KR102240414B1 - 탄체의 자세정보 획득 시스템 및 그 획득 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄체의 자세정보 획득 시스템 및 그 획득 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄체의 자세정보 획득 시스템은 탄체의 회전축 벡터와 태양의 위치 벡터 사이의 각도인 제1 각도에 따라 제1 센서 신호를 발생하는 광 센서 모듈, 상기 회전축 벡터와 지구 자기장 벡터 사이의 각도인 제2 각도에 따라 제2 센서 신호를 발생하는 지자기 센서 모듈, 상기 센서 신호들을 송신 가능한 정보 데이터로 변환하는 전자부 및 상기 정보 데이터를 송출하는 송출 안테나를 포함하는 탄체 자세정보 송신기 및 상기 정보 데이터를 수신하는 수신 안테나, 상기 수신 안테나의 움직임을 제어하는 안테나 제어기 및 상기 정보 데이터를 이용하여 탄체 자세 벡터를 계산하는 자세 정보 계산기를 포함하여, 고속 회전하는 회전 안정형 탄체의 고각 및 방위각을 포함하는 탄체 자세 정보를 획득할 수 있다.

Description

탄체의 자세정보 획득 시스템 및 그 획득 방법 {ARTILLERY SHELL ATTITUDE ACQUISITION SYSTEM AND OPERATING METHOD THEREOF}

본 발명은 탄체의 자세정보 획득 시스템 및 그 획득 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고속으로 회전하는 회전안전형 탄체의 자세를 계측하기 위한 탄체의 자세정보 획득 시스템 및 그 획득 방법에 관한 것이다.

비행하는 탄체의 비행 특성을 분석하기 위해 탄체의 위치 정보 및 자세 정보를 획득하는 것이 필수적이다. 날개 안정형 탄체의 경우 탄체 내부에 관성 측정 장치(IMU)와 원격 측정 장치를 내장하여 가속도, 각속도 정보로부터 탄체의 탄도 궤적과 자세를 확보할 수 있다. 그러나 회전 안정형 탄체의 경우, 탄체의 고속 회전이 IMU의 계측 값에 큰 영향을 주기 때문에, 이를 이용하여 탄체의 자세 정보를 획득하는 것이 어렵다.

회전 안정형 탄체의 자세 정보 획득을 위하여 널리 알려진 방법은 자기 센서를 이용하는 방법과 태양광 센서 신호를 이용하는 방법이 있다. 그러나 각 방법은 탄체의 자세를 간접적으로 계측하는 것으로, 탄체의 방위각 및 고각을 확인할 수 없다는 한계가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는 회전안전형 탄체의 자세를 계측하기 위한 탄체의 자세정보 획득 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는 회전안전형 탄체의 자세를 계측하기 위한 탄체의 자세정보 획득 방법을 제공하는 것이다.

상술한 제1 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 탄체의 회전축 벡터와 태양의 위치 벡터 사이의 각도인 제1 각도에 따라 제1 센서 신호를 발생하는 광 센서 모듈, 상기 회전축 벡터와 지구 자기장 벡터 사이의 각도인 제2 각도에 따라 제2 센서 신호를 발생하는 지자기 센서 모듈, 상기 센서 신호들을 송신 가능한 정보 데이터로 변환하는 전자부 및 상기 정보 데이터를 송출하는 송출 안테나를 포함하는 탄체 자세정보 송신기 및 상기 정보 데이터를 수신하는 수신 안테나 및 상기 정보 데이터를 이용하여 탄체 자세 벡터를 계산하는 자세 정보 계산기를 포함하는 탄체 자세정보 수신기를 구비하는 탄체의 자세정보 획득 시스템을 제공한다.

상기 광센서 모듈은 탄체의 회전축을 기준으로 일정한 각도를 이루어 배치되는 제1 광센서 및 제2 광센서 및 상기 제1 광센서와 상기 제2 광센서 각각에 입사하는 태양광의 각도를 제한하기 위한 제1 슬릿 및 제2 슬릿을 포함할 수 있다.

상기 제1 광센서는 상기 탄체의 회전에 따라 태양 광이 상기 제1 슬릿을 통과하여 입사할 때 제1 전기 신호를 발생하고, 상기 제2 광센서는 상기 탄체의 회전에 따라 태양 광이 상기 제2 슬릿을 통과하여 입사할 때 제2 전기 신호를 발생하고, 상기 전자부는 상기 제1 전기 신호의 첨점과 상기 제2 전기 신호의 첨점이 나타나는 시각을 상기 정보 데이터로 변환하고, 상기 자세 정보 계산기는 상기 첨점 사이의 시간 간격으로부터 상기 제1 각도를 산출할 수 있다.

상기 지자기 센서 모듈은 상기 탄체의 회전축과 평행인 방향의 평행 자기신호를 계측하는 제1 자기 센서 및 상기 탄체의 회전축과 수직인 방향의 직교 자기신호를 계측하는 제2 자기 센서를 포함하는 제2 자기 센서를 포함할 수 있다.

상기 전자부는 상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호의 크기를 상기 정보 데이터로 변환하고, 상기 자세 정보 계산기는 상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호의 크기 값을 이용하여 상기 제2 각도를 산출할 수 있다.

상기 자세 정보 계산기는 상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호를 이용하여 상기 탄체의 평행 유도자기장 성분, 직교 유도자기장 성분 및 탄체의 영구 자기장 성분을 산출하고, 산출된 상기 평행 유도자기장 성분, 상기 직교 유도자기장 성분 및 상기 탄체의 영구자기장 성분을 이용하여 상기 제2 각도의 오차를 보상할 수 있다.

