KR20080085509A - 2개 기준점에 대한 거리정보와 관성센서를 이용한무인잠수정 선단의 수중 항법시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2개의 기준점에 대한 거리측정 음향센서와 모선 무인잠수정에 장착된 관성센서를 무인잠수정(UUV, Unmanned Underwater Vehicle) 선단의 항법시스템의 기본센서로 이용하고, 수중통신을 이용하여 모선 UUV의 위치정보를 전송하는 방법으로 다수의 무인잠수정으로 구성된 무인잠수정 선단의 항법시스템을 구현하였다. 자선 UUV에는 고가의 관성센서 또는 속도센서가 필요하지 않은 장점이 있다. 모선 UUV의 의사 LBL 항법은 관성항법시스템이 갖는 위치추적오차의 누적을 피하면서, 2개의 트랜스폰더를 이용하므로 LBL 운용을 위하여 3-4개의 트랜스폰더를 설치하는 것보다 운용이 편리한 이점이 있다. 의사 LBL 항법시스템을 이용하는 무인잠수정 선단은 UUV 개수가 증가함에 따라 위치추정 시간 지연이 존재하지 않는다. 이 방법은 다수 선단의 대형제어(Formation Control)에 적합하다.
수중항법, 의사 장기선 위치추적 (Pseudo Long base Line, Pseudo LBL), 거리계측 소나, 무인잠수정(UUV, Unmanned Underwater Vehicle), 선단(Platoon), 관성센서(IMU, Inertial Measurement Unit)

Description

2개 기준점에 대한 거리정보와 관성센서를 이용한 무인잠수정 선단의 수중 항법시스템{Underwater Navigation System for a Platoon of Multiple Unmanned Underwater Vehicles Using Range Measurements on Two Reference Stations and Inertial Sensors}
도 1은 본 발명에 따른 2개 기준점에 음향 트랜스폰더를 가지며, 모선과 자선 무인잠수정으로 구성된 무인잠수정(UUV, Unmanned Underwater Vehicle) 선단의 항법시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명의 2개 기준점에 설치된 트랜스폰더의 음향 신호와 무인잠수정 선단에 설치된 트랜스듀서와 리비서 사이의 음향신호 송수신 과정을 나타내는 신호전달 공정도이다.
도 3은 1개의 모선 무인잠수정과 n개의 자선 무인잠수정으로 구성된 무인잠수정 선단의 위치추적을 위한 항법시스템 구성도이다.
도 4는 2개 기준점의 음향트랜스폰더 신호와 무인잠수정 모선에 장착된 음향 트랜스듀서 사이의 거리계측 및 관성센서를 이용하는 무인잠수정 모선의 항법시스템 구성도이다.
도 5는 모선 무인잠수정 의사 장기선 위치추적시스템의 위치, 속도 및 자세를 구하기 위한 신호처리 알고리듬 흐름도이다.
＜도면의 주요부호에 대한 설명＞
100: 모선 무인잠수정(M)의 음향 트랜스듀서
200: 기준점 음향 트랜스폰더
210: 기준점1의 음향 트랜스폰더
220: 기준점2의 음향 트랜스폰더
310: 자선1 무인잠수정(D1)의 음향 리시버
310n: 자선n 무인잠수정(Dn)의 음향 리시버
400: 심도계
500: 자세 및 관성 계측센서 (Inertial Measurement Unit)
M: 모선 무인잠수정
D: 자선 무인잠수정
D1: 자선1 무인잠수정
Dn: 자선n 무인잠수정
P: 모선 무인잠수정(M)의 송신 음향신호
Q1: 기준점1(S1)의 응답 음향신호
Q2: 기준점2(S2)의 응답 음향신호
R 1: 모선 UUV(M)와 기준점1(S1) 사이의 거리
R 2: 모선 UUV(M)와 기준점2(S2) 사이의 거리
R 3: 자선 UUV(D1)와 기준점1(S1) 사이의 거리
R 4: 자선 UUV(D1)와 기준점2(S2) 사이의 거리
R 2 n +1: n번째 자선 UUV(Dn)과 기준점1(S1) 사이의 거리
R 2 n +2: n번째 자선 UUV(Dn)과 기준점2(S2) 사이의 거리
D1: 자선 UUV(D1)와 모선 UUV(M) 사이의 거리
D n : n번째 자선 UUV(Dn)과 모선 UUV(M) 사이의 거리
τ: 모선 UUV의 음향신호(P)의 방사 시간
T 0: 자선 UUV에서 M 송신 음향신호(P)의 수신 시간
T 1: 모선 UUV에서 S1 응답 음향신호(Q1)의 수신 시간
T 2: 모선 UUV에서 S2 응답 음향신호(Q2)의 수신 시간
T 3: 자선 UUV에서 S1 응답 음향신호(Q1)의 수신 시간
T 4: 자선 UUV에서 S2 응답 음향신호(Q2)의 수신 시간
δt: 2개 기준점의 응답 음향신호(S1, S2)의 지연시간
수중에서 운항되는 무인잠수정(UUV) 또는 잠수정의 위치를 파악하는 방법은 초음파 거리측정법에 의한 음향위치추적(APS, Acoustic Positioning System)과 관 성센서 (IMU, Inertial Measurement Unit) 또는 GPS 신호를 이용하는 비음향 위치추적시스템(또는 항법시스템)으로 구별된다.
