KR20190001831A - 발사관의 롤 회전을 이용한 관성항법장치 비정렬각 산출 방법 및 그 장치 - Google Patents

발사관의 롤 회전을 이용한 관성항법장치 비정렬각 산출 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관성항법장치의 초기자세 정확도 만족과 빠른 초기정렬을 위한 사전 정렬로서, 특히 수평자세에서 발사관의 롤 회전을 이용하여 세 축(x축, y축, z축)의 비정렬각을 산출하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 비정렬각을 산출하는 방법은, 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치의 가속도계의 가속도값을 검출하는 단계와; 상기 발사관의 롤 회전을 이용하여 상기 관성항법장치의 x축, y축, z축의 비정렬각을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

발사관의 롤 회전을 이용한 관성항법장치 비정렬각 산출 방법 및 그 장치{METHOD FOR CALCULATING TILT ANGLE OF INS USING ROLL ROTATION OF LAUNCH TUBE AND APPARATUS THEREOF}
본 발명은 관성항법장치(inertial navigation system, INS)의 초기정렬을 위한 사전 정렬에 관한 것으로서, 수평자세에서 발사관의 롤 회전을 이용하여 발사관 기준면과 발사관내 관성항법장치의 세 축(x축, y축, z축)의 비정렬각을 산출하는 방법에 관한 것이다.
관성측정기에는(IMU: Inertial Measurement Unit)는 서로 직교하는 3개의 축에 각속도를 감지하는 자이로스코프(Gyroscope)와 선형가속도를 감지하는 가속도계(Accelerometer)가 각각 장착되어 있다. 관성항법장치(INS: Inertial Navigation System)는 외부의 도움 없이 관성측정기에서 출력되는 자이로스코프와 가속도계 정보를 이용하여 단독으로 항법을 수행하는 장치이며, 고속으로 위치, 속도, 자세 정보를 제공할 수 있다.
관성항법장치의 초기정렬은 항법 수행을 위한 항법장치의 초기 자세를 찾는 과정으로, 관성측정기 또는 관성센서를 기준으로 항체의 동체좌표계와 항법좌표계 사이의 좌표변환 행렬을 결정하는 것이다. 초기정렬에는 정지 상태에서 외부 도움 없이 가속도계와 자이로스코프의 출력을 중력 가속도와 지구회전 각속도와 비교하여 자세를 찾는 자체정렬(self alignment)과, 외부로부터 위치, 속도, 자세 정보를 입력 받아 자세를 구하는 전달정렬(transfer alignment), 원샷(One-Shot) 정렬 등이 있다.
자체정렬은 관성항법장치에 적용된 관성 센서의 성능과 외란에 의해 정확도가 결정된다. 지구회전각속도의 경우 매우 작은 값이기 때문에 스스로 정확도 높은 방위각을 찾기 위해서는 매우 정밀한 자이로스코프가 필요하다.
전달정렬은 주 관성항법장치(Master INS)로부터 속도나 자세 정보를 실시간으로 입력받아 속도 또는 자세 정합을 통해 정확도 높은 주관성항법장치와 종 관성항법장치(Slave INS)사이의 장착 비정렬각을 추정하는 방식으로, 자체 정렬에 비해 초기자세를 정확하고 빠르게 구할 수 있다.
원샷(One-Shot) 정렬은 정밀한 주 관성항법장치의 항법 정보를 전달 받아 정밀도가 다소 저하된 종 관성항법장치의 위치, 속도, 자세를 신속히 결정하는 방법이다. 주 관성항법장치의 항법 정보를 보상하여 종 관성항법장치의 초기 값(위치, 속도, 자세)을 구하기 때문에 주 관성항법장치와 종 관성항법장치 사이의 거리와 비정렬각을 사전에 구해야만 한다. 따라서 빠른 원샷 정렬을 위해서는 임무 수행 전 장착 비정렬각을 찾아 저장하는 사전정렬의 과정이 필요하다.