상기 자세 정보 계산기는 상기 태양의 위치 벡터와 상기 제1 각도를, 상기 지구 자기장 벡터와 상기 제2 각도를 갖는 동차 해 벡터와 비동차 해 벡터를 산출하고, 상기 탄체 자세 벡터는 상기 동차 해 벡터의 비례 값과, 상기 비동차 해의 합을 이용하여 산출할 수 있다.

상술한 제2 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 광 센서 모듈, 지자기 센서 모듈, 전자부 및 송출 안테나를 포함하는 탄체 자세정보 송신기와 수신 안테나, 안테나 제어기 및 자세 정보 계산기를 포함하는 탄체 자세정보 수신기를 구비한 탄체의 자세정보 획득 시스템에서 수행되는 방법을 제공함에 있어서, 상기 광센서 모듈이 탄체의 회전축 벡터와 태양의 위치 벡터 사이의 각도인 제1 각도에 따라 제1 센서 신호를 발생하고, 상기 전자부가 상기 제1 센서 신호를 정보 데이터로 변환하는 단계, 상기 지자기 센서 모듈이 상기 탄체의 회전축 벡터와 지구 자기장 벡터 사이의 각도인 제2 각도에 따라 제2 센서 신호를 발생하고, 상기 전자부가 상기 제2 센서 신호를 상기 정보 데이터로 변환하는 단계, 상기 송출 안테나가 상기 정보 데이터를 송출하는 단계, 상기 수신 안테나가 상기 정보 데이터를 수신하는 단계 및 상기 자세정보 계산기가 상기 정보 데이터를 이용하여 탄체 자세 벡터를 계산하는 단계를 포함하는 탄체의 자세정보 획득 방법를 제공한다.

상기 광센서 모듈은 탄체의 회전축을 기준으로 일정한 각도를 이루어 배치되는 제1 광센서 및 제2 광센서와, 상기 제1 광센서와 상기 제2 광센서 각각에 입사하는 태양광의 각도를 제한하기 위한 제1 슬릿 및 제2 슬릿을 포함할 수 있고, 이 때, 상기 광센서 모듈이 탄체의 회전축 벡터와 태양의 위치 벡터 사이의 각도인 제1 각도에 따라 제1 센서 신호를 발생하고, 상기 전자부가 상기 제1 센서 신호를 정보 데이터로 변환하는 단계는 상기 탄체의 회전에 따라, 상기 제1 슬릿이 태양을 향할 때, 상기 제1 광센서가 제1 전기 신호를 발생하는 단계, 상기 탄체의 회전에 따라, 상기 제2 슬릿이 태양을 향할 때, 상기 제2 광센서가 제2 전기 신호를 발생하는 단계 및 상기 전자부가 상기 제1 전기 신호의 첨점과 상기 제2 전기 신호의 첨점이 나타나는 시각을 상기 정보 데이터로 변환하는 단계를 포함한다.

상기 자세정보 계산기가 상기 정보 데이터를 이용하여 탄체 자세 벡터를 계산하는 단계는, 상기 자세정보 계산기가 상기 제1 전기 신호의 첨점과 상기 제2 전기 신호의 첨점 사이의 시간 간격을 이용하여, 상기 제1 각도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 지자기 센서 모듈은 상기 탄체의 회전축과 평행인 방향의 평행 자기신호를 계측하는 제1 자기 센서 및 상기 탄체의 회전축과 수직인 방향의 직교 자기신호를 계측하는 제2 자기 센서를 포함할 수 있으며, 이 때, 상기 지자기 모듈이 상기 탄체의 회전축 벡터와 지구 자기장 벡터 사이의 각도인 제2 각도에 따라 제2 센서 신호를 발생하고, 상기 전자부가 상기 제2 센서 신호를 상기 정보 데이터로 변환하는 단계는, 상기 제1 자기 센서가 상기 평행 자기신호의 크기를 계측하는 단계, 상기 제2 자기 센서가 상기 직교 자기신호의 크기를 계측하는 단계 및 상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호의 크기를 상기 정보 데이터로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 자세정보 계산기가 상기 정보 데이터를 이용하여 탄체 자세 벡터를 계산하는 단계는, 상기 자세정보 계산기가 상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호의 오차를 보정하는 단계 및 보정된 상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호의 사인파의 진폭 값을 이용하여 상기 제2 각도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 자세정보 계산기가 상기 정보 데이터를 이용하여 탄체 자세 벡터를 계산하는 단계는, 상기 자세 정보 계산기가 상기 태양의 위치 벡터와 상기 제1 각도를 갖고, 상기 지구 자기장 벡터와 상기 제2 각도를 갖는 동차 해 벡터와 비동차 해 벡터를 산출하는 단계, 및 상기 탄체 자세 벡터의 크기 값이 1임을 이용하여, 상기 동차 해 벡터의 비례상수 k를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터를 이용하여 상술한 방법들 중 어느 한 방법을 실행시키기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 포함한다.

본 발명은 고속 회전을 통해 비행 안정성을 가지는 회전안전형 탄체의 고각 및 방위각을 포함한 자세를 측정할 수 있다. 이 때, 광 센서 모듈과 지자기 센서 모듈을 포함하는 탄체 자세정보 송신기는 탄체의 첨두에 신관 형태로 장착되며, 고속 회전에 영향을 받지 않아 탄체의 회전을 제한할 필요가 없으므로 탄체의 운동을 변화시키지 않고도 정확한 탄체의 자세 정보를 제공할 수 있다.