무인잠수정의 APS는 해저에 기준에 되는 3개 이상의 기준점과의 거리를 측정하여 3각 측량법으로 위치를 정하는 고전적인 방법이다. APS는 3개 기준점이 해저 또는 수상에 설치되는 방법인 장기선(LBL, Long Base Line) 위치추적장치, 이들 기준점이 선박이나 잠수정에 장착되는 방법인 단기선 (SBL, Short base Line) 위치추적장치, 및 하나의 거리 정보와 2개의 입사각 정보를 이용하는 USBL(Ultra Short base Line) 또는 SSBL(Super Short base Line) 위치추적장치로 구분된다.
비음향 수중항법시스템은 잠수정 내부에 단독으로 탑재할 수 있는 관성센서, 특히 스트랩다운(Strap-down) 관성 센서를 주로 이용하여 항법 시스템을 구현한다. 관성센서는 가속도 신호와 자이로 신호를 적분해서 위치와 속도를 측정하므로 오차에 의한 드리프트 특성이 있고, 따라서 심도계, 방위계, 속도계 또는 GPS 신호를 보조항법 센서로 이용하여 수중 복합항법시스템을 구현하기도 한다. GPS를 보조항법 센서로 이용하는 것은 무인잠수정이 수시로 수상으로 부상하여 GPS 신호를 수신할 수 있는 조건에 제한적으로 이용된다. 최근에는 음향 위치추적장치, 관성센서 및 GPS를 연동하여 항법시스템을 구현하는 방법이 제안된 바 있다.
음향위치추적시스템 구현을 위해서는 3개 이상의 기준점에 대한 정보가 반드시 필요하므로, 긴급한 수중작업 또는 군사작전과 같이 적진에 센서를 설치하기 어려운 상황에서는 APS를 구현하는 것이 곤란하다. 또한 LBL 및 SBL 등의 고전적인 APS 방법을 이용하여 다수의 무인잠수정에 대한 항법시스템을 구성할 경우에는, 위 치신호 갱신 시간 (Position Update Time)이 무인잠수정 개수에 비례하여 증가하므로 무인잠수정의 위치추적에 오차가 선형적으로 증가하는 단점이 있다.
