KR102112874B1

KR102112874B1 - 방위 기준 시스템에서 연철 자기 방해를 보상하기 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR102112874B1
Application number: KR1020130070026A
Authority: KR
Inventors: 솨람 에스카퍼
Original assignee: 이노베이티브 솔루션즈 앤드 서포트 인코포레이티드
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2020-05-19
Also published as: JP6831868B2; EP2677275A2; JP2017181515A; US20130345972A1; JP6831895B2; EP2677275B1; US9207079B2; JP2019135490A; JP6653515B2; EP2677275A3; JP2020076781A; US20160054126A1; JP2014006248A; US20170219346A1; KR20130143498A; US10119819B2; US9658064B2

Abstract

통합 스탠바이 유닛; 또는 자동차 관성 시스템과 같은, 그리고 비행기 방위 기준 시스템과 같은 방위 기준 시스템에서 심각한 연철 자기 방해를 보상하기 위한 방법 및 시스템이, 정해진 측정기간 동안 자기 북극과 관련된 자이로 방위와 자력계(magnetometer) 판독 사이 검출된 차이 값이 그 같은 기간 동안 기대된 자이로 드리프트에 기초한 값과 같은, 사전에 정해진 허용가능한 한계 변경 값을 초과하는 때 상기 방위 기준 시스템으로 한 방위 교정 신호를 제공한다. 상기 방위 교정 신호를 수신하면, 상기 자이로 방위가 조정되어 자기 북극과 관련한 정확한 방위를 유지하도록 한다. 이 같은 한계 값이 초과 되지 않으면, 그러면 상기 자력계 판독이 상기 방위 값을 위해 사용된다. 이 같은 방법은 반복적으로 반복되어 계속해서 정확한 방위를 유지하도록 하며 각 방위 측정 축을 위해서 사용된다.

Description

방위 기준 시스템에서 연철 자기 방해를 보상하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR COMPENSATING FOR SOFT IRON MAGNETIC DISTURBANCES IN A HEADING REFERENCE SYSTEM}

본 발명은 방위 기준 시스템에 대한 것이며, 특히 국부적인 연철의 존재로 인한 자기 방해가 자기 방위 결정에 오류를 발생시키는 시스템에 대한 것이고, 이때 상기 자기 방위 결정에서의 오류는 자기 북극과 관련한 방위 제공에 영향을 미치는 것이다.

자세 및 방위 기준 시스템(Attitude and Heading Reference Systems), 에어 데이터 및 자세 방위 기준 시스템(Air Data and Attitude Heading Reference Systems), 관성 항해 시스템(Inertial Navigation Systems) 또는 비행기에서 통상 사용되는 통합 스탠바이 시스템(Integrated Standby Systems)과 같은, 자기 북극과 관련한 방위를 제공하기 위한 방위 기준 시스템에서, 자기 북극과 관련한 방위를 제공하기 위해 지구 자장에 의존하는 외부 자력계로부터의 데이터에 의해 방위 자이로가 주기적으로 교정된다. 그러나, 이 같은 판독의 정확성은 비행기에서의 국부적인 전기 회로와 같은 국부적인 연철 존재에 의해 크게 영향을 받을 수 있으며, 이는 결국 진정한 자기 북극과 관련한 자기 방위의 계산 그리고 자기 방위의 최종 디스플레이에 심각한 오류를 일으킨다. 이는 결국 정해진 비행 경로를 따라 비행기를 적절히 안내함과 관련하여 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 이 같은 문제의 심각성 때문에, 그리고 효과적인 비용 및 유효한 해결을 위해 그와 같은 문제를 해결하기 위한 다양한 시도가 있었으며, 그와 같은 시도가 도움이 되긴 하였지만 목적을 완전히 해결하지는 못하였다. 이들 바람직하지 않은 자기 방해를 제공하는 연철의 국부적인 존재 영향을 피하기 위한 한 가지 종래 기술의 시도는, 최소의 국부적인 자기 방해가 존재하는 비행기 영역 내에서 외부 자력계를 조심스럽게 찾아내는 것이다; 그러나 이 같은 접근 방법은 연철 자기 방해를 발생시키는 전기 장치와는 떨어진 비행기 날개에서의 외부 자력계들을 찾음을 포함하기 때문에 비용 면에서 충분히 효과적이거나 효율적이지 못한 것으로 밝혀졌다. 이 같은 접근 방법은 설치 비용이 증가하고 추가 유닛의 비용이 증가하는 것과 같은 문제 요소가 존재하기 때문에 심각한 비용을 발생시킨다.

