KR19990084742A

KR19990084742A - 동적 방식으로 구현된 광섬유 자이로콤파스

Info

Publication number: KR19990084742A
Application number: KR1019980016723A
Authority: KR
Inventors: 배정철; 홍창희
Original assignee: 임건; 삼양무선공업 주식회사; 조경식; 한국해양대학교
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 1999-12-06
Also published as: KR100269026B1

Abstract

본 발명은 통상 차량, 선박, 항공기 등에 이용될 수 있도록 지구자전 각속도를 검출하는 광섬유 자이로스코프(Fiber Optic Gyroscope)를 이용하여 방위각을 검출하는 광섬유 자이로콤파스에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 1 회전하는 동안에 1 주기의 사인파신호를 출력하는 FOG 센서와; 상기 FOG 센서를 정속으로 회전시키는 센서 회전수단과; 상기 FOG 센서에서 출력되는 사인파신호의 한 주기동안 한 개의 펄스신호를 출력하는 진북추종 신호발생수단과; 상기 FOG 센서에서 출력되는 사인파신호에 포함된 잡음성분을 필터링하고, 상기 진북추종 신호발생수단에서 출력되는 펄스신호와 잡음성분이 필터링된 상기 사인파신호를 신호처리하여, 진북방향과 선수방향과의 위상차신호를 출력하는 신호처리수단; 및 상기 선수방향이 임의의 방향으로 회전되더라도 상기 진북추종 신호발생수단이 항상 진북을 가리키도록 하여, 상기 신호처리수단의 위상차신호가 '0'레벨이 되도록 하는 진북추종 처리수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

동적 방식으로 구현된 광섬유 자이로콤파스 ( A fiber optic gyrocompasses of a dynamic scheme)

본 발명은 통상 차량, 선박, 항공기 등에 이용될 수 있도록 지구자전 각속도를 검출하는 광섬유 자이로스코프(Fiber Optic Gyroscope)를 이용하여 방위각을 검출하는 광섬유 자이로콤파스에 관한 것이다.

일반적으로, 항행체를 출발점으로부터 예정된 목적지로 향해 이동시키는 기술을 항법이라 한다. 이러한 항법으로 종래에는 천체를 관측하면서 항해하는 방법이 이용되었으나, 현대에는 완전히 자율적인 항해가 가능한 관성항법이 널리 이용되고 있는데, 이는 뉴톤역학을 이용하여 항행체의 이동방향과 움직인 거리를 구하여 항행하는 것이다. 즉, 항행체의 움직인 거리는 뉴톤역학의 이론에 의해 속도를 적분하여 구하고, 이 속도는 가속도를 적분하여 구할 수 있다. 따라서, 관성항법을 위해서는 항행체의 방향을 검출하는 "콤파스"와 가속도를 검출하는 "가속도계"가 필수적으로 필요하다.

현재, 선박에 사용되는 콤파스에는 자기콤파스와 자이로콤파스가 있다. 자기콤파스는 지구의 자장을 이용한 것으로 구조가 간단하고 전원이 필요없으며 고장의 염려가 없는 장점이 있으나, 지구의 자전축과 지구자장을 형성하고 있는 자축이 다르기 때문에 생기는 편차, 지역적으로 자기의 분포가 다르기 때문에 생기는 지방자기, 선박의 철류에 의한 자차 등의 오차가 발생되는 단점이 있다. 자이로콤파스는 팽이의 세차운동을 이용한 것으로 지북력이 강하고 방위를 간단히 전기적인 신호로 변환할 수 있기 때문에 널리 사용된다. 그러나, 종래의 자이로콤파스는 고속의 회전부가 필요하므로 구조가 복잡하고 고장이 발생될 가능성이 크고 기동시간이 길며 가격이 비싸다는 단점을 가진다.

따라서, 이러한 자이로콤파스의 문제점을 해결하기 위하여 각속도를 측정할 수 있는 광학센서의 일종인 광섬유 자이로스코프(FOG:Fiber Optic Gyroscope)를 이용하여 지구 자전 각속도를 측정함으로써 진북방향을 찾는 광섬유 자이로콤파스를 연구중에 있으며, 이러한 광섬유 자이로콤파스는 고속의 회전이 없으므로 크기, 소비전력, 비용의 효율성 측면에서 유리하다는 장점을 가진다.

이러한 광섬유 자이로콤파스의 센서로 사용되는 광섬유 자이로스코프는 Sagnac효과를 이용하는 광학적 회전센서의 일종으로서, Sagnac효과란 회전각속도(Ω)에 비례하여 광로차(ΔL)가 발생되는 효과를 말하며, 이 광로차를 광학적 간섭현상을 이용하여 위상차를 검출하면 회전한 각속도량을 알 수 있다. 이러한 광섬유 자이로스코프는 성능에 따라 세등급으로 나눌 수 있으며, 이는 표 1에 정리되어 있다.