또한, 다양한 신관 형태에 적용이 가능하여 다양한 탄종의 탄체들에 유연하게 적용이 가능하다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄체의 자세정보 획득 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 탄체 자세정보 송신기의 내부 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 광 센서 모듈을 도시하는 사시도이다.
도 4는 탄체의 자세에 따른 태양광의 입사 각도에 의하여 광 센서 모듈이 발생하는 제1 전기 신호와 제2 전기 신호의 시간 간격 변화를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 지자기 센서 모듈의 제1 자기 센서가 측정하는 평행 자기신호와 제2 자기 센서가 측정하는 직교 자기신호를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄체의 자세정보 획득 방법을 도시하는 순서도이다.
도 7은 제1 센서 신호를 이용하여 태양의 위치 벡터와 탄체의 회전축 벡터가 이루는 제1 각도를 산출하는 방법을 도시하는 순서도이다.
도 8은 태양의 위치 벡터와 탄체의 회전축 벡터 사이의 각도와 광 센서 모듈의 신호비의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 9는 제2 센서 신호를 이용하여 지구 자기장 벡터와 탄체의 회전축 벡터가 이루는 제2 각도를 산출하는 방법을 도시하는 순서도이다.
도 10은 탄체의 발사 시 제1 자기 센서와 제2 자기 센서가 측정한 평행 자기신호 및 직교 자기신호의 크기를 도시하는 그래프이다.
도 11은 자세정보 계산기가 탄체 자세 벡터를 계산하는 방법을 도시하는 순서도이다.
도 12는 태양의 위치 벡터와 제1 각도를 갖고, 지구 자기장 벡터와 제2 각도를 갖는 두 개의 탄체 자세 벡터 해를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 시간에 따라 가능한 탄체 자세 벡터의 피치(Pitch)각을 도시하는 그래프이고, 도 14는 시간에 따라 가능한 탄체 자세 벡터의 요우(Yaw)각을 도시하는 그래프이다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하 도면상의 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 사용하고, 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄체의 자세정보 획득 시스템을 도시하는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 탄체의 자세정보 획득 시스템은 탄체 자세정보 송신기(100)와 탄체 자세정보 수신기(200)를 포함한다.

상기 탄체 자세정보 송신기(100)는 광 센서 모듈(110), 지자기 센서 모듈(120), 전자부(130) 및 송출 안테나(140)를 포함한다.

상기 광센서 모듈(110)은 탄체의 회전축 벡터와 태양의 위치 벡터 사이의 각도인 제1 각도에 따라 제1 센서 신호를 발생한다. 지자기 센서 모듈(120)은 탄체의 회전축 벡터와 지구 자기장 벡터 사이의 각도인 제2 각도에 따라 제2 센서 신호를 발생한다.

상기 전자부(130)는 광센서 모듈(110) 및 지자기 센서 모듈(120)이 발생한 센서 신호들을 송신 가능한 정보 데이터로 변환한다. 즉, 전자부(130)는 제1 센서 신호의 첨점이 나타나는 시각, 즉 광센서 모듈(110)의 광 센서가 태양광을 입사받아 전기 신호로 변환할 때의 시각을 정보 데이터로 변환할 수 있다. 전자부(130)는 제2 센서 신호의 크기 값을 정보 데이터로 변환할 수 있다.

따라서, 전자부(130)는 원격 통신 설계 및 광 센서 모듈(110)과 자기 센서 모듈(120)을 구성하는 센서들의 샘플링 속도, 탄체의 예상 회전 속도를 모두 고려한 신호 처리 알고리듬을 구비할 수 있다.

송출 안테나(140)는 전자부(130)가 생성하는 정보 데이터를 송출한다.

탄체 자세정보 수신기(200)는 수신 안테나(210), 안테나 제어기(220) 및 자세정보 계산기(230)를 포함한다.

수신 안테나(210)는 상기 송출 안테나(140)가 송출한 정보 데이터를 수신한다. 안테나 제어기(220)는 탄체의 예상 궤적을 따라 수신 안테나(210)가 탄체의 궤적을 추적하도록 수신 안테나(210)의 움직임을 제어하거나, 통신 수신 감도를 이용하여 탄체의 궤적을 추적하도록 수신 안테나(210)의 움직임을 제어할 수 있다.

자세정보 계산기(230)는 자세정보 산출 알고리듬을 탑재하여, 상기 정보 데이터가 포함하는 제1 센서 신호의 정보와 제2 센서 신호의 정보를 이용하여 제1 각도 및 제2 각도를 산출하고, 산출된 제1 각도와 제2 각도로부터 가능한 탄체의 자세 벡터를 추정한다.

자세정보 계산기(230)는 하나 이상의 프로세서이거나, 하나 이상의 프로세서를 포함하는 컴퓨팅 장치일 수 있다. 이는 마이크로프로세서나 범용 컴퓨터 시스템과 같은 다른 하드웨어 장치에 포함된 형태로 구동될 수 있다.

상기 탄체 자세정보 수신기(200)는 전형적인 컴퓨터 하드웨어(예컨대, 컴퓨터 프로세서, 메모리, 스토리지, 입력 장치 및 출력 장치, 기타 기존의 컴퓨팅 장치의 구성요소들을 포함할 수 있는 장치; 라우터, 스위치 등과 같은 전자 통신 장치; 네트워크 부착 스토리지(NAS; network-attached storage) 및 스토리지 영역 네트워크 (SAN; storage area network)와 같은 전자 정보 스토리지 시스템)와 컴퓨터 소프트웨어(즉, 컴퓨팅 장치로 하여금 특정의 방식으로 기능하게 하는 명령어들)의 조합을 이용하여 원하는 시스템 성능을 달성하는 것일 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 탄체 자세정보 송신기의 내부 구조를 도시하는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 탄체 자세정보 송신기(100)는 신관 형태의 하우징(101), 광센서 모듈(110), 지자기 센서 모듈(120), 전자부(130) 및 송출 안테나(140)를 포함한다.

신관 형태의 하우징(101)은 탄종에 따라 다양한 형태를 가질 수 있으며, 광센서 모듈(110), 지자기 센서 모듈(120). 전자부(130) 및 송출 안테나(140)를 외부 환경 및 발사 충격으로부터 보호할 수 있다.