자기 북극과 관련하여 올바른 방위 제공에 영향을 미치는 연철 자기 방해의 이 같은 문제는 비행기 안내와 관련하여 심각하며, 비행기 장치로 한정되지 않고, 안내를 위해 방위 기준 시스템을 사용하는 다른 자동차 안내에서도 중요하다. 따라서, 상기와 같은 문제가 국부적인 전장 변화의 결과로 변화를 받게 될 수 있는 방위 소스를 필요로 하는 모든 자동차 그리고 관성 시스템에서 발생된다. 결과적으로, 본 발명은 모든 자기 방위 표시 시스템에도 적용될 수 있으며, 이때 국부적인 연철의 방해는 결국 자기 방위 결정에서 오류를 발생시킨다. 이 같은 문제를 해결하고자 했던 종래 기술의 시도는, 본 발명 청구항에서와 같이 효과적이지 않으며 비용 효율적이지 않고, 따라서 그와 같은 문제를 적절히 해결하지 못하였다. 이 같은 문제를 만족스럽게 해결하지 못하였던 종래 기술의 다른 예로서 "자기 방위의 결정에서 자기 방해를 보상하는 방법 및 그 같은 방법을 수행하기 위한 장치"에 대한 미국 특허 4,414,753호, "자동 눈금 조정을 갖는 자동차 컴퍼스 시스템"에 대한 미국 특허 제 5,737,226호가 있다. 이 같은 문제를 역시 만족스럽게 해결하지 못하였던 자력계 측정에서의 오류를 보상하는 종래 기술의 다른 예로서, "자력계 측정에서 오류를 동시에 식별하고 교정하기 위한 방법 및 장치"에 대한 미국 특허 제 5,682,335호, "자종 자기 보상을 위한 방법 및 장치"에 대한 미국 특허 제7,146,740호, "자동 자기 보상을 위한 방법 및 장치"에 대한 미국 특허 제 6,860,023호, "자기 기울기를 결정하기 위한 교정 인수 사용 방법"에 대한 미국 특허 제 5,990,679호, "지구 중력 및 자장을 측정하는 수단을 사용하여 자동차 탑재 조화 장비를 위한 방법 및 자체 시스템"에 대한 미국 특허 제5,321,631호, "캄퍼스 방위 눈금을 정하는 방법"이라는 명칭의 미국 특허 제4,843,865호, 그리고 "전자 캄퍼스가 제공된 모터 차량 내 간섭 자장을 결정하는 방법"에 대한 미국 특허 제 4,733,179호, 그리고 "이상(Out-of-Phase) 교정을 갖는 자력계"에 대한 미국 특허 제4,005,358호가 있다.

따라서, 비행기에서든, 아니면 적절한 안내를 위한 이 같은 시스템을 사용하는 다른 차량에서든, 자기 방위 기준 시스템 내 자기 방위 계산에 대한 국부적인 연철의 영향을 피하기 위한 효율적이고 비용 효과적인 해결 방안이 필요하다.

본 발명은 연철 자기 방해의 존재로 인한 자력계 판독에서, 그리고 검출 기간 동안 자기 북극과 관련된 자이로 방위 모두에서의 변화를 검출하고, 다음에 이들 검출된 변화에서의 차이를 사전에 정해진 허용 가능한 임계값과 비교하여, 이 같은 차이가 사전에 정해진 허용 가능한 임계값을 초과하는가를 결정하도록 하는 방법을 제공한다. 상기 차이가 사전에 정해진 허용가능한 임계값을 초과하면, 그러면, 방위 교정 신호가 제공되어 자이로 방위 조정을 가능하게 하며, 검출된 연철 자기 방해가 있는 때 진정한 북극을 유지할 수 있도록 한다. 만약 이 같은 차이가 상기 예정된 허용 가능한 임계값을 초과하지 않는다면, 그러면, 상기 자력계 판독이 방위 값을 위해 사용된다. 상기 사전에 정해진 허용 가능한 임계값이 측정 시간 동안 기대된 자이로 드리프트를 기초로 하며, 상기 검출된 값에서의 차이 비교가 바로 이전 판독이 있은 후, 측정 시간 동안 기대된 자이로 드리프트를 초과하는가에 기초한다. 이 같은 단계들이 뒤 이은 측정 시간 동안 반복하여 되풀이되어서, 연철 자기 방해가 있는 때 진정한 자기 북극을 계속해서 유지하도록 한다.

다양한 보상 알고리즘이 본 발명에 따라 다양한 시스템을 위해 사용될 수 있으며, 이 같은 알고리즘에는 자력계에 의해 측정되는 자기 방위에서의 변화를 속도 센서들에 의해 측정된 방위 변화와 주기적으로 비교하는 상대적으로 간단한 알고리즘으로부터, 축 각각에 대한 자력계 및 속도 센서의 변화율이 비교되는 더욱 복잡한 접근 방법에까지 존재한다. 대개, 본 발명에 따라, 상기 변화가 상기 속도 센서의 기대된 드리프트 오류보다 크다면, 상기 자력계는 자장 내 국부적인 변화에 의해 영향을 받으며, 상기 속도 센서 데이터는 상기 국부적인 자장에서의 변화에 대한 영향을 보상하도록 사용된다.

본 발명에 대한 상기 방법은 비행기 시스템에서와 같은, 자기방위 결정에서의 오류를 일으키는 심각한 연철 자기 방해 존재에 대하여 모든 자기 표시 방위 기준 보상을 개선하도록 사용될 수 있으며, 이 같은 방법은 국부적인 전장 변화의 결과로서 심각한 변화를 받게 되는 방위 소스를 필요로 하는 모든 차량 또는 관성 시스템 그리고 방위 기준 시스템을 사용하는 다른 비행기 시스템 또는 통합 스탠바이 유닛에서 사용될 수 있다. 이 같은 시스템은 일차 또는 이차 시스템(즉, 주 시스템 또는 보조 시스템)으로 사용될 수 있으며, 만약 필요하다면, 칼만 필터를 사용하여 상기 자이로 측정과 상기 자력계 측정을 혼합하도록 할 수 있고, 상기 허용 가능한 차이는 상기 자이로 오류 공분산에 의해 결정된다. 본 발명에 대한 다양한 이점 그리고 특징들이 첨부 도면을 참조하는 다음 설명으로부터 분명해진다. 그러나, 이들 도면은 설명의 목적으로만 제공되는 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의해서만 한정된다.

본 발명의 또 다른 특징, 그 특성 및 다양한 장점들이 하기 도면을 참조하여 다음 설명으로부터 더욱 분명해진다.
도 1은 연철 자기 방해로 인해 방위 기준 시스템에서 실시 될 수 있는 본 발명 방법에 대한 흐름도.
도 2는 도 1에서 도시된 본 발명 방법을 실시하는 것으로서, 방위 기준 시스템을 사용하는 통합 스탠바이 시스템과 같은, 대표적인 방위 기준 시스템 블록도.
도 3은 도 1과 유사한 흐름도로서, 선택적으로 도 2의 방위 기준 시스템에서 실시될 수 있는, 본 발명의 방법에 따른 흐름도.