항목	1등급	2등급	3등급
다이나믹 레인지	0∼±30。/s	0∼±100。/s	0∼±100。/s
분해능	≤0.001。/s	≤0.01。/s	≤0.1。/s
드리프트	≤0.1。/h	≤10。/h	≤20。/h
스케일펙터 선형성	≤0.5 %	≤1 %	≤1 %
용도	항공,우주,측지 콤파스 등	자동유도차량, 안테나 제어 등	차량 항법용 등

이러한 FOG 센서를 이용하여 진북을 찾는 원리는 크게 나누어 정적 방식과 동적 방식으로 구분되는데, 상기 정적 방식은 FOG 센서가 특정방향에 대하여 정지한 상태에서 측정한 출력신호를 처리하여 진북을 찾는 방식이다. 따라서 회전체에서 외부로 신호를 전달하는 슬립링(slip ring)이 필요없고 구조가 간단하며, 신호처리부가 소프트웨어화되어 있으므로 적절한 범위내에서 신호처리 알고리즘의 변경이 용이하다는 장점이 있다. 반면에 이 방식은 FOG 센서가 정지한 상태에서 얻은 신호를 처리하여 방위각을 얻기 때문에 잡음 특성이 좋은 고성능 센서가 필요하고, 선박에 응용하기 위해서는 고도로 정밀한 안정화 제어기가 필요하다.

한편, 동적 방식은 센서가 연속적으로 회전하는 동안 측정한 출력신호를 처리하여 진북을 찾는 방식이다. 그러므로 슬립링이 필요하고 구조가 복잡한 반면 모든 방향에서의 신호를 처리하기 때문에 중저가 FOG 센서를 이용한 경제적인 광섬유 자이로콤파스를 구성하는 것이 가능하다.

그러나, 장시간 항해를 하는 선박의 경우에는 항공기와는 달리 FOG 센서의 드리프트에러를 수시로 보정할 수가 없고 경제성이 고려되어야 되기 때문에 아직까지 세계적으로 선박용 광섬유 자이로콤파스가 상품화되지 않았다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광섬유 자이로스코프를 이용한 진북 추종형의 동적 방식 광섬유 자이로콤파스를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 1 회전하는 동안에 1 주기의 사인파신호를 출력하는 FOG 센서와; 상기 FOG 센서를 정속으로 회전시키는 센서 회전수단과; 상기 FOG 센서에서 출력되는 사인파신호의 한 주기동안 한 개의 펄스신호를 출력하는 진북추종 신호발생수단과; 상기 FOG 센서에서 출력되는 사인파신호에 포함된 잡음성분을 필터링하고, 상기 진북추종 신호발생수단에서 출력되는 펄스신호와 잡음성분이 필터링된 상기 사인파신호를 신호처리하여, 진북방향과 선수방향과의 위상차신호를 출력하는 신호처리수단; 및 상기 선수방향이 임의의 방향으로 회전되더라도 상기 진북추종 신호발생수단이 항상 진북을 가리키도록 하여, 상기 신호처리수단의 위상차신호가 '0'레벨이 되도록 하는 진북추종 처리수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 새그낵 효과를 설명하기 위한 도면,

도 2는 FOG 센서의 동작 특성을 설명하기 위한 도면,

도 3은 FOG 센서를 이용한 진북 측정 원리를 설명하기 위한 도면,

도 4는 도 3과 같이 구성된 FOG 센서의 출력 파형도,

도 5는 FOG 센서가 임의의 위도에 위치할 때 FOG 센서를 이용하여 방위를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면,

도 6은 도 5와 같이 구성된 FOG 센서의 출력 파형도,

도 7와 도 8은 본 발명에 따른 진북 추종형 동적 방식으로 구현된 광섬유 자이로콤파스의 구성도,

도 9와 도 10은 동적 방식의 광섬유 자이로콤파스의 기본 동작원리를 설명하기 위한 도면,

도 11은 FOG 센서의 출력신호 파형도,

도 12는 도 7의 구성도에서 각 부 신호 파형도,

도 13은 진북 추종형 동적 방식과 선수방위 표시형 동적 방식을 개념적으로 도시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

71: FOG 센서 72: 슬릿디스크

73: 제1LED-PD 인터럽터 74: 비교기

75: RS 트리거 76: 제1저역통과필터

77: DC 모터 78: 제2LED-PD 인터럽터

79: 레퍼런스바 80: 코드디스크

81: 비교기&적분기 82: 증폭기

83: 좌측모터 84: 우측모터

85: 스립링 86: 대역통과필터

87: 로크인 증폭기 88: 제2저역통과필터

89: 기준신호발생부 90: 클럭발생기

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 일반적인 FOG 센서는 회전량(Ω)에 비례하여 광로차(ΔL)를 발생하는 새그낵(sagnac) 효과에 기초하는데, 회전판에 수직하는 축 주위로 각속도(Ω)로 회전하는 반경(R)인 회전판이 있을 때 원주를 따라 서로 반대 방향으로 진행하는 광선이 겪게 되는 광로차(ΔL)은 수학식 1과 같다.

도 1을 참조하여 이러한 새그낵 효과를 설명한다. 원주상의 출발점 1에서 동일한 빛이 원주를 따라 시계방향(CW)과 반시계방향(CCW)으로 진행한다. 이때, 회전판이 정지하고 있으면(Ω = 0), 광속 Co로 진행하는 빛은 시간 t = 2πR/Co 동안에 동일한 거리 2πR을 진행한 후 출발점 1에 도달하게 될 것이다. 반면, 회전판이 각속도 Ω로 회전하면 반시계방향(CCW)으로 진행한 빛은 수학식 2에서와 같이 원주 2πR보다 짧은 거리(Lccw)를 진행하고 나서 점 2에 도달하고, 시계방향(CW)으로 진행한 빛은 수학식 3과 같이 원주보다 긴 거리(Lcw)를 진행한다.