광 센서 모듈(110)은 탄체의 회전축을 중심으로 대칭적으로 배치되는 복수의 광 센서(111a, b)를 포함할 수 있다. 각각의 광 센서(111a, b)에 입사하는 태양광의 각도 및 경로를 조절하기 위하여 광학계(113a, b)가 더 포함될 수 있다.

지자기 센서 모듈(120)은 탄체의 회전축과 평행인 방향의 평행 자기신호를 계측하는 제1 자기 센서(121)와 탄체의 회전축과 직교하는 방향의 직교 자기신호를 계측하는 제2 자기 센서(123)를 포함한다.

도면에 도시된 전자부(130) 및 송출 안테나(140)의 형태 및 위치는 일 실시예에 따른 것이며, 필요에 따라 다양한 형태를 갖거나 다른 위치에 배치될 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 광 센서 모듈을 보다 상세하게 도시하는 사시도이다.

도 3을 참조하면, 광 센서 모듈(300)은 탄체의 회전축을 중심으로 대칭적으로 배치되는 두 개의 광센서(320a, b)를 포함할 수 있다. 두 개의 광 센서(320a, b)가 노출되어 태양광을 수광하는 위치에 각각 광학계(330a, b)를 배치할 수 있다.

상기 광학계(330)는 태양광이 수직으로 입사할 때에만 제1 센서 신호가 발생하도록 태양광의 입사 각도를 제한하는 슬릿(331)과, 슬릿(331)을 통과하는 태양광이 광 센서(320)에 도달하도록 경로를 조절하는 거울(333)을 포함한다.

탄체의 고속 회전에 따라, 먼저 일측 슬릿(331a)으로 태양광이 입사 되고, 탄체의 회전축과 수직하는 태양광의 성분이 제1 광 센서(320a)에 도달하여 전기 신호를 발생시킨다. 탄체가 회전함에 따라 태양광은 타측 슬릿(331b)에 입사하여, 제2 광센서(320b)가 전기 신호를 발생시킨다. 탄체의 고속 회전에 의하여, 제1 광 센서(320a)와 제2 광센서(320b)는 주기적인 전기 신호를 발생시키고, 전기 신호의 발생 간격을 이용하여 탄체의 회전축 벡터와 태양의 위치 벡터가 이루는 제1 각도를 추정할 수 있다.

도 4는 탄체의 자세에 따른 태양광의 입사 각도에 의하여 광 센서 모듈이 발생하는 제1 전기 신호와 제2 전기 신호의 시간 간격 변화를 설명하기 위한 개념도이다.

도 4(a)를 참조하면, 태양광이 탄체의 회전축 벡터 A와 수직하게 입사할 때, 회전축을 중심으로 대칭적으로 배치된 제1 광센서(320a)와 제2 광센서(320b)는 일정한 주기로 전기 신호를 발생시킨다. 제1 광센서(320a)가 발생시키는 제1 전기 신호와 제2 광센서(320b)가 발생시키는 제2 전기 신호는 탄체의 회전과 동일한 시간 주기 τ에 따라 첨점이 발생하며, 제1 전기 신호의 첨점과 제2 전기 신호의 첨점 사이의 시간 간격인 τ₁₂는 τ의 절반이 된다.

도 4(b)를 참조하면, 태양광이 탄체의 회전축 벡터 A와 일정 각도를 이루어 입사할 때, 제1 광센서(320a)와 제2 광센서(320b)가 발생시키는 제1 전기 신호의 첨점과 제2 전기 신호의 첨점 사이의 시간 간격 τ₁₂는 τ의 절반이 아닌 특정 값을 가지게 된다. 시간 주기 τ와 시간 간격 τ₁₂의 비로부터 광센서 모듈의 제1 센서 신호 특성비인 λ를 정의할 수 있다.

상기 제1 센서 신호 특성비는 탄체의 회전축 벡터와 태양 위치 벡터 사이의 제1 각도와 일정한 관계를 가져, 이로부터 제1 각도를 산출할 수 있다.

도 5는 지자기 센서 모듈의 제1 자기 센서가 측정하는 평행 자기신호와 제2 자기 센서가 측정하는 직교 자기신호를 설명하기 위한 개념도이다.

도 5를 참조하면, 제1 자기 센서는 탄체의 회전축과 평행인 방향의 평행 자기신호 M₀를 계측하고, 제2 자기 센서는 탄체의 회전축과 수직인 방향의 직교 자기신호 M₉₀을 계측한다.

지구 자기장 벡터

과 탄체의 회전축 벡터

사이의 제2 각도

는 상기 평행 자기신호 값과 직교 자기신호 값의 탄젠트 값을 이용하여 산출할 수 있다.

이 때, 지구 자기장 벡터

는 미국의 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)에서 제공하는 세계 자기 모델(World Magnetic Model, WMM)을 이용하여 계산한다.

탄체는 탄체를 구성하는 금속 성분의 자성으로 인한 영구 자기장 성분 P₀과 탄체의 고속 회전으로 인한 유도 자기장 성분 I₀ 및 I₉₀을 가질 수 있다. 또한, 제1 자기 센서 및 제2 자기 센서의 설치 시 축 틀어짐으로 인한 오차가 추가적으로 발생할 수 있다. 따라서, 제2 각도의 산출 시 이러한 오차의 보상이 고려되어야 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄체의 자세정보 획득 방법을 도시하는 순서도이다.

도 6을 참조하면, 탄체의 자세정보 획득 방법은 광센서 모듈이 제1 센서 신호를 발생하는 단계(S110), 지자기 센서 모듈이 제2 센서 신호를 발생하는 단계(S120), 송출 안테나가 정보 데이터를 송출하는 단계(S130), 수신 안테나가 정보 데이터를 수신하는 단계(S140) 및 자세정보 계산기가 탄체 자세 벡터를 계산하는 단계(S150)를 포함한다.