한국 공개 특허 번호: 10-2008-0086711(공개일자: 2008.09.26)
본 발명의 목적은, 발사관 내 항체에 장착된 관성항법장치(inertial navigation system, INS)의 초기정렬을 위한 사전 정렬로서, 수평자세에서 발사관의 롤 회전을 이용하여 발사관 기준 자세와 관성항법장치 사이세 축(x축, y축, z축)의 비정렬각을 산출하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 빠른 초기정렬을 위한 사전 정렬의 방법으로 수평자세에서 롤 회전만을 이용하여 관성항법장치의 세 축의 비정렬각을 산출하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기와 같이 관성항법장치의 세 축 비정렬각 계산시 가격이 비싼 정밀한 주 관성항법장치가 아닌 가격이 저렴한 정밀 수평계나 관성측정기 또는 자체정렬을 할 수 없는 종 관성항법장치를 이용하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 다수의 종 관성항법장치가 장착된 발사관에서도 상기 방법을 이용하여 각각의 종 관성항법장치의 세 축 비정렬각을 산출하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 사전에 저장된 세 축의 비정렬각과 주 관성항법장치의 항법 정보를 이용하여 항체의 초기 자세를 신속하게 결정하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 발사관의 롤 회전을 이용한 발사관 내 관성항법장치의 비정렬각 산출 방법은, 발사대에 장착되는 발사관에 360도 롤(Roll) 회전이 가능한 회전 치구(회전 구조물)를 장착하는 단계와;
발사관의 롤 각(roll angle)이 0이 되도록 발사관을 고정시키고, 그 발사관에 수평계를 장착하는 단계와;
발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치의 가속도계의 가속도값을 검출하는 단계와;
상기 발사관의 롤 각이 0일 때 그 관성항법장치의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제1 자세를 계산하는 단계와;
상기 롤 각이 0일 때 상기 수평계에서 측정된 발사대의 기준 자세와 상기 관성항법장치의 제1 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 y축의 제1 비정렬각을 구하는 단계와;
상기 발사관의 롤 각이 90도일 때 그 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치(종 관성항법장치)의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제2 자세를 계산하는 단계와;
상기 롤 각이 90일 때 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세와 상기 계산된 제2 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 z축의 제2 비정렬각을 구하는 단계와;
발사관의 롤 각이 180일 때 그 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치(종 관성항법장치)의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제3 자세를 계산하는 단계와;
상기 롤 각이 180일 때 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세와 계산된 제3 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 y축의 제3 비정렬각을 구하는 단계와;
상기 발사관의 롤 각이 270도일 때 그 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치(종 관성항법장치)의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제4 자세를 계산하는 단계와;
상기 롤 각이 270일 때 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세와 상기 계산된 제4 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 z축의 제4 비정렬각을 구하는 단계와;
상기 계산된 제1 내지 제4 비정렬각을 평균화하여 관성항법장치의 세 축(x축, y축, z축)의 비정렬각을 산출하고, 이를 저장부에 저장하는 단계를 포함한다.
상기 관성항법장치의 제1 자세를 계산하는 단계는,
Roll =
Figure pat00001
, Pitch =
Figure pat00002
식을 통해 계산되며,
Figure pat00003
는 상기 관성항법장치의 X축, Y축, Z축 가속도계에서 출력되는 평균 가속도 값을 나타낸다.
상기 관성항법장치의 x축과 z축의 제2 비정렬각(
Figure pat00004
,
Figure pat00005
)을 구하는 단계는,
Figure pat00006
= Roll Ref.Roll,
Figure pat00007
= Pitch Ref.Pitch 식을 통해 계산되며, 상기 Ref.Roll, Ref.Pitch는 발사관의 기준 자세를 나타낸다.
상기 관성항법장치의 제2 자세를 계산하는 단계는, Roll =
Figure pat00008
, Pitch =
Figure pat00009
을 통해 계산된다.
상기 관성항법장치의 x축과 z축의 제2 비정렬각(
Figure pat00010
,
Figure pat00011
)을 구하는 단계는,
Figure pat00012
= Roll Ref.Roll,
Figure pat00013
= -Pitch Ref.Pitch 식을 통해 계산된다.
상기 관성항법장치의 제3 자세를 계산하는 단계는, Roll =
Figure pat00014
, Pitch =
Figure pat00015
식을 통해 계산된다.