상기와 같은 수학식 2와 수학식 3을 이용하면 시계방향과 반시계방향의 진행시간차를 수학식 4와 같이 얻을 수 있다.

따라서, 시간

Δt

동안 빛이 진행한 경로길이

ΔL

은 수학식 5와 같고, 이때의 위상 이동은 수학식 6과 같이 표현된다.

일반적으로, 상기한 FOG 센서는 회전각속도와 상대적인 회전각도를 검출할 수 있으나 방위각은 검출할 수 없다. 따라서, FOG 센서를 자이로콤파스에 이용하기 위해서는 지구 자전축방향을 식별할 수 있도록 하여야 한다. 즉, 지구자전속도를 검출할 수 있어야 하는데, 이를 위하여 FOG 센서는 지구자전속도인 15deg/hr를 검출할 수 있는 고분해능 특성을 가져야 한다.

여기서, 도 2를 참조하여 일반적인 FOG 센서의 동작 특성을 살펴보기로 한다. 대부분의 FOG 센서의 내부에는 원통 구조의 외형과 대칭으로 광섬유 센싱코일이 들어있으며, 이 센싱코일의 중심축을 z축으로 놓았을 때, z축을 회전축으로 회전을 시켰을 때는 회전 각속도가 감지되어 이 회전 각속도에 대응되는 전압을 출력한다. 만일, 정지시의 출력전압이 '0'이라고 가정하면 각각 시계방향과 반시계방향으로 회전시켰을 때 회전 각속도가 서로 반대방향이므로 각각 극성이 반대인 출력전압을 얻는다. 그러나, 센싱코일면에 평행한 축, 즉 x축이나 y축을 회전축으로 하여 회전을 시켰을 때는 회전 각속도를 전혀 감지할 수 없다. 이것은 광섬유 센싱코일면에 평행한 축을 회전축으로 회전이 일어나면 이 회전 각속도의 입력은 새그낵 효과에 의한 광섬유 센싱코일 내에서의 광경로차에 전혀 영향을 미치지 않기 때문에 발생하는 현상이다. 이 성질을 잘 응용하면 지구의 자전 각속도를 측정하여 방위를 표시하는 자이로콤파스를 제작할 수 있다.

도 3을 참조하여 FOG 센서를 이용하여 진북을 측정하기 위한 지구자전 각속도를 검출하는 원리를 살펴보기로 한다. FOG 센서를 적도상에서 지면에 대하여 수직으로 세워 도 3의 ①의 위치에 놓으면, 이때 FOG 센서의 출력전압은 지구의 자전 각속도를 최대로 검출하므로 (+)최대전압 또는 (-)최대전압을 얻을 수 있다. 여기서는 (+)최대전압을 얻는다고 가정하고, 광섬유 센싱 코일면에 수직인 방향을 방위축이라고 한다. 즉, ①의 위치에서 방위축이 북방향을 가리키며 출력전압은 최대값을 얻게된다.

다음은 FOG 센서를 시계방향으로 90°를 회전시켜 ②의 위치에 놓으면, 방위축은 서쪽을 가리키며 출력전압은 '0'이 검출된다. 또다시 시계방향으로 90°를 회전시켜 ③과 같이 놓으면, 방위축은 남쪽을 가리키며 출력전압은 최소값이 검출된다. 한번 더 시계방향으로 90°를 회전시켜 ④와 같이 놓으면, 방위축은 동쪽을 가리키며 출력전압은 '0'이 검출된다. 따라서, FOG 센서를 시계방향으로 순차적으로 회전시키면 도 4와 같은 출력파형을 얻을 수 있고, 만일 FOG 센서를 연속적으로 정속회전을 시키면 사인 파형의 출력전압을 얻을 수 있게 된다.

도 5는 FOG 센서가 지구의 적도에 위치하지 않고 임의의 위도에 위치할 때 FOG 센서를 이용하여 방위를 측정하는 원리를 도시하고 있다. 이때에는 FOG 센서가 적도상에 놓여있을 때 지구 자전 각속도 입력값의 정사영에 해당하는 값이 FOG 센서에 입력되므로 위도각 크기의 코사인 성분만큼의 출력전압값이 나타난다. 즉, 적도상에 FOG 센서가 놓여있을 때의 출력전압을 V(t)라 하면, 이 경우에는 위도각을 Q_e라고 할 때 출력전압은 적도에서의 출력값보다 조금 줄어든 '

V(t)cosQ_e

'값이 출력된다. 따라서, 지구의 임의의 위도에서 지표상에 FOG 센서를 수직으로 세우고 연속적으로 정속회전을 시키면 도 6과 같이 사인 파형의 출력신호를 얻게 되며 이것을 수식으로 표현하면 수학식 7과 같이 된다.

여기서,

K_e= kcosΘ_e

: FOG 센서의 출력신호 진폭,

ω₀= 2πf₀

: FOG 센서의 정속 회전 각속도,

f₀

: FOG 센서의 정속 회전 주파수,

k : FOG의 스케일 펙터,

Θ_e

: 위도를 나타낸다.