먼저, 광센서 모듈이 제1 센서 신호를 발생하는 단계(S110)는, 탄체의 회전축을 중심으로 대칭적으로 배치되는 두 개의 광 센서가 탄체의 회전에 따라 입사하는 태양광을 전기 신호로 변환하는 단계이다. 이 때, 전자부는 제1 광센서의 제1 전기 신호의 첨점과 제2 전기 신호의 첨점이 나타나는 시각을 정보 데이터로 변환한다.

지자기 센서 모듈이 제2 센서 신호를 발생하는 단계(S120)는, 탄체의 회전축과 평행인 방향의 평행 자기신호를 계측하고, 탄체의 회전축과 수직인 방향의 직교 자기신호를 계측하여 그 값을 전기 신호로 변환하는 단계이다. 전자부는 계측된 자기신호 값을 정보 데이터로 변환한다.

상기 제1 센서 신호를 발생하는 단계(S110) 및 제2 센서 신호를 발생하는 단계(S120)은 전자부의 신호처리 알고리듬에 따라 수행될 수 있다. 즉, 각 단계는 순서도에 도시된 순서와 관계 없이, 역순으로 수행되거나, 교번 적으로 수행되거나, 동시에 수행될 수 있다.

송출 안테나가 정보 데이터를 송출하는 단계(S130)에서, 송출 안테나는 전자부가 변환한 정보 데이터를 송출한다.

수신 안테나가 정보 데이터를 수신하는 단계(S140)에서, 수신 안테나는 송출 안테나가 송출한 정보 데이터를 수신한다. 이 때, 안테나 제어기는 탄체의 예상 궤적을 따라 수신 안테나가 탄체의 궤적을 추적하도록 수신 안테나의 움직임을 제어하거나, 통신 수신 감도를 이용하여 탄체의 궤적을 추적하도록 수신 안테나의 움직임을 제어할 수 있다.

자세정보 계산기가 탄체 자세 벡터를 계산하는 단계(S150)에서, 자세정보 계산기는 상기 제1 센서 신호로부터 태양의 위치 벡터와 탄체의 회전축 벡터 사이의 각도인 제1 각도를 산출하고, 제2 센서 신호로부터 지구 자기장 벡터와 탄체의 회전축 벡터 사이의 각도인 제2 각도를 산출한다.

이 때, 자세정보 계산기는 제2 센서 신호에 포함되는 탄체의 영구 자기장 성분, 유도 자기장 성분 및 센서의 축 틀어짐으로 인한 오차를 제거하는 보정을 추가적으로 수행할 수 있다.

상기 제1 각도와 제2 각도를 이용하여, 탄체 자세 벡터를 산출한다.

도 7은 제1 센서 신호를 이용하여 태양의 위치 벡터와 탄체의 회전축 벡터가 이루는 제1 각도를 산출하는 방법을 도시하는 순서도이다.

도 7을 참조하면, 제1 센서 신호를 이용하여 제1 각도를 산출하는 방법은 제1 광 센서가 제1 전기 신호를 발생하는 단계(S111), 제2 광 센서가 제2 전기 신호를 발생하는 단계(S112), 제1 전기 신호의 첨점과 제2 전기 신호의 첨점이 나타나는 시각을 정보 데이터로 변환하는 단계(S115) 및 시간 간격을 이용하여 제1 각도를 산출하는 단계(S117)를 포함한다.

먼저, 탄체의 고속 회전에 따라, 제1 광 센서와 제2 광 센서가 교대로 제1 전기 신호와 제2 전기 신호를 발생시킨다(S111, S112). 탄체의 회전 방향에 따라 제1 전기 신호가 발생하는 단계(S111)와 제2 전기 신호가 발생하는 단계(S112)는 역순으로 발생할 수 있으며, 탄체가 발사되어 회전이 지속되는 동안 탄체의 회전에 따라 주기적으로 반복된다.

제1 광센서 및 제2 광센서는 각각 부착된 광학계의 슬릿을 통과하여 들어온 태양광을 전기 신호로 변환한다. 슬릿은 탄체의 회전축과 수직한 방향으로 입사되는 태양광을 제한적으로 통과시키므로, 각 광 센서가 태양을 마주하였을 때 전기 신호가 발생하게 된다.

제1 전기 신호의 첨점과 제2 전기 신호의 첨점이 나타나는 시각을 정보 데이터로 변환하는 단계(S113)에서, 전자부는 제1 광 센서가 발생하는 제1 전기 신호의 첨점이 나타나는 시각과 제2 광 센서가 발생하는 제2 전기 신호의 첨점이 나타나는 시각을 기록한다. 제1 광 센서 및 제2 광 센서는 탄체의 회전 주기와 동일한 주기

로 전기 신호를 발생시킨다. 이 때, 탄체의 회전축이 태양광의 입사 방향과 수직한 경우, 제1 전기 신호의 첨점과 제2 전기 신호의 첨점 사이의 시간 간격

는 각 광 센서의 전기 신호의 주기의 절반 값을 가지게 된다. 그러나 탄체의 회전축과 태양광의 입사 방향이 다른 각도를 가지는 경우, 시간 간격

는 각도에 따라 일정한 다른 값을 가지게 된다.

시간 간격을 이용하여 제1 각도를 산출하는 단계(S117)에서, 상기 시간 간격

와 각 광 센서의 신호 발생 주기

의 비로부터 광 센서 모듈의 제1 센서 신호 특성비인

를 정의한다.

제1 센서 신호 특성비는 태양의 위치 벡터와 탄체의 회전축 벡터 사이의 각도인 제1 각도와 아래와 같은 관계를 갖는다.