우선 도 1과 관련하여, 도 2에서 도시된 시스템(100)과 같은, 방위 기준 시스템에서의 연철 자기 방해 영향을 최소로 하기 위한 본 발명의 바람직한 보상 방법을 설명하는 흐름도가 도시된다. 하기에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 보상 방법은 도 2에서 도시된 통합 스탠바이 유닛(integrated standby unit)(200)과 같은, 종래의 방위 기준 시스템(100) 내에 수용되는 폼웨어 또는 소프트웨어로 실시 된다. 폼웨어 또는 소프트웨어로 본 발명의 보상 방법을 실시하는 것은 본 발명에 대한 다음 설명을 참고로 하여 이해되는 바와 같이 당업자가 용이하게 실시할 수 있다.

도시된 바와 같이, 도 1은 연철 자기 방해로 인한 방위 시스템(100)의 정확성에서 심각한 변화를 반복해서 보상하기 위한 반복 제어 루프(10)로서 도시된 본 발명의 바람직한 보상 방법에 따라 흐름도를 개략적으로 도시하며, 상기 자기 방해는 방위 기준 시스템(100)에 인접하여 국부적인 전자 회로로부터 발생될 수 있다. 이는 하기에서 상세히 설명하는 바와 같이, 도 2에서 3축 자력계(102)로 도시된, 자력계 판독 변화를 도 2에서 3축 자이로(104)로서 도시된, 종전 판독 이후 그 같은 측정기간 동안 기대된 자이로 드리프트에 대한 방위 기준 시스템 자이로 판독과 비교하여 달성될 수 있다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 보상 방법을 반복해서 수행하는 데 포함된 단계들은 다음과 같다. 자력계(102)와 자이로(104) 모두로부터의 출력이 자력계(102) 판독 그리고 자이로(104) 판독 값 변화에 해당하는 신호를 제공하도록 판독되고 처리된다. 이 같은 단계는 도 1에서 블록(12)으로 표시된다. 이들 신호들은 다음에 이전의 판독 이래로 서로에 대한 이들 값들 실제 변경을 결정하도록 비교된다. 이 같은 단계는 도 1에서 블록(14)으로 표시된다. 다음에 이전 판독으로부터 검출된 차이 값이 사전에 결정된 허용가능 임계값을 초과하는가에 대한 결정이 있게 되며, 본 발명에 따라, 이전 판독 이후 일정 시간 동안 예측된 자이로 드리프트로서 정해지는 것이 바람직하다. 이 같은 단계가 블록(16)에 의해 도 1에서 표시된다. 이 같은 비교의 결과로서 상기 차이 값이 상기 예측된 자이로 드리프트 또는 허용 가능한 임계값을 초과하면, 그러면, 본 발명의 바람직한 방법에 따라, 교정된 방위 신호가 제공되며, 이는 실제 자이로 변경과 마지막 방위를 더한 값에 해당하며, 이 같이 교정된 방위 신호는 상기 방위 기준 시스템(100)으로 출력되어 상기 자이로 방위가 정확하게 유지되도록 조정한다. 이와 같은 단계들이 도 1에서 블록(18, 20)으로 도시된다. 반면, 이 같은 차이 값이 상기 예측된 사전에 정해진 허용 가능한 임계값을 초과하지 못하면, 다시 말해서 이 같이 정해진 시간 동안 예측된 자이로 드리프트 보다 크지 않으면, 그러면, 상기 검출된 자력계(102) 판독은 자이로(104)를 위한 방위 값을 제공하도록 사용된다. 앞서 설명한 바와 같이, 그리고 도 1의 흐름도에서 설명한 바와 같이, 이와 같은 단계들이 계속해서 주기적으로 반복되어, 상기 방위 기준 시스템(100) 동작에서 심각한 연철 자기 방해가 있는 때 상기 방위 기준 시스템(100)을 위한 정확한 방위를 계속 유지할 수 있도록 한다.

도 1에서 도시된 상기 설명된 흐름도는 다음 알고리즘에 의해 표시된다:

K 는 일정 시간 Δt 동안 예정된 자이로 드리프트로부터 유도된 양의 상수이다;

ΔMH는 일정 시간 Δt 동안 자력계 유도 방위 변화이며;

ΔGH는 일정 시간 Δt 동안 자이로 유도 방위 변화이고;

방위 = fn(GH, MH), 이때 ΔH=<k

방위 = GH, 그리고 MH=MH+ ΔH, 이때 ΔH>k

상기 설명한 바와 같이, 이 같은 알고리즘은 C로 통상 프로그램된 프리스케일(Freescale) 마이크로프로세서와 같은, 방위 기준 시스템(100)의 마이크로프로세서에서 사용되는 바와 같은 폼웨어 또는 소프트웨어로서 실시될 수 있다. 상기 설명한 바와 같이, 상기 알고리즘은 자이로(104)에 대하여 상기 마지막 교정이 있은 후 일정 시간 동안 예측된 자이로 드리프트의 순서에 의존한다.

상기 설명된 보상 방법을 요약하면, 바람직하게는 상기 자력계 데이터가 각 축에 대하여 판독되며 뿐만 아니라 상기 자이로 데이터가 각 축에 대하여 판독된다. 상기 자이로 데이터는 바디(body)로부터 관성 좌표로 변환된다. 시간에 대한 자력계 판독을 기초로 한 방위의 변화율이 결정된다. 상기 방위의 변화율이 자리로에서 요의 변화에 대한 관성 좌표계 변화율과 비교된다. 다음에, 본 발명의 방법에 따라, 이 같은 차이가 사전에 결정된 임계값보다 크다면 알고리즘이 변화율의 차이를 기록하며, 이를 자력계에 대한 연철 충격을 교정하기 위한 베이스로(기본으로) 사용한다. 반면, 만약 이 같은 차이가 사전에 결정된 임계값보다 크지 않다면, 그 같은 알고리즘이 실제 자력계 값을 사용하여 상기 자이로에서의 드리프트를 교정하도록 한다.