관성센서를 기본센서로 이용하며 보조항법센서를 융합하는 무인잠수정의 수중 복합항법시스템은 성공적으로 활용되고 있으나, 이것을 다수의 무인잠수정에 대하여 동일하게 적용하는 항법시스템은 고가의 관성센서를 각각의 무인잠수정에 장착해야 하므로 비용적인 측면에서 단점이 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 무인잠수정 선단의 항법시스템 구현을 위하여, 수상에 떠있거나 해저에 설치된 2개의 기준점에 대한 상대거리를 측정하고 여러 대의 자선 무인잠수정 각각이 모선 무인잠수정과의 거리를 측정함으로써, 무인잠수정 각각이 독립적으로 의사 장기선 (PLBL, Pseudo Long Base Line) 위치추적시스템을 구현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 수중통신 기능을 갖는 음향 트랜스듀서(100), 심도계(400), 운동계측을 위한 관성센서(500)가 설치되어 있는 모선 무인잠수정(M); 음향신호 수신용 단방향 리시버(310), 심도계(400)가 설치되어 있 는 n개의 자선 무인잠수정(D1, ... Dn); 및 위치가 알려진 2개 기준점에 설치되어 있는 수중통신 기능을 갖는 음향 트랜스폰더(210, 220)를 포함하여 이루어지며, 2개의 기준점에 대한 거리정보와 관성센서를 이용하여 의사 단기선 위치추적(PLBL; Pseudo Long Base Line)의 원리에 근거하여 작동하는 무인잠수정 선단의 수중항법시스템에 있어서,
모선 무인잠수정(M)이 자신의 위치를 음향 트랜스듀서(100)을 통하여 신호(P)를 송신하면; 2개의 기준점 각각의 음향 트랜스폰더(210, 220)는 신호(P)를 수신한 후 일정 시간지연(δt)을 갖고 응답신호(Q1, Q2)를 응답하며; n개의 자선 무인잠수정(D1, ... Dn)은 신호(P)를 각각 수신하여 수신시간(T 0,...T 0 n )을 기록하고, 신호(P)로부터 모선 무인잠수정(M)의 위치를 수신하며, 이후 신호(Q1, Q2)를 수신하여 각각의 신호수신시간 (T 0, T 3, T 4),...(T 0 n , T 2 n +1, T 2 n +2)을 측정하고, 지연시간(δt)와 심도신호(400)를 고려하여 2개 기준점(210, 200)과 모선 무인잠수정(M)의 거리를 계산하고 3각 측량법으로 자선 무인잠수정(D1, ... Dn) 각각의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 2개의 기준점에 대한 거리정보와 관성센서를 이용한 무인잠수정 선단의 수중항법시스템을 제시한다.
이때, 모선 무인잠수정(M)은, 2개 기준점 각각의 음향 트랜스폰더(210, 220)로 부터 일정 시간지연(δt)을 갖고 응답되는 신호(Q1, Q2)를 수신하고, 신호수신시간(T 1, T 2)을 측정하고, 지연시간(δt)을 고려하여 2개 기준점(210, 200)과 모선 무인잠수정(M)의 거리(R 1, R 2)를 계산하며; 모선 무인잠수정(M)에 설치된 관성센서 를 기반으로 항법을 위한 상태변수를 구성하고, 확장형 칼만필터를 이용하며; 2개 거리 계측 신호, 심도, 방위 데이터를 측정신호로 하여 수중위치, 자세, 속도 등의 항법데이터를 계산하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
본 발명에서는 2개의 기준점에 대한 거리측정 음향센서와 모선 무인잠수정에 장착된 관성센서를 UUV 선단의 항법시스템의 기본센서로 이용하고, 수중통신을 이용하여 모선 UUV의 위치정보를 전송하는 방법으로 다수의 무인잠수정으로 구성된 무인잠수정 선단의 항법시스템을 구현하고자 한다.
본 발명에서 UUV 선단은 하나의 모선 UUV와 나머지 여러 대의 자선 UUV로 구성된다. 모선 UUV는 음향신호를 송수신하는 음향 트랜스듀서, 가속도와 각속도를 측정하는 관성센서(IMU), 및 심도계를 장착하며, 자선 UUV는 음향신호를 수신하는 리시버와 심도계를 장착한다.
2개의 기준점은 해저에 고정되거나 수상에 부유하는 음향 트랜스폰더를 설치 하여 운영하는 두 가지 경우를 고려하였다. 해저에 기준점을 정하는 경우에는 설치된 트랜스폰더의 위치를 미리 측정하여 알 수 있으므로, UUV의 절대위치 계산에 두 기준점의 고정 위치값을 이용한다. 수상에 부유된 기준점을 이용하는 경우에는 기준점 위치가 매순간 변하게 되므로, GPS를 추가로 설치하여 음향 응답신호를 송출할 때에 기준점의 위치정보를 함께 포함하는 신호를 전송하여 UUV의 절대위치 계산에 이용한다.
이를 위하여, 본 발명에서는 2개의 기준점에 대한 상대거리를 측정하고, 모선 UUV와의 거리를 측정한 후, 이들 3개의 거리정보와 함께 자선 UUV의 심도 데이터를 포함하여 후처리하는 과정을 통하여 장기선(LBL) 방법으로 위치를 추적하는 방법으로 자선 UUV의 항법시스템을 제안하였다.