상기 관성항법장치의 x축과 y축의 제3 비정렬각(
Figure pat00016
,
Figure pat00017
)을 구하는 단계는,
Figure pat00018
= Roll Ref.Roll,
Figure pat00019
= -Pitch Ref.Pitch 식을 통해 계산된다.
상기 관성항법장치의 제4 자세를 계산하는 단계는, Roll =
Figure pat00020
, Pitch =
Figure pat00021
식을 통해 계산된다.
상기 관성항법장치의 x축과 z축의 제4 비정렬각(
Figure pat00022
,
Figure pat00023
)을 구하는 단계는,
Figure pat00024
= Roll Ref.Roll,
Figure pat00025
= Pitch Ref.Pitch 식을 통해 계산된다.
상기 구한 제1 내지 제4 비정렬각들을 근거로 상기 관성항법장치의 x축, y축, z축의 비정렬각(
Figure pat00026
)을
Figure pat00027
,
Figure pat00028
,
Figure pat00029
식을 통해 계산한다.
본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치의 비정렬각 산출 방법은, 수평자세에서 롤 회전을 이용하여 발사관의 수직자세가 없어도 세 축의 비정렬각을 구할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치의 비정렬각 산출 방법은, 상기와 같이 수평계를 이용하여 정밀한 주 관성항법장치가 없어도 세 축의 비정렬각을 구할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치의 비정렬각 산출 방법은, 상기와 같이 세 축의 비정렬각을 계산하여, 기존 One-Shot 정렬에서 수직상태에서 가속도계의 측정값을 이용하지 않고도 목표 정렬 정확도를 만족하는 초기정렬을 수행할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치의 비정렬각 산출 방법은, 상기와 같이 사전에 저장된 세 축의 비정렬각과 주관성항법장치의 항법 정보를 이용하여 항체의 초기 자세를 신속하게 결정할 수 있다. 따라서 초기정렬 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단일 발사관의 롤 회전과 수평계를 이용한 발사관 내 관성항법장치의 비정렬각 산출 장치를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발사관의 롤 회전을 이용한 관성항법장치의 비정렬각 산출 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 발사관의 롤 각에 따른 발사관내 관성항법장치의 축과 수평 자세 계산을 위한 가상의 축을 정의한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다수 발사관의 롤 회전과 관성측정기 또는 관성항법장치를 이용하여 발사관 내 관성항법장치의 비정렬각 산출 장치를 나타낸 다른 예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 항체 내 관성항법장치의 비정렬각을 이용한 관성항법장치의 초기 정렬 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는, 관성항법장치(inertial navigation system, INS)의 초기정렬을 위한 사전 정렬로, 수평자세에서 발사대의 롤 회전을 이용하여 세 축(x축, y축, z축)의 비정렬각을 산출하는 방법을 설명한다.
예를 들면, 관성항법장치가 적용된 수직 발사체의 경우 발사 전 가속도계의 출력과 주 관성항법장치의 정보를 이용한 One-Shot 정렬이 주로 사용되며, 초기정렬은 수초간 수행하게 된다. One-Shot 정렬은 수평 자세에서 주 관성항법장치와 종 관성항법장치의 x축 y축 비정렬각
Figure pat00030
을 계산하고, 수직 상태에서 등가선형변환을 이용하여 z축 비정렬각
Figure pat00031
을 계산하여 초기정렬을 수행한다. 이러한 방법은 z축 비정렬각을 계산하기 위해서는 발사대를 수직상태에서 수 초간 초기정렬을 수행해야만 한다. 따라서 상기와 같은 방법은 세 축의 비정렬각을 구하기 위해서는 반드시 정밀한 주 관성항법장치가 필요하며, 발사대의 수평자세와 수직자세가 필요하게 된다.