여기서, 스케일 펙터란 입력되는 회전 각속도에 비례하여 출력되는 전압값을 나타낸다. FOG 센서의 스케일 펙터가 210mV/deg/sec 일 때, 지구 자전 각속도인 0.0042deg/sec가 입력되면 FOG 센서의 출력신호는 약 0.87mV가 된다. 또한, 실험장소의 위도가 약 35도이면 FOG 센서에 입력되는 지구 자전 각속도의 위도에 대한 정사영성분이 약 0.0034deg/sec가 되고, 이때 FOG 센서의 출력신호는 약 0.715mV가 된다. FOG 센서의 고유잡음 특성은 고주파 잡음인 랜덤 노이즈와 저주파 잡음인 드리프트 잡음이 있다. 여기서, 랜덤 노이즈는 FOG 센서의 분해능을 결정하며, 드리프트 잡음은 장시간 항해하는 선박의 관성 항법용 콤파스에 있어서 가장 중요한 특성이라 할 수 있다.

수학식 7에 표현된 사인파신호의 위상은 진북방향에 대한 선수 방위각을 나타내며, 크기는 FOG 센서가 위치한 지구상의 위도와 관계가 있다. 지구의 각속도를 측정하는 FOG 센서를 이용하여 진북을 찾는 원리는 크게 정적 방식과 동적 방식으로 나누어지는 것은 앞서 설명한 바와 같다. 여기서, 동적 방식은 도 5와 도 6에서 센서가 연속적으로 회전하는 동안에 측정한 출력신호를 처리하여 진북은 찾는 방식이다. 따라서 회전체에서 외부로 전원공급이나 신호를 전달하는데 사용되는 슬립링이 필요하다.

상기한 본 발명에 따른 동적 방식의 광섬유 자이로콤파스는 도 7과 도 8에 도시된 바와 같이 1 회전하는 동안에 1 주기의 사인파신호를 출력하는 FOG 센서(71)와; 상기 FOG 센서(71)를 정속으로 회전시키는 센서 회전수단과; 상기 FOG 센서(71)에서 출력되는 사인파신호의 한 주기동안 한 개의 펄스신호를 출력하는 진북추종 신호발생수단과; 상기 FOG 센서에서 출력되는 사인파신호에 포함된 잡음성분을 필터링하고, 상기 진북추종 신호발생수단에서 출력되는 펄스신호와 잡음성분이 필터링된 상기 사인파신호를 신호처리하여, 진북방향과 선수방향과의 위상차신호(DC 신호)를 출력하는 신호처리수단; 및 상기 선수방향이 임의의 방향으로 회전되더라도 상기 진북추종 신호발생수단이 항상 진북을 가리키도록 하여, 상기 신호처리수단의 위상차신호가 '0'레벨이 되도록 하는 진북추종 처리수단으로 구성된다.

여기서, 상기 센서 회전수단은 상기 FOG 센서(71)와 동일한 회전축으로 회전하고, 그 외주부에 다수개의 슬릿이 형성된 슬릿디스크(72)와; 상기 슬릿디스크(72)에 형성된 슬릿을 감지하여 이에 따른 펄스신호를 출력하는 제1LED-PD 인터럽터(73)와; 상기 제1LED-PD 인터럽터(73)에서 출력되는 펄스신호와 기준신호를 비교하여 그 신호차를 출력하는 비교기(74)와; 상기 비교기(74)에서 출력되는 신호를 트리거링하는 RS 트리거(75)와; 상기 RS 트리거(75)의 출력신호를 저역 필터링하여 DC 모터(77)로 제어신호를 제공하는 제1저역통과필터(76)와, 상기 제1저역통과필터(76)에서 출력되는 제어신호에 따라 회전속도가 가변되어 슬릿디스크(72)가 정속 회전되도록 회전력을 제공하는 상기 DC 모터(77)로 구성된다.

상기 진북추종 신호발생수단은 상기 FOG 센서(71)의 광섬유 센싱루프면에 수직인 기준축방향으로 슬릿디스크(72)에 고정되어, 상기 FOG 센서(71)를 중심축으로 회전하면서 FOG 센서(71)에서 출력되는 사인파신호의 매 주기마다 한 개의 펄스신호를 출력하는 제2LED-PD 인터럽터(78)와; 코드디스크(80)에 고정 설치되고 상기 슬릿디스크(72)가 한 번 회전하는 동안에 상기 제2LED-PD 인터럽터(78)에 의해 1회 감지되며, 진북추종 신호발생수단에 설치되어 제어에 의해 항상 진북을 추종하는 레퍼런스바(79)와; 0°∼360°의 방위각이 새겨져 있으며, 상기 레퍼런스바(79)가 0°위치에 고정되어 상기 레퍼런스바(79)와 함께 회전하여 선수 방위각을 표시하는 상기 코드디스크(80)로 구성된다.

상기 진북추종 처리수단은 신호처리수단의 위상차신호(DC 신호)를 일정시간동안 적분하여 출력하는 비교기&적분기(81)와; 상기 비교기&적분기(81)의 출력신호에 따라 정역회전을 위한 모터 제어신호를 출력하는 증폭기(82)와; 상기 증폭기(82)에서 출력되는 모터 제어신호에 의해 정역회전하여 코드디스크(80)와 레퍼런스바(79)를 회전시키는 좌측모터(83) 및 우측모터(84)로 구성된다.