거리측정은 모선 UUV가 신호를 발신하면서 시작된다. 모선 UUV는 음향신호를 송출할 때에 자신의 위치를 함께 송신하여 여러 대의 자선 UUV가 모선 UUV의 절대위치를 알 수 있도록 시스템을 구성한다. 한편, 심도 데이터를 이용하는 방법은 임의의 시간에 모선 UUV가 발신하는 음향신호를 이용하더라도 2개 기준점 및 모선 UUV와의 거리측정이 가능하므로, UUV 선단의 시각동기를 맞출 필요가 없는 장점이 있다.
본 발명에서 모선 UUV는 2개 기준점의 거리를 항법에 이용하며, 내장된 IMU 및 심도계 정보를 이용하여 수중복합항법 시스템을 구성하였다. 모선 UUV의 항법시스템은 관성항법시스템의 수학모델에 초음파 거리계의 오차모델을 포함한다. 수중 통합항법시스템은 상태변수가 19차이며, 확장 칼만필터를 이용하여 오차 공분산의 전파와 상태변수를 보정한다. 모선 UUV는 칼만 필터를 통하여 얻어지는 항법시스템의 상태변수 추정치와 측정치의 오차를 이용하여 변수 추정치를 보정하는 방식의 간접되먹임법을 이용한다.
도 1에 보이는 것과 같이, 두개의 계류된 트랜스폰더 또는 부유 트랜스폰더를 기준점(210, 220)으로 이용하는 방법을 고려하였고, 이를 의사 LBL (Pseudo-LBL)로 정의하였다. 본 발명은 의사 LBL을 해저에서 작업중인 모선 UUV(M)의 스트랩다운 관성항법시스템에 대한 보조항법 센서로 활용하는 방법을 이용하며, 자선 UUV(D1)도 동일한 의사 LBL 거리 정보와 모선 UUV(M)과의 거리정보를 이용하는 방법을 제안하였다.
자선 무인잠수정(Daughter UUV)의 항법시스템
본 발명의 구성을 전개함에 있어서, 편의상 모선 UUV의 위치를 미리 알고 있는 경우에 대하여 자선 UUV의 위치를 추정하는 방법을 우선 설명한다.
도 2에 보이는 것과 같이, 임의의 시간에 모선 UUV(M)에 설치된 트랜스듀서(100)를 통하여 음향신호(P)를 방사하면, 2개 기준점 트랜스폰더(210, 220)와 자선 UUV(D1)는 이 신호를 수신한다. 이때 방사된 음향신호(P)에는 모선 UUV(M)의 위치정보를 실어서 보내며, 자선 UUV(D1)는 음향 리시버(310)를 통하여 신호를 수신하고 수신 시간을 기록한다. 2개 기준점 트랜스폰더(210, 220)는 모선 UUV(M)가 보낸 음향신호(P)를 수신한 이후 시간지연(δt)를 갖고 응답신호(Q1, Q2)를 각각 방사한다. 이때에 시간지연(δt)은 자선 UUV(D1)이 작업범위의 가장 먼 곳에 위치한 경우에도 신호(P) 수신을 완료한 후에 신호(Q1, Q2)가 도달할 수 있는 범위의 고정된 값을 갖도록 설계한다. 이들이 방사한 신호를 모선 UUV(M)와 자선 UUV(D1)가 각각 수신한다.
모선 UUV(M)는 두 기준점 사이를 왕복한 이동시간(travel time) T 1과 T 2를 측정하여 거리 R 1과 R 2를 계산하고, 의사 LBL 항법에 의하여 모선 UUV(M)가 자신의 위치를 추정한다. R 1과 R 2를 계산함에 있어서, T 1과 T 2에서 응답지연 시간(δt)를 빼고 계산한다. 자선 UUV(D1)은 두 기준점(210, 220)에서 수신된 신호(Q1, Q2)의 시간을 기록한다. 이때에 자선 UUV(D1)은 모선 UUV(M)에서 방사된 초기 음향 신호(P)와 2개 기준점에서 방사되는 2개 응답신호(Q1, Q2)를 포함하여 3개의 음향신호를 수신 시간 T 0, T 3, T 4를 얻게 된다.