본 발명은 관성항법장치가 적용된 항체의 빠르고 목표하는 정확도를 만족하는 초기정렬을 수행하기 위하여, 사전에 수평상태에서 발사관의 롤 회전을 이용하여 관성항법장치의 세 축(x축, y축, z축)의 비정렬각
Figure pat00032
을 산출하는 방법을 설명한다. 발사관 내 항체에 있는 종 관성항법장치와 발사관 기준 자세 사이의 비정렬각을 사전에 식별하여 보상하면 수직자세에서 가속도계를 이용한 추가적인 초기정렬 없이 바로 초기자세를 구할 수 있다. 발사관의 기준자세는 수평계나 관성측정기 또는 관성항법장치를 이용한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발사관의 롤 회전을 이용한 발사관 내 관성항법장치의 비정렬각 산출 장치를 나타낸 예시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비정렬각 산출 장치는,
하나의 발사관(101)과;
발사관(101)을 회전시키기 위한 회전 치구(회전 구조물)(102)와;
발사관(101)의 기준면(후단 또는 밑단)에 기준면 자세 계산을 위한 수평계(104)와;
발사관(101)의 롤 회전을 이용하여 발사대 내 관성항법장치의 세축의 비정렬각을 산출하는 제어부(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 비정렬각 산출 장치는, 발사관(101)의 일측(후단 또는 밑단)에 장착된 수평계 치구(103)를 더 포함 할 수 있으며, 상기 수평계(104)는 수평계 치구(103)에 탈착 또는 부착가능하게 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제어부(도시하지 않음)는 항체에 장착되고, 발사관(101)의 롤 회전을 이용하여 관성항법장치의 세 축의 비정렬각을 산출한다.
발사대에 장착되는 발사관(101)에는 360도 롤(Roll) 회전이 가능한 회전 치구(회전 구조물)(102)가 장착되며, 그 발사관의 롤 각(roll angle)이 0이 되도록 발사관을 고정시키고, 그 발사관(104)에 수평계를 장착한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제어부는, 발사관 내의 항체에 설치된 종 관성항법장치(이하에서는 관성항법장치로 칭함)의 가속도계의 가속도값을 검출한다.
제어부는 상기 발사관의 롤 각이 0(201)일 때 그 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치(종 관성항법장치)의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제1 자세를 계산한다.
상기 롤 각이 0일 때 상기 수평계에서 측정된 발사대의 기준 자세와 상기 관성항법장치의 제1 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 y축(202)의 제1 비정렬각을 구한다.
이후, 발사관(101)의 롤 각이 0도에서 90도가 되도록 발사관을 회전시켜 고정한 후 발사관(101)의 수평계 치구(103)에 수평계를 재장착하며, 이는 설계자 또는 사용자에 의해 수행될 수 있거나, 발사관(101)의 롤 각이 0도, 90도, 180도, 270도가 되도록 회전 치구(102)를 회전시키는 제1 구동부와, 발사관(101)의 롤 각이 변경되어도 수평계 치구(103)에 장착된 수평계가 항상 수평을 유지하도록 수평계 치구(103)를 회전시키는 제2 구동부가 본 발명의 실시예에 따른 비정렬각 산출 장치에 더 포함될 수 있다. 제어부는 제1 및 제2 구동부를 제어할 수도 있다. 예를 들면, 제어부는 발사관(101)의 롤 각이 0도, 90도, 180도, 270도가 되도록 회전 치구(102)를 회전시키는 제1 구동부를 제어하고, 발사관(101)의 롤 각이 0도에서 90도, 180도, 270도로 변경되어도 수평계 치구(103)에 장착된 수평계가 항상 수평을 유지하도록 수평계 치구(103)를 회전시키는 제2 구동부를 제어할 수도 있다.
제어부는 상기 발사관의 롤 각이 90도일 때 그 발사관(101) 내의 항체에 설치된 관성항법장치(종 관성항법장치)의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제2 자세를 계산한다. 즉, 제어부는 롤 각이 90도가 된 관성항법장치의 축(203)을 가상의 수평축(204)으로 변환하여 관성항법장치의 제2 자세를 계산한다.
제어부는 상기 롤 각이 90일 때 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세와 상기 계산된 제2 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 z축(204)의 제2 비정렬각을 구한다.
이후, 발사관(101)의 롤 각이 180이 되도록 회전치구(102)를 회전시킨 후 고정시키고 발사관(101)에 수평계(104)를 재장착한다. 즉, 발사관(101)의 롤 각이 180이 되어도 수평계(104)가 수평을 유지하도록 그 수평계(104)를 재장착한다.