상기 신호처리수단은 상기 FOG 센서(71)에서 출력되는 사인파신호에 포함된 잡음성분을 제거하기 위한 대역통과필터(86)와; 상기 대역통과필터(86)의 출력신호와 상기 제2LED-PD 인터럽터(78)의 출력신호를 곱하여 상기 대역통과필터(86)를 통과한 잡음성분을 제거하는 로크인 증폭기(87)와; 상기 로크인증폭기(87)의 출력신호를 시간으로 평균하여 진북과 선수방향과의 위상차를 나타내는 DC신호로 변환하여 출력하는 제2저역통과필터(88)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본원 발명의 작용 및 효과는 다음과 같다.

먼저, 상기한 동적 방식 광섬유 자이로콤파스의 기본 원리를 살펴보면, 도 9에 도시된 바와 같이 지표면에 수직으로 설치된 FOG 센서(71)를 정속 회전을 시키면서 출력신호를 처리하여 선수 방위각을 구한다. 이 경우 FOG 센서(71)의 센싱루프면에 수직한 축을 기준축으로 정한다면 FOG 센서(71)의 출력신호가 최대값으로 얻어질 때의 기준축 방향이 진북을 가리킨다. 한편, 동서방향에서는 출력신호가 '0'이 되고, 남쪽에서는 FOG 센서(71)의 출력신호가 최소값이 된다.

또한, 도 9의 (a)와 같이 FOG 센서(71)의 광섬유 센싱루프면에 수직인 기준축방향에 제2LED-PD 인터럽터(78)를 두고 선수방향에 고정 설치된 레퍼런스바(79) 주위를 회전시키면, 제2LED-PD 인터럽터(78)가 레퍼런스바(79)를 지날 때마다 한 펄스의 기준신호를 얻는다. 즉, FOG 센서(71)의 출력신호의 매 주기마다 상기 제2LED-PD 인터럽터(78)로부터 한 개의 펄스신호를 얻게 된다. 따라서, 이 펄스신호와 FOG 센서(71)의 최대 출력신호와의 위상차를 각도로 변환하면 선수 방위각을 얻을 수 있다.

예를 들면, 도 9의 (a)와 같이 선수방향이 동쪽을 향하고 있을 때 제2LED-PD 인터럽터(78)에서 출력되는 펄스신호는 도 9의 (b)처럼 사인파의 한 주기의 초기위치 즉 FOG 센서(71)의 출력신호가 '0'인 위치에서 발생한다. 그리고, 도 10의 (a)와 같이 선수방향이 북동쪽을 향하고 있을 때는 도 10의 (b)와 같이 펄스신호는 FOG 센서(71)의 출력신호 한 주기의 초기 위치에서 오른쪽으로 45°만큼 위상이 이동하게 된다.

따라서, 진북방향에 대한 선수방향의 위상차가 선수 방위각을 나타내기 때문에, FOG 센서(71)의 최대 출력신호값에서 펄스신호가 출력될 당시의 FOG 센서(71)의 출력신호값을 뺀 신호차를 각도로 변환하면 현재의 선수 방위각을 구할 수 있다.

도 9의 (b)와 도 10의 (b)는 모두 이상적인 출력신호를 도시하고 있지만, 실제 FOG 센서(71)에서 출력되는 신호는 도 11과 같이 센서고유잡음, 전자부품고유잡음 등의 잡음과 진동 등의 기계적인 잡음이 혼합되어 나타나며, 이러한 잡음이 각도오차를 발생시키고 시스템의 정도를 저하시키기 때문에, 각도오차를 최소화하기 위해서는 이러한 잡음들을 필터링하여 방위정도만을 가지는 출력신호로 걸러내야 한다.

여기서, 상기와 같이 FOG 센서(71)의 출력신호에 잡음성분이 혼합되는 원인 및 과정을 식으로 표현하면 다음과 같다.

이상적인 동적 방식 광섬유 자이로콤파스의 FOG 출력신호는 수학식 7과 같다. 이때, 사인파신호의 위상은 진북방향에 대한 선수방위각을 나타내며 크기는 FOG 센서가 위치한 지구상의 위도와 관계있다. 또한, FOG 센서에는 램덤 워크와 드리프트가 존재하는데, 동적 방식의 광섬유 자이로콤파스에서는 신호의 출력이 교류형태를 가지므로 드리프트가 제거된다.

랜덤워크 잡음의 스펙트럼은 10Hz보다 큰 주파수대역에서는 백색잡음이고, 10Hz보다 작은 주파수대역에서 크기가 증가하는 형태의 잡음이지만, FOG 센서의 지구자전 각속도신호와는 상관되지 않는다. 즉, 랜덤워크 잡음은 FOG 센서의 지구자전 각속도신호에 부가적인 신호항으로 고려를 하면 수학식 8과 같이 표현된다.

U_RW(t) = R(t)

랜덤워크 잡음은 FOG 센서의 정도와 광섬유 자이로콤파스의 노이즈 한계를 나타내는데, FOG 센서를 회전시키는 슬릿디스크(72)의 회전 주파수가 안정되어 있지 않을 때 발생하는 각속도 변화는 수학식 9와 같이 쓸 수 있다.