이 때,

은 제1 광 센서의 슬릿이 탄체 회전축과 이루는 각도이고,

는 제2 광 센서의 슬릿이 탄체 회전축과 이루는 각도이고,

는 각 슬릿의 중심 사이의 원주 거리(angular distance)이다.

자세 정보 계산기는 위 관계식을 이용하여, 제1 각도를 산출할 수 있다.

도 8은 태양의 위치 벡터와 탄체의 회전축 벡터 사이의 각도와 제1 센서 신호 특성비의 관계를 도시하는 그래프이다.

도 8을 참조하면, 제1 각도

의 값이 40도 보다 작거나, 140도 보다 클 경우 태양광 센서 신호의 크기가 작게 나타나 제1 센서 신호 특성비

를 획득하기 어려울 수 있으나, 실제 탄체 발사 실험 시 탄체의 비행 궤적 전 구간에서 신호 특성비

를 획득할 수 있었다.

도 9는 제2 센서 신호를 이용하여 지구 자기장 벡터와 탄체의 회전축 벡터가 이루는 제2 각도를 산출하는 방법을 도시하는 순서도이다.

도 9를 참조하면, 제2 센서 신호를 이용하여 제2 각도를 산출하는 방법은 제1 자기 센서가 평행 자기 신호의 크기를 계측하는 단계(S121), 제2 자기 센서가 직교 자기 신호의 크기를 계측하는 단계(S123), 평행 자기신호와 직교 자기신호의 사인파를 정보 데이터로 변환하는 단계(S125), 평행 자기 신호와 직교 자기 신호의 오차를 보정하는 단계(S127) 및 각 사인파의 진폭 값을 이용하여 제2 각도를 산출하는 단계(S129)를 포함한다.

제1 자기 센서가 평행 자기 신호의 크기를 계측하는 단계(S121) 및 제2 자기 센서가 직교 자기 신호의 크기를 계측하는 단계(S123)는 전자부의 알고리듬에 따라 동시에 수행되거나 교번 적으로 수행될 수 있으며, 역순으로 수행될 수 있다. 이는 탄체의 비행 궤적 내내 지속적으로 반복 수행될 수 있다.

평행 자기 신호와 직교 자기 신호의 사인파를 정보 데이터로 변환하는 단계(S125)에서, 전자부는 탄체의 회전축과 평행한 방향의 평행 자기 신호 값 M₀와, 탄체의 회전축과 수직인 방향의 직교 자기 신호 값 M₉₀의 크기를 정보 데이터로 변환한다. 이 때, 직교 자기 신호는 탄체의 고속 회전에 의하여 그 크기가 사인파형을 가질 수 있다. 전자부는 상기 사인파의 진폭을 정보 데이터로 변환할 수 있다.

평행 자기 신호와 직교 자기 신호의 오차를 보정하는 단계(S127)에서, 자세정보 계산기는 탄체를 구성하는 자성을 띈 금속으로 인한 영구 자기장, 탄체의 고속 회전으로 인한 유도 자기장 및 자기 센서의 축 틀어짐으로 인한 오차를 보정한다.

직교 자기 신호는 계산 과정에서 사인파의 편향이 제거되어 탄체의 영구 자기장 성분을 무시할 수 있다. 탄체의 회전축 방향 유도 자기장 성분을 I₀, 영구 자기장 성분을 P₀라 하고, 탄체의 회전축 방향과 수직인 유도 자기장 성분을 I₉₀이라고 할 때, 탄체의 비행 시간 동안 지구 자기장의 크기 M이 거의 변화하지 않는다고 가정하면, 지구 자기장 추적 오차는 다음과 같이 정의될 수 있다.

이때,

이다.

목적 함수

을 최소화하는 최적화 문제를 풀어, 지구 자기장 벡터의 변화가 최소인 I₀, P₀ 및 I₉₀ 값을 계산할 수 있다. 이를 이용하여 탄체의 자성 및 센서의 틀어짐에 의한 오차를 보상할 수 있다.

각 사인파의 진폭 값을 이용하여 제2 각도를 산출하는 단계(S129)에서, 보정된 M₀ 및 M₉₀ 값의 탄젠트 값을 이용하여 지구 자기장 벡터와 탄체의 회전축 벡터가 이루는 각도인 제2 각도를 산출할 수 있다.

도 10은 탄체의 발사 시 제1 자기 센서와 제2 자기 센서가 측정한 평행 자기신호 및 직교 자기신호의 크기를 도시하는 그래프이다.

제1 자기 센서와 제2 자기 센서는 각각 탄체의 회전축과 일치하는 방향 M₀과 탄체의 회전축과 수직인 방향의 자기장 M₉₀을 측정할 수 있도록 각 1개씩 탄체에 내장되었다. 전자부는 직교 자기 신호의 크기를 계산하기 위하여 0.01초 간격으로 자료 처리를 수행하였다. 도 10에 도시된 자속 밀도(Magnetic flux density)는 탄체의 영구 자기장, 유도 자기장 및 센서의 틀어짐에 의하여 발생하는 오차를 보정한 값이다.

도 11은 자세정보 계산기가 탄체 자세 벡터를 계산하는 방법을 도시하는 순서도이다.

도 11을 참조하면, 자세정보 계산기가 탄체 자세 벡터를 계산하는 방법은 제1 각도와 제2 각도를 갖는 동차 해 벡터 및 비동차 해 벡터를 산출하는 단계(S151) 및 동차 해 벡터의 비례상수 k를 산출하는 단계(S153)를 포함한다.

태양의 위치 벡터

와 지구 자기장 벡터

와 각각

및

의 각도를 가지는 탄체 자세 벡터

의 관계는 다음의 행렬 식으로 나타낼 수 있다.