자선 UUV(D1)의 절대위치 (x, y, z)를 얻기 위해서는 3개의 관계식이 필요하다. 자선 UUV(D1)이 모선 UUV(M)으로부터 얻은 음향신호의 수신시간( T 0)에는 모선이 음향신호(P)를 방사한 임의의 시간 τ로부터 거리 D1을 이동하는 시간이 포함되었고, 기준점1(210)의 송출신호(Q1) 수신시간(T 3)의 수신시간에는 거리 R 1과 거리 R 3를 이동한 시간과 시간지연(δt)가 포함되었으며, 기준점2(210)의 송출신호(Q2)의 수신시간(T 4)는 거리 R 2과 거리 R 4를 이동한 시간과 시간지연(δt)가 포함되었다.
모선 UUV(M)의 절대위치를 (X, Y, Z), 기준점1(210), 기준점2(220)의 절대위치를 각각 (X 1, Y 1, Z 1), (X 2, Y 2, Z 2)라고 하면, 자선 UUV(D1)가 각각의 신호를 수신 한 시간을 수식으로 정리하면 다음과 같다.
Figure 112007502570055-PAT00020
(식 1)
Figure 112007502570055-PAT00021
(식 2)
Figure 112007502570055-PAT00022
(식 3)
모선 UUV(M)가 방사한 음향신호(P)의 초기 시간(τ)는 미지수이기 때문에, 관계식에서 미지 시작 시간(τ)를 제거하면 2개의 관계식이 얻어진다. 모선 UUV(M)은 음향신호(P)를 송신할 때에 자신의 위치를 함께 송신하므로, 자선 UUV(D1)은 모선 UUV(M)과 2개 기준점(210, 220)의 절대위치를 알 수 있고, 따라서 변수 R 1과 R 2를 소거할 수 있다. 자선 UUV(D1)의 수심은 내장된 심도계를 이용하여 얻을 수 있고 시간지연(δt)은 고정값이므로, 위의 관계식으로부터 자선 UUV(D1)의 절대위치 (x, y, z)를 구할 수 있다.
따라서, 세 개의 이동시간의 차이를 이용하여 두개의 방정식을 얻으며, 자선 UUV(D1)의 심도 데이터를 이용하여 자선 UUV(D1)의 절대위치를 계산할 수 있다. 자선 UUV(D1)의 의사 LBL 위치추적을 위해서는 심도계(400)와 음향 리시버(310)만 있으면 구현이 가능하다.
이러한 방법으로 구하는 자선 UUV(D1)의 위치는 음향신호가 전달되는 시간 동안에 움직이는 모선 UUV(M)과 자선 UUV(D1)의 운동에 의한 오차가 존재한다. 또 한 음속변동에 따라 거리계산에 오차가 존재한다. 또한 모선 UUV(M)에서 전달되는 모선 UUV의 위치는 음향신호(P)가 방사되는 순간의 위치이므로, 계산되는 자선 UUV(D1)의 위치 데이터는 오차를 포함하게 된다. UUV의 운동과 다중경로에 의한 오차는 칼만필터 모델링을 통하여 제거할 수 있다.
도 3은 n개의 자선 UUV(D1, ... Dn)를 갖는 경우에 대한 개념도를 나타낸다. 두 기준점(210, 220)의 거리 정보를 이용하는 의사 LBL 항법은 하나의 자선 UUV(D1)가 자신의 위치를 추적하는 경우와 다수의 자선 UUV가 각각의 위치를 추적하는 경우의 방법이 동일하게 구현될 수 있다. 자선 UUV에 장착된 음향 리시버(310)은 음향신호를 수신하기만 하면 되므로, 자선 UUV 끼리의 상호 간섭이 없으며, UUV 선단의 항법을 위하여 사용되는 음향신호는 P, Q1, 및 Q3 3개로 충분하다. 각각의 자선 UUV들은 이웃하는 자선 UUV과 무관하게 독립적으로 자신의 위치를 추적할 수 있는 특징을 갖는다.
n번째 자선 UUV(Dn)의 위치를 (x n , y n , z n )이라 하고, Dn이 모선 UUV(M)의 음향신호(P)와 2개 기준점의 음향신호(Q1, Q2)를 수신한 시간을 수식으로 정리하면 다음과 같으며,
Figure 112007502570055-PAT00023
(식 4)
Figure 112007502570055-PAT00024
(식 5)
Figure 112007502570055-PAT00025
(식 6)
n번째 자선 UUV(Dn)는 첫 번째 자선 UUV(D1)과 동일한 방법으로 자신의 위치(x n , y n , z n )를 추정할 수 있다.