제어부는 상기 발사관의 롤 각이 180도일 때 그 발사관(101) 내의 항체에 설치된 관성항법장치(종 관성항법장치)의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제3 자세를 계산한다. 즉, 제어부는 롤 각이 180도가 된 관성항법장치의 축(205)을 가상의 수평축(206)으로 변환하여 관성항법장치의 제3 자세를 계산한다.
제어부는 상기 롤 각이 180일 때 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세와 계산된 제3 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 y축(206)의 제3 비정렬각을 구한다.
이후, 발사관(101)의 롤 각이 270도가 되도록 회전치구(102)를 회전시킨 후 고정시키고 발사관(101)에 수평계(104)를 재장착한다. 즉, 발사관(101)의 롤 각이 270도가 되어도 수평계(104)가 수평을 유지하도록 그 수평계(104)를 재장착한다.
제어부는 상기 발사관의 롤 각이 270도일 때 그 발사관(101) 내의 항체에 설치된 관성항법장치(종 관성항법장치)의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제4 자세를 계산한다. 즉, 제어부는 롤 각이 270도가 된 관성항법장치의 축(207)을 가상의 수평축(208)으로 변환하여 관성항법장치의 제4 자세를 계산한다.
제어부는 상기 롤 각이 270일 때 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세와 상기 계산된 제4 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 z축(208)의 제4 비정렬각을 구한다.
제어부는 상기 계산된 제1 내지 제4 비정렬각을 평균화하여 관성항법장치의 세 축(x축, y축, z축)의 비정렬각을 산출하고, 이를 저장부(도시하지 않음)에 저장한다.
제어부는 상기 저장된 세 축(x축, y축, z축)의 비정렬각을 이용하여 관성항법장치의 초기정렬을 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발사관의 롤 회전을 이용한 관성항법장치의 비정렬각 산출 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 발사관의 롤 각에 따른 발사관내 관성항법장치의 축과 가상의 수평축을 정의한 예시도이다.
먼저, 발사대에 장착되는 발사관(101)은, 발사관(101)을 감싸도록 형성되고, 발사관(101)과 함께 360도 롤(Roll) 회전이 가능한 회전 치구(회전 구조물)(102)에 장착된다. 예를 들면, 수평상태에서 발사관(101)의 롤 각을 0도로 하고 발사관의 기준이 되는 면에 수평계 치구(103)를 장착하고, 그 수평계 치구(103)에 수평계(104)를 장착한다. 이때, 발사관 내 항체에 장착된 관성항법장치의 축은 발사관의 축(201)과 동일하다고 가정한다.
제어부는, 관성항법장치의 세 축의 비정렬각을 계산하기 위해, 관성항법장치에서 출력되는 가속도 값을 검출하고(S11), 그 가속도 값을 이용하여 X축과 Y축의 자세인 롤(Roll)과 피치(Pitch)에 대한 자세를 구한다. 제어부는 관성항법장치에 연결될 수 있다.
제어부는, 관성항법장치의 X축, Y축, Z축 가속도계에서 출력되는 가속도 값을
Figure pat00033
라고 가정하고, 센서 노이즈를 감소시키기 위하여 평균 가속도 값(
Figure pat00034
)을 구한다. 예를 들면, 제어부는 센서 노이즈를 감소시키기 위하여 1초 내지 10초 간의 평균 가속도 값(
Figure pat00035
)을 구한다.
제어부는 가속도 값(
Figure pat00036
)을 이용하여 발사관(101)의 롤 각이 0도일 때 관성항법장치의 자세인 롤(Roll)과 피치(Pitch)의 자세(관성항법장치의 제1 자세)를 수학식 1과 같이 구한다(S12, S16).
도면 3의 도면 부호 201은 롤 각이 0도 일 때 발사관(101)과 관성항법장치의 축을 정의한 것이고, 도면 부호 202는 롤 각이 0도 일 때 관성항법장치의 가상 축을 정의한 것이다.