본 발명의 바람직한 보상 방법에 따라, 종래 확장 칼럼 필터(도시되지 않음) 또한 자이로(104) 측정을 자력계(102) 측정과 혼합하도록 사용될 수 있으며, 상기 자력계(102)와 자이로(104) 사이의 상기 언급된 차이는 자이로 오차 공분산(gyro error covariance)이다.

상기 방법은 자기 방위 표시 시스템으로 사용될 수 있으며, 국부적인 연철의 존재로 인한 방해가 자기 방위 계산의 오류를 발생시킬 수 있다. 이 같은 경우, 방위 측정 축 내에 자이로를 위치시킴으로써 그리고 자력계 변화 크기를 상기 자이로 변화와 비교함으로써, 국부적인 자장 변화로 인한 자력계 출력의 어떠한 심각한 변화도 검출되고 교정된다. 따라서, 본 발명의 보상 방법은 더욱 상세히 설명되는 도 2에서 도시된 통합 스탠바이 유닛(200)과 같은 비행기 방위 기준 시스템에서 뿐 아니라, 다른 비행기 장비에서도 사용될 수 있으며, 다른 비행기 장비로는 일차 및 이차 자세 그리고 방위 기준 시스템, 에어 데이터 및 자세 방위 기준 시스템, 또는 관성 항해 시스템이 있으며, 뿐만 아니라 국부적인 전장 변화 결과로 변화를 받게되는 방위 소스를 필요로 하는 자동차 또는 관성 시스템과 같은 비 비행기 시스템에서 사용될 수 있기도 하다.

도 2와 관련하여, 본 발명의 바람직한 통합 스탠바이 유닛(200)의 한 예가 도시되며, 이는 본 발명의 이전 설명 보상 방법을 실시함에 의해 개선된다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 상기 통합 스탠바이 유닛(200)은 3인조, 종래 가속도계(212), 자이로(104) 그리고 자력계(102)를 포함하며, 본 발명의 보상 방법은 상기 설명한 바와 같이 자이로(104) 그리고 자력계(102)와 함께 사용된다. 도시된 바와 같이, 상기 통합된 스탠바이 유닛(200)은 또한 에어 스피드 및 자세에 대한 종래의 측정을 위해 통합된 에어 데이터 측정 모듈(238)을 포함할 수 있다. 상기 통합 스탠바이 유닛(200)은 또한 도시된 바와 같이, 파일롯(218) 그리고 스태틱 포트(static port)(220)에 의해 공급되는 통상의 차압 변환기(214) 그리고 통상의 절대압 변환기(216)를 포함한다. 또한, 상기 스탠바이 유닛(200)은 바람직하게 통상의 LCD 디스플레이(222), 백라이트(224), 라이트 센서(226), 관성 온도 센서(228), 그리고 베젤 제어(bezel controls)를 포함한다. 도 2에서 더욱 도시된 바와 같이, 상기 마이크로프로세서(120)는 외부 구성 모듈(232) 고정 에어 온도 프로브(234)로부터 외부 입력을 수신한다.

따라서, 도 2에서 도시된 통합된 스탠바이 입력(200)은 프리스케일 IMX 시리즈 마이크로프로세서와 같은 마이크로프로세서에 의해 제어되며, LCD 디스플레이 상에 제공되는 일련의 온도, 압력, 자기, 가속 및 속도 센서를 포함한다. 이에 따라, 도 2에서 도시된 통합된 스탠바이 입력(200)은 지정된 그리고 실제의 공기 속도, 매치, 고정 공기 온도 고도 피치, 로울, 슬립 각도 그리고 자기 방위를 포함하는, 중요 비행 정보를 측정하고 계산하며 디스플레이한다. 필요에 따라 통합된 스탠바이 시스템(200)은 GPS 또는 다른 항해 센서들을 갖도록 더욱 증가되어 코스, 바람 및 다른 항해 정보를 디스플레이하도록 한다.

도 2에서 도시된 시스템(200)에서, 초기의 자세 및 방위 정보는 3축 가속도계(212) 그리고 자력계(102)에 의해 결정된다. 초기화 시에, 자동차 또는 비행기는 제로 가속도 상태이며, 따라서 가속도계(212) 그리고 자력계(102)의 조합은 비행기의 피치, 롤(roll) 및 방위에 대한 정확한 초기 상태를 제공한다.

통합된 스탠바이 유닛(200)의 동작 단계에서, 3축 속도 센서들이 사용되어 초기 상태로부터의 변경을 모니터하고 보상함에 의해 비행기의 현재 자세 그리고 방위를 결정하도록 한다. 속도 센서 데이터를 기초로 하는 계산된 각도들이 랜덤 워크(random walk)로 칭하여지는 랜덤 드리프트로 인해 영향을 받는다. 이 같은 드리프트는 보통 신호 대역 폭 내 통합 잡음에 기인하며, 따라서 통상의 신호 컨디션닝 알고리즘에 의해 용이하게 필터되지 않는다. 본 발명 방법에서의 이 같은 드리프트를 보상하기 위해, 상기 자이로 출력이 자력계 및 가속도계 데이터에 대하여 주기적으로 다시 눈금 조정된다. 확장된 칼만 필터의 변형이 사용되어 속도 센서 드리프트를 주기적으로 교정하며 또한 이들의 해당하는 오류 공분산을 기초로 하여 모든 센서 데이터를 혼합하도록 한다. 이들 혼합 및 보상 알고리즘은 비행기 자세 및 방위에 대한 정확한 평가를 제공한다. 이 같은 혼합 알고리즘의 한 예가 하기에서 제공된다:

상기 알고리즘에 대한 변경이 사용되어 하기 설명되는, 칼만 필터 변경을 사용하여 자세 평가를 갱신하도록 한다:

잘 알려진 바와 같이, 전형적인 비행기 패널 설치 내 스탠바이 유닛(200)을 둘러싸는 국부적인 자기 환경이 인접한 장비에 파워 스위칭의 자기 영향과 같은 변화를 받는다. 설치 시간에, 상기 스탠바이 유닛(200)은 국부적인 환경 영향을 보상하기 위해 목적 환경으로 눈금이 조정될 것이다. 그러나, 전형적인 비행 과정에서, 다양한 장비가 켜지거나 꺼지며, 이는 결국 내부 자력계에 의해 측정된 자기 방위의 오류를 일으킬 수 있다. 본 발명의 방법은 상기 시스템이 이들 오류들을 보상할 수 있도록 하며, 알고리즘 ΔH>k 가 이들의 발생을 검출하고 사전에 정해진 임계값 이상의 결과 오류를 보상하도록 한다.

다양한 보상 알고리즘이 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다양한 시스템을 위해 사용될 수 있는 것이다. 따라서, 상기 보상 알고리즘은 자속계에 의해 측정되는 자기 방위 변화를 도 1에서 도시된 바와 같은, 속도 센서에 의해 측정된 그리고 앞서 열거된 식으로 표시된 방위 변화에 대하여 주기적으로 비교하는 상대적으로 단순한 알고리즘으로부터 레인지 될 수 있다:

방위 = fn(GH, MH), 이때 ΔH=<k

방위 = GH and MH=MH+ ΔH, 이때 ΔH>k

더욱 복잡한 또는 정교한 방법으로서, 각 축에 대한 자력계 그리고 속도 센서의 변화율이 도 3의 흐름도 그리고 다음의 식으로 제공된다:

여기서:

XGI, YGI, ZGI는 관성 기준으로서 자이로로부터 유도된 X, Y, Z 축의 각도 변화를 나타내며, XM, YM, ZM은 X, Y, Z 자력계 판독을 표시하고, 그리고 XKI, YKI, ZKI은 관성 기준으로서 최대 기대 자이로 각도 속도 드리프트를 표시한다:

ΔX=|XGI 변화율 - XM 변화율|

ΔY=|YGI 변화율 - YM 변화율|

ΔZ=|ZGI 변화율 - ZM 변화율|

피치 = fn(YGI, 가속도계 데이터, 자력계 데이터)

로울(Roll) = fn(XGI, 가속도계 데이터, 자력계 데이터)

방위 = fn(ZGI, 자력계 데이터)

If ΔX>XKI,XM=XM+ ΔX Δt

If ΔY>YKI, YM=YM+ ΔY Δt

전형적으로, 본 발명의 방법에 따라, 만약 상기 변화가 사전에 결정된 임계값인, 속도 센서들의 기대된 드리프트 에러 보다 크면, 자력계가 자장에서의 국부적인 변화에 의해 영향을 받으며 속도 센서 데이터는 국부적인 자장 변화의 영향을 보상하도록 사용된다.

도 3과 관련하여, 도 3은 본 발명의 보상 방법에 따라, 도 1과 유사한 선택적인 흐름도를 도시하며, 상기 알고리즘에 의해 제공된 복잡한 방법을 사용하는 상기 설명된 방법을 달성한다. 도 3에서 설명된 방법의 단계들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다른 순서로 수행될 수 있기도 하다. 도 1에서 설명된 흐름도에서와 같이, 도 3의 상기 흐름도는 연철 자기 방해로 인해 방위 시스템 정확도에서의 심각한 변화를 반복적으로 보상하기 위한 반복 제어 루프(300)로서 설명된다. 이 같은 보상 방법을 수행함에 있어서, 자력계 판독의 현재 값을 저장하고; 자력계 판독에 대한 현재 값을 앞서 저장된 자력계 값들로부터 감산하며; 상기 변화율을 얻기 위해 자력계 판독 차이를 일정 시간으로 나누고; 결정된 자력계 변화율을 상기 일정 시간 동안 평균 속도 센서 변화로부터 감산하며; 그리고 만약 상기 차이가 속도 센서의 최대 기대 드리프트 보다 작거나 같다면, 자력계 데이터를 사용하여 상기 속도 센서 드리프트를 보상하도록 함을 포함한다. 그러나, 그렇지 않다면, 그러면, 상기 속도 센서 데이터가 사용되여 자력계에 대한 연철의 영향을 보상하도록 한다.

선택적으로, 상기에서 언급한바, 더욱 정교한 방법이 사용될 수 있으며, 자력계 그리고 각 축에 대한 속도 센서 변화율이 도 2에서 도시된 시스템(200)에서와 같이 비교되며, 3축 자이로(104), 3축 자력계(102) 그리고 3축 가속도계(212)를 사용한다. 이 같은 경우, 본 발명의 비교 방법은 축 각각에 대한 자력계 데이터를 판독하고; 축 각각에 대한 자이로 데이터를 판독하며; 상기 자이로 데이터를 바디(body)로부터 관성 좌표계로 변환시키고; 시간에 대한 자력계 판독을 기초로 하여 자기 축 각각에 대한 변화율을 결정하며; 자기 축 각각의 변화율을 동일한 축에 대한 자이로 변화율 관성 좌표와 비교하고; 그리고 변화율 차이가 정해진 값보다 크다면, 그와 같은 차이를 기록하고 이를 자력계 축 각각에 대한 연철 충격을 교정하기 위한 기본으로 사용함을 포함한다. 그러나, 만약 그와 같지 않다면, 그러면, 상기 자력계 값은 다음에 설명하는 바와 같이 칼만 필터 알고리즘과 같은 알고리즘에서 사용된다:

예측

갱신

자이로에서 상기 드리프트를 교정하기 위해, 선택적으로, 가속도계 데이터가 이 같은 알고리즘에서 사용되어, 자동차가 움직이지 않는 때 또는 자동차의 비-가속 직선 및 레벨 이동과 같은 비 가속 모드 중에 상기 자력계 데이터를 증가시키도록 한다.