모선 무인잠수정(Mother UUV)의 항법시스템
운항중인 모선 UUV(M)에 대한 위치추정은 스트랩다운 관성센서(IMU)를 갖는 선체에서 가속도와 각속도를 계측하고, 물체좌표계를 지구고정좌표계로 변환하여 얻어진 항법방정식에 대하여 센서좌표계의 가속도 및 각속도를 적분함으로써 항주체의 위치변화와 자세를 계산할 수 있다. 본 발명에서는 가속도와 각속도를 직접 적분하지 않고 이들의 미소 변화량에 대한 항법오차방정식을 적분하는 간접방식을 이용하였다. 일반적으로 스트랩다운 관성센서의 가속도 신호와 각속도 신호는 오차성분을 포함하고 있으므로, 관성센서에서 계측된 신호를 적분할 경우에 시간의 제곱에 비례하여 오차가 발생하게 된다. 본 발명에서는 스트랩다운 관성센서의 오차가 불규칙 바이어스 오차와 백색잡음으로 구분될 수 있다.
관성센서의 백색잡음 특성이 변화하지 않는다면 필터를 이용하여 백색잡음을 제거할 수 있지만, 관성센서의 바이어스 오차는 별도로 추정하여 제거하는 것이 필요하다. 본 발명에서는 바이어스 오차를 항법시스템의 상태변수로 정하고 외부의 계측신호를 이용하여 되먹임 방식으로 추정하였다.
도 4는 모선 UUV(M)에 트랜스듀서(100)를 설치하여 음파(P)를 방출하고 2개 기준점(210, 220) 트랜스폰더의 응답신호(Q1, Q2)를 수신하여 거리를 측정하는 개 념을 나타낸다. 모선 UUV(M)은 수중음파의 이동시간(T 1, T 2)을 측정하고, 지연시간(δt)을 측정하여 모선 UUV(M)과 두 기준점 사이의 거리를 측정할 수 있다. [도 4]에서 두 기준점(210, 220)의 위치는 지구고정좌표계에 대하여 각각 (X r 1, Y r 1, Z r 1), (X r 2, Y r 2, Z r 2)이고, 모선 UUV(M)와의 거리는 R 1, R 2이며, 모선 UUV(M)의 중심위치는 (X, Y, Z)이다.
의사 LBL의 거리정보를 스트랩다운 관성항법시스템의 보조센서로 활용하기 위해서는 거리측정 오차모델이 필요하다. 두 기준점과의 거리 R 1, R 2는 다음으로 표기될 수 있다.
Figure 112007502570055-PAT00026
(식 7)
Figure 112007502570055-PAT00027
(식 8)
여기서,
Figure 112007502570055-PAT00028
(식 9)
Figure 112007502570055-PAT00029
(식 10)
항법시스템에는 위치추정 오차가 존재하므로 거리추정에도 오차가 존재한다. 거리추정 오차모델은 거리 추정오차 δR 1과 δR 2을 이용하여 다음과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112007502570055-PAT00030
(식 11)
Figure 112007502570055-PAT00031
(식 12)
거리측정 오차는 바이어스 오차와 백색잡음 오차로 구분할 수 있다.. 거리측정치의 바이어스 오차는 초음파 신호가 전파·수신되는 시간지연에 모선 UUV(M)가 이동하는 것, 음속 오차, 다중 경로에 기인하는 위치오차 등이 있다. 또한 수중진수장치의 거리는 수중진수장치의 드리프트 운동으로 유발되는 바이어스 오차 성분이 추가된다. 거리측정의 백색잡음을 υ R ' 바이어스 오차를 R b 라고 표기하면, 두 거리측정 모델 R 1 meas 및 R 2 meas 는 다음과 같이 각각 나타낼 수 있다.
Figure 112007502570055-PAT00032
(식 13)
Figure 112007502570055-PAT00033
(식 14)
따라서, 거리 R 1, R 2에 대하여 추정치와 측정치의 오차모델은 다음으로 얻어진다.