Figure pat00037
제어부는 수평계(104)로부터 구한 발사관(101)의 기준자세인 롤(Roll)과 피치(Pitch)를 “Ref. Roll”, “Ref. Pitch”라 가정하고, 롤 0 도에서 발사관내 항체에 장착된 관성항법장치의 x축과 y축의 비정렬각(
Figure pat00038
,
Figure pat00039
)을 수학식 2와 같이 구한다(S20).
Figure pat00040
Figure pat00041
= Pitch Ref.Pitch
다음으로, 발사관(101)의 롤 각이 90도(203)가 되도록 회전 치구(102)를 회전시킨다. 발사관의 기준이 되는 면에 수평계 치구(103)를 장착하면 이때의 관성항법장치의 축은 도 3의 부호203과 같다. 이때 관성항법장치에서 출력되는 z축 값의 부호를 바꾸면 롤 0과 같이 수평상태의 축(204)이라 가정을 하고, 관성항법장치에서 출력되는 가속도 값을 이용하여 X축과 Z축의 가상의 수평자세인 롤(Roll)과 피치(Pitch)를 구할 수 있다. 이때 제어부는 발사관(101)의 롤 각이 90도일 때 그 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치(종 관성항법장치)의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제2 자세인 롤과 피치의 자세(관성항법장치의 제2 자세)를 수학식 3과 같이 구한다(S13, S17).
도면 3의 도면 부호 203은 롤 각이 90도 일 때 발사관(101)과 관성항법장치의 축을 정의한 것이고, 도면 부호 204는 롤 각이 90도 일 때 관성항법장치의 가상 축을 정의한 것이다.
Figure pat00042
제어부는 상기 롤 각이 90일 때 상기 계산된 제2 자세와 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 z축의 제2 비정렬각을 구한다(S21). 즉, 제어부는, 수평계로부터 구한 발사관의 기준 자세와 롤 90도일 때 관성항법장치의 제2 비정렬각을 수학식 4와 같이 구한다. 가상의 수평축에서 z축의 부호는 반대이므로 Pitch 값은 부호가 반대가 된다.
Figure pat00043
Figure pat00044
= -Pitch Ref.Pitch
다음으로, 발사대의 롤 자세가 180도가 되도록 회전 치구를 회전시킨다. 발사대의 기준이 되는 면에 수평계 치구(103)를 장착한다. 이때 관성항법장치의 축은 도3의 부호 205와 같다. 이때 관성항법장치에서 출력되는 y축과 z축 값의 부호를 바꾸면 롤 0과 같이 수평상태의 축(206)이라 가정을 하고, 관성항법장치에서 출력되는 가속도 값을 이용하여 X축과 Y축의 가상의 수평자세인 롤(Roll)과 피치(Pitch)를 구할 수 있다. 이때, 제어부는 발사관(101)의 롤 각이 180도일 때 그 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치(종 관성항법장치)의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제3 자세인 롤과 피치의 자세(관성항법장치의 제3 자세)를 수학식 5와 같이 구한다(S14, S18).
도면 3의 도면 부호 205는 롤 각이 180도 일 때 발사관(101)과 관성항법장치의 축을 정의한 것이고, 도면 부호 206은 롤 각이 180도 일 때 관성항법장치의 가상 축을 정의한 것이다.
Figure pat00045
제어부는 상기 롤 각이 180일 때 상기 계산된 제3 자세와 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 y축의 제3 비정렬각을 구한다(S22). 즉, 제어부는, 수평계로부터 구한 발사대의 기준자세와 롤 180도에서 관성항법장치와 발사대 사이의 비정렬각을 구하면 수학식 6과 같다. 가상의 수평축에서 y축의 부호는 반대이므로 Pitch 값은 부호가 반대가 된다.
Figure pat00046
Figure pat00047
= -Pitch Ref.Pitch
다음으로, 발사관(101)의 롤 각이 270도가 되도록 회전 치구(102)를 회전시킨다. 발사관(101)의 기준이 되는 면에 수평계 치구(103)를 장착한다. 이때 관성항법장치의 축은 도3의 부호 207과 같다. 이때 관성항법장치에서 출력되는 y축 값의 부호를 바꿔서 롤 0과 같이 수평상태의 축(208)이라 가정을 하고, 관성항법장치에서 출력되는 가속도 값을 이용하여 X축과 Z축의 가상의 수평자세인 롤(Roll)과 피치(Pitch)를 구할 수 있다. 이때, 제어부는 발사관(101)의 롤 각이 270도일 때 그 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치(종 관성항법장치)의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제3 자세인 롤과 피치의 자세(관성항법장치의 제3 자세)를 수학식 7과 같이 구한다(S15, S19).