ω(t) = ω₀+ ω₁cos(Ωt) + ω₂cos(2Ωt) + ⃛

여기서,

ω₀= Ω

이고,

ω_1,ω_{2, ⃛}

은 변동 펙터이다. 이러한 각속도 변동 때문에 생기는 시간에 따른 각변위의 변화는 수학식 10과 같이 표현된다.

여기서, φ_e는 적분상수로서 초기 위상값,

θ_i= ω_i/ Ω

는 i번째 조화진동의 진폭을 나타내고

Ω

는 하모닉스의 기본진동 주파수를 나타낸다.

각속도 변동원인은 회전 플랫폼의 질량 비보정, 정속회전 구동부의 제어오차, 축과 베어링의 편심 등이 있는데, 이러한 각속도 변동은 FOG 센서의 출력신호에 대해 2가지 종류의 왜곡을 초래하게 된다.

첫째, FOG 센서의 면이 회전축에 대하여 각도 Q_t만큼 기울어졌다면, FOG 센서가 회전할 때 FOG 센서는 회전축의 회전 각속도를 감지하게 되며, 이는 수학식 11과 같이 표현된다.

U_t(T) = ksin(Q_t)⋅ω(t)

이 신호는 회전 주파수의 모든 하모닉스를 가지고 있으며, Q_t=0일 때는 영이 된다. 즉, FOG 센서는 광섬유 센싱코일면에 수직인 기준축으로 정확하게 회전하여야 이로 인한 잡음이 제거된다.

둘째, 실제적으로 수학식 9와 같이 각속도 변동이 발생되는 경우 수학식 7은 수학식 12와 같이 회전 주파수가 위상 변조된다.

여기서,

θ₂=θ₃=⃛=0

라고 하면, 수학식 12는 수학식 13, 수학식 14와 같이 표현된다.

여기서, J_i는 홀수 I의 제1종 베셀(Bessel) 함수이다.

다음으로 신호왜곡의 원인은 시스템 전체의 전동을 들 수 있다. 이러한 요인으로 발생하는 신호는 수학식 15와 같이 표현된다.

U_V(t) = V(t)

이 신호의 스펙트럼 함수는 1/X로 근사화되고, 이것은 랜덤워크 잡음과 같이 FOG 센서의 지구자전 각속도 신호와는 무관하다.

결국, 이상에서 언급한 요인들을 종합해 보면, FOG 센서의 출력신호는 수학식 8, 수학식 9 및 수학식 10과 같이된다. 이론적으로 볼 때, FOG 센서는 지구자전 각속도만을 검출한다면 도 12의 (a)와 같이 이상적인 사인파신호를 얻겠지만, 이러한 왜곡요소들의 작용에 의하여 도 12의 (b)와 같이 다소 찌그러진 사인파신호를 얻게 된다. 이것을 줄이려면 고정도의 FOG 센서를 이용하여 랜덤워크 잡음을 줄이고, FOG 센서와 회전축을 상호 평행하게 부착하여 기울어짐에 의한 신호왜곡을 방지하여야 한다. 또한, 전체 시스템의 진동을 최소로 하여야 한다.

상기와 같은 기본 원리로 동작하는 동적 방식의 광섬유 자이로콤파스의 구체적인 동작을 도 12를 참조하여 설명하기로 한다.

먼저, FOG 센서(71)를 정속으로 회전시키는 센서 회전수단의 동작을 설명하면, 기준신호발생부(89)는 클럭 발생기(90)에서 출력되는 발진신호의 주파수를 변환하여 기준신호를 발생한다. 한편, 제1LED-PD 인터럽터(73)는 DC 모터(77)에 의해 회전하는 슬릿디스크(72)에 형성된 슬릿을 감지하여 이에 따른 펄스신호를 출력한다.

상기 제1LED-PD 인터럽터(73)에서 출력되는 펄스신호의 주파수와 기준신호발생부(89)에서 출력되는 기준신호가 동일하도록 제어하여야 슬릿디스크(72)가 정속으로 구동하는데, 펄스신호의 주파수와 기준신호의 주파수가 다르면 비교기(74)는 그 신호차 신호를 출력하고, RS 트리거(75)는 상기 비교기(74)의 신호차신호를 입력받아 이에 따라 전류값을 변환시켜 출력한다.

즉, 펄스신호의 주파수와 기준신호의 주파수가 동일하면 RS 트리거(75)는 '0'레벨의 제어신호를 출력하여 슬릿디스크(72)가 현재의 회전속도를 유지하면서 회전하도록 하고, 슬릿디스크(72)의 회전속도가 빨라서 펄스신호의 주파수가 기준신호의 주파수보다 더 크면 비교기(74)는 '-'레벨의 제어신호를 출력한다. 이 '-'레벨의 제어신호는 제1저역통과필터(76)를 통해 DC 레벨로 변환된 후 DC 모터(77)로 인가되는 바, 상기 DC 모터(77)는 슬릿디스크(72)의 회전속도가 감소되는 방향으로 상기 슬릿디스크(72)를 회전 구동시킨다.