Figure 112007502570055-PAT00034
(식 15)
Figure 112007502570055-PAT00035
(식 16)
의사 LBL의 거리측정센서 외에도 무인잠수정의 보조항법 센서로 심도계, 도플러 속도계 및 방위계가 쓰일 수 있다. 심도계, 방위계의 오차도 같은 방법으로 랜덤변수와 백색잡음으로 모델링될 수 있다. 스트랩다운 IMU로부터 얻어지는 추정변수
Figure 112007502570055-PAT00036
,
Figure 112007502570055-PAT00037
와 계측오차 h meas'
Figure 112007502570055-PAT00038
meas의 차이는 다음으로 모델링 된다.
Figure 112007502570055-PAT00039
(식 17)
Figure 112007502570055-PAT00040
(식 18)
여기서, δ 성분은 각 변수의 추정오차를 나타내며, h b 는 심도계의 바이어스,
Figure 112007502570055-PAT00041
b 는 방위각 바이어스, C
Figure 112007502570055-PAT00042
은 물체고정좌표계에서 항법좌표계로의 변환행렬, Φ는 모선 UUV (M)의 오일러 자세각이다.
의사 LBL의 수중음향 트랜스듀서를 이용한 거리측정치를 보조센서로 사용하고, 심도, 도플러 속도계 및 방위계를 이용하는 스트랩다운 IMU 항법시스템의 상태 방정식은 다음으로 정리된다.
Figure 112007502570055-PAT00043
(식 19)
여기서,
Figure 112007502570055-PAT00044
(식 20)
F(t)는 스트랩다운 IMU의 시스템 행렬로서, 모선 UUV(M)의 위치, 속도, 자세를 계산하는 항법방정식의 미소변화량에 대한 오차방정식으로부터 얻어진다. 시스템의 상태변수 x(t)는 19개의 상태오차를 나타내며, δL과 δl은 위도 및 경도 오차, δh는 고도오차, δV n 는 3차의 속도오차 벡터,
Figure 112007502570055-PAT00045
는 3차의 모선 UUV(M) 자세오차 벡터, ∇ a 및 ε g 는 가속도계 및 자이로의 바이어스 오차 벡터,
Figure 112007502570055-PAT00046
b 는 방위각 바이어스 오차를 나타낸다. 계측오차 w는 제로 평균이며 오차공분산이 Q(t)인 가속도계 및 자이로의 백색 노이즈를 나타낸다.
(식 15), (식 16)에서 X, Y, Z를 지구반경을 고려하여 L, l, h로 치환하고, (식 15) 내지 (식 18)을 오차상태변수로 재구성하면 k번째 시간 스텝에서 얻어지는 측정 방정식은 다음과 같이 표현된다.
Figure 112007502570055-PAT00047
(식 21)
Figure 112007502570055-PAT00048
여기서,
Figure 112007502570055-PAT00049
(식 22)
이고, ＾은 추정치를 나타내며, υ(tk)는 각 센서의 측정오차를 나타낸다.
모선 UUV(M)의 항법시스템은 항법방정식(식 19)과 측정식(식 21)으로 구성된다. 항법오차의 추정은 확장 칼만필터를 통하여 이루어지며, 간접되먹임방식으로 최종 항법해가 얻어진다. 이 항법시스템은 보조센서의 신호가 없는 경우에는 확장 칼만필터를 이용하여 IMU 단독으로 위치를 추정하며, 외부의 측정신호가 유효한 경우에 오차행렬과 상태변수를 보정한다. 도 5는 확장형 칼만필터를 이용하여 모선 UUV(M)의 위치, 자세, 속도를 추정하는 멀티-레이트 항법시스템의 구성도를 나타내는 그림이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
모선 UUV는 2개 기준점에 대한 거리측정을 위한 음향 트랜스듀서와 IMU를 장착하여 항법시스템을 구성하고, 자선 UUV들은 단순히 음향수신기와 심도계를 장착 함으로써, 무인잠수정 선단의 항법 시스템이 구현된다. 모선 UUV는 2개 기준점과의 거리와 내장된 IMU 센서를 이용하여 위치를 주어하며, 자선 UUV들은 모선 AUV의 위치정보와 함께 2개 기준점과의 거리 및 모선 UUV의 거리를 측정하여 의사 LBL 방법으로 각각의 위치를 측정하게 된다. 따라서 자선 UUV에는 고가의 관성센서 또는 속도센서가 필요하지 않은 장점이 있다.