상기 상황에서, 본 발명의 보상 방법이 도 2의 시스템(200)에서와 같이 축 각각과 관련하여 사용되며, 상기 보상 방법이 자력계 각각에 대한 연철 영향을 비교하고 보상하며, 자력계 각각에 대한 기대된 자기 판독의 내부 모델 개발되고 자이로 그리고 가속도계에 의해 결정되는 비행기 기대 방위, 피치 그리고 롤(roll)을 기초로 하여 가속도계 각각의 기대 값(expected value )을 평가한다. 이 같은 모델은 자력계 판독을 참작하여 일정하게 갱신되며, 따라서, 평가된 자력계 판독 변화가 축 각각에 대한 실제 자력계 판독에서의 변화와 비교되며, 자력계 각각에 대한 연철 영향을 보상하고 자이로 각각에 대한 드리프트를 교정하도록 한다.

도 3에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 보상 방법을 반복해서 수행하는 데 포함되는 단계들이 자력계(102), 가속도계(212), 그리고 자이로(104) 데이터를 판독하고 처리함을 포함하여 자력계 값과 자이로 값에서의 변화에 해당하는 신호를 제공하도록 한다. 이 같은 단계가 도 3에서 블록(312)으로 표시된다. 이들 신호들은 다음에 서로 비교되어 이전 판독이 있은 후 어떠한 실제 변화가 있었는가를 결정하도록 한다. 이 같은 단계가 도 3에서 블록(314)으로 표시된다. 다음에 이전 판독이 있은 후 일정 시간 동안 기대된 자이로 드리프트 보다 이전 판독으로부터의 검출된 차이 값이 큰가에 대한 결정이 있게 된다. 이 같은 단계가 도 3에서 블록(316)에 의해 표시된다. 만약 이 같은 비교의 결과로서, 그 차이가 상기 기대 자이로 드리프트를 초과한다면, 그러면, 도 3에서 도시된 보상 방법에 따라, 상기 자이로 변화와 마지막 자력계 판독이 도 3에서 블록(318)으로 표시된 자력계 값으로 사용되며, 상기 자력계에 대한 눈금 조정 값이 도 3에서 블록(320)에 의해 표시된 차이를 사용하여 갱신된다. 상기 교정된 자이로 및 자력계 값들이 다음에 출력되며 도 3에서 블록(322)에 의해 표시되며, 자세 및 방위에 대한 최고의 평가가 계산되고 도 3에서 블록(324)에 의해 표시되며, 상기 단계들이 도 3에서 도시된 바와 같이 반복해서 주기적으로 되풀이된다. 반면, 상기 검출된 차이가 이전 판독이 있은 후 일정 시간 동안 기대 자이로 드리프트 보다 작다면, 상기 자이로에 대한 눈금 조정 값은 자력계 그리고 가속도계 데이터를 사용하여 갱신된다. 이 같은 단계가 도 3에서 블록(326)에 의해 표시되며, 다음에 상기 교정된 자이로 및 자력계 값이 블록(322)으로 표시된 바와 같이 출력되고, 최고의 자세 및 방위에 대한 최고 평가가 계산되고, 블록(324)에 의해 표시되고, 그리고 그 같은 처리가 반복하여 주기적으로 되풀이된다.

본 발명에 대한 다양한 예가 도시되고 설명되었으나, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 한도에서 세부 사항에 대한 삭제, 대체 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서 본 발명은 청구범위에 의해서만 제한되는 것이다.