한편, 슬릿디스크(72)의 회전속도가 느려서 펄스신호의 주파수가 기준신호의 주파수보다 작으면 비교기(74)는 '+'레벨의 제어신호를 출력하고, 이 '+'레벨의 제어신호는 제1저역통과필터(76)를 통해 DC 레벨로 변환된 후 DC 모터(77)로 인가된다. 상기 DC 모터(77)는 슬릿디스크(72)의 회전속도가 증가되는 방향으로 상기 슬릿디스크(72)를 회전 구동시킨다.

상기와 같이 구성되고 동작하는 센서 회전수단에 의해 정속으로 회전 운동하는 FOG 센서(71)에서 출력되는 사인파신호와 제2LED-PD 인터럽터(78)에서 출력되는 펄스신호를 신호 처리하는 신호처리수단의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, FOG 센서(71)에서 출력되는 사인파신호는 정속회전주파수를 중심주파수로 하는 대역통과필터(86)를 통과하는데, 이 대역통과필터(86)는 상기 사인파신호의 주파수와 다른 주파수 대역의 잡음성분을 제거한다. 또한, 로크인 증폭기(87)는 대역통과필터(86)에서 출력되는 신호와 제2LED-PD 인터럽터(78)에서 출력되는 펄스신호를 곱하여 출력하는데, 이로인해 대역통과필터(86)를 통과한 잡음성분이 소거된다. 즉, 대역통과필터(86)를 통과한 사인파신호와 제2LED-PD 인터럽터(78)에서 출력되는 펄스신호가 곱해져서, 로크인 증폭기(87)로부터 도 12의 (d)와 같은 파형의 신호가 출력된다.

로크인 증폭기(87)의 출력신호는 제2저역통과필터(88)를 통과하면서 시간 평균되어, 상기 로크인 증폭기(87)로부터 도 12의 (e)와 같은 DC 신호가 출력된다. 이 DC 신호의 크기는 진북과 선수방향과의 위상차를 나타낸다.

따라서, 이 DC 신호가 도 13의 (a)와 같이 항상 '0'이 되도록 피드백 제어하여 항상 바늘이 진북을 가리키도록 하는 방식을 진북 추종형이라고 하고, 도 13의 (b)와 같이 이 DC 신호의 크기를 방위각으로 변환하여 선수 방위각을 온라인으로 표시해주는 방식을 선수방위 표시형이라고 한다.

한편, 도 12를 참조하면, 로크인 증폭기(87)의 출력신호는 대역통과필터(86)를 통과한 사인파신호와 레퍼런스바(79)에 의해 발생하는 펄스신호의 곱을 평균한 값이다. 상기한 펄스신호는 사각파이며 그 주기는 f₀이다. φ_e는 진북과 이 사각파와의 위상차이며, 이것이 방위각 정보를 제공해 준다.

로크인 증폭기(87)에서 두 신호들이 곱해져서 두 스펙트럼이 오버랩되고, 제2저역통과필터(88)에 의해 이 오버랩으로부터 고주파 성분이 차단되고 DC 신호를 얻는다. 이 DC 신호는 지구자전 각속도신호의 위상과 크기, 각속도 변동신호, 전체시스템의 신호변동, 랜덤워크 잡음에 의존한다. 로크인 증폭기(87)의 신호변환은 φ_e의 하모닉함수로 주어진다.

즉, 수학식 14에서 로크인 증폭기의 신호변환(U_e)은 수학식 16과 같이 표현되고, 첫 번째 하모닉에 대하여 수학식 11을 다시 표현하면 수학식 17과 같다.

로크인 증폭기의 출력신호는 수학식 18과 같이 표현된다.

회전주파수 Ω의 증가는 진동 V(t)의 영향을 감소시키는데는 좋지만 각속도의 변동이 증가하는 것을 의미하고, 이것은 고정도 기계부품과 모든 회전의 견고한 보상을 의미한다. 이 신호를 없애는 다른 방법은 τ_c(시간 평균)을 늘리는 것이다.

따라서, 로크인 증폭기의 전체 출력신호는 수학식 16, 수학식 17 및 수학식 18의 합으로 나타나며, 이는 수학식 19와 같이 표현된다.

수학식 19에서 표현하고 있는 출력신호는, 진북 추종형에서 레퍼런스바(79)가 고정 부착되어 있는 코드디스크(80)를 제어하여 추종해야 할 값이고, 선수방위 표시형에서 진북방향에 대하여 상대적으로 회전한 각변위량이므로 각도로 변환하면 선수 방위각이 된다.

본원 발명과 같은 진북 추종형 동적 방식으로 구현된 광섬유 자이로콤파스의 진북추종 신호발생수단과 진북추종 처리수단의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 신호처리수단에서 출력되는 DC 신호는 슬립링(85)을 통해 비교기&적분기(81)로 입력되는데, 상기 비교기&적분기(81)는 이 DC 신호를 0레벨과 비교하고 일정 시간동안 DC 신호를 적분하여 출력한다.