동차 해 벡터 및 비동차 해 벡터를 산출하는 단계(S151)는 상기 관계식의 동차 해 및 비동차 해를 산출한다.

이 때, 동차 해는 아래와 같이 계산할 수 있다.

이때,

은 지구 자기장 벡터의 단위 벡터이다.

비동차 해는 태양의 위치 벡터

와 지구 자기장 벡터

의 선형 결합으로 나타낼 수 있다.

여기서

는 태양의 위치 벡터

와 지구 자기장 벡터

의 사이 각이다.

탄체 자세 벡터는 동차 해와 비동차 해의 선형 결합을 통하여 나타낼 수 있다.

비례상수 k를 산출하는 단계(S153)에서, 탄체 자세 벡터의 크기 값이 1(

)이라는 제한 조건을 이용하여 k의 값을 다음과 같이 계산할 수 있다.

상기 조건을 만족하는 탄체 자세 벡터는 아래와 같다.

여기서

는 탄체의 피치 각이고,

는 탄체의 요우 각이다.

탄체 자세 벡터

는 비례상수 k의 부호에 따라 두 개의 해를 가질 수 있다.

도 12는 태양의 위치 벡터와 제1 각도를 갖고, 지구 자기장 벡터와 제2 각도를 갖는 두 개의 탄체 자세 벡터 해를 설명하기 위한 도면이다.

도 12를 참조하면, 도 11에서 설명한 것과 같이, 태양의 위치 벡터

와 지구 자기장 벡터

와 각각

및

의 각도를 가지는 탄체 자세 벡터

는 비례상수 k의 부호에 따라 두 개의 해를 가질 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 추정한 탄체 자세 벡터의 피치(Pitch)각을 도시하는 그래프이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 추정한 탄체 자세 벡터의 요우(Yaw)각을 도시하는 그래프이다.

도 13 및 도14를 참조하면, 탄체 자세 벡터의 오일러 피치 각과 오일러 요우 각은 상술한 바와 같이 두 개의 가능한 값으로 나타난다. 시간 0.2 이전 구간의 불안정한 계측 값은 태양의 위치 벡터와 지구 자기장 벡터로 형성된 평면과 탄체 자세 벡터의 각도가 10도 이하로, 탄체 자세 벡터의 비동기 해의 크기 변화가 작아, 계측 감도가 떨어져 센서 신호 처리 시 발생하는 계측 오차가 탄체 자세 계측 오차를 크게 발생시키는 것으로 보인다. 한편, 시간 0.2 이후의 대부분의 구간에서 탄체 자세 계측 값은 회전 안전형 탄체의 특징적인 각운동 현상을 잘 나타내며, 센서의 계측 오차에 강건한 특성을 확인할 수 있었다.

두 개의 탄체 자세 벡터는 탄체의 예상 자세 및 환경에 따라 적절한 값을 선택하는 것이 바람직할 것이다.

상기에서는 본 발명에 따른 실시예들을 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속한다.

100 : 탄체 자세정보 송신기 110 : 광센서 모듈
120 : 지자기 센서 모듈 130 : 전자부
140 : 송출 안테나
200 : 탄체 자세정보 수신기 210 : 수신 안테나
220 : 안테나 제어기 230 : 자세 정보 계산기
101 : 하우징 111 : 광 센서
113 : 광학계 121 : 자기 센서
300 : 광센서 모듈 320 : 광 센서
330 : 광학계 331 : 슬릿
333 : 거울

Claims (14)