Claims

방위 기준 시스템(heading reference system)에서 연철(soft iron) 자기 방해(magnetic disturbances)를 보상하기 위한 방법으로서, 상기 방위 기준 시스템은 방위 측정 축을 따라 배치된 방위 자이로와, 자기 북극과 관련된 정확한 방위를 제공하기 위해 상기 방위 자이로에 결합된 자력계를 포함하며, 상기 방법은,
첫 번째 검출된 변경 크기를 제공하기 위해 검출 기간 동안 연철 자기 방해로 인한 상기 자력계에서의 변경을 검출하고;
두 번째 검출된 변경 크기를 제공하기 위해 상기 검출 기간 동안 자기 북극에 대한 상기 방위 자이로의 방위 변경을 검출하며;
변경에 대한 잠정적 차이 값을 제공하기 위해 변경에 대한 상기 첫 번째와 두 번째 검출 크기를 비교하고;
상기 검출 기간에 걸쳐 예상되는 자이로 드리프트에 기초하여 변경에 대한 사전에 정해진 허용 가능한 임계값을 제공하며;
변경에 대한 상기 잠정적인 차이 값이 변경에 대한 상기 사전에 정해진 허용 가능한 임계값을 초과하는가를 결정하고; 그리고
변경에 대한 상기 잠정적인 차이 값이 변경에 대한 변경에 대한 상기 사전에 정해진 허용 가능한 임계값을 초과하는 때 상기 방위 기준 시스템으로 방위 교정 값을 제공하여, 상기 방위 자이로에 대한 조정을 가능하게 하여 상기 연철 자기 방해가 있는 때 상기 정확한 방위를 유지할 수 있도록 하는 단계들을 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 자력계로부터 제공된 데이터를 사용하여 상기 방위 자이로를 주기적으로 교정하는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방위 교정 값을 제공하는 단계가, 변경에 대한 상기 잠정적인 차이 값이, 마지막 조정이 상기 방위 자이로에 있게 된 이후 일정 기간 동안 사전에 정해진 예상되는 자이로 드리프트 범위 내일 때에만 상기 방위 교정 값을 제공하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 비행기 방위 기준 시스템을 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 4항에 있어서, 상기 비행기 방위 기준 시스템이 통합 스탠바이 유닛(integrated standby unit)을 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 자동차 관성계(inertial system)를 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 6항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 국지적 전장 변경에 영향을 받으며, 상기 보상 방법은 상기 국지적 전장 변경으로부터 기인하는 변경에 영향을 받아, 상기 자동차 관성계에 방위 소스를 제공하는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 보상 방법은 상기 방위 자이로로부터의 측정치를 상기 자력계로부터의 측정치와 결합(blending)하는 단계를 더 포함하며, 변경에 대한 상기 사전에 정해진 허용가능한 임계값이 자이로 에러 공분산(covariance)을 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 8항에 있어서, 상기 결합(blending) 단계가 칼만 필터를 사용하여 상기 방위 자이로로부터의 측정치를 상기 자력계로부터의 측정치와 결합시키는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 자세 및 방위 기준 시스템(attitude and heading reffence system)을 포함하며, 상기 자세 및 방위 기준 시스템은 일차 자세 및 방위 기준 시스템(primary attitude and heading reffence system)임을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 자세 및 방위 기준 시스템(secondary attitude and heading reffence system)을 포함하며, 상기 자세 및 방위 기준 시스템이 이차 자세 및 방위 기준 시스템(secondary attitude and heading reffence system)임을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 에어 데이터 및 자세 방위 기준 시스템을 포함하고, 상기 에어 데이터 및 자세 방위 기준 시스템이 일차 에어 데이터 및 자세 방위 기준 시스템임을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 에어 데이터 및 자세 방위 기준 시스템을 포함하고, 상기 에어 데이터 및 자세 방위 기준 시스템이 이차 에어 데이터 및 자세 방위 기준 시스템임을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 관성 항해 시스템을 포함하고, 상기 관성 항해 시스템이 일차 관성 항해 시스템임을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 관성 항해 시스템을 포함하고, 상기 관성 항해 시스템이 이차 관성 항해 시스템임을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 다수의 방위 측정 축들을 포함하며, 상기 방위 자이로가 상기 다수의 방위 측정 축들을 따라 배치되고, 상기 방법이 상기 연철 자기 방해가 있는 때 상기 정확한 방위를 유지하기 위해 상기 다수의 축을 위한 상기 방위 교정 값을 제공하도록 다수의 축을 위한 단계를 수행함을 더욱 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 16항에 있어서, 상기 다수의 축들이 상기 방위 기준 시스템을 위해 상기 축들 각각을 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
방위 기준 시스템(heading reference system)에서 연철(soft iron) 자기 방해(magnetic disturbances)를 보상하기 위한 방법으로서, 상기 시스템이 방위 측정 축을 따라 배치된 방위 자이로 그리고 자기 북극과 관련된 정확한 방위를 제공하기 위해 상기 방위 자이로에 결합된 자력계를 포함하며, 상기 방법은:
진정한 자기 북극에 해당하는 출력 방위 값을 제어하기 위한 반복 제어 루프를 제공하고, 그리고 사전에 결정된 허용 가능한 임계값 이상의 연철 자기 방해를 보상하기 위해 상기 반복 제어 루프로부터 상기 방위 기준 시스템으로 보상된 출력 방위 기준 값을 제공하며;
상기 반복 제어 루프에서는,
데이터 값에 대한 바로 이전 판독으로부터 상기 데이터 값 각각에서의 변경을 제공하기 위해 상기 자력계 및 상기 방위 자이로로부터 데이터 값을 판독하고 처리하며;
상기 자력계 값 변경을 상기 바로 이전 판독 이후 방위 자이로 값에서의 변경과 비교하고;
비교 값의 차이가 상기 바로 이전 판독 이후 일정 기간에 예상되는 자이로 드리프트를 초과하는가를 결정하며;
상기 차이가 상기 사전에 결정된 허용 가능 임계값을 초과할 때 바로 이전 방위 값 더하기 자이로 변경 값을 포함하는 새로운 방위 값을 상기 방위 자이로에 대한 출력으로서 제공하는 단계를 포함하고,
상기 사전에 결정된 허용 가능 임계값이 상기 바로 이전 판독 이후 상기 일정 기간 동안 상기 예상되는 자이로 드리프트를 포함하며, 이에 의해 상기 방위 자이로가 상기 연철 자기 방해가 있는 때 상기 정확한 방위를 유지할 수 있음을 특징으로 하는 보상 방법.
제 18항에 있어서, 상기 비교된 값들의 차이가 상기 사전에 결정된 허용 가능 임계값을 넘지 않을 때 상기 반복 제어 루프가 상기 새로운 방위 값에 대해 상기 자력계의 데이터 값을 사용하는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 19항에 있어서, 상기 연철 자기 방해가 있는 때 상기 정확한 방위를 유지시키기 위해 상기 자력계 그리고 자이로의 데이터 값들에 대한 다음 판독을 위해 상기 반복 제어 루프에서의 상기 단계들을 반복하는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 18항에 있어서, 상기 연철 자기 방해가 있는 때 상기 정확한 방위를 유지시키기 위해 상기 자력계 그리고 자이로의 데이터 값들에 대한 다음 판독을 위해 상기 반복 제어 루프에서 상기 단계들을 반복하는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 18항에 있어서, 상기 자력계로부터 제공된 데이터를 사용하여 상기 방위 자이로를 주기적으로 교정하는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방위 자이로로부터 제공된 데이터를 사용하여 연철 자기 방해 영향에 대하여 상기 자력계를 교정하는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 방위 교정 값을 제공하는 단계는 다음 식에 따라 상기 방위 교정 값을 제공하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
방위(Heading) = fn(GH, MH), 단 ΔH=<k
방위(Heading) = GH and MH=MH+ ΔH, 단 ΔH>k,