2개의 기준점을 이용하는 방법은 적성국가 연안에 설치된 기뢰제거 (MCM, mine counter measure) 작업을 위하여 먼 바다에서 해저 또는 수상에 2곳의 기준위치를 안전하게 설치하고 연안으로 진입하는 방향으로 UUV를 보내어 기뢰를 제거하는 작전을 수행할 수 있는 특징이 있다. 또한, 두 기준점에 대한 거리 정보를 이용하는 모선 UUV의 Pseudo LBL 항법은 관성항법시스템이 갖는 위치추적오차의 누적을 피하면서, 2개의 트랜스폰더를 이용하므로 LBL 운용을 위하여 3-4개의 트랜스폰더를 설치하는 것보다 운용이 편리한 이점이 있다.
의사 LBL 항법시스템을 이용하는 무인잠수정 선단는 UUV 개수가 증가함에 따라 위치추정 시간 지연이 존재하지 않는다. 또한, 각각의 자선 UUV는 신호를 수신하기만 하면 되기 때문에 UUV 선단의 수중통신을 위한 주파수 할당이나 통신시간 대역을 스케쥴링할 필요가 없는 장점이 있다.
이 방법은 다수 선단의 대형제어(Formation Control)에 적합하며, 모선이 통신할 수 있는 범위 내에서는 UUV의 효율적인 항법 및 제어 시스템 구현이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

Claims (2)

  1. 수중통신 기능을 갖는 음향 트랜스듀서(100), 심도계(400), 운동계측을 위한 관성센서(500)가 설치되어 있는 모선 무인잠수정(M); 음향신호 수신용 단방향 리시버(310), 심도계(400)가 설치되어 있는 n개의 자선 무인잠수정(D1, ... Dn); 및 위치가 알려진 2개 기준점에 설치되어 있는 수중통신 기능을 갖는 음향 트랜스폰더(210, 220)를 포함하여 이루어지며, 2개의 기준점에 대한 거리정보와 관성센서를 이용하여 의사 단기선 위치추적(PLBL; Pseudo Long Base Line)의 원리에 근거하여 작동하는 무인잠수정 선단의 수중항법시스템에 있어서,
    모선 무인잠수정(M)이 자신의 위치를 음향 트랜스듀서(100)을 통하여 신호(P)를 송신하면; 2개의 기준점 각각의 음향 트랜스폰더(210, 220)는 신호(P)를 수신한 후 일정 시간지연(δt)을 갖고 응답신호(Q1, Q2)를 응답하며; n개의 자선 무인잠수정(D1, ... Dn)은 신호(P)를 각각 수신하여 수신시간(T 0,... T 0 n )을 기록하고, 신호(P)로부터 모선 무인잠수정(M)의 위치를 수신하며, 이후 신호(Q1, Q2)를 수신하여 각각의 신호수신시간 (T 0, T 3, T 4),...(T 0 n , T 2 n +1, T 2 n +2)을 측정하고, 지연시간(δt)와 심도신호(400)를 고려하여 2개 기준점(210, 200)과 모선 무인잠수정(M)의 거리를 계산하고 3각 측량법으로 자선 무인잠수정(D1, ... Dn) 각각의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 2개의 기준점에 대한 거리정보와 관성센서를 이용한 무인잠수정 선단의 수중항법시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    모선 무인잠수정(M)은,
    2개 기준점 각각의 음향 트랜스폰더(210, 220)로부터 일정 시간지연(δt)을 갖고 응답되는 신호(Q1, Q2)를 수신하고, 신호수신시간 (T 1, T 2)을 측정하고, 지연시간(δt)을 고려하여 2개 기준점(210, 200)과 모선 무인잠수정(M)의 거리(R 1, R 2)를 계산하며; 모선 무인잠수정(M)에 설치된 관성센서를 기반으로 항법을 위한 상태변수를 구성하고, 확장형 칼만필터를 이용하며; 2개 거리 계측 신호, 심도, 방위 데이터를 측정신호로 하여 수중위치, 자세, 속도 등의 항법데이터를 계산하는 것을 특징으로 하는 2개의 기준점에 대한 거리정보와 관성센서를 이용한 무인잠수정 선단의 수중항법시스템.
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