진북과 선수방향 사이에 위상차가 있으면, 비교기&적분기(81)는 상기 위상차에 비례하는 신호를 출력하고 이 출력신호는 증폭기(82)에서 증폭된다. 증폭기(82)는 비반전 증폭과 반전 증폭을 동시에 수행하는데, 비반전 증폭된 신호와 반전 증폭된 신호가 좌측모터(83)와 우측모터(84)로 각각 입력되어 이 두 모터(83, 84)에 의해 코드디스크(80)의 0°위치와 레퍼런스바(79)가 진북을 향해 회전하도록 한다.

상기와 같이 레퍼런스바(79)와 방위각이 그려진 코드디스크(80)가 진북을 향해 회전하면, 도 13의 (a)에 도시된 바와 같이 선수기준점(p)이 가리키는 코드디스크(80)의 방위각이 달라지게 되는데, 사용자는 상기 선수기준점(p)이 가리키는 방위각을 목측으로 읽어서 선수 방위각을 인지한다.

이상과 같이 본 발명은, 기계식 자이로에 비해 대량생산이 가능하고 저가격화에 적합하며, 소비전력이 절감됨과 아울러 시스템의 시동시간이 단축되는 효과가 있다.

Claims

1 회전하는 동안에 1 주기의 사인파신호를 출력하는 FOG 센서와;

상기 FOG 센서를 정속으로 회전시키는 센서 회전수단과;

상기 FOG 센서에서 출력되는 사인파신호의 한 주기동안 한 개의 펄스신호를 출력하는 진북추종 신호발생수단과;

상기 FOG 센서에서 출력되는 사인파신호에 포함된 잡음성분을 필터링하고, 상기 진북추종 신호발생수단에서 출력되는 펄스신호와 잡음성분이 필터링된 상기 사인파신호를 신호처리하여, 진북방향과 선수방향과의 위상차신호를 출력하는 신호처리수단; 및

상기 선수방향이 임의의 방향으로 회전되더라도 상기 진북추종 신호발생수단이 항상 진북을 가리키도록 하여, 상기 신호처리수단의 위상차신호가 '0'레벨이 되도록 하는 진북추종 처리수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 동적 방식으로 구현된 광섬유 자이로콤파스.

제1항에 있어서, 상기 센서 회전수단은 상기 FOG 센서와 동일한 회전축으로 회전하고, 그 외주부에 다수개의 슬릿이 형성된 슬릿디스크와; 상기 슬릿디스크에 형성된 슬릿을 감지하여 이에 따른 펄스신호를 출력하는 제1LED-PD 인터럽터와; 상기 제1LED-PD 인터럽터에서 출력되는 펄스신호와 기준신호를 비교하여 그 신호차를 출력하는 비교기와; 상기 비교기에서 출력되는 신호를 트리거링하는 RS 트리거와; 상기 RS 트리거의 출력신호를 저역 필터링하여 DC 모터로 제어신호를 제공하는 제1저역통과필터와, 상기 제1저역통과필터에서 출력되는 제어신호에 따라 회전속도가 가변되어 슬릿디스크가 정속 회전되도록 회전력을 제공하는 상기 DC 모터로 구성된 것을 특징으로 하는 동적 방식으로 구현된 광섬유 자이로콤파스.

제2항에 있어서, 상기 진북추종 신호발생수단은 상기 FOG 센서의 광섬유 센싱루프면에 수직인 기준축방향으로 슬릿디스크에 고정되어, 상기 FOG 센서를 중심축으로 회전하면서 FOG 센서에서 출력되는 사이파신호의 매 주기마다 한 개의 펄스신호를 출력하는 제2LED-PD 인터럽터와; 코드디스크에 고정 설치되고 상기 슬릿디스크가 한 번 회전하는 동안에 상기 제2LED-PD 인터럽터에 의해 1회 감지되며, 진북추종 신호발생수단에 설치되어 제어에 의해 항상 진북을 추종하는 레퍼런스바와; 0°∼360°의 방위각이 새겨져 있으며, 상기 레퍼런스바가 0°위치에 고정되어 상기 레퍼런스바와 함께 회전하여 선수 방위각을 표시하는 상기 코드디스크로 구성된 것을 특징으로 하는 동적 방식으로 구현된 광섬유 자이로콤파스.

제3항에 있어서, 상기 신호처리수단은 상기 FOG 센서에서 출력되는 사인파신호에 포함된 잡음성분을 제거하기 위한 대역통과필터와; 상기 대역통과필터의 출력신호와 상기 제2LED-PD 인터럽터의 출력신호를 곱하여 상기 대역통과필터를 통과한 잡음성분을 제거하는 로크인 증폭기와; 상기 로크인증폭기의 출력신호를 시간으로 평균하여 진북과 선수방향과의 위상차를 나타내는 DC신호로 변환하여 출력하는 제2저역통과필터로 구성된 것을 특징으로 하는 동적 방식으로 구현된 광섬유 자이로콤파스.

제3항에 있어서, 상기 진북추종 처리수단은 신호처리수단의 위상차신호를 일정시간동안 적분하여 출력하는 비교기&적분기와; 상기 비교기&적분기의 출력신호에 따라 정역회전을 위한 모터 제어신호를 출력하는 증폭기와; 상기 증폭기에서 출력되는 모터 제어신호에 의해 정역회전하여 코드디스크와 레퍼런스바를 회전시키는 좌측모터 및 우측모터로 구성된 것을 특징으로 하는 동적 방식으로 구현된 광섬유 자이로콤파스.