여기서 ΔH는 방위 변경의 장점적 차이 값이고, k는 일정 시간 Δt 동안 예상되는 자이로 드리프트로부터 유도된 양의 상수;
ΔMH는 일정 시간 Δt 동안 자력계에 따른 방위 변경;
ΔGH는 일정 시간 Δt 동안 자이로에 따른 방위 변경;
제 24항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 비행기 방위 기준 시스템을 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 25항에 있어서, 상기 비행기 방위 기준 시스템이 통합 스탠바이 유닛을 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 24항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 자동차 관성 시스템을 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 24항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 자세 및 방위 기준 시스템을 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 24항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 에어 데이터 그리고 자세 방위 기준 시스템을 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 24항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 관성 항해 시스템을 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방위 교정 값 제공 단계가 다음 식에 따라 상기 방위 교정 값을 제공하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 보상 방법.
방위(Heading) = fn(ZGI, 자력계 데이터)
만약 ΔX>XKI, XM=XM+ ΔX Δt
만약 ΔY>YKI, YM=YM+ ΔY Δt,

여기서, XGI, YGI, ZGI는 관성 기준로 자이로로부터 정해진 X, Y, Z 축 각도 변경을 표시하며, XM, YM, ZM는 X, Y, Z 자력계 판독이고 그리고
XKI, YKI, ZKI는 관성 기준으로 최대 예상 자이로 각도율 드리프트이며;
ΔX=|XGI 변경율 - XM 변경율|
ΔY=|YGI 변경율 - YM 변경율|
ΔZ=|ZGI 변경율 - ZM 변경율|
피치 = fn(YGI, 가속계 데이터, 자력계 데이터)
로울(Roll) = fn(XGI, 가속계 데이터, 자력계 데이터)
자기 북극과 관련하여 정확한 방위를 제공하기 위한 방위 기준 시스템에서, 상기 시스템이 방위 측정 축을 따라 배치된 방위 자이로 그리고 상기 방위를 제공하기 위해 상기 방위 자이로에 결합된 자력계를 포함하며;
상기 시스템은, 변경 신호에 대한 제1 검출 크기를 제공하기 위해 검출 기간 동안 연철 자기 방해로 인한 자력계 출력의 변경을 검출하기 위한 수단;
변경 신호의 제 2 검출 크기를 제공하기 위해 상기 검출 기간 동안 자기 북극에 대한 상기 방위 자이로의 변경을 검출하기 위한 수단;
상기 자력계와 상기 자이로 변경 검출 수단에 결합되어, 변경 신호의 잠정적 차이 값을 제공하기 위해 변경 신호에 대한 상기 제1 및 제2 검출 크기를 수신하고 비교하는 수단;
상기 검출 기간 동안 예상되는 자이로 드리프트에 기초하여 변경에 대한 사전에 결정된 허용 가능 임계값을 제공하는 수단 - 상기 변경에 대한 사전에 결정된 허용 가능 임계값을 제공하는 수단은 상기 변경 신호의 상기 잠정적 차이 값이 변경에 대한 상기 사전에 결정된 허용 가능 임계 값을 넘는지를 결정하기 위해 변경 신호의 상기 잠정적 차이 값에 연결됨;
변경에 대한 상기 사전에 결정된 허용 가능 임계값을 넘을 때 상기 방위 기준 시스템에 방위 교정 신호를 제공하기 위한 수단; 및
상기 방위 교정 신호에 응답하여 상기 연철 자기 방해가 있는 때 상기 정확한 방위를 유지하기 위해 상기 방위 자이로를 조정하기 위한 상기 방위 교정 신호를 수신하는 수단을 포함하는 방위 기준 시스템.
제 32항에 있어서, 변경에 대한 상기 사전에 정해진 임계값이 초과 되지 않는 때 상기 자력계로부터의 판독을 상기 방위 교정 신호로서 제공하기 위해 상기 수신 및 비교 수단에 결합된 수단을 더욱 포함함을 특징으로 하는 방위 기준 시스템.
제 33항에 있어서, 상기 자력계 그리고 자이로 변경 검출 수단이 상기 변경을 반복해서 검출하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 방위 기준 시스템.
제 32항에 있어서, 상기 자력계 그리고 자이로 변경 검출 수단이 상기 변경을 반복해서 검출하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 방위 기준 시스템.
제 35항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 비행기 방위 기준 시스템을 포함함을 특징으로 하는 방위 기준 시스템.
제 36항에 있어서, 상기 비행기 방위 기준 시스템이 통합 스탠바이 유닛을 포함함 특징으로 하는 방위 기준 시스템.
제 32항에 있어서, 상기 방위 기준 시스템이 비행기 방위 기준 시스템을 포함함을 특징으로 하는 방위 기준 시스템.
제 38항에 있어서, 상기 비행기 방위 기준 시스템이 통합 스탠바이 유닛을 포함함을 특징으로 하는 방위 기준 시스템.
제 32항에 있어서, 상기 방위 자이로가 방위 측정 축 각각을 따라 배치된 3축 방위 자이로를 포함하며, 상기 자력계가 3축 자력계를 포함하고, 상기 자이로 방위에서의 변경을 검출하기 위한 수단이 상기 방위 측정 축들 각각에 대한 상기 변경을 검출하기 위한 수단을 포함하며, 상기 방위 교정 신호가 상기 방위 측정 축 각각에 대한 상기 방위 기준 시스템을 교정함을 특징으로 하는 방위 기준 시스템.