1. 탄체의 회전축 벡터와 태양의 위치 벡터 사이의 각도인 제1 각도에 따라 제1 센서 신호를 발생하는 광 센서 모듈, 상기 회전축 벡터와 지구 자기장 벡터 사이의 각도인 제2 각도에 따라 제2 센서 신호를 발생하는 지자기 센서 모듈, 상기 센서 신호들을 송신 가능한 정보 데이터로 변환하는 전자부 및 상기 정보 데이터를 송출하는 송출 안테나를 포함하는 탄체 자세정보 송신기; 및
   상기 정보 데이터를 수신하는 수신 안테나 및 상기 정보 데이터를 이용하여 탄체 자세 벡터를 계산하는 자세 정보 계산기를 포함하는 탄체 자세정보 수신기를 구비하고,
   상기 자세 정보 계산기는 상기 태양의 위치 벡터와 상기 제1 각도를 가지며 상기 지구 자기장 벡터와 상기 제2 각도를 갖는 동차 해 벡터와 비동차 해 벡터를 산출하고,
   상기 탄체 자세 벡터는 상기 동차 해 벡터의 비례 값과, 상기 비동차 해의 합을 이용하여 산출하는, 탄체의 자세정보 획득 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광센서 모듈은,
   탄체의 회전축을 기준으로 일정한 각도를 이루어 배치되는 제1 광센서 및 제2 광센서; 및
   상기 제1 광센서와 상기 제2 광센서 각각에 입사하는 태양광의 각도를 제한하기 위한 제1 슬릿 및 제2 슬릿을 포함하는 탄체의 자세정보 획득 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 광센서는 상기 탄체의 회전에 따라 태양 광이 상기 제1 슬릿을 통과하여 입사할 때 제1 전기 신호를 발생하고,
   상기 제2 광센서는 상기 탄체의 회전에 따라 태양 광이 상기 제2 슬릿을 통과하여 입사할 때 제2 전기 신호를 발생하고,
   상기 전자부는 상기 제1 전기 신호의 첨점과 상기 제2 전기 신호의 첨점이 나타나는 시각을 상기 정보 데이터로 변환하고,
   상기 자세 정보 계산기는 상기 첨점 사이의 시간 간격으로부터 상기 제1 각도를 산출하는 탄체의 자세정보 획득 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 지자기 센서 모듈은,
   상기 탄체의 회전축과 평행인 방향의 평행 자기신호를 계측하는 제1 자기 센서; 및
   상기 탄체의 회전축과 수직인 방향의 직교 자기신호를 계측하는 제2 자기 센서를 포함하는 탄체의 자세정보 획득 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 전자부는 상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호의 크기를 상기 정보 데이터로 변환하고,
   상기 자세 정보 계산기는 상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호의 크기 값을 이용하여 상기 제2 각도를 산출하는 탄체의 자세정보 획득 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 자세 정보 계산기는 상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호를 이용하여 상기 탄체의 평행 유도자기장 성분, 직교 유도자기장 성분 및 탄체의 영구 자기장 성분을 산출하고, 산출된 상기 평행 유도자기장 성분, 상기 직교 유도자기장 성분 및 상기 탄체의 영구자기장 성분을 이용하여 상기 제2 각도의 오차를 보상하는 탄체의 자세정보 획득 시스템.
7. 삭제
8. 광 센서 모듈, 지자기 센서 모듈, 전자부 및 송출 안테나를 포함하는 탄체 자세정보 송신기와 수신 안테나, 안테나 제어기 및 자세 정보 계산기를 포함하는 탄체 자세정보 수신기를 구비한 탄체의 자세정보 획득 시스템에서 수행되는 방법에 있어서,
   상기 광센서 모듈이 탄체의 회전축 벡터와 태양의 위치 벡터 사이의 각도인 제1 각도에 따라 제1 센서 신호를 발생하고, 상기 전자부가 상기 제1 센서 신호를 정보 데이터로 변환하는 단계;
   상기 지자기 센서 모듈이 상기 탄체의 회전축 벡터와 지구 자기장 벡터 사이의 각도인 제2 각도에 따라 제2 센서 신호를 발생하고, 상기 전자부가 상기 제2 센서 신호를 상기 정보 데이터로 변환하는 단계;
   상기 송출 안테나가 상기 정보 데이터를 송출하는 단계;
   상기 수신 안테나가 상기 정보 데이터를 수신하는 단계; 및
   상기 자세정보 계산기가 상기 정보 데이터를 이용하여 탄체 자세 벡터를 계산하는 단계를 포함하고,
   상기 자세정보 계산기가 상기 정보 데이터를 이용하여 탄체 자세 벡터를 계산하는 단계는,
   상기 자세정보 계산기가 상기 태양의 위치 벡터와 상기 제1 각도를 갖고, 상기 지구 자기장 벡터와 상기 제2 각도를 갖는 동차 해 벡터와 비동차 해 벡터를 산출하는 단계; 및
   상기 탄체 자세 벡터의 크기 값이 1임을 이용하여, 상기 동차 해 벡터의 비례상수 k를 산출하는 단계를 포함하는, 탄체의 자세정보 획득 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 광센서 모듈은 탄체의 회전축을 기준으로 일정한 각도를 이루어 배치되는 제1 광센서 및 제2 광센서와, 상기 제1 광센서와 상기 제2 광센서 각각에 입사하는 태양광의 각도를 제한하기 위한 제1 슬릿 및 제2 슬릿을 포함하고,
   상기 광센서 모듈이 탄체의 회전축 벡터와 태양의 위치 벡터 사이의 각도인 제1 각도에 따라 제1 센서 신호를 발생하고, 상기 전자부가 상기 제1 센서 신호를 정보 데이터로 변환하는 단계는,
   상기 탄체의 회전에 따라, 상기 제1 슬릿이 태양을 향할 때, 상기 제1 광센서가 제1 전기 신호를 발생하는 단계;
   상기 탄체의 회전에 따라, 상기 제2 슬릿이 태양을 향할 때, 상기 제2 광센서가 제2 전기 신호를 발생하는 단계; 및
   상기 전자부가 상기 제1 전기 신호의 첨점과 상기 제2 전기 신호의 첨점이 나타나는 시각을 상기 정보 데이터로 변환하는 단계를 포함하는 탄체의 자세정보 획득 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 자세정보 계산기가 상기 정보 데이터를 이용하여 탄체 자세 벡터를 계산하는 단계는,
    상기 자세정보 계산기가 상기 제1 전기 신호의 첨점과 상기 제2 전기 신호의 첨점 사이의 시간 간격을 이용하여, 상기 제1 각도를 산출하는 단계를 포함하는 탄체의 자세정보 획득 방법.
11. 제8항에 있어서,
    상기 지자기 센서 모듈은 상기 탄체의 회전축과 평행인 방향의 평행 자기신호를 계측하는 제1 자기 센서 및 상기 탄체의 회전축과 수직인 방향의 직교 자기신호를 계측하는 제2 자기 센서를 포함하고,
    상기 지자기 센서 모듈이 상기 탄체의 회전축 벡터와 지구 자기장 벡터 사이의 각도인 제2 각도에 따라 제2 센서 신호를 발생하고, 상기 전자부가 상기 제2 센서 신호를 상기 정보 데이터로 변환하는 단계는,
    상기 제1 자기 센서가 상기 평행 자기신호의 크기를 계측하는 단계;
    상기 제2 자기 센서가 상기 직교 자기신호의 크기를 계측하는 단계; 및
    상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호의 크기를 상기 정보 데이터로 변환하는 단계를 포함하는 탄체의 자세정보 획득 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 자세정보 계산기가 상기 정보 데이터를 이용하여 탄체 자세 벡터를 계산하는 단계는,
    상기 자세정보 계산기가 상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호의 오차를 보정하는 단계; 및
    보정된 상기 평행 자기신호와 상기 직교 자기신호의 사인파의 진폭 값을 이용하여 상기 제2 각도를 산출하는 단계를 포함하는 탄체의 자세정보 획득 방법.
13. 삭제
14. 컴퓨터를 이용하여 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.

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