 만족되어 상기 신호원을 기준으로 한 상기 비행체의 상대적인 위치 벡터(S21)를 이용하여 상기 비행체의 절대 위치 벡터의 값을 구할 수 있다(S23).

이미 알고 있는 신호원의 위치

= (

와 신호원 위치를 정의한 좌표계로 변환한

을 상기 신호원을 기준으로 한 상기 비행체의 상대적인 위치 벡터의 합을 이용하여 현재 비행체의 위치

를 구할 수 있다(s23).

=

+

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 보조 항법장치
3: 방향 탐지기
5: GNSS
7: 복합 항법장치
9: 보정 필터
11: 순수 항법
13: 입출력부
15: 계산부

Claims (8)

1. GNSS의 재밍으로 주 항법 장치에서 GNSS 복합 항법을 사용할 수 없게 되는 경우, 방향 탐지기에서 탐지된 신호원으로부터 출력된 전파신호를 이용하여 상기 신호원의 위치를 측정하는 단계;
   상기 GNSS가 정상 상태일 때 상기 주 항법 장치에 포함된 보정 필터에서 산출한 비행체의 자세 정보를 수신하는 단계; 및
   상기 측정된 신호원의 위치, 압력 고도계에서 측정한 기압 고도 및 상기 GNSS가 정상 상태일 때 수신된 상기 비행체의 자세 정보를 이용하여 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계를 포함하고,
   상기 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계는,
   상기 측정된 신호원의 위치 및 상기 압력 고도계에서 측정한 기압 고도를 이용하여 상기 신호원을 기준으로 한 상기 비행체의 상대적인 위치를 계산하는 단계;
   상기 계산된 비행체의 상대적인 위치와 상기 수신된 GNSS가 정상 상태일 때의 비행체의 자세 정보를 이용하여 상기 계산된 비행체의 현재 위치를 결정하는 단계; 상기 결정된 비행체의 현재 위치를 상기 주 항법 장치로 전송하고, 상기 보정 필터에서 보정된 상기 비행체의 보정 위치를 수신하는 단계; 및
   상기 수신된 비행체의 보정 위치를 이용하여 상기 비행체의 항법을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 항법 장치의 제어 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계는.
   상기 신호원의 방위각 및 고각과 비행체 자세각 및 비행고도를 이용하여 상기 비행체와 상기 신호원 사이의 거리를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 항법 장치의 제어 방법.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계는,
   상기 방위각, 고각 및 상기 비행체와 상기 신호원 사이의 거리를 이용하여 상기 비행체를 기준으로 한 상기 신호원의 상대적인 위치 벡터를 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 항법 장치의 제어 방법.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 비행체의 현재 위치를 산출하는 단계는,
   상기 신호원과 상대적인 위치 벡터와 신호원의 절대 위치 벡터의 합을 상기 비행체의 절대 위치 벡터로 지정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 항법 장치의 제어 방법.
5. GNSS가 정상 상태 일 때 주 항법 장치에 포함된 보정 필터에서 산출한 비행체의 자세 정보를 수신하는 입출력부;
   GNSS의 재밍으로 상기 주 항법 장치에서 GNSS 복합 항법을 사용할 수 없게 되는 경우, 방향 탐지기에서 탐지된 신호원으로부터 출력된 전파 신호를 이용하여 상기 신호원의 위치를 측정하고, 상기 측정된 신호원의 위치, 압력 고도계에서 측정한 기압 고도 및 상기 GNSS가 정상 상태일 때 수신된 상기 비행체의 자세 정보를 이용하여 비행체의 현재 위치를 산출하는 계산부를 포함하고,
   상기 계산부는,
   상기 측정된 신호원의 위치 및 상기 압력 고도계에서 측정한 기압 고도를 이용하여 상기 신호원을 기준으로 한 상기 비행체의 상대적인 위치를 계산하고, 상기 계산된 비행체의 상대적인 위치와 상기 수신된 GNSS가 정상 상태일 때의 비행체의 자세 정보를 이용하여 상기 계산된 비행체의 현재 위치를 결정하며, 상기 결정된 비행체의 현재 위치를 이용하여 상기 비행체의 항법을 수행하는 것을 특징으로 하는, 보조 항법 장치의 제어 장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 계산부는,
   상기 신호원의 방위각 및 고각과 비행체 자세각 및 비행고도를 이용하여 상기 비행체와 상기 신호원 사이의 거리를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 항법 장치의 제어 장치.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 계산부는,
   상기 방위각, 고각 및 상기 비행체의 자세각과 상기 신호원 사이의 거리를 이용하여 상기 비행체를 기준으로 한 상기 신호원의 상대적인 위치 벡터를 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 항법 장치의 제어 장치.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 계산부는,
   상기 신호원과 상대적인 위치 벡터와 신호원의 절대 위치 벡터의 합을 상기 비행체의 현재 절대 위치벡터로 지정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 항법 장치의 제어 장치.

Images