도면 3의 도면 부호 207은 롤 각이 270도 일 때 발사관(101)과 관성항법장치의 축을 정의한 것이고, 도면 부호 208는 롤 각이 270도 일 때 관성항법장치의 가상 축을 정의한 것이다.
Figure pat00048
제어부는 상기 롤 각이 270일 때 상기 계산된 제4 자세와 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 z축의 제4 비정렬각을 구한다(S23). 즉, 제어부는, 수평계로부터 구한 발사대 기준자세와 롤 270도에서 관성항법장치와 발사대 사이의 비정렬각을 구하면 수학식 8과 같다.
Figure pat00049
Figure pat00050
= Pitch Ref.Pitch
제어부는, 상기 구한 제1 내지 제4 비정렬각들을 근거로 세축의 비정렬각
Figure pat00051
을 수학식 9와 같이 구한다(S24).
Figure pat00052
Figure pat00053
Figure pat00054
제어부는 상기 구한 세 축의 비정렬각
Figure pat00055
을 항체의 메모리에 저장을 한다(S25). 발사관이 수직 발사대에 장착되고 정밀한 항법장치의 정보가 발사대까지 보상되어 입력되면 종 관성항법장치는 이를 이용하여 빠르게 초기자세를 구할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 비정렬각 산출 장치 및 그 방법은, x축과 y축의 비정렬각
Figure pat00056
와
Figure pat00057
를 구하기 위해 롤 0도 또는 180도를 회전하는 것과 x축과 z축의 비정렬각
Figure pat00058
와
Figure pat00059
를 구하기 위해 롤 90도 또는 롤 270도를 회전하는 단계를 세트로 사용하여
Figure pat00060
,
Figure pat00061
,
Figure pat00062
를 구할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다수의 발사관 세트의 롤 회전을 이용하여 발사관 내 항체에 장착된 관성항법장치의 비정렬각 산출 장치를 나타낸 다른 예시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 비정렬각 산출 장치는,
다수의 다발로 구성된 발사관(401)과;
발사관(401)을 회전시키기 위한 회전 치구(회전 구조물)(402)와;
발사관(401)의 일측에 장착된 관성측정기(또는 관성항법 장치)(404)와;
발사관(401)의 롤 회전을 이용하여 항체 내 관성항법장치의 세축의 비정렬각을 산출하는 제어부(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 비정렬각 산출 장치는, 다수의 다발로 구성된 발사관(401)의 일측(후단)에 장착된 관성측정기(또는 관성항법 장치) 장착 치구(403)를 더 포함 할 수 있으며, 관성측정기(또는 관성항법 장치)(404)는 상기 관성측정기(또는 관성항법 장치) 장착 치구(403)에 탈착 또는 부착가능하게 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제어부(도시하지 않음)는 발사관(401)의 롤 회전을 이용하여 상기 항체에 장착된 관성항법장치의 세 축의 비정렬각을 산출한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 항체에 장착된 관성항법장치의 비정렬각을 이용한 관성항법장치의 초기 정렬 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제어부는,
관성항법장치의 비정렬각을 이용한 초기정렬 방법은, 수평자세에서 롤 회전을 이용하여 관성항법장치(예를 들면, 종 관성항법장치)의 자세를 계산(S21)하고,
그 계산된 자세와, 발사대 기준면에 장착된 수평계, 관성측정기 또는 관성항법장치를 이용하여 계산된 제2 자세(S22)의 차이를 근거로 세 축의 비정렬각을 계산한다(S23).
상기 제어부는, 그 계산된 세 축의 비정렬각을 항체에 저장하며(S24), 항체 발사 직전 상기 저장된 비정렬각과 주 관성항법장치의 자세를 이용하여 항체 내 관성항법장치(종 관성항법장치)의 초기자세를 계산한다(S25).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치의 비정렬각 산출 방법은, 수평자세에서 롤 회전을 이용하여 발사관의 수직자세가 없어도 세 축의 비정렬각을 구할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치의 비정렬각 산출 방법은, 상기와 같이 수평계를 이용하여 정밀한 주 관성항법장치가 없어도 세 축의 비정렬각을 구할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치의 비정렬각 산출 방법은, 상기와 같이 세 축의 비정렬각을 계산하여, 기존 One-Shot 정렬에서 수직상태에서 가속도계의 측정값을 이용하지 않고도 목표 정렬 정확도를 만족하는 초기정렬을 수행할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 관성항법장치의 비정렬각 산출 방법은, 상기와 같이 사전에 저장된 세 축의 비정렬각과 주관성항법장치의 항법 정보를 이용하여 항체의 초기 자세를 신속하게 결정할 수 있다. 따라서 초기정렬 시간을 단축할 수 있다.

Claims (5)

  1. 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치의 가속도계의 가속도값을 검출하는 단계와;
    상기 발사관의 롤 회전을 이용하여 상기 관성항법장치의 x축, y축, z축의 비정렬각을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정렬각 산출 방법.
  2. 항체의 발사관 내 관성항법장치의 비정렬각을 산출하는 방법에 있어서,
    항체의 발사대에 장착되는 발사관에 360도 롤(Roll) 회전이 가능한 회전 치구를 장착하는 단계와;
    발사관의 롤 각이 0이 되도록 발사관을 고정시키고, 발사관에 수평계를 장착하는 단계와;
    발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치의 가속도계의 가속도값을 검출하는 단계와;
    상기 발사관의 롤 각이 0일 때 상기 관성항법장치의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제1 자세를 계산하는 단계와;
    상기 롤 각이 0일 때 상기 수평계에서 측정된 발사대의 기준 자세와 상기 관성항법장치의 제1 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 y축의 제1 비정렬각을 구하는 단계와;
    상기 발사관의 롤 각이 90도일 때 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치의 가속도계의 가속도값을 이용하여 상기 관성항법장치의 제2 자세를 계산하는 단계와;
    상기 롤 각이 90일 때 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세와 상기 계산된 제2 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 z축의 제2 비정렬각을 구하는 단계와;
    발사관의 롤 각이 180일 때 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제3 자세를 계산하는 단계와;
    상기 롤 각이 180일 때 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세와 계산된 제3 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 y축의 제3 비정렬각을 구하는 단계와;
    상기 발사관의 롤 각이 270도일 때 발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치의 가속도계의 가속도값을 이용하여 관성항법장치의 제4 자세를 계산하는 단계와;
    상기 롤 각이 270일 때 수평계에서 측정된 발사관의 기준 자세와 상기 계산된 제4 자세를 비교하여 관성항법장치의 x축과 z축의 제4 비정렬각을 구하는 단계와;
    상기 계산된 제1 내지 제4 비정렬각을 평균화하여 관성항법장치의 세 축(x축, y축, z축)의 비정렬각을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정렬각 산출 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 비정렬각을 구하기 위해 상기 수평계 대신 관성측정기 또는 관성항법장치를 이용하여 상기 발사관의 기준 자세를 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비정렬각 산출 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 발사관은 하나 또는 다수의 발사관이며,
    상기 다수의 발사관 내의 다수의 항체에 장착된 다수의 관성항법장치의 비정렬각을 산출하는 방법을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비정렬각 산출 방법.
  5. 발사관 내 관성항법장치의 비정렬각을 산출하는 장치에 있어서,
    발사관과;
    발사관을 회전시키기 위한 회전 치구와;
    발사관의 일측에 장착된 수평계와;
    발사관 내의 항체에 설치된 관성항법장치의 가속도계의 가속도값을 검출하고, 상기 회전 치구를 통한 발사관의 롤 회전, 수평계를 통해 검출되는 발사관의 기준 자세, 가속도값을 근거로 상기 관성항법장치의 x축, y축, z축의 비정렬각을 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정렬각 산출 장치.
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